高強(qiáng)，吳忠億，邵長(zhǎng)猛

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一種小型專用分揀機(jī)械手的設(shè)計(jì)與研究

高強(qiáng)1，吳忠億1，邵長(zhǎng)猛2

（1.沈陽(yáng)工程學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136；2.京能錫林郭勒發(fā)電有限公司，內(nèi)蒙古 錫林郭勒 026000）

根據(jù)企業(yè)需求，論述基于PLC控制的物品分揀機(jī)械手，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同顏色物品歸類的目的。對(duì)機(jī)械手控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)化設(shè)計(jì)，使用AutoCAD、UG三維軟件建模、繪制控制電路圖、液壓圖、分配I/O接口編制PLC程序，著重對(duì)手部夾持力進(jìn)行計(jì)算并選取液壓缸，使用力控軟件搭建模型進(jìn)行模擬運(yùn)行，驗(yàn)證程序的可行性，達(dá)到預(yù)期效果，并試制出樣機(jī)。

機(jī)器手；液壓；PLC；UG

機(jī)械手是具有高強(qiáng)度、高精度的新型裝置[1]，可以按照預(yù)先設(shè)定的程序，完成預(yù)先規(guī)定的動(dòng)作，在特殊環(huán)境中代替人完成工作。某企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中需要對(duì)鍍鋅棒、普通鐵棒完成分揀捆扎任務(wù)，具體要求如表1，先期為企業(yè)研發(fā)的設(shè)備如圖1，存在機(jī)械手夾持不牢、電機(jī)驅(qū)動(dòng)抱閘不穩(wěn)定等問(wèn)題，針對(duì)這些不足，本文設(shè)計(jì)了一種小型分揀機(jī)械手，如圖2，依據(jù)兩種棒料顏色不同的特點(diǎn)，使用灰度傳感器完成識(shí)別過(guò)程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩種棒料的分離包裝。

1 機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

機(jī)械手手部多為夾持式與負(fù)壓吸盤(pán)式[2]，本設(shè)計(jì)應(yīng)用于棒料夾取，故選用夾持式。針對(duì)前期設(shè)計(jì)存在的夾取不牢、容易滑脫的缺陷，特設(shè)計(jì)成圖2所示齒輪齒條連桿式移動(dòng)夾持器，其中電磁式驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)齒條桿和兩個(gè)扇形齒輪，扇形齒輪帶動(dòng)連桿旋轉(zhuǎn)。連桿驅(qū)動(dòng)兩個(gè)鉗爪作平移以及夾緊和松開(kāi)動(dòng)作，這樣的手部設(shè)計(jì)能有效防止金屬棒料的滑脫。

圖1 初始設(shè)計(jì)實(shí)物及改進(jìn)模擬圖

表1 技術(shù)參數(shù)表

抓取工件重量＝50 N；V形手指的角度2＝90°，鉗爪回轉(zhuǎn)半徑＝100 mm＞夾持半徑＝31 mm。

有經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：為驅(qū)動(dòng)力，N；F為握力，N。

根據(jù)手指夾持工件的位置進(jìn)行理論力學(xué)分析，可得：

計(jì)算得到：F＝25 N、＝166.6 N

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，則有：

式中：F為實(shí)際驅(qū)動(dòng)力，N；1為傳動(dòng)效率，取1＝0.95；1為安全系數(shù)，取1＝1.5；2為加速影響下的安全系數(shù)，取極限情況下機(jī)械手抓取棒料加速度為＝2時(shí)，2＝1＋/＝3。

Fo

≥

Fs

＝789.5 N （4）

式中：F為輸出推力，N。

即在夾持工件時(shí)所需夾緊液壓缸的輸出推力為789.5 N。

1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

立柱旋轉(zhuǎn)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，由于整個(gè)機(jī)構(gòu)在水平方向上只有較小的阻力，所以采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以準(zhǔn)確控制旋轉(zhuǎn)角度，保證機(jī)械手在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的位置精度；因液壓驅(qū)動(dòng)具有較大輸出力、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、閉鎖性能好，考慮到需抓取5 kg棒料，加之手部自身重量、整體精度等方面的要求，手臂升降、伸縮和手部夾緊運(yùn)動(dòng)均采用液壓驅(qū)動(dòng)的方式。

2液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 手部松緊液壓缸的設(shè)計(jì)

手部松緊液壓缸采用單向作用液壓缸。其活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時(shí)的總阻力，公式為：

式中：1為活塞桿上的推力，N；F為彈簧反作用力，N；F為液壓缸工作時(shí)的總阻力，N；為液壓缸工作壓力，Pa；為液壓缸直徑，mm。

式中：G為彈簧剛度，N/m；為彈簧預(yù)壓縮量，m；為活塞行程，m；1為彈簧鋼絲直徑，m；1為彈簧平均直徑，mm；為彈簧有效圈數(shù)；為彈簧材料剪切模量，一般取＝79.4×109Pa。

在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率的影響，則：

由以上分析得：

代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得：

G＝3677.46 N/m、F＝220.6 N

所以：＝65.23 mm

圓整得：＝65 mm

由/＝0.2～0.3，可得：

＝（0.2～0.3）＝13～19.5 （9）

式中：為活塞桿直徑，mm。

其中[]＝120 MPa、1＝750 N，則：

滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。

2.2 立柱升降液壓缸的設(shè)計(jì)

（1）液壓缸的選擇

液壓缸運(yùn)行長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為＝120 mm，液壓缸內(nèi)徑為1＝110 mm，半徑＝55 mm，壓強(qiáng)＝0.4 MPa，則驅(qū)動(dòng)力0＝πr2＝3799 N。

（2）尺寸校核過(guò)程

經(jīng)過(guò)估算，手臂、手部結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為50 kg，取g＝10 N/kg，重力為1＝500 N；

所設(shè)計(jì)的加速度，＝5 m/s2，則慣性力2＝250 N；

考慮活塞機(jī)構(gòu)的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù)＝0.098，G＝2＝24.5 N，總受力G＝＋2＋G＝774.5 N，G＜0，所以設(shè)計(jì)尺寸符合實(shí)際使用要求。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本機(jī)械手的手臂上具有三個(gè)自由度：水平方向上手臂的伸、縮，豎直方向上立柱的升、降，繞豎直立柱的旋轉(zhuǎn)，以及末端執(zhí)行裝置手部部分的抓取動(dòng)作。

3.1 設(shè)計(jì)控制流程

機(jī)械手啟動(dòng)后按照?qǐng)D3流程，通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)手臂升降，通過(guò)PLC控制液壓系統(tǒng)中電磁閥的激勵(lì)順序來(lái)控制手臂的動(dòng)作，由末端均放置的行程開(kāi)關(guān)檢測(cè)動(dòng)作是否到位。手部手指上安裝有壓力傳感器，將壓力信號(hào)輸入PLC，檢測(cè)夾持力[3-5]。

圖3 機(jī)械手動(dòng)作流程圖

3.2 I/O分配

采用西門(mén)子S7-200系列CPU224作為整個(gè)機(jī)械手的控制用PLC[6]，其輸入輸出接口如表2。

按圖4連接PLC端口，SQ1為啟動(dòng)開(kāi)關(guān)；XC1、XC3、XC4、XC5、XC7、XC8為行程開(kāi)關(guān)；CG2、CG6為壓力傳感器；JJ9為接近開(kāi)關(guān)；DT1、DT2、DT3、DT5、DT6、DT7為電磁閥接線端口，BM4、BM8為編碼器接線端口；FM9為報(bào)警器；DG10為提示燈；DC11、DC12為電磁制動(dòng)器接線端。

表2 輸入輸出接口分配表

圖4 PLC接線圖

3.3 PLC的控制程序

按照流程圖編寫(xiě)PLC程序T圖，節(jié)選如圖5所示。

4 結(jié)論

使用力控軟件搭建機(jī)械手運(yùn)動(dòng)液壓回路圖如圖6所示，驗(yàn)證了PLC程序的正確性。本設(shè)計(jì)在原有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)手部造型設(shè)計(jì)，使其更適合金屬棒料的牢固夾?。皇褂靡簤合到y(tǒng)代替電機(jī)絲杠驅(qū)動(dòng)形式，使機(jī)械手定位更加準(zhǔn)確穩(wěn)定。最終設(shè)計(jì)出可行性高、適合該企業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械手。

圖5 PLC程序圖節(jié)選

圖6 力控仿真圖

[1]梁景凱，蓋玉先. 機(jī)電一體化技術(shù)與系統(tǒng)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[2]牛瑞麗. 基于西門(mén)子PLC的小型搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 南京：南京理工大學(xué)，2013.

[3]高欽和. 可編程控制器應(yīng)用技術(shù)與設(shè)計(jì)[J]. 北京：人民郵電出版社，2004.

[4]王永華. 現(xiàn)代電氣控制及應(yīng)技術(shù)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

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Design and Research of a Small Sorting Manipulator System

GAO Qiang1，WU Zhongyi1，SHAO Changmeng2

( 1.Mechanical engineering institute, Shenyang Institute of Engineering, Shenyang 110168, China;2.Beijing gol Power Co. Ltd, Xilinguole 026000, China )

This paper is based on the needs of enterprise, discuss the sorting manipulator that is used to control of goods is based on the PLC so that achieve the purpose for sorting the different colors of goods. the control of manipulator、diving system and executive mechanism are designed systematically in the paper, make use of 3D software-Auto CAD、UG to be modeling、drawing control circuit diagram、hydraulic chart、compiling PLC program by distributing i/o interface, the main point is the calculation of gripping force of hand and choose hydraulic cylinder, make use of force control software to build model so that simulation operation、verify the feasibility of the program and achieve desired results and try on make the prototype machine.

robot hand；hydraulic；PLC；UG

TP273

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.05.013

1006－0316 (2018) 05－0048－04

2017－10－24

高強(qiáng)（1986－），男，滿族，遼寧葫蘆島人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)槿斯ぶ悄堋?/p>