梁勇東 葉文斌 鐘鍵 東莞理工學(xué)院機械工程學(xué)院 曾志彬 吳國洪 東莞市橫瀝模具科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司 陳學(xué)忠 廣東石東實業(yè)（集團）公司

1 前言

在工業(yè)自動化生產(chǎn)中，無論是單機還是組合機床，以及自動生產(chǎn)流水線，都要用到機械手來完成物體的取放。機械手在自動化生產(chǎn)中的優(yōu)勢是十分明顯的，可以部分代替人工操作，從而減少人工成本，提高生產(chǎn)效率；其次可以按照設(shè)定好的程序，實現(xiàn)對于部件的傳輸和裝卸，持續(xù)工作，而且精度高，一般不容易出現(xiàn)誤差，相比于人工操作更加精確；還有，其安全性好，對于一些危險性較大的工序，進行施工時，由于不需要進行人工操作，因此可以有效保證，人員安全，減少意外事故的發(fā)生。

其中就有利用機械手搬運大件貨物，目前，搬運大件貨物（如大型紙箱）的機械手大多數(shù)采用吸盤把貨物提起從而進行搬運的方式，然而，容易發(fā)生吸不住，提不起來的現(xiàn)象，并且在吸放的重復(fù)性動作中，真空吸盤容易老化，需要時常更換真空吸盤，對于大規(guī)模使用吸盤機械手搬運貨物的環(huán)境，時常更換真空吸盤極大影響了工作效率。然而，企業(yè)往往需要運行更可靠，效率更好的貨物夾持器。

在自動生產(chǎn)線中，各種型式的機械手應(yīng)用越來越廣泛。現(xiàn)代的機械手采用各種電氣、機械、液壓、氣動傳動機構(gòu)，并用電子系統(tǒng)進行控制，以實現(xiàn)模仿人的手臂和手指動作，而其手爪的結(jié)構(gòu)也是各式各樣。根據(jù)上述情況，手爪方式更適合大件貨物的夾持，手爪的設(shè)計是各型式的機械手重點，通常的夾持手爪是通過直接使用氣動推動，但該方法在大件貨物中較為不穩(wěn)定，偶爾出現(xiàn)卡物的情況，違背了公司對夾持器運行可靠，效率好的要求。因此有必要設(shè)計一款適合大件貨物搬運的機械手。

針對以上問題，本文提出了一種基于PLC在智能裝備領(lǐng)域的應(yīng)用示范的設(shè)計方案，大致為將氣缸的末端與手爪的一側(cè)連接，利用一個氣缸驅(qū)動，并通過光軸與滑塊、一個齒輪兩平行齒條的傳動方式，實現(xiàn)手爪的兩側(cè)同步動作，夾持貨物。下文將具體從機構(gòu)設(shè)計方面與控制方面進行闡述。

2 設(shè)計

根據(jù)目標(biāo)功能，本文所設(shè)計的應(yīng)用于夾持大件貨物的手爪，在機構(gòu)上分別從驅(qū)動部分、傳動部分和執(zhí)行部分三方面進行設(shè)計。驅(qū)動部分包括有氣缸，該氣缸是一種直線推桿氣缸，氣缸水平設(shè)置在手爪基體的上側(cè)方，通過氣缸固定件連接手爪基體，手爪基體是機械手的最基本結(jié)構(gòu)，氣缸固定件由一塊角鋁連接水平設(shè)置的鋁板組成，角鋁固定連接直線推桿氣缸，鋁板與手爪基體連接，進一步與角鋁連接，從而固定直線推桿氣缸。

傳動部分包括有缸爪連接件（連接直線氣缸與手爪的零件）、手爪固定板、光軸滑塊、齒條、齒輪。其中缸爪連接件設(shè)置于氣缸輸出軸的末端，同時在手爪基體的左側(cè)，進一步連接手爪固定板，氣缸動作時缸爪連接件隨著氣缸產(chǎn)生相對于手爪基體的移動，手爪固定板設(shè)置于兩個光軸滑塊的下表面，從而手爪固定板可隨氣缸移動。光軸與光軸滑塊配套使用，總設(shè)計樣式為四根光軸、四個光軸滑塊，并且為兩行兩列分布式，其中一根光軸通過兩個光軸支座固定在手爪固定板的下表面，光軸與滑塊輔助于手爪產(chǎn)生相對運動。手爪固定板設(shè)置在手爪基體的下表面，進一步的齒條設(shè)置在手爪固定板的下表面，左右兩根齒條圍繞齒輪平行設(shè)置，實現(xiàn)兩齒條相對運動。齒輪是一種帶軸承的齒輪，與齒條一同設(shè)置在定位板的上表面，定位板起著支撐兩條齒條的作用。定位板設(shè)置與齒輪軸連接，并設(shè)置于齒輪的下表面，齒輪與齒輪軸套合使用，齒輪軸設(shè)置在固定板的下方，兩者通過齒輪固定件固定連接；齒輪軸固定不旋轉(zhuǎn)，齒輪自帶軸承可旋轉(zhuǎn)。手爪基體的上表面設(shè)置了通孔，用于與機械手主體連接。執(zhí)行部分包括手爪，手爪設(shè)置在手爪固定板的下方，手爪呈L型，用于夾持貨物。

本文所設(shè)計的手爪可跟生產(chǎn)線的其他自動化設(shè)備一起使用，通過手爪基體的通孔連接至機械手末端，該手爪的氣缸通過進出氣口與氣動電磁閥連接，進一步的，氣動電磁閥的com端與PLC的輸出端電連接，氣動電磁閥的常開端與+24V電連接。PLC控制器按順序指令執(zhí)行，當(dāng)PLC向氣動電磁閥的com端的輸出狀態(tài)改變時，氣體進入氣缸的方式改變，氣缸動作，通過缸爪連接件帶動左邊的手爪固定板運動，進而帶動與左邊的手爪固定板連接的齒條運動，配合齒輪的傳動，實現(xiàn)左右兩平行設(shè)置的齒條相對運動，結(jié)合光軸的導(dǎo)向作用，實現(xiàn)手爪的相對運動，從而可夾持貨物。具體運動方式為，氣缸縮短時，通過缸爪連接件帶動左側(cè)手爪向右移，進一步帶動左齒條向右移動，在嚙合的作用下，齒輪產(chǎn)生順時針轉(zhuǎn)動，并且?guī)佑引X條往左移動，右側(cè)手爪也同步地向左移動，機械手處于夾取狀態(tài)。由于左齒條與右齒條的齒距相同，因此左齒條與右齒條是同步動作的，并且保持著兩個齒條的中心與被夾取的物體的中心重合，有利于物體的定位。氣缸伸長時，通過缸爪連接件帶動左側(cè)手爪向左移，進一步帶動左齒條向左移動，在嚙合的作用下，齒輪產(chǎn)生逆時針轉(zhuǎn)動，并且?guī)佑引X條往右移動，右側(cè)手爪也同步地向右移動，機械手處于張開狀態(tài)。

圖1 機構(gòu)設(shè)計圖

3 結(jié)語

本文所做的工作為：根據(jù)功能的要求對移動機器人進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計。本文所設(shè)計的應(yīng)用于夾持大件貨物的手爪只用一個氣缸進行驅(qū)動，控制方式簡單，使用齒輪齒條傳動方式，安裝方便，并且，一個齒輪兩平行齒條的傳動方式，直接使得機械手末端的中心與貨物的中心在同一垂直面上，容易定位，為機械手的運動定位提供了便捷，符合企業(yè)所需要的安裝方便，控制簡單等特點。