曹金梅 東莞理工學(xué)院 機械工程學(xué)院 曾志彬 黃市生 吳國洪 東莞市橫瀝模具科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司 李志峰 北京航天智造科技發(fā)展有限公司

0 前言

近年來，隨著工業(yè)自動化的不斷發(fā)展和用人成本的增加，企業(yè)生產(chǎn)中的上下料正向機械化、自動化轉(zhuǎn)型。機械手精度高、動作迅速、可長時間作業(yè)的特征正被相關(guān)企業(yè)應(yīng)用到上下料的生產(chǎn)中，極大提高了生產(chǎn)效率。基于工業(yè)機械化和自動化的發(fā)展以及氣動技術(shù)自身的一些優(yōu)點，氣動機械手已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)，機械手可用作夾持與搬運目標(biāo)物體，但傳統(tǒng)的機械手占空間面積較大，兼容性差，而由于自動上下料直接關(guān)系著數(shù)控機床的運行質(zhì)量和數(shù)控機床運轉(zhuǎn)的效率，故對于有些設(shè)備而言，在后續(xù)生產(chǎn)安排中需要增加設(shè)置機械手替代人工上下料，往往因為空間不足和控制程序的固定性而增加很大難度。

針對以上問題，本文提出了單片機在產(chǎn)品輸送中的應(yīng)用方案，大致為利用四個氣缸的協(xié)同配合，即不同時間內(nèi)控制不同氣缸的開閉來達(dá)到多方面的協(xié)作的效果，并通過齒輪與齒條、導(dǎo)軌與滑塊的傳動方式，實現(xiàn)氣爪從上料位到工作位的移動，夾持目標(biāo)物體，以Arduino控制器作為處理中心，光電開關(guān)作為主要傳感器，控制氣爪夾持目標(biāo)物體并從上料位移動到工作位，完全實現(xiàn)了利用機械手上下料的一系列過程。相比以上所提到的機械手，本文所述的一種自動上下料的機械手面積適中，兼容性好，有效地提高了數(shù)控機床的運行質(zhì)量和運行效率。下文將具體從機構(gòu)設(shè)計方面與控制系統(tǒng)方面進(jìn)行闡述。

1 硬件平臺設(shè)計

本文所設(shè)計的單片機在產(chǎn)品輸送中的應(yīng)用方案，由驅(qū)動件氣缸、各連接組件、各類傳動件、氣爪和限位件組成。其中，將旋轉(zhuǎn)座設(shè)置于立柱的上方，并通過螺栓連接。可旋轉(zhuǎn)的兩個軸承設(shè)置于旋轉(zhuǎn)座內(nèi)，并通過外卡簧限位。齒輪設(shè)置在轉(zhuǎn)軸中，轉(zhuǎn)軸設(shè)置于軸承中，利用卡簧限位?；瑝K安裝板設(shè)置于旋轉(zhuǎn)座側(cè)面，并通過螺栓連接?；瑝K導(dǎo)軌Ⅰ設(shè)置于滑塊安裝板中，并通過螺栓連接，其中，滑塊設(shè)置于滑塊安裝板下方，導(dǎo)軌設(shè)置于齒條底面，齒條與浮動鈑金連接，氣缸Ⅰ設(shè)置于滑塊安裝板上方，并通過螺栓連接。氣缸Ⅰ末端與浮動接頭Ⅰ連接，浮動接頭Ⅰ與浮動鈑金配合連接。通過齒條與齒輪配合傳動，實現(xiàn)水平直線運動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動。

鎖塊設(shè)置于轉(zhuǎn)軸一端，并通過螺栓連接，懸臂板設(shè)置于鎖塊前方，通過定位銷定位固定，并通過螺栓連接。加強板設(shè)置于懸臂板上，與懸臂板、鎖塊兩兩垂直，并通過螺栓連接。氣缸Ⅱ設(shè)置于懸臂板背面，并通過螺栓連接，兩滑塊導(dǎo)軌Ⅱ設(shè)置于懸臂板正面，并通過螺栓連接，通過導(dǎo)軌與滑塊的傳動方式，實現(xiàn)機械手的X軸移動。Z軸安裝板設(shè)置于滑塊導(dǎo)軌Ⅰ上，并通過螺栓連接，Z軸氣缸安裝板、滑塊導(dǎo)軌Ⅱ設(shè)置于Z軸安裝板上，并通過螺栓連接。氣缸Ⅲ設(shè)置于Z軸氣缸安裝板上，并通過螺栓連接，氣缸Ⅲ末端與浮動接頭Ⅱ連接。Z軸運動板設(shè)置于滑塊導(dǎo)軌Ⅱ的導(dǎo)軌上，并通過螺栓連接，浮動塊Ⅱ與Z軸運動板連接，并通過螺栓連接，浮動塊Ⅱ與浮動接頭Ⅱ配合運動，通過導(dǎo)軌與滑塊的傳動方式，實現(xiàn)機械手的Z軸移動。氣缸Ⅳ設(shè)置于Z軸運動板上，并通過螺栓連接，夾爪設(shè)置于氣缸Ⅳ，并通過螺栓連接，光電開關(guān)設(shè)置于夾爪內(nèi)，并通過螺紋連接。膠塊設(shè)置于夾爪上，并通過螺栓連接。當(dāng)夾持目標(biāo)物體時，氣缸Ⅰ的末端與齒條連接，通過齒條齒輪的傳動方式，實現(xiàn)機械手繞X軸旋轉(zhuǎn)；氣缸Ⅱ的滑塊與Z軸安裝板連接，通過導(dǎo)軌與滑塊的傳動方式，實現(xiàn)機械手的X軸移動；氣缸Ⅲ的末端與Z軸運動板連接，通過導(dǎo)軌與滑塊的傳動方式，實現(xiàn)機械手的Z軸移動；夾爪與Z軸運動板的末端連接；夾爪夾取目標(biāo)物體后，結(jié)合三個氣缸的協(xié)同動作，夾爪繞X軸由上料位旋轉(zhuǎn)到與數(shù)控機床主軸水平的位置，進(jìn)一步的，夾爪沿Z軸方向由數(shù)控機床主軸水平的位置移到數(shù)控機床主軸正前方，再進(jìn)一步的，夾爪沿X軸方向由數(shù)控機床主軸正前方移到目標(biāo)物體的加工位，實現(xiàn)把目標(biāo)物體從上料位運送到加工位，最后結(jié)合各氣缸的順序復(fù)位，實現(xiàn)目標(biāo)物體的全自動上下料。

通過這個硬件平臺的設(shè)計，上下料的機械手結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，通過四個氣缸不同時間段內(nèi)的開合，以及齒輪齒條、導(dǎo)軌滑塊的配合使用，可以實現(xiàn)多種夾持方式和，即包括物件的遠(yuǎn)近、物件的大小等，硬件平臺容易購買和搭建，當(dāng)自動上下料機械手故障時，只需調(diào)整或維修機械手而不會影響機床的正常運轉(zhuǎn)，便于維護。

2 控制系統(tǒng)搭建

系統(tǒng)的運行方式為：以Arduino控制器作為處理中心，繼電器為控制器，光電開關(guān)和磁性開關(guān)作為感應(yīng)器，氣爪作為執(zhí)行元件。Arduino控制器按指令通過繼電器控制五位三通電磁閥，改變進(jìn)出氣的方向，進(jìn)而控制氣爪張開與閉合以及機械手的移動。Arduino控制器采集光電開關(guān)的觸發(fā)信息，進(jìn)而通過繼電器對控制向下移動氣缸的電磁閥發(fā)出信號，當(dāng)氣爪到達(dá)上料位時，磁性開關(guān)將被觸發(fā)，Arduino控制器將感應(yīng)到磁性開關(guān)的電信號變化，從而通過繼電器控制電磁閥對氣爪發(fā)出閉合的信號；Arduino控制器采集磁性開關(guān)的電信號，按特定順序依次向各氣缸發(fā)出電信號，以實現(xiàn)機械手從上料位到工作位的功能；Arduino控制器按特定順序依次向各氣缸發(fā)出電信號，令各氣缸依次離開工作位，以達(dá)到全自動上下料的目的。總的來說就是光電開關(guān)和磁性開關(guān)傳感器所采集到的光信號以及電信號都會被采集回來到Arduino控制器中，然后經(jīng)過信號放大、脈沖輸出等信號處理以及程序調(diào)控，最終對執(zhí)行元件氣爪給出相關(guān)的指令，使得機械手能夠?qū)崿F(xiàn)上下料的功能。

3 結(jié)語

本文所做的工作總結(jié)如下：第一，根據(jù)功能的要求對機械手進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計；第二，根據(jù)上下料的功能要求搭建了控制系統(tǒng)。機械氣爪的張開與閉合動作采用電磁閥改變進(jìn)出氣的方向進(jìn)而控制氣缸前進(jìn)方向來實現(xiàn)，同時機械手從上料位到工作位的移動也是采用電磁閥改變進(jìn)出氣的方向進(jìn)而控制氣缸前進(jìn)方向來實現(xiàn)，與之配套的傳動方式采用了齒輪與齒條、導(dǎo)軌與滑塊的方式，全自動上下料的功能通過Arduino控制器+光電開關(guān)傳感器來實現(xiàn)，并且添加磁性開關(guān)保證整個運行過程的安全性。