王威 金麗麗 許方富 朱偉 顏建國 趙瑜

摘要：本文基于機(jī)械手的應(yīng)用背景及硬件參數(shù)為基本參照點(diǎn)，對紙漿餐盤成型機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，分別從手部結(jié)構(gòu)、手腕結(jié)構(gòu)、氣壓動(dòng)力系統(tǒng)等方面介紹了機(jī)械設(shè)計(jì)的基本思路，結(jié)合著PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制，有效的滿足了制造工藝的基本要求。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);控制系統(tǒng)

引言

目前，紙漿餐盤成型的上下料基本采用人工在烘干機(jī)和撈漿機(jī)之間來回操作，上下料效率極其低下，對此本文研制了一種一次性紙漿餐盤成型上下料機(jī)械手，將人工動(dòng)作變?yōu)闄C(jī)械自動(dòng)化操作。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)涵蓋機(jī)械結(jié)構(gòu)以及控制電路結(jié)構(gòu)兩大部分。不僅大大的減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)還有效的提升了生產(chǎn)效率。

1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式直接決定著其基本功能，不同機(jī)械結(jié)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)范圍以及方式是不同的，根據(jù)實(shí)際的使用需求，本文以圓柱座標(biāo)式氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)紙盤餐具的抓取、搬運(yùn)等基本功能，使其在實(shí)際的工作進(jìn)程中能夠始終保持著穩(wěn)固的直立姿態(tài)。

2 機(jī)械手主要機(jī)械部件設(shè)計(jì)

2.1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了物體的直接抓取，主要有氣流負(fù)壓式和夾持式兩種主要形式[1]，在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的互相配合下對手部運(yùn)動(dòng)進(jìn)行綜合控制，進(jìn)而達(dá)到抓取物體的主要目的。為了實(shí)現(xiàn)手指的靈活動(dòng)作，采用齒輪和齒條互相配合的傳動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)對稱運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而控制手指的張開和夾緊。

2.2手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

手腕是機(jī)械手部和手臂之間傳動(dòng)的基本機(jī)械部件，設(shè)計(jì)主要是針對手部動(dòng)作進(jìn)行綜合調(diào)整，實(shí)現(xiàn)靈活的動(dòng)作控制。在物體的搬運(yùn)作業(yè)當(dāng)中，物體擺放的位置是固定的，本文的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)通過調(diào)整手部結(jié)構(gòu)能夠恰當(dāng)?shù)膶ξ矬w進(jìn)行夾持。

2.3氣壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

氣壓系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)械裝置的動(dòng)力所在，通過氣缸的作用在各個(gè)機(jī)械部件上進(jìn)而驅(qū)動(dòng)各個(gè)部件的動(dòng)作[2]。這個(gè)過程中機(jī)械手不僅能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的回轉(zhuǎn)和伸縮，同時(shí)還要具備一定的精細(xì)作業(yè)的能力，對此本文采用了雙氣缸的設(shè)計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控制。雙氣缸的設(shè)計(jì)方法避免了氣壓系統(tǒng)的頻繁啟停和調(diào)整。

3 搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制

3.1 控制要求

機(jī)械手對物體的搬運(yùn)不僅按照要求完成指定位置的移動(dòng)，同時(shí)還要具備物體位置的自動(dòng)檢測和追蹤，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的計(jì)數(shù)功能，實(shí)時(shí)的展示搬運(yùn)數(shù)量等參數(shù)，具有較高的控制精度和靈敏度。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用主流的PLC控制技術(shù)，為了充分的做好接口的資源利用，系統(tǒng)采用7個(gè)I/O口作為輸入，其中涵蓋5個(gè)控制信號以及限制信號和執(zhí)行信號燈信息參數(shù)。

3.3 控制邏輯

機(jī)械手的所有運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)都是通過電磁閥來作為基本的執(zhí)行結(jié)構(gòu)來進(jìn)行的，實(shí)現(xiàn)了上升、下降、左移、右移等基本操作，在多個(gè)控制指令的協(xié)同操作下，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的靈活多樣控制，以固定的動(dòng)作組合進(jìn)行重復(fù)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)完整的控制流程，進(jìn)而對機(jī)械手進(jìn)行任意動(dòng)作的調(diào)整。

4 上下料機(jī)械手的流程及參數(shù)設(shè)置

本項(xiàng)目研制的上下料機(jī)械手主要針對為餐盤，也可以適用于其他紙漿制品，比如碟子、飯盒等等。

4.1 上下料機(jī)械手工作流程設(shè)計(jì)

一次性紙漿餐盤成型上下料機(jī)械手用于在撈漿機(jī)和烘干機(jī)之間來回上下料鐵絲網(wǎng)及附著的紙漿餐盤。

烘干機(jī)內(nèi)設(shè)有第一鐵絲網(wǎng)，撈漿機(jī)內(nèi)設(shè)有第二鐵絲網(wǎng)，一次性紙漿餐盤成型上下料機(jī)械手內(nèi)設(shè)有第三鐵絲網(wǎng)。在撈漿機(jī)位置時(shí)，機(jī)械手的下層濾網(wǎng)抓取模塊用于將有紙漿的第二鐵絲網(wǎng)從撈漿機(jī)內(nèi)取出，機(jī)械手上層濾網(wǎng)抓取模塊用于將空的第三鐵絲網(wǎng)放入撈漿機(jī)內(nèi)撈漿。在烘干機(jī)位置時(shí)，機(jī)械手上層濾網(wǎng)抓取模塊用于從烘干機(jī)內(nèi)取出已烘干的第一鐵絲網(wǎng)，機(jī)械手下層濾網(wǎng)抓取模塊用于將第二鐵絲網(wǎng)放入該烘干機(jī)內(nèi)。在完成機(jī)械手上層濾網(wǎng)抓取模塊將烘干機(jī)內(nèi)取出已烘干的第一鐵絲網(wǎng)后，餐盤下料模塊將第一鐵絲網(wǎng)內(nèi)的紙漿餐盤成品通過真空吸走;并在機(jī)械手處在撈漿機(jī)位置時(shí)，將紙漿餐盤成品放掉并外部回收。

4.2 機(jī)械手關(guān)鍵參數(shù)確定

機(jī)械手各個(gè)部位的最大速度和負(fù)載能力是機(jī)械手設(shè)計(jì)過程中所必須考慮的技術(shù)參數(shù)。機(jī)械手最大速度與電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速、減速器的減速比、同步帶輪節(jié)徑或齒輪節(jié)徑有關(guān)。負(fù)載能力與電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩、減速器的減速比、同步帶輪節(jié)徑或齒輪節(jié)徑有關(guān)。在電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速一定的情況下，減速比越小、帶輪（齒輪）節(jié)徑越大，機(jī)械手能夠達(dá)到的最大速度便會(huì)越大。

X軸關(guān)鍵參數(shù)求解：

已知數(shù)據(jù)：減速器型號：PB90-10;伺服電機(jī)：ECMA-C21010SS;斜齒輪：HGL40-M2-21-22;斜齒輪螺旋角為：19.528°;

節(jié)圓直徑：d=mz/cosβ=2*21/cos19.528=44.56mm;

電機(jī)轉(zhuǎn)1圈時(shí)，齒條運(yùn)動(dòng)距離為：

L=π*d/減速比=3.14*44.56/10=13.99184mm

Z軸關(guān)鍵參數(shù)求解：

已知數(shù)據(jù)：減速器型號：PB120-40;伺服電機(jī)：ECMA-E21320SS;斜齒輪：HGL40-M2-30-32;

斜齒輪螺旋角為：19.528°;

節(jié)圓直徑：d=mz/cosβ=2*30/cos19.528=63.66mm;

電機(jī)轉(zhuǎn)1圈時(shí)，齒條運(yùn)動(dòng)距離為：

L=π*d/減速比=3.14*63.66/40=4.99731mm

同步帶關(guān)鍵參數(shù)求解：

已知數(shù)據(jù)：同步帶輪5M-齒數(shù)20，節(jié)圓直徑d=31.83mm;

同步帶輪轉(zhuǎn)一圈，滑塊距離：L=π*d=3.14*31.83mm=100mm;

電機(jī)轉(zhuǎn)速：900r/min;

滑塊運(yùn)動(dòng)距離500mm所需時(shí)間為：1秒;

4.3 機(jī)械手主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一次性紙漿餐盤成型上下料機(jī)械手的主要構(gòu)造包括龍門架、移動(dòng)部分和電控柜。上下料機(jī)械手移動(dòng)部分主要以X軸、Z軸以及吊籃結(jié)構(gòu)為主。機(jī)械手為5軸，分為橫軸、縱軸、取料上框、取料下框、下料。X軸和Z軸可分別實(shí)現(xiàn)水平和豎直兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，其主要由齒輪、齒條、直線導(dǎo)軌、減速器、1kw伺服電機(jī)、2kw伺服電機(jī)、焊接豎直立梁和塑料拖鏈等零部件組成，配備直線導(dǎo)軌滑塊自動(dòng)加油功能。其中，油路潤滑系統(tǒng)包括了自動(dòng)油泵、卸壓式油路分配器、流體控制閥和油嘴接頭等零部件，具備導(dǎo)軌滑塊定時(shí)定量自動(dòng)注油潤滑，可實(shí)現(xiàn)X-Z軸以及吊籃兩條潤滑油路的分開控制。

5結(jié)語

隨著我國制造業(yè)的發(fā)展，對于各種半自動(dòng)化的應(yīng)用場景的要求越來越高，結(jié)合著實(shí)際工況設(shè)計(jì)最佳的結(jié)構(gòu)形式和控制系統(tǒng)才能滿足日益多元化的工業(yè)自動(dòng)化需求，本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)具有動(dòng)作靈活、反應(yīng)敏捷以及可靠性高的基本功能，有效的滿足了餐盤成型過程中制造工藝的基本要求。

參考文獻(xiàn)

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[2]江麗珍，段海峰，趙易，劉楚生.基于PLC的注塑機(jī)械手自動(dòng)取件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].塑料，2021，50（02）：82-86.

作者簡介：王威（1986-10），男，漢，浙江臺州人，碩士學(xué)歷，中級工程師，主要從事電力電子控制的研究。