姜秀麗 韓增頌 尹 亮 亓海濱 鄧小新

（1.山東省機械設計研究院，濟南 250031；2.山東中車同力達智能裝備有限公司，濟南 250022）

中國制造2025的戰(zhàn)略決策，使得以智能制造為基礎的智能化工廠成為各行各業(yè)的革新目標。本文研制了基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的機械手搬運系統(tǒng)，可實現板材生產線加工企業(yè)實木板材的無人裝卸，有效解決了實木板材加工各工序之間搬運成本高的問題。

機械手搬運系統(tǒng)應用于板材自動化加工生產線和板材碼垛生產線，可實現實木板材的智能搬運和智能裝卸[1]。機械手主要由執(zhí)行機構、驅動機構和控制機構組成。機械手搬運系統(tǒng)利用機械手氣動部件和真空吸盤抓取物料，通過可編程序控制器實現對各種輸入信號的分析與處理，經過一定的邏輯判斷，對各個輸出元件如傳感器、電機驅動器等下達執(zhí)行命令，進而完成自動抓取、搬運、放料以及碼垛等一整套全自動作業(yè)流程[2-5]。

1 結構設計

根據物料特點選用氣壓驅動方式，主要設計選型如下。

1.1 設計參數

實木板材生產線可加工的板材主要有密度板、刨花板、實木板及生態(tài)板等，標準尺寸為1 220 mm 2 440 mm，厚度為2～25 mm。本文選取最具有代表性的密度板進行設計計算，負載質量m3=50 kg，行程為1 500 mm，行走速度vz為0.1～0.2 m·s-1，加速時間t=0.1 s，加速度az=vz/t即2 m·s-2；摩擦系數μ=0.1，滑塊間距bz=150 mm，質心到中心的距離Lz=1 300 mm。

1.2 選型計算

1.2.1 滑軌滑塊選型

由m3·(g+az)·Lz=FN3·bz，可得滑塊承受的正壓力FN3=5 200 N，這里g取10 m·s-2。

單個滑塊正壓力PN=FN3/4，即1.3 kN，進一步可得MP=FN3·bz，代入相關數值得MP=0.78 kN。

此外，單個滑塊靜力矩MP′=MP/4，計算可得為0.195 kN·m。

綜合考慮運行工況，根據表1，取安全系數為4，即fSL=fSM=4。由COZ=fSL·PZ和MP′=fSM·MP′，可 得COZ=5.2 kN和MP′=0.78 kN·m。根據計算結果進行型號確定，選擇HGH25HA型號直線導軌。

表1 安全系數表

1.2.2 伺服電機選型

（1）升降電機。由Fz=μ·4Pz，可得Fz=520 N。式中：Fz為滑塊承受的摩擦力，N；Pz為單個滑塊承受的正壓力，N。

提升負載所需的功率P0z=[Fz+m3·(g+az)]·vz，可得P0z=224 W。

根據計算結果進行型號確定，選擇西門子1Fk7042-2AC伺服電機，額定轉速為2 000 r·min-1，額定功率為0.6 kW，額定轉矩為2.8 N·m，轉子轉動慣量為2.9 10-4kg·m2。

（2）回轉電機。由Fx=μ·m·g，可得Fx=400 N。式中：Fx為回轉摩擦力，N；μ為回轉摩擦系數，計算時取0.1；m為回轉負載，計算時取400 kg；g為重力加速度，計算時取10 m·s-2。

由Fa=m·a，可得Fa=800 N。式中：Fa為回轉加速力，N；m為回轉負載，計算時取400 kg；a為啟動加速度，計算時取2 m·s-2。

由P0x=(Fx+Fa)·vx，可得P0x=240 W。式中：P0x為回轉所需功率，W；vx為回轉速度，計算時取0.2 m·s-1。

根據計算結果進行型號確定，選擇西門子1Fk7042-2AC伺服電機，額定轉速為2 000 r·min-1，額定功率為0.6 kW，額定轉矩為2.8 N·m，轉子轉動慣量為2.9 10-4kg·m2。

1.2.3 齒輪齒條選型

模數mz=2.5，齒數zz=21，于是將相關數值帶入公式dz=mz·zz，可得分度圓直徑dz=52.5 mm?？梢?，齒輪強度校核結果為合格。

1.2.4 減速機選型

轉矩T0Z和轉速n0z的計算公式分別為：

代入數據，可得T0Z=117.6 N·m，n0z=72.8 r·min-1。

在減速比iz=25、電機輸出轉矩為7.0 N·m、電機輸出轉速為2 000 r·min-1時，減速機輸出額定轉矩T1Z和減速機輸出額定轉速n1x分別為：

1.2.5 伺服電機慣量匹配

負載慣量Jz的計算公式為：

代入數據，可得Jz=0.136 kg·m2。負載作用在電機軸上的轉動慣量代入數據，可得Jz′=2.18 10-4kg·m2?11.2 10-4kg·m2。

1.2.6 吸盤選型

吸盤直徑D滿足：

式中：D為吸盤直徑，mm；G為所受重力，計算時取500 N；t為安全系數，水平吸附時t≥4，豎直吸附時t≥8，這里計算時取4；n為吸盤數量，計算時取8；p為吸盤真空度，計算時取0.05 MPa。

將數值帶入式（6），得D≥79.8 mm，取100 mm。

2 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)具有結構簡單、易于控制以及成本低等特點，因此這里的上下料機械手采用PLC作為處理器。采用PLC控制的機械手可沿軌道水平移動，以實現在不同工位之間的轉位操作，將物料放置到不同的工位，抓取裝置沿立柱上下運動，實現了物料的自動抓取和放置，降低了勞動成本和勞動強度，提高了生產效率。

上下料機械手控制箱內部包含漏電保護器、空氣開關、開關電源和PLC模塊。漏電保護器輸出端接空氣開關，空氣開關經過開關電源給PLC模塊供電。PLC模塊的主要工作是水平電機、升降電機、吸盤控制、各類按鈕、光電傳感器、機械限位開關采集以及出線故障輸出報警信息等。上下料機械手整體電控系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 電控系統(tǒng)框架圖

上下料機械手可分為手動控制模式和自動控制模式兩種控制模式。手動控制模式主要是用于調試或者出現問題時控制，通過按鈕可以進行電機上下、左右的旋轉控制，吸盤的打開和關閉，報警輸出控制等單獨控制。自動控制模式按下啟動按鈕后，上下料機械手從原點開始自動執(zhí)行搬運動作，直到按下停止按鈕停止工作。上下料機械手具體執(zhí)行流程如圖2所示。

PLC控制器作為整個控制系統(tǒng)的核心，主要采集各種反饋信號，判斷信號后發(fā)出相應的控制指令，同時把控制信息傳輸到上位機，并執(zhí)行上位機發(fā)送的控制指令。顯示界面主要負責顯示整個生產線故障的原因，及時排除生產線故障，提高自動化水平和生產效率。

3 建立三維模型

上下料機械手主要由回轉機構、升降機構、懸臂梁及真空吸附組件4部分組成，如圖3所示?；剞D機構的作用是完成上料位與下料位的定位和旋轉動作。升降機構用于完成懸臂梁的上升與下降動作。懸臂梁上承載著真空吸附組件。吸附組件包括真空吸盤、控制元件、管路和真空泵。真空吸盤用于抓取和釋放工件。

圖2 自動模式流程圖

圖3 上下料機械手示意圖

4 對懸臂梁進行有限元分析

懸臂梁采用矩形管與鋼板焊接結構，設計選取材料為Q235普通碳素鋼，屈服極限σ=235 MPa，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 900 kg·m-3。

懸臂梁三維模型網格圖，如圖4所示。通過運行有限元分析算例，即可對懸臂梁進行有限元分析，分析后的位移和應力分布云圖分別如圖5和圖6所示。由圖5可知，機械手抓取工件時，懸臂梁的最大位移變形發(fā)生在懸臂梁的最前端部，最大位移變形量約為0.39 mm，變形量較小。由圖6可知，機械手抓取工件時，懸臂梁的較大應力主要發(fā)生在上下兩塊肋板的邊緣，應力最大值約為5.8 MPa，遠小于懸臂梁材料的屈服極限235 MPa，因此強度滿足使用要求。

圖4 懸臂梁三維模型網格圖

圖5 懸臂梁位移云圖

圖6 懸臂梁應力云圖

5 結語

利用SolidWorks建立了機械手的三維實體模型，直觀展示了設計結構，并采用SolidWorks Simulation對主要零件進行有限元運動分析，可滿足當今的市場要求，使得整個搬運系統(tǒng)得到了優(yōu)化。實木板材加工生產線的自動搬運系統(tǒng)的研究及優(yōu)化的有限元分析，實現了生產線之間物料銜接的無人化操作，節(jié)約了成本，提高了經濟效益和整線的運行效率，對板材加工行業(yè)的智能化轉型具有積極的推動作用。優(yōu)化后的機械手搬運系統(tǒng)解決了市場上絕大多數板材的上下料仍然采用人工、勞動強度大、工作效率低以及自動化程度低等問題，大大提高了實木板材加工的生產效益，有助于實現實木板材行業(yè)的智能化轉型。