田 泉，殷 歡

（江西機電職業(yè)技術(shù)學院，江西 南昌 330013）

1 概述

隨著我國工業(yè)水平的不斷提高，傳統(tǒng)勞動密集型制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的需求越來越迫切，機械自動化產(chǎn)品以其生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低、安全性高等優(yōu)點廣泛應用于制造行業(yè)。以稀土行業(yè)為例，在稀土金屬錠的生產(chǎn)過程中，傳統(tǒng)的人工上料方式不僅效率低下，而且還存在安全風險。

本文設(shè)計了一套稀土金屬錠上料裝置用于替代傳統(tǒng)人工運輸塊狀類物料，包含有進料臺、儲料倉、出料臺、垂直滑臺、水平滑臺和機械手爪等部件，可實現(xiàn)自動進料抓取、料倉緩沖儲料和自動抓取出料等功能。要求上料裝置能夠自動從進料平臺送料到出料平臺，然后自動將進料平臺的金屬錠存儲到儲料倉，再從儲料倉取料送至出料平臺，其中，儲料倉的容積應不少于100塊稀土金屬錠[1-4]。

本文所述稀土金屬錠的形狀類似于矩形梯臺狀，受澆鑄工藝等影響，形狀偏差較大，六個面凹凸起伏明顯，平面度偏差量最大可達到±10 mm。為便于理解，本文仍以矩形梯臺名稱來描述稀土金屬錠，認定梯臺大臺面的長為長，大臺面的寬為寬，大臺面與小臺面之間的距離為高，則稀土金屬錠尺寸為長×寬×高（單位為mm）：（215±15）×（125±15）×（85±15），拔模角按13°計算，最大質(zhì)量按15 kg 計算。

設(shè)計時具有以下幾個難點：一是由于稀土金屬錠的特殊性，機械手爪如何適應稀土金屬錠外形和尺寸的較大偏差，保證抓取的穩(wěn)定性和可靠性問題；二是如何對每塊稀土金屬錠的外形進行檢測；三是機械手爪的尺寸受空間限制的問題。

2 自動上料裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

自動上料裝置的總體結(jié)構(gòu)[5-6]包括進料臺、出料臺、儲料倉、桁架、水平滑臺、垂直滑臺和機械手爪等主要部件，如圖1 所示。

圖1 自動上料裝置總體結(jié)構(gòu)

進料臺是一臨時儲料平臺。上一道工序完成后，稀土金屬錠被送至此處等待自動上料。出料臺是連接下一道工序的臨時儲料平臺。當出料傳感器檢測到此處有物料時，下一道工序可從此平臺取走金屬錠。出料臺金屬錠未取走之前，自動上料裝置不會繼續(xù)上料，而是將進料臺處的金屬錠搬至儲料倉緩存，等到出料臺和進料臺均無金屬錠時，再將儲料倉中緩存的金屬錠搬運至出料臺。儲料倉是用于存儲物料的部件，由多個單元組成，每個單元可以堆疊若干塊金屬錠。

桁架是滑臺的支撐框架，同時也是進料臺和出料臺的安裝架。水平滑臺安裝在桁架上方，機械手爪在水平滑臺上做水平方向移動，有效行程3 m，最大移動速度400 mm/s，載荷60 kg。垂直滑臺安裝在水平滑臺的活動架上，整體由水平滑臺控制其水平方向運動。機械手爪在垂直滑臺上做垂直方向移動，有效行程1.2 m，最大移動速度333 mm/s，載荷40 kg。機械手爪用于物料的抓取，安裝在垂直滑臺的下端，整體由垂直滑臺控制其上下方向運動。

3 自動上料裝置的零部件設(shè)計

3.1 進料臺的設(shè)計

進料臺主要由進料托盤和進料托盤支架兩部分組成，進料托盤安裝在進料托盤支架和桁架的入口側(cè)橫梁上，進料托盤支架也固定在桁架的入口側(cè)橫梁上[7]，如圖2所示。

圖2 進料臺

進料托盤采用不銹鋼材料制作，主要由底板、端擋板和側(cè)導向板組成，如圖3 所示。兩側(cè)對稱布置的側(cè)導向板呈喇叭口形。儲料位置在末端，并設(shè)有端擋板進行限位。末端兩側(cè)開有缺口，用于避讓機械手爪手指的運動。底板在靠近末端的中間位置開有通孔，是傳感器探測物料的通道。傳感器固定安裝在通孔下方的進料托盤支架上。

圖3 進料托盤

3.2 出料臺的設(shè)計

出料臺主要由出料臺架、出料推料機構(gòu)和物料檢測傳感器組成[8]，如圖4 所示。出料臺架是出料臺的主體結(jié)構(gòu)，上方是放置物料的平臺，兩側(cè)設(shè)有側(cè)擋板，出料推料機構(gòu)安裝在其內(nèi)部中間位置，出料臺架的進出兩端分別布置有一個物料檢測傳感器。出料臺架的進口側(cè)（圖中右側(cè)）是機械手爪送料到達位置，因此，設(shè)置有避讓手爪手指運動的缺口。

圖4 出料臺

出料推料機構(gòu)由一氣缸帶動一塊刮板，實現(xiàn)對物料推送的目的。其中，刮板上設(shè)置了自動翻轉(zhuǎn)機構(gòu)，便于在出料臺架進口側(cè)有物料時及時回位。

3.3 儲料倉的設(shè)計

儲料倉主要由若干組開門式料倉單元和料倉底座組成，如圖5 所示。開門式料倉單元呈直線等距排列，通過螺栓固定安裝在料倉底座上。本設(shè)計按每組開門式料倉單元存儲8 塊稀土金屬錠計算，為達到100 塊的總存儲容量，設(shè)置了13 組開門式料倉單元，至少可存儲104塊稀土金屬錠。

圖5 儲料倉

3.4 桁架的設(shè)計

桁架[9]主要包括兩個龍門架、兩根上橫梁和兩根下橫梁，如圖6 所示。上橫梁及下橫梁都是通過螺栓與龍門架固定連接。上橫梁上方焊接有安裝板，用于安裝水平滑臺。下橫梁上開有安裝孔，用于進料臺和出料臺的固定安裝。

圖6 桁架

3.5 機械手爪的設(shè)計

機械手爪主要由手爪架、氣缸、連桿、夾爪座、夾爪和襯墊等組成，如圖7 所示。手爪架是整個機械手爪的安裝基礎(chǔ)。氣缸末端與手爪架通過法蘭連接。兩根連桿一端與氣缸的叉頭通過銷松配合連接。兩根連桿的另一端分別與兩夾爪座通過銷松配合連接。夾爪與夾爪座通過螺栓固定連接。夾爪座可以帶動夾爪在手爪架下部的平臺導槽內(nèi)滑動，由氣缸伸縮帶動連桿驅(qū)動夾爪座移動，實現(xiàn)夾爪的夾持動作。為增強夾爪在夾持稀土金屬錠時的摩擦力，設(shè)置了具有較大彈性的耐磨板襯墊。

圖7 機械手爪

3.5.1 夾爪的設(shè)計

夾爪主要由夾指、滑塊和螺釘組成，如圖8 所示。夾指上部有一圓臺，松配合插入到滑塊的孔中，可繞孔中心旋轉(zhuǎn)一角度，從而使得夾爪在夾持稀土金屬錠時具有少量的調(diào)整空間，保證夾持穩(wěn)定可靠。另外，夾爪的下部末端設(shè)有一凸臺，一方面可以定位襯墊，另一方面可以增加一層保護功能，防止夾持摩擦力不足時被夾持稀土金屬錠脫落。

圖8 夾爪

3.5.2 機械手爪受力分析

機械手爪的受力分析可簡化為如圖9 所示，其中，F(xiàn)拉為氣缸的拉力，當OA和OB等長，表示為連桿的長度時，OO1則表示氣缸的運動行程，連桿與垂直方向的夾角為α，兩連桿間的夾角為2α，AB可為控制夾持夾爪的間距，F(xiàn)1和F1'為F拉的分力，大小相等，F(xiàn)夾與F夾'的大小也相等。

圖9 機械手爪受力分析

要保證夾持物體不滑動，單側(cè)夾爪夾持的最大靜摩擦力必須不小于被夾持物體重量的一半。計算選擇氣缸型號時，有兩方面的要求，首先氣缸的向上拉力必須大于被夾持物體的重量，其次還要保證兩側(cè)夾持力所產(chǎn)生的最大靜摩擦力和也不能小于被夾持物體重量。即：其中，η為摩擦因數(shù)，m為被夾持物體的質(zhì)量，g為重量加速度。

因此，要增大摩擦力，可通過增加摩擦因數(shù)或增加α角。因為夾持的稀土金屬錠尺寸偏差較大，既要適應最大尺寸，又要適應最小尺寸的稀土金屬錠，而增加α角受到較大制約，因此增大摩擦因數(shù)是主要方法。

3.5.3 機械手爪的參數(shù)校驗

由于受布置空間限制，連桿的尺寸不可太長，設(shè)計OA和OB的長度均為135 mm，選擇缸徑為32 mm的氣缸，行程為100 mm。當氣缸伸出70.7 mm 時，可夾持最大尺寸為230 mm 的稀土金屬錠，此時α角為58.4°；當氣缸伸出90.7 mm時，可夾持最小尺寸為200 mm 的稀土金屬錠，此時α角為47.8°。由于角度越大，夾緊力越大，故取最小值47.8°進行校驗。

取氣缸氣壓為0.5 MPa 進行計算，因安裝原因，氣缸是在拉力狀態(tài)實現(xiàn)夾取，標準缸徑32 mm 的氣缸桿徑為20 mm，此時氣缸的拉力F拉=245 N，在α角為47.8°時，參照橡膠與鑄鐵的靜摩擦因數(shù)0.8 計算。

夾持的最大靜摩擦力f=ηF拉·tanα=0.8*245*tan47.8°>mg=15*9.8=147 N，符合設(shè)計目標。

4 PLC控制設(shè)計

4.1 硬件設(shè)計

稀土金屬錠自動上料裝置[10]的硬件系統(tǒng)主要由PLC 控制器、觸摸屏、電源模塊、伺服電機、伺服驅(qū)動器、交換機等組成，其硬件系統(tǒng)框圖如圖10所示。

圖10 硬件系統(tǒng)框圖

4.2 軟件設(shè)計

稀土金屬錠自動上料裝置軟件部分的設(shè)計是其控制系統(tǒng)的核心，主要實現(xiàn)人機交互、運動控制、對不規(guī)則稀土金屬錠的上下料算法、通信、保護控制、自檢等功能，控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖11 所示。

圖11 控制系統(tǒng)主程序流程圖

當稀土金屬錠自動上料裝置上電后，按下復位按鈕，系統(tǒng)將進行自動復位，自檢無誤后觸摸屏顯示自動就緒狀態(tài)。當按下啟動按鈕，系統(tǒng)進入自動狀態(tài)，等待進料口感應器檢測到有料，此時判斷出料口是否需求上料。如果請求上料，機械手將定位到進料口，Z軸伺服電機將下降取料，并測出稀土金屬錠的高度，接著機械手將定位出料口放料，Z軸伺服將按照計算出的稀土金屬錠高度進行放料，減少過高放料造成的位置偏差及振動噪音的影響。如果出料臺不請求上料，則判斷儲料倉是否滿倉，如果不滿倉，則放置到儲料倉中。如果出料臺請求上料而進料臺沒有金屬錠時，則從儲料倉中抓取金屬錠到出料臺。在軟件設(shè)計中，根據(jù)稀土金屬錠自動上料裝置硬件部分功能模塊，將軟件程序分為PLC 控制器主程序、伺服定位程序、位置計算程序及觸摸屏組態(tài)程序等模塊，各個模塊之間相互獨立，互不影響。主程序能夠有效地協(xié)調(diào)各個模塊之間的工作，完成自動上料裝置自動上料緩存的過程。

5 使用效果對比

稀土金屬錠自動上料裝置實際投入生產(chǎn)使用后，儲料倉可以存儲至少104 塊稀土金屬錠，符合每班次（8 h）產(chǎn)量，無需人工上料，實現(xiàn)了工廠每班次減員1人的目標，具有較好的應用前景和推廣價值。

6 結(jié)論

通過優(yōu)化機械手爪結(jié)構(gòu)、精確布置傳感器和優(yōu)化PLC 控制算法，稀土金屬錠自動上料裝置的創(chuàng)新設(shè)計不僅提高了設(shè)備的自適應能力，實現(xiàn)了稀土金屬錠的自動上下料，而且顯著提升了生產(chǎn)的安全性。在實際應用中，該裝置的儲料倉可容納大量稀土金屬錠，滿足每班次的生產(chǎn)需求，從而降低人工成本。實踐證明，該裝置具有廣闊的應用前景和推廣價值。