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摘 要：搬运机械手在自动化生产线上是一个重要的自动化装置，本文针对传统生产线产品生产自动化程度低、成本高等问题，设计了一种新型的自动化程度较高且动作简单的产品自动化生产线码垛搬运机械手。介绍了机械手整体设计、以及控制系统设计，可为企业自动化生产打下良好的基础。
关键词：自动化生产线；机械手；控制系统；设计
引言
随着工业自动化的发展，机械手已成为工业生产中重要的工具，由于其具有稳定性高、操作简单和高效率等特点，因此得到了广泛地应用。然而，目前现有的生产线产品生产普遍存在着自动化程度低、成本高及路径复杂等问题，因此，研究更为简易、且自动化程度较高的码垛搬运机械手是很有必要的。基于此，本文结合现有的多自由度坐标系机器人，设计一种新型的码垛搬运机械手，以适应现代化快速生产的需求和提高企业生产效率。
1.自动化生产线流水线分析
自动化生产线码垛机械手整体流水作业主要由左、右机械手和检测柜组成。机械手主要安装在传输线两侧，左侧作用是将传输线上产品抓取并放入检测柜的每一层中，右侧机械手平台主要是将检测完成的产品取出并放入传输线。其次，产品检测柜平台，主要组成有多层架构、产品检测仪。其作用是将传输线上传送过来的待检产品进行检测。而多层架构可以实现快速摆放并进行检测，提高检测和抓取效率[1]。
2.机械手整体设计
2.1机械手整体结构设计
设计的码垛机械手是一种直角坐标式机械手，主要作用是将待检测的产品从传输线上抓取、升起、移动、下降、松开，然后放入另一条传输线上并进行下一个工位[2]。
直角坐标式机械手主要由支架、Y方向的移动臂、Z方向的升降臂、末端吸盘以及电机组成。
Y方向移动是靠导轨系统完成的，双侧龙门式支架两侧安装有导轨，导轨、齿条与龙门式支架的底座固定，滑块与码垛机械手相固定，而减速器及齿轮固定在机械手Y方向移动臂上，通过伺服电机转动带动齿轮齿条机构在滑块上运行，从而完成Y方向前进后退动作，伺服电机精确控制滑块移动行程，以此来实现精确定位和移动。同理，在X、Z方向上移动是靠滚珠丝杠实现传动，伺服电机精确控制滚珠丝杠的行程，从而完成X、Z方向前后、升降动作的精确定位和移动。
导轨即滑轨，通常为线性的，设计中主要应用于机构的直线运动中，主要作用是带动机械手本体在辊道与堆放支架之间的直线运动。该运行过程具有承载能力强、运行平稳无抖动、运行频率高、定位精度高等特点，相比直线轴承，导轨能承载更高的载荷，并且能分担一部分的扭矩，在高负载且对精度要求较高的直线运动中有无可比拟的优势。
机械手末端吸盘臂的作用是将码垛产品有效的吸附，吸盘臂制作材料采用铝合金，利用铝合金材料的特性，既保证了吸盘臂的刚度，同时又可以降低吸盘臂的自身重量。考虑到成本及技术成熟问题，吸盘臂抬起采用气缸驱动，采用的气压传动好处在于控制系统快速做出反应，能量损失小，性价比高。气缸缸径为50mm，最大行程为200mm。
2.2气缸的选型
机械手整体装置参数设计至关重要，首先气缸作为气动控制回路系统中的重要执行元件，本文设计中采用直线运动类型气缸。根据码垛产品平均的尺寸和重量，计算气缸参数如下：气缸采用类型为：SC32X25，缸径75mm，最大行程300mm。
2.3气动元器件的选型
本文设计码垛搬运机械手所选用末端执行装置气动回路中其他主要相关元器件型号分别如表1、表2所示。
2.4电器元件的选型
根据搬运机械手各个部位及传输所需要的实际扭矩大小来确定电器元件详细参数，数据如表2所示。
2.5末端吸盘力计算
末端执行机构吸盘臂上安装1个吸盘，吸盘直径为：
吸盘臂上的吸盘真空度P应该取最大真空度pmax（即真空泵）的40%～60%之间，既保证了吸盘能够吸附光伏玻璃，又能随时控制吸盘松开。
3.控制系统设计
3.1机械手流程控制要求
将待检码垛产品经左侧传输带传输到检测柜处，左侧搬运机械手将产品依次码放在检测柜的各层之间，待检测完成后，右侧码垛机械手依次抓取存放在右侧传输带中进入下一道工序继续加工处理[3]。具体要求如下：
分拣工步要求：
（1）X、Y方向水平移动情况：X方向移动是靠导滚珠丝杠完成的，而Y方向移动是靠导轨系统完成的，两者都是由PLC脉冲输出位置控制功能驱动伺服放大器控制伺服电机精确定位。
（2）变频调速：控制过程中采用变频器进行调速，提供准确的速度控制，便于控制机械臂前后、左右、上下运动。
（3）整个码垛搬运过程可以由两种操作方式完成搬运动作：①自动循环操作：按下启动按钮，码垛机械手按照人为设定的控制程序连续完成码垛搬运工作，直到按下停止按钮，否则搬运工作一直进行；②手动操作：在设计过程中，机械臂末端吸盘吸附和松开、X方向的机械臂前后移动、Y方向的机械臂左右移动、Z机械臂升降等8个动作步设置8个按钮，分别控制码垛搬运机械手运动。
（4）机械臂末端吸盘吸附和松开、X方向的机械臂前后移动、Y方向的机械臂左右移动、Z机械臂升降等运动都能实现精确定位，且每个动作相互之间必须有互锁作用；
（5）机械手末端吸盘的吸附、松开动作所用的真空吸盘必须气密性良好；
（6）步骤①、②动作的完成时间分别为8s，12s；在码垛机械手控制设计过程中，控制系统的主控器采用西门子S7-200CN标准型PLC。西门子S7-200CN的PLC具有丰富的CPU单元（8/14/16/24/40点型），为了以后的扩展功能，我们選择40点型；具有一个独特的逆变器的简单定位功能；程序的最高容量为5千步，数据容量高达18千字；脉冲输出70kHz×2轴；最大2个串行通讯接口（RS232/RS485任选）；标准配置USB编程接口，支持FB和ST编程，液晶显示选项板支持丰富的显示/控制功能。变频器采用FR-E700系列多功能通用变频器，选用的变频器型号为FR-E540-2.5K-CHT，容量范围为三相400V；变频器功率为2.2kW；用磁通矢量控制；实现1Hz运行150%转矩输出；内置RWM，实现更低噪音运行；内置RS485通信口；输出频率：0.2～400Hz精度0.01%；高应答电流限制机能，大幅减少过电流产生之跳机；全容量可连接直流电抗器，达到抑制高谐波的功能；通讯设备采用台达RS-485通信扩展板，型号为VFD-E。 3.2机械手主控电机电路设计
主电路设计图如图1所示。
（1）电机SM101为机械手Y方向上的臂控制电機，外接伺服放大器MR-J3-200A，利用电机的正反转来实现在导轨的直线运动，控制过程中采用伺服控制、变频器进行调速，提供准确的速度控制，便于控制机械臂X方向运动。
（2）电机SM102为机械手X方向上的臂控制电机，外接伺服放大器MR-J3-350A，利用伺服电机的正反转带动滚珠丝杠传动，从而实现机械臂在X方向上直线运动，控制过程中采用伺服控制、变频器进行调速，提供准确的速度控制，便于控制机械臂X方向运动。
（3）同理，电机SM103Z方向（垂直方向）传输电机，它的主要作用就是带动滚珠丝杠转动，从而实现机械臂在垂直方向的直线运动，控制过程中采用伺服控制、变频器进行调速，提供准确的速度控制，便于控制机械臂垂直方向运动。
（4）电机SM104为左右两侧传输线动力源，用PLC直接控制接触器接通或断开电机传动，不同之处在于，它采用变频器多速段控制模式，由变频器RH、RM、RL三个端子分别接入PLC端口，然后分别设定高速，中速和低速。当辊道上有产品传送时，采用高速模式，快速将待检产品传送到工位；当玻产品定位的时候采用中速模式，方便传感器定位；当辊道上产品取完时，采用低速模式，降低辊道机械磨损，提高设备使用寿命。
4.结论
总之，在自动化生产线上，需要一种搬运机械手来实现生产过程中的自动化，但自动化码垛搬运机械手的应用也具有一定的局限性，需要给予优化与改进。本文研制开发了一种直角坐标式机械手的码垛搬运机械手，通过利用PLC技术和伺服控制技术来实现控制要求，其结构简单，占地面积小，实验生产测试表明：自动化码垛搬运机械手在生产实践中取得了良好的控制效果，有效降低了生产成本，提高了企业生产效率，达到企业的现代化生产要求，具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1] 孙永亮. 基于柔性牵引的搬运机械手研究[D]. 山东建筑大学， 2010.
[2] 李昶利. 全钢子午线轮胎码垛搬运机械手的研究[D]. 青岛科技大学， 2014.
[3] 胡岳. 复合地板搬运机械手末端执行机构设计与仿真[D]. 东北林业大学， 2015.
关键词：自动化生产线；机械手；控制系统；设计
引言
随着工业自动化的发展，机械手已成为工业生产中重要的工具，由于其具有稳定性高、操作简单和高效率等特点，因此得到了广泛地应用。然而，目前现有的生产线产品生产普遍存在着自动化程度低、成本高及路径复杂等问题，因此，研究更为简易、且自动化程度较高的码垛搬运机械手是很有必要的。基于此，本文结合现有的多自由度坐标系机器人，设计一种新型的码垛搬运机械手，以适应现代化快速生产的需求和提高企业生产效率。
1.自动化生产线流水线分析
自动化生产线码垛机械手整体流水作业主要由左、右机械手和检测柜组成。机械手主要安装在传输线两侧，左侧作用是将传输线上产品抓取并放入检测柜的每一层中，右侧机械手平台主要是将检测完成的产品取出并放入传输线。其次，产品检测柜平台，主要组成有多层架构、产品检测仪。其作用是将传输线上传送过来的待检产品进行检测。而多层架构可以实现快速摆放并进行检测，提高检测和抓取效率[1]。
2.机械手整体设计
2.1机械手整体结构设计
设计的码垛机械手是一种直角坐标式机械手，主要作用是将待检测的产品从传输线上抓取、升起、移动、下降、松开，然后放入另一条传输线上并进行下一个工位[2]。
直角坐标式机械手主要由支架、Y方向的移动臂、Z方向的升降臂、末端吸盘以及电机组成。
Y方向移动是靠导轨系统完成的，双侧龙门式支架两侧安装有导轨，导轨、齿条与龙门式支架的底座固定，滑块与码垛机械手相固定，而减速器及齿轮固定在机械手Y方向移动臂上，通过伺服电机转动带动齿轮齿条机构在滑块上运行，从而完成Y方向前进后退动作，伺服电机精确控制滑块移动行程，以此来实现精确定位和移动。同理，在X、Z方向上移动是靠滚珠丝杠实现传动，伺服电机精确控制滚珠丝杠的行程，从而完成X、Z方向前后、升降动作的精确定位和移动。
导轨即滑轨，通常为线性的，设计中主要应用于机构的直线运动中，主要作用是带动机械手本体在辊道与堆放支架之间的直线运动。该运行过程具有承载能力强、运行平稳无抖动、运行频率高、定位精度高等特点，相比直线轴承，导轨能承载更高的载荷，并且能分担一部分的扭矩，在高负载且对精度要求较高的直线运动中有无可比拟的优势。
机械手末端吸盘臂的作用是将码垛产品有效的吸附，吸盘臂制作材料采用铝合金，利用铝合金材料的特性，既保证了吸盘臂的刚度，同时又可以降低吸盘臂的自身重量。考虑到成本及技术成熟问题，吸盘臂抬起采用气缸驱动，采用的气压传动好处在于控制系统快速做出反应，能量损失小，性价比高。气缸缸径为50mm，最大行程为200mm。
2.2气缸的选型
机械手整体装置参数设计至关重要，首先气缸作为气动控制回路系统中的重要执行元件，本文设计中采用直线运动类型气缸。根据码垛产品平均的尺寸和重量，计算气缸参数如下：气缸采用类型为：SC32X25，缸径75mm，最大行程300mm。
2.3气动元器件的选型
本文设计码垛搬运机械手所选用末端执行装置气动回路中其他主要相关元器件型号分别如表1、表2所示。
2.4电器元件的选型
根据搬运机械手各个部位及传输所需要的实际扭矩大小来确定电器元件详细参数，数据如表2所示。
2.5末端吸盘力计算
末端执行机构吸盘臂上安装1个吸盘，吸盘直径为：
吸盘臂上的吸盘真空度P应该取最大真空度pmax（即真空泵）的40%～60%之间，既保证了吸盘能够吸附光伏玻璃，又能随时控制吸盘松开。
3.控制系统设计
3.1机械手流程控制要求
将待检码垛产品经左侧传输带传输到检测柜处，左侧搬运机械手将产品依次码放在检测柜的各层之间，待检测完成后，右侧码垛机械手依次抓取存放在右侧传输带中进入下一道工序继续加工处理[3]。具体要求如下：
分拣工步要求：
（1）X、Y方向水平移动情况：X方向移动是靠导滚珠丝杠完成的，而Y方向移动是靠导轨系统完成的，两者都是由PLC脉冲输出位置控制功能驱动伺服放大器控制伺服电机精确定位。
（2）变频调速：控制过程中采用变频器进行调速，提供准确的速度控制，便于控制机械臂前后、左右、上下运动。
（3）整个码垛搬运过程可以由两种操作方式完成搬运动作：①自动循环操作：按下启动按钮，码垛机械手按照人为设定的控制程序连续完成码垛搬运工作，直到按下停止按钮，否则搬运工作一直进行；②手动操作：在设计过程中，机械臂末端吸盘吸附和松开、X方向的机械臂前后移动、Y方向的机械臂左右移动、Z机械臂升降等8个动作步设置8个按钮，分别控制码垛搬运机械手运动。
（4）机械臂末端吸盘吸附和松开、X方向的机械臂前后移动、Y方向的机械臂左右移动、Z机械臂升降等运动都能实现精确定位，且每个动作相互之间必须有互锁作用；
（5）机械手末端吸盘的吸附、松开动作所用的真空吸盘必须气密性良好；
（6）步骤①、②动作的完成时间分别为8s，12s；在码垛机械手控制设计过程中，控制系统的主控器采用西门子S7-200CN标准型PLC。西门子S7-200CN的PLC具有丰富的CPU单元（8/14/16/24/40点型），为了以后的扩展功能，我们選择40点型；具有一个独特的逆变器的简单定位功能；程序的最高容量为5千步，数据容量高达18千字；脉冲输出70kHz×2轴；最大2个串行通讯接口（RS232/RS485任选）；标准配置USB编程接口，支持FB和ST编程，液晶显示选项板支持丰富的显示/控制功能。变频器采用FR-E700系列多功能通用变频器，选用的变频器型号为FR-E540-2.5K-CHT，容量范围为三相400V；变频器功率为2.2kW；用磁通矢量控制；实现1Hz运行150%转矩输出；内置RWM，实现更低噪音运行；内置RS485通信口；输出频率：0.2～400Hz精度0.01%；高应答电流限制机能，大幅减少过电流产生之跳机；全容量可连接直流电抗器，达到抑制高谐波的功能；通讯设备采用台达RS-485通信扩展板，型号为VFD-E。 3.2机械手主控电机电路设计
主电路设计图如图1所示。
（1）电机SM101为机械手Y方向上的臂控制电機，外接伺服放大器MR-J3-200A，利用电机的正反转来实现在导轨的直线运动，控制过程中采用伺服控制、变频器进行调速，提供准确的速度控制，便于控制机械臂X方向运动。
（2）电机SM102为机械手X方向上的臂控制电机，外接伺服放大器MR-J3-350A，利用伺服电机的正反转带动滚珠丝杠传动，从而实现机械臂在X方向上直线运动，控制过程中采用伺服控制、变频器进行调速，提供准确的速度控制，便于控制机械臂X方向运动。
（3）同理，电机SM103Z方向（垂直方向）传输电机，它的主要作用就是带动滚珠丝杠转动，从而实现机械臂在垂直方向的直线运动，控制过程中采用伺服控制、变频器进行调速，提供准确的速度控制，便于控制机械臂垂直方向运动。
（4）电机SM104为左右两侧传输线动力源，用PLC直接控制接触器接通或断开电机传动，不同之处在于，它采用变频器多速段控制模式，由变频器RH、RM、RL三个端子分别接入PLC端口，然后分别设定高速，中速和低速。当辊道上有产品传送时，采用高速模式，快速将待检产品传送到工位；当玻产品定位的时候采用中速模式，方便传感器定位；当辊道上产品取完时，采用低速模式，降低辊道机械磨损，提高设备使用寿命。
4.结论
总之，在自动化生产线上，需要一种搬运机械手来实现生产过程中的自动化，但自动化码垛搬运机械手的应用也具有一定的局限性，需要给予优化与改进。本文研制开发了一种直角坐标式机械手的码垛搬运机械手，通过利用PLC技术和伺服控制技术来实现控制要求，其结构简单，占地面积小，实验生产测试表明：自动化码垛搬运机械手在生产实践中取得了良好的控制效果，有效降低了生产成本，提高了企业生产效率，达到企业的现代化生产要求，具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1] 孙永亮. 基于柔性牵引的搬运机械手研究[D]. 山东建筑大学， 2010.
[2] 李昶利. 全钢子午线轮胎码垛搬运机械手的研究[D]. 青岛科技大学， 2014.
[3] 胡岳. 复合地板搬运机械手末端执行机构设计与仿真[D]. 东北林业大学， 2015.