曹金梅 東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院 曾志彬 黃市生 吳國(guó)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(lái)，隨著工業(yè)自動(dòng)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(jī)械化、自動(dòng)化轉(zhuǎn)型。機(jī)械手精度高、動(dòng)作迅速、可長(zhǎng)時(shí)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?；诠I(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化的發(fā)展以及氣動(dòng)技術(shù)自身的一些優(yōu)點(diǎn)，氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動(dòng)化的各個(gè)行業(yè)，機(jī)械手可用作夾持與搬運(yùn)目標(biāo)物體，但傳統(tǒng)的機(jī)械手占空間面積較大，兼容性差，而由于自動(dòng)上下料直接關(guān)系著數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行質(zhì)量和數(shù)控機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)的效率，故對(duì)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(jī)械手替代人工上下料，往往因?yàn)榭臻g不足和控制程序的固定性而增加很大難度。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了單片機(jī)在產(chǎn)品輸送中的應(yīng)用方案，大致為利用四個(gè)氣缸的協(xié)同配合，即不同時(shí)間內(nèi)控制不同氣缸的開(kāi)閉來(lái)達(dá)到多方面的協(xié)作的效果，并通過(guò)齒輪與齒條、導(dǎo)軌與滑塊的傳動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)氣爪從上料位到工作位的移動(dòng)，夾持目標(biāo)物體，以Arduino控制器作為處理中心，光電開(kāi)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(dòng)到工作位，完全實(shí)現(xiàn)了利用機(jī)械手上下料的一系列過(guò)程。相比以上所提到的機(jī)械手，本文所述的一種自動(dòng)上下料的機(jī)械手面積適中，兼容性好，有效地提高了數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行質(zhì)量和運(yùn)行效率。下文將具體從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面與控制系統(tǒng)方面進(jìn)行闡述。

1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的單片機(jī)在產(chǎn)品輸送中的應(yīng)用方案，由驅(qū)動(dòng)件氣缸、各連接組件、各類(lèi)傳動(dòng)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(guò)螺栓連接。可旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)軸承設(shè)置于旋轉(zhuǎn)座內(nèi)，并通過(guò)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。滑塊安裝板設(shè)置于旋轉(zhuǎn)座側(cè)面，并通過(guò)螺栓連接?；瑝K導(dǎo)軌Ⅰ設(shè)置于滑塊安裝板中，并通過(guò)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(dòng)鈑金連接，氣缸Ⅰ設(shè)置于滑塊安裝板上方，并通過(guò)螺栓連接。氣缸Ⅰ末端與浮動(dòng)接頭Ⅰ連接，浮動(dòng)接頭Ⅰ與浮動(dòng)鈑金配合連接。通過(guò)齒條與齒輪配合傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)水平直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

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

通過(guò)這個(gè)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)，上下料的機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定，通過(guò)四個(gè)氣缸不同時(shí)間段內(nèi)的開(kāi)合，以及齒輪齒條、導(dǎo)軌滑塊的配合使用，可以實(shí)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(tái)容易購(gòu)買(mǎi)和搭建，當(dāng)自動(dòng)上下料機(jī)械手故障時(shí)，只需調(diào)整或維修機(jī)械手而不會(huì)影響機(jī)床的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，便于維護(hù)。

2 控制系統(tǒng)搭建

系統(tǒng)的運(yùn)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(kāi)關(guān)和磁性開(kāi)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(guò)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(kāi)與閉合以及機(jī)械手的移動(dòng)。Arduino控制器采集光電開(kāi)關(guān)的觸發(fā)信息，進(jìn)而通過(guò)繼電器對(duì)控制向下移動(dòng)氣缸的電磁閥發(fā)出信號(hào)，當(dāng)氣爪到達(dá)上料位時(shí)，磁性開(kāi)關(guān)將被觸發(fā)，Arduino控制器將感應(yīng)到磁性開(kāi)關(guān)的電信號(hào)變化，從而通過(guò)繼電器控制電磁閥對(duì)氣爪發(fā)出閉合的信號(hào)；Arduino控制器采集磁性開(kāi)關(guān)的電信號(hào)，按特定順序依次向各氣缸發(fā)出電信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)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(hào)，令各氣缸依次離開(kāi)工作位，以達(dá)到全自動(dòng)上下料的目的?？偟膩?lái)說(shuō)就是光電開(kāi)關(guān)和磁性開(kāi)關(guān)傳感器所采集到的光信號(hào)以及電信號(hào)都會(huì)被采集回來(lái)到Arduino控制器中，然后經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、脈沖輸出等信號(hào)處理以及程序調(diào)控，最終對(duì)執(zhí)行元件氣爪給出相關(guān)的指令，使得機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)上下料的功能。

3 結(jié)語(yǔ)

本文所做的工作總結(jié)如下：第一，根據(jù)功能的要求對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；第二，根據(jù)上下料的功能要求搭建了控制系統(tǒng)。機(jī)械氣爪的張開(kāi)與閉合動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)機(jī)械手從上料位到工作位的移動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)，與之配套的傳動(dòng)方式采用了齒輪與齒條、導(dǎo)軌與滑塊的方式，全自動(dòng)上下料的功能通過(guò)Arduino控制器+光電開(kāi)關(guān)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且添加磁性開(kāi)關(guān)保證整個(gè)運(yùn)行過(guò)程的安全性。