肖猷坤 李沛輝 東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院 曾志彬 吳國(guó)洪 東莞市橫瀝模具科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司 陳學(xué)忠 廣東石東實(shí)業(yè)（集團(tuán)）公司

0 前言

由于機(jī)械手可具有多個(gè)自由度，夾取、搬運(yùn)工件都具有很高的靈活性，并且結(jié)合自動(dòng)化控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)提高作業(yè)效率，保證作業(yè)精度以及精確性[1]。因此自動(dòng)化裝配領(lǐng)域常常利用機(jī)械手代替人來(lái)完成裝配工作[2]，很多機(jī)器設(shè)備的組裝，要求Z軸方向上的電機(jī)要豎直安裝并且電機(jī)輸出軸要在下方，然而平常放置電機(jī)時(shí)，往往是以電機(jī)軸朝上的方式放置。電機(jī)如步進(jìn)電機(jī)，在電機(jī)輸出軸一側(cè)的端面具有四個(gè)通孔，利用機(jī)械手夾取電機(jī)后，在安裝工位對(duì)準(zhǔn)裝配位置，旋進(jìn)螺絲即可把電機(jī)固定完成。

利用機(jī)械手夾取電機(jī)并且送往Z軸上合適的安裝位置時(shí)，需要完成180°的旋轉(zhuǎn)功能，雖然利用市場(chǎng)上現(xiàn)有的六軸機(jī)械手[3]可以實(shí)現(xiàn)該功能，但是成本高，控制系統(tǒng)復(fù)雜，不適用于中小型企業(yè)。然而也存在有些翻轉(zhuǎn)機(jī)械手利用翻轉(zhuǎn)控制凸輪機(jī)構(gòu)，但是該機(jī)構(gòu)的引入會(huì)增加加工難度以及加工成本。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了一種智能裝配產(chǎn)品的通信系統(tǒng)開發(fā)方案，利用一個(gè)直線氣缸、一個(gè)旋轉(zhuǎn)氣缸和一個(gè)氣爪作為主要設(shè)計(jì)部分，采用氣壓驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能，下文將從機(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)

本文利用一個(gè)三軸氣缸、一個(gè)旋轉(zhuǎn)氣缸和一個(gè)氣爪作為驅(qū)動(dòng)件，除了驅(qū)動(dòng)件還包括有連接組件（角鋁支撐件、法蘭）以及執(zhí)行件（手指）。角鋁支撐件作為一個(gè)外連接的部件，其設(shè)置在三軸氣缸的側(cè)面，三軸氣缸用于提供直線運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)氣缸設(shè)置在三軸氣缸的上方（即軸末端），提供一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；法蘭設(shè)置在旋轉(zhuǎn)氣缸的上方（即旋轉(zhuǎn)軸的末端），用于輔助固定氣爪。氣爪設(shè)置在法蘭的上方，手指設(shè)置在氣爪的末端，設(shè)計(jì)固定形狀的手指，使其更適合抓取電機(jī)。

角鋁支撐件設(shè)置了四個(gè)通孔，其中兩個(gè)通孔用于連接三軸氣缸，另外兩個(gè)通孔用于外連接，如連接導(dǎo)軌滑塊實(shí)現(xiàn)該翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的大范圍運(yùn)動(dòng)。三軸氣缸缸體通過(guò)螺栓與角鋁支撐件連接，即可固定三軸氣缸，三軸氣缸桿體也通過(guò)螺栓與旋轉(zhuǎn)氣缸缸體連接，可實(shí)現(xiàn)三軸氣缸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)氣缸的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。法蘭設(shè)置了與旋轉(zhuǎn)氣缸桿體配合的通孔，并且設(shè)置了與氣爪缸體配合的沉頭孔，保證了用于連接氣爪缸體的螺釘不會(huì)與旋轉(zhuǎn)氣缸桿體產(chǎn)生干涉；旋轉(zhuǎn)氣缸桿體通過(guò)螺栓與法蘭連接，進(jìn)一步的，法蘭通過(guò)螺釘與氣爪缸體連接，可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)氣缸帶動(dòng)氣爪旋轉(zhuǎn)；手指的側(cè)面設(shè)置了兩個(gè)通孔，通過(guò)螺栓與氣爪桿體連接，可實(shí)現(xiàn)氣爪帶動(dòng)手指張開或夾緊。

本文對(duì)夾持的步進(jìn)電機(jī)設(shè)置為兩類，分別為42步進(jìn)電機(jī)、57步進(jìn)電機(jī)，其中42步進(jìn)電機(jī)的尺寸規(guī)格為兩平行端面（非電機(jī)輸出軸的端面）之間的距離約為42mm，57步進(jìn)電機(jī)的尺寸規(guī)格為兩平行端面（非電機(jī)輸出軸的端面）之間的距離約為57mm[4]。在42步進(jìn)電機(jī)和57步進(jìn)電機(jī)的全部種類中，最大重量為2.0kg，當(dāng)氣爪夾取電機(jī)時(shí)，所需的夾持力需要能達(dá)到 F=2.0kg×9.8m/s2=19.6N，此外，42步進(jìn)電機(jī)與57步進(jìn)電機(jī)的大小相差為15mm，則需要選型夾持力超過(guò)19.6N、并且行程范圍大于15mm的平行氣爪，故選型號(hào)為MHZL2-20S的氣爪（最大夾持力為33N，開閉行程為18mm），相應(yīng)的，查得該氣爪的重量為0.9kg。確定了氣爪的型號(hào)后，將需要對(duì)旋轉(zhuǎn)氣缸進(jìn)行計(jì)算選型，旋轉(zhuǎn)氣缸包含兩個(gè)參數(shù)，分別為允許徑向負(fù)載重和允許彎矩，根據(jù)夾持的電機(jī)的最大重量和氣缸的重量，旋轉(zhuǎn)氣缸的允許徑向負(fù)載重需要滿足 F=（2.0+0.9）kg×9.8m/s2=28.42N，旋轉(zhuǎn)氣缸的允許彎矩 [5]大約為 M=28.42N×0.14m=3.98N.m，因此需要選型旋轉(zhuǎn)氣缸的允許徑向負(fù)載重超過(guò) 28.42N，允許彎矩超過(guò)3.98 N.m，故選型號(hào)為MSQA-20R的旋轉(zhuǎn)氣缸（允許徑向負(fù)載重為166N，允許彎矩為4.8N.m），查得該重量為1.5kg。進(jìn)一步計(jì)算三軸氣缸的參數(shù)，三軸氣缸需要的容許側(cè)向負(fù)載 F=（2.0+0.9+1.5）kg×9.8m/s2=43.12N，三軸氣缸的容許扭矩 M=43.12N×0.22m=9.49N.m，因此需要選型三軸氣缸的容許側(cè)向負(fù)載重超過(guò)43.12N，容許彎矩超過(guò)9.49N.m，故選TCMJ50×50-20S的三軸氣缸（容許最大側(cè)向負(fù)載重為245N，容許最大彎矩為10.80N.m）。通過(guò)上述的校核計(jì)算，證明了本設(shè)計(jì)的可行性。

2 控制系統(tǒng)

本文對(duì)應(yīng)用于自動(dòng)化裝配的翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，通過(guò)氣壓驅(qū)動(dòng)的方式，三軸氣缸可帶動(dòng)手指進(jìn)行伸縮動(dòng)作（即直線運(yùn)動(dòng)感），氣爪可帶動(dòng)手指進(jìn)行夾緊與松開動(dòng)作，旋轉(zhuǎn)氣缸可帶動(dòng)手指進(jìn)行180°翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，三軸氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸和氣爪的運(yùn)動(dòng)配合可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手夾持與翻轉(zhuǎn)電機(jī)，使得電機(jī)滿足輸出軸朝下的安裝樣式。具體為，三軸氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸和氣爪的氣孔都分別與氣動(dòng)電磁控制閥連接，以歐姆龍微型PLC為控制器，氣動(dòng)電磁控制閥的常開端都連接于+24V端，氣動(dòng)電磁控制閥的的com端連接至PLC控制器的輸出端，復(fù)位狀態(tài)下，此時(shí)PLC控制器處于無(wú)輸出狀態(tài)，氣動(dòng)電磁控制閥處于常開狀態(tài)，三軸氣缸處于收縮狀態(tài)、旋轉(zhuǎn)氣缸處于0°位置、氣爪處于閉合狀態(tài)。當(dāng)PLC控制機(jī)械手開始動(dòng)作時(shí)，氣動(dòng)電磁控制閥轉(zhuǎn)為常閉狀態(tài)，氣爪張開，接著三軸氣缸伸長(zhǎng)，到達(dá)電機(jī)放置的位置，然后手爪閉合，夾緊電機(jī)，三軸氣缸收縮，旋轉(zhuǎn)氣缸動(dòng)作，將電機(jī)翻轉(zhuǎn)180°，經(jīng)過(guò)輔助機(jī)構(gòu)（導(dǎo)軌）的傳動(dòng)，翻轉(zhuǎn)機(jī)械手連帶電機(jī)一起被運(yùn)送到安裝工位。

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)目標(biāo)功能搭建了控制系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)氣缸的缸體與三軸氣缸連接，旋轉(zhuǎn)氣缸的桿體與氣爪連接，三軸氣缸在氣壓驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)氣缸在氣壓驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生180°的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，氣爪在氣壓傳動(dòng)下可張開或夾緊。通過(guò)改變?nèi)叩倪M(jìn)出氣的方式，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)機(jī)械手的伸縮、180°翻轉(zhuǎn)以及夾緊松開的動(dòng)作，它可適應(yīng)用于自動(dòng)化裝配領(lǐng)域。