板材上下料桁架機械手的開發(fā)與研究

馮友強

（河源職業(yè)技術(shù)學院，廣東 河源 517000）

0 引言

大部分板材生產(chǎn)的廠家，在生產(chǎn)過程都要對較大的板材進行上下料，如隔熱板生產(chǎn)過程、壓縮板生產(chǎn)過程等。目前，國內(nèi)外板材生產(chǎn)線的上下料機構(gòu)的方式較多，如輸送帶傳輸方式、氣缸推送方式、吊夾傳輸方式、多關(guān)節(jié)機械手傳送方式。前兩種方式應(yīng)用場合較受限，功能較?。坏鯅A傳輸方式的危險系數(shù)較高；而多關(guān)節(jié)機械手雖然功能較多，也較靈活，但板材輸送行程較短，設(shè)備成本也較高。

為了能實現(xiàn)這種較大板材的上下料，同時進行較大行程的輸送，本文設(shè)計了一種桁架結(jié)構(gòu)機械手。此桁架結(jié)構(gòu)機械手增加PLC、觸摸屏、傳感器、變頻器等自動化元件，可以滿足用戶多功能的要求，從上料到下料過程實現(xiàn)全自動化。同時，針對一些加工板材表面比較粗糙，密度較低，中間有些滲氣孔，傳統(tǒng)的吸盤無法吸起等不足，還專門研制了一種能吸住表面粗糙且會滲氣的板材的吸盤。

1 工藝說明

1.1 板材介紹

近年市場上有一種高溫高壓隔熱板，此隔熱板可應(yīng)用到一些高性能的隔熱防火的建筑物及高鐵的車箱中。此隔熱板是以經(jīng)膨脹處理的礦物質(zhì)材料作為主要材料，以水玻璃和復(fù)合強化材料為輔助材料，按一定的比例攪拌后倒入模具中加熱至高溫后擠壓而成。其隔熱性能、耐壓強度和使用在壽命，都遠超市場上傳統(tǒng)石棉礦棉材料。此板材密度較小，表面的粗糙度較大，所以在吸取過程中會出現(xiàn)漏氣，導(dǎo)致一般的吸盤無法吸取這種板材進行操作。現(xiàn)在生產(chǎn)線上生產(chǎn)的隔熱板是整板，尺寸一般有2 440 mm*1 220 mm和2 100 mm*900 mm兩種。其多張堆疊起來的外觀如圖1所示。

圖1 多張層疊的隔熱板

1.2 上、下料工藝

所設(shè)計的桁架機械手需要負責板材生產(chǎn)線中的上、下料。板材生產(chǎn)的上、下料的過程為：叉車將圖1中疊好的多張隔熱板從倉庫里運到液壓升降平臺上（見圖2），然后液壓平臺升降一定的距離，將最上面的板升到吸盤下，之后由機械手下降吸住板，上升并在X軸方向移動約6 m，將板材搬運到下一加工序的入料口。之后，機械手又回到液壓升降平臺取下一塊板材。

圖2 取料的外部液壓升降平臺

2 桁架機械手機械部分設(shè)計

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

隔熱板的品質(zhì)隨厚度變化不同，一般在20～60 kg，但隔熱板的體積較大，且有兩種尺寸，設(shè)計的結(jié)構(gòu)要能搬運兩種尺寸的板，為適應(yīng)6 m的行程，設(shè)計行程要超過8 m。根據(jù)上面提到的工藝過程，設(shè)計的專用桁架機械手結(jié)構(gòu)如圖3所示。機械手主要有兩個軸構(gòu)成，X軸是桁架結(jié)構(gòu)，用方形鋼支撐，用齒輪齒條傳動驅(qū)動上層框架左右移動。對X軸電機的啟?？刂?，上層移動框架可以在X軸的軌道上進行定位。Y軸方向則不可移動。Z軸方向也由電機驅(qū)動齒輪齒條傳動，下層移動框架可以在Z軸方向任意位置停止，上面還安裝了6個吸具，用于吸住板材。桁架的左側(cè)柱子上安裝了控制電箱與觸摸屏支架，方便操作。

圖3 設(shè)計的整體機械結(jié)構(gòu)圖

在上層移動框架的設(shè)計中，在桁架X軸方向的兩條橫梁側(cè)邊安裝了齒條，它與電機帶動的齒輪嚙合實現(xiàn)X軸方向傳動，此方向是靠橫梁上方的導(dǎo)軌與滑塊進行定位的。X軸的動力是一個帶減速機的三相異步電機，用鋁型材作為基本骨架，然后再配合鏈條、齒輪、光軸組合裝配成一個X軸方向的動力傳動機構(gòu)，詳細的結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 X軸動力傳動機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

夾具的下層移動框架的兩邊安裝了兩條齒條，下移動框架上則安裝了兩個與之對應(yīng)的齒輪，齒輪由一個三相異步電機與減速機驅(qū)動，齒輪運行，齒輪轉(zhuǎn)動的同時沿著齒條方向上下運動，從而帶動下移動框架沿著Z軸方向移動。同時，下移動框架還安裝了四根圓形導(dǎo)柱，用作Z軸的導(dǎo)向。Z軸的支架是以鋁型材為基本骨架，一些角件則用不銹鋼加工制成，具體裝配結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 Z軸傳動機械結(jié)構(gòu)圖

桁架機械手通過蝸輪蝸桿減速機實現(xiàn)降速及增加輸出扭矩，通過行程開關(guān)實現(xiàn)定位。行程開關(guān)安裝在桁架機械手的橫梁兩端，在Z軸下層移動框架的鋁型材上安裝與之對應(yīng)方向的感應(yīng)鐵塊。Z軸極限位置還安裝緩沖檔塊，以防止移動件滑出軌道。當行程限位開關(guān)的機械觸頭觸碰到擋塊，行程開關(guān)內(nèi)部的開關(guān)邏輯狀態(tài)切換，斷開了（或改變了）控制回路的連接，PLC接收到相對應(yīng)的輸入信號，就由PLC發(fā)出指令終止或改變桁架機械手運行狀態(tài)。

2.2 夾具設(shè)計

一些加工板材表面比較粗糙，密度較低，中間有些滲氣孔，傳統(tǒng)的吸盤會產(chǎn)生漏氣無法吸起，為此采用了一種允許一定程度漏氣的吸盤來代替機械手的夾具。使用鋁型材制作了一個吸盤框架（見圖6），吸盤框架與下層移動框架通過直角連接板連接在一起。在機械手移動過程中，隔熱板會發(fā)生輕微的晃動，為此設(shè)計了6個吸盤來增大板材受力面積，并增加了緩沖機構(gòu)，使它在到達目標位置附近時不會因為突然停止而剎不住，和減輕移動過程中產(chǎn)生的晃動。

圖6 吸盤框架結(jié)構(gòu)圖

6個吸盤是防漏氣設(shè)計，給吸盤接上大流量的真空泵，即使產(chǎn)生的部分漏氣，吸盤內(nèi)部也能產(chǎn)生一定的負壓，可以吸住板材，不會從架子掉落。

2.3 機械元件選型

機械手的主梁材料選取14#冷軋方鋼與矩形鋼，Z軸支架選取工業(yè)鋁型材，以減輕下移動框架的質(zhì)量和保證在調(diào)試及維護時方便拆裝，定向采用燕尾型直線導(dǎo)軌，在電機輸出側(cè)，采用鏈條傳動。詳細的型號與數(shù)量見表1。

表1 桁架機械手主要機械部件清單

3 電氣設(shè)計

3.1 電氣線路設(shè)計

主電路設(shè)計，車間上的主電源供應(yīng)的是三相380 V的交流電，由斷路器QF1控制主回路的通斷，見圖7機械手主電路圖。其中第一分支主電路是真空泵M1的驅(qū)動，此泵為5.5 kW的真空泵，由斷路器QF14對電機進行保護與開關(guān)控制，電機的通斷由接觸器，KM11與KM12控制，KM11接通泵正轉(zhuǎn)，KM12接通泵反轉(zhuǎn)，用于吹掉吸盤上的灰塵。主電路中第二個支路是控制液壓升降平臺的液壓泵。而第三支路是通過變頻器AF1驅(qū)動X和Z軸的兩個1.1 kW三相異步電機，此變頻器只能分時段控制兩個電機M2與M3，分時段控制是分別由接觸器KM4和KM3通斷進行實現(xiàn)。

圖7 機械手主電路圖

在控制電路上，PLC為主要控制器，Y0連接變頻器的MI1，為正轉(zhuǎn)信號；Y1連接變頻器的MI2，為反轉(zhuǎn)信號。Y0與Y1的公共端是COM0與COM1，此公共端要接到變頻器的PC端，才能形成回路。而Y2-Y7是由外部開關(guān)電源的DC24V供電，驅(qū)動中間繼電器，再由中間繼電器控制各個接觸器，詳見圖8控制電路圖。Y2與Y3是控制KA8與KA10，這兩個中間繼電器是控制液壓升降平臺的上升與下降的電磁閥。Y4與Y5是控制X軸電機與Y軸電機的中間繼電器，由于變頻器功率較小，只能在一個時間段控制一臺電機，所以X軸與Y軸的電機不能同時得電，要進行互鎖。而Y6與Y7則是通過控制KA2與KA7，實現(xiàn)真空泵正反轉(zhuǎn)的控制。

圖8 控制電路圖

3.2 電氣元件選型及電柜布局

在本節(jié)中，將詳細的介紹在該系統(tǒng)中所使用到的電氣元件。電氣選型上要參考幾點：（1）與主產(chǎn)線設(shè)備要統(tǒng)一，方便用戶統(tǒng)一管理，也方便調(diào)試；（2）電氣元件的質(zhì)量要有保障，由于生產(chǎn)工藝的特點，生產(chǎn)現(xiàn)場塵埃比較多，電氣元件的防塵等級要較高；（3）電氣元件盡量用國產(chǎn)的，國產(chǎn)的元件主要采購時間較短，同時也為了支持民族產(chǎn)業(yè)。是生產(chǎn)現(xiàn)場電氣部分如表2。

表2 主要電氣元件清單

由表2中的各類電氣元件安裝到一個500 mm*600 mm的控制箱里，斷路器與PLC布置在電箱的最上端，變頻器、中間繼電器，接觸器在中間，接線端子與熱繼電器在最下端詳細見圖9控制電柜布局。為了減小主電路對控制電路的電磁干擾，左邊線槽是放置380 V的主電路電線，右邊線槽是放置24 V的控制電路的電線。

圖9 控制電柜布局

4 軟件設(shè)計

4.1 編程軟件環(huán)境介紹

PLC（可編程控制器）以其可靠性高、耐惡劣環(huán)境能力強、使用極為方便三大特點，迅速占領(lǐng)了工業(yè)生產(chǎn)自動化領(lǐng)域，成為工業(yè)自動化領(lǐng)域的強有力工具[1]。本控制系統(tǒng)的PLC選用的是三菱的FX3S，編程軟件要用其配套的軟件，現(xiàn)在已推出較新的編程軟件是GX_Work2，其是三菱電機公司研制的新一代PLC所使用的編程軟件，支持簡單工程（Simple Project）和結(jié)構(gòu)化工程（Structured Project）兩種編程方式，由于編程工程量不大，采用簡單工作編程方式進行編程。

此 PLC支持 SFC編程方法，SFC（sequential Function Chart）是一種較為新型的、貼近工藝流程的進行編寫程序的圖形編程語言，常稱它為順控圖。正因為它有著按照工藝流程動作順序來進行編制程序的特點，并且也直觀，貼近實際生產(chǎn)流程，不像傳統(tǒng)的梯形圖那樣凌亂，因此在自動化設(shè)備的PLC編程語言中能脫穎而出。桁架機械運動過程屬于順序控制，工作流程的步驟性較強，所以此機械手使用SFC編程方式。同時，此編程方式的程序可讀性最強，在調(diào)試及排查故障進也較為方便。

4.2 PLC程序分析

PLC編程的第一步就是對PLC外圍IO點進行分配，分配要注重兩點：（1）按PLC的輸出點的特性進行分配，如X0，X1是高速計數(shù)點，可以對高速脈沖進行計數(shù)，一些模擬量信號必須接到PLC模擬量的輸入點；（2）按設(shè)備進行IO分組，同一個設(shè)備的點安排到相鄰的點，這樣方便接線，也方便管理，具體見表3。

表3 PLC I/O分配表

PLC編程用的是SFC編程方法，此方法較為直觀，也比較接近流程圖。順序功能圖是一種描述順序控制系統(tǒng)功能的圖解表示法，也稱為流程圖，主要由“步”、“轉(zhuǎn)移”及“有向線段”等元素組成[2]。SFC 主要由步、有向線段、轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換條件和動作，或命令組成[3]。根據(jù)控制工藝與編程語言的特點，畫出了下面圖10的流程圖。

圖10 程序流程圖

設(shè)備切換到自動狀態(tài)后，Z軸在上料則自動下降到低位，等待1 s吸取板材物料，吸住后上升；又等1 s，之后X軸右移，到達X軸右端，Z軸下降，等1 s后放下物料；放完物料后，吸具沿Z軸上升，并沿X軸回歸到原點。機械手就是這樣進行循環(huán)工作。

4.3 人機界面設(shè)計

人機界面是用觸摸屏，用的是威綸通品牌，開發(fā)軟件也用其專用的軟件EasyBuilder Pro進行觸摸屏程序的開發(fā)。觸摸屏主要設(shè)計了兩個頁面。具體見圖11與圖12。

圖11 手動界面

圖12 自動界面

人機界面分為兩種狀態(tài)，分別為手動狀態(tài)和自動狀態(tài)。在批量生產(chǎn)時，使用無人操作的自動模式，只在屏上設(shè)定好機械手的等待時間和吸取的板數(shù)，設(shè)備就可實現(xiàn)無人操作。手動模式主要針對的是設(shè)備各機械部分測試和少量產(chǎn)品的動作。

5 控制系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析

設(shè)備在車間組裝成各大部件，每個部件調(diào)試好后，再將各大部件運到用戶工廠現(xiàn)場，與總生產(chǎn)線對接，將各大部件組裝成整個機械手。組裝好的機械手見圖13。

圖13 組裝后的機械手

整體安裝好后，首先要進行靜態(tài)測試，每個吸盤可以承重20 kg，吸盤支架一共可以承重120 kg，達到設(shè)計要求。之后作動態(tài)測試，X軸方向移動框架運行正常，振動較小，電機沒有出現(xiàn)過載現(xiàn)象，Z軸也測試也正常。最后對整個運作過程進行測試，能按圖14的步驟完成一個周期的運行。

圖14 設(shè)備整體調(diào)試過程

在設(shè)備調(diào)試過程中，根據(jù)現(xiàn)場情況，對設(shè)備進行了小部分的改進：（1）為了降低成本于是采用了一個變頻器拖兩臺電機；（2）由于上框承受不了機械手自身重量，于是后期增加多一層鋁型材以提高承重能力；（3）由于Z軸不在重心點出現(xiàn)了偏斜的情況，于是更改了Z軸吊框的位置，使機械手處于平衡狀態(tài)；（4）機械手X軸的快速移動時會出現(xiàn)搖擺現(xiàn)象，于是降低了X軸移動速度。經(jīng)過分析與改進后，設(shè)備基本正常運行，之后經(jīng)過兩個多月的試生產(chǎn)運行，出現(xiàn)三次故障，經(jīng)過簡單的排查與維修就能恢復(fù)運行，整體還算比較穩(wěn)定。生產(chǎn)速度是80 s一張板，速度大于生產(chǎn)線的后段的生產(chǎn)速度，基本達到要求。這自動化桁架機械手，豐富了板材生產(chǎn)行業(yè)的板材輸送方式。

6 結(jié)束語

設(shè)備在一些應(yīng)用場合中可以加入機器視覺系統(tǒng)，與光電傳感器一起檢測入口的升降臺與出口的輸送帶是否有料，這樣設(shè)備運行更穩(wěn)定。此外還可以檢測到板材的位置，可實現(xiàn)更精確的定位；也可檢測板材的表面情況，如裂痕，污跡等，可以起到檢測的作用。X軸與Y軸也可以用伺服電機驅(qū)動，這樣成本會高些，但是控制精度會好些，可以應(yīng)用到精度要求高的場合。