二極管搬運(yùn)機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)

岳東海

（常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，常州 213164）

0 引言

工業(yè)機(jī)械手是近幾十年來發(fā)展起來的高科技自動(dòng)化設(shè)備，機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的重要分支。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。

所有的電子電路中都會(huì)用到半導(dǎo)體二極管，其在電路中起重要的作用。普通二極管的生產(chǎn)中有“封膠→短烤→離模→長考”這樣一段流程，這道工序中“離模”是將托盤上經(jīng)過“短烤”后的二極管半成品，利用特制工具人工轉(zhuǎn)移到模條上進(jìn)入“長考”工序。

本系統(tǒng)根據(jù)二極管的自身特征和外形，設(shè)計(jì)能夠靈活準(zhǔn)確的抓取二極管的機(jī)械手部件。利用高精度三軸線性模組帶動(dòng)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，完成“離模”工序的自動(dòng)化操作。控制系統(tǒng)由觸摸屏、PLC、伺服系統(tǒng)及步進(jìn)控制系統(tǒng)構(gòu)成，機(jī)械系統(tǒng)通過INVENTOR軟件造型后，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，確定其機(jī)械結(jié)構(gòu)。

1 工作原理及過程

二級管“離模”工序如圖1所示。所謂“離模”是將托盤（3）上的二極管（24行×50列=1200個(gè)）搬運(yùn)到24個(gè)模條（1）上。目前國內(nèi)大部分二極管生產(chǎn)廠家“離模”這道工序是由人工手持特定工具搬運(yùn)完成。在轉(zhuǎn)移搬運(yùn)過程中要將特制工具上的50只二極管整體對準(zhǔn)托架上的排孔，然后下落才能完成二級管的批量轉(zhuǎn)移。這道工序?qū)と说氖指泻褪炀毘潭纫蠛芨撸仨毥?jīng)過長時(shí)間的工作經(jīng)驗(yàn)累積才能達(dá)到速度要求。

圖1 二極管“離模”工序簡圖

本系統(tǒng)采用如圖2所示的機(jī)械手搬運(yùn)機(jī)構(gòu)完成“離模”工序，機(jī)構(gòu)本體是固定在三自由度線性模組的Z軸上，機(jī)械手搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的工作過程如下：

1）機(jī)械手搬運(yùn)機(jī)構(gòu)中7直線絲杠步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)通過6拉板帶動(dòng)5推齒連接和2推齒向上運(yùn)動(dòng)，同時(shí)機(jī)械手搬運(yùn)機(jī)構(gòu)隨線性模組高速運(yùn)動(dòng)到設(shè)定位置。

2）線性模組低速帶動(dòng)搬運(yùn)機(jī)構(gòu)進(jìn)入托盤上的二極管陣列，1插齒的齒條進(jìn)入到二極管陣列下方（陽極引腳）行縫隙中，如圖2所示。

3）機(jī)械手搬運(yùn)機(jī)構(gòu)中7直線絲杠步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，2推齒向下運(yùn)動(dòng)，推齒齒條進(jìn)入二極管管陣列上方（陰極引腳）列縫隙中，實(shí)現(xiàn)陣列中所有二極管的鎖定。

4）線性模組Z軸帶動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手向上運(yùn)行，帶動(dòng)所有二極管脫離托盤。在通過線性模組X軸和Y軸的配合運(yùn)行，帶動(dòng)機(jī)構(gòu)至模條組上方，1插齒末端對準(zhǔn)第一個(gè)模條排孔，如圖3所示。

5）搬運(yùn)機(jī)械手14步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過11絲杠、10導(dǎo)軌及9滑塊等構(gòu)件帶動(dòng)2推齒向1插齒末端運(yùn)動(dòng)，在2推齒橫向縫隙的作用下，二極管陣列整體沿1插齒縱向縫隙路徑向其末端運(yùn)動(dòng)。當(dāng)?shù)谝恍卸O管脫離1插齒末端后，自由下落至第一模條排孔內(nèi)。模條排孔為錐形孔，且自由下落開始時(shí)二極管陽極引腳距離模條排孔距離只有5mm，可保證每行自由下落時(shí)二極管可以順利進(jìn)入模條排孔內(nèi)。如圖4所示。

6）線性模組帶動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手移動(dòng)1個(gè)模條寬度的距離（6mm），重復(fù)動(dòng)作（5），完成第2行二極管的搬運(yùn)，以此類推。

7）完成所有二極管陣列的搬運(yùn)后，7直線絲杠步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)抬起復(fù)位，14步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)復(fù)位。重復(fù)過程（1），進(jìn)行下次搬運(yùn)。

圖2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

圖3 二極管自由下落前

圖4 二極管自由下落后

2 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用三軸線性模組驅(qū)動(dòng)機(jī)械手本體構(gòu)件運(yùn)行，三軸線性模組采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)械手搬運(yùn)機(jī)構(gòu)本體采用兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)如圖2所示，硬件控制系統(tǒng)原理圖，如圖5所示。

圖5 硬件控制系統(tǒng)原理圖

硬件配置列表如表1所示。

表1 系統(tǒng)硬件配置清單

其中，可編程控制器選用三菱FX3U-48MT，該型號PLC內(nèi)置了3 軸獨(dú)立最高100kHz 的定位功能（Y0、Y1、Y2）。并且增加了新的定位指令：帶DOG 搜索的原點(diǎn)回歸（DSZR ），中斷單速定位（DVIT）和表格設(shè)定定位（TBL），從而使得定位控制功能更加強(qiáng)大，使用更為方便。定位模塊FX2N-20GM可同時(shí)控制2根軸進(jìn)行直線插補(bǔ)圓弧插補(bǔ)，有絕對位置檢測功能。

本系統(tǒng)線性模組由3臺(tái)伺服電機(jī)控制，機(jī)械手本體由2臺(tái)步進(jìn)電機(jī)控制。可編程控制器FX3U的高速脈沖端Y0，Y1控制2臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，Y2控制線性模組Z軸伺服電機(jī)。定位模塊FX2N-20GM控制線性模組X、Y軸伺服電機(jī)。其中觸摸屏為上位機(jī)，PLC及定位模塊為下位機(jī)，觸摸屏實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的輸入、系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控及生產(chǎn)情況統(tǒng)計(jì)。系統(tǒng)運(yùn)行指令由上位機(jī)觸摸屏發(fā)出，并同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況，實(shí)時(shí)顯示搬運(yùn)完成二極管陣列的數(shù)量。每日搬運(yùn)結(jié)束后自動(dòng)生成報(bào)表，并可隨時(shí)打印輸出形成文檔供企業(yè)管理者查閱。若系統(tǒng)工作過程中出現(xiàn)以外情況停止運(yùn)行，觸摸屏?xí)@示相應(yīng)的報(bào)價(jià)信息。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)二極管生產(chǎn)線上批量搬運(yùn)二極管到下道工序，即完成“離模”工序的自動(dòng)化搬運(yùn)。通過觸摸屏實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)定并實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況。同時(shí)記錄生產(chǎn)量，并生成生產(chǎn)報(bào)表，使企業(yè)管理者可以隨時(shí)了解企業(yè)的生產(chǎn)狀況。實(shí)踐證明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，重復(fù)定位精度高，抓取搬運(yùn)過程速度快，已成功應(yīng)用于二極管生產(chǎn)企業(yè)。此外，本系統(tǒng)的應(yīng)用可擴(kuò)展到與二極管外形結(jié)構(gòu)相似的其他電子元件生產(chǎn)工序中，使得本系統(tǒng)的應(yīng)用范圍更加廣泛，市場前進(jìn)廣闊。

[1] 巫莉.電氣控制與PLC應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社2008.

[2] 王月芹.基于PLC機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2011.05.

[3] 薛永風(fēng),等.基于FX2N-20GM的雙軸步進(jìn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2011,09.

[4] 三菱FX2N-10GM-20GM編程手冊[Z].