一種小型專用分揀機械手的設計與研究

高強，吳忠億，邵長猛

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一種小型專用分揀機械手的設計與研究

高強1，吳忠億1，邵長猛2

（1.沈陽工程學院 機械學院，遼寧 沈陽 110136；2.京能錫林郭勒發電有限公司，內蒙古 錫林郭勒 026000）

根據企業需求，論述基于PLC控制的物品分揀機械手，以實現對不同顏色物品歸類的目的。對機械手控制和驅動系統、執行機構進行了系統化設計，使用AutoCAD、UG三維軟件建模、繪制控制電路圖、液壓圖、分配I/O接口編制PLC程序，著重對手部夾持力進行計算并選取液壓缸，使用力控軟件搭建模型進行模擬運行，驗證程序的可行性，達到預期效果，并試制出樣機。

機器手；液壓；PLC；UG

機械手是具有高強度、高精度的新型裝置[1]，可以按照預先設定的程序，完成預先規定的動作，在特殊環境中代替人完成工作。某企業實際生產中需要對鍍鋅棒、普通鐵棒完成分揀捆扎任務，具體要求如表1，先期為企業研發的設備如圖1，存在機械手夾持不牢、電機驅動抱閘不穩定等問題，針對這些不足，本文設計了一種小型分揀機械手，如圖2，依據兩種棒料顏色不同的特點，使用灰度傳感器完成識別過程，進而實現兩種棒料的分離包裝。

1 機械手機構設計

1.1 手部結構的設計

機械手手部多為夾持式與負壓吸盤式[2]，本設計應用于棒料夾取，故選用夾持式。針對前期設計存在的夾取不牢、容易滑脫的缺陷，特設計成圖2所示齒輪齒條連桿式移動夾持器，其中電磁式驅動器驅動齒條桿和兩個扇形齒輪，扇形齒輪帶動連桿旋轉。連桿驅動兩個鉗爪作平移以及夾緊和松開動作，這樣的手部設計能有效防止金屬棒料的滑脫。

圖1 初始設計實物及改進模擬圖

表1 技術參數表

抓取工件重量＝50 N；V形手指的角度2＝90°，鉗爪回轉半徑＝100 mm＞夾持半徑＝31 mm。

有經驗公式：

式中：為驅動力，N；F為握力，N。

根據手指夾持工件的位置進行理論力學分析，可得：

計算得到：F＝25 N、＝166.6 N

傳動機構為齒輪齒條傳動，則有：

式中：F為實際驅動力，N；1為傳動效率，取1＝0.95；1為安全系數，取1＝1.5；2為加速影響下的安全系數，取極限情況下機械手抓取棒料加速度為＝2時，2＝1＋/＝3。

Fo

≥

Fs

＝789.5 N （4）

式中：F為輸出推力，N。

即在夾持工件時所需夾緊液壓缸的輸出推力為789.5 N。

1.2 驅動系統的設計

立柱旋轉采用伺服電機驅動的方式，由于整個機構在水平方向上只有較小的阻力，所以采用伺服電機驅動可以準確控制旋轉角度，保證機械手在旋轉過程中的位置精度；因液壓驅動具有較大輸出力、運動平穩、閉鎖性能好，考慮到需抓取5 kg棒料，加之手部自身重量、整體精度等方面的要求，手臂升降、伸縮和手部夾緊運動均采用液壓驅動的方式。

2液壓系統設計

2.1 手部松緊液壓缸的設計

手部松緊液壓缸采用單向作用液壓缸。其活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，公式為：

式中：1為活塞桿上的推力，N；F為彈簧反作用力，N；F為液壓缸工作時的總阻力，N；為液壓缸工作壓力，Pa；為液壓缸直徑，mm。

式中：G為彈簧剛度，N/m；為彈簧預壓縮量，m；為活塞行程，m；1為彈簧鋼絲直徑，m；1為彈簧平均直徑，mm；為彈簧有效圈數；為彈簧材料剪切模量，一般?。?9.4×109Pa。

在設計中，必須考慮負載率的影響，則：

由以上分析得：

代入有關數據，可得：

G＝3677.46 N/m、F＝220.6 N

所以：＝65.23 mm

圓整得：＝65 mm

由/＝0.2～0.3，可得：

＝（0.2～0.3）＝13～19.5 （9）

式中：為活塞桿直徑，mm。

其中[]＝120 MPa、1＝750 N，則：

滿足實際設計要求。

2.2 立柱升降液壓缸的設計

（1）液壓缸的選擇

液壓缸運行長度設計為＝120 mm，液壓缸內徑為1＝110 mm，半徑＝55 mm，壓強＝0.4 MPa，則驅動力0＝πr2＝3799 N。

（2）尺寸校核過程

經過估算，手臂、手部結構總質量為50 kg，取g＝10 N/kg，重力為1＝500 N；

所設計的加速度，＝5 m/s2，則慣性力2＝250 N；

考慮活塞機構的摩擦力，設定摩擦系數＝0.098，G＝2＝24.5 N，總受力G＝＋2＋G＝774.5 N，G＜0，所以設計尺寸符合實際使用要求。

3 控制系統的設計

本機械手的手臂上具有三個自由度：水平方向上手臂的伸、縮，豎直方向上立柱的升、降，繞豎直立柱的旋轉，以及末端執行裝置手部部分的抓取動作。

3.1 設計控制流程

機械手啟動后按照圖3流程，通過液壓驅動手臂升降，通過PLC控制液壓系統中電磁閥的激勵順序來控制手臂的動作，由末端均放置的行程開關檢測動作是否到位。手部手指上安裝有壓力傳感器，將壓力信號輸入PLC，檢測夾持力[3-5]。

圖3 機械手動作流程圖

3.2 I/O分配

采用西門子S7-200系列CPU224作為整個機械手的控制用PLC[6]，其輸入輸出接口如表2。

按圖4連接PLC端口，SQ1為啟動開關；XC1、XC3、XC4、XC5、XC7、XC8為行程開關；CG2、CG6為壓力傳感器；JJ9為接近開關；DT1、DT2、DT3、DT5、DT6、DT7為電磁閥接線端口，BM4、BM8為編碼器接線端口；FM9為報警器；DG10為提示燈；DC11、DC12為電磁制動器接線端。

表2 輸入輸出接口分配表

圖4 PLC接線圖

3.3 PLC的控制程序

按照流程圖編寫PLC程序T圖，節選如圖5所示。

4 結論

使用力控軟件搭建機械手運動液壓回路圖如圖6所示，驗證了PLC程序的正確性。本設計在原有設計基礎上，通過改進手部造型設計，使其更適合金屬棒料的牢固夾?。皇褂靡簤合到y代替電機絲杠驅動形式，使機械手定位更加準確穩定。最終設計出可行性高、適合該企業生產的機械手。

圖5 PLC程序圖節選

圖6 力控仿真圖

[1]梁景凱，蓋玉先. 機電一體化技術與系統[M]. 北京：機械工業出版社，2015.

[2]牛瑞麗. 基于西門子PLC的小型搬運機械手控制系統設計[D]. 南京：南京理工大學，2013.

[3]高欽和. 可編程控制器應用技術與設計[J]. 北京：人民郵電出版社，2004.

[4]王永華. 現代電氣控制及應技術[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[5]廖常初. PLC編程及應用（第2版）[M]. 北京：機械工業出版社，2005.

[6]Laurie Williams，Will Snipes，John P. On the Value of Static Analysis for Fault Detection in Software[J]. IEEE Trans on Software Engineering，2006：240-253.

Design and Research of a Small Sorting Manipulator System

GAO Qiang1，WU Zhongyi1，SHAO Changmeng2

( 1.Mechanical engineering institute, Shenyang Institute of Engineering, Shenyang 110168, China;2.Beijing gol Power Co. Ltd, Xilinguole 026000, China )

This paper is based on the needs of enterprise, discuss the sorting manipulator that is used to control of goods is based on the PLC so that achieve the purpose for sorting the different colors of goods. the control of manipulator、diving system and executive mechanism are designed systematically in the paper, make use of 3D software-Auto CAD、UG to be modeling、drawing control circuit diagram、hydraulic chart、compiling PLC program by distributing i/o interface, the main point is the calculation of gripping force of hand and choose hydraulic cylinder, make use of force control software to build model so that simulation operation、verify the feasibility of the program and achieve desired results and try on make the prototype machine.

robot hand；hydraulic；PLC；UG

TP273

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.05.013

1006－0316 (2018) 05－0048－04

2017－10－24

高強（1986－），男，滿族，遼寧葫蘆島人，碩士，工程師，主要研究方向為人工智能。