新型鋼管打捆機械手末端鋼帶夾緊機構的研究與設計

馬魯豪，張玉華，梅克明，鄭燕武

(1. 天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室，天津 300384；2. 天津理工大學 機電工程國家級實驗教學示范中心， 天津 300384)

0 前言

隨著國民經濟的發展，鋼管的產量與日俱增[1]。2016年我國鋼管產量首次突破了1億噸。新型鋼管打捆機械手是采用廢鋼帶(由殘次鋼管回收制成)對鋼管進行打捆包裝的設備，不僅“廢物再利用、節能且環?！?，降低鋼管的生產成本，也可與傳統鋼管打捆機(僅可采用標準鋼帶)相互補充，完成鋼管生產的最后一道工序。末端鋼帶夾緊機構是新型鋼管打捆機械手最為核心的部件，因此對其的研究與設計十分必要。

1 新型鋼管打捆機械手的結構

如圖1所示，為新型鋼管打捆機械手整體結構簡圖，其實質為三自由度平面對稱機械臂結構[2]。實線部分為初位置工作狀態，虛線部分為末位置工作狀態；L1、L2、L3分別為基桿、中間桿、末端執行桿(由鋼帶夾緊機構和氣缸組成)，其中基桿與地面、基桿與中間桿、中間桿與末端執行桿分別通過轉動副連接，并由伺服電機控制；E1、E2分別為初、末位置狀態下機械手對廢鋼帶兩端的抓取點。

圖1 新型鋼帶打捆機械手結構簡圖

2 末端鋼帶夾緊機構的設計

2.1 鋼帶夾緊機構的實現

在新型鋼帶打捆機械手整體工作過程中，末端鋼帶夾緊機構均起到十分重要的作用，而機構對廢帶的“抓取”則是其工作過程中較為關鍵的技術。通過實踐得出，對鋼帶夾緊而產生的摩擦力即可保證對鋼帶的仿形捆扎及拉緊對接等功能的實現。如圖2所示，為夾緊機構的工作原理圖。

圖2 鋼帶夾緊機構的工作原理圖

圖中，FN、Ff分別為夾緊裝置對鋼帶產生的總壓緊力、總摩擦力(即總驅動力)，N、f分別為單側夾緊裝置對鋼帶產生的壓緊力、摩擦力，且滿足

(1)

通過實際驗證，當Ff約為20 000 N時便可保證對鋼帶的仿形捆扎及其拉緊對接等功能的實現，此時單側夾緊裝置對鋼帶產生的壓緊力N約為13 500 N(取摩擦系數u=0.5、安全系數k=1.5)，即1 350 kg所產生的力。

2.2 鋼帶夾緊機構的結構設計

鋼帶夾緊機構需要對鋼帶進行夾緊，使機械手對鋼帶獲取較大的“抓取力”，并配合后續各桿件角位移的完成；當實現對鋼管的捆扎、廢帶的拉緊對接及其焊接過程后，夾緊機構松開鋼帶進而復位，整個對鋼管的打捆包裝過程完成。通過對機械手打捆過程的分析，夾緊機構需要完成三個動作——夾緊、捆扎和復位，因此可初步設計出其結構如圖3所示。

圖3 夾緊機構示意圖

夾緊機構為左右對稱結構，選擇氣壓傳動方式[3]。當氣缸驅動時，其推動連接件1向下運動，推力由鉸鏈I(J)傳遞到連桿4(5)；在與副桿2(3)的作用下，經由鉸鏈G(H)又傳遞到了中間連桿6(7)上；再經過鉸鏈E(F)，推力進入夾緊鉗8(9)，隨后夾緊鉗8(9)繞著固定鉸鏈C(D)進行回轉運動。當連接件1下移到一定位置時，夾緊鉗8(9)上的鉗面A(B)與鋼帶接觸并將其托起，隨后夾緊鉗8(9)與壓塊12共同作用，完成對鋼帶的夾緊動作。

3 末端夾緊機構的力學研究

如圖4所示，為夾緊機構在壓緊狀態下的機構簡圖，其中α、β、γ、θ∈(0～90°)。

圖4 壓緊狀態下夾緊機構結構簡圖

夾緊鉗與鋼帶接觸之前，鉗面不受力的作用，即為“張開狀態”；在夾緊鉗與鋼帶接觸完成對鋼帶的夾緊、抓取過程中，鉗面也受到來自鋼帶和壓塊的擠壓力，即為“壓緊狀態”。因此，對夾緊機構的力學分析也是對其在壓緊狀態下的受力分析。

3.1 夾緊機構的力學分析

對鉸鏈的力學研究，可有效掌握力在機構中的傳遞特性[4]。夾緊機構中，較為重要的鉸鏈分別是E(F)、G(H)和I(J)。由于機構左右對稱，兩端受力情況相同，可只分析一側(以左側為例)。

(1)連接件1及其鉸鏈I(J)的受力分析，如圖5所示。

圖5 鉸鏈I(J)的受力示意圖

圖中，FP為氣缸施加給連接件1的推力，FGI和FHJ分別是鉸鏈I、J對連件1的作用力，則三者之間存在以下關系。

(2)

由式(2)得，

(3)

(2)鉸鏈G的局部受力分析，如圖6所示。

圖6 鉸鏈G的受力示意圖

圖6中，FIG、FEG和FKG為連桿4、中間連桿6和副桿2對鉸鏈G的作用力。其中，FIG與FGI大小相等，方向相反，且通過對力的分解，則有

(4)

由(4)式得

(5)

(3)中間連桿6與夾緊鉗8通過鉸鏈E連接起來，而夾緊鉗實質上是一個杠桿結構，因此對鉸鏈E的研究無需分析夾緊鉗對鉸鏈E的作用力，只需研究中間連桿6通過鉸鏈E對夾緊鉗8的作用力，即FGE，如圖7所示。

圖7 鉸鏈E的受力示意圖

(6)

3.2 夾緊機構增力比的計算

夾緊機構需要最終完成對鋼帶的抓取，需要較大的“抓取力”(既對鋼帶的夾緊力而形成的靜摩擦力)，故夾緊機構的設計實際上就是增力機構的設計。由于夾緊機構固定于打捆裝置的桿件3上，對其大小有嚴格的要求，故本結構摒棄在動力源(氣缸)與夾緊機構之間加入增力機構較大尺寸的設計方案，而是將夾緊機構直接設計為增力裝置，這樣有效地減少了機構尺寸和空間。

為了獲得較大的增力比，本結構采用三次增力的方式，即單臂鉸桿(連桿4、5)-雙臂鉸桿(副連桿6、7和副桿2、3)-杠桿(夾緊鉗8、9)串聯組合。以機構左側為例，通過連桿4，驅動力由FP增大至FGI，再經過中間連桿6和副桿2又增大到FEG，最后通過夾緊鉗8輸出最終的夾緊力FA。對夾緊鉗8的受力分析，如圖8所示。由圖可得

(7)

由式(3)、(5)、(6)、(7)可得

(8)

圖8 夾緊鉗8的受力示意圖

根據連桿3的尺寸、鋼帶寬度(30～40 mm)及厚度(2～4 mm)，可以初步設定出l1=45 mm、l2=10 mm。當夾緊鉗對鋼帶進行夾緊時，此時測得α=15°、β=40°、γ=41°、θ=58°。帶入式(8)得，增力比為

i=KFA/FP=16.6(安全系數K=2)。

4 夾緊機構PLC控制系統設計

4.1 夾緊機構控制系統的工作流程

本文以鋼帶打捆機械手右側機構為例，夾緊機構控制系統的工作流程如圖9所示。

圖9 夾緊機構控制系統工作流程圖

(1)夾緊機構在原始位置(放松狀態)，按下啟動按鈕，氣缸連桿從上限位置開始下降。

(2)氣缸連桿下降，使得夾緊鉗運動至壓塊上的下限行程開關(可控制夾緊的程度)位置，當滿足夾緊條件后，下限行程開關，氣缸連桿下降動作結束，完成對鋼帶的夾緊。

(3)伴隨著鋼帶打捆機械手的打捆過程，夾緊機構開始左旋。左旋至左限行程開關位置，壓動行程開關后，左旋動作結束(此時鋼帶打捆機械手也完成打捆過程)，氣缸連桿開始上升。

(4)氣缸連桿上升到上限行程開關位置，開啟行程開關后，上升動作結束，松開鋼帶。

(5)鋼帶打捆機械手經歷復位過程，此時夾緊機構開始右旋。右旋至右限行程開關位置，行程開關開啟，右旋結束，夾緊機構完成復位。

4.2 夾緊機構控制電路設計

夾緊機構的PLC控制系統的控制要求：(1)利用兩個按鈕來控制機構的啟動和停止[5]；(2)利用兩個電動機分別控制夾緊機構的夾緊、放松和左旋、右旋；(3)具備自動和手動控制模式[6]；(4)按下停止按鈕，夾緊機構要完成一個周期運動回到初始位置才停止；(5)用4個極限位置開關控制夾緊機構的4個極限位置。

通過對夾緊機構工作流程及控制要求的分析，可設計控制系統電路如圖10所示，I/O地址編排表如表1所示。該系統中共有I/O端口15個(輸入11個，輸出4個)，PLC可選用西門子S7-200PLC，CPU模塊為CPU224[7]。

圖10 夾緊機構控制系統電路圖

器件代號地址編號功能說明輸入SB1I0.0啟動按鈕SB2I0.1停止按鈕SQ1I0.2右限位置開關SQ2I0.3下限位置開關SQ3I0.4左限位置開關SQ4I0.5上限位置開關SQ5I0.6手動/自動切換SB3I1.0手動下降(夾緊)SB4I1.1手動左旋SB5I1.2手動上升(松放)SB6I1.3手動右旋輸出KM1線圈Q0.0控制下降(夾緊)KM2線圈Q0.1控制左旋KM3線圈Q0.2控制上升(松放)KM4線圈Q0.3控制右旋

4.3 夾緊機構控制電路設計

夾緊機構的PLC控制程序如圖11所示，該控制方式分為自動和手動兩種控制模式。

圖11 夾緊機構PLC控制程序

自動控制模式過程為：首先，將手動/自動切換開關SQ5閉合，此時常開觸點I0.6斷開，手動控制程序段被切斷，控制系統進入自動模式。然后，按下啟動按鈕SB1，當右限位置開關SQ1閉合時，常開觸點I0.2閉合，程序段S0.1開啟，而常開觸點I0.2復位，并且線圈Q0.0得電使得電機M1轉動，帶動氣缸連桿下降，下降至下限位置時，下限位置開關SQ2閉合，夾緊功能完成[8]；同時，常開觸點I0.3閉合，系統進入程序段S0.2，程序段S0.1與常開觸點I0.3復位，并且線圈Q0.1得電使得M2轉動，帶動夾緊機構左旋，左旋至左限位置，左限位置開關SQ3閉合，左旋過程結束；此時，常開觸點I0.4閉合時，程序段S0.3運行，而程序段S0.2與常開觸點I0.4復位，且線圈Q0.2得電使得電機M1轉動，帶動氣缸連桿上升，夾緊機構開始對鋼帶進行松放，上升至上限位置，上限位置開關SQ4閉合，松放功能完成；同時，常開觸點I0.5閉合時，系統進入程序段S0.4，程序段S0.3與常開觸點I0.5復位，并且線圈Q0.3得電使得夾緊機構右旋，右旋至右限位置，右限位置開關SQ1閉合，右旋運動結束；此時，常開觸點I0.2閉合，系統進入下一周期的鋼帶夾緊、松放運動。最后，按下停止按鈕SB2，夾緊機構在完成一個周期運動后停止。手動控制過程為：將手動/自動切換開關SQ5斷開，I0.6常開觸點閉合，自動控制程序被切斷，控制系統進入手動模式。在手動控制模式下可以實現鋼帶的點動夾緊與松放，可滿足特殊工況下的工作要求。

5 結論

通過模擬測驗，設計出的末端鋼帶夾緊機構可良好的完成對鋼帶的夾緊與松放功能。力學放大效果較好，可選用驅動力為1 000 N(即100 kg所產生的力)的氣缸，通過力學放大，最終單側夾緊鉗對鋼帶的壓緊力N為16 300 N，夾緊裝置對鋼帶的總摩擦力(總驅動力)Ff為24 450 N；PLC控制系統設計簡單，可靠性能高，并同時具備自動和手動兩種控制模式，自動控制模式精準度高，手動控制模式可以實現點動夾緊與松放，可滿足特殊工況下的要求。

[1] 殷國茂.我國鋼管工業的現狀和今后發展的思考[J].鋼管,2011，40(01):1-7.

[2] John J. Craig. Introduction to Robotics: Mechanics and Control[M]. Third Edition. NJ: Prentice Hall, 2004.

[3] 劉錫軍.鋼管倒棱機夾緊機構系列的優化設計[D].天津:天津理工大學,2016.

[4] 沈鑫剛.全自動鋼管打捆機的研究與開發[D].浙江:浙江大學,2005.

[5] 秦曾煌.電工學[M].北京：高等教育出版社,2007.

[6] 郁漢琪，郭健.可編程序控制器原理及應用[M].北京：中國電力出版社，2010.

[7] 龔威，張樹臣，王瀛.實例解讀西門子PLC[M].北京：中國電力出版社，2013.

[8] 郭麗.基于PLC的物料輸送系統設計[J].輕工科技，2015(06):82-85.