智能裝配產品的通信系統開發

肖猷坤 李沛輝 東莞理工學院 機械工程學院 曾志彬 吳國洪 東莞市橫瀝模具科技產業發展有限公司 陳學忠 廣東石東實業（集團）公司

0 前言

由于機械手可具有多個自由度，夾取、搬運工件都具有很高的靈活性，并且結合自動化控制技術可實現提高作業效率，保證作業精度以及精確性[1]。因此自動化裝配領域常常利用機械手代替人來完成裝配工作[2]，很多機器設備的組裝，要求Z軸方向上的電機要豎直安裝并且電機輸出軸要在下方，然而平常放置電機時，往往是以電機軸朝上的方式放置。電機如步進電機，在電機輸出軸一側的端面具有四個通孔，利用機械手夾取電機后，在安裝工位對準裝配位置，旋進螺絲即可把電機固定完成。

利用機械手夾取電機并且送往Z軸上合適的安裝位置時，需要完成180°的旋轉功能，雖然利用市場上現有的六軸機械手[3]可以實現該功能，但是成本高，控制系統復雜，不適用于中小型企業。然而也存在有些翻轉機械手利用翻轉控制凸輪機構，但是該機構的引入會增加加工難度以及加工成本。

針對以上問題，本文提出了一種智能裝配產品的通信系統開發方案，利用一個直線氣缸、一個旋轉氣缸和一個氣爪作為主要設計部分，采用氣壓驅動方式實現目標功能，下文將從機構設計方面與控制系統方面進行闡述。

1 硬件平臺設計

本文利用一個三軸氣缸、一個旋轉氣缸和一個氣爪作為驅動件，除了驅動件還包括有連接組件（角鋁支撐件、法蘭）以及執行件（手指）。角鋁支撐件作為一個外連接的部件，其設置在三軸氣缸的側面，三軸氣缸用于提供直線運動。旋轉氣缸設置在三軸氣缸的上方（即軸末端），提供一個旋轉運動；法蘭設置在旋轉氣缸的上方（即旋轉軸的末端），用于輔助固定氣爪。氣爪設置在法蘭的上方，手指設置在氣爪的末端，設計固定形狀的手指，使其更適合抓取電機。

角鋁支撐件設置了四個通孔，其中兩個通孔用于連接三軸氣缸，另外兩個通孔用于外連接，如連接導軌滑塊實現該翻轉機械手的大范圍運動。三軸氣缸缸體通過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螺栓與旋轉氣缸缸體連接，可實現三軸氣缸帶動旋轉氣缸的直線往復運動。法蘭設置了與旋轉氣缸桿體配合的通孔，并且設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與旋轉氣缸桿體產生干涉；旋轉氣缸桿體通過螺栓與法蘭連接，進一步的，法蘭通過螺釘與氣爪缸體連接，可實現旋轉氣缸帶動氣爪旋轉；手指的側面設置了兩個通孔，通過螺栓與氣爪桿體連接，可實現氣爪帶動手指張開或夾緊。

本文對夾持的步進電機設置為兩類，分別為42步進電機、57步進電機，其中42步進電機的尺寸規格為兩平行端面（非電機輸出軸的端面）之間的距離約為42mm，57步進電機的尺寸規格為兩平行端面（非電機輸出軸的端面）之間的距離約為57mm[4]。在42步進電機和57步進電機的全部種類中，最大重量為2.0kg，當氣爪夾取電機時，所需的夾持力需要能達到 F=2.0kg×9.8m/s2=19.6N，此外，42步進電機與57步進電機的大小相差為15mm，則需要選型夾持力超過19.6N、并且行程范圍大于15mm的平行氣爪，故選型號為MHZL2-20S的氣爪（最大夾持力為33N，開閉行程為18mm），相應的，查得該氣爪的重量為0.9kg。確定了氣爪的型號后，將需要對旋轉氣缸進行計算選型，旋轉氣缸包含兩個參數，分別為允許徑向負載重和允許彎矩，根據夾持的電機的最大重量和氣缸的重量，旋轉氣缸的允許徑向負載重需要滿足 F=（2.0+0.9）kg×9.8m/s2=28.42N，旋轉氣缸的允許彎矩 [5]大約為 M=28.42N×0.14m=3.98N.m，因此需要選型旋轉氣缸的允許徑向負載重超過 28.42N，允許彎矩超過3.98 N.m，故選型號為MSQA-20R的旋轉氣缸（允許徑向負載重為166N，允許彎矩為4.8N.m），查得該重量為1.5kg。進一步計算三軸氣缸的參數，三軸氣缸需要的容許側向負載 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向負載重超過43.12N，容許彎矩超過9.49N.m，故選TCMJ50×50-20S的三軸氣缸（容許最大側向負載重為245N，容許最大彎矩為10.80N.m）。通過上述的校核計算，證明了本設計的可行性。

2 控制系統

本文對應用于自動化裝配的翻轉機械手的控制系統進行開發，通過氣壓驅動的方式，三軸氣缸可帶動手指進行伸縮動作（即直線運動感），氣爪可帶動手指進行夾緊與松開動作，旋轉氣缸可帶動手指進行180°翻轉動作，三軸氣缸、旋轉氣缸和氣爪的運動配合可實現機械手夾持與翻轉電機，使得電機滿足輸出軸朝下的安裝樣式。具體為，三軸氣缸、旋轉氣缸和氣爪的氣孔都分別與氣動電磁控制閥連接，以歐姆龍微型PLC為控制器，氣動電磁控制閥的常開端都連接于+24V端，氣動電磁控制閥的的com端連接至PLC控制器的輸出端，復位狀態下，此時PLC控制器處于無輸出狀態，氣動電磁控制閥處于常開狀態，三軸氣缸處于收縮狀態、旋轉氣缸處于0°位置、氣爪處于閉合狀態。當PLC控制機械手開始動作時，氣動電磁控制閥轉為常閉狀態，氣爪張開，接著三軸氣缸伸長，到達電機放置的位置，然后手爪閉合，夾緊電機，三軸氣缸收縮，旋轉氣缸動作，將電機翻轉180°，經過輔助機構（導軌）的傳動，翻轉機械手連帶電機一起被運送到安裝工位。

3 結語

本文所做的工作總結如下：第一，根據功能的要求對機械手進行了結構設計；第二，根據目標功能搭建了控制系統。旋轉氣缸的缸體與三軸氣缸連接，旋轉氣缸的桿體與氣爪連接，三軸氣缸在氣壓驅動下產生直線運動，旋轉氣缸在氣壓驅動下產生180°的旋轉運動，氣爪在氣壓傳動下可張開或夾緊。通過改變三者的進出氣的方式，進而可以實現翻轉機械手的伸縮、180°翻轉以及夾緊松開的動作，它可適應用于自動化裝配領域。