基于單片機控制的玻璃管搬運機械手設計

于復生 祝凱旋 張華強

(山東建筑大學機電工程學院，山東濟南250101)

玻璃管廣泛應用于裝飾品、醫療和藥品、化工、光源器件、管制燈、電子器件、太陽能等中.我國的玻璃管生產工藝已經相對成熟,但是生產后的玻璃管的搬運目前還處于人工搬運狀態,不僅提高了工人的勞動強度,降低了搬運效率而且容易造成玻璃管的二次劃傷甚至損毀.特別是剛從工廠生產出來的玻璃管溫度很高,工人在搬運過程中容易被燙傷,掉落的玻璃管會對工人造成傷害.

針對下線的玻璃管搬運目前有些學者發表了相關論文,如彭碩[1]等提出了一種玻璃管火焰下料機的設計,通過兩個機械手進行玻璃管的夾取和旋轉,給玻璃管提供夾緊固定作用.也有一些研究者已經研發了一些裝置,例如:專利201320145252.4公開了用于玻璃管夾持的夾緊機構,該夾具實現了對玻璃管的自適應夾緊[2]；專利201520083111.3公開了玻璃管豎直夾持上料裝置,該裝置包括回轉機構、升降機構、夾持機構,大大降低人工勞動強度,實現了對玻璃管的良好夾持及準確定位[3]；專利201510928724.7公開了玻璃管擺管機,該裝置可以自動完成每層玻管的擺放,并碼放成捆[4].盡管上述研究者對于太陽能玻璃管的夾持、定位以及自動碼垛做出了很大的貢獻,但是其裝置在體積上或者效率上都存在一些問題.因此本文研發了基于單片機控制的玻璃管搬運機械手.

1 玻璃管搬運機械手機械結構設計

1.1 玻璃管搬運機械手結構設計

玻璃管搬運機械手由兩部分組成,頂部有提升電動機組件、直線滑軌等,下部有玻璃管夾持機械手、玻璃管固定裝置和玻璃管運送機構等,頂部靠兩端支架支撐.所設計的玻璃管搬運機械手如圖1所示.

玻璃管搬運機械手的工作流程和功能即為首先將玻璃管運送到玻璃管固定裝置的最左端通過前后兩個V型槽固定,接著玻璃管運送機構通過兩個V型抓手將最左端的玻璃管抓起并依次放到玻璃管固定裝置右端V型槽上,玻璃管排列整齊后,提升電動機組件帶動玻璃管夾持機械手到達排列整齊的玻璃管的正上方,通過玻璃管夾持機械手抓取一排玻璃管,提升電動機組件再次帶動玻璃管夾持機械手將一排玻璃管運送到指定位置,最終完成玻璃管的搬運和碼垛工作.提升電動機組件和玻璃管夾持機械手通過3臺步進電動機協同工作,能夠實現對玻璃管的精確抓取以及準確運送玻璃管到指定位置,三自由度工作提高了裝置整體的靈活性,保證了機械手的運動精度.

1.2 玻璃管夾持機械手結構設計

玻璃管夾持機械手能實現安全、精準的抓取一排玻璃管,其結構如圖2所示.由于剛生產出來的玻璃管溫度很高所以玻璃管開口邊頂板、玻璃管圓頭頂板、第一彈簧壓條和第二彈簧壓條采用耐高溫橡膠制作而成.第一彈簧壓條與其上方的多個彈簧和第二彈簧壓條與其上方的多個彈簧共同作用來實現對夾緊玻璃管的固定和壓緊,這樣能夠避免玻璃管在運送過程中出現晃動以至于脫落的現象.采用電動機驅動一個齒輪同時嚙合兩根齒條做相反方向的直線運動,能夠保證玻璃管夾持機械手在夾取玻璃管時兩滑塊頂板運動的同步性,避免了兩個滑塊頂板不同步運動而造成玻璃管在夾取過程中出現偏差、掉落的現象,同時齒輪齒條嚙合具有嚴格的傳動比,提高了玻璃管夾持機械手的抓取精度.將滑塊頂板和下部底板通過直線滑塊導軌連接起來,由于滑塊與導軌的連接具有定位精度高、潤滑構造簡單、摩擦小等優點,更保證了機械手的抓取精度.

1.3 玻璃管固定和運送裝置結構設計

玻璃管固定裝置的V型槽口和玻璃管運送機構的V型抓手同樣采用耐高溫橡膠制作而成.玻璃管的運送采用滾珠絲杠作為動力傳遞裝置.由于滾珠絲杠具有運動精度高、無側隙、剛性高、摩擦小等特點,更加保證了玻璃管在運送過程中的穩定性和準確性.采用電磁元件作為V型抓手動作的驅動力,保證了玻璃管抬起放下的穩定性.采用光電開關貼附在玻璃管固定裝置的每個V型槽口側面,用來監控玻璃管的運行狀態,保證了玻璃管運動位置的準確性.

1.4 提升電動機組件結構設計

提升電動機組件能帶動玻璃管夾持機械手穩定自如的橫向和豎向運動,其結構如圖3所示.通過第三步進電動機帶動兩齒輪嚙合轉動,兩個齒輪分別嚙合玻璃管夾持機械手的兩個垂直方向導向齒條,其作用是單電動機通過兩齒輪帶動兩個垂直方向導向齒條同步的做上下運動,保障了下部玻璃管夾持機械手上下運動的穩定性.玻璃管夾持機械手的4個底部導桿通過提升電動機組件的四個支線軸承起到導向作用,保證玻璃管夾持機械手運動的穩定性,避免了運動傾斜狀態,同時支線軸承具有良好的耐沖擊性和良好的吸振性能、運轉平穩、旋轉精度高等優點,也提高了玻璃管夾持機械手運動的穩定性.第四步進電動機帶動齒輪與兩直線滑軌中間的齒條做嚙合運動,且通過直線滑塊導軌連接提升電動機組件和直線滑軌,使提升電動機組件做橫向直線運動,由于滑塊和導軌具有定位精度高、潤滑構造簡單、摩擦小等優點,以及齒輪齒條嚙合具有嚴格的傳動比,更保證了提升電動機組件運動的穩定性和運動精度,同理保證了玻璃管夾持機械手橫向運動的穩定性.

2 控制系統設計

2.1 系統控制結構框圖

目前機械手控制系統或機器人控制系統多是以PLC或單片機作為控制核心[5-6].根據對玻璃管搬運機械手的分析和控制要求,單片機具有體積小、輸入輸出信號處理穩定、功能強大,使用單片機作為裝置的控制核心能夠滿足控制要求.該控制系統框圖如圖4所示.

(1)步進電動機的轉動和電磁元件的控制由單片機發出信號進行控制.(2)光電開關和自復位微動開關通過信號采集,將信號反饋給單片機.

2.2 控制系統硬件設計

本文設計的基于單片機控制的玻璃管搬運機械手設計,采用單片機作為設備整體控制核心.采用混合式步進電動機作為整個裝置的執行機構和驅動核心,能保障玻璃管搬運機械手各部件運動的精確性,混合式步進電動機綜合了反應式和永磁式步進電動機兩者的優點[7],具有步進角小,精度提高等優點,能實現對機構運動位置精確控制.該機械手采用16個光電開關作為玻璃管運動位置的信號反饋元件,保障玻璃管在運送過程中能夠精確地到達其預期位置；采用微動開關作為限位開關,監控提升電動機組件的運動位置信息,并將位置信息反饋給單片機,保障提升電動機組件橫向運動到固定位置的準確性；采用電磁元件作為V型抓手動作的驅動力,保障玻璃管在運送過程中玻璃管抬起放下的穩定性.其電路原理圖如圖5所示.

3 單片機系統軟件設計

該控制系統單片機程序采用C語言編寫,實現對玻璃管搬運機械手各個部件控制和反饋信息的處理工作.該裝置整體工作流程是從按下電源控制開關開始,剛生產的玻璃管運送到玻璃管固定裝置的最左端通過前后兩個V型槽固定.最左端的光電開關檢測到玻璃管落下,接著第二步進電動機開始旋轉,當第二步進電動機將兩個V型抓手運送到最左端玻璃管下方時,第二步進電動機停止工作.控制兩個V型抓手上下運動的兩個電磁元件開始向上工作將玻璃管頂起一段距離之后,電磁元件停止工作.這時第二步進電動機開始反轉,將兩個V型抓手和玻璃管運送到玻璃管固定裝置的右端,通過光電開關檢測玻璃管的運動狀態,當玻璃管運動到右端V型槽相應位置上時,第二步進電動機停止轉動,電磁元件向下運動將玻璃管放到V型槽上.依次運動狀態反復運動將玻璃管依次從左向右排列在V型槽上,光電開關檢測玻璃管放置位置和個數,當玻璃管達到要求的個數時,玻璃管固定和運送裝置停止動作.

這時第三步進電動機和第四步進電動機連同工作,將玻璃管夾持機械手搬運到排列完整的玻璃管的正上方,通過直線滑軌上限位開關檢測提升電動機組件的運動狀態.當到達指定位置時,第四步進電動機停止轉動,第三步進電動機反向旋轉,當機械手接觸到玻璃管時,第三步進電動機停止轉動,第一步進電動機開始旋轉,實現機械手夾取玻璃管的動作.當第一步進電動機到達指定位置時,第一步進電動機停止旋轉.這時第三步進電動機和第四步進電動機再次協同工作,將攜帶一排玻璃管的玻璃管夾持機械手運動到指定位置,通過限位開關檢測運動狀態,當到達指定位置時,第四步進電動機停止旋轉,第三步進電動機反向旋轉,將機械手下放.當到達指定位置時,第三步進電動機停止旋轉,第一步進電動機反向旋轉,將一整排玻璃管整齊的松開,然后步進電動機一停止旋轉.這樣就完成了單次玻璃管搬運機械手搬運和擺放整排玻璃管的動作.程序流程框圖如圖6所示.

4 結語

玻璃管搬運機械手能實現對一整排玻璃管的整體搬運和擺放.提高了玻璃管搬運工作的效率,避免了人工搬運造成的損失和對工人的傷害.玻璃管夾持機械手和提升電動機組件的設計提高了機械手搬運玻璃管的準確性、安全性,避免對玻璃管造成二次傷害.通過單片機控制,配合使用多個光電開關和限位開關等模塊的信息反饋工作,能實現對多臺混合式步進電動機和電磁元件等執行機構精確控制,更加保障了玻璃管搬運機械手的運動精度,增加了可靠性.其全自動化控制,操作簡單,具有較高的推廣應用價值.