基于KeMotion系統的一種新型機械臂自動取料氣夾裝置的開發

葉坤煌

摘要：項目是在KeMotion系統設計一種能自動取料的氣夾裝置。其結構主要由連接桿和真空吸盤構成，各部件相互之間是采用螺栓進行固定的，每個連接桿下方都安裝有相對應的吸盤，并且通過其頂端的旋轉裝置器來完成轉動連接功能的。在運行狀態下吸盤的內部會產生一定的負壓力，而這種負壓力也會產生一定的擠壓和排壓力，而且要通過外力吸住內部的空氣，才能達到吸住物料的效果。同時該種機械臂完全能夠代替人工對物料的取放工作，避免了人工搬運的低效率，滿足現代企業的高效率使用要求。

關鍵詞：KeMotion;機械臂;自動取料;氣夾裝置

中圖分類號：TH-39 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）03-0001-02

0 引言

隨著智能化時代的不斷發展，自動化控制在工業生產中起著至關重要的作用，因此對于一些搬運取料設備的生產效率也要不斷更新，讓自動化控制的整體優越性能更好地體現出來，發揮其重要作用，進而代替人工搬運，這樣將會使企業的生產運作大大的改變，為企業帶來長遠和可觀的生產效益。由于我國人口老齡化日趨嚴峻，越來越多的生產企業出現用工難，而且也面臨著勞動力成本不斷上升的困境，因此自動化機械就顯得尤為重要，而且其智能化要求也越來越高，由于在生產工藝較復雜的工況中自動化機械臂能代替人工操作，大大減少了勞動力，因此被受企業的廣泛使用。而自動化機械臂性能的好壞、結構的合理，將直接影響其企業的生產效率。隨著國家綜合實力的飛速發展，企業對自動化機械臂的需求也越來越大，使市場形成了強制驅動作用，所以只有不斷開發出更好的自動化設備，才能受到企業的好評和廣泛使用。中國是一個人口大國，勞動成本越來越高，面對龐大的人口基數，設計研發一款實用的自動取料機械臂具有重大的現實意義。機械行業是一個技術要求相對較高的行業，改革開放以來，隨著科學技術的提高以及國外機器人的引進，國家注重市場的研發，繼而擴大市場份額，因此對國內的小型機械化行業具有一定的影響。

1 KeMotion系統的概述

KeMotion是一款多軸運動機器人的控制器，而這款控制器自身控制系統軟硬件都是屬于模塊化的。系統硬件是KeMotion 控制器和各種外部控制模塊，其連接方式是通過以太網總線與控制器進行相互連接的，能和各種應用軟件進行相互兼容。軟件方面也為用戶提供了一整套完整的操作手冊、故障診斷、故障排除、參數調試等應用。

KeMotion控制系統結構示意圖如圖1所示，其結構共分成三部分：第一部分是控制器的控制系統軟件;第二部分是終端運行的軟件，主要有監控、操作、診斷等;第三部分是在PC上運行的工具軟件，具體是編程開發、監控、操作、診斷程序等。

2 取料機械臂的主要組成

工業機器人按其運動形式可分為四種，每種機器人根據其工作場所不同，運動方式不同。有的是通過液壓系統進行驅動，這種機器人一般需要承受較大的力，有的是通過氣動系統進行驅動，還有對精度要求較高的是采用伺服電機進行驅動。因此在對取料機械臂基座進行設計時要考慮其足夠的剛度和強度。

取料機械臂主要是由伺服電機、基座、手臂、手腕、夾持裝置和控制系統等組成的。此類型機械臂和其他類型的機械臂有著很多優越性，具體是機械臂在夾取物料時要保證機械臂整體穩定性，因此探頭就要根據不同類型的工件需要，設計不同自由度的夾取方式，而對于一些工件結構相對較復雜的，對機械臂的要求也就會更高了。同時機械臂的驅動形式也是各種各樣，有些采用液壓驅動，比如搬運機械臂;有些采用氣壓驅動，比如採抓機械臂;還有些采用伺服驅動的，比如本項目的設計就是采用伺服驅動的，所以機械臂各個關節要實現自動化必需采用伺服電機進行控制。

3 自動取料氣夾裝置的原理和設計

當取料機械手運行工作時，要根據工件的實際位置，通過轉臺的轉動，并調節機械手臂和氣夾間的角度、方位來抓取物料的。雖然機械臂每個關節都安裝了氣壓缸，再運行抓取物料時，看似一個簡單的動作，但是需要復雜的程序和坐標點進行準確定位，才能保證準確抓取工件。市場上機械臂的種類有千百種，而且影響我們生活的方方面面，因為它們具有操作方便、可靠性高、安全、舒適等特點。機械臂的運動是通過調節各個關節運動來實現其操作要求的，以下是自動取料氣夾裝置的立體主視圖，如圖2所示。

項目中取料機械臂是多角度多方位對工件進行夾持的，因此設計時必需考慮取料機械手的自由度要多，而且靈活性也要好。取料機械臂開始運作時首先要對取料的相對位置進行踩點和定點，并通過觸點傳感器把信號反饋給PLC控制系統，然后通過收集的點坐標進行反饋，最后機械臂才會開始對工件進行抓取。此項目的機械臂結構是由連接桿和真空吸盤構成，各部件之間的緊固是通過螺栓進行固定的，每個連接桿下方都安裝有相對應的吸盤，運行時通過頂端的旋轉裝置器來完成轉動連接功能的。并且在運行工作時吸盤的內部也會產生負壓，而這種負壓會產生一定的擠壓和排壓，如果要吸住物料，需要借助外力來吸住內部的空氣，以達到吸住物體的效果。這種設計也可以使每個關節進行不同方位的運動，并通過伺服系統的控制，最終達到運轉的相關要求。當抓取的工件物料較為復雜時，抓取的時間就會長，而且抓取的精度也會略低，當抓取的工件物料形狀較簡單時，抓取的整體效果和質量就會好，時間也會比較短，因此要根據實際抓取的物料選擇設計方案，才能設計出不同類型的取料機械臂，這樣才能夠做到物極所用。

4 取料機械臂手腕的結構設計

根據我?，F有實驗室物料取放的通用性，并結合設計理念，可采用垂直方式抓取物料，因此機械臂手腕設計時要設計相應的擺動弧度才能滿足取料的使用參數要求。在運行工作時，要使驅動手腕回轉，驅動力矩必須克服起動時所產生的慣性力矩，因為轉動時會產生轉動軸與支承孔的摩擦力矩，還有動片與缸徑、定片、端蓋等處的摩擦力矩，以及轉動部件的中心與轉動軸線不重合所產生的偏重力矩。因此手腕運行轉動時所需的驅動力矩可按以下算式計算：

M驅=M慣+M偏+M摩+M封

式中：M驅是表示驅動手腕轉動的力矩;

M慣是表示慣性力矩;

M偏是表示轉動部件的重量對轉動軸線所產生的偏重力矩;

M摩是表示轉動軸與支承孔處產生的摩擦力矩;

M封是表示手腕回轉缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩。

5 結語

伴隨著人類社會全面而又高速的發展，現代化、智能化水平的不斷提升，人類社會和人們生活正在發生著日新月異的變化。本項目的設計理念是根據機械臂的結構特點進行設計的，首先分析了取料機械臂在國內外的使用情況，通過對其工作原理和機械臂的各個部分進行力學分析才完成設計的。該類型機械臂采用的是PLC控制器，其控制核心穩定，使用高效快捷，同時為了進一步簡化其內部結構，減少裝置內部的傳感器安裝，也為了避免人工搬運的低效率和不安全性，因此也對機械臂的構成和分類作了工藝上的設計和改進，以此來滿足現代企業的高效率使用要求，從而來降低企業的生產成本和維修成本。

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Development of a New Automatic Feeding Air Clamp Device for

Manipulator Based on KeMotion System

YE Kun-huang

（Minnan Polytechnic Institute，Shishi Fujian? 362700）

Abstract：The project is to design a kind of air clamp device which can automatically fetch material in KeMotion system. Its structure is mainly composed of connecting rod and vacuum suction cup. Each component is fixed by bolts. There are corresponding suction cups under each connecting rod， and the rotating connection function is completed through the rotating device at the top of each connecting rod. In the operation state， the suction cup will produce a certain negative pressure， and this negative pressure will also produce a certain pressure of extrusion and drainage， and through external force to absorb the internal air， in order to achieve the effect of absorbing materials. At the same time， this kind of manipulator can completely replace the manual fetching and placing of materials， avoid the low efficiency of manual handling， and meet the requirements of modern enterprises for efficient use.

Key words：KeMotion; mechanical arm; automatic feeding; air clamp device