石板材自動上下料機械手設計與研究

王 錚，王志輝

(武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070)

近年來我國石材制品的需求量逐年上升，尤其作為建筑用的飾面石板材需求量占比最大。這對于石材制品的加工質量與效率提出了更高的要求[1-2]，但目前國內石板材的上下料及運送設備還處于自動化程度較低的水平，甚至一些石板材加工企業仍采用人工搬運，嚴重影響生產效率。

筆者設計的石板材自動上下系統通過PLC控制，可根據導軌長度調整移動范圍，實現板材的抓取。其抓取部分考慮到石板材作為飾面石材具有一定脆性，不適用于剛度較大的夾持裝置，因此采用真空吸附式機械手實現石板材的抓取。抓取機構完成板材抓取后，運送機構將板材輸送至連續磨機進行板面研磨拋光。機械手三維裝配圖如圖1所示。

圖1 機械手裝配圖

1 抓取結構

機械手抓取結構主要由真空吸盤、真空發生器、吸盤架組成。真空發生器放置于吸盤架橫梁內，通過尼龍管與吸盤進/排氣口連接。真空吸盤組呈矩陣式對稱排布，保證對板材形成均衡的吸附力。當真空發生器供氣口的供氣壓力高于一定值后，噴管射出超聲速射流。由于氣體的粘性，高速射流卷吸走負壓腔內氣體，使該腔形成很低的真空度，在真空口處接上真空吸盤，靠真空壓力和吸盤吸取物體[3-5]。真空發生器原理如圖2所示。

圖2 真空發生器原理

1.1 真空吸盤選型計算

本設計中石板材尺寸為2 m×3 m，厚度為15～40 mm，板材的密度為ρ=2 790～3 070 kg/m3，取單塊板最大質量M=736.8 kg，垂直起吊。

(1)計算吸盤直徑。吸盤直徑如式(1)所示。

(1)

式中：D為吸盤直徑；S為安全系數，水平起吊時S=4，垂直起吊時S=8；P為真空壓力；n為吸盤個數。由實際加工需求確定的吸盤選型計算參數如表1所示。

表1 吸盤選型計算參數

根據式(1)計算得D=208.134 mm，D表示的是吸盤結構的外徑，當利用真空壓力吸附物體時，會使橡膠吸盤變形，吸附面積減小[6]。雖然安全系數中包含了變形部分，但在設計時需留出余量，因此吸盤直徑取整為D=210 mm，則吸盤因真空壓力變形后對板材的有效吸附面積A=34 636 mm2。

(2)計算理論吸附力。單個真空吸盤的吸附力與板材面的摩擦力即為吸附物體的吸附力。

F=0.1μ·A·P

(2)

式中：F為吸附力；μ為摩擦因數，μ=0.45；A為吸盤有效吸附面積；P為真空壓力。

吸盤個數24，故總吸附力為24.315 kN。

總吸附力大于板材重力，設計合理。真空發生器選取XFK-04直排系列真空發生器。在三維空間中機械手達到指定位置實現目標物體的抓取，要求構件的形狀、尺寸、重量滿足合理的設計參數，提高整體系統穩定性。吸盤架由2根長空心梁及3根短空心梁組成。24個吸盤分為4組安裝在4個結構鋼板上。機械手抓取機構如圖3所示。

圖3 機械手抓取機構

1.2 真空基本控制回路

真空基本控制回路由空壓機、電磁閥、真空發生器、節流閥、壓力繼電器、過濾器及真空吸盤組成，如圖4所示。空壓機壓縮空氣，電磁閥2通電且電磁閥3斷電時，壓縮的空氣進入真空發生器產生真空，當真空壓力達到65 kPa時壓力繼電器通電，吸盤工作抓取板材。當機械手到達指定工位時，繼電器1斷電且繼電器2通電，此時真空發生器停止壓縮空氣導致吸盤與板材之間的真空被破壞，板材與吸盤脫離。

圖4 真空基本控制回路

2 運送機構及液壓缸動力執行機構

2.1 運送架設計

機械手的運送機構由輸送輥、驅動組件和輸送架組成。輸送架的結構尺寸依據板材尺寸設計為長3 100 mm×寬3 100 mm，輸送架翻轉角度范圍為0～120°，輸送輥與驅動組件安裝于機架上。6根輸送輥等距安裝于輸送架，直徑d=85 mm。由于輸送輥主要是轉動輸送板材，徑向壓力主要是來自板材重量，因此選用7909角接觸球軸承，基本額定載荷為16 000 N。輸送輥轉速范圍0～0.1 m/s。輸送架結構如圖5所示。

圖5 輸送架結構示意圖

運送架作為承載板材運送及翻轉運動等作用的機構，承受較多的壓力和轉矩，因此通過有限元對結構的安全性進行分析，確保機械手工作過程中的剛度與強度。首先對運送架進行網格劃分，設定網格大小為5 mm。通過ANSYS計算，得到輸送架的位移云圖及壓力分析圖，如圖6所示。

圖6 輸送架位移云圖及壓力分析圖

運送架在工作時，通過安裝在行走機構上的液壓缸推動運送架進行翻轉，力集中在在輸送架橫梁與液壓缸鉸鏈連接處，以及運送架底端與小車鉸接處。搬運板材的重力G=9 800 N，液壓缸桿推力方向與XZ平面夾角16°，可知液壓缸輸出的推拉力約為F=73 500 N，轉化為Z軸與Y軸方向的力大小為Fy=20 259 N,Fz=-70 653 N，最大應力主要分布在運送架與行走機構鉸支連接處，為323 MPa，運送架材料為Q235結構鋼，其許用應力為375 MPa，結構設計符合要求。由位移云圖可知，運送架形變主要在頂端橫梁，受推力和扭矩引起，其最大形變量為0.01 m，對整個運送架結構幾乎沒有影響，因此設計符合要求。

2.2 液壓缸執行機構

這里采用液壓缸作為動力執行元件，提供吸盤架升降、伸縮及輸送架的翻轉。輸送架翻轉通過安裝在底座平車橫梁上的液壓缸提供動力，由安裝在輸送架與底座平車連接轉動部分角度傳感器調節翻轉角度大小，如圖7所示。

圖7 液壓缸-角度傳感器翻轉機構

選擇液壓缸作為執行元件可免去減速裝置，且無傳動間隙，運動平穩。液壓缸輸出力也較大，廣泛應用于重型機械的往復運動。根據不同壓力等級下各缸徑/桿徑對應理論推(拉)力表，取壓力等級為16 MPa，缸徑D=80 mm，活塞桿徑d=55 mm的HSGL系列單桿活塞式液壓缸。液壓缸推力80 kN，拉力為42 kN。液壓缸與輸送架、底座橫梁鉸支安裝，行程為500 mm。液壓缸桿伸縮時由角度傳感器將輸送架轉動角度信號傳遞給PLC控制系統，PLC系統控制液壓缸進出油流量實現對活塞桿的伸縮長度控制。吸盤架升降及伸縮液壓缸，與輸送架翻轉液壓缸受同一液壓站控制。液壓站選用一拖四YZA2-19-15，制動器ST40SH為3個液壓缸供壓。吸盤架升降液壓缸與伸縮液壓缸選取壓力等級16 MPa的HSGL系列，其缸徑D=40 mm，活塞桿徑d=20 mm。

3 吸盤架伸縮連桿機構

吸盤架平面與機械手輸送架平面在空間上是平行關系，伸縮缸不便安裝于吸盤架與輸送架之間。工程機械中常用到連桿機構來獲得規律運動，筆者在已知吸盤架尺寸參數及運動規律的情況下，從運動實現的角度上選取連桿機構來傳遞動力。吸盤架伸(縮)時平面圖如圖8所示。

圖8 吸盤架伸(縮)時平面圖

已知吸盤架在Y方向伸縮，吸盤架相對于XZ面做平面運動，伸縮行程為175 mm，因此采用雙搖桿機構來實現此運動規律。雙搖桿機構中兩根連架桿都是搖桿，且兩搖桿長度相等并最短，形成等腰梯形機構。雙搖桿機構運動簡圖如圖9所示，在圖9中主動桿為與伸縮液壓缸連接的桿1，吸盤架伸出XZ平面75 mm時，液壓缸活塞桿伸出，將桿1推至B1點，桿1與XZ面呈125°；吸盤架縮回XZ面100 mm時，液壓缸活塞桿收縮，將桿1拉至B2點，桿1與XZ面呈110°。

圖9 雙搖桿機構運動簡圖

吸盤架中的桿2長2 250 mm，連架桿1與桿3長250 mm，上下兩根連架桿設計成L型，一端與桿2連接，另一端與吸盤架上的桿4、桿5連接，如圖10所示。吸盤架上下桿4與桿5有I型連接頭，I型連接頭長為200 mm，I型連接頭結構是避免吸盤架升降缸在提升板材時Z方向的長度不足。因此連架桿總長度為450 mm，它是連架桿1長度與I型連接頭長度之和。實際轉動角度由伸縮液壓缸活塞桿伸縮長度決定，轉動范圍110°～120°。

圖10 連桿機構

4 機械手行走機構

行走機構的作用是將機械手移動到指定位置進行板材的抓取并返程，最大速度為1m/s，機械手總重量約為7 200 kg。目前常用的低速重載行走機構主要是機械傳動式，其中傳動鏈應用最廣[7]。由安裝在底座平車的直流調速電機通過鏈輪減速機構帶動機械手移動。

已知底座平車負載F=70 560 N。速度v=1 m/s，功率P=70.56 kW。采用ZCF-22直流大功率電機，功率100 kW。導軌輪直徑D=80 mm，轉速為n=238 r/min。選取鏈節數92，中心距為1 615 mm的40A-1型鏈輪，鏈條節距為p=50.8 mm。傳動鏈大鏈輪與前排支撐型滾輪軸連接，小鏈輪與電機裝配于底座平車橫梁，行走機構如圖11所示。

圖11 機械手行走機構

5 機械手工作流程及控制方案

機械手的控制系統采用PLC能夠減少大量的硬件接線、時間繼電器、中間繼電器等，提高系統自動化程度，還能提高控制系統的可靠性[8-9]。PLC采用西門子S7-300系列，機械手的運動控制主要有5種，其生產線布置如圖12所示。

圖12 機械手生產線布置

(1)生產線Y軸方向的行走控制。機械手由板材輸送工位A0，移動至板材抓取工位A1，完成抓取后由A1工位返回至A0工位進行板材的輸送。

(2)Y軸方向的吸盤架伸縮控制。機械手移動到A1時，吸盤架伸縮液壓缸工作將吸盤架伸出XZ平面準備吸取板材。當機械手回到輸送工位時，真空吸盤將板材放開，同時伸縮液壓缸將吸盤架收縮等待下一次抓取。

(3)Z軸方向的吸盤架升降控制。當真空吸盤完成板材的吸取時，吸盤架升降液壓缸工作，將板材提起脫離待加工架。

(4)輸送架YZ平面的翻轉控制。機械手將板材由A0移動至A1時，翻轉液壓缸將輸送架推至設定的抓取角度，完成板材抓取回程時，液壓缸將輸送架拉回XY平面等待輸送。

(5)生產線X軸方向的輸送控制。當機械手回到A0時，輸送伺服電機工作驅動輸送輥，把板材輸送至連續磨機。機械手控制流程如圖13所示。

圖13 機械手控制流程圖

6 結論

石板材自動上下系統在設計上采用了真空吸附技術，集合了石板材的抓取與運送，通過角度傳感器與活塞桿液壓缸實現機械手翻轉，翻轉角度可根據板材豎直放置角度調整，最大翻轉角度為120°。行走機構電機與運送電機可根據實際生產需求調整工作速度。活塞液壓缸作為執行機構保證了工作的穩定性且輸出力很大，可搬運重量較大的板材，避免人工搬運費時費力的情況。筆者設計的機械手結構自動化程度高，可以有效提高石板材加工生產線的效率。