醫療取藥三自由度機械手結構及電氣控制設計

陳劍宏，趙洪照，項啟生，鮑銀宗，肖國華

（1.寧波市凱福萊特種汽車有限公司，浙江寧波 315600；2.浙江工商職業技術學院機電工程學院，浙江寧波 315600）

0 引言

醫藥生產中，藥瓶的物流輸送是醫藥包裝自動化生產流水線中一項主要內容。藥瓶在流水線上需要做檢查、測試、轉移等多項動作，因而，采用多自由度的機械手臂來實現藥瓶在包裝流水線上的物流轉移是此類流水線生產的一個重要環節。機械手氣爪的樣子是多種多樣的［1-4］，有下列分類：①夾鉗式取料手；②吸附式取料手；③操作器及轉換器；④仿生多指靈巧手。轉運機械手的基本要求為［5-9］：①能夠準確無誤地搬運棒料，同時兼具效率與安全；②機械手能夠快速反應，運行安全，擁有足夠的自由度，精準到位的動作。為此，本文介紹一種三自由度機械手的機械結構及電控控制設計，以供設計參考。

圖1 模具結構布局

1 工作對象及工作要求

如圖1a所示，藥瓶為圓柱形藥瓶，其外徑?35 mm，高度65 mm。其在藥品包裝流水線上做檢驗工序時，需要L1線轉移到L2，L1線的流動方向為F7，L2線的流水方向為F8，L1線和L2線的流水帶有一定的高度差。藥瓶在L1線的末端需要通過轉移路徑轉移到L2線的起始位置。所需機械手臂的旋轉中心在L1線和L2線之間為非對稱安裝。

如圖1b所示，所需要的對象機械手臂需要實現的動作功能為：手抓M1能做F1-F2向的抓緊、F3-F4向的松開動作，且抓緊或者松開后能做T1-T2轉向的旋轉動作，手抓M1能由手臂M2帶動做F5，F6地來回收縮運動。M1，M2在升降臺M3上能跟隨M3做F7，F8向的上下動作，及T3-T4正反向的旋轉動作。

2 機械手機械結構設計

依據圖1b所示的機械手臂功能要求，該機械手臂的機械結構設計如圖2所示。手臂的結構組成包括以下幾個子組件：手指組件、手臂伸縮組件、手臂提升組件、手臂旋轉組件、基座。手指組件用于抓取藥瓶動作，手臂伸縮組件用于手臂的取物距離調整，手臂提升組件用于手指抓取后的上下提升，手臂旋轉組件用于將手指及伸縮臂做旋轉運動，基座為整個手臂的支撐。

手指機構中，手抓M1為卡鉗式手抓，其構成件包括件1～件10，兩個卡爪由銷釘活動固定在手抓板上后，由手指活塞氣缸4進行驅動；手指活塞氣缸4安裝于一塊板上后由伸縮手臂氣缸22進行驅動，第一氣缸6的進出氣口為G1，G2。

手臂伸縮機構中，手指伸縮臂機構結構組成件包括件11～件23，第二氣缸通過氣缸支座22安裝于支撐板23上，由G3，G4氣口進出氣驅動芯桿11左右移動。支撐板23通過兩個導向套25活動安裝于導向桿24上，可以上下滑動移動，支撐板23上另裝有絲杠套28，該絲杠套28與絲杠36匹配，由該絲杠36驅動其上下移動。

手臂提升機構中，其組件包括件24～件36、件48、件49，兩根導向桿24的上端安裝上支撐板26，下端通過導向桿49鎖緊安裝于支撐蓋37上。上支撐板26上安裝上端蓋27，上端蓋27用于安裝絲杠36的驅動電機32，驅動電機32的電機軸通過聯軸器組件與絲杠36的上端連接。手指組件、手指伸縮組件通過安裝于支撐板23上得以實現由絲杠36來進行整體驅動。

手臂旋轉機構由于手指機構的移位轉動，機構組成件包括件37～件47，其驅動電機43安裝于底座40的底面上，通過連接銷44來驅動連接端蓋46進行轉動，驅動連接端蓋46上通過螺釘緊固安裝支撐蓋37，支撐蓋37用于導向桿24及絲杠套28的豎直方向上的安裝，驅動連接端蓋46的下端安裝平面軸承42，用于端蓋46的豎直軸向旋轉支撐，支撐蓋37下端內壁上安裝承力滾柱軸承38，該軸承下端由下承力端蓋39和上承力端蓋41進行卡位，而在底座40上使支撐蓋37獲得軸向和周向的受力支撐。

基座40采用階梯式截面形狀圓盤支撐結構，一則用于保護電機43不受損，二則減少整個手臂結構的總重量。考慮到手臂的工作環境潔凈性，及工作所需機械較小等問題，整個手臂的動作驅動由氣動元件和電機驅動來實施驅動［10-12］。

圖2 手臂結構設計

3 氣動控制設計

手臂中，手指組件、手臂伸縮組件的驅動主要由氣動來進行驅動控制。圖2中的第二氣缸的G3，G4的進氣源由1個三維四通電磁換向閥57進行調節控制，通用第一氣缸的G1，G2也采用同樣的三維四通電磁換向閥57進行調節控制。

氣源50由室內流水線空壓機提供，高壓氣體經儲氣罐52存儲后，經分水過濾器53、減壓閥54、比例調節后分兩路供氣，一路用于手臂伸縮缸的控制，一路用于手指夾緊缸的控制，為防止手臂伸縮缸動作的突然性，手臂伸縮缸的G3氣口加裝一個可調單向節流閥58。

圖3 手臂機構氣動控制回路

4 手臂電氣控制設計

4.1 機械工作原理

機械手的工作流程為：首先需要按下啟動按鈕，然后選擇自動擋或者手動擋，機械手隨后開始工作。圖4為機械手工作流程。當選擇自動擋時：①從原點開始立柱向左旋轉90°，到達左限位開關時停止；→②立柱垂直向下運動，到達下限位開關停止；→③手臂氣缸伸出，到達前進限位開關停止；→④氣爪抓緊工件；→⑤手臂氣缸收縮，到達后退限位開關停止；→⑥立柱垂直向上運動，到達上限位開關停止；→⑦立柱向右旋轉180°，達到右限位開關停止；→⑧手臂氣缸伸出，到達前進限位開關停止；→⑨氣爪松開工件；→⑩手臂氣缸收縮，到達后退限位開關停止；→○11 11立柱左旋轉90°回到原點，原點燈亮起；→○12按下停止按鈕，機械手停止工作，按下啟動按鈕，機械手運動先歸零，再開始運動；→○13如果選擇手動擋可以繼續按下任何按鈕進行操作，直到運動到限位開關為止。

4.2 電氣控制

在對機械手控制系統設計時，選擇了PLC來進行控制，PLC的控制設計如下。

（1）I/O口分配信號送給可編程控制器，然后分配對應的輸入端口；一些信號由可編程控制器輸送到被控制的對象，分配對應的輸出端口。另外，計數器以及定時器也要相對應地分配可編程序控制器，通過編號來識別信號。根據系統輸入輸出點的數目，決定選擇三菱的FX2N系列FX2N-48MR，如表1所示。

圖4 機械手工作原理

表1 輸入口分配

表2 輸出口分配

（2）控制接線FX2N-48MRPLC這種控制系統具有很高的靈活性的同時也非常穩定。在設計控制系統時，為了讓設備適應更多的工作環境，對于機械手的控制，可以進行手動調整，即可以進行手動操作，也可以自動運行工作。并且在實際操作時，如遇到不同的情況，只要重新編寫一個PLC系統就可以滿足其他類系的工作情況。PLC控制接線如圖5所示。

（3）控制程序。針對手臂的動作執行，所編寫的控制梯形圖程序如圖6所示。

圖5 PLC控制接線

5 結語

結合藥瓶包裝流水線生產工位功能的需要，設計一種三自由工位轉運機械手臂，機械手臂的機械結構組成主要包括手指組件、手臂伸縮組件、手臂提升組件、手臂旋轉組件、基座。手臂的抓取和伸縮功能采用氣動控制，氣動控制采用2個三維四通電磁換向閥來對2個動作氣缸進行驅動控制。手臂的升降和旋轉采用步進電機機型驅動和控制。結合手臂的動作需要，采用FX2N-48MR PLC控制器來進行電氣控制。本機械手臂的優點在于：可以通過對機械手爪做稍微改變，就可以輕易實現對更多的工件進行操作，適用于更多的工作環境，也就提高了它的性價比，能夠給企業帶來更多的利益。

圖6 程序控制