工業(yè)搬運三軸機械手的制作探究

張書林

（寧波市北侖職業(yè)高級中學(xué)，浙江 寧波 315800）

引言

在工業(yè)自動化發(fā)展階段，工業(yè)機械手作為不可缺少的部分，市場對其需求較高。據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國工業(yè)區(qū)約有76%左右企業(yè)希望以機械代替人工，實現(xiàn)生產(chǎn)全自動化[1]。但是，在尋找專業(yè)機械臂過程中，并未在市場上發(fā)現(xiàn)適宜的工業(yè)機械手。為此，設(shè)計制作了一款多數(shù)企業(yè)均可用的三軸機械手，且機械手具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、占地小等優(yōu)勢。

1 工業(yè)搬運三軸機械手的性能優(yōu)勢

相比于市面上的機械手，三軸機械手性能具有如下優(yōu)勢，見表1。

表1 機械手質(zhì)量性能優(yōu)勢

2 工業(yè)搬運三軸機械手的結(jié)構(gòu)

新型工業(yè)搬運三軸機械手包括底座和中座，中座下端為Z軸伺服電缸，其輸出軸穿過中座與升降座連接，中座與升降座圍繞輸出軸均勻布置若干直線軸承，中座下端圍繞Z軸伺服電缸均勻布置若干個立柱，若干個立柱下端固定在底座，升降座上端裝設(shè)C軸支架，支架上端轉(zhuǎn)動連接同步隱藏式滑軌，支架內(nèi)安裝設(shè)C軸伺服電機和減速機，C軸伺服電機輸出軸通過減速機與同步隱藏式滑軌相連，同步隱藏式滑軌一端安裝有X軸伺服電機，同步隱藏式滑軌的另一端安裝有電磁吸盤。X、Z、C三個坐標(biāo)軸可單獨移動，也可聯(lián)合移動，實現(xiàn)了由一點至另一點的搬運目的，且本機械手結(jié)構(gòu)簡單、裝配與搬運方便，具體如圖1、圖2、下頁圖3所示。

3 工業(yè)搬運三軸機械手的制作

3.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計

圖1 工業(yè)搬運三軸機械手結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 工業(yè)搬運三軸機械手局部結(jié)構(gòu)（一）示意圖

圖3 工業(yè)搬運三軸機械手局部結(jié)構(gòu)（二）示意圖

在本設(shè)計中，三軸機械手主要通過傳感器采集信息，以控制器控制設(shè)備運行，以伺服電機與PLC連接，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與自動化運行[2]。本設(shè)計中，通過讓三軸機械手于各種環(huán)境下、同一時間周期循環(huán)工作，實現(xiàn)機械手的自動抓取、定位準(zhǔn)確、移動穩(wěn)定等作用。控制器作為機械手控制核心，軟件制作是核心。事先編譯好程序，并將其導(dǎo)入控制器，接入計算機內(nèi)，實現(xiàn)對機械手整體控制（注意：編程設(shè)計應(yīng)保障準(zhǔn)確、高效）。

3.2 電機控制器的選擇

在三軸機械手運行中，伺服電機控制器作為重要組成部分，通過與伺服驅(qū)動器連接，實現(xiàn)對某過程精確跟隨/復(fù)現(xiàn)，靈活控制伺服驅(qū)動器輸出速度、力矩、位置等[3]。伺服系統(tǒng)主要作用為：由輸入軸控制遠(yuǎn)處輸出軸，在一定距離內(nèi)實現(xiàn)同步、精確傳動。

3.2.1 伺服驅(qū)動器

新型工業(yè)搬運三軸機械手運動中，伺服驅(qū)動器作為重要組成，是實現(xiàn)機械手自動化的控制器，伺服電機是其主要控制對象，是整個伺服系統(tǒng)的基層。能夠控制伺服電機精確定位機械手，控制機械手穩(wěn)定運行。本工業(yè)搬運三軸機械手制作采用松下伺服驅(qū)動器，該驅(qū)動器驅(qū)動電路以智能功率模塊作為核心，能夠準(zhǔn)確檢測過電流、過電壓、欠壓、過熱等故障，保護驅(qū)動電路，在主回路內(nèi)，軟啟動電路減小了電路啟動對驅(qū)動器的沖擊，保障了驅(qū)動電機使用壽命。驅(qū)動器控制核心為數(shù)字信號處理器，實現(xiàn)了復(fù)雜控制算法，數(shù)字化、智能化水平較高，提高了機械手定位精準(zhǔn)度與運行穩(wěn)定性。

3.2.2 伺服電機

本工業(yè)搬運三軸機械手采用松下伺服電機，直流伺服電機能夠精準(zhǔn)控制速度，原理簡單，成本低，使用便利；交流伺服電機速度控制特性良好，能夠?qū)φ麄€速度區(qū)平滑控制，無震蕩，效率達(dá)到90%以上，無發(fā)熱，可高速控制，高精確定位。

3.3 機械手的安裝

本次研究的機械手主要用于沖壓機床前，以此實現(xiàn)物料上下料的自動化。然而，傳統(tǒng)上下料以人工或者專機為主，由于下料勞動力大，不僅增大了成本，還易導(dǎo)致工傷事故；專機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積廣，維修不便，影響了流水線生產(chǎn)自動化步伐[4]。為此，本實用三軸機械手將三軸裝設(shè)于同一垂直基準(zhǔn)，同時，伸縮軸縮回后，旋轉(zhuǎn)軸方可運行，以此降低設(shè)備占地空間，且設(shè)備運行范圍未縮小，減少了空間占用，提高了維修便利性，為機械手的可持續(xù)應(yīng)用提供推動力。而本實用三軸機械手在制作過程中，上下軸裝設(shè)在底部，旋轉(zhuǎn)軸裝設(shè)在伸縮軸電缸上方，伸出軸裝設(shè)在旋轉(zhuǎn)軸的圓盤上方。旋轉(zhuǎn)軸運行時，以松下伺服驅(qū)動器驅(qū)動（220 V交流電、2.6 A、0.24 kW），為避免斷電導(dǎo)致設(shè)備因自重掉落，驅(qū)動器應(yīng)帶有抱閘線圈。旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)與上部絲杠電缸相連，當(dāng)點擊旋轉(zhuǎn)，帶動上部絲杠，缸體開始上下移動。伺服電機作為驅(qū)動器動力源，應(yīng)將電機聯(lián)軸器和上端圓盤連接，當(dāng)電機運行，上端圓盤開始旋轉(zhuǎn)，帶動伸出軸運行。為提高圓盤運行穩(wěn)定性，應(yīng)在設(shè)備上裝設(shè)減速機。在伸縮軸兩端，裝設(shè)傳動齒輪，傳動此輪連接傳動帶，后端傳動齒輪和電機聯(lián)軸器連接，電機運行，帶動傳動帶，上方滑塊向前移。如此，各個零部件連接完畢后，三軸機械手實現(xiàn)了上升下降、前進后退、旋轉(zhuǎn)三個自由度限位運行。且機械手與機床并不相連，為單獨個體，即使機械手出現(xiàn)故障，也并不影響機床運行，機械手能完全替代人工，實現(xiàn)自動化上下料，滿足大批量生產(chǎn)需求。本實用機械手在制作完畢后，其總高度達(dá)850 mm，機械臂上下移動有效行程達(dá)275 mm，機械臂最長伸長量達(dá)1 100 mm，質(zhì)量達(dá)200 kg。

3.4 人機交互界面

人機交互界面以PLC控制系統(tǒng)控制作為融合了微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)等多種技術(shù)的新工業(yè)控制裝置，取代了記時、知性邏輯、繼電器等順序控制，構(gòu)建了柔性遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，擁有使用便利、高通用性、高可靠性、編程簡單等優(yōu)勢。界面采用臺達(dá)觸摸屏（10寸），操作便利，畫面清晰，具有較強信息反饋能力。界面畫面制作時，根據(jù)三軸機械手不同運行方式劃分為：主界面、自動運行界面、手動運行界面、設(shè)置界面、監(jiān)視數(shù)據(jù)界面等。如：在手動操作界面，應(yīng)做好速度參數(shù)的設(shè)置，在手動模式下，應(yīng)具備機械手上升下降、伸出縮回、正轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)點動按鈕，以此保障手動操作的靈活性。自動操作界面設(shè)置時，應(yīng)具備速度自定義、行程自定義等功能，擁有啟動、暫停、復(fù)位、急停等功能，如此，在工序改變時，無需專業(yè)人員操作或編輯程序，只需要觸碰相應(yīng)按鈕即可，有效縮短生產(chǎn)時間，減小生產(chǎn)成本，機械手生產(chǎn)效率有保障。在監(jiān)視界面，應(yīng)該能夠?qū)Ω黜椩O(shè)備運行數(shù)據(jù)實時反饋，以此掌握各軸速度、位置等，并設(shè)置報警系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)并反饋，保障設(shè)備運行穩(wěn)定性[5]。

4 結(jié)論

本實用工業(yè)搬運三軸機械手，不僅可實現(xiàn)上下、左右、180°旋轉(zhuǎn)六個方位限位運行，還能夠自由替換裝夾設(shè)備，在眾多工業(yè)中都可適用。伺服驅(qū)動器的精確定位與高控制精度，為機械手從事更多工作奠定了基礎(chǔ)。人機交互界面進一步提高了操作簡便性。