機電一體化技術在搬運機器人機械手設計中的應用

張兆豐

（西交利物浦大學，江蘇 蘇州 215123）

近年來，工業、制造業勞動成本直線上升，勞動成本的增加，導致電子加工企業的盈利水平大大下降，勞動力成本的增加給企業發展帶來極大壓力，使得企業急需用工業機械手取代人工來降低人工成本。傳統的人工搬運方式即消耗人力，也不能提高生產效率，但機械手不同，機械手的使用可以大大降低企業成本，提高生產效率和質量，因此機械手在加工企業中是普遍使用的，現在國內大多數的機械手都是用PLC 控制的，而國外的裝卸機械手大都有一體化的控制系統，其性能較高，但是引用費用較高，使得中小型加工企業對其望而卻步，而加快國內搬運機器人機械手臂的研究與開發就成為現階段最為重要的問題。

1 搬運機器手控制系統設計分析

裝卸機械手的工作原理是x 軸發動機將動力傳遞給x 軸，Z軸發動機將動力傳遞給Z 軸。框架圍繞底座旋轉，電磁鐵是記錄電子元件的執行器。機械手工作時，首先點擊觸摸屏上的復位按鈕，驅動模塊接收主控模塊的復位指令，并在工作臺注塑前吸附電子元件夾具。

為防止機械臂在工作過程中的電子元器件與工作臺產生摩擦，當將機械手上升到工作臺的一定位置之后，再驅動Z 軸使機械手到達指定位置——注塑機，然后斷開電磁鐵的電力，機械手返回原味，將電子元器件夾具吸附起來[3]。

2 基于機電一體化技術的搬運機器人機械手設計方案

搬運機器人機械手系統由本體、作動器、監測系統等部分組成，主體支持腕臂，驅動系統向執行器供電。該系統是自動化裝卸系統的指揮中心，可存儲各種指令，并將指令發送到引導設備。監視系統確定執行系統的位置。

控制器根據反饋信號設置力矩信號。最終任務是移動附件夾持工件。常用終末作業有吸附式、仿人式等。如傳送系統移動，按啟動按鈕，傳感器在取料點取料，按照老師指示的路徑，將材料放在加工點，返回原點，等待提升。運行期間，啟動應急停車按鈕后，系統的運行停止。另外，可以用復位鍵來恢復。本文介紹了自動裝卸機器人的基本原理。以FANUC 工業機器人為基礎，綜合考慮機器人自由度、最大手載等關鍵參數。M-10iA工業機器人是由本體和教學設備構成的多功能機器人。

機器人在設計中將其本體關節設置為六軸結構，其手臂、手腕能夠實現自由的扭轉、旋轉等功能。另外，為了提高機械手的應用壽命，降低設備損壞幾率，還特別設置了限位裝置，當控制箱的軟限位小于硬限位時，電動機就會自動減速。在機械手系統設計中，其主控制器為PLC 系統，在數據通信方面，用工業以太網進行實現。在工位運行信號的傳遞上，用Simatic PLC 作為媒介，接收操作指令。然后在控制系統硬件設計合理的基礎上，為了滿足不同工藝生產需求，I/O 點預留10%裕量，PLC 類型選為西門子具有可靠性能、控制靈活的Simatic S7-200。在執行方面，為了實現工件的成功抓取，為搬運機器人操作人員提供安全保障，滿足產品生產需求，在設計時，要以物料移載方法為基礎，對現代化執行裝置進行設計，并向小巧、安全、可靠、輕便等方向繼續鉆研，以此來滿足物料搬運需求，提高產品生產效率。本研究設計了一種由多個部件組成的垂直和水平夾持器，以提高材料的搬運效率。雙缸結構增加了起重機輪轂，氣缸驅動機械手的抓地力。通過更換操縱器的前爪，使工件沿著不同的方向固定。先用A 爪，再手工更換B 爪，完成工件軸向夾緊。在完成手榴彈機械手硬件搭建之后，對系統進行了測試與啟動。環境安全必須在調試過程中進行驗證。手持式機器人根據指定的軌跡設定程序點，在指令模式下調節機械手的握力，并配置工藝參數。

2.1 系統方案

2.1.1 系統方案設計（圖1）

圖1 自動搬運系統組成示意圖

用于支持手、腕部和手臂的工業機器人本體，其傳動裝置和其它設備也與機器本體相連。傳動系統位于機體內部。傳動系統的作用是給執行器供電。傳動系統按能量可分為液壓、氣動、電氣、機械四大類。該控制系統是自動處理系統的指揮中心，控制系統通過對榴彈進行控制，還能存儲各種指令(例如：動作順序、運動軌跡、移動速度和速度等)，并向各執行單元發送指令。末端撿拾器是保持工件移動的附件。端頭拾取包括吸附型、夾持型和仿人型。

2.1.2 工作流程

搬運機器人機械手要完成一項工作過程，必須經過向上、下落、左移、右移、抓握、放松、轉動等過程。這些過程中，夾緊、放松和旋轉的過程都需要延遲一段時間。自動化裝卸系統的操作流程如下：

(1)按下起動按鈕，當傳感器收到信號后，去取料點取材料。

(2)取料完成后，按示教器指示路線行走。

(3)行走至加工點，放料。

(4)重新開始作業。

(5)等待下一次處理請求。

(6)接收傳感器信號后重復上述動作。

(7)在搬運時，如果需要暫停運行，那么就可以按下暫停按鈕，機械手就可以暫停工作，如果按啟動按鈕，機械手就會恢復原來的工作狀態。

(8)運轉時急停按鈕一啟動，系統立即停止。

急停按鈕恢復后，按復位鍵進行復位，機器人返回到原點后，系統才能重新啟動。

其工作流程如圖2 所示。

圖2 自動搬運工作流程

2.2 工業機器人本體

機械臂是整個自動化處理系統的重要組成部分。FANUC 工業機器人M-10iA 將考慮其結構形式、自由度數量、管理要求等關鍵參數，FANUC 工業機器人M-10iA 是一種內置電纜多功能機器人，由外殼、B 控制柜、教學設備、搬運軟件等組成。

Fanue M-10iA 機械體為關節式六軸結構，有六個獨立的旋轉關節：旋轉、提升、伸長、旋轉手腕、腕弓和手腕扭轉，最大負荷為10kg。

M-10iA 機器人的主要技術參數見表1。

表1 Fanuc M-10iA 機器人主要技術參數

2.3 控制系統（圖3）

圖3 控制系統的硬件組成

SIMATIC PLC 是用來從觸摸屏上接收操作指令，并傳送每臺SPS 工作站上運行的設備。用觸摸屏輸入操作指令，顯示過程狀態，存儲程序值和報警。對硬件的選擇，不僅要滿足當前控制系統的要求，而且要考慮將來對可靠性的要求，基于此，在零部件的選擇中，選用西門子晶智系列的觸摸屏，能夠支持多種通訊方式，如以太網、MPI、PROFIBUS 等，能穩定可靠地與市場主流PLC 通訊。適合工業現場培訓，多參數設置，實時顯示。

2.4 執行裝置

控制臺是捕捉工件并滿足相關處理和裝配要求的一種裝置。合理利用相關的材料轉移方法和手段，能夠有效地處理和轉移危險化學品，使現場作業人員健康安全，操作合理，節約勞動力，提高生產效率，保證產品質量。所以，設計一款小型化、便攜、功能齊全、安全可靠的執行工具顯得尤為重要。為了準確、靈活地完成工作，開發了水平夾緊和垂直夾緊兩套導軌。機械手的驅動裝置為氣缸，氣缸為雙缸式結構，能夠在使用中有效增大爪桿的運動性能。

2.5 系統調試運行

通過對機械手的硬件設計、集成和軟件編程，對整個系統進行了檢查、測試、調試，并投入運行。需調試時，先確認其周圍安全，確認機器人處于初始狀態之后，在用試用的方式展開首次操作。首先為了保證產品生產規格符合具體要求，需要對機械手的行動軌跡進行設置，然后對其參數進行設定，然后對機械手的夾緊力進行調整，以免太松抓不住產品，以免太緊對產品造成損壞。

2.6 系統維護

在該系統的長期使用中，即使機器人始終維持在預設參數范圍運行，部分組件仍有磨損和損壞的可能。系統應配備預警系統，防止由組件損壞帶來的危險。同時3D 摸擬機器人軟件（例如robot studio），可以用來排查損壞的零件以及常規運行中可能出現的風險，從而做到快速維修以及風險規避。

3 結論

當前，機電一體化技術已逐漸應用于機械臂的設計。基于機電一體化技術，設計了一款新的搬運機器人機械手，該方案采用電磁閥實現對機械手的控制，然后由外部線圈控制發動機，對機械手的前進后退動作進行控制。在操作過程中，不同部位的開關產生通斷信號，傳遞給PLS 控制器，這種機械手可以進行升降、退火和長時間運行，以滿足生產車間要求。