基于PLC的搬運機械手的研究及有限元分析

姜秀麗 韓增頌 尹 亮 亓海濱 鄧小新

（1.山東省機械設計研究院，濟南 250031；2.山東中車同力達智能裝備有限公司，濟南 250022）

中國制造2025的戰略決策，使得以智能制造為基礎的智能化工廠成為各行各業的革新目標。本文研制了基于可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）的機械手搬運系統，可實現板材生產線加工企業實木板材的無人裝卸，有效解決了實木板材加工各工序之間搬運成本高的問題。

機械手搬運系統應用于板材自動化加工生產線和板材碼垛生產線，可實現實木板材的智能搬運和智能裝卸[1]。機械手主要由執行機構、驅動機構和控制機構組成。機械手搬運系統利用機械手氣動部件和真空吸盤抓取物料，通過可編程序控制器實現對各種輸入信號的分析與處理，經過一定的邏輯判斷，對各個輸出元件如傳感器、電機驅動器等下達執行命令，進而完成自動抓取、搬運、放料以及碼垛等一整套全自動作業流程[2-5]。

1 結構設計

根據物料特點選用氣壓驅動方式，主要設計選型如下。

1.1 設計參數

實木板材生產線可加工的板材主要有密度板、刨花板、實木板及生態板等，標準尺寸為1 220 mm 2 440 mm，厚度為2～25 mm。本文選取最具有代表性的密度板進行設計計算，負載質量m3=50 kg，行程為1 500 mm，行走速度vz為0.1～0.2 m·s-1，加速時間t=0.1 s，加速度az=vz/t即2 m·s-2；摩擦系數μ=0.1，滑塊間距bz=150 mm，質心到中心的距離Lz=1 300 mm。

1.2 選型計算

1.2.1 滑軌滑塊選型

由m3·(g+az)·Lz=FN3·bz，可得滑塊承受的正壓力FN3=5 200 N，這里g取10 m·s-2。

單個滑塊正壓力PN=FN3/4，即1.3 kN，進一步可得MP=FN3·bz，代入相關數值得MP=0.78 kN。

此外，單個滑塊靜力矩MP′=MP/4，計算可得為0.195 kN·m。

綜合考慮運行工況，根據表1，取安全系數為4，即fSL=fSM=4。由COZ=fSL·PZ和MP′=fSM·MP′，可 得COZ=5.2 kN和MP′=0.78 kN·m。根據計算結果進行型號確定，選擇HGH25HA型號直線導軌。

表1 安全系數表

1.2.2 伺服電機選型

（1）升降電機。由Fz=μ·4Pz，可得Fz=520 N。式中：Fz為滑塊承受的摩擦力，N；Pz為單個滑塊承受的正壓力，N。

提升負載所需的功率P0z=[Fz+m3·(g+az)]·vz，可得P0z=224 W。

根據計算結果進行型號確定，選擇西門子1Fk7042-2AC伺服電機，額定轉速為2 000 r·min-1，額定功率為0.6 kW，額定轉矩為2.8 N·m，轉子轉動慣量為2.9 10-4kg·m2。

（2）回轉電機。由Fx=μ·m·g，可得Fx=400 N。式中：Fx為回轉摩擦力，N；μ為回轉摩擦系數，計算時取0.1；m為回轉負載，計算時取400 kg；g為重力加速度，計算時取10 m·s-2。

由Fa=m·a，可得Fa=800 N。式中：Fa為回轉加速力，N；m為回轉負載，計算時取400 kg；a為啟動加速度，計算時取2 m·s-2。

由P0x=(Fx+Fa)·vx，可得P0x=240 W。式中：P0x為回轉所需功率，W；vx為回轉速度，計算時取0.2 m·s-1。

根據計算結果進行型號確定，選擇西門子1Fk7042-2AC伺服電機，額定轉速為2 000 r·min-1，額定功率為0.6 kW，額定轉矩為2.8 N·m，轉子轉動慣量為2.9 10-4kg·m2。

1.2.3 齒輪齒條選型

模數mz=2.5，齒數zz=21，于是將相關數值帶入公式dz=mz·zz，可得分度圓直徑dz=52.5 mm。可見，齒輪強度校核結果為合格。

1.2.4 減速機選型

轉矩T0Z和轉速n0z的計算公式分別為：

代入數據，可得T0Z=117.6 N·m，n0z=72.8 r·min-1。

在減速比iz=25、電機輸出轉矩為7.0 N·m、電機輸出轉速為2 000 r·min-1時，減速機輸出額定轉矩T1Z和減速機輸出額定轉速n1x分別為：

1.2.5 伺服電機慣量匹配

負載慣量Jz的計算公式為：

代入數據，可得Jz=0.136 kg·m2。負載作用在電機軸上的轉動慣量代入數據，可得Jz′=2.18 10-4kg·m2?11.2 10-4kg·m2。

1.2.6 吸盤選型

吸盤直徑D滿足：

式中：D為吸盤直徑，mm；G為所受重力，計算時取500 N；t為安全系數，水平吸附時t≥4，豎直吸附時t≥8，這里計算時取4；n為吸盤數量，計算時取8；p為吸盤真空度，計算時取0.05 MPa。

將數值帶入式（6），得D≥79.8 mm，取100 mm。

2 PLC控制系統

PLC控制系統具有結構簡單、易于控制以及成本低等特點，因此這里的上下料機械手采用PLC作為處理器。采用PLC控制的機械手可沿軌道水平移動，以實現在不同工位之間的轉位操作，將物料放置到不同的工位，抓取裝置沿立柱上下運動，實現了物料的自動抓取和放置，降低了勞動成本和勞動強度，提高了生產效率。

上下料機械手控制箱內部包含漏電保護器、空氣開關、開關電源和PLC模塊。漏電保護器輸出端接空氣開關，空氣開關經過開關電源給PLC模塊供電。PLC模塊的主要工作是水平電機、升降電機、吸盤控制、各類按鈕、光電傳感器、機械限位開關采集以及出線故障輸出報警信息等。上下料機械手整體電控系統框架圖如圖1所示。

圖1 電控系統框架圖

上下料機械手可分為手動控制模式和自動控制模式兩種控制模式。手動控制模式主要是用于調試或者出現問題時控制，通過按鈕可以進行電機上下、左右的旋轉控制，吸盤的打開和關閉，報警輸出控制等單獨控制。自動控制模式按下啟動按鈕后，上下料機械手從原點開始自動執行搬運動作，直到按下停止按鈕停止工作。上下料機械手具體執行流程如圖2所示。

PLC控制器作為整個控制系統的核心，主要采集各種反饋信號，判斷信號后發出相應的控制指令，同時把控制信息傳輸到上位機，并執行上位機發送的控制指令。顯示界面主要負責顯示整個生產線故障的原因，及時排除生產線故障，提高自動化水平和生產效率。

3 建立三維模型

上下料機械手主要由回轉機構、升降機構、懸臂梁及真空吸附組件4部分組成，如圖3所示。回轉機構的作用是完成上料位與下料位的定位和旋轉動作。升降機構用于完成懸臂梁的上升與下降動作。懸臂梁上承載著真空吸附組件。吸附組件包括真空吸盤、控制元件、管路和真空泵。真空吸盤用于抓取和釋放工件。

圖2 自動模式流程圖

圖3 上下料機械手示意圖

4 對懸臂梁進行有限元分析

懸臂梁采用矩形管與鋼板焊接結構，設計選取材料為Q235普通碳素鋼，屈服極限σ=235 MPa，彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 900 kg·m-3。

懸臂梁三維模型網格圖，如圖4所示。通過運行有限元分析算例，即可對懸臂梁進行有限元分析，分析后的位移和應力分布云圖分別如圖5和圖6所示。由圖5可知，機械手抓取工件時，懸臂梁的最大位移變形發生在懸臂梁的最前端部，最大位移變形量約為0.39 mm，變形量較小。由圖6可知，機械手抓取工件時，懸臂梁的較大應力主要發生在上下兩塊肋板的邊緣，應力最大值約為5.8 MPa，遠小于懸臂梁材料的屈服極限235 MPa，因此強度滿足使用要求。

圖4 懸臂梁三維模型網格圖

圖5 懸臂梁位移云圖

圖6 懸臂梁應力云圖

5 結語

利用SolidWorks建立了機械手的三維實體模型，直觀展示了設計結構，并采用SolidWorks Simulation對主要零件進行有限元運動分析，可滿足當今的市場要求，使得整個搬運系統得到了優化。實木板材加工生產線的自動搬運系統的研究及優化的有限元分析，實現了生產線之間物料銜接的無人化操作，節約了成本，提高了經濟效益和整線的運行效率，對板材加工行業的智能化轉型具有積極的推動作用。優化后的機械手搬運系統解決了市場上絕大多數板材的上下料仍然采用人工、勞動強度大、工作效率低以及自動化程度低等問題，大大提高了實木板材加工的生產效益，有助于實現實木板材行業的智能化轉型。