自動(dòng)化生產(chǎn)線是制造業(yè)大批量生產(chǎn)的主要設(shè)備，也是降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率的一種手段。機(jī)械手可以在危險(xiǎn)和惡劣的環(huán)境中代替人的手，完成高重復(fù)性的分揀、裝卸，已成為機(jī)械零件制造和裝配生產(chǎn)線中必不可少的單元。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手具有定位精度高、維護(hù)簡單的特點(diǎn)，但在工作對(duì)象改變或工藝調(diào)整后，將對(duì)機(jī)械手進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。液壓傳動(dòng)機(jī)械手具有輸出力大、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，但技術(shù)要求高，維護(hù)復(fù)雜，一般用于大重量鍛件或鑄件的處理。電動(dòng)傳動(dòng)機(jī)械手具有定位精度高、對(duì)應(yīng)速度快的特點(diǎn)，但技術(shù)要求和成本較高。氣動(dòng)機(jī)械手以壓縮空氣為介質(zhì)實(shí)現(xiàn)能量傳遞，具有成本低、流量阻力小、動(dòng)作快、環(huán)境污染小等特點(diǎn)，但氣動(dòng)機(jī)械手的氣體壓縮量較大，定位精度低。結(jié)合電動(dòng)機(jī)械手和氣動(dòng)機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)，將雙爪機(jī)械手應(yīng)用于沖壓生產(chǎn)線，有效地提高了進(jìn)給精度和生產(chǎn)效率。

1 雙爪機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)

雙爪機(jī)械手的手臂有兩個(gè)爪子(進(jìn)給爪和消隱爪)，并與手臂一起運(yùn)動(dòng)。沖壓后，手臂水平向左移動(dòng)，當(dāng)達(dá)到進(jìn)料點(diǎn)時(shí)，兩個(gè)爪伸出后手臂下垂，喂料爪上的真空吸盤吸收薄板，真空吸盤吸力吸走沖下爪的沖壓部分，兩個(gè)爪在手臂上升后收縮，手臂水平向右移動(dòng)，到達(dá)排放點(diǎn)后，兩個(gè)爪子伸出，手臂下垂，進(jìn)料爪將板料放置在沖床臺(tái)上。沖裁爪將沖壓件置于輸送帶上，傳送帶啟動(dòng)，沖壓件送至下一位置，臂起。在兩個(gè)爪子被收回后，手臂水平地移動(dòng)到工作來源，沖頭開始，沖壓工作開始。

從系統(tǒng)運(yùn)行過程可知：上料手爪需要把板料準(zhǔn)確放在沖床工作臺(tái)上，位置精度要求非常準(zhǔn)確。除了手爪上真空吸盤的取、放料動(dòng)作，手爪在工作中還有3個(gè)自由度，分別是手臂的水平移動(dòng)和升降、手爪的伸縮。手臂的水平移動(dòng)需要有3個(gè)固定的位置點(diǎn)：工作原點(diǎn)(上料手爪和下料手爪分別位于沖床兩側(cè))，取料點(diǎn)(上料手爪取薄板坯料，下料手爪取沖床工作臺(tái)上的沖壓件)，放料點(diǎn)(上料手爪把薄板坯料放在工作臺(tái)上，下料手爪把沖壓件放在輸送帶上)；手爪的伸縮和手臂的升降都是兩個(gè)固定的位置點(diǎn)。

2 雙爪機(jī)械手的傳動(dòng)設(shè)計(jì)

手爪的伸縮和手臂的升降都是在運(yùn)行方向上有兩個(gè)固定點(diǎn)的直線移動(dòng)，采用氣缸驅(qū)動(dòng)，活塞桿完全伸出或縮回的位置是固定的，并且缸體兩端裝有接近開關(guān)，能保證動(dòng)作位置的精確度。

手臂的水平移動(dòng)有3個(gè)位置點(diǎn)，并且準(zhǔn)確度要求較高，機(jī)械傳動(dòng)和氣壓傳動(dòng)均不能實(shí)現(xiàn)，所以采用能實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)運(yùn)動(dòng)位置要求的電氣傳動(dòng)方式，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)精確度高(步距角為0.9°或1.8°)，通過同步帶(齒形帶)把步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂水平位移的準(zhǔn)確性。

手爪運(yùn)動(dòng)到設(shè)定位置后，對(duì)薄板坯料(或沖壓件)的抓取和投放，均由氣動(dòng)真空吸盤來實(shí)現(xiàn)，真空吸盤固定在爪盤上，爪盤上均勻分布寬為13 mm的槽，根據(jù)薄板坯料的形狀，可以調(diào)整吸盤的位置和數(shù)量。吸盤手爪的三維模型如圖2所示。

3 雙爪機(jī)械手控制設(shè)計(jì)

3.1 氣壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)

雙爪機(jī)械手手爪的伸縮(上料手爪和下料手爪)、手臂的升降等動(dòng)作由氣缸來實(shí)現(xiàn)，氣缸的兩端都內(nèi)置有磁環(huán)，配合氣缸體外安裝的磁性開關(guān)，能夠準(zhǔn)確檢測氣缸活塞的位置。氣動(dòng)工作原理如圖3所示。由于氣體的壓縮比大，氣缸在工作中只有完全伸出和縮回兩個(gè)位置才是固定的，所以采用二位四通的電磁閥控制氣缸的動(dòng)作。真空發(fā)生器是利用正壓氣源產(chǎn)生負(fù)壓的一種器件，由電磁開關(guān)閥控制產(chǎn)生真空(負(fù)壓)。

3.2 電氣控制設(shè)計(jì)

電氣控制以西門子S7-200 PLC為核心，完成對(duì)雙爪機(jī)械手的控制，接近開關(guān)、限位開關(guān)、按鈕等信號(hào)直接送給PLC，人機(jī)界面是人和機(jī)器的信息交換窗口，可以把機(jī)械手的工作狀態(tài)顯示出來，例如所搬運(yùn)的沖壓件數(shù)量，操作人員還可以根據(jù)需要改變機(jī)械手的運(yùn)行參數(shù)。上料后機(jī)械手回到工作原點(diǎn)位置，沖床才能開始沖壓；沖壓工藝完成后，機(jī)械手才能夠開始取件和上料的工作。上下料機(jī)械手的控制系統(tǒng)作為沖床控制系統(tǒng)的從站，通過PPI電纜通信，避免干擾和碰撞。PLC控制系統(tǒng)如圖4所示。

氣動(dòng)系統(tǒng)的電磁閥采用AC 220 V供電，而西門子PLC數(shù)字輸出端口電壓為DC 24 V，功率只有0.75 W，不足以驅(qū)動(dòng)AC220 V的電磁閥，需要通過中間繼電器和直流接觸器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，如圖5所示。PLC的高速脈沖端口和數(shù)字端口控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向。輸送帶的運(yùn)行由三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，PLC的數(shù)字輸出端口控制變頻器的輸出頻率改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

雙爪機(jī)械手系統(tǒng)有12個(gè)數(shù)字量輸入端口，10個(gè)數(shù)字量輸出端口和1個(gè)高速脈沖量輸出端口，控制器選用西門子S7-200系列(CPU226)PLC作為控制核心，端口分配如表1。

雙爪機(jī)械手的動(dòng)作是由3個(gè)氣缸、2個(gè)真空吸盤和1臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)完成，程序設(shè)計(jì)是根據(jù)雙爪機(jī)械手動(dòng)作的時(shí)序圖來完成，用梯形圖編制控制程序，方便、直觀，還可以在線監(jiān)控程序的運(yùn)行狀態(tài)。西門子PLC中的運(yùn)動(dòng)控制功能，能控制高速脈沖的輸出數(shù)量和頻率，完成位移和速度的調(diào)節(jié)。

4 機(jī)械手的調(diào)試

為實(shí)現(xiàn)機(jī)械手動(dòng)作的完整性，在設(shè)計(jì)好外圍電路和程序后，需要對(duì)機(jī)械手進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩部分。外圍電路調(diào)試屬于硬件調(diào)試，主要是線路的搭接，保證傳感器檢測的數(shù)字量信號(hào)都能送給PLC控制器，PLC輸出數(shù)字量信號(hào)后，機(jī)械手上的氣缸和信號(hào)燈等元件能完成相應(yīng)的動(dòng)作。程序調(diào)試屬于軟件調(diào)試，主要是正確實(shí)現(xiàn)程序功能。雙爪機(jī)械手PLC程序的調(diào)試采用在線編程調(diào)試，V4.0 STEP7 Micro WIN SP3軟件中的程序監(jiān)控功能能夠方便地檢測到程序的運(yùn)行狀態(tài)。

表1 PLC輸入輸出端口分配

與傳統(tǒng)單手爪搬運(yùn)機(jī)械手相比，雙爪機(jī)械手的運(yùn)行效率更高，完成5件沖壓件的上下料工作后，單手爪搬運(yùn)機(jī)械手只能完成3件沖壓件的上下料，在沖壓生產(chǎn)中應(yīng)用之后能有效提高工作效率。

5 結(jié)語

雙爪機(jī)械手是集機(jī)械、電氣控制、PLC和氣動(dòng)傳動(dòng)于一體的機(jī)電一體化設(shè)備。利用運(yùn)動(dòng)函數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，可以精確地完成機(jī)械手臂在沖頭給定位置的運(yùn)動(dòng)。人機(jī)界面可以實(shí)時(shí)顯示運(yùn)動(dòng)機(jī)械手的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)量，并根據(jù)需要設(shè)置運(yùn)動(dòng)沖壓件數(shù)量等操作參數(shù)。雙爪機(jī)械手操作速度快，可隨時(shí)改變爪盤上吸盤的位置，完成不同形狀的沖壓件的處理。在沖壓生產(chǎn)線上應(yīng)用，可以提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和自動(dòng)化水平。