基于PLC的氣動真空吸盤式工業機械手設計
以板材加工過程中用于板材搬運的機械手為研究對象，分析了該機械手的本體結構。機械手采用氣動真空吸盤作為機械手的末端執行器，有4 個自由度。詳細闡述了其末端執行器關鍵參數的設計計算。實踐證明，該機械手能完成滿足生產線的要求。
0、引言
隨著工業生產規模的不斷擴大，生產線的自動化水平須大力提高，特別是在高溫、重載、大噪聲等惡劣的工作環境中，人工操作勞動強度大，易發生安全事故[1]。某公司的板材生產線上，板材經熔化后壓鑄成形，再進行粗切割， 切割后需把板材搬運到指定框架中。因工件重、形狀大，所以人工搬運效率低，所需員工多，且易發生碰撞，影響板材的后續加工。所設計的工業機械手采用真空吸盤作為機械手的末端執行器， 利用真空吸附方式抓取工件，可自動搬運板材[2]。
1、機械手結構
1.1、結構要求
該機械手的作用是將粗切割后的板材(約10kg)從工作臺上搬運到堆放架內，要求疊放有序，不能碰撞。結構上要求能實現X、Y、Z 三個方向的移動，且Z 軸能旋轉，結合實際生產線情況，真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)認為機械手要達到以下要求[3]：
(1)分升降機構、橫移機構、抓放機構三個機構;
(2)升降機構設計：直線升降，采用滾珠絲杠傳動，用直線光桿導向，上下升降速度最快50mm/s，升降行程范圍0～1 800mm，最大承載力1 000N;
(3)橫移機構設計：X、Y 兩個方向橫移，采用滾珠絲杠和同步帶傳動，移動速度最大50mm/s，移動行程范圍0～3 500mm，最大承載力1 000N;
(4)抓放機構設計：采用氣動方式進行工件的抓放，總最大吸附力250N。
1.2、總體結構
該工業機械手由支架、手臂和手爪組成，4 個自由度分別為：X、Y、Z 三個方向的移動和Z 軸旋轉，圖1 為設計的機械手總體結構圖。總體設計思想為：X、Y、Z 三個方向采用伺服電機驅動，通過絲杠、同步帶、輪系等機械機構進行間接傳動，末端執行器為氣動吸盤手爪，可通過改變吸盤位置實現不同形狀工件的抓放。
圖1 機械手示意圖
1.3、傳動過程
以把工件從位置1 搬運到位置2 為例， 機械手從原點位置開始，X 軸伺服電機運轉帶動裝在輸出軸上的同步帶一起旋轉， 經同步帶傳動帶動與X 軸平行的軸旋轉，從而驅動機械手工作平臺在X 軸方向移動，緊接著Y 軸伺服電機運轉帶動機械手平臺在Y 軸方向移動， 然后Z 軸伺服電機運轉帶動手爪下移從位置1 抓取工件;手爪上升沿X 方向后退，Y 軸伺服電機運轉帶動機械手平臺在Y 軸方向移動到達位置2 上方，Z 軸伺服電機運轉帶動手爪下移放工件[4]。
1.4、機械手參數
表1 為氣動吸盤式工業機械手的參數。
表1 機械手參數
2、吸附裝置設計
2.1、真空吸盤原理
如圖2 所示， 首先將真空吸盤通過接管與真空設備(如真空發生器等)接通，然后與待提升物如玻璃、紙張等接觸，起動真空設備抽吸，使吸盤內產生負氣壓，從而將待提升物吸牢，即可開始搬送待提升物。當待提升物搬送到目的地時，平穩地充氣進真空吸盤內，使真空吸盤內由負氣壓變成零氣壓或稍為正的氣壓， 真空吸盤就脫離待提升物， 從而完成了提升搬送重物的任務[5]。
圖2 吸盤工作原理圖
2.2、真空吸盤直徑計算
被搬運物體的重量決定吸盤的大小和數量， 根據生產線作業要求，吸盤工作時為水平吊狀態，吸盤直徑參數的計算公式如下[6]：
式中D - 吸盤的理論直徑，mm；m - 需吸工件質量，kg；t - 安全系數(水平吊t≥4，垂直吊t≥8)；p - 吸盤內的真空度，MPa；n - 吸盤數量。
生產線上需搬運工件的重約100N， 吸盤工作時為水平吊，t 取4，真空度p 取0.06MPa，如單個吸盤吸附n取1，代入式(1)中計算，得：
D≥92.16mm
因為實際可選擇的直徑尺寸范圍在50mm 以內，考慮實際工件的形狀，在滿足需要的條件下，吸盤尺寸應盡可能小，所以增加吸盤數量n，取n=16，代入式(1)中計算，得：
D′≥23.04mm
結合吸盤直徑標準取值表，取D=25mm。
2.3、真空吸盤提升力計算
根據吸盤提升力的計算公式：
式中W - 吸盤提升力，N；T - 安全系數(在此取T 為1)；S - 吸盤面積，cm2。
以規格為D =10mm、16mm、20mm、25mm、32mm、40mm、50mm 為例， 根據公式(2) 分別計算出它們在-400mmHg、-500mmHg 和-600mmHg 真空度下的提升力，計算結果如表2 所示。
表2 吸盤水平提升力(N)
實際使用時，[W]=WT(3)式中[W]為許用提升力，根據經驗值，安全系數一般取2.5，現在取D=25mm 的吸盤進行許用提升力的檢驗計算，在真空度比較低的情況下(-400mmHg)，將表1中的數值26.7N 代入式(3)，計算得[W]=10.68N。機械手共16 個吸盤，總許用提升力為170.88N>100N，由此可得，在保證安全的情況下，設計計算所得數據能確保提升待搬運工件。
3、結束語
通過對工業機械手本體機構的關鍵零部件進行設計計算， 并將該氣動吸盤式工業機械手在實際生產線上進行調試運行后[7]，證實機械手能對工件進行自動抓放動作，且在抓放過程中不發生碰撞，實踐證明使用該機械手后，企業現場工作人員數量降低了50%，在降低了勞動力成本的同時提高了生產率。
參考文獻
[1] 初曉旭,陳文軍.淺談氣動密封的設計[J].液壓氣動與密封,2012,(2):11-13.
[2] 張海英,陳子珍,翟志永.基于PLC 的物料搬運機械手設計[J].機械工程師,2010,(9):83-84.
[3] 候博,閻明印,王世杰.芯片搬運機械手設計[J].機械設計與制造,2011,(10):35-36.
[4] 張海英.基于PLC 的注塑機機械手控制系統設計[J].機械工程師,2011,(11):72-73.
[5] 鐘文,閻秋生,潘繼生,等.圓片提升機的結構設計[J].機電工程技術,2011,40(7):60-62.
