机电一体化技术在搬运机器人机械手设计中的应用

张兆丰

（西交利物浦大学，江苏 苏州 215123）

近年来，工业、制造业劳动成本直线上升，劳动成本的增加，导致电子加工企业的盈利水平大大下降，劳动力成本的增加给企业发展带来极大压力，使得企业急需用工业机械手取代人工来降低人工成本。传统的人工搬运方式即消耗人力，也不能提高生产效率，但机械手不同，机械手的使用可以大大降低企业成本，提高生产效率和质量，因此机械手在加工企业中是普遍使用的，现在国内大多数的机械手都是用PLC 控制的，而国外的装卸机械手大都有一体化的控制系统，其性能较高，但是引用费用较高，使得中小型加工企业对其望而却步，而加快国内搬运机器人机械手臂的研究与开发就成为现阶段最为重要的问题。

1 搬运机器手控制系统设计分析

装卸机械手的工作原理是x 轴发动机将动力传递给x 轴，Z轴发动机将动力传递给Z 轴。框架围绕底座旋转，电磁铁是记录电子元件的执行器。机械手工作时，首先点击触摸屏上的复位按钮，驱动模块接收主控模块的复位指令，并在工作台注塑前吸附电子元件夹具。

为防止机械臂在工作过程中的电子元器件与工作台产生摩擦，当将机械手上升到工作台的一定位置之后，再驱动Z 轴使机械手到达指定位置——注塑机，然后断开电磁铁的电力，机械手返回原味，将电子元器件夹具吸附起来[3]。

2 基于机电一体化技术的搬运机器人机械手设计方案

搬运机器人机械手系统由本体、作动器、监测系统等部分组成，主体支持腕臂，驱动系统向执行器供电。该系统是自动化装卸系统的指挥中心，可存储各种指令，并将指令发送到引导设备。监视系统确定执行系统的位置。

控制器根据反馈信号设置力矩信号。最终任务是移动附件夹持工件。常用终末作业有吸附式、仿人式等。如传送系统移动，按启动按钮，传感器在取料点取料，按照老师指示的路径，将材料放在加工点，返回原点，等待提升。运行期间，启动应急停车按钮后，系统的运行停止。另外，可以用复位键来恢复。本文介绍了自动装卸机器人的基本原理。以FANUC 工业机器人为基础，综合考虑机器人自由度、最大手载等关键参数。M-10iA工业机器人是由本体和教学设备构成的多功能机器人。

机器人在设计中将其本体关节设置为六轴结构，其手臂、手腕能够实现自由的扭转、旋转等功能。另外，为了提高机械手的应用寿命，降低设备损坏几率，还特别设置了限位装置，当控制箱的软限位小于硬限位时，电动机就会自动减速。在机械手系统设计中，其主控制器为PLC 系统，在数据通信方面，用工业以太网进行实现。在工位运行信号的传递上，用Simatic PLC 作为媒介，接收操作指令。然后在控制系统硬件设计合理的基础上，为了满足不同工艺生产需求，I/O 点预留10%裕量，PLC 类型选为西门子具有可靠性能、控制灵活的Simatic S7-200。在执行方面，为了实现工件的成功抓取，为搬运机器人操作人员提供安全保障，满足产品生产需求，在设计时，要以物料移载方法为基础，对现代化执行装置进行设计，并向小巧、安全、可靠、轻便等方向继续钻研，以此来满足物料搬运需求，提高产品生产效率。本研究设计了一种由多个部件组成的垂直和水平夹持器，以提高材料的搬运效率。双缸结构增加了起重机轮毂，气缸驱动机械手的抓地力。通过更换操纵器的前爪，使工件沿着不同的方向固定。先用A 爪，再手工更换B 爪，完成工件轴向夹紧。在完成手榴弹机械手硬件搭建之后，对系统进行了测试与启动。环境安全必须在调试过程中进行验证。手持式机器人根据指定的轨迹设定程序点，在指令模式下调节机械手的握力，并配置工艺参数。

2.1 系统方案

2.1.1 系统方案设计（图1）

图1 自动搬运系统组成示意图

用于支持手、腕部和手臂的工业机器人本体，其传动装置和其它设备也与机器本体相连。传动系统位于机体内部。传动系统的作用是给执行器供电。传动系统按能量可分为液压、气动、电气、机械四大类。该控制系统是自动处理系统的指挥中心，控制系统通过对榴弹进行控制，还能存储各种指令(例如：动作顺序、运动轨迹、移动速度和速度等)，并向各执行单元发送指令。末端捡拾器是保持工件移动的附件。端头拾取包括吸附型、夹持型和仿人型。

2.1.2 工作流程

搬运机器人机械手要完成一项工作过程，必须经过向上、下落、左移、右移、抓握、放松、转动等过程。这些过程中，夹紧、放松和旋转的过程都需要延迟一段时间。自动化装卸系统的操作流程如下：

(1)按下起动按钮，当传感器收到信号后，去取料点取材料。

(2)取料完成后，按示教器指示路线行走。

(3)行走至加工点，放料。

(4)重新开始作业。

(5)等待下一次处理请求。

(6)接收传感器信号后重复上述动作。

(7)在搬运时，如果需要暂停运行，那么就可以按下暂停按钮，机械手就可以暂停工作，如果按启动按钮，机械手就会恢复原来的工作状态。

(8)运转时急停按钮一启动，系统立即停止。

急停按钮恢复后，按复位键进行复位，机器人返回到原点后，系统才能重新启动。

其工作流程如图2 所示。

图2 自动搬运工作流程

2.2 工业机器人本体

机械臂是整个自动化处理系统的重要组成部分。FANUC 工业机器人M-10iA 将考虑其结构形式、自由度数量、管理要求等关键参数，FANUC 工业机器人M-10iA 是一种内置电缆多功能机器人，由外壳、B 控制柜、教学设备、搬运软件等组成。

Fanue M-10iA 机械体为关节式六轴结构，有六个独立的旋转关节：旋转、提升、伸长、旋转手腕、腕弓和手腕扭转，最大负荷为10kg。

M-10iA 机器人的主要技术参数见表1。

表1 Fanuc M-10iA 机器人主要技术参数

2.3 控制系统（图3）

图3 控制系统的硬件组成

SIMATIC PLC 是用来从触摸屏上接收操作指令，并传送每台SPS 工作站上运行的设备。用触摸屏输入操作指令，显示过程状态，存储程序值和报警。对硬件的选择，不仅要满足当前控制系统的要求，而且要考虑将来对可靠性的要求，基于此，在零部件的选择中，选用西门子晶智系列的触摸屏，能够支持多种通讯方式，如以太网、MPI、PROFIBUS 等，能稳定可靠地与市场主流PLC 通讯。适合工业现场培训，多参数设置，实时显示。

2.4 执行装置

控制台是捕捉工件并满足相关处理和装配要求的一种装置。合理利用相关的材料转移方法和手段，能够有效地处理和转移危险化学品，使现场作业人员健康安全，操作合理，节约劳动力，提高生产效率，保证产品质量。所以，设计一款小型化、便携、功能齐全、安全可靠的执行工具显得尤为重要。为了准确、灵活地完成工作，开发了水平夹紧和垂直夹紧两套导轨。机械手的驱动装置为气缸，气缸为双缸式结构，能够在使用中有效增大爪杆的运动性能。

2.5 系统调试运行

通过对机械手的硬件设计、集成和软件编程，对整个系统进行了检查、测试、调试，并投入运行。需调试时，先确认其周围安全，确认机器人处于初始状态之后，在用试用的方式展开首次操作。首先为了保证产品生产规格符合具体要求，需要对机械手的行动轨迹进行设置，然后对其参数进行设定，然后对机械手的夹紧力进行调整，以免太松抓不住产品，以免太紧对产品造成损坏。

2.6 系统维护

在该系统的长期使用中，即使机器人始终维持在预设参数范围运行，部分组件仍有磨损和损坏的可能。系统应配备预警系统，防止由组件损坏带来的危险。同时3D 摸拟机器人软件（例如robot studio），可以用来排查损坏的零件以及常规运行中可能出现的风险，从而做到快速维修以及风险规避。

3 结论

当前，机电一体化技术已逐渐应用于机械臂的设计。基于机电一体化技术，设计了一款新的搬运机器人机械手，该方案采用电磁阀实现对机械手的控制，然后由外部线圈控制发动机，对机械手的前进后退动作进行控制。在操作过程中，不同部位的开关产生通断信号，传递给PLS 控制器，这种机械手可以进行升降、退火和长时间运行，以满足生产车间要求。