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基于PLC控制的振荡式气动卸料机械手设计
摘要：针对传统U形冰箱外壳生产效率低的问题，设计了一种基于PLC控制的振荡式气动卸料机械手。在分析其功能和工作原理的基础上，详细介绍了机械系统和气动驱动系统的设计方案。采用振荡式气动卸料机械手，实现了大型钣金件的平稳卸料。利用西门子S7-300 PLC，设计了机械手的自动控制程序，实现了生产设备的自动化生产。实践结果表明，该设备生产的产品不超过35s，产品外观美观，尺寸精度满足使用要求。它改善了劳动条件，降低了劳动者的劳动强度，提高了劳动生产率。该技术可推广并应用于其它工业机械手的设计。
关键词：气动机械手、结构设计、钣金件、PLC
1简介
机械手是工业生产中使用的基本设备。程序控制机械手的抓取、搬运和释放，代替工人的繁重劳动，实现生产过程的自动化，提高劳动生产率。气动机械手是典型的机电气一体化装置。它具有成本低、操作维护方便等优点[1]。U形冰箱外壳为金属板结构，板料厚度约为0.5mm。冰箱外壳生产线传统上采用人工卸料，生产效率低，人力成本高。本文以U形冰箱外壳卸料为任务，设计了一套气动卸料机械手装置。生产控制采用西门子S7-300可编程控制器，实现了生产任务的自动化。
2019年瑞士自然杂志
K. Deng等人（编辑）: ICMIR 2018, AISC 856, pp. 810-820, 2019.
https://doi.org/10.1007/978-3-030-00214-5_101
2气动机械手总体方案及工作原理
该设备为四自由度机械手，可水平、上下、旋转、伸缩，还可吸紧、松开壳体。气动机械手由机械系统、位置检测系统、气动传动系统和电气控制系统组成。卸料机械手示意图如图1所示。机械手用两个侧面吸盘将U形壳吸起，并根据装配要求[2]的姿态将其放置在指定位置。完成折叠任务后，由电机驱动的水平移动平台向上移动到折叠机上。真空吸附装置取壳，上下移动装置通过锁紧缸带动抬离，然后水平移动平台进行T1平移，吸附装置由从动缸带动旋转R1，板材旋转90°，由垂直式变为水平式，然后在锁紧气缸的驱动下进行T2平移。吸附装置将壳体放在旋转平台上，然后旋转，由气缸带动，升降平台进行升降，传动带将壳体从旋转平台转移到装配线上[3]。
图1卸料机械手示意图
1.龙门支架装置, 2.水平移动平台, 3.上下移动设备, 4.机械臂系统, 5.旋转平台, 6.升降平台, 7.装配线，8.折叠机
3机械系统设计
机械手的机械系统主要包括龙门支架装置、水平移动平台、上下移动装置和机械臂系统。
3.1龙门支架装置
龙门架装置由龙门架、链条传动机构和减速机组成。门架采用方管与Q235钢板焊接而成，为水平移动平台提供移动导向和结构支撑。链条传动机构由链条、链轮、传动轴和轴承座组成。链条驱动机构驱动水平移动平台的水平运动，水平移动平台由SEW减速电机驱动。
3.2水平移动平台
水平移动平台由轮架、驱动缸、四组移动轮、四组限位滑轮和限位轴承组成。轮架用于安装其他部件，与钢管和Q235钢板焊接，用于固定其他部件。水平移动平台位于门架导轨上，由四个移动轮组成。链条固定在链板上，拉动水平移动平台移动。驱动缸选用SMC公司的CDNSI125-1000DZ73锁芯，驱动上下移动装置上下移动。上下运动导向槽固定在V形限位滑轮与限位轴承之间，防止自身水平晃动，保证上下运动平稳（图2）。
图2 水平移动平台示意图
1.轮架, 2.驱动缸, 3.活动轮, 4.限制滑轮, 5.轴承, 6. 8.螺栓轴, 7.极限轴承, 9.链板
3.3上下移动设备
上下移动装置由移动支架、气缸接头、V形导轨、轴承、传动轴、链轮、链条、驱动缸和调整螺钉组成。移动支架采用钢管焊接，用于安装其它部件。上下移动装置通过气缸连接器与水平移动装置的驱动气缸连接。旋转机构包括
用于机械臂旋转的传动轴、链轮、链条、传动缸、调整接头、调整螺钉及机械臂系统。旋转机构由传动缸驱动，用于传动比为1的链条传动。左右臂同步旋转通过轴传动实现。调节螺杆采用两端内螺纹。通过调整两端的接头来调整链条的松紧（图3）。
图3 上下移动装置示意图
1.移动支架, 2.V形导轨, 3.轴承, 4.传动轴, 5. 7.调整接头, 6.调整螺栓, 8.链轮, 9.传动链, 10.气缸接头, 11.驱动缸, 12.气缸接头
链轮直径：
链轮的旋转角度：
公式的含义：
p—链条节距，
z—链轮齿数，
L—传动缸作用距离.
链条为10B的链条，链条节距为15.875mm，链轮齿数为25，节径为126.66mm，气缸选用SMC CDA2WL80-100双向作用气缸，作用距离为100mm，可通过链轮带动左右臂同时旋转90°[4]。
3.4机械臂系统
机械臂系统包括左机械臂和右机械臂，分别从U形冰箱外壳的左右两侧固定。左右臂的结构组成和工作原理相同，如图4所示。机械臂通过滑块固定在上下移动装置上。球花键轴副由球花键轴和凸形球花键组成，具有结构紧凑、装配方便、刚度高等特点。在链轮的驱动下，可以实现机械臂的转动和与转动方向的零间隙。它还作为直线滚珠轴承的衬套，在推力缸的作用下进行直线运动，实现机械臂的伸出和后退[5]。左机械臂采用MDBL50-575-D-Z73型双向锁芯，动作距离75mm。右机械臂采用MDNBL50-575-D-Z73型双向锁芯，动作距离575mm，具有任意位置停车功能。适用于不同宽度冰箱侧板的生产。
图4 机械臂结构示意图
1.滚珠花键轴, 2.链轮, 3.轴承, 4.凸型球花键, 5.铰链销, 6.推力缸, 7.推力臂, 8.真空吸盘, 9.滑块, 10.旋转臂关节, 11.旋转臂, 12.可调套筒
4设计气动系统
机械手气动原理如图5所示，由气源、过滤器减压值、三片气动、气动控制阀和各种气缸组成。气动控制装置选自日本SMA公司。真空吸盘由二位三通电磁阀控制，选用VP342-5D-02A型，在真空吸盘前安装过滤器，每个电磁阀都装有消声器。提起锁芯垂直安装件。活塞拉力用来平衡产品的重力。右机械臂锁紧油缸的拉力水平安装。为了保证活塞两侧的平衡，在换向阀和无杆缸之间安装了加油减压阀，确保无杆缸的压力低于有杆缸。当气缸锁紧时，活塞两侧保持平衡。
锁紧缸通过二位五通单电磁阀控制锁紧和释放动作，二位三通中间电磁阀控制缸动作。升降锁紧缸由二位五通电磁阀驱动，选用VS7-8-FPG-D-3NA03型。右机械臂锁紧缸也由二位五通电磁阀驱动，选用型号为SY7320-5DZ-02。另一个电磁阀选择型号为SY7220-5DZ-02[6]。
图5 机械手气动原理图
1.气源, 2.过滤减压阀, 3.三件气动, 4.二位三通电磁阀, 5.真空发生器, 6.过滤器, 7.真空吸盘, 8. 10.11.12.二位五通电磁阀, 9. 13.三位五通电磁阀, 14. 15.减压阀, 16.左机械臂锁紧缸, 17.右机械臂锁紧缸, 18.旋转气缸, 19.提升锁紧气缸
真空吸盘的吸附对象是板料，其材料为冷轧钢板。最大的板材尺寸是5200mmtimes;1000mmtimes;0.6mm。
板材的重力：
吸盘直径的计算公式[7]：
公式含义：
W—吸附物的重力,
K1—安全系数，通常K1=1.2-2，取K1=2,
K2—工况系数，通常K2=1-3，取K2=3.
K3—吸盘体位系数，垂直位置，K3=1/mu;，mu;：吸盘与吸附物之间的摩擦系数，通常mu;=0.4-0.8，取mu;=0.5，K3=2；
n—吸盘个数，本装置中：n=12；
p—吸盘真空度，取真空发生器最大真空的60-95%，取65%，选用ZH15DS真空发生器。
真空吸盘直径：
经计算，选用日本Convum公司生产的PUTSB-80-30型万能旋转真空吸盘，直径80mm。
5 PLC控制系统的设计
采用PLC控制，不仅可靠性高，而且控制灵活。当操作顺序发生变化时，控制程序可以快速重用，只需修改和上传即可。它不仅提高了生产率，而且降低了成本[8]。卸料机械手的主要任务是完成U形冰箱外壳的自动卸料。它主要控制平台的水平运动、机械手的上下运动和关节运动、旋转平台的旋转和传动以及状态检测[9]。
5.1 PLC选择和I/O端口分配
在机械手中，用跳闸开关检测并判断移动平台是否到位，用接近开关判断机械手是否刮伤产品，用磁力开关检测并判断气缸是否到位。每个气缸有两个需要检测的位置，因此每个气缸上安装两个磁限位开关，需要17个输入节点。吸盘、电机和所有气缸的运动需要手动操作，需要11个输入节点。增加系统手动/自动开关、启动、停止和复位按钮，需要28个输入节点。输出侧，需要气缸上下移动，机械臂转向和反转，机械臂伸出和缩回，运行指示灯，停车指示灯和故障指示灯信号，变频电机变频输出，变频电机故障及真空吸盘通断信号，需要14个输出节点。
该机械手是U形冰箱外壳生产线的一个工作站，生产线的每个工作站都有几十个地址信号。它涉及大量的输入和输出数据，需要一个能够支持强大操作的PLC，西门子S7-300
满足要求[10]。仪表接线采用总线和分界线。控制总线从主控柜或PLC的输入输出模块引入，通过各站的电气分线箱，连接到各传感器、空气阀等执行机构上[11]。设备的I/O口与气动机械手、控制操作箱连接。PLC的I/O分配表如表1所示。
表1 机械手PLC的I/O地址分配表
|
名字 |
代码 |
地址 |
名字 |
代码 |
地址 |
|
手动/自动 |
SA1 |
I33.0 |
左臂前限位检测 |
SB10 |
I36.1 |
|
启动操作 |
SA2 |
I33.1 |
右臂前限位检测 |
SB11 |
I36.2 |
|
停止操作 |
SA3 |
I33.2 |
右臂后限位检测 |
SB12 |
I36.3 |
|
复位操作 |
SA4 |
I33.3 |
左臂后限位检测 |
SB13 |
I36.4 |
|
平台左移 |
SA5 |
I33.4 |
检测右臂吸力 |
SB14 |
I36.5 |
|
平台右移 |
SA6 |
I33.5 |
检测左臂吸力 |
SB15 |
I36.6 |
|
提升气缸下降 |
SA7 |
I33.6 |
检测旋转气缸上升 |
SB16 |
I36.7 |
|
提升气缸上升 |
SA8 |
I35.0 |
检测旋转气缸下降 |
SB17 |
I37.0 |
|
左臂气缸伸出 |
SA9 |
I35.1 |
变频输出1 |
U |
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