《武汉工程大学学报》 2015年02期
50-53
出版日期：2015-02-28
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
自动化生产线空调面板装配机械手的设计
０ 引 言近年来，劳务成本提高，现代化自动生产线优势逐渐明显．自动化生产线是机械结构与电气控制结合的产物，根据线上产品的加工工序特性，设计出能提高生产效率、减少劳务成本的机械手装置［１－２］．生产线中机械手的种类繁多、应用广泛［３－７］．笔者将从机械设计和电气控制设计两个方面详细介绍一种用于自动化生产线中空调面板装配的气动机械手．机械手设计要求动力源获取方便，工作元器件稳定可靠易维修更换，实现６自由度控制，一次工作流程满足生产线生产节拍．图１ 机械手结构图Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ图２ 移动滑动组及爪具图Ｆｉｇ． ２ Ｔｈｅ ｍｏｖｉｎｇ ｓｌｉｄｅ ｇｒｏｕｐ ａｎｄ ｇｒｉｐｐｅｒｓ１ 机械手结构与气动回路设计１．１ 机械手结构设计气动机械手的结构如图１所示，在龙门架顶部装有一个平移作用气缸及移动滑轮组，用来运载机械手及控制面板的左右移动．移动滑轮组（如图１）为两组动滑轮构成，根据动滑轮原理，机械手移动行程距离是平移缸缸杆伸出距离的４倍，此结构弥补平移缸行程短的缺点．在龙门架下侧，提升气缸、齿轮齿条式摆台使机械手在垂直、水平方向运动．由于空调面板外形为圆弧状，常规支脚、吸盘结构不易贴合面板，设计在支腿上安装有缓冲弹簧装置，吸盘关节具有导向结构的爪具，如图２所示，与面板对接过程实现柔性贴合，加强了自适应能力．１．２ 机械手气动回路设计气动回路如图３所示．图３中气缸Ａ用于控制机械手左行与右行，气缸Ｂ用于控制机械手提升与下降，行程位置处装有磁性限位开关Ａ０、Ａ１、Ｂ０、Ｂ１，判断其左右、上下的到位状态．气缸Ｂ为防止载荷搬运过程中受重力影响，在有杆腔排气口设计气压锁，防止面板下滑．齿轮齿条式摆台Ｃ用于控制机械手旋转，使爪具在水平方向运动，行程处装有两个磁性限位开关Ｃ０、Ｃ１．摆台Ｃ带有角度调整螺钉，设置摆动角度范围，控制面板旋转符合空调底座与生产线的角度差．采用４个真空吸盘吸抓面板，方便与弧形面板接触，并保护其涂层完整．真空发生器Ｄ用于控制爪具吸盘抓取与释放，抓取时真空压力达到设定值，面板与爪具切合牢固，可以装配；到达释放位置，破坏真空，完成装配．气缸Ａ、Ｂ、Ｃ均采用出气节流调速，在排气接口安装速度控制阀，实现速度控制［８］．图３ 机械手气动回路图Ｆｉｇ．３ Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ２ 机械手软件系统设计２．１ 机械手地址分配根据机械手输入输出点数要求，且预留设备更新的备用接口，选择西门子Ｓ７－２００系列中央处理器２２４（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ，以下简称：ＣＰＵ）作为控制器，增加数字量输入输出模块ＥＭ２２３．此控制系统总共带有１８路数字量输入、１４路数字量输出．机械手输入／输出（Ｉｎｐｕｔ ／ Ｏｕｔｐｕｔ，以下简称：Ｉ／Ｏ）地址分配如表１所示．表1 机械手I/O地址分配Table 1 Input and output address assignment２．２ 机械手动作流程设计机械手工作分为维修模式和正常模式．系统上电后，通过旋钮选择模式．维修模式：拨动单一旋钮操作对应电磁阀，电磁阀驱动相关气缸完成操作动作，实现单步控制．自动模式：根据实际工位操作需求，设置抓取旋钮和释放旋钮．在工作起始点，拨动抓取旋钮，面板将被移动至释放工位；拨动释放按钮，完成面板与底座装配，之后自动回起始点，等待下次操作指令．机械手装配面板动作流程如下：ａ．抓取过程．抓取旋钮置位，提升气缸向下移至下极限位（２ＤＴ通电）—爪具吸盘抓取面板（４ＤＴ通电）—提升气缸向上移至上极限位（２ＤＴ失电）—平移气缸向右移至右极限位（１ＤＴ通电）、摆台顺时针摆动至右极限位（３ＤＴ通电）—等待下一步指令．ｂ．释放过程．释放旋钮置位，提升气缸向下移至下极限位（２ＤＴ通电）—爪具吸盘释放面板（５ＤＴ通电）—提升气缸向上移至上极限位（２ＤＴ失电）—平移气缸向左移至左极限位（１ＤＴ失电）、摆台逆时针摆动至右极限位（３ＤＴ失电）—机械手回到工作起始点（１、２、３、４、５ＤＴ复位清零）．２．３ 程序设计面板装配过程程序设计，采用逻辑设计结构．在本设计中，考虑限位条件判断较多，通过逻辑表达式描绘组合逻辑电路，思路更加清晰［９］．判断条件后直接驱动电磁阀，程序结构简单．逻辑表达方程：（注：Ｍ０．４为抓取过程辅助中间继电器；Ｍ０．５为释放过程辅助中间继电器；Ｍ２１．２为释放过程提升延迟辅助继电器；Ｔ４０为释放过程提升延迟计时器）Ｍ０．４＝（I0.0*I0.4*I0.2*I1.4*I1.3*I2.0*+Ｍ０．４）* （Ｍ０．5+I1.4）Ｍ０．5＝（I0.1*I0.5*I0.2*/2.0*I1.3*I1.3+Ｍ０．5*I0.4）* （Ｍ０．4+I1.5）Ｍ21.2＝（I2.0+Ｍ21.2）*T40T40=（I2.0+Ｍ21.2）*I2.0Q0.0＝（I0.2*I0.0*I0.4+Q0.0）*（I0.2+I2.0）Q0.1＝（I0.5*I0.1*I2.0+Q0.1）*Ｍ21.2*Ｍ0.5+Ｍ0.4*I2.0Q0.2＝（I0.5*I0.1*I2.0+Q0.2）*Ｍ21.2*Ｍ0.5+Ｍ0.4*I2.0Q0.3＝（I0.3*Ｍ0.4+Q0.3）*Q0.4Q0.4＝I0.3*Ｍ0.5３ 机械手测试在实际工况下测试机械手如图４所示，经测量面板左右移动距离２ ０００ ｍｍ，提升下降距离范围３５０ ｍｍ，水平旋转角度０°～７５°．机械手气动系统压力稳定在０．７ ＭＰａ，通过节流阻尼螺钉调整保证抓具移动迅速且运行平稳，平移缸、提升缸活塞伸出速度保持在５００～５５０ ｍｍ／ｓ，摆台稳定摆动时间范围１ｓ／９０°．空调面板自重５ ｋｇ左右，真空发生器设定压力开关为－４０ ｋＰａ，４个吸盘抓取合力远大于面板重力，保证搬运过程无脱落可能．测试结果表明，机械手装配工序周期１８ ｓ，移动快速平稳，操作简单，精减工位，提高效率．机械手成功将生产线中装配面板工位工人人数由３人减少为１人，工人操作机械手运行取代繁重体力．图４ 机械手实物图Ｆｉｇ．４ Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍａｐ ｏｆ ｔｈｅ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ４ 结 语结合实际工况研制的辅助装配机械手，经试验满足工况要求，气源经过过滤减压阀送入气动系统保证压力稳定，Ｓ７－２００作为控制器稳定性高，ＳＭＣ伸缩气缸和摆台满足所需６自由度的快速移动要求．在实际生产环节，该机械手装配过程达到２０ ｓ内工序节拍要求，实现面板与对接机座装配．在本设计中，移动滑轮组使短行程气缸完成大跨距工况，爪具支腿与吸盘的改良实现机械手与面板柔性贴合．程序设计采用逻辑结构，方便维护，拓展性高．致 谢武汉华远控制技术有限公司在设备研制过程给予了大力支持，在此表示诚挚的感谢！