智能装配产品的通信系统开发

肖猷坤 李沛辉 东莞理工学院 机械工程学院 曾志彬 吴国洪 东莞市横沥模具科技产业发展有限公司 陈学忠 广东石东实业（集团）公司

0 前言

由于机械手可具有多个自由度，夹取、搬运工件都具有很高的灵活性，并且结合自动化控制技术可实现提高作业效率，保证作业精度以及精确性[1]。因此自动化装配领域常常利用机械手代替人来完成装配工作[2]，很多机器设备的组装，要求Z轴方向上的电机要竖直安装并且电机输出轴要在下方，然而平常放置电机时，往往是以电机轴朝上的方式放置。电机如步进电机，在电机输出轴一侧的端面具有四个通孔，利用机械手夹取电机后，在安装工位对准装配位置，旋进螺丝即可把电机固定完成。

利用机械手夹取电机并且送往Z轴上合适的安装位置时，需要完成180°的旋转功能，虽然利用市场上现有的六轴机械手[3]可以实现该功能，但是成本高，控制系统复杂，不适用于中小型企业。然而也存在有些翻转机械手利用翻转控制凸轮机构，但是该机构的引入会增加加工难度以及加工成本。

针对以上问题，本文提出了一种智能装配产品的通信系统开发方案，利用一个直线气缸、一个旋转气缸和一个气爪作为主要设计部分，采用气压驱动方式实现目标功能，下文将从机构设计方面与控制系统方面进行阐述。

1 硬件平台设计

本文利用一个三轴气缸、一个旋转气缸和一个气爪作为驱动件，除了驱动件还包括有连接组件（角铝支撑件、法兰）以及执行件（手指）。角铝支撑件作为一个外连接的部件，其设置在三轴气缸的侧面，三轴气缸用于提供直线运动。旋转气缸设置在三轴气缸的上方（即轴末端），提供一个旋转运动；法兰设置在旋转气缸的上方（即旋转轴的末端），用于辅助固定气爪。气爪设置在法兰的上方，手指设置在气爪的末端，设计固定形状的手指，使其更适合抓取电机。

角铝支撑件设置了四个通孔，其中两个通孔用于连接三轴气缸，另外两个通孔用于外连接，如连接导轨滑块实现该翻转机械手的大范围运动。三轴气缸缸体通过螺栓与角铝支撑件连接，即可固定三轴气缸，三轴气缸杆体也通过螺栓与旋转气缸缸体连接，可实现三轴气缸带动旋转气缸的直线往复运动。法兰设置了与旋转气缸杆体配合的通孔，并且设置了与气爪缸体配合的沉头孔，保证了用于连接气爪缸体的螺钉不会与旋转气缸杆体产生干涉；旋转气缸杆体通过螺栓与法兰连接，进一步的，法兰通过螺钉与气爪缸体连接，可实现旋转气缸带动气爪旋转；手指的侧面设置了两个通孔，通过螺栓与气爪杆体连接，可实现气爪带动手指张开或夹紧。

本文对夹持的步进电机设置为两类，分别为42步进电机、57步进电机，其中42步进电机的尺寸规格为两平行端面（非电机输出轴的端面）之间的距离约为42mm，57步进电机的尺寸规格为两平行端面（非电机输出轴的端面）之间的距离约为57mm[4]。在42步进电机和57步进电机的全部种类中，最大重量为2.0kg，当气爪夹取电机时，所需的夹持力需要能达到 F=2.0kg×9.8m/s2=19.6N，此外，42步进电机与57步进电机的大小相差为15mm，则需要选型夹持力超过19.6N、并且行程范围大于15mm的平行气爪，故选型号为MHZL2-20S的气爪（最大夹持力为33N，开闭行程为18mm），相应的，查得该气爪的重量为0.9kg。确定了气爪的型号后，将需要对旋转气缸进行计算选型，旋转气缸包含两个参数，分别为允许径向负载重和允许弯矩，根据夹持的电机的最大重量和气缸的重量，旋转气缸的允许径向负载重需要满足 F=（2.0+0.9）kg×9.8m/s2=28.42N，旋转气缸的允许弯矩 [5]大约为 M=28.42N×0.14m=3.98N.m，因此需要选型旋转气缸的允许径向负载重超过 28.42N，允许弯矩超过3.98 N.m，故选型号为MSQA-20R的旋转气缸（允许径向负载重为166N，允许弯矩为4.8N.m），查得该重量为1.5kg。进一步计算三轴气缸的参数，三轴气缸需要的容许侧向负载 F=（2.0+0.9+1.5）kg×9.8m/s2=43.12N，三轴气缸的容许扭矩 M=43.12N×0.22m=9.49N.m，因此需要选型三轴气缸的容许侧向负载重超过43.12N，容许弯矩超过9.49N.m，故选TCMJ50×50-20S的三轴气缸（容许最大侧向负载重为245N，容许最大弯矩为10.80N.m）。通过上述的校核计算，证明了本设计的可行性。

2 控制系统

本文对应用于自动化装配的翻转机械手的控制系统进行开发，通过气压驱动的方式，三轴气缸可带动手指进行伸缩动作（即直线运动感），气爪可带动手指进行夹紧与松开动作，旋转气缸可带动手指进行180°翻转动作，三轴气缸、旋转气缸和气爪的运动配合可实现机械手夹持与翻转电机，使得电机满足输出轴朝下的安装样式。具体为，三轴气缸、旋转气缸和气爪的气孔都分别与气动电磁控制阀连接，以欧姆龙微型PLC为控制器，气动电磁控制阀的常开端都连接于+24V端，气动电磁控制阀的的com端连接至PLC控制器的输出端，复位状态下，此时PLC控制器处于无输出状态，气动电磁控制阀处于常开状态，三轴气缸处于收缩状态、旋转气缸处于0°位置、气爪处于闭合状态。当PLC控制机械手开始动作时，气动电磁控制阀转为常闭状态，气爪张开，接着三轴气缸伸长，到达电机放置的位置，然后手爪闭合，夹紧电机，三轴气缸收缩，旋转气缸动作，将电机翻转180°，经过辅助机构（导轨）的传动，翻转机械手连带电机一起被运送到安装工位。

3 结语

本文所做的工作总结如下：第一，根据功能的要求对机械手进行了结构设计；第二，根据目标功能搭建了控制系统。旋转气缸的缸体与三轴气缸连接，旋转气缸的杆体与气爪连接，三轴气缸在气压驱动下产生直线运动，旋转气缸在气压驱动下产生180°的旋转运动，气爪在气压传动下可张开或夹紧。通过改变三者的进出气的方式，进而可以实现翻转机械手的伸缩、180°翻转以及夹紧松开的动作，它可适应用于自动化装配领域。