单片机在产品输送中的应用

曹金梅 东莞理工学院 机械工程学院 曾志彬 黄市生 吴国洪 东莞市横沥模具科技产业发展有限公司 李志峰 北京航天智造科技发展有限公司

0 前言

近年来，随着工业自动化的不断发展和用人成本的增加，企业生产中的上下料正向机械化、自动化转型。机械手精度高、动作迅速、可长时间作业的特征正被相关企业应用到上下料的生产中，极大提高了生产效率。基于工业机械化和自动化的发展以及气动技术自身的一些优点，气动机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业，机械手可用作夹持与搬运目标物体，但传统的机械手占空间面积较大，兼容性差，而由于自动上下料直接关系着数控机床的运行质量和数控机床运转的效率，故对于有些设备而言，在后续生产安排中需要增加设置机械手替代人工上下料，往往因为空间不足和控制程序的固定性而增加很大难度。

针对以上问题，本文提出了单片机在产品输送中的应用方案，大致为利用四个气缸的协同配合，即不同时间内控制不同气缸的开闭来达到多方面的协作的效果，并通过齿轮与齿条、导轨与滑块的传动方式，实现气爪从上料位到工作位的移动，夹持目标物体，以Arduino控制器作为处理中心，光电开关作为主要传感器，控制气爪夹持目标物体并从上料位移动到工作位，完全实现了利用机械手上下料的一系列过程。相比以上所提到的机械手，本文所述的一种自动上下料的机械手面积适中，兼容性好，有效地提高了数控机床的运行质量和运行效率。下文将具体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

本文所设计的单片机在产品输送中的应用方案，由驱动件气缸、各连接组件、各类传动件、气爪和限位件组成。其中，将旋转座设置于立柱的上方，并通过螺栓连接。可旋转的两个轴承设置于旋转座内，并通过外卡簧限位。齿轮设置在转轴中，转轴设置于轴承中，利用卡簧限位。滑块安装板设置于旋转座侧面，并通过螺栓连接。滑块导轨Ⅰ设置于滑块安装板中，并通过螺栓连接，其中，滑块设置于滑块安装板下方，导轨设置于齿条底面，齿条与浮动钣金连接，气缸Ⅰ设置于滑块安装板上方，并通过螺栓连接。气缸Ⅰ末端与浮动接头Ⅰ连接，浮动接头Ⅰ与浮动钣金配合连接。通过齿条与齿轮配合传动，实现水平直线运动转换成旋转运动。

锁块设置于转轴一端，并通过螺栓连接，悬臂板设置于锁块前方，通过定位销定位固定，并通过螺栓连接。加强板设置于悬臂板上，与悬臂板、锁块两两垂直，并通过螺栓连接。气缸Ⅱ设置于悬臂板背面，并通过螺栓连接，两滑块导轨Ⅱ设置于悬臂板正面，并通过螺栓连接，通过导轨与滑块的传动方式，实现机械手的X轴移动。Z轴安装板设置于滑块导轨Ⅰ上，并通过螺栓连接，Z轴气缸安装板、滑块导轨Ⅱ设置于Z轴安装板上，并通过螺栓连接。气缸Ⅲ设置于Z轴气缸安装板上，并通过螺栓连接，气缸Ⅲ末端与浮动接头Ⅱ连接。Z轴运动板设置于滑块导轨Ⅱ的导轨上，并通过螺栓连接，浮动块Ⅱ与Z轴运动板连接，并通过螺栓连接，浮动块Ⅱ与浮动接头Ⅱ配合运动，通过导轨与滑块的传动方式，实现机械手的Z轴移动。气缸Ⅳ设置于Z轴运动板上，并通过螺栓连接，夹爪设置于气缸Ⅳ，并通过螺栓连接，光电开关设置于夹爪内，并通过螺纹连接。胶块设置于夹爪上，并通过螺栓连接。当夹持目标物体时，气缸Ⅰ的末端与齿条连接，通过齿条齿轮的传动方式，实现机械手绕X轴旋转；气缸Ⅱ的滑块与Z轴安装板连接，通过导轨与滑块的传动方式，实现机械手的X轴移动；气缸Ⅲ的末端与Z轴运动板连接，通过导轨与滑块的传动方式，实现机械手的Z轴移动；夹爪与Z轴运动板的末端连接；夹爪夹取目标物体后，结合三个气缸的协同动作，夹爪绕X轴由上料位旋转到与数控机床主轴水平的位置，进一步的，夹爪沿Z轴方向由数控机床主轴水平的位置移到数控机床主轴正前方，再进一步的，夹爪沿X轴方向由数控机床主轴正前方移到目标物体的加工位，实现把目标物体从上料位运送到加工位，最后结合各气缸的顺序复位，实现目标物体的全自动上下料。

通过这个硬件平台的设计，上下料的机械手结构简单稳定，通过四个气缸不同时间段内的开合，以及齿轮齿条、导轨滑块的配合使用，可以实现多种夹持方式和，即包括物件的远近、物件的大小等，硬件平台容易购买和搭建，当自动上下料机械手故障时，只需调整或维修机械手而不会影响机床的正常运转，便于维护。

2 控制系统搭建

系统的运行方式为：以Arduino控制器作为处理中心，继电器为控制器，光电开关和磁性开关作为感应器，气爪作为执行元件。Arduino控制器按指令通过继电器控制五位三通电磁阀，改变进出气的方向，进而控制气爪张开与闭合以及机械手的移动。Arduino控制器采集光电开关的触发信息，进而通过继电器对控制向下移动气缸的电磁阀发出信号，当气爪到达上料位时，磁性开关将被触发，Arduino控制器将感应到磁性开关的电信号变化，从而通过继电器控制电磁阀对气爪发出闭合的信号；Arduino控制器采集磁性开关的电信号，按特定顺序依次向各气缸发出电信号，以实现机械手从上料位到工作位的功能；Arduino控制器按特定顺序依次向各气缸发出电信号，令各气缸依次离开工作位，以达到全自动上下料的目的。总的来说就是光电开关和磁性开关传感器所采集到的光信号以及电信号都会被采集回来到Arduino控制器中，然后经过信号放大、脉冲输出等信号处理以及程序调控，最终对执行元件气爪给出相关的指令，使得机械手能够实现上下料的功能。

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，根据上下料的功能要求搭建了控制系统。机械气爪的张开与闭合动作采用电磁阀改变进出气的方向进而控制气缸前进方向来实现，同时机械手从上料位到工作位的移动也是采用电磁阀改变进出气的方向进而控制气缸前进方向来实现，与之配套的传动方式采用了齿轮与齿条、导轨与滑块的方式，全自动上下料的功能通过Arduino控制器+光电开关传感器来实现，并且添加磁性开关保证整个运行过程的安全性。