一种自动抓取提升电动晾衣机送检装置的研制

王亚飞，刘宜胜*，许 参，王刘学

（1.浙江理工大学 机械与自动控制学院，杭州 310018；2.浙江理工大学 信息学院，杭州 310018；3.杭州新松机器人自动化有限公司，杭州 311228）

0 引言

近些年，移动互联网和智能手机功能日益强大，智能家居产品也随着诞生并迅速发展，功能多样的智能家居产品涌入市场[1～3]。智能家居产品以其便利性、舒适性、智能化备受消费者的喜爱，电动晾衣机更是其中的佼佼者。与传统的晾晒方式相比，电动晾衣机除了具备遥控升降的基本操作，还附带照明、消毒、烘干、语音播报等功能，并可通过手机App实现远程操控，用户操作简单，使其正逐渐成为阳台上的一件必备品[4]。智能制造是我国重点发展战略之一，智能家居生产制造的智能化、自动化是其发展的必然趋势[5]，然而目前国内中小型智能家居企业的生产制造过程中大多依靠人工操作，工人劳动强度大，生产效率低。以金华某晾衣机企业生产过程中电动晾衣机的送检操作为例，电动晾衣机的搬运、装夹仍依靠人工完成，存在劳动强度大，工人留存率低等问题。

目前，国内大中型制造企业均十分重视生产自动化程度的提高，通过机器换人来降低工人的劳动强度并有效提升生产效率。机械手在实现产品的抓取、提升等自动化操作领域中得到广泛研究和应用，如Liang，D等[6]设计一种全新欠驱动的机械手，采用平行捏和自适应包围抓取的混合式抓握模式，使用势能法分析该机械手的抓握姿势和稳定性，并提供了一种优化力分布的方法，详细分析了捏紧和包围抓紧之间的切换条件，证明该机械手具有广泛的自适应性和高度实用性；Aggogeri等[7]设计出聚合物材料的机器人手抓，该手抓可抓取多种尺寸的物体，提出的设计方法着重于LLudwick材料建模，描述了具体非线性弹性行为的可变形材料，通过对手抓的实验测试，得出理论模型和Simultion模型；任久帅等[8]设计出印刷电路板抓取机械手，抓取动力源采用气动力，夹紧气缸推动齿轮齿条运动，使手抓张开，并依靠末端执行器的4个夹紧器加紧工件，实现抓取；刘晓敏等[9]设计出气动仿人柔性灵巧手，设计出有气囊和弹性骨架组成的气动柔性关节，在动力源为气压作用下，迫使柔性关节发生弯曲变形，通过多根手指的相互配合，可以实现抓取物体，该机械手具有10个自由度，4个机动度。抓取范围65mm～180mm，有效抓取重物质量1kg；李文等[10]设计了吸盘式气动机械手，通过真空吸盘对板类材料吸持与释放。目前升降技术主要有滚柱丝杠与齿轮齿条升降、液压气压同步升降和液压气压摆动升降、曳引式升降。郭一行等[11]对升降输送机滚柱丝杠的动力学进行研究，对滚柱丝杠在工作过程中的受力情况及产生径向载荷的原因进行分析，提出了减小滚珠丝杠径向载荷的有效方法；叶福民等[12]对自升式海洋平台齿轮齿条接触应力进行了研究，建立了三维模型，计算齿轮齿条的应力，得出接触面的最大应力；尉鹏[13]设计的新型钢卷升降装置，升降的动力源为液压，用过控制升降缸的伸缩，推动钢卷升降；李艾民等[14]设计了一种新型上料机升降装置，该装置以电机为动力源，采用剪叉式升降机构，有效改善升降的速度；齐英杰等[15]对造船大起升高度门机起升机构进行研究，设计了造船门机的大起升机构，建立了计算模型。通过对多种机械手抓取和提升方案的对比分析，结合晾衣机产品送检工况的自身特点设计了具备自适应晾衣机专用抓取装置和钢丝绳卷筒提升装置的电动晾衣机自动送检装置。该设备劳动强度低、适用性强、结构简单、维护方便、稳定性高。目前该设备已投入到企业实际生产中。

1 电动晾衣机自动送检装置

该设备整机采用龙门式框架结构，主要部件有抓取装置、升降装置、导向装置等。电动晾衣机自动送检装置的三维示意图如图1所示。

图1 电动晾衣机自动送检装置总体结构图

电动晾衣机自动化检测流程设计如下：电动晾衣机传送到检测工位时，工人按下启动按钮，抓取装置在升降装置的作用下，下降到抓取位置，抓取电动晾衣机，然后提升至一定高度（约工人肩部位置）后暂停；随后工人检查电动晾衣机的外观；完成后，工人再次按下启动按钮，电动晾衣机继续上升；通过顶部光电开关判断电动晾衣机是否到来，判断到达，则步进电机停止转动；然后工人检测电动晾衣机的照明、升降、晾衣杆伸缩等功能；检测完成后，工人按下启动按钮，步进电机反转，电动晾衣机下降；当即将接触到随行托盘时，步进电机减速，并缓慢将电动晾衣机放置至随行托盘上，之后抓紧装置松开电动晾衣机，并提升到初始位置，至此完成一个工作周期。

2 抓取装置

结合电动晾衣机产品自身的结构特点（尺寸、重量大，产品规格多，整机材料为塑料，强度较低）分析。吸盘式机械手可以快速准确的抓放工件，但是电动晾衣机产品表面分布有安装孔，而且晾衣机重量较大（15kg～30 kg），存在脱落的风险，故吸盘式机械手不适用；仿人机械手，其自由度多，功能丰富，能实现对电动晾衣机的抓取操作，但是抓取电动晾衣机的动作比较简单，定位精度要求不高，然而仿人机械手结构复杂、设计制作成本高，故仿人机械手不适应。通过多种方案的对比分析，设计一款电动晾衣机专用抓取装置。该装置能够很好的满足电动晾衣机的夹取动作，同时在升降和检测过程中提供持续的抱持力。考虑到电动晾衣机机身多为塑料材质，两端安装孔位置装有不锈钢加强板如图2所示，故选取该处为机械手夹取位置。抓取装置结构示意图如图3所示。

图2 电动晾衣机侧面示意图

图3 抓取装置结构示意图

1）运动方式。抓取动作是水平方向上做往复直线运动。因此执行元件选用滚柱丝杠，动力源选用步进电机。

2）机械手的结构设计。以该公司所有电动晾衣机的形状、尺寸及重量等参数作为设计依据。反复比较测试，最终选用不锈钢板材作为基材，焊接而成。为增加抱持的稳定性，在与产品接触区域添加橡胶层。

3）夹紧方式的实现。通过控制程序驱动两个步进电机同时转动，驱动滚柱丝杠带动滑台上机械手做直线运动。抓取时，两件机械手在滚柱丝杠的作用下，插入到电动晾衣机两侧，并缓慢提升一定高度将电动晾衣机抬起；松开时，两机械手先缓慢下降一定高度在从晾衣机两侧移出。

4）调节装置。由于滚柱丝杠带动机械手运动的行程固定，为了满足多规格电动晾衣机的检测，通过改变两件滚柱丝杠之间距离，实现不同长度电动晾衣机的抓取。考虑到操作的便捷性，将滚柱丝杠安装到带锁滑块上。产品换线时，可根据新产品的长度，拧松带锁滑块，滑动至对应位置并锁紧，从而实现快速调节两滚柱丝杠之间的距离。

3 升降装置

3.1 升降方案的选择

通过对目前主流的升降机构的分析对比。气缸能够实现往复快速升降的运动，但气缸的行程不能满足要求，而且运动过程中速度不可控，大重量时会出现抖动；滚柱丝杠或齿轮齿条能够实现快速准确的升降运动，同时速度可控制、运行平稳、精度高，但电动晾衣机升降行程大，位置精度要求较低，滚柱丝杠或齿轮齿条价格成本较高；钢丝绳卷筒升降机构能很好的满足对电动晾衣机的大行程的升降，其升降过程中运行平稳、速度可调节、定位精度满足要求，而且其机构简单，便于后期维修，成本较低。故选用钢丝绳卷筒机构作为升降机构。

3.2 升降装置的实现

升降装置安置于该设备的顶部，通过钢丝绳和滑轮与下方的抓取装置连接，通过PLC程序控制步进电机的正反转，带动转轴上卷筒收放钢丝绳，实现抓取装置在竖直方向上做往复竖直运动。步进电机配有电磁抱闸制动器，当断电时，确保不会坠落。为了保证升降电机的扭矩，输出端增加行星减速机。升降装置如图4所示。

图4 升降装置结构示意图

3.3 导向装置

为了保证升降过程平稳快速。选用型号为HGR25直线导轨滑块作为导向装置，通过两组导轨滑块将抓取装置与龙门框架的立柱连接。

4 PLC控制系统

该设备选用三菱PLC（型号：FX3U-32MT/ES-A）作为控制器。整个控制系统的硬件包括电机驱动器、步进电机、光电反射位置开关、编码器及按钮和电源等辅助单元。PLC输入依据初始程序设定和外部输入做出逻辑判断，其输出3路脉冲信号提供给3个驱动器指令，实现对不同电机的控制，使用编码器采集减速机输出的的转速数据并反馈给PLC，根据控制结果改变步进电机输出控制电流。经核算，抓取装置的步进电机选用2.3N·m额定转矩的雷塞步进电机（型号：57CM22X）；升降装置步进电机选用28N·m米格步进电机（型号：FHB31322），选用传动比为4的行星减速机。在竖直方向升降行程和水平方向抓取行程的极限位置安装位置传感器，选用非接触式的金属感应传感器，若超出行程触发极限位置开关，步进电机停转并报警。该装置的控制系统框架图如图5所示。

图5 控制系统框图

该PLC控制程序在Windows平台下使用三菱电机开发的GX Works2编程工具进行程序的编写、编译、导出，该软件可以通过梯形图、指令表、SFC等编程语言进行编写，还支持程序编辑、网络设定、参数设定、在线更改等功能[16]。PLC控制程序流程图如图6所示。

图6 PLC控制程序流程图

该设备具有以下特点：

1) 该设备机构简单，安装便捷；

2) 更换产品线时，操作简单灵活，可兼容性高；

3) 抓取操作和升降操作均采用步进电机驱动，便于PLC程序的编写调试；

4) 设计了专用抓取电动晾衣机的手爪件，能快速、准确、稳定抓放电动晾衣机；

5) 选用光电位置开关等传感器模块，确保设备运行准确安全可靠。

5 现场调试

目前，该设备已经安装调试完成并交付厂家，现场安装调试如图7所示。经过培训，车间工人已能够熟练使用设备，如图8所示。实验结构表明：经过半年多的使用，该设备能够很好的完成电动晾衣机抓取、升降等送检操作，其高兼容性、便捷性、稳定性得到企业的认可。

图7 设备现场安装调试

图8 现场工人实际操作

6 结语

针对电动晾衣机企业检测工位劳动强度大、生产效率低等不足。通过车间的现场情况实地考察，对现有主流技术的分析，设计制作了一种电动晾衣机自动抓取提升送检装置。该装置设计了晾衣机专用抓取装置，其动力源为步进电机，执行元件为滚柱丝杠；升降装置选用钢丝绳卷筒升降方式。经过试生产测试：该装置机构简单，通用性高、易于维修和稳定性高。目前，该首批设备已投入车间使用，运行状态良好，很好的满足电动晾衣机企业的生产需要，很大程度的减轻操作者的劳动强度，提升了企业的生产效率。