工业搬运三轴机械手的制作探究

张书林

（宁波市北仑职业高级中学，浙江 宁波 315800）

引言

在工业自动化发展阶段，工业机械手作为不可缺少的部分，市场对其需求较高。据调查发现，我国工业区约有76%左右企业希望以机械代替人工，实现生产全自动化[1]。但是，在寻找专业机械臂过程中，并未在市场上发现适宜的工业机械手。为此，设计制作了一款多数企业均可用的三轴机械手，且机械手具有结构简单、成本低廉、占地小等优势。

1 工业搬运三轴机械手的性能优势

相比于市面上的机械手，三轴机械手性能具有如下优势，见表1。

表1 机械手质量性能优势

2 工业搬运三轴机械手的结构

新型工业搬运三轴机械手包括底座和中座，中座下端为Z轴伺服电缸，其输出轴穿过中座与升降座连接，中座与升降座围绕输出轴均匀布置若干直线轴承，中座下端围绕Z轴伺服电缸均匀布置若干个立柱，若干个立柱下端固定在底座，升降座上端装设C轴支架，支架上端转动连接同步隐藏式滑轨，支架内安装设C轴伺服电机和减速机，C轴伺服电机输出轴通过减速机与同步隐藏式滑轨相连，同步隐藏式滑轨一端安装有X轴伺服电机，同步隐藏式滑轨的另一端安装有电磁吸盘。X、Z、C三个坐标轴可单独移动，也可联合移动，实现了由一点至另一点的搬运目的，且本机械手结构简单、装配与搬运方便，具体如图1、图2、下页图3所示。

3 工业搬运三轴机械手的制作

3.1 控制系统的设计

图1 工业搬运三轴机械手结构示意图

图2 工业搬运三轴机械手局部结构（一）示意图

图3 工业搬运三轴机械手局部结构（二）示意图

在本设计中，三轴机械手主要通过传感器采集信息，以控制器控制设备运行，以伺服电机与PLC连接，实现远程控制与自动化运行[2]。本设计中，通过让三轴机械手于各种环境下、同一时间周期循环工作，实现机械手的自动抓取、定位准确、移动稳定等作用。控制器作为机械手控制核心，软件制作是核心。事先编译好程序，并将其导入控制器，接入计算机内，实现对机械手整体控制（注意：编程设计应保障准确、高效）。

3.2 电机控制器的选择

在三轴机械手运行中，伺服电机控制器作为重要组成部分，通过与伺服驱动器连接，实现对某过程精确跟随/复现，灵活控制伺服驱动器输出速度、力矩、位置等[3]。伺服系统主要作用为：由输入轴控制远处输出轴，在一定距离内实现同步、精确传动。

3.2.1 伺服驱动器

新型工业搬运三轴机械手运动中，伺服驱动器作为重要组成，是实现机械手自动化的控制器，伺服电机是其主要控制对象，是整个伺服系统的基层。能够控制伺服电机精确定位机械手，控制机械手稳定运行。本工业搬运三轴机械手制作采用松下伺服驱动器，该驱动器驱动电路以智能功率模块作为核心，能够准确检测过电流、过电压、欠压、过热等故障，保护驱动电路，在主回路内，软启动电路减小了电路启动对驱动器的冲击，保障了驱动电机使用寿命。驱动器控制核心为数字信号处理器，实现了复杂控制算法，数字化、智能化水平较高，提高了机械手定位精准度与运行稳定性。

3.2.2 伺服电机

本工业搬运三轴机械手采用松下伺服电机，直流伺服电机能够精准控制速度，原理简单，成本低，使用便利；交流伺服电机速度控制特性良好，能够对整个速度区平滑控制，无震荡，效率达到90%以上，无发热，可高速控制，高精确定位。

3.3 机械手的安装

本次研究的机械手主要用于冲压机床前，以此实现物料上下料的自动化。然而，传统上下料以人工或者专机为主，由于下料劳动力大，不仅增大了成本，还易导致工伤事故；专机结构复杂，占地面积广，维修不便，影响了流水线生产自动化步伐[4]。为此，本实用三轴机械手将三轴装设于同一垂直基准，同时，伸缩轴缩回后，旋转轴方可运行，以此降低设备占地空间，且设备运行范围未缩小，减少了空间占用，提高了维修便利性，为机械手的可持续应用提供推动力。而本实用三轴机械手在制作过程中，上下轴装设在底部，旋转轴装设在伸缩轴电缸上方，伸出轴装设在旋转轴的圆盘上方。旋转轴运行时，以松下伺服驱动器驱动（220 V交流电、2.6 A、0.24 kW），为避免断电导致设备因自重掉落，驱动器应带有抱闸线圈。旋转轴应与上部丝杠电缸相连，当点击旋转，带动上部丝杠，缸体开始上下移动。伺服电机作为驱动器动力源，应将电机联轴器和上端圆盘连接，当电机运行，上端圆盘开始旋转，带动伸出轴运行。为提高圆盘运行稳定性，应在设备上装设减速机。在伸缩轴两端，装设传动齿轮，传动此轮连接传动带，后端传动齿轮和电机联轴器连接，电机运行，带动传动带，上方滑块向前移。如此，各个零部件连接完毕后，三轴机械手实现了上升下降、前进后退、旋转三个自由度限位运行。且机械手与机床并不相连，为单独个体，即使机械手出现故障，也并不影响机床运行，机械手能完全替代人工，实现自动化上下料，满足大批量生产需求。本实用机械手在制作完毕后，其总高度达850 mm，机械臂上下移动有效行程达275 mm，机械臂最长伸长量达1 100 mm，质量达200 kg。

3.4 人机交互界面

人机交互界面以PLC控制系统控制作为融合了微电子技术、自动控制技术、计算机技术等多种技术的新工业控制装置，取代了记时、知性逻辑、继电器等顺序控制，构建了柔性远程控制系统，拥有使用便利、高通用性、高可靠性、编程简单等优势。界面采用台达触摸屏（10寸），操作便利，画面清晰，具有较强信息反馈能力。界面画面制作时，根据三轴机械手不同运行方式划分为：主界面、自动运行界面、手动运行界面、设置界面、监视数据界面等。如：在手动操作界面，应做好速度参数的设置，在手动模式下，应具备机械手上升下降、伸出缩回、正转翻转点动按钮，以此保障手动操作的灵活性。自动操作界面设置时，应具备速度自定义、行程自定义等功能，拥有启动、暂停、复位、急停等功能，如此，在工序改变时，无需专业人员操作或编辑程序，只需要触碰相应按钮即可，有效缩短生产时间，减小生产成本，机械手生产效率有保障。在监视界面，应该能够对各项设备运行数据实时反馈，以此掌握各轴速度、位置等，并设置报警系统，及时发现异常数据并反馈，保障设备运行稳定性[5]。

4 结论

本实用工业搬运三轴机械手，不仅可实现上下、左右、180°旋转六个方位限位运行，还能够自由替换装夹设备，在众多工业中都可适用。伺服驱动器的精确定位与高控制精度，为机械手从事更多工作奠定了基础。人机交互界面进一步提高了操作简便性。