基于PLC的气动真空吸盘式工业机械手设计
以板材加工过程中用于板材搬运的机械手为研究对象，分析了该机械手的本体结构。机械手采用气动真空吸盘作为机械手的末端执行器，有4 个自由度。详细阐述了其末端执行器关键参数的设计计算。实践证明，该机械手能完成满足生产线的要求。
0、引言
随着工业生产规模的不断扩大，生产线的自动化水平须大力提高，特别是在高温、重载、大噪声等恶劣的工作环境中，人工操作劳动强度大，易发生安全事故[1]。某公司的板材生产线上，板材经熔化后压铸成形，再进行粗切割， 切割后需把板材搬运到指定框架中。因工件重、形状大，所以人工搬运效率低，所需员工多，且易发生碰撞，影响板材的后续加工。所设计的工业机械手采用真空吸盘作为机械手的末端执行器， 利用真空吸附方式抓取工件，可自动搬运板材[2]。
1、机械手结构
1.1、结构要求
该机械手的作用是将粗切割后的板材(约10kg)从工作台上搬运到堆放架内，要求叠放有序，不能碰撞。结构上要求能实现X、Y、Z 三个方向的移动，且Z 轴能旋转，结合实际生产线情况，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为机械手要达到以下要求[3]：
(1)分升降机构、横移机构、抓放机构三个机构;
(2)升降机构设计：直线升降，采用滚珠丝杠传动，用直线光杆导向，上下升降速度最快50mm/s，升降行程范围0～1 800mm，最大承载力1 000N;
(3)横移机构设计：X、Y 两个方向横移，采用滚珠丝杠和同步带传动，移动速度最大50mm/s，移动行程范围0～3 500mm，最大承载力1 000N;
(4)抓放机构设计：采用气动方式进行工件的抓放，总最大吸附力250N。
1.2、总体结构
该工业机械手由支架、手臂和手爪组成，4 个自由度分别为：X、Y、Z 三个方向的移动和Z 轴旋转，图1 为设计的机械手总体结构图。总体设计思想为：X、Y、Z 三个方向采用伺服电机驱动，通过丝杠、同步带、轮系等机械机构进行间接传动，末端执行器为气动吸盘手爪，可通过改变吸盘位置实现不同形状工件的抓放。
图1 机械手示意图
1.3、传动过程
以把工件从位置1 搬运到位置2 为例， 机械手从原点位置开始，X 轴伺服电机运转带动装在输出轴上的同步带一起旋转， 经同步带传动带动与X 轴平行的轴旋转，从而驱动机械手工作平台在X 轴方向移动，紧接着Y 轴伺服电机运转带动机械手平台在Y 轴方向移动， 然后Z 轴伺服电机运转带动手爪下移从位置1 抓取工件;手爪上升沿X 方向后退，Y 轴伺服电机运转带动机械手平台在Y 轴方向移动到达位置2 上方，Z 轴伺服电机运转带动手爪下移放工件[4]。
1.4、机械手参数
表1 为气动吸盘式工业机械手的参数。
表1 机械手参数
2、吸附装置设计
2.1、真空吸盘原理
如图2 所示， 首先将真空吸盘通过接管与真空设备(如真空发生器等)接通，然后与待提升物如玻璃、纸张等接触，起动真空设备抽吸，使吸盘内产生负气压，从而将待提升物吸牢，即可开始搬送待提升物。当待提升物搬送到目的地时，平稳地充气进真空吸盘内，使真空吸盘内由负气压变成零气压或稍为正的气压， 真空吸盘就脱离待提升物， 从而完成了提升搬送重物的任务[5]。
图2 吸盘工作原理图
2.2、真空吸盘直径计算
被搬运物体的重量决定吸盘的大小和数量， 根据生产线作业要求，吸盘工作时为水平吊状态，吸盘直径参数的计算公式如下[6]：
式中D - 吸盘的理论直径，mm；m - 需吸工件质量，kg；t - 安全系数(水平吊t≥4，垂直吊t≥8)；p - 吸盘内的真空度，MPa；n - 吸盘数量。
生产线上需搬运工件的重约100N， 吸盘工作时为水平吊，t 取4，真空度p 取0.06MPa，如单个吸盘吸附n取1，代入式(1)中计算，得：
D≥92.16mm
因为实际可选择的直径尺寸范围在50mm 以内，考虑实际工件的形状，在满足需要的条件下，吸盘尺寸应尽可能小，所以增加吸盘数量n，取n=16，代入式(1)中计算，得：
D′≥23.04mm
结合吸盘直径标准取值表，取D=25mm。
2.3、真空吸盘提升力计算
根据吸盘提升力的计算公式：
式中W - 吸盘提升力，N；T - 安全系数(在此取T 为1)；S - 吸盘面积，cm2。
以规格为D =10mm、16mm、20mm、25mm、32mm、40mm、50mm 为例， 根据公式(2) 分别计算出它们在-400mmHg、-500mmHg 和-600mmHg 真空度下的提升力，计算结果如表2 所示。
表2 吸盘水平提升力(N)
实际使用时，[W]=WT(3)式中[W]为许用提升力，根据经验值，安全系数一般取2.5，现在取D=25mm 的吸盘进行许用提升力的检验计算，在真空度比较低的情况下(-400mmHg)，将表1中的数值26.7N 代入式(3)，计算得[W]=10.68N。机械手共16 个吸盘，总许用提升力为170.88N>100N，由此可得，在保证安全的情况下，设计计算所得数据能确保提升待搬运工件。
3、结束语
通过对工业机械手本体机构的关键零部件进行设计计算， 并将该气动吸盘式工业机械手在实际生产线上进行调试运行后[7]，证实机械手能对工件进行自动抓放动作，且在抓放过程中不发生碰撞，实践证明使用该机械手后，企业现场工作人员数量降低了50%，在降低了劳动力成本的同时提高了生产率。
参考文献
[1] 初晓旭,陈文军.浅谈气动密封的设计[J].液压气动与密封,2012,(2):11-13.
[2] 张海英,陈子珍,翟志永.基于PLC 的物料搬运机械手设计[J].机械工程师,2010,(9):83-84.
[3] 候博,阎明印,王世杰.芯片搬运机械手设计[J].机械设计与制造,2011,(10):35-36.
[4] 张海英.基于PLC 的注塑机机械手控制系统设计[J].机械工程师,2011,(11):72-73.
[5] 钟文,阎秋生,潘继生,等.圆片提升机的结构设计[J].机电工程技术,2011,40(7):60-62.
