近年来，随着自动化技术、计算机技术的高速发展，传统工业正经历着更新换代的时期。工业机械手作为科技发展的产物，目前已成为一种备受欢迎的自动化设备［1-3］。它的主要优点在于通过程序控制完成机械化运动，无需进行智能算法的设计，完美地替代人类完成重复的机械化劳动，有效地降低了生产成本，满足了现代工业化方向的智能性和场景应用适应性需求。注塑行业作为当前机械制造业发展最为迅速的行业之一，对于生产车间的智能化、快速化性能提出了更高的要求。机械手的发展无疑是企业在市场竞争中占据优势的重要保障，不仅能够加快自动化生产的进程，保障注塑制品的性能，同时能够确保注塑生产行业效率稳步增长。因此，针对注塑行业的不断发展，本工作设计了一种小型注塑机机械手控制装置，该装置可以完美地模拟人类手臂进行不间断的重复性劳动，代替人类完成取件作业以实现注塑机的自动化生产，该装置对于促进注塑行业的发展以及推动传统工业的发展具有重要的指导意义［4-5］。
1 检测系统设计
1.1 机械手装置介绍
该装置由工作台、底座、机械手组成。其中，机械手主要由升降杆、伸缩杆、伸缩步进电机、升降步进电机，以及真空吸盘装置组成。真空吸盘装置主要由气泵、电磁阀、真空发生器、消声器和真空吸盘组成［6-9］。小型机械手装置原理图如图1所示。
图1 小型机械手装置原理图
Fig.1 Schematic diagram of small manipulator
1.2 机械手控制系统设计原理以及硬件选型
机械手控制系统的工作原理：首先，单片机根据预先设置的工件位置、机械手底座位置以及生产线预设位置的距离，确定机械手伸缩和升降的距离；其次，单片机控制伸缩步进电机和升降步进电机使吸盘处于工件位置的安全距离，启动电磁阀完成对工件的吸取；最后，单片机控制伸缩步进电机、升降步进电机移动工件至生产线预设位置［10-14］。机械手控制系统设计框图见图2。
图2 机械手控制系统设计框图
Fig.2 Design block diagram of control system in manipulator
对机械手控制系统进行设计后，进行相应的硬件选型。硬件选型主要为单片机、步进电机、电磁阀、真空发生器、吸盘的选型。单片机选取STC89C52系列，它是基于8051内核设计的新一代的高速、低功耗单片机，具有精简指令集结构8051CPU，实际工作频率可达48 MHz，通过串口下载用户程序时间短，满足本系统对于步进电机和电磁阀通断电的控制。选用42BYG34-401A型插线式步进电机，该步进电机具有力距大、自感电抗小、响应性好、噪音低、输出稳定以及可长时间运载的优点。同时，采用TB6600型驱动器可控制其进行相应的运转，满足机械手控制系统的需求［15-17］。真空发生器的选型主要考虑消耗压缩空气流量、抽真空流量和真空度3个参数，考虑到实验室的工件材质为聚乳酸，因此，选取单位面积上的吸盘压力较大的真空发生器。吸盘的选型主要考虑器件的形状，结合本次工件目标为正方体，选取定位精度高、稳定性良好、可实现高抽吸力的扁平吸盘［18-19］。
1.3 工作流程以及控制原理介绍
系统启动后，首先会启动单片机，根据预先设定的位置关系，单片机通过脉冲信号控制步进电机驱动器，步进电机驱动器控制升降电机将机械臂抬高，抬到预定位置后，控制伸缩电机将机械臂移动到工件位置上方，然后控制升降电机将机械臂下移至安全位置，再利用单片机控制真空吸盘通电将工件吸取出来，完成工件的吸取；其次，单片机控制升降步进电机将机械臂抬高至安全距离，控制伸缩电机将工件传送至生产线预设位置，控制升降电机将工件下降至安全距离，再通过单片机控制电磁阀断电，释放工件，即完成了一次工件抓取。上述系统工作中，单片机通过脉冲信号控制步进电机驱动器，驱动器进而控制步进电机的旋转方向以及旋转角度；单片机控制电磁阀的通断电来实现真空吸盘对工件的抓取和释放。机械手工作流程示意见图3。
图3 机械手工作流程示意
Fig.3 Working flow diagram of manipulator
2 实验设计
首先根据工作流程编写单片机程序，然后进行程序的初期调试，完成对工件的成功提取和释放。为了对程序完整性以及系统搭建的可靠性进行验证，需要进行多组不同的实验。为了保证机械手的安全可靠性，本工作设计了3组不同质量和大小的工件进行实验，针对3组工件又分别进行了400组实验，通过大量的实验数据来保障系统的可靠性。
3 结果与讨论
从表1～表3可以看出：第一组实验的成功率为98.5%，失败率为1.5%；第二组的成功率为96.8%，失败率为3.2%；第三组的成功率为94.5%，失败率为5.5%。这说明对于质量较低的工件进行实验，成功的比例相对很高，随着工件体积和质量的增加，成功的比例相对较低，且第三组数据在前两次成功率太低的情况下进行了程序的调整，调整后，两组数据显示成功率为94.5%。因此，机械手对于不同的工件进行吸取、释放时，需要进行相应的程序调整，实际工厂环境下对于不同的工件同样需要设置固定的程序。
表1 第一组实验运行情况
Tab.1 Operating conditions of 1st set of experiments
注： 工件尺寸为6 cm×5 cm×4 cm；质量为550 g。
表2 第二组实验运行情况
Tab.2 Operating conditions of 2nd set of experiments
注： 工件尺寸为7 cm×5 cm×6 cm；质量为1.2 kg。
表3 第三组实验运行情况
Tab.3 Operating conditions of 3rd set of experiments
注： 工件尺寸为8 cm×6 cm×6 cm；质量为1.8 kg。
4 结论
a）针对不同的工件进行程序调整，机械手的成功率可达94.0%以上，满足对于机械臂工作的设计需求。
b）基于单片机的小型注塑机机械手装置，可以实现将目标工件精准提取并转移至目标位置的功能，促进了注塑行业的快速发展，对传统工业的发展具有一定的研究意义。
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