机械手在高铁隔音板材自动搬运系统中的应用

传统的板料搬运主要是依靠人工来进行，随着生产规模的不断扩大，传统的方式已经不能满足生产的需要。文中所介绍的搬运系统，操作简单、结构可靠，提高了搬运的速度，降低了生产成本。整个搬运系统对提高产品质量和扩大生产规模起到了积极的作用。

1 搬运对象的介绍

搬运对象包括隔音板材和放板材的垫架，如图1所示。隔音板材主要是由水泥和其他混合物组成，最大质量为50 kg;垫架是由不锈钢方管焊接而成，最大质量为15 kg。若干张隔音板材放在垫架上一起被运输，当进入最后一道工序时，需要将板材和垫架分开，分别放到指定工位上。两者的尺寸规格如表1所示。

图1 搬运对象

表1 搬运对象的尺寸规格 mm

2 搬运系统构造及其工作过程

2.1 搬运系统

整个搬运系统如图2所示。

图2 搬运系统

整个系统以行车作为载体，依靠行车搬运，当系统检测到即将抓取的对象是板材时，真空吸盘参与工作，当吸盘抓取板材后，依靠行车横向移动到放置地点，释放板材;当系统检测到即将抓取的对象是垫架时，机械夹手参与工作，当机械夹手抓取垫架后，依靠行车纵向移动到放置地点，释放垫架。

2.2 搬运机械手

搬运机械手如图3所示。

图3 机械手总装图

搬运机械手主要由6个真空吸盘和4个机械夹手组成。其中真空吸盘和机械夹手都可以进行横、纵两个方向上距离的调整，这样可以适应不同尺寸的板材和垫架。

2.3 重要机构

机械夹手和对象识别传感器如图4所示。

图4 机械夹手和对象识别传感器

（1）电动推杆和直线电机类似，输出的是直线运动，有很强的负载和抗干扰能力，机械夹手主要是由电动推杆通过齿轮齿条来实现夹取动作，当机械夹手抓取垫架时，其所承受的垫架的重力方向竖直向下，而使夹手张开的力近似水平，由此可见，两个力的方向呈90°，近似一个死点，所以机械夹手在抓取垫架时，能实现自锁。

（2）对象识别传感器是由3个行程开关组成，如图中所示：当A、B、C 3个行程开关都有信号时，表明抓取对象是板材;当A、B有信号、C没有信号时，表示抓取对象是垫架。

3 真空泵和吸盘的选择和计算

3.1 真空源的选择

和气压传动系统一样，一个典型的真空吸附系统由真空源、控制阀、真空吸盘及其他辅件组成，真空源可以分为真空泵和真空发生器［1］。

计算吸盘所必须提供的最大吸力F［3］：

（1）对于易燃、易爆、多尘埃的恶劣天气环境，优先选择真空发生器。

（2）如果有压缩空气源，优先选择真空发生器，这样可以不增加新的动力源，结构简单。

（3）对于真空连续工作的场合，优先选用真空泵;对于真空间歇工作的场合，可选择真空发生器。

根据以上选取原则，结合实际情况，该系统选择真空泵作为真空源。

3.2 真空泵的选择

选用真空泵时，需要注意下列事项：

（1）真空泵的工作压强应该满足真空设备的极限真空及工作压强要求。如：真空镀膜要求1.33×10－3Pa（10－5mmHg）的真空度，选用的真空泵的真空度至少要6.66×10－4Pa（5×10－6mmHg）。通常选择泵的真空度要高于真空设备真空度半个到一个数量级。

（2）正确地选择真空泵的工作点。每种泵都有一定的工作压强范围，如：扩散泵为1.33×10－1～1.33 ×10－5Pa（10－3～10－7mmHg），在这样宽压强范围内，泵的抽速随压强而变化，其稳定的工作压强范围为6.66×10－2～6.66×10－4Pa（5×10－4×10－6mm-Hg）。因而，泵的工作点应该选在这个范围之内，而不能让它在1.33×10－6Pa（10－8mmHg）下长期工作。

3.3 吸盘的选择

对于一个确定的真空吸附系统，如果真空源和真空泵两者都能满足要求，可以从以下3个方面进行考虑作出选择：

普通吸盘主要用于吸附表面光滑平整的工件［2］，作者最终选择丁腈橡胶材料的普通碗状吸盘。与吸盘相连接的地方采用球铰连接。

式中：F为最大吸力，N;

m为板材最大质量，kg;

g为重力加速度，m/s2;

a为提升系统的加速度，m/s2;

μ为摩擦因数，0.2～0.5;

s为安全因数，1.5～2。

式中：F0为单个吸盘能提供最大吸力，N;

p为吸盘的真空度，Pa;

d为吸盘直径，m。

故选用PFYN80型吸盘在真空度为60 kPa时，单个吸盘所能提供的最大吸力为350 N。根据结构布局，选用6个吸盘，总吸力为2 100 N。

4 搬运系统的自动化控制

为了提高整个搬运系统的稳定性，采用西门子S7-200的PLC进行控制。控制过程如下：（1）按下启动按钮，系统复位，初始化各项参数;（2）搬运机械手快速下降，当光电开关检测到机械手下降至50 mm时，开始慢速下降，等待对象识别传感器返回信号;（3）对象识别传感器对待抓取对象进行识别;（4）如果抓取对象是板材，那么启动吸盘 （两位三通电磁阀一端接真空泵，一端接吸盘，另一端接大气）;待欠压指示灯熄灭后 （即气压达到60 kPa），开始吸住板材上升;触碰到上升限位开关以后，停止上升，通过行车，开始横向移动，触碰到横向限位开关以后停止横向移动，然后开始下降，当达到指定位置时，释放板材; （5）如果抓取对象是垫架，那么启动机械夹手抓取垫架 （同时控制电磁阀，使真空泵不至于长期处于抽真空状态，有助于延长真空泵寿命）;抓住垫架开始上升;触碰到上升限位开关以后，停止上升，通过行车，开始纵向移动，触碰到纵向限位开关以后停止纵向移动，然后开始下降，当达到指定位置时，释放垫架; （6）复位，进入下一个循环。

5 结论

该系统操作简单、结构可靠，将真空吸附技术和传统的机械手相结合，成功地实现两种不同对象的搬运，扩展了机械手的应用范围。此系统的成功研制降低了隔音板材的生产成本，同时也提高了生产效率，为材料的全自动生产提供了保障。