摘 要： 針對傳統(tǒng)的車架裝配翻轉(zhuǎn)機(jī)往往只是通過千斤頂?shù)群唵蔚逆i鏈捆綁進(jìn)行作業(yè)，導(dǎo)致安全系數(shù)低及費(fèi)時(shí)耗力的不足，設(shè)計(jì)一種新型任意角度大小可控的翻轉(zhuǎn)裝配機(jī)器人。依據(jù)所裝配車架大小各異的特點(diǎn)設(shè)計(jì)該裝備的可調(diào)整大小夾取機(jī)構(gòu)，并采用PLC控制模塊對紅外傳感器及無線收發(fā)模塊進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對所設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)裝配機(jī)器人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，該翻轉(zhuǎn)機(jī)器人可以完成對大小不同車架的抓取、抬升和旋轉(zhuǎn)等任意角度可控的裝配工作，實(shí)現(xiàn)更高效、更安全、更方便的裝配工作任務(wù)。

　　關(guān)鍵詞： 機(jī)器人; 翻轉(zhuǎn)裝配; PLC控制; 遠(yuǎn)程控制; 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì); 實(shí)驗(yàn)分析

　　0 引 言

　　目前常用的裝配車架翻轉(zhuǎn)機(jī)功能一般單一且固定不變，存在很大的限制，面對產(chǎn)業(yè)鏈的擴(kuò)大，傳統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)機(jī)器并不能應(yīng)對市場的復(fù)雜且多樣性需求。傳統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)機(jī)翻轉(zhuǎn)角度有限，且有部分翻轉(zhuǎn)機(jī)只能針對與其相匹配的車架進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，工人在作業(yè)中只能采取僵硬的操作姿勢進(jìn)行加工，長此以往，傳統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)機(jī)就需要一些新型的技術(shù)加以應(yīng)用升級。新型的翻轉(zhuǎn)機(jī)器人在材料、結(jié)構(gòu)、技術(shù)等方面都被優(yōu)化，在面對現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)里因翻轉(zhuǎn)機(jī)器而造成的困擾都顯得游刃有余，面對各種復(fù)雜問題就要求翻轉(zhuǎn)機(jī)滿足相應(yīng)的移動簡單、角度多面等優(yōu)點(diǎn)。此外，新動力的注入可以使技術(shù)人員在進(jìn)行加工的時(shí)候省時(shí)省力，且打破了多年以來技術(shù)人員只能采取僵硬的姿勢來疲勞操作的難點(diǎn)，新型翻轉(zhuǎn)機(jī)器人足以為技術(shù)人員提供各種最為理想的加工方式[1?4]。

　　1 新型翻轉(zhuǎn)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)

　　一般而言，機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)由機(jī)械部分、控制部分和傳感部分共同組成，而該翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)同樣以這三大部分作為骨架來支撐起翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的各個功能的相關(guān)任務(wù)。機(jī)械部分是參考機(jī)械力學(xué)如何施加力的情況下，設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)給受力物體施加合理的機(jī)械力，從而使得物體能夠完成抓取、旋轉(zhuǎn)等作業(yè)需求，并支撐起翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的基礎(chǔ)框架和執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。控制部分是翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的最為重要的核心，這個部分是進(jìn)行翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的信號接收和發(fā)送，來協(xié)調(diào)各個功能的運(yùn)行完成作業(yè)任務(wù)，而控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好與壞直接關(guān)系到翻轉(zhuǎn)機(jī)器人能否正常運(yùn)行以及作業(yè)的精度和整體的性能。傳感部分主要是通過使用多個紅外傳感器來反饋翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)和確定翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的位置。紅外傳感器是一種檢測裝置，其能夠感受被測量的信息，并能將感受到的信息按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的輸出信息，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、記錄和控制等需求，通過機(jī)械、控制和傳感這三個部分之間的相互協(xié)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的所有功能。本文設(shè)計(jì)的新型翻轉(zhuǎn)機(jī)器人，以PLC控制機(jī)為核心控制器，通過對PLC控制程序的逐步運(yùn)行對伺服電機(jī)下達(dá)正反的轉(zhuǎn)動命令，從而使翻轉(zhuǎn)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)相關(guān)操作動作和功能。翻轉(zhuǎn)機(jī)器人可以通過與WiFi模塊的通信，實(shí)現(xiàn)基于使用觸控面板進(jìn)行人為的對翻轉(zhuǎn)機(jī)器人行為的干預(yù)與監(jiān)控[5?7]。圖1為新型翻轉(zhuǎn)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)。

　　該翻轉(zhuǎn)機(jī)器人按照功能分為4個模塊：無線通信部分主要是通過WiFi模塊和觸控面板共同組成，其主要功能是通過觸控面板手動輸入指令使翻轉(zhuǎn)機(jī)器人停止運(yùn)行或開始運(yùn)行，WiFi模塊接收指令后與PLC控制機(jī)進(jìn)行通信，PLC控制機(jī)控制伺服電機(jī)接通或斷開電源，最后由伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)完成翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的抓取、抬升、翻轉(zhuǎn)的任務(wù)。電源模塊主要是為翻轉(zhuǎn)機(jī)器人提供220 V或380 V三相交流電，可以使翻轉(zhuǎn)機(jī)器人持續(xù)工作長達(dá)24 h。

　　2 新型翻轉(zhuǎn)機(jī)器人機(jī)械部分設(shè)計(jì)

　　2.1 抬升部

　　設(shè)計(jì)使用到1部電動機(jī)、4個輪槽、2條鋼索、2條導(dǎo)軌槽、1根軸以及1個升降板。將電動機(jī)通過軸把2個輪槽連接到一起，使得電動機(jī)轉(zhuǎn)動的同時(shí)通過軸帶動輪槽一起運(yùn)動。將2個輪槽按一定的間距安裝到機(jī)體頂部，為鋼索連接升降板提供中間支撐部分。在升降板頂部焊接有2個鋼索連接口用來固定鋼索，將升降板嵌入導(dǎo)軌槽，為升降板提供一個固定運(yùn)動方向的支撐。最后使用鋼索連接電動機(jī)兩邊的輪槽經(jīng)頂部輪槽連接到升降板，用物理拉升力最終來實(shí)現(xiàn)車架的抬升。結(jié)構(gòu)見圖2。

　　2.2 夾取部

　　使用到1部電動機(jī)、3個齒輪、2根軸和2個夾子。在電動機(jī)上安上1個齒輪，與2個焊有齒輪的軸相互裝配，再將軸連到2個夾子上。當(dāng)電動機(jī)正向轉(zhuǎn)動時(shí)，2個夾子對向繞軸轉(zhuǎn)動將夾子張開，當(dāng)電動機(jī)反向翻轉(zhuǎn)時(shí)，2個夾子閉合，給物體施加壓力，最終實(shí)現(xiàn)物體的爪取。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　2.3 旋轉(zhuǎn)部

　　使用到1部電動機(jī)、1根軸。首先在升降板上鉆取一個和軸相同尺寸的孔，使軸有一定的間隙可以穿過并進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，再將電動機(jī)連接到軸上并與升降板固定，而軸的另一端將機(jī)械爪的后部與軸焊接。當(dāng)電動機(jī)運(yùn)行時(shí)帶動軸，軸上的機(jī)械爪便開始工作。

　　3 翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的控制與實(shí)現(xiàn)

　　本文設(shè)計(jì)的新型翻轉(zhuǎn)機(jī)器人為了實(shí)現(xiàn)自動化的運(yùn)行，翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用了PLC在伺服電機(jī)中的應(yīng)用。對于系統(tǒng)細(xì)節(jié)的有效處理，則主要涉及PLC與伺服電機(jī)兩個方面。伺服電機(jī)作為伺服系統(tǒng)的核心，其主要負(fù)責(zé)能量轉(zhuǎn)換工作，因此相對于其他電機(jī)而言，其需要具備轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。伺服電機(jī)又稱為執(zhí)行電機(jī)，在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行環(huán)節(jié)，其能夠根據(jù)相應(yīng)的指令控制信號等，調(diào)整和優(yōu)化機(jī)器的運(yùn)行速度及方向[7?10]。

　　該翻轉(zhuǎn)機(jī)器人配有紅外傳感器可時(shí)刻定位翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的狀態(tài)。觸控面板可以下達(dá)運(yùn)行指令同時(shí)監(jiān)控翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，通過WiFi模塊向PLC控制機(jī)通信，然后利用紅外傳感器協(xié)助各個伺服電機(jī)進(jìn)行初始化定位。

　　在翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的機(jī)架和機(jī)械爪上裝配有多臺紅外傳感器，當(dāng)檢測到車架進(jìn)入后，將信號傳給PLC控制機(jī)，控制機(jī)經(jīng)過對程序梯形圖的計(jì)算后，抬升伺服電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)執(zhí)行下降、升起的指令;當(dāng)機(jī)械爪與車架對齊時(shí)，傳感器反饋信息給PLC控制機(jī)，控制機(jī)給伸縮伺服電機(jī)通電使其正反轉(zhuǎn)執(zhí)行機(jī)械爪的前進(jìn)或后退指令;當(dāng)機(jī)械爪接觸到車架時(shí)，其傳感器信息反饋給PLC控制機(jī)，控制機(jī)給抓取伺服電機(jī)通電，使其正反轉(zhuǎn)執(zhí)行抓取指令;當(dāng)抓取到車架，PLC控制機(jī)收到反饋信息，最后控制機(jī)對旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)給電，使其正反轉(zhuǎn)，讓翻轉(zhuǎn)機(jī)器人最終執(zhí)行旋轉(zhuǎn)指令。

　　而在此期間工作人員可以通過觸控面板進(jìn)行監(jiān)控翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的運(yùn)行，如果運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)問題，可通過WiFi模塊給PLC控制機(jī)下達(dá)停止指令，否則此前的運(yùn)行指令將反復(fù)按PLC程序梯形圖運(yùn)行，便可完成一個流水線生產(chǎn)的自動化工作任務(wù)。圖4為翻轉(zhuǎn)機(jī)器人控制流程圖。

　　3.1 翻轉(zhuǎn)機(jī)器人自檢

　　當(dāng)翻轉(zhuǎn)機(jī)器人接通220 V或380 V的三相交流電，翻轉(zhuǎn)機(jī)器人會啟動自檢，紅外傳感器配合PLC控制機(jī)時(shí)刻保持通信，而PLC控制機(jī)同時(shí)給抬升、抓取、伸縮和旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)通電，使其運(yùn)行。紅外傳感器會將翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的升降板位置和機(jī)械爪的狀態(tài)反饋給PLC控制機(jī)，控制機(jī)經(jīng)過運(yùn)算后將翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的初始位坐標(biāo)及機(jī)械爪輸出狀態(tài)的數(shù)據(jù)下發(fā)給伺服電機(jī)，伺服電機(jī)接收到控制機(jī)的信息后就運(yùn)行到指定坐標(biāo)完成自檢，等待車架進(jìn)入運(yùn)行程序。

　　3.2 翻轉(zhuǎn)機(jī)器人運(yùn)行過程

　　當(dāng)車架進(jìn)入工作區(qū)間，PLC控制機(jī)控制抬升伺服電機(jī)正轉(zhuǎn)，電機(jī)正轉(zhuǎn)使鋼索放松升降板靠自身重量緩慢沿著導(dǎo)軌槽下降，升降板下降到與車架平行時(shí)會碰到紅外傳感器，傳感器反饋信息給PLC，PLC把抬升電機(jī)的電斷開使升降板停止;PLC同時(shí)給伸縮電機(jī)供電，伸縮電機(jī)正轉(zhuǎn)推動機(jī)械爪向前運(yùn)行，當(dāng)車架撞到機(jī)械爪內(nèi)側(cè)的傳感器，伸縮電機(jī)停止運(yùn)行，抓取電機(jī)得電，正轉(zhuǎn)機(jī)械爪向內(nèi)收緊。本文新型設(shè)計(jì)的翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的機(jī)械爪的爪頭上安裝有壓力傳感器，當(dāng)機(jī)械爪對車架造成的壓力到達(dá)設(shè)定值時(shí)，信息被反饋給PLC，PLC便會斷開抓取電機(jī)的供電。抓取完成后抬升電機(jī)得電反轉(zhuǎn)拉緊鋼索帶著升降板上升，使車架離地;然后PLC給旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)供電，電機(jī)正轉(zhuǎn)車架每次緩慢旋轉(zhuǎn)15°直到旋轉(zhuǎn)360°停止;最后抬升電機(jī)得電，正轉(zhuǎn)緩慢把車架放回地面，抓取、伸縮和抬升電機(jī)以不同的速度同時(shí)運(yùn)行返回初始位置。

　　4 結(jié) 論

　　本文提出一種新型翻轉(zhuǎn)裝配機(jī)器人，總體設(shè)計(jì)上由機(jī)械部分、控制部分、傳感部分共同支撐起了翻轉(zhuǎn)機(jī)的骨架，其機(jī)械部分主要包括車架和底盤翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)。通過PLC控制機(jī)、紅外傳感器和伺服電機(jī)間的相互協(xié)調(diào)一步一步地完成翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的抓取任務(wù)、抬升任務(wù)和翻轉(zhuǎn)任務(wù)。該設(shè)備技術(shù)可使汽車配件平穩(wěn)上升，并實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，以滿足不同車型、不同角度的加工需求，對車架車體進(jìn)行夾緊、旋轉(zhuǎn)和升降，可以很好地協(xié)助工作人員對車架車體進(jìn)行裝配、拆解以及維修等。并能根據(jù)翻轉(zhuǎn)機(jī)器人在不同的場合下使用，不斷地調(diào)整翻轉(zhuǎn)機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)和軟件環(huán)境，使得翻轉(zhuǎn)機(jī)器人在任意角度可以完全受控。

　　研究結(jié)果表明，該翻轉(zhuǎn)機(jī)器人可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)翻轉(zhuǎn)機(jī)的使用，同時(shí)也可以避免鎖鏈吊轉(zhuǎn)車架和地溝作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，只需通過WiFi通信和觸控面板的監(jiān)控以及人為控制便可完成作業(yè)，其實(shí)用性強(qiáng)，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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