摘 要： 針對傳統(tǒng)的車架裝配翻轉(zhuǎn)機往往只是通過千斤頂?shù)群唵蔚逆i鏈捆綁進行作業(yè)，導致安全系數(shù)低及費時耗力的不足，設(shè)計一種新型任意角度大小可控的翻轉(zhuǎn)裝配機器人。依據(jù)所裝配車架大小各異的特點設(shè)計該裝備的可調(diào)整大小夾取機構(gòu)，并采用PLC控制模塊對紅外傳感器及無線收發(fā)模塊進行控制系統(tǒng)設(shè)計。對所設(shè)計的翻轉(zhuǎn)裝配機器人進行實驗研究，結(jié)果表明，該翻轉(zhuǎn)機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，實現(xiàn)更高效、更安全、更方便的裝配工作任務。

　　關(guān)鍵詞： 機器人; 翻轉(zhuǎn)裝配; PLC控制; 遠程控制; 控制系統(tǒng)設(shè)計; 實驗分析

　　0 引 言

　　目前常用的裝配車架翻轉(zhuǎn)機功能一般單一且固定不變，存在很大的限制，面對產(chǎn)業(yè)鏈的擴大，傳統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)機器并不能應對市場的復雜且多樣性需求。傳統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)機翻轉(zhuǎn)角度有限，且有部分翻轉(zhuǎn)機只能針對與其相匹配的車架進行翻轉(zhuǎn)，工人在作業(yè)中只能采取僵硬的操作姿勢進行加工，長此以往，傳統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)機就需要一些新型的技術(shù)加以應用升級。新型的翻轉(zhuǎn)機器人在材料、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)機器而造成的困擾都顯得游刃有余，面對各種復雜問題就要求翻轉(zhuǎn)機滿足相應的移動簡單、角度多面等優(yōu)點。此外，新動力的注入可以使技術(shù)人員在進行加工的時候省時省力，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，新型翻轉(zhuǎn)機器人足以為技術(shù)人員提供各種最為理想的加工方式[1?4]。

　　1 新型翻轉(zhuǎn)機器人總體設(shè)計

　　一般而言，機器人的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)由機械部分、控制部分和傳感部分共同組成，而該翻轉(zhuǎn)機器人的總體設(shè)計同樣以這三大部分作為骨架來支撐起翻轉(zhuǎn)機器人的各個功能的相關(guān)任務。機械部分是參考機械力學如何施加力的情況下，設(shè)計機械結(jié)構(gòu)給受力物體施加合理的機械力，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)機器人的基礎(chǔ)框架和執(zhí)行相關(guān)任務?？刂撇糠质欠D(zhuǎn)機器人的最為重要的核心，這個部分是進行翻轉(zhuǎn)機器人的信號接收和發(fā)送，來協(xié)調(diào)各個功能的運行完成作業(yè)任務，而控制系統(tǒng)設(shè)計的好與壞直接關(guān)系到翻轉(zhuǎn)機器人能否正常運行以及作業(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)機器人的運行狀態(tài)和確定翻轉(zhuǎn)機器人的位置。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，通過機械、控制和傳感這三個部分之間的相互協(xié)調(diào)，從而實現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)機器人的所有功能。本文設(shè)計的新型翻轉(zhuǎn)機器人，以PLC控制機為核心控制器，通過對PLC控制程序的逐步運行對伺服電機下達正反的轉(zhuǎn)動命令，從而使翻轉(zhuǎn)機器人實現(xiàn)相關(guān)操作動作和功能。翻轉(zhuǎn)機器人可以通過與WiFi模塊的通信，實現(xiàn)基于使用觸控面板進行人為的對翻轉(zhuǎn)機器人行為的干預與監(jiān)控[5?7]。圖1為新型翻轉(zhuǎn)機器人總體設(shè)計。

　　該翻轉(zhuǎn)機器人按照功能分為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)機器人停止運行或開始運行，WiFi模塊接收指令后與PLC控制機進行通信，PLC控制機控制伺服電機接通或斷開電源，最后由伺服電機的正反轉(zhuǎn)完成翻轉(zhuǎn)機器人的抓取、抬升、翻轉(zhuǎn)的任務。電源模塊主要是為翻轉(zhuǎn)機器人提供220 V或380 V三相交流電，可以使翻轉(zhuǎn)機器人持續(xù)工作長達24 h。

　　2 新型翻轉(zhuǎn)機器人機械部分設(shè)計

　　2.1 抬升部

　　設(shè)計使用到1部電動機、4個輪槽、2條鋼索、2條導軌槽、1根軸以及1個升降板。將電動機通過軸把2個輪槽連接到一起，使得電動機轉(zhuǎn)動的同時通過軸帶動輪槽一起運動。將2個輪槽按一定的間距安裝到機體頂部，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，將升降板嵌入導軌槽，為升降板提供一個固定運動方向的支撐。最后使用鋼索連接電動機兩邊的輪槽經(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、3個齒輪、2根軸和2個夾子。在電動機上安上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。當電動機正向轉(zhuǎn)動時，2個夾子對向繞軸轉(zhuǎn)動將夾子張開，當電動機反向翻轉(zhuǎn)時，2個夾子閉合，給物體施加壓力，最終實現(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、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行旋轉(zhuǎn)，再將電動機連接到軸上并與升降板固定，而軸的另一端將機械爪的后部與軸焊接。當電動機運行時帶動軸，軸上的機械爪便開始工作。

　　3 翻轉(zhuǎn)機器人的控制與實現(xiàn)

　　本文設(shè)計的新型翻轉(zhuǎn)機器人為了實現(xiàn)自動化的運行，翻轉(zhuǎn)機器人的控制系統(tǒng)采用了PLC在伺服電機中的應用。對于系統(tǒng)細節(jié)的有效處理，則主要涉及PLC與伺服電機兩個方面。伺服電機作為伺服系統(tǒng)的核心，其主要負責能量轉(zhuǎn)換工作，因此相對于其他電機而言，其需要具備轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單等特點。伺服電機又稱為執(zhí)行電機，在自動控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行環(huán)節(jié)，其能夠根據(jù)相應的指令控制信號等，調(diào)整和優(yōu)化機器的運行速度及方向[7?10]。

　　該翻轉(zhuǎn)機器人配有紅外傳感器可時刻定位翻轉(zhuǎn)機器人的狀態(tài)。觸控面板可以下達運行指令同時監(jiān)控翻轉(zhuǎn)機器人的運行狀態(tài)，通過WiFi模塊向PLC控制機通信，然后利用紅外傳感器協(xié)助各個伺服電機進行初始化定位。

　　在翻轉(zhuǎn)機器人的機架和機械爪上裝配有多臺紅外傳感器，當檢測到車架進入后，將信號傳給PLC控制機，控制機經(jīng)過對程序梯形圖的計算后，抬升伺服電機進行正反轉(zhuǎn)執(zhí)行下降、升起的指令;當機械爪與車架對齊時，傳感器反饋信息給PLC控制機，控制機給伸縮伺服電機通電使其正反轉(zhuǎn)執(zhí)行機械爪的前進或后退指令;當機械爪接觸到車架時，其傳感器信息反饋給PLC控制機，控制機給抓取伺服電機通電，使其正反轉(zhuǎn)執(zhí)行抓取指令;當抓取到車架，PLC控制機收到反饋信息，最后控制機對旋轉(zhuǎn)伺服電機給電，使其正反轉(zhuǎn)，讓翻轉(zhuǎn)機器人最終執(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行監(jiān)控翻轉(zhuǎn)機器人的運行，如果運行中發(fā)現(xiàn)問題，可通過WiFi模塊給PLC控制機下達停止指令，否則此前的運行指令將反復按PLC程序梯形圖運行，便可完成一個流水線生產(chǎn)的自動化工作任務。圖4為翻轉(zhuǎn)機器人控制流程圖。

　　3.1 翻轉(zhuǎn)機器人自檢

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

　　3.2 翻轉(zhuǎn)機器人運行過程

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

　　4 結(jié) 論

　　本文提出一種新型翻轉(zhuǎn)裝配機器人，總體設(shè)計上由機械部分、控制部分、傳感部分共同支撐起了翻轉(zhuǎn)機的骨架，其機械部分主要包括車架和底盤翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、升降機構(gòu)。通過PLC控制機、紅外傳感器和伺服電機間的相互協(xié)調(diào)一步一步地完成翻轉(zhuǎn)機器人的抓取任務、抬升任務和翻轉(zhuǎn)任務。該設(shè)備技術(shù)可使汽車配件平穩(wěn)上升，并實現(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行裝配、拆解以及維修等。并能根據(jù)翻轉(zhuǎn)機器人在不同的場合下使用，不斷地調(diào)整翻轉(zhuǎn)機器人的硬件結(jié)構(gòu)和軟件環(huán)境，使得翻轉(zhuǎn)機器人在任意角度可以完全受控。

　　研究結(jié)果表明，該翻轉(zhuǎn)機器人可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)翻轉(zhuǎn)機的使用，同時也可以避免鎖鏈吊轉(zhuǎn)車架和地溝作業(yè)的風險，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)，其實用性強，具有重要的理論意義和實際應用價值。

　　推薦閱讀：電力系統(tǒng)自動化期刊投稿流程