ISSN 1002-4956 CN11-2034/T
实验技术与管理
Experimental Technology and Management
第38卷第3期2021年3月
Vol.38 No.3 M ar. 2021
DOI: 10.16791/jki.sjg.2021.03.021一种激光打标机上下料机械手的设计与实现 付铁，王胜，李春阳，靳松
(北京理工大学机械与车辆学院，北京100081)
摘要：该文针对激光加工实践教学中的操作安全问题，研发了一种可用于激光打标机的自动上下料机械手，它 主要由升降机构、摆动机构和物料抓放机构组成，并采用PLC实现控制对该机械手的机械本体、控制系统的实现方案以及工作流程和动作规划等进行了详细分析试验结果表明，该机械手抓、放料准确可靠，可以很好地完成激光打标操作过程中的自动上下料任务，保证了激光加工实践教学过程中的操作安全，在提高激光打标效率方面具有一■定的参考意义1 关键词：自动上下料；机械手；PLC；动作规划
中图分类号：TH112 文献标识码：A 文章编号：丨002-4956(2021)03-0丨03-05
Design and realization of loading and unloading
manipulator for laser marking machine
FU Tie,WANG Sheng,LI Chunyang,JIN Song
(School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)
Abstract: In view of the problem of operation safety in the practical teaching of laser processing, an automatic loading and unloading manipulator for laser marking machine is developed, which is mainly composed of lifting mechanism, swinging mechanism and material grasping and placing mechanism, and is controlled by PLC (programmable logic controller). The mechanical body of the manipulator, implementation scheme of the control system, workflow and action planning are analyzed in detail. The experimental results show that the manipulator can grasp and place the material accurately and reliably, and can complete the automatic loading and unloading tasks in the laser marking operation process, ensure the operation safety in the laser processing practice teachin
g process, and has certain reference significance in improving the laser marking efficiency.
Key words: automatic loading and unloading; manipulator; PLC; motion planning
自美国科学家梅曼I960年成功研究世界上第一 台激光器以来，激光技术已逐步应用到机械、电子、航空航天、汽车、检测、医疗以及教学等多个领域[1_2]。尤其在激光加工领域，因其效率高、无接触、精度高、加工方法灵活和零件复杂度高等优点，广泛应用于工 业生产和日常生活当中，例如打标、切割、焊接以及 孔加工等[3_4]。同时，激光加工实训也作为大部分高校 学生实践能力和创新思维培养的重要手段之一鉴于激光器有一定的危险性[7]，保障激光加工过程当中 的安全尤为重要。以激光打标实训为例，目前大多采用人工上下料。受人为因素影响，操作不当可能会对 操作者的身体造成伤害。上下料机械手因其效率高、可靠性好、精度高以及成本低等优点，在各类自动化 生产线中的应用越来越广泛+9]。因此，本文针对激光 打标实训过程中的自动上下料问题，围绕机械手的设 计及关键技术进行研究与分析。
1方案分析与设计
光端机箱1.1机械本体设计
以我校现有激光加工实践教学中激光打标机的
收稿日期：2020-08-18
基金项目：教育部机械基础课程教学/工程训练教学指导委员会教学研究项目（JJ-GX-jy201433 )
作者简介：付铁（1975—)，男，陕西咸阳，博士，教授，工程训练中心主任，主要从事工程训练实践教学及研究工作，*************：引文格式：付铁，王胜，李春阳，等•一种激光打标机上下料机械手的设计与实现[J].实验技术与管理，2021，38(3): 103-106.
Cite this article: FU T, WANG S, LI C Y, et al. Design and realization of loading and unloading manipulator for laser marking machine[J]. Experimental Technology and Management, 2021, 38(3): 103-106. (in Chinese)
104实验技术与管理
上下料为例，其主要用料为铝制金属卡片：打标前，
操作者从原料盒中取出1张卡片，放到激光打标机
工作台上的打标位置.打标完成后，操作者再将卡片
取出。
现拟采用机械手完成卡片的自动上下料操作，操
作者只须保证原料盒中的卡片充足和从成品盒中取
出打标后的卡片即可，避免了因误操作而导致激光灼
伤皮肤的隐患，在一定程度上保证了操作者的安全。
为此，提出了一种用于激光打标上下料的机械手结构
方案，其基本丁.作流程和结构方案如图1所示。该机
械手主要由升降机构、摆动机构和物料抓放机构3 部分组成，通过机械手的升降、摆动及抓放等动作，完成物料在原料区、打标K及成品区3个工位之间的 移动。
注：1-升降电机；2-弹性联轴器；3-摆动电机；4-执行臂；5-硅胶 吸盘；6-滚珠丝扛；7-限位传感器；8-移动滑台；9-胀紧套. 图1上下料机械手基本工作流程和结构方案
(1 )升降机构。升降机构采用“滚珠丝杠+直线 导轨”方式实现，升降电机与滚珠丝杠轴通过联轴器 连接。
丁作时，升降电机轴驱动滚珠丝杠轴旋转，并 通过直线导轨的约束将旋转运动转换为滑台的直线运 动，从而带动执行臂及真空吸盘沿竖直方向移动。
(2 )摆动机构。摆动机构的支承部分与移动滑台 固连，摆动电机轴通过胀紧套与执行臂连接。工作时，摆动电机轴直接驱动执行臂旋转，使其及真空吸盘摆 动到作业任务规划的位置。
(3 )物料抓放机构。物料抓放机构主要采用气压 传动方式实现，应用过滤减压阀、电磁阀以及真空发 生器等气动元件构成气压回路，来改变真空吸盘与卡 片之间腔体的气压状态（负压或零压），从而实现吸 盘对卡片的吸牢和松开动作，其气路系统原理如图2 所示。
1.2工作流程设计
工作流程设计是机械手设计的重要内容之一，也 是编写上下料控制程序和规划机械手工作循环图的基 础。通过对激光打标机的上下料过程进行分析，详细 设计了机械手自动上下料的工作流程，如图3所示。
气源級止阀过滤减压阀
图2物料抓放机构的气路系统
图3机械手上下料工作流程
(1 )机械手复位。机械手上电后，运行复位程序
使机械手复位。复位后真空吸盘位于原料区正上方。
(2)原料区卡片抓取。升降电机运动，通过执行 臂带动吸盘下降至抓取卡片位置；电磁阀打开，真空
吸盘吸住卡片；升降电机带动吸盘上升至适当位置。
(3)打标区卡片放置。摆动电机运动，驱动执行 臂及吸盘（含卡片）顺时针旋转90°，至激光打标机
工作台上打标区的正上方；执行臂及吸盘（含卡片）
下降至放置卡片位置；电磁阀关闭，真空吸盘松开卡
片；执行臂及吸盘上升至适当位置；执行臂及吸盘逆
时针旋转45°，为激光打标操作避i t空间。
(4 )激光打标:，操作者控制激光打标机对放好的
卡片进行打标。
(5 )打标区卡片抓取。摆动电机运动，驱动执行
破门弹
臂及吸盘顺时针旋转45°，至打标区域的正上方；执客户端开发
行臂及吸盘下降至抓取卡片位置；电磁阀打开，真空
吸盘吸住卡片；执行臂及吸盘（含卡片）上升至适当
位置。
(6 )
成品区卡片放置。摆动电机运动，驱动执行
付铁，等：一种激光打标机上下料机械手的设计与实现105
臂及吸盘（含卡片）顺时针旋转90。，至成品区的正 上方；执行臂及吸盘（含卡片）下降至放置卡片位置；电磁阀关闭，真空吸盘松开卡片；执行臂及吸盘上升 至适当位置。
(7)机械手返回。摆动电机运动，驱动执行臂及 吸盘逆时针旋转180°，回到原料区正上方（机械手复 位后的位置），为下一次上下料做准备。
1.3控制系统设计
该自动上下料机械手主要采用PLC控制。依据丁_ 作流程，在上位机编制好程序，并通过PLC调试和试 运行后，将程序下载到PLC控制器。该程序还具有手 动控制功能，实现对控制系统的实时启动、停止、复 位。程序启动后，PLC控制器输出控制信号给电机驱 动器和电磁阀，控制升降电机和摆动电机提供动力输 出。当执行臂运动到指定位置时，通过控制电磁阀完 成真空吸盘对物料的抓、放动作。位置传感器采用电 感式接近开关，用于执行臂升降过程中的行程限位和零点复位，触发时会将信号反馈给PLC控制器，保证 机械手的操作安全性和准确性：该机械手的控制系统 原理如图4所示。
该机械手的硬件控制电路如图5所示，主要包括 PLC输人输出端口分配、电器驱动器接线方式以及电
源供电线路等:
图4机械手控制系统原理框图
图5机械手硬件控制电路图
(1)输人端：S l、S2、S3为程序启动、停止和 复位信号的弹簧开关，接高电位，分配给PLC的I I、12、13端口。限位传感器用于反馈机械手的位置信息，接P L C的15、16端口，并利用P L C自带的24V电压 端口供电。
(2 )输出端：P L C的01、02端口为脉冲输出端, 接两个电机驱动器PUL+端口，控制步进电机转动的 角度；PLC的03、04端口接电机驱动器DIR+端口，控制步进电机轴的转向。05端口接电磁阀信号输入 端，控制电磁阀的开、闭状态。
(3 )电机驱动器接线：PLC与步进电机驱动器采 用共阴极接线方式，即DIR+/PUL+接P L C脉冲输出端，D1R-/PUL-接电源负极。接线时为防止PLC控制 器输出电流过大，电机驱动器输人端外接2 k D电阻，步进电机的两相分别接驱动器的A+/A-与B+/B-。
2工作循环图分析
为保障实践教学过程中的安全性，同时便于学生 观察上下料及激光打标的过程，初步规划该机械手的 工作能力为4张/m in，即每15 s完成一次上下料过程 (不包括激光打标时间）。考虑到控制过程中涉及两个 步进电机的加速、匀速和减速运动以及电磁阀打开和 关闭操作，因此必须提前对各个动作进行规划，确定
各个动作所需要的时间和前后关系，以保证在规定时
间内完成机械手的工作循环。组成该机械手的升降机 0和1两种状态，0代表电磁阀关闭，气路断开，真空构、摆动机构和物料抓放机构的工作循环图规划如图 吸盘无吸附力；1代表电磁阀打开，气路接通，真空6所示。图6中，S为升降机构在运动过程中升降的高 吸盘可吸附抓取卡片。
度；0为摆动机构在旋转的过程中旋转的角度；S t有
3摆动机构电机的选型计算
为控制方便和成本考虑，该上下料机械手中升降 机构和摆动机构均采用步进电机驱动。在执行臂摆动 过程中，因涉及加减速运动，步进电机轴和摆动机构 负载（主要是执行臂、真空吸盘和胀紧套等）绕回转 轴的转动惯量所产生的惯性力矩会对吸盘抓放卡片的 可靠性、效率和精度产生重要影响，因此，选择摆动 步进电机时需要考虑运动过程中惯性力矩的影响。
借助于工程设计软件，测得摆动机构负载绕回转 轴线的转动惯量4=0.038 kg，m2。初选摆动机构步进 电机型号为57BYG250C，其电机轴转动惯量J2=lx 10-4kg.m2，连续输出扭矩为1.8N.m。
在控制摆动电机运动时，设电机轴的角速度从0 增至最大50 r/m in所用时间为0.3 s，则执行臂的角加 速度为
£= 5〇7i/9 rad/s2
因此，摆动机构的惯性力矩为
M= (J,+ J2)£ =〇-66N■m
所以，初选步进电机的安全系数为：^=1.8/0.66= 2.7，符合要求。
4试验与结果分析
图7所示为研发的用于激光打标自动上下料的机 械手实物图。使用该机械手进行了 20次自动上下料测 试，每次测试完成20张金属卡片的打标任务。测试过 程中，机械手有两次出现抓放卡片失败情况。经分析，机械手末端吸盘在抓放卡片的过程中，因气管、电缆 未固定好及气压不稳定等因素影响，致使未能成功抓 放卡片。经固定气管、电缆和调整气压后，机械手运 行正常，未再出现此类情况。
图7自动上下料机械手实物图
试验结果表明，该机械手进行自动上下料的失误 率<1%，满足激光打标教学过程中的自动上下料要求。与人工操作相比，机械手作业具有安全性高、效率高、精度高和可靠性高等优点。
5结语
上下料作为加工物流系统中重要的一环，其自动 化的实现将能显著降低生产成本、减少安全隐患和提 高生产效率。本文开发了一种用于激光打标操作的自 动上下料机械手，并将其用于激光加工实践教学中，学生无须与激光打标机做任何接触，只须通过电脑控
(下转第112页
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(上接第106页）
制打标即可从成品区拿到打标后的作品，有效地保证 了激光加工实践教学过程中的操作安全，同时加深了 学生对工业自动化生产流程的认识，有助于培养其创 新思维。此外，在提高激光打标效率方面也具有一定 的参考意义。
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