1 概述

　　隨著機械手技術(shù)的廣泛應(yīng)用，具有獨立控制器、程序叮變、動作靈活、定位精度高、適用于中小批量自動化生產(chǎn)的通用機械手得到迅速發(fā)展。本文開發(fā)研制的新刑氣動搬運機械手書采用了混合驅(qū)動技術(shù)，除了氣動機械手常見的機械和氣動部件外，混合型氣動機械手增加了步進電機、直流電機、光電傳感器等電氣部件，覆蓋了PLC控制技術(shù)、氣動技術(shù)、位置檢測技術(shù)等，是機電氣一體化的典型設(shè)備，有著廣泛的應(yīng)用前景

2 氣動機械手系統(tǒng)組成和工作原理

　　本文研制的氣動機械手是一種具有3個自由度的極坐標(biāo)型機械手，極坐標(biāo)型機械手其有占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊，便于與其他機器人協(xié)調(diào)一「作、重量較輕等特點，機械手的手臂運動由一個直線運動(沿手臂力一向的伸縮)和兩個轉(zhuǎn)動(繞中心軸的順逆時針力一向旋轉(zhuǎn)和繞水平軸的仰俯)所組成，可以完成俯仰、伸縮,轉(zhuǎn)3個自由度的運動，機械手由機械系統(tǒng)、位置檢測系統(tǒng)、氣動及控制系統(tǒng)3部分組成。圖1為氣動機械手的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1氣動機械手結(jié)構(gòu)示意圖

　　機械手的俯仰和伸縮動作采用氣動方式驅(qū)動，繞水平軸的仰俯動作由俯仰氣缸通過連桿機構(gòu)來實現(xiàn)，將氣缸的直線運動轉(zhuǎn)化為手臂的仰俯運動，俯仰及伸縮氣缸選用標(biāo)準(zhǔn)氣缸，由于抓取工件和堆放工件都有位置定位的要求，因此在氣缸上安裝有紅外光電式傳感器，氣缸桿上固定有透射式光柵，氣缸桿的移動帶動光柵移動。產(chǎn)生光電信號脈沖，光電信號通過底座中內(nèi)置的信號轉(zhuǎn)換電路進行處理后反饋到PLC輸人端,PLC控制程序?qū)υ摲答佇盘栠M行處理、判斷乎臂的運動是否到位，然后發(fā)出控制信號給電磁換向閥來控制氣缸的運動和停止。實現(xiàn)機械千任意定位的需要。

　　機械手的氣動原理圖如圖2所示，氣動系統(tǒng)由氣源、氣動下聯(lián)件、氣動系統(tǒng)控制閥、俯仰及伸縮氣缸等組成，整個氣動系統(tǒng)卞要完成俯下、仰起、仲出、縮回4個動作，由空壓機獲得氣源，經(jīng)氣動=聯(lián)件，得到清潔、干燥的空氣，經(jīng)過二位五通電磁閥實現(xiàn)運動的轉(zhuǎn)換。電磁閥YV1,YV2,YV3 ,YV4由PLC進行控制。俯仰及仲縮氣缸的原位信號由光柵尺卜的原位標(biāo)記X2,X3提供。限位信號由由光柵尺卜的限位標(biāo)記X13 ,X14提供，位置信號由光柵尺產(chǎn)生的脈沖信號提供。

圖2氣動機械手氣動原理圖

　　氣動機械手繞，中心軸的回轉(zhuǎn)運動采用步進電機馭動來實現(xiàn)，選用了二相混合式步進電機與其配套的等角度恒力矩細分型步進電機3rx動器作為機械手迥轉(zhuǎn)運動的馭動及定位裝置，步進電機內(nèi)置于機械手底座當(dāng)中，由于定位控制的需一要，迥轉(zhuǎn)臺迥轉(zhuǎn)至0°及180°位置時，在底座上設(shè)有原點開關(guān)及限位擋塊。在控制電路中，由PLC把脈沖信號CP、方向信號DIR等控制信號發(fā)送給步進電機驅(qū)動器來控制步進電機的轉(zhuǎn)動速度、力一向及位置，從而實現(xiàn)對步進電機的伺服定位控制。

　　氣動機械手的手爪運動設(shè)計考慮到結(jié)構(gòu)與外觀的需要選用一f機械手爪。采用永磁直流減速電機來驅(qū)動手爪，電機的旋轉(zhuǎn)運動通過絲桿螺母機構(gòu)轉(zhuǎn)化為直線運動，再通過連桿機構(gòu)轉(zhuǎn)換成手爪的開合運動，由PLC控制一對繼電器KA1, KA2實現(xiàn)直流電機的正反轉(zhuǎn)控制，實現(xiàn)手爪的開合抓放動作。

3 氣動機械手控制系統(tǒng)設(shè)計

　　1)機械手動作過程的I.藝分析

　　氣動機械手要實現(xiàn)物品的自動搬運工作，機械手需要先回到原點位置?？筛鶕?jù)不同的工藝要求來設(shè)定機械手的動作順序和動作的位移，要求控制系統(tǒng)具有手動運行模式、回原點模式和自動運行模式、半自動模式、手動模式功能為:按下手動按鈕，氣缸、步進電機、手爪電機工作相應(yīng)手動控制:回原點模式功能為：按下回原點按鈕，伸縮氣缸返回到縮回極限位置，俯仰氣缸返回到仰起極限位置，步進電機迥轉(zhuǎn)到逆時針轉(zhuǎn)動極限位置，手爪閉合到完全閉合狀態(tài);全自動模式功能為:在完成回原點操作后。按下全自動按鈕叮實現(xiàn)連續(xù)的工作循環(huán)，當(dāng)按下停止按鈕后，機械手將在1個工作循環(huán)后才停止:半自動模式功能為:按下半自動按鈕.機械手在完成1個工作循環(huán)后自動停止，設(shè)計機械手自動循環(huán)工作的動作順序為:俯下→正轉(zhuǎn)→開爪→伸出→合爪、縮回原位→反轉(zhuǎn)回原位→仰起回原位、停止，得到機械手的工步狀態(tài)表如表1所示。

　　2)PLC選型I/O分配

　　考慮到機械手工作的穩(wěn)定性、可靠性以及連接的方便性，根據(jù)控制系統(tǒng)需要的主令升關(guān)，檢測信號和執(zhí)行電器的數(shù)量及工藝要求，選用了具有24點輸人、16點輸出的松下電工 FPl -C40型PLC作為控制單元，其IIU端口與氣動機械手及控制操作盒連接.，PLC的I/O分配表見表2。

　　3)PLC控制程序軟件設(shè)計

　　可編程控制器的控制程序設(shè)計采用了逐步通電、同步斷電的步進式順序控制設(shè)計方法.該設(shè)計方法互鎖嚴(yán)密，受控對象的任一步動作的是否執(zhí)行，取決于控制系統(tǒng)前一步是否已有一輸出信號，以及受控對象的動作是否完成。若前一步的動作未完成。則后一步的動作無法執(zhí)行，即使轉(zhuǎn)步信號兒件失靈或出現(xiàn)"n操作。也不會導(dǎo)致動作順序錯亂?？刂瞥绦蛴沙跏蓟?、手動運行、回歸原點、自動運行及故障報警處理等程序組成。

4 結(jié)束語

　　本文研制成功的混合氣動機械手本休外形尺寸為:680*478*270m3，控制系統(tǒng)硬件內(nèi)置于底座當(dāng)中，總重量18KG于搬移到不同的場合使用(如圖3所示)，經(jīng)過《工業(yè)機器人》、《機械設(shè)備自動檸制》、《氣動技術(shù)》等課程教學(xué)實驗的實際應(yīng)用，系統(tǒng)穩(wěn)定?？俊⑹褂梅奖?、成木低，具有叮編程、二次設(shè)計等開放式功能特點，對提高學(xué)生的工程素質(zhì)、創(chuàng)新能力及綜合實踐能力有顯著效果，叮滿足培養(yǎng)綜合性和創(chuàng)新型、復(fù)合工程技術(shù)人員的要求，.具有很好的應(yīng)用推廣價值。

 

圖3氣動機械手實物圖