0 引言

　　機(jī)械手是能模仿人手臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置，動(dòng)作靈活。可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子等部門。針對(duì)目前救援井下人員相關(guān)方法進(jìn)行研究和分析，由于機(jī)井的井口小且比較深，受難者在救援過(guò)程中容易遭到二次傷害。設(shè)計(jì)出的機(jī)械手具有動(dòng)作靈活、自動(dòng)化程度高、操作方便、救援可靠等特點(diǎn)。

1 機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　機(jī)械手是救援設(shè)備的主要執(zhí)行部件，末端手爪移動(dòng)到井下人員的手腕位置并實(shí)施救援，機(jī)械手的手臂類型選用關(guān)節(jié)型，該結(jié)構(gòu)具有仿人臂結(jié)構(gòu)，容易確定三維空間中的任意位置和姿態(tài)。手的運(yùn)動(dòng)通過(guò)手臂和手腕的運(yùn)動(dòng)組合而成。機(jī)械手設(shè)計(jì)了3個(gè)自由度，手臂1個(gè)自由度用于確定機(jī)械手運(yùn)動(dòng)范圍，手腕2個(gè)自由度用于調(diào)整末端執(zhí)行器在空問的姿態(tài)。依據(jù)設(shè)計(jì)要求。救援機(jī)械手由手臂、手肘、手腕、手爪4個(gè)部分組成。在電氣控制下4個(gè)部分相互配合。實(shí)現(xiàn)3自由度的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手外形如圖1所示。手肘由2根連接桿、2根擺動(dòng)桿、旋轉(zhuǎn)軸組成。連接桿和擺動(dòng)桿通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸相連組成連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)功能，手肘如圖2所示，手爪設(shè)計(jì)如圖3所示。

2 機(jī)械手的電氣控制原理

　　機(jī)械手的動(dòng)作全部由氣缸驅(qū)動(dòng)基于PLC的井下救援機(jī)械手的設(shè)計(jì)而氣缸又由相應(yīng)的電磁閥控制，分別由3個(gè)雙線圈兩位電磁閥控制氣缸的上升／下降、左移／右移和順轉(zhuǎn)／逆轉(zhuǎn)動(dòng)作，夾緊／放松由一個(gè)單線圈兩位電磁閥控制氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)線圈通電時(shí)，機(jī)械手夾緊；當(dāng)線圈斷電時(shí)，機(jī)械手放松。限位開關(guān)安裝在機(jī)械手的極限位置，分別進(jìn)行上升、下降、左旋、右旋、伸臂、縮臂等動(dòng)作的限位，同時(shí)發(fā)出動(dòng)作到位的輸入信號(hào)，使機(jī)械手動(dòng)作準(zhǔn)確到位，通過(guò)安裝光電開關(guān)負(fù)責(zé)檢測(cè)，以確保安全。

　　機(jī)械手的工作過(guò)程：從原點(diǎn)開始，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手下降。下降到井底時(shí)，碰到下限位開關(guān)，下降停止；同時(shí)機(jī)械手夾緊：夾緊后，機(jī)械手上升。上升到地面一定高度時(shí)，碰到上限位開關(guān)，上升停止：同時(shí)機(jī)械手右移。右移到位時(shí)，碰到右限位開關(guān)，右移停止：若地面安全，貝曠光電開關(guān)接通，機(jī)械手下降。下降到地面，碰到下限位開關(guān)，下降停止；同時(shí)機(jī)械手放松；放松后，機(jī)械手上升。上升到頂時(shí)。碰到上限位開關(guān)，上升停止：同時(shí)機(jī)械手左移。左移到位時(shí)，碰到左限位開關(guān)，左移停止，回到原點(diǎn)位置。至此，機(jī)械手經(jīng)過(guò)8個(gè)動(dòng)作完成了一個(gè)工作周期。

　　機(jī)械手的操作方式分為手動(dòng)和自動(dòng)操作方式，自動(dòng)操作方式又分為步進(jìn)、單周期和連續(xù)操作方式。根據(jù)控制要求，需安排一定的操作開關(guān)，設(shè)計(jì)的控制箱面板布置如圖4所示。

圖4操作面板布置圖

　　接通10.7為單操作方式，操作時(shí)，按加載選擇開關(guān)的位置。用啟動(dòng)／停止按鈕選擇加載操作，當(dāng)加載選擇開關(guān)打到左／右位置時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，機(jī)械手右行；若按下停止按鈕，機(jī)械手左行。該操作可使機(jī)械手停在原點(diǎn)。接通11.0為步進(jìn)方式。機(jī)械手在原點(diǎn)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，向前操作一步；每按啟動(dòng)按鈕一次操作一步。接通11.1為單周期操作方式，機(jī)械手在原點(diǎn)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，自動(dòng)操作一個(gè)周期。接通11.2為連續(xù)操作方式，機(jī)械手在原點(diǎn)時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，連續(xù)執(zhí)行自動(dòng)周期操作，當(dāng)按下停止按鈕，機(jī)械手完成此周期后自動(dòng)回到原點(diǎn)并不再動(dòng)作。

3 PLC的硬件設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)選用的是德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的S7—200 CPU224，該機(jī)械手的控制系統(tǒng)一共使用了14個(gè)輸入量，6個(gè)輸出量，輸入／輸出端子地址分配如圖5所示。

圖5輸入／輸出端子地址分配

4 PLC的軟件設(shè)計(jì)

　　為了在程序中安排機(jī)械手控制系統(tǒng)單操作、步進(jìn)操作、自動(dòng)操作等功能程序，整體程序結(jié)構(gòu)如圖6所示，自動(dòng)操作流程圖如圖7所示。

圖6整體程序結(jié)構(gòu)

圖7 自動(dòng)操作流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

　　設(shè)計(jì)采用PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)井下救援的機(jī)械手的自動(dòng)控制，設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有動(dòng)作靈活、操作方便、救援可靠，能代替人類在危險(xiǎn)環(huán)境中工作，對(duì)保障人身安全、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度都有著十分重要的意義。