1 概述

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

2 氣動(dòng)機(jī)械手系統(tǒng)組成和工作原理

　　本文研制的氣動(dòng)機(jī)械手是一種具有3個(gè)自由度的極坐標(biāo)型機(jī)械手，極坐標(biāo)型機(jī)械手其有占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊，便于與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)一「作、重量較輕等特點(diǎn)，機(jī)械手的手臂運(yùn)動(dòng)由一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)(沿手臂力一向的伸縮)和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)(繞中心軸的順逆時(shí)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(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手由機(jī)械系統(tǒng)、位置檢測(cè)系統(tǒng)、氣動(dòng)及控制系統(tǒng)3部分組成。圖1為氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

　　機(jī)械手的俯仰和伸縮動(dòng)作采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，繞水平軸的仰俯動(dòng)作由俯仰氣缸通過連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，將氣缸的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為手臂的仰俯運(yùn)動(dòng)，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(dòng)帶動(dòng)光柵移動(dòng)。產(chǎn)生光電信號(hào)脈沖，光電信號(hào)通過底座中內(nèi)置的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行處理后反饋到PLC輸人端,PLC控制程序?qū)υ摲答佇盘?hào)進(jìn)行處理、判斷乎臂的運(yùn)動(dòng)是否到位，然后發(fā)出控制信號(hào)給電磁換向閥來控制氣缸的運(yùn)動(dòng)和停止。實(shí)現(xiàn)機(jī)械千任意定位的需要。

　　機(jī)械手的氣動(dòng)原理圖如圖2所示，氣動(dòng)系統(tǒng)由氣源、氣動(dòng)下聯(lián)件、氣動(dòng)系統(tǒng)控制閥、俯仰及伸縮氣缸等組成，整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)卞要完成俯下、仰起、仲出、縮回4個(gè)動(dòng)作，由空壓機(jī)獲得氣源，經(jīng)氣動(dòng)=聯(lián)件，得到清潔、干燥的空氣，經(jīng)過二位五通電磁閥實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。電磁閥YV1,YV2,YV3 ,YV4由PLC進(jìn)行控制。俯仰及仲縮氣缸的原位信號(hào)由光柵尺卜的原位標(biāo)記X2,X3提供。限位信號(hào)由由光柵尺卜的限位標(biāo)記X13 ,X14提供，位置信號(hào)由光柵尺產(chǎn)生的脈沖信號(hào)提供。

圖2氣動(dòng)機(jī)械手氣動(dòng)原理圖

　　氣動(dòng)機(jī)械手繞，中心軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)馭動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，選用了二相混合式步進(jìn)電機(jī)與其配套的等角度恒力矩細(xì)分型步進(jìn)電機(jī)3rx動(dòng)器作為機(jī)械手迥轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的馭動(dòng)及定位裝置，步進(jìn)電機(jī)內(nèi)置于機(jī)械手底座當(dāng)中，由于定位控制的需一要，迥轉(zhuǎn)臺(tái)迥轉(zhuǎn)至0°及180°位置時(shí)，在底座上設(shè)有原點(diǎn)開關(guān)及限位擋塊。在控制電路中，由PLC把脈沖信號(hào)CP、方向信號(hào)DIR等控制信號(hào)發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、力一向及位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的伺服定位控制。

　　氣動(dòng)機(jī)械手的手爪運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)考慮到結(jié)構(gòu)與外觀的需要選用一f機(jī)械手爪。采用永磁直流減速電機(jī)來驅(qū)動(dòng)手爪，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過絲桿螺母機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，再通過連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成手爪的開合運(yùn)動(dòng)，由PLC控制一對(duì)繼電器KA1, KA2實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制，實(shí)現(xiàn)手爪的開合抓放動(dòng)作。

3 氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1)機(jī)械手動(dòng)作過程的I.藝分析

　　氣動(dòng)機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)物品的自動(dòng)搬運(yùn)工作，機(jī)械手需要先回到原點(diǎn)位置?？筛鶕?jù)不同的工藝要求來設(shè)定機(jī)械手的動(dòng)作順序和動(dòng)作的位移，要求控制系統(tǒng)具有手動(dòng)運(yùn)行模式、回原點(diǎn)模式和自動(dòng)運(yùn)行模式、半自動(dòng)模式、手動(dòng)模式功能為:按下手動(dòng)按鈕，氣缸、步進(jìn)電機(jī)、手爪電機(jī)工作相應(yīng)手動(dòng)控制:回原點(diǎn)模式功能為：按下回原點(diǎn)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(jìn)電機(jī)迥轉(zhuǎn)到逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)極限位置，手爪閉合到完全閉合狀態(tài);全自動(dòng)模式功能為:在完成回原點(diǎn)操作后。按下全自動(dòng)按鈕叮實(shí)現(xiàn)連續(xù)的工作循環(huán)，當(dāng)按下停止按鈕后，機(jī)械手將在1個(gè)工作循環(huán)后才停止:半自動(dòng)模式功能為:按下半自動(dòng)按鈕.機(jī)械手在完成1個(gè)工作循環(huán)后自動(dòng)停止，設(shè)計(jì)機(jī)械手自動(dòng)循環(huán)工作的動(dòng)作順序?yàn)?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(jī)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(jī)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(cè)信號(hào)和執(zhí)行電器的數(shù)量及工藝要求，選用了具有24點(diǎn)輸人、16點(diǎn)輸出的松下電工 FPl -C40型PLC作為控制單元，其IIU端口與氣動(dòng)機(jī)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(jì)

　　可編程控制器的控制程序設(shè)計(jì)采用了逐步通電、同步斷電的步進(jìn)式順序控制設(shè)計(jì)方法.該設(shè)計(jì)方法互鎖嚴(yán)密，受控對(duì)象的任一步動(dòng)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(hào)，以及受控對(duì)象的動(dòng)作是否完成。若前一步的動(dòng)作未完成。則后一步的動(dòng)作無法執(zhí)行，即使轉(zhuǎn)步信號(hào)兒件失靈或出現(xiàn)"n操作。也不會(huì)導(dǎo)致動(dòng)作順序錯(cuò)亂?？刂瞥绦蛴沙跏蓟?、手動(dòng)運(yùn)行、回歸原點(diǎn)、自動(dòng)運(yùn)行及故障報(bào)警處理等程序組成。

4 結(jié)束語

　　本文研制成功的混合氣動(dòng)機(jī)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(chǎng)合使用(如圖3所示)，經(jīng)過《工業(yè)機(jī)器人》、《機(jī)械設(shè)備自動(dòng)檸制》、《氣動(dòng)技術(shù)》等課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)用，系統(tǒng)穩(wěn)定?？?、使用方便、成木低，具有叮編程、二次設(shè)計(jì)等開放式功能特點(diǎn)，對(duì)提高學(xué)生的工程素質(zhì)、創(chuàng)新能力及綜合實(shí)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(jià)值。

 

圖3氣動(dòng)機(jī)械手實(shí)物圖