趙 拓 趙蔓麗 施守涵 俞張勇

（無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，無(wú)錫 214121）

機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式有氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電力驅(qū)動(dòng)以及機(jī)械傳動(dòng)等。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)具有使用壽命長(zhǎng)、可靠性高等特點(diǎn)，常被用作機(jī)械手驅(qū)動(dòng)的首選，易于控制且不會(huì)造成任何環(huán)境污染。因此，各國(guó)對(duì)氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的研究越來越重視，是滿足生產(chǎn)需要的重要工具[1]。本次設(shè)計(jì)的是基于氣動(dòng)技術(shù)的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）機(jī)械手，是現(xiàn)代機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)線中適合頻繁使用的、可做到6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)控制工具，可以按照規(guī)定的程序和控制要求進(jìn)行貨物、工件的抓取、移動(dòng)、裝配等操作，并根據(jù)需要修改程序以實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。

1 氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)械部分設(shè)計(jì)

氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手通常有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制模式。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，氣動(dòng)機(jī)械手可分為柱型、球型、直角型以及關(guān)節(jié)型[2]。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手為柱型機(jī)械手，機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由底座、立柱、臂、腕及手結(jié)構(gòu)組成。機(jī)械臂升降運(yùn)動(dòng)通過機(jī)械支柱完成，機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)通過氣缸驅(qū)動(dòng)立柱旋轉(zhuǎn)完成，伸縮升降臂通過伸縮氣缸實(shí)現(xiàn)，手爪抓握操作由與齒輪齒條機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)的氣缸實(shí)現(xiàn)，每個(gè)氣缸主要由PLC機(jī)控制。

氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手手爪的常見形式包括夾持式和吸盤式兩種。該機(jī)械手部為夾持式，包括手爪和動(dòng)力傳輸機(jī)構(gòu)。動(dòng)力傳輸結(jié)構(gòu)有滑桿式、螺旋花鍵式、齒條式及彈簧桿式等。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手部動(dòng)力傳輸結(jié)構(gòu)選用齒輪齒條式[3]。因?yàn)楣ぜǔＪ菆A柱形，所以手爪的形狀設(shè)計(jì)成V形，手爪的開合主要通過齒輪和齒條的相互作用實(shí)現(xiàn)。齒條連接到活塞桿，齒輪連接到手爪?；钊麠U下移的過程中，齒條下移，左右齒輪反方向旋轉(zhuǎn)，此時(shí)機(jī)械手爪松開。相反，活塞桿上移的過程中，齒條上移，左右齒輪同方向旋轉(zhuǎn)，此時(shí)機(jī)械手爪夾緊。

圖1 氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)

手爪施加在工件上的夾持力是手部設(shè)計(jì)的基本依據(jù)，設(shè)計(jì)時(shí)需要分析和計(jì)算動(dòng)作的大小、方向和力的作用點(diǎn)。一般情況下，要克服工件重力引起的靜載荷和工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化引起的慣性力，才能使工件保持可靠的裝夾狀態(tài)[4]。設(shè)機(jī)械手爪的夾持力為N，氣缸驅(qū)動(dòng)力為F，工件自身質(zhì)量為5 kg，機(jī)械手爪的夾角范圍在20°～120°，b=120 mm，R=24 mm。機(jī)械手部受力情況見圖2。

圖2 機(jī)械手部受力情況

如圖2所示，當(dāng)活塞桿的驅(qū)動(dòng)力P一定時(shí)，夾持力N隨著α的增加而增加。但是，如果α過大，拉桿（活塞桿）的行程就會(huì)過大，手爪滑動(dòng)的尺寸和長(zhǎng)度都會(huì)增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變得臃腫。因此，一般推薦α為30°～40°。氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手手部需具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)作靈活、手爪開合角度大等特點(diǎn)，考慮到實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)α取值為38°。工件上承受的機(jī)械手夾緊力可以通過式（1）計(jì)算：

式中：K1為安全系數(shù)，取1.5；K2為工況系數(shù)，通常取1.03；g為工件的重力加速度，取9.8 kg·s-2；K3為手爪平放夾取工件的夾緊力方位系數(shù)，通常取0.5。因此，計(jì)算可得N=1.5 1.03 0.5 5 9.8≈37.9 N。

驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算公式為：

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（2），可得驅(qū)動(dòng)力P=379 N。

氣缸直徑的計(jì)算公式為：

按GB 2348—1993規(guī)范，回轉(zhuǎn)氣缸內(nèi)徑D=63 mm，活塞桿內(nèi)徑d=32 mm，升降氣缸主要支撐機(jī)械手和工件的重量約為400 N。根據(jù)GB/T 2348—1993，升降氣缸內(nèi)徑選取D=80 mm，活塞桿內(nèi)徑按設(shè)計(jì)選取d=40 mm計(jì)算。

考慮到機(jī)械手的通用性，為了水平布置工作，機(jī)械手手腕采用旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和單翼回轉(zhuǎn)氣缸。手腕固定部分與氣缸用螺釘固定，活動(dòng)部分與轉(zhuǎn)軸固定，活動(dòng)部分的密封圈將氣腔一分為二。當(dāng)壓縮空氣供應(yīng)到旋轉(zhuǎn)氣缸的兩個(gè)腔室時(shí)，驅(qū)動(dòng)板和氣缸體一起旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊[5]。

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

2.1 設(shè)計(jì)思路

機(jī)械手系統(tǒng)的功能分析是對(duì)機(jī)械手需要完成的操作進(jìn)行分析和實(shí)現(xiàn)。研究人員必須了解機(jī)械手各種功能的實(shí)現(xiàn)方式，主要是機(jī)械手的控制方法，并使用新設(shè)備開發(fā)新功能。因此，在機(jī)械手控制系統(tǒng)的構(gòu)建中，機(jī)械手是基于氣動(dòng)工作環(huán)境的控制實(shí)現(xiàn)的，控制方式通過手動(dòng)和自動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)控制分為自動(dòng)模塊和半自動(dòng)模塊。對(duì)于某些操作，需要實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的基本功能，如伸縮、旋轉(zhuǎn)、垂直抓取和放置物體。電磁閥用于控制每次操作的驅(qū)動(dòng)方向。氣動(dòng)回路用于控制驅(qū)動(dòng)方向。

2.2 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械手的上下、左右、回轉(zhuǎn)等動(dòng)作均能通過節(jié)氣門回路進(jìn)行控制。本次設(shè)計(jì)的氣動(dòng)系統(tǒng)如圖3所示。

基本工作原理如下。

（1）當(dāng)電磁閥YA3通電時(shí)，氣源經(jīng)過電磁閥14和管路壓力控制回路，再經(jīng)過單向節(jié)流閥4進(jìn)入旋轉(zhuǎn)氣缸的左側(cè)，向左推動(dòng)和擺動(dòng)機(jī)械手。

（2）當(dāng)電磁閥YA1通電時(shí)，氣源經(jīng)過管路壓力控制回路，經(jīng)過電磁閥13，再經(jīng)過單向節(jié)流閥1進(jìn)入水平圓柱體3的右側(cè)，機(jī)械手前伸。

（3）當(dāng)電磁閥YA5通電時(shí)，氣源經(jīng)過電磁閥15、工作壓力控制電路和單向節(jié)流閥7流入立式氣缸左側(cè)，推動(dòng)垂直桿使其延伸（向下）。

（4）當(dāng)電磁閥YA7通電時(shí)，氣源經(jīng)過管路壓力控制回路，再經(jīng)過電磁閥16和單向節(jié)流閥10。空氣流經(jīng)機(jī)械爪氣缸，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的抓取動(dòng)作。

（5）當(dāng)電磁閥YA6通電時(shí)，氣源經(jīng)過電磁閥15，再經(jīng)過管路壓力控制回路，空氣經(jīng)單向節(jié)流閥8流入垂直氣缸下腔，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手上升。

（6）當(dāng)電磁閥YA2通電時(shí)，氣流通過電磁閥13后經(jīng)單向節(jié)流閥2流入右腔，推動(dòng)水平氣缸的桿，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂縮回。

（7）當(dāng)電磁閥YA4通電時(shí)，氣流經(jīng)過電磁閥14后，經(jīng)單向節(jié)流閥5流入回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)右腔，推動(dòng)機(jī)械臂右移。

圖3 氣動(dòng)機(jī)械手氣壓系統(tǒng)

2.3 PLC的選型

氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)共有20個(gè)輸入點(diǎn)和9個(gè)輸出點(diǎn)。考慮到合理裕量原則，選用三菱FX2N-64MR型PLC，輸入繼電器（X）32個(gè)，輸出繼電器（Y）32個(gè)，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在手動(dòng)控制模式中，通過單獨(dú)按下按鈕來實(shí)現(xiàn)控制。手動(dòng)控制模式主要負(fù)責(zé)機(jī)械手方位校正可進(jìn)行手動(dòng)復(fù)位，使機(jī)械手回到初始位置。輸入模式選擇開關(guān)選擇終點(diǎn)SA1-1，即選擇手動(dòng)操作模式。使用X14～X23對(duì)應(yīng)的按鈕對(duì)機(jī)械手進(jìn)行手動(dòng)控制：如需控制機(jī)械手爪松開，可閉合X15開關(guān)；如需手動(dòng)復(fù)位，則用X23控制水平伸縮缸縮回，通過閉合開關(guān)X14實(shí)現(xiàn)機(jī)械手夾緊；X22閉合時(shí)，水平氣缸水平伸出；X23開關(guān)閉合時(shí)，水平氣缸水平縮回。自動(dòng)化程序由單循環(huán)、連續(xù)、逐步的程序組成。當(dāng)系統(tǒng)工作在連續(xù)模式或單周期模式時(shí)，引腳X11和X12實(shí)現(xiàn)工作方式之間的轉(zhuǎn)換。結(jié)合控制需求，可以得到氣動(dòng)機(jī)械手自動(dòng)控制的功能時(shí)序圖，并使用STL和RET逐步指令將時(shí)序功能圖轉(zhuǎn)換為梯形圖程序，如圖4所示。

圖4 手動(dòng)控制梯形圖

3 結(jié)語(yǔ)

氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手使用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，具有操作便捷、控制精度高以及適應(yīng)多種復(fù)雜工況等優(yōu)點(diǎn)，不易受環(huán)境變化而影響傳動(dòng)控制效果，同時(shí)電阻損耗和泄漏小，綠色節(jié)能。因此，本次設(shè)計(jì)的氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手以PLC作為控制系統(tǒng)核心，可以實(shí)現(xiàn)可靠、靈活、自動(dòng)控制，應(yīng)用范圍廣。