葉金玲 周欽河 賴(lài)乙宗

(①?gòu)V東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，廣東 廣州 510925;②華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣東 廣州 510641)

自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置，它是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型的提高操作安全性的裝置。它既可以確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性、一致性與均勻性，節(jié)約材料和能源，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，還可以用于高溫、噪音、粉塵、有毒、輻射、危險(xiǎn)等環(huán)境下的工作，從而減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力。機(jī)械手廣泛應(yīng)用于機(jī)械行業(yè)的組裝和加工工件的搬運(yùn)、裝卸，在各種機(jī)床上的使用更是普遍［1］。

目前，氣壓傳動(dòng)控制回路在自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)機(jī)械手應(yīng)用廣泛，其多執(zhí)行機(jī)構(gòu)的多自由度氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)的方法也是多種多樣，各有利弊。因此，研究更簡(jiǎn)易、穩(wěn)定的多自由度機(jī)械手全氣動(dòng)控制系統(tǒng)是很有必要的。

1 機(jī)械手任務(wù)設(shè)計(jì)分析

以四自由度工業(yè)機(jī)械手作為參考模型，按照一定的動(dòng)作順序要求進(jìn)行回路設(shè)計(jì)，如圖1 所示。它由A、B、C、D 四個(gè)氣缸組成，能實(shí)現(xiàn)手指夾持松開(kāi)、手臂伸縮、立柱升降、回轉(zhuǎn)四組動(dòng)作。根據(jù)實(shí)際的工作情況設(shè)計(jì)工作流程如下:按下按鈕—立柱缸收回下降—伸縮缸伸出—夾緊缸收回夾緊—伸縮缸收回—旋轉(zhuǎn)缸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)—立柱缸伸出上升—夾緊缸伸出松開(kāi)—旋轉(zhuǎn)缸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)—立柱缸收回下降。

設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手有以下的控制要求:①可以進(jìn)行單一循環(huán)和連續(xù)循環(huán)兩種操作方式;②當(dāng)由于某種原因使機(jī)械手中途停止時(shí)，按下復(fù)位按鈕，機(jī)械手即可返回到初始位置。

2 氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)

氣動(dòng)機(jī)械手可采用純氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)方式，用行程閥與氣動(dòng)換向閥來(lái)控制，無(wú)需電氣控制回路。這樣比較安全，還有防火、防爆、防潮能力，可用于環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)合;而且空氣具有壓縮性，可貯存能量，實(shí)現(xiàn)集中遠(yuǎn)程供氣，為純氣動(dòng)提供基礎(chǔ)。氣動(dòng)換向閥采用二位五通閥，無(wú)彈簧復(fù)位，具有記憶功能，帶手動(dòng)功能，方便調(diào)試與復(fù)位;行程信號(hào)選擇采用二位三通行程閥，為排氣方便。

氣動(dòng)順序回路常用的設(shè)計(jì)方法有邏輯法，其中的X-D 圖法也稱(chēng)信號(hào)-動(dòng)作圖法，是利用繪制信號(hào)、動(dòng)作線(xiàn)圖的方法設(shè)計(jì)氣控回路的，該方法直觀(guān)、簡(jiǎn)便，適用于較復(fù)雜的回路設(shè)計(jì)。

2.1 工作程序的確定

為簡(jiǎn)化符號(hào)，方便分析，首先做如下規(guī)定:①A1 表示A 缸活塞桿伸出狀態(tài)，A0 表示A 缸活塞桿縮回狀態(tài)。②a1、b1 表示氣缸在終點(diǎn)所設(shè)置的行程閥被伸出的活塞桿壓下所發(fā)出的行程信號(hào)，同理a0、b0 表示氣缸在起點(diǎn)所設(shè)置的行程閥被縮回的活塞桿壓下所發(fā)出的行程信號(hào)。③右上角帶*的信號(hào)是執(zhí)行信號(hào)，如a1*、a0*、b1*、b0*…;而把不帶*的信號(hào)稱(chēng)為原始信號(hào)，如a1、a0、b1 b0…。執(zhí)行這些信號(hào)必須要經(jīng)過(guò)邏輯處理后排除障礙的信號(hào)。根據(jù)以上規(guī)定，可將工作流程表示如圖2。初始狀態(tài)為:A1、B0、C1、D0。

2.2 工作程序的校正

2.2.1 障礙信號(hào)的查找

行程程序控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式，是前一個(gè)執(zhí)行元件動(dòng)作完成并發(fā)出信號(hào)后，下一個(gè)執(zhí)行元件動(dòng)作才開(kāi)始進(jìn)行，此動(dòng)作完成后又發(fā)出新的信號(hào)，直到完成預(yù)定的程序。在一個(gè)多缸多往復(fù)系統(tǒng)中至少有一個(gè)氣缸往復(fù)動(dòng)作兩次或兩次以上［1］。在回路中，換向閥兩端如果同時(shí)存在驅(qū)動(dòng)信號(hào)，若先到信號(hào)影響后到信號(hào)，使換向閥無(wú)法換向，那么先到信號(hào)便是障礙信號(hào)［2］。在X-D圖中表現(xiàn)為同組中信號(hào)線(xiàn)比動(dòng)作線(xiàn)長(zhǎng)，那么該信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)同組中的動(dòng)作，在動(dòng)作結(jié)束后仍然存在，必然會(huì)影響后面動(dòng)作改變，也就形成了障礙信號(hào)［3］。從圖3b 中可以看出，c0 信號(hào)線(xiàn)比其驅(qū)動(dòng)的B1 動(dòng)作線(xiàn)長(zhǎng)，當(dāng)a0 信號(hào)到來(lái)時(shí)c0 信號(hào)仍然存在著，換向閥無(wú)法換向(如圖3a 所示)，B0 無(wú)法動(dòng)作。同理，b0 信號(hào)線(xiàn)比D1 動(dòng)作線(xiàn)長(zhǎng)，同樣存在障礙信號(hào)。

2.2.2 障礙信號(hào)的消除

在X-D 圖中，需要檢查每組中是否存在有障礙信號(hào)(信號(hào)線(xiàn)比動(dòng)作線(xiàn)長(zhǎng))，長(zhǎng)的那部分叫障礙段，用“波浪”表示［4］。設(shè)計(jì)回路時(shí)，必須將障礙信號(hào)去掉，使其變?yōu)闊o(wú)障礙信號(hào)去控制主換向閥，這種信號(hào)叫執(zhí)行信號(hào)，如c0*(B1)=c0·a1，表示B1 動(dòng)作由c0 驅(qū)動(dòng)，最終執(zhí)行信號(hào)為.0 和a1 相“與”［5］。

消除障礙信號(hào)就是使長(zhǎng)信號(hào)變成短信號(hào)。采用邏輯“與”的方法把長(zhǎng)信號(hào)變成短信號(hào)，消除干擾段，保留執(zhí)行段。如圖4 所示，為了排除某個(gè)有障礙信號(hào)m的障礙段，需另外引入一個(gè)輔助信號(hào)x 和m 相“與”而得到無(wú)障礙信號(hào)m*，表達(dá)式為:

式中:m 為有障信號(hào);x 為制約信號(hào)，用來(lái)排除障礙的輔助信號(hào);m*為無(wú)障執(zhí)行信號(hào)。

選擇x 信號(hào)的原則:信號(hào)x 的起點(diǎn)應(yīng)選在障礙信號(hào)m 的前面，終點(diǎn)應(yīng)選在m 障礙信號(hào)的無(wú)障礙段。一般應(yīng)盡量選用系統(tǒng)中某原始信號(hào)作為制約信號(hào)。

如圖3b 所示，該系統(tǒng)只有c0 和b0 存在障礙信號(hào)段，必須消除。根據(jù)以上原則，在現(xiàn)有原始信號(hào)可以找到a1 和c0“與”可以消除c0 障礙信號(hào)段，a0 和b0“與”可以消除b0 障礙信號(hào)段，得到執(zhí)行信號(hào)c0*(B1)=c0·a1 和b0*(D1)=b0·a0，其他無(wú)障礙的信號(hào)，可直接用作執(zhí)行信號(hào)，最終得到各動(dòng)作的執(zhí)行信號(hào)，完成后如圖5 所示。

3 氣動(dòng)回路圖繪制

3.1 連續(xù)循環(huán)和單一循環(huán)的實(shí)現(xiàn)

采用一個(gè)手動(dòng)復(fù)位q1 和一個(gè)自動(dòng)復(fù)位q2，連接到“或門(mén)”型梭閥兩端，實(shí)現(xiàn)連續(xù)循環(huán)和單一循環(huán)的兩種操控方式，如圖6 所示。

3.2 連接控制信號(hào)

依次連接控制信號(hào)到換向閥兩端，重點(diǎn)解決信號(hào)“與”的連接，必須保證“與”完后有氣源，其接線(xiàn)技巧如下:如果一個(gè)信號(hào)被用到兩次以上(如a0、a1)，則要給獨(dú)立氣源;如果只用到一次(如b0、c0)，則可以從其他信號(hào)串接過(guò)來(lái);如果多個(gè)信號(hào)均用到兩次，只能給獨(dú)立氣源，又需要跟其他信號(hào)進(jìn)行“與”時(shí)，用“與門(mén)型”梭閥。

空間句法是一種分析城市空間結(jié)構(gòu)的理論方法.不同于其他城市設(shè)計(jì)理論，空間句法把空間本身作為人類(lèi)活動(dòng)的內(nèi)在屬性，通過(guò)對(duì)空間本身的量化分析，賦予其形態(tài)維度、視覺(jué)維度、社會(huì)維度及經(jīng)濟(jì)維度等方面的評(píng)估手段，最終使城市空間規(guī)劃與設(shè)計(jì)發(fā)揮應(yīng)有的作用[3].通常應(yīng)用于城市或街區(qū)空間評(píng)價(jià)、街區(qū)更新改造策略研究、交通系統(tǒng)評(píng)價(jià)及建筑空間評(píng)價(jià)等方面.

3.3 緊急復(fù)位控制

增加緊急復(fù)位控制功能，用一個(gè)二位四通手動(dòng)閥V5 切換，緊急情況時(shí)按下V5 手動(dòng)按鈕，控制氣路通過(guò)4 個(gè)“或門(mén)型”梭閥V6、V7、V8、V9 分別控制A 缸伸出、B 缸收回、C 缸伸出、D 缸收回，回到初始狀態(tài):A1、B0、C1、D0。

符合以上功能要求的回路設(shè)計(jì)如圖6 所示。

4 工作流程分析

如圖7 所示，4 個(gè)缸初始狀態(tài):A1、B0、C1、D0，工作流程如下:

(1)按下q1 啟動(dòng)按鈕不斷循環(huán)，氣路經(jīng)行程閥d0和手動(dòng)閥q1 進(jìn)入換向閥V3 右端，C 缸收回，實(shí)現(xiàn)C0。

(2)當(dāng)C 缸活塞桿上擋塊碰到行程閥c0 時(shí)，氣路經(jīng)行程閥a1 和c0 進(jìn)入換向閥V2 左端，B 缸伸出，實(shí)現(xiàn)B1。

(3)當(dāng)B 缸活塞桿上擋塊碰到行程閥b1 時(shí)，氣路經(jīng)行程閥b1 進(jìn)入換向閥V1 右端，A 缸收回，實(shí)現(xiàn)A0。

(4)當(dāng)A 缸活塞桿上擋塊碰到行程閥a0 時(shí)，氣路經(jīng)行程閥a0 進(jìn)入換向閥V2 右端，B 缸收回，實(shí)現(xiàn)B0。

(5)當(dāng)B 缸活塞桿上擋塊碰到行程閥b0 時(shí)，氣路經(jīng)行程閥b0 和a0 進(jìn)入換向閥V4 左端，D 缸伸出，實(shí)現(xiàn)D1。

(6)當(dāng)D 缸活塞桿上擋塊碰到行程閥d1 時(shí)，氣路經(jīng)行程閥d1 進(jìn)入換向閥V3 左端，C 缸伸出，實(shí)現(xiàn)C1。

(7)當(dāng)C 缸活塞桿上擋塊碰到行程閥c1 時(shí)，氣路經(jīng)行程閥c1 進(jìn)入換向閥V1 左端，A 缸伸出，實(shí)現(xiàn)A1。

(8)當(dāng)A 缸活塞桿上擋塊碰到行程閥a1 時(shí)，氣路經(jīng)行程閥a1 進(jìn)入換向閥V4 右端，D 缸收回，實(shí)現(xiàn)D0。

(9)當(dāng)D 缸活塞桿上擋塊碰到行程閥d0 時(shí)，氣路經(jīng)行程閥d0 和手動(dòng)閥q1 進(jìn)入換向閥V3 右端，C 缸收回，實(shí)現(xiàn)C0，開(kāi)始新的周期。

5 結(jié)語(yǔ)

在分析實(shí)際需要的基礎(chǔ)上研究了四自由度機(jī)械手全氣動(dòng)控制的設(shè)計(jì)任務(wù)和要求以及具體的設(shè)計(jì)問(wèn)題，采用了X-D 圖法設(shè)計(jì)整體的氣動(dòng)系統(tǒng)。此設(shè)計(jì)可以保證自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)穩(wěn)定、快速的工作要求。

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