王德芬，楊賀緒

（寧夏理工學(xué)院，寧夏 石嘴山 753000）

引言

機(jī)械手是一種可以對(duì)人類的手及手臂動(dòng)作進(jìn)行模仿，從而實(shí)現(xiàn)物體搬運(yùn)的機(jī)械裝置[1]。顯然機(jī)械手包含機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制電路兩部分，機(jī)械部分只是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制部分則可以決定機(jī)械部分以何種方式對(duì)物件進(jìn)行搬運(yùn)。搬運(yùn)機(jī)械手在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，不僅大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且顯著提升了生產(chǎn)效率，是工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志[2]。近年來(lái)，隨著我國(guó)機(jī)械制造、電子控制、材料研發(fā)等領(lǐng)域的不斷成熟并逐步形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，搬運(yùn)機(jī)械手的應(yīng)用也日益廣泛，成為工業(yè)領(lǐng)域的核心裝備之一[3]。本文對(duì)一種氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)展開(kāi)研究。

1 搬運(yùn)機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式在很大程度上決定了其功能，因?yàn)椴煌臋C(jī)械結(jié)構(gòu)所能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)范圍、方式都是不同的。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，目前市場(chǎng)上主要有圓柱座標(biāo)式、關(guān)節(jié)式、直角座標(biāo)式和球座標(biāo)式等類型的機(jī)械手[4]，這些機(jī)械手由于其運(yùn)動(dòng)方式不同，因此在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上也有較大區(qū)別。根據(jù)使用需求，本文在此以圓柱座標(biāo)式氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手為例進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。按照一般機(jī)械手所具備的功能，結(jié)合圓柱座標(biāo)運(yùn)動(dòng)形式，本文設(shè)計(jì)了一款如圖1所示的搬運(yùn)機(jī)械手。

圖1 搬運(yùn)機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)

從機(jī)械結(jié)構(gòu)上看，為了實(shí)現(xiàn)物體的抓取、搬運(yùn)功能，該機(jī)械手包含了底座、手臂、手部結(jié)構(gòu)、立柱及手腕等機(jī)械部件，其中底座和立柱主要起到支撐整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的作用，使其在工作過(guò)程中始終保持穩(wěn)固的直立姿態(tài)；手臂的作用是實(shí)現(xiàn)方向和距離的控制，能夠?qū)χ苓呉欢ǚ秶鷥?nèi)的物體進(jìn)行搬運(yùn)；手部的功能是抓取物體，而手腕的功能則是可以對(duì)物體的方向進(jìn)行調(diào)整?？傊麄€(gè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)是仿照人類的手和手臂來(lái)設(shè)計(jì)的，通過(guò)PLC編程控制，能夠滿足多自由度的運(yùn)動(dòng)控制要求。當(dāng)前的機(jī)械手主要通過(guò)液壓和氣壓兩種方式來(lái)驅(qū)動(dòng)，考慮到一般工業(yè)流水線的生產(chǎn)要求，不涉及過(guò)重的物體，因此本文設(shè)計(jì)采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。

2 搬運(yùn)機(jī)械手主要機(jī)械部件的設(shè)計(jì)

2.1 手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

手部結(jié)構(gòu)是直接抓取物體的部分。對(duì)于氣動(dòng)機(jī)械手，其手部結(jié)構(gòu)主要有氣流負(fù)壓式和夾持式兩種主流形式，其中夾持式與人體手部結(jié)構(gòu)和工作原理較為類似，因此本文采用夾持式設(shè)計(jì)，在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的相互配合下對(duì)手部運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，從而達(dá)到抓取物體的目的。手部的手指由兩片V型鋼材組合而成，相互對(duì)稱、相互配合。具體而言，為了實(shí)現(xiàn)手指的靈活動(dòng)作，采用了齒輪和齒條的配合傳動(dòng)方式，通過(guò)一對(duì)齒輪的對(duì)稱運(yùn)動(dòng)，控制手指的張開(kāi)和夾緊。手部通過(guò)手腕與手臂相連，通過(guò)張合動(dòng)作即可實(shí)現(xiàn)物體的抓取。

2.2 手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

手腕實(shí)際上是位于機(jī)械手的手部和手臂之間的機(jī)械部件，手腕的設(shè)計(jì)主要是為了對(duì)手部動(dòng)作進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)更加靈活的動(dòng)作控制?？紤]到在物體搬運(yùn)作業(yè)中，物體的擺放位置是任意的，因此要通過(guò)手腕的調(diào)整使手部結(jié)構(gòu)能夠以恰當(dāng)?shù)慕嵌葘?duì)物體進(jìn)行夾持，本文通過(guò)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)達(dá)到這一目標(biāo)。采用單葉片回轉(zhuǎn)氣缸，通過(guò)螺釘來(lái)連接定片和缸體，同樣，動(dòng)片與回轉(zhuǎn)軸也由螺釘來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了使手腕結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔和緊湊，本文將動(dòng)片設(shè)置在氣腔內(nèi)部，使其恰好將氣腔劃分為兩個(gè)空間，實(shí)際上這樣的設(shè)計(jì)具有一定的通用性。

2.3 氣壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

氣壓系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)械手的原動(dòng)力，氣壓通過(guò)氣缸作用在各個(gè)機(jī)械部件上，從而驅(qū)動(dòng)各部件動(dòng)作?？紤]到在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)械手不僅要能夠大范圍地回轉(zhuǎn)和伸縮，也要具備手腕和手部的精細(xì)作業(yè)能力，而這兩種運(yùn)動(dòng)形式所要求的氣壓在量級(jí)上是有明顯區(qū)別的。為了滿足這一應(yīng)用需求，本文采用了雙氣缸設(shè)計(jì)方案，分別設(shè)置了一個(gè)大氣缸和一個(gè)小氣缸，其中大氣缸主要完成大范圍的驅(qū)動(dòng)任務(wù)，例如大回轉(zhuǎn)、重物提升和下放等等，小氣缸則主要用于手部和手腕精細(xì)動(dòng)作的控制，例如手部方向的調(diào)整，物體的夾持和放開(kāi)等等。雙氣缸的設(shè)計(jì)避免了氣壓系統(tǒng)被頻繁地進(jìn)行大范圍調(diào)整。

3 搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制

3.1 控制要求

機(jī)械手對(duì)物體的搬運(yùn)，不僅要求完成位置的移動(dòng)，還要具備物體位置的自動(dòng)檢測(cè)和跟蹤，對(duì)于流水作業(yè)，還要具有精確的計(jì)數(shù)功能，并實(shí)時(shí)顯示已完成的搬運(yùn)數(shù)量。為了適應(yīng)多種應(yīng)用場(chǎng)合，還要求系統(tǒng)能夠切換自動(dòng)和手動(dòng)兩種模式?？刂葡到y(tǒng)要求具有較高的控制精度、較高的可靠性和較高的靈敏度，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)不同的動(dòng)作組合。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)本系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其控制系統(tǒng)采用了主流的PLC控制技術(shù)，由于PLC模塊的I/O口資源是有限的，因此要做好使用規(guī)劃。本系統(tǒng)采用了17個(gè)I/O口作為輸入，包括6個(gè)控制信號(hào)、8個(gè)限制信號(hào)、1個(gè)壓力信號(hào)和2個(gè)位置信號(hào)；輸出I/O口共規(guī)劃了13個(gè)，其中指標(biāo)信號(hào)4個(gè)、計(jì)數(shù)信號(hào)1個(gè)、執(zhí)行信號(hào)8個(gè)。為了滿足上述規(guī)劃，在PLC選型時(shí)應(yīng)注意采用資源足夠的產(chǎn)品，例如比較常用的歐姆龍CPMIA系列。但值得注意的是，PLC的選型并不是越貴越好，如果資源過(guò)多反而造成浪費(fèi)，因此要根據(jù)應(yīng)用需求和控制的具體要求來(lái)恰當(dāng)?shù)剡M(jìn)行產(chǎn)品選型。

3.3 控制邏輯

機(jī)械手的所有運(yùn)動(dòng)都是通過(guò)電磁閥作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的，每一種運(yùn)動(dòng)方式都有一個(gè)相應(yīng)的電磁閥，例如上升、下降、左移、右移、左旋、右旋、夾持、松開(kāi)等等。PLC通過(guò)指令向特定的電磁閥發(fā)送控制信號(hào)，相應(yīng)的電磁閥按照指令執(zhí)行，在多個(gè)控制指令的時(shí)序協(xié)調(diào)控制下，即可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手靈活多樣的運(yùn)動(dòng)控制。機(jī)械手的控制分為手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式，其中自動(dòng)模式主要用在自動(dòng)化流水線中，以固定的動(dòng)作組合進(jìn)行重復(fù)執(zhí)行，即可源源不斷地完成物體的搬運(yùn)。搬運(yùn)模式則用于應(yīng)對(duì)一些臨時(shí)的搬運(yùn)工作，可以通過(guò)手動(dòng)輸入不同的指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的任意動(dòng)作操控。

4 結(jié)語(yǔ)

由于機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)形式、控制邏輯、應(yīng)用場(chǎng)合都可能完全不同，這就對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和控制設(shè)計(jì)提出了更高的要求。隨著我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展，各種流水作業(yè)更加復(fù)雜，只有根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)出最適合的結(jié)構(gòu)形式和控制系統(tǒng)，才能滿足日益多元化的工業(yè)自動(dòng)化需求。本文設(shè)計(jì)的圓柱座標(biāo)式氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手動(dòng)作靈活、反應(yīng)敏捷、工作穩(wěn)定、可靠性高，可以滿足多種工業(yè)控制要求，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。