葉青青

（天門(mén)職業(yè)學(xué)院，湖北天門(mén)，431700）

1 設(shè)計(jì)需求

機(jī)械手是一種能夠自動(dòng)抓取和搬運(yùn)的機(jī)械裝置，可根據(jù)具體工藝要求完成各類復(fù)雜動(dòng)作。機(jī)械手可基本代替人工操作，不僅能夠減少人工成本，還可提升工業(yè)生產(chǎn)效率，從而加快制造業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程。隨著現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械手在制造業(yè)中的作用日漸顯著，已成為制造業(yè)的重要構(gòu)成[1]。但在具體應(yīng)用中，普通機(jī)械手缺少自動(dòng)調(diào)節(jié)與傳感器反饋能力，難以檢測(cè)外部環(huán)境或工作位置的改變情況，易使機(jī)械手出現(xiàn)損壞情況[2]。此外，在工業(yè)生產(chǎn)中通常使用氣動(dòng)機(jī)械手，因氣壓傳動(dòng)輸出功率較小，導(dǎo)致氣動(dòng)機(jī)械手僅能在輸出負(fù)載小的工作中使用。鑒于這些問(wèn)題，擬設(shè)計(jì)一種基于PLC控制的機(jī)械手液壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)既可抓取、搬運(yùn)并放下物體，且輸出功率大，能夠代替人工勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化的目標(biāo)。通過(guò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真分析以及測(cè)試可知，該系統(tǒng)能夠基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)以及運(yùn)行穩(wěn)定等要求，具有顯著的應(yīng)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)可控制機(jī)械手進(jìn)行上升、前伸、抓取、回轉(zhuǎn)、下降、松開(kāi)、復(fù)位等操作，系統(tǒng)整體包括液壓控制系統(tǒng)、電氣控制回路、軟件、各類傳感器等，本設(shè)計(jì)采用多個(gè)軟件與傳感器對(duì)機(jī)械手在運(yùn)行中的位置進(jìn)行監(jiān)控，具體如圖1所示。

圖1 機(jī)械A(chǔ)手液壓系統(tǒng)架構(gòu)

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)機(jī)械手采用液壓驅(qū)動(dòng)，通過(guò)液壓缸完成機(jī)械手臂的收縮、抓取、升降等操作，具體工作形式如圖2所示。根據(jù)工作要求，機(jī)械部分由手臂的升降、伸縮、回轉(zhuǎn)等模塊組成，各模塊均由液壓缸來(lái)驅(qū)動(dòng)控制。機(jī)械手的動(dòng)作循環(huán)過(guò)程為：上升→前伸→抓取→回轉(zhuǎn)→下降→松開(kāi)→復(fù)位→停止。在機(jī)械手液壓系統(tǒng)中，液壓缸的組成包括：回轉(zhuǎn)—單葉片擺動(dòng)缸；升降—單缸液壓缸[3]；伸縮—單缸活塞液壓缸；抓取—無(wú)桿活塞缸。液壓系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)過(guò)程會(huì)涉及諸多液壓元件，例如單向閥、控制閥、傳感器、開(kāi)關(guān)等。

圖2 機(jī)械手液壓控制系統(tǒng)

■3.1 控制核心選擇與輸入/輸出分配

機(jī)械手液壓系統(tǒng)控制核心為PLC，本設(shè)計(jì)選擇S7-300，并結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)際情況對(duì)輸入/輸出接口進(jìn)行分配，具體如表1所示。

表1 輸入/輸出接口分配

■3.2 外部接線

根據(jù)S7-300的輸入/輸出接口分配情況及現(xiàn)實(shí)工作實(shí)際，設(shè)計(jì)出具體的S7-300外部接線圖，如圖3所示。

圖3 S7—300外部接線圖

■3.3 運(yùn)動(dòng)順序

（2）前伸。機(jī)械手的前伸由三位四通電磁閥控制，當(dāng)3YA得電后，三位四通電磁閥右位工作，液壓缸右移動(dòng)，使機(jī)械手做前伸動(dòng)作。油路連接包括進(jìn)油路與回油路，進(jìn)油路流程表示為：液壓源→單向閥→右位電磁閥→液壓缸左腔→液壓缸右移；回油路流程表示為：液壓缸右腔→調(diào)速閥→右位電磁閥→油箱[5]。當(dāng)1YA得電后，二位四通電磁閥右位工作，完成機(jī)械手的松開(kāi)動(dòng)作，油路連接包括進(jìn)油路與回油路：進(jìn)油路流程表示為：液壓源→單向閥→右位電磁閥→液壓缸左腔→液壓缸下移；回油路流程表示為：液壓缸下腔→右位電磁閥→油箱。

表2 機(jī)械手動(dòng)作順序

■3.4 工作流程

（5）松開(kāi)后復(fù)位。當(dāng)1YA失電后，活塞向下移動(dòng)，使機(jī)械手做松開(kāi)動(dòng)作。此時(shí)，當(dāng)6YA得電后，三位四通電磁閥右位工作，機(jī)械手開(kāi)始回轉(zhuǎn)[6]。機(jī)械手復(fù)位動(dòng)作由三位四通電磁閥控制，當(dāng)2YA得電后，三位四通電磁閥左位工作，液壓缸向左移動(dòng)，從而讓機(jī)械手縮回。油路連接包括進(jìn)油路與回油路，進(jìn)油路流程表示為：液壓源→左位電磁閥→調(diào)速閥→液壓缸右腔→液壓缸左移；回油路流程表示為：液壓缸左腔→左位電磁閥→油箱。此時(shí)，當(dāng)6YA得電后，機(jī)械手依然處于回轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)6YA失電后，三位四通電磁閥左位工作，馬達(dá)順時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而完成反轉(zhuǎn)動(dòng)作。

為了確保機(jī)械手能夠按照設(shè)計(jì)動(dòng)作進(jìn)行操作，控制液壓缸的電磁閥應(yīng)根據(jù)特定順序依次完成動(dòng)作，分析機(jī)械手的動(dòng)作過(guò)程可得到其動(dòng)作順序，具體如表2所示。

保護(hù)區(qū)建設(shè)要從流域的整體性和系統(tǒng)性出發(fā)，充分論證生境和物種保護(hù)必要性。目前，已在長(zhǎng)江流域分批建設(shè)了眾多的水產(chǎn)種質(zhì)資源保護(hù)區(qū)和濕地保護(hù)區(qū)，一些保護(hù)區(qū)的保護(hù)目標(biāo)和對(duì)象針對(duì)性不強(qiáng)，或涉及范圍過(guò)大，效果不明顯。一旦列為保護(hù)區(qū)范圍，任何涉水的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)都將受到嚴(yán)格限制。因此，需開(kāi)展現(xiàn)有保護(hù)區(qū)的保護(hù)需求與效果的科學(xué)評(píng)估，以促進(jìn)重要保護(hù)區(qū)的保護(hù)管理，確保其發(fā)揮作用，并有必要調(diào)整、清退一些作用不大的保護(hù)區(qū)。

根據(jù)機(jī)械手動(dòng)作順序進(jìn)行電氣回路設(shè)計(jì)，具體如圖4所示。在機(jī)械手液壓系統(tǒng)中，電氣控制主要通過(guò)開(kāi)關(guān)、繼電器、電磁鐵、傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)。（1）上升：按下T1，K1得電且常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，處于初始位置的S1被按下，5YA得電，使機(jī)械手進(jìn)行上升；（2）前伸：當(dāng)機(jī)械手上升到一定高度時(shí)會(huì)觸碰S4，1YA與3YA得電，此時(shí)K2也會(huì)得電且常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，導(dǎo)致5YA失電，由此完成機(jī)械手的前伸與松開(kāi)動(dòng)作；（3）抓取后回轉(zhuǎn)：當(dāng)機(jī)械手前伸到一定位置時(shí)會(huì)觸碰S2，K3、K4得電且常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，使1YA與3YA失電，從而讓機(jī)械手抓緊工件[7]。當(dāng)K4常開(kāi)觸點(diǎn)閉合、B2感應(yīng)到機(jī)械手抓緊工件時(shí)，K5得電且常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，6YA與K6得電，由此讓機(jī)械手進(jìn)行回轉(zhuǎn)；（4）下降。當(dāng)K6常開(kāi)觸點(diǎn)閉合后，4YA得電，機(jī)械手做下降動(dòng)作；（5）松開(kāi)后復(fù)位：當(dāng)機(jī)械手降至一定位置后會(huì)觸碰S3，此時(shí)K7得電且常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，分別使4YA與K3失電，使1YA二次得電，機(jī)械手做松開(kāi)動(dòng)作。當(dāng)K7常開(kāi)觸點(diǎn)閉合、B1感應(yīng)到機(jī)械手松開(kāi)工件時(shí)，K8得電且常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，2YA與K9得電，K9常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，使1YA失電，由此完成機(jī)械手復(fù)位動(dòng)作。

當(dāng)工件被輸送帶傳送過(guò)來(lái)后，限位開(kāi)關(guān)閉合控制工件到位，機(jī)械手從原點(diǎn)開(kāi)始下降，當(dāng)降至最低時(shí)會(huì)觸碰下限位開(kāi)關(guān)，下降停止并接通夾緊電磁閥夾緊工作[8]。上升電磁閥通電后機(jī)械手開(kāi)始上升，至一定高度后會(huì)觸碰上限位開(kāi)關(guān)，此時(shí)上升停止并向右移動(dòng)，當(dāng)觸碰右限位開(kāi)關(guān)后下降，觸碰下限位開(kāi)關(guān)，此時(shí)下降電磁閥與夾緊電磁閥斷電，機(jī)械手松開(kāi)工件后開(kāi)始上升，當(dāng)觸碰到上限位開(kāi)關(guān)后左移，當(dāng)移動(dòng)至原點(diǎn)后觸碰左限位開(kāi)關(guān)，左移電磁閥斷電后復(fù)位。至此，機(jī)械手搬運(yùn)工件的過(guò)程便結(jié)束。機(jī)械手完成這些動(dòng)作是通過(guò)液壓系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，先采用S7-300控制電磁閥，并用電磁閥所控的液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

（1）上升。機(jī)械手上升動(dòng)作由三位四通電磁閥控制，當(dāng)5YA得電之后，三位四通電磁閥右位工作，液壓缸開(kāi)始上升，從而讓機(jī)械手上升[4]。油路連接包括進(jìn)油路與回油路，進(jìn)油路流程表示為：液壓源→單向閥→右位電磁閥→調(diào)速閥→液壓缸下腔；回油路流程表示為：液壓缸上腔→調(diào)速閥→右位電磁閥→油箱。因液壓缸上升速度受調(diào)速閥所控，所以其運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)。

4 電氣回路設(shè)計(jì)

（4）下降。機(jī)械手下降動(dòng)作由三位四通電磁閥控制，4YA得電之后，三位四通電磁閥左位工作，6YA同時(shí)得電，液壓缸向下移動(dòng)，從而讓機(jī)械手下降。油路連接包括進(jìn)油路與回油路，進(jìn)油路流程表示為：液壓源→單向閥→左位電磁閥→液壓缸上腔→下降；回油路流程表示為：液壓缸下腔→順序閥→左位電磁閥→油箱。

（3）抓取后回轉(zhuǎn)。當(dāng)1YA失電后，活塞向上移動(dòng)，使機(jī)械手做抓取動(dòng)作。機(jī)械手回轉(zhuǎn)動(dòng)作由三位四通電磁閥控制，6YA得電之后，三位四通電磁閥右位工作，馬達(dá)逆時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)，從而讓機(jī)械手回轉(zhuǎn)。油路連接包括進(jìn)油路與回油路，進(jìn)油路流程表示為：液壓源→單向閥→右位電磁閥→馬達(dá)左腔→回轉(zhuǎn)；回油路流程表示為：右位馬達(dá)→右位電磁閥→油箱。

病房里傳來(lái)樓蘭的聲音，是西雙來(lái)了么？聲音跳躍著，仿佛有了閃爍和微笑的表情。老人和西雙走進(jìn)去，老人說(shuō)西雙借給我們?nèi)f(wàn)塊錢(qián)。樓蘭就愣住了。她看著西雙，兩滴眼淚突然涌出，卻掛在眼角，掙扎著不肯落下。她把眼淚蹭上被子，又輕輕揭開(kāi)被角，伸出慘白纖細(xì)的手。她的指尖顫抖著，她說(shuō)西雙，我能握握你的手嗎？

圖4 機(jī)械手液壓系統(tǒng)電氣回路

5 軟件設(shè)計(jì)

健身性：在裕固族傳統(tǒng)體育項(xiàng)目中不乏此類項(xiàng)目，例如：頂桿子、拉爬牛等都對(duì)身體素質(zhì)有著嚴(yán)格的要求；摔跤、拔腰等對(duì)人的思維同樣有積極地作用，這是一種智慧的體現(xiàn)，并不是意味的蠻力。在各民族中，人們?cè)诼L(zhǎng)的社會(huì)生產(chǎn)勞動(dòng)實(shí)踐中逐步產(chǎn)生、發(fā)展各具特色的鍛煉手段。

圖5 軟件設(shè)計(jì)流程

6 系統(tǒng)仿真

根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)要求在ADI LTspice上繪制機(jī)械手液壓回路與電氣回路，并對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)仿真。結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠滿足機(jī)械手的運(yùn)轉(zhuǎn)要求，并按照運(yùn)轉(zhuǎn)順序進(jìn)行連續(xù)動(dòng)作。在此僅以機(jī)械手回轉(zhuǎn)為例來(lái)對(duì)仿真過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證，具體如圖6所示。當(dāng)按下T1時(shí)，K1得電且常開(kāi)觸點(diǎn)開(kāi)始閉合，同時(shí)觸碰S1，5YA得電，電磁閥右位工作，液壓缸向前移動(dòng)，機(jī)械手上升。當(dāng)機(jī)械手上升到一定程度時(shí)，按下S4，此時(shí)1YA、3YA得電，電磁閥右位工作，液壓缸下降，機(jī)械手松開(kāi)。同時(shí)，K2得電且常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，此時(shí)5YA斷開(kāi)，電磁閥常態(tài)化工作。當(dāng)機(jī)械手前伸觸碰S2，使K3、K4得電。K3、K4常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，使1YA與3YA失電，電磁閥常態(tài)化工作，液壓缸向上移動(dòng)，機(jī)械手抓緊。當(dāng)K4常開(kāi)觸點(diǎn)閉合、B2感應(yīng)到機(jī)械手抓緊工件時(shí)，K5得電且常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使6YA得電，電磁閥右位工作。當(dāng)液壓缸伸出后即可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的回轉(zhuǎn)。

就每一螺旋的具體呈現(xiàn)方式而言，多個(gè)版本“平行四邊形概念”在第三學(xué)段的引入素材與第二學(xué)段在生活范圍上差異不大，有些版本在不同學(xué)段引入素材的選取中存在重復(fù)現(xiàn)象（如使用了名稱相同的素材），值得商榷．對(duì)于“性質(zhì)1”的發(fā)現(xiàn)，人教版在第二和第三學(xué)段的編寫(xiě)所體現(xiàn)的思維要求無(wú)明顯差異，在八下經(jīng)由對(duì)具體平行四邊形圖形的觀察和度量發(fā)現(xiàn)性質(zhì)，就初中生而言，思維水平要求偏低．冀教版在第一和第二學(xué)段均有“平行四邊形性質(zhì)1的發(fā)現(xiàn)”，但第一學(xué)段就編寫(xiě)“平行四邊形的對(duì)邊相等”，超出了“直觀水平”的要求，與學(xué)生的實(shí)際認(rèn)知水平可能存在差異．

圖6 機(jī)械手液壓系統(tǒng)仿真

7 系統(tǒng)測(cè)試

在ADI LTspice上根據(jù)仿真圖與元件明細(xì)選擇并安裝元件，根據(jù)進(jìn)油路與回油路對(duì)其連接，連接時(shí)務(wù)必要仔細(xì)，不可出現(xiàn)漏接或錯(cuò)接的問(wèn)題。同時(shí)，根據(jù)PLC控制圖做好電路連接，完成回路組裝，在確定連接無(wú)誤后運(yùn)行系統(tǒng)并開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠在ADI LTspice上模擬動(dòng)作過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手臂上升、前伸、抓取、回轉(zhuǎn)、下降、松開(kāi)、復(fù)位等多個(gè)動(dòng)作流程，并可循環(huán)進(jìn)行工作，基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的目的與要求。與傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)相比，本系統(tǒng)控制具有傳遞功率高，傳動(dòng)平穩(wěn)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

11月12日，中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司對(duì)外宣布，我國(guó)首個(gè)深水自營(yíng)大氣田——陵水17-2氣田正式進(jìn)入實(shí)質(zhì)性開(kāi)發(fā)建設(shè)階段，建成投產(chǎn)后將供氣給香港、廣東及海南。陵水17-2氣田位于南海瓊東南盆地深水區(qū)的陵水凹陷，平均作業(yè)水深1500米，項(xiàng)目總投資額超過(guò)200億元，儲(chǔ)量規(guī)模超過(guò)1000億立方米，于2014年由我國(guó)自主設(shè)計(jì)和建造的第一座深水鉆井平臺(tái)——“海洋石油981”勘探發(fā)現(xiàn)。該氣田最快有望于“十三五”末期投產(chǎn)，每年生產(chǎn)30億～35億立方米天然氣。

8 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，液壓機(jī)械手目前已被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)領(lǐng)域。對(duì)機(jī)械手液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，討論液壓機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)的功能，并對(duì)機(jī)械手臂伸縮、升降、夾緊、回轉(zhuǎn)等動(dòng)作進(jìn)行分析。系統(tǒng)測(cè)試后進(jìn)行分析可得出：（1）本系統(tǒng)采用電磁閥轉(zhuǎn)向，與PLC控制結(jié)合，具有操作便捷及自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)；（2）本系統(tǒng)通過(guò)單桿液壓缸驅(qū)動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，由單向閥控制其速度，同時(shí)通過(guò)回油路節(jié)流調(diào)速，運(yùn)動(dòng)較為穩(wěn)定；（3）本系統(tǒng)通過(guò)立式液壓缸控制機(jī)械手臂升降，為支撐部件自重，回路由采用平衡回路，能夠避免機(jī)械手速度過(guò)快或失控下滑；（4）為了使抓取工件后不受波動(dòng)影響，并且為了能夠保證抓緊工件，回路采用失電抓取來(lái)控制，這樣能夠提供更為安全可靠的工作狀態(tài)。本系統(tǒng)應(yīng)用多樣化，可將其應(yīng)用到各行業(yè)的工件、物料搬運(yùn)或堆垛作業(yè)，例如冶金、建材、機(jī)械制造等。