孫曉紅

（尚風(fēng)科技股份有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

隨著工業(yè)設(shè)備應(yīng)用越來(lái)越廣泛，機(jī)械手作為現(xiàn)代化生產(chǎn)與科技應(yīng)用相結(jié)合的新型技術(shù)，該設(shè)備的應(yīng)用可極大地減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少作業(yè)人員的危險(xiǎn)性，提升產(chǎn)品的精度等。根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同可將機(jī)械手分為氣壓傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)以及機(jī)械傳動(dòng)這四種方式。本文以氣動(dòng)傳動(dòng)的機(jī)械手為例開(kāi)展研究，重點(diǎn)對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)機(jī)械手的應(yīng)用需求完成對(duì)應(yīng)的PLC 控制設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)機(jī)械手在上下、左右以及伸縮六個(gè)方向的高精度、高效率動(dòng)作[1-3]。

1 機(jī)械手概述

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同可將機(jī)械手的控制方式分為手動(dòng)控制和自動(dòng)控制兩種方式。本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求設(shè)計(jì)一款自動(dòng)控制的機(jī)械手，其工作流程一般如圖1 所示：

圖1 機(jī)械手工作流程

如圖1 所示，機(jī)械手的工作流程一般經(jīng)歷12 個(gè)路程，主要控制對(duì)象為水平氣缸、垂直氣缸和擺動(dòng)氣缸，對(duì)應(yīng)的控制動(dòng)作包括有上下方向的升降、前后方向的伸縮、左右方向的擺動(dòng)以及夾緊和放松等[4]。

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同可將機(jī)械手分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式以及關(guān)節(jié)式四種。結(jié)合本工程機(jī)械手的應(yīng)用需求，選用圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示，圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)包括有垂直氣缸、平移氣缸、氣爪以及回轉(zhuǎn)缸，通過(guò)PLC 控制器根據(jù)實(shí)際需求對(duì)電磁閥的開(kāi)口方向、大小等進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)對(duì)上述氣缸及氣爪的運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)的控制。其中，垂直氣缸對(duì)應(yīng)的在上下方向的工作行程為1 500 mm；回轉(zhuǎn)氣缸對(duì)應(yīng)的工作行程角度為180°；氣爪的主要作用是對(duì)物件的夾持，夾持力通過(guò)對(duì)調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)壓壓縮量進(jìn)行調(diào)節(jié)而實(shí)現(xiàn)[5]。

圖2 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手結(jié)構(gòu)

2 機(jī)械手氣動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)械手的實(shí)際應(yīng)用需求以及檢修排除故障的需求，為其氣動(dòng)控制系統(tǒng)配置手動(dòng)、半自動(dòng)以及全自動(dòng)控制功能模塊。其中，手動(dòng)控制功能模塊通過(guò)對(duì)按鈕實(shí)現(xiàn)控制功能，對(duì)應(yīng)的手動(dòng)控制模塊如圖3 所示。

圖3 手動(dòng)控制功能模塊

對(duì)于半自動(dòng)操作功能模塊而言，其主要是將圖1中的工作流程按照順序功能圖實(shí)現(xiàn)。對(duì)于全自動(dòng)操作功能模塊而言，對(duì)于提升整條生產(chǎn)線(xiàn)的效率，降低車(chē)間內(nèi)操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度具有重大意義。本工程將采用切換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)工作模式與半自動(dòng)工作模式的切換。

2.2 氣動(dòng)元器件的選型

根據(jù)氣動(dòng)機(jī)械手的控制需求，需要為其配置單向閥、單向節(jié)流閥和先導(dǎo)式電磁閥等類(lèi)型的閥門(mén)。其中，單向閥主要對(duì)氣流的方向進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)元器件動(dòng)作方向的控制。單向節(jié)流閥主要對(duì)氣流的速度進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)元器件運(yùn)動(dòng)速度的控制；而且，單向節(jié)流閥還可應(yīng)用于延時(shí)回路的控制中。根據(jù)實(shí)際控制需求，為氣動(dòng)機(jī)械手配套的JSCL 型單向節(jié)流閥；所配置的先導(dǎo)式電磁閥為三位五通電磁閥，具體型號(hào)為T(mén)G2512-06 型。

氣缸為氣動(dòng)機(jī)械手的關(guān)鍵執(zhí)行部件，其主要將空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能的不同，典型且應(yīng)用較為廣泛的氣缸包括有普通氣缸、無(wú)桿氣缸、擺動(dòng)氣缸、氣爪等。對(duì)于氣動(dòng)機(jī)械手而言，在水平和垂直方向控制采用無(wú)桿氣缸，該氣缸的缸徑比遠(yuǎn)大于活塞桿氣缸，其定位精度較高、安裝空間較小，比較適用于長(zhǎng)行程且小缸徑的應(yīng)用需求。

對(duì)于氣動(dòng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)180°的控制需求選用擺動(dòng)氣缸。氣爪為實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)機(jī)械手抓取物件的核心部件，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同可分為平行氣爪、擺動(dòng)氣爪、旋轉(zhuǎn)氣爪以及三點(diǎn)氣爪等。本工程所設(shè)計(jì)的機(jī)械手為圓柱坐標(biāo)式，故選用三點(diǎn)氣爪。為氣動(dòng)機(jī)械手所配套的氣缸類(lèi)型及型號(hào)如表1 所示。

表1 氣動(dòng)機(jī)械手氣缸類(lèi)型及型號(hào)

2.3 氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)

氣動(dòng)機(jī)械手要求無(wú)桿氣缸在水平方向的伸縮、垂直方向的升降動(dòng)作進(jìn)行控制；要求旋轉(zhuǎn)氣缸在回轉(zhuǎn)方向進(jìn)行控制；要求氣爪缸對(duì)氣爪的抓取和泄放進(jìn)行控制。因此，面臨上述的控制需求，對(duì)每類(lèi)型氣缸的進(jìn)氣口和出氣口采取雙調(diào)速回路進(jìn)行控制。雙調(diào)速氣動(dòng)回路如圖4 所示。

圖4 雙調(diào)速氣動(dòng)回路示意圖

3 機(jī)械手的PLC 控制

針對(duì)機(jī)械手的控制需求，采用PLC 控制器實(shí)現(xiàn)最終的控制目標(biāo)。對(duì)于機(jī)械手的全自動(dòng)和半自動(dòng)控制目標(biāo)，要求其具備順序控制的功能。根據(jù)圖1 中機(jī)械手的工作流程，并考慮到當(dāng)機(jī)械手在實(shí)際工作中面臨停電或者故障等不可預(yù)料的問(wèn)題，要求順序控制功能中設(shè)置手動(dòng)操作。設(shè)計(jì)如圖5 所示的PLC 控制流程。

圖5 機(jī)械手PLC 順序控制流程

根據(jù)圖5 的順序控制流程圖編輯PLC 控制的軟件，并對(duì)其軟硬件進(jìn)行測(cè)試。總整體上講，所設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手具有較高的控制精度且設(shè)備在實(shí)際操作過(guò)程中完好。在測(cè)試過(guò)程中，重點(diǎn)對(duì)機(jī)械手的控制精度進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如表2 所示。

表2 機(jī)械手控制精度測(cè)試結(jié)果

如表2 所示，所設(shè)計(jì)的機(jī)械手在X 和Y 軸兩個(gè)方向的控制精度均小于1 mm，滿(mǎn)足機(jī)械手的定位精度要求。

4 結(jié)論

機(jī)械手為當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的高精密設(shè)備，其在一定程度上提升工業(yè)制造的效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。本文主要針對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手開(kāi)展了系列研究，總結(jié)如下：

1）根據(jù)實(shí)踐應(yīng)用需求，最終確定采用圓柱坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)機(jī)械手。

2）根據(jù)氣動(dòng)機(jī)械手的功能需求，完成了單向閥、單向節(jié)流閥以及三位五通換向閥的選型；同時(shí)，結(jié)合氣動(dòng)機(jī)械手的動(dòng)作控制目標(biāo)，采用無(wú)桿氣缸對(duì)水平和垂直方向的動(dòng)作進(jìn)行控制；采用擺動(dòng)氣動(dòng)對(duì)其旋轉(zhuǎn)動(dòng)作控制；基于氣爪缸實(shí)現(xiàn)抓取物件的功能。

3）經(jīng)實(shí)踐測(cè)試表明，所設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手控制精度小于1 mm，具有較高的定位精度。