氣動(dòng)機(jī)械手作為典型的機(jī)、電、氣一體化裝置，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、動(dòng)作迅速、可靠性高、無(wú)污染、功率體積比高、抗干擾性強(qiáng)及維修方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)的各領(lǐng)域中，已成為大、中專院校PLC技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)、傳感器技術(shù)等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。本文選用四自由度的教學(xué)用氣動(dòng)機(jī)械手，通過(guò)PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，順序完成氣動(dòng)機(jī)械手的各動(dòng)作，同時(shí)能使學(xué)生理論結(jié)合實(shí)際，增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)，滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科技創(chuàng)新設(shè)計(jì)需求。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

　　1.1 氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)組成

　　機(jī)械手的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，由機(jī)械系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)4部分組成，主要部件有旋轉(zhuǎn)氣缸、懸臂氣缸、手臂氣缸、氣爪氣缸、支架、懸臂、手臂及氣爪。該機(jī)械手通過(guò)4個(gè)氣缸分別控制4個(gè)自由度，立柱回轉(zhuǎn)和手爪旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)4個(gè)周向自由度的控制，手臂升降實(shí)現(xiàn)軸向自由度的控制，手臂伸縮實(shí)現(xiàn)徑向自由度的控制。

圖1機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

　　1.2 氣動(dòng)機(jī)械手的工作原理

　　該機(jī)械手的任務(wù)是循環(huán)完成從圓盤抓取工件搬運(yùn)至帶輸送機(jī)上。工作順序?yàn)椋撼跏嘉恢瞄_始→起動(dòng)→懸臂伸出→手臂下降→延時(shí)0.6s→氣爪夾緊工件→延時(shí)0.6s→手臂上升→懸臂縮回→機(jī)械手向右旋轉(zhuǎn)→懸臂伸出一手臂下降一延時(shí)0.6s→氣爪松開工件→延時(shí)0.6s→手臂上升→懸臂縮回一機(jī)械手向左旋轉(zhuǎn)一返回初始位置一循環(huán)。

2 氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的核心裝置，主要由氣源、控制閥、氣缸組成，控制機(jī)械手伸縮、上下、旋轉(zhuǎn)和手爪的松緊動(dòng)作，其原理圖如圖2所示。開始運(yùn)行前，機(jī)械手手臂上升到位，機(jī)械手懸臂縮回到位，機(jī)械手左旋到位，氣爪松開，機(jī)械手回至初始位置。運(yùn)行時(shí)，首先起動(dòng)空壓機(jī)獲得一定壓力的氣源；然后壓縮空氣經(jīng)過(guò)氣源組件，得到干燥過(guò)濾后的氣體；最后氣體通過(guò)PLC控制的二位五通電磁換向閥的接通管路，實(shí)現(xiàn)氣缸的連續(xù)動(dòng)作，完成機(jī)械手的搬運(yùn)任務(wù)。各動(dòng)作的具體工作順序如下。

圖2機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖

　　伸：氣源→氣源組件→快換接頭→二位五通雙向電磁閥A左位→快換接頭→可調(diào)單向節(jié)流閥1→懸臂氣缸左腔→機(jī)械手懸臂伸出到前限位傳感器檢測(cè)位X11處停止。

　　縮：氣源→氣源組件→快換接頭→二位五通雙向電磁閥A右位→快換接頭→可調(diào)單向節(jié)流閥2→懸臂氣缸右腔→機(jī)械手懸臂伸出到后限位傳感器檢測(cè)位置X12處停止。

　　上：氣源→氣源組件→快換接頭→二位五通雙向電磁閥B右位→快換接頭→可調(diào)單向節(jié)流閥3→手臂氣缸右腔→機(jī)械手手臂向上到上限位傳感器檢測(cè)位置X21處停止。

　　下：氣源→氣源組件→快換接頭→二位五通雙向電磁閥B左位→快換接頭→可調(diào)單向節(jié)流閥4→

　　手臂氣缸左腔一機(jī)械手手臂向下到下限位傳感器檢測(cè)位置X22處停止。

　　緊：氣源→氣源組件→快換接頭→二位五通雙向電磁閥C右位→快換接頭→可調(diào)單向節(jié)流閥5→氣爪氣缸右腔→機(jī)械手手爪夾緊到夾緊限位傳感器檢測(cè)位置X31處停止。

　　松：氣源→氣源組件→快換接頭→二位五通雙向電磁閥C左位→快換接頭→可調(diào)單向節(jié)流閥6→氣爪氣缸左腔→機(jī)械手手爪松開。

　　左旋：氣源→氣源組件→快換接頭→二位五通雙向電磁閥D右位→快換接頭→可調(diào)單向節(jié)流閥8→旋轉(zhuǎn)氣缸右腔→機(jī)械手左旋到限位擋塊處停止。

　　右旋：氣源→氣源組件→快換接頭→二位五通雙向電磁閥D左位→快換接頭→可調(diào)單向節(jié)流閥7→旋轉(zhuǎn)氣缸左腔→機(jī)械手右旋到限位擋塊處停止。

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　PLC具有體積小、質(zhì)量輕、抗干擾性強(qiáng)、可靠性高、使用方便、易于編程、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，已替代傳統(tǒng)的繼電器電路，廣泛應(yīng)用于電氣控制領(lǐng)域。該機(jī)械手的電氣控制系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行控制，可很大程度上縮短控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及調(diào)試周期。

　　3.1 PLC選型及I/O接口分布

　　由機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖可知，該電氣控制系統(tǒng)有起?？刂菩盘?hào)2個(gè)，傳感器位置檢測(cè)信號(hào)7個(gè)，共9個(gè)開關(guān)量輸入信號(hào)，8個(gè)電磁閥控制信號(hào)，8個(gè)開關(guān)量輸出信號(hào)?？紤]到機(jī)械手工作的可靠性及各控制元件連接的方便性與靈活性，根據(jù)控制系統(tǒng)需要的I／O接口數(shù)量、擴(kuò)展能力及工藝要求，對(duì)PLC選用日本三菱公司生產(chǎn)的FX2N～32MR系列可編程控制器。該P(yáng)LC具有16個(gè)輸入點(diǎn)和16個(gè)輸出點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高速計(jì)數(shù)、定位控制等功能。I／O接口的分配見表1，PLC控制外部接線如圖3所示。

圖3機(jī)械手PLC控制外部接線圖

　　3.2 PLC控制程序軟件設(shè)計(jì)

　　可編程控制器編程語(yǔ)言包括梯形圖語(yǔ)言、功能表圖語(yǔ)言、布爾助記符語(yǔ)言、功能模塊圖語(yǔ)言及結(jié)構(gòu)化語(yǔ)句描述語(yǔ)言等嘲。梯形圖語(yǔ)言是應(yīng)用最多的一種編程語(yǔ)言，最接近控制系統(tǒng)中的電氣控制原理圖。三菱FXGP-WIN-C編程軟件，可實(shí)現(xiàn)在線通信、文件傳送、操作監(jiān)控及各種測(cè)試功能，支持梯形圖、語(yǔ)句表和功能塊圖3種編輯器創(chuàng)建程序。

　　本文使用FXGP-WIN-C編程軟件的梯形圖編輯器創(chuàng)建程序，PLC梯形圖如圖4所示。設(shè)計(jì)的梯形圖采用步進(jìn)指令，PLC運(yùn)行后，初始脈沖M8002置位初始步進(jìn)So，機(jī)械手處于初始位置；按下起動(dòng)按鈕SB5，機(jī)械手執(zhí)行狀態(tài)S20至S34共15個(gè)步進(jìn)的控制指令，完成一次搬運(yùn)動(dòng)作；按下停止按鈕SB6，機(jī)械手立即停止當(dāng)前的搬運(yùn)工作；再按下啟動(dòng)按鈕SB5，機(jī)械手接著停止時(shí)所處的位置繼續(xù)運(yùn)行；最后以步進(jìn)指令RET完成步進(jìn)控制。

圖4機(jī)械手PLC梯形圖

4 結(jié)語(yǔ)

　　初步運(yùn)行試驗(yàn)證明，該試驗(yàn)用氣動(dòng)機(jī)械手能圓滿完成搬運(yùn)任務(wù)，其各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期要求。在電氣控制方面，采用PLC軟件編程不僅直觀易理解，容易操作與修改；而且對(duì)其動(dòng)作運(yùn)行可根據(jù)設(shè)定情況隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，模擬各種生產(chǎn)線要求，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。在課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)中，該項(xiàng)目綜合利用多門課程知識(shí)，可滿足學(xué)員對(duì)交叉學(xué)科的綜合理解，取得良好的教學(xué)效果。