0 引言

　　機械手是能模仿人手臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置，動作靈活。可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，在有害環境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子等部門。針對目前救援井下人員相關方法進行研究和分析，由于機井的井口小且比較深，受難者在救援過程中容易遭到二次傷害。設計出的機械手具有動作靈活、自動化程度高、操作方便、救援可靠等特點。

1 機械手的機構設計

　　機械手是救援設備的主要執行部件，末端手爪移動到井下人員的手腕位置并實施救援，機械手的手臂類型選用關節型，該結構具有仿人臂結構，容易確定三維空間中的任意位置和姿態。手的運動通過手臂和手腕的運動組合而成。機械手設計了3個自由度，手臂1個自由度用于確定機械手運動范圍，手腕2個自由度用于調整末端執行器在空問的姿態。依據設計要求。救援機械手由手臂、手肘、手腕、手爪4個部分組成。在電氣控制下4個部分相互配合。實現3自由度的運動，機械手外形如圖1所示。手肘由2根連接桿、2根擺動桿、旋轉軸組成。連接桿和擺動桿通過旋轉軸相連組成連桿機構，實現擺動功能，手肘如圖2所示，手爪設計如圖3所示。

2 機械手的電氣控制原理

　　機械手的動作全部由氣缸驅動基于PLC的井下救援機械手的設計而氣缸又由相應的電磁閥控制，分別由3個雙線圈兩位電磁閥控制氣缸的上升／下降、左移／右移和順轉／逆轉動作，夾緊／放松由一個單線圈兩位電磁閥控制氣缸來實現，當線圈通電時，機械手夾緊；當線圈斷電時，機械手放松。限位開關安裝在機械手的極限位置，分別進行上升、下降、左旋、右旋、伸臂、縮臂等動作的限位，同時發出動作到位的輸入信號，使機械手動作準確到位，通過安裝光電開關負責檢測，以確保安全。

　　機械手的工作過程：從原點開始，按下啟動按鈕，機械手下降。下降到井底時，碰到下限位開關，下降停止；同時機械手夾緊：夾緊后，機械手上升。上升到地面一定高度時，碰到上限位開關，上升停止：同時機械手右移。右移到位時，碰到右限位開關，右移停止：若地面安全，貝曠光電開關接通，機械手下降。下降到地面，碰到下限位開關，下降停止；同時機械手放松；放松后，機械手上升。上升到頂時。碰到上限位開關，上升停止：同時機械手左移。左移到位時，碰到左限位開關，左移停止，回到原點位置。至此，機械手經過8個動作完成了一個工作周期。

　　機械手的操作方式分為手動和自動操作方式，自動操作方式又分為步進、單周期和連續操作方式。根據控制要求，需安排一定的操作開關，設計的控制箱面板布置如圖4所示。

圖4操作面板布置圖

　　接通10.7為單操作方式，操作時，按加載選擇開關的位置。用啟動／停止按鈕選擇加載操作，當加載選擇開關打到左／右位置時，按下啟動按鈕，機械手右行；若按下停止按鈕，機械手左行。該操作可使機械手停在原點。接通11.0為步進方式。機械手在原點時，按下啟動按鈕，向前操作一步；每按啟動按鈕一次操作一步。接通11.1為單周期操作方式，機械手在原點時，按下啟動按鈕，自動操作一個周期。接通11.2為連續操作方式，機械手在原點時，按下啟動按鈕，連續執行自動周期操作，當按下停止按鈕，機械手完成此周期后自動回到原點并不再動作。

3 PLC的硬件設計

　　本設計控制系統選用的是德國西門子公司生產的S7—200 CPU224，該機械手的控制系統一共使用了14個輸入量，6個輸出量，輸入／輸出端子地址分配如圖5所示。

圖5輸入／輸出端子地址分配

4 PLC的軟件設計

　　為了在程序中安排機械手控制系統單操作、步進操作、自動操作等功能程序，整體程序結構如圖6所示，自動操作流程圖如圖7所示。

圖6整體程序結構

圖7 自動操作流程圖

5 結語

　　設計采用PLC技術實現井下救援的機械手的自動控制，設計的機械手具有動作靈活、操作方便、救援可靠，能代替人類在危險環境中工作，對保障人身安全、減輕勞動強度都有著十分重要的意義。