1 概述

　　隨著機械手技術的廣泛應用，具有獨立控制器、程序叮變、動作靈活、定位精度高、適用于中小批量自動化生產的通用機械手得到迅速發展。本文開發研制的新刑氣動搬運機械手書采用了混合驅動技術，除了氣動機械手常見的機械和氣動部件外，混合型氣動機械手增加了步進電機、直流電機、光電傳感器等電氣部件，覆蓋了PLC控制技術、氣動技術、位置檢測技術等，是機電氣一體化的典型設備，有著廣泛的應用前景

2 氣動機械手系統組成和工作原理

　　本文研制的氣動機械手是一種具有3個自由度的極坐標型機械手，極坐標型機械手其有占地面積小，結構緊湊，便于與其他機器人協調一「作、重量較輕等特點，機械手的手臂運動由一個直線運動(沿手臂力一向的伸縮)和兩個轉動(繞中心軸的順逆時針力一向旋轉和繞水平軸的仰俯)所組成，可以完成俯仰、伸縮,轉3個自由度的運動，機械手由機械系統、位置檢測系統、氣動及控制系統3部分組成。圖1為氣動機械手的結構示意圖。

圖1氣動機械手結構示意圖

　　機械手的俯仰和伸縮動作采用氣動方式驅動，繞水平軸的仰俯動作由俯仰氣缸通過連桿機構來實現，將氣缸的直線運動轉化為手臂的仰俯運動，俯仰及伸縮氣缸選用標準氣缸，由于抓取工件和堆放工件都有位置定位的要求，因此在氣缸上安裝有紅外光電式傳感器，氣缸桿上固定有透射式光柵，氣缸桿的移動帶動光柵移動。產生光電信號脈沖，光電信號通過底座中內置的信號轉換電路進行處理后反饋到PLC輸人端,PLC控制程序對該反饋信號進行處理、判斷乎臂的運動是否到位，然后發出控制信號給電磁換向閥來控制氣缸的運動和停止。實現機械千任意定位的需要。

　　機械手的氣動原理圖如圖2所示，氣動系統由氣源、氣動下聯件、氣動系統控制閥、俯仰及伸縮氣缸等組成，整個氣動系統卞要完成俯下、仰起、仲出、縮回4個動作，由空壓機獲得氣源，經氣動=聯件，得到清潔、干燥的空氣，經過二位五通電磁閥實現運動的轉換。電磁閥YV1,YV2,YV3 ,YV4由PLC進行控制。俯仰及仲縮氣缸的原位信號由光柵尺卜的原位標記X2,X3提供。限位信號由由光柵尺卜的限位標記X13 ,X14提供，位置信號由光柵尺產生的脈沖信號提供。

圖2氣動機械手氣動原理圖

　　氣動機械手繞，中心軸的回轉運動采用步進電機馭動來實現，選用了二相混合式步進電機與其配套的等角度恒力矩細分型步進電機3rx動器作為機械手迥轉運動的馭動及定位裝置，步進電機內置于機械手底座當中，由于定位控制的需一要，迥轉臺迥轉至0°及180°位置時，在底座上設有原點開關及限位擋塊。在控制電路中，由PLC把脈沖信號CP、方向信號DIR等控制信號發送給步進電機驅動器來控制步進電機的轉動速度、力一向及位置，從而實現對步進電機的伺服定位控制。

　　氣動機械手的手爪運動設計考慮到結構與外觀的需要選用一f機械手爪。采用永磁直流減速電機來驅動手爪，電機的旋轉運動通過絲桿螺母機構轉化為直線運動，再通過連桿機構轉換成手爪的開合運動，由PLC控制一對繼電器KA1, KA2實現直流電機的正反轉控制，實現手爪的開合抓放動作。

3 氣動機械手控制系統設計

　　1)機械手動作過程的I.藝分析

　　氣動機械手要實現物品的自動搬運工作，機械手需要先回到原點位置。可根據不同的工藝要求來設定機械手的動作順序和動作的位移，要求控制系統具有手動運行模式、回原點模式和自動運行模式、半自動模式、手動模式功能為:按下手動按鈕，氣缸、步進電機、手爪電機工作相應手動控制:回原點模式功能為：按下回原點按鈕，伸縮氣缸返回到縮回極限位置，俯仰氣缸返回到仰起極限位置，步進電機迥轉到逆時針轉動極限位置，手爪閉合到完全閉合狀態;全自動模式功能為:在完成回原點操作后。按下全自動按鈕叮實現連續的工作循環，當按下停止按鈕后，機械手將在1個工作循環后才停止:半自動模式功能為:按下半自動按鈕.機械手在完成1個工作循環后自動停止，設計機械手自動循環工作的動作順序為:俯下→正轉→開爪→伸出→合爪、縮回原位→反轉回原位→仰起回原位、停止，得到機械手的工步狀態表如表1所示。

　　2)PLC選型I/O分配

　　考慮到機械手工作的穩定性、可靠性以及連接的方便性，根據控制系統需要的主令升關，檢測信號和執行電器的數量及工藝要求，選用了具有24點輸人、16點輸出的松下電工 FPl -C40型PLC作為控制單元，其IIU端口與氣動機械手及控制操作盒連接.，PLC的I/O分配表見表2。

　　3)PLC控制程序軟件設計

　　可編程控制器的控制程序設計采用了逐步通電、同步斷電的步進式順序控制設計方法.該設計方法互鎖嚴密，受控對象的任一步動作的是否執行，取決于控制系統前一步是否已有一輸出信號，以及受控對象的動作是否完成。若前一步的動作未完成。則后一步的動作無法執行，即使轉步信號兒件失靈或出現"n操作。也不會導致動作順序錯亂。控制程序由初始化、手動運行、回歸原點、自動運行及故障報警處理等程序組成。

4 結束語

　　本文研制成功的混合氣動機械手本休外形尺寸為:680*478*270m3，控制系統硬件內置于底座當中，總重量18KG于搬移到不同的場合使用(如圖3所示)，經過《工業機器人》、《機械設備自動檸制》、《氣動技術》等課程教學實驗的實際應用，系統穩定叮靠、使用方便、成木低，具有叮編程、二次設計等開放式功能特點，對提高學生的工程素質、創新能力及綜合實踐能力有顯著效果，叮滿足培養綜合性和創新型、復合工程技術人員的要求，.具有很好的應用推廣價值。

 

圖3氣動機械手實物圖