四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計

安 軍 鄭書華 歐陽青 朱宇科

（寧波工程學(xué)院，寧波 315211）

搬運(yùn)機(jī)械手是在自動線上搬運(yùn)物料的一種自動化裝置，主要功能是將物料從生產(chǎn)線上轉(zhuǎn)運(yùn)到下道工序或進(jìn)行存放操作。本文設(shè)計的四自由度的機(jī)械手工作流程如下：立柱正轉(zhuǎn)→上升→手臂伸出→抓取并夾持物料→手臂縮回→立柱反轉(zhuǎn)→立柱下降→手臂伸出→松開并放置物料→手臂縮回。本文主要采用繼電器系統(tǒng)設(shè)計了機(jī)械手電氣控制和氣動設(shè)計，控制方法相比較PLC控制更加可靠，可以有效提升生產(chǎn)效率，為簡易機(jī)械手設(shè)計及制造起到借鑒作用。

1 四自由度機(jī)械手模型的建立

本文設(shè)計的四自由度簡單機(jī)械手，有四個受控制的自由度，其中三個自由度不是確定的，本文選擇z軸旋轉(zhuǎn)，z軸和x軸為機(jī)械手研究對象，在這幾個自由度控制下機(jī)械手進(jìn)行上下移動、伸縮和旋轉(zhuǎn)動作。四自由度機(jī)械手由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)移動連桿組成，適用于運(yùn)動距離較大場合，其中繞Z軸旋轉(zhuǎn)是為了快速實(shí)現(xiàn)機(jī)械手所夾持工件位置變化；沿Z軸移動主要為了使夾持位置和旋轉(zhuǎn)更加迅速方便；沿X軸移動能夠?qū)崿F(xiàn)大距離、小運(yùn)動，節(jié)約空間。機(jī)械手模型如圖1所示。

圖1 機(jī)械手關(guān)鍵部件連接圖

具體控制流程如下：

（1）機(jī)械手展開手夾打開→旋轉(zhuǎn)工作臺正轉(zhuǎn)到位置1→Z軸氣缸推動導(dǎo)桿垂直下降到位置1′→X軸氣缸伸長到位置3→機(jī)械手夾夾取工件；

（2）Z軸氣缸推動導(dǎo)桿垂直上升到位置1→旋轉(zhuǎn)臺反轉(zhuǎn)→X軸氣缸收縮導(dǎo)桿動作到位置3′；

（3）Z軸氣缸推動導(dǎo)桿垂直下降到位置4→機(jī)械手夾打開放工件；

（4）Z軸氣缸推動導(dǎo)桿垂直上升到位置1→旋轉(zhuǎn)工作臺正轉(zhuǎn)到位置1→Z軸氣缸推動導(dǎo)桿垂直下降到位置1′→X軸氣缸伸長到位置3→機(jī)械手夾夾取工件；

（5）Z軸氣缸推動導(dǎo)桿垂直上升到位置1→旋轉(zhuǎn)臺反轉(zhuǎn)→X軸氣缸收縮導(dǎo)桿動作到位置3′；

（6）Z軸氣缸推動導(dǎo)桿垂直下降到位置4→機(jī)械手夾開夾→放工件。

2 氣動原理

機(jī)械手動作元件由四個氣缸控制，分別為兩個直線運(yùn)動氣缸、一個氣動爪和一個旋轉(zhuǎn)氣缸。氣動爪用于夾取工件，通氣狀態(tài)下只存在夾緊和松開兩種狀態(tài)；在另外三個氣缸運(yùn)動極限位置分別安裝磁感應(yīng)式接近開關(guān)，對氣缸位置進(jìn)行檢測。旋轉(zhuǎn)氣缸繞中心旋轉(zhuǎn)角度最大為180°，本設(shè)計只為達(dá)到動作順序，對精度無太高要求；氣缸運(yùn)動速度由與其連接的節(jié)流閥控制。在失電狀體下，各氣缸均在設(shè)定初始狀態(tài)，正反裝氣缸初始位置為正轉(zhuǎn)極限；伸縮氣缸初始狀態(tài)為縮回；上下氣缸初始狀態(tài)為下降極限位置；氣缸爪初始為松開。各初始狀態(tài)均在電磁換向閥失電狀態(tài)下保持穩(wěn)定。

3 繼電器電氣設(shè)計

在系統(tǒng)設(shè)計中，如圖3所示，對于任務(wù)動作的銜接，一部分用磁感式接近開關(guān)，在沒有磁感式接近開關(guān)的地方采用時間繼電器進(jìn)行下一步動作。另外，設(shè)計思路上利用中間繼電器KA實(shí)現(xiàn)上一個動作的停止和下一個動作的啟停，例如，圖中的中間繼電器KA5的作用在SQ5接通后，使線圈KM5得電，利用它的常閉觸點(diǎn)斷開了KM1線圈的得電；時間繼電器KT1延時6S后，延時閉合觸點(diǎn)閉合，接通了KM2和Y2的線圈，執(zhí)行延時后的相應(yīng)動作， 時間繼電器KT3，它的延時打開觸點(diǎn)KT3在延時6s后斷開了整個機(jī)械手的動作。氣動回路部分通過氣缸上的磁感式接近開關(guān)，將各氣缸位置狀態(tài)信息反饋給繼電器控制系統(tǒng)。繼電器系統(tǒng)通過控制三位六通閥實(shí)現(xiàn)氣路的改變，從而改變氣缸的運(yùn)動方向。

4 結(jié)論

基于繼電器控制系統(tǒng)設(shè)計了一款四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)，改善了原有機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時抖動和失步問題，該系統(tǒng)僅利用四個自由方向運(yùn)動就能使系統(tǒng)處于良好狀態(tài)。根據(jù)實(shí)際工作需求，可進(jìn)一步完善夾緊裝置，節(jié)約空間位置。在條件允許情況下，采用四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)方式代替手動的操作，既可以減小占用空間，也可以提高機(jī)械加工效率。