機械手的結構設計及PLC 控制

孫曉紅

（尚風科技股份有限公司， 山西 太原 030006）

0 引言

隨著工業(yè)設備應用越來越廣泛，機械手作為現(xiàn)代化生產(chǎn)與科技應用相結合的新型技術，該設備的應用可極大地減輕操作人員的勞動強度，減少作業(yè)人員的危險性，提升產(chǎn)品的精度等。根據(jù)驅動方式的不同可將機械手分為氣壓傳動、電氣傳動、液壓傳動以及機械傳動這四種方式。本文以氣動傳動的機械手為例開展研究，重點對機械手的結構進行設計，并根據(jù)機械手的應用需求完成對應的PLC 控制設計，最終實現(xiàn)氣動機械手在上下、左右以及伸縮六個方向的高精度、高效率動作[1-3]。

1 機械手概述

根據(jù)應用場合的不同可將機械手的控制方式分為手動控制和自動控制兩種方式。本文結合實際應用需求設計一款自動控制的機械手，其工作流程一般如圖1 所示：

圖1 機械手工作流程

如圖1 所示，機械手的工作流程一般經(jīng)歷12 個路程，主要控制對象為水平氣缸、垂直氣缸和擺動氣缸，對應的控制動作包括有上下方向的升降、前后方向的伸縮、左右方向的擺動以及夾緊和放松等[4]。

根據(jù)結構形式的不同可將機械手分為直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式以及關節(jié)式四種。結合本工程機械手的應用需求，選用圓柱坐標式機械手，其結構如圖2 所示，圓柱坐標式機械手的主要結構包括有垂直氣缸、平移氣缸、氣爪以及回轉缸，通過PLC 控制器根據(jù)實際需求對電磁閥的開口方向、大小等進行控制實現(xiàn)對上述氣缸及氣爪的運動方向、運動速度等參數(shù)的控制。其中，垂直氣缸對應的在上下方向的工作行程為1 500 mm；回轉氣缸對應的工作行程角度為180°；氣爪的主要作用是對物件的夾持，夾持力通過對調節(jié)彈簧的預壓壓縮量進行調節(jié)而實現(xiàn)[5]。

圖2 圓柱坐標式機械手結構

2 機械手氣動控制系統(tǒng)的設計

2.1 功能模塊設計

根據(jù)機械手的實際應用需求以及檢修排除故障的需求，為其氣動控制系統(tǒng)配置手動、半自動以及全自動控制功能模塊。其中，手動控制功能模塊通過對按鈕實現(xiàn)控制功能，對應的手動控制模塊如圖3 所示。

圖3 手動控制功能模塊

對于半自動操作功能模塊而言，其主要是將圖1中的工作流程按照順序功能圖實現(xiàn)。對于全自動操作功能模塊而言，對于提升整條生產(chǎn)線的效率，降低車間內操作人員勞動強度具有重大意義。本工程將采用切換開關實現(xiàn)全自動工作模式與半自動工作模式的切換。

2.2 氣動元器件的選型

根據(jù)氣動機械手的控制需求，需要為其配置單向閥、單向節(jié)流閥和先導式電磁閥等類型的閥門。其中，單向閥主要對氣流的方向進行控制，從而實現(xiàn)對氣動元器件動作方向的控制。單向節(jié)流閥主要對氣流的速度進行控制，從而實現(xiàn)對氣動元器件運動速度的控制；而且，單向節(jié)流閥還可應用于延時回路的控制中。根據(jù)實際控制需求，為氣動機械手配套的JSCL 型單向節(jié)流閥；所配置的先導式電磁閥為三位五通電磁閥，具體型號為TG2512-06 型。

氣缸為氣動機械手的關鍵執(zhí)行部件，其主要將空氣的壓力能轉換為機械能。根據(jù)結構和功能的不同，典型且應用較為廣泛的氣缸包括有普通氣缸、無桿氣缸、擺動氣缸、氣爪等。對于氣動機械手而言，在水平和垂直方向控制采用無桿氣缸，該氣缸的缸徑比遠大于活塞桿氣缸，其定位精度較高、安裝空間較小，比較適用于長行程且小缸徑的應用需求。

對于氣動機械手旋轉180°的控制需求選用擺動氣缸。氣爪為實現(xiàn)氣動機械手抓取物件的核心部件，根據(jù)結構不同可分為平行氣爪、擺動氣爪、旋轉氣爪以及三點氣爪等。本工程所設計的機械手為圓柱坐標式，故選用三點氣爪。為氣動機械手所配套的氣缸類型及型號如表1 所示。

表1 氣動機械手氣缸類型及型號

2.3 氣動回路設計

氣動機械手要求無桿氣缸在水平方向的伸縮、垂直方向的升降動作進行控制；要求旋轉氣缸在回轉方向進行控制；要求氣爪缸對氣爪的抓取和泄放進行控制。因此，面臨上述的控制需求，對每類型氣缸的進氣口和出氣口采取雙調速回路進行控制。雙調速氣動回路如圖4 所示。

圖4 雙調速氣動回路示意圖

3 機械手的PLC 控制

針對機械手的控制需求，采用PLC 控制器實現(xiàn)最終的控制目標。對于機械手的全自動和半自動控制目標，要求其具備順序控制的功能。根據(jù)圖1 中機械手的工作流程，并考慮到當機械手在實際工作中面臨停電或者故障等不可預料的問題，要求順序控制功能中設置手動操作。設計如圖5 所示的PLC 控制流程。

圖5 機械手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，并對其軟硬件進行測試?？傉w上講，所設計的氣動機械手具有較高的控制精度且設備在實際操作過程中完好。在測試過程中，重點對機械手的控制精度進行驗證，驗證結果如表2 所示。

表2 機械手控制精度測試結果

如表2 所示，所設計的機械手在X 和Y 軸兩個方向的控制精度均小于1 mm，滿足機械手的定位精度要求。

4 結論

機械手為當前工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的高精密設備，其在一定程度上提升工業(yè)制造的效率，提高產(chǎn)品質量的同時降低作業(yè)人員的勞動強度。本文主要針對氣動機械手開展了系列研究，總結如下：

1）根據(jù)實踐應用需求，最終確定采用圓柱坐標式結構的氣動機械手。

2）根據(jù)氣動機械手的功能需求，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，結合氣動機械手的動作控制目標，采用無桿氣缸對水平和垂直方向的動作進行控制；采用擺動氣動對其旋轉動作控制；基于氣爪缸實現(xiàn)抓取物件的功能。

3）經(jīng)實踐測試表明，所設計的氣動機械手控制精度小于1 mm，具有較高的定位精度。