机械手在设计过程中,注重其自动化控制,能够实现一些较为复杂的工业操作。文章对气动抓取式工业机械手设计的研究,主要是基于PLC自动化控制下的抓取式机械手的设计分析,注重提升机械手的灵活性和智能性,以期更好地实现工业发展自动化。
在工业消费范畴中，工人在工作的时分经常会遇到高温、腐蚀和有毒气体的损害。这些损害不只加大了工人的劳动强度，而且还会危及工人的生命平安。为了减轻工人的劳动强度，保证工人的生命平安，工业机器人由此降生。
工业机器人执行机构是机械手，它能够模拟人手动作，依照指定的程序和预定的轨迹停止自动抓取和搬运，完成工业现场操作的自动化。机械手按驱动方式能够分为液压式、气动式、电动式和机械式。可编程控制器（PLC）是特地为工业应用设计的应用数字运算操作的电子安装。它具有牢靠性高、功用强大、编程简单、人机交互界面友好等特性，普遍应用于工业控制系统中。
笔者设计了一款PLC控制的气动驱动式机械手，完成机械消费过程中的自动上料、下料等装卸任务，从而到达进步工业自动化消费效率的目的。
一、机械手组成
机械手主要由执行机构、气动驱动系统、控制系统以及位置检测安装等所组成。组成如图1所示。
图1 机械手组成控制原理方框图
其中执行机构包括手部、伎俩、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。气动驱动系统包括应用气体压力来驱动机械手执行机构的动力安装、调理安装和辅助安装。PLC是控制机械手动作的控制系统。
二、气动机械手设计计划
气动机械手的特性是快、稳、准，请求可以快速、精确地拾放和搬运物件，而且要有足够的空间、灵敏的自在度以及恣意位置的自动定位等。
1.物理选型：坐标式选择与自在度剖析
依据机械手手臂的运转方式不同、组合状况，其坐标能够分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。关于本次设计的机械手需求完成在上下料时完成手臂的升降、收缩和回转运动，所以采用圆柱坐标。为了补偿升降运动行程比拟小的缺陷，故增加手臂摆动构造，即增加了一个手臂上下摆动的自在度。这样，手臂有四个自在度，包括手臂的上下升降、左右回转、前后伸缩，上下摆动，若将立柱的横向挪动包含在内，手臂有5个自在度；伎俩有左右回转和左右摆动两个自在度，手指有开闭运动和上下摆动两个自在度。整个系统共有九个自在度）。
2.构造计划设计
（1）手指。思索机械手的通用性，故把手指构造设计成可改换性，比方棒料能够用夹持式手部夹取，板料则要用气流负压式吸盘汲取。用1个汽缸控制开闭， 1个电动机控制上下摆动。
（2）伎俩。思索机械手的通用性，且被抓取的工件是程度放置的，伎俩设计成回转构造，由2个回转电动机来驱入手腕停止回转运动和左右摆动。
（3）手臂。依据抓取工件的请求，机械手的手臂设有五个自在度，包括手臂的上下升降、左右回转、前后伸缩，上下摆动以及立柱的横向挪动。手臂的回转和升降是由立柱来完成的，立柱的横向挪动也就是手臂的横移、手臂的各种运动都是由5个汽缸或电动机来驱动完成的。
3.驱动计划设计
机械手的驱动采用气动驱动方式。气压传动系统的反响比拟灵活，动作比拟疾速，阻力产生的损失较小，走漏也比拟小，本钱低（参见图3）。
图3 气压传动系统工作原理图
气源由空气紧缩机（排气压力大于0.4～0.6MPa）经过快换接头进入储气罐，经分水过滤器、调压阀、油雾器，进入并联气路上的电磁阀，以控制机械手动作。
各执行机构调速，但凡能采用排气口节流方式的，都在电磁阀的排气口装置节流阻尼螺钉停止调速，这种办法的特性是构造简单，效果尚好。手臂伸缩汽缸在接近汽缸处装置两个快速排气阀，能够加快启动速度，也可调理全程的速度。升降汽缸采用进时令流的单向节流阀以调理手臂上升速度。由于手臂可自重降落，其速度调理仍采用在电磁阀排气口装置节流阻尼螺钉来完成，气液传送器汽缸侧的排时令流，可用来调整回转液压缓冲器的背压大小。 为简化气路，减少电磁阀的数量，各工作汽缸的缓冲均采用液压缓冲器。这样能够省去电磁阀和切换调理阀或行程节流阀的`气路阻尼元件。
4.控制方式选择
为了加强机械手的通用性，同时采用点位控制，我们采用可编程控制器（PLC）来控制机械手的运动（参见图4）。我们只需求改动PLC程序，就能够改动机械手的动作流程，运用起来十分便当。
（1）PLC的构造（参见图5）。PLC是一种专用于工业控制的计算机，其硬件构造根本上与微型计算机相同，普通由中央处置器、编程器、系统存储器、用户存储器和电源组成。
中央处置单元（CPU）是PLC的控制中枢。它依照PLC系统程序赋予的功用接纳并存储从编程器键入的用户程序和数据，检查电源、存储器、I/O以及戒备定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。
（2）系统输入/输出散布表见表1，电磁阀和系统输出对应表见表2。
（3）电路的总体设计。由于篇幅的关系，笔者仅列出含5个主要自在度（手臂的左右回转、手臂的伸缩、手臂的升降、手指的夹紧、伎俩回转）的电路设计，并以此来停止PLC编程，回路设计见图6。
图6 系统完成功用表示图
（4）机械手的程序设计。自动线的保送动作由步进电动机带动完成距离保送，完成设计请求的保送情况。其工作的过程是：机械手首先处于初始位置，然后经过一系列的动作将断续传送带上的工件拿走，此时传送带上的光电检测开关检测到工件被取走。然后传送带开端转动，当检测到下一个工件时传送带中止转动等候机械手来取工件，只需机械手取走工件，传送带就开端转动，这样设计是为了俭省工作时间从而不会呈现机械手等候传送带的时间。对程序的请求如下：①首先启动机械手。机械手自动复位，处于初始位置。②在机械手工作前要对其停止设备的检测。即机械手空运转一次，而且机械手的每一个动作都有相应的定时器停止监控，若超出规则的运转时间则以为是设备呈现毛病。③机械手设有急停按钮（普通状况下是不被允许运用）只要呈现紧急状况时才允许按此按钮。按下此按钮将切断储气罐与各汽缸的联络，将被切断各汽缸处于无动力状态。
（5）步进电动机的运转控制。由于对传送带的速度和精度请求不太高，选择三相步进电动机通电方式为三相双三拍，应用PLC中的M8014特殊功用继电器向环形脉冲分配器中发送脉冲，然后经光电转换和功放电路驱动步进电动机。
环形脉冲分配器选择YB01芯片，此芯片为专用三相步进电动机环形脉冲分配器，此芯片工作稳定、性能优秀，在实践消费中被普遍应用。
①步数控制。当对射式光电检测开关检测到共建的位置时，此时中止向脉冲分配器中发送脉冲，步进电动机将停在此位置不动。
②手动控制步进电动机。当按下手动启动步进电动机按钮时，M8013即向环形脉冲分配器中发送脉冲，步进电动机开端转动；当按下中止按钮时，步进电动机将中止。
③在报警和暂停状态下，步进电动机也将中止转动。
由此可见，步进电动机控制程序如下：
（6）各模块的程序设计。
①程序初始化。采用中间继电器M8002，中间继电器对系统各局部复位，定义各种标志包括系统初始化标志，系统启动暂停、急停、复位等标志，程序如下：
②定义系统复位标志M0。M0定义为系统初复位标志，它由机械手的右限位开关X0，下限位开关X5，收缩限位开关X3，伎俩右转限位开关X10同时激活，程序如下：
③定义系统启动标志M1。M1定义为系统启动标志由启动按钮和M0共同激活，程序如下：
④定义暂停标志M2。M2为暂停标志由暂停按钮激活，程序如下：
⑤定义急停标志M4。M4定义为急停标志，由急停按钮X19激活M4，同时激活特殊功用继电器M574（制止状态转换），平安阀将储气罐与机械手的联络切断，程序如下：
⑥定义系统复位标志M5。M5定义为系统复位标志，由复位按钮激活，当按下复位按钮系统时将向右转，伎俩右转，手臂收回，机械手降落，机械手右转的次第停止复位。当最后一个动作完成、下限位开关有效时，程序将执行RST M5，程序如下：
⑦机械手自检程序。机械手依照给定的次第（手抓加紧松开?伎俩右转左转?手臂伸长收缩?机械手左转右转）空执行一次，在每一个动作执行的过程中都会有定时器对每个动作停止监控。若超越设定时间（定时器设定的时间都超越每个动作的时间）则以为是机械系统出错，中止当前的动作发出报警信号，程序如下：
⑧自动运转程序。此形式为机械手工作的主要形式，这局部采用具有坚持功用的状态组件S500-S899，能够让机械手在断电后再次通电继续执行断电前的动作，程序如下：
三、结语
总之，本次设计的是气动通用机械手。相关于专用机械手，通用机械手的自在度可变，控制程序可调，因而适用面更广。采用气动式驱动，动作快速，可以完成精确定位，自动定位，控制性能好，可以很好地顺应各种恶劣的工作环境，不会因环境变化影响传动及控制性能。而且阻力损失和走漏较小，不会污染环境，同时本钱低廉。采用PLC控制，牢靠性高、可编程性强，无论是停止时间控制，或是停止行程控制、混合控制，都可经过设定PLC程序来完成，依据机械手的动作次第修正程序，使机械手的通用性更强，很好地顺应了工业控制的请求。
