李小蘭

(廈門興才職業(yè)技術(shù)學(xué)院 福建廈門 361024)

現(xiàn)代高等職業(yè)教育特點是培養(yǎng)高技能型的人才。這就必須要加強(qiáng)對學(xué)生動手實踐能力的培養(yǎng)，才能適應(yīng)時代和社會對高職學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的要求。尤其機(jī)電專業(yè)，社會需要的是既有理論知識，又有實踐能力的務(wù)實性綜合型人才。本文針對高職機(jī)電一體化學(xué)生走上工作崗位之前開展的機(jī)電一體化綜合實訓(xùn)所要求的內(nèi)容和技能，設(shè)計了一套適合高職學(xué)生特點的機(jī)電綜合實訓(xùn)設(shè)備。

1執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手腕、手臂、立柱等部件。手部是直接與工件接觸的部件，常用的主要有夾持式和吸附式兩種，本文采用的是夾持式手部結(jié)構(gòu)；手腕是連接手部和手臂的部分，主要作用是改變產(chǎn)品的空間方向和將作業(yè)載荷傳遞到手臂；手臂是連接立柱和手腕的部分，主要作業(yè)是改變手部的空間位置，滿足機(jī)械手的作業(yè)空間，并將各種載荷傳遞到機(jī)座； 立柱是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，起支承作用。

1.1 手部機(jī)構(gòu)設(shè)計

1.1.1手部夾緊氣缸設(shè)計 手部驅(qū)動力計算。設(shè)定工件重M=3kg，開閉角2θ=120°，b=120mm，N =24mm，摩擦系數(shù)f=0.1。則根據(jù)手指夾持工件部位，可得握力公式：

N=0.5Mtg(θ-φ)=0.5×3×tg(60°-5.42°)=15(N)

根據(jù)齒輪齒條式傳動，其驅(qū)動力為P=2bN/R=147(N)；而實際驅(qū)動力P實=PK1K2/η。

取η=0.94，取K1=1.5，若被抓取工件的最大加速度取a=3g時，則K2=1+(a/g)=4 ，所以，P實=245×1.5×4/0.94=1563(N)>P=137(N)；滿足要求。

1.1.2氣缸尺寸設(shè)計 手臂伸縮氣缸采用標(biāo)準(zhǔn)氣缸，參照各種型號的結(jié)構(gòu)特點，尺寸參數(shù)，結(jié)合本系統(tǒng)的實際要求，氣缸用CTA型氣缸，尺寸內(nèi)徑初選為φ100/63。在校驗尺寸時，只需校驗氣缸內(nèi)徑D=63mm，半徑R=31.5 mm的氣缸尺寸能否滿足使用要求即可。

1.1.3 導(dǎo)向裝置 氣壓驅(qū)動的機(jī)械手在進(jìn)行伸縮運(yùn)動時，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩的作用，以增加手臂的剛度，在設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置[2]。導(dǎo)向桿目前常采用的裝置有單導(dǎo)向桿、雙導(dǎo)向桿或四導(dǎo)向桿，本設(shè)計中采用單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。

1.1.4 平衡裝置 在本設(shè)計中為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè)重力矩對性能的影響，在手臂伸縮氣缸一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加平衡砝碼，砝碼的質(zhì)量根據(jù)手臂抓取工件的重量和氣缸的運(yùn)行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù)求使兩端接近平衡。

1.2 升降氣缸的設(shè)計

本次設(shè)計采用的氣缸運(yùn)行長度為L=118mm，氣缸內(nèi)徑D1=110mm，半徑R=55mm，氣壓P=0.4MPa，驅(qū)動力Go=PπR2=3799(N)。

1.3回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計

本設(shè)計采用氣缸的長度b=120mm， 氣缸內(nèi)徑D1=210mm，半徑R1=55mm，軸徑D2=40mm，半徑R2=20mm，氣缸運(yùn)行角速度ω=90°/s，加速時間為0.5s，氣壓P=0.4MPa，則力矩M=Pb(R2-r2)/2=255(N×m)。

2驅(qū)動系統(tǒng)

由機(jī)械手驅(qū)動臂部到達(dá)指定位置的動力裝置、調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置所組成。常用的有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動，本文采用的是結(jié)構(gòu)簡單，易于保養(yǎng)，成本較低的氣壓驅(qū)動方式。因氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速、反應(yīng)靈敏、阻力損失和泄露較小，成本低廉，因此本系統(tǒng)的機(jī)械手采用氣壓傳動[2]。氣動機(jī)械手的氣動回路設(shè)計主要由四個回路組成，分別為控制機(jī)械手運(yùn)動的升降、伸縮、鉗緊與放松、回轉(zhuǎn)五個動作，由三個雙作用缸和一個回轉(zhuǎn)氣缸組成。在氣壓回落設(shè)計過程中，通過二位四通的電磁換向閥控制方向，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的節(jié)流口大小控制流量大小，從而控制氣缸的運(yùn)動速度。

3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是支配著機(jī)械手按照工藝要求運(yùn)動的系統(tǒng)，一般是由程序控制系統(tǒng)和機(jī)械擋塊定位系統(tǒng)組成。

3.1 I/O電氣接線圖

機(jī)械手控制系統(tǒng)PLC的I/O電氣接線圖如圖1所示。

圖1 I/O電氣接線圖

3.2程序設(shè)計[3]

機(jī)械手系統(tǒng)的程序總體結(jié)構(gòu)分為公用程序、自動程序、手動程序和回原位程序4個部分。其中自動程序包括單步、單周期和連續(xù)允許的程序，因它們的工作順序相同，所以將它合編在一起。如果選擇“手動”工作方式，即X7為ON，X8為OFF，則PLC執(zhí)行完公用程序后，將跳過自動程序到P0處，由于X7動斷觸點斷開，所以直接執(zhí)行“手動程序”。由于X8的動斷觸點閉合，所以跳過回原位程序直接到P2處。如果選擇“回原位”工作方式，同樣只執(zhí)行公用程序和回原位程序。如果選擇“單步”、“單周期”或“連續(xù)”方式，則只執(zhí)行公用程序和自動程序。

公用程序如圖2所示，當(dāng)Y12復(fù)位(即松緊電磁閥松開)，左旋限位X29和上限位X24接通時，輔助繼電器M0為ON，表示機(jī)械手在原位。這時，如果開始執(zhí)行用戶程序(M8002為ON)、系統(tǒng)處于手動或回原位狀態(tài)(X7或X8為ON)，那么初始步對應(yīng)的M10被置位，為進(jìn)入單步、單周期、連續(xù)工作方式做好準(zhǔn)備。如果系統(tǒng)不處于原位，系統(tǒng)不能進(jìn)入單步、單周期、連續(xù)工作方式。當(dāng)X7為ON時，對M11～M25 的輔助繼電器復(fù)位，以防止系統(tǒng)從自動方式轉(zhuǎn)換到手動方式，在返回自動方式時出現(xiàn)兩種不同的活動步。

圖2 公用程序

4 本系統(tǒng)可實現(xiàn)的實訓(xùn)項目

4.1 氣動應(yīng)用技術(shù)實訓(xùn)

該系統(tǒng)可在原有的氣動元件基礎(chǔ)上，在配備一些單獨的氣動元件，如手動閥、機(jī)械閥、氣控閥等，即可構(gòu)成較為完善的氣動實訓(xùn)。通過相關(guān)實驗學(xué)生可學(xué)習(xí)氣動元件的工作原理和結(jié)構(gòu)、基本氣動回路、氣動系統(tǒng)邏輯設(shè)計方法。不但可以單獨學(xué)習(xí)每一種分離元件，還可以了解各種氣動元件之間以及氣動元件與其它元件之間如何配合起來進(jìn)行協(xié)調(diào)工作。比如通過對氣缸、節(jié)流閥、二位五通電磁閥的拆裝分析：寫出拆卸步驟、寫出各氣動元件的組成?？梢粤私鈿鈩釉膬?nèi)部結(jié)構(gòu)、性能和特點。通過節(jié)流調(diào)速回路實驗：畫出節(jié)流調(diào)試回路原理圖，分析節(jié)流調(diào)速回路的工作過程，即氣缸運(yùn)動方向、氣缸運(yùn)動速度、啟動和停止。可讓學(xué)生掌握節(jié)流調(diào)速的特點和工作原理。

4.2 PLC編程實訓(xùn)

整個系統(tǒng)可分為若干個獨立工作機(jī)構(gòu)，如機(jī)械手的各種行程控制等。在該系統(tǒng)上，學(xué)生不但可以學(xué)習(xí)PLC的各種技術(shù)，還可學(xué)習(xí)在綜合的工業(yè)環(huán)境下，如何使系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。

4.3 電氣電路實訓(xùn)

機(jī)電綜合實訓(xùn)系統(tǒng)各種機(jī)構(gòu)的電控部分均按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和習(xí)慣進(jìn)行設(shè)計，并提供全部設(shè)計圖紙和說明書，學(xué)生通過在配電柜上連接電氣控制圖，掌握常用電氣元件的結(jié)構(gòu)、工作原理、型號規(guī)格、使用方法及其在控制線路中的作用；學(xué)會分析電路的工作原理；熟悉常用電工工具的使用方法、使用主要事項；熟悉我國電氣設(shè)備有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，掌握用正確的電氣圖形符號和文字符號繪制電氣原理圖；掌握電路的連接、PLC各I/O地址的查對等。

4.4 系統(tǒng)的安裝與調(diào)試實訓(xùn)

機(jī)電綜合實訓(xùn)系統(tǒng)的各工作機(jī)構(gòu)可讓學(xué)生全部或部分拆除，再按要求重新組裝，如機(jī)械手本體部分，配電柜的低壓電器，并調(diào)試至系統(tǒng)正常，可靠地工作。這對提高學(xué)生的實踐動手能力有很大的幫助。

4.5 系統(tǒng)維護(hù)和故障檢測實訓(xùn)

通過對系統(tǒng)的日常維護(hù)，學(xué)生可學(xué)習(xí)機(jī)電設(shè)備的日常維護(hù)和保養(yǎng)的內(nèi)容、方法，以及通過對系統(tǒng)進(jìn)行故障設(shè)置，讓學(xué)生進(jìn)行排查，培養(yǎng)學(xué)生掌握氣壓傳動及電氣線路常見故障的分析和排除方法。

該系統(tǒng)配置靈活，硬件結(jié)構(gòu)簡單，開發(fā)周期短，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性好，實現(xiàn)機(jī)電綜合系統(tǒng)的軟硬結(jié)合，通過機(jī)電綜合實訓(xùn)可以培養(yǎng)機(jī)電學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)及基礎(chǔ)知識的能力，加強(qiáng)學(xué)生的動手實踐能力，提高機(jī)電學(xué)生解決實際工程技術(shù)問題的能力。

參考文獻(xiàn)：

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