王宇鋼，朱彥松

（遼寧工業(yè)大學機械工程與自動化學院，遼寧 錦州121001）

0 引言

工業(yè)用機械手可以模仿人手的動作功能，已廣泛用于抓放材料、搬運物件或操持工具等工作[1]。氣缸驅動具有結構簡單、速度快、反應靈敏、易于維護和控制等特點，在機械手的驅動系統(tǒng)中被大量采用[2]。利用PLC作為機械手的控制核心，相比傳統(tǒng)基于繼電器-接觸器的控制模式可有效提高系統(tǒng)可靠性和適應性。隨著閥島技術的發(fā)展，利用PLC控制氣動機械手已變得越來越普遍[3]。

針對活塞桿零件滾絲加工生產的自動化上下料問題，本文設計了一種基于PLC控制的氣壓驅動搬運機械手，將該系統(tǒng)與滾絲機配套使用，對提高企業(yè)生產效率和智能程度具有積極意義。

1 機械手結構設計

1.1 搬運系統(tǒng)總體結構

本文設計的氣動搬運機械手主要用于將活塞桿工件從料臺搬運至滾絲專機，或將加工好的工件從滾絲專機搬運至下料臺。為了避免加工零件與機床發(fā)生干涉，機械手采用架空式布局，通過連接支架將搬運機械手與滾絲機相連，如圖1所示。

圖1 機械手安裝圖

1.2 機械手設計

結合活塞桿滾絲加工過程，機械手上料完成動作如下：機械手向下運動抓取工件，向上提起，橫向移動至兩滾絲輪軸心連線中點正前方，然后向下運動松開工件，放置于定位元件V型塊上。機械手上升，橫向移動返回上料初始位置。下料過程功能和執(zhí)行動作與上料過程相似。

根據機械手運動過程，本文設計的機械手由三個主要部件組成：氣動手指、三桿氣缸、磁耦無桿氣缸[4]。一個氣動手指實現抓和放工件動作，氣動手指通過連接塊與一個垂直方向的三桿氣缸連結，三桿氣缸實現豎直方向上升和下降運動，三桿氣缸通過連接板與一個水平方向的磁耦無桿氣缸滑塊連結，在水平方向磁耦無桿氣缸裝載三桿氣缸及氣動手指往復運動。氣動機械手結構如圖2所示。

圖2 氣動機械手結構圖

采用氣動手爪作為機械手的終端執(zhí)行部件。帶導桿氣缸將與活塞平行的導桿與氣缸組成一體，具有結構緊湊，導向精度高，能承受較大的橫向負載和力矩的特點，因此用于連接氣動手爪，實現豎直方向上下運動。無桿氣缸可承受高懸臂負載，具有省空間，重量輕，自導向，行程可變多樣的特點，已經廣泛應用于懸掛機械設備移動。為了匹配機械手架空式布局，機械手設計的氣動機械手采用無桿氣缸帶動懸臂水平移動。

2 氣動系統(tǒng)設計

按照氣缸的工作原理，在機械手的搬運動作過程中，采用3個三位四通電磁閥6個點來實現下降-抓緊-上升-左平移-下降-放開-上升-右平移復位動作，并且各氣路中均配置了節(jié)流閥，可以調節(jié)氣流速度。此外，氣動機械手的運動控制信號部分采用了信號開關：左右極限位置各用1個磁電開關，上下極限位置也各采用1個磁電開關。最后機械手再配上3個按鈕，分別用于啟動、停止和重啟。氣動原理圖如圖3所示。

圖3 氣動系統(tǒng)原理圖

3 PLC控制系統(tǒng)設計

3.1 PLC型號的選擇

分析搬運機械手運行需求可知，其共需7個輸入端子和6個輸出端子，PLC的地址分配表如表1所示。

表1 氣動機械手PLC地址分配表

由西門子生產的S7－200系列PLC可滿足控制機械手運動的 PLC 地址分配[5]。S7－200（CPU224）型號PLC共有14個輸入點、10個輸出點，5KB內存，6個計數器以及256個定時器。PLC和有關信號的系統(tǒng)接線圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)接線圖

3.2 PLC的程序設計

順序功能圖（Sequential Function Chart，SFC）是描述控制系統(tǒng)的控制過程、功能和特性的一種圖形，也是設計PLC的順序控制程序的有力工具。所謂的順序控制，就是按照生產工藝預先規(guī)定的順序，在各個輸入信號的作用下，根據內部狀態(tài)和時間的順序，在生產過程中各個執(zhí)行機構自動地、有秩序地進行操作。順序設計法最基本的思想是將系統(tǒng)的一個工作周期劃分為若干個順序相連的階段，這些階段稱為步（Step），然后用編程軟件（例如存儲器位M）來代表各步。運用PLC進行順序控制時常采用順序功能圖描述程序的設計思想，然后根據順序控制指令編寫符合程序設計思想的程序[6]。

順序功能圖是設計梯形圖程序的基礎，通過控制指令可將順序功能圖轉換為相應的梯形圖程序。本文根據機械手執(zhí)行動作的控制要求，按照輸出量的狀態(tài)變化，將機械手搬運動作的一個工作周期分為9個順序相連的執(zhí)行步（M0-M8），設計的機械手搬運功能流程圖如圖5所示。

圖5 功能流程圖

4 結束語

本文設計了一種基于PLC控制的氣壓驅動搬運機械手，可用于活塞桿零件滾絲加工生產的自動化上下料。該機械手采用氣缸驅動方式，可以充分利用豐富的空氣介質減小開發(fā)成本，同時因氣缸移動迅速，結構簡單，降低了維護難度，提高了工作效率。

同時，采用PLC實現對機械手的氣動控制，相比較傳統(tǒng)的繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，由于利用可編程序存儲器實現控制功能，提高了控制系統(tǒng)的可擴展性和靈活性。此外，通過軟件編程的方式控制電磁閥的開關通斷，可迅速調節(jié)空氣的流速和方向，提高了控制的精度。