引言

自上世紀60年代，機械手被實現為一種產品后，對他的開發應用也在不斷的發展，最典型的發展是生產者將此產品應用與衛生行業，從而實現了衛生檢驗中急需短時間、大量樣品數據的要求，但在衛生領域的機械手因采用樣品單一酶試劑顯色法，且采用濾光片結構設計，造成試劑價格昂貴，限制了產品的市場發展，隨著科學技術的發展，機械手的設計也突破了單一試劑、加熱及濾光片的束縛。工業機械手按驅動方式可分為電機驅動、機構驅動、液壓驅動、氣壓驅動等。電機驅動機械手運動速度快，抓力大，但存在速度難以控制的不足；液壓驅動抓力較大，但速度慢；而氣壓則速度較快，抓力小。

隨著工業機械化和自動化的發展及氣動技術自身的一些優點，氣動機械手已經廣泛應用于生產自動化的各個行業。進二十年來，氣動技術的應用領域迅速擴寬，尤其是在各種自動化生產線上得到廣泛的應用。電氣可編程控制器技術與氣動機械手技術相結合，使整個控制系統自動化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠；氣動機械手、柔性自動化生產線的迅速發展，對氣動技術提出了更多更高的要求；微電子技術的引進，促進了電氣比例伺服技術的發展，現代控制理論的發展，使氣動技術從開關控制進入閉環比例伺服控制，控制精度不斷提高。

隨著機械手技術的發展，加上PLC控制技術及電機控制技術的應用，適用于工業自動化生產的通用機械手得到了廣泛的應用。PLC用軟件代替大量的中間繼電器和時間繼電器，僅剩下與輸入和輸出有關的少量硬件，接線可減少到繼電器控制系統的1/10~1/100，因觸點接觸不良造成的故障大為減少。高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由于采用現代大規模集成電路技術，采用嚴格的生產工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。由于氣動機械手結構簡單、控制方便、定位準確,因此在自動化生產線上得到了廣泛應用。本文將介紹一種采用PLC與步進電機控制的氣動搬運機械手。

1、氣動機械手簡介

氣動機械手主要由氣缸，平行機構，鉸鏈，固定爪和活動爪氣缸五大部分組成。本文所設計的機械手結構特點是采用氣動缸驅動，集平行機構與單邊擺動機構于一體。為了克服氣壓驅動的不足，快進過程采用差動回路，工作過程采用同步回路與調壓回路。如圖1所示為氣缸驅動式機械手結構示意圖，如圖2所示氣動機械手的動作順序圖。

圖1機械手結構示意圖

圖2氣缸動作順序圖

1.1執行機構

執行機構包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。

1、手部

即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型。回轉型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內撐式;指數有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。

2、手腕

是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢)

3、手臂

手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置.工業機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現手臂的各種運動。

4、立柱

立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯系。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。

5、行走機構

當工業機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安滾輪式行走機構可分裝滾輪、軌道等行走機構，以實現工業機械手的整機運動。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。

6、機座

機座是機械手的基礎部分，機械手執行機構的各部件和驅動系統均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。

1.2驅動系統

驅動系統是驅動工業機械手執行機構運動的動力裝置調節裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統有液壓傳動、氣壓傳動、機械傳動。控制系統是支配著工業機械手按規定的要求運動的系統。目前工業機械手的控制系統一般由程序控制系統和電氣定位(或機械擋塊定位)系統組成。控制系統有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規定的程序運動，

并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統的信息對執行機構發出指令，必要時可對機械手的動作進行監視，當動作有錯誤或發生故障時即發出報警信號。

1.3動作流程

在初始位置時，機械手張開一定角度，即缸2的初始角度為0，氣缸1有一定的偏移角度。

該氣動機械手工作過程為:當工件推入存放料臺后,氣動機械手手臂前伸--前臂下降--氣動手指夾緊工件--前臂上升--手臂縮回--手臂右旋到位--手臂前伸--前臂下降--手爪松開將工件放入料口--前臂上升--手臂縮回--機械手左旋返回原位,等待下一個工件到位,然后重復上面的動作。

氣動機械手的左/右旋轉主要靠步進電機驅動實現,本系統選用了三相混合式步進電機及細分型步進電機驅動器作為機械手旋轉運動的驅動裝置和定位裝置。為了機械手定位需要,在機械手底座裝有電感傳感器作為機械手的基準傳感器,并在機械手左/右旋轉的極限位置裝有限位開關。

2、運動控制系統設計

控制系統是支配著工業機械手按規定的要求運動的系統。目前工業機械手的控制系統一般由程序控制系統和電氣定位(或機械擋塊定位)系統組成。控制系統有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統的信息對執行機構發出指令，必要時可對機械手的動作進行監視，當動作有錯誤或發生故障時即發出報警信號。

PLC是控制系統的核心器件，它相當于人的大腦，控制我們一切的動作。它的結構一般是由中央處理器、電源部件，輸入、輸出部分構成。圖3為一般PLC的結構模塊圖。PLC的軟件簡單易學、使用維護方便；集電控、電傳、電儀于一體；可靠性高、抗干擾能力強；PLC網絡的性能價格比高，以至成為現代工業自動化三大支柱之首。現在世界上比較出名的PLC公司有日本的三菱、松下，美國的A-B以及德國的西門子等，每一個公司的產品都有它的獨特之處。

該系統可編程控制器件采用的是西門子公司的300系列PLC，具體型號為315-2PN/DP，315-2PN/DP性能參數及模塊參數如下表1所示：

表1西門子315-2PN/DP及模塊性能參數

3、傳感器

接近開關傳感器的概念在各類開關中，有一種對接近它物件有“感知”能力的元件——位移傳感器。利用位移傳感器對接近物體的敏感特性達到控制開關通或斷的目的，這就是接近開關。當有物體移向接近開關，并接近到一定距離時，位移傳感器才有“感知”，開關才會動作。通常把這個距離叫“檢出距離”。不同的接近開關檢出距離也不同。

接近傳感器的選型和檢測對于不同的材質的檢測體和不同的檢測距離，應選用不同類型的接近傳感器，以使其在系統中具有高的性能價格比，為此在選型中應遵循以下原則：

（1）當檢測體為金屬材料時，應選用高頻振蕩型接近傳感器，該類型接近傳感器對鐵鎳、A3鋼類檢測體檢測最靈敏。對鋁、黃銅和不銹鋼類檢測體，其檢測靈敏度就低。

（2）當檢測體為非金屬材料時，如；木材、紙張、塑料、玻璃和水等，應選用電容型接近傳感器。

（3）金屬體和非金屬要進行遠距離檢測和控制時，應選用光電型接近傳感器或超聲波型接近傳感器。

（4）對于檢測體為金屬時，若檢測靈敏度要求不高時，可選用價格低廉的磁性接近式傳感器或霍爾式接近傳感器。

圖4接近開關傳感器的原理圖

4、PLC動作控制與仿真

采用德國西門子S7-300編程操作面版進行PLC梯形圖編程。I0.0為電源開關，I0．1為缸2行程開關，I0.4為缸1行程開關，I0.2為缸2限位開關，I0.3為缸1限位開關，M0.0、M0.1為中間繼電器，QO.1、Q0.2為電磁閥YA1、YA2，Q0.3、Q0.4為電磁閥YB1、YB2，Q0.5、Q0.6為電磁閥YC1、YD2。當電源開關I0.0接通，中間繼電器M0.0自鎖，QO.1、Q0.3同時得電，實現機械手同步伸動作；當固定爪接觸到物體，行程開關I0.4常閉觸點斷開，Q0.1失電，缸1停止，缸2繼續運動；當活動爪抓牢物體，行程開關I0.1常閉觸點斷開，常開觸點閉合，Q0.1、Q0.3失電，Q0.2、Q0.4、Q0.5、Q0.6得電，缸1、缸2同時縮回；當缸1到達指達初始位置，限位開關I0.3常閉觸點斷開，缸1停止，缸2繼續運動放開物體；當缸2到達指達初始位置，限位開關I0.2常閉觸點斷開，完成一個循環過程。梯形圖中中間繼電器M0.0、M0.1實現互鎖。

按液壓氣路在西門子液壓PLC控制實驗臺上完成液壓回路接線，采用STEP7對S7-300進行編程，實驗仿真結果如圖5所示。

圖5仿真結果

5、結論

本次設計的是氣動通用機械手，相對于專用機械手，通用機械手的自由度可變，控制程序可調，因此適用面更廣。采用氣壓傳動，動作迅速，反應靈敏，能實現過載保護，便于自動控制。工作環境適應性好，不會因環境變化影響傳動及控制性能。阻力損失和泄漏較小，不會污染環境。同時成本低廉。采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優點，無論是進行時間控制還是行程控制或混合控制，都可通過設定PLC程序來實現。可以根據機械手的動作順序修改程序，使機械手的通用性更強。

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