0 引言

　　机械手是能模仿人手臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置，动作灵活。可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子等部门。针对目前救援井下人员相关方法进行研究和分析，由于机井的井口小且比较深，受难者在救援过程中容易遭到二次伤害。设计出的机械手具有动作灵活、自动化程度高、操作方便、救援可靠等特点。

1 机械手的机构设计

　　机械手是救援设备的主要执行部件，末端手爪移动到井下人员的手腕位置并实施救援，机械手的手臂类型选用关节型，该结构具有仿人臂结构，容易确定三维空间中的任意位置和姿态。手的运动通过手臂和手腕的运动组合而成。机械手设计了3个自由度，手臂1个自由度用于确定机械手运动范围，手腕2个自由度用于调整末端执行器在空问的姿态。依据设计要求。救援机械手由手臂、手肘、手腕、手爪4个部分组成。在电气控制下4个部分相互配合。实现3自由度的运动，机械手外形如图1所示。手肘由2根连接杆、2根摆动杆、旋转轴组成。连接杆和摆动杆通过旋转轴相连组成连杆机构，实现摆动功能，手肘如图2所示，手爪设计如图3所示。

2 机械手的电气控制原理

　　机械手的动作全部由气缸驱动基于PLC的井下救援机械手的设计而气缸又由相应的电磁阀控制，分别由3个双线圈两位电磁阀控制气缸的上升／下降、左移／右移和顺转／逆转动作，夹紧／放松由一个单线圈两位电磁阀控制气缸来实现，当线圈通电时，机械手夹紧；当线圈断电时，机械手放松。限位开关安装在机械手的极限位置，分别进行上升、下降、左旋、右旋、伸臂、缩臂等动作的限位，同时发出动作到位的输入信号，使机械手动作准确到位，通过安装光电开关负责检测，以确保安全。

　　机械手的工作过程：从原点开始，按下启动按钮，机械手下降。下降到井底时，碰到下限位开关，下降停止；同时机械手夹紧：夹紧后，机械手上升。上升到地面一定高度时，碰到上限位开关，上升停止：同时机械手右移。右移到位时，碰到右限位开关，右移停止：若地面安全，贝旷光电开关接通，机械手下降。下降到地面，碰到下限位开关，下降停止；同时机械手放松；放松后，机械手上升。上升到顶时。碰到上限位开关，上升停止：同时机械手左移。左移到位时，碰到左限位开关，左移停止，回到原点位置。至此，机械手经过8个动作完成了一个工作周期。

　　机械手的操作方式分为手动和自动操作方式，自动操作方式又分为步进、单周期和连续操作方式。根据控制要求，需安排一定的操作开关，设计的控制箱面板布置如图4所示。

图4操作面板布置图

　　接通10.7为单操作方式，操作时，按加载选择开关的位置。用启动／停止按钮选择加载操作，当加载选择开关打到左／右位置时，按下启动按钮，机械手右行；若按下停止按钮，机械手左行。该操作可使机械手停在原点。接通11.0为步进方式。机械手在原点时，按下启动按钮，向前操作一步；每按启动按钮一次操作一步。接通11.1为单周期操作方式，机械手在原点时，按下启动按钮，自动操作一个周期。接通11.2为连续操作方式，机械手在原点时，按下启动按钮，连续执行自动周期操作，当按下停止按钮，机械手完成此周期后自动回到原点并不再动作。

3 PLC的硬件设计

　　本设计控制系统选用的是德国西门子公司生产的S7—200 CPU224，该机械手的控制系统一共使用了14个输入量，6个输出量，输入／输出端子地址分配如图5所示。

图5输入／输出端子地址分配

4 PLC的软件设计

　　为了在程序中安排机械手控制系统单操作、步进操作、自动操作等功能程序，整体程序结构如图6所示，自动操作流程图如图7所示。

图6整体程序结构

图7 自动操作流程图

5 结语

　　设计采用PLC技术实现井下救援的机械手的自动控制，设计的机械手具有动作灵活、操作方便、救援可靠，能代替人类在危险环境中工作，对保障人身安全、减轻劳动强度都有着十分重要的意义。