气动机械手作为典型的机、电、气一体化装置，以其结构简单、价格低廉、动作迅速、可靠性高、无污染、功率体积比高、抗干扰性强及维修方便等优点，广泛应用于自动化生产的各领域中，已成为大、中专院校PLC技术、气动技术、传感器技术等课程的实验教学内容。本文选用四自由度的教学用气动机械手，通过PLC控制系统设计，顺序完成气动机械手的各动作，同时能使学生理论结合实际，增强感性认识，满足实验教学与科技创新设计需求。
1 结构组成及工作原理
1.1 气动机械手的结构组成
机械手的结构图如图1所示，由机械系统、检测系统、气动系统和电气控制系统4部分组成，主要部件有旋转气缸、悬臂气缸、手臂气缸、气爪气缸、支架、悬臂、手臂及气爪。该机械手通过4个气缸分别控制4个自由度，立柱回转和手爪旋转，实现4个周向自由度的控制，手臂升降实现轴向自由度的控制，手臂伸缩实现径向自由度的控制。
图1机械手结构图
1.2 气动机械手的工作原理
该机械手的任务是循环完成从圆盘抓取工件搬运至带输送机上。工作顺序为：初始位置开始→起动→悬臂伸出→手臂下降→延时0.6s→气爪夹紧工件→延时0.6s→手臂上升→悬臂缩回→机械手向右旋转→悬臂伸出一手臂下降一延时0.6s→气爪松开工件→延时0.6s→手臂上升→悬臂缩回一机械手向左旋转一返回初始位置一循环。
2 气动系统设计
机械手的气动系统是驱动执行机构运动的核心装置，主要由气源、控制阀、气缸组成，控制机械手伸缩、上下、旋转和手爪的松紧动作，其原理图如图2所示。开始运行前，机械手手臂上升到位，机械手悬臂缩回到位，机械手左旋到位，气爪松开，机械手回至初始位置。运行时，首先起动空压机获得一定压力的气源；然后压缩空气经过气源组件，得到干燥过滤后的气体；最后气体通过PLC控制的二位五通电磁换向阀的接通管路，实现气缸的连续动作，完成机械手的搬运任务。各动作的具体工作顺序如下。
图2机械手气动系统原理图
伸：气源→气源组件→快换接头→二位五通双向电磁阀A左位→快换接头→可调单向节流阀1→悬臂气缸左腔→机械手悬臂伸出到前限位传感器检测位X11处停止。
缩：气源→气源组件→快换接头→二位五通双向电磁阀A右位→快换接头→可调单向节流阀2→悬臂气缸右腔→机械手悬臂伸出到后限位传感器检测位置X12处停止。
上：气源→气源组件→快换接头→二位五通双向电磁阀B右位→快换接头→可调单向节流阀3→手臂气缸右腔→机械手手臂向上到上限位传感器检测位置X21处停止。
下：气源→气源组件→快换接头→二位五通双向电磁阀B左位→快换接头→可调单向节流阀4→
手臂气缸左腔一机械手手臂向下到下限位传感器检测位置X22处停止。
紧：气源→气源组件→快换接头→二位五通双向电磁阀C右位→快换接头→可调单向节流阀5→气爪气缸右腔→机械手手爪夹紧到夹紧限位传感器检测位置X31处停止。
松：气源→气源组件→快换接头→二位五通双向电磁阀C左位→快换接头→可调单向节流阀6→气爪气缸左腔→机械手手爪松开。
左旋：气源→气源组件→快换接头→二位五通双向电磁阀D右位→快换接头→可调单向节流阀8→旋转气缸右腔→机械手左旋到限位挡块处停止。
右旋：气源→气源组件→快换接头→二位五通双向电磁阀D左位→快换接头→可调单向节流阀7→旋转气缸左腔→机械手右旋到限位挡块处停止。
3 电气控制系统设计
PLC具有体积小、质量轻、抗干扰性强、可靠性高、使用方便、易于编程、价格低等优点，已替代传统的继电器电路，广泛应用于电气控制领域。该机械手的电气控制系统采用PLC进行控制，可很大程度上缩短控制系统的设计及调试周期。
3.1 PLC选型及I/O接口分布
由机械手气动系统原理图可知，该电气控制系统有起停控制信号2个，传感器位置检测信号7个，共9个开关量输入信号，8个电磁阀控制信号，8个开关量输出信号。考虑到机械手工作的可靠性及各控制元件连接的方便性与灵活性，根据控制系统需要的I／O接口数量、扩展能力及工艺要求，对PLC选用日本三菱公司生产的FX2N～32MR系列可编程控制器。该PLC具有16个输入点和16个输出点，可实现高速计数、定位控制等功能。I／O接口的分配见表1，PLC控制外部接线如图3所示。
图3机械手PLC控制外部接线图
3.2 PLC控制程序软件设计
可编程控制器编程语言包括梯形图语言、功能表图语言、布尔助记符语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等嘲。梯形图语言是应用最多的一种编程语言，最接近控制系统中的电气控制原理图。三菱FXGP-WIN-C编程软件，可实现在线通信、文件传送、操作监控及各种测试功能，支持梯形图、语句表和功能块图3种编辑器创建程序。
本文使用FXGP-WIN-C编程软件的梯形图编辑器创建程序，PLC梯形图如图4所示。设计的梯形图采用步进指令，PLC运行后，初始脉冲M8002置位初始步进So，机械手处于初始位置；按下起动按钮SB5，机械手执行状态S20至S34共15个步进的控制指令，完成一次搬运动作；按下停止按钮SB6，机械手立即停止当前的搬运工作；再按下启动按钮SB5，机械手接着停止时所处的位置继续运行；最后以步进指令RET完成步进控制。
图4机械手PLC梯形图
4 结语
初步运行试验证明，该试验用气动机械手能圆满完成搬运任务，其各项指标均达到预期要求。在电气控制方面，采用PLC软件编程不仅直观易理解，容易操作与修改；而且对其动作运行可根据设定情况随时进行调整，模拟各种生产线要求，具有很强的实用性。在课程实验教学和实训教学中，该项目综合利用多门课程知识，可满足学员对交叉学科的综合理解，取得良好的教学效果。
(审核编辑: Doris)
