1 概述
随着机械手技术的广泛应用，具有独立控制器、程序叮变、动作灵活、定位精度高、适用于中小批量自动化生产的通用机械手得到迅速发展。本文开发研制的新刑气动搬运机械手书采用了混合驱动技术，除了气动机械手常见的机械和气动部件外，混合型气动机械手增加了步进电机、直流电机、光电传感器等电气部件，覆盖了PLC控制技术、气动技术、位置检测技术等，是机电气一体化的典型设备，有着广泛的应用前景
2 气动机械手系统组成和工作原理
本文研制的气动机械手是一种具有3个自由度的极坐标型机械手，极坐标型机械手其有占地面积小，结构紧凑，便于与其他机器人协调一「作、重量较轻等特点，机械手的手臂运动由一个直线运动(沿手臂力一向的伸缩)和两个转动(绕中心轴的顺逆时针力一向旋转和绕水平轴的仰俯)所组成，可以完成俯仰、伸缩,转3个自由度的运动，机械手由机械系统、位置检测系统、气动及控制系统3部分组成。图1为气动机械手的结构示意图。
图1气动机械手结构示意图
机械手的俯仰和伸缩动作采用气动方式驱动，绕水平轴的仰俯动作由俯仰气缸通过连杆机构来实现，将气缸的直线运动转化为手臂的仰俯运动，俯仰及伸缩气缸选用标准气缸，由于抓取工件和堆放工件都有位置定位的要求，因此在气缸上安装有红外光电式传感器，气缸杆上固定有透射式光栅，气缸杆的移动带动光栅移动。产生光电信号脉冲，光电信号通过底座中内置的信号转换电路进行处理后反馈到PLC输人端,PLC控制程序对该反馈信号进行处理、判断乎臂的运动是否到位，然后发出控制信号给电磁换向阀来控制气缸的运动和停止。实现机械千任意定位的需要。
机械手的气动原理图如图2所示，气动系统由气源、气动下联件、气动系统控制阀、俯仰及伸缩气缸等组成，整个气动系统卞要完成俯下、仰起、仲出、缩回4个动作，由空压机获得气源，经气动=联件，得到清洁、干燥的空气，经过二位五通电磁阀实现运动的转换。电磁阀YV1,YV2,YV3 ,YV4由PLC进行控制。俯仰及仲缩气缸的原位信号由光栅尺卜的原位标记X2,X3提供。限位信号由由光栅尺卜的限位标记X13 ,X14提供，位置信号由光栅尺产生的脉冲信号提供。
图2气动机械手气动原理图
气动机械手绕，中心轴的回转运动采用步进电机驭动来实现，选用了二相混合式步进电机与其配套的等角度恒力矩细分型步进电机3rx动器作为机械手迥转运动的驭动及定位装置，步进电机内置于机械手底座当中，由于定位控制的需一要，迥转台迥转至0°及180°位置时，在底座上设有原点开关及限位挡块。在控制电路中，由PLC把脉冲信号CP、方向信号DIR等控制信号发送给步进电机驱动器来控制步进电机的转动速度、力一向及位置，从而实现对步进电机的伺服定位控制。
气动机械手的手爪运动设计考虑到结构与外观的需要选用一f机械手爪。采用永磁直流减速电机来驱动手爪，电机的旋转运动通过丝杆螺母机构转化为直线运动，再通过连杆机构转换成手爪的开合运动，由PLC控制一对继电器KA1, KA2实现直流电机的正反转控制，实现手爪的开合抓放动作。
3 气动机械手控制系统设计
1)机械手动作过程的I.艺分析
气动机械手要实现物品的自动搬运工作，机械手需要先回到原点位置。可根据不同的工艺要求来设定机械手的动作顺序和动作的位移，要求控制系统具有手动运行模式、回原点模式和自动运行模式、半自动模式、手动模式功能为:按下手动按钮，气缸、步进电机、手爪电机工作相应手动控制:回原点模式功能为：按下回原点按钮，伸缩气缸返回到缩回极限位置，俯仰气缸返回到仰起极限位置，步进电机迥转到逆时针转动极限位置，手爪闭合到完全闭合状态;全自动模式功能为:在完成回原点操作后。按下全自动按钮叮实现连续的工作循环，当按下停止按钮后，机械手将在1个工作循环后才停止:半自动模式功能为:按下半自动按钮.机械手在完成1个工作循环后自动停止，设计机械手自动循环工作的动作顺序为:俯下→正转→开爪→伸出→合爪、缩回原位→反转回原位→仰起回原位、停止，得到机械手的工步状态表如表1所示。
2)PLC选型I/O分配
考虑到机械手工作的稳定性、可靠性以及连接的方便性，根据控制系统需要的主令升关，检测信号和执行电器的数量及工艺要求，选用了具有24点输人、16点输出的松下电工 FPl -C40型PLC作为控制单元，其IIU端口与气动机械手及控制操作盒连接.，PLC的I/O分配表见表2。
3)PLC控制程序软件设计
可编程控制器的控制程序设计采用了逐步通电、同步断电的步进式顺序控制设计方法.该设计方法互锁严密，受控对象的任一步动作的是否执行，取决于控制系统前一步是否已有一输出信号，以及受控对象的动作是否完成。若前一步的动作未完成。则后一步的动作无法执行，即使转步信号儿件失灵或出现"n操作。也不会导致动作顺序错乱。控制程序由初始化、手动运行、回归原点、自动运行及故障报警处理等程序组成。
4 结束语
本文研制成功的混合气动机械手本休外形尺寸为:680*478*270m3，控制系统硬件内置于底座当中，总重量18KG于搬移到不同的场合使用(如图3所示)，经过《工业机器人》、《机械设备自动柠制》、《气动技术》等课程教学实验的实际应用，系统稳定叮靠、使用方便、成木低，具有叮编程、二次设计等开放式功能特点，对提高学生的工程素质、创新能力及综合实践能力有显著效果，叮满足培养综合性和创新型、复合工程技术人员的要求，.具有很好的应用推广价值。
图3气动机械手实物图
(审核编辑: 沧海一土)
