教学用气动机械手的研制

李硕 唐勤生 王朝兵

摘 要：介绍了一种采用PLC控制，以气缸作为动力元件的气动机械手结构、工作原理、动作过程。采用PLC的控制，实现气动机械手的三种运行方式：单步、循环以及复位。通过学生自主装拆实验证明气动机械手控制简单、运行稳定、装拆简便、安全，适合于学校教学实验。

关键词：气动机械手；气缸；PLC

中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）01（a）-0000-00

Abstract：This paper introduces the pneumatic manipulator which is controlled by a PLC and using cylinder as the power components，the structure，working principle and action process .To realize three kinds of operation modes by PLC：single step，circulation，and reset.To prove the simple control，stable running，convenient installation，safe and suitable for the school teaching of the pneumatic manipulator by PLC.

Key Word：pneumatic manipulator；cylinder；PLC（Programmable logic Controller）

1 前言

在科技飞速发展的今天，气动机械手取代人力进行操作已经是十分普遍的事情。气动机械手凭借其定位准确、效率高、结构简单以及控制方便等优点在自动化生产线上 得到了广泛的应用。尤其是用机械手来代替人力进行一些高危、繁重的操作。同时，气动机械手又是集机械结构、气动系统与控制系统于一体的典型的机电一体化产品。本文介绍的是适合学校教学、可以让学生自行安装、调试，进行课程教学实验的气动机械手。

2 气动机械手的结构以及工作原理

2.1气动机械手的机械结构：

图1为气动机械手的结构示意图，它总共包括了旋转气缸A、升降气缸B、伸缩气缸C、夹手气缸D。其主要元件的功能为：

A 旋转气缸：控制机械手臂的旋转。

B 升降气缸：控制手臂的下降与提升。

图1 气动机械手结构

C 伸缩气缸：控制手臂的伸出与缩回。

D 夹手气缸：控制手指的松开与夹紧。

气动机械手的机械结构具有如下的特点：

1） 便于制造。

2） 适合学生装拆实验，适用于教学。

2.2气动机械手的气动系统：

机械手气动系统应满足系统作用要求，结构尽可能的简单些，以便于实验时组装与拆卸，应满足一下三点要求：

1） 机械手结构要满足最基本的安全性，夹手气缸在电磁铁失电的状态下仍处于夹紧状态。

2） 手臂升降气缸和手臂伸缩气缸采用具有导向功能的气缸。

3）所有气缸元件的活塞上都应该带有磁环，以便气缸外的磁性开关发出信号控制机械手的工作顺序和下一步的动作。

2.3气动机械手的控制系统：

气动机械手的控制系统可选用继电器控制、PLC控制、微机控制和单片机控制。根据实验的要求，可更换不同的控制模块即可实现不同的控制方式，试验中选择PLC控制。

采用PLC具有工作系统稳定，抗干扰能力强，便于编写程序，安装简单、维修方便等优点。选择PLC控制，机械手的控制系统由一台PLC组成，当气缸工作到位时，他将信号传给PLC，再由PLC根據控制程序发出指令，来控制下一步动作。

3 气动机械手的PLC控制系统

3.1气动机械手的电磁铁的工作状态。

当气缸活塞出于伸出状态时，电磁铁出于得电状态，当气缸活塞收回时，电磁铁出于失电状态。

3.2气动机械手的原位状态：

气动机械手处于原位状态时，旋转气缸处于0度（左旋到底）状态，升降气缸和伸缩气缸的活塞都处于收回状态。手指气缸处于松开状态。

3.3气动机械手的操作面板：

机械手的开关面板有一个三挡开关按钮和两个按动按钮组成。

3.4气动机械手PLC控制接口图：

气动机械手采用西门子S7-200系列PLC，其I/O接线图如图4所示。

3.5气动机械手的工作顺序：

该气动机械手的工作过程为：原位→启动→手臂前伸S4→前臂下降S6→夹手夹紧S7→前臂上升S5→手臂收回S3→旋转气缸右旋180度S2→手臂前伸S4→前臂下降S6→夹手松开S8→前臂上升S5→手臂收回S3→旋转气缸左旋180度S1→停止→原位。3.6气动机械手PLC控制程序设计：

采用西门子公司PLC编程软件进行编程设计，编程方法则是使用的最多的图形编程语言——梯形图，这种方法逻辑清晰，直观易懂很容易被人掌握。

气动机械手PLC控制程序含有三部分，即复位程序、循环程序位和单步程序。

1） 复位程序要求

将三挡开关拨到复位档，I1.3和I1.4都无输入信号，按下启动按钮，I1.2有一输入信号，则Q0.0、Q0.1、Q0.2都无输出信号，Q0.3有一输出信号，即Y1、Y2、Y3失电，Y4得电，旋转气缸左旋，手臂收回，前臂上升，前臂上升，S1、S3、S5、S7闭合，I0.1、I0.3、I0.5、I0.7有一输入信号，机械手回到原位。

2） 循环程序要求

将三挡开关拨到循环档，I1.4有一输入信号，按下启动按钮，I1.2有一输入信号Q0.1有一输出信号，Y2得电，手臂前伸，S4闭合，I0.4有一输入信号，Q0.2有一输出信号，Y3得电，前臂下降，S6闭合，I0.6有一输入信号，……，依次类推，机械手将按照工作顺序动作下去。按下停止按钮后，机械手将停止动作。

3） 单步程序要求

将三挡开关拨到单步档，I1.3有一输入信号，按下启动按钮，I1.2有一输入信号，Q0.1有一输出信号，Y2得电，手臂前伸，S4闭合，I0.4有一输入信号，再按下启动按钮，Q0.2有一输出信号，Y3得电，前臂下降，S6闭合，I0.6有一输入信号，再按下启动按钮，……，依次类推，机械手将按照工作顺序，每按一次按钮动作一步。

4 结论：

气动机械手是集机械结构，气动系统与控制系统于一体的典型的机械结构。它具有操作方便，拆卸简单，适用于学生教学的特点。

[参考文献]：

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[2] 蒋少茵. 机械手模型与设计[J]华侨大学学报（自然科学版）. 1998（10）.

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