四自由度机械手控制系统的设计

安 军 郑书华 欧阳青 朱宇科

（宁波工程学院，宁波 315211）

搬运机械手是在自动线上搬运物料的一种自动化装置，主要功能是将物料从生产线上转运到下道工序或进行存放操作。本文设计的四自由度的机械手工作流程如下：立柱正转→上升→手臂伸出→抓取并夹持物料→手臂缩回→立柱反转→立柱下降→手臂伸出→松开并放置物料→手臂缩回。本文主要采用继电器系统设计了机械手电气控制和气动设计，控制方法相比较PLC控制更加可靠，可以有效提升生产效率，为简易机械手设计及制造起到借鉴作用。

1 四自由度机械手模型的建立

本文设计的四自由度简单机械手，有四个受控制的自由度，其中三个自由度不是确定的，本文选择z轴旋转，z轴和x轴为机械手研究对象，在这几个自由度控制下机械手进行上下移动、伸缩和旋转动作。四自由度机械手由旋转关节移动连杆组成，适用于运动距离较大场合，其中绕Z轴旋转是为了快速实现机械手所夹持工件位置变化；沿Z轴移动主要为了使夹持位置和旋转更加迅速方便；沿X轴移动能够实现大距离、小运动，节约空间。机械手模型如图1所示。

图1 机械手关键部件连接图

具体控制流程如下：

（1）机械手展开手夹打开→旋转工作台正转到位置1→Z轴气缸推动导杆垂直下降到位置1′→X轴气缸伸长到位置3→机械手夹夹取工件；

（2）Z轴气缸推动导杆垂直上升到位置1→旋转台反转→X轴气缸收缩导杆动作到位置3′；

（3）Z轴气缸推动导杆垂直下降到位置4→机械手夹打开放工件；

（4）Z轴气缸推动导杆垂直上升到位置1→旋转工作台正转到位置1→Z轴气缸推动导杆垂直下降到位置1′→X轴气缸伸长到位置3→机械手夹夹取工件；

（5）Z轴气缸推动导杆垂直上升到位置1→旋转台反转→X轴气缸收缩导杆动作到位置3′；

（6）Z轴气缸推动导杆垂直下降到位置4→机械手夹开夹→放工件。

2 气动原理

机械手动作元件由四个气缸控制，分别为两个直线运动气缸、一个气动爪和一个旋转气缸。气动爪用于夹取工件，通气状态下只存在夹紧和松开两种状态；在另外三个气缸运动极限位置分别安装磁感应式接近开关，对气缸位置进行检测。旋转气缸绕中心旋转角度最大为180°，本设计只为达到动作顺序，对精度无太高要求；气缸运动速度由与其连接的节流阀控制。在失电状体下，各气缸均在设定初始状态，正反装气缸初始位置为正转极限；伸缩气缸初始状态为缩回；上下气缸初始状态为下降极限位置；气缸爪初始为松开。各初始状态均在电磁换向阀失电状态下保持稳定。

3 继电器电气设计

在系统设计中，如图3所示，对于任务动作的衔接，一部分用磁感式接近开关，在没有磁感式接近开关的地方采用时间继电器进行下一步动作。另外，设计思路上利用中间继电器KA实现上一个动作的停止和下一个动作的启停，例如，图中的中间继电器KA5的作用在SQ5接通后，使线圈KM5得电，利用它的常闭触点断开了KM1线圈的得电；时间继电器KT1延时6S后，延时闭合触点闭合，接通了KM2和Y2的线圈，执行延时后的相应动作， 时间继电器KT3，它的延时打开触点KT3在延时6s后断开了整个机械手的动作。气动回路部分通过气缸上的磁感式接近开关，将各气缸位置状态信息反馈给继电器控制系统。继电器系统通过控制三位六通阀实现气路的改变，从而改变气缸的运动方向。

4 结论

基于继电器控制系统设计了一款四自由度机械手控制系统，改善了原有机器运转时抖动和失步问题，该系统仅利用四个自由方向运动就能使系统处于良好状态。根据实际工作需求，可进一步完善夹紧装置，节约空间位置。在条件允许情况下，采用四自由度机械手控制系统旋转方式代替手动的操作，既可以减小占用空间，也可以提高机械加工效率。