气动搬运机械结构及控制系统设计

2022-05-28赵蔓丽施守涵俞张勇

现代制造技术与装备 2022年4期

赵拓赵蔓丽施守涵俞张勇

（无锡职业技术学院，无锡 214121）

机械手驱动方式有气动驱动、液压驱动、电力驱动以及机械传动等。气动驱动具有使用寿命长、可靠性高等特点，常被用作机械手驱动的首选，易于控制且不会造成任何环境污染。因此，各国对气动搬运机械手的研究越来越重视，是满足生产需要的重要工具[1]。本次设计的是基于气动技术的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）机械手，是现代机电一体化自动化生产线中适合频繁使用的、可做到6个自由度的运动控制工具，可以按照规定的程序和控制要求进行货物、工件的抓取、移动、装配等操作，并根据需要修改程序以实现功能扩展。

1 气动搬运机械手机械部分设计

气动搬运机械手通常有手动和自动两种控制模式。根据结构形式的不同，气动机械手可分为柱型、球型、直角型以及关节型[2]。本次设计的机械手为柱型机械手，机械结构如图1所示，主要由底座、立柱、臂、腕及手结构组成。机械臂升降运动通过机械支柱完成，机械臂旋转通过气缸驱动立柱旋转完成，伸缩升降臂通过伸缩气缸实现，手爪抓握操作由与齿轮齿条机构联动的气缸实现，每个气缸主要由PLC机控制。

气动搬运机械手手爪的常见形式包括夹持式和吸盘式两种。该机械手部为夹持式，包括手爪和动力传输机构。动力传输结构有滑杆式、螺旋花键式、齿条式及弹簧杆式等。本次设计的机械手部动力传输结构选用齿轮齿条式[3]。因为工件通常是圆柱形，所以手爪的形状设计成V形，手爪的开合主要通过齿轮和齿条的相互作用实现。齿条连接到活塞杆，齿轮连接到手爪。活塞杆下移的过程中，齿条下移，左右齿轮反方向旋转，此时机械手爪松开。相反，活塞杆上移的过程中，齿条上移，左右齿轮同方向旋转，此时机械手爪夹紧。

图1 气动搬运机械手的机械结构

手爪施加在工件上的夹持力是手部设计的基本依据，设计时需要分析和计算动作的大小、方向和力的作用点。一般情况下，要克服工件重力引起的静载荷和工件运动状态变化引起的惯性力，才能使工件保持可靠的装夹状态[4]。设机械手爪的夹持力为N，气缸驱动力为F，工件自身质量为5 kg，机械手爪的夹角范围在20°～120°，b=120 mm，R=24 mm。机械手部受力情况见图2。

图2 机械手部受力情况

如图2所示，当活塞杆的驱动力P一定时，夹持力N随着α的增加而增加。但是，如果α过大，拉杆（活塞杆）的行程就会过大，手爪滑动的尺寸和长度都会增加，导致结构变得臃肿。因此，一般推荐α为30°～40°。气动搬运机械手手部需具有结构简单、动作灵活、手爪开合角度大等特点，考虑到实际情况，本次设计α取值为38°。工件上承受的机械手夹紧力可以通过式（1）计算：

式中：K1为安全系数，取1.5；K2为工况系数，通常取1.03；g为工件的重力加速度，取9.8 kg·s-2；K3为手爪平放夹取工件的夹紧力方位系数，通常取0.5。因此，计算可得N=1.5 1.03 0.5 5 9.8≈37.9 N。

驱动力的计算公式为：

将相关数据代入式（2），可得驱动力P=379 N。

气缸直径的计算公式为：

按GB 2348—1993规范，回转气缸内径D=63 mm，活塞杆内径d=32 mm，升降气缸主要支撑机械手和工件的重量约为400 N。根据GB/T 2348—1993，升降气缸内径选取D=80 mm，活塞杆内径按设计选取d=40 mm计算。

考虑到机械手的通用性，为了水平布置工作，机械手手腕采用旋转结构和单翼回转气缸。手腕固定部分与气缸用螺钉固定，活动部分与转轴固定，活动部分的密封圈将气腔一分为二。当压缩空气供应到旋转气缸的两个腔室时，驱动板和气缸体一起旋转，实现手腕回转，结构简单紧凑[5]。

2 气动搬运机械手控制系统设计

2.1 设计思路

机械手系统的功能分析是对机械手需要完成的操作进行分析和实现。研究人员必须了解机械手各种功能的实现方式，主要是机械手的控制方法，并使用新设备开发新功能。因此，在机械手控制系统的构建中，机械手是基于气动工作环境的控制实现的，控制方式通过手动和自动模块实现。自动控制分为自动模块和半自动模块。对于某些操作，需要实现机械手的基本功能，如伸缩、旋转、垂直抓取和放置物体。电磁阀用于控制每次操作的驱动方向。气动回路用于控制驱动方向。

2.2 气动系统设计

机械手的上下、左右、回转等动作均能通过节气门回路进行控制。本次设计的气动系统如图3所示。

基本工作原理如下。

（1）当电磁阀YA3通电时，气源经过电磁阀14和管路压力控制回路，再经过单向节流阀4进入旋转气缸的左侧，向左推动和摆动机械手。

（2）当电磁阀YA1通电时，气源经过管路压力控制回路，经过电磁阀13，再经过单向节流阀1进入水平圆柱体3的右侧，机械手前伸。

（3）当电磁阀YA5通电时，气源经过电磁阀15、工作压力控制电路和单向节流阀7流入立式气缸左侧，推动垂直杆使其延伸（向下）。

（4）当电磁阀YA7通电时，气源经过管路压力控制回路，再经过电磁阀16和单向节流阀10。空气流经机械爪气缸，实现机械手的抓取动作。

（5）当电磁阀YA6通电时，气源经过电磁阀15，再经过管路压力控制回路，空气经单向节流阀8流入垂直气缸下腔，实现机械手上升。

（6）当电磁阀YA2通电时，气流通过电磁阀13后经单向节流阀2流入右腔，推动水平气缸的杆，驱动机械臂缩回。

（7）当电磁阀YA4通电时，气流经过电磁阀14后，经单向节流阀5流入回转机构右腔，推动机械臂右移。

图3 气动机械手气压系统

2.3 PLC的选型

气动机械手控制系统共有20个输入点和9个输出点。考虑到合理裕量原则，选用三菱FX2N-64MR型PLC，输入继电器（X）32个，输出继电器（Y）32个，可以满足设计要求。

2.4 控制系统软件设计

在手动控制模式中，通过单独按下按钮来实现控制。手动控制模式主要负责机械手方位校正可进行手动复位，使机械手回到初始位置。输入模式选择开关选择终点SA1-1，即选择手动操作模式。使用X14～X23对应的按钮对机械手进行手动控制：如需控制机械手爪松开，可闭合X15开关；如需手动复位，则用X23控制水平伸缩缸缩回，通过闭合开关X14实现机械手夹紧；X22闭合时，水平气缸水平伸出；X23开关闭合时，水平气缸水平缩回。自动化程序由单循环、连续、逐步的程序组成。当系统工作在连续模式或单周期模式时，引脚X11和X12实现工作方式之间的转换。结合控制需求，可以得到气动机械手自动控制的功能时序图，并使用STL和RET逐步指令将时序功能图转换为梯形图程序，如图4所示。