气动机械手的设计及其PLC控制

2 机械手的设计方案
对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾一放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。
本次设计的机械手是通用气动上下料机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，它可用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。
2.1 机械手的座标型式与自由度
按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。
所示为机械手的手指、手腕、手臂的运动示意图。

图2-1 机械手的运动示意图
2.2 机械手的手部结构方案设计
为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。
2.3 机械手的手腕结构方案设计
考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。
2.4 机械手的手臂结构方案设计
按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。
2.5 机械手的驱动方案设计
由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。
2.6 机械手的控制方案设计
考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。
2.7机械手的主要参数
1、主参数 机械手的最大抓重是其规格的主参数，目前机械手最大抓重以10公斤左右的为数最多。在本设计中该机械手主参数定为5公斤，高速动作时抓重为2公斤。使用吸盘式手部时可吸附2公斤的重物。
2、基本参数 运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。
该机械手最大移动速度设计为12cm/s，最大回转速度设计为50°/s。平均移动速度为l0cm/s，平均回转速度为40°/s。
机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为250mm,手臂安装前后可调50mm，由于该机械手设计成手臂安装范围可调，从而扩大了它的使用范围。手臂升降行程定为400mm。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为土0. 5± 1mm。旋转角度为180°。
2．8 机械手装配
2．8．1 手部结构设计
设计针对的是工件是棒料时，使用夹持式手部。夹持式手部结构由手指 (或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等，本设计选择齿轮齿条式。
设计时考虑的几个问题：
(一)具有足够的握力 (即夹紧力)
在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。
(二)手指间应具有一定的开闭角
两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。
(三)保证工件准确定位
为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。
(四)具有足够的强度和刚度
手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。
(五)考虑被抓取对象的要求
根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如图所示。
本课题气动机械手的手部结构如图2-2所示，其工件平均重量G=2公斤，V形手指的角度2θ=120°，b=50mm， R=10mm,摩擦系数为f=0. 10。
其中：N = 0.5G10tg(θ±5°) ≈ 0.520tg60°=17.3N
夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为P = N = 173 N。

图2-2 齿轮齿条式手部

2．8．2 手部结构设计
手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。
由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求。
目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油(气)缸，因此我们选用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于360°，并且要求严格的密封。
手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩。图2-3所示为手腕受力的示意图。

1.工件 2.手部 3.手腕
图2-3 手碗回转时受力状态
3 气动系统设计
图3-1所示为该机械手的气压传动系统工作原理图。它的气源是由空气压缩机 (压力约为3～8Kgf/cm2)通过快换接头进入储气罐，经分水过滤器、调压阀、油雾器，进入各并联气路上的电磁阀，以控制气缸和手部动作。

图3-1 机械手气压传动系统工作原理图
5 机械手移动工件控制系统的PLC选型及系统连接
5.1 控制系统构成图
在本设计中，其控制表盘设计如图5-1所示。

图5-1 控制面板设计
机械手移动工件控制系统图如图5-2所示。

图5-2 机械手移动工件控制系统图
5.2 PLC模块选型及介绍
由控制要求可知，本控制系统是一个15点输入，9点输出的系统，设计中采用三菱FX2N系列的基本单元模块，采用继电器输出方式，故可选用的模块有：FX2N-32MR-001、FX2N-48MR-001、FX2N-64MR-001、FX2N-80MR-001、FX2N-128MR-001，本设计选用FX2N-48MR-001，其输入点数为24，输出点数为24，都大于控制系统的控制要求点数，所以不需要扩展单元[8]。
对于所选模块FX2N-48MR-001，其中：FX2N为系列名称，48为I/O点数，M表示模块为基本单元，R表示继电器输出形式（其他输出形式：S为三端双向可控硅开关元件输出，T为晶体管输出），001表示其他区分（电源）[9]。
FX2N-48MR-001是采用交流220V电源供电，其模块简图如图5-3所示：

图5-3 FX2N-48MR-001模块简图

6 安装维护
6.1 扩展设备组成
在本设计中，控制对象为一单一独立动作的机械手，然而在实际的工况中，除了用PLC控制机械手以外，可能还有其他的辅助控制对象，或者用PLC控制多台不同动作流程的机械手，这时当I/O点数大于CPU模块提供的I/O点数时，则需进行I/O扩展，使实际需要的I/O点数≤（基本单元＋扩展单元＋扩展模块＋特殊模块）的I/O点数。
其扩展的示意图如图6-1所示。