柔性自動生產線多功能抓取及傳送機械手系統

袁貴棟 李翠英

（①河北科技大學機械電子與工程學院，河北石家莊050018;②河北科技大學信息科學與工程學院，河北石家莊 050018）

在柔性自動生產線中，在加工設備之間或自動輸送帶和設備之間都需要進行物料的自動傳送。有時在物料傳送的同時，還需要改變物料的方向。

對于物料傳送位置和方向不固定的情況，一般使用機器人，通過編制不同的控制程序來實現。但機器人價格昂貴，限制了推廣應用范圍。

對于柔性自動生產線物料自動輸送，更多的情況是物料傳送的位置和轉變的方向相對固定。這種情況更適合采用物料抓取及傳送機械手，這種機械手結構簡單，價格便宜，適合大范圍的推廣使用。

下面介紹一種能完成在兩個位置之間進行物料抓取和傳送、可以對變換方向進行選擇的多功能物料抓取和輸送機械手。

1 機械手的機械結構設計

1.1 機械手的運動方向分析

假設與自動輸送帶運動一致的方向為Y方向。Y方向的位置可以通過調整檢測工件到位的檢測開關位置來實現，所以機械手Y方向的運動可以省略。

除了Y方向，機械手要能實現兩點之間的水平移動（X向），豎直方向移動（Z向），實現繞3個方向（X、Y、Z）的旋轉運動。

另外，機械手還要能實現抓緊及松開工件的運動。

1.2 機械手各運動方向的驅動方式選擇

為簡化機械手的機械結構，提高其運動速度及工作效率，同時考慮便于進行自動控制，各運動方向均采用氣壓驅動。氣壓驅動還具有氣源來源方便、無環境污染等優點［1］。

氣壓驅動的特點是速度快，但沖擊大。為克服沖擊大的缺點，在氣壓驅動回路上采用節流調速，可以無級差調整氣缸的運動速度，以達到高速度和小沖擊的有效結合。

X方向的運動是輸送帶到設備之間的運動，位移最大，為節省空間，選用無桿導向氣缸。Z方向運動用于提起放下物料，位移較大，選用雙導向桿氣缸。繞3個方向（X、Y、Z）的旋轉運動均選用旋轉氣缸。抓緊及打開工件的運動選用氣動手指。

整個機械手的結構簡圖如圖1所示。

2 機械手系統的氣動回路設計

必須對氣源進行必要的處理，通常使用三聯體進行。三聯體由分水濾氣器、油霧器和減壓閥組成。分水濾氣器可以分離氣源中水分，過濾雜質，保持氣源的潔凈。油霧器可以使油液霧化，并隨壓縮空氣進入元件中，達到潤滑的目的。減壓閥可以使整個氣動回路保持所需的壓力穩定。

為防止各個氣缸回路氣壓的相互影響，同時滿足各回路對氣壓值的不同要求，在每個氣壓回路均使用一個減壓閥。

各氣缸的往復運動由各自的電磁閥控制，為便于控制系統的設計及編程，均采用雙電磁鐵電磁閥。

各氣缸均采用節流閥調速，可以獲得沖擊最小情況下的速度最大化。

整個氣動回路如圖2所示［1］。

3 控制系統設計

控制系統設計包括系統硬件（電氣系統）設計及軟件設計。

3.1 電氣系統設計

電氣系統采用PLC做核心控制器。利用輸入條件可以選擇機械手的功能（繞X、Y、Z某一個軸或某兩軸或三軸旋轉）及檢測各氣缸的往復行程信號，利用輸出信號控制電磁閥動作達到控制氣缸往復運動。

PLC 輸入點的分配:I0.0（啟動），I0.1（停止），I0.2（選擇繞X旋轉），I0.3（選擇繞Y旋轉），I0.4（選擇繞Z旋轉），I0.5（X向左端開關），I0.6（X向右端開關），I0.7（Y向上端開關），I1.0（Y向下端開關），I1.1（繞Y下位開關），I1.2（繞Y上位開關），I1.3（繞X下位開關），I1.4（繞X上位開關），I1.5（繞Z左位開關），I1.6（繞Z右位開關），I1.7（氣指夾緊開關），I2.0（氣指松開開關）。

PLC輸入點的分配:Q0.0（X向左），Q0.1（X向右），Q0.2（Y向上），Q0.3（Y向下），Q0.4（繞Y向上），Q0.5（繞Y向下），Q0.6（繞X向上），Q0.7（繞X向下），Q1.0（繞Z向左），Q1.1（繞Z向右），Q1.2（氣指夾緊），Q1.3（氣指松開）。

根據PLC輸入輸出分配，機械手的控制系統如圖3 所示［2］。

控制系統采用隔離變壓器，并采用雙屏蔽形式，一次繞組和二次繞組分別加屏蔽層，可以有效防止電網電壓對控制系統的干擾，可以提高系統工作可靠性［3］。

3.2 PLC控制程序設計

控制程序應根據輸入輸出點的分配及機械手的工作過程編制。

設機械手初始位置為在左端上位，氣指處于松開狀態。根據功能選擇:

如果不進行任何方向旋轉，則運動過程為:下行，夾緊，上行，右行，下行，松開，上行，左行復位。

如果旋轉運動只選擇繞Y向旋轉，則運動過程為:下行，夾緊，上行，右行，繞Y旋轉，下行，松開，上行，繞Y反向旋轉，左行復位。

如果旋轉運動只選擇繞X向旋轉，則運動過程為:下行，夾緊，上行，右行，繞X旋轉，下行，松開，上行，繞X反向旋轉，左行復位。

如果旋轉運動只選擇繞Z向旋轉，則運動過程為:下行，夾緊，上行，右行，繞Z旋轉，下行，松開，上行，繞Z反向旋轉，左行復位。

如果旋轉運動選擇繞Y和X向旋轉，則運動過程為:下行，夾緊，上行，右行，繞Y旋轉，繞X旋轉，下行，松開，上行，繞X反向旋轉，繞Y反向旋轉，左行復位。

如果旋轉運動選擇繞Y和Z向旋轉，則運動過程為:下行，夾緊，上行，右行，繞Y旋轉，繞Z旋轉，下行，松開，上行，繞Z反向旋轉，繞Y反向旋轉，左行復位。

如果旋轉運動旋擇繞X和Z向旋轉，則運動過程為:下行，夾緊，上行，右行，繞X旋轉，繞Z旋轉，下行，松開，上行，繞Z反向旋轉，繞X反向旋轉，左行復位。

如果旋轉運動擇繞X、Y及Z向旋轉，則運動過程為:下行，夾緊，上行，右行，繞Y旋轉，繞X旋轉，繞Z旋轉，下行，松開，上行，繞Z反向旋轉，繞X反向旋轉，繞Y旋轉，左行復位。

根據上述運動過程，PLC控制程序框圖如圖4所示［4］。

4 結語

柔性自動生產線多功能物料抓取及傳送機械手系統，既實現了兩點之間物料的自動抓取和傳送，還可以任意選擇傳送過程中物料的旋轉方向，滿足了柔性自動生產線自動化生產要求。采用PLC做核心控制器，抗干擾能力強，可靠性高。采用氣壓驅動，生產效率高，同時機械手結構簡單，成本低，利于推廣應用。

［1］張利平.液壓與氣動技術［M］.北京:化學工業出版社，2008.

［2］鄧星鐘.機電傳動控制［M］.武漢:華中科技大學出版社，2001.

［3］徐仁貴.微型計算機接口技術及應用［M］.北京:機械工業出版社，1999.

［4］應錦春.現代設計方法［M］.北京:機械工業出版社，2000.