氣動教學機械手的開發與開放實驗應用

唐德棟+韓天泉+張雪亮

[摘 要]根據機械手的控制要求，進行可編程序控制系統的輸入/輸出地址分配，利用順序控制的方法實現控制系統的軟件設計。分析設計氣動教學機械手的結構及氣壓驅動系統。氣動教學機械手的開發過程與開放實驗項目結合，可以提高學生的獨立科研能力，激發學生的創新潛能，為學生的創新、創業奠定堅實基礎。

[關鍵詞]機械手；可編程序控制；開放性實驗；創新訓練

[中圖分類號] TP241.3 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）05-0146-02

現代工業技術中，隨著液壓與氣壓傳動及機械手的迅速發展和廣泛應用，各高校已經認識到其相關技術及人才培養的重要性和緊迫性。[1]氣動教學機械手是機電一體化技術的典型代表產品，涉及機械設計及制造技術、可編程序控制技術、氣壓驅動技術、傳感器技術等。本文設計了一種氣動教學機械手，它作為機電一體化集成技術的教學載體，提供了一個開放、創新的綜合教學平臺，可以用于機械設計、機電一體化系統設計、機器人、氣壓傳動等課程的理論教學演示及實驗教學操作。[2]

一、機械手的結構方案設計

教學機械手設計為三個自由度，分別為腰部回轉運動（周向），大臂伸縮運動（徑向），小臂升降運動（軸向）。其具體結構如圖1所示。

其中腰部的回轉通過擺動氣缸實現，手臂伸縮及手腕的升降通過直線氣缸實現，直線氣缸選用了多軸結構，保證了機械手的運動精度與剛度，并具有防扭轉的效果，手爪的開合通過單獨的氣缸驅動。機械手采用了模塊化的設計理念，各個模塊獨立于整體，每個氣缸可以單獨控制，互不干涉。

二、機械手的氣壓驅動系統設計

氣壓系統中方向控制閥可以通過改變閥芯位置，使氣流流過不同的通道而改變氣流運動方向。本文采用的方向控制閥為三位五通電磁換向閥，分別控制四個氣缸的伸縮[3]，實現機械手腰部、大臂、小臂及手爪的相應動作，每個氣缸缸體安裝兩個磁性感應開關，用于檢測氣缸的極限位置。[4]由于手爪模塊所需控制精度高，工作壓力小，在該氣缸的控制回路上安裝了減壓閥，確保手爪抓緊與松開的可靠性。為了保證機械手運動的平穩性，每個氣缸的進出口均安裝了單向節流閥，可實現氣缸運動速度的連續調整。綜上所述，氣壓系統回路如圖2所示。

三、機械手的可編程控制系統設計

1.機械手的動作順序

機械手將工件從A點搬運至B點，其具體的動作順序為：機械手大臂伸出、小臂下降、手爪夾緊工件、腰部順時針旋轉90°、大臂縮回、手爪松開、小臂上升、腰部逆時針旋轉90°回到原點位置。

2.輸入/輸出地址分配

根據機械手輸入輸出量的特點及數量，控制系統采用西門子S7-200系列CPU226型可編程控制器。表1為機械手控制系統的輸入/輸出地址分配表。

三、控制系統軟件設計

為了滿足教學實驗的需求，將氣動機械手設置為多種工作方式，包括手動和自動工作方式。改變機械手的控制流程軟件程序，可以方便快捷的改變機械手的動作順序。可編程控制器的程序由1個主程序及4個子程序組成。四個子程序分別為公用程序、手動程序、回原點程序及自動程序。其中自動程序包含三種功能，單步動作、單周期動作、連續動作。[5]公用程序用于處理各種方式都要執行的任務，以及處理不同工作方式之間的轉換。手動程序設計時，為了保證機械手的安全運行，需要設定一些必要的互鎖，防止動作相反的兩個輸出同時接通。回原點程序是基于自動程序的順序控制實現的，通過相應指令控制機械手自動回到原點處。執行單步運動時，運動過程及動作與連續運動相同，每按下一次起動按鈕，執行一步活動后停止。執行單周期運動時，程序執行完一個完整周期后便停止。單周期動作與連續動作通過連續標志位進行區別，控制連續標志位的梯形圖程序采用起保停電路。通過轉換允許標志位實現單步功能，其控制電路由起動按鈕與正跳變觸點指令串聯而成，在自動程序的梯形圖中，每步起動電路中均串聯轉換允許標志位的常開觸點，可實現機械手的單步控制。

四、開放實驗教學的實踐與效果

結合氣動機械手的開發進行了開放性的實驗教學，學生參與實驗之前，需要掌握機械設計、氣壓系統設計、可編程控制器原理等相關的技術基礎課。將參與實驗的學生分成三個小組，分別為機械設計調試組、氣壓系統設計組、控制系統設計組。機械設計調試組主要完成機械手標準件的選型及購買，非標件的設計及加工，所有零部件齊備后，進行裝配及調試。氣壓系統設計組主要完成機械手所有執行元件的驅動系統設計，并根據設計的氣壓系統原理圖選擇相應的氣壓元件進行搭接及調試。控制系統設計組主要完成機械手可編程控制器輸入/輸出地址的正確分配，利用順序控制的設計方法編制合理的控制程序，軟件仿真驗證合理后，下載至可編程序控制器中，正確連接可編程控制器的外部接線，進行控制系統的調試。各組可根據教師布置的任務，分別獨立完成自己負責部分工作的設計、仿真、調試等工作。三個小組調試成功后，由實驗項目的總負責人，協調所有學生完成機械手的機、電、氣系統的綜合調試工作。開放實驗的過程中，學生們遇到了很多實際的問題，比如機械設計調試組，一開始選擇的氣缸型號市場上很難買到，根據工況重新選擇了常用的型號；設計的手爪與小臂氣缸的連接板實際裝配時出現了干涉的錯誤，需重新進行修改；機械手驅動系統連接成功后，發現機械手運動過程中沖擊較大，氣壓系統設計組與控制系統設計組聯合調試，最終實現了機械手的平穩運動。三個小組的學生既有分工又有合作，在確定方案、詳細設計、實驗調試的過程中，鍛煉了縝密思維、協同創新、團隊合作的科研攻關能力。開發的機械手現主要用于機械、機電等專業的理論及實驗教學。機械手結構簡單，控制系統可靠，動作方式多樣，操作及調試方便。通過該裝置的開發、調試及演示，學生們對機電一體化系統設計、機器人基礎、機電傳動控制、液壓與氣壓傳動、可編程序控制器等課程的理解可以更加直觀及深入，大大提高了專業課程的教學效果和學生的動手及創新能力。

[ 注 釋 ]

[1] 王翠艷，吳文江，高占鳳，等.機電一體化創新教育探索與實踐[J].中國電力教育，2010（4）：154-155.

[2] 張燕，史留勇，劉世豪.基于社會需求的機電一體化專業實驗教學改革[J].中國電力教育，2014（29）：75-76.

[3] 左健民.液壓與氣壓傳動[M].北京：機械工業出版社，2013.

[4] 唐德棟.基于Festo實驗臺氣動綜合實驗的開發[J].機床與液壓，2006（4）：109-110.

[5] 廖常初.PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社，2014.

[責任編輯：鐘 嵐]