四自由度機械手控制系統的設計

安 軍 鄭書華 歐陽青 朱宇科

（寧波工程學院，寧波 315211）

搬運機械手是在自動線上搬運物料的一種自動化裝置，主要功能是將物料從生產線上轉運到下道工序或進行存放操作。本文設計的四自由度的機械手工作流程如下：立柱正轉→上升→手臂伸出→抓取并夾持物料→手臂縮回→立柱反轉→立柱下降→手臂伸出→松開并放置物料→手臂縮回。本文主要采用繼電器系統設計了機械手電氣控制和氣動設計，控制方法相比較PLC控制更加可靠，可以有效提升生產效率，為簡易機械手設計及制造起到借鑒作用。

1 四自由度機械手模型的建立

本文設計的四自由度簡單機械手，有四個受控制的自由度，其中三個自由度不是確定的，本文選擇z軸旋轉，z軸和x軸為機械手研究對象，在這幾個自由度控制下機械手進行上下移動、伸縮和旋轉動作。四自由度機械手由旋轉關節移動連桿組成，適用于運動距離較大場合，其中繞Z軸旋轉是為了快速實現機械手所夾持工件位置變化；沿Z軸移動主要為了使夾持位置和旋轉更加迅速方便；沿X軸移動能夠實現大距離、小運動，節約空間。機械手模型如圖1所示。

圖1 機械手關鍵部件連接圖

具體控制流程如下：

（1）機械手展開手夾打開→旋轉工作臺正轉到位置1→Z軸氣缸推動導桿垂直下降到位置1′→X軸氣缸伸長到位置3→機械手夾夾取工件；

（2）Z軸氣缸推動導桿垂直上升到位置1→旋轉臺反轉→X軸氣缸收縮導桿動作到位置3′；

（3）Z軸氣缸推動導桿垂直下降到位置4→機械手夾打開放工件；

（4）Z軸氣缸推動導桿垂直上升到位置1→旋轉工作臺正轉到位置1→Z軸氣缸推動導桿垂直下降到位置1′→X軸氣缸伸長到位置3→機械手夾夾取工件；

（5）Z軸氣缸推動導桿垂直上升到位置1→旋轉臺反轉→X軸氣缸收縮導桿動作到位置3′；

（6）Z軸氣缸推動導桿垂直下降到位置4→機械手夾開夾→放工件。

2 氣動原理

機械手動作元件由四個氣缸控制，分別為兩個直線運動氣缸、一個氣動爪和一個旋轉氣缸。氣動爪用于夾取工件，通氣狀態下只存在夾緊和松開兩種狀態；在另外三個氣缸運動極限位置分別安裝磁感應式接近開關，對氣缸位置進行檢測。旋轉氣缸繞中心旋轉角度最大為180°，本設計只為達到動作順序，對精度無太高要求；氣缸運動速度由與其連接的節流閥控制。在失電狀體下，各氣缸均在設定初始狀態，正反裝氣缸初始位置為正轉極限；伸縮氣缸初始狀態為縮回；上下氣缸初始狀態為下降極限位置；氣缸爪初始為松開。各初始狀態均在電磁換向閥失電狀態下保持穩定。

3 繼電器電氣設計

在系統設計中，如圖3所示，對于任務動作的銜接，一部分用磁感式接近開關，在沒有磁感式接近開關的地方采用時間繼電器進行下一步動作。另外，設計思路上利用中間繼電器KA實現上一個動作的停止和下一個動作的啟停，例如，圖中的中間繼電器KA5的作用在SQ5接通后，使線圈KM5得電，利用它的常閉觸點斷開了KM1線圈的得電；時間繼電器KT1延時6S后，延時閉合觸點閉合，接通了KM2和Y2的線圈，執行延時后的相應動作， 時間繼電器KT3，它的延時打開觸點KT3在延時6s后斷開了整個機械手的動作。氣動回路部分通過氣缸上的磁感式接近開關，將各氣缸位置狀態信息反饋給繼電器控制系統。繼電器系統通過控制三位六通閥實現氣路的改變，從而改變氣缸的運動方向。

4 結論

基于繼電器控制系統設計了一款四自由度機械手控制系統，改善了原有機器運轉時抖動和失步問題，該系統僅利用四個自由方向運動就能使系統處于良好狀態。根據實際工作需求，可進一步完善夾緊裝置，節約空間位置。在條件允許情況下，采用四自由度機械手控制系統旋轉方式代替手動的操作，既可以減小占用空間，也可以提高機械加工效率。