氣動搬運機械結構及控制系統設計

趙 拓 趙蔓麗 施守涵 俞張勇

（無錫職業技術學院，無錫 214121）

機械手驅動方式有氣動驅動、液壓驅動、電力驅動以及機械傳動等。氣動驅動具有使用壽命長、可靠性高等特點，常被用作機械手驅動的首選，易于控制且不會造成任何環境污染。因此，各國對氣動搬運機械手的研究越來越重視，是滿足生產需要的重要工具[1]。本次設計的是基于氣動技術的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）機械手，是現代機電一體化自動化生產線中適合頻繁使用的、可做到6個自由度的運動控制工具，可以按照規定的程序和控制要求進行貨物、工件的抓取、移動、裝配等操作，并根據需要修改程序以實現功能擴展。

1 氣動搬運機械手機械部分設計

氣動搬運機械手通常有手動和自動兩種控制模式。根據結構形式的不同，氣動機械手可分為柱型、球型、直角型以及關節型[2]。本次設計的機械手為柱型機械手，機械結構如圖1所示，主要由底座、立柱、臂、腕及手結構組成。機械臂升降運動通過機械支柱完成，機械臂旋轉通過氣缸驅動立柱旋轉完成，伸縮升降臂通過伸縮氣缸實現，手爪抓握操作由與齒輪齒條機構聯動的氣缸實現，每個氣缸主要由PLC機控制。

氣動搬運機械手手爪的常見形式包括夾持式和吸盤式兩種。該機械手部為夾持式，包括手爪和動力傳輸機構。動力傳輸結構有滑桿式、螺旋花鍵式、齒條式及彈簧桿式等。本次設計的機械手部動力傳輸結構選用齒輪齒條式[3]。因為工件通常是圓柱形，所以手爪的形狀設計成V形，手爪的開合主要通過齒輪和齒條的相互作用實現。齒條連接到活塞桿，齒輪連接到手爪。活塞桿下移的過程中，齒條下移，左右齒輪反方向旋轉，此時機械手爪松開。相反，活塞桿上移的過程中，齒條上移，左右齒輪同方向旋轉，此時機械手爪夾緊。

圖1 氣動搬運機械手的機械結構

手爪施加在工件上的夾持力是手部設計的基本依據，設計時需要分析和計算動作的大小、方向和力的作用點。一般情況下，要克服工件重力引起的靜載荷和工件運動狀態變化引起的慣性力，才能使工件保持可靠的裝夾狀態[4]。設機械手爪的夾持力為N，氣缸驅動力為F，工件自身質量為5 kg，機械手爪的夾角范圍在20°～120°，b=120 mm，R=24 mm。機械手部受力情況見圖2。

圖2 機械手部受力情況

如圖2所示，當活塞桿的驅動力P一定時，夾持力N隨著α的增加而增加。但是，如果α過大，拉桿（活塞桿）的行程就會過大，手爪滑動的尺寸和長度都會增加，導致結構變得臃腫。因此，一般推薦α為30°～40°。氣動搬運機械手手部需具有結構簡單、動作靈活、手爪開合角度大等特點，考慮到實際情況，本次設計α取值為38°。工件上承受的機械手夾緊力可以通過式（1）計算：

式中：K1為安全系數，取1.5；K2為工況系數，通常取1.03；g為工件的重力加速度，取9.8 kg·s-2；K3為手爪平放夾取工件的夾緊力方位系數，通常取0.5。因此，計算可得N=1.5 1.03 0.5 5 9.8≈37.9 N。

驅動力的計算公式為：

將相關數據代入式（2），可得驅動力P=379 N。

氣缸直徑的計算公式為：

按GB 2348—1993規范，回轉氣缸內徑D=63 mm，活塞桿內徑d=32 mm，升降氣缸主要支撐機械手和工件的重量約為400 N。根據GB/T 2348—1993，升降氣缸內徑選取D=80 mm，活塞桿內徑按設計選取d=40 mm計算。

考慮到機械手的通用性，為了水平布置工作，機械手手腕采用旋轉結構和單翼回轉氣缸。手腕固定部分與氣缸用螺釘固定，活動部分與轉軸固定，活動部分的密封圈將氣腔一分為二。當壓縮空氣供應到旋轉氣缸的兩個腔室時，驅動板和氣缸體一起旋轉，實現手腕回轉，結構簡單緊湊[5]。

2 氣動搬運機械手控制系統設計

2.1 設計思路

機械手系統的功能分析是對機械手需要完成的操作進行分析和實現。研究人員必須了解機械手各種功能的實現方式，主要是機械手的控制方法，并使用新設備開發新功能。因此，在機械手控制系統的構建中，機械手是基于氣動工作環境的控制實現的，控制方式通過手動和自動模塊實現。自動控制分為自動模塊和半自動模塊。對于某些操作，需要實現機械手的基本功能，如伸縮、旋轉、垂直抓取和放置物體。電磁閥用于控制每次操作的驅動方向。氣動回路用于控制驅動方向。

2.2 氣動系統設計

機械手的上下、左右、回轉等動作均能通過節氣門回路進行控制。本次設計的氣動系統如圖3所示。

基本工作原理如下。

（1）當電磁閥YA3通電時，氣源經過電磁閥14和管路壓力控制回路，再經過單向節流閥4進入旋轉氣缸的左側，向左推動和擺動機械手。

（2）當電磁閥YA1通電時，氣源經過管路壓力控制回路，經過電磁閥13，再經過單向節流閥1進入水平圓柱體3的右側，機械手前伸。

（3）當電磁閥YA5通電時，氣源經過電磁閥15、工作壓力控制電路和單向節流閥7流入立式氣缸左側，推動垂直桿使其延伸（向下）。

（4）當電磁閥YA7通電時，氣源經過管路壓力控制回路，再經過電磁閥16和單向節流閥10。空氣流經機械爪氣缸，實現機械手的抓取動作。

（5）當電磁閥YA6通電時，氣源經過電磁閥15，再經過管路壓力控制回路，空氣經單向節流閥8流入垂直氣缸下腔，實現機械手上升。

（6）當電磁閥YA2通電時，氣流通過電磁閥13后經單向節流閥2流入右腔，推動水平氣缸的桿，驅動機械臂縮回。

（7）當電磁閥YA4通電時，氣流經過電磁閥14后，經單向節流閥5流入回轉機構右腔，推動機械臂右移。

圖3 氣動機械手氣壓系統

2.3 PLC的選型

氣動機械手控制系統共有20個輸入點和9個輸出點。考慮到合理裕量原則，選用三菱FX2N-64MR型PLC，輸入繼電器（X）32個，輸出繼電器（Y）32個，可以滿足設計要求。

2.4 控制系統軟件設計

在手動控制模式中，通過單獨按下按鈕來實現控制。手動控制模式主要負責機械手方位校正可進行手動復位，使機械手回到初始位置。輸入模式選擇開關選擇終點SA1-1，即選擇手動操作模式。使用X14～X23對應的按鈕對機械手進行手動控制：如需控制機械手爪松開，可閉合X15開關；如需手動復位，則用X23控制水平伸縮缸縮回，通過閉合開關X14實現機械手夾緊；X22閉合時，水平氣缸水平伸出；X23開關閉合時，水平氣缸水平縮回。自動化程序由單循環、連續、逐步的程序組成。當系統工作在連續模式或單周期模式時，引腳X11和X12實現工作方式之間的轉換。結合控制需求，可以得到氣動機械手自動控制的功能時序圖，并使用STL和RET逐步指令將時序功能圖轉換為梯形圖程序，如圖4所示。

圖4 手動控制梯形圖

3 結語

氣動搬運機械手使用氣動驅動技術進行驅動，具有操作便捷、控制精度高以及適應多種復雜工況等優點，不易受環境變化而影響傳動控制效果，同時電阻損耗和泄漏小，綠色節能。因此，本次設計的氣動搬運機械手以PLC作為控制系統核心，可以實現可靠、靈活、自動控制，應用范圍廣。