氣動機械手作為典型的機、電、氣一體化裝置，以其結構簡單、價格低廉、動作迅速、可靠性高、無污染、功率體積比高、抗干擾性強及維修方便等優點，廣泛應用于自動化生產的各領域中，已成為大、中專院校PLC技術、氣動技術、傳感器技術等課程的實驗教學內容。本文選用四自由度的教學用氣動機械手，通過PLC控制系統設計，順序完成氣動機械手的各動作，同時能使學生理論結合實際，增強感性認識，滿足實驗教學與科技創新設計需求。

1 結構組成及工作原理

　　1.1 氣動機械手的結構組成

　　機械手的結構圖如圖1所示，由機械系統、檢測系統、氣動系統和電氣控制系統4部分組成，主要部件有旋轉氣缸、懸臂氣缸、手臂氣缸、氣爪氣缸、支架、懸臂、手臂及氣爪。該機械手通過4個氣缸分別控制4個自由度，立柱回轉和手爪旋轉，實現4個周向自由度的控制，手臂升降實現軸向自由度的控制，手臂伸縮實現徑向自由度的控制。

圖1機械手結構圖

　　1.2 氣動機械手的工作原理

　　該機械手的任務是循環完成從圓盤抓取工件搬運至帶輸送機上。工作順序為：初始位置開始→起動→懸臂伸出→手臂下降→延時0.6s→氣爪夾緊工件→延時0.6s→手臂上升→懸臂縮回→機械手向右旋轉→懸臂伸出一手臂下降一延時0.6s→氣爪松開工件→延時0.6s→手臂上升→懸臂縮回一機械手向左旋轉一返回初始位置一循環。

2 氣動系統設計

　　機械手的氣動系統是驅動執行機構運動的核心裝置，主要由氣源、控制閥、氣缸組成，控制機械手伸縮、上下、旋轉和手爪的松緊動作，其原理圖如圖2所示。開始運行前，機械手手臂上升到位，機械手懸臂縮回到位，機械手左旋到位，氣爪松開，機械手回至初始位置。運行時，首先起動空壓機獲得一定壓力的氣源；然后壓縮空氣經過氣源組件，得到干燥過濾后的氣體；最后氣體通過PLC控制的二位五通電磁換向閥的接通管路，實現氣缸的連續動作，完成機械手的搬運任務。各動作的具體工作順序如下。

圖2機械手氣動系統原理圖

　　伸：氣源→氣源組件→快換接頭→二位五通雙向電磁閥A左位→快換接頭→可調單向節流閥1→懸臂氣缸左腔→機械手懸臂伸出到前限位傳感器檢測位X11處停止。

　　縮：氣源→氣源組件→快換接頭→二位五通雙向電磁閥A右位→快換接頭→可調單向節流閥2→懸臂氣缸右腔→機械手懸臂伸出到后限位傳感器檢測位置X12處停止。

　　上：氣源→氣源組件→快換接頭→二位五通雙向電磁閥B右位→快換接頭→可調單向節流閥3→手臂氣缸右腔→機械手手臂向上到上限位傳感器檢測位置X21處停止。

　　下：氣源→氣源組件→快換接頭→二位五通雙向電磁閥B左位→快換接頭→可調單向節流閥4→

　　手臂氣缸左腔一機械手手臂向下到下限位傳感器檢測位置X22處停止。

　　緊：氣源→氣源組件→快換接頭→二位五通雙向電磁閥C右位→快換接頭→可調單向節流閥5→氣爪氣缸右腔→機械手手爪夾緊到夾緊限位傳感器檢測位置X31處停止。

　　松：氣源→氣源組件→快換接頭→二位五通雙向電磁閥C左位→快換接頭→可調單向節流閥6→氣爪氣缸左腔→機械手手爪松開。

　　左旋：氣源→氣源組件→快換接頭→二位五通雙向電磁閥D右位→快換接頭→可調單向節流閥8→旋轉氣缸右腔→機械手左旋到限位擋塊處停止。

　　右旋：氣源→氣源組件→快換接頭→二位五通雙向電磁閥D左位→快換接頭→可調單向節流閥7→旋轉氣缸左腔→機械手右旋到限位擋塊處停止。

3 電氣控制系統設計

　　PLC具有體積小、質量輕、抗干擾性強、可靠性高、使用方便、易于編程、價格低等優點，已替代傳統的繼電器電路，廣泛應用于電氣控制領域。該機械手的電氣控制系統采用PLC進行控制，可很大程度上縮短控制系統的設計及調試周期。

　　3.1 PLC選型及I/O接口分布

　　由機械手氣動系統原理圖可知，該電氣控制系統有起停控制信號2個，傳感器位置檢測信號7個，共9個開關量輸入信號，8個電磁閥控制信號，8個開關量輸出信號。考慮到機械手工作的可靠性及各控制元件連接的方便性與靈活性，根據控制系統需要的I／O接口數量、擴展能力及工藝要求，對PLC選用日本三菱公司生產的FX2N～32MR系列可編程控制器。該PLC具有16個輸入點和16個輸出點，可實現高速計數、定位控制等功能。I／O接口的分配見表1，PLC控制外部接線如圖3所示。

圖3機械手PLC控制外部接線圖

　　3.2 PLC控制程序軟件設計

　　可編程控制器編程語言包括梯形圖語言、功能表圖語言、布爾助記符語言、功能模塊圖語言及結構化語句描述語言等嘲。梯形圖語言是應用最多的一種編程語言，最接近控制系統中的電氣控制原理圖。三菱FXGP-WIN-C編程軟件，可實現在線通信、文件傳送、操作監控及各種測試功能，支持梯形圖、語句表和功能塊圖3種編輯器創建程序。

　　本文使用FXGP-WIN-C編程軟件的梯形圖編輯器創建程序，PLC梯形圖如圖4所示。設計的梯形圖采用步進指令，PLC運行后，初始脈沖M8002置位初始步進So，機械手處于初始位置；按下起動按鈕SB5，機械手執行狀態S20至S34共15個步進的控制指令，完成一次搬運動作；按下停止按鈕SB6，機械手立即停止當前的搬運工作；再按下啟動按鈕SB5，機械手接著停止時所處的位置繼續運行；最后以步進指令RET完成步進控制。

圖4機械手PLC梯形圖

4 結語

　　初步運行試驗證明，該試驗用氣動機械手能圓滿完成搬運任務，其各項指標均達到預期要求。在電氣控制方面，采用PLC軟件編程不僅直觀易理解，容易操作與修改；而且對其動作運行可根據設定情況隨時進行調整，模擬各種生產線要求，具有很強的實用性。在課程實驗教學和實訓教學中，該項目綜合利用多門課程知識，可滿足學員對交叉學科的綜合理解，取得良好的教學效果。