1 前言

　　機(jī)械手能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用于按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機(jī)械手主要由手部和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。手部是用來抓持工件(或工具)的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)(擺動(dòng))、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手韻靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2—3個(gè)自由度。本文設(shè)計(jì)的是一個(gè)五自由度工件搬運(yùn)氣動(dòng)機(jī)械手。

2 氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)

　　該氣動(dòng)機(jī)械手具有五自由度(手指運(yùn)動(dòng)不計(jì)人自由度數(shù))，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。臂部有3個(gè)自由度，即手臂的水平回轉(zhuǎn)1、俯仰2和伸縮3；腕部有2個(gè)自由度，即手腕的上下擺動(dòng)4和回轉(zhuǎn)5。除上述5個(gè)動(dòng)作外，在機(jī)器人的基本動(dòng)作中還有手爪的夾緊動(dòng)作6。

圖1氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

　　它的動(dòng)作循環(huán)為：底座順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(90°)二俯仰氣缸上升-手臂伸出-手腕俯下-手腕回轉(zhuǎn)-手指張開-手指夾緊-底座逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)-手指張開-手腕仰起-手腕回轉(zhuǎn)-手臂縮回-俯仰缸下降的預(yù)定的程序和軌跡等要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)及操作。機(jī)械手主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、檢測裝置和機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。

3 氣動(dòng)機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)原理

　　氣動(dòng)機(jī)械手的氣動(dòng)系統(tǒng)圖如圖2所示。雙電控?fù)Q向閥可以保證電氣系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，機(jī)械手的動(dòng)作不變。氣缸D靠自重下落，上升和下降分別為進(jìn)氣節(jié)流調(diào)速和排氣節(jié)流調(diào)速。電磁閥14與FD的線圈互鎖，用來防止氣路突然失壓時(shí)，升降氣缸D的立即下落。三位五通閥FE可以使手臂回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)定位。減壓閥13可以精確調(diào)整手指的夾持力，防止夾持時(shí)工件或手指受損。兩個(gè)快速排氣閥11、12，既可加快氣缸C起動(dòng)速度，又可全程調(diào)速。各氣缸的到位信號(hào)由磁性開關(guān)產(chǎn)生，PC控制器檢測到信號(hào)后控制電磁閥做出下一步動(dòng)作。

圖2氣動(dòng)機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)圖

4 氣動(dòng)機(jī)械手PLC控制

　　應(yīng)用PLC控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)各種規(guī)定的預(yù)定動(dòng)作，可以簡化控制線路，節(jié)省成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，該設(shè)計(jì)中全部采用雙電控電磁閥作為驅(qū)動(dòng)氣缸的主控閥。輸入信號(hào)端：12個(gè)行程開關(guān)發(fā)出的信號(hào)，另外根據(jù)系統(tǒng)控制的要求，需要START，POSITION和RESET共3個(gè)按鈕信號(hào)，1個(gè)STOP按鈕信號(hào)，還需要1個(gè)用來控制機(jī)械手運(yùn)行方式的AUTO／MAN旋動(dòng)開關(guān)。輸出信號(hào)端：用來驅(qū)動(dòng)6個(gè)氣缸的電磁閥需要12個(gè)輸出信號(hào)，電磁閥14需要1個(gè)輸出信號(hào)，3個(gè)用來顯示工作狀態(tài)的START，RESET，POSITION信號(hào)指示燈。利用PLC進(jìn)行多氣缸順序動(dòng)作控制的特點(diǎn)：

　　(1)整個(gè)控制系統(tǒng)包括PLC控制部分和氣動(dòng)控制部分；

　　(2)可用雙電控電磁閥或單電控電磁閥或采用閥島進(jìn)行氣路轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)緊湊；

　　(3)信號(hào)控制可用行程開關(guān)，也可根據(jù)需要用非接觸式傳感器接收信號(hào)；

　　(4)工作可靠性高，大大提高了生產(chǎn)率；

　　(5)運(yùn)用PLC控制與計(jì)算機(jī)通信可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，因而在生產(chǎn)中運(yùn)用廣泛。

5 結(jié)束語

　　本文介紹的五自由度氣動(dòng)機(jī)械手，工作可靠、定位準(zhǔn)確、氣動(dòng)控制回路簡單、電氣控制容易實(shí)現(xiàn)、成本相對(duì)低，很適合用于工業(yè)中單調(diào)、頻繁的搬運(yùn)或抓取類工作。另外由于該機(jī)械手的氣壓系統(tǒng)可以進(jìn)行速度調(diào)節(jié)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的靈敏度及線性度、故障模擬、機(jī)械手在負(fù)載下的重復(fù)精度等多項(xiàng)試驗(yàn)，因此可以用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)，且具有良好的示教性。