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（1四川大学锦江学院 四川成都 620860 ；2成都航利航空科技有限责任公司 四川成都 620860）
摘 要：根据机电一体化专业实践教学的需要,结合近年来在制造领域飞速发展的气动机械手技术,本文设计了基于PLC控制的3自由度气动机械手试验台,对其机械手本体部分驱动部件、测控电路及控制单元进行了详细设计,并设计了相关实验.该试验台于实践教学,引导学生在产品设计中综合运用专业知识,提升学生在工程实践中分析和解决问题的能力.
机械手:实实在在的品质气缸冲压机械手
关键词：气动机械手； PLC控制 ；步进电机
中图分类号: TH138 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2013)07(b)-0000-00
1.引言
机电一体化专业是门实践性强的专业,为提升专业教学效果,提升学生专业能力,国内许多高校在机电专业实验设计方面做了大量的改革和实践【1-2】.为提升实验教学效果,同时兼顾实验设计的模块化与综合型,既设置各专业课程实验如液压传动与控制、传感器、测控电路和PLC原理等实验,又提供综合设计实验【3】,引导学生综合运用各学科知识,设计符合工程实际的产品,提升学生的工程实践能力.结合近年来在制造领域广泛应用并飞速发展的机械手技术【4-5】,本文设计了基于PLC控制的3自由度气动机械手试验台,并设计了系列实验方案应用于机电专业的实践教学.
2.基于PLC控制的气动机械手的设计
本文设计的机械手试验台可将工件从A工位精确搬运到B工位,工件质量小于10kg,机械手垂直升降和水平伸缩工作行程速度50mm/s ,空行程速度300mm/s.为满足上述功能要求,圆柱坐标型机械手具有水平伸缩、垂直升降和沿腰部旋转3个运动自由度；动力驱动部件采用气动驱动与电机驱动相结合的混合驱动方式；控制单元采用PLC控制,对机械手运动进行点位控制；传感器件选用限位接近开关,机械手运动到规定位置时向控制单元输入信号,形成测控回路.气动机械手试验台的设计实物图如图1所示：
2.1 机械手本体设计
机械手本体采用结构简单紧凑的圆柱坐标型结构,实现机械手的水平伸缩、垂直升降和腰部旋转3个运动自由度.水平伸缩和垂直升降分别采用无杆和有杆气缸实现,腰部旋转由步进电机驱动,可提高定位精度.机械手整体采用悬臂方式,为减小水平气缸活塞所受径向弯曲力矩,将水平伸缩无杆气缸固定在托板上,步进电机经套筒带动托板旋转,同时可减小水平气缸的旋转扭矩,垂直升降气缸采用Z型板安装在水平气缸的滑块上,在垂直气缸活塞杆上安装真空吸盘吸附搬运工件.
2.2 机械手驱动部件设计
机械手的水平伸缩和垂直升降由气压驱动,气压驱动回路如图2所示,以垂直升降回路为例,电磁阀9DT得电时,气缸活塞杆伸出,并采用背压速度调节以控制伸出速度,活塞运行至终点时,接近式传感器LS4发出控制信号使电磁阀9DT失电,换向阀转到中位,其常闭中位机能使活塞杆保持位置.电磁阀2DT得电时,气缸活塞杆缩回,LS3接近式传感器控制活塞杆的缩回行程,电磁阀8DT,9DT得电时,气路绕过调速阀从而实现空行程快速移动.根据机械手使用工况,垂直和水平方向气缸选用Festo标准气缸DNC-32-500-PPV-A和无杆气缸DGC-32-400-G-PPV-A-ZUB-FM,3位5通换向阀选MN2H-5/3G-01-12DCA,真空吸盘选择ESG-60-SN-HD-G-WA,气源处理单元选择MSB4-1/4：J1M1D7A1-WP,真空发生器选用OVEM-07-Q0-CN.
机械手的旋转运动由步进电机带动托板实现,步进电机选用BSHB397D12型步进电机及Q3HB110M适配驱动器,设置适配器细分精度为6400步/圈,即旋转90°需输出1600个脉冲,旋转运动处于工作行程时,PLC采用多段管线的脉冲输出方式,运动更加平稳,避免失步.
2.3 PLC控制单元的设计
气动机械手有自动和手动控制方式,自动工作分单周期和连续循环控制,在任意方式工作过程中设有紧急停止键,并可按键自动复位,针对机械手的周期运动,编写相应程序,使机械手运动更具柔性.PLC输入端包括6个检测机械手运动状态的传感器信号,磁感应式接近开关分别检测机械手的伸缩极限、升降极限和旋转极限,真空吸盘吸附和放下工件采用定时器控制.根据功能设定PLC控制需要21个输入触点和10个输出触点,拟采用SIEMENS公司生产的S7-200 CPU224晶体管输出类型及数字信号输入扩展模块EM221 DI8×24V DC,PLC外部电气接线如图3所示.
气动机械手的启动、复位和运动由PLC程序实现,PLC控制采用调用子程序的方式,主程序选择机械手的工作状态,子程序完成机械手复位和运动路线实现.如机械手单周期运动,：启动-水平气缸伸出-垂直气缸伸出-真空发生-垂直气缸缩回-步进电机正转-垂直气缸伸出-真空破坏-垂直气缸缩回-步进电机反转-水平气缸缩回-等待下一次启动.其子程序流程图如图4所示,程序设计采用顺序功能图的设计方法.
3.基于PLC控制的气动机械手的实验设计
本试验台设计提供了气动机械手从需求分析、设计、制造和调试等一系列设计过程,结合学生的专业学习阶段和知识掌握水平,基于该试验台的实验遵循横向模块化和纵向层次化的设计原则.实验横向设计方面可将该试验台拆分成PLC原理实验、测控实验、机械传动实验和流体传动实验等模块；纵向实验设计为拆装认知实验、演示型实验、类比设计实验和综合创新实验.
3.1 气动机械手认知拆装实验
学生通过实践操作,理解机械手及各功能模块的操作功能,掌握机械、液压、电气和控制元器件的基本功能,熟悉各功能单元及功能单元接口和布线设计的一般原则,提升学生的专业学习兴趣,更好地掌握专业理论知识.
3.2 机械手功能模块演示和设计实验
在试验台上演示气动单元、测控组件、控制单元及机械传动部件从需求分析开始,经历元件设计制造或选型、装配、调试等系列过程,使学生理解功能单元设计的一般原理,启发学生的设计思路.如在机械手传动方案还可设计电气、机械、液压等类似方案,达到专业课程教学要求,灵活运用专业知识.
3.3 机械手综合设计实验
工业机械手使用范围广泛,专业化智能化水平不等,学生在掌握机电一体化产品设计流程的基础上,可进行综合实验拓展：一是结合企业实际应用工况要求,设计功能各异的机械手；二是在机械手满足基本功能的基础上,改善性能,如提升机械手的运动平稳性、减小噪音,提高定位精度和重复定位精度等.
4.结论
根据机电一体化专业实践教学的需要,本文设计的PLC控制的气动机械手经过制造、装配和调试,基本实现了预期功能,结合本学院机械系机电和数控方向学生的专业知识掌握水平,分别开设了机械手机构传动、动力驱动、位置检测和PLC控制相关实验.在实验教学中,学生提高了专业学习兴趣,并对机械手传动、驱动和控制方案提出了许多改进方案,切实提高了工程实践中分析和解决问题的能力.为丰富实验教学内容,在后续教学中还需做好以下几方面内容工作：一是机械手的功能和实现方案拓展.如采用单片机实时控制的方式,并改善检测系统,实现机械手的连续轨迹控制.二是机械手性能改善.如改进机械手机构设计减小水平气缸所受弯曲力矩,合理设计步进电机运行速度提高机械手的定位精度等.
参考文献：
【1】邵园园,玄冠涛.机电一体化实验教学改革探索与实践[J].中国现代教育装备,2010（97）9:84-86
【2】范剑,李绣峰等.构建示教型工业机械手实验平台的研究[J].实验技术与管理,2012（29）9:72-74
【3】王红梅,方贵盛.基于PLC与步进电机的气动搬运机械手控制[J].液压与气动,2009（11）：25-27
【4】陶湘厅,袁锐波等.气动机械手的应用现状及发展前景[J].机床与液压,2007.35（8）：226-228
【5】王祖温,杨庆俊.气压位置控制系统研究现状与展望[J].机械工程学报,2003（39）12:10-16
总结：本文是一篇关于机械手气缸论文范文，可作为相关选题参考,和写作参考文献。
机械手引用文献:
[1] 搬运机械手学论文选题 搬运机械手论文题目选什么比较好
[2] 新颖的机械手设计论文题目 机械手设计专业论文题目怎么拟
[3] 最新机械手论文选题参考 机械手论文题目怎么取
