機(jī)械手，是一種模仿人手部分功能實(shí)現(xiàn)特定抓取、搬運(yùn)或其他操作的自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備，可替代人的部分操作，以提高生產(chǎn)效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，目前已在各種數(shù)控機(jī)床上得到廣泛應(yīng)。本文針對(duì)某小型數(shù)控車床的工作流程及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種上下料機(jī)械手，以提高數(shù)控車床工作效率。

1 上下料機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及動(dòng)作

　　該上下料機(jī)械手與數(shù)控車床的布局與加工過(guò)程，如圖1所示。機(jī)械手的工作流程為：機(jī)械手由初始位置轉(zhuǎn)向工件臺(tái)，定位并抓取工件，而后機(jī)械手轉(zhuǎn)向數(shù)控車床，將工件放置到三爪卡盤上進(jìn)行加工。為實(shí)現(xiàn)上述功能，該上下料機(jī)械手在空間上需要實(shí)現(xiàn)5個(gè)自由度的位移，同時(shí)，為使定位準(zhǔn)確，其空間位移方式將采用圓柱坐標(biāo)方式�？紤]到夾持的工件質(zhì)量較小，機(jī)械手可采用氣壓傳動(dòng)方式。

圖1 機(jī)械手與數(shù)控車床加工布局

　　圖2為本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖，包括手爪、手臂、立柱及底盤。手臂包括橫軸與豎軸，由標(biāo)準(zhǔn)氣缸進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮及在立柱上的升降�？紤]到所夾持的工件為圓形零件且直徑范圍變化較大，機(jī)械手采用SMC的平行開閉型氣動(dòng)手爪實(shí)現(xiàn)夾緊動(dòng)作，而回轉(zhuǎn)動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)可采用SMC的標(biāo)準(zhǔn)回轉(zhuǎn)式氣缸，進(jìn)行驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)0°～180°回轉(zhuǎn)。底座采用雙作用薄型齒輪齒條式擺動(dòng)氣缸驅(qū)動(dòng)，可帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)順、逆時(shí)針0°～270°的旋轉(zhuǎn)。機(jī)械手通過(guò)單線圈雙位置電磁閥控制手爪的夾緊與放松，并通過(guò)接近開關(guān)限定位移機(jī)構(gòu)的移動(dòng)范圍。

圖2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

2 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　該車床上下料機(jī)械手，將采用氣動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，包括氣動(dòng)三聯(lián)件、各種氣缸、氣源、氣動(dòng)系統(tǒng)控制閥等，如圖3所示。機(jī)械手的橫軸水平運(yùn)動(dòng)X、豎軸垂直運(yùn)動(dòng)Y、底座旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)Z、手腕部擺動(dòng)R及手部夾持運(yùn)動(dòng)H分別由伸縮氣缸、升降氣缸、回轉(zhuǎn)氣缸、擺動(dòng)氣缸及手指氣缸實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中，氣動(dòng)控制元件采用SMC的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，電磁閥則選采用SY系列。其中，回轉(zhuǎn)氣缸為三位五通電磁閥，轉(zhuǎn)臂在中位等待時(shí)，氣缸兩腔與大氣相通，以免重新啟動(dòng)時(shí)對(duì)機(jī)器形成沖擊，其余控制回路均采用兩位五通電磁閥。每個(gè)氣缸的兩個(gè)氣口均有單向節(jié)流閥以保證運(yùn)行平穩(wěn)。回轉(zhuǎn)氣缸的型號(hào)為CDRB1BW50-90D；手指氣缸的型號(hào)為MHZ2-40D。擺動(dòng)氣缸選用的型號(hào)為CDRB-20X-180S。伸縮、升降氣缸的型號(hào)為CDQ2B20-15DM。

圖3 機(jī)械手氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

　　①橫軸的水平運(yùn)動(dòng)X、豎軸的垂直運(yùn)動(dòng)Y。機(jī)械手橫軸的水平運(yùn)動(dòng)X由伸縮氣缸控制實(shí)現(xiàn)。當(dāng)壓縮氣體由電磁閥V1.1進(jìn)入伸縮氣缸的無(wú)桿腔，迫使氣缸伸出以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手橫軸的前伸運(yùn)動(dòng)；同理，若要實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的收縮運(yùn)動(dòng)，則可將電磁閥V1.2打開，壓縮氣體進(jìn)入到伸縮氣缸的有桿腔，迫使氣缸縮回實(shí)現(xiàn)機(jī)械手橫軸的回縮運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手豎軸的垂直運(yùn)動(dòng)Y由升降氣缸及電磁閥V2.1、V2.2實(shí)現(xiàn)。打開電磁閥V2.2（V2.1），壓縮氣體進(jìn)入升降氣缸的有桿腔（無(wú)桿腔），則可實(shí)現(xiàn)氣缸的降（升）運(yùn)動(dòng)。

　�、诘鬃�的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)Z、手腕部的擺動(dòng)R。機(jī)械手橫軸底座的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)Z由回轉(zhuǎn)氣缸控制實(shí)現(xiàn)。當(dāng)壓縮氣體由電磁閥V3.1進(jìn)入Z軸回轉(zhuǎn)氣缸0°側(cè)則氣缸回轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)底座0°～90°范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)；同理，若要實(shí)現(xiàn)底座90°～0°的旋轉(zhuǎn)，則可將電磁閥V3.2打開，壓縮氣體進(jìn)入到回轉(zhuǎn)氣缸90°側(cè)氣缸即可。機(jī)械手手腕部的擺動(dòng)R由擺動(dòng)氣缸及電磁閥V4實(shí)現(xiàn)。壓縮氣體進(jìn)入擺動(dòng)氣缸的0°（90°），則可實(shí)現(xiàn)氣缸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以帶動(dòng)加工工件的相應(yīng)旋轉(zhuǎn)。

　�、凼植康膴A持運(yùn)動(dòng)H。該動(dòng)作由電磁閥V5及手指氣缸控制。壓縮氣由打開的電磁閥V5進(jìn)入手指氣缸的無(wú)桿腔則可迫使氣缸夾緊從而實(shí)現(xiàn)手指對(duì)工件的夾緊; 同理當(dāng)電磁閥V1關(guān)閉，壓縮氣體進(jìn)入手指氣缸的有桿腔，則氣缸松開加工工件。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)機(jī)械手的工作特點(diǎn)，控制系統(tǒng)采用PLC作為控制器，圖4為機(jī)械手控制流程圖�，F(xiàn)根據(jù)機(jī)械手流程圖確定PLC型號(hào)并確定I/O點(diǎn)數(shù)，同時(shí)，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)硬件并對(duì)PLC進(jìn)行軟件編程。

圖4 為機(jī)械手控制流程圖

　�、貾LC選型與I/O分配。根據(jù)機(jī)械手控制流程及工作要求，機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)輸入信號(hào)為18個(gè)，輸出信號(hào)為12個(gè)，圖5為輸入輸出信號(hào)作用及地址分配。因此，選用輸入點(diǎn)的個(gè)數(shù)≥17、輸出點(diǎn)的個(gè)數(shù)≥10的PLC，本機(jī)械手控制選用的是西門子S7系列226型產(chǎn)品，該型號(hào)PLC共有24個(gè)輸入點(diǎn)及16個(gè)輸出點(diǎn)，PLC由專用電源供電。

圖5 輸入輸出信號(hào)作用及地址分配

　�、贗/O電氣接口圖。圖6為上下料機(jī)械手I/O電氣接口圖。機(jī)械手的氣動(dòng)插頭接220V交流電源，當(dāng)Q1開關(guān)閉合，則接通24 V電源并輸出24 V直流電壓。當(dāng)開關(guān)Q2與操作臺(tái)面上的總開關(guān)Q3閉合，電影將給PLC供電，電源指示燈點(diǎn)亮，機(jī)械手控制系統(tǒng)完成初始化。

圖6 機(jī)械手I/O 電氣接口圖

　　③PLC控制程序軟件實(shí)現(xiàn)。該車床上下料機(jī)械手的工作，是將待加工的工件從取料位夾緊并抓取到數(shù)控車床的三爪夾盤上進(jìn)行加工。初始時(shí)，機(jī)械手處在取料區(qū)，手臂處于上端，手指松開。機(jī)械手的動(dòng)作由氣缸及相應(yīng)的電磁閥進(jìn)行控制，控制方式可分為手動(dòng)和自動(dòng)方式兩種。對(duì)于手動(dòng)控制方式，需設(shè)置各手動(dòng)按鈕所對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，既可單步操作亦可按周期方式操作。而自動(dòng)控制方式則只需按下起動(dòng)按鈕，則機(jī)械手從初始位置開始，按圖4所示的工作循環(huán)圖開始重復(fù)工作，直到按下停止按鈕。該機(jī)械手的PLC控制程序采用梯形圖法，具體程序如圖7、圖8所示。

圖7 PLC控制程序梯形圖1

圖8 PLC控制程序梯形圖2
 

4 結(jié) 語(yǔ)

　　本文利用PLC對(duì)數(shù)控車床上下料機(jī)械手實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，提高了數(shù)控車床生產(chǎn)的加工效率，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了生產(chǎn)成本。同時(shí)，PLC模塊靈活，若機(jī)械手加工流程發(fā)生改變，只需對(duì)I/O點(diǎn)的接線進(jìn)行重新分配或修改，并調(diào)整相應(yīng)程序，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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