炼胶生产线气动机械手的优化设计

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【摘 要】本文介绍了气动机械手的基本功能，在此基础上，主要对气动机械手的结构进行设计与改善。在 PLC 和气动控制技术相结合的基础上，使其功能更加完善，运行更加精准、合理。它由 PLC 控制四个气缸来实现机械手横向和纵向的运动以及气动夹持机构的伸缩动作，利用气动能源分别完成对生产中使用到的工件进行抓取、放置等动作，实现了节能环保的特点。

【关键词】气动机械手；气缸；优化设计；PLC

0 引言

炼胶生产线一般包括上辅机（包括胶料、粉料和油料的称量及投送系统）、胶料混炼设备（密炼机）和下辅机（胶片挤出、冷却和称量系统）三大部分。由于密炼机和下辅机之间的胶料需循环返回多次精炼的要求，而气动机械手是传递机构中的重要部分，通过夹持机构将物料从某一位置和方位，按一定运动轨迹传递到另一位置和方位，且是以空气为介质，具有使用、维修方便、安全、可靠、成本低、寿命长等特点，采用气动方式控制机械手机构被很多场合所采用[1]。设计气动机械手的原则是：充分分析作业对象的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件；明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求。

1 气动机械手的工作原理

图1 气动机械手的运动示意图

图2 气动机械手工作流程图

如图1所示，此气动机械手具有两个弧线升降运动，一个旋转运动和一个直线运动的自由度，将炼胶机的出料搬运至左侧或右侧的炼胶机上。机械手的动作除了左右旋转应用电机控制之外，其余全部动作由气缸驱动，气缸由电磁阀控制，整个机械手在工作中能实现上升和下降、左转和右转、夹紧和放松的功能，是目前较为简单的、应用比较广泛的一种气动机械手。

在主臂立柱底座上安装电机以便控制其回转自由度。小臂a与主笔立柱之间用气缸A控制连接，以便控制小臂a的弧线升降。在小臂a与小臂b之间采用气缸B连接，以便控制小臂b的弧线升降，在小臂b和夹持机构之间采用气缸C连接以便当小臂运动时夹持机构在气缸C的作用下能保持平稳的运行和垂直度，气缸C的充放气特性以及运动轨迹根据气缸B和A的充放气特性来决定。夹持机构的开合和夹紧由气缸D控制。将气动机械手的零点（原始状态）定为开始工作位的回转限位、升降限位、伸缩限位及放松状态。气动机械手为实现移料动作，需要完成如图2所示的工作流程图。

2 气动机械手气动回路的构成及原理

气动回路主要是由气源、各种控制阀以及执行气缸等组成，下面介绍回路的关键部件-执行气缸。

执行气缸包括连接主臂立柱和小臂a的气缸A，连接小臂a和小臂b的气缸B，连接小臂b和夹持机构的气缸C，以及控制夹持机构的气缸D。由于不同的气缸控制不同机械结构，其输出力也不同，所以四种气缸的型号也不同。同时要求气动机械手能够在升降过程中任意位置实现精确定位，精度要求为 1mm以内。由负载性质及气缸运动速度选定负载率β值，即可求出所需的气缸理论输出力P=F/β。

气缸D所控制的夹持机构和物料最大重量约为50kg，气缸C所控制的最大重量约为55kg，气缸B所控制的小臂b的最大重量约为70kg，气缸A所控制的小臂a的最大重量约为80kg。

一般来说，气缸可以保证起点和终点的定位精度，因此，对于夹持机构Z轴方向的定位，应用一般的气缸就可以保证其定位精度和使用要求。而对于小臂a和小臂b的升降精度要求，则可以使用 SMC公司一种新型CEI型气缸，在结构上增加了位移传感器件，使之与气缸浑为一体，整体结构紧凑合理，设计新颖，提高了气缸位移监测的性能，CEI型气缸在杠杆的两侧刻有细纹磁栅，当气缸左右移动时，位移传感部分将以双向脉冲方波形式输出能够实现中间任意位置的定位[4]，而且其定位精度可达到1mm以内，因此，应用上述气缸可以满足小臂a和小臂b的升降定位精度的要求和使用要求。根据以上原则和条件，详细选型见下表1。

表1

总体气动系统原理图如图3所示。气源首先经过滤减压阀处理，通过相应的电磁换向阀后进入各个气动执行元件。

图3 气动系统原理图

1、2、3、4―2位5通双电控电磁阀；5―气源处理组件；6―气罐

3 气动机械手控制系统配置

根据机械手运动仿真方案，机械手的循环动作依次为：上升正转下降伸出夹紧上升反转放松缩回反转下降下一循环。为了根据实际工作环境确定机械手工作时磁性限位开关的位置并调试机械手，对机械手的每一动作设定一个手动控制按钮。同时，为了保证气动机械爪工作时，整个机械手只能执行其一个动作，需要在程序上设计互锁功能。气动控制系统一般由控制器，电―气控制元件、气动执行元件、稳压气源、传感器和接口电路组成[2]。控制器一般指计算机、单片机或可编程控制器等控制器件，气动执行元件常用的有气缸、气爪、控制阀等，传感器一般指位置传感器、速度传感器和加速度传感器，接口电路指控制器与控制元件、控制器与传感器之间的接口[3]。

气动机械手有两种控制方式：操作面板控制和个人计算机控制，两种控制方式均以 PLC 为主要控制模块，其中个人计算机控制要求 PLC 与上位机实现有效通讯，通过上位机程序的改变来实现 PLC 程序的更新与运动参数的变化。为了实现气动机械手操作面板控制和个人计算机控制两种操作方式，拟采用PLC 为下位机，PC 机为上位机的控制模式，PLC 与 PC 机之间通过 RS232 协议实现通信，完成控制过程中的数据交换[5]。可编程控制器的程序运行方式是循环扫描方式，而非顺序方式，因此任何一个气缸在条件满足后即开始动作，在机械手运行中遇到突然停电时，可以关闭气源，对工件进行处理， 来电后重新初始化各项个元件与程序。

我们所要控制的系统中，有8个行程开关信号、一个按钮开关信号、一个由定位系统动作结束发出的信号共10个输入点，因此我们选用了西门子S7-200系列CPU224型号PLC，它有14路数字量输入点和10路数字量输出点，具有体积小、处理数据和通讯能力强、存储器容量大等优点。基本位布尔运算执行时间为0.22μs，用户存储器容量SK字节[6]。而且它还具备6路30kHz单相高速计数器和2路20kHz高速脉冲输出可以分别用来接收旋转编码器信号和直接控制步进电机运行。有模拟量输入/输出模块、高速计数器模块、位置控制模块、数据输入/输出模块、通信模块等，可以实现模拟量控制、位置控制和联网功能，在功能上完全满足了控制系统的要求，并留有一定数量的FO通道作为照明电路和其它储备用途。

图4 控制系统组成简图

4 结论

本文主要研究了气动机械手的执行机构和驱动系统的原理并进行了设计，采用气动驱动作为机械手的驱动方式，通过分析设计执行气缸及其控制阀等模块，以满足相应的动作要求，根据气动机械手的功能要求绘制了机械手的控制系统流程图，使机械手能实现多点连续的控制，同时分析气缸C和气缸B的充放气特性，以便优化两者的先后动作，再结合S7-200可编程控制器，使气动技术在顺序动作的逻辑控制系统的优点得到充分发挥。

【参考文献】

[1]陈启复.气动技术现状与展望[M].液压气动与密封，1992（1）：12-18.

[2]聂彤.多机械手气动系统的设计方法[J].液压与气动，2001（3）.

[3]齐进凯.气动机械手的结构设计、分析及控制的研究[D].东华大学，2006：45.

[4]杨振球.简易型精确定位气动机械手的研究及应用[D].华中科技大学，2006： 11-12.

[5]董继成.用PLC控制生产线自动机械手[J].中国仪器仪表，2004（2）.

[6]蒋少茵.PLC控制的机械手[J].微计算机信息，2002（2）.