自動化生產(chǎn)線機械手全氣動控制系統(tǒng)設計*

葉金玲 周欽河 賴乙宗

(①廣東水利電力職業(yè)技術學院機械工程系，廣東 廣州 510925;②華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510641)

自動化生產(chǎn)線機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型的提高操作安全性的裝置。它既可以確保產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性、一致性與均勻性，節(jié)約材料和能源，提高產(chǎn)品的競爭力，還可以用于高溫、噪音、粉塵、有毒、輻射、危險等環(huán)境下的工作，從而減輕工人勞動強度，提高勞動生產(chǎn)力。機械手廣泛應用于機械行業(yè)的組裝和加工工件的搬運、裝卸，在各種機床上的使用更是普遍［1］。

目前，氣壓傳動控制回路在自動化生產(chǎn)線機械手應用廣泛，其多執(zhí)行機構的多自由度氣動回路設計的方法也是多種多樣，各有利弊。因此，研究更簡易、穩(wěn)定的多自由度機械手全氣動控制系統(tǒng)是很有必要的。

1 機械手任務設計分析

以四自由度工業(yè)機械手作為參考模型，按照一定的動作順序要求進行回路設計，如圖1 所示。它由A、B、C、D 四個氣缸組成，能實現(xiàn)手指夾持松開、手臂伸縮、立柱升降、回轉四組動作。根據(jù)實際的工作情況設計工作流程如下:按下按鈕—立柱缸收回下降—伸縮缸伸出—夾緊缸收回夾緊—伸縮缸收回—旋轉缸順時針旋轉—立柱缸伸出上升—夾緊缸伸出松開—旋轉缸逆時針旋轉—立柱缸收回下降。

設計氣動機械手有以下的控制要求:①可以進行單一循環(huán)和連續(xù)循環(huán)兩種操作方式;②當由于某種原因使機械手中途停止時，按下復位按鈕，機械手即可返回到初始位置。

2 氣動回路設計

氣動機械手可采用純氣動回路設計方式，用行程閥與氣動換向閥來控制，無需電氣控制回路。這樣比較安全，還有防火、防爆、防潮能力，可用于環(huán)境比較惡劣的場合;而且空氣具有壓縮性，可貯存能量，實現(xiàn)集中遠程供氣，為純氣動提供基礎。氣動換向閥采用二位五通閥，無彈簧復位，具有記憶功能，帶手動功能，方便調(diào)試與復位;行程信號選擇采用二位三通行程閥，為排氣方便。

氣動順序回路常用的設計方法有邏輯法，其中的X-D 圖法也稱信號-動作圖法，是利用繪制信號、動作線圖的方法設計氣控回路的，該方法直觀、簡便，適用于較復雜的回路設計。

2.1 工作程序的確定

為簡化符號，方便分析，首先做如下規(guī)定:①A1 表示A 缸活塞桿伸出狀態(tài)，A0 表示A 缸活塞桿縮回狀態(tài)。②a1、b1 表示氣缸在終點所設置的行程閥被伸出的活塞桿壓下所發(fā)出的行程信號，同理a0、b0 表示氣缸在起點所設置的行程閥被縮回的活塞桿壓下所發(fā)出的行程信號。③右上角帶*的信號是執(zhí)行信號，如a1*、a0*、b1*、b0*…;而把不帶*的信號稱為原始信號，如a1、a0、b1 b0…。執(zhí)行這些信號必須要經(jīng)過邏輯處理后排除障礙的信號。根據(jù)以上規(guī)定，可將工作流程表示如圖2。初始狀態(tài)為:A1、B0、C1、D0。

2.2 工作程序的校正

2.2.1 障礙信號的查找

行程程序控制系統(tǒng)的運動方式，是前一個執(zhí)行元件動作完成并發(fā)出信號后，下一個執(zhí)行元件動作才開始進行，此動作完成后又發(fā)出新的信號，直到完成預定的程序。在一個多缸多往復系統(tǒng)中至少有一個氣缸往復動作兩次或兩次以上［1］。在回路中，換向閥兩端如果同時存在驅(qū)動信號，若先到信號影響后到信號，使換向閥無法換向，那么先到信號便是障礙信號［2］。在X-D圖中表現(xiàn)為同組中信號線比動作線長，那么該信號作為驅(qū)動同組中的動作，在動作結束后仍然存在，必然會影響后面動作改變，也就形成了障礙信號［3］。從圖3b 中可以看出，c0 信號線比其驅(qū)動的B1 動作線長，當a0 信號到來時c0 信號仍然存在著，換向閥無法換向(如圖3a 所示)，B0 無法動作。同理，b0 信號線比D1 動作線長，同樣存在障礙信號。

2.2.2 障礙信號的消除

在X-D 圖中，需要檢查每組中是否存在有障礙信號(信號線比動作線長)，長的那部分叫障礙段，用“波浪”表示［4］。設計回路時，必須將障礙信號去掉，使其變?yōu)闊o障礙信號去控制主換向閥，這種信號叫執(zhí)行信號，如c0*(B1)=c0·a1，表示B1 動作由c0 驅(qū)動，最終執(zhí)行信號為.0 和a1 相“與”［5］。

消除障礙信號就是使長信號變成短信號。采用邏輯“與”的方法把長信號變成短信號，消除干擾段，保留執(zhí)行段。如圖4 所示，為了排除某個有障礙信號m的障礙段，需另外引入一個輔助信號x 和m 相“與”而得到無障礙信號m*，表達式為:

式中:m 為有障信號;x 為制約信號，用來排除障礙的輔助信號;m*為無障執(zhí)行信號。

選擇x 信號的原則:信號x 的起點應選在障礙信號m 的前面，終點應選在m 障礙信號的無障礙段。一般應盡量選用系統(tǒng)中某原始信號作為制約信號。

如圖3b 所示，該系統(tǒng)只有c0 和b0 存在障礙信號段，必須消除。根據(jù)以上原則，在現(xiàn)有原始信號可以找到a1 和c0“與”可以消除c0 障礙信號段，a0 和b0“與”可以消除b0 障礙信號段，得到執(zhí)行信號c0*(B1)=c0·a1 和b0*(D1)=b0·a0，其他無障礙的信號，可直接用作執(zhí)行信號，最終得到各動作的執(zhí)行信號，完成后如圖5 所示。

3 氣動回路圖繪制

3.1 連續(xù)循環(huán)和單一循環(huán)的實現(xiàn)

采用一個手動復位q1 和一個自動復位q2，連接到“或門”型梭閥兩端，實現(xiàn)連續(xù)循環(huán)和單一循環(huán)的兩種操控方式，如圖6 所示。

3.2 連接控制信號

依次連接控制信號到換向閥兩端，重點解決信號“與”的連接，必須保證“與”完后有氣源，其接線技巧如下:如果一個信號被用到兩次以上(如a0、a1)，則要給獨立氣源;如果只用到一次(如b0、c0)，則可以從其他信號串接過來;如果多個信號均用到兩次，只能給獨立氣源，又需要跟其他信號進行“與”時，用“與門型”梭閥。

空間句法是一種分析城市空間結構的理論方法.不同于其他城市設計理論，空間句法把空間本身作為人類活動的內(nèi)在屬性，通過對空間本身的量化分析，賦予其形態(tài)維度、視覺維度、社會維度及經(jīng)濟維度等方面的評估手段，最終使城市空間規(guī)劃與設計發(fā)揮應有的作用[3].通常應用于城市或街區(qū)空間評價、街區(qū)更新改造策略研究、交通系統(tǒng)評價及建筑空間評價等方面.

3.3 緊急復位控制

增加緊急復位控制功能，用一個二位四通手動閥V5 切換，緊急情況時按下V5 手動按鈕，控制氣路通過4 個“或門型”梭閥V6、V7、V8、V9 分別控制A 缸伸出、B 缸收回、C 缸伸出、D 缸收回，回到初始狀態(tài):A1、B0、C1、D0。

符合以上功能要求的回路設計如圖6 所示。

4 工作流程分析

如圖7 所示，4 個缸初始狀態(tài):A1、B0、C1、D0，工作流程如下:

(1)按下q1 啟動按鈕不斷循環(huán)，氣路經(jīng)行程閥d0和手動閥q1 進入換向閥V3 右端，C 缸收回，實現(xiàn)C0。

(2)當C 缸活塞桿上擋塊碰到行程閥c0 時，氣路經(jīng)行程閥a1 和c0 進入換向閥V2 左端，B 缸伸出，實現(xiàn)B1。

(3)當B 缸活塞桿上擋塊碰到行程閥b1 時，氣路經(jīng)行程閥b1 進入換向閥V1 右端，A 缸收回，實現(xiàn)A0。

(4)當A 缸活塞桿上擋塊碰到行程閥a0 時，氣路經(jīng)行程閥a0 進入換向閥V2 右端，B 缸收回，實現(xiàn)B0。

(5)當B 缸活塞桿上擋塊碰到行程閥b0 時，氣路經(jīng)行程閥b0 和a0 進入換向閥V4 左端，D 缸伸出，實現(xiàn)D1。

(6)當D 缸活塞桿上擋塊碰到行程閥d1 時，氣路經(jīng)行程閥d1 進入換向閥V3 左端，C 缸伸出，實現(xiàn)C1。

(7)當C 缸活塞桿上擋塊碰到行程閥c1 時，氣路經(jīng)行程閥c1 進入換向閥V1 左端，A 缸伸出，實現(xiàn)A1。

(8)當A 缸活塞桿上擋塊碰到行程閥a1 時，氣路經(jīng)行程閥a1 進入換向閥V4 右端，D 缸收回，實現(xiàn)D0。

(9)當D 缸活塞桿上擋塊碰到行程閥d0 時，氣路經(jīng)行程閥d0 和手動閥q1 進入換向閥V3 右端，C 缸收回，實現(xiàn)C0，開始新的周期。

5 結語

在分析實際需要的基礎上研究了四自由度機械手全氣動控制的設計任務和要求以及具體的設計問題，采用了X-D 圖法設計整體的氣動系統(tǒng)。此設計可以保證自動化生產(chǎn)線穩(wěn)定、快速的工作要求。

［1］屈圭，吳曉丹，曾豪華.煤礦用機械手全氣動控制系統(tǒng)設計［J］.液壓與氣動，2009(8):27 -31.

［2］朱光力.三坐標氣動機械手氣動控制回路設計［J］.機械設計與制造，2003(2):61 -62.

［3］胡學武，盛小明.基于電-氣動控制的拉伸機自動送料機械手［J］.液壓與氣動，2010(11):45 -46.

［4］林榮川.氣動機械手控制回路設計［J］.現(xiàn)代制造工程，2007(12):110 -112.

［5］陸鑫盛，周洪.氣動自動化系統(tǒng)的優(yōu)化設計［M］.上海:上?？萍嘉墨I出版社，2000.

［6］吳振順.氣壓傳動與控制［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，1995.

［7］路甬祥.液壓氣動技術手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2002.

［8］江興華.液壓傳動與氣動傳動［M］.武漢:華中科技大學出版社，2005.

［9］左建民.液壓與氣壓傳動［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1997.