氣動教學(xué)機械手的開發(fā)與開放實驗應(yīng)用

唐德棟+韓天泉+張雪亮

[摘 要]根據(jù)機械手的控制要求，進行可編程序控制系統(tǒng)的輸入/輸出地址分配，利用順序控制的方法實現(xiàn)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計。分析設(shè)計氣動教學(xué)機械手的結(jié)構(gòu)及氣壓驅(qū)動系統(tǒng)。氣動教學(xué)機械手的開發(fā)過程與開放實驗項目結(jié)合，可以提高學(xué)生的獨立科研能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能，為學(xué)生的創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)奠定堅實基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]機械手；可編程序控制；開放性實驗；創(chuàng)新訓(xùn)練

[中圖分類號] TP241.3 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2016）05-0146-02

現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)中，隨著液壓與氣壓傳動及機械手的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，各高校已經(jīng)認識到其相關(guān)技術(shù)及人才培養(yǎng)的重要性和緊迫性。[1]氣動教學(xué)機械手是機電一體化技術(shù)的典型代表產(chǎn)品，涉及機械設(shè)計及制造技術(shù)、可編程序控制技術(shù)、氣壓驅(qū)動技術(shù)、傳感器技術(shù)等。本文設(shè)計了一種氣動教學(xué)機械手，它作為機電一體化集成技術(shù)的教學(xué)載體，提供了一個開放、創(chuàng)新的綜合教學(xué)平臺，可以用于機械設(shè)計、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計、機器人、氣壓傳動等課程的理論教學(xué)演示及實驗教學(xué)操作。[2]

一、機械手的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

教學(xué)機械手設(shè)計為三個自由度，分別為腰部回轉(zhuǎn)運動（周向），大臂伸縮運動（徑向），小臂升降運動（軸向）。其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中腰部的回轉(zhuǎn)通過擺動氣缸實現(xiàn)，手臂伸縮及手腕的升降通過直線氣缸實現(xiàn)，直線氣缸選用了多軸結(jié)構(gòu)，保證了機械手的運動精度與剛度，并具有防扭轉(zhuǎn)的效果，手爪的開合通過單獨的氣缸驅(qū)動。機械手采用了模塊化的設(shè)計理念，各個模塊獨立于整體，每個氣缸可以單獨控制，互不干涉。

二、機械手的氣壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

氣壓系統(tǒng)中方向控制閥可以通過改變閥芯位置，使氣流流過不同的通道而改變氣流運動方向。本文采用的方向控制閥為三位五通電磁換向閥，分別控制四個氣缸的伸縮[3]，實現(xiàn)機械手腰部、大臂、小臂及手爪的相應(yīng)動作，每個氣缸缸體安裝兩個磁性感應(yīng)開關(guān)，用于檢測氣缸的極限位置。[4]由于手爪模塊所需控制精度高，工作壓力小，在該氣缸的控制回路上安裝了減壓閥，確保手爪抓緊與松開的可靠性。為了保證機械手運動的平穩(wěn)性，每個氣缸的進出口均安裝了單向節(jié)流閥，可實現(xiàn)氣缸運動速度的連續(xù)調(diào)整。綜上所述，氣壓系統(tǒng)回路如圖2所示。

三、機械手的可編程控制系統(tǒng)設(shè)計

1.機械手的動作順序

機械手將工件從A點搬運至B點，其具體的動作順序為：機械手大臂伸出、小臂下降、手爪夾緊工件、腰部順時針旋轉(zhuǎn)90°、大臂縮回、手爪松開、小臂上升、腰部逆時針旋轉(zhuǎn)90°回到原點位置。

2.輸入/輸出地址分配

根據(jù)機械手輸入輸出量的特點及數(shù)量，控制系統(tǒng)采用西門子S7-200系列CPU226型可編程控制器。表1為機械手控制系統(tǒng)的輸入/輸出地址分配表。

三、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

為了滿足教學(xué)實驗的需求，將氣動機械手設(shè)置為多種工作方式，包括手動和自動工作方式。改變機械手的控制流程軟件程序，可以方便快捷的改變機械手的動作順序?？删幊炭刂破鞯某绦蛴?個主程序及4個子程序組成。四個子程序分別為公用程序、手動程序、回原點程序及自動程序。其中自動程序包含三種功能，單步動作、單周期動作、連續(xù)動作。[5]公用程序用于處理各種方式都要執(zhí)行的任務(wù)，以及處理不同工作方式之間的轉(zhuǎn)換。手動程序設(shè)計時，為了保證機械手的安全運行，需要設(shè)定一些必要的互鎖，防止動作相反的兩個輸出同時接通。回原點程序是基于自動程序的順序控制實現(xiàn)的，通過相應(yīng)指令控制機械手自動回到原點處。執(zhí)行單步運動時，運動過程及動作與連續(xù)運動相同，每按下一次起動按鈕，執(zhí)行一步活動后停止。執(zhí)行單周期運動時，程序執(zhí)行完一個完整周期后便停止。單周期動作與連續(xù)動作通過連續(xù)標志位進行區(qū)別，控制連續(xù)標志位的梯形圖程序采用起保停電路。通過轉(zhuǎn)換允許標志位實現(xiàn)單步功能，其控制電路由起動按鈕與正跳變觸點指令串聯(lián)而成，在自動程序的梯形圖中，每步起動電路中均串聯(lián)轉(zhuǎn)換允許標志位的常開觸點，可實現(xiàn)機械手的單步控制。

四、開放實驗教學(xué)的實踐與效果

結(jié)合氣動機械手的開發(fā)進行了開放性的實驗教學(xué)，學(xué)生參與實驗之前，需要掌握機械設(shè)計、氣壓系統(tǒng)設(shè)計、可編程控制器原理等相關(guān)的技術(shù)基礎(chǔ)課。將參與實驗的學(xué)生分成三個小組，分別為機械設(shè)計調(diào)試組、氣壓系統(tǒng)設(shè)計組、控制系統(tǒng)設(shè)計組。機械設(shè)計調(diào)試組主要完成機械手標準件的選型及購買，非標件的設(shè)計及加工，所有零部件齊備后，進行裝配及調(diào)試。氣壓系統(tǒng)設(shè)計組主要完成機械手所有執(zhí)行元件的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計，并根據(jù)設(shè)計的氣壓系統(tǒng)原理圖選擇相應(yīng)的氣壓元件進行搭接及調(diào)試?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計組主要完成機械手可編程控制器輸入/輸出地址的正確分配，利用順序控制的設(shè)計方法編制合理的控制程序，軟件仿真驗證合理后，下載至可編程序控制器中，正確連接可編程控制器的外部接線，進行控制系統(tǒng)的調(diào)試。各組可根據(jù)教師布置的任務(wù)，分別獨立完成自己負責部分工作的設(shè)計、仿真、調(diào)試等工作。三個小組調(diào)試成功后，由實驗項目的總負責人，協(xié)調(diào)所有學(xué)生完成機械手的機、電、氣系統(tǒng)的綜合調(diào)試工作。開放實驗的過程中，學(xué)生們遇到了很多實際的問題，比如機械設(shè)計調(diào)試組，一開始選擇的氣缸型號市場上很難買到，根據(jù)工況重新選擇了常用的型號；設(shè)計的手爪與小臂氣缸的連接板實際裝配時出現(xiàn)了干涉的錯誤，需重新進行修改；機械手驅(qū)動系統(tǒng)連接成功后，發(fā)現(xiàn)機械手運動過程中沖擊較大，氣壓系統(tǒng)設(shè)計組與控制系統(tǒng)設(shè)計組聯(lián)合調(diào)試，最終實現(xiàn)了機械手的平穩(wěn)運動。三個小組的學(xué)生既有分工又有合作，在確定方案、詳細設(shè)計、實驗調(diào)試的過程中，鍛煉了縝密思維、協(xié)同創(chuàng)新、團隊合作的科研攻關(guān)能力。開發(fā)的機械手現(xiàn)主要用于機械、機電等專業(yè)的理論及實驗教學(xué)。機械手結(jié)構(gòu)簡單，控制系統(tǒng)可靠，動作方式多樣，操作及調(diào)試方便。通過該裝置的開發(fā)、調(diào)試及演示，學(xué)生們對機電一體化系統(tǒng)設(shè)計、機器人基礎(chǔ)、機電傳動控制、液壓與氣壓傳動、可編程序控制器等課程的理解可以更加直觀及深入，大大提高了專業(yè)課程的教學(xué)效果和學(xué)生的動手及創(chuàng)新能力。

[ 注 釋 ]

[1] 王翠艷，吳文江，高占鳳，等.機電一體化創(chuàng)新教育探索與實踐[J].中國電力教育，2010（4）：154-155.

[2] 張燕，史留勇，劉世豪.基于社會需求的機電一體化專業(yè)實驗教學(xué)改革[J].中國電力教育，2014（29）：75-76.

[3] 左健民.液壓與氣壓傳動[M].北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[4] 唐德棟.基于Festo實驗臺氣動綜合實驗的開發(fā)[J].機床與液壓，2006（4）：109-110.

[5] 廖常初.PLC編程及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[責任編輯：鐘 嵐]