氣動(dòng)教學(xué)機(jī)械手的開(kāi)發(fā)與開(kāi)放實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

唐德棟+韓天泉+張雪亮

[摘 要]根據(jù)機(jī)械手的控制要求，進(jìn)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(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。分析設(shè)計(jì)氣動(dòng)教學(xué)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。氣動(dòng)教學(xué)機(jī)械手的開(kāi)發(fā)過(guò)程與開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目結(jié)合，可以提高學(xué)生的獨(dú)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(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械手；可編程序控制；開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)；創(chuàng)新訓(xùn)練

[中圖分類(lèi)號(hào)] TP241.3 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 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(dòng)及機(jī)械手的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，各高校已經(jīng)認(rèn)識(shí)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(dòng)教學(xué)機(jī)械手是機(jī)電一體化技術(shù)的典型代表產(chǎn)品，涉及機(jī)械設(shè)計(jì)及制造技術(shù)、可編程序控制技術(shù)、氣壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)、傳感器技術(shù)等。本文設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)教學(xué)機(jī)械手，它作為機(jī)電一體化集成技術(shù)的教學(xué)載體，提供了一個(gè)開(kāi)放、創(chuàng)新的綜合教學(xué)平臺(tái)，可以用于機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)器人、氣壓傳動(dòng)等課程的理論教學(xué)演示及實(shí)驗(yàn)教學(xué)操作。[2]

一、機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

教學(xué)機(jī)械手設(shè)計(jì)為三個(gè)自由度，分別為腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（周向），大臂伸縮運(yùn)動(dòng)（徑向），小臂升降運(yùn)動(dòng)（軸向）。其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中腰部的回轉(zhuǎn)通過(guò)擺動(dòng)氣缸實(shí)現(xiàn)，手臂伸縮及手腕的升降通過(guò)直線氣缸實(shí)現(xiàn)，直線氣缸選用了多軸結(jié)構(gòu)，保證了機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)精度與剛度，并具有防扭轉(zhuǎn)的效果，手爪的開(kāi)合通過(guò)單獨(dú)的氣缸驅(qū)動(dòng)。機(jī)械手采用了模塊化的設(shè)計(jì)理念，各個(gè)模塊獨(dú)立于整體，每個(gè)氣缸可以單獨(dú)控制，互不干涉。

二、機(jī)械手的氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣壓系統(tǒng)中方向控制閥可以通過(guò)改變閥芯位置，使氣流流過(guò)不同的通道而改變氣流運(yùn)動(dòng)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(gè)氣缸的伸縮[3]，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手腰部、大臂、小臂及手爪的相應(yīng)動(dòng)作，每個(gè)氣缸缸體安裝兩個(gè)磁性感應(yīng)開(kāi)關(guān)，用于檢測(cè)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(kāi)的可靠性。為了保證機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，每個(gè)氣缸的進(jìn)出口均安裝了單向節(jié)流閥，可實(shí)現(xiàn)氣缸運(yùn)動(dòng)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(jī)械手的可編程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.機(jī)械手的動(dòng)作順序

機(jī)械手將工件從A點(diǎn)搬運(yùn)至B點(diǎn)，其具體的動(dòng)作順序?yàn)椋簷C(jī)械手大臂伸出、小臂下降、手爪夾緊工件、腰部順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°、大臂縮回、手爪松開(kāi)、小臂上升、腰部逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°回到原點(diǎn)位置。

2.輸入/輸出地址分配

根據(jù)機(jī)械手輸入輸出量的特點(diǎn)及數(shù)量，控制系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-200系列CPU226型可編程控制器。表1為機(jī)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(jì)

為了滿足教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求，將氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)置為多種工作方式，包括手動(dòng)和自動(dòng)工作方式。改變機(jī)械手的控制流程軟件程序，可以方便快捷的改變機(jī)械手的動(dòng)作順序。可編程控制器的程序由1個(gè)主程序及4個(gè)子程序組成。四個(gè)子程序分別為公用程序、手動(dòng)程序、回原點(diǎn)程序及自動(dòng)程序。其中自動(dòng)程序包含三種功能，單步動(dòng)作、單周期動(dòng)作、連續(xù)動(dòng)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(dòng)程序設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證機(jī)械手的安全運(yùn)行，需要設(shè)定一些必要的互鎖，防止動(dòng)作相反的兩個(gè)輸出同時(shí)接通?；卦c(diǎn)程序是基于自動(dòng)程序的順序控制實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)相應(yīng)指令控制機(jī)械手自動(dòng)回到原點(diǎn)處。執(zhí)行單步運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程及動(dòng)作與連續(xù)運(yùn)動(dòng)相同，每按下一次起動(dòng)按鈕，執(zhí)行一步活動(dòng)后停止。執(zhí)行單周期運(yùn)動(dòng)時(shí)，程序執(zhí)行完一個(gè)完整周期后便停止。單周期動(dòng)作與連續(xù)動(dòng)作通過(guò)連續(xù)標(biāo)志位進(jìn)行區(qū)別，控制連續(xù)標(biāo)志位的梯形圖程序采用起保停電路。通過(guò)轉(zhuǎn)換允許標(biāo)志位實(shí)現(xiàn)單步功能，其控制電路由起動(dòng)按鈕與正跳變觸點(diǎn)指令串聯(lián)而成，在自動(dòng)程序的梯形圖中，每步起動(dòng)電路中均串聯(lián)轉(zhuǎn)換允許標(biāo)志位的常開(kāi)觸點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的單步控制。

四、開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐與效果

結(jié)合氣動(dòng)機(jī)械手的開(kāi)發(fā)進(jìn)行了開(kāi)放性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)之前，需要掌握機(jī)械設(shè)計(jì)、氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、可編程控制器原理等相關(guān)的技術(shù)基礎(chǔ)課。將參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生分成三個(gè)小組，分別為機(jī)械設(shè)計(jì)調(diào)試組、氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)組、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)組。機(jī)械設(shè)計(jì)調(diào)試組主要完成機(jī)械手標(biāo)準(zhǔn)件的選型及購(gòu)買(mǎi)，非標(biāo)件的設(shè)計(jì)及加工，所有零部件齊備后，進(jìn)行裝配及調(diào)試。氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)組主要完成機(jī)械手所有執(zhí)行元件的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并根據(jù)設(shè)計(jì)的氣壓系統(tǒng)原理圖選擇相應(yīng)的氣壓元件進(jìn)行搭接及調(diào)試。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)組主要完成機(jī)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(jì)方法編制合理的控制程序，軟件仿真驗(yàn)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(jìn)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(dú)立完成自己負(fù)責(zé)部分工作的設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試等工作。三個(gè)小組調(diào)試成功后，由實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的總負(fù)責(zé)人，協(xié)調(diào)所有學(xué)生完成機(jī)械手的機(jī)、電、氣系統(tǒng)的綜合調(diào)試工作。開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，學(xué)生們遇到了很多實(shí)際的問(wèn)題，比如機(jī)械設(shè)計(jì)調(diào)試組，一開(kāi)始選擇的氣缸型號(hào)市場(chǎng)上很難買(mǎi)到，根據(jù)工況重新選擇了常用的型號(hào)；設(shè)計(jì)的手爪與小臂氣缸的連接板實(shí)際裝配時(shí)出現(xiàn)了干涉的錯(cuò)誤，需重新進(jìn)行修改；機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)連接成功后，發(fā)現(xiàn)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沖擊較大，氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)組與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)組聯(lián)合調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。三個(gè)小組的學(xué)生既有分工又有合作，在確定方案、詳細(xì)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)調(diào)試的過(guò)程中，鍛煉了縝密思維、協(xié)同創(chuàng)新、團(tuán)隊(duì)合作的科研攻關(guān)能力。開(kāi)發(fā)的機(jī)械手現(xiàn)主要用于機(jī)械、機(jī)電等專(zhuān)業(yè)的理論及實(shí)驗(yàn)教學(xué)。機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制系統(tǒng)可靠，動(dòng)作方式多樣，操作及調(diào)試方便。通過(guò)該裝置的開(kāi)發(fā)、調(diào)試及演示，學(xué)生們對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)器人基礎(chǔ)、機(jī)電傳動(dòng)控制、液壓與氣壓傳動(dòng)、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(zhuān)業(yè)課程的教學(xué)效果和學(xué)生的動(dòng)手及創(chuàng)新能力。

[ 注 釋 ]

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

[2] 張燕，史留勇，劉世豪.基于社會(huì)需求的機(jī)電一體化專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].中國(guó)電力教育，2014（29）：75-76.

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

[4] 唐德棟.基于Festo實(shí)驗(yàn)臺(tái)氣動(dòng)綜合實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)[J].機(jī)床與液壓，2006（4）：109-110.

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

[責(zé)任編輯：鐘 嵐]