機械手，是一種模仿人手部分功能實現(xiàn)特定抓取、搬運或其他操作的自動化機械設(shè)備，可替代人的部分操作，以提高生產(chǎn)效率、降低勞動強度，目前已在各種數(shù)控機床上得到廣泛應(yīng)。本文針對某小型數(shù)控車床的工作流程及結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計一種上下料機械手，以提高數(shù)控車床工作效率。

1 上下料機械手的結(jié)構(gòu)及動作

　　該上下料機械手與數(shù)控車床的布局與加工過程，如圖1所示。機械手的工作流程為：機械手由初始位置轉(zhuǎn)向工件臺，定位并抓取工件，而后機械手轉(zhuǎn)向數(shù)控車床，將工件放置到三爪卡盤上進行加工。為實現(xiàn)上述功能，該上下料機械手在空間上需要實現(xiàn)5個自由度的位移，同時，為使定位準確，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，機械手可采用氣壓傳動方式。

圖1 機械手與數(shù)控車床加工布局

　　圖2為本文所設(shè)計的機械手結(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)準氣缸進行控制以實現(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，機械手采用SMC的平行開閉型氣動手爪實現(xiàn)夾緊動作，而回轉(zhuǎn)動作的實現(xiàn)可采用SMC的標(biāo)準回轉(zhuǎn)式氣缸，進行驅(qū)動可實現(xiàn)0°～180°回轉(zhuǎn)。底座采用雙作用薄型齒輪齒條式擺動氣缸驅(qū)動，可帶動整個機械手實現(xiàn)順、逆時針0°～270°的旋轉(zhuǎn)。機械手通過單線圈雙位置電磁閥控制手爪的夾緊與放松，并通過接近開關(guān)限定位移機構(gòu)的移動范圍。

圖2 機械手結(jié)構(gòu)圖

2 機械手驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

　　該車床上下料機械手，將采用氣動系統(tǒng)驅(qū)動，包括氣動三聯(lián)件、各種氣缸、氣源、氣動系統(tǒng)控制閥等，如圖3所示。機械手的橫軸水平運動X、豎軸垂直運動Y、底座旋轉(zhuǎn)運動Z、手腕部擺動R及手部夾持運動H分別由伸縮氣缸、升降氣缸、回轉(zhuǎn)氣缸、擺動氣缸及手指氣缸實現(xiàn)。系統(tǒng)中，氣動控制元件采用SMC的標(biāo)準產(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，氣缸兩腔與大氣相通，以免重新啟動時對機器形成沖擊，其余控制回路均采用兩位五通電磁閥。每個氣缸的兩個氣口均有單向節(jié)流閥以保證運行平穩(wěn)?；剞D(zhuǎn)氣缸的型號為CDRB1BW50-90D；手指氣缸的型號為MHZ2-40D。擺動氣缸選用的型號為CDRB-20X-180S。伸縮、升降氣缸的型號為CDQ2B20-15DM。

圖3 機械手氣動驅(qū)動系統(tǒng)

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

　?、诘鬃男D(zhuǎn)運動Z、手腕部的擺動R。機械手橫軸底座的旋轉(zhuǎn)運動Z由回轉(zhuǎn)氣缸控制實現(xiàn)。當(dāng)壓縮氣體由電磁閥V3.1進入Z軸回轉(zhuǎn)氣缸0°側(cè)則氣缸回轉(zhuǎn)以實現(xiàn)底座0°～90°范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)；同理，若要實現(xiàn)底座90°～0°的旋轉(zhuǎn)，則可將電磁閥V3.2打開，壓縮氣體進入到回轉(zhuǎn)氣缸90°側(cè)氣缸即可。機械手手腕部的擺動R由擺動氣缸及電磁閥V4實現(xiàn)。壓縮氣體進入擺動氣缸的0°（90°），則可實現(xiàn)氣缸的旋轉(zhuǎn)運動以帶動加工工件的相應(yīng)旋轉(zhuǎn)。

　?、凼植康膴A持運動H。該動作由電磁閥V5及手指氣缸控制。壓縮氣由打開的電磁閥V5進入手指氣缸的無桿腔則可迫使氣缸夾緊從而實現(xiàn)手指對工件的夾緊; 同理當(dāng)電磁閥V1關(guān)閉，壓縮氣體進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

　　根據(jù)機械手的工作特點，控制系統(tǒng)采用PLC作為控制器，圖4為機械手控制流程圖。現(xiàn)根據(jù)機械手流程圖確定PLC型號并確定I/O點數(shù)，同時，設(shè)計控制系統(tǒng)硬件并對PLC進行軟件編程。

圖4 為機械手控制流程圖

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

圖5 輸入輸出信號作用及地址分配

　　②I/O電氣接口圖。圖6為上下料機械手I/O電氣接口圖。機械手的氣動插頭接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與操作臺面上的總開關(guān)Q3閉合，電影將給PLC供電，電源指示燈點亮，機械手控制系統(tǒng)完成初始化。

圖6 機械手I/O 電氣接口圖

　?、跴LC控制程序軟件實現(xiàn)。該車床上下料機械手的工作，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行加工。初始時，機械手處在取料區(qū)，手臂處于上端，手指松開。機械手的動作由氣缸及相應(yīng)的電磁閥進行控制，控制方式可分為手動和自動方式兩種。對于手動控制方式，需設(shè)置各手動按鈕所對應(yīng)的動作，既可單步操作亦可按周期方式操作。而自動控制方式則只需按下起動按鈕，則機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

　　本文利用PLC對數(shù)控車床上下料機械手實現(xiàn)了自動控制，提高了數(shù)控車床生產(chǎn)的加工效率，減輕了工人的勞動強度，降低了生產(chǎn)成本。同時，PLC模塊靈活，若機械手加工流程發(fā)生改變，只需對I/O點的接線進行重新分配或修改，并調(diào)整相應(yīng)程序，具有較強的實用性。