戴贤新

摘 要：现代工业在科学技术日新月异快速发展的今天，已取得了很大的进步，而为了早日实现工业4.0，在当今工业制造体系中，原来由人工完成任务逐渐被机械装置所取代，这种情况使得机械手得以大范围使用。本文涉及一款圆柱型机械手的设计，主要应用于普通数控车床，机械手在电液混合驱动方式的作用下完成车床的自动上料、下料动作。本文主要内容在于对机械手的相关机械结构及运动控制方案进行设计并阐述了其运动控制方式。

关键词：机械手；电液混合驱动；PLC

1 总体方案设计

1.1 机械手参数的拟定

本文所涉及到的机械手主要是为了运用在常见的数控车床中，目的是为了从事上料以及下料的工作。在对各种类型的车床资料进行分析以后，可以基本上确定本次机械手设定所采用的一些相关参数。

这款机械手所需要的主要材料是圆形的棒料，手爪所需要的夹取直径在2分米和6分米之间，工件长度的取值范围是大于等于2米，小于等于8米，它能够承受的最大重量是50斤。机械手的首部中心距离地面的距离至少要大于8米，它能够升降的高度为3米，工作的范围可以在距离地面的8米到11米之间。如果工作高度提高了，这时候可以采用增加去底的方式。如果机械手在升降过程中，其运动的速度大于每秒2米，这时候的运动就不大稳定。机械手的手臂能够伸缩在4米的范围以内，速度不高于每秒2米，最常用的控制系统是通过PLC来进行控制的，它的优点是性能比较稳定。这款机械手虽然设计相对来说比较简单，但是它却能够符合大部分数控车床的要求。

1.2 机械手总体结构的类型

全球范围以内，存在着不同型号的工业机械手，他们的特点也各不相同。针对不同工作的要求，可以使用不同型号的机械手，通常我们有四种常用的机械手用于数控车床中：直角坐标机械手，关节机械手，球坐标机械手，圆柱坐标机械手。

每一种机械手都有自己的缺点和优点，有可能他们在某一方面的应用特别有效，但是在另外一方面的应用就可能完全不满足要求。根据机械手的特点，再结合数控车床的要求，最后决定使用第四种类型的机械手。此类机械手既可以回转运动，也可以直线运动，且运动方式不单一，在上料以及下料的活动过程中，有比较灵活的优势，同时也达到了一定程度的刚度需求，也满足负载要求。

1.3 驱动方案的选择

驱动系统是数控车床的灵魂，它直接决定机械手的工作。不同的机械手拥有不同的驱动方式，一般有三种类型，液压，气动，电机。在尽可能保证驱动系统的可靠性及灵活性前提下，本设计拟采用电液混合驱动作为机械手的驱动方式。该选用的驱动方式同时包含了液压驱动和电机驱动，并对两种驱动方式的优点进行了整合以达到最优效果。根据机械手中相关运动的特性及驱动方式的特点和可适用的应用场景，设计中采用电机驱动实现机械手的回转运动，该种驱动方式使得机械手动作快速灵敏，且能进行高精度驱动；另外本设计采用液压驱动进行直线运动控制，运动平稳，可靠性高。

2 控制器设计

2.1 机械手的控制器设计

就机械手的具体控制，其控制模式有自动和手动两种模式。使用哪一种模式，就需要使用者据实情进行选择了。如若选择自动模式，下排的“上升、前伸、松开、逆转、下降”等十个按钮都无需按动。

图1中我们可以看到，设计出来的控制器，其控制方式的简单明了的，其可实现的效果的一目了然的，并且其强大的功能还能最大限度的避免错误控制的出现。

2.2 PLC的外部接线

要想完全的将PLC的接线方法进行熟练的掌握。就必须对其构成做到了如指掌。由上图可知，PLC和一般的继电器式的控制系统的及其类似的。其输入、出端都是由相应的器件组成的，例如常用的一些开关、传感器、继电器等等。而在控制部分，PLC的具体功能是根据用户设置的程序来具体控制的。

在本设计中，使用的PLC是西门子S7-200，来实现对机械手臂的控制的。在输入的这侧，一共有4个开关（行程）对车床上、下料的机械手臂，通过控制水平、垂直液压缸的位置达到目的。还设计了8个手动控制功能按钮，其自动、手动模式是通过SA1/2间的转化实现的。在输出这侧，控制液压电池阀的结构液压缸都连接起来了的。并加装了步进电机的驱动器，其位于电机和PLC中间。另外，出于安全考虑同时设计了紧急停车键（外部接线图见2）。

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