ACCJ 年第 F 期 ################################################################# # 液压与气动 DF 基于 !"# 的机械手混合驱动控制 孙 兵，赵 斌，施永辉 !"# $#%"&’(%&) *&’+ ,-./(’#+ ,-’01-) 2&3#+ -’ 45, 678 2(’9 ，:*;< 2(’ ，6*= >-’9?"@( （南通纺织职业技术学院 机电系，江苏 南通 AABCCD） 摘 要：通过对物料搬运机械手装置结构与功能的介绍，提出了一种电气伺服和气动伺服相结合的混合 驱动机械手结构类型，重点分析了基于 45, 的机械手控制系统组成，并详细论述了以 45, 为核心对步进电 机和伺服气缸进行综合控制的软、硬件实现方法。 关键词：45,；机械手；气动伺服定位；步进电机 中图分类号：!*EFGH D 文献标识码：2 文章编号：ECCC?IGJG（ACCJ）CF?CCFD?CF $ 引言 随着计算机控制技术在机械手应用中的不断深 入，具有独立控制器、程序可变、动作灵活、定位精度 高、适用于可变换品种的中小批量自动化生产的通用 机械手得到迅速发展。采用电?气混合驱动技术的机 械手（既有电伺服控制，又有气动比例伺服控制，还有 简单直线气缸控制）因具备可充分利用现有资源、便于 采用模块化拼装结构、系统综合能力强、可扩充性好等 % 机械手结构组成与功能 物料搬运机械手由机械手和物料分拣两部分装置 组成。如图 E 所示，机械手为三自由度圆柱坐标型结 构，主要包含机座、腰部（步进电机驱动旋转）、水平手 臂（直线坐标气缸 *$4?AC?ACC）、垂直手臂（滑块气缸 65!?EB?JC）和气爪（平行气爪 *K4?EC?;）等。物料分拣 装置则由 I 个普通气缸构成，用以将不同长度的工件 经分拣后送至各自的轨道终端进行淬火加工，加工完 优点，在工业自动线上越来越受到重视，有着极其广泛 毕后再由机械手抓取、搬运和分类堆放。 的应用前景［E］。我们开发的用于热处理淬火加工的物 料搬运机械手，就采用了这种混合驱动技术，是一种按 预先设定的程序进行工件分拣、搬运和淬火加工的自 动化装置。 收稿日期：ACCI?CL?CB 作者简介：孙兵（ELDE—），男，江苏南通人，讲师，硕士研究 生，研究方向：控制理论与控制工程。 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! 由于毛细现象的作用，在产生真空压力前，只要吸液针 吸持住。真空压力大小经多次试验后设定，真空度过 放入吸取液体中，就会有部分液体自动进入吸液管。 为了平衡毛细现象，通过调整减压阀 EC 的出口压力将 由于毛细现象吸入的液体推出吸液针。该回路的通断 由二位二通电磁阀 J 控制。 （I）清除吸液 M 注射管 每次注射开始前，希望将 上次注射后管中残余的注射液体清除管外，气源压力 大会将被注射细胞过多吸入吸持针口而导致细胞破 裂，真空度过小则可能吸不住细胞而无法完成注射过 程。该回路动作与否由电磁阀 D 来控制。 （B）清除吸持细胞残余物 注射过程完成后，将 减压阀 L 开口调到最大，利用气源压力将被吸持细胞 的残余物清除吸持针口。 下的氮气将残余注射液体等推出注射管，起到清洁吸 液 M 注射管的作用。该回路动作与否由电磁阀 B 来控 制。 以上 I 项功能不可同时进行，每次只有一条回路 工作，I 条回路的出口是相同的，为吸液 M 注射针口。 （J）吸持被注射细胞 每次注射前将被注射细胞 吸持在吸持针口处，等待注射。气源压力经减压阀 L 减压后进入真空发生器产生吸持真空度将被注射细胞 同样，功能（J）和（B）不能同时进行。这两个回路 的出口接吸持针口。 各回路的顺序动作和协同动作由事先设定好的程 序给定。 & 结论 利用气体惰性和气动系统容易实现微量控制、流 量连续控制和可编程控制的特点，可以很好地完成生 物微注射试验。 " ˝ • ‰ ˚ 

?’ 液压与气动 $((< 年第 ’ 期 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! %!4 进行控制，向 %!4 发出定位命令，然后由 %!4 通过 向步 进 电 机 驱 动 器 输 出 指 定 数 量 的 脉 冲（ 最 大 %((9!!:）来 具 体 执 行 这 个 定 位 命 令，从 而 最 终 实 现 !"# 对步进电机的伺服定位控制。 图 ! 物料搬运机械手装置结构示意图 " 机械手控制方案 由于取工件和堆放工件都有定位精度要求，所以 在机械手控制中，除了要对垂直手臂、气爪等普通气缸 进行控制外，还要涉及到对水平手臂气缸以及机械手 腰部回转的伺服控制。其中，水平手臂气缸伺服控制 采用气动比例伺服控制系统；腰部回转伺服控制则采 用步进电机伺服控制系统。考虑到机械手工作的稳定 性、可靠性以及各种控制元器件连接的灵活性和方便 性，对这 种 混 合 驱 动 机 械 手 采 用 !"# 作 为 核 心 控 制 器，上述各控制对象都必须在 !"# 的统一控制下协同 工作（如图 $ 所示）。!"# 采用 %& 点输入、%& 点输出 型，系统主要由 ’ 部分组成。 $）气动伺服定位控制 采用气动伺服定位系统可非常方便地实现多点无 限定位和无级调速，而且伺服定位气缸的运动速度的 连续可调性还可以替代传统的节流阀和气缸端部缓冲 方式，达到最佳的速度和缓冲效果，大幅度降低气缸的 动作时间，缩短工序节拍，提高生产率。如图 ’ 所示， 本设计中气动伺服定位系统主要由 ;7! 坐标气缸、伺 服定位控制器 :!# $(( 以及与之配套的内置位移传感 器 7"63!683($$<、气 动 伺 服 阀 7!=>3<3% , ?3"03(%(3@ 和伺 服 定 位 控 制 连 接 器 :!#3AB03!68 等 装 置 组 成。 ;7! 坐标气缸的活塞位置通过位移传感器转换为 ( C %( D 连续变化的电信号，然后输入 :!# $(( 进行处理。 气动伺服定位系统的定位精度、动态特性就主要取决 于 :!# $(( 的算法和控制参数。气动伺服阀的功能则 是将 :!# $(( 处理完毕后输出的连续电信号再转换为 连续气控制信号（压力、流量），从而驱动 ;7! 坐标气 缸进行伺服定位。 图 & 气动伺服定位系统组成 :!#$(( 有“5EFG+H :EIEFJ”和“:JK+J , :JGL”两种工作 模式。其中，“5EFG+H :EIEFJ”模式适合于定位操作需与 外部设备的动作相协调的情况，这时最多可设置 ’$ 种 定位状 态。在 整 个 系 统 的 工 作 过 程 中，由 !"# 通 过 :!# $(( 的 B() ( C B() M 输入 (、% 状态组合，从而实现对 ’$ 种定位状态中的某一种进行选择，并达到伺服定位 的目的。“:JK+J , :JGL”模式则主要用于预先设定好的连 续伺服定位任务，在定位过程中，只能通过定位程序中 的“7((”指令及其他外部控制信号来暂停或恢复定位 工作，定位顺序是不能改变的。根据本设计中机械手 水平手臂气缸的动作要求可知，定位任务并不是连续 下达的，而是要与步进电机的旋转以及滑块气缸、气爪 的动作相配合，且定位顺序不固定，是随机的（因为长、 图 " #$% 控制系统硬件原理图 %）步进电机控制 机械手旋转角度的控制精度要求在 () %*以内，转 速要求低（%(( + , -./ 以内），转动应平稳。从技术经济 的角度，综合目前常用的三大电伺服系统，我们选择三 相混合式步进电机与其配套的等角度恒力矩细分型驱 动器作为机械手旋转角度定位装置，定位精度 可 达 ’(((( 步 , 转。同时，选择与 01$2 系列 !"# 配套的脉冲 发生单元 01$23%!4 作为步进电机驱动器的控制单元。 !"# 通过扩展电缆、控制信号以及 0567 , 86 指令对 ˝ • ‰ ˚ 

,--F 年第 : 期 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ! 16= - 的状态又是由 *8+ 的输出端 9, A 9- 控制的，从 短工件的分拣本身就是随机的）。因此，在本设计中采 而实现了 *8+ 对气动伺服定位的控制。 用“!"#$%& ’"("#)”模式。 表 " 气动伺服定位位移对应表 液压与气动 H: ’*+,-- 输入端子 1-=, （9,） 1-=@ （9@） 1-=- （9-） 气动伺服定位 绝对位移（DD） 说 明 - - - - @ - - @ @ - - @ - @ - @- ;E @E- @,- E- := , *8+ 控制程序 初始位置时气缸位移 取工件时气缸位移 放工件时气缸位移 @ 放工件时气缸位移 , 放工件时气缸位移 : 综合前述的步进电机和气动伺服控制技术，同时 结合对垂直手臂滑块气缸、气爪的控制要求，下面给出 机械手完成一次混合驱动定位并抓取工件的部分 *8+ 程序（如图 > 所示）。 图 # 机械手综合控制程序 该程序表明：当工件分拣加工完毕后，机械手首先 转动一定的角度指向取工件位置，待步进电机定位结 束后，垂直手臂滑块气缸活塞落下，然后水平手臂气缸 在气动伺服控制下伸出设定的定位位移。当气动伺服 定位结束后，气爪动作，夹紧工件。后续的搬运和放置 工件的控制程序原理是类似的。 # 结束语 上述针对机械手的电.气混合驱动控制系统充分 利用了步进电机伺服控制和气动伺服控制的优点，以 *8+ 为核心，将两者有机地结合在一起，结构紧凑、性 能可靠，目前在现场运行良好。 参考文献： ［@］ 陆鑫盛，周洪 = 气动自动化系统的优化设计［3］= 上海： 上海科学技术文献出版社，,---= ’*+ ,-- 由 ’*+ ,--.*/!.012 电源模块、’*+ ,--. 331.4105 诊断及通信模块、’*+ ,--.416 数字量 1 7 6 模块等部分组成。在图 , 的 *8+ 控制系统硬件接线 中，主要涉及其中的 41- 数字量 1 7 6 模块的接线。一 方面 *8+ 通过输出端 9-.9: 控制 ’*+ ,-- 的定位指令 （!"#$%& ’"("#) 工作方式）记录号选取，并通过 9; 起动 伺服定位；另一方面 ’*+ ,-- 又通过定位任务完成信 号 <-= >（3+.0）将定位执行情况反馈到 *8+ 的输入端 ?@,，以便于 *8+ 的程序控制。 :）滑块气缸、气爪控制 在滑块气缸和气爪上都安装有磁性开关传感器， 用于检测气缸活塞的位置。通过这些传感器的信号， 并结合步进电机和气动伺服的启停信号，在 *8+ 的控 制下，就能够对滑块气缸和气爪对应的电磁阀进行控 制，进而实现气缸的动作。 ! 控制系统软件设计 基于 *8+ 的机械手混合驱动控制程序由气动伺 服控制程序和 *8+ 控制程序两部分组成。其中，气动 伺服控制程序安装于 ’*+ ,-- 中，可通过控制面板写 入，也可由 *+ 机通过编程软件及专用电缆写入。这 两部分程序既相互独立，又密切联系。 := @ 气动伺服控制程序 如前所述，在“!"#$%& ’"("#)”模式下进行气动伺服 控制时，程序设计分为两步： （@）设定气缸位移与 ’*+,-- 的 1-= - A 1-= > 输入 端状态间的对应关系； （,）编写相应的气动伺服程序： B--- 5-, ?@- 2?@- ；以最高速度的 @-C 定速平滑 移动定位到绝对位移 @- DD 处。 B--@ 5-, ?;E 2?,- ；以最高速度的 ,-C 定速平滑 移动定位到绝对位移 ;E DD 处。 B--, 5-, ?@E- 2?F-；以最高速度的 F-C 定速平 滑移动定位到绝对位移 @E- DD 处。 B--: 5-, ?@,- 2?F-；以最高速度的 F-C 定速平 滑移动定位到绝对位移 @,- DD 处。 B--> 5-, ?E- 2?,- ；以最高速度的 ,-C 定速平滑 移动定位到绝对位移 E- DD 处。 上述程序中，记录号 B--- A B--> 是与 ’*+,-- 输 入端子 16= , A 16= - 的状态一一对应的，例如：当 16= , A 16= - G --@ 时，便选择 B--@ 号指令执行。而 16= , A ˝ • ‰ ˚