自动化生产线机械手全气动控制系统设计*

叶金玲 周钦河 赖乙宗

(①广东水利电力职业技术学院机械工程系，广东 广州 510925;②华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510641)

自动化生产线机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型的提高操作安全性的装置。它既可以确保产品质量的稳定性、一致性与均匀性，节约材料和能源，提高产品的竞争力，还可以用于高温、噪音、粉尘、有毒、辐射、危险等环境下的工作，从而减轻工人劳动强度，提高劳动生产力。机械手广泛应用于机械行业的组装和加工工件的搬运、装卸，在各种机床上的使用更是普遍［1］。

目前，气压传动控制回路在自动化生产线机械手应用广泛，其多执行机构的多自由度气动回路设计的方法也是多种多样，各有利弊。因此，研究更简易、稳定的多自由度机械手全气动控制系统是很有必要的。

1 机械手任务设计分析

以四自由度工业机械手作为参考模型，按照一定的动作顺序要求进行回路设计，如图1 所示。它由A、B、C、D 四个气缸组成，能实现手指夹持松开、手臂伸缩、立柱升降、回转四组动作。根据实际的工作情况设计工作流程如下:按下按钮—立柱缸收回下降—伸缩缸伸出—夹紧缸收回夹紧—伸缩缸收回—旋转缸顺时针旋转—立柱缸伸出上升—夹紧缸伸出松开—旋转缸逆时针旋转—立柱缸收回下降。

设计气动机械手有以下的控制要求:①可以进行单一循环和连续循环两种操作方式;②当由于某种原因使机械手中途停止时，按下复位按钮，机械手即可返回到初始位置。

2 气动回路设计

气动机械手可采用纯气动回路设计方式，用行程阀与气动换向阀来控制，无需电气控制回路。这样比较安全，还有防火、防爆、防潮能力，可用于环境比较恶劣的场合;而且空气具有压缩性，可贮存能量，实现集中远程供气，为纯气动提供基础。气动换向阀采用二位五通阀，无弹簧复位，具有记忆功能，带手动功能，方便调试与复位;行程信号选择采用二位三通行程阀，为排气方便。

气动顺序回路常用的设计方法有逻辑法，其中的X-D 图法也称信号-动作图法，是利用绘制信号、动作线图的方法设计气控回路的，该方法直观、简便，适用于较复杂的回路设计。

2.1 工作程序的确定

为简化符号，方便分析，首先做如下规定:①A1 表示A 缸活塞杆伸出状态，A0 表示A 缸活塞杆缩回状态。②a1、b1 表示气缸在终点所设置的行程阀被伸出的活塞杆压下所发出的行程信号，同理a0、b0 表示气缸在起点所设置的行程阀被缩回的活塞杆压下所发出的行程信号。③右上角带*的信号是执行信号，如a1*、a0*、b1*、b0*…;而把不带*的信号称为原始信号，如a1、a0、b1 b0…。执行这些信号必须要经过逻辑处理后排除障碍的信号。根据以上规定，可将工作流程表示如图2。初始状态为:A1、B0、C1、D0。

2.2 工作程序的校正

2.2.1 障碍信号的查找

行程程序控制系统的运动方式，是前一个执行元件动作完成并发出信号后，下一个执行元件动作才开始进行，此动作完成后又发出新的信号，直到完成预定的程序。在一个多缸多往复系统中至少有一个气缸往复动作两次或两次以上［1］。在回路中，换向阀两端如果同时存在驱动信号，若先到信号影响后到信号，使换向阀无法换向，那么先到信号便是障碍信号［2］。在X-D图中表现为同组中信号线比动作线长，那么该信号作为驱动同组中的动作，在动作结束后仍然存在，必然会影响后面动作改变，也就形成了障碍信号［3］。从图3b 中可以看出，c0 信号线比其驱动的B1 动作线长，当a0 信号到来时c0 信号仍然存在着，换向阀无法换向(如图3a 所示)，B0 无法动作。同理，b0 信号线比D1 动作线长，同样存在障碍信号。

2.2.2 障碍信号的消除

在X-D 图中，需要检查每组中是否存在有障碍信号(信号线比动作线长)，长的那部分叫障碍段，用“波浪”表示［4］。设计回路时，必须将障碍信号去掉，使其变为无障碍信号去控制主换向阀，这种信号叫执行信号，如c0*(B1)=c0·a1，表示B1 动作由c0 驱动，最终执行信号为.0 和a1 相“与”［5］。

消除障碍信号就是使长信号变成短信号。采用逻辑“与”的方法把长信号变成短信号，消除干扰段，保留执行段。如图4 所示，为了排除某个有障碍信号m的障碍段，需另外引入一个辅助信号x 和m 相“与”而得到无障碍信号m*，表达式为:

式中:m 为有障信号;x 为制约信号，用来排除障碍的辅助信号;m*为无障执行信号。

选择x 信号的原则:信号x 的起点应选在障碍信号m 的前面，终点应选在m 障碍信号的无障碍段。一般应尽量选用系统中某原始信号作为制约信号。

如图3b 所示，该系统只有c0 和b0 存在障碍信号段，必须消除。根据以上原则，在现有原始信号可以找到a1 和c0“与”可以消除c0 障碍信号段，a0 和b0“与”可以消除b0 障碍信号段，得到执行信号c0*(B1)=c0·a1 和b0*(D1)=b0·a0，其他无障碍的信号，可直接用作执行信号，最终得到各动作的执行信号，完成后如图5 所示。

3 气动回路图绘制

3.1 连续循环和单一循环的实现

采用一个手动复位q1 和一个自动复位q2，连接到“或门”型梭阀两端，实现连续循环和单一循环的两种操控方式，如图6 所示。

3.2 连接控制信号

依次连接控制信号到换向阀两端，重点解决信号“与”的连接，必须保证“与”完后有气源，其接线技巧如下:如果一个信号被用到两次以上(如a0、a1)，则要给独立气源;如果只用到一次(如b0、c0)，则可以从其他信号串接过来;如果多个信号均用到两次，只能给独立气源，又需要跟其他信号进行“与”时，用“与门型”梭阀。

空间句法是一种分析城市空间结构的理论方法.不同于其他城市设计理论，空间句法把空间本身作为人类活动的内在属性，通过对空间本身的量化分析，赋予其形态维度、视觉维度、社会维度及经济维度等方面的评估手段，最终使城市空间规划与设计发挥应有的作用[3].通常应用于城市或街区空间评价、街区更新改造策略研究、交通系统评价及建筑空间评价等方面.

3.3 紧急复位控制

增加紧急复位控制功能，用一个二位四通手动阀V5 切换，紧急情况时按下V5 手动按钮，控制气路通过4 个“或门型”梭阀V6、V7、V8、V9 分别控制A 缸伸出、B 缸收回、C 缸伸出、D 缸收回，回到初始状态:A1、B0、C1、D0。

符合以上功能要求的回路设计如图6 所示。

4 工作流程分析

如图7 所示，4 个缸初始状态:A1、B0、C1、D0，工作流程如下:

(1)按下q1 启动按钮不断循环，气路经行程阀d0和手动阀q1 进入换向阀V3 右端，C 缸收回，实现C0。

(2)当C 缸活塞杆上挡块碰到行程阀c0 时，气路经行程阀a1 和c0 进入换向阀V2 左端，B 缸伸出，实现B1。

(3)当B 缸活塞杆上挡块碰到行程阀b1 时，气路经行程阀b1 进入换向阀V1 右端，A 缸收回，实现A0。

(4)当A 缸活塞杆上挡块碰到行程阀a0 时，气路经行程阀a0 进入换向阀V2 右端，B 缸收回，实现B0。

(5)当B 缸活塞杆上挡块碰到行程阀b0 时，气路经行程阀b0 和a0 进入换向阀V4 左端，D 缸伸出，实现D1。

(6)当D 缸活塞杆上挡块碰到行程阀d1 时，气路经行程阀d1 进入换向阀V3 左端，C 缸伸出，实现C1。

(7)当C 缸活塞杆上挡块碰到行程阀c1 时，气路经行程阀c1 进入换向阀V1 左端，A 缸伸出，实现A1。

(8)当A 缸活塞杆上挡块碰到行程阀a1 时，气路经行程阀a1 进入换向阀V4 右端，D 缸收回，实现D0。

(9)当D 缸活塞杆上挡块碰到行程阀d0 时，气路经行程阀d0 和手动阀q1 进入换向阀V3 右端，C 缸收回，实现C0，开始新的周期。

5 结语

在分析实际需要的基础上研究了四自由度机械手全气动控制的设计任务和要求以及具体的设计问题，采用了X-D 图法设计整体的气动系统。此设计可以保证自动化生产线稳定、快速的工作要求。

［1］屈圭，吴晓丹，曾豪华.煤矿用机械手全气动控制系统设计［J］.液压与气动，2009(8):27 -31.

［2］朱光力.三坐标气动机械手气动控制回路设计［J］.机械设计与制造，2003(2):61 -62.

［3］胡学武，盛小明.基于电-气动控制的拉伸机自动送料机械手［J］.液压与气动，2010(11):45 -46.

［4］林荣川.气动机械手控制回路设计［J］.现代制造工程，2007(12):110 -112.

［5］陆鑫盛，周洪.气动自动化系统的优化设计［M］.上海:上海科技文献出版社，2000.

［6］吴振顺.气压传动与控制［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，1995.

［7］路甬祥.液压气动技术手册［M］.北京:机械工业出版社，2002.

［8］江兴华.液压传动与气动传动［M］.武汉:华中科技大学出版社，2005.

［9］左建民.液压与气压传动［M］.北京:机械工业出版社，1997.