吴军 郑小军
【摘 要】根据薄板类工件自动上下料的功能需求，设计了一套三坐标式机械手装置。其主要硬件机构为三轴执行机构、气动指状抓手、控制系统、步进驱动器等。并利用西门子可编程软件完成了系统使能启动、手动控制、准停输出等功能程序的编制。该装置的设计及应用将提将大大降低操作人员的劳动强度，提高产品的生产效率和精度。
【关键词】PLC；坐标式；抓手；直线模组
0 引言
随着国家经济的迅猛发展，人民生活水平日益提高，相应的企业用工成本与日益萎缩的效益俨然成为了当前各制造行业的重要矛盾。为了缓解这种矛盾，国家提出了传统制造产业必须转型升级，相关领域需向工业自动化、智能制造等高科技高附加值方向转变。因此，“机器换人”等战略实施方案已在国内悄然兴起。
本文设计了一种简易型坐标式机械手，用以替代传统人工操作，可用较低成本实现企业用工成本的降低。极大提高了设备生产效率、降低了因人力因素带来的生产困扰。
1 总体设计方案
本机械手总体功能为：（1）实现X轴向的正负移动；（2）实现Y轴向的正负移动；（3）实现Z轴的正负移动；（4）气动抓手能平稳紧固的抓取薄板类工件。其主体部件为执行X、Y、Z轴方向搬运的直线模组以及执行工件抓取的气动抓手。其总体结构示意图如图1所示。
图1 坐标式机械手示意图
2 硬件设计及选型
2.1 X、Y、Z轴执行机构
坐标式机械手送料机构承担着取料、送料、加工定位的功能。其三轴（X＼Y＼Z）可采用直线模组形式进行直接搭配，也可采用滚珠丝杠搭配直线导轨进行自定义安装。其中直线模组尺寸规格较为紧凑，无法进行大跨距拼接，而滚珠丝杠配合直线导轨则可按自定义尺寸进行搭接，配合同步带轮工作后其可操作范围更广。图2为市场上较为通用的直线模组。该模组由57步进电机和丝杠、导轨等组成。
2.2 夹持机构设计和选用
由于被抓零件为薄板类工件，本机械手宜选用指装机械结构。同时考虑到该装置的稳定性，故采用MHC2-20D气动指状抓手，如图3所示。
2.3 控制系统
本装置的控制系统采用西门子ST60可编程控制器。利用该PLC控制器的输出端口控制步进驱动器，从而达到控制57步进电机的转速和距离，最终实现坐标式机械手空间三轴移动。
2.4 步进驱动器
步进驱动器是驱动步进电机工作的必备装置。本装置将采用雷赛M542步进驱动装置。为防止干扰，所有接线均采用双绞线屏蔽电缆线。如图5所示。
2.5 变压器
由于设备整体供电采用220V交流民用电，而控制系统中的可编程控制器和步进驱动装置均采用24V直流电源输入。因此，本装置还得外接220V交转直流24V变压器。如图6所示。
2.6 气源
由于夹持机构采用气动指状抓手，因此本装置还需增设0.8MPa压力的无油静音压缩机一台。
3 PLC控制程序
根据产品加工需要，特针对本装置设定了相关控制程序。（1）使能启动程序；（2）手动控制程序（3）定位输出程序。
使能启动程序为X、Y、Z轴的功能激活模块，其程序如图7所示：
如设备需进行各轴的手动移位控制，则需编制手动控制程序，如图8所示：
为了保证设备的准确定位，可通过GOTO功能模块实现设备的准停功能，如图9所示：
4 结论
根据设备的功能需求，本装置设计了并选配了相关装置：（1）X、Y、Z轴执行机构（2）夹持机构（3）控制系统（4）步進驱动装置（5）变压器等。本工作站采用西门子可编程自动控制器进行控制，实现了三轴空间移动，能较好的完成相关工厂任务。
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