机电一体化综合实训系统设计

李小兰

(厦门兴才职业技术学院 福建厦门 361024)

现代高等职业教育特点是培养高技能型的人才。这就必须要加强对学生动手实践能力的培养，才能适应时代和社会对高职学生实践能力和创新能力的要求。尤其机电专业，社会需要的是既有理论知识，又有实践能力的务实性综合型人才。本文针对高职机电一体化学生走上工作岗位之前开展的机电一体化综合实训所要求的内容和技能，设计了一套适合高职学生特点的机电综合实训设备。

1执行机构

执行机构包括手部、手腕、手臂、立柱等部件。手部是直接与工件接触的部件，常用的主要有夹持式和吸附式两种，本文采用的是夹持式手部结构；手腕是连接手部和手臂的部分，主要作用是改变产品的空间方向和将作业载荷传递到手臂；手臂是连接立柱和手腕的部分，主要作业是改变手部的空间位置，满足机械手的作业空间，并将各种载荷传递到机座； 立柱是机械手的基础部分，起支承作用。

1.1 手部机构设计

1.1.1手部夹紧气缸设计 手部驱动力计算。设定工件重M=3kg，开闭角2θ=120°，b=120mm，N =24mm，摩擦系数f=0.1。则根据手指夹持工件部位，可得握力公式：

N=0.5Mtg(θ-φ)=0.5×3×tg(60°-5.42°)=15(N)

根据齿轮齿条式传动，其驱动力为P=2bN/R=147(N)；而实际驱动力P实=PK1K2/η。

取η=0.94，取K1=1.5，若被抓取工件的最大加速度取a=3g时，则K2=1+(a/g)=4 ，所以，P实=245×1.5×4/0.94=1563(N)>P=137(N)；满足要求。

1.1.2气缸尺寸设计 手臂伸缩气缸采用标准气缸，参照各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本系统的实际要求，气缸用CTA型气缸，尺寸内径初选为φ100/63。在校验尺寸时，只需校验气缸内径D=63mm，半径R=31.5 mm的气缸尺寸能否满足使用要求即可。

1.1.3 导向装置 气压驱动的机械手在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩的作用，以增加手臂的刚度，在设计手臂结构时，应该采用导向装置[2]。导向杆目前常采用的装置有单导向杆、双导向杆或四导向杆，本设计中采用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。

1.1.4 平衡装置 在本设计中为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置，装置内加平衡砝码，砝码的质量根据手臂抓取工件的重量和气缸的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端接近平衡。

1.2 升降气缸的设计

本次设计采用的气缸运行长度为L=118mm，气缸内径D1=110mm，半径R=55mm，气压P=0.4MPa，驱动力Go=PπR2=3799(N)。

1.3回转气缸的尺寸设计

本设计采用气缸的长度b=120mm， 气缸内径D1=210mm，半径R1=55mm，轴径D2=40mm，半径R2=20mm，气缸运行角速度ω=90°/s，加速时间为0.5s，气压P=0.4MPa，则力矩M=Pb(R2-r2)/2=255(N×m)。

2驱动系统

由机械手驱动臂部到达指定位置的动力装置、调节装置和辅助装置所组成。常用的有液压驱动、气压驱动和电气驱动，本文采用的是结构简单，易于保养，成本较低的气压驱动方式。因气压传动系统的动作迅速、反应灵敏、阻力损失和泄露较小，成本低廉，因此本系统的机械手采用气压传动[2]。气动机械手的气动回路设计主要由四个回路组成，分别为控制机械手运动的升降、伸缩、钳紧与放松、回转五个动作，由三个双作用缸和一个回转气缸组成。在气压回落设计过程中，通过二位四通的电磁换向阀控制方向，通过调节节流阀的节流口大小控制流量大小，从而控制气缸的运动速度。

3 控制系统

控制系统是支配着机械手按照工艺要求运动的系统，一般是由程序控制系统和机械挡块定位系统组成。

3.1 I/O电气接线图

机械手控制系统PLC的I/O电气接线图如图1所示。

图1 I/O电气接线图

3.2程序设计[3]

机械手系统的程序总体结构分为公用程序、自动程序、手动程序和回原位程序4个部分。其中自动程序包括单步、单周期和连续允许的程序，因它们的工作顺序相同，所以将它合编在一起。如果选择“手动”工作方式，即X7为ON，X8为OFF，则PLC执行完公用程序后，将跳过自动程序到P0处，由于X7动断触点断开，所以直接执行“手动程序”。由于X8的动断触点闭合，所以跳过回原位程序直接到P2处。如果选择“回原位”工作方式，同样只执行公用程序和回原位程序。如果选择“单步”、“单周期”或“连续”方式，则只执行公用程序和自动程序。

公用程序如图2所示，当Y12复位(即松紧电磁阀松开)，左旋限位X29和上限位X24接通时，辅助继电器M0为ON，表示机械手在原位。这时，如果开始执行用户程序(M8002为ON)、系统处于手动或回原位状态(X7或X8为ON)，那么初始步对应的M10被置位，为进入单步、单周期、连续工作方式做好准备。如果系统不处于原位，系统不能进入单步、单周期、连续工作方式。当X7为ON时，对M11～M25 的辅助继电器复位，以防止系统从自动方式转换到手动方式，在返回自动方式时出现两种不同的活动步。

图2 公用程序

4 本系统可实现的实训项目

4.1 气动应用技术实训

该系统可在原有的气动元件基础上，在配备一些单独的气动元件，如手动阀、机械阀、气控阀等，即可构成较为完善的气动实训。通过相关实验学生可学习气动元件的工作原理和结构、基本气动回路、气动系统逻辑设计方法。不但可以单独学习每一种分离元件，还可以了解各种气动元件之间以及气动元件与其它元件之间如何配合起来进行协调工作。比如通过对气缸、节流阀、二位五通电磁阀的拆装分析：写出拆卸步骤、写出各气动元件的组成。可以了解气动元件的内部结构、性能和特点。通过节流调速回路实验：画出节流调试回路原理图，分析节流调速回路的工作过程，即气缸运动方向、气缸运动速度、启动和停止。可让学生掌握节流调速的特点和工作原理。

4.2 PLC编程实训

整个系统可分为若干个独立工作机构，如机械手的各种行程控制等。在该系统上，学生不但可以学习PLC的各种技术，还可学习在综合的工业环境下，如何使系统协调工作。

4.3 电气电路实训

机电综合实训系统各种机构的电控部分均按照工业标准和习惯进行设计，并提供全部设计图纸和说明书，学生通过在配电柜上连接电气控制图，掌握常用电气元件的结构、工作原理、型号规格、使用方法及其在控制线路中的作用；学会分析电路的工作原理；熟悉常用电工工具的使用方法、使用主要事项；熟悉我国电气设备有关标准，掌握用正确的电气图形符号和文字符号绘制电气原理图；掌握电路的连接、PLC各I/O地址的查对等。

4.4 系统的安装与调试实训

机电综合实训系统的各工作机构可让学生全部或部分拆除，再按要求重新组装，如机械手本体部分，配电柜的低压电器，并调试至系统正常，可靠地工作。这对提高学生的实践动手能力有很大的帮助。

4.5 系统维护和故障检测实训

通过对系统的日常维护，学生可学习机电设备的日常维护和保养的内容、方法，以及通过对系统进行故障设置，让学生进行排查，培养学生掌握气压传动及电气线路常见故障的分析和排除方法。

该系统配置灵活，硬件结构简单，开发周期短，系统的可扩展性好，实现机电综合系统的软硬结合，通过机电综合实训可以培养机电学生综合运用专业及基础知识的能力，加强学生的动手实践能力，提高机电学生解决实际工程技术问题的能力。

参考文献：

[1]傅祥志. 机械原理[M]. 武汉:华中科技大学出版社，2000.56.

[2]齐进凯. 气动机械手的结构设计、分析及控制的研究[D].沈阳：东北大学，2006.31.

[3]李录锋. 基于可编程控制器的机械手模型控制系统设计[J]. 制造业自动化，2010，32(12)：45.