CN104924304A - 一种气动搬运机械手机械机构与控制*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气动搬运机械手机械结构与控制***，属于气动搬运机械手领域。气动搬运机械手机械结构包括水平伸缩气缸固定座、水平伸缩气缸、水平支撑座、转动臂、竖直升降气缸、夹爪固定座、夹爪、转动轴、I接头的相关连接关系，控制***包括磁性开关，功能按键，光耦隔离电路，三态缓冲器，单片机STC89C52RC主控电路模块，译码器，开机延时电路，反向电路，锁存器，继电器驱动模块，继电器，电磁阀，执行气缸。所设计的气动搬运机械手易于实现，定位准确并且具有较高的经济性，它能够实现两个工位之间的切换，尤其适用于空调中注塑叶片的点位搬运。

Description

一种气动搬运机械手机械机构与控制***

技术领域

本发明涉及一种气动搬运机械手机械结构与控制***，属于气动搬运机械手领域，是一种定位准确、易于实现的气动搬运搬运手机械结构和控制电路，尤其适用于空调中注塑叶片的点位搬运。

背景技术

传统的机械手应用场合多采用的是电动伺服的驱动方式，这是因为电动伺服技术经历了长时间的发展，已经成为了非常成熟的技术(杨振球，简易型精确定位气动机械手的研究及其应用[D]武汉：华中科技大学，2006)。驱动电机一股采用步进电机，交、直流伺服电机等。采用电气驱动的机械手的特点是驱动力较大，控制精度非常高，相应快，控制方案灵活，信号检测和处理方便，电源获取容易。但是电机伺服驱动机械手价格昂贵，限制了它的使用范围，人们开始寻找新的，经济的驱动方式来驱动机械手，而气动驱动方式就是符合这一要求的驱动类型。

气动机械手强调模块化的形式，现代传输技术的气动机械手在控制方面采用了先进的阀岛技术(可重复编程)，气动伺服***(可实现任意位置上的精确定位)，在执行机构上全部采用模块化的拼装结构(李昌辉，自动上料机器人***开发[D]哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009)。但部分工作场合只需要将零件在两个点位之间进行往复搬运，使用气动伺服***的机械手定位精度高，虽然能够完成相关功能，但是成本偏高。气动机械手的机械臂若要实现一定角度的旋转，需要使用摆动气缸，而摆动气缸的定位精度一股不高，不能进行较高精度的定位。因此，研制一种不使用摆动气缸，机械臂可以进行一定角度旋转并可以两点较高精度定位的气动机械手对降低气动机械手生产成本具有重要的意义。

发明内容

为了解决成本问题和满足企业需求的前提下，本发明提出了一种气动搬运机械手机械结构和控制***。

本发明的技术方案为：一种气动搬运机械手机械结构与控制***，包括气动搬运机械手机械机构及其气动搬运机械手控制***；所述气动搬运机械手机械机构包括水平伸缩气缸固定座、水平伸缩气缸、水平支撑座、转动臂、竖直升降气缸、夹爪固定座、夹爪、转动轴、I接头；所述水平伸缩气缸固定座固定在水平支撑座上，所述水平伸缩气缸固定座的一侧面与水平伸缩气缸一端固定，水平伸缩气缸的另一端通过螺纹连接I接头，I接头与转动臂一端端孔通过螺栓固定连接，转动臂中部能够围绕固定在水平支撑座上的转动轴旋转，转动臂另一端与竖直升降气缸固定，竖直升降气缸下端与夹爪固定座固定，夹爪通过螺钉安装在夹爪固定座上；

所述气动搬运机械手控制***包括磁性开关、功能按键、光耦隔离电路、三态缓冲器、单片机STC89C52RC主控电路模块、译码器A、译码器B、开机延时电路、反向电路、锁存器、继电器驱动模块、继电器、电磁阀、执行气缸；所述磁性开关和功能按键接入光耦隔离电路的输入端，光耦隔离电路的输出端与三态缓冲器的数据输入端相连，三态缓冲器的数据输出端与单片机STC89C52RC主控电路模块的数据输入口相连，所述单片机STC89C52RC主控电路模块分别连接译码器A的使能端和地址端、译码器B的使能端和地址端以及锁存器，译码器A的输出端连接三态缓冲器的使能端，译码器B的数据输出口与反向电路的输入端相连，反向电路的输出端与锁存器的锁存使能端相连，开机延时电路的输入端与锁存器的输出使能端相连，锁存器的数据输出端与继电器驱动模块的输入端相连，继电器驱动模块的输出端与继电器的线圈相连，继电器的输出端与电磁阀的线圈相连，电磁阀与执行气缸相连。

进一步，所述水平伸缩气缸固定座呈L形，底部安装有深沟球轴承，能够围绕其旋转中心在水平支撑座上旋转。

进一步，所述夹爪由两个单作用气缸即抱具气缸组成，夹爪固定座上面设计了4条沟槽，使用蝶形螺栓将抱具气缸固定于夹爪固定座上，通过调节蝶形螺栓在沟槽中的位置，使抱具气缸可以位于不同的位置以适应不同尺寸零件的夹取。

进一步，所述功能按键具有手动/自动档位开关，用于选择机械手的工作模式，单步自复按钮，用于手动控制机械手进行单步运动。

进一步，所述开机延时电路是阻容延时电路。

进一步，所述反向电路是NPN三级管组成的反向电路。

进一步，所述继电器采用的是双刀双掷类型，用于控制两个相同类型气缸同时作相同的动作。

进一步，所述单片机STC89C52RC主控电路模块用于处理所采集的磁性开关、功能按键输入信号，并按照预先设定的程序控制电磁阀的通断，使得执行气缸完成相应的动作。

进一步，所述磁性开关用来检测水平伸缩气缸和竖直升降气缸是否运动到位。

本发明的有益效果为：该机械手的机械结构中包含平面连杆机构中的摇块机构，水平伸缩气缸的直线运动可以推动转动臂进行一定角度的旋转，代替了一股机械手中的电机或者旋转气缸，简化了机械手的控制***并且这种机械结构还具有较高的旋转定位精度。本***的控制***的核心则采用了成本较低，运行速度快，实时性好的单片机，所有的电路模块按照工业现场应用的要求进行设计，具有较强的抗干扰能力与稳定性。

附图说明

图1为本发明中气动搬运机械手控制***原理框图；

图2为本发明中气动搬运机械手机械结构示意图；

图3为本发明实施例中气动搬运机械手搬运对象即空调中的注塑叶片示意图；

图4为本发明中的气动搬运机械手组成注塑叶片自动化生产线示意图；

图5为本发明中气动搬运机械手自动运行动作流程图。

图中：1磁性开关；2功能按键；3光耦隔离电路；4三态缓冲器；5单片机STC89C52RC主控电路模块；6译码器1；7译码器2；8开机延时电路；9反向电路；10锁存器；11继电器驱动模块；12继电器；13电磁阀；14执行气缸；15水平伸缩气缸固定座；16水平伸缩气缸；17水平支撑座；18转动臂；19竖直升降气缸；20夹爪固定座；21夹爪；22转动轴；23I接头；24螺栓；25转盘；26电机；27气动搬运机械手A；28注塑叶片缺料缺陷诊断装置；29支架I；30气动搬运机械手B；31滑块；32气缸I；33支架2；34滑槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明“，多个”的含义是两个或两个以上。

如图1-2所示，气动搬运机械手的机械机构主要包括：水平伸缩气缸固定座15、水平伸缩气缸16、水平支撑座17、转动臂18、竖直升降气缸19、夹爪固定座20、夹爪21、转动轴22、I接头23、螺栓24。水平伸缩气缸固定座15底部安装有深沟球轴承，可以围绕其旋转中心在水平支撑座17上旋转，这可以使得水平伸缩气缸16的直线运动推动转动臂18进行一定角度的旋转，具有较高的旋转定位精度。夹爪21由两个单作用气缸即抱具气缸组成，夹爪21固定座上面设计了4条沟槽，使用蝶形螺栓将抱具气缸固定于夹爪固定座上，通过调节蝶形螺栓在沟槽中的位置，使抱具气缸可以位于不同的位置以适应不同尺寸零件的夹取。

气动搬运机械手的控制***主要包括：磁性开关1、功能按键2、光耦隔离电路3、三态缓冲器4、单片机STC89C52RC主控电路模块5、译码器A6、译码器B7、开机延时电路8、反向电路9、锁存器10、继电器驱动模块11、继电器12、电磁阀13、执行气缸14，所述执行气缸14包括上述气动搬运机械手的机械机构中的水平伸缩气缸16、竖直升降气缸19、夹爪21的两个抱具气缸。

光耦隔离电路3将磁性开关1与功能按键2的信号转换成单片机可以接收的信号，同时光耦隔离电路3实现了其输入端与输出端的电气隔离，使得控制电路具有较强的抗干扰能力。数据向单片机传送时需要经过数据总线，但数据总线也承担着输出数据的任务，为了实现输入数据只在输入传送过程中占用数据总线，因此使用三态缓冲器4来使能输出数据进入单片机的数据总线。译码器A6的输出端用于控制三态缓冲器4的使能端，一共可以拓展8个三态缓冲器4，使得输入信号的个数最多可以达到64个。

单片机STC89C52RC主控电路模块5，由单片机最小***和PC通信电路组成。用于接收处理相应的输入信号，判定机械手工作模式，输出机械手下一步运动的信号；并且可以实现单片机程序的烧录或在线仿真。

单片机STC89C52RC主控电路模块5在输出完毕后不允许占用数据总线，***还要不断检测输入信号的状态，所以在接口电路中设置数据锁存器，在关闭锁存器的时候，数据总线上的数据不能对电磁阀进行控制。译码器B7的输出端经过由NPN三极管组成的反向电路之后控制锁存器10的锁存使能端，一共可以拓展8个锁存器10，使得输出信号的个数最多可以达到64个。开机延时电路8控制锁存器10的输出使能端，可以保证单片机在复位或者开机的时候锁存器输出为高阻态，防止机械部件误动作。继电器12驱动模块，由PNP三极管驱动电路组成，低电平有效，用于将单片机的输出信号驱动继电器12动作，继电器12选择的是双刀双掷类型，可以控制两个相同类型气缸同时作相同的动作。

本发明中气动搬运机械手控制***原理框图如图1和4所示，其中磁性开关1用来检测水平伸缩气缸16和竖直升降气缸19是否运动到位。夹爪21的两个抱具气缸由一个电磁阀13控制，两个抱具气缸同时动作，通过延时的方式来夹紧物体。本实施例中功能按键2有单步按钮，手/自档位开关。手/自档位开关可以设置机械手的工作模式，有手动和自动运行模式，处于自动运行模式时，需要给气动搬运机械手开始运动的信号；处于手动运行模式时，通过单步按钮控制机械手进行单步运动。

转盘25由其下面的电机26带动，每隔15s转动一次，转盘25上设计有凹槽，凹槽上装有行程开关，用以检测转盘是否转动和是否转动到位，行程开关的信号进入机械手控制***中，气动搬运机械手处于自动运行模式下时，行程开关的信号就是使机械手开始自动运动的信号。

如图3和4所示，本发明实施例中的注塑叶片由注塑机注塑完毕后会放置于转盘25上，注塑叶片会因为注塑机的参数没调整到位，材料等原因出现长时间或间歇性的缺料缺陷问题，因此在生产线上加入了注塑叶片缺料缺陷诊断装置28，若注塑叶片不合格该诊断装置会发出不合格信号进入气动搬运机械手控制***，气动搬运机械手控制***控制气缸132下降，使得注塑叶片沿着滑块31滑下；若注塑叶片合格，则气动搬运机械手控制***控制气缸I32上升，使得注塑叶片滑入滑槽34中。实现了注塑叶片有缺料和无缺料的分拣。

继电器10使用的是双刀双掷类型，控制气动搬运机械手A27和气动搬运机械手B30中相同类型气缸的电磁阀的信号相同，所以气动搬运机械手A27和气动搬运机械手B30的动作将同时进行。处于自动运行模式下，行程开关发出转盘25转动到位信号后，气动搬运机械手A27将注塑叶片从转盘上夹取到缺料缺陷诊断装置28中去，气动搬运机械手B30同时将缺料缺陷诊断装置28中的注塑叶片夹取到滑块31上，气动搬运机械手A27和气动搬运机械手B30的运动将互不干涉。

气动搬运机械手自动运行的动作流程图如图5所示。自动运行按钮处于接通状态，机械手A27的自动运行动作流程如下：

1)***上电后，各气缸回复到原始位置；

2)转盘转动到位后，水平气缸伸出，伸出到位后竖直气缸下降，下降到位后抱具气缸夹紧，延时0.5S；

3)竖直气缸上升，上升到位后水平气缸缩回，缩回到位后竖直气缸下降，下降到位后抱具气缸放松，延时0.5S；

4)竖直气缸上升，上升到位后转入第2步中继续。

所设计的气动搬运机械手易于实现，定位准确并且具有较高的经济性，它能够实现两个工位之间的切换，尤其适用于空调中注塑叶片的点位搬运。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明保护的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求书规定。

Claims (9)

1.一种气动搬运机械手机械结构与控制***，其特征在于，包括气动搬运机械手机械机构及其气动搬运机械手控制***；

所述气动搬运机械手机械机构包括水平伸缩气缸固定座(15)、水平伸缩气缸(16)、水平支撑座(17)、转动臂(18)、竖直升降气缸(19)、夹爪固定座(20)、夹爪(21)、转动轴(22)、I接头(23)；所述水平伸缩气缸固定座(15)固定在水平支撑座(17)上，所述水平伸缩气缸固定座(15)的一侧面与水平伸缩气缸(16)一端固定，水平伸缩气缸(16)的另一端通过螺纹连接I接头(23)，I接头(23)与转动臂(18)一端端孔通过螺栓(24)固定连接，转动臂(18)中部能够围绕固定在水平支撑座(17)上的转动轴(22)旋转，转动臂(18)另一端与竖直升降气缸(19)固定，竖直升降气缸(19)下端与夹爪固定座(20)固定，夹爪(21)通过螺钉安装在夹爪固定座(20)上；

所述气动搬运机械手控制***包括磁性开关(1)、功能按键(2)、光耦隔离电路(3)、三态缓冲器(4)、单片机STC89C52RC主控电路模块(5)、译码器A(6)、译码器B(7)、开机延时电路(8)、反向电路(9)、锁存器(10)、继电器驱动模块(11)、继电器(12)、电磁阀(13)、执行气缸(14)；所述磁性开关(1)和功能按键(2)接入光耦隔离电路(3)的输入端，光耦隔离电路(3)的输出端与三态缓冲器(4)的数据输入端相连，三态缓冲器(4)的数据输出端与单片机STC89C52RC主控电路模块(5)的数据输入口相连，所述单片机STC89C52RC主控电路模块(5)分别连接译码器A(6)的使能端和地址端、译码器B(7)的使能端和地址端以及锁存器(10)，译码器A(6)的输出端连接三态缓冲器(4)的使能端，译码器B(7)的数据输出口与反向电路(9)的输入端相连，反向电路(9)的输出端与锁存器(10)的锁存使能端相连，开机延时电路(8)的输入端与锁存器(10)的输出使能端相连，锁存器(10)的数据输出端与继电器驱动模块(11)的输入端相连，继电器驱动模块(11)的输出端与继电器(12)的线圈相连，继电器(12)的输出端与电磁阀(13)的线圈相连，电磁阀(13)与执行气缸(14)相连。

2.如权利要求1所述的气动搬运机械手机械结构与控制***，其特征在于，所述水平伸缩气缸固定座(15)呈L形，底部安装有深沟球轴承，能够围绕其旋转中心在水平支撑座(17)上旋转。

3.如权利要求1所述的气动搬运机械手机械结构与控制***，其特征在于，所述夹爪(21)由两个单作用气缸即抱具气缸组成，夹爪固定座(20)上面设计了4条沟槽，使用蝶形螺栓将抱具气缸固定于夹爪固定座(20)上，通过调节蝶形螺栓在沟槽中的位置，使抱具气缸可以位于不同的位置以适应不同尺寸零件的夹取。

4.如权利要求1所述的气动搬运机械手机械结构与控制***，其特征在于，所述功能按键(2)具有手动/自动档位开关，用于选择机械手的工作模式，单步自复按钮，用于手动控制机械手进行单步运动。

5.如权利要求1所述的气动搬运机械手机械结构与控制***，其特征在于，所述开机延时电路(8)是阻容延时电路。

6.如权利要求1所述的气动搬运机械手机械结构与控制***，其特征在于，所述反向电路(9)是NPN三级管组成的反向电路。

7.如权利要求1所述的气动搬运机械手机械结构与控制***，其特征在于，所述继电器(12)采用的是双刀双掷类型，用于控制两个相同类型气缸同时作相同的动作。

8.如权利要求1所述的气动搬运机械手机械结构与控制***，其特征在于，所述单片机STC89C52RC主控电路模块(5)用于处理所采集的磁性开关(1)、功能按键(2)输入信号，并按照预先设定的程序控制电磁阀的通断，使得执行气缸(14)完成相应的动作。

9.如权利要求1所述的气动搬运机械手机械结构与控制***，其特征在于，所述磁性开关(1)用来检测水平伸缩气缸(16)和竖直升降气缸(19)是否运动到位。