五自由度液壓伺服機(jī)械手研制

倪敬，程樂(lè)平，劉湘琪，李斌

(1.杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州310018;2.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引言

多自由度機(jī)械手是能夠模仿人體肢體部分功能并允許對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)控制，使其按照預(yù)定要求輸送工件或操持工具進(jìn)行生產(chǎn)操作的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。它具有動(dòng)作靈活可控、定位準(zhǔn)確可靠、負(fù)載驅(qū)動(dòng)力高、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)等特點(diǎn)。目前，多自由度機(jī)械手廣泛應(yīng)用于鋼鐵、海洋、石油、化工、物流搬運(yùn)等生產(chǎn)自動(dòng)化行業(yè)，大大減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度和勞動(dòng)條件，提高了生產(chǎn)效率，穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量［1-3］。現(xiàn)有的大部分機(jī)械手采用電機(jī)作為動(dòng)力，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、動(dòng)作迅速、工作可靠、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但是，電氣機(jī)械手負(fù)載相對(duì)較小，并且要有配套的減速設(shè)備，對(duì)抗沖擊和高負(fù)載方面沒(méi)有優(yōu)勢(shì)［4］。而液壓機(jī)械手采用液壓動(dòng)力，運(yùn)用電液伺服控制，具有動(dòng)作靈活、負(fù)載剛性大、精度高、響應(yīng)速度快、功率重量比大的優(yōu)點(diǎn)，比較適合大功率負(fù)載搬運(yùn)的場(chǎng)合［5-6］。但是，在液壓機(jī)械手中液壓系統(tǒng)的不合理設(shè)計(jì)，往往會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)效率較低，這是一個(gè)需要長(zhǎng)期研究解決的問(wèn)題［7-8］。

本研究針對(duì)大功率負(fù)載搬運(yùn)的高負(fù)載、高位置精度、高生產(chǎn)率等要求設(shè)計(jì)一臺(tái)五自由度液壓機(jī)械手，并且基于可編程序控制器PLC設(shè)計(jì)其電液伺服系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)工作原理與性能指標(biāo)

1.1 系統(tǒng)工作原理

液壓機(jī)械手系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 液壓機(jī)械手機(jī)構(gòu)圖

系統(tǒng)主要由夾取機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、推拉機(jī)構(gòu)及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)五自由度機(jī)構(gòu)組成。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由兩個(gè)液壓馬達(dá)和回轉(zhuǎn)平臺(tái)組成，構(gòu)成機(jī)械手在水平面上的回轉(zhuǎn)自由度;俯仰機(jī)構(gòu)由兩個(gè)舉升液壓缸和連桿組成，構(gòu)成機(jī)械的升降自由度;推拉機(jī)構(gòu)由一個(gè)推拉液壓缸和連桿組成，構(gòu)成機(jī)械手伸縮自由度;手抓機(jī)構(gòu)由一個(gè)液壓馬達(dá)、一個(gè)液壓缸和手抓部分組成，構(gòu)成機(jī)械手手抓的旋轉(zhuǎn)與夾取自由度。五自由度機(jī)構(gòu)組成機(jī)械手姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)。

機(jī)械手工作原理為:由兩個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);由兩個(gè)舉升液壓缸驅(qū)動(dòng)機(jī)械手舉升運(yùn)動(dòng);由一個(gè)推拉液壓缸驅(qū)動(dòng)機(jī)械手推拉運(yùn)動(dòng);由一個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)手抓旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);由一個(gè)液壓缸驅(qū)動(dòng)手抓張合運(yùn)動(dòng)。

1.2 主要性能指標(biāo)

主要性能指標(biāo)如下:

(1)重復(fù)定位精度:＜±1 mm;

(2)最大工作半徑:5 000 mm;

(3)工作高度范圍:500 mm～4 000 mm;

(4)液壓缸速度:≤300 mm/s;

(5)馬達(dá)回轉(zhuǎn)速度:≤45°/s;

(6)工作環(huán)境溫度:＜1 150℃。

1.3 機(jī)械手正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)主要研究末端執(zhí)行器、各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的位置姿態(tài)與各關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系。正運(yùn)動(dòng)學(xué)是由各關(guān)節(jié)位置、速度、加速度來(lái)求解末端執(zhí)行器的位置、姿態(tài)、速度和加速度的問(wèn)題。

為描述液壓機(jī)械手各桿件的特征參數(shù)及相互之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，采用D-H方法設(shè)定的桿件坐標(biāo)系如圖2所示。液壓機(jī)械手桿件編號(hào)從底座至末端執(zhí)行器依次為0，1，2，…，5。

圖2 液壓機(jī)械手機(jī)構(gòu)及其桿件坐標(biāo)系

根據(jù)連桿坐標(biāo)系的設(shè)置，通過(guò)齊次變換得到相鄰桿件之間的齊次變換矩陣為:

取末桿坐標(biāo)原點(diǎn)O5為末端執(zhí)行器研究的參考點(diǎn)，則液壓機(jī)械手的正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為:

式中:r—末端執(zhí)行器的位姿矩陣;R—末端執(zhí)行器相對(duì)基坐標(biāo)系的姿態(tài)矩陣;n—法線向量;o—方向向量;a—接近向量;P—末端執(zhí)行器相對(duì)基坐標(biāo)系的位置向量。

2 電液伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 液壓系統(tǒng)原理

考慮到機(jī)械手性能指標(biāo)和工作要求，液壓機(jī)械手系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 電液伺服系統(tǒng)原理圖

該系統(tǒng)由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)回路、俯仰機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)回路、推拉機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)回路、手抓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)回路等主要部分組成。

圖3中，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)回路主要由兩個(gè)液壓馬達(dá)和兩個(gè)比例閥、電動(dòng)球閥組成。兩個(gè)比例閥控制兩個(gè)液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手機(jī)身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)精確定位。當(dāng)機(jī)械手機(jī)身處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)電動(dòng)球閥切斷供油的主油路，換成制動(dòng)油源給液壓馬達(dá)反方向供油，使兩馬達(dá)產(chǎn)生相反旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，從而使機(jī)身穩(wěn)定地停在控制點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手機(jī)身的制動(dòng)。

俯仰機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)回路主要由兩個(gè)比例閥、兩個(gè)液壓缸、背壓閥組成，該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用“一閥控一缸”的液壓同步驅(qū)動(dòng)方式控制兩個(gè)液壓缸實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的舉升動(dòng)作。同時(shí)，油路還在機(jī)械手下降回路增加了背壓閥，以保證機(jī)械手垂直位置的穩(wěn)定。

推拉機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)回路主要由液壓缸、電液比例閥、背壓閥組成，由一個(gè)比例閥控一個(gè)液壓缸，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的推拉運(yùn)動(dòng)。手抓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)回路主要由液壓缸、液壓馬達(dá)、兩個(gè)電液比例閥、電動(dòng)球閥、背壓閥組成，由兩個(gè)比例閥分別控制液壓缸和液壓馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手手抓的回轉(zhuǎn)與抓取運(yùn)動(dòng)。

2.2 系統(tǒng)主要元件選型與參數(shù)計(jì)算

根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算，主要元件的選型結(jié)果如表1所示。

表1 主要元件選型

3 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與選型

本研究選取電氣控制元件如下:

(1)PLC設(shè)計(jì)與選型。工業(yè)PLC的CPU型號(hào)為313C;電源模塊型號(hào)為PS307(2A);位置檢測(cè)模板SM 338;模擬量輸出模塊SM332。

(2)監(jiān)控計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與選型。工控機(jī)型號(hào)為IPC-610MB-L。

(3)通信板塊設(shè)計(jì)與選型。通信板塊型號(hào)為CP5611。

3.2 下位機(jī)控制軟件

下位機(jī)主要完成機(jī)械手的具體動(dòng)作，系統(tǒng)主要包括主程序OB1模塊;定時(shí)中斷程序OB35;點(diǎn)動(dòng)模塊FB1，對(duì)應(yīng)背景數(shù)據(jù)模塊DB1存放各液壓缸與馬達(dá)的點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行數(shù)據(jù);自動(dòng)運(yùn)行模塊FB2，對(duì)應(yīng)背景數(shù)據(jù)模塊DB2存放各液壓缸與馬達(dá)的自動(dòng)運(yùn)行數(shù)據(jù);點(diǎn)動(dòng)PID模塊FB3，對(duì)應(yīng)背景數(shù)據(jù)模塊DB3存放點(diǎn)動(dòng)PID運(yùn)算結(jié)果;自動(dòng)PID模塊FB4，對(duì)應(yīng)背景數(shù)據(jù)模塊DB4存放自動(dòng)PID運(yùn)行結(jié)果;數(shù)據(jù)記錄模塊FB5，對(duì)應(yīng)背景數(shù)據(jù)DB5存放記錄數(shù)據(jù)［9-10］。

下位機(jī)主要程序模塊及功能如表2所示。

表2 下位機(jī)主要程序模塊及功能

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)控制系統(tǒng)作為機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制的中樞，接受界面輸入的位置值或自動(dòng)工作時(shí)事先確定的位置值，控制機(jī)械手各關(guān)節(jié)執(zhí)行相關(guān)的動(dòng)作。上位機(jī)程序主要由通信模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、曲線繪制模塊組成。

各模塊功能如表3所示。

表3 上位機(jī)主要程序及功能

4 系統(tǒng)仿真與實(shí)驗(yàn)

4.1 動(dòng)力學(xué)仿真

液壓機(jī)械手動(dòng)力學(xué)仿真試驗(yàn)，取關(guān)節(jié)的初始位置為［0，0，π/4，π/3，-π/4］，仿真時(shí)間為t=0～10 s。末端執(zhí)行器軌跡仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 末端執(zhí)行器軌跡仿真結(jié)果

通過(guò)仿真圖形可以觀察到機(jī)械手末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)軌跡，其結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。

4.2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

(1)液壓機(jī)械手初始位置選取。機(jī)械手實(shí)驗(yàn)初始位置如圖1所示。

機(jī)械手底座回轉(zhuǎn)位初始位置，定義兩馬達(dá)中心線為Y軸，垂直方向?yàn)閄軸，回轉(zhuǎn)底座初始位置為水平坐標(biāo)軸零度角位置。

舉升位初始位置定義為兩個(gè)同步舉升液壓缸活塞桿位移0.00 mm位置。推拉位初始位置為液壓缸活塞桿位移0.00 mm位置。

手抓回轉(zhuǎn)位初始位置定義為機(jī)械手手抓水平放置時(shí)，垂直于手抓平面方向?yàn)閥軸，垂直方向?yàn)閤軸，坐標(biāo)軸零度角位置為手抓回轉(zhuǎn)初始位置。手抓張合位初始位置定義為張合液壓缸活塞桿位移0.00 mm位置。

根據(jù)以上定義，機(jī)械手實(shí)驗(yàn)的初始位置為(0.00°，0.00 mm，0.00 mm，0.00°，0.00 mm)。底座回轉(zhuǎn)角重復(fù)精度Δθ1，舉升位移重復(fù)精度Δs1，推拉位移重復(fù)精度Δs2，手抓回轉(zhuǎn)角重復(fù)精度Δθ2，手抓張合位移重復(fù)精度Δs3。

(2)實(shí)驗(yàn)工況。為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的可靠性，驗(yàn)證液壓機(jī)械手工作重復(fù)精度，筆者隨機(jī)選取3個(gè)工況條件進(jìn)行分析。

具體取值如下:

①工況一。由初始位置到目標(biāo)位置(-45.00°，50.00 mm，30.00 mm，60.00°，40.00 mm);

②工況二。由初始位置到目標(biāo)位置(90.00°，100.00 mm，80.00 mm，60.00°，70.00 mm);

③工況三。由工況二到目標(biāo)位置(200.00°，150.00 mm，120.00 mm，100.00°，130.00 mm)。

(3)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果分析。經(jīng)過(guò)近10次實(shí)際測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)械手系統(tǒng)符合工作性能指標(biāo)，系統(tǒng)工作較穩(wěn)定。

液壓機(jī)械手、液壓油液及控制電器柜現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)大功率負(fù)載搬運(yùn)高負(fù)載、高位置精度、高生產(chǎn)率的需要，基于機(jī)械、液壓及電氣控制技術(shù)，本研究研制了五自由度液壓機(jī)械手，并給出了機(jī)械手液壓系統(tǒng)工作原理圖以及相應(yīng)的伺服控制方案。

實(shí)驗(yàn)研究表明，該液壓機(jī)械手工作可靠、驅(qū)動(dòng)力大、定位準(zhǔn)確、液壓控制回路簡(jiǎn)單、電氣控制容易實(shí)現(xiàn)，很適合用于火車(chē)車(chē)輪毛坯搬運(yùn)、汽車(chē)制造、現(xiàn)代物流等重載場(chǎng)合。

［1］張桂香.機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)指南［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］姜曉勇，倪敬，張蕓，等.多自由度火車(chē)車(chē)輪生產(chǎn)機(jī)械手設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程，2008，25(12):89-91.

［3］彭斐.注塑機(jī)專(zhuān)用機(jī)械手控制器設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程，2006，23(2):16-18.

［4］馬亮，張慶峰，顧寄南.一種新型數(shù)控氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)與研究［J］.機(jī)電工程，2008，28(2):162-167.

［5］朱曉蕊.機(jī)器人夢(mèng)想是現(xiàn)實(shí)的源動(dòng)力［J］.知識(shí)經(jīng)濟(jì)，2003(1):19-20.

［6］許福玲，陳堯明.液壓與氣壓傳動(dòng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［7］徐元昌.工業(yè)機(jī)器人［M］.北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社，1999.

［8］黃偉，胡青龍.機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2008，37(11):91-95.

［9］Siemens AG Automation and Drives.Siemens Simotion D4XX Commissioning and Installation Manual［M］.Siemens AG Automation and Drives，2006.

［10］Siemens AG Automation and Drives.Siemens Simotion D4X5 Manual［M］.Siemens AG Automation and Drives，2006.