基于液壓驅(qū)動(dòng)的注塑機(jī)上料機(jī)械手的設(shè)計(jì)與研究

趙鋒　鄭蘇北　高雪晴　王榮榮　劉成　劉鳳國(guó)

【摘 要】本文依據(jù)液壓機(jī)械手的組成和運(yùn)作原理，以四自由度液壓機(jī)械手為例，設(shè)計(jì)了一款注塑機(jī)嵌件自動(dòng)上料液壓機(jī)械手，并驗(yàn)證其功能的可靠性。

【關(guān)鍵詞】四自由度；液壓控制；機(jī)械手；嵌件上料

0 引言

隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的快速發(fā)展，機(jī)械手因其高效和靈活的特點(diǎn)被廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。機(jī)械手是一種可以模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，并按照設(shè)定的軌跡、要求和程序抓取、搬運(yùn)工件或進(jìn)行操作工具的自動(dòng)化裝置，尤其適用于較大規(guī)模、自動(dòng)化流程生產(chǎn)和一些復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境中；例如高溫、粉塵、放射性強(qiáng)、噪音較大的生產(chǎn)環(huán)境。機(jī)械手的應(yīng)用對(duì)于提高機(jī)械生產(chǎn)率，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，保障一線工人的安全都具有重要的意義。目前機(jī)械手常用的三種驅(qū)動(dòng)方式為：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其中液壓驅(qū)動(dòng)以輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)作靈敏，可實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，調(diào)速范圍較大的特點(diǎn)，多被用于運(yùn)動(dòng)速度較低并且扭矩要求較大的工作場(chǎng)合。

隨著注塑行業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)于塑料制品的需求量越來(lái)越大，對(duì)于塑件的工藝和強(qiáng)度也提出了新要求。為了提高塑件的局部強(qiáng)度，嵌件在塑件加工中被廣泛使用。然而工廠在生產(chǎn)過(guò)程中手工安裝嵌件的居多，這中安裝方式效率低下，嚴(yán)重影響了注塑機(jī)的工作效率，降低了塑料制品的加工精度，自動(dòng)上料機(jī)械手需求愈加強(qiáng)烈。

1 液壓機(jī)械手基本組成

本文設(shè)計(jì)了一款四自由度液壓機(jī)械手，通過(guò)液壓缸進(jìn)行控制，可以實(shí)現(xiàn)手臂的升降運(yùn)動(dòng)、伸縮運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以及夾持部分的夾緊運(yùn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示。

液壓機(jī)械手主要包括控制系統(tǒng)、傳動(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器裝置等。其中，機(jī)械手的核心部分是控制系統(tǒng)，它是用以控制整個(gè)系統(tǒng)具體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。液壓驅(qū)動(dòng)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行的傳動(dòng)裝置。在機(jī)械手的組成中，最重要的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)也同樣是機(jī)械手內(nèi)部的主體部分，機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是其夾持部分，主要由拉簧、杠桿、手指、楔塊、杠桿支座、夾緊缸體等部分組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖 2所示。

2 液壓機(jī)械手運(yùn)作原理

2.1 機(jī)械手運(yùn)作原理

液壓機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)在兩臺(tái)立式注塑機(jī)之間交替進(jìn)行安裝嵌件的工作。機(jī)械手擁有四個(gè)自由度，分別為手臂的升降運(yùn)動(dòng)、手臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)，以及夾持部分的夾緊運(yùn)動(dòng)。采用液壓驅(qū)動(dòng)的控制方式，以圓柱坐標(biāo)作為坐標(biāo)形式，其動(dòng)作原理如圖3所示。液壓機(jī)械手開(kāi)始運(yùn)行，首先手臂下降到嵌件上方預(yù)定位置A，張開(kāi)機(jī)械手夾持裝置，機(jī)械手手臂下降到嵌件上方，夾持裝置夾緊嵌件，隨后機(jī)械手臂上升到起始位置，并順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°到注塑機(jī)1上方位置，手臂開(kāi)始向前伸出到注塑機(jī)上方預(yù)定位置B，手臂下降到指定位置，夾持裝置松開(kāi)，放置好嵌件后，手臂上升到起始高度，手臂縮回，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°回到原點(diǎn)位置，注塑機(jī)1開(kāi)始工作；其次手臂下降到嵌件上方預(yù)定位置A，張開(kāi)機(jī)械手夾持裝置，機(jī)械手手臂下降到嵌件上方，夾持裝置夾緊嵌件，隨后機(jī)械手臂上升到起始位置，并逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°到注塑機(jī)2上方位置，手臂開(kāi)始向前伸出到注塑機(jī)上方預(yù)定位置C，手臂下降到指定位置，夾持裝置松開(kāi)，放置好嵌件后，手臂上升到起始高度，手臂縮回，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°回到原點(diǎn)位置，注塑機(jī)2開(kāi)始工作，機(jī)械手第一個(gè)工作周期完成，待注塑機(jī)1完成運(yùn)作，機(jī)械手開(kāi)始下一周期的工作。

2.2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

機(jī)械手搬運(yùn)物體是依靠液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，液壓系統(tǒng)是機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)方式，是機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過(guò)程的核心控制部分。主要用來(lái)完成機(jī)械手的夾緊/松開(kāi)、上/下伸縮、前/后運(yùn)動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過(guò)程的液壓系統(tǒng)主要由油泵、執(zhí)行油缸、控制調(diào)節(jié)裝置、以及輔助裝置組成。此次設(shè)計(jì)中系統(tǒng)的主要參數(shù)如下表1、表2、表3所示。

2.3 液壓系統(tǒng)元件的選擇

（1）手部夾緊缸的分析計(jì)算

3 結(jié)論

本文簡(jiǎn)要介紹了液壓機(jī)械收的組成及工作原理，設(shè)計(jì)完成一款由液壓驅(qū)動(dòng)的、可實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)注塑機(jī)嵌件上下料的四自由度機(jī)械手，并對(duì)液壓機(jī)械手的工作可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)合數(shù)據(jù)，液壓機(jī)械手簡(jiǎn)單可靠，穩(wěn)定性較好，可實(shí)現(xiàn)較重嵌件的安裝工作。

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