基于液壓與控制技術(shù)的機(jī)械手設(shè)計(jì)與分析

張進(jìn)才

【摘要】機(jī)械手是模仿人的手部動(dòng)作，并按要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)等動(dòng)作的自動(dòng)裝置。機(jī)械手可以在惡劣環(huán)境中以及單調(diào)、頻繁的操作中代替人作業(yè)，因此得日益廣泛的應(yīng)用。機(jī)械手一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及檢測(cè)裝置四部分組成，智能機(jī)械手還具有感覺(jué)系統(tǒng)和智能系統(tǒng)。介紹了工業(yè)機(jī)械手屬圓柱坐標(biāo)式、全液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，設(shè)計(jì)了液壓回路，對(duì)手部材料進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，采用了西門子PLC控制其工作過(guò)程。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械手；液壓；電氣

1.機(jī)械手機(jī)械本體設(shè)計(jì)

采用了四桿鉸鏈機(jī)構(gòu)，底座與步進(jìn)電機(jī)相連，可沿導(dǎo)軌準(zhǔn)確定位，適應(yīng)于中小輕型物品的搬運(yùn)和定位放置。分別用3個(gè)液壓缸和一個(gè)絲杠控制，絲杠由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)沿x軸的直線行走，一個(gè)沿y軸直線行走，一個(gè)沿z軸直線行走和一個(gè)繞z軸旋轉(zhuǎn)的4個(gè)自由度。機(jī)械手工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程：當(dāng)貨物到達(dá)時(shí)，機(jī)械手系統(tǒng)開(kāi)始工作，旋轉(zhuǎn)液壓缸和伸出液壓缸迅速定位到達(dá)工件上方，絲杠旋轉(zhuǎn)下降，同時(shí)機(jī)械手液壓缸卸荷，機(jī)械手爪張開(kāi)，機(jī)械手到達(dá)工件中部，機(jī)械手液壓缸加壓，將工件夾緊。絲杠旋轉(zhuǎn)上升，旋轉(zhuǎn)液壓缸開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，伸出液壓缸開(kāi)始收縮，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始向前運(yùn)動(dòng)。放置工件時(shí)，機(jī)械手迅速定位至指定位置的上方，絲杠旋轉(zhuǎn)下降，機(jī)械手液壓缸卸荷，工件被放入指定位置。

2.手抓夾持面的應(yīng)力分析

（1）夾持裝置的材料特征。手爪夾持裝置會(huì)頻繁地夾持工件，因此，選擇了低合金鋼。這種鋼可塑性好，有著比普通碳素結(jié)構(gòu)鋼更高的屈服強(qiáng)度和屈強(qiáng)比的材料。低合金鋼還有著較好的冷熱加工成形性，良好的焊接性，較低的冷脆傾向和時(shí)效敏感性， 以及較好的抗大氣、海水等腐蝕能力。（2）夾持面受力分析。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中安全可靠生產(chǎn)是必須考慮的一個(gè)因素，應(yīng)力分析與位移分析是對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)中主要受力部分進(jìn)行安全系數(shù)評(píng)估。在應(yīng)力分析與位移分析過(guò)程中，手爪的4個(gè)固定孔作為固定面，以手爪夾持工件的面為主受力面，整個(gè)分析過(guò)程中所施加給手爪的力為100 N，使用的材質(zhì)是鋁合金，最后分析安全系數(shù)為 1.5，滿足了工作要求。（3）機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其運(yùn)動(dòng)速度與時(shí)間的關(guān)系必須要在控制之中，這樣才能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出其運(yùn)動(dòng)的軌跡，在Pro/E的裝配中，利用機(jī)構(gòu)來(lái)裝配其手部，模擬其手部的運(yùn)動(dòng)得出運(yùn)動(dòng)曲線。由機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)曲線可知，機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)模量變化較為穩(wěn)定。

3.液壓回路的設(shè)計(jì)

液壓機(jī)械手的回路（見(jiàn)圖2）設(shè)計(jì)主要由4個(gè)回路組成，控制機(jī)械手的升降、伸縮、抓緊與放松、回轉(zhuǎn)4個(gè)動(dòng)作，分別由3個(gè)直動(dòng)式油缸和1個(gè)回轉(zhuǎn)油缸組成。在液壓回路設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)兩位四通的電磁換向閥控制換向，可以通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥的節(jié)流口大小控制流量大小，從而控制液壓缸運(yùn)動(dòng)的速度。此外，為了防止機(jī)械手爪誤抓住人或其他物體之后造成傷害，在回路中安裝了安全閥（溢流閥），當(dāng)壓力達(dá)3 MPa時(shí)，安全閥打開(kāi)，所以回路中最高壓力不超過(guò)3 MPa。液壓回路很容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，可以通過(guò)PLC來(lái)控制換向閥就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換向。此外，液壓回路可以適應(yīng)任何惡劣環(huán)境，比較容易維護(hù)，所以在自動(dòng)控制中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

4.PLC機(jī)械手具體系統(tǒng)的主要組成

PLC 液壓機(jī)械手整個(gè)系統(tǒng)主要包括嵌入式微機(jī)、端口驅(qū)動(dòng)模塊、位置傳感器、壓力傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)屬于機(jī)械手非常重要的組成部分，同時(shí)也是機(jī)械手內(nèi)部的主體部分，其中主要包括手腕、手臂以及行走機(jī)構(gòu)等部分。驅(qū)動(dòng)屬于執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行重要的傳動(dòng)裝置，經(jīng)常使用的包括液壓、氣壓、電力以及機(jī)械傳動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)是整個(gè)機(jī)械手的重要核心部分，主要是用來(lái)支配機(jī)械手各種規(guī)定的運(yùn)行程序等，并存儲(chǔ)相應(yīng)的指令信息，按照控制系統(tǒng)具體的內(nèi)部信息完成指令的分配，在一定條件下還能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)機(jī)械手具有的監(jiān)視作用。

以下主要分析在輪胎自動(dòng)化生產(chǎn)線中的具體控制。在初始的狀態(tài)下，閉合整個(gè)機(jī)械手系統(tǒng)，并處于上線轉(zhuǎn)出具體的位置，如果接收到開(kāi)始的具體控制信號(hào)，開(kāi)始啟動(dòng)所有的電動(dòng)機(jī)并進(jìn)行正轉(zhuǎn)，利用絲杠運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械手逐漸下降。如果下降具體的行程開(kāi)關(guān)發(fā)生斷開(kāi)時(shí)，下降交流內(nèi)部的接觸器將會(huì)斷電，最后使電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)最終停止，利用自動(dòng)減壓控制機(jī)械手具體的動(dòng)作開(kāi)始抓取工件，如果機(jī)械手內(nèi)部的全張油缸使用的開(kāi)關(guān)在完成閉合以后，機(jī)械手上升交流內(nèi)部的接觸器被接通，從而使電動(dòng)機(jī)開(kāi)始發(fā)轉(zhuǎn)，完成機(jī)械手抓取工件同時(shí)并上升的動(dòng)作。如果到達(dá)了上線行程內(nèi)部具體的開(kāi)關(guān)閉合位置過(guò)程中，機(jī)械手內(nèi)部上升交流所在的基接觸器發(fā)生斷電，從而使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)最終停止，同時(shí)等待來(lái)自于主控系統(tǒng)發(fā)送的主圖命令，并將會(huì)啟動(dòng)整個(gè)液壓系統(tǒng)完成轉(zhuǎn)入。由于當(dāng)機(jī)械手開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，半徑部分出現(xiàn)了相互重疊的情況，因此，每次都會(huì)支持一只機(jī)械手完成轉(zhuǎn)入動(dòng)作。如果機(jī)械手全部完成了最終的轉(zhuǎn)入動(dòng)作，機(jī)械手進(jìn)行同時(shí)下降的動(dòng)作。如果下降放工件具體的行程開(kāi)關(guān)完全接通以后，需要接通機(jī)械手內(nèi)部的電磁閥，使氣壓系統(tǒng)內(nèi)部工作得到有效的控制，控制機(jī)械手手指最后閉合完成放工件的動(dòng)作。如果機(jī)械手內(nèi)部閉合閥具有的壓力開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)接通以后，左右機(jī)械手將會(huì)馬上全部閉合，最后完成放胎的動(dòng)作，同時(shí)電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)動(dòng)作得以順利的控制，并帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械手開(kāi)始上升的動(dòng)作，直到最后達(dá)到上線的具體位置，完成機(jī)械手最終的整個(gè)過(guò)程。

5.結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)。液壓技術(shù)在該機(jī)械手中的應(yīng)用，使設(shè)備更容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和過(guò)載保護(hù)，整體結(jié)構(gòu)更加緊湊。西門子S7-200 型號(hào)的PLC在總控制中的應(yīng)用，使得機(jī)械手在工作時(shí)更加穩(wěn)定和便于控制。

參考文獻(xiàn)

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