液壓式四自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)研究

葉青青

（天門職業(yè)學(xué)院，湖北 天門431700）

1 概述

機(jī)械手是以人手動(dòng)作為標(biāo)準(zhǔn)，讓其能夠按照設(shè)定的程序依次完成相應(yīng)的抓取、搬運(yùn)以及操作自動(dòng)化設(shè)備等工作。在現(xiàn)代社會(huì)中機(jī)械手獲得了非常廣泛的應(yīng)用，可以成功替代人力勞動(dòng)，提高生產(chǎn)線自動(dòng)化程度與生產(chǎn)效率，同時(shí)也能夠通過機(jī)械手極大的降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)人員的工作安全性，機(jī)械手發(fā)揮了越來越大的作用。此外，針對(duì)一些有毒、粉塵與放射性等對(duì)人體危害巨大的作業(yè)，機(jī)械手表現(xiàn)出了更大的功效，可以在各種惡劣環(huán)境中出色完成任務(wù)?，F(xiàn)階段機(jī)械手已經(jīng)充分融入到機(jī)械制造、物流行業(yè)以及汽車行業(yè)中，并逐步滲入到熱處理、機(jī)械裝配工作中。機(jī)械手的動(dòng)作離不開動(dòng)力單元，目前常用的執(zhí)行系統(tǒng)有液壓式、氣動(dòng)式以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而液壓式驅(qū)動(dòng)由于其具有較大的扭矩、較高的工作效率、較寬泛的工作速度調(diào)節(jié)范圍等優(yōu)勢(shì)，在重型自動(dòng)化系統(tǒng)中獲得了廣泛的運(yùn)用。

2 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要工作職責(zé)是將一處的貨物搬運(yùn)到另一處指定位置，為了能夠順利實(shí)現(xiàn)貨物的轉(zhuǎn)運(yùn)，總共包含了四個(gè)自由度，分別是機(jī)械手手腕垂直旋轉(zhuǎn)、機(jī)械手手臂伸縮、機(jī)械手基座水平旋轉(zhuǎn)、機(jī)械手基座上下運(yùn)動(dòng)，使用圓柱形坐標(biāo)形式，并設(shè)定動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式為液壓驅(qū)動(dòng)[1]。如圖1 所示為機(jī)械手設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)示意圖，其具體動(dòng)作順序?yàn)椋合到y(tǒng)在檢測(cè)到工位上有部件時(shí)，向機(jī)械手發(fā)送工作指令，機(jī)械手基座向下運(yùn)動(dòng)到指定位置，同時(shí)基座逆時(shí)針方向水平旋轉(zhuǎn)180°，之后打開機(jī)械手夾臂，機(jī)械手手臂逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°并向前移動(dòng)，夾持貨物后機(jī)械手臂縮回，機(jī)械手基座開始上升，同時(shí)基座順時(shí)針方向水平旋轉(zhuǎn)180°，機(jī)械手臂順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)90°，到達(dá)指定位置后，機(jī)械手臂前移，將貨物放置到指定位置后打開夾臂，完成以后機(jī)械手復(fù)位到初始位置，進(jìn)行下一個(gè)物體的搬運(yùn)。

圖1 機(jī)械手設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)示意圖

3 機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了確保設(shè)計(jì)的液壓式四自由度機(jī)械手具有良好的靈活性以及適用性，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)以圓柱坐標(biāo)系為基礎(chǔ)[2]。機(jī)械手總體包含了四個(gè)自由度，分別是機(jī)械手手腕垂直旋轉(zhuǎn)、機(jī)械手手臂伸縮、機(jī)械手基座水平旋轉(zhuǎn)、機(jī)械手基座上下運(yùn)動(dòng)，每個(gè)動(dòng)作之間互不干涉、相互獨(dú)立，確保運(yùn)算與控制程序更加簡(jiǎn)潔。在這四個(gè)自由度中，機(jī)械手夾臂伸縮以及基座上下運(yùn)動(dòng)屬于往復(fù)線性運(yùn)動(dòng)，因此采用雙作用單活塞油缸來驅(qū)動(dòng)，而機(jī)械手手腕垂直旋轉(zhuǎn)、基座水平旋轉(zhuǎn)屬于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此采用內(nèi)曲線徑向馬達(dá)來驅(qū)動(dòng)[3]。如圖2 所示為四自由度機(jī)械手動(dòng)作原理圖。

圖2 四自由度機(jī)械手動(dòng)作原理圖

機(jī)械手夾持部分包含了夾指、連桿、連桿固定座、楔塊、彈簧以及液壓缸等部件構(gòu)成。當(dāng)機(jī)械手動(dòng)作時(shí)，液壓油從泵站進(jìn)入到液壓缸缸尾中，促使液壓缸柱塞桿向前運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)連桿圍繞銷軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手兩夾指向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而夾緊貨物。當(dāng)進(jìn)行反向供油時(shí)，液壓缸缸頭部位進(jìn)油，柱塞桿向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，楔塊在彈簧作用下恢復(fù)到初始位置，機(jī)械手兩夾指也在彈簧作用下向外運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而松開貨物。

機(jī)械手夾持貨物重量較大，導(dǎo)致機(jī)械手手腕以及夾臂均需要承受較大的力，特別是當(dāng)夾臂向前伸縮時(shí)，隨著距離的加大力臂也同步升高，這種情況下夾臂本身無法承受貨物的重量，于此同時(shí)油缸活塞桿只能承受軸向力，當(dāng)承受徑向力時(shí)極易造成活塞桿以及密封件損壞，造成油缸漏油、活塞桿變形等問題[4]。為此，需要在夾臂伸縮運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中增加承重軸，既起到導(dǎo)向的作用，也起到承受重量的作用。

為了確保活塞桿工作中不會(huì)受到外物、灰塵等污染，在機(jī)械手外側(cè)增加一個(gè)防護(hù)罩，對(duì)油缸進(jìn)行保護(hù)的同時(shí)也增加了結(jié)構(gòu)的美觀度。

4 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的四自由度機(jī)械手動(dòng)力驅(qū)動(dòng)為液壓系統(tǒng)，并結(jié)合PLC 控制程序進(jìn)行液壓油供油控制，如圖3 所示為機(jī)械手液壓系統(tǒng)示意圖。

選取FX2M-58NP-023 為PLC 控制系統(tǒng)的中心，機(jī)械手的工作任務(wù)是將A 處的貨物搬運(yùn)到B 處，則機(jī)械手操作面板需要設(shè)置手臂正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)、手腕正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)、基座上升與下降、夾臂前伸與后移、機(jī)械手夾緊與打開、啟動(dòng)與停止、電源指示燈以及急停按鈕14 個(gè)按鈕，同時(shí)工作方式包含了手動(dòng)操作與自動(dòng)操作兩種[5]。同時(shí)為了確?？刂葡到y(tǒng)故障、急停狀態(tài)下不會(huì)對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)部位產(chǎn)生損壞，增加了交流接觸器KM。

圖3 機(jī)械手液壓系統(tǒng)示意圖

5 結(jié)論

機(jī)械手在現(xiàn)代生產(chǎn)制造中發(fā)揮了越來越重要的作用，液壓式機(jī)械手憑借著夾持力大、工作效率較高等優(yōu)勢(shì)被許多行業(yè)領(lǐng)域所青睞，在進(jìn)行液壓式四自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)時(shí)，要分別從系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制設(shè)計(jì)兩部分進(jìn)行，保證機(jī)械手動(dòng)作運(yùn)行的平穩(wěn)性與安全性。