液壓式機(jī)械手的自動(dòng)化與智能化應(yīng)用

喻遠(yuǎn)洋 彭 亮 楊加豪 榮家明 胡硯順

(湖南文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖南 常德 415000)

1 研究背景及意義

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度不斷提高，逐步與智能化和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化管理相結(jié)合，機(jī)器人有2種，分別是工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人，它們?cè)谏a(chǎn)中起到的作用不一樣。特種機(jī)器人不僅可以處理易燃易爆的物品，而且還可以充當(dāng)很多軍事偵察兵的角色，從而保護(hù)了人類，避免人類自身生命安全受到威脅。另一方面工業(yè)機(jī)器人不僅可以代替人工進(jìn)行高強(qiáng)度作業(yè)，而且還能夠提高生產(chǎn)效率，降低人在工作時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。而機(jī)械手工作的關(guān)鍵部分是液壓系統(tǒng)。

2 目前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)機(jī)械手目前在工業(yè)工程的生產(chǎn)和制造中出現(xiàn)很多，尤其是工業(yè)機(jī)械設(shè)備，家用電器、汽車行業(yè)、高分子材料以及有色金屬和無色金屬的加工等工業(yè)。目前，我國的特種機(jī)器人公司科沃斯機(jī)器人，旨在研發(fā)掃地機(jī)器人、全息交流機(jī)器人這一服務(wù)類機(jī)器人，必將向著多元化方向發(fā)展。

國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是要大力發(fā)展機(jī)械手的高智能化以及高自動(dòng)化。它裝有各種類型的傳感器，所以它們有像人類一樣的感知事物能力，并且通過傳感器來感知外面的一些信息，觀察外面的環(huán)境，反映到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，再根據(jù)計(jì)算機(jī)程序給出的指令做出一些變化。

3 機(jī)械手總體方案的設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)械手可以自動(dòng)調(diào)節(jié)、運(yùn)行等，并且可以根據(jù)一定的程序、軌跡以及要求模仿我們的雙手，代替人類抓取、搬運(yùn)、卸下甚至其它更復(fù)雜的有關(guān)活動(dòng)?？茖W(xué)時(shí)代一直都在進(jìn)步，工業(yè)機(jī)械手可以單獨(dú)根據(jù)我們?cè)O(shè)定的程序自動(dòng)往復(fù)工作，一直滿足我們的生產(chǎn)要求才停止。關(guān)于這次次設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求，本次機(jī)械手設(shè)計(jì)必須要具有取卸物料、傳輸物料等一系列功能。

機(jī)械手應(yīng)用夾鉗式抓取機(jī)構(gòu)，送放機(jī)構(gòu)包括手臂、手腕、回轉(zhuǎn)臺(tái)以及液壓缸等設(shè)備。它的運(yùn)動(dòng)方式為球坐標(biāo)式機(jī)械手，并且含有5個(gè)自由度。手腕可以抓拿物體以及進(jìn)行回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，指型結(jié)構(gòu)以平面的形式存在，液壓缸將活塞推動(dòng)，活塞拉動(dòng)杠桿夾緊其它工件。工業(yè)機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)是機(jī)械手的關(guān)鍵部分之一，可以直接抓取工件或工具，根據(jù)我們規(guī)定的程序進(jìn)行工作。工業(yè)機(jī)械手的夾持結(jié)構(gòu)由于抓取工件的外形、尺寸、材料組成、質(zhì)量等而種類繁多。通常來講，按照夾持工件的原理，機(jī)械手抓取機(jī)構(gòu)可分為吸附和夾持。夾鉗式抓取機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及手指。夾持式抓取機(jī)構(gòu)能適應(yīng)更多的情形，可以對(duì)軸、盤或其它非標(biāo)轉(zhuǎn)零件進(jìn)行抓取。它的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來供給動(dòng)力(動(dòng)力源分為液壓、氣壓和電動(dòng)等)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是由齒輪齒條、連桿機(jī)構(gòu)、渦輪蝸桿等來完成手指緊握或者松開。平移型抓取機(jī)構(gòu)平移手指來夾取平板類、方塊類以及圓柱類物料。并且在夾取直徑不相同的圓柱棒料時(shí)不會(huì)使中心軸線發(fā)生偏移。然而此類抓取機(jī)構(gòu)構(gòu)件比較復(fù)雜、精度必須高。而回轉(zhuǎn)型抓取機(jī)構(gòu)的張開閉合由手指樞軸支點(diǎn)的回旋轉(zhuǎn)動(dòng)來完成一系列操作。單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型樞軸只有一個(gè)支點(diǎn)，雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型樞軸有2個(gè)支點(diǎn)。兩者相比較而言，回轉(zhuǎn)型抓取機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)更加簡約、形狀更加精巧，不足的是抓取不同的構(gòu)件會(huì)出現(xiàn)定位誤差。

按照設(shè)計(jì)要求以及機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)已經(jīng)確定為夾鉗式雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型機(jī)械手。

銷軸將機(jī)械手腕部和手臂相連并固定位置，用螺母鎖死一端。然后鉸鏈將腕部與液壓伸縮缸活塞桿相連，伸縮缸活塞做直線運(yùn)動(dòng)的時(shí)候腕部也能繞著回轉(zhuǎn)銷軸開始轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)械手腕部的回轉(zhuǎn)動(dòng)作依靠回轉(zhuǎn)油缸操控。

機(jī)械手手臂能相對(duì)機(jī)身開始發(fā)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，能夠繞過障礙夾送工件。機(jī)械手俯仰運(yùn)動(dòng)由直動(dòng)式液壓缸驅(qū)動(dòng)，具有工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)身回轉(zhuǎn)工作臺(tái)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)，并且利用擋塊限制構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，起到定位作用，定位誤差大于0.5mm、小于1mm。在常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)比準(zhǔn)確；此外在滿足使用功能、強(qiáng)度等條件下，齒輪傳動(dòng)能夠滿足機(jī)構(gòu)緊湊要求。而且，設(shè)計(jì)制造正確合理、齒輪工作可靠程度以及使用壽命更是其它機(jī)械傳動(dòng)所不能比擬的。

圖1 液壓機(jī)械手的三維圖

4 工業(yè)機(jī)械手的液壓系統(tǒng)的工作原理

本設(shè)計(jì)的機(jī)械手液壓系統(tǒng)具有執(zhí)行、輔助、控制、動(dòng)力元件和液壓油等元件?？刂圃梢詫r(shí)間進(jìn)行操控以及液壓系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)速度。為使機(jī)械手臂更加靈活，第一液壓傳動(dòng)必須合理，第二添加電氣聯(lián)動(dòng)控制來提高它的一些操控能力，第三設(shè)置手動(dòng)的方式在特殊情況下隨開隨關(guān)的系統(tǒng)。在電氣控制的過程中，該液壓系統(tǒng)分為連續(xù)，單周期等一系列的工作。如下圖2液壓原理簡圖。

圖2 液壓原理簡圖

5 結(jié)語

此次對(duì)于機(jī)械手和液壓傳動(dòng)原理的設(shè)計(jì)，對(duì)該液壓系統(tǒng)的分類、結(jié)構(gòu)、特性、受力等方面以及液壓系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行分析。配有該系統(tǒng)的機(jī)械手機(jī)器人可以在更大的范圍內(nèi)迅敏地抓取動(dòng)或靜物體，靈活度更高，還可以在人類無法從事的工作環(huán)境中進(jìn)行操作，從而減少了欠缺的勞動(dòng)力，使生產(chǎn)效率提高了很多。