工業(yè)機(jī)械手的仿真設(shè)計(jì)

趙彥軍

（甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 天水 741000）

0 序言

機(jī)械手受程序控制來完成各種要求的預(yù)設(shè)動(dòng)作，在結(jié)構(gòu)和性能上兼有人和機(jī)器的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。雖然機(jī)械手目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)勞動(dòng)、不知疲勞、不怕危險(xiǎn)、重復(fù)精度高、抓舉重物的力量比人手力大等特點(diǎn)，所以已普遍投入醫(yī)療、軍事、礦產(chǎn)、焊接、物流、餐飲及產(chǎn)品生產(chǎn)線等領(lǐng)域中。從工業(yè)機(jī)械手的普及現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用效果來看，生產(chǎn)生活中，人們對(duì)其有極強(qiáng)的需求和依賴性。所以，機(jī)械手在未來的生產(chǎn)領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景[2]。越來越多的研究者和設(shè)計(jì)人員投身其中，為提高其產(chǎn)品研發(fā)效率，孜孜不倦，默默耕耘。

1 機(jī)械手概述

1.1 工業(yè)機(jī)械手的組成

通常，工業(yè)機(jī)械手由驅(qū)動(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)三大部分組成。隨著工業(yè)技術(shù)的不斷提升，部分智能機(jī)械手還具有檢測(cè)裝置、感覺系統(tǒng)和智能系統(tǒng)。其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)

1.2 工業(yè)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)方式

工業(yè)機(jī)械手可通過機(jī)座和立柱的支撐，利用液壓、氣壓、電氣或機(jī)械驅(qū)動(dòng)的方式，使立柱、手臂、手腕及手部完成相應(yīng)的動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)抓取或搬運(yùn)物料的目的，其運(yùn)動(dòng)方式如圖2所示。

圖2 工業(yè)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)方式

2 機(jī)械手設(shè)計(jì)過程

普通機(jī)械手設(shè)計(jì)時(shí)可依據(jù)所設(shè)計(jì)機(jī)械手的工況要求，先對(duì)其完成外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，接著依據(jù)工作對(duì)象選擇合理的驅(qū)動(dòng)裝置，然后再對(duì)其進(jìn)行控制程序的設(shè)計(jì)和仿真。隨著工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用規(guī)模的日益擴(kuò)大，當(dāng)前對(duì)其設(shè)計(jì)時(shí)多采用模塊化的思想[3]。該思想就是參照生產(chǎn)實(shí)際要求的功能，把一些機(jī)構(gòu)部件在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行組裝，再配上專門設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)，就成為了能夠?qū)崿F(xiàn)既定功能的機(jī)械手。

模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于可以通過模塊的重組，構(gòu)成不同功能、規(guī)格的產(chǎn)品系列。在產(chǎn)品的功能要求發(fā)生改變時(shí)，只需進(jìn)行柔性化改造或單個(gè)構(gòu)件的優(yōu)化升級(jí)，通過調(diào)試后，很快又可以投入生產(chǎn)，降低了產(chǎn)品二次開發(fā)設(shè)計(jì)的成本，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)的經(jīng)濟(jì)效益，在提高部件維護(hù)更新的同時(shí)，也提高了機(jī)械手的工作效率。

2.1 工業(yè)軟件技術(shù)下的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)如圖2所示的工業(yè)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)方式，分析各元件所需功能及工作過程。

2.1.1 所需構(gòu)件

近年來，腦缺血性疾病發(fā)病率逐年攀升，病死率及致殘率非常高，嚴(yán)重威脅到人們的生命健康，及早診斷及早治療是避免疾病惡化、降低病死率及致殘率的關(guān)鍵。64排CT血管造影（CTA）可準(zhǔn)確將腦血管狀態(tài)顯示出來，更為客觀、準(zhǔn)確的對(duì)腦動(dòng)脈狹窄程度及部位等評(píng)估[1] 。研究選取收治于本院的60例缺血性腦血管病患者，采用CTA檢查，取得顯著效果，現(xiàn)總結(jié)報(bào)道如下。

首先要有抓取物料的手部，通常為夾持式或吸盤式；其次需要有帶動(dòng)手部運(yùn)動(dòng)的臂部，常為液、氣壓控制的活塞缸、電氣驅(qū)動(dòng)的齒輪齒條及帶輪機(jī)構(gòu)；最后，還有對(duì)前者起支撐連接作用的底座或立柱等構(gòu)件。

2.1.2 各構(gòu)件功能

由于立柱要實(shí)現(xiàn)垂直往復(fù)的升降運(yùn)動(dòng)，該運(yùn)動(dòng)可通過配置垂直氣缸，由其進(jìn)排氣口位置的變化而把活塞的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為連桿或連接件的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)立柱垂直升降的運(yùn)動(dòng)目的；同理，臂部的水平左右移動(dòng)可配置水平氣缸，通過其活塞的左右移動(dòng)，帶動(dòng)手部及其下端吸盤的水平移動(dòng)；手部前端的吸盤要完成吸取和放下物體的動(dòng)作，可通過配置連接有真空罐的氣缸而實(shí)現(xiàn)吸盤口排氣則放下物體、吸盤口抽真空則吸附物體的動(dòng)作。

2.1.3 機(jī)械手工作過程

機(jī)械手工作時(shí)，從某一初始位置開始，將實(shí)現(xiàn)：手臂下降、吸取物體、手臂上升、向右平移、手臂下降、放下物體、手臂上升、向左平移，直至回歸原位的循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，具體工作過程如圖3所示。

圖3 機(jī)械手工作過程

2.1.4 三維模型設(shè)計(jì)

結(jié)合圖2所示的機(jī)械手，利用AutoCAD、CAXA、UG或ProE等工業(yè)軟件和技術(shù)軟件，設(shè)計(jì)出由支架、三個(gè)氣缸、立柱、臂部和帶吸盤的手部組成的如圖4所示的搬運(yùn)機(jī)械手。

圖4 氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手

2.1.5 工業(yè)軟件進(jìn)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

本例對(duì)機(jī)械手執(zhí)行結(jié)構(gòu)采用工業(yè)軟件技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，為無紙化的綠色設(shè)計(jì)。各構(gòu)件組裝關(guān)系可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)演示，故其外觀結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)方式直觀可見、清晰易懂。由于構(gòu)件布局及形狀易于修改，所以該模型具有傳承性，不用重復(fù)設(shè)計(jì)。整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，凸顯了高效率、低成本、直觀、易調(diào)整和可傳承等特點(diǎn)。

2.2 工業(yè)軟件技術(shù)下的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械手通常利用液壓、氣壓、電氣或機(jī)械方式驅(qū)動(dòng)。其中液壓或氣壓系統(tǒng)可通過MapleSim或FluidSIM等軟件仿真設(shè)計(jì)；電氣系統(tǒng)通過Altair Flux或CASPOC等軟件仿真設(shè)計(jì)；機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過SolidWorks、COSMOSMotion或ProE等軟件仿真設(shè)計(jì)。筆者以FluidSIM軟件為例，對(duì)機(jī)械手氣壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。

2.2.1 單個(gè)氣壓缸的運(yùn)動(dòng)過程

單個(gè)氣缸工作時(shí)，當(dāng)其下方連接的換向閥處于左中右不同位置時(shí)，氣缸將執(zhí)行不同的動(dòng)作。換向閥左位時(shí)，氣缸右移，活塞桿將帶動(dòng)連接件共同右移；換向閥右位時(shí)，氣缸左移，活塞桿將帶動(dòng)連接件共同左移；換向閥中位時(shí)，各氣口全部封閉，活塞桿靜止不動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)過程如圖5所示。

圖5 單個(gè)氣壓缸工作過程

2.2.2 機(jī)械手氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

筆者所設(shè)計(jì)的機(jī)械手按照功能要求，共需3個(gè)氣缸，其氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖6所示。圖6中，3個(gè)換向閥依次單個(gè)工作。當(dāng)左側(cè)第一個(gè)換向閥工作時(shí)，水平氣缸帶動(dòng)活塞桿執(zhí)行左右水平往復(fù)及中間位置靜止不動(dòng)的動(dòng)作。當(dāng)中間位置換向閥工作時(shí)，垂直氣缸帶動(dòng)活塞桿執(zhí)行垂直上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)及中間位置靜止不動(dòng)的動(dòng)作。當(dāng)右側(cè)換向閥工作，其處于左位時(shí)，吸盤口中被抽為真空而將其下方的物體緊緊吸附，實(shí)現(xiàn)吸取物體的目的；當(dāng)該換向閥處于右位時(shí)，吸盤口中排出氣體，其下方物體將被吹落，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)放下物體的目的；當(dāng)該換向閥處于中位時(shí)，吸盤口中沒有氣流的進(jìn)出，因無法實(shí)現(xiàn)物體的抓取或放下而保持不動(dòng)。

圖6 吸盤工作過程

2.2.3 工業(yè)軟件技術(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

工業(yè)軟件技術(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)構(gòu)件連接靈活，只要求按預(yù)定功能執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，沒有嚴(yán)格的尺寸限制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，可進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)并有糾錯(cuò)提醒功能，設(shè)計(jì)者可隨時(shí)調(diào)整并完善。整個(gè)系統(tǒng)中相關(guān)參數(shù)可進(jìn)行設(shè)置，設(shè)計(jì)后期可以通過動(dòng)態(tài)演示觀摩系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)過程。整個(gè)設(shè)計(jì)過程更趨于智能設(shè)計(jì)，仿真效果與真實(shí)驅(qū)動(dòng)基本一致，具有較高的借鑒性。

2.3 工業(yè)軟件技術(shù)下的控制系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)

2.3.1 設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

機(jī)械手最核心的部分之一是控制系統(tǒng)[4]。在工業(yè)機(jī)械手控制領(lǐng)域，PLC技術(shù)已取代傳統(tǒng)繼電接觸器的控制而被廣泛應(yīng)用，并將迎來快速增長(zhǎng)期。陳力、郭志冬等研究認(rèn)為[5-6]，機(jī)械手自動(dòng)上下料系統(tǒng)可由PLC控制，此控制能實(shí)現(xiàn)機(jī)械手快速、穩(wěn)定和高精度的運(yùn)行及柔性化控制，此處不再贅述。

2.3.2 設(shè)計(jì)過程

常用的PLC軟件有S7-200SMART、SIMATICManager STEP7、GX-developer等，設(shè)計(jì)者可依據(jù)具體條件選擇。此類控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要依次完成：機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制要求設(shè)計(jì)、輸入/輸出點(diǎn)地址分配、控制功能圖分析和設(shè)計(jì)、PLC梯形圖的程序輸入、程序仿真調(diào)試共5個(gè)內(nèi)容。

2.3.3 動(dòng)態(tài)仿真

完成控制系統(tǒng)編程后，設(shè)計(jì)者可通過ADAMS、MCGS或組態(tài)王等軟件，通過與PLC程序的連接，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸和動(dòng)畫的演示，如圖7所示。此環(huán)節(jié)能實(shí)現(xiàn)程序與執(zhí)行元件的同步運(yùn)行，直觀地展示機(jī)械手的虛擬運(yùn)行狀況，設(shè)計(jì)者仍可進(jìn)行程序修改和完善。至此，機(jī)械手仿真設(shè)計(jì)全部完成。

圖7 吸盤機(jī)械手組態(tài)仿真

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者全面搜集、整理了工業(yè)機(jī)械手仿真設(shè)計(jì)的過程，設(shè)計(jì)者可通過不同的工作場(chǎng)合、環(huán)境、需求而選用相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和仿真軟件。本著系統(tǒng)布局、逐層設(shè)計(jì)的理念，完成每個(gè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。旨在為企業(yè)員工和在校學(xué)生提供機(jī)械手設(shè)計(jì)的可傳承模板，為其梳理思路、指引方向、提高設(shè)計(jì)效率。