曾祥福,張 毅,張夢(mèng)旖

（西京學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,西安 710123）

1 引言

工業(yè)機(jī)械手是近代機(jī)械自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)技術(shù)，是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成環(huán)節(jié)。機(jī)械手可以模仿人手和手臂的某些動(dòng)作功能，按給定設(shè)計(jì)程序抓取、搬運(yùn)工件與物品。主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成，機(jī)械手按其用途可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種，專用機(jī)械手的結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單，無(wú)單獨(dú)控制系統(tǒng)，只包含固定程序，適用于專機(jī)或大批量生產(chǎn)自動(dòng)線作為自動(dòng)上下料用。結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)要求與實(shí)際零件生產(chǎn)線，設(shè)計(jì)成專用型機(jī)械手。

2 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次機(jī)械手為固定式四自由度液壓機(jī)械手，選用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為動(dòng)力源，主要由機(jī)身、手臂和手爪等主要部分組成。該機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)式的坐標(biāo)型式。

通過(guò)手爪的開(kāi)合、手臂的升降與伸縮、機(jī)身的回轉(zhuǎn)等連續(xù)姿態(tài)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的抓取/釋放工件的動(dòng)作，以及完成數(shù)控車床的自動(dòng)上下料功能。手爪選用二指V型滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)，有利于抓取工件時(shí)對(duì)工件進(jìn)行定心；手臂應(yīng)用連桿形式，各連桿之間采用銷釘方式進(jìn)行連接；焊接支撐架是連接手臂與機(jī)械手機(jī)身的支撐環(huán)節(jié)，為手臂提供支撐作用，通過(guò)與機(jī)身進(jìn)行螺釘連接的固定，機(jī)械手的一系列動(dòng)作均由回轉(zhuǎn)液壓缸、升降液壓缸、伸縮液壓缸和手指液壓缸來(lái)控制實(shí)現(xiàn)。

3 機(jī)械手總體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

考慮此次設(shè)計(jì)的機(jī)械手抓取重量較大（40kg），為得到較大的輸出力和握力，同時(shí)使傳動(dòng)平穩(wěn)，因此選用液壓驅(qū)動(dòng)作為機(jī)械手的控制系統(tǒng)。

3.1 液壓系統(tǒng)的工作原理

液壓系統(tǒng)以壓力油液為工作介質(zhì)，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵輸出壓力油，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成油液的壓力能。壓力油經(jīng)管道及控制調(diào)節(jié)裝置進(jìn)入油缸，推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)，從而使機(jī)械手工作。液壓機(jī)械手的其液壓傳動(dòng)系統(tǒng)概括如圖1。

圖1 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)

由圖1可知，機(jī)械手液壓系統(tǒng)由以下主要部分組成：

（1）油泵 它供給系統(tǒng)以壓力油，將電動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能，并用以驅(qū)動(dòng)整個(gè)液壓系統(tǒng)工作；（2）執(zhí)行油缸 壓力油驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)外工作部分。如：做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的回轉(zhuǎn)缸；（3）控制調(diào)節(jié)裝置 如溢流閥、順序閥等。在系統(tǒng)中控制機(jī)械手的動(dòng)作與速度等功能，使機(jī)械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所需要運(yùn)動(dòng)；（4）輔助裝置 如油箱、濾油器、蓄能器、管路和管接頭以及壓力表等。

3.2 液壓傳動(dòng)機(jī)械手的特點(diǎn)

首先，控制精度高，上下料機(jī)械手需要對(duì)傳送工件準(zhǔn)確定位，液壓傳動(dòng)具有體積小、慣性小等特點(diǎn)；其次，液壓傳動(dòng)滯后現(xiàn)象小，反應(yīng)靈敏，通過(guò)對(duì)液壓調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的無(wú)極調(diào)速；再次，液壓傳動(dòng)可以得到較大的輸出力或力矩。

3.3 液壓系統(tǒng)工作原理圖

圖2 液壓系統(tǒng)工作原理圖

其中，手臂伸縮油缸與手臂升降油缸在液壓系統(tǒng)中同時(shí)動(dòng)作，手臂回轉(zhuǎn)油缸與手指加緊油缸依據(jù)設(shè)定程序動(dòng)作，共同配合完成機(jī)械手上、下料動(dòng)作。

4 機(jī)械手的動(dòng)作順序

圖3 工作流程簡(jiǎn)圖

機(jī)械手的工作流程簡(jiǎn)圖如圖3。

根據(jù)機(jī)械手上述動(dòng)作順序，采用PLC電控系統(tǒng)控制相對(duì)應(yīng)的換向電磁閥，按設(shè)計(jì)的程序逐步實(shí)現(xiàn)各動(dòng)作。

5 總結(jié)

結(jié)合設(shè)計(jì)參數(shù)要求，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上選擇并完成機(jī)械手的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)能滿足機(jī)械手的動(dòng)作順序與控制要求。

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[3]張欽國(guó).基于液壓驅(qū)動(dòng)的四自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)仿真與優(yōu)化[D].吉林大學(xué),2011.

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