液压式四自由度机械手设计研究

2020-08-12叶青青

科学技术创新 2020年24期

叶青青

（天门职业学院，湖北天门431700）

1 概述

机械手是以人手动作为标准，让其能够按照设定的程序依次完成相应的抓取、搬运以及操作自动化设备等工作。在现代社会中机械手获得了非常广泛的应用，可以成功替代人力劳动，提高生产线自动化程度与生产效率，同时也能够通过机械手极大的降低工人的劳动强度，提高劳动人员的工作安全性，机械手发挥了越来越大的作用。此外，针对一些有毒、粉尘与放射性等对人体危害巨大的作业，机械手表现出了更大的功效，可以在各种恶劣环境中出色完成任务。现阶段机械手已经充分融入到机械制造、物流行业以及汽车行业中，并逐步渗入到热处理、机械装配工作中。机械手的动作离不开动力单元，目前常用的执行系统有液压式、气动式以及电机驱动，而液压式驱动由于其具有较大的扭矩、较高的工作效率、较宽泛的工作速度调节范围等优势，在重型自动化系统中获得了广泛的运用。

2 机械手总体设计方案

本文设计的机械手主要工作职责是将一处的货物搬运到另一处指定位置，为了能够顺利实现货物的转运，总共包含了四个自由度，分别是机械手手腕垂直旋转、机械手手臂伸缩、机械手基座水平旋转、机械手基座上下运动，使用圆柱形坐标形式，并设定动力驱动方式为液压驱动[1]。如图1 所示为机械手设计机构示意图，其具体动作顺序为：系统在检测到工位上有部件时，向机械手发送工作指令，机械手基座向下运动到指定位置，同时基座逆时针方向水平旋转180°，之后打开机械手夹臂，机械手手臂逆时针旋转90°并向前移动，夹持货物后机械手臂缩回，机械手基座开始上升，同时基座顺时针方向水平旋转180°，机械手臂顺时针方向旋转90°，到达指定位置后，机械手臂前移，将货物放置到指定位置后打开夹臂，完成以后机械手复位到初始位置，进行下一个物体的搬运。

图1 机械手设计机构示意图

3 机械手机械系统设计

为了确保设计的液压式四自由度机械手具有良好的灵活性以及适用性，在进行结构设计时以圆柱坐标系为基础[2]。机械手总体包含了四个自由度，分别是机械手手腕垂直旋转、机械手手臂伸缩、机械手基座水平旋转、机械手基座上下运动，每个动作之间互不干涉、相互独立，确保运算与控制程序更加简洁。在这四个自由度中，机械手夹臂伸缩以及基座上下运动属于往复线性运动，因此采用双作用单活塞油缸来驱动，而机械手手腕垂直旋转、基座水平旋转属于旋转运动，因此采用内曲线径向马达来驱动[3]。如图2 所示为四自由度机械手动作原理图。

图2 四自由度机械手动作原理图

机械手夹持部分包含了夹指、连杆、连杆固定座、楔块、弹簧以及液压缸等部件构成。当机械手动作时，液压油从泵站进入到液压缸缸尾中，促使液压缸柱塞杆向前运动，推动连杆围绕销轴进行旋转，机械手两夹指向内运动，进而夹紧货物。当进行反向供油时，液压缸缸头部位进油，柱塞杆向内运动，楔块在弹簧作用下恢复到初始位置，机械手两夹指也在弹簧作用下向外运动，进而松开货物。

机械手夹持货物重量较大，导致机械手手腕以及夹臂均需要承受较大的力，特别是当夹臂向前伸缩时，随着距离的加大力臂也同步升高，这种情况下夹臂本身无法承受货物的重量，于此同时油缸活塞杆只能承受轴向力，当承受径向力时极易造成活塞杆以及密封件损坏，造成油缸漏油、活塞杆变形等问题[4]。为此，需要在夹臂伸缩运动机构中增加承重轴，既起到导向的作用，也起到承受重量的作用。

为了确保活塞杆工作中不会受到外物、灰尘等污染，在机械手外侧增加一个防护罩，对油缸进行保护的同时也增加了结构的美观度。

4 机械手控制系统设计

本文设计的四自由度机械手动力驱动为液压系统，并结合PLC 控制程序进行液压油供油控制，如图3 所示为机械手液压系统示意图。

选取FX2M-58NP-023 为PLC 控制系统的中心，机械手的工作任务是将A 处的货物搬运到B 处，则机械手操作面板需要设置手臂正转与反转、手腕正转与反转、基座上升与下降、夹臂前伸与后移、机械手夹紧与打开、启动与停止、电源指示灯以及急停按钮14 个按钮，同时工作方式包含了手动操作与自动操作两种[5]。同时为了确保控制系统故障、急停状态下不会对机械手结构部位产生损坏，增加了交流接触器KM。