基于液壓與控制技術的機械手設計與分析

張進才

【摘要】機械手是模仿人的手部動作，并按要求實現自動抓取、搬運等動作的自動裝置。機械手可以在惡劣環境中以及單調、頻繁的操作中代替人作業，因此得日益廣泛的應用。機械手一般由執行機構、驅動系統、控制系統及檢測裝置四部分組成，智能機械手還具有感覺系統和智能系統。介紹了工業機械手屬圓柱坐標式、全液壓驅動機械手，設計了液壓回路，對手部材料進行了結構分析，采用了西門子PLC控制其工作過程。

【關鍵詞】機械手；液壓；電氣

1.機械手機械本體設計

采用了四桿鉸鏈機構，底座與步進電機相連，可沿導軌準確定位，適應于中小輕型物品的搬運和定位放置。分別用3個液壓缸和一個絲杠控制，絲杠由電動機驅動，以實現在一個沿x軸的直線行走，一個沿y軸直線行走，一個沿z軸直線行走和一個繞z軸旋轉的4個自由度。機械手工作時的運動過程：當貨物到達時，機械手系統開始工作，旋轉液壓缸和伸出液壓缸迅速定位到達工件上方，絲杠旋轉下降，同時機械手液壓缸卸荷，機械手爪張開，機械手到達工件中部，機械手液壓缸加壓，將工件夾緊。絲杠旋轉上升，旋轉液壓缸開始旋轉，伸出液壓缸開始收縮，同時步進電機開始向前運動。放置工件時，機械手迅速定位至指定位置的上方，絲杠旋轉下降，機械手液壓缸卸荷，工件被放入指定位置。

2.手抓夾持面的應力分析

（1）夾持裝置的材料特征。手爪夾持裝置會頻繁地夾持工件，因此，選擇了低合金鋼。這種鋼可塑性好，有著比普通碳素結構鋼更高的屈服強度和屈強比的材料。低合金鋼還有著較好的冷熱加工成形性，良好的焊接性，較低的冷脆傾向和時效敏感性， 以及較好的抗大氣、海水等腐蝕能力。（2）夾持面受力分析。在實際生產應用中安全可靠生產是必須考慮的一個因素，應力分析與位移分析是對整個結構中主要受力部分進行安全系數評估。在應力分析與位移分析過程中，手爪的4個固定孔作為固定面，以手爪夾持工件的面為主受力面，整個分析過程中所施加給手爪的力為100 N，使用的材質是鋁合金，最后分析安全系數為 1.5，滿足了工作要求。（3）機械手運動學分析。機械手在運動過程中，其運動速度與時間的關系必須要在控制之中，這樣才能夠準確地計算出其運動的軌跡，在Pro/E的裝配中，利用機構來裝配其手部，模擬其手部的運動得出運動曲線。由機械手的運動曲線可知，機械手的運動模量變化較為穩定。

3.液壓回路的設計

液壓機械手的回路（見圖2）設計主要由4個回路組成，控制機械手的升降、伸縮、抓緊與放松、回轉4個動作，分別由3個直動式油缸和1個回轉油缸組成。在液壓回路設計過程中，通過兩位四通的電磁換向閥控制換向，可以通過調節節流閥的節流口大小控制流量大小，從而控制液壓缸運動的速度。此外，為了防止機械手爪誤抓住人或其他物體之后造成傷害，在回路中安裝了安全閥（溢流閥），當壓力達3 MPa時，安全閥打開，所以回路中最高壓力不超過3 MPa。液壓回路很容易實現自動控制，可以通過PLC來控制換向閥就可以實現自動換向。此外，液壓回路可以適應任何惡劣環境，比較容易維護，所以在自動控制中應用越來越廣泛。

4.PLC機械手具體系統的主要組成

PLC 液壓機械手整個系統主要包括嵌入式微機、端口驅動模塊、位置傳感器、壓力傳感器、執行機構。其中的執行機構屬于機械手非常重要的組成部分，同時也是機械手內部的主體部分，其中主要包括手腕、手臂以及行走機構等部分。驅動屬于執行機構運行重要的傳動裝置，經常使用的包括液壓、氣壓、電力以及機械傳動。控制系統是整個機械手的重要核心部分，主要是用來支配機械手各種規定的運行程序等，并存儲相應的指令信息，按照控制系統具體的內部信息完成指令的分配，在一定條件下還能實現對整個機械手具有的監視作用。

以下主要分析在輪胎自動化生產線中的具體控制。在初始的狀態下，閉合整個機械手系統，并處于上線轉出具體的位置，如果接收到開始的具體控制信號，開始啟動所有的電動機并進行正轉，利用絲杠運動帶動機械手逐漸下降。如果下降具體的行程開關發生斷開時，下降交流內部的接觸器將會斷電，最后使電機的轉動最終停止，利用自動減壓控制機械手具體的動作開始抓取工件，如果機械手內部的全張油缸使用的開關在完成閉合以后，機械手上升交流內部的接觸器被接通，從而使電動機開始發轉，完成機械手抓取工件同時并上升的動作。如果到達了上線行程內部具體的開關閉合位置過程中，機械手內部上升交流所在的基接觸器發生斷電，從而使電動機的轉動最終停止，同時等待來自于主控系統發送的主圖命令，并將會啟動整個液壓系統完成轉入。由于當機械手開始轉動時，半徑部分出現了相互重疊的情況，因此，每次都會支持一只機械手完成轉入動作。如果機械手全部完成了最終的轉入動作，機械手進行同時下降的動作。如果下降放工件具體的行程開關完全接通以后，需要接通機械手內部的電磁閥，使氣壓系統內部工作得到有效的控制，控制機械手手指最后閉合完成放工件的動作。如果機械手內部閉合閥具有的壓力開關實現接通以后，左右機械手將會馬上全部閉合，最后完成放胎的動作，同時電動機的反轉動作得以順利的控制，并帶動整個機械手開始上升的動作，直到最后達到上線的具體位置，完成機械手最終的整個過程。

5.結語

本文對工業機械手的結構和控制進行了設計。液壓技術在該機械手中的應用，使設備更容易實現自動控制和過載保護，整體結構更加緊湊。西門子S7-200 型號的PLC在總控制中的應用，使得機械手在工作時更加穩定和便于控制。

參考文獻

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[2]胡高峰，李占賢，黃金鳳. 基于PLC的高速并聯機械手控制技術[J]. 機械工程與自動化，2013，（03）：145-147.