液壓式四自由度機械手設計研究

葉青青

（天門職業學院，湖北 天門431700）

1 概述

機械手是以人手動作為標準，讓其能夠按照設定的程序依次完成相應的抓取、搬運以及操作自動化設備等工作。在現代社會中機械手獲得了非常廣泛的應用，可以成功替代人力勞動，提高生產線自動化程度與生產效率，同時也能夠通過機械手極大的降低工人的勞動強度，提高勞動人員的工作安全性，機械手發揮了越來越大的作用。此外，針對一些有毒、粉塵與放射性等對人體危害巨大的作業，機械手表現出了更大的功效，可以在各種惡劣環境中出色完成任務。現階段機械手已經充分融入到機械制造、物流行業以及汽車行業中，并逐步滲入到熱處理、機械裝配工作中。機械手的動作離不開動力單元，目前常用的執行系統有液壓式、氣動式以及電機驅動，而液壓式驅動由于其具有較大的扭矩、較高的工作效率、較寬泛的工作速度調節范圍等優勢，在重型自動化系統中獲得了廣泛的運用。

2 機械手總體設計方案

本文設計的機械手主要工作職責是將一處的貨物搬運到另一處指定位置，為了能夠順利實現貨物的轉運，總共包含了四個自由度，分別是機械手手腕垂直旋轉、機械手手臂伸縮、機械手基座水平旋轉、機械手基座上下運動，使用圓柱形坐標形式，并設定動力驅動方式為液壓驅動[1]。如圖1 所示為機械手設計機構示意圖，其具體動作順序為：系統在檢測到工位上有部件時，向機械手發送工作指令，機械手基座向下運動到指定位置，同時基座逆時針方向水平旋轉180°，之后打開機械手夾臂，機械手手臂逆時針旋轉90°并向前移動，夾持貨物后機械手臂縮回，機械手基座開始上升，同時基座順時針方向水平旋轉180°，機械手臂順時針方向旋轉90°，到達指定位置后，機械手臂前移，將貨物放置到指定位置后打開夾臂，完成以后機械手復位到初始位置，進行下一個物體的搬運。

圖1 機械手設計機構示意圖

3 機械手機械系統設計

為了確保設計的液壓式四自由度機械手具有良好的靈活性以及適用性，在進行結構設計時以圓柱坐標系為基礎[2]。機械手總體包含了四個自由度，分別是機械手手腕垂直旋轉、機械手手臂伸縮、機械手基座水平旋轉、機械手基座上下運動，每個動作之間互不干涉、相互獨立，確保運算與控制程序更加簡潔。在這四個自由度中，機械手夾臂伸縮以及基座上下運動屬于往復線性運動，因此采用雙作用單活塞油缸來驅動，而機械手手腕垂直旋轉、基座水平旋轉屬于旋轉運動，因此采用內曲線徑向馬達來驅動[3]。如圖2 所示為四自由度機械手動作原理圖。

圖2 四自由度機械手動作原理圖

機械手夾持部分包含了夾指、連桿、連桿固定座、楔塊、彈簧以及液壓缸等部件構成。當機械手動作時，液壓油從泵站進入到液壓缸缸尾中，促使液壓缸柱塞桿向前運動，推動連桿圍繞銷軸進行旋轉，機械手兩夾指向內運動，進而夾緊貨物。當進行反向供油時，液壓缸缸頭部位進油，柱塞桿向內運動，楔塊在彈簧作用下恢復到初始位置，機械手兩夾指也在彈簧作用下向外運動，進而松開貨物。

機械手夾持貨物重量較大，導致機械手手腕以及夾臂均需要承受較大的力，特別是當夾臂向前伸縮時，隨著距離的加大力臂也同步升高，這種情況下夾臂本身無法承受貨物的重量，于此同時油缸活塞桿只能承受軸向力，當承受徑向力時極易造成活塞桿以及密封件損壞，造成油缸漏油、活塞桿變形等問題[4]。為此，需要在夾臂伸縮運動機構中增加承重軸，既起到導向的作用，也起到承受重量的作用。

為了確保活塞桿工作中不會受到外物、灰塵等污染，在機械手外側增加一個防護罩，對油缸進行保護的同時也增加了結構的美觀度。

4 機械手控制系統設計

本文設計的四自由度機械手動力驅動為液壓系統，并結合PLC 控制程序進行液壓油供油控制，如圖3 所示為機械手液壓系統示意圖。

選取FX2M-58NP-023 為PLC 控制系統的中心，機械手的工作任務是將A 處的貨物搬運到B 處，則機械手操作面板需要設置手臂正轉與反轉、手腕正轉與反轉、基座上升與下降、夾臂前伸與后移、機械手夾緊與打開、啟動與停止、電源指示燈以及急停按鈕14 個按鈕，同時工作方式包含了手動操作與自動操作兩種[5]。同時為了確保控制系統故障、急停狀態下不會對機械手結構部位產生損壞，增加了交流接觸器KM。

圖3 機械手液壓系統示意圖

5 結論

機械手在現代生產制造中發揮了越來越重要的作用，液壓式機械手憑借著夾持力大、工作效率較高等優勢被許多行業領域所青睞，在進行液壓式四自由度機械手設計時，要分別從系統設計與控制設計兩部分進行，保證機械手動作運行的平穩性與安全性。