基于FESTO實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的機(jī)械手液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

彭先麗 李紅宇 王 偉

（昆明鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650208）

0 引言

液壓搬運(yùn)機(jī)械手是一種可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)和操作的機(jī)械裝置。機(jī)械手能按照給定的工藝要求完成各種復(fù)雜的動(dòng)作。機(jī)械手在一定程度上能取代人的操作，可以節(jié)約用工成本，還可以在一定程度上提高生產(chǎn)效率，從而加快機(jī)械化和自動(dòng)化的進(jìn)程。隨著科技的發(fā)展，機(jī)械手在現(xiàn)代制造業(yè)中的作用越來越明顯，已成為現(xiàn)代制造業(yè)中很重要的一部分，但在實(shí)際應(yīng)用中，普通的機(jī)械手沒有傳感器反饋能力和自動(dòng)調(diào)節(jié)能力，很難檢測(cè)外界環(huán)境或工件位置的變化情況，導(dǎo)致機(jī)械手出現(xiàn)損壞的現(xiàn)象。而且，在實(shí)際應(yīng)用中通常以氣動(dòng)機(jī)械手為主，由于氣壓傳動(dòng)輸出的力相對(duì)較小，因此氣動(dòng)機(jī)械手只能在輸出負(fù)載小的場(chǎng)合中應(yīng)用。

基于上述原因，該文設(shè)計(jì)了基于液壓控制的機(jī)械手系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能提起、移動(dòng)以及放下物體，而且輸出力較大，該液壓系統(tǒng)能代替人的繁重勞動(dòng)，達(dá)到生產(chǎn)自動(dòng)化和機(jī)械化的目標(biāo)。通過該機(jī)械手液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真分析及試驗(yàn)運(yùn)行調(diào)試可知，機(jī)械手液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基本達(dá)到自動(dòng)抓取、搬運(yùn)和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等性能要求。

1 機(jī)械手液壓控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該機(jī)械手液壓系統(tǒng)能控制機(jī)械手手臂做出上升、下降、伸出、縮回、回轉(zhuǎn)以及手指松開、夾緊等動(dòng)作，整個(gè)控制系統(tǒng)主要包括液壓系統(tǒng)回路、電氣控制回路、各種傳感器以及行程開關(guān)等，該文在設(shè)計(jì)中采用多個(gè)傳感器和行程開關(guān)對(duì)機(jī)械手在運(yùn)行過程中的位置進(jìn)行監(jiān)控。

1.1 機(jī)械手液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理分析

該文設(shè)計(jì)的機(jī)械手采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，具體原理如圖1所示，采用液壓缸來完成機(jī)械手手臂收縮、手指夾緊、手臂升降和手臂回轉(zhuǎn)等動(dòng)作。根據(jù)工況要求，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)要具有機(jī)械手手臂升降、伸縮、回轉(zhuǎn)和手指松夾等功能。執(zhí)行部件的機(jī)械部分由手臂的升降機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及手指松夾機(jī)構(gòu)等組成，每個(gè)運(yùn)動(dòng)部分都由液壓缸來驅(qū)動(dòng)與控制。機(jī)械手的動(dòng)作循環(huán)過程如下：手臂上升→手臂前伸→手指夾緊（抓料）→手臂回轉(zhuǎn)→手臂下降→手臂松開（卸料）→手臂縮回→手臂反轉(zhuǎn)（復(fù)位）→原位停止。

在機(jī)械手液壓系統(tǒng)中，各功能液壓缸的組成如下：1）手臂回轉(zhuǎn)。單葉片擺動(dòng)缸（該文用液壓馬達(dá)來模擬其動(dòng)作過程）。2） 手臂升降。單桿活塞式液壓缸。3） 手臂伸縮。單桿活塞式液壓缸。4） 手指松夾。無桿的活塞缸（該文用單桿活塞缸來模擬其動(dòng)作過程）。

設(shè)計(jì)說明：在該設(shè)計(jì)中，用液壓缸5來模擬手指的松夾動(dòng)作，用液壓馬達(dá)18來模擬機(jī)械手的回轉(zhuǎn)動(dòng)作。

在整個(gè)液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，涉及許多液壓元件，包括方向控制閥、壓力控制閥、流量控制閥、各種傳感器以及行程開關(guān)等。具體的元件如圖1所示。

1.2 機(jī)械手液壓系統(tǒng)的電磁鐵動(dòng)作順序表

為了保證機(jī)械手能按預(yù)設(shè)的規(guī)定動(dòng)作過程運(yùn)行，控制各個(gè)液壓缸的電磁閥之間要按一定的先后順序依次動(dòng)作，分析機(jī)械手的動(dòng)作循環(huán)過程可以得到機(jī)械手電磁鐵動(dòng)作順序，見表1。

表1 機(jī)械手的電磁鐵動(dòng)作順序表

1.3 機(jī)械手液壓系統(tǒng)的工作原理

結(jié)合圖1和表1對(duì)機(jī)械手液壓系統(tǒng)中手臂的各部分動(dòng)作過程進(jìn)行分析。

圖1 搬運(yùn)機(jī)械手液壓原理圖

機(jī)械手手臂的上升過程由三位四通電磁換向閥控制，當(dāng)5YA得電時(shí)，三位四通電磁換向閥的右位工作，單桿活塞式液壓缸的活塞上升，進(jìn)而使手臂做上升動(dòng)作。油路的具體連接如下：1） 進(jìn)油路。液壓源→濾油器→單向閥→電磁換向閥（右位）→調(diào)速閥→順序閥→單桿活塞式液壓缸（下腔） 。2）回油路。單桿活塞式液壓缸（上腔）→調(diào)速閥→電磁換向閥（右位）→油箱。單桿活塞式液壓缸的活塞上升速度由單向調(diào)速閥調(diào)節(jié)，運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)。

機(jī)械手手臂的伸縮過程由三位四通電磁換向閥控制，當(dāng)3YA得電時(shí)，三位四通電磁換向閥的右位工作，單桿活塞式液壓缸向右移動(dòng)，使手臂前伸。油路的具體連接如下：1） 進(jìn)油路。 液壓源→濾油器→單向閥→電磁換向閥（右位）→單桿活塞式液壓缸（左腔）→液壓缸向右移。2） 回油路。單桿活塞式液壓（右腔）→調(diào)速閥→電磁換向閥（右位）→油箱。

同時(shí)，1YA得電，二位四通電磁換向閥的右位工作，完成機(jī)械手手臂的手指松開的動(dòng)作，油路的具體連接如下：1）進(jìn)油路。 液壓源→濾油器→單向閥→電磁換向閥（右位）→單桿活塞式液壓缸（左腔） →液壓缸向下移。2） 回油路。液壓缸（下腔）→電磁換向閥（右位）→油箱。

手指的夾緊過程如下：1YA 失電→電磁換向閥（左位）→活塞上移→手指夾緊。

機(jī)械手手臂的回轉(zhuǎn)過程由三位四通電磁換向閥控制，當(dāng)6YA得電時(shí)，三位四通電磁換向閥的右位工作，液壓馬達(dá)按逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，完成手臂回轉(zhuǎn)的動(dòng)作，油路的具體連接如下：1） 進(jìn)油路。 液壓源→濾油器→單向閥→電磁換向閥（右位）→液壓馬達(dá)（左腔）→手臂回轉(zhuǎn)。2） 回油路。液壓馬達(dá)（右位）→電磁換向閥（右位）→油箱。

機(jī)械手手臂的下降過程由三位四通電磁換向閥控制，當(dāng)4YA得電時(shí)，三位四通電磁換向閥的左位工作，同時(shí)6YA也處于得電狀態(tài)，液壓缸向下移動(dòng)，完成手臂下降的動(dòng)作，油路的具體連接如下：1） 進(jìn)油路。液壓源→濾油器→單向閥→電磁換向閥（左位）→單向調(diào)速閥→液壓缸（上腔）→手臂下降。2） 回油路。液壓缸（下腔）→單向順序閥→單向調(diào)速閥→電磁換向閥（左位）→油箱。

手指松開的過程如下：1YA 失電→電磁換向閥（右位）→活塞下移→手指松開 。同時(shí)，6YA 得電→電磁換向閥（右位）→手臂回轉(zhuǎn)。

機(jī)械手手臂的伸縮過程由三位四通電磁換向閥控制，當(dāng)2YA得電時(shí)，三位四通電磁換向閥的左位工作，液壓缸向左移動(dòng)，使手臂回縮，油路的具體連接如下：1） 進(jìn)油路。液壓源→濾油器→單向閥→電磁換向閥（左位）→調(diào)速閥→液壓缸（右腔）→液壓缸向左移。2） 回油路。單桿活塞式液壓（左腔）→電磁換向閥（左位）→油箱。同時(shí)，6YA也處于得電狀態(tài)，手臂仍處于回轉(zhuǎn)狀態(tài)。

當(dāng)6YA失電時(shí)，三位四通電磁換向閥的左位工作，液壓馬達(dá)按順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使手臂做反轉(zhuǎn)動(dòng)作。

當(dāng)7YA得電時(shí)，液壓動(dòng)力源中的液壓泵經(jīng)先導(dǎo)式溢流閥實(shí)現(xiàn)卸荷。

2 機(jī)械手液壓系統(tǒng)電氣回路的設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)械手液壓系統(tǒng)的電磁閥動(dòng)作順序設(shè)計(jì)機(jī)械手電氣控制回路原理圖。搬運(yùn)機(jī)械手電氣回路圖如圖2所示。液壓機(jī)械手電氣控制部分主要采用按鈕、繼電器、行程開關(guān)、電磁閥線圈及傳感器對(duì)機(jī)械手動(dòng)作過程進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。

圖2 搬運(yùn)機(jī)械手電氣回路圖

機(jī)械手液壓系統(tǒng)電氣回路的控制原理如下：1） 手臂上升。5YA（+）。按下啟動(dòng)按鈕SB，中間繼電器KA得電，其常開觸點(diǎn)閉合，在初始位置的SQ行程開關(guān)被壓下去，電磁鐵5YA得電，使手臂做上升動(dòng)作。2） 手臂前伸。1YA（+）、3YA（+）。當(dāng)手臂上升到一定位置時(shí)，會(huì)觸碰行程開關(guān)SQ，使電磁鐵1YA和3YA得電。同時(shí)，中間繼電器KA得電，其常閉觸點(diǎn)斷開，使電磁鐵5YA失電，從而完成手臂前伸和手指松開的動(dòng)作。3）手指夾緊。1YA（-）。當(dāng)手臂前伸到一定位置時(shí)，觸碰行程開關(guān)SQ，使中間繼電器KA和KA得電。KA、KA常閉觸點(diǎn)斷開，分別使電磁鐵1YA、3YA失電，使手指夾緊。 4）手臂回轉(zhuǎn)。6YA（+）。當(dāng)KA常開觸點(diǎn)閉合、傳感器B感應(yīng)到手指夾緊時(shí)，繼電器KA得電，其常開觸點(diǎn)閉合，電磁鐵6YA和繼電器KA得電，使手臂做回轉(zhuǎn)動(dòng)作。5）手臂下降。4YA（+）、6YA（+）。當(dāng)KA常開觸點(diǎn)閉合時(shí)，使電磁鐵4YA得電，使手臂做下降動(dòng)作。6）手指松開。1YA（+）、6YA（+）。當(dāng)手臂下降到一定位置時(shí)，會(huì)觸碰行程開關(guān)SQ，使中間繼電器KA得電，其常閉觸點(diǎn)斷開，使電磁鐵4YA和中間繼電器KA3失電，KA觸點(diǎn)復(fù)位，其常開觸點(diǎn)閉合，使電磁鐵1YA再次得電，從而完成手指松開的動(dòng)作。7）手臂縮回。2YA（+）、6YA（+）。當(dāng)KA常開觸點(diǎn)閉合、傳感器B1感應(yīng)到手指松開時(shí)，中間繼電器KA得電，其常開觸點(diǎn)閉合，使電磁鐵2YA和中間繼電器KA得電。KA常閉觸點(diǎn)斷開，使電磁鐵1YA失電，從而完成手臂縮回的動(dòng)作。8）手臂反轉(zhuǎn)。6YA（-）。當(dāng)手臂縮回到一定位置時(shí)，觸碰行程開關(guān)SQ，KA常開觸點(diǎn)閉合，使中間繼電器KA得電，其常閉觸點(diǎn)斷開，電磁鐵6YA失電，使做手臂反轉(zhuǎn)動(dòng)作。9）原位停止。7YA（+）。按下按鈕SB，中間繼電器KA得電，其常開觸點(diǎn)閉合，回路自鎖，另一觸點(diǎn)使電磁鐵7YA得電，使機(jī)械手原位停止。10）停止。按下停止按鈕SB，中間繼電器KA失電，其觸點(diǎn)復(fù)位，整個(gè)電氣控制回路失電，機(jī)械手動(dòng)作完一次工作后停止。

3 搬運(yùn)機(jī)械手液壓系統(tǒng)的仿真

根據(jù)動(dòng)作要求在仿真軟件上繪制搬運(yùn)機(jī)械手液壓回路圖和電氣控制圖，并用FluidSIM-H液壓仿真軟件對(duì)其進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果顯示，該文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手液壓系統(tǒng)能滿足機(jī)械手的手臂動(dòng)作要求，并按其動(dòng)作順序進(jìn)行連續(xù)動(dòng)作。該文僅以機(jī)械手手臂的回轉(zhuǎn)動(dòng)作為例來驗(yàn)證其仿真過程，機(jī)械手手臂回轉(zhuǎn)過程的仿真如圖3所示。當(dāng)按下SB時(shí)，繼電器KA得電，其常開觸點(diǎn)閉合，同時(shí)觸碰到SQ行程開關(guān)，電磁閥線圈5YA得電，電磁換向閥的右位工作，液壓缸活塞前伸，手臂上升。當(dāng)手臂上升到一定位置時(shí)，壓下行程開關(guān)SQ，使電磁閥線圈1YA和3YA得電，電磁閥4和電磁閥9的右位工作，液壓缸5活塞下降，手指松開；液壓缸11活塞前伸，手臂前伸。同時(shí)，中間繼電器KA得電，其常閉觸點(diǎn)斷開，使電磁鐵5YA斷開，電磁閥16為常態(tài)位工作。當(dāng)手臂前伸到一定位置，觸碰到行程開關(guān)SQ，使繼電器KA和KA得電。KA、KA常閉觸點(diǎn)斷開，分別使電磁閥線圈1YA、3YA失電，電磁閥4和電磁閥9為常態(tài)位工作，液壓缸5活塞上升，手指夾緊。當(dāng)KA常開觸點(diǎn)閉合、傳感器B感應(yīng)到手指夾緊時(shí)，中間繼電器KA得電，其常開觸點(diǎn)閉合，使電磁閥線圈6YA得電，電磁閥17的右位工作。當(dāng)液壓缸伸出時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)的動(dòng)作。

圖3 手臂回轉(zhuǎn)的仿真圖

4 搬運(yùn)機(jī)械手液壓系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試及結(jié)果分析

首先，在FESTO液壓試驗(yàn)臺(tái)上根據(jù)仿真后的液壓系統(tǒng)圖或元件明細(xì)表選取并安裝固定元件。其次，根據(jù)機(jī)械手液壓系統(tǒng)圖安裝各元器件并緊固，連接時(shí)按進(jìn)油路和回油路進(jìn)行連接，連接時(shí)要仔細(xì)，不能出現(xiàn)漏接或錯(cuò)接現(xiàn)象。最后，根據(jù)機(jī)械手液壓系統(tǒng)的電氣控制線路圖完成電路連接工作，最終完成機(jī)械手液壓系統(tǒng)回路的組裝過程，如圖4所示。連接無誤后再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試并運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該文設(shè)計(jì)的機(jī)械手液壓系統(tǒng)能在Festo液壓實(shí)訓(xùn)裝置上模擬其動(dòng)作過程，基本達(dá)到設(shè)計(jì)的目的及要求。最終，機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)手臂上升、手臂前伸、手指夾緊（抓料）、手臂回轉(zhuǎn)、手臂下降、手臂松開（卸料）、手臂縮回、手臂反轉(zhuǎn)（復(fù)位）以及原位停止（卸荷）多個(gè)動(dòng)作過程（并能循環(huán)工作）。

圖4 搬運(yùn)機(jī)械手液壓系統(tǒng)回路的組裝與調(diào)試

5 機(jī)械手液壓系統(tǒng)特點(diǎn)分析

機(jī)械手液壓系統(tǒng)特點(diǎn)如下：1） 機(jī)械手液壓系統(tǒng)的控制采用電磁閥換向，并與電氣控制相結(jié)合，具有操作方便、靈活以及自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。2） 采用雙作用的單桿活塞式液壓缸驅(qū)動(dòng)手臂伸縮和升降，手臂升降和伸縮的速度分別由單向調(diào)速閥10、單向調(diào)速閥12以及單向調(diào)速閥13控制，并采用回油路節(jié)流調(diào)速方式，其運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好。手臂的回轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)過程由單葉片擺動(dòng)液壓缸驅(qū)動(dòng)。3） 采用立式液壓缸來控制手臂的升降，為支承運(yùn)動(dòng)部件的自重，回路中采用單向順序閥14的平衡回路，可以有效防止手臂自行下滑或超速。 4） 為了使手指夾緊缸在夾緊工件后不受系統(tǒng)壓力波動(dòng)的影響，并保證能夾緊工件，回路中采用失電夾緊對(duì)其進(jìn)行控制，更加安全、可靠。5） 與其他驅(qū)動(dòng)方式相比，液壓機(jī)械手的控制具有傳遞動(dòng)力大、傳動(dòng)平穩(wěn)性高等優(yōu)點(diǎn)。

6 結(jié)論

在工業(yè)生產(chǎn)中，液壓搬運(yùn)機(jī)械手被廣泛地應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)。該文對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先，分析液壓機(jī)械手要達(dá)到的目的，并對(duì)手指夾緊、手臂伸縮、手臂升降以及手臂回轉(zhuǎn)等動(dòng)作過程進(jìn)行分析。其次，對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手的液壓系統(tǒng)圖和電氣控制回路圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，并用液壓仿真軟件Fluid SIM-H對(duì)其進(jìn)行仿真分析。最后，在FESTO實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)其進(jìn)行模擬運(yùn)行調(diào)試，調(diào)試結(jié)果表明，該機(jī)械手液壓系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)手臂上升、手臂前伸、手指夾緊（抓料）、手臂回轉(zhuǎn)、手臂下降、手臂松開（卸料）、手臂縮回、手臂反轉(zhuǎn)（復(fù)位）以及原位停止（卸荷）多個(gè)動(dòng)作過程。