張進才

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

【關(guān)鍵詞】機械手；液壓；電氣

1.機械手機械本體設(shè)計

采用了四桿鉸鏈機構(gòu)，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(qū)動，以實現(xiàn)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(zhuǎn)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(tǒng)開始工作，旋轉(zhuǎn)液壓缸和伸出液壓缸迅速定位到達工件上方，絲杠旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)上升，旋轉(zhuǎn)液壓缸開始旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(chǎn)應用中安全可靠生產(chǎn)是必須考慮的一個因素，應力分析與位移分析是對整個結(jié)構(gòu)中主要受力部分進行安全系數(shù)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(zhì)是鋁合金，最后分析安全系數(shù)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(guān)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(gòu)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(wěn)定。

3.液壓回路的設(shè)計

液壓機械手的回路（見圖2）設(shè)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(zhuǎn)4個動作，分別由3個直動式油缸和1個回轉(zhuǎn)油缸組成。在液壓回路設(shè)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(diào)節(jié)節(jié)流閥的節(jié)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(xiàn)自動控制，可以通過PLC來控制換向閥就可以實現(xiàn)自動換向。此外，液壓回路可以適應任何惡劣環(huán)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(tǒng)的主要組成

PLC 液壓機械手整個系統(tǒng)主要包括嵌入式微機、端口驅(qū)動模塊、位置傳感器、壓力傳感器、執(zhí)行機構(gòu)。其中的執(zhí)行機構(gòu)屬于機械手非常重要的組成部分，同時也是機械手內(nèi)部的主體部分，其中主要包括手腕、手臂以及行走機構(gòu)等部分。驅(qū)動屬于執(zhí)行機構(gòu)運行重要的傳動裝置，經(jīng)常使用的包括液壓、氣壓、電力以及機械傳動。控制系統(tǒng)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(guī)定的運行程序等，并存儲相應的指令信息，按照控制系統(tǒng)具體的內(nèi)部信息完成指令的分配，在一定條件下還能實現(xiàn)對整個機械手具有的監(jiān)視作用。

以下主要分析在輪胎自動化生產(chǎn)線中的具體控制。在初始的狀態(tài)下，閉合整個機械手系統(tǒng)，并處于上線轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，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(guān)發(fā)生斷開時，下降交流內(nèi)部的接觸器將會斷電，最后使電機的轉(zhuǎn)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(nèi)部的全張油缸使用的開關(guān)在完成閉合以后，機械手上升交流內(nèi)部的接觸器被接通，從而使電動機開始發(fā)轉(zhuǎn)，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(nèi)部具體的開關(guān)閉合位置過程中，機械手內(nèi)部上升交流所在的基接觸器發(fā)生斷電，從而使電動機的轉(zhuǎn)動最終停止，同時等待來自于主控系統(tǒng)發(fā)送的主圖命令，并將會啟動整個液壓系統(tǒng)完成轉(zhuǎn)入。由于當機械手開始轉(zhuǎn)動時，半徑部分出現(xiàn)了相互重疊的情況，因此，每次都會支持一只機械手完成轉(zhuǎn)入動作。如果機械手全部完成了最終的轉(zhuǎn)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(guān)完全接通以后，需要接通機械手內(nèi)部的電磁閥，使氣壓系統(tǒng)內(nèi)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(nèi)部閉合閥具有的壓力開關(guān)實現(xiàn)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(zhuǎn)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(jié)語

本文對工業(yè)機械手的結(jié)構(gòu)和控制進行了設(shè)計。液壓技術(shù)在該機械手中的應用，使設(shè)備更容易實現(xiàn)自動控制和過載保護，整體結(jié)構(gòu)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(wěn)定和便于控制。

參考文獻

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