陳志雄

(湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 孝感 432000)

自動(dòng)上下料機(jī)械手臂設(shè)計(jì)

陳志雄

(湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 孝感 432000)

目前，我國(guó)的制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來越多的資金流向制造業(yè)，越來越多的廠商加入到制造業(yè)。本機(jī)械手主要與數(shù)控銑床組合最終形成生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)加工過程（上料、加工、下料）的自動(dòng)化、無人化。本設(shè)計(jì)能夠應(yīng)用到加工工廠車間，滿足數(shù)控機(jī)床以及加工中心的加工過程安裝、卸載加工工件的要求，從而減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約加工輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。

上下料；機(jī)械手設(shè)計(jì)；自動(dòng)化

1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）總體設(shè)計(jì)。在本次設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)要求搬運(yùn)的加工工件的質(zhì)量達(dá)8kg，長(zhǎng)度達(dá)95mm，同時(shí)在工作中需要滿足3種運(yùn)動(dòng)需求，其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)為機(jī)身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。綜合考慮，機(jī)械手自由度數(shù)目取為3，坐標(biāo)形式選擇圓柱坐標(biāo)形式，即一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度兩個(gè)移動(dòng)自由度。文章針對(duì)機(jī)械手的腰部、手抓以及液壓系統(tǒng)這三個(gè)重要部分進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

（2）機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。工業(yè)機(jī)械手腰座是指圓柱坐標(biāo)機(jī)械手、球坐標(biāo)機(jī)器手及關(guān)節(jié)型機(jī)械手的回轉(zhuǎn)基座。腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)形式要么是電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，要么是通過擺動(dòng)液壓缸或液壓馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)。考慮到一般電機(jī)都不能直接驅(qū)動(dòng)，同時(shí)轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求比較多，為了降低成本，機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)這里也采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。腰座具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 腰座結(jié)構(gòu)圖

（3）機(jī)械手手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)械手末端執(zhí)行器俗稱機(jī)械手手爪，是安裝在機(jī)械手手腕上用來進(jìn)行某種操作或作業(yè)的附加裝置。楔塊杠桿式手爪、滑槽式手爪、連桿杠桿式手爪、齒輪齒條式手爪、平行杠桿式手爪。本次設(shè)計(jì)選擇的是齒輪齒條結(jié)構(gòu)手爪。即通過活塞桿的直線運(yùn)動(dòng)與齒輪式手指嚙合，轉(zhuǎn)化為手指的張合運(yùn)動(dòng)。

（4）機(jī)械手液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)在機(jī)械手中所起的作用是通過電——液轉(zhuǎn)換元件把控制信號(hào)進(jìn)行功率放大，對(duì)液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)進(jìn)行方向、位置、和速度的控制，進(jìn)而控制機(jī)械手手臂按給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律動(dòng)作。液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)多數(shù)情況下采用直線液壓缸或擺動(dòng)馬達(dá)，連續(xù)回轉(zhuǎn)的液壓馬達(dá)用得很少。在工業(yè)機(jī)器人中，中、小功率的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用節(jié)流調(diào)速的為多，大功率的用容積調(diào)速系統(tǒng)。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)特性好，但是效率低。容積調(diào)速系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)特性不如前者，但效率高。機(jī)器人液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括程序控制和伺服控制兩類。

能實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有很多，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)氣缸等。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)能實(shí)現(xiàn)精確控制，能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的機(jī)身擺動(dòng)，但控制比較困難，且容易受到外界的干擾。最主要的是筆者所設(shè)計(jì)的機(jī)械手都是用液壓系統(tǒng)，如果轉(zhuǎn)動(dòng)部分應(yīng)用電機(jī)，會(huì)增加成本，違背現(xiàn)代設(shè)計(jì)的原則。齒輪齒條驅(qū)動(dòng)也能實(shí)現(xiàn)機(jī)身的旋轉(zhuǎn)，但齒輪齒條也要有驅(qū)動(dòng)部分，如電機(jī)、馬達(dá)等，這也比較復(fù)雜。擺動(dòng)氣缸是氣壓元件，不適合本設(shè)計(jì)。而液壓馬達(dá)就相當(dāng)于擺動(dòng)液壓缸，能很好的實(shí)現(xiàn)機(jī)身的擺動(dòng)且有很強(qiáng)的動(dòng)

力，完全滿足本設(shè)計(jì)的要求，最主要的是與其他液壓元件共同一起實(shí)現(xiàn)一個(gè)整體，控制起來更加方便，大大節(jié)省了設(shè)計(jì)及制造成本，體現(xiàn)了科技進(jìn)步的要求。綜上所述，本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)身擺動(dòng)的元件選擇液壓馬達(dá)。具體到本設(shè)計(jì)，在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個(gè)因素。機(jī)械手腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要一定的載荷動(dòng)力，故采用液壓擺動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)；因?yàn)椴捎靡簤簣?zhí)行缸來做水平手臂和垂直手臂，故大小臂均采用液壓驅(qū)動(dòng)。而手爪的張開和夾緊通過液壓柱塞缸活塞與中間齒輪和扇形齒輪配合來實(shí)現(xiàn)，即手爪在柱塞缸推力作用下通過活塞桿端部齒條、中間齒輪及扇形齒輪使手指張開和閉合。

2 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體方案

機(jī)械手的總體框圖如圖2所示，通過傳感器收集的信號(hào)經(jīng)過放大處理傳入單片機(jī)中，連到各個(gè)事先設(shè)定好程序的引腳上，由單片機(jī)來控制電磁閥的開合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸伸縮的控制，或直接控制液壓馬達(dá)。

圖2 機(jī)械手的伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖

2.2 電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)的許多應(yīng)用都需要進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，鍵盤是解決計(jì)算機(jī)輸入的簡(jiǎn)單手段；借此可以向計(jì)算機(jī)輸入程序、置數(shù)、送達(dá)操作命令、控制程序的執(zhí)行等等，人機(jī)交互接口采用鍵盤方式，本系統(tǒng)中采用SPI串行通信接口分時(shí)復(fù)用方式擴(kuò)展鍵盤電路和顯示電路。

（1）顯示電路設(shè)計(jì)。顯示部分采用共陰LED數(shù)碼管，可對(duì)行程開關(guān)狀態(tài)、操作數(shù)等進(jìn)行顯示。顯示時(shí)采用串行口輸出段碼，用6個(gè)DPY7-SEGDP數(shù)碼管。應(yīng)用了型號(hào)為74HC138型號(hào)的譯碼器，可接受3位二進(jìn)制加權(quán)地址輸入。同時(shí)ULN2803型功率放大芯片為數(shù)碼管顯示電路提供了足夠的功率。

（2）復(fù)位電路設(shè)計(jì)。復(fù)位電路的振蕩啟動(dòng)定時(shí)器OST作用或輸入為低時(shí)，單片機(jī)將保持復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位時(shí)，單片機(jī)狀態(tài)被設(shè)定如下：振蕩器工作或啟動(dòng)，包括電源上升啟動(dòng)或睡眠啟動(dòng)；I/O控制寄存器設(shè)定為全“1”，使所有的I/O引腳處于高阻狀態(tài)（即輸入態(tài)）；程序計(jì)數(shù)器PC設(shè)為全“1”；狀態(tài)寄存器F3的程序頁面選擇位（最高2位）清零。

（3）晶體震蕩電路設(shè)計(jì)。石英晶體震蕩的三個(gè)端口分別與PIC單片機(jī)的引腳OSC1/CLKIN、OSC2/CLKOUT以及運(yùn)動(dòng)控制芯片LM629N的CLK引腳相接。在單片機(jī)采用石英晶體振蕩器時(shí)，所采用的電容器和產(chǎn)生的頻率有所不同。電容值取大有利于震蕩的穩(wěn)定，但卻會(huì)延長(zhǎng)起振時(shí)間。文章選用高速（HS）振蕩器，頻率為8MHz，故PIC的指令周期為0.5，相應(yīng)電容選擇30PF。OSC1為單片機(jī)的振蕩信號(hào)輸入端，這個(gè)端用于外部震蕩信號(hào)輸入。

3 結(jié)語

文章所設(shè)計(jì)的是一個(gè)三自由度機(jī)械手，主要就是通過馬達(dá)帶動(dòng)機(jī)身的擺動(dòng)和液壓缸實(shí)現(xiàn)機(jī)身的起降以及液壓缸驅(qū)動(dòng)手臂伸縮。本次設(shè)計(jì)在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，將機(jī)械手系統(tǒng)中相對(duì)獨(dú)立的環(huán)節(jié)采用高性價(jià)比且相對(duì)簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)形式和控制系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)，大量采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用元配件，從而使成本大為降低，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

Design of the Automatic up-down material M anipulator

CHEN Zhi-xiong
（Hubei Vocational and Technical College，Xiaogan，Hubei 432000，China）

At present，manufacturing industry in China is developing rapidly，more and more money are flowing into manufacturing，more and moremanufacturer take part inmanufacturing.The unmanned and automatic implementation process (feeding，processing，cutting)is realized bymainly combiningwith CNCmillingmachine to form a production line.This design can beapplied to the processing factoryworkshop，tomeet the needs in the processof installation and unloading ofmachining in processing centerand NCmachine，so as to reduce labor intensity，save processing auxiliary time,improve production efficiency and productivity.

up-downmaterial；manipulatordesign；automation

TP241

A

2095-980X(2016)08-0038-02

2016-07-14

陳志雄（1965-），男，湖北漢川人，大學(xué)本科，副教授，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、數(shù)控加工。