劉有志 霍洪升 朱桂霖

摘?要：隨著當(dāng)前我國(guó)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)力和自動(dòng)化技術(shù)水平的進(jìn)一步提高，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)依舊普遍存在許多有關(guān)處理易燃、易爆炸物品的高危作業(yè)項(xiàng)目和重體力的工作職位，因此多自由度機(jī)械手的研發(fā)迫在眉睫，本文設(shè)計(jì)的多自由度機(jī)械手主要包括了機(jī)械手部結(jié)構(gòu)、操縱器機(jī)械結(jié)構(gòu)與自動(dòng)控制機(jī)械系統(tǒng)，通過PLC來控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)與液壓缸的伸縮與舒張從而進(jìn)行物料的夾緊與放松。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手;PLC;液壓

引言

現(xiàn)如今世界各國(guó)的機(jī)器人市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)很激烈，我國(guó)要在這個(gè)激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地，就必然需要擁有屬于我國(guó)自己的機(jī)器人技術(shù)，未來全球高科技市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)更重要的必然是機(jī)器人人才的競(jìng)爭(zhēng)。機(jī)械手因可以模仿人手和手臂的一些基本動(dòng)作，按照一個(gè)固定的運(yùn)動(dòng)程序表來對(duì)特定物體進(jìn)行精確捕捉和自動(dòng)抓取。它不僅僅可用來代替工人的日常生產(chǎn)管理勞動(dòng)，也可以在有害的工作環(huán)境下有效保護(hù)操作人員的人身安全，因而被廣泛地應(yīng)用推廣到了工業(yè)機(jī)械制造、電子、原子能等各個(gè)部門。

1.機(jī)械手結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的多自由度機(jī)械手，采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)底座旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)總體的旋轉(zhuǎn)，并且電機(jī)的齒輪盤與底座的齒輪盤直接咬合，齒數(shù)比為傳動(dòng)比，起到了降速増扭的作用并且去掉了單獨(dú)的減速器。通過液壓缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的升降與伸縮，手爪結(jié)構(gòu)采用了蝸輪蝸桿連接，通過蝸桿旋轉(zhuǎn)來帶動(dòng)渦輪的旋轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手爪的張合與夾緊。因此可以實(shí)現(xiàn)30Kg目標(biāo)抓取工作，通過圓柱座標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度、回轉(zhuǎn)范圍在0到180°和加持角60°的工作狀態(tài)。

1.1手部和臂部設(shè)計(jì)

1.1.1手部設(shè)計(jì)

機(jī)械手的作用手部工作是最重要的機(jī)械操縱手和執(zhí)行機(jī)械部件，是專門的人用來負(fù)責(zé)操縱和執(zhí)行握持各個(gè)機(jī)械工件，本文采用機(jī)械夾持型手部結(jié)構(gòu)圖如1.2所示，可以實(shí)現(xiàn)手抓張合角60°，夾取重量為30Kg的工件，通過夾緊力公式，其中式中：式中：——安全系數(shù)，通常1.2～2.0（本文取1.5）;

——工作情況系數(shù)（其中a是重力在改方向的最大上升加速度?本文的根據(jù)最大速度和響應(yīng)時(shí)間確定出，a速度為0.2），——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇（本文選擇0.5）。

1.1.2臂部設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的手臂的動(dòng)作應(yīng)包括3個(gè)動(dòng)作：伸縮，旋轉(zhuǎn)和抬起，所以手臂必須保持具有3個(gè)自由度，這樣才可以滿足一個(gè)基本的要求，即伸縮臂和左右回復(fù)旋轉(zhuǎn)及舉升等運(yùn)動(dòng)故本文采用的是雙軸液壓活塞結(jié)構(gòu)，而本文采用的手臂驅(qū)動(dòng)力是液壓驅(qū)動(dòng)，為保證手臂的工作要求，選擇了雙作用導(dǎo)軌伸縮機(jī)構(gòu)。液壓缸采用雙作用液壓缸。液壓驅(qū)動(dòng)力是驅(qū)動(dòng)臂部運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵，其影響驅(qū)動(dòng)力F因素包括克服的摩擦力和慣性和回轉(zhuǎn)力等，綜合考慮后通過公式：得出1807N。

1.2電機(jī)的選擇

步進(jìn)電機(jī)是驅(qū)動(dòng)機(jī)身旋轉(zhuǎn)并驅(qū)動(dòng)動(dòng)臂提升，其安裝在肋骨上，根據(jù)上升速度V=100mm/s，P=1.1KW，所以選擇大于n=1000轉(zhuǎn)/分的電機(jī)。所以選擇屬于籠型異步電動(dòng)機(jī)的Y90S-4電動(dòng)機(jī)。

1.3液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械手臂工作腔室的運(yùn)轉(zhuǎn)速度及其工作腔室依靠油的流量及壓力決定。因此，只要通過控制油輪的流量和壓力，就已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)了控制各個(gè)機(jī)械手臂動(dòng)臂組織的運(yùn)行速度及其操作能力。液壓通常是在5- 140kg / cm 之間的值，并且動(dòng)臂內(nèi)部最大力矩也可以達(dá)到160公斤左右其液壓圖如圖1所示：

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手采用的為s7-200小型可編程程序控制器，并采用西門子PLC進(jìn)行I/O分配編程，通過手臂伺服放大器將上位機(jī)信號(hào)中轉(zhuǎn)給伺服閥與伸縮缸并且進(jìn)行了反饋控制。

3 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的多自由度機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)夾持角為60°并將工作半徑為180重量為30kg左右的工件從一條生產(chǎn)線上搬運(yùn)到另外一條生產(chǎn)線的工作過程，設(shè)計(jì)安全可靠，可以實(shí)現(xiàn)物料的搬運(yùn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹弋，朱興明，張華，鞠勇，曹源.機(jī)械手實(shí)現(xiàn)3D打印復(fù)雜移動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)（工程技術(shù)版），2019，19（01）：40-44.

[2]孫秀茹，鄧豐山.基于氣壓傳動(dòng)的搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)研究[J].液壓氣動(dòng)與密封，2019，39（04）：38-43.

[2]賈晨光.PC構(gòu)件鋼筋網(wǎng)片自動(dòng)彎曲成型系統(tǒng)[J].建筑機(jī)械化，2019，40（09）：23-26.

[3]孟超.一種新型多自由度高枝修剪機(jī)械手設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2020，41（03）：67-73.

[4]鄢強(qiáng)，吳亮，宋慧瑾，吳燕，冉強(qiáng)林.五自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)及電氣控制設(shè)計(jì)[J].成都大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，39（03）：304-309.