自动上下料通用机械手系统设计与研究

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机械手也被称为自动手，能模仿人手和臂的某些动作功能，按固定程序抓娶搬运物件或操作工具的自动操作装置。按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种，专用机械手结构形式比较简单，它-般只有固定程序，而无单独的控制系统，从属于某种机器或生产线用以自动传送物件来操作某-工具，适用于大批量生产自动线或专机作为自动上、下料用。随着工业技术的发展，设计出能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的程序控制通用机械手”，简称通用机械手，它具有可变程序和单独驱动的控制系统，按其定位和控制方式的不同，分为简易型和伺服型，简易型的只是点位控制，属于程序控制类型，伺服型是点位控制，也是连续轨钾制。由于通用机械手能很快改变工作程序，它在工件经常变换的中、小批量自动化生产中的应用越来越强。因此，结合我院高职学生的实验实训及就业特点(很多学生毕业后到沿海工作，工作岗位就在 自动生产线旁)，将自动上下料通用机械手”作为我院机电控制工程系与-家有限公司共同开发实验实训设备的新课题。

1 机械手的机械结构研究1.1 机械手的结构示意图本机械手的结构如图 1所示 ，其中A缸为抓鳃构的松紧缸， 缸活塞后退时抓紧工件， 缸活塞前进时松开工件；B缸为长臂伸缩缸；C缸为机械手升降缸；D缸为立柱回转缸，它为齿轮齿条缸，把活塞的直线运动改变为立柱的旋转运动，从而实现立柱的回转，本机械手亦可以根据需要加上行走机构，以便实现远距离操作。

图 1 机械手结构示意图1.2 机械手的机械结构设计由于本机械手手臂在上下料时具有升降、收缩及回转运动，因此，其坐标型式采用圆柱坐标型。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加-个手臂上下料摆动的自由度，示意图如图2所示。

手部结构设计：为了使通用性较强，手部设计可更收稿 日期：2013-06-06作者简介：徐丽春(1972-)，女，贵州遵义人，副教授，硕士，主要研究方向：自动控制、液压与气动、仪表检测。

液压与气动 2013年第8期换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手指来抓韧传送工件，当工件是板料时，使用气流负压式吸盘来传送工件。

横下摆动手左右摆动手腕下摆动图 2 机械 手的手指 、手腕、手臂的运动示意图手腕结构设计 ：考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件时水平放置，因此手腕必须有回转才满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转缸。

手臂结构设计 ：按照抓取工件的要求，手臂的回转和升降通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移，手臂的各种动作由相应油缸驱动结合可编程控制器编程来实现。

2 机械手的液压传动系统设计2.1 机械手的动作顺序本通用机械手的工作情况是原料区拿到工件后，手臂回转油缸横移-定的距离把工件给加工中心进行加工，加工工件的上表面或侧面，然后机械手再抓取工件旋转180。，再放入加工中心内加工工件的下表面，加工好后再放到成品区。具体动作顺序是：机械手手抓从原料区抓取物料后，机械手手臂前伸 - 定位油缸伸出-手指张开将工件放入加工中心- 手臂缩回-加工中心进行上表面的加工，加工好后-机械手手臂前伸 -手指夹料 -手腕回转 180。- 机械手手臂前伸 - 机械手手指松开 -加工中心加工工件的下表面，加工好后-机械手手臂前伸 -手指夹料 - 手臂上升 - 手臂缩回 - 立柱横移- 手臂前伸-手指松开将工件放入成品区- 手臂中停(大泵卸荷)-柱回移(回到起始位置)- 待料(-个循环结束)卸荷。

上述动作均由电控系统激发控制相应的电磁换向阀，按程序依次步进动作而实现。该电控系统的步进控制环节采用步进选线器，其步进动作是在每-步动作完成后，使行程开关的触点闭合或依据每-步动作的预设停留时间，由时间继电器动作而使步进器顺序跳步”控制电磁阀的电磁铁线圈通断电，使电磁铁按程序动作实现液压系统的自动控制。

2.2 机械手液压 系统原理 图介绍(如图 3所示)该系统选用功率 N 7.5 kW 的电动机，带动双联叶片泵YB-35/18，其公称压力为60×l0 Pa，流量B 藜 L 23D--63B B 壁酝臂～～ J -IB ～町掼誉 厂2013年第8期 液压与气动 85为 35 L/rain18 L/min53 L/min，系统压力调节为30×10 Pa，油箱容积选为250 L。手臂的升降油缸及伸缩油缸工作时两个油泵同时供油；手臂及手腕的回转和手指夹紧用的拉紧油缸以及手臂回转的定位油缸工作时只有小油泵供油，大泵 自动卸荷。

手臂伸缩、手臂升降、手臂回转、手臂横向移动和手腕回转油路采用单向调速阀(QI-63B、QI-25B、QI- 10B)回程节流，因而速度可调，工作平稳。

手臂升降油缸支路设置有单 向顺序 阀(xI-63B)、活塞、活塞杆及其手臂的自重所引起的油液压力作用可以在调整顺序阀的弹簧力作用下仍保持断路。手臂缩回即活塞要下降时，液压泵输出的压力油进入升降油缸上腔，顺序阀的压力增加使工作油路接通，活塞向下运动。手臂伸出即活塞要上升时，压力油液经单向阀进人升降油缸下腔而不会被顺序阀所阻，这样采用单向顺序阀克服手臂等 自重，以防下滑，性能稳定可靠。

手指夹紧油缸支路装有液控单向阀(IY-25B)，使手指夹紧工件时不受系统压力波动的影响，保证手指夹持工件牢靠。当反向进油时，油箱通过控制油路将单向阀芯顶开，使回油路接通，油液流回油箱。

在手臂回转后的定位所用的定位油缸支路要比系统压力低，为此在定位油缸支路前 串有减压阀(J-10)，使定位油缸获得适应压力为 15～18×10 Pa，同时还给电液动滑阀(或称电液换向阀，34DY-63B)来实现，空载卸荷不致使油温升高。系统的压力由溢流阀来调节。

此系统四个主压力油路的压力测量，是通过转换压力表开关(K-3 B)的位置来实现的，被测量的 4个主油路的压力值，分别从压力表(Y-60)上表示出来。

3 机械手可编程序控制器控制方案考虑到机械手的通用性，使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变 PLC程序 即可实现，非常方便快捷。

3.1 控制 系统的工作原理控制对象为圆柱坐标液压机械手，它的手臂具有四个自由度，即水平方向的伸、缩，竖直方向的上、下，绕竖直轴的顺时针方向旋转及逆时针方向旋转及手腕回转。另外，其末端执行装置--机械手，还可完成抓、放功能。以上均采用液压方式来驱动手臂的各动作。

手臂回转、手臂伸缩及手腕回转液压缸各用-个86 液压与气动 2013年第8期DOI：10·11832/j·issn·1000-4858·2013·08·023平地机静液压传动系统的匹配与仿真分析耿令新，张利娟，李雪飞Matching and Simulation to Hydraulic TransmissionSystem of Motor GraderGENG Ling-xin，ZHANG H-juan，LI Xue-fei(河南科技大学 车辆与动力工程学院。河南 洛阳 471003)摘 要：通过分析平地机静液压传动系统的组成LT-作原理，建立了反映系统性能与传动原件参数的数学模型，并基于MATLAB/Simulink软件对某型平地机进行了实际工况下的模拟仿真，结果表明静液压传动能够适应车辆的工作要求，仿真模型可用来快速准确分析静液压传动系统的匹配性能。

关键词：静液压传动；变量泵；变量马达；发动机；特性曲线中图分类号：TH137 文献标志码：B 文章编号：1000-4858(2013)08-0086-03引言静液压传动结构紧凑、易于布置并可实现无级变速，近年来在平地机上获得了广泛应用。图 1为采用静液压传动系统的平地机驱动系统动力传递示意图。

静液压传动装置由变量泵、变量马达、液压管道和液压阀组成，由发动机产生的机械能以转矩M 和转速∞ 通过输出轴、联轴器传递给变量泵的输入轴，由变量泵以-定的效率转化为液压油的压力能，液压油经由液压管道进人变量马达，推动马达转子旋转，液压油的压力能又转化为机械能，由变量马达轴输出到后桥，为驱动轮提供车辆行走所需的牵引力和速度。

与其他传动系统-样，静液压传动系统各元件的合理匹配对发动机燃料经济性和动力性的充分发挥以及整机工作性能都有很大的影响，因此，对该系统进行匹配研究具有重要意义。文献[1]研究了闭式传动系统的输 出特性，对 匹配方法没有进行深入研究；文献[2]研究了液力传动系统中变矩器与发动机的匹配方法。本研究分析采用静液压传动的平地机，其发动机、变量泵、变量马达的输出特性以及匹配关系，并对分析结果进行了仿真计算，为该类车辆静液压传动系统的设计决策提供依据。

收稿 日期 ：2013-03-20基金项 目：国家十二五”科技支撑计划项目(2011BAD20BIO)作者简介 ：耿令新(1972-)，男，山东聊城人，讲师，博士 ，研究方向为工程机械及其关键技术。

4 结论实践证明，本设计的机械手针对性强，是典型的机电-体化设备，它兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制，综合运用了机械设计、液压传动和PLC控制的相关知识，在实验实训中，对高职学生的综合实操能力和思维应变能力有显著的提高作用，也拉近了校园和工厂的距离。