基于液压与控制技术的机械手设计与分析

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1、基于液压与控制技术的机械手设计与分析【摘要】机械手是模仿人的手部动作，并按要求实现自动抓取、搬运等动作的自动装置。机械手可以在恶劣环境中以及单调、频繁的操作中代替人作业，因此得日益广泛的应用。机械手一般由执行机构、驱动系统、控制系统及检测装置四部分组成，智能机械手还具有感觉系统和智能系统。介绍了工业机械手属圆柱坐标式、全液压驱动机械手，设计了液压回路，对手部材料进行了结构分析，采用了西门子PLC控制其工作过程。中国7/vie　　【关键词】机械手；液压；电气　　1.机械手机械本体设计　　采用了四杆铰链机构，底座与步进电机相连，可沿导轨准确

2、定位，适应于中小轻型物品的搬运和定位放置。分别用3个液压缸和一个丝杠控制，丝杠由电动机驱动，以实现在一个沿x轴的直线行走，一个沿y轴直线行走，一个沿z轴直线行走和一个绕z轴旋转的4个自由度。机械手工作时的运动过程：当货物到达时，机械手系统开始工作，旋转液压缸和伸出液压缸迅速定位到达工件上方，丝杠旋转下降，同时机械手液压缸卸荷，机械手爪张开，机械手到达工件中部，机械手液压缸加压，将工件夹紧。丝杠旋转上升，旋转液压缸开始旋转，伸出液压缸开始收缩，同时步进电机开始向前运动。放置工件时，机械手迅速定位至指定位置的上方，丝杠旋转下降，机械手液压缸

3、卸荷，工件被放入指定位置。　　2.手抓夹持面的应力分析　　（1）夹持装置的材料特征。手爪夹持装置会频繁地夹持工件，因此，选择了低合金钢。这种钢可塑性好，有着比普通碳素结构钢更高的屈服强度和屈强比的材料。低合金钢还有着较好的冷热加工成形性，良好的焊接性，较低的冷脆倾向和时效敏感性，以及较好的抗大气、海水等腐蚀能力。（2）夹持面受力分析。在实际生产应用中安全可靠生产是必须考虑的一个因素，应力分析与位移分析是对整个结构中主要受力部分进行安全系数评估。在应力分析与位移分析过程中，手爪的4个固定孔作为固定面，以手爪夹持工件的面为主受力面，整个分析

4、过程中所施加给手爪的力为100N，使用的材质是铝合金，最后分析安全系数为1.5，满足了工作要求。（3）机械手运动学分析。机械手在运动过程中，其运动速度与时间的关系必须要在控制之中，这样才能够准确地计算出其运动的轨迹，在Pro/E的装配中，利用机构来装配其手部，模拟其手部的运动得出运动曲线。由机械手的运动曲线可知，机械手的运动模量变化较为稳定。　　3.液压回路的设计　　液压机械手的回路（见图2）设计主要由4个回路组成，控制机械手的升降、伸缩、抓紧与放松、回转4个动作，分别由3个直动式油缸和1个回转油缸组成。在液压回路设计过程中，通过两位四

5、通的电磁换向阀控制换向，可以通过调节节流阀的节流口大小控制流量大小，从而控制液压缸运动的速度。此外，为了防止机械手爪误抓住人或其他物体之后造成伤害，在回路中安装了安全阀（溢流阀），当压力达3MPa时，安全阀打开，所以回路中最高压力不超过3MPa。液压回路很容易实现自动控制，可以通过PLC来控制换向阀就可以实现自动换向。此外，液压回路可以适应任何恶劣环境，比较容易维护，所以在自动控制中应用越来越广泛。　　4.PLC机械手具体系统的主要组成　　PLC液压机械手整个系统主要包括嵌入式微机、端口驱动模块、位置传感器、压力传感器、执行机构。其中的

6、执行机构属于机械手非常重要的组成部分，同时也是机械手内部的主体部分，其中主要包括手腕、手臂以及行走机构等部分。驱动属于执行机构运行重要的传动装置，经常使用的包括液压、气压、电力以及机械传动。控制系统是整个机械手的重要核心部分，主要是用来支配机械手各种规定的运行程序等，并存储相应的指令信息，按照控制系统具体的内部信息完成指令的分配，在一定条件下还能实现对整个机械手具有的监视作用。　　以下主要分析在轮胎自动化生产线中的具体控制。在初始的状态下，�]合整个机械手系统，并处于上线转出具体的位置，如果接收到开始的具体控制信号，开始启动所有的电动机

7、并进行正转，利用丝杠运动带动机械手逐渐下降。如果下降具体的行程开关发生断开时，下降交流内部的接触器将会断电，最后使电机的转动最终停止，利用自动减压控制机械手具体的动作开始抓取工件，如果机械手内部的全张油缸使用的开关在完成闭合以后，机械手上升交流内部的接触器被接通，从而使电动机开始发转，完成机械手抓取工件同时并上升的动作。如果到达了上线行程内部具体的开关闭合位置过程中，机械手内部上升交流所在的基接触器发生断电，从而使电动机的转动最终停止，同时等待来自于主控系统发送的主图命令，并将会启动整个液压系统完成转入。由于当机械手开始转动时，半径部分

8、出现了相互重叠的情况，因此，每次都会支持一只机械手完成转入动作。如果机械手全部完成了最终的转入动作，机械手进行同时下降的动作。如果下降放工件具体的行程开关完全接通以后，需要接通机械手内部的电磁阀，使气压系统