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機械設計

液壓式四自由度機械手設計

時間:2017-01-13 00:07:47   作者:陳洪軍   來源:金屬加工   閱讀:1883   評論:0
    工業機械手是一種模仿人手動作,并按照設定的程序、軌跡和要求代替人手抓取、搬運工件或進行操作的自動化裝置。它的用途十分廣泛,對于實現生產過程自動化,提高勞動生產率,減輕工人的勞動強度,保證工人的安全都具有重要的意義,尤其對于那些有毒、危險、多岢盡⑸釧作業及放射性等惡劣環境和條件下的作業,使用工業機械手更具有顯著的優越性。目前,已經在機械加工、鑄造、鍛造、沖壓生產線和某些操作作業中得到比較廣泛的應用。在熱處理、焊接、涂漆及裝配等生產中也開始研制和應用。
  目前機械手常用的驅動方式有液壓驅動、氣壓驅動及電動機驅動等多種方式,各種驅動方式有其自身的特點,在工業機器人中液壓和氣壓驅動應用很廣泛,有些機器人則同時采用多種驅動方式,這都視不同機器人的特點和要求所定。由于液壓驅動具有以下特點:驅動力和驅動力矩較大,速度反應性較好,調速范圍較劍多用于要求臂力較大而運動速度較低的工作場合。
  1. 整體設計方案
  本文設計的機械手要求在幾臺機械設備間進行搬運和裝卸工件。它具有4個自由度,分別為機械手腕的旋轉運動、機械手臂的伸縮運動、機械手臂的旋轉運動和叫凳直鄣納降運動,坐標形式為圓柱坐標,采用液壓驅動控制方式,用于生產線中的自動搬運貨物的裝置。本設計的結構簡圖如圖1所示,工作程序為:啟動機械手,當工件成形后發出信號,機械手的手臂下降到預定位置,手爪張開,夾緊工件后上升;然后機械手臂正向旋轉180°,機械手秸向旋轉90°,機械手臂伸出到預定位置后下降到指定位置,手爪松開,放好工件;最后機械手臂上升到指定位置后反向旋轉180°,機械手腕反向旋轉90°,機械手臂縮回,回到原點位置,開始下一個周期。

圖1 機械手結構簡圖
  2. 機械系統設計
  針對該工業機械手的任務要求,為了使它具有一定l操作靈活性和較好的使用性能,在結構設計上采用圓柱坐標系。整個機械手系統設計為4個自由度,包括機械手臂上下移動、機械手臂水平伸縮、機械手臂旋轉和機械手腕旋轉,這4個自由之間無耦合,可以有效地簡化運算和控制。在本次設計中主要采用液壓部件來實現,因此機械手臂上下l動和機械手臂水平伸縮采用雙作用單活塞桿液壓缸,而兩個旋轉運動通過內曲線徑向馬達實現,如圖2所示。

圖2 機械手原理
  機械手夾持部分由機械手指、杠桿、杠桿支座、楔塊、彈簧及液壓缸等組成,如圖3所示。工作時,壓力油從油孔通入到φ65mm作用液壓缸的左腔,推動活塞、楔塊向前移動,再推動杠桿繞銷軸轉動,使機械手指夾緊工件。當控制機械手手部動作的電磁換向閥換向時,液壓缸左腔的油液流回油箱,則活塞、楔塊在彈簧的作用下而復位,機械手指在拉簧的作用下松開。

圖3 手爪機械結構
  1.液壓缸 2.彈簧 3.杠桿 4.機械手指 5.杠桿支座 6.楔塊
  由于機i手的手部和腕部自重以及工件重量較大,當大臂伸出時,活塞桿不足以承受它們的重量。同時,活塞桿本身對于變形的要求很高,因而利用光杠來提高其承載能力,減小活塞桿的變形。為了美觀,同時也能起到減小活塞桿受力,在大臂上方安裝一個外罩,它本身還能減少外界對液壓缸的污i。
  3. 控制系統設計
  本文所設計機械手采用液壓系統驅動,由PLC控制。液壓系統如圖4所示。

圖4 液壓系統
  1.電動機 2.泵 3.吸油過濾器 4.壓力計 5、12.溢流閥 6、13、25.單向閥
  7、15、17、23.調速閥 8、16、18、24、26.電磁換向閥 9、14、19、22.電液換向閥
  10、11、27.液壓缸 20、21.馬達 28.回油過濾器 29.油箱
  采用型號為FX2N-64MR-001的PLC作為控制系統的核心,假定工作場景為機械手將工件從甲地搬到乙地,控制面板如圖5所示。工作方式選擇開關的5個位置分別對應于5種工作方式,操作面板下部的10個按鈕是手動按鈕。為了保證在緊急情況下(包括PLC發生故障時)能可靠地切斷PLC的負載電源,設置了交流接觸器KM。在PLC開始運行時按下“負載電ā卑磁ィ使KM線圈通電并自鎖,KM的主觸點接通,給外部負載提供交流電源,出現緊急情況時使用“緊急停車”按鈕斷開負載電源。機械手動作順序如圖6所示。

圖5 控制面板

圖6 機械手動作示意圖
  4. 結語
  本文設計的機械手主要用于幾臺機械設備之間進行搬運和裝卸工件。它具有4個自由度,分別為機械手腕的旋轉運動、機械手臂的伸縮運動、機械手臂的旋轉運動和機械手臂的升降運動,坐標形式為圓柱坐標,采用液壓驅動控制方式。這種機械手結構簡單,控制較為柔性,在自動生產線上有較大的應用前景。
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標簽:四自由度機械手  
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