液压式四自由度机械手设计
工业机械手是一种模仿人手动作，并按照设定的程序、轨迹和要求代替人手抓取、搬运工件或进行操作的自动化装置。它的用途十分广泛，对于实现生产过程自动化，提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度，保证工人的安全都具有重要的意义，尤其对于那些有毒、危险、多岢尽⑸钏作业及放射性等恶劣环境和条件下的作业，使用工业机械手更具有显著的优越性。目前，已经在机械加工、铸造、锻造、冲压生产线和某些操作作业中得到比较广泛的应用。在热处理、焊接、涂漆及装配等生产中也开始研制和应用。 目前机械手常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动及电动机驱动等多种方式，各种驱动方式有其自身的特点，在工业机器人中液压和气压驱动应用很广泛，有些机器人则同时采用多种驱动方式，这都视不同机器人的特点和要求所定。由于液压驱动具有以下特点：驱动力和驱动力矩较大，速度反应性较好，调速范围较剑多用于要求臂力较大而运动速度较低的工作场合。 1. 整体设计方案 本文设计的机械手要求在几台机械设备间进行搬运和装卸工件。它具有4个自由度，分别为机械手腕的旋转运动、机械手臂的伸缩运动、机械手臂的旋转运动和叫凳直鄣纳降运动，坐标形式为圆柱坐标，采用液压驱动控制方式，用于生产线中的自动搬运货物的装置。本设计的结构简图如图1所示，工作程序为：启动机械手，当工件成形后发出信号，机械手的手臂下降到预定位置，手爪张开，夹紧工件后上升；然后机械手臂正向旋转180°，机械手秸向旋转90°，机械手臂伸出到预定位置后下降到指定位置，手爪松开，放好工件；最后机械手臂上升到指定位置后反向旋转180°，机械手腕反向旋转90°，机械手臂缩回，回到原点位置，开始下一个周期。
图1 机械手结构简图 2. 机械系统设计 针对该工业机械手的任务要求，为了使它具有一定l操作灵活性和较好的使用性能，在结构设计上采用圆柱坐标系。整个机械手系统设计为4个自由度，包括机械手臂上下移动、机械手臂水平伸缩、机械手臂旋转和机械手腕旋转，这4个自由之间无耦合，可以有效地简化运算和控制。在本次设计中主要采用液压部件来实现，因此机械手臂上下l动和机械手臂水平伸缩采用双作用单活塞杆液压缸，而两个旋转运动通过内曲线径向马达实现，如图2所示。
图2 机械手原理 机械手夹持部分由机械手指、杠杆、杠杆支座、楔块、弹簧及液压缸等组成，如图3所示。工作时，压力油从油孔通入到φ65mm作用液压缸的左腔，推动活塞、楔块向前移动，再推动杠杆绕销轴转动，使机械手指夹紧工件。当控制机械手手部动作的电磁换向阀换向时，液压缸左腔的油液流回油箱，则活塞、楔块在弹簧的作用下而复位，机械手指在拉簧的作用下松开。
图3 手爪机械结构 1.液压缸 2.弹簧 3.杠杆 4.机械手指 5.杠杆支座 6.楔块 由于机i手的手部和腕部自重以及工件重量较大，当大臂伸出时，活塞杆不足以承受它们的重量。同时，活塞杆本身对于变形的要求很高，因而利用光杠来提高其承载能力，减小活塞杆的变形。为了美观，同时也能起到减小活塞杆受力，在大臂上方安装一个外罩，它本身还能减少外界对液压缸的污i。 3. 控制系统设计 本文所设计机械手采用液压系统驱动，由PLC控制。液压系统如图4所示。
图4 液压系统 1.电动机 2.泵 3.吸油过滤器 4.压力计 5、12.溢流阀 6、13、25.单向阀 7、15、17、23.调速阀 8、16、18、24、26.电磁换向阀 9、14、19、22.电液换向阀 10、11、27.液压缸 20、21.马达 28.回油过滤器 29.油箱 采用型号为FX2N-64MR-001的PLC作为控制系统的核心，假定工作场景为机械手将工件从甲地搬到乙地，控制面板如图5所示。工作方式选择开关的5个位置分别对应于5种工作方式，操作面板下部的10个按钮是手动按钮。为了保证在紧急情况下（包括PLC发生故障时）能可靠地切断PLC的负载电源，设置了交流接触器KM。在PLC开始运行时按下“负载电ā卑磁ィ使KM线圈通电并自锁，KM的主触点接通，给外部负载提供交流电源，出现紧急情况时使用“紧急停车”按钮断开负载电源。机械手动作顺序如图6所示。
图5 控制面板
图6 机械手动作示意图 4. 结语 本文设计的机械手主要用于几台机械设备之间进行搬运和装卸工件。它具有4个自由度，分别为机械手腕的旋转运动、机械手臂的伸缩运动、机械手臂的旋转运动和机械手臂的升降运动，坐标形式为圆柱坐标，采用液压驱动控制方式。这种机械手结构简单，控制较为柔性，在自动生产线上有较大的应用前景。 参考文献： [1]师占群，孙立新. 一种PLC控制的液压机械手[J]. 机床与液压，1998（6）：51-51. [2]张琦，郭松辉，谢庆华. 基于PD型迭代学习的液压机械手轨迹控制[J]. 湖南科技大学学报(自然科学版)，2005，20（1）：10-12. [3]赵旭. 基于机电液一体化的液压机械手设计及其控制[D]. 沈阳：东北大学机械工程与自动化学院，2010. [4]张艳. 深海水下液压机械手驱动系统压力适应型控制器研制[D]. 杭州：浙江大学机械工程学院，2012. [5]贾起军.放射源运输车及其应用液压机械手的设计研究[D]. 长春：吉林大学汽车工程学院，2011. [6]王增娣，薛林. 基于液压机械手的绿化带自动浇灌装置设计[J]. 机械工程与自动化，2012（6）：83-84.
图1 机械手结构简图 2. 机械系统设计 针对该工业机械手的任务要求，为了使它具有一定l操作灵活性和较好的使用性能，在结构设计上采用圆柱坐标系。整个机械手系统设计为4个自由度，包括机械手臂上下移动、机械手臂水平伸缩、机械手臂旋转和机械手腕旋转，这4个自由之间无耦合，可以有效地简化运算和控制。在本次设计中主要采用液压部件来实现，因此机械手臂上下l动和机械手臂水平伸缩采用双作用单活塞杆液压缸，而两个旋转运动通过内曲线径向马达实现，如图2所示。
图2 机械手原理 机械手夹持部分由机械手指、杠杆、杠杆支座、楔块、弹簧及液压缸等组成，如图3所示。工作时，压力油从油孔通入到φ65mm作用液压缸的左腔，推动活塞、楔块向前移动，再推动杠杆绕销轴转动，使机械手指夹紧工件。当控制机械手手部动作的电磁换向阀换向时，液压缸左腔的油液流回油箱，则活塞、楔块在弹簧的作用下而复位，机械手指在拉簧的作用下松开。
图3 手爪机械结构 1.液压缸 2.弹簧 3.杠杆 4.机械手指 5.杠杆支座 6.楔块 由于机i手的手部和腕部自重以及工件重量较大，当大臂伸出时，活塞杆不足以承受它们的重量。同时，活塞杆本身对于变形的要求很高，因而利用光杠来提高其承载能力，减小活塞杆的变形。为了美观，同时也能起到减小活塞杆受力，在大臂上方安装一个外罩，它本身还能减少外界对液压缸的污i。 3. 控制系统设计 本文所设计机械手采用液压系统驱动，由PLC控制。液压系统如图4所示。
图4 液压系统 1.电动机 2.泵 3.吸油过滤器 4.压力计 5、12.溢流阀 6、13、25.单向阀 7、15、17、23.调速阀 8、16、18、24、26.电磁换向阀 9、14、19、22.电液换向阀 10、11、27.液压缸 20、21.马达 28.回油过滤器 29.油箱 采用型号为FX2N-64MR-001的PLC作为控制系统的核心，假定工作场景为机械手将工件从甲地搬到乙地，控制面板如图5所示。工作方式选择开关的5个位置分别对应于5种工作方式，操作面板下部的10个按钮是手动按钮。为了保证在紧急情况下（包括PLC发生故障时）能可靠地切断PLC的负载电源，设置了交流接触器KM。在PLC开始运行时按下“负载电ā卑磁ィ使KM线圈通电并自锁，KM的主触点接通，给外部负载提供交流电源，出现紧急情况时使用“紧急停车”按钮断开负载电源。机械手动作顺序如图6所示。
图5 控制面板
图6 机械手动作示意图 4. 结语 本文设计的机械手主要用于几台机械设备之间进行搬运和装卸工件。它具有4个自由度，分别为机械手腕的旋转运动、机械手臂的伸缩运动、机械手臂的旋转运动和机械手臂的升降运动，坐标形式为圆柱坐标，采用液压驱动控制方式。这种机械手结构简单，控制较为柔性，在自动生产线上有较大的应用前景。 参考文献： [1]师占群，孙立新. 一种PLC控制的液压机械手[J]. 机床与液压，1998（6）：51-51. [2]张琦，郭松辉，谢庆华. 基于PD型迭代学习的液压机械手轨迹控制[J]. 湖南科技大学学报(自然科学版)，2005，20（1）：10-12. [3]赵旭. 基于机电液一体化的液压机械手设计及其控制[D]. 沈阳：东北大学机械工程与自动化学院，2010. [4]张艳. 深海水下液压机械手驱动系统压力适应型控制器研制[D]. 杭州：浙江大学机械工程学院，2012. [5]贾起军.放射源运输车及其应用液压机械手的设计研究[D]. 长春：吉林大学汽车工程学院，2011. [6]王增娣，薛林. 基于液压机械手的绿化带自动浇灌装置设计[J]. 机械工程与自动化，2012（6）：83-84.