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1簡介

它具有動作靈活可控、定位準(zhǔn)確可靠、負(fù)載驅(qū)動力高、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)等特點(diǎn)。目前，多自由度機(jī)械手廣泛應(yīng)用于鋼鐵、海洋、石油、化工、物流搬運(yùn)等生產(chǎn)自動化行業(yè)，大大減輕了工人勞動強(qiáng)度和勞動條件，提高了生產(chǎn)效率，穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量。

現(xiàn)有的大部分機(jī)械手采用電機(jī)作為動力，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、工作可靠、節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但是，電氣機(jī)械手負(fù)載相對較小，并且要有配套的減速設(shè)備，對抗沖擊和高負(fù)載方面沒有優(yōu)勢。而液壓機(jī)械手采用液壓動力，運(yùn)用電液伺服控制，具有動作靈活、負(fù)載剛性大、精度高、響應(yīng)速度快、功率重量比大的優(yōu)點(diǎn)，比較適合大功率負(fù)載搬運(yùn)的場合。

但是，在液壓機(jī)械手中液壓系統(tǒng)的不合理設(shè)計(jì)，往往會導(dǎo)致傳動效率較低，這是一個(gè)需要長期研究解決的問題。 

2機(jī)械手的分類

對于注塑生產(chǎn)中使用的機(jī)械手,一般可按其功能分為以下三種類型：

1）簡易型注塑機(jī)械手；2）記憶再現(xiàn)型注塑機(jī)械手；3）智能型注塑機(jī)械手。 

3五自由度液壓伺服機(jī)械手研制

系統(tǒng)工作原理與性能指標(biāo)

1、系統(tǒng)工作原理

液壓機(jī)械手系統(tǒng)如圖1所示。

系統(tǒng)主要由夾取機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、推拉機(jī)構(gòu)及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)五自由度機(jī)構(gòu)組成。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由兩個(gè)液壓馬達(dá)和回轉(zhuǎn)平臺組成，構(gòu)成機(jī)械手在水平面上的回轉(zhuǎn)自由度；俯仰機(jī)構(gòu)由兩個(gè)舉升液壓缸和連桿組成，構(gòu)成機(jī)械的升降自由度； 推拉機(jī)構(gòu)由一個(gè)推拉液壓缸和連桿組成，構(gòu)成機(jī)械手伸縮自由度； 手抓機(jī)構(gòu)由一個(gè)液壓馬達(dá)、一個(gè)液壓缸和手抓部分組成，構(gòu)成機(jī)械手手抓的旋轉(zhuǎn)與夾取自由度。五自由度機(jī)構(gòu)組成機(jī)械手姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)。

機(jī)械手工作原理為： 由兩個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動機(jī)械手旋轉(zhuǎn)運(yùn)動； 由兩個(gè)舉升液壓缸驅(qū)動機(jī)械手舉升運(yùn)動； 由一個(gè)推拉液壓缸驅(qū)動機(jī)械手推拉運(yùn)動； 由一個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動手抓旋轉(zhuǎn)運(yùn)動； 由一個(gè)液壓缸驅(qū)動手抓張合運(yùn)動。

2、主要性能指標(biāo)

主要性能指標(biāo)如下：

（1） 重復(fù)定位精度：<±1mm；

（2） 大工作半徑：5000mm；

（3） 工作高度范圍：500mm～4000mm；

（4） 液壓缸速度：≤300mm/s；

（5） 馬達(dá)回轉(zhuǎn)速度：≤45/s；

（6） 工作環(huán)境溫度：<1150℃。

電液伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)原理

考慮到機(jī)械手性能指標(biāo)和工作要求，液壓機(jī)械手系統(tǒng)原理如圖所示。

該系統(tǒng)由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動回路、俯仰機(jī)構(gòu)驅(qū)動回路、推拉機(jī)構(gòu)驅(qū)動回路、手抓機(jī)構(gòu)驅(qū)動回路等主要部分組成。

圖中，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動回路主要由兩個(gè)液壓馬達(dá)和兩個(gè)比例閥、電動球閥組成。兩個(gè)比例閥控制兩個(gè)液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手機(jī)身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動定位。當(dāng)機(jī)械手機(jī)身處于制動狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)通過電動球閥切斷供油的主油路，換成制動油源給液壓馬達(dá)反方向供油，使兩馬達(dá)產(chǎn)生相反旋轉(zhuǎn)動力，從而使機(jī)身穩(wěn)定地停在控制點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手機(jī)身的制動。俯仰機(jī)構(gòu)驅(qū)動回路主要由兩個(gè)比例閥、兩個(gè)液壓缸、背壓閥組成，該驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用“一閥控一缸”的液壓同步驅(qū)動方式控制兩個(gè)液壓缸實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的舉升動作。同時(shí)，油路還在機(jī)械手下降回路增加了背壓閥，以保證機(jī)械手垂直位置的穩(wěn)定。推拉機(jī)構(gòu)驅(qū)動回路主要由液壓缸、電液比例閥、背壓閥組成，由一個(gè)比例閥控一個(gè)液壓缸，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的推拉運(yùn)動。手抓機(jī)構(gòu)驅(qū)動回路主要由液壓缸、液壓馬達(dá)、兩個(gè)電液比例閥、電動球閥、背壓閥組成，由兩個(gè)比例閥分別控制液壓缸和液壓馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手手抓的回轉(zhuǎn)與抓取運(yùn)動。

電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與選型

本研究選取電氣控制元件如下：

（1）PLC設(shè)計(jì)與選型。

工業(yè)PLC的CPU型號為313C； 電源模塊型號為PS307（2A） ； 位置檢測模板SM338； 模擬量輸出模塊SM332。

（2） 監(jiān)控計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與選型。

工控機(jī)型號為IPC-610MB-L。

（3） 通信板塊設(shè)計(jì)與選型。

通信板塊型號為CP5611。

2、下位機(jī)控制軟件

下位機(jī)主要完成機(jī)械手的具體動作，系統(tǒng)主要包括主程序OB1模塊； 定時(shí)中斷程序OB35； 點(diǎn)動模塊FB1，對應(yīng)背景數(shù)據(jù)模塊DB1存放各液壓缸與馬達(dá)的點(diǎn)動運(yùn)行數(shù)據(jù)； 自動運(yùn)行模塊FB2，對應(yīng)背景數(shù)據(jù)模塊DB2存放各液壓缸與馬達(dá)的自動運(yùn)行數(shù)據(jù)； 點(diǎn)動PID模塊FB3，對應(yīng)背景數(shù)據(jù)模塊DB3存放點(diǎn)動PID運(yùn)算結(jié)果； 自動PID模塊FB4，對應(yīng)背景數(shù)據(jù)模塊DB4存放自動PID運(yùn)行結(jié)果； 數(shù)據(jù)記錄模塊FB5，對應(yīng)背景數(shù)據(jù)DB5存放記錄數(shù)據(jù)。

3、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)控制系統(tǒng)作為機(jī)械手運(yùn)動控制的中樞，接受界面輸入的位置值或自動工作時(shí)事先確定的位置值，控制機(jī)械手各關(guān)節(jié)執(zhí)行相關(guān)的動作。上位機(jī)程序主要由通信模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、曲線繪制模塊組成。