送料机械手的设计

送料机械手的设计

韦夏宇,周桐,廉丽茹

长春大学 吉林省长春市

摘要：随着工业技术水平的高速发展，人们生活水平显著提高，对于生活工作的环境有了更高的期望，为了构建更幸福美好的家园而不断努力。工业机器人的发展不仅是人类文明的必要趋势，也是人们的美好期许。它不仅可以极大程度上提高生产效率，还能在极多的恶劣环境下代替人工，代替人工去完成繁重、重复的单调工作，减轻人们的工作压力，在许多工业生产当中，单点重复繁重的生产工作是不可避免的，这是许多工业的生产特性，而往往在生产的过程中还伴随着高温、粉尘、噪声、具有放射性或者有害人体身心健康的因素。在这种情况下，工业机器人或者自动化结构去代替人们工作就更有优势，工业机器人的发展有着更加广阔的前景。

关键词：液压系统；四自由度；圆柱坐标式机械手；锻机

1.机械手的技术要求

机械手是实现工业生产过程自动化，提高劳动生产率的一种有力工具。在上一道工序将经过高温加热的工件送到取料点后，机械手快速取得加工件，随后送到精锻机，完成本工序的加工，随后变换工位，复位，等待下一工件的到来，完成加工件的转移。对机械手的基本要求如下：

（1）工件类型：待加工的工件为圆柱形金属。

（2）负载能力：不小于60N。

（3）在上一道工序将经过高温加热的工件送到取料点后，机械手快速取得加工件，随后送到精锻机。

（4）机械手的结构设计合理，稳定性强，安全性好，能耗小，便于操作。

（5）后期维护成本小，性价比高。

2.机械手总体结构设计

1-手臂升降机构、2-升降行程开关、3-连接部件、4-回转齿轮、5-回转油缸、6-配重、7-手臂伸缩机构、8-手腕、9-手部、10-回转定位油缸。

本系统主要由手臂升降机构、回转齿轮、回转油缸、手臂伸缩机构、腕部、夹手部、回转定位油缸等组成。液压系统为其提供动力，手臂升降机构、回转齿轮、回转油缸等完成机械手位置的改变，回转定位油缸管控机械手的定位精度、通过手部、腕部、臂部的配合动作，实现对物料的抓取、转移、喂料等动作。抓取机构选用滑槽杠杆式机械手抓，双作用式单杠活塞油缸作为驱动手爪的装置。它的特点是工作抓取范围较大、性价比高、工作稳定性好。

图1-1机械手结构示意图

3.臂部设计要求

（1）臂部应具有良好的导向型，为了使手臂在生产工作中的方向准确，不发生偏转，一般会设计导向装置加以辅助。

（2）重量轻，转动惯量小。在机器人高速运动的过程中，臂部具有较轻的质量就会大大减小手臂对回转轴的转动惯量，可以通过配重，调整臂部重心和立柱中心的距离来减小转动惯量。

（3）运动平稳、定位精度高。机器人工作是高精度、高效率的过程，也是衡量机械手工作质量的重要标准。

（4）手臂在生产过程中，不仅是改变机械手工作姿态位置的必要结构，还支撑这整个前端部分的重量，所以要求机械手臂必须要具备足够的刚度和承载能力。如果机械手臂的设计结构或者选材不好，刚度没有达到，就会造成前段机构在自重的影响下弯曲或者扭转变形，结果就是造成机械手臂的震动，机械手设备完全失去了精度概念，以至于完全达不到工作打条件或者造成大批量的不良产品，因此，对机械手臂结构的设计要合理。机械手臂的截面状态设计也是重中之重的，手臂的截面状态要合理选择，根据力学知识可得，良好的结构形式可以获得较大的承载力

4.回转油缸的结构设计

回转结构主要由进油孔、动片、转套组成。当它开始工作时，从左侧油孔进油，液压油挤压动片带动转套的转动，转套的顶部连接牙嵌式联轴器，通过联轴器传递到回转轴，回转轴的转轴端部的法兰盘连接手部，从而就可以实现了手部位置的回转运动。回转油缸的最大摆动角度为230°，理论需要的摆动角度为180°，摆动位置的检测由程开关来实现。

由于被夹持的工件为经过高温加热的金属，为了让油缸远离热源，这里设计了隔离套装置，减少了热锻件的高温对液压油的影响，从而保证机械手的正常工作状态和生产效率。

5.液压系统设计要求

根据机械手在锻造车间的工作环境要求，可以得到液压系统的设计要结构合理紧凑，在其能够正常工作的前提下尽量减小其体积，可以省去减速装置，它可以直接和别驱动的部件相连。

该机械手工作时，液压系统的任务是：起始动作为待料状态，在工件准备就绪后，由液压系统提供动力，作出反应，通过对油路中液压油的分配，产生压力差，驱动机械手完成相对应的动作，如手臂的伸缩、手腕的回转等，通过它们之间的配合，取得将要加工的物料，完成加工动作，而后复位，等待下次动作。

6.送料机械手的设计分析

在控制手臂伸缩和升降油缸、手腕回转油缸的油路系统里，设置有单向调速阀（QI），它的作用是用于控制所在系统的流量大小。在手臂升降油缸所在的支路里，由于该结构要承受液压缸活塞杆和所支撑它的手臂在下行运动中会受到自重的影响，所以在此支路安装单向顺序阀（XI）来保证手臂下降时油路的稳定。为了使手爪在抓取工件的过程中保持稳定，不受系统压力波动的影响，所在在此回路安装单向阀（IY）。减压阀（J）被串联在定位油缸的支路上，它的作用是使其支路工作压力低于系统的工作压力。

（1）手臂前伸动作：电磁铁8DT通电，液压油通往定位油缸，定位完成后，在液压的压力下压力继电器发出信号，电磁铁1DT通电，换向阀打开，液压油通过油泵和单向阀忧虑，从换向阀的右端进入到手臂伸缩油缸的右端，推动活塞杆的移动。手臂前伸动作完成。

（2）手爪抓取动作（张开、加紧）：手臂前伸动作完成后，行程开关发出信号，3DT通电，手爪打开、手爪打开后，时间继电器工作，延时一定时间够，3DT断电，手爪夹紧。

（3）手臂上升动作：4DT通电，液压油进过换向阀的右边，从单向调速阀和单向顺序阀进过，进入到道手臂升降油缸，推动手臂的上升动作。

（4）手臂回收动作：2DT通电，电液换向阀的右路关闭，左路打开，从左路进过单向调速阀进入到手臂伸缩缸的左端，推动活塞杆的移动，将手臂收回。

（5）手腕回转动作：6DT通电，电液换向阀由左路换成右路接通，液压油从单向调速阀进入到回转缸，推动回转动作的完成。

（6）手臂回转动作：9DT通电，换向阀的右路接通，液压油从单向调速阀进入到回转缸，推动回转动作的完成。

（7）手臂下降动作：5DT通电，换向阀的左路接通，液压油进过换向阀的左边，从单向调速阀和单向顺序阀进过，进入到道手臂升降油缸，推动手臂的下降动作。

参考文献：

[1]李耀贵,刘睿.世界机器人技术发展研究[J].天津科技,2021,48(03):1-3+6.

[2]崔岳.工业机器人技术在自动化控制领域的实践研究[J].设备管理与维修,2021(06):100-101. [3]李佳. 自动上下料机械手的设计研究[D].北京邮电大学,2019.