五自由度液壓伺服機械手研制

倪敬，程樂平，劉湘琪，李斌

(1.杭州電子科技大學機械工程學院，浙江杭州310018;2.浙江理工大學機械與自動控制學院，浙江杭州310018)

0 引言

多自由度機械手是能夠模仿人體肢體部分功能并允許對其進行自動控制，使其按照預定要求輸送工件或操持工具進行生產操作的自動化生產設備。它具有動作靈活可控、定位準確可靠、負載驅動力高、環境適應力強等特點。目前，多自由度機械手廣泛應用于鋼鐵、海洋、石油、化工、物流搬運等生產自動化行業，大大減輕了工人勞動強度和勞動條件，提高了生產效率，穩定了產品質量［1-3］。現有的大部分機械手采用電機作為動力，具有結構簡單、重量輕、動作迅速、工作可靠、節能和環保等優點，但是，電氣機械手負載相對較小，并且要有配套的減速設備，對抗沖擊和高負載方面沒有優勢［4］。而液壓機械手采用液壓動力，運用電液伺服控制，具有動作靈活、負載剛性大、精度高、響應速度快、功率重量比大的優點，比較適合大功率負載搬運的場合［5-6］。但是，在液壓機械手中液壓系統的不合理設計，往往會導致傳動效率較低，這是一個需要長期研究解決的問題［7-8］。

本研究針對大功率負載搬運的高負載、高位置精度、高生產率等要求設計一臺五自由度液壓機械手，并且基于可編程序控制器PLC設計其電液伺服系統。

1 系統工作原理與性能指標

1.1 系統工作原理

液壓機械手系統如圖1所示。

圖1 液壓機械手機構圖

系統主要由夾取機構、俯仰機構、推拉機構及回轉機構五自由度機構組成。回轉機構由兩個液壓馬達和回轉平臺組成，構成機械手在水平面上的回轉自由度;俯仰機構由兩個舉升液壓缸和連桿組成，構成機械的升降自由度;推拉機構由一個推拉液壓缸和連桿組成，構成機械手伸縮自由度;手抓機構由一個液壓馬達、一個液壓缸和手抓部分組成，構成機械手手抓的旋轉與夾取自由度。五自由度機構組成機械手姿態調整系統。

機械手工作原理為:由兩個液壓馬達驅動機械手旋轉運動;由兩個舉升液壓缸驅動機械手舉升運動;由一個推拉液壓缸驅動機械手推拉運動;由一個液壓馬達驅動手抓旋轉運動;由一個液壓缸驅動手抓張合運動。

1.2 主要性能指標

主要性能指標如下:

(1)重復定位精度:＜±1 mm;

(2)最大工作半徑:5 000 mm;

(3)工作高度范圍:500 mm～4 000 mm;

(4)液壓缸速度:≤300 mm/s;

(5)馬達回轉速度:≤45°/s;

(6)工作環境溫度:＜1 150℃。

1.3 機械手正運動學分析

機械手運動學主要研究末端執行器、各運動構件的位置姿態與各關節變量之間的關系。正運動學是由各關節位置、速度、加速度來求解末端執行器的位置、姿態、速度和加速度的問題。

為描述液壓機械手各桿件的特征參數及相互之間的運動關系，采用D-H方法設定的桿件坐標系如圖2所示。液壓機械手桿件編號從底座至末端執行器依次為0，1，2，…，5。

圖2 液壓機械手機構及其桿件坐標系

根據連桿坐標系的設置，通過齊次變換得到相鄰桿件之間的齊次變換矩陣為:

取末桿坐標原點O5為末端執行器研究的參考點，則液壓機械手的正運動學方程為:

式中:r—末端執行器的位姿矩陣;R—末端執行器相對基坐標系的姿態矩陣;n—法線向量;o—方向向量;a—接近向量;P—末端執行器相對基坐標系的位置向量。

2 電液伺服系統設計

2.1 液壓系統原理

考慮到機械手性能指標和工作要求，液壓機械手系統原理如圖3所示。

圖3 電液伺服系統原理圖

該系統由回轉機構驅動回路、俯仰機構驅動回路、推拉機構驅動回路、手抓機構驅動回路等主要部分組成。

圖3中，回轉機構驅動回路主要由兩個液壓馬達和兩個比例閥、電動球閥組成。兩個比例閥控制兩個液壓馬達實現機械手機身的旋轉運動精確定位。當機械手機身處于制動狀態時，系統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反方向供油，使兩馬達產生相反旋轉動力，從而使機身穩定地停在控制點，以實現機械手機身的制動。

俯仰機構驅動回路主要由兩個比例閥、兩個液壓缸、背壓閥組成，該驅動機構采用“一閥控一缸”的液壓同步驅動方式控制兩個液壓缸實現機械手的舉升動作。同時，油路還在機械手下降回路增加了背壓閥，以保證機械手垂直位置的穩定。

推拉機構驅動回路主要由液壓缸、電液比例閥、背壓閥組成，由一個比例閥控一個液壓缸，實現機械手的推拉運動。手抓機構驅動回路主要由液壓缸、液壓馬達、兩個電液比例閥、電動球閥、背壓閥組成，由兩個比例閥分別控制液壓缸和液壓馬達，實現機械手手抓的回轉與抓取運動。

2.2 系統主要元件選型與參數計算

根據系統參數計算，主要元件的選型結果如表1所示。

表1 主要元件選型

3 電氣控制系統設計

3.1 系統硬件設計與選型

本研究選取電氣控制元件如下:

(1)PLC設計與選型。工業PLC的CPU型號為313C;電源模塊型號為PS307(2A);位置檢測模板SM 338;模擬量輸出模塊SM332。

(2)監控計算機設計與選型。工控機型號為IPC-610MB-L。

(3)通信板塊設計與選型。通信板塊型號為CP5611。

3.2 下位機控制軟件

下位機主要完成機械手的具體動作，系統主要包括主程序OB1模塊;定時中斷程序OB35;點動模塊FB1，對應背景數據模塊DB1存放各液壓缸與馬達的點動運行數據;自動運行模塊FB2，對應背景數據模塊DB2存放各液壓缸與馬達的自動運行數據;點動PID模塊FB3，對應背景數據模塊DB3存放點動PID運算結果;自動PID模塊FB4，對應背景數據模塊DB4存放自動PID運行結果;數據記錄模塊FB5，對應背景數據DB5存放記錄數據［9-10］。

下位機主要程序模塊及功能如表2所示。

表2 下位機主要程序模塊及功能

3.3 上位機軟件設計

上位機控制系統作為機械手運動控制的中樞，接受界面輸入的位置值或自動工作時事先確定的位置值，控制機械手各關節執行相關的動作。上位機程序主要由通信模塊、數據記錄模塊、參數設置模塊、曲線繪制模塊組成。

各模塊功能如表3所示。

表3 上位機主要程序及功能

4 系統仿真與實驗

4.1 動力學仿真

液壓機械手動力學仿真試驗，取關節的初始位置為［0，0，π/4，π/3，-π/4］，仿真時間為t=0～10 s。末端執行器軌跡仿真結果如圖4所示。

圖4 末端執行器軌跡仿真結果

通過仿真圖形可以觀察到機械手末端執行器的運動軌跡，其結果驗證了理論分析的正確性。

4.2 系統實驗

(1)液壓機械手初始位置選取。機械手實驗初始位置如圖1所示。

機械手底座回轉位初始位置，定義兩馬達中心線為Y軸，垂直方向為X軸，回轉底座初始位置為水平坐標軸零度角位置。

舉升位初始位置定義為兩個同步舉升液壓缸活塞桿位移0.00 mm位置。推拉位初始位置為液壓缸活塞桿位移0.00 mm位置。

手抓回轉位初始位置定義為機械手手抓水平放置時，垂直于手抓平面方向為y軸，垂直方向為x軸，坐標軸零度角位置為手抓回轉初始位置。手抓張合位初始位置定義為張合液壓缸活塞桿位移0.00 mm位置。

根據以上定義，機械手實驗的初始位置為(0.00°，0.00 mm，0.00 mm，0.00°，0.00 mm)。底座回轉角重復精度Δθ1，舉升位移重復精度Δs1，推拉位移重復精度Δs2，手抓回轉角重復精度Δθ2，手抓張合位移重復精度Δs3。

(2)實驗工況。為了增強實驗的可靠性，驗證液壓機械手工作重復精度，筆者隨機選取3個工況條件進行分析。

具體取值如下:

①工況一。由初始位置到目標位置(-45.00°，50.00 mm，30.00 mm，60.00°，40.00 mm);

②工況二。由初始位置到目標位置(90.00°，100.00 mm，80.00 mm，60.00°，70.00 mm);

③工況三。由工況二到目標位置(200.00°，150.00 mm，120.00 mm，100.00°，130.00 mm)。

(3)系統實驗運行結果分析。經過近10次實際測試，實驗結果如表4所示。

表4 實驗結果

實驗結果表明，機械手系統符合工作性能指標，系統工作較穩定。

液壓機械手、液壓油液及控制電器柜現場實物圖如圖5所示。

圖5 現場實物圖

5 結束語

針對大功率負載搬運高負載、高位置精度、高生產率的需要，基于機械、液壓及電氣控制技術，本研究研制了五自由度液壓機械手，并給出了機械手液壓系統工作原理圖以及相應的伺服控制方案。

實驗研究表明，該液壓機械手工作可靠、驅動力大、定位準確、液壓控制回路簡單、電氣控制容易實現，很適合用于火車車輪毛坯搬運、汽車制造、現代物流等重載場合。

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