基于液壓驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)與研究

袁川來(lái)，胡燦，楊劍波

（1.湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412007；2.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300）

基于液壓驅(qū)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)與研究

袁川來(lái)1，胡燦2，楊劍波1

（1.湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412007；2.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300）

針對(duì)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化生產(chǎn)線的工件上下料，設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手腕部位和執(zhí)行手爪的齒輪式機(jī)械結(jié)構(gòu)。采用液壓控制系統(tǒng)控制機(jī)械手的3個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，其中，垂直手臂的上升、下降采用垂直升降液壓缸，手腕部位的前伸、后縮采用水平伸縮液壓缸，執(zhí)行手爪的夾緊、張開(kāi)采用柱塞液壓缸。對(duì)機(jī)械手的力學(xué)性能進(jìn)行分析與計(jì)算，證明機(jī)械手裝置簡(jiǎn)單可靠，具備抓取、搬運(yùn)30 kg工件的能力。通過(guò)對(duì)PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使機(jī)械手達(dá)到了生產(chǎn)線上工件自動(dòng)上下料的功能要求。

機(jī)械手；液壓系統(tǒng)；數(shù)控機(jī)床；自動(dòng)化生產(chǎn)線

0 引言

隨著工業(yè)化生產(chǎn)進(jìn)程的推進(jìn)，制造行業(yè)的生產(chǎn)自動(dòng)化程度越來(lái)越高。在高溫、粉塵、放射性強(qiáng)、大噪音的生產(chǎn)環(huán)境中，機(jī)械手得到了廣泛地應(yīng)用[1]。機(jī)械手已成為柔性制造系統(tǒng)（flexible manufacturing system，F(xiàn)MS）和柔性制造單元（flexible manufacturing cell，F(xiàn)MC）的一個(gè)重要組成部分。它可以完成大多數(shù)重復(fù)性的工件搬運(yùn)工作，可以使數(shù)控機(jī)床設(shè)備成為一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，加快加工生產(chǎn)的節(jié)奏，同時(shí)，節(jié)省了龐大的工件輸送裝置，因此，機(jī)械手裝置特別適用于機(jī)械大規(guī)模、自動(dòng)化流程的生產(chǎn)[2]。然而，目前在國(guó)內(nèi)大多數(shù)工廠的生產(chǎn)線中，數(shù)控機(jī)床裝卸工件仍由人工完成，其勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，且工人的作業(yè)安全性也不高。另外，考慮機(jī)械手的靈活性，國(guó)內(nèi)的機(jī)械手裝置大多采用氣動(dòng)控制的輕型機(jī)械手，但在加工較大的工件時(shí)，該機(jī)械手無(wú)法完成較大、較低的重工件的重復(fù)搬運(yùn)作業(yè)。同時(shí)，氣動(dòng)控制的機(jī)械手對(duì)氣源的密封性要求較高，且不利于現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。

為解決以上問(wèn)題，根據(jù)工廠數(shù)控加工生產(chǎn)線的實(shí)際需要，即生產(chǎn)線的具體工藝要求，本文設(shè)計(jì)了以液壓驅(qū)動(dòng)來(lái)控制的機(jī)械手裝置，計(jì)算與分析執(zhí)行手爪的力學(xué)性能，完成液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與液壓驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算，設(shè)計(jì)PLC控制系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明，整個(gè)機(jī)械手的功能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

1 總體設(shè)計(jì)方案

機(jī)械手上下料控制[3-5]的數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化生產(chǎn)流程如圖1所示。機(jī)械手搬運(yùn)的加工工件的質(zhì)量為30 kg，長(zhǎng)度為500 mm。生產(chǎn)流程如下：首先機(jī)械手接收操作指令，然后機(jī)械手臂作直線運(yùn)動(dòng)，夾取待加工工件，機(jī)械手的腰座部位作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將待加工工件送至數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工；待加工工件被加工完后，重復(fù)這一過(guò)程，將已加工工件送至工件物流自動(dòng)生產(chǎn)線，達(dá)到自動(dòng)進(jìn)、給料的目的。

圖1 機(jī)械手上下料的生產(chǎn)流程Fig.1The process of manipulator loading and unloading workpieces

根據(jù)目前工業(yè)機(jī)器人的4種結(jié)構(gòu)形式（直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)），以及自動(dòng)化生產(chǎn)線的要求，機(jī)械手機(jī)構(gòu)選用圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，因此，其具有3個(gè)自由度：1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和2個(gè)移動(dòng)自由度。圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的機(jī)械手具有運(yùn)動(dòng)范圍大、定位準(zhǔn)確，且機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。同時(shí)，考慮機(jī)械手的工作載荷、計(jì)算機(jī)控制和工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)機(jī)械手布局、定位精度的要求，機(jī)械手腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。機(jī)械手的水平手臂和垂直手臂均采用單活塞桿液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。電氣控制系統(tǒng)則采用西門(mén)子PLC控制系統(tǒng)[6]進(jìn)行機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的流程控制。

2 機(jī)械手核心部件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械手腕部件

數(shù)控機(jī)床加工生產(chǎn)上下料時(shí)，手腕部位僅作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，水平的行程為400 mm，垂直的行程為100 mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手腰部來(lái)實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)中，優(yōu)化了機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，以便于實(shí)際應(yīng)用。機(jī)械手手腕部件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。單活塞桿液壓缸安裝于水平液壓缸支撐座，其驅(qū)動(dòng)手腕部件作手臂的直線伸縮往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)機(jī)械手末端執(zhí)行器即執(zhí)行手爪抓取待加工工件，完成工件上下料作業(yè)。

圖2 機(jī)械手手腕部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2Manipulator wrist structure diagram

2.2 機(jī)械手末端執(zhí)行器

機(jī)械手末端執(zhí)行器（執(zhí)行手爪），是抓取工件上下料作業(yè)的關(guān)鍵部件[7]。根據(jù)數(shù)控機(jī)床的要求，考慮執(zhí)行手爪的抓力大小為30 kg及執(zhí)行可靠性，本文采用齒輪齒條式的手爪。齒輪傳動(dòng)具有傳動(dòng)準(zhǔn)確性高、穩(wěn)定可靠、傳遞力矩大等優(yōu)點(diǎn)。由于工件形狀為圓鋼型，工件質(zhì)量最大為30 kg，因此，設(shè)計(jì)手指的水平工作行程為40 mm，使其能抓取直徑為80 mm的圓鋼型工件。手爪結(jié)構(gòu)如圖3所示。活塞桿的驅(qū)動(dòng)力由液壓系統(tǒng)提供。活塞桿帶動(dòng)中間齒條，中間齒條再帶動(dòng)扇形齒輪旋轉(zhuǎn)，控制手指的張合。當(dāng)活塞桿向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，手指為夾緊狀態(tài)；當(dāng)活塞桿向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，手指為松開(kāi)狀態(tài)，執(zhí)行手爪放下工件。

圖3 機(jī)械手末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖Fig.3Manipulator actuator structure

2.3 計(jì)算執(zhí)行手爪夾緊力及液壓驅(qū)動(dòng)力

執(zhí)行手爪對(duì)工件的夾緊力必須滿(mǎn)足

式中：N為作用于工件的夾緊力；

k1為安全系數(shù)，通常取1.2～2.0；

k2為動(dòng)載系數(shù)，考慮慣性力的影響，可按k2=1+a/g估算，其中，a為機(jī)械手在搬運(yùn)工件過(guò)程的加速度m/s2，a=9.8 m/s2，g為重力加速度；

k3為方位系數(shù)，該值根據(jù)手指與工件的位置和工件形狀進(jìn)行選定，可根據(jù)公式k3=0.5sinf，計(jì)算得k3，而本設(shè)計(jì)中，手指水平放置，工件垂直放置，手指與工件之間的夾角為90°，f為摩擦系數(shù)，考慮機(jī)械手不同材料之間的摩擦力，取f=0.51，計(jì)算得k3≈1；

G為被抓持工件的質(zhì)量，30 kg。

通過(guò)計(jì)算得N≥120 N。計(jì)算活塞缸所需的理論驅(qū)動(dòng)力，即

式中：b為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離，根據(jù)設(shè)計(jì)需要為57.8 mm；

R為扇形齒輪分度圓半徑，為手指行程的一半40 mm；

N為手指夾緊力；

通過(guò)計(jì)算得活塞缸所需的理論驅(qū)動(dòng)力p=377 N。而活塞缸實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力為

式中：F為作用在活塞缸上的總機(jī)械驅(qū)動(dòng)力；

k1為安全系數(shù)，此處取1.2；

k4為工作條件系數(shù)，此處取1.1；

計(jì)算得Fc=920 N。而液壓缸的工作驅(qū)動(dòng)力是由缸內(nèi)油壓提供，故

式中：P為活塞缸工作油壓；

A為活塞桿截面積。

經(jīng)計(jì)算，所需的油壓約為3 MPa。

3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)加工生產(chǎn)線的要求，機(jī)械手裝置需要具備3個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)功能，即垂直手臂的上升、下降，單活塞桿液壓缸控制手腕部位的前伸、后縮，以及執(zhí)行手爪的夾緊、張開(kāi)[8-9]。表1為機(jī)械手裝置的主要性能參數(shù)。

表1 機(jī)械手裝置的主要性能參數(shù)Table 1Main performance parameters of the manipulator mechanism

液壓系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 機(jī)械手液壓系統(tǒng)控制原理圖Fig.4The schematic diagram of manipulator hydraulic system control

圖4中，M為液壓泵。電機(jī)選用三相交流電機(jī)。V1與V2為溢流閥，V1負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的總壓力，V2調(diào)節(jié)平衡回路的排油卸壓，起平衡負(fù)載作用。V3, V4, V5及V6為系統(tǒng)節(jié)流閥，分別控制系統(tǒng)進(jìn)出口油流量。1DT～6DT為系統(tǒng)的快速切斷閥，快速切斷閥采用24 V控制信號(hào)，控制通斷能使液壓系統(tǒng)快速響應(yīng)。具體控制過(guò)程如下。

1）當(dāng)1DT線圈得電時(shí)，液壓系統(tǒng)投入；當(dāng)1DT線圈失電時(shí)，液壓系統(tǒng)停止工作。

2）當(dāng)5DT線圈得電時(shí)，液壓油經(jīng)V5進(jìn)入活塞桿液壓缸，執(zhí)行手爪輕緩抓緊；而當(dāng)6DT線圈得電時(shí)，液壓油迅速回油，執(zhí)行手爪松開(kāi)，執(zhí)行手爪的速度由V5和V6調(diào)節(jié)。

3）當(dāng)位移傳感器有信號(hào)時(shí)，4DT線圈得電，液壓油經(jīng)V4進(jìn)入水平伸縮缸，手腕部位進(jìn)行輕緩前伸；當(dāng)液壓伺服閥得電時(shí)，手腕部位執(zhí)行回縮動(dòng)作，前伸動(dòng)作的快慢由V4調(diào)節(jié)。

4）2DT與3DT分別控制機(jī)械手裝置的上升與下降，上升的速度由V3進(jìn)行調(diào)節(jié)。

5）調(diào)節(jié)閥與快速切斷閥的控制由PLC系統(tǒng)來(lái)控制完成，機(jī)械手上升、下降與伸縮部位均設(shè)有行程開(kāi)關(guān)，以防止過(guò)行程時(shí)的不正常動(dòng)作。

4 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合考慮機(jī)械手的工作穩(wěn)定性、可靠性以及各種控制元件連接的靈活性和方便性，機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)選用國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的西門(mén)子S7-200型PLC。PLC控制系統(tǒng)的處理器選用CPU224型，其具有24路數(shù)字量I/O和8路模擬量I/O的特點(diǎn)；選用RS485通訊/編程口，其具有PPI 通訊協(xié)議、MPI 通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。PLC控制系統(tǒng)的主要I/O分配見(jiàn)表2所示。該系統(tǒng)的輸入點(diǎn)主要為機(jī)械手操作面板的命令控制與步進(jìn)電機(jī)的控制，輸出點(diǎn)主要為液壓系統(tǒng)快速切斷電磁閥與流量調(diào)節(jié)閥的控制。

表2 主要I/O地址分配明細(xì)表Table 2Main I/O address allocation list

PLC控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用西門(mén)子S7-200系列的編程軟件STEP7-Micro/WIN32。對(duì)機(jī)械手的3種主要運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行多液壓系統(tǒng)順序控制，采用梯形圖順序編程，以達(dá)到控制要求。

5 結(jié)論

根據(jù)數(shù)控機(jī)床加工生產(chǎn)線的上下料要求，設(shè)計(jì)了機(jī)械手裝置的核心部件及PLC控制系統(tǒng)。該機(jī)械手裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，通過(guò)力學(xué)性能的計(jì)算與分析，證明了機(jī)械整體性能較好，能滿(mǎn)足30 kg工件的上下料；液壓系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性較高，適合于要求機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、較重工件上下料的場(chǎng)合。

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（責(zé)任編輯：鄧彬）

Research and Design of Manipulator of CNC Machine Tool Based on Hydraulic Drive

Yuan Chuanlai1，Hu Can2，Yang Jianbo1
（1. School of Electrical and Information Engineer，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China；2. School of Mechanical Engineering，Tarim University，Alar Xinjiang 843300，China）

Aiming at loading and unloading of work pieces on the automatic production lines, designs the gear type mechanical structure of the manipulator wrist and execution hand claw. Adopts the hydraulic control system to control three actuators’ movement of the manipulator, including the vertical hydraulic cylinder for the vertical arm rise and fall, the horizontal telescopic hydraulic cylinder for the wrist stretch forward and backward retraction and the plunger hydraulic cylinder for the gripper clamping and open. Through analysis and calculation of the mechanical properties of the manipulator, proves that the manipulator device is simple and reliable, and has the ability to grip and handle 30 kg workpiece. The design of PLC control system enables the manipulator to realize the functional requirements of automatic workpieces loading and unloading on production line.

manipulator；hydraulic system；CNC machine tool；automatic production line

TG68

A

1673-9833(2014)03-0020-04

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.03.005

2014-03-12

湖南省科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（2012GK3087），國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（201211535018）

袁川來(lái)（1972-），男，湖南衡東人，湖南工業(yè)大學(xué)副教授，主要從事機(jī)器人與智能傳感器技術(shù)方面的研究，E-mail：chuanlai1972@163.com