自動上下料機械手臂設計

陳志雄

(湖北職業技術學院，湖北 孝感 432000)

自動上下料機械手臂設計

陳志雄

(湖北職業技術學院，湖北 孝感 432000)

目前，我國的制造業正在迅速發展，越來越多的資金流向制造業，越來越多的廠商加入到制造業。本機械手主要與數控銑床組合最終形成生產線，實現加工過程（上料、加工、下料）的自動化、無人化。本設計能夠應用到加工工廠車間，滿足數控機床以及加工中心的加工過程安裝、卸載加工工件的要求，從而減輕工人勞動強度，節約加工輔助時間，提高生產效率和生產力。

上下料；機械手設計；自動化

1 機械手結構設計

（1）總體設計。在本次設計中，設計要求搬運的加工工件的質量達8kg，長度達95mm，同時在工作中需要滿足3種運動需求，其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個直線運動，另一個為機身的回轉運動。綜合考慮，機械手自由度數目取為3，坐標形式選擇圓柱坐標形式，即一個轉動自由度兩個移動自由度。文章針對機械手的腰部、手抓以及液壓系統這三個重要部分進行詳細設計。

（2）機械手腰座結構設計。工業機械手腰座是指圓柱坐標機械手、球坐標機器手及關節型機械手的回轉基座。腰座回轉的驅動形式要么是電機通過減速機構來實現，要么是通過擺動液壓缸或液壓馬達來實現。考慮到一般電機都不能直接驅動，同時轉速以及扭矩的具體要求比較多，為了降低成本，機身回轉機構這里也采用液壓馬達驅動。腰座具體結構如圖1所示。

圖1 腰座結構圖

（3）機械手手爪的結構設計。機械手末端執行器俗稱機械手手爪，是安裝在機械手手腕上用來進行某種操作或作業的附加裝置。楔塊杠桿式手爪、滑槽式手爪、連桿杠桿式手爪、齒輪齒條式手爪、平行杠桿式手爪。本次設計選擇的是齒輪齒條結構手爪。即通過活塞桿的直線運動與齒輪式手指嚙合，轉化為手指的張合運動。

（4）機械手液壓驅動系統。液壓系統在機械手中所起的作用是通過電——液轉換元件把控制信號進行功率放大，對液壓動力機構進行方向、位置、和速度的控制，進而控制機械手手臂按給定的運動規律動作。液壓動力機構多數情況下采用直線液壓缸或擺動馬達，連續回轉的液壓馬達用得很少。在工業機器人中，中、小功率的液壓驅動系統用節流調速的為多，大功率的用容積調速系統。節流調速系統，動態特性好，但是效率低。容積調速系統，動態特性不如前者，但效率高。機器人液壓驅動系統包括程序控制和伺服控制兩類。

能實現擺動的驅動系統有很多，如電機驅動、馬達驅動、齒輪齒條機構、擺動氣缸等。步進電機驅動能實現精確控制，能實現精準的機身擺動，但控制比較困難，且容易受到外界的干擾。最主要的是筆者所設計的機械手都是用液壓系統，如果轉動部分應用電機，會增加成本，違背現代設計的原則。齒輪齒條驅動也能實現機身的旋轉，但齒輪齒條也要有驅動部分，如電機、馬達等，這也比較復雜。擺動氣缸是氣壓元件，不適合本設計。而液壓馬達就相當于擺動液壓缸，能很好的實現機身的擺動且有很強的動

力，完全滿足本設計的要求，最主要的是與其他液壓元件共同一起實現一個整體，控制起來更加方便，大大節省了設計及制造成本，體現了科技進步的要求。綜上所述，本次設計實現機身擺動的元件選擇液壓馬達。具體到本設計，在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個因素。機械手腰部的旋轉運動需要一定的載荷動力，故采用液壓擺動馬達驅動來實現；因為采用液壓執行缸來做水平手臂和垂直手臂，故大小臂均采用液壓驅動。而手爪的張開和夾緊通過液壓柱塞缸活塞與中間齒輪和扇形齒輪配合來實現，即手爪在柱塞缸推力作用下通過活塞桿端部齒條、中間齒輪及扇形齒輪使手指張開和閉合。

2 機械手控制系統的設計

2.1 系統總體方案

機械手的總體框圖如圖2所示，通過傳感器收集的信號經過放大處理傳入單片機中，連到各個事先設定好程序的引腳上，由單片機來控制電磁閥的開合，從而實現對液壓缸伸縮的控制，或直接控制液壓馬達。

圖2 機械手的伺服運動控制系統的系統框圖

2.2 電路設計

單片機的許多應用都需要進行人機對話，鍵盤是解決計算機輸入的簡單手段；借此可以向計算機輸入程序、置數、送達操作命令、控制程序的執行等等，人機交互接口采用鍵盤方式，本系統中采用SPI串行通信接口分時復用方式擴展鍵盤電路和顯示電路。

（1）顯示電路設計。顯示部分采用共陰LED數碼管，可對行程開關狀態、操作數等進行顯示。顯示時采用串行口輸出段碼，用6個DPY7-SEGDP數碼管。應用了型號為74HC138型號的譯碼器，可接受3位二進制加權地址輸入。同時ULN2803型功率放大芯片為數碼管顯示電路提供了足夠的功率。

（2）復位電路設計。復位電路的振蕩啟動定時器OST作用或輸入為低時，單片機將保持復位狀態。復位時，單片機狀態被設定如下：振蕩器工作或啟動，包括電源上升啟動或睡眠啟動；I/O控制寄存器設定為全“1”，使所有的I/O引腳處于高阻狀態（即輸入態）；程序計數器PC設為全“1”；狀態寄存器F3的程序頁面選擇位（最高2位）清零。

（3）晶體震蕩電路設計。石英晶體震蕩的三個端口分別與PIC單片機的引腳OSC1/CLKIN、OSC2/CLKOUT以及運動控制芯片LM629N的CLK引腳相接。在單片機采用石英晶體振蕩器時，所采用的電容器和產生的頻率有所不同。電容值取大有利于震蕩的穩定，但卻會延長起振時間。文章選用高速（HS）振蕩器，頻率為8MHz，故PIC的指令周期為0.5，相應電容選擇30PF。OSC1為單片機的振蕩信號輸入端，這個端用于外部震蕩信號輸入。

3 結語

文章所設計的是一個三自由度機械手，主要就是通過馬達帶動機身的擺動和液壓缸實現機身的起降以及液壓缸驅動手臂伸縮。本次設計在滿足系統工藝要求的前提下，將機械手系統中相對獨立的環節采用高性價比且相對簡潔的結構形式和控制系統，采用模塊化設計，大量采用標準化、模塊化的通用元配件，從而使成本大為降低，具有顯著的技術經濟性。

Design of the Automatic up-down material M anipulator

CHEN Zhi-xiong
（Hubei Vocational and Technical College，Xiaogan，Hubei 432000，China）

At present，manufacturing industry in China is developing rapidly，more and more money are flowing into manufacturing，more and moremanufacturer take part inmanufacturing.The unmanned and automatic implementation process (feeding，processing，cutting)is realized bymainly combiningwith CNCmillingmachine to form a production line.This design can beapplied to the processing factoryworkshop，tomeet the needs in the processof installation and unloading ofmachining in processing centerand NCmachine，so as to reduce labor intensity，save processing auxiliary time,improve production efficiency and productivity.

up-downmaterial；manipulatordesign；automation

TP241

A

2095-980X(2016)08-0038-02

2016-07-14

陳志雄（1965-），男，湖北漢川人，大學本科，副教授，主要研究方向：機械設計、數控加工。