工業機械手的仿真設計

趙彥軍

（甘肅機電職業技術學院，甘肅 天水 741000）

0 序言

機械手受程序控制來完成各種要求的預設動作，在結構和性能上兼有人和機器的優點，尤其體現了人的智能和適應性。雖然機械手目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復勞動、不知疲勞、不怕危險、重復精度高、抓舉重物的力量比人手力大等特點，所以已普遍投入醫療、軍事、礦產、焊接、物流、餐飲及產品生產線等領域中。從工業機械手的普及現狀、發展趨勢及應用效果來看，生產生活中，人們對其有極強的需求和依賴性。所以，機械手在未來的生產領域有著廣闊的發展前景[2]。越來越多的研究者和設計人員投身其中，為提高其產品研發效率，孜孜不倦，默默耕耘。

1 機械手概述

1.1 工業機械手的組成

通常，工業機械手由驅動裝置、執行機構、控制系統三大部分組成。隨著工業技術的不斷提升，部分智能機械手還具有檢測裝置、感覺系統和智能系統。其具體結構如圖1所示。

圖1 機械手結構

1.2 工業機械手運動方式

工業機械手可通過機座和立柱的支撐，利用液壓、氣壓、電氣或機械驅動的方式，使立柱、手臂、手腕及手部完成相應的動作，進而實現抓取或搬運物料的目的，其運動方式如圖2所示。

圖2 工業機械手運動方式

2 機械手設計過程

普通機械手設計時可依據所設計機械手的工況要求，先對其完成外觀結構設計，接著依據工作對象選擇合理的驅動裝置，然后再對其進行控制程序的設計和仿真。隨著工業機械手應用規模的日益擴大，當前對其設計時多采用模塊化的思想[3]。該思想就是參照生產實際要求的功能，把一些機構部件在現有的基礎上進行組裝，再配上專門設計的驅動和控制系統，就成為了能夠實現既定功能的機械手。

模塊化設計的優點在于可以通過模塊的重組，構成不同功能、規格的產品系列。在產品的功能要求發生改變時，只需進行柔性化改造或單個構件的優化升級，通過調試后，很快又可以投入生產，降低了產品二次開發設計的成本，提高了產品設計研發的經濟效益，在提高部件維護更新的同時，也提高了機械手的工作效率。

2.1 工業軟件技術下的執行機構設計

依據如圖2所示的工業機械手運動方式，分析各元件所需功能及工作過程。

2.1.1 所需構件

近年來，腦缺血性疾病發病率逐年攀升，病死率及致殘率非常高，嚴重威脅到人們的生命健康，及早診斷及早治療是避免疾病惡化、降低病死率及致殘率的關鍵。64排CT血管造影（CTA）可準確將腦血管狀態顯示出來，更為客觀、準確的對腦動脈狹窄程度及部位等評估[1] 。研究選取收治于本院的60例缺血性腦血管病患者，采用CTA檢查，取得顯著效果，現總結報道如下。

首先要有抓取物料的手部，通常為夾持式或吸盤式；其次需要有帶動手部運動的臂部，常為液、氣壓控制的活塞缸、電氣驅動的齒輪齒條及帶輪機構；最后，還有對前者起支撐連接作用的底座或立柱等構件。

2.1.2 各構件功能

由于立柱要實現垂直往復的升降運動，該運動可通過配置垂直氣缸，由其進排氣口位置的變化而把活塞的運動轉化為連桿或連接件的運動，進而實現立柱垂直升降的運動目的；同理，臂部的水平左右移動可配置水平氣缸，通過其活塞的左右移動，帶動手部及其下端吸盤的水平移動；手部前端的吸盤要完成吸取和放下物體的動作，可通過配置連接有真空罐的氣缸而實現吸盤口排氣則放下物體、吸盤口抽真空則吸附物體的動作。

2.1.3 機械手工作過程

機械手工作時，從某一初始位置開始，將實現：手臂下降、吸取物體、手臂上升、向右平移、手臂下降、放下物體、手臂上升、向左平移，直至回歸原位的循環往復運動，具體工作過程如圖3所示。

圖3 機械手工作過程

2.1.4 三維模型設計

結合圖2所示的機械手，利用AutoCAD、CAXA、UG或ProE等工業軟件和技術軟件，設計出由支架、三個氣缸、立柱、臂部和帶吸盤的手部組成的如圖4所示的搬運機械手。

圖4 氣動搬運機械手

2.1.5 工業軟件進行執行機構設計的特點

本例對機械手執行結構采用工業軟件技術設計時，為無紙化的綠色設計。各構件組裝關系可實現動態演示，故其外觀結構及運動方式直觀可見、清晰易懂。由于構件布局及形狀易于修改，所以該模型具有傳承性，不用重復設計。整個設計過程中，凸顯了高效率、低成本、直觀、易調整和可傳承等特點。

2.2 工業軟件技術下的驅動系統設計

機械手通常利用液壓、氣壓、電氣或機械方式驅動。其中液壓或氣壓系統可通過MapleSim或FluidSIM等軟件仿真設計；電氣系統通過Altair Flux或CASPOC等軟件仿真設計；機械驅動系統通過SolidWorks、COSMOSMotion或ProE等軟件仿真設計。筆者以FluidSIM軟件為例，對機械手氣壓系統進行仿真設計。

2.2.1 單個氣壓缸的運動過程

單個氣缸工作時，當其下方連接的換向閥處于左中右不同位置時，氣缸將執行不同的動作。換向閥左位時，氣缸右移，活塞桿將帶動連接件共同右移；換向閥右位時，氣缸左移，活塞桿將帶動連接件共同左移；換向閥中位時，各氣口全部封閉，活塞桿靜止不動，其運動過程如圖5所示。

圖5 單個氣壓缸工作過程

2.2.2 機械手氣壓驅動系統設計

筆者所設計的機械手按照功能要求，共需3個氣缸，其氣壓驅動系統設計如圖6所示。圖6中，3個換向閥依次單個工作。當左側第一個換向閥工作時，水平氣缸帶動活塞桿執行左右水平往復及中間位置靜止不動的動作。當中間位置換向閥工作時，垂直氣缸帶動活塞桿執行垂直上下往復運動及中間位置靜止不動的動作。當右側換向閥工作，其處于左位時，吸盤口中被抽為真空而將其下方的物體緊緊吸附，實現吸取物體的目的；當該換向閥處于右位時，吸盤口中排出氣體，其下方物體將被吹落，進而實現放下物體的目的；當該換向閥處于中位時，吸盤口中沒有氣流的進出，因無法實現物體的抓取或放下而保持不動。

圖6 吸盤工作過程

2.2.3 工業軟件技術進行驅動系統設計的特點

工業軟件技術進行驅動系統仿真設計時，系統構件連接靈活，只要求按預定功能執行相應的動作，沒有嚴格的尺寸限制。系統設計完成后，可進行自動檢測并有糾錯提醒功能，設計者可隨時調整并完善。整個系統中相關參數可進行設置，設計后期可以通過動態演示觀摩系統的驅動過程。整個設計過程更趨于智能設計，仿真效果與真實驅動基本一致，具有較高的借鑒性。

2.3 工業軟件技術下的控制系統仿真設計

2.3.1 設計現狀

機械手最核心的部分之一是控制系統[4]。在工業機械手控制領域，PLC技術已取代傳統繼電接觸器的控制而被廣泛應用，并將迎來快速增長期。陳力、郭志冬等研究認為[5-6]，機械手自動上下料系統可由PLC控制，此控制能實現機械手快速、穩定和高精度的運行及柔性化控制，此處不再贅述。

2.3.2 設計過程

常用的PLC軟件有S7-200SMART、SIMATICManager STEP7、GX-developer等，設計者可依據具體條件選擇。此類控制系統設計時，需要依次完成：機械手機械結構和控制要求設計、輸入/輸出點地址分配、控制功能圖分析和設計、PLC梯形圖的程序輸入、程序仿真調試共5個內容。

2.3.3 動態仿真

完成控制系統編程后，設計者可通過ADAMS、MCGS或組態王等軟件，通過與PLC程序的連接，進行實時數據的傳輸和動畫的演示，如圖7所示。此環節能實現程序與執行元件的同步運行，直觀地展示機械手的虛擬運行狀況，設計者仍可進行程序修改和完善。至此，機械手仿真設計全部完成。

圖7 吸盤機械手組態仿真

3 結束語

筆者全面搜集、整理了工業機械手仿真設計的過程，設計者可通過不同的工作場合、環境、需求而選用相應的執行機構、驅動系統、控制系統和仿真軟件。本著系統布局、逐層設計的理念，完成每個環節的設計和優化。旨在為企業員工和在校學生提供機械手設計的可傳承模板，為其梳理思路、指引方向、提高設計效率。