典型机电一体化系统之机械手

典型机电一体化系统之机械手

机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。由以下结构：执行机构——驱动-传动机构——控制系统——智能系统——远程诊断监控系统，五部分组成。机械手的设计构想是以人的手为基础，以机械拉来实现人的动作，它的动作由以下四部分来实现：1、自由度的旋转 2、肩的前后动作 3、肘的上下动作 4、腕(手)的动作

驱动-传动机构与执行机构是相辅相成的，在驱动系统中可以分:机械式、电气式、液压式和复合式，其中液压操作力最大。控制系统采用西门子PLC控制。运动形式:动力臂有旋转(300°)、前后、上下三自由度运动，均由三个液压伺服系统控制(其中旋转系统为开环控制，其它两系统均为具有位置及动压反馈的闭环系统。)结构图如下

工业机械手性能概要

工作压力 130 bar 冷却系统启动油温 40℃，安全阀开启压力 210 bar油温最高许用温度 60℃，最大输出流量 87 L/min，电机功率 22 KW，电机转速 1450 转/min，负载能力 30~600 Kg，工作频率 250~300 次/h，最大工作范围 6~8 m，许用超载 20%<额定负载。

工业机械手的结构是基于模组块系统上的，模组块系统适合于提高移动的速度或特殊类型的工作。在设计上考虑维修的简单性。维修的人员需要具备一定的资格，应能处理一般的机械设备的问题或通常液压件的安装。

工业机械手传输在末端工具上的力或负载的感觉到操作者的手中(动力反馈)“动力反馈”的意思是在机械手臂末端上的力有一小部分反馈到操作柄。减少比率意味着操作者必须用2公斤的力才能将工具额定的负载举起。对于动力反馈，操作者有机会感觉在方位、肩部和肘部的轴的负载改变的不同情况(惯性和加速度)。通过提供额外的力，操作者可以优先确定使用的力和搬运的路径，目的是为了获得一个快慢速。

（1）动力臂的机械构造

动力臂由上臂和一个较底臂(下臂)连接组成，它建立一个围绕垂直轴旋转的支撑上。在垂直面的运动是围绕水平轴(称之为肩轴)的上臂运动和围绕第二个水平轴(称之为肘轴)下臂的旋转运动叠加而获得的。上臂的运动是通过液压缸直接控制，下臂的运动是由液压缸通过一个可以围绕肩轴旋转并且通过一个传送横梁来控制。方位角的运动是通过一个安装支撑面上的液压马达进行控制的，马达通过与基础板连接的差动器的侧伞齿轮上的小齿轮来带动。通过横梁和和肘部零件的连接保持最终配置部件的位置恒定不便。这样上臂和下臂的运动各

自具有独立的方向。

（2）控制和伺服系统

操纵臂包含通过三个控制电路操控动力臂所有元件。操纵柄包含所有控制配置装置上工作头的功能操控装置。

（3）旋转元件

通过电磁阀的操作，可以启动配置部件及末端工具的移动，若电磁阀未启动，他们应处在停止位置，而电磁阀是由操作柄上的电按钮控制的，这些按钮的操作应按照相应的说明书。这些电磁阀装在动力臂的下臂上。与电磁阀装在一起的还有溢流阀和节流阀。节流阀（流量控制器）可以控制移动速度恒定，溢流阀（压力阀）则可以消除压力高峰，并限制机械手过载。

（4）速度控制系统

该系统用于控制机械手方位角的移动（旋转），在一些应用中也用于末端工具的移动。 控制信号是由操纵臂的转动带动电位计产生，电位计两端电压为±15V。电位计输出的电压输入控制电路板转换成相似电流（xmA）输给电液伺服阀，电液伺服阀控制液压马达带动机械手产生方向角转移，控制电压的极性决定移动的方向。当需要紧急停止时，可以通过电磁换向阀关闭马达，当出现过载时，由溢流阀调节系统压力保持油压不会过高（同时可以通过电磁换向阀关闭系统），节流阀并接在马达的进出油口之间，它可以调节马达的转速。 该系统没有反馈装置，是一个开环控制系统，所以机械手是否移动到预期的位置，取决于操作者的观察和协调一致的操作。

（5）位置控制系统

动力臂的运动由闭环控制系统控制，它的移动总是和操作者摆动操纵臂的位移成比例。 操作臂上的电位计随该臂的移动给出一个控制电压，同时动力臂的移动带动反馈电位计产生一个极性相反与位移成比例的反馈电压，两者同时输入电子控制器进行比较产生偏差电压，经过电子控制器的转换，输出一相应的电流信号给电液伺服阀，从而操控动力臂移动到操控所要求的位置，若偏差信号为“0”，于是动力臂将停止在这个位置。

该系统并装有压力传感器，它将负载信号输送到电子控制器，起到动压反馈的作用，它将改善系统的动态特性（如：稳定性等） 负载反传系统（原名：动力反馈系统） 工业机械手，为了给操作者在操作过程中能有负载变化的感觉，设置了将机械手传输在末端工具上的力或负载成比例地传到操作者手中的装置。它使操作者必须使用两公斤的力才能将工具额定的负载举起，可以让操作者有机会感觉在方位、肩部和肘部的轴的负载改变的不同情况（惯性和加速度），通过操作力的改变，操作者可以正确的确定使用的力和搬运的路径，目的是为了获得一个快速和最佳的工作周期。 （6）总的操作方法

该机械手采用液压变量伺服系统和液压传动系统进行操控。

高压油由一台恒压轴向柱塞泵输出，该泵通过一个过滤精度为25μm(微米)的吸滤器从油箱中吸油，通过一个过滤精度为3~5μm的高压油滤将高压油输送到系统中，额定工作压力为130bar，油压的额定值由泵的调节机构保证，故不会超过。

在高压输出管路上并联，装有一台20L的蓄能器，它可以消除系统的压力波动，在需要大流量时它可以输出部分流量，当系统需要较小时，它可以吸收部分多余的流量，故而可以起到稳定系统压力的作用。在蓄能器与泵之间装有单向阀以阻止油泵停止工作时高压油回流到油泵，同时装有压力表，可以指示系统压力值。

如果系统压力超过80bar时，压力开关（开关2）将控制仅允许动力臂移动，当油泵停止工作时，将打开一台电磁换向阀，将蓄能器的存油放回到油箱。

需要补充说明一点，方位系统中装有限位开关SW3和SW4，他们的作用是将方位角的移动控制在300°的范围内。限位开关装有机械手的移动部分，由装在末端部分置于基座上的凸轮开动它们，第一限位开关（SW3）将方位运动速度降低，第二限位开关（SW4）将机械手的动作停止。当靠近末端位置并且两个限位开关都开动时速动仍然非常高时，这就要完全切断电路和油路，让动力臂停止在瞬间位置上。

要重新开动机械手时，必须按住位于操作柄上较低位置上的按钮(7)，它应一直被按着，直到动力臂重新达到工作区。

机械手的控制原理 1. 机械手的控制原理

下图所示为一简易物品搬运机械手的动作示意图，该机械手是一个水平|垂直位移的机械设备，用来将工件由左工作台搬运到右工作台，当机械手处于原点时，左限开关位和上限位开关被压合，启动以后，机械手沿—Z方向向A点（工步1），夹紧工件然后回到原位（工步2），在沿X方向移向B点，放下工件（工步3），最后回到原位（工步4）完成一次动作循环，对上述动作过程，若采用常规的继电器控制，则很难识别以下两种情况下所出现的问题：一是机械手向下移动时，不能识别A点，还是向B点移动；二是在2、3工步，是先回到原点，然后向右，还是直接由A点向右位移到B点。而采用PLC的步进功能来实现对这一动作过程进行控制，不仅能有效的避免上述动作的二义性，而且是整个控制过程准确、直观。

（动作示意图）

2运动控制方式

其运动控制方式为：(1)由伺服电机驱动气控机械手(有光电传感器确定起始0点)；(2)由步进电机驱动丝杠组件使机械手沿X、Y轴移动(有x、y轴限位开关)；(3)基座主要支撑以上2部分；(4) 机械手的全部动作由气缸驱动，而气缸则有相应的电磁阀控制。其中，上升、下降和左移、右移分别由双线圈而为电磁阀控制，例如当下将电磁阀通电时，机械手下降；当下将电磁阀断电时，机械手下降停止，只有当上升电磁阀通电时，机械手才上升；当上升电磁阀断电时，机械手上升停止。同样，左移、右移分别由左移电磁阀和右移电磁阀控制。机械手的放松夹紧有一个单线圈二位电磁阀（称为夹紧电磁阀）控制。当该线圈通电时，

机械手夹紧，该线圈断电时，机械手放松。当机械手右移到位并准备下降时，为了确保安全，必须在右工作台上无工作时才允许机械手下降也就是说，若上一次搬运到右工作台上的工件尚未搬运走，机械手应自动停止下降。

其工作过程为：当货物到达时，机械手系统开始动作；步进电机控制开始向下运动，同时另一路步进电机控制横轴开始向前运动；伺服电机驱动机械手旋转到达正好抓取货物的方位处，然后充气，机械手夹住货物。步进电机驱动纵轴上升，另一个步进电机驱动横轴开始向前走；直流电机转动使机械手整体运动，转到货物接收处；步进电机再次驱动纵轴下降，到达指定位置后，气阀放气，机械手松开货物；系统回位准备下一次动作。

（机械手动作过程分解图）

从原点开始，按下启动按钮时，下降电磁阀通电，机械手下降。下降到底时，碰到下限开关，下降电磁阀断电，机械手下降停止；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧。夹紧后上升电磁阀通电，机械手上升。上升到顶时，碰到上升限位开关，上升电磁阀断电，上升停止；同时接通右移电磁阀机械手右移。右移到位时碰到右限位开关，右移电磁阀断电，机械手右移停止。若此时工作台上无工件则，则光电开关接通，下降电磁阀通电，机械手下降，下降到底时，碰到下限位开关，下降电磁阀断电，机械手下降停止；同时加紧电磁阀断电；机械手放松，放松后，上升电磁阀通电，机械手上升上升到顶时，碰到上限为开关，上升电磁阀断电，上升停止，同时接通左移电磁阀，机械手左移，左移到原点时，碰到左限位开关，左移停止，一次动作结束。我们还可以根据动作分解图和控制将机械手的操作分为：手动操作、单步操作、单周期操作和连续操作。

手动操作：就是用按钮操作对机械手的每一种动作单独进行控制，例如，当选择上下动作时，按下启动按钮，机械手上升：按下停止按钮，机械手下降，当选择左右运动时，按下启动按钮，机械手左移；按下停止按钮时，机械手右移。当选择加紧放松运动时，按下启动按钮，机械手夹紧：按下机械手停止按钮，机械手放松。

单步操作：每按一次启动按钮，机械手完成一步动作后自动停止。 单周期操作：机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手将自动完成一个周期的动作，然后停止在原起始点位置。

连续操作：机械手从原点开始，按一下启动按钮，机械手的动作将自动的、连续不断地周期性循环。

在工作中若按一下停止按钮，机械手动作停止，重新启动时，需用手动操作方式将机械手移回原点，然后按一下启动按钮，机械手又重新开始连续操作。在工作中若按一下复位按钮，则机械手将继续完成一个周期的动作后，回到原点，自动停止。

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