六自由度装夹机械手液压系统设计.pdf

2 0 1 3年 t 1月 第4 l 卷 第 2 2期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAUL I CS NO V ． 2 0 1 3 V0 1 ． 4 1 No ． 2 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 2 2 ． 0 2 7 六 自由度装夹机械 手液压系统设计 高勇 ，李园园 ，张伟 民 ，陈琪 1 ．中国地质大学机械与 电子信息学院，湖北武汉 4 3 0 0 7 4； 2 ．南京航 空航天大学航空宇航 学院，江苏南京 2 1 0 0 1 6 摘要六 自由度装夹机械手是一种新型的上下料工作装置 ，其供料过程用液压系统控制 ，从而实现大批量供料 自动 化。利用三维设计软件 S o l i d Wo r k s 进行液压系统结构设计 ，从结构方案的确定 、主要部件的设计计算以及系统原理图的确 定和电液伺服系统 P I D控制等几个方面对六 自由度装夹机械手液压系统进行了详细的分析，确保其性能 良好。实验和应用 证明该液压系统运转平稳，稳定性和调节性能较好 ，密封可靠 ，使用效果良好。 关键词机械手；液压系统；结构设计；尺寸计算 中图分类号T H1 3 7 文献标识码B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 2 20 7 4 4 De s i g n o f Hy dr a u l i c S y s t e m f o r S i x - DoF Cl i p M a ni p ul a t o r GA0 Yo n g。 ，L I Y u a n y u a n ，Z HA N G We i mi n ，C H E N Q i 1 ． F a c u l t y o f Me c h a n i c a l E l e c t r o n i c I n f o r ma t i o n．C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s ， Wu h a n Hu b e i 4 3 0 0 7 4 ，C h i n a ；2 ． C o l l e g e o f A e r o s p a c e E n g i n e e r i n g ，N a n j i n g U n i v e r i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ，N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 1 6，C h i n a Ab s t r a c t T h e s i x DO F c l i p ma n i p u l a t o r i s a n e w t y p e o f d i s c h a r g i n g d e v i c e ． I n o r d e r t o a c h i e v e h i g h v o l u me p r o c e s s i n g ，t h e d i s c h a r g i n g p r o c e s s i s c o n t r o l l e d b y h y d r a u l i c s y s t e m．T h e s t r u c t u r e wa s d e s i g n e d b y 3 D d e s i g n s o f t w a r e S o l i d W o r k s ．T h e n t h e d e t e r mi n a t i o n o f t h e s t ru c t u r e ，t h e d e s i g n c a l c u l a t i o n s o f t h e ma i n c o mp o n e n t s ，t h e d e t e r mi n a t i o n o f t h e s y s t e m d i a ga m a n d P I D c o n t r o l o n e l e c t r o h y d r a u l i c s e n ，o s y s t e m w e r e a n a l y z e d i n d e t a i l ．t o e n s u r e i t s p e r f o rm a n c e ．E x p e r i me n t s a n d a p p l i c a t i o n s p r o v e t h a t t h e d e s i g n e d h y d r a u l i c s y s t e m h a s fi n e e f f e c t b y i t s s mo o t h o p e r a t i o n a n d r e l i a b l e s e a l i n g ． Ke y wo r d s Ma n i p u l a t o r ；Hy d r a u l i c s y s t e m ；S t ruc t u r e d e s i g n；Di me n s i o n c a l c u l a t i o n 机械手是模仿人手的部分动作 ，按给定程序 、轨 迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动化机械装 置 ，也是典型的机电一体化产品。文中所研究的工业 装夹机 械手采是用液压驱动控制方式 的垂 直多关节 型 工业机械手，主要功能是实现六面体压机上下料过程 的自动化。其过程控制性好，可为液压控制型机械手 系统的设计提供理论指导 ，现将其设计过程进行简单 介绍 。 1 装夹机械手机械 系统 1 ． 1 机械 原理 该工业装夹机械手可完成夹紧工件、手臂转位、 松开卸料、手臂复位等基本动作 ，其三维模型如图 1 所示 。 4 l 一 机 座 2 一 大 臂 3 一 小 臂 4 一手 部 5 一腕 部 6 一 大臂摆 动 缸 7 一机 座 回转 缸 8 一小臂回转缸 9 一 腕部 摆 动缸 和手 部 夹紧 缸 l 小臂 摆动 缸 图 1 六 自由度装夹机械手 该机械手可实现 6自由度关节 运动 ，分别为机座 1 绕 自身轴线 3 6 0 。 旋转运动，大臂 2仰俯 2 5 0 。 运 动，小臂 3 仰俯 3 1 0 。 及绕 自身轴线 2 7 0 。 旋转运动 ， 腕部 4摆动 2 7 0 。 运动和手部 4直线夹／ 松动作。工 作循环示意图如图2所示。 收稿 日期 2 0 1 21 11 2 作者简介高勇 1 9 8 8 一 ，男，硕士研究生，研究方向为先进制造技术。Em a i l m m n n 2 0 0 5 1 6 3 ． c o m。 第 2 2期 高勇 等六 自由度装夹机械手液压系统设计 7 5 大臂 俯 仰 小臂 俯仰 腕 部摆 动 夹 持合 成块 机 座 回转 原点 I l 大臂俯仰 放置合成块 腕部摆动 小臂俯仰卜 ． 大臂俯仰 腕部摆动卜 _ 小臂俯仰卜 _ ’ { 大臂俯仰卜 退出工作空阋 卜 _ 小臂俯仰 机座回转I． 小臂俯仰 大臂俯仰卜 ． 夹持成品件 图2 六自由度装夹机械手工作循环示意图 1 ． 2末端执 行 器 夹持部分是工业机械手的重要部件。该工业装夹 机械手 手部 夹持机构主要 由上下两 夹板 手 指 、连 接杠杆 、销轴 、推杆 、板牙和夹紧油缸等组成 ，可实 现手部的松夹，如图3所示。夹板的夹紧与松开运动 由夹紧液压缸控制。夹紧液压缸在压力油作用下推动 活塞运动，活塞通过铰支点和导向槽处销轴铰接的连 接杠杆带动夹板始终相对平行移动 ，完成夹紧或松开 合成块的动作过程。其具体动作为 液压缸伸出，手 爪松开 同时推杆推 出合成块 ；液压 缸缩 回 ，手爪沿合 成块4 5 。 对角线夹紧上下两片 面。手爪主体长 1 2 0 m m，宽 1 0 0 m m，厚 5 m mo 图3 机械手夹持部分结构图 2 装夹机械手液压 系统设计 液压式工业装夹机械 手主要通过机座 回转 、手臂 空间位置调整、手部摆动和工件夹／ 松等动作完成送 取料任务。该机械手采用主要由液压缸 、油泵、液压 马达和各种阀组成的驱动系统，具有体积小、质量 轻、结构简单、控制方便等优点。 2 ． 1 系统原理分析与原理 图确定 分析机械结构方案可知，该机械手需要 1个单 作用单杆活塞缸、2个双向定量液压马达和 3个摆动 马达作为执行元件来完成机械手动作的驱动。由于该 机械手对调整范围、低速稳定性有一定的要求 ，因此 速度 的换接 、稳定性 和调节是该机床液压 系统设计 的 核心。 2 ． 1 ． 1 调速回路的选择 为保证运动有较好的低速稳定性和速度负载性 ， 所以采用变载荷液压回路。该回路双方向均可实现节 流调速 ，回油路油液始终具有一定压力 ，保证在进油 腔压力 出现负 载荷 的情况下 ，压力不会迅速下降 。因 此在负载正负变化过程中，执行元件因节流阀的调节 作用而平稳地运动，保证了液压系统的平稳性和可靠 性 。 2 ． 1 ． 2 卸荷 回路 的选用 因未加工合成块对夹紧力要求严格，为防止手部 夹紧力过大造成合成块的破损 ，一方面利用夹板内部 贴装压力传感器和电液压力伺服系统组成闭环控制系 统调节 ；另一方面采用二位二通阀控制先导溢流阀的 卸荷回路。当机械手手部液压缸进油路超过调定压力 时，压力继电器发出信号使二位二通阀通电，溢流阀 的远程控制口通向油箱，泵输出的压力油打开溢流阀 全部流 回油箱 ，实现卸荷 。 2 ． 1 ． 3 锁紧 回路 的选用 除液压缸控制回路外，其他双向定量马达和摆动 马达控制回路均采用了密封性能较好的单向阀和液控 单向阀。由液控单向阀组合成的双向液压锁紧回路， 能准确保证执行元件的双向锁紧。在切断液压回路的 进 、出油时，它可使得机械手本体平稳、可靠且长时 间地被锁停在 工作位 置 ，不会 因外力扰动影 响而发生 窜动，使得机械手定位更为准确。 2 ． 1 ． 4 夹紧回路设计 手部液压缸驱动所需压力小于系统调定压力 ，故 需在油路上增加减压阀以保证夹紧支路的压力恒定。 同时为防止因系统压力波动或意外断电导致合成块夹 碎或脱落等意外事故，应在减压阀后串联单向阀构成 锁紧保压回路。 最终液压 系统原理 图如 图4所示 。 7 6 机床与液压 第 4 l 卷 l ～油箱 2 一滤油器 卜 液压泵 4 一溢流阀 5 、3 9 一单向阀 6 、1 7 、1 8 、2 4 、3 0 、3 电磁伺服换向阀 7 、 8 、 1 5 、 1 6 、 1 9 、 2 3 、 2 5 、 2 9 、 3 1 、 3 5 一液控单向阀 9 、 1 1 、 1 3 、 1 4 、 2 1 1 、 2 2 、 2 6 、 2 8 、 3 2 、 3 4 一可调单向节流阀 l 0 、2 7 一定量双向液压马达 l 2 、2 l 、3 3 一摆动马达 3 6 一双作用单杆活塞缸 3 7 一压力继 电器 4 0 ～减压阀 4 1 一 二位二通换向阀 图4 液压系统原理图 2 ． 2 手部液压缸结构参数的确定 2 ． 2 ． 1 手部夹 紧缸 的计算 夹紧力需克服工件重力及运动产生的惯性力 ，以 保持可靠的夹紧状态。 夹紧力 F 计算 F ≥K G 1 式 中 为安全 系数 ； 为工作情况系数； 为方位系数，根据手指与工件位置不同进 行选择 ； G为被抓取工件所受重力。 查 机械设计手册取 K 2 ， 1 ． 5 ，K 3 4 ，且 已知 G 9 ． 8 N代人数据得 Fl21 ． 549 ． 81 1 7 ． 6 N 由手部连杆结构受力分析得驱动力 计算 2 3 5 _l 8 2 ． 9 N 2 ． 2 ． 2 夹紧缸直径 D的确定 根据负载值的大小查表 ，并参 考同类 液压机 械手 设计 ，此处选定液压缸的工作压力P 为 1 M P a ，为防 止工进结束时发生前冲，液压缸需保持一定回油背 压 ，取背压力P 0 ． 2 5 MP a ，最大负载为工进阶段的 负载 F ⋯ 9 1 ． 5 N，则有 p j 一 p z A 2 2 ， ， c m 式中 F 为液压缸最大负载力 ； 叩 为液压缸机械效率，取 0 ． 9 。 可计算液压缸无杆腔的有效面积 4 ． 一 苎 P 1一P 2 0 ． 9 10 ． 2 5 1 0 。 2 7 0 ． 9 X 1 0 ～m。 3 液压缸 内径 D av e／ ,． 一 、 1 8 ． 5 mm 4 根 据 G B 2 3 4 8 8 0 ，取标 准值 D 2 0 m m，活塞杆 直径 d 0 ． 5 D1 0 m m。 则液压缸无杆腔有效作用面积为 Al 盯D ／ 4 31 4 mm 有杆腔的有效作用面积 A 1 T D 一d 2 ／ 42 3 6 mm。 活塞杆 的面积 ， A， _r r d - 7 9 mm ‘4 - 经验证该设计 满足低 速稳定性 要求。 3液压系统控制设计 该系统采用了P I D控制器，使得系统具有较高的 频宽和精度。P I D控制器是一种线性控制器 ，它将偏 差的比例 P 、积分 I 和微分 D通过线性组合构成控制 量，对被控对象进行控制 。 3 ． 1 液压 系统 P I D工作原理 机械手电液伺服系统主要由电液伺服阀、伺服放 大器、液压缸 、控制器和压力传感器等组成。其工作 原理 当指令电压信号作用于系统时，液压缸输 出 力。该力由力传感器检测经 A ／ D转换为反馈电压信 号与指令电压信号相比较，得到偏差 电压信号输人到 控制器，控制器经 D ／ A转换输出的控制信号经伺服 第 2 2期 高勇 等六自由度装夹机械手液压系统设计 7 7- 放大器放 大后输入 到伺 服阀 ， 通过调节 阀芯 的位移产 生负载压差作用于液压缸活塞上，使输出力向减小误 差 的方 向变化 ，直至液 压缸能够 克 服外负 载 的干扰 ， 保 持稳定 的压力为止 。其原理如 图5所示 。 堕 I． 堡壁 墨卜 堕里墨 上输出 图 5 机械手液压 系统框 图 3 ． 2 液压 系统传递 函数的建立 简化 由 P I D控制器环节 、比例放大器环节 、反馈 环 节 、电液伺 服 阀环节和 阀控缸 一负载环节组成的 电 液伺服控制系统得到开环传递函数 G s 为 G s K p K f G s s 5 代入各环节具体表达式得 一 式 中K p 为比例放大器环节传递函数 ； 为反馈环节系数 ； G s 为电液伺服阀环节传递函数 ； H h s 为阀控缸 一 负载环节传递函数。 电液伺服阀环节传递函数 6 其 中 为 电液伺服 阀阻尼 比 ； K 为 电液伺服 阀流量放大 系数 ； ∞ 为 电液伺 服阀固有频率 。 阀控缸 一 负载环节在无负载干扰时的传递函数 H h s _ 7 s 其 中 为液压阻尼比； A 为液压缸活塞有效面积 ； 为液压固有频率。 将上述系统传递函数输入计算机，用经验试凑法 逐步调节比例系数 K 。 、积分系数 K 和微分系数 ， 最终可确定各环节在系统稳定工作 时的具体参数。 P I D控制器在此液压控制系统中能够满足实际要求， 体现了较强的鲁棒性。 4结束语 六 自由度装夹机械手液压 系统运转平稳 ，准确完 成金刚石合成块的上下料工作 ，机械密封可靠 ，说明 液压系统的选材、液压元件的选择及液压回路的确定 完全满足产品使用要求，同时在一定程度上适应了现 代技术向绿色化和智能化方向发展的潮流 ，可为同类 产品的设计提供参考经验。 参考文献 【 1 】 魏伟 ， 王彪． 电液 比 例位置控制系统的建模与数学[ J ] ． 安徽冶金科技职业学院学报， 2 0 0 9 ， 1 9 4 2 82 9 ． 【 2 】 寇雪芹 ， 谷立臣， 马玉． 带钢跑偏 电液伺服控制系统的 P I D控制器设计[ J ] ． 计算机工程与应用 ， 2 0 1 2 ， 4 8 7 2 3 52 3 7 ． 【 3 】 耿跃峰， 夏政伟． 四 自由度搬运机械手液压系统设计 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 2 2 4 2 4 3 ． 【 4 】 檀杰． 四自由度物料搬运机械手的研制[ D ] ． 武汉 武汉 理工大 学 ， 2 0 1 1 ． 【 5 】 贾 维宏． 模糊 P I D在锻压机液压系统 中的仿真研究 [ D] ． 太原 太原理工大学 ， 2 0 1 2 ． 【 6 】 王敏杰． 四自由度工业装夹机械手液压系统的设计与分 析[ J ] ． 机电信息， 2 0 1 1 2 4 1 6 71 6 8 ． 【 7 】朱梅． 具有五 自由度及张合气爪的液压机械手[ J ] ． 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