基于液压与控制技术的机械手设计与分析

　　1.机械手机械本体设计

　　采用了四杆铰链机构，底座与步进电机相连，可沿导轨准确定位，适应于中小轻型物品的搬运和定位放置。分别用3个液压缸和一个丝杠控制，丝杠由电动机驱动，以实现在一个沿x轴的直线行走，一个沿y轴直线行走，一个沿z轴直线行走和一个绕z轴旋转的4个自由度。机械手工作时的运动过程：当货物到达时，机械手系统开始工作，旋转液压缸和伸出液压缸迅速定位到达工件上方，丝杠旋转下降，同时机械手液压缸卸荷，机械手爪张开，机械手到达工件中部，机械手液压缸加压，将工件夹紧。丝杠旋转上升，旋转液压缸开始旋转，伸出液压缸开始收缩，同时步进电机开始向前运动。放置工件时，机械手迅速定位至指定位置的上方，丝杠旋转下降，机械手液压缸卸荷，工件被放入指定位置。

　　2.手抓夹持面的应力分析

　　（1）夹持装置的材料特征。手爪夹持装置会频繁地夹持工件，因此，选择了低合金钢。这种钢可塑性好，有着比普通碳素结构钢更高的屈服强度和屈强比的材料。低合金钢还有着较好的冷热加工成形性，良好的焊接性，较低的冷脆倾向和时效敏感性， 以及较好的抗大气、海水等腐蚀能力。（2）夹持面受力分析。在实际生产应用中安全可靠生产是必须考虑的一个因素，应力分析与位移分析是对整个结构中主要受力部分进行安全系数评估。在应力分析与位移分析过程中，手爪的4个固定孔作为固定面，以手爪夹持工件的面为主受力面，整个分析过程中所施加给手爪的力为100 N，使用的材质是铝合金，最后分析安全系数为 1.5，满足了工作要求。（3）机械手运动学分析。机械手在运动过程中，其运动速度与时间的关系必须要在控制之中，这样才能够准确地计算出其运动的轨迹，在Pro/E的装配中，利用机构来装配其手部，模拟其手部的运动得出运动曲线。由机械手的运动曲线可知，机械手的运动模量变化较为稳定。

　　3.液压回路的设计

　　液压机械手的回路（见图2）设计主要由4个回路组成，控制机械手的升降、伸缩、抓紧与放松、回转4个动作，分别由3个直动式油缸和1个回转油缸组成。在液压回路设计过程中，通过两位四通的电磁换向阀控制换向，可以通过调节节流阀的节流口大小控制流量大小，从而控制液压缸运动的速度。此外，为了防止机械手爪误抓住人或其他物体之后造成伤害，在回路中安装了安全阀（溢流阀），当压力达3 MPa时，安全阀打开，所以回路中最高压力不超过3 MPa。液压回路很容易实现自动控制，可以通过PLC来控制换向阀就可以实现自动换向。此外，液压回路可以适应任何恶劣环境，比较容易维护，所以在自动控制中应用越来越广泛。