工业机械手

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 　　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。 　　机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。 机械手由以下结构： 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 　　该控制系统的设计是可以给操作臂一个信号的动力反馈系统。该工作臂类似一个伸缩仪。在方位、肩部和肘部上的三个轴直接控制位置，利用主臂控制速度。在机械手的操作柄有一个按钮来控制工作头（降低、翻转、倾斜和抓住的装置）。控制系统的特性是可以使操纵器以一定的速度和精确性进行工作。 　　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。 1.1、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。 1.2、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。 1.2.1、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。 1.2.2、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。 1.2.3、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） 2.1、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。 3.1、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。 　　在操作者的座位底下有一个限位开关，如果操作者离开座位，限位开关将断开电路，阻止机械手开动，也就是说只有人坐在座位上机械手才可以开动。 3.2、供给部件(泵站) 3.2.1供给部件的任务 　　供给部件的任务是给机械手提供夜压动力和电力，电力连接车间主要电源。 3.2.2、供给部件的简述 　　补给部件主要由：油箱、油泵、电机、管路、液压控制阀门、检测元件及电控部分组成，所有电器元件都装在电控箱内。油箱容量为200L，带有过滤精度25微米油滤的吸油路可以阻挡大于25微米的杂质进入油泵。泵是恒压轴变量向柱式，工作压力为130bar，输出流量为87L/min。蓄能器的入口还装有一台安全阀，其调定压力为210bar以阻止压力太高对系统造成的破坏。 　　泵站上设有风冷式冷却器机械手回路中温度超过40℃，它将启动散热，温度由冷却器入口处的温度调节装置进行控制，由于装了冷却器可以使液压油的温度不超过60℃。在液压系统的压力不正常下降(如:管路破裂)将通过压力开关关闭模块电路，使机械手立刻停止移动，关闭整个设备。几秒种后，如果仍没有压力或设备仍关闭，补偿弹簧将使操纵臂达到终点位置的上部，在静止位置动臂缓慢地下沉到终点位置的下部。 3.3.1、操纵臂的描述（原为：主臂的描述） 　　用以提供操作者进行操作的机构是一个安装在靠近操作者座位右边的可移动装置称为操作臂（主臂）。一个外罩包括所有的控制元件。负载反传液压缸安装在控制杆的末端，它的作用是给操纵臂加负载。在操纵臂的内恻有两组金属板保护的弹簧，弹簧提供必要的负载反传的补偿。通常补偿设定在0负载。 3.3.2、负载反传装置的功能 　　负载反传（原：动力反馈）是由一对小的液压缸提供的，在两个方向上运行，它与动力液压缸并联，它始终把一个与动力臂上作用的负载成比例的力加在操纵杆上，让操纵者有力作用到末端工具上的感觉。 3.4.1、电力控制系统包括以下5个类： 一个电力控制装置 三个主要的<