伺服機械手

它具有動作靈活可控、定位準確可靠、負載驅動力高、環境適應力強等特點。目前，多自由度機械手廣泛應用於鋼鐵、海洋、石油、化工、物流搬運等生產自動化行業，大大減輕了工人勞動強度和勞動條件，提高了生產效率，穩定了產品質量。

現有的大部分機械手採用電機作為動力，具有結構簡單、重量輕、動作迅速、工作可靠、節能和環保等優點，但是，電氣機械手負載相對較小，並且要有配套的減速設備，對抗衝擊和高負載方面沒有優勢。而液壓機械手採用液壓動力，運用電液伺服控制，具有動作靈活、負載剛性大、精度高、響應速度快、功率重量比大的優點，比較適合大功率負載搬運的場合。

但是，在液壓機械手中液壓系統的不合理設計，往往會導致傳動效率較低，這是一個需要長期研究解決的問題。 ^[1] 

對於注塑生產中使用的機械手,一般可按其功能分為以下三種類型：

1）簡易型注塑機械手；2）記憶再現型注塑機械手；3）智能型注塑機械手。 ^[2] 

1、系統工作原理

液壓機械手系統如圖1所示。

系統主要由夾取機構、俯仰機構、推拉機構及迴轉機構五自由度機構組成。迴轉機構由兩個液壓馬達和迴轉平台組成，構成機械手在水平面上的迴轉自由度；俯仰機構由兩個舉升液壓缸和連桿組成，構成機械的升降自由度； 推拉機構由一個推拉液壓缸和連桿組成，構成機械手伸縮自由度； 手抓機構由一個液壓馬達、一個液壓缸和手抓部分組成，構成機械手手抓的旋轉與夾取自由度。五自由度機構組成機械手姿態調整系統。

機械手工作原理為： 由兩個液壓馬達驅動機械手旋轉運動； 由兩個舉升液壓缸驅動機械手舉升運動； 由一個推拉液壓缸驅動機械手推拉運動； 由一個液壓馬達驅動手抓旋轉運動； 由一個液壓缸驅動手抓張合運動。

2、主要性能指標

主要性能指標如下：

（1） 重複定位精度：<±1mm；

（2） 最大工作半徑：5000mm；

（3） 工作高度範圍：500mm～4000mm；

（4） 液壓缸速度：≤300mm/s；

（5） 馬達迴轉速度：≤45/s；

（6） 工作環境温度：<1150℃。

液壓系統原理

考慮到機械手性能指標和工作要求，液壓機械手系統原理如圖2所示。

該系統由迴轉機構驅動迴路、俯仰機構驅動迴路、推拉機構驅動迴路、手抓機構驅動迴路等主要部分組成。

圖2中，迴轉機構驅動迴路主要由兩個液壓馬達和兩個比例閥、電動球閥組成。兩個比例閥控制兩個液壓馬達實現機械手機身的旋轉運動精確定位。當機械手機身處於制動狀態時，系統通過電動球閥切斷供油的主油路，換成制動油源給液壓馬達反方向供油，使兩馬達產生相反旋轉動力，從而使機身穩定地停在控制點，以實現機械手機身的制動。俯仰機構驅動迴路主要由兩個比例閥、兩個液壓缸、背壓閥組成，該驅動機構採用“一閥控一缸”的液壓同步驅動方式控制兩個液壓缸實現機械手的舉升動作。同時，油路還在機械手下降回路增加了背壓閥，以保證機械手垂直位置的穩定。推拉機構驅動迴路主要由液壓缸、電液比例閥、背壓閥組成，由一個比例閥控一個液壓缸，實現機械手的推拉運動。手抓機構驅動迴路主要由液壓缸、液壓馬達、兩個電液比例閥、電動球閥、背壓閥組成，由兩個比例閥分別控制液壓缸和液壓馬達，實現機械手手抓的迴轉與抓取運動。

1、系統硬件設計與選型

本研究選取電氣控制元件如下：

（1）PLC設計與選型。

工業PLC的CPU型號為313C； 電源模塊型號為PS307（2A） ； 位置檢測模板SM338； 模擬量輸出模塊SM332。

（2） 監控計算機設計與選型。

工控機型號為IPC-610MB-L。

（3） 通信板塊設計與選型。

通信板塊型號為CP5611。

2、下位機控制軟件

下位機主要完成機械手的具體動作，系統主要包括主程序OB1模塊； 定時中斷程序OB35； 點動模塊FB1，對應背景數據模塊DB1存放各液壓缸與馬達的點動運行數據； 自動運行模塊FB2，對應背景數據模塊DB2存放各液壓缸與馬達的自動運行數據； 點動PID模塊FB3，對應背景數據模塊DB3存放點動PID運算結果； 自動PID模塊FB4，對應背景數據模塊DB4存放自動PID運行結果； 數據記錄模塊FB5，對應背景數據DB5存放記錄數據。

3、上位機軟件設計

上位機控制系統作為機械手運動控制的中樞，接受界面輸入的位置值或自動工作時事先確定的位置值，控制機械手各關節執行相關的動作。上位機程序主要由通信模塊、數據記錄模塊、參數設置模塊、曲線繪製模塊組成。 ^{[1]  [2]}