車載液壓機(jī)械臂結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)
2017-4-28 來源：永城職業(yè)學(xué)院機(jī)電系 作者：楊曉敏
摘要：機(jī)械臂的主要功能是將末端執(zhí)行器送到一個(gè)所期望的目標(biāo)位置處，末端執(zhí)行器完成夾持、裝載、吊取等工作后，再將末端執(zhí)行器及物品送至下一個(gè)所期望的目標(biāo)位置處，末端執(zhí)行器自動(dòng)卸載或人工卸載物品，從而完成物品轉(zhuǎn)載工作。現(xiàn)介紹機(jī)械臂的組成和分類，并在總結(jié)車載液壓機(jī)械臂設(shè)計(jì)依據(jù)和性能要求的基礎(chǔ)上，對(duì)其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析和確定。
關(guān)鍵詞：車載；液壓機(jī)械臂；結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)方案
1.機(jī)械臂的組成
機(jī)械臂系統(tǒng)一般由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分組成。執(zhí)行系統(tǒng)是可以將工作對(duì)象取放到目標(biāo)位置處或?qū)ζ溥M(jìn)行操作的機(jī)械裝置，由末端執(zhí)行器、腕部、臂部和機(jī)座組成。其中，末端執(zhí)行器是與工作對(duì)象接觸以完成操作任務(wù)的裝置。腕部主要用來確定末端執(zhí)行器的位姿（方位和姿勢(shì)）和擴(kuò)展機(jī)械臂的臂展，某些機(jī)械臂可以沒有腕部而將末端執(zhí)行器直接安裝在臂部的末端。臂部一般由關(guān)節(jié)和連桿組成，是用以攜帶腕部與末端執(zhí)行器，使末端執(zhí)行器到達(dá)目標(biāo)位置的部件。機(jī)座主要將整個(gè)機(jī)械臂機(jī)構(gòu)與其他機(jī)構(gòu)或地面連接在一起，是執(zhí)行系統(tǒng)中相對(duì)固定并能承受相應(yīng)的力的部件。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)械臂系統(tǒng)的動(dòng)力裝置，用以向各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件供給動(dòng)力，動(dòng)力源一般為液壓、氣壓或電氣。
液壓驅(qū)動(dòng)具有在一定的作業(yè)空間內(nèi)提供大驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力矩的能力，調(diào)速簡(jiǎn)單平穩(wěn)，能夠?qū)崿F(xiàn)無級(jí)調(diào)速，在安全閥的作用下還可簡(jiǎn)單有效地實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，已經(jīng)被大多數(shù)車載機(jī)械臂所采用。氣壓驅(qū)動(dòng)具有快速、氣源方便、緩沖作用好、無污染等特點(diǎn)，但其工作壓力偏低，功率重量比小，速度不易控制，噪音大，沖擊大，一般用于驅(qū)動(dòng)力較小、精度要求不高的場(chǎng)合。電氣驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是電源方便，利用電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生力和力矩，功率重量比較大，信號(hào)傳遞迅速精準(zhǔn)，響應(yīng)快，效率高。控制系統(tǒng)是機(jī)械臂的操控中心，控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)使執(zhí)行系統(tǒng)按預(yù)定動(dòng)作完成任務(wù)。
2.機(jī)械臂的分類
機(jī)械臂可以根據(jù)其坐標(biāo)方式、驅(qū)動(dòng)方式、關(guān)節(jié)連接方式以及用途進(jìn)行分類。坐標(biāo)方式是指機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)所取的參考坐標(biāo)系的形式，主要有直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型和關(guān)節(jié)型。
（1）直角坐標(biāo)型機(jī)械臂通過在直角坐標(biāo)軸上的移動(dòng)來使末端執(zhí)行器到達(dá)預(yù)定位置，這種動(dòng)作使其形成一種“伸縮—伸縮—伸縮”的運(yùn)動(dòng)形式。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，定位精度較高，運(yùn)動(dòng)軌跡由立方體首尾相連的直角邊組成，直觀性強(qiáng)，但所占空間較大而工作范圍較小，且慣性大，靈活性差。
（2）圓柱坐標(biāo)型機(jī)械臂是由直角坐標(biāo)型機(jī)械臂機(jī)座位置的移動(dòng)副改變成回轉(zhuǎn)副而得來。圓柱坐標(biāo)型機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)形式為“回轉(zhuǎn)—伸縮—伸縮”。與直角坐標(biāo)型相比，在相同的條件下所占空間較小，其他特點(diǎn)基本相同。
（3）極坐標(biāo)型機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)中存在回轉(zhuǎn)、仰俯、伸縮動(dòng)作，工作空間可以形成一個(gè)球體，又稱為球坐標(biāo)型機(jī)械臂。該型機(jī)械臂的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，具有較大的抓持能力，末端執(zhí)行器活動(dòng)靈敏、運(yùn)動(dòng)范圍大，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)精度較低，且運(yùn)動(dòng)控制困難。
（4）關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)主要由旋轉(zhuǎn)與回轉(zhuǎn)兩種形式組成，其特點(diǎn)是動(dòng)作靈敏、通用性強(qiáng)，在相同的工作條件下運(yùn)行范圍最大，能夠抓取靠近機(jī)座的工作對(duì)象，同時(shí)可擬合操作空間內(nèi)的任意曲線。根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式可將機(jī)械臂分為液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電力驅(qū)動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)等類型。根據(jù)關(guān)節(jié)連接方式可分為串聯(lián)結(jié)構(gòu)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)、混聯(lián)結(jié)構(gòu)型機(jī)器臂。串聯(lián)型機(jī)械臂因其具有動(dòng)作靈敏、通用性強(qiáng)等與關(guān)節(jié)型機(jī)械臂相似的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在工業(yè)領(lǐng)域中受到廣泛應(yīng)用。根據(jù)用途可將機(jī)械臂分為專用機(jī)械臂、通用機(jī)械臂兩類。
3.車載液壓機(jī)械臂的設(shè)計(jì)依據(jù)和性能要求
本課題所研究的對(duì)象———車載液壓機(jī)械臂的設(shè)計(jì)參數(shù)如表 1 所示 ，它的主要任務(wù)是使用專用夾持器夾持大小為準(zhǔn)560×H900的工件進(jìn)行轉(zhuǎn)載作業(yè)。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，市場(chǎng)上沒有能夠完全滿足公司轉(zhuǎn)載工作要求的車載機(jī)械臂，要么最大臂展不夠，要么最大轉(zhuǎn)載能力滿足不了需求。因此，需要專門設(shè)計(jì)一臺(tái)這樣的車載液壓機(jī)械臂。
表1 機(jī)械臂的設(shè)計(jì)參數(shù)
車載液壓機(jī)械臂所要完成的是重物轉(zhuǎn)載工作，在其設(shè)計(jì)過程中不僅有設(shè)計(jì)參數(shù)的限制，還有特殊的工作性能要求：
（1）在質(zhì)量條件滿足的情況下，要有足夠的剛度、強(qiáng)度，避免轉(zhuǎn)載過程發(fā)生塑性變形，反復(fù)工作失去轉(zhuǎn)載能力。（2）由于其安裝在車輛上，空間有限，設(shè)計(jì)時(shí)要盡可能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小。（3）液壓驅(qū)動(dòng)不可避免地存在液壓脈動(dòng)頻率，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要避免發(fā)生共振現(xiàn)象，同時(shí)轉(zhuǎn)載工作過程中不能出現(xiàn)明顯的振動(dòng)。
4.設(shè)計(jì)方案分析
本課題所研究的車載機(jī)械臂基本動(dòng)作為：?jiǎn)?dòng)機(jī)械臂后，首先，機(jī)械臂整體旋轉(zhuǎn)一定角度，使末端執(zhí)行器轉(zhuǎn)出車廂底板；然后，臂架伸展，同時(shí)使末端執(zhí)行器下降，當(dāng)末端執(zhí)行器下降到一定高度后，末端執(zhí)行器夾手張開，臂架前伸，夾手到達(dá)合適位置后夾緊工件，臂架攜帶末端執(zhí)行器及工件上升，高度超出車廂底板后停止上升，臂架回轉(zhuǎn)，使得工件處于車廂底板上方；最后，臂架前伸或后縮選擇最優(yōu)位置放置工件。基于連桿機(jī)構(gòu)為面接觸的低副機(jī)構(gòu)，具有接觸面所受的壓強(qiáng)小、能夠承受較大的載荷、抵抗沖擊能力強(qiáng)、組成連桿機(jī)構(gòu)的各構(gòu)件多為平面和圓柱面、便于加工制造、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)、便于實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的運(yùn)行軌跡等特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)上述基本動(dòng)作，本課題選用連桿機(jī)構(gòu)完成整體臂架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。比較各類機(jī)械臂的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，本文所研究的對(duì)象將選用液壓驅(qū)動(dòng)方式的關(guān)節(jié)型機(jī)械臂。
在研究過程中發(fā)現(xiàn)：若使用搖臂鋼索吊取工件進(jìn)行轉(zhuǎn)載，仍需要人工調(diào)整工件姿態(tài)及放置位置；若使用兩個(gè)連桿組成臂架完成轉(zhuǎn)載作業(yè)，雖然能完成轉(zhuǎn)載工作，但臂桿要承受較大的應(yīng)力，無形中增加了臂桿的壁厚，或者需要使用較貴的材料制作臂桿，并且兩連桿的機(jī)械臂不能充分利用靠近機(jī)座的空間，造成了空間的浪費(fèi)；四連桿機(jī)械臂也能完成公司的轉(zhuǎn)載工作，但增加了控制難度，3 700 mm的最大臂展使用四連桿來實(shí)現(xiàn)，由于液壓缸基本尺寸的限制，需要專門定制液壓缸。因此，在研究過程中提出了兩種三連桿結(jié)構(gòu)的可行性方案，總體方案示意圖如圖1所示。
5.方案確定
以上兩種方案均可滿足公司的設(shè)計(jì)要求，但從車載液壓機(jī)械臂設(shè)計(jì)的特殊工作性能要求考慮，方案二顯然要比方案一更加合理，從方案示意圖中便可看出，方案二在空間利用方面要優(yōu)于方案一。方案一中由于連桿3驅(qū)動(dòng)液壓缸的限制，運(yùn)動(dòng)過程中連桿3和夾持器不能充分地接近機(jī)械臂機(jī)座，從而在轉(zhuǎn)載結(jié)束時(shí)將工件放置在靠近機(jī)械臂機(jī)座的位置處，而方案二就不存在這樣的問題。此外，在后續(xù)的研究中發(fā)現(xiàn)，依據(jù)方案一所設(shè)計(jì)出來的液壓型機(jī)械臂低階固有頻率較低，極易受外界激勵(lì)作用發(fā)生共振現(xiàn)象。因此，在后續(xù)的研究過程中將依據(jù)方案二完成各項(xiàng)研究工作。
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