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車載液壓（yā）機械（xiè）臂（bì）結構分析及設計

2017-4-14 來源：永城職業學院機電係作者：楊曉敏

摘要：機械臂的主要功（gōng）能是將末端執行器送到一個所期望的目標位置處，末端執行（háng）器完成夾持、裝載、吊取等工作後，再將末端執行（háng）器（qì）及物品送至（zhì）下一個所期望的目標位置處，末端執行器自動卸載或人工卸載物品，從而完成物品轉載工作。現介紹機械臂的組成和分（fèn）類，並在總結車（chē）載液壓機械臂設計依據和性能要求的基礎上，對其（qí）設計方案進行分（fèn）析和確定。

關鍵詞（cí）：車載；液壓機械臂；結構；設計（jì）方（fāng）案

1.機械臂的組成

機械臂係統一（yī）般由執（zhí）行係統、驅動係統和控製係統三大（dà）部分組成。執行（háng）係統（tǒng）是（shì）可以將工作對象取放到目標位置處或對其進行操作的機械裝置（zhì），由末端執行器、腕部、臂部和機座組成。其中，末（mò）端執行器是與工作（zuò）對象接（jiē）觸以完（wán）成操（cāo）作任務的裝置。

腕部主要用來確（què）定末端執行器的位姿（方位和（hé）姿勢）和擴展機械臂的臂展，某些（xiē）機械臂可以沒有腕部而將末（mò）端執行器直接安裝在臂部的末端。臂部一般由關節和連杆組成，是用以攜帶腕部與末端執行器，使（shǐ）末（mò）端（duān）執行器到達目標位置的部（bù）件。機座主要將（jiāng）整個機械臂機構與其他機構或地麵連接在一起，是執行係統中相對（duì）固定並能承受相應的力的部件。驅（qū）動係統是機（jī）械臂係統的動力裝置，用以向各個運動部件供給動力，動力源一般為液壓、氣壓或電氣。

液壓（yā）驅動具有在一定的作業空間內提供大驅動力和驅動力矩的能力（lì），調（diào）速簡單平穩，能夠實現無級調速，在安全（quán）閥的作用下還可簡單有效地實現過載保護，已經被（bèi）大多數車載機械臂所采用。氣壓（yā）驅動具有快速、氣源方（fāng）便、緩衝作（zuò）用好、無汙（wū）染等（děng）特點，但其工作壓力偏低，功率重量比小，速度不易控製，噪音大，衝擊大，一般用於（yú）驅動力較（jiào）小、精度要求（qiú）不高（gāo）的場合。電氣驅動的特點是電源方便，利（lì）用（yòng）電動機產生力和（hé）力矩，功率重量比較大（dà），信號傳遞（dì）迅速精準，響（xiǎng）應快（kuài），效率高。

控製係統（tǒng）是機械臂的操控中心，控製驅動係統驅（qū）使執行係統按預定（dìng）動作完成任務。

2.機械臂的分類

機械臂可以根（gēn）據其坐標方式、驅動方式、

關節連接方式以及用途進行分類。

坐（zuò）標方式是指（zhǐ）機械臂在運（yùn）動時所取的參考坐標（biāo）係的形式，主要有（yǒu）直角坐標型、圓柱坐標型（xíng）、極坐標型和關節型（xíng）。

（1）直角坐標型機械臂（bì）通過在直角坐標軸上的移動來使（shǐ）末端執行器到達預定位（wèi）置，這（zhè）種動作使其（qí）形成一（yī）種“伸縮—伸縮—伸縮”的運動形式。其特點是（shì）結構相對簡單（dān），定位精度（dù）較高，運動軌跡由立方體首尾相連的直角邊組成，直觀性強，但所占空（kōng）間較大而工作範圍較小，且慣性大，靈活性差。

（2）圓柱坐標型機（jī）械臂是由直角（jiǎo）坐（zuò）標型機（jī）械臂機座位置的移動（dòng）副改變成回轉副而得來。圓柱坐標型機械臂的運動形式為“回轉—伸縮—伸縮”。與直角坐標型相比，在相同的條件下所占空間較小，其他特點（diǎn）基本相同。

（3）極坐標型機械臂在（zài）運動中存在回轉、仰俯、伸縮動作，工作空間可以形成一個球體，又稱為球坐標型機械臂。該型機械臂的主要特點是結構緊湊，剛度好（hǎo），具有（yǒu）較大的抓持能力，末端執行（háng）器（qì）活動靈敏、運動範圍大（dà），但結構較（jiào）為複雜，運動精度較低，且運動控製困難（nán）。

（4）關節型機（jī）械（xiè）臂的運（yùn）動（dòng）主要由旋轉與回轉兩種形（xíng）式組成，其特點是動作（zuò）靈敏、通用性強，在相同的（de）工作條件下運行範圍最大，能（néng）夠抓取靠近機座的工作對（duì）象，同時可擬合操作空間內的任意曲線。

根據驅（qū）動方式可（kě）將機械臂分為液壓驅動、氣壓驅動、電力驅動、機械傳動等類型。根據（jù）關節連接方式可分為串（chuàn）聯結構、並聯結構、混聯結構型機器臂。串聯型（xíng）機械臂因其具有動作靈敏、通用性強等與關節型機械臂相似（sì）的結構特點，在工業（yè）領域中受到廣泛應用。根據用途可將機械臂分為專（zhuān）用機械臂、通用機（jī）械臂兩類（lèi）。

3.車載液壓（yā）機械（xiè）臂的設計（jì）依據（jù）和性能要（yào）求

本（běn）課題所研究的對象———車載液壓機（jī）械臂（bì）的設計參數如表 1所示，它的主要（yào）任務是使用專用夾持器夾持大小為準560×H900的工件進行轉載（zǎi）作業。經調研發現，市場上沒有能夠完全滿足公司轉載工作要求的車載機械臂，要麽最大臂展不夠，要麽最大轉載能力滿足不了需求。因此，需要（yào）專門設計一台這樣（yàng）的車載（zǎi）液壓機械臂。

表1 機械臂的設計參數

車載（zǎi）液壓機械（xiè）臂所要（yào）完成的（de）是重（chóng）物轉（zhuǎn）載工作（zuò），在其設計過程中不僅有設計參數的限製，還有特殊的工作性（xìng）能（néng）要求：

（1）在質量條件滿足的情況下，要有足夠（gòu）的剛度、強度，避免轉載過程發生塑性變形，反複工作失去轉載能力。（2）由於其安裝（zhuāng）在車輛上，空間有限，設計時要盡可能實現（xiàn）結構緊湊、體積小。（3）液壓（yā）驅動（dòng）不可避免地存在液壓脈動頻率，結構設計要避免發生共振現象，同（tóng）時轉（zhuǎn）載工作過（guò）程中不能出現明顯的振動。

4.設計方案分析

本課題所研究的車載機械臂基本動作為：啟動機械臂後（hòu），首先，機（jī）械臂（bì）整體（tǐ）旋轉一定角度，使末（mò）端執行器轉出車廂（xiāng）底板；然後（hòu），臂架伸展，同時使末端執（zhí）行器下降，當末端執行器下降到（dào）一定（dìng）高度後，末端執行器夾手張開，臂架（jià）前伸，夾手到達合（hé）適位置後夾緊工件，臂架攜帶（dài）末端執行器及工件上升，高度超出車廂底板後停止上（shàng）升，臂架回（huí）轉，使得工件處於車廂底板（bǎn）上方；最後，臂架（jià）前伸或後縮選擇最優位置放置工件。基於連杆機構為麵接觸的低副機構，具有接觸麵所受（shòu）的壓強小、能夠承受較大的載荷、抵抗衝擊能力強、組成連杆機構的各構件多為平麵和（hé）圓柱麵、便於加工製造、適應環境能力強、便於實現各種複雜的運行軌跡等特點。為實現上述基本動作（zuò），本課題選用連杆機構完成整體臂架係統的設計。比較各類機械臂的優缺點，考慮液壓驅動的優點，本文所研究的對象將選用液壓驅動方式的關（guān）節（jiē）型機械臂。

在研究（jiū）過程中發現：若使用搖臂鋼索吊取工件（jiàn）進行轉（zhuǎn）載，仍需要人工調整工（gōng）件（jiàn）姿態及放（fàng）置位置（zhì）；若使用兩（liǎng）個（gè）連杆組成臂架（jià）完成轉（zhuǎn）載作業，雖然能完成（chéng）轉載工（gōng）作，但臂杆（gǎn）要承受較大的應力，無形中增加了臂（bì）杆（gǎn）的壁厚，或者需要使用較貴的材料製作臂杆，並且兩連杆的機械臂不能充分利用靠近機座的（de）空間（jiān），造成了空間的浪費；四連杆機械臂也能完成公司的轉載工（gōng）作，但增加了（le）控製難（nán）度，3 700 mm的最大臂展使用四連杆來實現，由於液壓（yā）缸基本尺（chǐ）寸的限製，需要專門定製液（yè）壓缸。因此，在研究（jiū）過程中提出（chū）了兩種三連杆結構的可行性方案，總體（tǐ）方案示意圖如（rú）圖1所示（shì）。

圖1 方案示意圖

1—機座 2—回轉驅動裝置 3—連杆1 4—連杆1驅動液壓缸5—連杆2 6—連杆2驅動液壓缸 7—連杆3驅動液壓缸8—夾（jiá）持器姿態控製液壓缸 9—連杆（gǎn）3 10—夾持液壓缸11—夾持器 12—轉動關（guān）節（jiē）

5.方案確定

以（yǐ）上兩種方案均可滿足公（gōng）司的設計要求，但從車載液壓機械臂設計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（àn）示意圖中便可看出，方（fāng）案二在空間利用方麵要（yào）優（yōu）於方（fāng）案一。方（fāng）案一中由於連杆3驅動液壓缸的限製，運動過程中連杆3和（hé）夾持器不能（néng）充分（fèn）地（dì）接近機械臂機座，從而在轉載結束時將工件放置在靠近機械臂機座的位置處（chù），而方案（àn）二就（jiù）不存在這樣的問（wèn）題。此外，在（zài）後續的（de）研究（jiū）中發現，依據方案一所（suǒ）設計出（chū）來的液壓型機械臂低階固有頻率較低，極易受外界激勵作用發生共振現象。因此，在後續（xù）的研（yán）究過程中將依據方案二完成各項研究工作。

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