基于Fluidsim的搬运机械手液压系统设计与仿真

0引言

在当今高度自动化的工业生产环境下,搬运机械手凭借其高效、低成本、易维护等优势,在生产线的装配、搬运、分拣等环节得到了广泛应用。随着生产需求的不断提高,对机械手的性能、精度和灵活性有了更高要求。在工业自动化领域,众多高校和科研工作者对搬运机械手开展了广泛研究。彭先丽等^[1]基于FESTO平台设计机械手液压系统,经仿真调试可实现复杂动作;刘开举^[2]针对铸件搬运机械手结构及液压控制系统进行了设计分析,取得了良好的实验效果;修学强^[3]设计数控六角车床液压搬运机械手,经软件控制仿真,可有效减轻人工劳动强度且具推广性;杨睿^[4]为提升流水线效率,设计基于PLC的气动搬运机械手自控系统,经仿真验证自动化程度高;陈华森^[5]依据机床搬运机械手结构和控制要求,设计液压与电气系统,展现PLC应用效益;杨秀清^[6]围绕核环境下机电液耦合的搬运机械手开展虚拟样机研究。这些研究为机械手在各领域应用及技术发展提供了思路。然而,现有的搬运机械手系统研究多侧重系统设计实现,对搬运机械手系统的仿真分析研究较少。鉴于此,本文基于FluidSim开展搬运机械手液压系统仿真设计,对典型应用场景的搬运机械手液压系统进行了建模与仿真,实现了机械手系统的运动逻辑控制,弥补了现有研究在仿真深度、广度方面的不足,为通用机械手场景仿真应用提供了参考。

1搬运机械手液压系统

1.1 结构组成

图1所示为搬运机械手液压系统结构简图,搬运机械手液压系统主要由基座、机械臂、机械手、旋转缸、夹紧缸、升降缸等部分组成。 基座是整个机械手稳定支撑的基础,起到支撑和稳定作用,能确保其在工作过程中的稳固性;机械手直接接触被操作物体,主要用于可靠地抓取与释放物体;夹紧缸控制机械手的夹放动作,升降缸实现物体的上升和下降;液压系统的泵源则集成在基座内,负责整个机械手的运动与控制动作,是搬运机械手系统的“大脑”与“动力源泉”,负责控制机械手的各项动作有序执行。

1.2 工作流程

搬运机械手的应用场景主要为物料抓取搬运,主要工作流程如下:

1)启动。初始时系统处于失电状态,机械手处于初始位置。

2)下降。当按下“启动”按钮,系统开始工作,升降缸伸出,机械手下降。

3)抓取。当机械手到达物体初始位置时,夹紧缸伸出,实现物体抓取。

4)上升。当物体抓取成功后,升降缸缩回,机械手上升。

5)平移。当物体上升到指定高度后,机械手停止动作,此时旋转缸伸出,机械手旋转平移。

6)下降。最后到达目标位置垂直上方时,升降缸伸出,机械手下降。

7)放松。机械手下降到目标位置后放松物体。

1.3 工作原理

图2所示为搬运机械手液压系统工作原理图。当搬运机械手液压系统开始工作时,首先由电机带动泵源启动产生并提供具有一定压力的液压油,高压油经溢流阀调压和过滤器过滤后分为三路,分别通过两个三位四通电磁换向阀和二位四通电磁换向阀进入旋转、升降及夹紧油缸,从而分别控制物体的回转、升降和夹取。电磁换向阀在控制系统的指令下,改变油液流向,从而控制液压缸的动作。例如,当需要机械臂上升时,电磁换向阀切换至特定位置,使油液进入升降缸的有杆腔,推动活塞运动,实现物体的上升动作。此外,单向节流阀可用于调节油液的流量,进而控制液压缸的运动速度,以满足不同工作场景下对机械手动作速度的要求。同时,系统中还设置有各种行程开关,用于检测执行元件的位置状态,并将位置信号转化为电信号传递给电气控制系统,实现整个机械手的顺序动作控制。

2 Fluidsim仿真

2.1 软件简介

Fluidsim是一款集液压、气动、电气等多种系统仿真功能于一体的专业软件,它拥有丰富的元件库,涵盖了各类常见的流体元件和电气元件,用户可以方便地从库中选取元件进行系统模型的搭建。软件具备直观的图形化界面,操作便捷,即使是非专业的仿真人员也能快速上手。此外,该软件还提供了强大的仿真分析功能,能够对搭建好的系统模型进行动态仿真,实时显示系统中各元件的工作状态和参数变化,帮助用户深入了解系统的运行特性。

2.2 软件优势

与传统的设计方法相比,使用Fluidsim软件进行仿真具有诸多优势。在设计初期,通过软件仿真可以快速验证设计方案的可行性,避免因设计缺陷导致的实际搭建成本浪费。软件的实时仿真功能能够模拟系统在不同工况下的运行情况,帮助工程师提前发现潜在的问题,如压力波动、流量不足等,并及时进行优化调整。Fluidsim软件还支持对系统参数进行灵敏度分析,通过改变关键参数的值,观察系统性能的变化,从而确定最优的设计参数,提高系统的性能和稳定性。

Fluidsim作为一款专业且功能强大的流体系统仿真软件,为系统的搭建与优化提供了便捷的仿真平台。运用该软件能在搭建初期模拟系统运行状态,提前发现潜在问题并及时调整,进而降低搭建成本,缩短搭建周期,提高搭建成功率。开展基于Fluidsim 的气动机械手系统设计与仿真,对提升设计水平、推动工业自动化意义重大。因此,开展基于Fluidsim仿真的搬运机械手系统设计与实现的研究具有重要的现实意义。

3基于FIu,ds,m的搬运机械手液压、电气系 统设计与仿真

3.1搬运机械手液压系统回路设计

图3所示为搬运机械手液压系统仿真回路图,其主要由液压泵、溢流阀、过滤器、单向节流阀、液压缸、三位四通电磁换向阀以及二位四通电磁换向阀等组成。在执行元件行程初始和结束位置均设定有行程开关,用于实现执行元件的换向动作。

3.2搬运机械手电气回路设计

系统电气回路采用继电器与行程开关结合的主控制电路,实现搬运机械手的运动自动控制。图4所示为搬运机械手系统电气原理图。搬运机械手在初始状态时,其液压系统的执行元件控制电磁铁1YA~5YA均处于断电状态;当按下“启动”按钮后,升降缸伸出,此时机械手处于下降动作状态,5YA电磁铁得电;当升降缸到达指定位置后,触发行程开关,使得夹紧缸电磁铁1YA得电,与此同时电磁铁5YA断电,夹紧缸伸出,实现机械手的夹紧动作;当夹紧缸伸出到指定位置完成机械手夹紧后,触发4YA电磁铁得电,使得升降缸缩回,机械手上升;当机械手上升至指定位置时,3YA电磁铁得电,4YA电磁铁断电,使得旋转缸伸出,物体实现平转;当物体平转至指定位置时,升降缸电磁铁5YA得电,机械手下降;当机械手下降到目标位置时,控制夹紧缸电磁铁1YA、升降缸电磁铁5YA均断电,夹紧缸缩回,实现机械手的放松动作,完成整个物料搬运流程;最后按下按钮开关 SB,2YA电磁铁得电,机械手回原位。表1所示为搬运机械手液压系统不同工作阶段各电磁铁得电情况(“+”表示得电,“—”表示失电)。

3.3仿真与分析

3.3.1仿真参数设置

主要元件仿真参数设置如表2所示。

3.3.2仿真结果分析

图5为搬运机械手液压系统执行元件位移随时间变化图,从图5可以看出,0—2 S时,系统处于初始断电状态,各元件处于初始位置;2—3.5S时升降缸伸出,机械手下降;2.5—4.5 S时,夹紧缸动作,实现物体夹紧;6—7.5S时,旋转缸伸出,实现物体旋转平移;7.5—8.5 S物体到达指定位置上方并下降,最后在9.5—11 S完成物体的放松。图6为各执行元件运动速度随时间变化图,从图中不难看出,当各执行元件对应控制阀的电磁铁得电并交替动作时,存在明显的脉冲冲击,这反映了各执行元件在运动过程中,由于不同电磁阀工作状态的切换,会不可避免地产生一定的换向冲击,仿真较好地吻合了预定的机械手逻辑控制。

4 结束语

本文围绕搬运机械手液压系统展开研究,分析了系统结构组成、工作流程及原理,借助Fluidsim软件,设计了液压和电气回路,并进行参数设置与仿真分析,仿真结果表明,仿真模型能较好地实现机械手系统的运动逻辑控制,与预定逻辑控制吻合,为通用机械手场景仿真及工业自动化中搬运机械手设计应用提供了有益参考。

[参考文献]

[1]彭先丽,李红宇,王伟.基于FEST0实验平台的机械手液压系统的设计与实现[J].中国新技术新产品,2022 (3):18-22.

[2]刘开举.铸件搬运机械手结构及液压控制系统设计[D].济南:山东大学,2019.

[3] 修学强.基于ATmega16与AtmelStudio6.0的数控六角车床搬运机械手的设计与控制[J].机床与液压,2015,43(3):99-103.

[4]杨睿.基于PLC的气动搬运机械手自动控制系统设计[J].工业仪表与自动化装置,2024(4):13-16.

[5] 陈华森.基于PLC控制机床搬运机械手的设计[J].贵州科学,2012,30(3):42-46.

[6]杨秀清.机电液耦合的搬运机械手虚拟样机研究[D].合肥:中国科学技术大学,2008.

《机电信息》2025年第11期第13篇