液壓機械手的設計

液壓機械手的設計,液壓機械手的設計,液壓,機械手,設計 　　系 　　專業(yè) 任 務 書 一、題目及專題： 1、題目　　 液壓機械手的設計 　　 2、專題　 　 二、課題來源及選題依據 本課題是設計基于液壓系統(tǒng)的機械手。 液壓機械手是一種模仿人體上肢部分功能，按照預定要求輸送工件或者握持工具進行操作的自動化技術設備，它可以代替手的繁重勞動，改善勞動條件，提高勞動生產率和自動化水平。有著廣闊的發(fā)展前途。本課題通過機械手進行液壓傳動原理設計，實現(xiàn)機械手代替人力進行工作。機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民競技提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產業(yè)。機械工業(yè)的規(guī)模和技術水品是衡量國家經濟實力和科學技術水平的重要標志。 三、本設計（論文或其他）應達到的要求： 1、收集相關資料，分析自己完成本課題還存在哪些方面的困難。 2、選定自己適合的制圖軟件，對選定的工具進行學習和具體實踐。 3、對驅動油路進行仔細的研究，了解液壓驅動原理，繪制油路圖。 4、機械結構的分析，根據要求設計出合理輕便的機械手。 5、模擬調試后對整個液壓機械手進行完善。 四、接受任務學生： 班 　　姓名 五、開始及完成日期： 自2012年11月12日 至2013年5月25日 六、設計（論文）指導（或顧問）： 指導教師　　　　　　　簽名 簽名 　　　　　　　簽名 教研室主任 　　　　　　〔學科組組長研究所所長〕　　　　　　　簽名 　　 　　系主任 　　　　　　簽名 2012年11月12日 編號 相關資料 題目： 液壓機械手設計 系 專業(yè) 學 號： 　　　　　 學生姓名： 指導教師：（職稱：副教授 ） 2013年5月25日 目 錄 一、畢業(yè)設計（論文）開題報告 二、畢業(yè)設計（論文）外文資料翻譯及原文 三、學生“畢業(yè)論文（論文）計劃、進度、檢查及落實表” 四、實習鑒定表 開題報告 題目： 液壓機械手設計 系 專業(yè) 學 號： 學生姓名： 指導教師：（職稱：副教授） 2012年11月25日 課題來源 自擬題目 科學依據 （1） 課題科學意義 液壓機械手是一種模仿人體上肢部分功能，按照預定要求輸送工件或者握持工具進行操作的自動化技術設備，它可以代替手的繁重勞動，改善勞動條件，提高勞動生產率和自動化水平。有著廣闊的發(fā)展前途。本課題通過機械手進行液壓傳動原理設計，實現(xiàn)機械手代替人力進行工作。 機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民競技提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產業(yè)。機械工業(yè)的規(guī)模和技術水品是衡量國家經濟實力和科學技術水平的重要標志。 （2）研究狀況及其發(fā)展前景： 　 工業(yè)機器人性能不斷提高，其結構向模塊化，可重夠化發(fā)展。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，目前已經基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，產生了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人早已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來說，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比有一定差距。因此，發(fā)展機械工業(yè)是重點戰(zhàn)略之一（張志獻，2002），現(xiàn)代工業(yè)中，生產過程的機械化，自動化已經成為突出的主題。然而在機械工業(yè)中，加工裝配等生產是連續(xù)的。單靠人力將這些不連續(xù)的生產工序連接起來，不僅費時而且效率不高，同時人的勞動強度非常大，有時還會出現(xiàn)失誤和傷害。顯然，這嚴重影響制約了整個生產過程中的效率和自動化程度。機械化艘的應用很好的解決了這一情況，它不存在重復的偶然失誤，也能有效的避免人身事故 研究內容 ① 了解液壓機械手的工作原理，國內外的研究發(fā)展現(xiàn)狀； ② 完成液壓機械手的總體方案設計； ③ 完成有關零部件的選型計算、結構強度校核和液壓系統(tǒng)設計； ④ 熟練掌握計算機CAD繪圖軟件，并繪制裝配圖和零件圖紙，折合A0不少于2.5張； ⑤ 完成說明書的撰寫，并且翻譯外文資料1篇。 擬采取的研究方法、技術路線、實驗方案及可行性分析 （1）技術路線 首先根據液壓機械手的特殊性對其造型等方面的設計需求進行分析，從整體上把握其設計原則；然后對不同的功能區(qū)域進行單獨的研究分析，總結出符合工程學要求的設計理論；最后將整體的設計分析和每一部分的設計相結合，尋找有效的結合點并進行統(tǒng)一協(xié)調，最終設計出高質量、高檔次的產品。 （2）研究方法 ① 測試出機械手的伸縮量，升降臺的升降高度，獲得大量的實驗數(shù)據。 ② 對實驗數(shù)據進行分析處理，為建立液壓機械手機構動力學模型與分析作了必要的準備。 （3）實驗方案 確定具體設計方案（包括手部結構的選擇，液壓控制系統(tǒng)設計和計算，X、Y軸步進電機驅動傳動機構的設計和計算等） 研究計劃及預期成果 （1）研究計劃： 2012年10月28日-2012年11月16日：學習并翻譯一篇與畢業(yè)設計相關的英文材料 2012年11月20日-2013年1月20日：按照任務書要求查閱論文相關參考資料，填寫畢業(yè)設計開題報告書。 2013年1月25日-2013年2月10日：填寫畢業(yè)實習報告。 2013年2月20日-2013年3月10日：按照要求修改畢業(yè)設計開題報告。 2013年3月19日-2013年3月30日：液壓機械手結構設計。 2013年4月1日-2013年4月25日：CAD繪圖。 2013年4月26日-2013年5月21日：畢業(yè)論文撰寫和修改工作。 （2）預期成果： 我國市場前景廣闊，產品質量性能逐漸滿足要求，因此產品的發(fā)展必須由單純的追求技術上的完善，轉向產品外觀質量的提高，放到與技術改進放到同等重要的位置，通過本課題的研究，產品必定以合理的色彩以及人性化的結構方式提高自己的附加值，吸引到更多地客戶，加大自己產品的市場占有率，提高在行業(yè)中的競爭力。 特色或創(chuàng)新之處 1通用性好，本液壓機械手在設計過程中，考略到通用性，因此留有余地，因此除搬運外，還可以焊接噴漆等。 2工作效率，提高了勞動生產效率，同時也降低了成本。 3可實現(xiàn)無間隙傳動，運動平穩(wěn)。 4體積小、重量輕、功率大。同功率下，其體積小，重量輕，慣性小，動作靈活。 已具備的條件和尚需解決的問題 1） 液壓傳動的“液壓沖擊和空穴現(xiàn)象”會產生很大的震動和噪聲。 2） 在能量轉換和傳遞過程中，由于存在機械摩擦、壓力損失、泄漏損失，因而易使油液發(fā)熱，總效率降低，故液壓傳動不宜遠距離傳動。 3）液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時不宜追查原因，不宜迅速排除 指導教師意見 指導教師簽名： 2012年 11 月 15 日 教研室（學科組、研究所）意見 教研室主任簽名： 年 月 日 系意見 主管領導簽名： 年 月 日 編 號 設 計 題目： 液壓機械手的設計 系 專 業(yè) 學 號： 學生姓名： 指導教師： （職稱：副教授 ） 2013 年 5 月 25 日 設計（） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設計（論文） 液壓機械手的設計 是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果，其內容除了在畢業(yè) 設計（論文）中特別加以標注引用，表示致謝的內容外，本畢業(yè)設計 （論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 學 號： 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 系 專 業(yè) 任 務 書 一、題目及專題： 1、題目 液壓機械手的設計 2、專題 二、課題來源及選題依據 本課題是設計基于液壓系統(tǒng)的機械手。 液壓機械手是一種模仿人體上肢部分功能，按照預定要求輸送工件或者 握持工具進行操作的自動化技術設備，它可以代替手的繁重勞動，改善勞動 條件，提高勞動生產率和自動化水平。有著廣闊的發(fā)展前途。本課題通過機 械手進行液壓傳動原理設計，實現(xiàn)機械手代替人力進行工作。機械工業(yè)是國 民的裝備部，是為國民競技提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產業(yè)。 機械工業(yè)的規(guī)模和技術水品是衡量國家經濟實力和科學技術水平的重要標志。 三、本設計（論文或其他）應達到的要求： II 1、收集相關資料，分析自己完成本課題還存在哪些方面的困難。 2、選定自己適合的制圖軟件，對選定的工具進行學習和具體實踐。 3、對驅動油路進行仔細的研究，了解液壓驅動原理，繪制油路圖。 4、機械結構的分析，根據要求設計出合理輕便的機械手。 5、模擬調試后對整個液壓機械手進行完善。 四、接受任務學生： 班 姓名 五、開始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、設計（論文）指導（或顧問）： 指導教師簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 學科組組長研究所所長 簽名 系主任 簽名 2012 年 11 月 12 日 III 摘 要 液壓機械手是模仿人的手部動作，按照給定的程序、軌跡通過液壓系統(tǒng)實現(xiàn)抓取和 搬運操作的自動裝置。 本次設計的液壓傳動機械手根據規(guī)定的動作順序，綜合運用所學的基本理論、基本 知識和相關的機械設計專業(yè)知識，完成對機械手的設計，并繪制必要裝配圖、液壓系統(tǒng) 圖、 。機械手的機械結構采用油缸、螺桿、導向筒等機械器件組成；在液壓傳動機構中， 機械手的手臂伸縮采用伸縮油缸，手腕回轉采用回轉油缸，立柱的轉動采用齒條油缸， 機械手的升降采用升降油缸，立柱的橫移采用橫向移動油缸；通過控制電磁閥的開關來 控制機械手進行相應的動作循環(huán)，當按下連續(xù)停止按鈕后，機械手在完成一個動作循環(huán) 后停止運動。 本設計擬開發(fā)的上料機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，可代替人工在高溫 和危險的作業(yè)區(qū)進行作業(yè)，可抓取重量較大的工件。可以改善勞動條件，避免人身事故。 可以減少人力，并便于有節(jié)奏的生產。 關鍵詞： 機械手；液壓；控制回路 IV Abstract Hydraulic robot mimic is the hand movements which in accordance with a given program, the path through the hydraulic system to achieve automatic device to capture and handling operations. The design of hydraulic drive manipulator movements under the provisions of the order ， use the basic theory, basic knowledge and related mechanical design expertise comprehensively to complete the design， and drawing the necessary assembly, hydraulic system map, PLC control system diagram . Manipulator mechanical structure using tanks, screw ,guide tubes and other mechanical device component ；In the hydraulic drive bodies ，manipulator arm stretching using telescopic tank ，rotating column of tanks used rack ，manipulator movements using tank movements ，the column takes the horizontal movement of tanks ； through the control of the solenoid valve to control the switch manipulator corresponding moves cycle ，after press the row stop button , the manipulator complete a cycle of action to stop after the hole campaign. The design of the proposed development of the information on the manipulator can grasp up in space objects ，flexible and varied movements ，can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations，and can grasp the larger work pieces . Can improve working conditions, avoid personal accident. Can reduce manpower, and to facilitate the there are-paced the production of. Keywords： Manipulator ；Hydraulic ；Control Loop V 目 錄 摘 要 .III ABSTRACT .IV 目 錄 .V 1 緒論 .1 1.1 機械手的基本概念的研究內容和意義 .1 1.1.1 機械手的基本概念 .1 1.1.2 機械手的研究意義 .1 1.2 機械手的發(fā)展現(xiàn)狀及應用 .1 1.2.1 世界機器人發(fā)展狀況 .1 1.2.2 我國工業(yè)機器人的發(fā)展 .2 1.3 本課題達到的要求 .2 2 液壓機械手主要結構的機械設計 .4 2.1 臂力的確定 .4 2.2 確定工作范圍 .4 2.3 確定運動速度 .4 2.4 手臂的配置形式 .4 2.5 位置檢測裝置的選擇 .5 2.6 驅動與控制方式的選擇 .5 2.7 本章小結 .5 3 手部結構 .7 3.1 概述 .7 3.2 設計時應考慮的幾個問題 .7 3.3 驅動力的計算 .8 3.4 兩支點回轉式鉗爪的定位誤差的分析 .9 3.5 本章小結 .9 4 腕部的結構 .11 4.1 概述 .11 4.2 腕部的結構形式 .11 4.3 手腕驅動力矩的計算 .11 4.4 本章小結 .13 5 臂部的結構 .14 5.1 臂部概述 .14 5.2 手臂直線運動機構 .14 5.2.1 手臂伸縮運動 .14 5.2.2 導向裝置 .15 5.2.3 手臂的升降運動 .16 5.3 手臂回轉運動 .17 VI 5.4 手臂的橫向移動 .17 5.5 臂部運動驅動力計算 .17 5.5.1 臂水平伸縮運動驅動力的計算 .17 5.5.2 臂垂直升降運動驅動力的計算 .18 5.5.3 臂部回轉運動驅動力矩的計算 .18 6 液壓系統(tǒng)的設計 .20 6.1 液壓系統(tǒng)簡介 .20 6.2 液壓系統(tǒng)的組成 .20 6.3 機械手液壓系統(tǒng)的控制回路 .20 6.3.1 壓力控制回路 .20 6.3.2 速度控制回路 .21 6.3.3 方向控制回路 .21 6.4 機械手的液壓傳動系統(tǒng) .21 6.4.1 上料機械手的動作順序 .21 6.4.2 自動上料機械手液壓系統(tǒng)原理介紹 .22 6.5 機械手液壓系統(tǒng)的簡單計算 .24 6.6 雙作用單桿活塞油缸 .24 6.7 無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸） .27 6.7.3 單葉片回轉油缸 .27 6.7.4 油泵的選擇 .28 6.7.5 確定油泵電動機功率 N .29 7 結 論 .30 致 謝 .31 附 錄 .33 液壓機械手設計 1 1 緒論 1.1 機械手的基本概念的研究內容和意義 1.1.1 機械手的基本概念 液壓機械手，從本質上來說是屬于工業(yè)機器人的范圍的，機器人問題是最近幾十年 的熱門研究課題。它包括了機械工程、計算機科學、電子工程和自動控制以及人工智能 等多種學科，體現(xiàn)了機電一體化技術的最新成就，是當代科學技術發(fā)展最活躍的范圍之 一，也是我國科技界跟蹤國際高技術發(fā)展的重要課題。 “機械手” （Machanical Hand）：大部分是指附屬于主機、程序固定的自動抓取、操 作裝置（我國一般稱作機械手或專用機械手） 。比如自動生產線、自動機的上下給料系統(tǒng)， 加工中心自動化裝置 1。 1.1.2 機械手的研究意義 1.可以提高生產過程的自動化程度。 應用機械手有利于在自動生產線中實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換、以 及機器的裝配等的自動化程度，從而提高勞動生產率，降低生產成本。 2.可以改善勞動條件，避免人身事故。 3.可以減少人力，并便于有節(jié)奏的生產。 4.用液壓系統(tǒng)來控制機械手，比一般的機械控制具有更好的穩(wěn)定性，并且控制的精確 度更高。 5.運用機械手可以實現(xiàn)連續(xù)的生產，而大大提高在生產線的工作的時間，從而能大幅 提高勞動的生產率。 1.2 機械手的發(fā)展現(xiàn)狀及應用 機械手的迅速發(fā)展是因為它的積極作用正逐漸被人們所認可；第一，它能部分代替 體力人工操作；第二，它可以按照生產工藝的要求，按照一定的程序，時間和位置來完 成工作的傳送和裝卸；第三，它能操作必要的器具進行焊接和裝配。從而改善人們的勞 動條件，顯著的提高勞動生產率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。因此，各 先進工業(yè)國家都對此十分重視，投入大量的人力物力進行研究和應用。尤其在高溫、高 壓、粉壓、噪音以及帶有放射性的污染的場合應用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有 較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視 2。 1.2.1 世界機器人發(fā)展狀況 國外機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢： （1）. 工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修） ， 而單機價格不斷下降。 （2） 機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、 檢測系統(tǒng)三位一體化；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機；國外已有模 塊化裝配機器人產品問市。 （3） 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網 絡化；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 2 （4） 機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感 器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，多傳感器融合配置技術在產品 化系統(tǒng)中已有成熟應用。 （5） 虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制。 （6） 當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與 機器人的人機交互控制，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。 (7)機器人化機械開始興起。從 94 年美國開發(fā)出“虛擬軸機床” 以來，這種新型裝置 已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域 3。 1.2.2 我國工業(yè)機器人的發(fā)展 有人認為，應用機器人只是為了節(jié)省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發(fā)展機器人 不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國，社會主義制度的優(yōu)越性決定了機器人能 夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能為我國的經濟建設帶來高度的生產力和巨大的經濟效益， 而且將為我國的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領域的發(fā)展做出卓越的貢獻。 我國的工業(yè)機器人從 80 年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過 “七五” 、 “八五”科技攻關，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系 統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā) 出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有 130 多臺套噴漆機器人在二十余家 企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產線（站）上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人已應用在汽車制造廠 的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一 定的距離，如：可靠性低于國外產品；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線 系統(tǒng)技術與國外比有差距；在應用規(guī)模上，我國已安裝的國產工業(yè)機器人約 200 臺，約 占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器 人生產都是應用戶的要求， “一客戶，一次重新設計” ，品種規(guī)格多、批量小、零部件通 用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決 產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系統(tǒng)化、通用化、?；O計，積極 推進使機器人產業(yè)鏈化。 我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中 最為突出的是水下機器人，6000 米水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直 接遙控機器人、雙臂協(xié)調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種；在機器人視覺、 力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但 是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、 機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成 績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產品，以期在 “十五”后期立于世界先進行列之中 4。 1.3 本課題達到的要求 本次設計的液壓傳動機械手根據規(guī)定的動作順序，綜合運用所學的基本理論、基本 知識和相關的機械設計專業(yè)知識，完成對機械手的設計，并繪制必要裝配圖、液壓系統(tǒng) 圖。機械手的機械結構采用油缸、螺桿、導向筒等機械器件組成；在液壓傳動機構中， 液壓機械手設計 3 機械手的手臂伸縮采用伸縮油缸，手腕回轉采用回轉油缸，立柱的轉動采用齒條油缸， 機械手的升降采用升降油缸，立柱的橫采用橫向移動油缸機械手在完成一個動作循環(huán)后 停止運動。 本論文內容包括以下幾個方面： a.對所設計的液壓機械手機械部分進行闡述，并說明其原理； b.分析實現(xiàn)其功能應有的動作； c.對 PLC 選型，給出系統(tǒng)的硬件連接圖； d.繪制電路原理圖、接線圖畫出設計流程圖。 4 2 液壓機械手主要結構的機械設計 2.1 臂力的確定 目前使用的機械手的臂力范圍較大，我國目前機器人最小臂力為 0.15N，最大為 8000N。本課題設計的液壓機械手的臂力為 N 臂 =1650（N） ，安全系數(shù)在 1.53，本機械 手采取安全系數(shù) 2。 定位精度為 1mm。 2.2 確定工作范圍 機械手的工作范圍根據工藝要求和操作運動的軌跡來確定。一個操作運動的軌跡需 要幾個動作合成，在工作范圍被確定的情況下，可將軌跡分解成幾個單個的動作，由多 個動作的行程來確定機械手的最大行程。確定本機械手的動作范圍如下： 手臂伸長量 150mm 手腕回轉角度115 手臂回轉角度115 手臂升降行程 170mm 手臂水平運動行程 100mm 2.3 確定運動速度 機械手各動作的最大行程確定之后，可按照生產需要來分配每個動作的工作時間， 從而確定各動作的運動速度。液壓機械手要完成整個工作過程，需完成夾緊工件、手臂 升降、伸縮，平移等一系列的動作，這些動作都應該預訂設定的時間內完成，具體時間 的分配取決于很多因素，根據各種因素反復進行計算，對分配的方案進行比較，才能確 定。 機械手的總工作哦時間應小于或等于工作拍節(jié)，如果兩個動作同時進行，要按時間 長的計算，分配各動作時間應考慮以下要求： 給定的運動時間應大于液壓元件的執(zhí)行時間； 在滿足工作拍節(jié)要求的條件下，應盡量選取較底的運動速度。機械手的運動速 度與臂力、行程、驅動方式、緩沖方式、定位方式都有很大關系，應根據具體情況加以 確定。 在工作拍節(jié)短、動作多的情況下，常使幾個動作同時進行。采取相應的措施來 驅動系統(tǒng)，來保證運轉動作的同步。 液壓抓取機械手的各運動速度如下： 手腕回轉速度 /s40腕 回V 手臂伸縮速度 5m臂 伸v 手臂回轉速度 /臂 回 手臂升降速度 s臂 伸 立柱水平運動速度 0/住 移 手指夾緊油缸的運動速度 5夾v 液壓機械手設計 5 2.4 手臂的配置形式 機械手的手臂配置形式決定了它的總體布局。運動要求、操作環(huán)境、工作對象的不 同，手臂的配置形式也不盡相同。本機械手采用固定底座式。工業(yè)機器人大多采用基座 式機械手，機座上可以裝上獨立的控制裝置，便于搬運與安放，機座底部也可以安裝行 走機構，已擴大其活動范圍，它分為手臂配置在機座頂部與手臂配置在機座立柱上兩種 形式，本機械手采用手臂配置在機座立柱上的形式。手臂配置在機座立柱上的機械手多 為圓柱坐標型，它有升降、伸縮與回轉運動，工作范圍較大 5。 2.5 位置檢測裝置的選擇 機械手常用的位置檢測方式有三種：行程開關式、模擬式和數(shù)字式。本機械手采用 行程開關式。利用行程開關檢測位置，精度低， ；所以一般與機械擋塊聯(lián)合應用。在機械 手中，用行程開關與機械擋塊檢測定位既精度高又簡單實用可靠，故應用也是最多的。 2.6 驅動與控制方式的選擇 機械手的驅動與控制方式是根據它們的特點結合生產工藝的要求來選擇的，要盡量 選擇控制性能好、體積小、維修方便、成本底的方式。 控制系統(tǒng)也有不同的類型。除一些專用機械手外，大多數(shù)機械手均需進行專門的控 制系統(tǒng)的設計。 驅動方式一般有四種：氣壓驅動、液壓驅動、電氣驅動和機械驅動 6。 參考工業(yè)機器人表 9-6 和表 9-7，按照設計要求，本機械手采用的驅動方式為液 壓驅動，控制方式為固定程序的 PLC 控制。 總裝配圖如下： 圖 2.1 總裝圖 6 2.7 本章小結 本章主要確定了機械手的臂力范圍，工作范圍，運動速度和手臂的配置形式。確定 本機械手的檢測裝置和驅動控制方式，是系統(tǒng)可以正常運行。 3 手部結構 3.1 概述 手部是機械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進行操作的部件，它具有模 仿人手的功能，并安裝于機械手手臂的前端。機械手結構型式不象人手，它的手指形狀 也不象人的手指、 ，它沒有手掌，只有自身的運動將物體包住，因此，手部結構及型式根 據它的使用場合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質以及被抓取部位等的不同而設 計各種類型的手部結構，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。鉗爪式手 部結構由手指和傳力機構組成。其傳力機構形式比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、 斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等，這里采用滑槽杠桿式。 3.2 設計時應考慮的幾個問題 應具有足夠的握力（即夾緊力） 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產生的 慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。 手指間應有一定的開閉角 兩個手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角 保證工件能順利進入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。 應保證工件的準確定位 為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據被抓取工件的形狀，選擇相 應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶V形面的手指，以便自動定心。 應具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產生的慣性力 和振動的影響，要求具有足夠的強度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應盡量使結構簡 單緊湊，自重輕。 應考慮被抓取對象的要求 應根據抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來設計和確定手指的形狀。 液壓機械手設計 7 3.3 驅動力的計算 1.手指 2.銷軸 3.拉桿 4.指座 圖 3.1 杠桿式手部受力分析 如圖所示為滑槽式手部結構。在拉桿 3 作用下銷軸 2 向上的拉力為 P，并通過銷軸中 心 O 點，兩手指 1 的滑槽對銷軸的反作用力為 P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心線 OO1 和 OO2 并指向 O 點，P1 和 P2 的延長線交 O1O2 于 A 及 B，由于O1OA 和 O2OA 均為直角三角形，故AOC=BOC= 。根據銷軸的力平衡條件，即 , ;0Fx21p0Fycos （3.1）/ 銷軸對手指的作用力為 p1。手指握緊工件時所需的力稱為握力（即夾緊力） ，假想握 力作用在過手指與工件接觸面的對稱平面內，并設兩力的大小相等，方向相反，以 N 表 示。由手指的力矩平衡條件，即 得0)(1FmNbhp 因為 cos/a 所以 abp/)(cos22 （3.2） 式中 a手指的回轉支點到對稱中心線的距離（毫米） 。 工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點連線間的夾角。 由上式可知，當驅動力 P 一定時， 角增大則握力 N 也隨之增加，但 角過大會導 8 致拉桿（即活塞）的行程過大，以及手指滑槽尺寸長度增大，使之結構加大，因此，一 般取 =3040。這里取角 =30 度。 這種手部結構簡單，具有動作靈活，手指開閉角大等特點。查工業(yè)機械手設計基 礎 7中表 2-1 可知，V 形手指夾緊圓棒料時，握力的計算公式 N=0.5G，綜合前面驅動 力的計算方法，可求出驅動力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產生的慣性力、振動 以及傳力機構效率的影響，其實際的驅動力 P 實際應按以下公式計算，即： /pk21實 際 （3.3） 式中 手部的機械效率，一般取 0.850.95； K1安全系數(shù)，一般取 1.22 K2工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， K2 可近似按下式估計， K2=1+a/g，其中 a 為被抓取工件運動時的最大加速度，g 為重力加速度。 本機械手的工件只做水平和垂直平移，當它的移動速度為 500 毫米/秒，移動加速度為 1000 毫米/秒 ，工件重量 G 為 98 牛頓，V 型鉗口的夾角為 120,=30時，拉緊油缸的驅 動力 P 和 P 實際計算如下： 根據鉗爪夾持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當量夾緊力計算 公式 GN5.0 （3.4） 把已知條件代入得當量夾緊力為 )(49N 由滑槽杠桿式結構的驅動力計算公式 得 abp/cos22 （3.5） P=P 計算 )(5.1249)30(cos7/452N P 實際=P 計算 1K 取 , , 85.0.1k.98/02 則 ）（實 際 N3./5p 3.4 兩支點回轉式鉗爪的定位誤差的分析 鉗口與鉗爪的連接點 E 為鉸鏈聯(lián)結,如圖示幾何關系 ,若設鉗爪對稱中心 O 到工件中心 O的距離為 x,則 22)sin/(XabRl （3.6） 當工件直徑變化時,x 的變化量即為定位誤差,設工件半徑 R 由 Rmax 變化到 Rmin 時, 其最大定位誤差為 = - 22 )sinmax/(abRl2)sinm/(abl （3.7） 液壓機械手設計 9 其中 l=45mm ,b=5mm ,a=27mm , , ,120m15inR30ax 代入公式計算得最大定位誤差=44.2-44.7=0.50.8 所以是符合要求 3.5 本章小結 本章闡述了液壓機械手手部在設計時需要注意的問題，計算出驅動力，分析了回轉 式抓手的定位誤差。 4 腕部的結構 4.1 概述 腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。設計腕部時要注意以下幾點： 結構緊湊，重量盡量輕。 轉動靈活，密封性要好。 注意解決好腕部也手部、臂部的連接，以及各個自由度的位置檢測、管線的布置 以及潤滑、維修、調整等問題 要適應工作環(huán)境的需要。 另外，通往手腕油缸的管道盡量從手臂內部通過，以便手腕轉動時管路不扭轉和不 外露，使外形整齊 8。 4.2 腕部的結構形式 本機械手采用回轉油缸驅動實現(xiàn)腕部回轉運動，結構緊湊、體積小，但密封性差， 回轉角度為115. 如下圖所示為腕部的結構，定片與后蓋，回轉缸體和前蓋均用螺釘和銷子進行連接 和定位，動片與手部的夾緊油缸缸體用鍵連接。夾緊缸體也指座固連成一體。當回轉油 缸的兩腔分別通入壓力油時，驅動動片連同夾緊油缸缸體和指座一同轉動，即為手腕的 回轉運動。 圖 4.1 手的腕部結構 10 4.3 手腕驅動力矩的計算 驅動手腕回轉時的驅動力矩必須克服手腕起動時所產生的慣性力矩必須克服手腕起 動時所產生的慣性力矩，手腕的轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、 端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉動的重心與軸線不重合所產生的偏重力矩。 手腕轉動時所需要的驅動力矩可按下式計算： ）（摩偏慣驅 N.mM （4.1） 式中 M 驅驅動手腕轉動的驅動力矩 M 慣 慣性力矩 （N.m） M 偏 參與轉動的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉缸體的動片）對轉動軸線 所產生的偏重力矩 （N.m） M 摩 手腕轉動軸與支承孔處的摩擦力矩 （N.m ） 圖 4.2 腕部回轉力矩計算圖 摩擦阻力矩 M 摩 ） （摩 mN2D1f （4.2） 式中 f軸承的摩擦系數(shù)，滾動軸承取 f=0.02，滑動軸承取 f=0.1； N1 、N2 軸承支承反力 （N） ； D1 、D2 軸承直徑（m） 由設計知 時D035.1m04.280120NG98102.e /.54.3M）（摩 （4.3） 得 ）（摩 N. 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩 M 偏 ）（偏 G1e （4.4） 式中 G1工件重量（N） 液壓機械手設計 11 e偏心距（即工件重心到碗回轉中心線的垂直距離） ，當工件重心與手腕回轉中心 線重合時，M 偏為零 當 e=0.020，G=98N 時 ）（偏 mN1.96M 腕部啟動時的慣性阻力矩 M 慣 當知道手腕回轉角速度 時，可用下式計算 M 慣 ）（工 件 ）（慣 tj （4.5） 式中 手腕回轉角速度 （1/s） T手腕啟動過程中所用時間（s） ， （假定啟動過程中近為加速運動） J手腕回轉部件對回轉軸線的轉動慣量（ kgm ）2 J 工件工件對手腕回轉軸線的轉動慣量 （kgm ） 按已知計算得 J=2.5，J 工件 =6.25， =0.3m/ m ,t=22 故 M 慣 = 1.3（Nm） 當知道啟動過程所轉過的角度 時，也可以用下面的公式計算 M 慣： ）（工 件 ）（慣 N2j （4.6） 式中 啟動過程所轉過的角度（rad）; 手腕回轉角速度 （1/s） 。 考慮到驅動缸密封摩擦損失等因素，一般將 M 取大一些，可取 ）（摩偏慣 mN)(2.1 （4.7） ）（）（ 6.93.251.M 4.4 本章小結 本章描述了腕部結構和手腕驅動力矩的計算 12 5 臂部的結構 5.1 臂部概述 臂部是機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并將被抓取的工件傳送 到給定位置和方位上，因而一般機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉 和升降運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的。 ；立柱的橫向移動即為手臂的 橫向移動。手臂的各種運動通常由驅動機構和各種傳動機構來實現(xiàn)，因此，它不僅僅承 受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的結構、工作范 圍、靈活性以及抓重大?。幢哿Γ┖投ㄎ痪鹊榷贾苯佑绊憴C械手的工作性能，所以 必須根據機械手的抓取重量、運動形式、自由度數(shù)、運動速度及其定位精度的要求來設 計手臂的結構型式。同時，設計時必須考慮到手臂的受力情況、油缸及導向裝置的布置、 內部管路與手腕的連接形式等因素。因此設計臂部時一般要注意下述要求： 剛度要大 為防止臂部在運動過程中產生過大的變形，手臂的截面形狀的選擇 要合理。弓字形截面彎曲剛度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭曲剛度都比實心 軸大得多。所以常用鋼管作臂桿及導向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。 導向性要好 為防止手臂在直線移動中，沿運動軸線發(fā)生相對運動，或設置導 向裝置，或設計方形、花鍵等形式的臂桿。 偏重力矩要小 所謂偏重力矩就是指臂部的重量對其支承回轉軸所產生的靜力 矩。為提高機器人的運動速度，要盡量減少臂部運動部分的重量，以減少偏重力矩和整 個手臂對回轉軸的轉動慣量。 運動要平穩(wěn)、定位精度要高 由于臂部運動速度越高、重量越大，慣性力引起 的定位前的沖擊也就越大，運動即不平穩(wěn)，定位精度也不會高。故應盡量減少小臂部運 動部分的重量，使結構緊湊、重量輕，同時要采取一定的緩沖措施 9。 5.2 手臂直線運動機構 機械手手臂的伸縮、升降及橫向移動均屬于直線運動，而實現(xiàn)手臂往復直線運動的 機構形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸、活塞缸和齒輪齒條機構、絲桿螺母機構以 液壓機械手設計 13 及活塞缸和連桿機構 10。 5.2.1 手臂伸縮運動 這里實現(xiàn)直線往復運動是采用液壓驅動的活塞油缸。由于活塞油缸的體積小、重量 輕，因而在機械手的手臂機構中應用比較多。如下圖所示為雙導向桿手臂的伸縮結構。 手臂和手腕是通過連接板安裝在升降油缸的上端，當雙作用油缸 1 的兩腔分別通入壓力 油時，則推動活塞桿 2（即手臂）作往復直線運動。導向桿 3 在導向套 4 內移動，以防止 手臂伸縮時的轉動（并兼做手腕回轉缸 6 及手部 7 的夾緊油缸用的輸油管道） 。由于手臂 的伸縮油缸安裝在兩導向桿之間，由導向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，故受 力簡單，傳動平穩(wěn)，外形整齊美觀，結構緊湊。可用于抓重大、行程較長的場合。 圖 5.1 雙導向桿手臂的伸縮結構 5.2.2 導向裝置 液壓驅動的機械手手臂在進行伸縮（或升降）運動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉 動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩的作用，以增加手臂的剛 性，在設計手臂的結構時，必須采用適當?shù)膶蜓b置。它根據手臂的安裝形式，具體的 結構和抓取重量等因素加以確定，同時在結構設計和布局上應盡量減少運動部件的重量 和減少手臂對回轉中心的轉動慣量。目前采用的導向裝置有單導向桿、雙導向桿、四導 向桿和其他的導向裝置，本機械手采用的是雙導向桿導向機構。 雙導向桿配置在手臂伸縮油缸兩側，并兼做手部和手腕油路的管道。對于伸縮行程 大的手臂，為了防止導向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導向桿尾部增設輔助支承架，以 提高導向桿的剛性。 如圖 5.1 所示，對于伸縮行程大的手臂，為了防止導向桿懸伸部分的彎曲變形，可在 導向桿尾部增設輔助支承架，以提高導向桿的剛性。如圖 5.2 所示，在導向桿 1 的尾端用 14 支承架 4 將兩個導向桿連接起來，支承架的兩側安裝兩個滾動軸承 2，當導向桿隨同伸縮 缸的活塞桿一起移動時，支承架上的滾動軸承就在支承板 3 的支承面上滾動。 1 導向桿 2 滾動軸承 3 支承板 4 支承架 圖 5.2 雙導向桿手臂結構 5.2.3 手臂的升降運動 如圖 5.3 手臂的升降運動機構。當升降缸上下兩腔通壓力油時，活塞杠 4 做上下運動， 活塞缸體 2 固定在旋轉軸上。由活塞桿帶動套筒 3 做升降運動。其導向作用靠立柱的平 鍵 8 實現(xiàn)。圖中 6 為位置檢測裝置。 液壓機械手設計 15 圖 5.3 升降和回轉機構圖 5.3 手臂回轉運動 實現(xiàn)手臂回轉運動的機構形式是多種多樣的，常用的有回轉缸、齒輪傳動機構、鏈 輪傳動機構、連桿機構等。本機械手采用齒條缸式臂回轉機構，如圖 7 所示，回轉運動 由齒條活塞桿 7 驅動齒輪，帶動配油軸和缸體一起轉動，再通過缸體上的平鍵 8 帶動外 套一起轉動實現(xiàn)手臂的回轉。 5.4 手臂的橫向移動 如圖 5.4 手臂的橫向移動機構。手臂的橫向移動是由活塞缸 5 來驅動的，回轉缸體與 滑臺 1 用螺釘聯(lián)結，活塞桿 4 通過兩塊連接板 3 用螺釘固定在滑座 2 上。當活塞缸 5 通 壓力油時，其缸體就帶動滑臺 1，沿著燕尾形滑座 2 做橫向往復運動。 16 圖 5.4 臂橫向移動機構 5.5 臂部運動驅動力計算 計算臂部運動驅動力（包括力矩）時，要把臂部所受的全部負荷考慮進去。機械手 工作時，臂部所受的負荷主要有慣性力、摩擦力和重力等 11。 5.5.1 臂水平伸縮運動驅動力的計算 手臂做水平伸縮運動時，首先要克服摩擦阻力，包括油缸與活塞之間的摩擦阻力及 導向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還要克服啟動過程中的慣性力。其驅動力 Pq 可按 下式計算： ）（ NFmgpq （5.1） 式中 Fm各支承處的摩擦阻力； Fg啟動過程中的慣性力，其大小可按下式估算： ）（ NagWF （5.2）式中 W 手臂伸縮部件的總重量 （N） ； g 重力加速度（9.8m/s ）;2 a 啟動過程中的平均加速度（ m/s ） ，2 而 )/(2smtva 液壓機械手設計 17 （5.3） v 速度變化量。如果手臂從靜止狀態(tài)加速到工作速度 V 時，則這個過程的速度 變化量就等于手臂的工作速度； t 啟動過程中所用的時間，一般為 0.010.5s 。 當 Fm=80N,W=1098（N ） ，V = 500mm/s 時， )(192805.*9180NPq 5.5.2 臂垂直升降運動驅動力的計算 手臂作垂直運動時，除克服摩擦阻力 Fm 和慣性力 Fg 之外，還要克服臂部運動部件 的重力，故其驅動力 Pq 可按下式計算 ： )(NWFmpgq （5.4） 式中 Fm各支承處的摩擦力（N） ； Fg啟動時慣性力（N）可按臂伸縮運動時的情況計算； W臂部運動部件的總重量（N） ； 上升時為正，下降時為負。 當 Fm=40N，F(xiàn)g=100N ，W =1098N 時 )(1238094NPq 5.5.3 臂部回轉運動驅動力矩的計算 臂部回轉運動驅動力矩應根據啟動時產生的慣性力矩與回轉部件支承處的摩擦力矩 來計算。由于啟動過程一般不是等加速度運動，故最大驅動力矩要比理論平均值大一些， 一般取平均值的 1.3 倍。故驅動力矩 Mq 可按下式計算： )(3.1mNMgq （5.5） 式中 Mm各支承處的總摩擦力矩； Mg啟動時慣性力矩，一般按下式計算 ： )(tjg （5.6）式中 J手臂部件對其回轉軸線的轉動慣量（ kgm ）;2 回轉手臂的工作角速度（rad/s ）; t回轉臂啟動時間（s） 當 Mm=84(Nm)， )(32.08mNMg )(8.1506q （5.7） 對于活塞、導向套筒和油缸等的轉動慣量都要做詳細計算，因為這些零件的重量較 大或回轉半徑較大，對總的計算結果影響也較大，對于小零件則可作為質點計算其轉動 慣量，對其質心轉動慣量忽略不計。對于形狀復雜的零件，可劃分為幾個簡單的零件分 18 別進行計算，其中有的部分可當作質點計算?？梢詤⒖脊I(yè)機器人 12表 4-1。 6 液壓系統(tǒng)的設計 6.1 液壓系統(tǒng)簡介 機械手的液壓傳動是以有壓力的油液作為傳遞動力的工作介質。電動機帶動油泵輸 出壓力油，是將電動機供給的機械能轉換成油液的壓力能。壓力油經過管道及一些控制 調節(jié)裝置等進入油缸，推動活塞桿運動，從而使手臂作伸縮、升降等運動，將油液的壓 力能又轉換成機械能。手臂在運動時所能克服的摩擦阻力大小，以及夾持式手部夾緊工 件時所需保持的握力大小，均與油液的壓力和活塞的有效工作面積有關。手臂做各種運 動的速度決定于流入密封油缸中油液容積的多少。這種借助于運動著的壓力油的容積變 化來傳遞動力的液壓傳動稱為容積式液壓傳動，機械手的液壓傳動系統(tǒng)都屬于容積式液 壓傳動 12。 6.2 液壓系統(tǒng)的組成 液壓傳動系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成： 油泵 它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動機輸出的機械能轉換為油液的壓力能， 用這壓力油驅動整個液壓系統(tǒng)工作。 液動機 壓力油驅動運動部件對外工作部分。手臂做直線運動，液動機就是手臂 伸縮油缸。也有回轉運動的液動機一般叫作油馬達，回轉角小于 360的液動機，一般叫 作回轉油缸（或稱擺動油缸） 。 控制調節(jié)裝置 各種閥類，如單向閥、溢流閥、節(jié)流閥、調速閥、減壓閥、順序 閥等，各起一定作用，使機械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所要求的運動。 14 6.3 機械手液壓系統(tǒng)的控制回路 機械手的液壓系統(tǒng)，根據機械手自由度的多少，液壓系統(tǒng)可繁可簡，但是總不外乎 由一些基本控制回路組成。這些基本控制回路具有各種功能，如工作壓力的調整、油泵 的卸荷、運動的換向、工作速度的調節(jié)以及同步運動等。 6.3.1 壓力控制回路 調壓回路 在采用定量泵的液壓系統(tǒng)中，為控制系統(tǒng)的最大工作壓力，一般都 在油泵的出口附近設置溢流閥，用它來調節(jié)系統(tǒng)壓力，并將多余的油液溢流回油箱。 卸荷回路 在機械手各油缸不工作時，油泵電機又不停止工作的情況下，為減 少油泵的功率損耗，節(jié)省動力，降低系統(tǒng)的發(fā)熱，使油泵在低負荷下工作，所以采用卸 荷回路。此機械手采用二位二通電磁閥控制溢流閥遙控口卸荷回路。 減壓回路 為了是機械手的液壓系統(tǒng)局部壓力降低或穩(wěn)定，在要求減壓的支路 前串聯(lián)一個減壓閥，以獲得比系統(tǒng)壓力更低的壓力。 平衡與鎖緊回路 在機械液壓系統(tǒng)中，為防止垂直機構因自重而任意下降，可 采用平衡回路將垂直機構的自重給以平衡。 液壓機械手設計 19 為了使機械手手臂在移動過程中停止在任意位置上，并防止因外力作用而發(fā)生位移， 可采用鎖緊回路，即將油缸的回油路關閉，使活塞停止運動并鎖緊。本機械手采用單向 順序閥做平衡閥實現(xiàn)任意位置鎖緊的回路。 油泵出口處接單向閥 在油泵出口處接單向閥。其作用有二：第一是保護油泵。液壓系統(tǒng)工作時，油泵向 系統(tǒng)供應高壓油液，以驅動油缸運動而做功。當一旦電機停止轉動，油泵不再向外供油， 系統(tǒng)中原有的高壓油液具有一定能量，將迫使油泵反方向轉動，結果產生噪音，加速油 泵的磨損。在油泵出油口處加設單向閥后，隔斷系統(tǒng)中高壓油液和油泵時間的聯(lián)系，從 而起到保護油缸的作用。第二是防止空氣混入系統(tǒng)。在停機時，單向閥把系統(tǒng)能夠和油 泵隔斷，防止系統(tǒng)的油液通過油泵流回油箱，避免空氣混入，以保證啟動時的平穩(wěn)性 13。 6.3.2 速度控制回路 液壓機械手各種運動速度的控制，主要是改變進入油缸的流量 Q。其控制方法有兩類： 一類是采用定量泵，即利用調節(jié)節(jié)流閥的通流截面來改變進入油缸或油馬達的流量；另 一類是采用變量泵，改變油泵的供油量。本機械手采用定量油泵節(jié)流調速回路 15。 根據各油泵的運動速度要求，可分別采用 LI 型單向節(jié)流閥、LCI 型單向節(jié)流閥或 QI 型單向調速閥等進行調節(jié)。 節(jié)流調速閥的優(yōu)點是：簡單可靠、調速范圍較大、價格便宜。其缺點是：有壓力和 流量損耗，在低速負荷傳動時效率低，發(fā)熱大。 采用節(jié)流閥進行節(jié)流調速時，負荷的變化會引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。 其原因是負荷變化會引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其原因是負荷變化會引起 節(jié)流閥進出油口的壓差變化，因而使通過節(jié)流閥的流量以至油缸的速度變化。 調速閥能夠隨負荷的變化而自動調整和穩(wěn)定所通過的流量，使油缸的運動速度不受 負荷變化的影響，對速度的平穩(wěn)性要求高的場合，宜用調速閥實現(xiàn)節(jié)流調速。 6.3.3 方向控制回路 在機械手液壓系統(tǒng)中，為控制各油缸、馬達的運動方向和接通或關閉油路，通常采 用二位二通、二位三通、二位四通電磁閥和電液動滑閥，由電控系統(tǒng)發(fā)出電信號，控制 電磁鐵操縱閥芯換向，使油缸及油馬達的油路換向，實現(xiàn)直線往復運動和正反向轉動。 目前在液壓系統(tǒng)中使用的電磁閥，按其電源的不同，可分為交流電磁閥（D 型）和直 流電磁閥（E 型）兩種。交流電磁閥的使用電壓一般為 220V（也有 380V 或 36V） ，直流 電磁閥的使用電壓一般為 24V（或 110V） 。這里采用交流電磁閥。交流電磁閥起動性能好， 換向時間短，接線簡單，價廉，但是如吸不上時容易燒壞，可靠性差，換向時有沖擊， 允許換向頻率底，壽命較短 13。 6.4 機械手的液壓傳動系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)圖的繪制是設計液壓機械手的主要內容之一。液壓系統(tǒng)圖是各種液壓元件 為滿足機械手動作要求的有機聯(lián)系圖。它通常由一些典型的壓力控制、流量控制、方向 控制回路加上一些專用回路所組成 14。 繪制液壓系統(tǒng)圖的一般順序是：先確定油缸和油泵，再布置中間的控制調節(jié)回路和 20 相應元件，以及其他輔助裝置，從而組成整個液壓系統(tǒng)，并用液壓系統(tǒng)圖形符號，畫出 液壓原理圖。 6.4.1 上料機械手的動作順序 本液壓傳動上料機械手主要是從一個地方拿到工件后，橫移一定的距離后把工件給 立式精鍛機進行加工。它的動作順序是：待料（即起始位置。手指閉合，待夾料立放） 插定位銷 手臂前伸 手指張開 手指夾料 手臂上升 手臂縮回 立 柱橫移 手腕回轉 115 拔定位銷 手臂回轉 115 插定位銷 手臂前伸 手臂中停 （此時立式精鍛機的卡頭下降 卡頭夾料，大泵卸荷） 手指松開（此時 精鍛機的卡頭夾著料上升） 手指閉合 手臂縮回 手臂下降 手腕反轉 （手 腕復位） 拔定位銷 手臂反轉（上料機械手復位） 立柱回移（回到起始位置） 待料（一個循環(huán)結束）卸荷。 上述動作均由電控系統(tǒng)發(fā)信控制相應的電磁換向閥，按程序依次步進動作而實現(xiàn)的。 該電控系統(tǒng)的步進控制環(huán)節(jié)采用步進選線器，其步進動作是在每一步動作完成后，使行 程開關的觸點閉合或依據每一步動作的預設停留時間，使時間繼電器動作而發(fā)信，使步 進器順序“跳步 ”控制電磁閥的電磁鐵線圈通斷電，使電磁鐵按程序動作（見電磁鐵動作程 序表）實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的自動控制。 6.4.2 自動上料機械手液壓系統(tǒng)原理介紹 圖 6.1 械手液壓系統(tǒng)圖 液壓系統(tǒng)原理如圖 6.1 所示。該系統(tǒng)選用功率 N =7.5 千瓦的電動機，帶動雙聯(lián)葉片 泵 YB-35/18 ，其公稱壓力為 60*10 帕，流量為 35 升/分+18 升/分=53 升/ 分，系統(tǒng)壓力5 調節(jié)為 30*10 帕，油箱容積選為 250 升。手臂的升降油缸及伸縮油缸工作時兩個油泵同5 液壓機械手設計 21 時供油；手臂及手腕的回轉和手指夾緊用的拉緊油缸以及手臂回轉的定位油缸工作時只 有小油泵供油，大泵自動卸荷。 手臂伸縮、手臂升降、手臂回轉、手臂橫向移動和手腕回轉油路采用單向調速閥 （QI-63B、QI-25B、QI-10B）回程節(jié)流，因而速度可調，工作平穩(wěn)。 手臂升降油缸支路設置有單向順序閥（XI-63B） ，可以調整順序閥的彈簧力使之在活 塞、活塞桿及其所支承的手臂等自重所引起的油液壓力作用下仍保持斷路。工作時油泵 輸出的壓力油進入升降油缸上腔，作用在順序閥的壓力增加使之接通，活塞便向下運動。 當活塞要上升時，壓力油液經單向閥進入升降油缸下腔而不會被順序閥所阻，這樣采用 單向順序閥克服手臂等自重，以防下滑，性能穩(wěn)定可靠。 手指夾緊油缸支路裝有液控單向閥（IY-25B） ，使手指夾緊工件時不受系統(tǒng)壓力波動 的影響，保證保證手指夾持工件牢靠。當反向進油時，油箱通過控制油路將單向閥芯頂 開，使回油路接通，油液流回油箱。 在手臂回轉后的定位所用的定位油缸支路要比系統(tǒng)壓力低，為此在定位油缸支路前 串有減壓閥（J-10） ，使定位油缸獲得適應壓力為 1518*10 帕 ，同時還給電液動滑閥5 （或稱電液換向閥，34DY-63B）來實現(xiàn)，空載卸荷不致使油溫升高。系統(tǒng)的壓力由溢流 閥來調節(jié)。 此系統(tǒng)四個主壓力油路的壓力測量，是通過轉換壓力表開關（K-3B ）的位置來實現(xiàn) 的，被測量的四個主油路的壓力值，分別從壓力表（Y-60）上表示出來。 下面以上料機械手的一個典型動作程序為例，結合圖 8 來說明其動作循環(huán)。 當電動機啟動，帶動雙聯(lián)葉片泵 3 和 8 回轉，油液從油箱 1 中通過網式濾油器 2 和 7，經過葉片泵被送到工作油路中去，如果機械手還未啟動，則油液通過二位二通電磁閥 5 和 10（電磁鐵 11DT 和 12DT 通電）進行卸荷。 當熱棒料到達上料的位置后，由于 1150的熱料使光電繼電器發(fā)出電信號（或經過 人工啟動） ，經過步進選線器跳步，使機械手開始按程序動作。此時卸荷停止（二位二通 電磁閥 5 和 10 的電磁鐵斷電） ，電磁鐵 8DT 通電，壓力油進到定位油缸的無桿腔進行定 位動作。定位后此支油路系統(tǒng)壓力升高，壓力繼電器 40 發(fā)出電信號，經過步進選線器跳 步使電磁鐵 1DT 通電，電液換向閥 25 從“O”型滑滑機能狀態(tài)變成通路，壓力油泵從 3 和 8 經單向閥 6、14 和 13，經過電液換向閥 25 右邊通道進入手臂伸縮油缸的右腔，使活塞 桿帶動導向桿作前伸運動（因活塞缸固定） ，手臂前伸到適當位置，裝在手臂上的碰鐵碰 行程開關發(fā)出電信號，經步進選線器和時間繼電器延時，是電磁鐵 3DT 通電，手指張開； 手臂靠慣性滑行，手指移到待上料的中心位置。在延時結束時，3DT 斷電，手指夾緊料； 并同時發(fā)信、跳步，使電磁鐵 4DT 通電，壓力油從工作油路 39 經電液換向閥 33 右邊通 道、單向調速閥 34 的單向閥及單向順序閥 35 的單向閥進入手臂升降油缸的下腔，推動 手臂上升。在手臂上升到預定位置，碰行程開關，使電磁鐵 4DT 斷電，電液換向閥 33 復 位成“O”型滑閥機能狀態(tài)，發(fā)出電信號經步進選線器跳步，使電磁鐵 2DT 通電，電液換向 閥 25 左邊接通油路，壓力油通過電液換向閥 25 左邊通道，經過單向調速閥 26 的單向閥 進入受臂伸縮油缸左腔使受臂縮回。同時發(fā)信、跳步，使電磁鐵 13DT 通電，壓力油通過 電液換向閥 41 的左腔，推動手臂橫向移動。當橫向移動機構上的碰鐵碰到行程開關，使 22 13DT 斷電，并發(fā)出電信號經步進選線器跳步使 6DT 通電，則換向閥 18 右邊接通油路， 壓力油通過單向調速閥 19 的單向閥進入手腕回轉油缸一腔，使手腕回轉 115，手腕上的 碰鐵碰行程開關使 6DT 斷電，換向閥 18 復位成“O”型滑閥機能狀態(tài)，同時亦使 8DT 斷電， 定位油缸復位（拔銷） ；壓力繼電器復位，發(fā)出電信號。經步進選線器跳步，使電磁鐵 9DT 通電，換向閥 28 右邊通道接通油路，壓力油經 QI（31）的單向閥進入手臂回轉油缸 一腔使手臂回轉 115。當手臂的回轉碰鐵碰行程開關使 9 DT 斷電，換向閥 28 復位成 “O”型滑閥機能狀態(tài)；并發(fā)出電信號。步進選線器跳步，使 8DT 通電，定位油缸 17 動作， 插定位銷，壓力繼電器 40 發(fā)出電信號經發(fā)出電信號。經步進選線器跳步，使電磁鐵 1DT 通電，手臂前伸；當手臂將棒料送到立式精鍛機的夾頭軸線前的適當距離，手臂的碰鐵 碰行程開關，1DT 斷電，手臂靠滑行和定位螺釘使手臂將棒料送到夾頭軸線處；并發(fā)出 電信號、跳步使 12DT 通電，大泵卸荷，手臂處于“中?！?位置，同時發(fā)出電信號使立式精 鍛機啟動，夾頭下降，行程開關發(fā)信，通過時間繼電器使夾頭閉合將棒料夾牢，精鍛機 電控系統(tǒng)發(fā)信，給機械手電控系統(tǒng)，經過選線器跳步，時間繼電器延時使 3DT 通電，機 械手手指松開（同時，精鍛機的電控系統(tǒng)發(fā)信使夾頭提升） ，延時到 3DT 斷電，手指閉合， 并發(fā)出電信號，步選器跳步，2DT 通電，手臂縮回。當手筆碰鐵碰到行程開關時，2DT 斷電（手臂縮回停） ；并發(fā)出電信號和跳步，使 5DT 通電，電液換向閥 33 的左邊通道接 通油路，壓力油經 QI（36）的單向閥進到升降缸的上腔，使手臂下降，當升降導套上的 碰鐵碰行程開關時，5DT 斷電（手臂下降停） ；并發(fā)出電信號和跳步，使 7DT 通電，換向 罰 18 的左邊通道接通油路，壓力油 QI（20）的單向閥進入手腕回轉油缸的另一腔，使手 腕反轉 115；手腕上的碰鐵碰行程開關，使 7DT 斷電并發(fā)出電信號、跳步，使 8DT 斷電 （拔定位銷） ，壓力繼電器復位發(fā)出電信號、跳步，使 10DT 通電，換向閥 28 左邊通道接 通油路，壓力油經 QI（29）的單向閥進入手臂回轉油缸的另一腔，使手臂