液壓機(jī)械手設(shè)計(jì)【液壓傳動(dòng)械手的設(shè)計(jì)】
液壓機(jī)械手設(shè)計(jì)【液壓傳動(dòng)械手的設(shè)計(jì)】,液壓傳動(dòng)械手的設(shè)計(jì),液壓機(jī)械手設(shè)計(jì)【液壓傳動(dòng)械手的設(shè)計(jì)】,液壓,機(jī)械手,設(shè)計(jì),傳動(dòng)
摘要
本次設(shè)計(jì)的液壓傳動(dòng)機(jī)械手根據(jù)規(guī)定的動(dòng)作順序，綜合運(yùn)用所學(xué)的基本理論、基本知識(shí)和相關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)，完成對(duì)機(jī)械手的設(shè)計(jì)，并繪制必要裝配圖、液壓系統(tǒng)圖。機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用油缸、螺桿、導(dǎo)向筒等機(jī)械器件組成；在液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，機(jī)械手的手臂伸縮采用伸縮油缸，手腕回轉(zhuǎn)采用回轉(zhuǎn)油缸，機(jī)械手的升降采用升降油缸，立柱的橫移采用橫向移動(dòng)油缸。
本設(shè)計(jì)擬開發(fā)的上料機(jī)械手可在空間抓放物體，動(dòng)作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險(xiǎn)的作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)，可抓取重量較大的工件。
關(guān)鍵詞 機(jī)械手、液壓
Abstract
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 . Manipulator mechanical structure using tanks, screw , guide tubes and other mechanical device component ；In the hydraulic drive bodies ，manipulator arm stretching using telescopic tank ，manipulator movements using tank movements ，the column takes the horizontal movement of tanks .
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 workpieces .
Keywords Manipulator 、Hydraulic
目 錄
1 前言
1.1概述-------------------------------------------------------------（1）
1.2世界機(jī)器人的發(fā)展-------------------------------------------------（1）
1.3我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展---------------------------------------------（2）
1.4 我要設(shè)計(jì)的機(jī)械手-------------------------------------------------（3）
2 手部結(jié)構(gòu)及其計(jì)算-------------------------------------------------------（6）
2.1概述-------------------------------------------------------------（6）
2.2設(shè)計(jì)時(shí)的參考要求-------------------------------------------------（7）
2.3驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 ----------------------------------------------------（7）
2.4兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析---------------------------------（9）
3 腕部的結(jié)構(gòu)及其計(jì)算----------------------------------------------------（11）
3.1概述------------------------------------------------------------（11）
3.2 腕部的結(jié)構(gòu)形式--------------------------------------------------（11）
3.3手腕驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算-----------------------------------------------（12）
4 臂部的結(jié)構(gòu)及其計(jì)算----------------------------------------------------（15）
4.1概述------------------------------------------------------------（15）
4.2手臂直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)------------------------------------------------（15）
4.3手臂升降運(yùn)動(dòng)----------------------------------------------------（18）
4.4手臂的橫向移動(dòng)--------------------------------------------------（19）
4.5 臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算----------------------------------------------（21）
5 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)--------------------------------------------------------（22）
5.1液壓系統(tǒng)簡介-----------------------------------------------------（22）
5.2液壓系統(tǒng)的組成--------------------------------------------------（23）
5.3機(jī)械手液壓系統(tǒng)的控制回路-----------------------------------------（23）
5.4械手的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)-----------------------------------------------（25）
5.5機(jī)械手液壓系統(tǒng)的簡單計(jì)算-----------------------------------------（29）
6 機(jī)械手的定位與平穩(wěn)性—————————————————————————（36）
6.1影響平穩(wěn)性和定位精度的因素---------------------------------------（36）
6.2機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的緩沖裝置---------------------------------------------（36）
6.3機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的緩沖裝置——————————————————————（37）
7 設(shè)計(jì)心得 -------------------------------------------------------------（38）
8 參考文獻(xiàn) -------------------------------------------------------------（40）
1.前言
1.1 概述
很早以來，人們就幻想有一種擬人的機(jī)械，能實(shí)現(xiàn)如人的手、腳一樣靈活自由的運(yùn)動(dòng)，能代替人從事各種復(fù)雜的勞動(dòng)。隨著人類認(rèn)識(shí)的不斷深入和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，這種夢(mèng)想正逐步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
目前 ，機(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，不同功能的機(jī)器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到 農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進(jìn)入尋常百姓家。機(jī)器人的種類之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。
工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，減輕人的勞動(dòng)強(qiáng)度改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。
機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。
1.2世界機(jī)器人的發(fā)展
工業(yè)機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，是靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器，國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)：
（1）適用性。有什么樣的需求會(huì)產(chǎn)生什么樣的產(chǎn)品，工業(yè)機(jī)器人也不例外。此款機(jī)器人適合汽車行業(yè)，另一款機(jī)器人則適合電子加工，不同的機(jī)器人則對(duì)應(yīng)不用的行業(yè)。英國Motomen公司為滿足最近生產(chǎn)了為了滿足新型汽車Jaguarsaloo制造需要，專門生產(chǎn)了兩臺(tái)焊接機(jī)器人設(shè)備。第一臺(tái)除有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的外形外，還帶有一個(gè)報(bào)警器和一個(gè)電力線的載源，六軸的機(jī)器人和兩個(gè)自動(dòng)變址的工作臺(tái)。而第二臺(tái)有六軸機(jī)器人和一個(gè)手動(dòng)變址的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)。前者為汽車管座框架實(shí)行金屬焊條惰性氣體保護(hù)弧焊。后者靠輻射支架和其它部件自動(dòng)完成12種弧焊。。
（2）專用化。為了完成某一生產(chǎn)任務(wù)，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)盡量的簡單。如上述英國Motomen公司有一種型號(hào)為SP-100的機(jī)器人，為了實(shí)現(xiàn)專門完成自動(dòng)包裝碼垛和拆卸的任務(wù)而被特殊設(shè)計(jì)。此機(jī)器人有效載重高達(dá)160公斤，僅有四個(gè)軸，用NC伺服電機(jī)控制，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既簡單又精度高。在SP-100類型機(jī)器人的手臂內(nèi)部有兩個(gè)獨(dú)立的氣流通道給抓手提供氣動(dòng)力，同時(shí)又通過23根電纜為抓手提供電動(dòng)力
（3）高精度高速度。日本松下電器公司研制的焊接機(jī)器人具有RF350溢變器-焊接能量源和一高速旋轉(zhuǎn)弧傳感器系統(tǒng)。此焊接機(jī)器人是使用空心齒輪和小型伺服電機(jī)的高度壓制品，目的是能在最小的空間內(nèi)進(jìn)行高精度高速度的焊接操作。特別是旋轉(zhuǎn)弧傳感器擔(dān)任了重要的角色，通過指令使機(jī)器人跟蹤零部件兩配合處的沉積物產(chǎn)生高質(zhì)量的焊接。
（4）模擬性。日本東京科技大學(xué)的研究人員，結(jié)合螞蟻回家的本能研制了一種新的GPS技術(shù)，GPS技術(shù)是用連有充電設(shè)備的照相機(jī)作眼睛來模擬螞蟻從附近回到洞穴的機(jī)理，并由此制造了機(jī)器人飛船模型。
（5）易操作更靈活。英國一家公司發(fā)明了一種新技術(shù)，可以在機(jī)器人的手臂上實(shí)現(xiàn)快速的更換。這種功能的實(shí)現(xiàn)是通過聯(lián)接器，聯(lián)接器的一端直接安裝在機(jī)器人的法蘭盤上，另一端與幾個(gè)系統(tǒng)連接，由開關(guān)通過氣壓控制，起到可在短時(shí)間內(nèi)更換系統(tǒng)的作用。同時(shí)，系統(tǒng)能隨時(shí)改變以便提供各種設(shè)備最佳組合。
（6）易控制。日本中南部一所大學(xué)的研究人員研制出了一個(gè)靠傳感器像螃蟹一樣爬斜坡的機(jī)器人。機(jī)器人有4條腿和兩個(gè)輪子，它不像其它機(jī)動(dòng)行走的機(jī)器人一樣使用多個(gè)傳感器，而是僅在腿關(guān)節(jié)處使用一種傳感器。機(jī)器人4條腿行走時(shí)，無論是上坡或下坡，它的兩輪子都支撐著軀干。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程僅用一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)簡化了控制線路軟件，使其控制更容易。此類機(jī)器人已用在大型圓木加工廠幫助運(yùn)輸圓木。
(7)．更加自動(dòng)化等。
1.3 我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展
眾所周知，我國為制造業(yè)大國，現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)高速增長，城市化進(jìn)程也不段加快，正在從發(fā)展中國家向發(fā)達(dá)國家轉(zhuǎn)變。相應(yīng)的，我國的機(jī)器人發(fā)展也正處于高速發(fā)展階段，未來前景廣闊。
有研究資料表明：2010年以來,我國機(jī)器人需求快速增長,2010年當(dāng)年的工業(yè)機(jī)器人進(jìn)口跳躍式地增長了188%,達(dá)到1.5萬臺(tái),而2011年機(jī)器人新裝量繼續(xù)快速增長至2.26萬臺(tái)。2006到2011年間,年供應(yīng)量增加接近四倍,年均增長31%。但是，這僅僅的量增加了，我國的機(jī)器人主機(jī)行業(yè)核心零部件仍受制于人。機(jī)器人零部件主要包括伺服系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、減速機(jī)、主體等,目前新松機(jī)器人、安徽埃夫特、廣州數(shù)控等規(guī)模相對(duì)較大的公司已經(jīng)加強(qiáng)控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等核心零部件研發(fā),提升核心競爭力,但目前國內(nèi)大多數(shù)機(jī)器人公司除主體之外的核心零部件都依靠進(jìn)口。我國機(jī)器人核心零部件薄弱一方面是由于基礎(chǔ)技術(shù)實(shí)力影響,另一方面也受國內(nèi)主機(jī)生產(chǎn)規(guī)模較小,市場(chǎng)需求不足以支撐核心零部件研發(fā)。有統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國機(jī)器人應(yīng)用最多的為焊接機(jī)器人,其次為搬運(yùn)機(jī)器人與裝配機(jī)器人,從下游行業(yè)來看,我國汽車整車及零部件行業(yè)占33%,電子電氣占31%,為機(jī)器人需求量最大的兩大行業(yè),其次為橡膠塑料、金屬加工等行業(yè)。由于不同下游行業(yè)的工藝流程等差異較大,因此系統(tǒng)集成需要豐富的行業(yè)經(jīng)驗(yàn),為行業(yè)進(jìn)入提供較高的壁壘。
我認(rèn)為，我們目前國內(nèi)的機(jī)器人水平還有提升的空間，具體提升可以在以下幾個(gè)方面：
（1）、提高基礎(chǔ)零部件制造能力。
（2）、加快形成我們中國機(jī)器人自己的品牌。
（3）、開展關(guān)鍵技術(shù)的研究，提高機(jī)器人的實(shí)用性。
1.4 我要設(shè)計(jì)的機(jī)械手
1.4.1 臂力的確定
目前使用的機(jī)械手的臂力都范圍較大，國內(nèi)現(xiàn)有的機(jī)械手的臂力最小為0.15N，最大為8000N。我這次設(shè)計(jì)的液壓機(jī)械手的臂力為N臂 =1600（N），安全系數(shù)K可在1.5~3，機(jī)械手取安全系數(shù)K=2。定位精度為±1mm。
1.4.2 工作范圍的確定
機(jī)械手的工作范圍根據(jù)工藝要求和操作運(yùn)動(dòng)的軌跡來確定。一個(gè)操作運(yùn)動(dòng)的軌跡是幾個(gè)動(dòng)作的合成，在確定的工作范圍時(shí)，可將軌跡分解成單個(gè)的動(dòng)作，由單個(gè)動(dòng)作的行程確定機(jī)械手的最大行程。我設(shè)計(jì)的機(jī)械手的動(dòng)作范圍確定如下：
手腕回轉(zhuǎn)角度±115°
手臂伸長量150mm;長350mm
手臂升降行程150mm
手臂水平運(yùn)動(dòng)行程100mm
1.4.3 確定運(yùn)動(dòng)速度
機(jī)械手各動(dòng)作的最大行程確定之后，可根據(jù)生產(chǎn)需要的工作拍節(jié)分配每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，進(jìn)而確定各動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度。液壓上料機(jī)械手要完成整個(gè)上料過程，需完成夾緊工件、手臂升降、伸縮、平移等一系列的動(dòng)作，這些動(dòng)作都應(yīng)該在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，具體時(shí)間的分配取決于很多因素，根據(jù)各種因素反復(fù)考慮，對(duì)分配的方案進(jìn)行比較，才能確定。
機(jī)械手的總動(dòng)作時(shí)間應(yīng)小于或等于工作拍節(jié)，如果兩個(gè)動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行，要按時(shí)間長的計(jì)算，分配各動(dòng)作時(shí)間應(yīng)考慮以下要求：
① 給定的運(yùn)動(dòng)時(shí)間應(yīng)大于電氣、液壓元件的執(zhí)行時(shí)間；
② 伸縮運(yùn)動(dòng)的速度要大于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的速度，因?yàn)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的慣性一般大于伸縮運(yùn)動(dòng)的慣性。在滿足工作拍節(jié)要求的條件下，應(yīng)盡量選取較底的運(yùn)動(dòng)速度。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度與臂力、行程、驅(qū)動(dòng)方式、緩沖方式、定位方式都有很大關(guān)系，應(yīng)根據(jù)具體情況加以確定。
③ 在工作拍節(jié)短、動(dòng)作多的情況下，常使幾個(gè)動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行。為此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要采取相應(yīng)的措施，以保證動(dòng)作的同步。
液壓上料機(jī)械手的各運(yùn)動(dòng)速度如下：
手腕回轉(zhuǎn)速度 V腕回 = 40°/s
手臂伸縮速度 V臂伸 = 50 mm/s
手臂升降速度 V臂升 = 50 mm/s
立柱水平運(yùn)動(dòng)速度 V柱移 = 50 mm/s
手指夾緊油缸的運(yùn)動(dòng)速度 V夾 = 50 mm/s
1.4.4 手臂的配置形式
機(jī)械手的手臂配置形式基本上反映了它的總體布局。運(yùn)動(dòng)要求、操作環(huán)境、工作對(duì)象的不同，手臂的配置形式也不盡相同。
手臂的結(jié)構(gòu)形式分別有：球坐標(biāo)式機(jī)械手，圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手，關(guān)節(jié)式機(jī)械手等。球坐標(biāo)式機(jī)械手是一種自由度較多、用途較廣的機(jī)械手。球坐標(biāo)式機(jī)械手的工作范圍包括一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手是應(yīng)用最多的一種形式，它適用于搬運(yùn)和測(cè)量工件。具有直觀性好、結(jié)構(gòu)簡單、本體占用的空間較小的特點(diǎn)。其動(dòng)作范圍可分為：一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)加一個(gè)不在直線運(yùn)動(dòng)所在平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)加一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。直角坐標(biāo)式機(jī)械手是適合于工作位置成行排列或傳送帶配合使用的一種機(jī)械手。它的手臂可以伸縮，左右和上下移動(dòng)，按直角坐標(biāo)形式x、y、z 3個(gè)方向的直線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。其工作范圍可以是1個(gè)直線運(yùn)動(dòng)、2個(gè)直線運(yùn)動(dòng)或是3個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。如在x、y、z 3個(gè)直線運(yùn)動(dòng)方向上各具有A 、B、C 3個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即構(gòu)成6個(gè)自由度。
本機(jī)械手采用機(jī)座式圓柱坐標(biāo)型。機(jī)座式結(jié)構(gòu)多為工業(yè)機(jī)器人所采用，機(jī)座上可以裝上獨(dú)立的控制裝置，便于搬運(yùn)與安放，機(jī)座底部也可以安裝行走機(jī)構(gòu)，已擴(kuò)大其活動(dòng)范圍，它分為手臂配置在機(jī)座頂部與手臂配置在機(jī)座立柱上兩種形式，本機(jī)械手采用手臂配置在機(jī)座立柱上的形式。
1.4.5 位置檢測(cè)裝置的選擇
機(jī)械手常用的位置檢測(cè)方式有三種：行程開關(guān)式、模擬式和數(shù)字式。本機(jī)械手采用行程開關(guān)式。利用行程開關(guān)檢測(cè)位置，精度低，故一般與機(jī)械擋塊聯(lián)合應(yīng)用。在機(jī)械手中，用行程開關(guān)與機(jī)械擋塊檢測(cè)定位既精度高又簡單實(shí)用可靠，故應(yīng)用也是最多的。
1.4.6 驅(qū)動(dòng)與控制方式的選擇
機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)與控制方式是根據(jù)它們的特點(diǎn)結(jié)合生產(chǎn)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(jī)械手外，大多數(shù)機(jī)械手均需進(jìn)行專門的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
驅(qū)動(dòng)方式一般有四種：氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。
參考《工業(yè)機(jī)器人》表9-6和表9-7，按照設(shè)計(jì)要求，本機(jī)械手采用的驅(qū)動(dòng)方式為液壓驅(qū)動(dòng)，控制方式為固定程序的PLC控制。
2.手部結(jié)構(gòu)
2.1概述
隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用逐步擴(kuò)大,技術(shù)性能在不斷提高。工業(yè)機(jī)械手廣泛應(yīng)用在自動(dòng)生產(chǎn)線的使用過程中,對(duì)于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品的質(zhì)量、改善工人勞動(dòng)強(qiáng)度、降低能源消耗、節(jié)約材料等方面都取得了顯著的成效。機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作,按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)化機(jī)械裝置。機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。手部是機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一,直接用于抓取工件或夾持專用工具進(jìn)行操作的重要部件。隨著自動(dòng)化程度的提高,機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)應(yīng)用,已愈來愈引起人們的重視。
手部是機(jī)械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進(jìn)行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機(jī)械手手臂的前端。機(jī)械手結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場(chǎng)合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質(zhì)以及被抓取部位等的不同而設(shè)計(jì)各種類型的手部結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)由手指和傳力機(jī)構(gòu)組成。其傳力機(jī)構(gòu)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。
2.2 設(shè)計(jì)時(shí)的參考要求
①應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力）
在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。
②手指間應(yīng)有一定的開閉角
兩個(gè)手指張開與閉合的兩個(gè)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(jìn)入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。
③應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位
為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)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(dòng)定心。
④應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕。
⑤應(yīng)考慮被抓取對(duì)象的要求
應(yīng)根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來設(shè)計(jì)和確定手指的形狀。
2.3 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
1.手指 2.銷軸 3.拉桿 4.指座
圖2.1 滑槽杠桿式手部受力分析
如圖所示為滑槽式手部結(jié)構(gòu)。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(diǎn)，兩手指1的滑槽對(duì)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(diǎn)，P1和P2的延長線交O1O2于A及B，在平衡狀態(tài)下，由于△O1OA和△O2OA均為直角三角形，故∠AOC=∠BOC= α。根據(jù)銷軸的力的平衡條件，即
∑Fx=0,P1=P2;∑Fy=0
P=2P1cosα
P1=P/2cosα
銷軸對(duì)手指的作用力為p1′。手指握緊工件時(shí)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(duì)稱平面內(nèi)，并設(shè)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∑m01(F)=0得
P1′h=Nb
因?yàn)? h=a/cosα
所以 P=2b(cosα)N/a
式中 a——手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心線的距離（毫米）。
α——工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)連線間的夾角。
由上式可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力P一定時(shí)，α角增大則握力N也隨之增加，但α角過大會(huì)導(dǎo)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(jié)構(gòu)加大，因此，一般取α=30°~40°。這里取角α=30度。
這種手部結(jié)構(gòu)簡單，具有動(dòng)作靈活，手指開閉角大等特點(diǎn)。查《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》中表2-1可知，V形手指夾緊圓棒料時(shí)，握力的計(jì)算公式N=0.5G，綜合前面驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算方法，可求出驅(qū)動(dòng)力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力、振動(dòng)以及傳力機(jī)構(gòu)效率的影響，其實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力P實(shí)際應(yīng)按以下公式計(jì)算，即：
P實(shí)際=PK1K2/η
式中 η——手部的機(jī)械效率，一般取0.85~0.95；
K1——安全系數(shù)，一般取1.2~2
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(jì)，K2=1+a/g，其中a為被抓取工件運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大加速度，g為重力加速度。
本機(jī)械手的工件只做水平和垂直平移，當(dāng)它的移動(dòng)速度500為毫米/秒，移動(dòng)加速度為1000毫米/秒^2，工件重量G為98牛頓，V型鉗口的夾角為120°,α=30°時(shí)，拉緊油缸的驅(qū)動(dòng)力P和P實(shí)際計(jì)算如下：
根據(jù)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(dāng)量夾緊力計(jì)算公式
N=0.5G
把已知條件代入得當(dāng)量夾緊力為
N=49（N）
由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式
P=2b(cosα)N/a 得
P=P計(jì)算=2*45/27(cos30°)*49=122.5(N)
P實(shí)際=P計(jì)算K1K2/η
取η=0.85, K1=1.2 K2=1+1000/9810≈1.1
則 P實(shí)際=122.5*1.2*1.1/0.85=190（N）
2.4 兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析
圖2.2 帶浮動(dòng)鉗口的鉗爪
鉗口與鉗爪的連接點(diǎn)E為鉸鏈聯(lián)結(jié),如圖示幾何關(guān)系,若設(shè)鉗爪對(duì)稱中心O到工件中心O′的距離為x,則
x=
當(dāng)工件直徑變化時(shí),x的變化量即為定位誤差△,設(shè)工件半徑R由Rmax變化到Rmin時(shí),其最大定位誤差為
△ =∣-∣
其中l(wèi)=45mm ,b=5mm ,a=27mm ,2=120° ,Rmin=15mm ,Rmax=30mm
代入公式計(jì)算得
最大定位誤差△=∣44.2-44.7∣=0.5＜0.8 故符合要求.
3 .腕部的結(jié)構(gòu)
3.1 概述
腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部調(diào)整工件方向的作用。為此在設(shè)計(jì)中它具有獨(dú)立的自由度。擁有獨(dú)立的自由度后，可以使機(jī)器人的末端執(zhí)行器能夠處于空間中的任意方向，這就要求腕部能夠?qū)崿F(xiàn)空間三個(gè)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這三個(gè)軸就相當(dāng)于三個(gè)自由度。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)要求，手腕的自由度不一定是三個(gè)自由度，可以是一個(gè)或者兩個(gè)等。設(shè)計(jì)腕部時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：
1. 結(jié)構(gòu)緊湊，重量盡量輕。
2. 轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，密封性要好。
3. 注意解決好腕部也手部、臂部的連接，以及各個(gè)自由度的位置檢測(cè)、管線的布置以及潤滑、維修、調(diào)整等問題
4.要適應(yīng)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(nèi)部通過，以便手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)管路不扭轉(zhuǎn)和不外露，使外形整齊。
3.2 腕部的結(jié)構(gòu)形式
本機(jī)械手采用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，但密封性差，回轉(zhuǎn)角度為±115°.
如下圖所示為腕部的結(jié)構(gòu)，定片與后蓋，回轉(zhuǎn)缸體和前蓋均用螺釘和銷子進(jìn)行連接和定位，動(dòng)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(dāng)回轉(zhuǎn)油缸的兩腔分別通入壓力油時(shí)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)片連同夾緊油缸缸體和指座一同轉(zhuǎn)動(dòng)，即為手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
圖3.1 機(jī)械手的腕部結(jié)構(gòu)
3.3手腕驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算
驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)的重心與軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算：
M驅(qū)=M慣+M偏+M摩 （N.m）
式中 M驅(qū)——驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩
M慣——慣性力矩 （N.m）
M偏——參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸體的動(dòng)片）對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 （N.m）
M摩——手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦力矩 （N.m）
圖3.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩計(jì)算圖
⑴ 摩擦阻力矩M摩
M摩 =（N1D1+N2D2） （N.m）
式中 f——軸承的摩擦系數(shù)，滾動(dòng)軸承取f=0.02，滑動(dòng)軸承取f=0.1；
N1 、N2 ——軸承支承反力 （N）；
D1 、D2 ——軸承直徑（m）
由設(shè)計(jì)知D1=0.035m D2=0.054m N1=800N N2=200N G1=98N e=0.020時(shí)
M摩 =0.1*（800*0.035+200*0.054）/2
得 M摩 =1.94（N.m）
⑵ 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏
M偏 =G1 e （N.m）
式中 G1——工件重量（N）
e——偏心距（即工件重心到碗回轉(zhuǎn)中心線的垂直距離），當(dāng)工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心線重合時(shí)，M偏為零
當(dāng)e=0.020，G1=98N時(shí)
M偏 =1.96 （N·m）
⑶ 腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性阻力矩M慣
① 當(dāng)知道手腕回轉(zhuǎn)角速度時(shí)，可用下式計(jì)算M慣
M慣 =（J+J工件） （N·m）
式中 ——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s）
T——手腕啟動(dòng)過程中所用時(shí)間（s），（假定啟動(dòng)過程中近為加速運(yùn)動(dòng)）
J——手腕回轉(zhuǎn)部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m）
J工件——工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （kg·m）
按已知計(jì)算得J=2.5，J工件 =6.25，=0.3m/ m,t=2
故 M慣 = 1.3（N·m）
② 當(dāng)知道啟動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度時(shí)，也可以用下面的公式計(jì)算M慣：
M慣=（J+J工件） （N·m）
式中 ——啟動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度（rad）;
——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s）。
考慮到驅(qū)動(dòng)缸密封摩擦損失等因素，一般將M取大一些，可取
M =1.1∽1.2 （M慣+M偏+M摩 ） （N.m）
M = 1.2*（1.94+1.96+1.3）=6.24(N.m)
4 .臂部的結(jié)構(gòu)
4.1 概述
臂部是機(jī)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(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的。；立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫向移動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)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(jié)構(gòu)、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(jī)械手的工作性能，所以必須根據(jù)機(jī)械手的抓取重量、運(yùn)動(dòng)形式、自由度數(shù)、運(yùn)動(dòng)速度及其定位精度的要求來設(shè)計(jì)手臂的結(jié)構(gòu)型式。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到手臂的受力情況、油缸及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因此設(shè)計(jì)臂部時(shí)一般要注意下述要求：
① 剛度要大 為防止臂部在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)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(shí)心軸大得多。所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。
② 導(dǎo)向性要好 為防止手臂在直線移動(dòng)中，沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。
③ 偏重力矩要小 所謂偏重力矩就是指臂部的重量對(duì)其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的靜力矩。為提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，要盡量減少臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，以減少偏重力矩和整個(gè)手臂對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
④ 運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)、定位精度要高 由于臂部運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)即不平穩(wěn)，定位精度也不會(huì)高。故應(yīng)盡量減少小臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時(shí)要采取一定的緩沖措施。
4.2手臂直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
機(jī)械手手臂的伸縮、升降及橫向移動(dòng)均屬于直線運(yùn)動(dòng)，而實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸、活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)、絲桿螺母機(jī)構(gòu)以及活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)。
4.2.1手臂伸縮運(yùn)動(dòng)
這里實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)是采用液壓驅(qū)動(dòng)的活塞油缸。由于活塞油缸的體積小、重量輕，因而在機(jī)械手的手臂機(jī)構(gòu)中應(yīng)用比較多。如下圖所示為雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)。手臂和手腕是通過連接板安裝在升降油缸的上端，當(dāng)雙作用油缸1的兩腔分別通入壓力油時(shí)，則推動(dòng)活塞桿2（即手臂）作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)向桿3在導(dǎo)向套4內(nèi)移動(dòng)，以防止手臂伸縮時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)（并兼做手腕回轉(zhuǎn)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(dǎo)向桿之間，由導(dǎo)向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，故受力簡單，傳動(dòng)平穩(wěn)，外形整齊美觀，結(jié)構(gòu)緊湊?？捎糜谧ブ卮蟆⑿谐梯^長的場(chǎng)合。
圖4.1 雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)
4.2.2導(dǎo)向裝置
液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮（或升降）運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shè)計(jì)手臂的結(jié)構(gòu)時(shí)，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。它根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少手臂對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。目前采用的導(dǎo)向裝置有單導(dǎo)向桿、雙導(dǎo)向桿、四導(dǎo)向桿和其他的導(dǎo)向裝置，本機(jī)械手采用的是雙導(dǎo)向桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。
雙導(dǎo)向桿配置在手臂伸縮油缸兩側(cè)，并兼做手部和手腕油路的管道。對(duì)于伸縮行程大的手臂，為了防止導(dǎo)向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導(dǎo)向桿尾部增設(shè)輔助支承架，以提高導(dǎo)向桿的剛性。
如圖5所示，對(duì)于伸縮行程大的手臂，為了防止導(dǎo)向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導(dǎo)向桿尾部增設(shè)輔助支承架，以提高導(dǎo)向桿的剛性。如圖4.3.2所示，在導(dǎo)向桿1的尾端用支承架4將兩個(gè)導(dǎo)向桿連接起來。
圖4.2 雙導(dǎo)向桿手臂結(jié)構(gòu)
4.3 手臂的升降運(yùn)動(dòng)
如圖7所示為手臂的升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)升降缸下端通壓力油時(shí)，推桿向上運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)手臂部分上升，當(dāng)升降缸上端通壓力油時(shí)，推桿下降，帶動(dòng)手臂部分向下運(yùn)動(dòng)。從而完成手臂的升降運(yùn)動(dòng)。
圖4.3 手臂升降機(jī)構(gòu)圖
4.4 手臂的橫向移動(dòng)
如圖7所示為手臂的橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)。手臂的橫向移動(dòng)是由活塞缸5來驅(qū)動(dòng)的，回轉(zhuǎn)缸體與滑臺(tái)1用螺釘聯(lián)結(jié)，活塞桿4通過兩塊連接板3用螺釘固定在滑座2上。當(dāng)活塞缸5通壓力油時(shí)，其缸體就帶動(dòng)滑臺(tái)1，沿著燕尾形滑座2做橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
圖4.4 手臂橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)
4.5臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算
計(jì)算臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力（包括力矩）時(shí)，要把臂部所受的全部負(fù)荷考慮進(jìn)去。機(jī)械手工作時(shí)，臂部所受的負(fù)荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。在計(jì)算時(shí)，要對(duì)力進(jìn)行相應(yīng)的分析。然后再根據(jù)已有的理論進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。臂部的零件較多，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，故，摩擦阻力只能進(jìn)行大致估計(jì)，從而導(dǎo)致計(jì)算有一定偏差。所以，臂部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算只能作為一個(gè)參考，而不能作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。
4.5.1 臂水平伸縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
手臂做水平伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dǎo)向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還要克服啟動(dòng)過程中的慣性力。其驅(qū)動(dòng)力Pq可按下式計(jì)算：
Pq = Fm + Fg (N)
式中 Fm——各支承處的摩擦阻力；
Fg——啟動(dòng)過程中的慣性力，其大小可按下式估算：
Fg = a (N)
式中 W ——手臂伸縮部件的總重量 （N）；
g ——重力加速度（9.8m/s）;
a ——啟動(dòng)過程中的平均加速度（m/s），
而 a = (m/s)
△v ——速度變化量。如果手臂從靜止?fàn)顟B(tài)加速到工作速度V時(shí)，則這個(gè)過程的速度變化量就等于手臂的工作速度；
△t ——啟動(dòng)過程中所用的時(shí)間，一般為0.01∽0.5s。
當(dāng)Fm=100N,W=1098（N），△V = 500mm/s時(shí)，
Pq = 100+* =100+112=212 (N)
4.5.2 臂垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
手臂作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，除克服摩擦阻力Fm和慣性力Fg之外，還要克服臂部運(yùn)動(dòng)部件的重力，故其驅(qū)動(dòng)力Pq可按下式計(jì)算：
Pq = Fm + Fg ± W (N)
式中 Fm——各支承處的摩擦力（N）；
Fg——啟動(dòng)時(shí)慣性力（N）可按臂伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)的情況計(jì)算；
W——臂部運(yùn)動(dòng)部件的總重量（N）；
±——上升時(shí)為正，下降時(shí)為負(fù)。
當(dāng)Fm=50N，F(xiàn)g=120N,W=1098N 時(shí)
當(dāng)手臂上升時(shí)候，由力的平衡條件可得， Pq=50+120+1098=1268（N）
此時(shí)，重力向下，摩擦力向下，慣性力向下。
當(dāng)手臂下降時(shí)候，由力的平衡條件可得， Pq=1098+120-50=1168 (N)
此時(shí)，重力向下，摩擦力向上，慣性力向下。
5 .液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
5.1液壓系統(tǒng)簡介
液壓系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)之分，一般來說液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)則是泛指液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其實(shí)從結(jié)構(gòu)組成或者工作原理上看，這兩類系統(tǒng)并無本質(zhì)上的差別，僅僅一類以傳遞動(dòng)力為主，追求傳動(dòng)特性的完善；另一類以實(shí)施控制為主。追求控制特性的完善而已。但是，隨著應(yīng)用要求的提高和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，兩者的界限將越來越不明顯。
任何液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，除了應(yīng)滿足主機(jī)在動(dòng)作和性能方面規(guī)定的種種要求外，還必須符合質(zhì)量和體積小、成本低、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、使用和維護(hù)方便等一些公認(rèn)的普遍設(shè)計(jì)原則。
設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)，可以是充分發(fā)揮其組成原件的工作性能，也可以是著重追求其工作狀態(tài)的可靠性。前者著眼于效能，后者著眼于安全，實(shí)際的設(shè)計(jì)原則常常是這兩種觀點(diǎn)不同程度的結(jié)合。為此，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)迄今沒有一個(gè)公認(rèn)的統(tǒng)一步驟，往往隨著系統(tǒng)的繁簡，借鑒的多寡，設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)的不同而在做法上呈現(xiàn)出差異來。
機(jī)械手的液壓傳動(dòng)是以有壓力的油液作為傳遞動(dòng)力的工作介質(zhì)。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵輸出壓力油，是將電動(dòng)機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成油液的壓力能。壓力油經(jīng)過管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置等進(jìn)入油缸，推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)，從而使手臂作伸縮、升降等運(yùn)動(dòng)，將油液的壓力能又轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。手臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)所能克服的摩擦阻力大小，以及夾持式手部夾緊工件時(shí)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(guān)。手臂做各種運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)著的壓力油的容積變化來傳遞動(dòng)力的液壓傳動(dòng)稱為容積式液壓傳動(dòng)，機(jī)械手的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)都屬于容積式液壓傳動(dòng)。
液壓傳動(dòng)與機(jī)械、電力等傳動(dòng)相比。有以下特點(diǎn)：（1）能方便的進(jìn)行無級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍大。（2）體積小，、重量輕、功率大。一方面，在相同輸出功率的前提下，其體積小、重量輕、慣性小、動(dòng)作靈敏，這對(duì)于液壓自動(dòng)控制系統(tǒng)有重要的意義。另一方面，在體積或重量相近的情況下，其輸出功率大，能傳遞較大的扭矩或推力（如萬噸水壓力等）。（3）控制和調(diào)節(jié)簡單、方便、省力，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和過載保護(hù)。（4）可實(shí)現(xiàn)無間隙傳動(dòng)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。（5）因?yàn)閭鲃?dòng)介質(zhì)為油液，故液體元件有自我潤滑作用，使用壽命長。(6）液壓元件實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化、便于設(shè)計(jì)、制造和推廣使用。（7）可以采用大推力的液壓缸和大扭矩的液壓馬達(dá)直接帶動(dòng)負(fù)載，從而失去了中間的減速裝置，使傳動(dòng)簡化。
5.2液壓系統(tǒng)的組成
液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：
① 動(dòng)力元件 它是將原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液壓能的裝置。液壓泵即為動(dòng)力元件
② 執(zhí)行元件 它是將液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置，以驅(qū)動(dòng)部件。液壓缸和液壓馬達(dá)即為執(zhí)行元件。
③控制調(diào)節(jié)元件 控制調(diào)節(jié)元件是指各種閥類元件，它們的作用是控制液壓系統(tǒng)中油液的壓力、流量和方向，以保證執(zhí)行元件完成預(yù)期的工作運(yùn)動(dòng)。
④輔助元件 輔助元件是指油箱、油管、管接頭、濾油器、壓力表、流量表等。
⑤工作介質(zhì) 在液壓系統(tǒng)中使用液壓油（通常為礦物油）
5.3機(jī)械手液壓系統(tǒng)的控制回路
機(jī)械手的液壓系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)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(diào)整、油泵的卸荷、運(yùn)動(dòng)的換向、工作速度的調(diào)節(jié)以及同步運(yùn)動(dòng)等。
5.3.1 壓力控制回路
① 調(diào)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(shè)置溢流閥，用它來調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，并將多余的油液溢流回油箱。
② 卸荷回路 在機(jī)械手各油缸不工作時(shí)，油泵電機(jī)又不停止工作的情況下，為減少油泵的功率損耗，節(jié)省動(dòng)力，降低系統(tǒng)的發(fā)熱，使油泵在低負(fù)荷下工作，所以采用卸荷回路。此機(jī)械手采用二位二通電磁閥控制溢流閥遙控口卸荷回路。
③ 減壓回路 為了是機(jī)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(gè)減壓閥，以獲得比系統(tǒng)壓力更低的壓力。
④ 平衡與鎖緊回路 在機(jī)械液壓系統(tǒng)中，為防止垂直機(jī)構(gòu)因自重而任意下降，可采用平衡回路將垂直機(jī)構(gòu)的自重給以平衡。為了使機(jī)械手手臂在移動(dòng)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(guān)閉，使活塞停止運(yùn)動(dòng)并鎖緊。本機(jī)械手采用單向順序閥做平衡閥實(shí)現(xiàn)任意位置鎖緊的回路。
⑤ 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(hù)油泵。液壓系統(tǒng)工作時(shí)，油泵向系統(tǒng)供應(yīng)高壓油液，以驅(qū)動(dòng)油缸運(yùn)動(dòng)而做功。當(dāng)一旦電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，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(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)果產(chǎn)生噪音，加速油泵的磨損。在油泵出油口處加設(shè)單向閥后，隔斷系統(tǒng)中高壓油液和油泵時(shí)間的聯(lián)系，從而起到保護(hù)油缸的作用。第二是防止空氣混入系統(tǒng)。在停機(jī)時(shí)，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(dòng)時(shí)的平穩(wěn)性。
5.3.2 速度控制回路
液壓機(jī)械手各種運(yùn)動(dòng)速度的控制，主要是改變進(jìn)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(diào)節(jié)節(jié)流閥的通流截面來改變進(jìn)入油缸或油馬達(dá)的流量；另一類是采用變量泵，改變油泵的供油量。本機(jī)械手采用定量油泵節(jié)流調(diào)速回路。
根據(jù)各油泵的運(yùn)動(dòng)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(diào)速閥等進(jìn)行調(diào)節(jié)。
節(jié)流調(diào)速閥的優(yōu)點(diǎn)是：簡單可靠、調(diào)速范圍較大、價(jià)格便宜。其缺點(diǎn)是：有壓力和流量損耗，在低速負(fù)荷傳動(dòng)時(shí)效率低，發(fā)熱大。
采用節(jié)流閥進(jìn)行節(jié)流調(diào)速時(shí)，負(fù)荷的變化會(huì)引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其原因是負(fù)荷變化會(huì)引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其原因是負(fù)荷變化會(huì)引起節(jié)流閥進(jìn)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(diào)速閥能夠隨負(fù)荷的變化而自動(dòng)調(diào)整和穩(wěn)定所通過的流量，使油缸的運(yùn)動(dòng)速度不受負(fù)荷變化的影響，對(duì)速度的平穩(wěn)性要求高的場(chǎng)合，宜用調(diào)速閥實(shí)現(xiàn)節(jié)流調(diào)速。
5.3.3 方向控制回路
在方向控制回路中，按用途分常用單向閥和換向閥。①單向閥：只允許流體在管道中單向接通，反向即切斷。②換向閥：改變不同管路間的通、斷關(guān)系、根據(jù)閥芯在閥體中的工作位置數(shù)分兩位、三位等；根據(jù)所控制的通道數(shù)分兩通、三通、四通、五通等；如二位二通、三位三通，三位五通等根據(jù)閥芯驅(qū)動(dòng)方式分手動(dòng)、 機(jī)動(dòng)、電磁、液動(dòng)等。
在機(jī)械手液壓系統(tǒng)中，為控制各油缸、馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)方向和接通或關(guān)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(dòng)滑閥，由電控系統(tǒng)發(fā)出電信號(hào)，控制電磁鐵操縱閥芯換向，使油缸及油馬達(dá)的油路換向，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)和正反向轉(zhuǎn)動(dòng)。
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(dòng)性能好，換向時(shí)間短，接線簡單，價(jià)廉，但是如吸不上時(shí)容易燒壞，可靠性差，換向時(shí)有沖擊，允許換向頻率底，壽命較短。
5.4 機(jī)械手的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)
液壓系統(tǒng)圖的繪制是設(shè)計(jì)液壓機(jī)械手的主要內(nèi)容之一。液壓系統(tǒng)圖是各種液壓元件為滿足機(jī)械手動(dòng)作要求的有機(jī)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。
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(diào)節(jié)回路和相應(yīng)元件，以及其他輔助裝置，從而組成整個(gè)液壓系統(tǒng)，并用液壓系統(tǒng)圖形符號(hào)，畫出液壓原理圖。
5.4.1 上料機(jī)械手的動(dòng)作順序
本液壓傳動(dòng)上料機(jī)械手主要是從一個(gè)地方拿到工件后，橫移一定的距離后把工件給立式精鍛機(jī)進(jìn)行加工。它的動(dòng)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(zhuǎn)115° → 拔定位銷→ 插定位銷 → 手臂前伸 → 手臂中停 （此時(shí)立式精鍛機(jī)的卡頭下降 → 卡頭夾料，大泵卸荷） → 手指松開（此時(shí)精鍛機(jī)的卡頭夾著料上升） → 手指閉合 → 手臂縮回 → 手臂下降 → 手腕反轉(zhuǎn) （手腕復(fù)位）→ 拔定位銷→ 立柱回移（回到起始位置） → 待料（一個(gè)循環(huán)結(jié)束）卸荷。
上述動(dòng)作均由電控系統(tǒng)發(fā)信控制相應(yīng)的電磁換向閥，按程序依次步進(jìn)動(dòng)作而實(shí)現(xiàn)的。該電控系統(tǒng)的步進(jìn)控制環(huán)節(jié)采用步進(jìn)選線器，其步進(jìn)動(dòng)作是在每一步動(dòng)作完成后，使行程開關(guān)的觸點(diǎn)閉合或依據(jù)每一步動(dòng)作的預(yù)設(shè)停留時(shí)間，使時(shí)間繼電器動(dòng)作而發(fā)信，使步進(jìn)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(dòng)作（見電磁鐵動(dòng)作程序表）實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的自動(dòng)控制。
5.4.2 自動(dòng)上料機(jī)械手液壓系統(tǒng)原理介紹
圖5.1 機(jī)械手液壓系統(tǒng)圖
液壓系統(tǒng)原理圖如圖9所示。該系統(tǒng)選用功率N=7.5千瓦的電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)雙聯(lián)葉片泵YB-35/18，其公稱壓力為60*10^5帕，流量為35升/分+18升/分=53升/分，系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)為30*10^5帕，油箱容積為250升。手臂的升降油缸及伸縮油缸工作時(shí)兩個(gè)油泵同時(shí)供油；手臂及手腕的回轉(zhuǎn)和手指夾緊用的拉緊油缸以及手臂回轉(zhuǎn)的定位油缸工作時(shí)只有小油泵供油，大泵自動(dòng)卸荷。
手臂伸縮、手臂升降、手臂橫向移動(dòng)和手腕回轉(zhuǎn)油路采用單向調(diào)速閥（QI-63B、QI-25B、QI-10B）回程節(jié)流，因而速度可調(diào)，工作平穩(wěn)。
手臂升降油缸支路設(shè)置有單向順序閥（XI-63B），可以調(diào)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?jǐn)嗦?。工作時(shí)油泵輸出的壓力油進(jìn)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(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞要上升時(shí)，壓力油液經(jīng)單向閥進(jìn)入升降油缸下腔而不會(huì)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(shí)不受系統(tǒng)壓力波動(dòng)的影響，保證保證手指夾持工件牢靠。當(dāng)反向進(jìn)油時(shí)，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(zhuǎn)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(yīng)壓力為15—18*10^5帕 ，同時(shí)還給電液動(dòng)滑閥（或稱電液換向閥，34DY-63B）來實(shí)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(diào)節(jié)。
此系統(tǒng)四個(gè)主壓力油路的壓力測(cè)量，是通過轉(zhuǎn)換壓力表開關(guān)（K-3B）的位置來實(shí)現(xiàn)的，被測(cè)量的四個(gè)主油路的壓力
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