液壓傳動上料機械手設(shè)計和實現(xiàn) 機電一體化專業(yè)

摘 要 本次設(shè)計的液壓傳動機械手根據(jù)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(guān)的機械設(shè)計專業(yè)知識，完成對機械手的設(shè)計。機械手的機械結(jié)構(gòu)采用油缸、螺桿、導向筒等機械器件組成；在液壓傳動機構(gòu)中，機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，立柱的轉(zhuǎn)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；本設(shè)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。關(guān)鍵詞 機械手、液壓、控制回路 目 錄第1章 緒論.11.1 液壓上料機械結(jié)構(gòu)設(shè)計分析.11.1.1臂力的確定.11.1.2 工作范圍的確定.11.1.3確定運動速度.1 1.1.4手臂的配置形式.21.1.5位置檢測裝置的選擇.31.1.6 驅(qū)動與控制方式的選擇.,.31.2 液壓上料機械手的運用.31.3 液壓上料機械手的特點.41.4液壓上料機械手.4第2章 手部的結(jié)構(gòu).52.1概述.52.2設(shè)計時應(yīng)考慮的幾個問題.5 2.3 驅(qū)動力的計算.6 2.4 兩支點回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析.8第三章 腕 部 的 結(jié) 構(gòu).103.1概述.103.2腕部的結(jié)構(gòu)形式.103.3手腕驅(qū)動力矩的計.11第4 章 臂部的結(jié)構(gòu).14 4.1 概述.144.2手臂直線運動機構(gòu).154.2.1手臂伸縮運動.15 4.2.2 導向裝置.164.2.3 手臂的升降運動.17 4.3 手臂回轉(zhuǎn)運動.18 4.4 手臂的橫向移動.18 4.5 臂部運動驅(qū)動力計算.194.5.1 臂水平伸縮運動驅(qū)動力的計算.19 4.5.2 臂垂直升降運動驅(qū)動力的計算 .20 4.5.3 臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩的計算.21第5 章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計.22 5.1液壓系統(tǒng)簡介.22 5.2液壓系統(tǒng)的組成.22 5.3機械手液壓系統(tǒng)的控制回路.235.3.1 壓力控制回路.235.3.2 速度控制回路.235.3.3 方向控制回路.245.4 上料機械手的動作順序.24 5.5機械手液壓系統(tǒng)的簡單計算.25 5.5.1 雙作用單桿活塞油缸.255.5.2 無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸）.29 5.5.3 單葉片回轉(zhuǎn)油缸 .305.5.4 油泵的選擇.32 5.5.5 確定油泵電動機功率N.32第6章 機械手的控制.33第7章 總結(jié).35第8章 致謝.36參考文獻.37第一章 緒 論1.1 液壓上料機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計分析1.1.1 臂力的確定 目前使用的機械手的臂力范圍較大，國內(nèi)現(xiàn)有的機械手的臂力最小為0.15N，最大為8000N。本液壓機械手的臂力為N臂 =1650（N），安全系數(shù)K一般可在1.53，本機械手取安全系數(shù)K=2。定位精度為±1mm。1.1.2 工作范圍的確定 機械手的工作范圍根據(jù)工藝要求和操作運動的軌跡來確定。一個操作運動的軌跡是幾個動作的合成，在確定的工作范圍時，可將軌跡分解成單個的動作，由單個動作的行程確定機械手的最大行程。本機械手的動作范圍確定如下： 手腕回轉(zhuǎn)角度±115°手臂伸長量150mm手臂回轉(zhuǎn)角度±115°手臂升降行程170mm手臂水平運動行程100mm1.1.3 確定運動速度 機械手各動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)分配每個動作的時間，進而確定各動作的運動速度。液壓上料機械手要完成整個上料過程，需完成夾緊工件、手臂升降、伸縮、回轉(zhuǎn)，平移等一系列的動作，這些動作都應(yīng)該在工作拍節(jié)規(guī)定的時間內(nèi)完成，具體時間的分配取決于很多因素，根據(jù)各種因素反復考慮，對分配的方案進行比較，才能確定。 機械手的總動作時間應(yīng)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(yīng)考慮以下要求：（1） 給定的運動時間應(yīng)大于液壓元件的執(zhí)行時間；（2） 伸縮運動的速度要大于回轉(zhuǎn)運動的速度，因為回轉(zhuǎn)運動的慣性一般大于伸縮運動的慣性。在滿足工作拍節(jié)要求的條件下，應(yīng)盡量選取較底的運動速度。機械手的運動速度與臂力、行程、驅(qū)動方式、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、動作多的情況下，常使幾個動作同時進行。為此驅(qū)動系統(tǒng)要采取相應(yīng)的措施，以保證動作的同步。 液壓上料機械手的各運動速度如下： 手腕回轉(zhuǎn)速度 V腕回 = 40°/s 手臂伸縮速度 V臂伸 = 50 mm/s 手臂回轉(zhuǎn)速度 V臂回 = 40°/s 手臂升降速度 V臂升 = 50 mm/s 立柱水平運動速度 V柱移 = 50 mm/s 手指夾緊油缸的運動速度 V夾 = 50 mm/s1.1.4 手臂的配置形式 機械手的手臂配置形式基本上反映了它的總體布局。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。本機械手采用機座式。機座式結(jié)構(gòu)多為工業(yè)機器人所采用，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(gòu)，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(zhuǎn)運動，工作范圍較大。1.1.5 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(guān)式、模擬式和數(shù)字式。本機械手采用行程開關(guān)式。利用行程開關(guān)檢測位置，精度低，故一般與機械擋塊聯(lián)合應(yīng)用。在機械手中，用行程開關(guān)與機械擋塊檢測定位既精度高又簡單實用可靠，故應(yīng)用也是最多的。1.1.6 驅(qū)動與控制方式的選擇機械手的驅(qū)動與控制方式是根據(jù)它們的特點結(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。 驅(qū)動方式一般有四種：氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。本次設(shè)計采用液壓驅(qū)動，機械控制。 1.2 液壓上料機械手的運用 是近幾年在國內(nèi)剛剛出現(xiàn)的一個新興產(chǎn)業(yè).但在西方發(fā)達國家以及日本和韓國，早在二十年前，上料機械手就已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各種類型的數(shù)控機床上。上料機器人與數(shù)控機床相結(jié)合，可以實現(xiàn)工件的自動抓取、上料、裝卡、加工等所有的工藝過程，能夠極大的節(jié)約人工成本，提高生產(chǎn)效率。特別適用于大批量、小型零部件的加工，如汽車變速箱齒輪、軸承套（座）、剎車盤、金屬沖壓結(jié)構(gòu)件等。自動生產(chǎn)線和自動化程度高的加工設(shè)備已經(jīng)成為今后制造工廠的一個發(fā)展趨勢。單機自動化、整線自動化等自動上下料裝置用于加工工件的自動上料、工件翻轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)序等工作，能夠滿足“快速/大批量加工節(jié)拍”、“節(jié)省人力成本”、“提高生產(chǎn)效率”等要求，成為越來越多的工廠的理想選擇。1.3 液壓上料機械手的特點 （1） 可用于高溫金屬模板沖壓機床，來料溫度：900，出料溫度200； （2） 獨特的二倍行程手臂疊加機構(gòu)，倍速機構(gòu)，可以滿足小空間、大行程的技術(shù)要求。 （3） 運行速度快，保證來料的溫度不下降，滿足沖壓工藝要求。 （4） 性價比高。1.4液壓上料機械手實現(xiàn)的功能 （1） 液壓上料機械手可以實現(xiàn)對圓盤類、長軸類、不規(guī)則形狀、金屬板類工件的自動上料、工件翻轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)序等工作。 （2）液壓上料機械手采用獨立絎架設(shè)計，安裝、調(diào)試可以與機床分開進行，機床部分只進行標準機的制造即可，機械手可以完全獨立在機床之外運行。 （3） 液壓上料機械手采用模塊化機械手和橫梁，可以對機床機型加裝。而不需要分開規(guī)格進行多種類的制造； （4）獨立料倉設(shè)計，料倉獨立自動控制； （5） 不依靠機床的控制器進行控制，機械手模塊采用獨立的控制模塊，機械手故障只需設(shè)定參數(shù)，不影響機床運轉(zhuǎn)第二章 手部結(jié)構(gòu)2.1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(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，只有自身的運動將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場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)由手指和傳力機構(gòu)組成。其傳力機構(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)計時應(yīng)考慮的幾個問題 （1） 應(yīng)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(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 (2)手指間應(yīng)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(yīng)按最大直徑的工件考慮。 (3)應(yīng)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(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，以便自動定心。 (4)應(yīng)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(chǎn)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(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕。 (5)應(yīng)考慮被抓取對象的要求 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)計和確定手指的形狀。2.3 驅(qū)動力的計算 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，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，由圖受力分析得AOC=BOC=。根據(jù)銷軸的力平衡條件，即 Fx=0,P1=P2; Fy=0,P2=P1cos即： P1=P/2cos 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(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MO1(F)=0得P1h=Nb 因 h=a/cos 所以 P=2b(cos)N/a式中 a手指的回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)支點連線間的夾角。 由上式可知，當驅(qū)動力P一定時，角增大則握力N也隨之增加，但角過大會導致拉桿（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=30°40°。這里取角=30度。 這種手部結(jié)構(gòu)簡單，具有動作靈活，手指開閉角大等特點。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(qū)動力的計算方法，可求出驅(qū)動力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力、振動以及傳力機構(gòu)效率的影響，其實際的驅(qū)動力P實際應(yīng)按以下公式計算，即： P實際=PK1K2/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(qū)動力P和P實際計算如下： 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量夾緊力計算公式 N=0.5G 把已知條件代入得當量夾緊力為 N=49（N） 由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力計算公式 P=2b(cos)N/a 得 P=P計算=2*45/27(cos30°)*49=122.5(N) P實際=P計算K1K2/ 取=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/98101.1 則 P實際=122.5*1.5*1.1/0.85=238(N)2.4 兩支點回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析 圖2-2 帶浮動鉗口的鉗爪 鉗口與鉗爪的連接點E為鉸鏈聯(lián)結(jié),如圖示幾何關(guān)系,若設(shè)鉗爪對稱中心O到工件中心O的距離為x,則 x= 當工件直徑變化時,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,其最大定位誤差為=- 其中了=45mm ,b=5mm ,a=27mm ,2=120° ,Rmin=15mm ,Rmax=30mm代入公式計算得 最大定位誤差=44.2-44.7=0.51第三章 腕部的結(jié)構(gòu)3.1 概述 腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。設(shè)計腕部時要注意以下幾點： 結(jié)構(gòu)緊湊，重量盡量輕。 轉(zhuǎn)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(diào)整等問題,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)動時管路不扭轉(zhuǎn)和不外露，使外形整齊。3.2 腕部的結(jié)構(gòu)形式 本機械手采用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動實現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)運動，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。夾緊缸體與指座固連成一體。當回轉(zhuǎn)油缸的兩腔分別通入壓力油時，驅(qū)動動片連同夾緊油缸缸體和指座一同轉(zhuǎn)動，即為手腕的回轉(zhuǎn)運動。 圖3-1 機械手的腕部結(jié)構(gòu)3.3手腕驅(qū)動力矩的計算 驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動的重心與軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。手腕轉(zhuǎn)動時所需要的驅(qū)動力矩可按下式計算： M驅(qū)=M慣+M偏+M摩 （N.m） 式中 M驅(qū)驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩 M慣慣性力矩 （N.m） M偏參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸體的動片）對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 （N.m） M摩手腕轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦力矩 （N.m） 圖3-2 腕部回轉(zhuǎn)力矩計算圖(1) 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(shè)計知D1=0.035m D2=0.054m N1=800N N2=200N G1=98N e=0.020時 M摩 =0.1*（200*0.035+800*0.054）/2 得 M摩 =2.50（N.m） (2) 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），當工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心線重合時，M偏為零 當e=0.020，G1=98N時 M偏 =1.96 （N·m） (3)腕部啟動時的慣性阻力矩M慣 當知道手腕回轉(zhuǎn)角速度時，可用下式計算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(zhuǎn)部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m） J工件工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 （kg·m） 按已知計算得J=2.5，J工件 =6.25，=0.3m/ m,t=2 故 M慣 = 1.3（N·m） 當知道啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度時，也可以用下面的公式計算M慣： M慣=（J+J工件） （N·m） 式中 啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度（rad）; 手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s）。 考慮到驅(qū)動缸密封摩擦損失等因素，一般將M取大一些，可取 M =1.11.2 （M慣+M偏+M摩 ） （N.m） M = 1.2*（2.5+1.96+1.3） =6.9 （N.m） 第四章 臂部的結(jié)構(gòu)4.1 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(zhuǎn)和升降運動。手臂的回轉(zhuǎn)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(qū)動機構(gòu)和各種傳動機構(gòu)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(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械手的工作性能，所以必須根據(jù)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(shè)計手臂的結(jié)構(gòu)型式。同時，設(shè)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(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因此設(shè)計臂部時一般要注意下述要求： (1)剛度要大 為防止臂部在運動過程中產(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。 (2) 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(shè)置導向裝置，或設(shè)計方形、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其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)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(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。 (4) 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(yīng)盡量減少小臂部運動部分的重量，使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時要采取一定的緩沖措施。4.2手臂直線運動機構(gòu) 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(gòu)形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸、活塞缸和齒輪齒條機構(gòu)、絲桿螺母機構(gòu)以及活塞缸和連桿機構(gòu)。4.2.1手臂伸縮運動 這里實現(xiàn)直線往復運動是采用液壓驅(qū)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(gòu)中應(yīng)用比較多。如下圖所示為雙導向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)。手臂和手腕是通過連接板安裝在伸縮油缸的上端，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(nèi)移動，以防止手臂伸縮時的轉(zhuǎn)動（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(jié)構(gòu)緊湊。可用于抓重大、行程較長的場合。 圖4-1 雙導向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu) 4.2.2 導向裝置 液壓驅(qū)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(zhuǎn)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(shè)計手臂的結(jié)構(gòu)時，必須采用適當?shù)膶蜓b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，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)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(gòu)。 雙導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(shè)輔助支承架，以提高導向桿的剛性。 如圖4-2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(shè)輔助支承架，以提高導向桿的剛性。如圖4-2所示，在導向桿1的尾端用支承架4將兩個導向桿連接起來，支承架的兩側(cè)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。4.2.3 手臂的升降運動 如圖4-3所示為手臂的升降運動機構(gòu)。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(zhuǎn)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4-3為位置檢測裝置。 圖4-3 手臂升降和回轉(zhuǎn)機構(gòu)圖4.3 手臂回轉(zhuǎn)運動 實現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機構(gòu)、鏈輪傳動機構(gòu)、連桿機構(gòu)等。本機械手采用齒條缸式臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)，回轉(zhuǎn)運動由齒條活塞桿驅(qū)動齒輪，帶動配油軸和缸體一起轉(zhuǎn)動，再通過缸體上的平鍵帶動外套一起轉(zhuǎn)動實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)。4.4 手臂的橫向移動 如圖4-4所示為手臂的橫向移動機構(gòu)。手臂的橫向移動是由活塞缸5來驅(qū)動的，回轉(zhuǎn)缸體與滑臺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。 圖4-4 手臂橫向移動機構(gòu)4.5 臂部運動驅(qū)動力計算 計算臂部運動驅(qū)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。4.5.1 臂水平伸縮運動驅(qū)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(qū)動力Pq可按下式計算： Pq = Fm + Fg (N) 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： 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， Pq = 80+* =80+112=192 (N)4.5.2 臂垂直升降運動驅(qū)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(qū)動力Pq可按下式計算： Pq = Fm + Fg ± W (N) 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 Pq=40+100+1098=1238（N）4.5.3 臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩的計算 臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩應(yīng)根據(jù)啟動時產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)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(qū)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(qū)動力矩Mq可按下式計算： Mq = 1.3(Mm + Mg ) (N·m) 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： Mg = J (N·m) 式中 J手臂部件對其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m）; 回轉(zhuǎn)手臂的工作角速度（rad/s）; t回轉(zhuǎn)臂啟動時間（s） 當Mm=84(N·m)，Mg=8=32(N·m) Mq = 1.3*116=150.8(N·m) 對于活塞、導向套筒和油缸等的轉(zhuǎn)動慣量都要做詳細計算，因為這些零件的重量較大或回轉(zhuǎn)半徑較大，對總的計算結(jié)果影響也較大，對于小零件則可作為質(zhì)點計算其轉(zhuǎn)動慣量，對其質(zhì)心轉(zhuǎn)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別進行計算，其中有的部分可當作質(zhì)點計算。第五章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計5.1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(zhì)。電動機帶動油泵輸出壓力油，是將電動機供給的機械能轉(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(zhuǎn)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(guān)。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。5.2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： （1） 油泵 它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動機輸出的機械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能，用這壓力油驅(qū)動整個液壓系統(tǒng)工作。 （2） 液動機 壓力油驅(qū)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(zhuǎn)運動的液動機一般叫作油馬達，回轉(zhuǎn)角小于360°的液動機，一般叫作回轉(zhuǎn)油缸（或稱擺動油缸）。 （3） 控制調(diào)節(jié)裝置 各種閥類，如單向閥、溢流閥、節(jié)流閥、調(diào)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。5.3機械手液壓系統(tǒng)的控制回路 機械手的液壓系統(tǒng)，根據(jù)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(diào)整、油泵的卸荷、運動的換向、工作速度的調(diào)節(jié)以及同步運動等。5.3.1 壓力控制回路 壓力控制回路是通過控制液壓系統(tǒng)的壓力，以滿足執(zhí)行元件對力和力矩要求的回路。包括調(diào)壓、卸荷、減壓、平衡鎖緊等基本回路。本設(shè)計采用二位二通電磁閥控制溢流閥遙控口卸荷回路和單向順序閥做平衡閥實現(xiàn)任意位置鎖緊的回路 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(guān)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。5.3.2 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(diào)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(diào)速回路。 根據(jù)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(diào)速閥等進行調(diào)節(jié)。 節(jié)流調(diào)速閥的優(yōu)點是：簡單可靠、調(diào)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(diào)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(diào)速閥能夠隨負荷的變化而自動調(diào)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(diào)速閥實現(xiàn)節(jié)流調(diào)速。5.3.3 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(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(zhuǎn)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。 5.4 上料機械手的動作順序動作順序：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 手臂回轉(zhuǎn)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(zhuǎn) （手腕復位） 拔定位銷 手臂反轉(zhuǎn)（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(jié)束）卸荷。 上述動作均由電控系統(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(guān)的觸點閉合或依據(jù)每一步動作的預設(shè)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。5.5機械手液壓系統(tǒng)的簡單計算 計算的主要內(nèi)容是，根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)所要求的輸出力和運動速度，確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸和所需流量、確定液壓系統(tǒng)所需的油壓與總的流量，以選擇油泵的規(guī)格和選擇油泵電動機的功率。確定各個控制閥的通流量和壓力以及輔助裝置的某些參數(shù)等。 在本機械手中，用到的油缸有活塞式油缸（往復直線運動）和回轉(zhuǎn)式油缸（可以使輸出軸得到小于360°的往復回轉(zhuǎn)運動）及無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸）。5.5.1 雙作用單桿活塞油缸 圖5-2 雙作用單桿活塞桿油缸計算簡圖 流量、驅(qū)動力的計算 當壓力油輸入無桿腔，使活塞以速度V1運動時所需輸入油缸的流量Q1為 Q1 = DV1 對于手臂伸縮油缸：Q1=0.98cm/s， 對于手指夾緊油缸：Q1=1.02 cm/s ,對于手臂升降油缸：Q1=0.83 cm/s 油缸的無桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力P1即油缸的驅(qū)動力為： P1 = Dp1 對于手臂伸縮油缸：p1=196N， 對于手指夾緊油缸：p1=126N ，對于手臂升降油缸：p1=320N 當壓力油輸入有桿腔，使活塞以速度V2運動時所需輸入油缸的流量Q2為： Q2 = （D-d）V2 對于手臂伸縮油缸：Q1=0.87cm/s， 對于手指夾緊油缸：Q1=0.96 cm/s ,對于手臂升降油缸：Q1=0.72 cm/s 油缸的有桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力P2即油缸的驅(qū)動力為： P2 = （D-d）p1 對于手臂伸縮油缸：p1=172N， 對于手指夾緊油缸：p1=108N ，對于手臂升降油缸：p1=305N 計算作用在活塞上的總機械載荷 機械手手臂移動時，作用在機械手活塞上的總機械載荷P為 P = P工 + P導 + P封 + P慣 + P回 其中P工為工作阻力 P導為裝置處的摩擦阻力 P封為密封裝置處的摩擦阻力 P慣為性阻力 P回為回背壓阻力 P = 83+125+66+80+208=562(N) 確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸 油缸內(nèi)徑的計算 油缸工作時，作用在活塞上的合成液壓力即驅(qū)動力與活塞桿上所受的總機械載荷平衡，即 P = P1（無桿腔） = P2 （有桿腔） 油缸（即活塞）的直徑可由下式計算 D = = 1.13 厘米 （無桿腔） 對于手臂伸縮油缸：D=50mm， 對于手指夾緊油缸：D=30mm ，對于手臂升降油缸：D=80mm ，對于立柱橫移油缸：D = 40mm或D = 厘米 （有桿腔） 油缸壁厚的計算： 依據(jù)材料力學薄壁筒公式，油缸的壁厚可用下式計算： = 厘米 P計 為計算壓力 油缸材料的許用應(yīng)力。 對于手臂伸縮油缸： =6mm， 對于手指夾緊油缸： =17mm ，對于手臂升降油缸： =16mm , 對于立柱橫移油缸: =17mm 活塞桿的計算 可按強度條件決定活塞直徑d 。活塞桿工作時主要承受拉力或壓力，因此活塞桿的強度計算可近似的視為直桿拉、壓強度計算問題，即 = 即 d 厘米 對于手臂伸縮油缸：d =30mm， 對于手指夾緊油缸：d =15mm ，對于手臂升降油缸：d=50mm , 對于立柱橫移油缸:d=16mm5.5.2 無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸） 圖5-3 齒條活塞缸計算簡圖 流量、驅(qū)動力的計算 Q = 當D=103mm,d=40mm,=0.95 rad/s時 Q = 952N 作用在活塞上的總機械載荷P P = P工 + P封 + P慣 + P回 其中P工為工作阻力 P封為密封裝置處的摩擦阻力 P慣為慣性阻力 P回為背壓阻力 P = 66+108+208=382（N） 油缸內(nèi)徑的計算 根據(jù)作用在齒條活塞上的合成液壓力即驅(qū)動力與總機械載荷的平衡條件，求得 D = （厘米） D = 45mm5.5.3 單葉片回轉(zhuǎn)油缸 在液壓機械手上實現(xiàn)手腕、手臂回轉(zhuǎn)運動的另一種常用機構(gòu)是單葉片回轉(zhuǎn)油缸，簡稱回轉(zhuǎn)油缸，其計算簡圖如下： 圖5-4回轉(zhuǎn)油缸計算簡圖 流量、驅(qū)動力矩的計算 當壓力油輸入回轉(zhuǎn)油缸，使動片以角速度運動時，需要輸入回轉(zhuǎn)油缸的流量Q為： Q = 當D=100mm,d=35mm,b=35mm, =0.95 rad/s時 Q=0.02m/s回轉(zhuǎn)油缸的進油腔壓力油液，作用在動片上的合成液壓力矩即驅(qū)動力矩M： M = 得 M = 0.8 (N·m) 作用在動片（即輸出軸）上的外載荷力矩 M M = M工 +M封 + M慣 + M回 其中 M工為工作阻力矩 M封為密封裝置處的摩擦阻力矩 M慣為參與回轉(zhuǎn)運動的零部件，在啟動時的慣性力矩 M回為回轉(zhuǎn)油缸回油腔的背反力矩 M = 2.3+0.85+1.22+1.08=5.45 (N·m) 回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)徑的計算 回轉(zhuǎn)油缸的動片上受的合成液壓力矩與其上作用的外載荷力矩相平衡，可得： D = D = 30mm（厘米)5.5.4油泵的選擇 一般的機械手的液壓系統(tǒng)，大多采用定量油泵，油泵的選擇主要是根據(jù)系統(tǒng)所需要的油泵工作壓力p泵 和最大流量Q泵來確定。 確定油泵的工作壓力p泵 p泵 p + p 式中 p 油缸的最大工作油壓 p 壓力油路（進油路）各部分壓力損失之和，其中包括各種元件的局部損失和管道的沿程損失。 p泵= 60*10帕 確定油泵的 Q泵 油泵的流量，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)個回路按設(shè)計的要求，在工作時實際所需的最大流量Q最大，并考慮系統(tǒng)的總泄漏來確定 Q泵 = K Q最大 其中：K一般取1.101.25 Q泵=53升/分5.5.5 確定油泵電動機功率N 油泵的電動功率為 N = （千瓦） 式中 p油泵的最大工作壓力 Q所選油泵的額定流量 油泵總效率N=7.5（千瓦） 第六章 機械手的控制 控制系統(tǒng)是機械手的重要組成部分。在某種意義上講，控制系統(tǒng)起著與人腦相似的作用。機械手的手部、腕部、臂部等的動作以及相關(guān)機械的協(xié)調(diào)動作都是通過控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。主要控制內(nèi)容有動作的順序，動作的位置與路徑、動作的時間。機械手要用來代替人完成某些操作，通常需要具有圖6.1所示的機能。實現(xiàn)上述各種機能的控制方式有多種多樣。機械手的程序控制方式可分為兩大類，即固定程序控制方式和可變程序控制方式。本課題所用的是固定程序控制類別的機械式控制。常用凸輪和杠桿機構(gòu)來控制機械手的動作順序、時間和速度。一般常與驅(qū)動機構(gòu)并用，因此結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，壽命較長，工作比較可靠。適用于控制程序步數(shù)少的專用機械手。 裝卸工件 狀別識別 環(huán)境識別操作機能檢測、識別機能 示教機能 動作順序控制機能運動控制機能 圖6-1機械手的控制功能 第七章 總結(jié) 本課題在研究了工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)和工作原理的問題，分析了液壓驅(qū)動和機械控制的基礎(chǔ)上，提出了利用容積式液壓傳動將機械能轉(zhuǎn)化為壓力能，實現(xiàn)機器人手部、腕部、臂部的運動，利用凸輪和杠桿機構(gòu)控制各部件動作的速度和位置。其中詳細分析了各關(guān)節(jié)設(shè)計參數(shù)的選用，通過解決了對圓盤類、長軸類、不規(guī)則形狀、金屬板類工件的自動上料、工件翻轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)序等問題，達到了理論結(jié)合實際、學以致用的目的。并從中增強了刻苦鉆研的精神，磨礪了耐性，做事情更加的認真細心，考慮更加全面。懂得了團隊合作的重要性，為以后進入社會打下了良好的基礎(chǔ)。