通用液壓機械手設計--液壓

《通用液壓機械手設計--液壓》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《通用液壓機械手設計--液壓（94頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 通用液壓機械手設計 -- 液壓 2 （ 2011 屆） 本科畢業(yè)設計（論文）資料 題目名 稱： 通用液壓機械手 學 院

2、（部）： 機械工程學院 專 機械設計制造及其自動化 業(yè)： 學 生 姓 郝曉蓮 名： 班 機 設 074 班 學 號 級： 07405100334 指導教師姓 唐川林 職稱 教授 名： 3 職稱 最終評定成 績： 湖南工業(yè)大學教務處 4

3、 2011 屆 本科畢業(yè)設計（論文）資料 第一部分 畢業(yè)論文 5 Abstract Manipulator is a sort of automation device which has the function of grasp and transfer workpieces during the automated production.Today hydraulic mqa

4、nipulator is widely uade in industry fidld.It can maek the produce process automated and liberate the people from heavy physical labor.It can promote the quality of production and decrease the cost of production.In this design,we should use the knowledge of hydraulic,mechanism and electric contro

5、l comprehensively to complete the design of hydraulic manipulator,including machine system,hydraulic and comtrol system.The mechanical part is designed on the basis of mechanics computation foundation after the structure analysis,including hand,arm and fuselage.Generally the manipulator ’s hand shou

6、ld have four merits:compact structure,light weight,good universal property and high catch precision.Well,the arm should have merits that are good rigidity,light weight,high movement velocity,small inertia and flexible motion.The hydraulic system design including the hydraulic system computation and

7、the selection of hydraulic components;The control system design including plotting the ladder diagram and selecting the control component. Key words Hydraulic manipulator;hydraulic system ;design;plc 6 目 錄 前言6 6

8、 6 7 7 1 7 2 7 3 8 4 8 5 8 5 9 一手部結構 10 10 10 10 13 1 13 2 13 3 14 腕部的結構 17 17 18 16 1 19 2 19 3 20 4 21 臂部的結構 22 7 22 25 25

9、 25 1 26 2 28 3 30 液壓系統(tǒng)的設計 32 32 32 33 33 33 44 45 46 8 （一） 我要設計的機械手 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 1.5~3，本機械手取安全系數(shù) K=2 。定位精度為 1mm 。 2

10、. 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： 手腕回轉角度 110 手臂伸長量 500mm 手臂回轉角度 110 手臂升降行程 100mm 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) 9 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

11、緊工件、手臂升降、伸縮、回轉，平移等一系列的動作， 這些動作都應該在工作拍節(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： ① 給定的運動時間應大于電氣、液壓元件的執(zhí)行時間； ② 伸縮運動的速度要大于回轉運動的速度， 因為回轉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， 應盡量選取較低的運動速 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

12、大關系，應根據(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)要采取相應的措施， 10 以保證動作的同步。 液壓上料機械手的各運動速度如下： 手腕回轉速度 V 腕回 = 45 /s 手臂伸縮速度 V 手臂回轉速度 V 手臂升降速度 V 手指夾緊油缸的運動速度  臂伸 = 750 mm/s 臂回 = 110 /s 臂升 = 250 mm/s V 夾 = 50 mm/s 4. 手臂的配置形式 機械手的

13、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。機座式結構多為工業(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，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. 位置檢測裝置的選擇 11 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

14、程開關式。利用行程開關檢測位置，精度低，故一般與機械擋塊聯(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。 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 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(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。 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(qū)動方式為液壓驅(qū)動，控制方式為繼電 -接

15、觸器控制。 12 一、 手部結構 (一) 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(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、

16、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。 (二) 設計時應考慮的幾個問題 1. 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(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. 手指間應有一定的開閉角 13 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。 3. 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，

17、必須根據(jù)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。 4. 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(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，但應盡量使結構簡單緊湊，自重輕。 5. 應考慮被抓取對象的要求 應根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù) 量的不同，來設計和確定手指的形狀。 3 (三) 驅(qū)動力的計算 14

18、 1.手指 2.銷軸 3.拉桿 4.指座 圖 1 滑槽杠桿式手部受力分 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 F，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 F1 、 F2 ，其力的方向垂直于滑槽中心線 OO 1 和 OO 2 并指向 O 點，F(xiàn)1 和 F2 的延長線交 O1O2 于 A 及 B，∠ AOC= ∠BOC=α 。根據(jù)銷軸的力平衡條件，即 ∑ Fx=0 得  F1 F2; ∑ Fy=0 得  F1

19、  F 2cos F1 F1 銷軸對手指的作用力為 F1 。手指握緊工件時所需的 15 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)，并設兩力的大小相等，方 向相反，以 FN 表示。由手指的力矩平衡條件， 即 M1 ( F ) 0 得 F1 h FNb Q h=a/cos α F= 2b cos2 FN a 式中 a—— 手指的回轉支點到對稱中心線的距離 （mm ）。 α——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點

20、連線間的夾角。 由上式可知，當驅(qū)動力 F 一定時， α角增大則 握力 FN 也隨之增加，但 α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，使之結構 加大，因此，一般取 α=30~40。這里取角 α=30。 這種手部結構簡單，具有動作靈活，手指開閉角大等特點。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、振動以及傳力機構效率的影響，其實際的驅(qū)動力 F 實際應按以下公式計算，即： 16 F實際 =F計算 / 本機械手的工件只做水平和垂

21、直平移， 當它的 移動 速度為 250mm/s，系統(tǒng)達到最高速度的時間根據(jù)設計 參數(shù)選取，一般取 0.03～0.5s，移動加速度為 150mm / s2 ， 工件重量 G 為 294N，V 型鉗口的夾角為 120，α=30 時，拉緊油缸的驅(qū)動力 F 和 F實際 計算如下： (1) 手指對工件的夾緊力計算公式： FN K1K2 K3G 式中K1 ——安全系數(shù)，通常取 1.2～2.0; K2 ——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。 可近似按下式估算 K 2 1 a =1.05，其中 a v 0.25

22、 0.5m / s2 g t 0.5 K3 ——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進行選定按《工業(yè)機械手設計》表 2-2 選取 K3 4。 FN 1.2 1.05 4 294 N 1481.76N 由滑槽杠桿式結構的驅(qū)動力計算公式 (2) F計算 =F=2b cos2 FN a 得 b=80 2 1492/50=3556N F計算 =2 80 cos 30o (3) 取手指傳力效率 η =0.85, 17 則 F實際 =F

23、計算 / =3556/0.85=4183.5N<5000N (四) 夾緊缸的設計計算 1. 夾緊缸主要尺寸的計算 由 前 液壓缸，設夾緊工件時的行程為 則所需夾緊力為：  知 25mm，時間為  ， 0.5s， 工作壓力取 1MP ，考慮到為使液壓缸結構尺寸簡單緊湊，取工作壓力為 2.5MP 。 選取 d=0.5D 得： 4F 4 4183.5 D 2.5 106 47.5mm p 0.95 式中： D——液壓缸內(nèi)徑

24、 P——液壓缸工作壓力 ——液壓缸工作效率， 0.95 根據(jù)液壓缸內(nèi)徑系列 （JB826-66）選取液壓缸內(nèi)徑， D=50mm 18 同理查得活塞桿直徑 d=22mm 2. 缸體結構及驗算 缸體采用 45 號無縫鋼管，由 JB1068-67 查得可取缸筒外徑 75mm，則 12.5mm Q 16 D 則， pD 2.5 106 50 5.48mm 3.2 理 ] p) (2.3 110

25、10 6 2.5 10 6 ) (2.3[ 1 12.5mm 理 3. 液壓缸額定工作壓力PN （MP ）應低于一定極限 值，以保證工作安全 PN 0.35 s ( D12 D) 2 D21 36.36MPa 式中： D——缸筒內(nèi)徑 D1 ——缸筒外徑 s ——缸筒材料的屈服點， 45 號鋼為 340MPa 已知工作壓力 PN 2.5MPa 36.36MPa ，故安全。 4. 缸筒兩端部的計算 ① 缸筒底部厚度的計算

26、 19 此夾緊缸采用了平行缸底，且底部設有油孔，則底部厚度為 h 0.433D pmax D 6.8mm [ ]( D d0 ) 考慮結構要求，取 h=10mm 式中： D——缸筒內(nèi)徑 Pmax — — 液 壓 缸 最 大工 作 壓 力 ， 取 Pmax 2PN 5MP [ ] ——缸底材料的許用應力，材料為 [ ] b 600 120MP ，n 為安全系數(shù)，取 n=5。 45 號鋼， n 5 ② 缸筒底部聯(lián)接強度計算 缸筒底部采用螺釘聯(lián)接

27、法蘭式缸頭，材料為35 號鋼，聯(lián)接圖如下： 圖 2 外卡環(huán)聯(lián)接圖卡環(huán)尺寸一般?。? 20 h l 5mm; h1 h2 h 2.5mm 2 外卡環(huán) a-b 側面的擠壓應力 c 為： pmax D12 4 106 (0.06)2 c h(2D1 h) 0.05 (2 25.04MP 310MP 0.06 0.05) 缸筒危險截面 A-A 上的拉應力

28、 pmax D12 4 106 (0.06)2 27.43MP 520MP (D1 h)2 D 2 (0.06 0.05)2 (0.05)2 故知缸筒底部聯(lián)接安全。 ③ 缸筒端部聯(lián)接強度計算 缸筒端部與手指是用螺釘聯(lián)接，聯(lián)接圖如下： 圖 3 螺釘聯(lián)接圖 螺紋處的拉應力： KF 10 6 3 470 10 6 26.26MP 4 d1 Z 4 0.0041342 4

29、 21 螺紋處的剪應力： K1KFd 0 10 6 0.12 3 470 0.005 10 6 15.38MP 0.2d1 3Z 0.2 0.0041343 4 則合成應力： n 2 3 2 37.4MPa [ ] 120MPa 則知螺紋連接處安全可靠。 其中： K ——擰緊螺紋的系數(shù)，取 K=3 K1 ——螺紋連接處的摩擦系數(shù)， K1 0.12 d0 ——螺紋外徑， d0 0.006m d1 ——螺紋底徑， d1 0.004134 m Z——螺釘數(shù)量， Z=4

30、 22 二、 腕部的結構 (一) 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： ① 結構緊湊，重量盡量輕。 ② 轉動靈活，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 ④ 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(nèi)部通過，以便手腕轉動時管路不扭轉和不外露，使外形整齊。 (二 ) 腕部的結構形式 本機械手采用回轉油缸驅(qū)動實現(xiàn)腕部回轉運 動，

31、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(qū)動動 23 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。

32、 圖 3 機械手的腕部結構 (三 ) 手腕驅(qū)動力矩的計算 驅(qū)動手腕回轉時的驅(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(chǎn)生的偏重力矩。 手腕轉動時所需要的驅(qū)動力矩可按下 24 式計算： M驅(qū)=M慣+M偏+M摩 式中： M 驅(qū) ——驅(qū)動手腕轉動的驅(qū)動力矩 M 慣 —— 慣性力矩 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(chǎn)生的偏重力矩

33、 M 摩 —— 手腕轉動軸與支承孔處的摩擦力矩 腕部回轉力矩計算圖 1. 摩擦阻力矩 M 摩 f M 摩 = （N1D1+ N2D2） 式中： f—— 軸承的摩擦系數(shù)，滾動軸承取f=0.01～0.02，滑動軸承取 f=0.1； 25 N1 、N2 —— 軸承支承反力 （N）； D1 、 D2 —— 軸承直徑 （m） 由設計知 D1=0.03

34、5m D2=0.075m N1=800N N2=200N G1=294N e=0.020 時 M 摩 = 0.1 + ） （ 800 0.035 200 0.075 2 得M 摩 =2.15（N.m） 2. 工件重心引起的偏置力矩 M 偏 M 偏 G1 e 式中 G1—— 工件重量（ N） 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，G1=294N 時 M 偏 =5.88 （Nm） 3

35、. 腕部啟動時的慣性阻力矩 M 慣 ① 當知道手腕回轉角速度時，可用下式計算 M 慣 M慣 (J J工件) t 式中 —— 手腕回轉角速度 （1/s） t—— 手腕啟動過程中所用時間 26 （ s），（假定啟動過程中近為加速運動）一般取 0.05～0.3s 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 2 ） 按 已 知 計 算 : J 1 mR2 1 60 0.05 2 0.075kg m2 2 2 J工件 =

36、 1 m(l 2 +3R 2 )= 1 30(0.12 +3 0.042 )=0.037 kg m2 12 12 =0.78 （1/s）， t= 0.3s 故M 慣 = 0.29（Nm） 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?。? M 驅(qū)= 1.1~ 1.2(M 慣 +M 偏 +M 摩 ) 因此，得 M 驅(qū) =1.2 (2.15+5.88+0.29)=10 N m 4. 回轉液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩計算 回轉液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩必須大干總的阻

37、 27 力矩 M總。 下圖為機械手的手腕回轉液壓缸， 定片 1 與缸體 2 固定連接，動片 3 與轉軸 5 固定連接，當 a、b 口分別進出油時，動片帶動轉軸回轉，達到手腕回轉目的。 回轉缸簡圖 1-定片 2-缸體 3-動片 4-密封圈 5-轉軸 M= pb( R2 r 2 ) M 總 2 式中： M 總 ——手腕回轉時的總的阻

38、力矩 p——回轉液壓缸的工作壓力 R——缸體內(nèi)孔半徑 r ——輸出軸半徑 b——動片寬度 28 29 三、 臂部的結構 (一) 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(qū)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

39、，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(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(nèi)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： 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 30 扭曲剛度都比實心軸大得多。 所

40、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，或設置導向裝置，或設計方形、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軸的轉動慣量。 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。 (二)

41、 手臂直線運動機構 機械手手臂的伸縮、升降均屬于直線運動，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、絲桿螺母機構以及活塞缸和連桿機構。 手臂伸縮運動 31 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(nèi)移動，以防止手臂伸縮

42、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 雙導向桿手 臂的伸縮結構 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 32 適當?shù)膶蜓b置。它根據(jù)手臂的安裝

43、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 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。如下圖所示，在導向桿 1 的尾端用支承架 4 將兩個導向桿

44、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。 33 雙導向桿手臂 結構 手臂的升降運動 如圖 6 所示為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 9 實現(xiàn)。圖中 6 為位置檢測裝置

45、。 34 圖 6 手臂升降和回 轉機構圖 (三) 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 6

46、 35 所示，回轉運動由齒條活塞桿 8 驅(qū)動齒輪，帶動配油軸和缸體一起轉動， 再通過缸體上的平鍵 9 帶動外套一起轉動實現(xiàn)手臂的回轉。 (四) 手臂的設計計算 為便于進行液壓機械手的設計計算， 我們分別敘述伸縮液壓缸、升降液壓缸、回轉液壓缸的設計計算，解決臂部運動驅(qū)動力的計算問題， 結合前面有關臂部和機身的結構設計，最終定出臂部和機身的結構。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。 1. 手臂水平伸縮缸的設計計算 (1) 作水平伸縮在線運動液壓缸的驅(qū)動力

47、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及加油背壓等幾方面的阻力。 其理論驅(qū)動力可按下式計算： F理 =F摩 +F密 +F回 +F慣 估計參與手臂伸縮運動部件總重量 36 G (10 30) 9.8 392 N ,且重心位置距導向套前端面距離為 200mm。 ① F摩 的計算： 由于導向桿對稱分布，導向桿受力均衡，可按一個導向桿計算。

48、 由M A 0 知， GL Fb a GL Fb a 又 Y 0 則 Fa Fb G L+a Fa G總 a F摩 =F 摩 +F 摩 = Fa Fb G總 2L+ a 0.15 392 2 184.5 300 131.1N a b a 300 其中： L ——重心距導向套前端距離 ,184.5mm a ——導向套長度， 300mm μ ——當量摩擦系數(shù)，取 μ=0.15 ② F密 的計算： 當

49、液壓缸的工作壓力小于 10MPa ，活塞桿直徑為液壓缸直徑的一半，則活塞和活塞桿都采用 O 型密 37 封圈，此時液壓缸的密封阻力為： ③ ④  F密 =F桿 +F活塞 =0.03 F驅(qū) F回 計算： 一般背壓阻力較小， F回 取 0.05F驅(qū) F慣 的計算： F慣=G v 392 0.075 150N g t 9.8 0.02 式中： v——由靜止加速到常速的變化量 t ——起動過程時間，一般取 0.01 ～0.5s ，取

50、 t=0.02s 則： F理 =F摩 +F密 +F回 +F慣 131.1 0.03F理 0.05F理 150 得： F理 =305.5N 實際驅(qū)動力 F實 =F理 k 2 764 N 305.5 0.8 式中： k——安全系數(shù)， k=2 ；η——傳力機構機械效率，η =0.8. (2) 確定液壓缸的結構尺寸 液壓缸內(nèi)徑的結構尺寸，如圖，當進入無桿腔 38 F =F1 p D 2 4

51、 當油進入有桿腔 F =F2 (D 2 d 2 ) p 4 液壓缸的有效面積： F S p1 因此， D 4F 4 764 22.8mm，取 D=63mm p 2 106 0.95 式中： F——驅(qū)動力 p1 ——液壓缸的工作壓力 d——活塞桿直徑 D——液壓缸內(nèi)徑 η——液壓缸機械效率，在工程機械中用耐油橡膠可取 0.95 。 (3) 液壓缸臂厚計算 此缸工作壓力為 2MPa ，屬低壓，則缸筒臂厚采用薄壁計算公式 p1 D 2 106 0.032 C

52、= (2.3 100 106 0.28mm C 6mm (2.3[ ] p1) 2 106) 1 式中： p1 ——液壓缸內(nèi)工作壓力 39 d——強度系數(shù)，無縫鋼管ф =1 C——計入管壁公差及侵蝕的附加厚度， 一般圓整到標準臂厚值 D——液壓缸內(nèi)徑 (4) 聯(lián)接螺釘強度計算 取螺釘數(shù)目 F 984.75 Z=4 ，工作載荷： FQ 246N Z 4 預緊力 FQ 1.3 1.8 392 917.28 N 則

53、 d1 4FQ 4 575.64 2.7mm ，查手冊取螺紋直徑 [ ] 162 106 d1 6mm ， p=0.75, 材料 為 35 號鋼的內(nèi)六角螺釘 [ [ s] 320 106 。 ] 1.2 ~ 2.5 n 2. 升降缸的設計計算 ① 臂垂直升降運動驅(qū)動力的計算 手臂作垂直運動時， 除克服摩擦阻力和慣性力之外，還要克服臂部運動部件的重力，故其驅(qū)動力可按下式計算： F =F摩 +F密 +F回 +F慣 G 其中： F摩 —— 各支承處的摩擦力（ N ），

54、F摩 F理 f ，f=0.16； F密 ——同上， F密 =F桿 +F活塞 =0.03F理 40 F回 ——同上， F回 =0.05F理 G總 v 490 0.025 F慣 —— F慣 t 9.8 62.5 N g 0.02 G—— 臂部運動部件及工件的總重 量（ N），490N； ——上升時為正，下降時為負。 則： F =F摩 + F密 +F回 +F慣 G 0.16 F 0.03F 0.05F 62.5 490 得出， F=727N F實 =F k

55、2 727 1817.5 N 0.8 ② 結構尺寸的確定 缸內(nèi)徑計算： D 4F 4 1817.5 34.9mm，取 D=160mm p 2 106 0.95 根據(jù)強度要求，計算活塞桿直徑 d: 4F 4 1817.5 4.8mm ， d 1 d 100 106 D 80mm [ ] 2 結構上，活塞桿內(nèi)部裝有花鍵及花鍵套，能實現(xiàn)導向作用，同時可使活塞桿在升降運動中傳動平穩(wěn)，且獲得較大剛度。 ③ 臂厚同伸縮缸一樣，取 17mm ④ 聯(lián)接螺釘強度計算：

56、 41 取螺釘數(shù)目 F 1817.5 454.4 N Z=4，工作載荷 FQ 4 Z FQ 1.3 1.8 454.4 1063 N 則 , d1 4FQ 4 1063 ，查手冊取 d1 6mm ，螺距 [ ] 162 1062.9mm P=0.75，材料為 35 號鋼的內(nèi)六角螺釘 6 [ ] [ s] 320 10 。 n 1.2 ~ 2.5 3. 手臂回轉液壓缸的設計計算 ① 臂部回轉運動驅(qū)動力矩的計算 臂部回轉運動驅(qū)動力矩應根據(jù)啟動時產(chǎn)生

57、的慣性力矩與回轉部件支承處的摩擦力矩來計算。若軸承處的摩擦力忽略不計，則 M 驅(qū) =M 慣 +M 封 ，在設計計算時，為簡化計算 M 封 可不計。直接計入回轉缸效率中， 則M 驅(qū) = M 慣 ，η取 0.9 w M 慣=J0 t 式中： w ——角速度變化量（ rad/s ） t ——啟動過程時間， 0.05～0.5s,取 t 0.1s J0 ——手臂回轉部件（包括工件）對回轉軸線的轉動慣量。經(jīng)分析知，當手臂完全伸出時，此 時 J0 達到最大值，估算此時回轉零件的重心到轉軸線 42 的距離

58、為ρ =150mm,則 J0 Jc J工件 Jc m 2 50 0.15 2 1.125 J工件 = 1 m(R 13 +R 2 2)= 1 10(0.163 +0.24 2 )=0.208 4 4 M慣=J0 w （ Jc J工件） w (1.125 0.208) 1.92 25.6 t t 0.1 M 慣 25.6 28.4 M 驅(qū) = 0.9 ② 回轉缸參數(shù)的計算

59、 M 驅(qū) = pd (D 2 d 2 ) 27.3 8 D 8M 驅(qū) d 2 bp 式中： D——回轉缸內(nèi)徑 d——轉軸直徑 p——回轉缸工作壓力 b——動片寬度 為減少動片與輸出軸的聯(lián)接螺釘所受的載荷及 動片的懸伸長度， 選擇動片寬度（即液壓缸寬度） 時，可選用 2b 2b 3，且 D=2d D d 2 ,這里取 D d 對于活塞、導向套筒和油缸等的轉動慣量都 43 要做詳細計算， 因為這些零件的重量較大

60、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(zhì)點計算其轉動慣量， 對其質(zhì)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別進行計算，其中有的部分可當作質(zhì)點計算?？梢詤⒖肌豆I(yè)機器人》表 4-1。 44 四、 液壓系統(tǒng)的設計 (一) 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換

61、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。 （二）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 4

62、5 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） 。 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。 (三)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。 1 壓力控制回路 ①

63、 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 46 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。 ③ 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。 ④ 平衡與鎖緊回路 在機械液

64、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。 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。 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：第一是保護油泵。液壓系統(tǒng)工作時，油泵向系統(tǒng)供應高壓油液，以驅(qū)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(chǎn)生噪音，加速油泵的磨損。在油泵

65、 47 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。 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

66、 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油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其 48 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。 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