球坐標式四自由度機械手設計

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1、摘要 機械手與機械人是二十世紀五十年代以后,伴隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用,而迅速發(fā)展起來的一門新興技術。它綜合應用了機械、電子、自動控制等先進技術以及物理，生物等學科的基礎知識實現(xiàn)機械化與自動化的有機結合。它不僅在工業(yè)生產上，而且對宇宙開發(fā)，海洋開發(fā)，軍事工程和生物醫(yī)學等方面都起著推動的作用，因而日益受到世界許多國家政府，學術團隊和科學技術人員的重視，毫無疑問，這門技術將具有廣闊的發(fā)展前景。 在生產現(xiàn)代化領域里，材料的搬運，機床的上下料，整機的裝配等是個薄弱環(huán)節(jié)。在機械工業(yè)部門，這些工序的費用占全部加工費用三分之二以上，而且絕大多數(shù)的事故發(fā)生在這些工序，自動上下料裝置和工業(yè)機械

2、手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而采用的。 通用機械手在工業(yè)生產中的應用只有二十來年的歷史，這種裝置在國外得到相當重視，到七十年代，其品種和數(shù)量都有很大的發(fā)展，并且研制了具有各種感覺器官的機器人。 關鍵詞：機械手 液壓缸PLC自由度 控制閥 目 次 摘要2 1 緒論1 2 設計參數(shù)7 2.1設計題目7 球坐標式四自由度機械手設計7 2.2 初始參數(shù)與設計要求7 3設計方案的擬定8 3.1初步分析8 3.2 執(zhí)行機構8 手部8 腕部8 臂部及機身9 3.3 驅動機構9 3.4控制機構10 4 機械手手部的設計計算10 4.1設計計算10 4.2機械

3、手手抓夾持精度的分析計算13 5 腕部的設計計算14 5.1 腕部設計的基本要求14 5.2 腕部的結構以及選擇15 典型的腕部結構15 5.2.2 腕部結構和驅動機構的選擇15 5.3腕部的設計計算15 5.3.1 腕部設計考慮的參數(shù)15 5.3.2 腕部的驅動力矩計算15 6腕部與臂部連接處的回轉液壓缸的設計計算17 6.1驅動力矩的計算18 慣性力矩的計算18 摩擦阻力矩的計算18 偏重力矩的計算18 6.2回轉液壓缸的確定18 7 臂部的設計計算19 7.1 臂部設計的基本要求19 7.2 手臂的典型機構以及結構的選擇20 典型的臂部運動結構20

4、手臂運動機構的選擇21 7.3 手臂直線運動的驅動力計算21 手臂摩擦力的分析與計算21 手臂慣性力的計算23 密封裝置的摩擦阻力23 7.4 確定液壓缸工作壓力和結構23 確定液壓缸的結構尺寸23 7.5液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎?6 8臂部俯仰缸的設計計算27 8.1驅動力矩的計算29 8.2俯仰擺動油缸驅動力的計算29 8.3俯仰擺動油缸的設計計算30 8.4液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎?0 9 機身的設計計算32 9.1 機身的整體設計32 9.2 機身回轉機構的設計計算33 9.2.1 回轉缸驅動力矩的計算33 9.3回轉缸尺寸的初步確定34 10機械手液壓系統(tǒng)工

5、作原理34 10.1 能量轉化簡圖34 10.2 液壓系統(tǒng)的組成35 10.3 液壓傳動系統(tǒng)機械手的特點35 10.4 油缸泄漏問題與密封裝置36 10.4.1 活塞式油缸的泄漏與密封36 10.4.2 回轉油缸的泄漏與密封36 10.5 液壓系統(tǒng)傳動方案的確定37 10.5.1 各液壓缸的換向回路37 10.5.2 調速方案37 10.5.3 減速緩沖回路38 10.5.4 系統(tǒng)安全可靠性38 10.5.5 機械手的動作分析38 11機械手的PLC控制系統(tǒng)設計40 11.1 用于控制機械手的PLC簡介41 11.1.1 PLC簡介41

6、 11.1.2 機械手PLC的選用41 11.2工業(yè)用機械手的動作順序的PLC編程42 12 設計感想46 13 參考文獻48 1 緒論 (1)　機械手的概述 工業(yè)機械手（以下簡稱機械手）是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術，作為多學科融合的邊沿學科，它是當今高技術發(fā)展最快的領域之一，并已成為現(xiàn)代機械制造生產系統(tǒng)中的一個重要組成部分。 所謂工業(yè)機械手就是一種能按給定的程序或要求自動完成物件（如材料、工件、零件或工具等）傳送或操作作業(yè)的機械裝置，它能部分地代替人的手工勞動。較高級型式的機械手，還能模擬人的手臂動作，完成較復雜的作業(yè)。 由于機械手科學的發(fā)展十分迅速，世界上

7、對機械手還沒有一個明晰，統(tǒng)一的定義。 國際標準化組織（ISO）對機械手做了如下定義：機械手是一種可以反復編程和多功能的用來搬運材料、零件、工具的操作機或是為了執(zhí)行不同任務而具有可改變和可編程的動作的專門系統(tǒng)（A reprogrammable and multifunctional manipulator, devised forthe transports of masteries, parts, tools or specialized Systems, with varied and programmed movements, with the aim of carrying out v

8、aried tasks）。 隨著我國工業(yè)機械手技術的不斷發(fā)展，很多專家也建議建立自己的機械手定義，我國國家標準GB/T12643-90 也將工業(yè)機械手定義為“一種能自動定位控制，可重復編程的、多功能的、多自由度的操作機。它能搬運材料、零件或操持工具，用于完成各種任務作業(yè)”。 (2)　機械手的組成 工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成，各部關系如圖1所示： 圖0-1工業(yè)機械手組成框圖 機械手大致可分為手部、傳送機構、驅動部分、控制部分以及其它部分。 手部（或稱抓取機構）包括手指、傳力機構等，主要起抓取和放置物件的作用； 傳送機構（或稱臂部）包括手腕、手臂等，主要起改變物

9、件方向和位置的作用； 驅動部分它是驅動前兩部分的動力，因此也稱動力源，常用的有液壓、氣壓、電力和機械式驅動四種形式； 控制部分它是機械手動作的指揮系統(tǒng)，由它來控制動作的順序(程序)、位置和時間(甚至速度與加速度)等； 其它部分 如機體、行走機構、行程檢測裝置和傳感裝置等。 (3)　機械手的分類 機械手從使用范圍、運動坐標形式、驅動方式以及臂力大小四個方面的分類分別為： 按機械手的使用范圍分類： ①專用機械手 一般只有固定的程序，而無單獨的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機器或生產線用以自動傳送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料機械手”、“曲拐自動車床機械手”、“油泵凸輪軸自動線機械手

10、”等等。這種機械手結構較簡單，成本較低，適用于動作比較簡單的大批量生產的場合。 ②通用機械手（也稱工業(yè)機器人） 指具有可變程序和單獨驅動的控制系統(tǒng)，不從屬于某種機器，而且能自動 生成傳送物件或操作某些工具的機械裝置。通用機械手按其定位和控制方式的不同，可分為簡易型和伺服型兩種。簡易型只是點位控制，故屬于程序控制類型，伺服型可以是點位控制，也可以是連續(xù)軌跡控制，一般屬于數(shù)字控制類型。這種機械手由于手指可更換(或可調節(jié))，程序可變，故適用于中、小批生產。但因其運動較多，結構較復雜，技術條件要求較高，故制造成本一般也較高。 按機械手臂部的運動坐標型式分類： ①直角坐標式機械手 臂部可

11、以沿直角坐標軸X、Y、Z三個方向移動，亦即臂部可以前后伸縮(定為沿X 方向的移動)、左右移動(定為沿Y方向的移動)和上下升降(定為沿Z方向的移動)； ②圓柱坐標式機械手 手臂可以沿直角坐標軸的X和Z方向移動，又可繞Z軸轉動(定為繞Z軸轉動)，亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉動； ③球坐標式機械手 臂部可以沿直角坐標軸X方向移動，還可以繞Y軸和Z軸轉動，亦即手臂可以前后伸縮(沿X方向移動)、上下擺動(定為繞Y軸擺動)和左右轉動(仍定為繞Z軸轉動)； ④多關節(jié)式機械手 這種機械手的臂部可分為小臂和大臂。其小臂和大臂的連接(肘部)以及大臂和機體的連接(肩部)均為關節(jié)(鉸鏈)式

12、連接，亦即小臂對大臂可繞肘部上下擺動，大臂可繞肩部擺動多角，手臂還可以左右轉動。 (4)　按機械手的驅動方式分類： ①液壓驅動機械手以壓力油進行驅動； ②氣壓驅動機械手以壓縮空氣進行驅動； ③電力驅動機械手直接用電動機進行驅動； ④機械驅動機械手是將主機的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機構等傳給機械手的一種驅動方式。 按機械手的臂力大小分類： ①微型機械手臂力小于1kg； ②小型機械手臂力為1—10kg； ③中型機械手臂力為10—30kg； ④大型機械手臂力大于30kg。 (5)　機械手發(fā)展概況 機械手是在自動化、自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子

13、技術，特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與自動化的有機結合。 機械手是一種模仿人手部的動作，按照預先設定的程序、軌跡和其他要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件和操縱工具的自動化裝置。 機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量臂人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛的得到應用。 (6)　機械手的組成 機械手的形式是多種多樣的，有的較為簡單，有的較為復雜，但基本的組成形式是相同的。一般機械手由執(zhí)行機構、傳動系統(tǒng)、控制系

14、統(tǒng)和輔助裝置組成。 機械手的執(zhí)行機構，由手、手腕、手臂、支座組成。手是抓取機構，用來夾緊或是松開工件，與人的手指相仿，能完成人手的類似動作。手腕是連接手指和手臂的元件，可以進行上下、左右和回轉動作。簡單的機械手可以沒有手腕，而只有手臂，手臂的動作和手腕相類似，只是動作范圍更大，可以前后伸縮，上下升降和左右擺動等。支柱用來支撐手臂，它是固定的，也可以根據(jù)需要做成移動的。 執(zhí)行機構的動作要有傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)。常用的機械手傳動系統(tǒng)分機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電力傳動等幾種形式。 控制系統(tǒng)的主要作用是控制機械手按一定的程序、方向、位置、速度進行動作。簡單的機械手一般不設置專用的控制系統(tǒng)，只采用

15、行程開關、繼電器、控制閥及電路便可實現(xiàn)對傳動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行機構按要求進行動作。動作復雜的機械手則要采用可編程控制器、微型計算機進行控制。 簡單的組成和分類以及適用范圍如下： ①工業(yè)機械手的組成： 執(zhí)行系統(tǒng)的組成：手部、腕部、機身、行走機構。 驅動系統(tǒng)的組成：各種電氣、液壓元件。 控制系統(tǒng)的組成：位置檢測器、記憶存儲器。 ②工業(yè)機械手的分類： 液壓式：操作力大，動作平穩(wěn)，其缺點是泄油會影響系統(tǒng)的工作性能，油的粘度對溫度的變化敏感。 氣動式：氣源方便，維護簡單，易于獲得高速度，其缺點是操作力有限，體積大。空氣壓縮性大,速度控制困難,動作不平穩(wěn),控制有滯后現(xiàn)象。 電動式：動力源

16、方便，操作力度大。其缺點是需要設置減速機構，結構較復雜，或用特殊電機驅動。 機械式：一般借助主機動力源，通過凸輪，連桿機構來實現(xiàn)規(guī)定的動作，變換程序較困難，結構龐大。 ③工業(yè)機械手按適用范圍分： 專業(yè)機械手：一般指附屬于某一設備的，動作程序固定的，沒有獨立的控制系統(tǒng)的搬運裝置。 通用機械手：一般指動作程序可變的，具有獨立控制系統(tǒng)的自動化裝置。 ④工業(yè)機械手按運動軌跡控制方式分： 點位控制：機械手的運動軌跡是空間兩點間的聯(lián)線，只要求準確控制部件的移動起始位置或有限的設定點位置，不要求控制其運動軌跡。 連續(xù)軌跡控制：機械手的運動軌跡是空間連續(xù)曲線，其設定點是無限的能在三維空間中作任意

17、復雜的動作。 (7)　上下料機械手的使用必要性 在現(xiàn)代的機械加工中，消耗于上下料的時間損失是組成零件單件加工時間的一部分，它屬于輔助時間，我們知道要想提高生產率，減少生產中的輔助時間，將是非常重要的一個環(huán)節(jié)。而要想減少輔助時間必須實現(xiàn)生產自動化，自動上下料機構就是為實現(xiàn)生產中上下料工序而設計的一種專用機構。 自動上下料機構中供散亂的中、小型工件毛坯，經(jīng)過定向機構，實現(xiàn)定向排列，然后順序的由上下料機構送到機床或工作地點去。這在自動化成批大量的生產中顯然是實用的，它不但可把操作人員從復雜而繁重的勞動中解脫出來，而且對保證安全生產也是一種行之有效的方法。 工業(yè)機械手在二十世紀五十年代就已用于

18、生產。它是在自動上下料的基礎上發(fā)展起來的一種機械裝置。開始主要用來實現(xiàn)自動上下料和搬運工件，完成單機自動化和生產線自動化。隨著應用范圍的不斷擴大，現(xiàn)已用來操持工具和完成一定的作業(yè)。實踐證明：使用自動上下料的機械手可以代替人手的繁重勞動，減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產率，還具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量臂人手大等特點。因此，自動上下料機械手已得到越來越廣泛的得到應用。 (8)　機械手在生產中的作用 機械手在工業(yè)生產中的應用極為廣泛，可以歸納為以下一些方面。 旋轉休零件（軸類、盤類、環(huán)類）自動線，一般都采用機械手在機床之間傳送工件。加工箱體類零件

19、的組合機床自動線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機械手的。 在實現(xiàn)單機自動化方面： ①各類半自動車床，有自動夾進刀、切削、退刀和松開的功能，但仍需人工上下料；裝上機械手，可實現(xiàn)全自動生產，一人看管多臺機。 ②注塑機有加料、合成、成型、分模等自動工作循環(huán)，裝上機械手自動裝卸工件，可實現(xiàn)全自動生產。 ③沖床有自動上下料沖壓循環(huán)，裝上機械手上下料，可實現(xiàn)沖壓生產自動化。 鑄、鍛、焊、熱處理熱加工方面： ①對環(huán)境的適應性強，能代替人從事危險、有害的操作，在長時間工作對人體有害的場所，機械手不受影響，只要根據(jù)工作環(huán)境時行合理設計，扶把適當?shù)牟牧虾徒Y構，機械手就可以在異常高溫或低溫、異常壓

20、力和有害氣體、粉塵、放射線作用下，以及沖壓、滅火等危險環(huán)境中勝任工作。為了謀求操作安全和徹底防止公害，在工作事故多的工程，如沖壓、壓鑄、熱處理、鍛造、噴漆以及有有強烈紫外線照射的電弧焊等作業(yè)中，推廣工業(yè)機械手工機器人。 ②機械手能持久、耐勞，可以把人從繁重單調的勞動中解放出來，并能擴大和延伸人的功能。人在連續(xù)工作幾個小時后，總會感到疲勞或厭倦，而機械手只要注意維護、檢修，即能用途長時間的單調重復勞動。 ③由于機械手的動作準確，因此可以穩(wěn)定和提高產品的質量，同時又可避免人為的操作錯誤。 ④機械手特別是通用工業(yè)機械手的通用性、靈活性好，能較好地適應產品品種的不斷變化，以滿足柔性生產的需要。這

21、是因為機械手動作程序和運動位置（或軌跡）能夠十分靈活快速地予以改變，而其眾多的自由度，又提供了迅速改變作業(yè)內容的可能，在中、小批量的自動化生產中，最能發(fā)揮其作用。 ⑤采用機械手能明顯地提高勞動生產率和降低成本。 2 設計參數(shù) 2.1設計題目 球坐標式四自由度機械手設計 2.2 初始參數(shù)與設計要求 （1）抓重：100N （2）自由度：4個 （3）臂部運動參數(shù)： 表 2-1 運動名稱 符號 行程范圍 速度 伸縮 X 350mm ＜250mm/s 回轉 φ 0 o-210o ＜90 o /s 回轉 θ 0 o-45o ＜90 o /s （4）腕

22、部運動參數(shù)： 表 2-2 運動名稱 符號 行程范圍 速度 回轉 0 o -180o ＜90 o /s （5）手指夾持范圍：棒料，直徑φ40-φ60mm，長度450-1200mm （6）定位方式：電位器（或接近開關等）設定，點位控制 （7）驅動方式：液壓（中、低壓系統(tǒng)） （8）定位精度：±3mm （9）控制方式：PLC控制 3設計方案的擬定 3.1初步分析 該工業(yè)機械手的坐標形式是球坐標式，其臂部的運動由一個直線運動和兩個轉動組成，即沿X軸的伸縮，繞Y軸的俯仰和繞Z軸的回轉。這種機械手臂部的俯仰運動能抓取到地面上的物件，為了使手部能夠適應被抓取對象方位的要求，

23、常常設有手腕上下擺動，使其手部保持水平位置或其它狀態(tài)。這種形式的機械手具有動作靈活，占地面積小而工作范圍大等特點，它適用于沿伸縮方向向外作業(yè)的傳動形式。但結構較復雜，此外，臂部擺角的誤差通過手臂會引起手部中心處的誤差放大。 3.2 執(zhí)行機構 手部 手部是用來直接抓取或握緊（或吸附）工件的部件。由于被抓握工件的形狀、尺寸大小、輕重和材料的性能、表面狀況等不同，工業(yè)機械手的手部結構是多種多樣的，大部分的手部結構都是根據(jù)工件的要求而設計的。常用的手部結構有夾鉗式、氣吸式、電磁式以及其他形式。 夾鉗式手部設計的基本要求 （1） 應具有適當?shù)膴A緊力和驅動力 （2） 手指應應具有一定的開閉范圍

24、 （3） 應保證工件在手指內的夾緊精度 （4） 要求結構緊湊、重量輕、效率高 （5） 應考慮通用性和特殊要求 3.2.2腕部 連接手部與臂部的部件，主要作用是在臂部運動的基礎上進一步改變或調整手部在空間的方位，使機械手適應復雜的動作要求。要求0-180°的回轉動作，因此選用具有單自由度的回轉液壓缸驅動結構。此結構特點是結構緊湊，靈活，但回轉角度較小，并且要求嚴格密封，否則就很難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。 腕部設計的基本要求及其自由度： a 力求結構緊湊，重量輕 b 綜合考慮，合理布局 c 必須考慮工作條件 對于高溫作業(yè)和在腐蝕性介質中工作的機械手，其腕部在設計時應充分考慮環(huán)境對腕部

25、的不良影響 3.2.3臂部及機身 臂部是機械手的主要執(zhí)行部件。作用是支承腕部和手部（包括工件與工具）。并帶動他們作空間運動。臂部運動的目的是把手部送到空間運動范圍內的任意一點。如果改變手部的姿態(tài)則由腕部的自由度實現(xiàn)。因而機械手的臂部一般具有三個自由度才能滿足基本要求：即手部的伸縮 左右回轉和升降（或俯仰）運動。機身是直接支承和傳動手臂的部件。一般實現(xiàn)臂部的升降 回轉和俯仰等運動的驅動裝置或傳動件都安裝在機身上，或者直接構成機身的軀干與底座相連。因而其設計與臂部的設計經(jīng)常一起考慮。機身可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地面或架空軌道運動。 臂部設計的基本要求為：a 承載能力大，剛度好，

26、自重輕 b 運動速度高，慣性小 c 臂部運動應靈活 d 位置精度要高 除上面提到的要求外，還要保證機械手的通用性要好，能適應在不同環(huán)境作業(yè)的要求：工藝性要好，便于安裝和加工;用于高溫環(huán)境作業(yè)的機械手，還要考慮隔熱和冷卻；用于粉塵大作業(yè)區(qū)的機械手，還要設置防塵裝置等。這方面的設計需要根據(jù)機械手工作環(huán)境條件進行具體的設計。 綜上所述，本機械手的設計，臂部選用雙導向桿伸縮結構。其特點為手臂的伸縮缸安裝在兩根導向桿之間，由導向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，受力簡單，傳動平穩(wěn)，外形整齊美觀，結構緊湊。 3.3 驅動機構 根據(jù)動力源不同大致可分為氣動、液壓、電動和機械傳動。根據(jù)課

27、題特點。其中以液壓氣動用的最多，占90%以上，電動、機械驅動用的較少。 液壓驅動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉運動。液壓驅動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復雜成本較高。 氣壓驅動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達、氣閥等。一般采用4-6個大氣壓，個別的達到8-10個大氣壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，

28、而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。為了減少停機時產生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機構或緩沖機構。 電氣驅動采用的不多。現(xiàn)在都用三相感應電動機作為動力，用大減速比減速器來驅動執(zhí)行機構；直線運動則用電動機帶動絲杠螺母機構；有的采用直線電動機。通用機械手則考慮用步進電機、直流或交流的伺服電機、變速箱等。電氣驅動的優(yōu)點是動力源簡單，維護，使用方便。驅動機構和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大；缺點是控制響應速度比較慢。 機械驅動只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機構實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可靠，速度高，成本低；缺點是不易調整。 綜合考慮，本設計選用液壓驅動，其特點是速度快，結構簡

29、單，控制方便，傳遞力矩大，并且控制精度高 3.4控制機構 PLC控制 4 機械手手部的設計計算 4.1設計計算 （1）如下圖為常見的滑槽杠桿式手部結構。在拉桿3的作用下銷軸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和P2，其力的方向垂直于滑槽的中心線OO1和OO2并指向O點，P1和P2的延長線交O1O2于A與B。 由∑Fx=0 得P1= P2 ∑Fy=0 得P1= ∑Mo1（F）=0 得P1h=Nb 因h= 所以P= 式中 a—手指的回轉支點到對稱中心線的距離（mm）； —工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點

30、連線間的夾角。 由分析可知，當驅動力一定時，角增大，則握力也隨之增加，但角過大會導致拉桿的行程過大，以及手指滑槽尺寸長度，使之結構增大，因此一般取=～，這里取為350。 此處設計的機械手是滑槽杠桿式的。 夾緊力及驅動力的計算(1)由上知，驅動力 P= 手指與工件的位置：手指垂直位置夾水平平位置放置的工件，那么握力,其中,f為摩擦系數(shù)，鋼對鋼f=0.1。工件的重力G=100N,解得握力N=84.18N.由計算可得，b=120mm,a=20mm, 代入公式中解得 驅動力P=678N \ 圖4-1 1.手指 2.銷軸 3.拉桿 4.指座 (2)實際驅動力： 式中P—

31、—計算出的驅動力 ——手部的機械效率 ——安全系數(shù)，一般取為(1.2～2) ——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可近似估算：，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() 該傳力機構為杠桿式，故取，并取=1.5,假設被抓取工件的最大加速度a=g時，那么=2. 所以N 表4-1 液壓缸的工作壓力 作用在活塞上外力F（N） 液壓缸工作壓力Mpa 作用在活塞上外力F（N） 液壓缸工作壓力Mpa 小于5000 50000以上 （3）確定液壓缸的直徑D 由《機械設計手冊 液壓傳動與控制》可知 由于作用在活塞上的

32、外力小于5000N,故選擇液壓缸壓力油工作壓力P=1MPa, 根據(jù)《機械設計手冊 液壓傳動與控制》表23.6-33，選取液壓缸內徑為：D=63mm 則活塞桿內徑為: D=630.5=31.5mm，選取d=32mm 4.2機械手手抓夾持精度的分析計算 機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手的定位精度（由臂部和腕部等運動部件來決定），而且也于機械手夾持誤差大小有關，為使機械手能適用于多品種小批量 工件直徑在一定范圍內變化的生產中，必須使用合理的手部結構參數(shù)，可以采用自動定心的手部結構來減少機械手的調整工作，從而使加持誤差控制在較小范圍內。 該設計以棒料來分析機械手

33、的夾持誤差精度。 機械手的夾持范圍為40mm～60mm 一般夾持誤差不超過1mm,分析如下： 工件的平均半徑： 手指長,取V型夾角 圖4-3 手抓夾持誤差分析示意圖 偏轉角按最佳偏轉角確定： 計算 因，即和在雙曲線的對稱點的同側，故其夾持誤差△為： mm 夾持誤差△=1.5mm，因此本設計的夾持誤差<3mm,滿足設計的要求。 5 腕部的設計計算 5.1 腕部設計的基本要求 （1）力求結構緊湊、重量輕。腕部處于臂部的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔，直接影響著臂部的結構、重量和運轉性能。因此，在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。 （2）綜合考慮，

34、合理布局。腕部作為機械手的執(zhí)行機構，又承擔連接和支撐作用，除了保證力和運動的要求，及具有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，如應解決好腕部與臂部和手部的連接，碗部各個自由度的位置檢測，管線布置，以及潤滑、維修、調整等問題。 （3）必須考慮工作條件。對于本設計，機械手的工作條件是在正常工作場合中搬運加工的棒料，不會受到環(huán)境的影響，對機械手的腕部沒有太多不利因素。如果機械手處在高溫和腐蝕性的工作介質中，就應在設計時充分考慮環(huán)境對機械手腕部的影響。 5.2 腕部的結構以及選擇 典型的腕部結構 (1) 具有單自由度的回轉缸驅動的腕部結構。它直接用回轉缸驅動實現(xiàn)腕部的回轉運動，具有結構緊

35、湊、靈活等優(yōu)點而被廣泛采用。 (2) 用齒條活塞驅動的腕部結構。在要求回轉角大于的情況下，可采用齒條活塞驅動的腕部結構。這種結構外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。 (3) 具有兩個自由度的回轉缸驅動的腕部結構。它是來實現(xiàn)腕部的回轉和左右擺動。 (4) 機-液結合的腕部結構 腕部結構和驅動機構的選擇 本設計要求手腕回轉，通過以上的分析，腕部的結構采用具有一個自由度的回轉缸驅動的腕部結構，驅動方式采用液壓驅動。因為本設計為球坐標式機械手，為了使手部能適應被抓取對象方位的要求，常常設有手腕上下擺動，使其手部保持水平或其他狀態(tài)。所以在腕部與臂部連接處安裝一個回轉液壓缸，使腕部具有上下擺

36、動的功能。 5.3腕部的設計計算 腕部設計考慮的參數(shù) 夾取工件重量10Kg，回轉。 腕部的驅動力矩計算 （1）腕部轉動時所需的驅動力矩力矩可按下式計算 ——驅動腕部轉動的驅動力矩(Nm) ——慣性力矩(Nm) ——參與轉動的零部件的重量(包括工件 手部 腕部回轉缸的動片)對轉動軸線所產生的偏重力矩(Nm) ——腕部轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩(Nm) ——腕部回轉缸的動片與定片 缸徑 端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩(Nm) 棒料的計算采用最大值，夾取棒料直徑60mm，長度800mm，重量10Kg,因為腕部的伸縮缸為腕部回轉的轉動缸的軸，故將其整體視為一圓柱體

37、，直徑為180mm，其長為185mm，故估算其重為，另外，工件重為G2=100N。其總重為G=460N。 等速轉動角速度。 因為 =（+) ====0.149 ===8.3958 代入 =(0.0367+8.3958) =33 所以 =0.1+0+33 =38.22 (2)回轉液壓缸的設計計算 單葉片回轉缸的壓力P與驅動力矩M的關系為 式中 R——缸體內壁半徑 r——輸出軸半徑 b——動片

38、寬度 根據(jù)表5-1選擇液壓缸內徑R=64mm,輸出軸直徑d=32mm,動片寬度b=25mm. 那么回轉缸工作壓力為 選擇工作壓力為P=4Mpa. 表5-1 液壓缸的內徑系列（JB826-66） （mm） 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 表5-2 標準液壓缸外徑（JB1068-67） （mm） 液壓缸內徑 40 50 63 80 90 100 110 125 140

39、 150 160 180 200 20鋼P 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 45鋼 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 6腕部與臂部連接處的回轉液壓缸的設計計算 在上節(jié)的計算中，可知腕部及手指和工件的重力分別為G1=360N,G2=100N.回轉油缸等效為高為150mm,直徑為105mm的圓柱體，其重力為 臂部伸縮油缸等效為高為730mm,直徑為135mm的圓柱體，其重力為 6.1驅動力矩的計算 慣

40、性力矩的計算 若腕部啟動過程按等加速運動，腕部轉動時的角速度，啟動過程所用的時間為，則 若腕部轉過的角速度為，啟動過程所轉過的角度為，則 式中——參與腕部轉動的部件對轉動軸線的轉動慣量() ——工件對腕部轉動軸線的轉動慣量() 設置轉過的角度=，啟動時間=0.08s，那么角速度=1.963， 解得 那么 摩擦阻力矩的計算 偏重力矩的計算 =0 解得 6.2回轉液壓缸的確定 根據(jù)表選擇液壓缸內徑，輸出軸直徑為，動片寬度為，那么回轉缸工作壓力為 式中 R——缸體內壁半徑（m） r——輸出軸半徑（m） b——動片寬度（m）

41、解得 7 臂部的設計計算 臂部是機械手的主要執(zhí)行。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。手臂運動應該包括3個運動：。 臂部運動的目的是把手部送到空間運動范圍內的任意一點。如果改變手部的姿態(tài)(方位)則由腕部的自由度實現(xiàn)。因而機械手的臂部一般具有三個自由度才能滿足基本要求:即手部的伸縮 回轉和俯仰運動。臂部的各種運動通常用驅動機構(油缸或氣缸)和各種傳動機構來實現(xiàn)，從臂部的受力情況看，他在工作中既直接承受腕部 手部和工件的靜 動載荷，而且自身運動又較多，因而它的結構 工作范圍 靈活性以及抓重大小和定位精度等都直接影響機械手的工作性能。 7.1 臂部設計的基本要求

42、 (1)臂部應承載能力大、剛度好、自重輕 ①根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。 ②提高支撐剛度和合理選擇支撐間的距離。 ③合理布置作用力的位置和方向。 ④盡可能使結構簡單化 ⑤水平放置的手臂，應該增加導向桿的剛度 ⑥提高活塞和缸體內徑配合精度，以提高手臂伸縮時的剛度。 (2)臂部要運動速度高，慣性小。 機械手手部的運動速度是機械手的主要參數(shù)之一，它反映機械手的生產水平。對于高速度運動的機械手，其最大移動速度設計在,最大回轉角速度設計在內，在大部分行程上平均移動速度為回轉角速度在。平均回轉速度為 在速度和回轉角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直

43、接的辦法，因此，機械手臂部要盡可能的輕。減少慣性沖擊的措施有： ①減少臂部運動件的重量，采用鋁合金等輕質高強度材料 ②減少臂部運動件的輪廓尺寸 ③減少回轉半徑，在安排機械手運動順序時，先縮回回轉(或先回轉后伸)，盡可能在較小的前伸位置下進行回轉動作 ④驅動系統(tǒng)中設有緩沖裝置。 (3)臂部動作應靈活。 為減少臂部運動件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式機械手，其傳動件、導向件和定位件布置應合理，使臂部運動盡可能保持平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機構卡死（自鎖現(xiàn)象）

44、。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件。 (4)位置精度要高。 7.2 手臂的典型機構以及結構的選擇 典型的臂部運動結構 臂部的典型運動的形式有：直線運動，如臂部的伸縮，升降和橫向移動；回轉運動，如臂部的左右擺動，上下擺動；復合運動，如直線運動和回轉運動，兩直線運動的組合，兩回轉運動的組合等。 （1）臂部作直線運動的結構 ①雙導向桿手臂伸縮結構 ②雙層油缸空心活塞桿單桿導向結構 ③采用花鍵套導向的手臂升降結構 ④雙活塞伸縮油缸結構 （2）臂部作直線運動的結構 ①回轉缸置于升降缸之下的機身結構。這種結構優(yōu)點是能承受較大偏重力矩。其缺點是回轉運動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉

45、精度的影響較大 ②回轉缸置于升降缸之上的機身結構。這種結構采用單缸活塞桿，內部導向，結構緊湊。但回轉缸與臂部一起升降，運動部件較大。 ③活塞桿和齒條齒輪結構。手臂的回轉運動是通過齒條齒輪機構來實現(xiàn)：齒條的往復運動帶動與手臂連接的齒輪作往復回轉，從而使手臂左右擺動。 （3）臂部做俯仰運動的結構 俯仰運動大多采用擺動式直線缸驅動，而回轉運動大多采用回轉缸或齒條缸來實現(xiàn)。 手臂運動機構的選擇 通過以上，綜合考慮，本設計的伸縮運動選擇單花鍵軸導向的伸縮機構,俯仰運動選擇擺動式直線缸驅動，回轉運動選擇回轉液壓缸驅動。 7.3 手臂直線運動的驅動力計算 通常先進行粗略的估算，或類比

46、同類型的結構，根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關機構的主要尺寸，再進行校核計算，修正設計。如此反復數(shù)次，繪出最終的結構。 根據(jù)液壓缸運動時所克服的負載、摩擦、慣性等幾個方面的阻力，來確定液壓缸所需要的驅動力。液壓缸活塞的驅動力的計算為 式中 ——摩擦阻力（N）.臂部運動時，運動件表面間的摩擦力。 ——密封裝置處的摩擦阻力（N） ——油缸回油腔低壓油造成的阻力，一般背壓阻力較小，可取 ——臂部啟動或制動時活塞桿上受到的平均慣性力（N） 手臂摩擦力的分析與計算 計算如下： 本機械手采用花鍵軸導向，在活塞桿與花鍵軸接觸處采用花鍵軸套，如圖中所示。 根據(jù)受力平衡，有

47、 得 得 (5.2) 式中 參與運動的零部件的總重力（包含被抓去的工件）（N）； L——臂部參與運動的零部件的總重心到導向支撐前端的距離（m）； a——導向支撐的長度（m）; ——當量摩擦系數(shù)，其值與導向支撐的截面形狀有關。 對于圓柱面： ——摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時： 鋼對青銅：取 鋼對鑄鐵：取 計算： 導向桿的材料選擇鋼，導向支撐選擇青銅 ，，L=540mm,花鍵軸套a=60mm 將有關數(shù)據(jù)代入進行計算 手臂慣性力的計算 本設計要求手臂平動是V=,設置啟動時間

48、 (5.3) 解得 密封裝置的摩擦阻力 密封圈的形式有O型密封圈，Y型密封圈，V型密封圈。不同的密封圈，其摩擦阻力是不同的。在手臂設計中，采用O型密封，當液壓缸工作壓力小于10Mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：。 經(jīng)過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅動力： 7.4 確定液壓缸工作壓力和結構 經(jīng)過上面的計算，確定了液壓缸的驅動力F=5591N，根據(jù)表3.1選擇液壓缸的工作壓力P=2Mpa,機械效率 確定液壓缸的結構尺寸 液壓缸內徑的計算，如下圖所示 圖7-2 液壓缸受力示意 當油進入無桿腔， 當油進入

49、有桿腔中， 液壓缸的有效面積： 故有 （無桿腔） （有桿腔） 式中 P——活塞的驅動力（N） ——油缸的工作壓力（Mpa） d——活塞桿直徑（mm） D——油缸內徑（mm） ——機械效率，在工程機械中用耐用膠可取=0.96 F=5591N，=，選擇機械效率 將有關數(shù)據(jù)代入： 根據(jù)表5-1，選擇標準液壓缸內徑系列，選擇D=100mm. （1）液壓缸外徑的設計 根據(jù)裝配等因素，考慮到液壓缸的臂厚在15mm，所以該液壓缸的外徑為130mm. （2）活塞桿的設

50、計計算 ①按強度條件決定活塞桿直徑 按直桿拉 壓強度計算： 即 (mm) 式中 P——活塞桿所受的總載荷（N）,即活塞的驅動力 ——活塞桿材料的許用應力(Mpa):,其中為活塞桿的抗拉強度， n為安全系數(shù)，一般?。惶间撊? 現(xiàn)取 計算解得 由于采用花鍵軸在活塞桿內部進行導向，會使活塞桿的結構變大，因此根據(jù)實際情況并參照表4-4，選擇活塞桿直徑d=70mm 表7-1 活塞桿直徑系列（GB/T2348-93）（mm） 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 32 36 40 45 50

51、56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 ②活塞桿的計算校核 活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強度要求。對于桿長L大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強度計算： 因為活塞桿不滿足的條件，所以不必對活塞桿進行校核。 表7-2 螺釘距離t1與工作壓力p 1 的關系 工作壓力p 1 螺釘距離t1 工作壓力p 1 螺釘距離t1 0.5~1.5 <150 2.5~5 <100 1.5~2.5 <120

52、 5~10 <80 7.5液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎? 根據(jù)表4.3所示，因為回轉缸的工作壓力為2Mpa,所以螺釘間距t小于120mm, 每個螺釘在危險剖面上承受的拉力為工作載荷和剩余預緊力之和 式中——工作載荷（N）， P——缸蓋所受的合成液壓力，即驅動力（N） Z——螺釘數(shù)目， ——螺釘中心所在圓的直徑（mm） ——工作壓力(Mpa) ——剩余預緊力， 螺釘所在圓的直徑，根據(jù)表選擇 那么螺釘數(shù)目 取為 工作載荷 剩余預緊力 螺釘材料選擇45#，則 n為安全系數(shù)，,現(xiàn)取為2 螺釘?shù)膹姸葪l件為 螺釘?shù)闹睆? ——計算載荷， —

53、—許用抗拉強度， ——螺釘材料的屈服點（Mpa） 表7-3 常用螺釘材料的屈服強度 鋼 號 10 Q215 Q235 35 45 40Cr (Mpa) 205 215 235 313 352 784 ——螺釘螺紋內徑（mm）,,d 為螺釘公稱直徑，S為螺距。 解得 螺釘?shù)闹睆竭x擇d=10mm的圓柱頭螺釘，螺距S=1.5 mm,螺釘螺紋內徑為 螺釘?shù)膹姸葹闈M足強度條件。 8臂部俯仰缸的設計計算 驅動臂部俯仰的驅動力矩，應克服臂部等部件在啟動時的重量對回轉軸線所產生的偏重力

54、矩和臂部在啟動時所產生的慣性力矩以及各回轉副處摩擦力矩，即 圖8-1 臂部俯仰缸設計示意圖 一般手臂座與立柱連接軸在O處裝有滾動軸承，其摩擦力矩較小，在鉸鏈處配合直徑較小，相對轉角亦小，故，則 式中 ——手臂等部件重力對回轉軸線的偏重力矩(N),臂部上仰時為正，下仰時為負，計算時主要考慮上仰的驅動力矩 ——手臂做俯仰運動，在啟動時的慣性力矩(Nm), ——工件對臂部回轉中心的轉動慣量() ——臂部俯仰對回轉中心的轉動慣量() ——臂部俯仰過程的角速度() ——臂部俯仰運動啟動過程所需的時間(s),一般取 8.1驅動力矩的計算 慣性力矩的計算 設置啟動角度為，啟動時間=0.

55、1s,那么角速度 那么 的計算 由前面的分析可知 驅動力矩的計算 8.2俯仰擺動油缸驅動力的計算 如圖所示，當臂部與水平位置成時，則鉸接活塞桿的驅動力(即俯仰擺動油缸的驅動力)P的作用線與鉛垂線的夾角是在范圍內變化，而作用在活塞上的驅動力通過連桿機構產生的驅動力矩與臂部俯仰角有關。 （1） 當臂部處于上仰時， 解得 （2）當臂部處于下仰時， 解得 選擇其中最大值作為俯仰擺動缸設計的驅動力。 俯仰擺動油缸計算出驅動力后即可按照直線伸縮油缸的設計計算。 8.3俯仰擺動油缸的設計計算 根據(jù)表選擇最大工作壓力 （1） 活塞桿的設計計算 取

56、 根據(jù)表選擇活塞桿直徑 那么油缸內徑 圓整后取油缸內徑 （2） 活塞桿的校核 因為活塞桿不滿足的條件，所以不必對活塞桿進行校核。 8.4液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎? 根據(jù)表4.3所示，因為回轉缸的工作壓力為3Mpa,所以螺釘間距t小于120mm, 每個螺釘在危險剖面上承受的拉力為工作載荷和剩余預緊力之和 式中——工作載荷（N）， P——缸蓋所受的合成液壓力，即驅動力（N） Z——螺釘數(shù)目， ——螺釘中心所在圓的直徑（mm） ——工作壓力(Mpa) ——剩余預緊力， 螺釘所在圓的直徑，根據(jù)表選擇 那么螺釘數(shù)目 取為 工作載荷 剩余預緊力

57、 螺釘材料選擇45#，則 n為安全系數(shù)，,現(xiàn)取為2 螺釘?shù)膹姸葪l件為 螺釘?shù)闹睆? ——計算載荷， ——許用抗拉強度， ——螺釘材料的屈服點（Mpa） ——螺釘螺紋內徑（mm）,,d 為螺釘公稱直徑，S為螺距。 解得 螺釘?shù)闹睆竭x擇d=10mm的圓柱頭螺釘。螺紋內徑 螺釘強度的校核 滿足要求。 9 機身的設計計算 機身是直接支承和傳動手臂的部件。一般實現(xiàn)手臂的回轉和升降或俯仰運動，這些運動的驅動裝置或傳動件都安裝在機身上，或者直接構成機身的軀干與底座相連。因而，其設計與臂部的設計經(jīng)常一起考慮。機身可以是固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運動。 9.1

58、 機身的整體設計 按照設計要求，機械手要實現(xiàn)手臂的回轉運動，實現(xiàn)手臂的回轉運動的機構設計在機身處。經(jīng)過綜合考慮，臂部的回轉運動選用回轉缸置于機身上的結構。如下圖所示， 臂部的回轉通過安裝在機身上回轉油缸來實現(xiàn)，因為臂部的回轉角度為，所以要將動片和靜片的夾角設計為，由于臂部的重力過大會影響回轉缸的工作，所以采用圓錐滾子軸承，圓錐滾子軸承即能承受徑向力，也可以承受軸向力，通過圖中可知，由回轉軸傳遞的重力分配到圓錐滾子軸承上。同時在回轉軸上安裝了另一個圓錐滾子軸承，這個軸承的采用是為了阻止回轉軸向上的運動?？紤]到安裝的問題，動片與回轉軸的連接采用鍵連接，便于安裝。 圖9-1臂部回轉液壓缸示意圖

59、 9.2 機身回轉機構的設計計算 回轉缸驅動力矩的計算 驅動臂部回轉的力矩應該與臂部運動時所產生的慣性力矩及各密封裝置處的摩擦阻力矩相平衡。 (6.1) （1）慣性力矩的計算 (6.2) 式中 ——回轉缸動片角速度變化量（），在起動過程中=； t——起動過程的時間(s); ——臂部回轉部件（包括工件）對回轉軸線的轉動慣量（）。 回轉部件（包括手部 工件 腕部 臂部）質量為145Kg.設置起動角度=210，則起動角速度=3.66，起動時間設計為0.

60、3s。 （2）密封處的摩擦阻力矩可以粗略估算下=0.03，由于回油背差一般非常的小，故在這里忽略不計。 經(jīng)過以上的計算=1076 9.3回轉缸尺寸的初步確定 設計回轉缸的靜片和動片寬b=60mm，選擇液壓缸的工作壓強為2Mpa。d為輸出軸與動片連接處的直徑，設d=50mm,則回轉缸的內徑通過下列計算： （mm） 計算得D=98.36mm, 既設計液壓缸的內徑為100mm,根據(jù)表4.2選擇液壓缸的基本外徑尺寸135mm. 10　機械手液壓系統(tǒng)工作原理 10.1 能量轉化簡圖 機械手的液壓傳動力是以有壓力油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

61、的機械能轉換為油液的壓力能，壓力油經(jīng)過管道及一些控制調節(jié)裝置導進入油缸，推動活塞桿運動，從而手臂作伸縮，升降運動，將油液的壓力能又轉換成機械能。 其液壓傳動能或概括如下： 圖6-1 能量轉化簡圖 10.2 液壓系統(tǒng)的組成 液壓傳動系統(tǒng)由以下幾個主要部分組成：油泵、液壓機、控制調節(jié)裝置、（如單向閥、溢流閥、換向閥、節(jié)流閥、調速閥、減壓閥、順序閥等）輔助裝置。 10.3 液壓傳動系統(tǒng)機械手的特點 液壓驅動系統(tǒng)的特點，由于液壓技術是一個比較成熟的技術，它具有動力大（或力矩）慣性比大，快速響應高、易于實現(xiàn)直接驅動等特點，適用于承載能力大、慣性大以及在防爆環(huán)境中工作的機械手。 機械手

62、采用液壓傳動比采用氣壓傳動有如下優(yōu)點： (1) 能得到較大的輸出力和力矩； (2) 液壓傳動滯后現(xiàn)象下，反應較靈活，傳動平穩(wěn)； (3) 輸出力和運動速度控制較容易； (4) 可達到較高的定位精度。 但液壓傳動也有如下缺點： (1) 系統(tǒng)的泄漏難以避免，影響工作效率和系統(tǒng)的工作性能； (2) 油液的粘度對溫度的變化很敏感，當溫度升高時，油的粘度即顯著降低，油液粘度的變化直接影響液壓系統(tǒng)的性能和泄漏量。 10.4 油缸泄漏問題與密封裝置 機械手由于油缸泄漏嚴重，壓力不能提高，工作性能不穩(wěn)定，以致影響機械手的正常使用。因此，為了保證機械手液壓系統(tǒng)的工作性能，在各油缸的相

63、對運動表面和固定連接斷面的進行密封。以防止壓力油從高壓油腔泄漏到低壓油或泄漏到缸體處面。 目前，機械手液壓系統(tǒng)使用的密封件大多采用耐油橡膠制成的各種形式密封圈，作為動密封和靜密封，以保證兩結合面的密封性。 密封圈在配合面間的密封作用，主要是借安裝時的預壓和工作時由于油液壓力的作用，使密封圈變形并壓緊密封表面達到目的。 10.4.1 活塞式油缸的泄漏與密封 對于實現(xiàn)往復運動的活塞油缸來說，其泄漏主要是活塞與缸臂處的內泄漏及往復活塞桿與缸蓋處的處泄漏。引起泄漏的原因是加工精度和滑動面光潔度不高，以及控制裝置不良所致。 對于活塞油缸的靜密封，主要采用O型密封圈，它既可以用外徑或內徑密封，

64、也可以用端面密封。 O型密封圈裝在溝槽中，因受油壓作用而變形，并張緊溝槽和間隙，從而起到密封的作用，因此它的密封性能隨壓力的增加而提高。但是，當壓力過高或溝槽尺寸選擇不當時，密封圈很容易被擠出溝槽而造成劇烈磨損。為克服這個缺點，當油缸油液的壓力大于100㎏/㎝2時，要在O型密封圈側面放置擋圈，在壓力低于100㎏/㎝2時，一般不加擋圈。在手臂伸縮油缸和手臂俯仰油缸中都用了Y型密封圈，Y型密封圈在工作時壓力油液把Y型密封圈的唇邊緊緊壓在相對運動的兩配合面上，并隨著油液壓力的增高而提高密封性能，并能補償磨損的影響，所以裝配時唇邊要對壓力油腔。在一般情況下，Y型密封圈可直接裝入溝槽內即可引起密封作用

65、，但在壓力變動較大，滑動速度較高的地方，要使用支承環(huán)以固定密封圈。 10.4.2 回轉油缸的泄漏與密封 手臂回轉油缸中，由于動片與缸體，動片與輸出軸，動片端面和缸蓋之間的間隙不易保證，易引起較大的泄露，使油液的壓力降低，減少了輸出扭矩，達不到設計要求，影響機械手的正常運行。為減少泄漏，除嚴格控制相對運動表面的配合間隙外，主要的是采用密封裝置進行密封。 經(jīng)反復考慮，選擇矩形橡膠密封圈組成回轉油缸的密封結構，其中擋圈的作用是防止高壓油液將橡膠密封圈擠入配合間隙，以保證密封性并延長密封圈的使用壽命。 10.5 液壓系統(tǒng)傳動方案的確定 10.5.1 各液壓缸的換向回路 為便于機械手的

66、自動化控制，如采用可編程器或微機進行控制，從工況圖中可知系統(tǒng)的壓力和流量都不高，因此一般選用電磁換向閥回路，以獲得較好的自動化程度和經(jīng)濟效益。 液壓機械手一般采用單泵或雙泵供油，手臂伸縮、手臂俯仰和手臂旋轉等機構采用并聯(lián)供油，這樣可有效降低系統(tǒng)的供油壓力，此時為了保證多缸運動的系統(tǒng)互不干擾，實現(xiàn)同步或非同步運動，換向閥需要采用中位“O”型換向閥。 10.5.2 調速方案 整個液壓系統(tǒng)只用單泵或雙泵工作，各液壓缸所需的流量相差較大，各液壓缸都用液壓泵的全流量工作是無法滿足設計要求的。盡管有的液壓缸是單一工作，但也需要進行節(jié)流調速，用以保證液壓缸運行的平穩(wěn)性。各缸可選擇進油路或回油路節(jié)流調速，因為系統(tǒng)為中低系統(tǒng)，一般適宜選用節(jié)流閥調速。 機械手的手臂伸縮和手臂俯仰或升降缸采用兩個單向節(jié)流閥來實現(xiàn)。若只用一節(jié)流速調速時，則進行油達到最大允許調速來實現(xiàn)調節(jié)。當無桿腔進油時，其速度就少于最大允許速度，但仍然符合設計需要。 在一般情況下，機械手的各個部位是分別動作，手腕回轉和手臂回轉缸（或升降）所需的流量較為接近，手腕回轉缸和手臂回轉缸及夾緊缸所需流量較為接近，且它們兩組缸所需的流量相