液壓傳動機械手的設計說明書

1、1 前言1.1 工業(yè)機器人簡介 幾千年前人類就渴望制造一種像人一樣的機器，以便將人類從繁重的勞動中解脫出來。如古希臘神話阿魯哥探險船中的青銅巨人泰洛斯（ Taloas）,猶太傳說中的泥土巨人等等，這些美麗的神 話時刻激勵著人們一定要把美麗的神話變?yōu)楝F(xiàn)實， 早在兩千年前就開始出現(xiàn)了自動木人和一些簡單的 機械偶人。到了近代 ,機器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺工業(yè)機器人問世之后,不同功能的機器人也相繼 出現(xiàn)并且活躍在不同的領域,從天上到地下,從工業(yè)拓廣到農(nóng)業(yè)、林、牧、漁,甚至進入尋常百姓家。機器人的種類之多,使用之廣,影響之深,是我們始料未及的。工業(yè)機器人由操作機（機械本體） 、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和

2、檢測傳感裝置構成,是一種仿人操 作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設備。特別適合于 多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質量,提高生產(chǎn)效率,改善勞動條件和產(chǎn)品的快速 更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動, 而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子 機械裝置, 既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力, 又有機器可長時間持續(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器的進化過程產(chǎn)物,它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務性設備,也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。1.2 世界機器人的發(fā)展國外機器

3、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,平均單機價格從91 年的 103萬美元降至 97年的 65 萬美元。（ 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(chǎn)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(wǎng)絡化；器件集成度提高, 控制柜日見小巧, 且采用模塊化結構； 大大提高了系統(tǒng)的可靠性、 易操作性和可維修性。（ 4）機器人中的傳感器作用日益重要

4、,除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外,裝配、 焊接機器人還使用了視覺、力覺等傳感器,而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器 的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟使用。（ 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,如使遙控機器人操 作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。（ 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),而是致力于操作者和機器人的人機交互控制, 即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng),使智能機器人走出實驗室進入實用 化階段。美國發(fā)射到火星上的 “索杰納 ”機器人就是這種系統(tǒng)成

5、功使用的最著名實例。（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使用的領域。1.3 我國工業(yè)機器人的發(fā)展有人認為，使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(jīng)濟建設帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)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

6、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(chǎn)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(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模使用，弧 焊機器人已使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使用的水平 和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人使用工程起步較晚，使用領域窄，生產(chǎn) 線系統(tǒng)技術和國外比有差距；在使用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)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

7、器人產(chǎn)業(yè)， 當前我國的機器人生產(chǎn)都是使用戶的要求， “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(chǎn)業(yè)化前期的關鍵技術，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系 列化、通用化、?；O計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。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) 使用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是

8、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)使用方面則剛剛起步，和國外先進水平差 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(chǎn)品， 以期在 “十五 ”后期立于世界先進行列之中。1.4 我要設計的機械手1.4.1 臂力的確定目前使用的機械手的臂力范圍較大，國內現(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 。1.4.2 工作范圍的確定機械手的工作范圍根據(jù)工藝要求和

9、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 ±115 ° 手臂伸長量 150mm 手臂回轉角度 ±115° 手臂升降行程 170mm 手臂水平運動行程 100mm1.4.3 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， 平移等一系列的動作， 這些動作都應該在工

10、作拍節(jié)規(guī)定的時間內完成， 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： 給定的運動時間應大于電氣、液壓元件的執(zhí)行時間； 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，應盡量選取較底的運動速度。機械手的運動速度和臂力、行程、驅動 方式、緩沖方式、定位方式都有很大關系，應根據(jù)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。為此驅動系統(tǒng)要采取相應的措 施，以保證動

11、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 =40 °/s手臂伸縮速度V 臂伸 =50 mm/s手臂回轉速度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/s1.4.4 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，便于搬運和安放，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

12、座頂部和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、伸縮和回轉運動，工作范圍較大。1.4.5 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，故一般和機械擋塊聯(lián)合使用。在機械手中，用行程開關和機械擋塊 檢測定位既精度高又簡單實用可靠，故使用也是最多的。1.4.6 驅動和控制方式的選擇 機械手的驅動和控制方式是根據(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?？刂葡到y(tǒng)也有不同的類型

13、。 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。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。2 手部結構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，材質以及被抓取部位等的不同而設計各

14、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。2.2 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(chǎn)生的慣性力和振 動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 手指間應有一定的開閉角兩個手指張開和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

15、持準確的相對位置， 必須根據(jù)被抓取工件的形狀， 選擇相應的手指形 狀。例如圓柱形工件采用帶 啰面的手指，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(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。 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。2.3驅動力的計算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P,并通過銷軸中心 0點,兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為Pl

16、、P2,其力的方向垂直于滑槽中心線001和002并指向 0點，P1和P2的延長線交0102于A及B，由于 010A和 020A均為直角三角形，故 / A0C= / B0Ca。根據(jù)銷軸的力平衡條件，即刀 Fx=0,P=P2；刀 Fy=0P=2P1C0S aP1 = p/2cos a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和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，即刀moi(F)=O得P h=Nb因h=a/cos a所以P=2b(cos a2)/a式中a手指的回轉支點到對稱中心線的距離(毫米)。a

17、工件被夾緊時手指的滑槽方向和兩回轉支點連線間的夾角。由上式可知，當驅動力P一定時，a角增大則握力 N也隨之增加，但 a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a =30。40。這里取角a =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(chǎn)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：P 實際=PK1K2/ n式中 n部的機械效率，一般取

18、0.850.95 ;K1安全系數(shù)，一般取1.22K2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2，工件重量G為98牛頓，V型鉗口的夾角為120°, a =30時，拉緊油缸的驅動力 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)由滑槽杠桿式結構的驅動力計算公式2P=2b(cos a)N/a 得2P

19、=P 計算=2*45/27(cos30 ) ° *49=122.5(N)P實際=P計算K1K2/ n取 n =0.85, Ki=1.5, K2=1+1000/9810 1.1則 P 實際=122.5*1.5*1.1/0.85=238(N)2.4兩支點回轉式鉗爪的定位誤差的分析圖2帶浮動鉗口的鉗爪鉗口和鉗爪的連接點 E為鉸鏈聯(lián)結,如圖示幾何關系，若設鉗爪對稱中心 0到工件中心 0'的距離為x,則x= J2 -(R/sin : b - a)2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 = I . I2-(Rmax/sin 二&

20、#39;b-a)2 - . I2-(Rmin/sin= ”b-a)2 I其中 l=45mm ,b=5mm ,a=27mm ,2 : =120° ,Rmin=15mm ,Rmax=30mm代入公式計算得最大定位誤差 = I 44.2-44.7 I =0.5 V 0.8故符合要求 .3 腕部的結構3.1 概述 腕部是連接手部和臂部的部件，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

21、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。3.2 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，定片和后蓋，回轉缸體和前蓋均用螺釘和銷子進行連接和定位，動片 和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3機械手的腕部結構3.3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(chǎn)生的慣性力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生 的慣性力矩，手腕的轉動軸和支

22、承孔處的摩擦阻力矩，動片和缸徑、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和軸線不重合所產(chǎn)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：M驅=皿慣+M偏+M摩 （N.m ）式中M驅驅動手腕轉動的驅動力矩M慣慣性力矩（N.m）M偏一一參和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（N.m ）M摩一一手腕轉動軸和支承孔處的摩擦力矩(N.m)Ni圖4腕部回轉力矩計算圖摩擦阻力矩M摩M 摩=f （N1D1 + N2D2）（ N.m）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 ;Ni、N2軸承支承反力（N ）；Di、

23、D2軸承直徑 （m）由設計知 Di=0.035m D2=0.054m Ni=800N N2=200NG仁98N e=0.020時M 摩=0.1* （200*0.035+800*0.054） /2得 M 摩=2.50（N.m ）工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏M 偏二Gi e （N.m ）式中Gi工件重量（N）時，M偏為零當 e=0.020 , Gi=98n 時M 偏=1.96 （ N -m）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M 慣=（J+J 工件）7（ N -m）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

24、腕回轉部件對回轉軸線的轉動慣量（kg m2）J工件工件對手腕回轉軸線的轉動慣量（kg m 2）按已知計算得 J=2.5, J 工件=6.25,=0.3m/m2,t=2故 M 慣=1.3 （ N -m） 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：珂2M慣=（J+J工件）（Nm）2甲式中 啟動過程所轉過的角度（rad）;手腕回轉角速度（1/S）?？紤]到驅動缸密封摩擦損失等因素，一般將M取大一些，可取M =1.1 s 1.2（ M 慣 + M 偏 + M 摩）（N.m ）M = 1.2* （2.5+1.96+1.3）=6.9（N.m ）4臂部的結構4.1概述臂部是機械手的主要執(zhí)行部件

25、，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(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、內部

26、 管路和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(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。 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(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。 運動要平穩(wěn)、定位精度要高 由

27、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。4.2 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、絲桿螺母機構以及活塞缸和連桿機構。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 械手的手臂機構中使用比較多。 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

28、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?？捎糜谧ブ卮?、行程較長的場 合。圖5雙導向桿手臂的伸縮結構422 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

29、根據(jù)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432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，支承架的兩側安

30、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。k匕輻腸3.m 4、支秫圖6 雙導向桿手臂結構423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。E-E圖7手臂升降和回轉機構圖4.3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6所示，回轉運動由齒條活塞桿8驅動齒輪，帶動配油軸和缸體一起轉

31、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。4.4手臂的橫向移動如圖7所示為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，回轉缸體和滑臺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。B-B1、舲乙滑宦3°聯(lián)結板4越翱5. Ofc圖8手臂橫向移動機構4.5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。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

32、缸和活塞之間的摩擦阻力及導向桿和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：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：WFg = a (N)g式中W 手臂伸縮部件的總重量(N)；2g重力加速度(9.8m/s)；2a啟動過程中的平均加速度(m/sv2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0.01 s o.5s。當 Fm=80N,W=1098 (N), V = 500mm/s 時，1098

33、 0.5Pq = 80+*=80+112=192 (N)9.80.5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：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 , Fg=100N , W =1098N 時Pq=40+100+1098=1238 (N)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(jù)啟動時產(chǎn)生的慣性力矩和回轉部件支承處的摩擦力矩來計算。由于啟動

34、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：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)2式中J手臂部件對其回轉軸線的轉動慣量( kg m )；回轉手臂的工作角速度(rad/s) t回轉臂啟動時間(S)t 0.8當 Mm=84(Nm), Mg=8 =32(N m)0.2Mq = 1.3*116=150.8(N m)-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

35、，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別進行計算，其中有的部分可當作質 點計算。可以參考工業(yè)機器人表 4-1 o 5液壓系統(tǒng)的設計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。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，均和油液的壓力和活塞的有效工作面積有關。手臂做各種運

36、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： 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，

37、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。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

38、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。 平衡和鎖緊回路 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。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

39、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。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

40、調速回路。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

41、現(xiàn)節(jié)流調速。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，

42、允許換向頻率底，壽命較短。5.4 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。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。5.4.1 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）t插定位銷 t

43、手臂前伸T手指張開T手指夾料T手臂上升T手臂縮回T立柱橫移 T手腕回轉115 ° T拔定位 銷t手臂回轉115° t插定位銷 T手臂前伸 T手臂中停 （此時立式精鍛機的卡頭下降t卡頭夾料，大泵卸荷） t 手指松開（此時精鍛機的卡頭夾著料上升） t 手指閉合 t 手臂縮回 t 手 臂下降 t手腕反轉 （手腕復位）T拔定位銷 T手臂反轉（上料機械手復位）t立柱回移（回到起始位置） t 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

44、合 或依據(jù)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。5.4.2 自動上料機械手液壓系統(tǒng)原理介紹mtM-?5：QI-1QE34D-25BEJ8DTE4D-1I £!&3D-L0BIT王42YB-35/DT13D1Y-55J 占/ WTb豁口蟲51J-9DTffi)TY-iej4s圖9機械手液壓系統(tǒng)圖液壓系統(tǒng)原理如圖 8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 5帕，流量為35升/分 + 18升/分

45、=53升/分，系統(tǒng)壓力調節(jié)為 30*10 5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。

46、當活塞要上升時，壓力油液經(jīng)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。為此在定位油缸支路前串有減壓閥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,（J-10）,使定位油缸獲得適應壓力為1518*10 5帕，同時還給電液動滑閥（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

47、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(wǎng)式濾油器 2和 7，經(jīng)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 C的熱料使光電繼電器發(fā)出電信號（或經(jīng)過人工啟動），經(jīng)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

48、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(jīng)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(jīng)單向閥 6、14和13，經(jīng)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(jīng)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

49、電，壓力油從工作油路 39經(jīng)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(jīng)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(jīng)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 13DT 斷電，并發(fā)出電信號經(jīng)步

50、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(jīng)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(jīng) 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

51、銷，壓力繼電器 40發(fā)出電信號經(jīng)發(fā)出電信號。經(jīng)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?！蔽恢?，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(jīng)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

52、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(jīng)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(jīng)QI（ 29）的單向閥進入手臂回轉油

53、缸的另一腔，使手臂反轉115° （機械手復位）。當手臂上的回轉碰鐵碰行程開關時，10DT斷電，并發(fā)出信號，跳步，使 14DT通電，立柱回移（回到原位，機械手回到原來位置）；步進選線器跳步，使11DT和12DT通電（兩個油泵同時卸荷），機械手的動作循環(huán)結束。5.5機械手液壓系統(tǒng)的簡單計算計算的主要內容是，根據(jù)執(zhí)行機構所要求的輸出力和運動速度，確定油缸的結構尺寸和所需流量、確定液壓系統(tǒng)所需的油壓和總的流量，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）和回轉式油缸（可以使輸出軸得到小于36

54、0°的往復回轉運動）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10雙作用單桿活塞桿油缸計算簡圖 流量、驅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為兀 2Q1 = D V14033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 3/s油缸的無桿腔內壓力油液作用在活塞上的合成液壓力P1即油缸的驅動力為：兀2P1 = D pl4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： 2 2、Q2 = ( D 2 -d 2)V24033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：3Q仁0.72 cm /s油缸的有桿腔內壓力油液作用在活塞上的合成液壓力P2即油缸的驅動力為：2 2P2 =( D -d