汽车零件加工自动线上的多功能机械手 的设计

摘 要本次设计的多功能机械手用于汽车零件加工自动线上的设计，主要由手爪、手腕、手臂、机身、机座等组成，具备上料、翻转和转位等多种功能，并按该自动线的统一生产节拍和生产纲领完成以上动作。本机械手机身采用机座式，自动线围绕机座布置，其坐标形式为球坐标式，具有立柱旋转、手臂伸缩、手臂俯仰、腕部转动和腕部摆动4个自由度。驱动方式为液压驱动，选用双泵，共有整机回转油缸、手臂俯仰油缸、手臂伸缩油缸、手腕摆动油缸、手腕回转油缸、手爪夹紧油缸6个液压缸。送放机构的液压驱动系统是由液压基本回路组成，包括调压回路，缓冲回路，调速回路，换向回路.锁紧回路，保压回路。定位采用机械挡块定位，定位精度为0.51mm，采用行程控制系统实现点位控制。关键词： 机械手，自动线，液压，设计 ，点位控制ABSTRACTThe current design of multifunctional mechanical hand used for R175-type diesel organisms automatic processing line, mainly consist of claw, wrists, arms, body, base and so on. With moving the materials, turnover and transfer spaces, and many other functions, the automatic line with the unified production rhythms and production program completed more moves. With the automatic production line rhythms and the production of complete reunification of the above movements, automatic line is around the machine arrange, the coordinates of the ball coordinates of the form, with huge rotary, extendable arm, arm pitch, hitting and hitting back five moves freedom; Driven approach to hydraulic-driven, and the choice of double leaves pumps, the system pressure to 2.5MPa, 5.5KW electrical power for a total of whole sets of rotation tank, arm tilt cylinders, fuel tanks extendable arm, wrist swing tank, wrist rotation tank, claw clip tank six hydraulic oil tank; positioning a piece of machinery turned positioning, positioning accuracy for 0.51mm, using control systems to achieve their point spaces control. Key words: Mechanical hand, the ball coordinates, hydraulic, mechanical turned pieces, control point spaces目 录1绪论11.1机械手的概述11.2机械手的组成与分类11.2.1机械手的组成11.3机械手的分类21.3 机械手的组成32总体方案分析42.1总体方案分析42.2方案的确定42.3动作原理42.4 主要技术指标53手部的设计63.1手部结构63.2手爪的计算与分析63.2.1手爪执行液压缸工作压力计算63.2.2 手爪的夹持误差分析与计算74腕部的设计84.1腕部结构84.2 腕部回转力矩的计算85手臂的设计115.1手臂伸缩液压缸的设计计算115.1.1手臂作水平伸缩直线运动驱动力的计算115.1.2手臂垂直升降运动驱动力的计算115.1.3确定液压缸的结构尺寸125.1.4液压缸壁厚计算125.1.5活塞杆的计算135.1.6液压缸端盖的联接方式与强度计算135.1.6缸盖螺钉计算135.1.7缸体螺纹计算145.2手臂俯仰运动的设计计算155.2.1手臂俯仰时所需的驱动力矩155.2.2缸盖联接螺钉计算和动片联接螺钉计算165.2.3动片联接螺钉的计算166.机身设计186.1机身结构的计算186.2机身设计时应注意的事项197机械手液压系统的工作原理207.1液压系统的组成207.2液压传动系统机械手的特点207.3油缸泄漏问题与密封装置207.3.1活塞式油缸的泄漏与密封217.3.2回转油缸的泄漏与密封217.4液压系统传动方案的确定227.4.1各液压缸的换向回路227.4.2调整方案227.4.3减速缓冲回路227.4.4系统安全可靠性23参考文献25致 谢261绪论1.1机械手的概述工业机械手（以下简称机械手）是近代自动控制领域中出现的一项新技术，作为多学科融合的边沿学科，它是当今高技能发展速度最快的领域之一，并已经成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。所谓工业枢机手就是一种能按给定的程序或要求自动完成物件（如材料、工件、零件或工具等）传送或操作作业的机械装置，它能部分地代替人的手工劳作。较高级型式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业。1.2机械手的组成与分类1.2.1机械手的组成工业机械手是由执行机构、驱动系统和控制系统所组成，各部关系如图1所示： 图1 工业机械手组成图框机械手大致可分为手部、传送机构、驱动部分、控制部分以及其他部分。手部（或称抓取机构）包括手指、传力机构等.主要起抓取和放置物件的作用；传送机构（或称臂部）包括手腕、手臂等.主要起改变物件方向和位置的作用；驱动部分 它是驱动前两部分的动力.因此也称动力源，常用的有液压、气压、电力和机械式驱动等四种形式；控制部分 它是机械手动作的指挥系统.它来控制动作的顺序（程序）、位置和时间（甚至速度与加速度）等；其它部分 如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。1.3机械手的分类机械手从使用范围、运动坐标形式、驱动方式以及臂力大小四个方面的分类分别为：（1）按机械手的使用范围分类： 1）专用机械手一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于某种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具，例如“毛胚上下料机械手”、“曲拐自动车床机械手”、“油泵凸轮轴自动线机械手”等等。这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。 2） 通用机械手（也称工业机器人）指具有可变程序和单独驱动的控制系统，不从属于某种机器，而且能自动生成传送物件或操作某些工具的机械装置。通用机械手按其定位和控制方式的不同，可以分为简易型和伺服型两种。简易型只是点位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。这种机械手由于手指可以更换（或可调节），程序可变，故适用于中、小批生产。但因其运动较多，结构复杂，技术条件要求较高，故制造成本一般也较高。 按机械手臂部的运动坐标型式分类：1)直角坐标式机械手臂部可以沿直角坐标系X、Y、Z三个方向移动，亦即臂部可以前后伸缩（定为沿X方向移动）、左右移动（定为沿Y方向移动）和上下升降（定为沿Z方向的移动）;2)圆柱坐标式机械手手臂可以沿着直角坐标系的X和Z方向移动，又可绕Z轴转动（定为绕Z轴转动），亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动；3)球坐标式机械手臂部可以沿直角坐标轴Z方向移动，还可以绕Y轴和Z轴转动，亦即手臂可以前后伸缩（沿X轴方向移动）上下摆动（定为绕Y轴摆动）和左右转动（仍定为绕Z轴转动）；4)多关节式机械手这种机械手的臂部可以分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连接（肘部）以及大臂和机体的连接（肩部）均为关节（铰链）式连接，亦即小臂对大臂可以绕肘部上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角，手臂还可以 左右移动。（3）按机械手的驱动方式分类：1）液压驱动机械手以压力油进行驱动； 2）气压驱动枢机手以压缩空气进行驱动; 3）电力驱动机械手直接用电动机进行驱动； 4）机械驱动机械手是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传给机械手的一种驱动方式。1.3 机械手的组成机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本上的组成形式是相同的。一般机械手由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。机构手的执行机构，由手、手腕、手臂、支座组成。手是抓取机构，用来夹紧或是松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指和手臂白元件，可以上下、左右和回转动作。简单的机械手可以没有手腕，而只有手臂，手臂的动作和手腕相类似，只是动作范围更大，可以前后伸缩，上下升降和左右摆动等。支柱用来支撑手臂，它是固定的，也可以根据需要做成移动的。执行机构的动作要有传动系统来实现。常用的机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程度、方向、位置、速度进行动作。简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便可实现对传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作。动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。简单的组成和分类以及适用范围如下：执行系统的组成：手部、腕部、机身、行走机构。驱动系统的组成：各种电气、液压元件。控制系统的组成：位置检测器、记忆存储器。2总体方案分析2.1总体方案分析由设计内容可知，本次设计所确定的机械手整体结构为球坐标式机械手，此机械手要实现从传送带到设备的上下料过程。传送带移动方向与设备上所夹持的工件方向垂直。因此手臂动作摆动或者转动，手爪的动作为伸缩和松夹。由于此机械手的动作要求旋转不同的工件，所以实现上下料过程也要求手腕能旋转动作。多种方案分析通过以上分析，这里初选三个方案，各方案如下： 方案一：机身的旋转，采用电动机驱动实现，大手臂的俯仰也采用电动机驱动实现，小手臂的伸缩用伸缩缸实现，手腕的回转用电动机实现。 方案二：机身的旋转，采用电动机驱动实现，大手臂的俯仰也采用电动机驱动实现，小手臂的伸缩用齿轮条实现，手腕的回转用电动机实现。 方案三：机身的旋转，采用摆液压缸驱动实现，大手臂的俯仰采用摆动液压缸驱动实现，小手臂的伸缩用伸缩缸实现，手腕的回转用摆液压缸实现。2.2方案的确定通过方案一，方案二和方案三的比较分析可知，方案一从功能上讲可以满足条件，但电动机的造价太高，不太经济。方案二中也存在上述的问题。同时齿轮齿条的驱动精度太低，在抓取工件时定位不够准确，而且结构大而复杂。方案三中，由液压缸来完成的部分，不仅驱动力大且结构也相对简单，摆动缸结构尺寸大但输出转矩大，进行优化设计，从而得出方案三最佳，并最终确实此次的设计方案为方案三，方案如下：机身旋转、手腕转动，均采用摆缸来控制，手臂的伸缩用伸缩缸控制，而爪的松夹用夹紧缸来控制。2.3动作原理本次设计是液压驱动，电气控制。机械手的各个动作是由液压缸来驱动的，其动作过程是由液压缸的各个动作运动至终点时压合行程开关，将行程开关的机械运动通过PLC转化为电磁阀得电和失电，后由电磁阀控制各油路的通断，以实现各液压缸的相应运动，从而控制机械手的和个动作。2.4 主要技术指标（1）最大抓取重量：15Kg；（2）工件最大尺寸（长宽高）250170140mm（3）最大操作范围：提升高度1.5m；回转半径1m；行走范围30m；（4）机械手的自由度：45个；（5）定位精度：0.51mm；（6）装料高度：1050mm；输送轨道宽度：350mm；输送速度：20m/min（7）生产纲领：10万件/年；生产节拍：3min/件；（8）性能要求：抓取灵活，送放平稳，安全可靠，寿命不低于15年；3手部的设计3.1手部结构手部（亦称抓取机构）是用来直接握持工件的部分，由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等不同，所以工业机械手的手部结构是多种多样的，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而设计的。归结起来，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可以分成夹持和吸附两大类。夹持手部按其手指夹持工件时的运动方式，可分为手指回转型和手指平移型两种。平移型手指的张开和闭合靠手指的平行移动，适用于夹持平板、方料。在夹持直径不同的圆棒时，不会引起中心位置的偏移。所以选择平移型手指。由于工件为方料，而平移型手指适于夹持平板和方料，故本设计选用平移型十指。移动型即两手指相对支座往复移动。其驱动力为：F=2FN3.2手爪的计算与分析3.2.1手爪执行液压缸工作压力计算一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），以使工件保持可靠的夹紧状态。手爪对工件的夹紧力： FNK1K2K3G 式中K1安全系数，通常取1.22.0； K2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可近似按下式估算 K2=1+ 运载工件重力方向的最大上升加度； g重力加速度，g=9.8m/s2 a=vmax运载工件时重力方向的最大上升速度；t响系统达到最高速度的时间；根据设计参数选取。一般取0.030.5s。K3方向系数，由于手爪是水平放置夹持水平放置工件，v形指端夹圆形工件，由表2-1得:取K3=0.5。G被抓持工件的重量，G=159.8=147N代入数据，计算得FN=K1K2K3G =1.51.020.5147N=112.45N112N查表2-1得：驱动力：F计算=2 FN=224N取=0.85F实际=224/0.85N=264N3.2.2 手爪的夹持误差分析与计算机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手定位精度，而且也与手指的夹持误差大小有关。为适应工件尺寸在一定范围内变化，避免产生手指夹持的定位误差，必须注意选用合理的手部结构参数，从而使夹持误差控制在较小的范围。在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过1mm就可以了。4腕部的设计4.1腕部结构手腕部件设置于手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改善或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的运动范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。手腕部件具有独立的自由度。手腕运动有：绕X轴转动称为回转运动；绕Y轴转动称为上下摆动（或俯仰）；绕Z轴转动称为左右摆动；甚至沿着Y轴（或Z轴）的横向移动。采用一个自由度的回转缸驱动的腕部结构，具有结构紧凑、灵活等优点而被广泛采用。 4.2 腕部回转力矩的计算腕部回转时，驱动力矩用来克服腕部摩擦力矩、工件重心偏移力矩和惯性力矩。受力分析和图所示。 图2 腕部回转受力分析图手腕回转所需的驱动力矩大小可以按下式计算： M驱=kf（M摩+M偏+M惯） kf考虑驱动缸密封摩擦损失的系数，通常kfbc 1.11.2；M偏工件重心偏执引起的偏置力矩（Nm）；M摩腕部转动支撑处的摩擦阻力矩（Nm）；M惯克服启动惯性所需的力矩（Nm）；（1）腕部转动支撑处的摩擦阻力矩：f轴承的摩擦系数,滚动轴承f=0.02，滑动轴承f=0.1；N1，N2轴承处支承反力（N）；D1，D2轴承直径（m）；（2）工件重心偏置引起的偏置力矩： M偏=G1e G1工件重量； e偏心矩（m ）(即工件重心到腕部回转中心线垂直距离)；由于工件重心与手腕回转中心重合，故M偏=0。（3）克服启动惯性所需的力矩： M惯=（J+J工件） J手腕回转对腕部回转轴线的转动惯量（KGM2）； J工件工件对手腕回转轴线的转动惯量（KGM2）； 腕部回转角速度（rad/s）； t启动过程所需的时间（s），此处假定启动过程均为加速运动， 一般取0.050.3s。查表31有： J=M（a2+b2）/12=（a2+b2）/12 取G=159.8=147N J=15（0.22+0.22）/12KGM2 =0.1 KGM2根据经验取J工件=0.5J=0.1 KGM2 M惯=（J+ J工件） =0.3Nm=1.9 Nm M偏=0取M摩=0.1 M驱 又M驱=kf（M摩+M偏+M惯） =1.2（0.1 M驱+0+1.9）M总=2.61 Nm图3 回转缸筒图1-定片 2-缸体 3-动片 4-密封圈 5-转轴5手臂的设计5.1手臂伸缩液压缸的设计计算5.1.1手臂作水平伸缩直线运动驱动力的计算手臂做水平伸缩运动时，首先要克服摩擦阻力，包括油缸与活塞之间的摩擦阻力及导向杆与支承滑套之间的摩擦阻力等，还要克服启动过程中的惯性力。其驱动力F驱可按下式计算： F驱=F摩+F惯（N） 式中F摩各支承处的摩擦阻力； F惯启动过程中的惯性力，其大小可按下式估算： F惯=a(N) 式中W手臂伸缩部件的总重量（N）； g重力加速度（g=9.8m/s2）； a启动过程中的平均加速度（m/s2），而 a=（m/s2） 速度变化量。手臂从静止状态加速到工作速度V时，则这个过程的速度量就毛等于手臂的工作速度； t启动过程中所用的时间，一般为0.010.5s。5.1.2手臂垂直升降运动驱动力的计算手臂作垂直运动时，除克服摩擦阻力F摩和惯性力F惯之外，还要克 服臂部运动部件的重力，故其驱动力F驱可以按下式计算： F驱=F摩+F惯W（N） 式中F摩各支承处的摩擦力（N）； F惯启动时的惯性力（N）可按臂伸缩运动时的情况计算； W臂部部件的总重量（N）； 上升时为正，下降时为负。 当F摩=100N，F惯=133N，W=1300N时 F惯=100+ +1300=1533(N)5.1.3确定液压缸的结构尺寸液压缸的内径的计算，当油进入无杆腔，活塞推力 F=F1=P 当油进入有杆腔活塞推力 F=F2=P 液压缸有效面积 D=(无杆腔) 式中F驱动力（N）P1液压缸的工作压力（Pa）d活塞杆的直径（m） D液压缸的内径（m）液压缸的机械效率，在工程机械中可用耐油橡胶可取=0.95D=0.059m查表4-3，4-4圆整 取D=80mm,d=45mm查表4-2和表4-3得液压缸工作压力的选取一般取28MPa液压缸的工作压力是1533N液压缸的内径80mm5.1.4液压缸壁厚计算 三种壁厚的公式选取中等壁厚： =+C 式中P1液压缸内工作压力（Pa） C入管壁公差及侵蚀的附加厚度值 D液压缸内径（m） 缸筒材料的许用应力，应按壁厚圆筒公式验算壁厚取=100MPa；=0.710-3m查表4-4得液压缸外径为95mm5.1.5活塞杆的计算活塞杆的尺寸要满足活塞运动的要求和强度的要求。对于杆长1大于直径d的15倍（即115d）的活塞杆必须具有足够的稳定性。按强度条件计算决定活塞杆直径dd P=100120MPa d=0.004m（d=45mm） 满足强度要求又已知手臂伸缩行程600mm，即1=600mm 115d=675 活塞杆的稳定性校核无需进行5.1.6液压缸端盖的联接方式与强度计算当液压缸缸体的材料先用无缝钢管时，它的端盖连接方式多采用半环联接，优点是加工和装卸方便，缺点是缸体开环槽削弱了强度。5.1.6缸盖螺钉计算查液压传动与控制手册表4-1 工件压力为 P=2MPa螺间距t1120mm 取t1=100mm 又 FQ0=FQ+FQS FQ= FQ0螺栓所受的总接力FQ工作载荷F驱动力（N）FQS加载后被连接件结合面之间的剩余紧力 FQS =K FQ K=1.51.8Z螺钉数目P工作压力（Pa）D危险剖面直径取Z=4 又Z= D0=0.13mD0=0.14mFQ =7693NFQS=K FQ=1.67693=12308NFQ=7693+12308=20001N螺钉的强度条件 合= = 抗拉许应力（单位MPa） n=1.21.5 取n=2 s取45钢为360MPa =180MPa d1=8.11cm 取d1=100cm5.1.7缸体螺纹计算 d1 取k1=1.3 D=80mm d1=100mm d10.08m联接半环的计算半环的剪切强度条件 t=t D1=D+2d=80+20=100mm t=0.75180106=135MPa lPD1/4t=21060.1/4135106=0.37mm 取l=10mm 半环的挤压强度条件 c=jy jy材料的许用挤压应力（Pa）； h半环的径向高度（m）； 满足条件5.2手臂俯仰运动的设计计算5.2.1手臂俯仰时所需的驱动力矩驱动手臂回转的力矩M驱，应该与手臂起动时所产生的惯性力矩M惯及各密封装置处的摩擦阻力矩M封相平衡。 M驱=M惯+M封 式中M封密封装置处的摩擦力矩（Nm） 需要输入回转油缸的流量Q： Q=L/min Z-叶片数，Z=1D回转油缸的内径，D=15cmD输出轴与动片连接处的直径，d=6cmb动片宽度，b=12cm输出轴的角速度，=0.187rad/sQ=3.18L/min 驱动力矩M驱= = =567 Nm d1=8.11cm5.2.2缸盖联接螺钉计算和动片联接螺钉计算螺钉的间距取60mmZ=9.42 取Z=10工作载荷：F= =3532.5N缸盖联接螺钉直径d1： d1=0.57cm 取d1=8mm5.2.3动片联接螺钉的计算 FQ=(D2-d2) = =12600N 螺钉的强度条件为合= 又FQj=1.3 FQ=1.312600=16380N =1800kg/cm2 d1=3.4cm 取d1=16mm式中 FQ每个螺钉的预紧力（N）b动片的宽度（m）p 回转液压缸的工件压力（Pa）d动片与输出轴配合处的直径D动片外径（m）z螺钉数目d1螺钉的底径（m） 螺钉材料的许用应力（Pa）6.机身设计机身是直接支承和驱动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转或俯仰等驱动装置或传动件都安装在机身上，或者直接构成机身的驱身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动愈多，机身的结构和受力情况就愈复杂。机身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿着地面或空轨道运动。机身具有独立的自由度。采用一个自由度的回转缸驱动的机身结构，具有结构紧凑、灵活等优点而背广泛采用。6.1机身结构的计算 机座回转时，驱动力矩用来克服机身摩擦力矩、机身重心偏移力矩和惯性力矩。机座回转所需的驱动力矩大小可以按下式计算： M驱= kf（M摩+ M偏+ M惯） kf考虑驱动缸密封摩擦损失的系数，通常kf取1.11.2 M偏机身重心偏置引起的偏置力矩（Nm）； M摩机座转动支撑处的摩擦阻力矩（Nm）； M惯克服启动惯性所需的力矩（Nm）；机座转动支撑处的摩擦阻力矩： M摩=(N1D1+N1D2) f轴承的摩擦系数，滚动轴承f=0.02，滑动轴承f=0.1； N1, N1轴承处支承反力（N）； D1，D2轴承直径（m）；机身重心偏执引起的偏置力矩： M偏= G1e G1机身重量 e偏心距（m）（即机身重心到机身回转中心线垂直距离）； 由于机身重心与机身回转中心重合，故M偏=0。克服启动惯性所需的力矩： M惯=（J+ J工作） J机座回转部分对机身回转轴的转惯量（kgm2）； J工作机身对机身回转轴线的转动惯量（kgm2）；机座回转角速度（rad/s） t启动过程所需的时间（s），此处假定启动过程为匀加速度运动，一般取0.050.3s。查表3-1有： J=m(a2+b2)/12=(a2+b2)/12 取G=2500N J=2500/9.8（1.62+0.62）/12 kgm2 =62 kgm2根据经验取J工作=0.5J=31 kgm M惯=（J+ J工作） =93Nm=586 Nm M偏=0 取M摩=0.1 M驱 又M驱= kf（M摩+ M偏+ M惯） =1.2 （0.1M驱+0+586） M总=800 Nm6.2机身设计时应注意的事项应使机身具有足够的风度和稳定性；应使机身运动的位置精度高，动作灵活；应使机身结构布置合理，结构紧凑，便于维修；要求缸体刚度和强度要大。7机械手液压系统的工作原理7.1液压系统的组成液压传动系统由以下几个主要部分组成：油泵、液压机、控制调节装置、（如单向阀、洋流阀、换向阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序阀等）辅助装置。7.2液压传动系统机械手的特点液压驱动系统的特点，由于液压技术是一个比较成熟的技术，它具有动力大（或力矩）惯性比大，快速响应高、易于实现直接驱动等特点，适用于承载能力大、惯性大以及在防爆环境中工作的机械手。机械手采用液压传动比采用气压传动有如下优点：1)能得到较大的输出力和力矩2)液压传动滞后现象下，反应较灵活，传动平稳3)输出力和运动速度控制较容易4)可达到较高的定位精度5)但液压传动也有缺点：6)系统的泄漏难以避免，影响工作效率和系统的工作性能7)油液的粘度对温度的变化很敏感，当温度升高时，油的粘度即显著降低，油液粘度的变化直接影响液压系统的性能和泄漏量。7.3油缸泄漏问题与密封装置机械手由于油缸泄漏严重，压力不能提高，工作性能不稳定，以致影响机械手的正常使用。因此，为了保证机械手液压系统的工作性能，在各油缸的相对运动表面和固定连接断面的进行密封。以防止压力油从高压腔泄漏到低压油或泄漏到缸体外面。目前，机械手液压系统使用的密封大多采用耐油橡胶制成的各种形式密封圈，作为动密封和静密封，以保证两结合面的密封性。密封圈在配合面间的密封作用，主要是借安装时的预压和工作时由油液压力的作用，使密封圈变形并压紧密封表面达到目的。7.3.1活塞式油缸的泄漏与密封对于实现往复运动的活塞缸来说，其泄漏主要是活塞与缸臂处的内泄漏及复活塞杆与缸盖处的泄漏。引起泄漏的原因是加工和滑动面光洁度不高，以及控制装置不良所致。对于活塞油缸的静密封，主要采用O型密封圈，它既可以用外径或内径密封，也可以用端面密封。O型密封圈装在沟槽中，因爱油压作用而变形，并张紧沟槽和间隙，从而起到密封的作用，因此它的密封性能随压力的增加而提高。但是，当压力过高或沟槽尺寸选择不当时，密封圈很容易被挤出沟槽而造成剧烈磨损。这克服这个缺点，当油缸油液的压力大于100kg/cm2时，要在O型密封圈侧放置挡圈，在压力低于100 kg/cm2时，一般不加挡圈。在手臂伸缩油缸和手臂俯仰油缸中都用了Y型密封圈，Y型密封圈在工作时压力油液把Y型密封圈的唇边紧紧压在相对运动的两配合面上，并随着油液压力的增高而提高密封性能，并能补偿磨损的影响，所以装配时唇边要对压力油腔。在一般情况下，Y型密封圈可直接装入沟槽内即可引起密封作用，但在压力变动较大，滑动速度较高的地方，要使用支承环以固定密封圈。7.3.2回转油缸的泄漏与密封手臂回转油缸中，由于动片与缸体，动片与输出轴，动片端面和缸盖之间的间隙不易保证，易引起较大的泄露，使湍流的压力降低，减少了输出扭矩，达不到设计要求，主要的是采用密封装置进行密封。经反复考虑，选择矩形橡胶密封圈组成回转油罐的密封结构，其中挡圈的作用是防止高压油将橡胶密封圈挤入配合间隙，以保证密封性并延长密封圈的使用寿命。7.4液压系统传动方案的确定7.4.1各液压缸的换向回路为方便机械手的自动化控制，如采用可编程器或微机进行控制，从工况图中可知系统的压力和流量都不高，因此一般选用电磁换向阀回路，以获得较好的自动化程度和经济效益。液压机械手一般采用单泵或双泵供油，手臂伸缩、手臂俯仰和手臂回转等机构采用并联供油，这样可以有效降低系统的供油压力，此时为了保证多缸运动的系统互不干扰，实现同步或非同步运动，换向阀需采用中位“O”型换向阀。7.4.2调整方案整个液压系统只用单泵或双泵工作，各液压缸所需的流量相差较大，各液压缸都用液压泵的全流量工作是无法满足设计要求的。尽管有的液压缸是单一工作，但也需要进行节流调整，用以保证液压缸运行的平稳性。各缸可选择进油路或回油路节流调整，因为系统为中低系统，一般适宜选用节流阀高速。机械手的手臂伸缩和手臂俯仰或升降缸采用两个单身节流阀来实现。若只用一节流速高速时，则进行油达到最大允许高速来实现调节。当无杆腔进油时，其速度就少于最大允许速度，但仍然符合设计需要。在一般情况下，机械手的各个部位是分别动作，手腕回转和手臂回转缸（或升降）所需的流量较为接近，手腕回转缸和手臂回转缸及夹紧缸所需流量较为接近，且它们两组缸所需的流量相关较大，这样不但可以选择单泵供油系统，也可以选择双泵系统。单泵供油系统要以所愿液压缸中需流量大的来选择泵的流量。优点是系统较为简单，所需的元件较少，经济性好。缺点是当所需流量较少的液压缸动作时，系统的溢流损失较大，能源利用率较低。对于系统功率较小的场合是可取的。本设计选用双泵供油。7.4.3减速缓冲回路通用工业机械手要求可变行程，它是由微机控制，可在行程中任意点定位，故应在液压系统中采用缓冲装置，形成缓冲回路。7.4.4系统安全可靠性手臂俯仰缸（或手臂升降缸）在系统失压情况下会自由下落或超速下行，所以应在回路中增加平衡回路，方法可用单向顺序阀做平衡阀，手臂伸缩缸有俯仰状态时，变应同样考虑。为防止夹紧缸压力系统压力波动的影响过高，导致夹紧力过大损坏工作，或过低无法夹紧工作，造成意外的安全事故，需在沿路上增加减压阀保证夹紧缸的压力恒定不变。机械手的动作分析 表1 工业机械手所用液压元件一览 序号 元件名称 型号 数量 1 滤油器 XU-1337-50 1 2 滤油器 XU-13327-75 1 3 小流量泵 YB-32 1 4 大流量泵 YB-80 1 5 溢流阀 Y-32J 1 6 溢流阀 Y-80J 1 7 单向阀 I-50 3 8 压力表开关 K-3B 1 9 压力表 Y-60 1 10 电磁换向阀 22D-50B 2 11 减压阀 J-10 1 12 电磁换向阀 23D-20B 1 13 电液换向阀 23DY-63B 1 14 单向溢流阀 QI-63B 2 15 电液换向阀 34DY-63B 2 16 单向溢流阀 QI-63B 2 17 电磁换向阀 24D-25B 1 18 单向溢流阀 QI-130B 4 19 单向顺序阀 XI-160B 1 20 电磁换向阀 23D-100B 1 对机械手的各个动作分析如下：（1）手指夹紧与松开夹紧：电磁铁13DT通电，换个阀的右位接入系统，手指在液压缸的作用下夹紧。松开：电磁铁14DT断电，换向阀的左位接入系统，手指在液压缸的作用下松开。（2）手臂上下摆动电磁铁11D