液压传动上料机械手设计资料

1、莱芜职业技术学院机电工程系2016届毕业生毕业论文论文题目液压传动上料机械手设计专年学姓业机电一体化级 2013级高职机电 3班号201321010名陈联系方式 18253235指导教师 陶 职称:副教授 完成日期： 2016年5月17日本次设计的液压传动机械手根据规定的动作顺序，综合运用所学的基本理论、 基本知识和相关的机械设计专业知识，完成对机械手的设计。机械手的机械结构 采用油缸、螺杆、导向筒等机械器件组成；在液压传动机构中，机械手的手臂伸 缩采用伸缩油缸，手腕回转采用回转油缸，立柱的转动采用齿条油缸，机械手的 升降采用升降油缸，立柱的横移采用横向移动油缸；本设计拟开发的上料机械手可在空

2、间抓放物体，动作灵活多样，可代替人工 在高温和危险的作业区进行作业，可抓取重量较大的工件。关键词 机械手、液压、控制回路第1章绪论. 11.1液压上料机械结构设计分析 . 11.1.1 臂力的确定 .11.1.2 工作范围的确定 .11.1.3 确定运动速度 .1手臂的配置形式 .21.1. 5位置检测装置的选择 31.1.6驱动与控制方式的选择 .,31.2液压上料机械手的运用 31.3液压上料机械手的特点 .41.4 液压上料机械手 .4第 2 章手部的结构 52.1 概述 .52.2设计时应考虑的几个问题 .52.3 驱动力的计算 .62.4两支点回转式钳爪的定位误差的分析 . 8第三章

3、 腕 部 的 结 构 .103.1 概述 .103.2腕部的结构形式 .103.3手腕驱动力矩的计 . .11第4章臂部的结构.144.1 概述 .144.2手臂直线运动机构 .154.2.1 手臂伸缩运动 . .154.2.2 导向装置.164.2.3 手臂的升降运动 .174.3手臂回转运动.184.4 手臂的横向移动 .184.5臂部运动驱动力计算 .194.5.1 臂水平伸缩运动驱动力的计算 . .194.5.2 臂垂直升降运动驱动力的计算 .204.5.3 臂部回转运动驱动力矩的计算 .21第 5 章 液压系统的设计 225.1 液压系统简介.225.2液压系统的组成 . 225.3

4、 机械手液压系统的控制回路 . .235.3.1 压力控制回路 . .235.3.2 速度控制回路 . 235.3.3 方向控制回路 .245.4 上料机械手的动作顺序 . .245.5机械手液压系统的简单计算 . 255.5.1 双作用单杆活塞油缸 . 255.5.2 无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸）.295.5.3 单叶片回转油缸 .305.5.4 油泵的选择 .325.5.5 确定油泵电动机功率N .32第6章机械手的控制 33第7章总结 35第8章致谢 .36参考文献 . 37第一章绪论1.1液压上料机械手结构设计分析1.1.1 臂力的确定目前使用的机械手的臂力范围较大，国内现有的机械

5、手的臂力最小为 0.15N，最大为8000N。本液压机械手的臂力为N臂=1650（ N），安全系数K 一般可在1.53，本机械手取安全系数K=2。定位精度为土 1mm1.1.2 工作范围的确定机械手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定。一个操作 运动的轨迹是几个动作的合成，在确定的工作范围时，可将轨迹分解成单 个的动作，由单个动作的行程确定机械手的最大行程。本机械手的动作范 围确定如下：手腕回转角度土 115°手臂伸长量150mm手臂回转角度土 115°手臂升降行程170mm手臂水平运动行程100mm1.1.3 确定运动速度机械手各动作的最大行程确定之后，可根据生产

6、需要的工作拍节分配 每个动作的时间，进而确定各动作的运动速度。液压上料机械手要完成整 个上料过程，需完成夹紧工件、手臂升降、伸缩、回转，平移等一系列的 动作，这些动作都应该在工作拍节规定的时间内完成，具体时间的分配取 决于很多因素，根据各种因素反复考虑，对分配的方案进行比较，才能确机械手的总动作时间应小于或等于工作拍节，如果两个动作同时进行， 要按时间长的计算，分配各动作时间应考虑以下要求：（1）给定的运动时间应大于液压元件的执行时间；（2）伸缩运动的速度要大于回转运动的速度，因为回转运动的惯性一般 大于伸缩运动的惯性。在满足工作拍节要求的条件下，应尽量选取较底的 运动速度。机械手的运动速度与

7、臂力、行程、驱动方式、缓冲方式、定位 方式都有很大关系，应根据具体情况加以确定。（3）在工作拍节短、动作多的情况下，常使几个动作同时进行。为此驱 动系统要采取相应的措施，以保证动作的同步。液压上料机械手的各运动速度如下:手腕回转速度V腕回=40 ° /s手臂伸缩速度V臂伸=50 mm/s手臂回转速度V臂回=40 ° /s手臂升降速度V臂升=50 mm/s立柱水平运动速度柱移=50 mm/s手指夹紧油缸的运动速度 V 夹=50 mm/s1.1.4 手臂的配置形式机械手的手臂配置形式基本上反映了它的总体布局。运动要求、操作 环境、工作对象的不同，手臂的配置形式也不尽相同。本机械

8、手采用机座 式。机座式结构多为工业机器人所采用，机座上可以装上独立的控制装置， 便于搬运与安放，机座底部也可以安装行走机构，已扩大其活动范围，它 分为手臂配置在机座顶部与手臂配置在机座立柱上两种形式，本机械手采 用手臂配置在机座立柱上的形式。手臂配置在机座立柱上的机械手多为圆 柱坐标型，它有升降、伸缩与回转运动，工作范围较大。第一章绪论1.1.5 位置检测装置的选择机械手常用的位置检测方式有三种：行程开关式、模拟式和数字式。 本机械手采用行程开关式。利用行程开关检测位置，精度低，故一般与机 械挡块联合应用。在机械手中，用行程开关与机械挡块检测定位既精度高 又简单实用可靠，故应用也是最多的。1.

9、1.6 驱动与控制方式的选择机械手的驱动与控制方式是根据它们的特点结合生产工艺的要求来选 择的，要尽量选择控制性能好、体积小、维修方便、成本底的方式。驱动方式一般有四种：气压驱动、液压驱动、电气驱动和机械驱动。 本次设计采用液压驱动，机械控制。1.2液压上料机械手的运用是近几年在国内刚刚出现的一个新兴产业.但在西方发达国家以及日 本和韩国，早在二十年前，上料机械手就已经广泛的应用于各种类型的数 控机床上。上料机器人与数控机床相结合，可以实现工件的自动抓取、上 料、装卡、加工等所有的工艺过程，能够极大的节约人工成本，提高生产 效率。特别适用于大批量、小型零部件的加工，如汽车变速箱齿轮、轴承 套（

10、座）刹车盘、金属冲压结构件等。自动生产线和自动化程度高的加工设备已经成为今后制造工厂的一 个发展趋势。单机自动化、整线自动化等自动上下料装置用于加工工件的 自动上料、工件翻转、工件转序等工作，能够满足“快速/大批量加工节 拍”、“节省人力成本”、“提高生产效率”等要求，成为越来越多的工 厂的理想选择。1.3液压上料机械手的特点(1) 可用于高温金属模板冲压机床，来料温度：900C，出料温度200C ；(2) 独特的二倍行程手臂叠加机构，倍速机构，可以满足小空间、大 行程的技术要求。(3) 运行速度快，保证来料的温度不下降，满足冲压工艺要求。(4) 性价比高。1.4液压上料机械手实现的功能(1)

11、 液压上料机械手可以实现对圆盘类、长轴类、不规则形状、金属 板类工件的自动上料、工件翻转、工件转序等工作。(2) 液压上料机械手采用独立绗架设计，安装、调试可以与机床分开 进行，机床部分只进行标准机的制造即可，机械手可以完全独立在机床之 外运行。(3) 液压上料机械手采用模块化机械手和横梁，可以对机床机型加装。 而不需要分开规格进行多种类的制造；(4) 独立料仓设计，料仓独立自动控制；(5) 不依靠机床的控制器进行控制，机械手模块采用独立的控制模块， 机械手故障只需设定参数，不影响机床运转第二章手部结构2.1概述手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部 件，它具有模仿人手的

12、功能，并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型 式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运 动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的 形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部 结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。钳爪式手部结 构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆 杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式，等，这里采用滑槽杠 杆式。2.2 设计时应考虑的几个问题(1) 应具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过 程中所产生的惯性力和振动

13、，以保证工件不致产生松动或脱落。(2) 手指间应有一定的开闭角两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。 手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按 最大直径的工件考虑。(3) 应保证工件的准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的 形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带V 形面的手指，以便自动定心(4) 应具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所 产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯 曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。(5) 应考虑被抓取对象的要

14、求应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手 指的形状。2.3驱动力的计算011.手指2.销轴3.拉杆4.指座图2-1滑槽杠杆式手部受力分析如图所示为滑槽式手部结构。在拉杆3作用下销轴2向上的拉力为P，并通过销轴中心0点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P1、P2，其力 的方向垂直于滑槽中心线001和002并指向0点，P1和P2的延长线交0102 于A及B,由图受力分析得/ AOCN BOC二a。根据销轴的力平衡条件，即刀 Fx=O,P仁P2;刀 Fy=O ,P2=P1cos a即：P仁P/2C0S a销轴对手指的作用力为P1'0手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹

15、紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的 大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡条件，即刀MO1（F）=0 得P1' h=Nb因h=a/cosa2所以 P=2b（cosa ） N/a式中 a 手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）°a工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹 角。由上式可知，当驱动力P 一定时，a角增大则握力N也随之增加，但 a角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大， 使之结构加大，因此，一般取a =30° 40。 这里取角a =30度。这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特

16、点。V形手指 夹紧圆棒料时，握力的计算公式N=0.5G ，综合前面驱动力的计算方法，可 求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及 传力机构效率的影响，其实际的驱动力P实际应按以下公式计算，即：P实际=PK1K2/ n式中 n手部的机械效率，一般取0.850.95;K1 安全系数，一般取1.22K2 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可近似按下式估 计，K2=1+a/g，其中a为被抓取工件运动时的最大加速度，g为重力加速度。本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为500毫米/秒， 移动加速度为1000毫米/秒2，工件重量G为98牛顿，V型钳口的夹角为 12

17、0°, a =30°时，拉紧油缸的驱动力P和P实际计算如下：根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当 量夹紧力计算公式N=0.5G把已知条件代入得当量夹紧力为N=49 ( N)由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式P=2b(cosa ) 2 N/a 得2P=P计算=2*45/27(cos30 ° )*49=122.5(N)P实际=P计算K1K2/ n取 n =0.85, K1=1.5, K2=1+1000/98101.1则 P 实际=122.5*1.5*1.1/0.85=238(N)2.4两支点回转式钳爪的定位误差的分析钳口与钳爪的连接点E为铰链联结

18、，如图示几何关系，若设钳爪对称中心 O到工件中心O 的距离为x,则x=I2 -(R/sin 1 b -a)2当工件直径变化时,x的变化量即为定位误差厶,设工件半径R由Rmax变 化到Rmin时，其最大定位误差为=| J2(Rmax/s in P+ba)2 Jl2(Rmi n/si n3+ba)2 |其中了 =45mm ,b=5mm ,a=27mm ,2 B =120° ,Rm in=15mm ,Rmax=30mm代入公式计算得最大定位误差 = I 44.2 -44.7 I =0.5 V 1第三章 腕部的结构3.1概述腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。设计腕部时要注 意以下

19、几点：结构紧凑，重量尽量轻。转动灵活，密封性要好。注意解决好腕部也手部、臂部的连接，以及各个自由度的位置检测、 管线的布置以及润滑、维修、调整等问题，要适应工作环境的需要。另外，通往手腕油缸的管道尽量从手臂内部通过，以便手腕转动时管 路不扭转和不外露，使外形整齐。3.2腕部的结构形式本机械手采用回转油缸驱动实现腕部回转运动，结构紧凑、体积小， 但密封性差，回转角度为土 115°.如下图所示为腕部的结构，定片与后盖，回转缸体和前盖均用螺钉和 销子进行连接和定位，动片与手部的夹紧油缸缸体用键连接。夹紧缸体与 指座固连成一体。当回转油缸的两腔分别通入压力油时，驱动动片连同夹 紧油缸缸体和指

20、座一同转动，即为手腕的回转运动。图3-1 机械手的腕部结构3.3手腕驱动力矩的计算驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动的重心与轴线不重合所产生的偏重力矩。手腕转动时所需要的驱动力矩可按下式计算：M 驱=M惯+M偏+M摩 （N.m）式中M驱驱动手腕转动的驱动力矩M 惯惯性力矩 （N.m）M 偏参与转动的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸体的动片）对转动轴线所产生的偏重力矩（N.m）M摩手腕转动轴与支承孔处的摩擦力矩 （N.m）NiNa图3-2 腕部回转力矩计算图（1）摩擦阻

21、力矩M摩fM摩=2 （ N1D1+N2D2）（ N.m）式中f 轴承的摩擦系数，滚动轴承取f=0.02，滑动轴承取f=0.1；N1、N2轴承支承反力 （N）；D1、D2轴承直径（m）由设计知 D1=0.035m D2=0.054m N1=800N N2=200N G仁98N e=0.020时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）偏心距（即工件重心到碗回转中心线的垂直距离），当工件重心与手腕回转中心线重合时，M偏为零当 e=0.020 ，G仁98N

22、时M偏=1.96（ N2m腕部启动时的惯性阻力矩M惯 当知道手腕回转角速度 时，可用下式计算M惯M惯=（J+J 工件）T （ N2m式中手腕回转角速度 （1/s）T手腕启动过程中所用时间（s），（假定启动过程中近为加速运动）2 J手腕回转部件对回转轴线的转动惯量（kg2m ）2 J工件工件对手腕回转轴线的转动惯量（kg2m ）第四章臂部的结构4.1概述臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并将被抓 取的工件传送到给定位置和方位上，因而一般机械手的手臂有三个自由度， 即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱 来实现的。；立柱的横向移动即为手臂的横向移动。手臂

23、的各种运动通常由 驱动机构和各种传动机构来实现，因此，它不仅仅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。手臂的结构、工作范围、灵活 性以及抓重大小(即臂力)和定位精度等都直接影响机械手的工作性能， 所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定 位精度的要求来设计手臂的结构型式。同时，设计时必须考虑到手臂的受 力情况、油缸及导向装置的布置、内部管路与手腕的连接形式等因素。因 此设计臂部时一般要注意下述要求：(1) 刚度要大 为防止臂部在运动过程中产生过大的变形，手臂的截面 形状的选择要合理。弓字形截面弯曲刚度一般比圆截面大；空心管的弯曲 刚度和扭曲刚度都比

24、实心轴大得多。所以常用钢管作臂杆及导向杆，用工 字钢和槽钢作支承板。(2) 导向性要好为防止手臂在直线移动中，沿运动轴线发生相对运动，或设置导向装置，或设计方形、花键等形式的臂杆。(3) 偏重力矩要小 所谓偏重力矩就是指臂部的重量对其支承回转轴 所产生的静力矩。为提高机器人的运动速度，要尽量减少臂部运动部分的 重量，以减少偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。(4) 运动要平稳、定位精度要高 由于臂部运动速度越高、重量越大， 惯性力引起的定位前的冲击也就越大，运动即不平稳，定位精度也不会高。 故应尽量减少小臂部运动部分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时要采取 一定的缓冲措施。4.2手臂直线运动机

25、构机械手手臂的伸缩、升降及横向移动均属于直线运动，而实现手臂往 复直线运动的机构形式比较多，常用的有活塞油（气）缸、活塞缸和齿轮 齿条机构、丝杆螺母机构以及活塞缸和连杆机构。4.2.1 手臂伸缩运动这里实现直线往复运动是采用液压驱动的活塞油缸。由于活塞油缸的 体积小、重量轻，因而在机械手的手臂机构中应用比较多。如下图所示为 双导向杆手臂的伸缩结构。手臂和手腕是通过连接板安装在伸缩油缸的上 端，当双作用油缸1的两腔分别通入压力油时，则推动活塞杆2 （即手臂） 作往复直线运动。导向杆3在导向套4内移动，以防止手臂伸缩时的转动 （并兼做手腕回转缸6及手部7的夹紧油缸用的输油管道）。由于手臂的伸 缩油

26、缸安装在两导向杆之间，由导向杆承受弯曲作用，活塞杆只受拉压作 用，故受力简单，传动平稳，外形整齐美观，结构紧凑。可用于抓重大、 行程较长的场合。1、鮮眦3. W4料齐5.加图4-1 双导向杆手臂的伸缩结构4.2.2 导向装置液压驱动的机械手手臂在进行伸缩（或升降）运动时，为了防止手臂绕 轴线发生转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩 的作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂的结构时，必须采用适当的导向 装置。它根据手臂的安装形式，具体的结构和抓取重量等因素加以确定， 同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中 心的转动惯量。目前采用的导向装置有单导向杆、双导

27、向杆、四导向杆和 其他的导向装置，本机械手采用的是双导向杆导向机构。双导向杆配置在手臂伸缩油缸两侧，并兼做手部和手腕油路的管道。 对于伸缩行程大的手臂，为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形，可在导向 杆尾部增设辅助支承架，以提高导向杆的刚性。如图4-2所示，对于伸缩行程大的手臂，为了防止导向杆悬伸部分 的弯曲变形，可在导向杆尾部增设辅助支承架，以提高导向杆的刚性。如 图4-2所示，在导向杆1的尾端用支承架4将两个导向杆连接起来，支承 架的两侧安装两个滚动轴承2 ,当导向杆随同伸缩缸的活塞杆一起移动时，支承架上的滚动轴承就在支承板3的支承面上滚动。423手臂的升降运动如图4-3所示为手臂的升降运动机

28、构。当升降缸上下两腔通压力油时， 活塞杠4做上下运动，活塞缸体2固定在旋转轴上。由活塞杆带动套筒3 做升降运动。其导向作用靠立柱的平键8实现。图中4-3为位置检测装置。图4-3 手臂升降和回转机构图4.3手臂回转运动实现手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有回转缸、齿轮 传动机构、链轮传动机构、连杆机构等。本机械手采用齿条缸式臂回转机 构，回转运动由齿条活塞杆驱动齿轮，带动配油轴和缸体一起转动，再通 过缸体上的平键带动外套一起转动实现手臂的回转。4.4手臂的横向移动如图4-4所示为手臂的横向移动机构。手臂的横向移动是由活塞缸5 来驱动的，回转缸体与滑台1用螺钉联结，活塞杆4通过两块连接板

29、3用 螺钉固定在滑座2上。当活塞缸5通压力油时，其缸体就带动滑台1，沿着 燕尾形滑座2做横向往复运动。B-B1显台乙滑塞3越结板4> «5. m图4-4 手臂横向移动机构4.5臂部运动驱动力计算计算臂部运动驱动力(包括力矩)时，要把臂部所受的全部负荷考虑 进去。机械手工作时，臂部所受的负荷主要有惯性力、摩擦力和重力等。4.5.1 臂水平伸缩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Pq可按下式计算：Pq = Fm + Fg (N)式中Fm各支承处的摩擦阻力；F

30、g启动过程中的惯性力，其大小可按下式估算：WFg = g a (N)式中 W 手臂伸缩部件的总重量 (N);g重力加速度(9.8m/s);a启动过程中的平均加速度(m/s 2)，辿而a =：t (m/s 2) v速度变化量。如果手臂从静止状态加速到工作速度V时，则这个过程的速度变化量就等于手臂的工作速度； t启动过程中所用的时间，一般为0.01 s 0.5s。当 Fm=80N,W=1098 ( N)， V = 500mm/s 时，10980.5Pq = 80+9.8 * 0.5 =80+112=192 (N)4.5.2 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Fm和惯性力Fg

31、之外，还要克服臂部运动部件的重力，故其驱动力Pq可按下式计算：Pq = Fm + Fg ± W (N)式中 Fm 各支承处的摩擦力(N)；Fg启动时惯性力(N)可按臂伸缩运动时的情况计算；W臂部运动部件的总重量(N)；±上升时为正，下降时为负。当 Fm=40N，Fg=100N，W =1098N 时Pq=40+100+1098=1238( N)4.5.3 臂部回转运动驱动力矩的计算臂部回转运动驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩与回转部件支承 处的摩擦力矩来计算。由于启动过程一般不是等加速度运动，故最大驱动 力矩要比理论平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。故驱动力矩Mq可按

32、下式计算：Mq = 1.3(Mm + Mg )(N2m)式中 Mm 各支承处的总摩擦力矩；Mg启动时惯性力矩，一般按下式计算：Mg = J ：t (N2m)2式中 J手臂部件对其回转轴线的转动惯量(kg2m );回转手臂的工作角速度(rad/s ); t回转臂启动时间(s)0.8当 Mm=84(N2m) ，Mg=8 0.2 =32(N2m)Mq = 1.3*116=150.8(N2m)对于活塞、导向套筒和油缸等的转动惯量都要做详细计算，因为这 些零件的重量较大或回转半径较大，对总的计算结果影响也较大，对于小 零件则可作为质点计算其转动惯量，对其质心转动惯量忽略不计。对于形 状复杂的零件，可划分

33、为几个简单的零件分别进行计算，其中有的部分可 当作质点计算。第五章液压系统的设计5.1液压系统简介机械手的液压传动是以有压力的油液作为传递动力的工作介质。电动 机带动油泵输出压力油，是将电动机供给的机械能转换成油液的压力能。 压力油经过管道及一些控制调节装置等进入油缸，推动活塞杆运动，从而 使手臂作伸缩、升降等运动，将油液的压力能又转换成机械能。手臂在运 动时所能克服的摩擦阻力大小，以及夹持式手部夹紧工件时所需保持的握 力大小，均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关。手臂做各种运动的 速度决定于流入密封油缸中油液容积的多少。这种借助于运动着的压力油 的容积变化来传递动力的液压传动称为容积式液压

34、传动，机械手的液压传 动系统都属于容积式液压传动。5.2液压系统的组成液压传动系统主要由以下几个部分组成：（1）油泵 它供给液压系统压力油，将电动机输出的机械能转 换为油液的压力能，用这压力油驱动整个液压系统工作。（2）液动机 压力油驱动运动部件对外工作部分。手臂做直线运 动，液动机就是手臂伸缩油缸。也有回转运动的液动机一般叫作油马达， 回转角小于360°的 液动机，一般叫作回转油缸（或称摆动油缸）。（3）控制调节装置 各种阀类，如单向阀、溢流阀、节流阀、调 速阀、减压阀、顺序阀等，各起一定作用，使机械手的手臂、手腕、手指 等能够完成所要求的运动。5.3机械手液压系统的控制回路机械手

35、的液压系统，根据机械手自由度的多少，液压系统可繁可简， 但是总不外乎由一些基本控制回路组成。这些基本控制回路具有各种功能， 如工作压力的调整、油泵的卸荷、运动的换向、工作速度的调节以及同步 运动等。5.3.1 压力控制回路压力控制回路是通过控制液压系统的压力，以满足执行元件对力 和力矩要求的回路。包括调压、卸荷、减压、平衡锁紧等基本回路。本设 计采用二位二通电磁阀控制溢流阀遥控口卸荷回路和单向顺序阀做平衡阀 实现任意位置锁紧的回路为了使机械手手臂在移动过程中停止在任意位置上，并防止因外力作 用而发生位移，可采用锁紧回路，即将油缸的回油路关闭，使活塞停止运 动并锁紧。本机械手采用单向顺序阀做平衡

36、阀实现任意位置锁紧的回路。5.3.2 速度控制回路液压机械手各种运动速度的控制，主要是改变进入油缸的流量Q。其控 制方法有两类：一类是采用定量泵，即利用调节节流阀的通流截面来改变 进入油缸或油马达的流量；另一类是采用变量泵，改变油泵的供油量。本 机械手采用定量油泵节流调速回路。根据各油泵的运动速度要求，可分别采用LI型单向节流阀、LCI型单 向节流阀或QI型单向调速阀等进行调节。节流调速阀的优点是：简单可靠、调速范围较大、价格便宜。其缺点 是：有压力和流量损耗，在低速负荷传动时效率低，发热大。采用节流阀进行节流调速时，负荷的变化会引起油缸速度的变化，使 速度稳定性差。其原因是负荷变化会引起节流

37、阀进出油口的压差变化，因 而使通过节流阀的流量以至油缸的速度变化。调速阀能够随负荷的变化而自动调整和稳定所通过的流量，使油缸的 运动速度不受负荷变化的影响，对速度的平稳性要求高的场合，宜用调速 阀实现节流调速。533方向控制回路在机械手液压系统中，为控制各油缸、马达的运动方向和接通或关闭油 路，通常采用二位二通、二位三通、二位四通电磁阀和电液动滑阀，由电 控系统发出电信号，控制电磁铁操纵阀芯换向，使油缸及油马达的油路换 向，实现直线往复运动和正反向转动。目前在液压系统中使用的电磁阀，按其电源的不同，可分为交流电磁 阀（D型）和直流电磁阀（E型）两种。交流电磁阀的使用电压一般为220V（也有38

38、0V或36V），直流电磁阀的使用电压一般为24V （或110V ）。这里 采用交流电磁阀。交流电磁阀起动性能好，换向时间短，接线简单，价廉， 但是如吸不上时容易烧坏，可靠性差，换向时有冲击，允许换向频率底， 寿命较短。5.4 上料机械手的动作顺序动作顺序：待料（即起始位置。手指闭合，待夹料立放）f 插定位销 f 手臂前伸 f 手指张开 f 手指夹料 f 手臂上升 f 手臂缩回 f 立柱 横移 f手腕回转115° f 拔定位销f手臂回转115° f 插定位销 f 手臂前伸 f 手臂中停 （此时立式精锻机的卡头下降 f 卡头夹料， 大泵卸荷）f手指松开（此时精锻机的卡头夹着料上

39、升）f手指闭合f 手臂缩回 f 手臂下降 f 手腕反转 （手腕复位）f 拔定位销 f 手臂 反转（上料机械手复位） T立柱回移（回到起始位置） T待料（一个 循环结束）卸荷。上述动作均由电控系统发信控制相应的电磁换向阀，按程序依次步进 动作而实现的。该电控系统的步进控制环节采用步进选线器，其步进动作 是在每一步动作完成后，使行程开关的触点闭合或依据每一步动作的预设 停留时间，使时间继电器动作而发信，使步进器顺序“跳步”控制电磁阀 的电磁铁线圈通断电，使电磁铁按程序动作（见电磁铁动作程序表）实现 液压系统的自动控制。5.5机械手液压系统的简单计算计算的主要内容是，根据执行机构所要求的输出力和运动

40、速度，确定 油缸的结构尺寸和所需流量、确定液压系统所需的油压与总的流量，以选 择油泵的规格和选择油泵电动机的功率。确定各个控制阀的通流量和压力 以及辅助装置的某些参数等。在本机械手中，用到的油缸有活塞式油缸（往复直线运动）和回转式 油缸（可以使输出轴得到小于360°的 往复回转运动）及无杆活塞油缸（亦 称齿条活塞油缸）。5.5.1 双作用单杆活塞油缸图5-2双作用单杆活塞杆油缸计算简图流量、驱动力的计算当压力油输入无杆腔，使活塞以速度V1运动时所需输入油缸的流量Q1为兀Q1 =40 D2 V13对于手臂伸缩油缸：Q1=0.98cm /s， 对于手指夹紧油缸：Q1=1.02cm 3/s

41、 , 对于手臂升降油缸：Q1=0.83 cm 3/s油缸的无杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力P1即油缸的驱动力为:n2P1 = 4 D pl对于手臂伸缩油缸：p1=196N， 对于手指夹紧油缸：p1=126N，对于手臂升降油缸：p1=320N当压力油输入有杆腔，使活塞以速度V2运动时所需输入油缸的流量Q2为：兀2 2Q2 =40 （ D-d ）V23对于手臂伸缩油缸：Q1=0.87cm /s， 对于手指夹紧油缸：Q1=0.9633cm /s , 对于手臂升降油缸：Q1=0.72 cm /s油缸的有杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力P2即油缸的驱动力为:2 2P2 = 4（ D -d

42、）pl对于手臂伸缩油缸：p1=172N， 对于手指夹紧油缸：p1=108N，对于手臂升降油缸：p1=305N 计算作用在活塞上的总机械载荷机械手手臂移动时，作用在机械手活塞上的总机械载荷P为P = P工+ P 导+ P 封+ P 惯+ P 回其中P工为工作阻力P 导为装置处的摩擦阻力P 封为密封装置处的摩擦阻力P 惯为性阻力P 回为回背压阻力P = 83+125+66+80+208=562（N）确定油缸的结构尺寸 油缸内径的计算油缸工作时，作用在活塞上的合成液压力即驱动力与活塞杆上所受的总机械载荷平衡，即P = P1 （无杆腔）=P2 （有油缸（即活塞）的直径可由下式计算4PPD =匚P1 =

43、 1.13 P1厘米（无杆腔）对于手臂伸缩油缸：D=50mm, 对于手指夹紧油缸：D=30mm，对于手4P 二 P1d2¥臂升降油缸：D=80mm，对于立柱横移油缸：D = 40mm或D =二P1厘米 （有杆腔） 油缸壁厚的计算：依据材料力学薄壁筒公式，油缸的壁厚 可用下式计算：p计D=厘米P计为计算压力b 油缸材料的许用应力。对于手臂伸缩油缸： =6mm， 对于手指夹紧油缸： =17mm ，对于手臂升降油缸： =16mm , 对于立柱横移油缸：=17mm 活塞杆的计算可按强度条件决定活塞直径d。活塞杆工作时主要承受拉力或压力，因此活塞杆的强度计算可近似的视为直杆拉、压强度计算问题，

44、即P对于手臂伸缩油缸：d =30mm， 对于手指夹紧油缸：d =15mm，对于手臂升降油缸：d=50mm ,对于立柱横移油缸:d=16mm5.5.2 无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸）V-41 4p_匕 M图5-3 齿条活塞缸计算简图流量、驱动力的计算2二 D dQ =133当 D=103mm,d=40mm,=0.95 rad/s 时Q = 952N 作用在活塞上的总机械载荷PP = P工+ P 封+ P 惯+ P 回其中P工为工作阻力P封为密封装置处的摩擦阻力惯为惯性阻力P回为背压阻力P =66+108+208=382(N)油缸内径的计算根据作用在齿条活塞上的合成液压力即驱动力与总机械载荷的平

45、衡条件，求得（厘米）D = 45mm5.5.3 单叶片回转油缸在液压机械手上实现手腕、手臂回转运动的另一种常用机构是单叶片回转油缸，简称回转油缸，其计算简图如下：hFV P图5-4回转油缸计算简图流量、驱动力矩的计算当压力油输入回转油缸，使动片以角速度 运动时，需要输入回转油 缸的流量Q为：3b(D-d2)Q =400当 D=100mm,d=35mm,b=35mm,=0.95 rad/s 时亠3Q=0.02m/s回转油缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩M:pb(D2 -d2)M =8得 M = 0.8 (N2m) 作用在动片(即输出轴)上的外载荷力矩MM = M工+M封+

46、 M惯+ M 回其中M工为工作阻力矩M封为密封装置处的摩擦阻力矩M惯为参与回转运动的零部件，在启动时的惯性力矩M回为回转油缸回油腔的背反力矩M = 2.3+0.85+1.22+1.08=5.45 (N2m)回转油缸内径的计算:d2(厘米)回转油缸的动片上受的合成液压力矩与其上作用的外载荷力 矩相平衡，可得：D =D = 30mm一般的机械手的液压系统，大多采用定量油泵，油泵的选择主要是根 据系统所需要的油泵工作压力p泵和最大流量Q泵来确定。确定油泵的工作压力p泵p泵三p + I p式中p油缸的最大工作油压=p 压力油路（进油路）各部分压力损失之和，其中包括各种元 件的局部损失和管道的沿程损失。

47、p泵=60*105 帕确定油泵的Q泵油泵的流量，应根据系统个回路按设计的要求，在工作时实际所需的 最大流量Q最大，并考虑系统的总泄漏来确定Q泵=K Q 最大其中：K 一般取1.10 1.25Q泵=53升/分5.5.5 确定油泵电动机功率N油泵的电动功率为pQN =612 （千瓦）式中p油泵的最大工作压力Q所选油泵的额定流量油泵总效率N=7.5 （千瓦）第六章机械手的控制控制系统是机械手的重要组成部分。在某种意义上讲，控制系统起着 与人脑相似的作用。机械手的手部、腕部、臂部等的动作以及相关机械的 协调动作都是通过控制系统来实现的。主要控制内容有动作的顺序，动作 的位置与路径、动作的时间。机械手要用来代替人完成某些操作，通常需要具有图6.1所示的机能。实现上述各种机能的控制方式有多种多样。