臥式加工中心換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì)

臥式加工中心換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì),臥式加工中心換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì),臥式,加工,中心,機(jī)械手,設(shè)計(jì) 臥式加工中心換刀機(jī)械手的設(shè)計(jì) 1 機(jī)械手的介紹 1.1 工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介 幾千年前人類就渴望制造一種像人一樣的機(jī)器，以便將人類從繁重的勞動(dòng)中解脫出來。如古希臘神話《阿魯哥探險(xiǎn)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(shí)刻激勵(lì)著人們一定要把美麗的神話變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，早在兩千年前就開始出現(xiàn)了自動(dòng)木人和一些簡(jiǎn)單的機(jī)械偶人。 到了近代 ，機(jī)器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問世之后，不同功能的機(jī)器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到 農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進(jìn)入尋常百姓家。機(jī)器人的種類之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。 工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)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(jī)器的進(jìn)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(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。 1.2世界機(jī)器人的發(fā)展 國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)： （1）. 工業(yè)機(jī)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(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10．3萬美元降至97年的6．5萬美元。 （2）．機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。 （3）．工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 （4）．機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 （5）．虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。 （6）．當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。 (7)．機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國(guó)開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。 1.3 我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 有人認(rèn)為，應(yīng)用機(jī)器人只是為了節(jié)省勞動(dòng)力，而我國(guó)勞動(dòng)力資源豐富，發(fā)展機(jī)器人不一定符合我國(guó)國(guó)情。這是一種誤解。在我國(guó)，社會(huì)主義制度的優(yōu)越性決定了機(jī)器人能夠充分發(fā)揮其長(zhǎng)處。它不僅能為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且將為我國(guó)的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國(guó)家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如：可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)已安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)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(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000米水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。 1.4 我需要設(shè)計(jì)的機(jī)械手， 1.4.1 臂力確定 國(guó)內(nèi)目前使用的機(jī)械手的臂力范圍較大，現(xiàn)有的機(jī)械手的臂力最小為0.15N，最大為8000N。本機(jī)械手的臂力為N臂 =1650（N），安全系數(shù)k般可在1.5~3，本機(jī)械手取安全系數(shù)k=2。定位精度為±1mm。 1.4.2 工作范圍確定 本機(jī)械手的工作范圍需要根據(jù)工藝要求和操作運(yùn)動(dòng)的軌跡去確定。一個(gè)操作運(yùn)動(dòng)的軌跡是由幾個(gè)動(dòng)作的合成，在確定工作范圍時(shí)，可將軌跡分解成若干個(gè)單個(gè)的動(dòng)作，由單個(gè)動(dòng)作的行程來確定機(jī)械手最大行程。此機(jī)械手動(dòng)作范圍確定如下： 手腕回轉(zhuǎn)角度=±115°； 手臂伸長(zhǎng)量=150mm； 手臂回轉(zhuǎn)角度=±115°； 手臂升降行程=170mm； 手臂水平運(yùn)動(dòng)行程=100mm； 1.4.3 確定各運(yùn)動(dòng)速度 機(jī)械手的各動(dòng)作的最大行程確定以后，可以根據(jù)生產(chǎn)需要分配每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，進(jìn)而來確定各動(dòng)作運(yùn)動(dòng)速度。機(jī)械手要完成整個(gè)過程，需完成夾緊工件，手臂升降，伸縮，回轉(zhuǎn)，平移等一系列動(dòng)作，這些動(dòng)作都應(yīng)該在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成。具體時(shí)間分配取決于很多因素，根據(jù)對(duì)各種因素反復(fù)考慮，對(duì)分配的方案進(jìn)行反復(fù)比較才能確定。 機(jī)械手的總動(dòng)作的時(shí)間應(yīng)小于或等于工作拍節(jié)，如果需要兩個(gè)動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行，要按時(shí)間長(zhǎng)的去計(jì)算，分配各動(dòng)作的時(shí)間應(yīng)考慮以下要求： ① 給定運(yùn)動(dòng)的時(shí)間應(yīng)大于電氣或液壓元件的執(zhí)行時(shí)間； ② 伸縮運(yùn)動(dòng)，速度要大于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)速度，因?yàn)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的慣性一般會(huì)大于伸縮運(yùn)動(dòng)的慣性。在滿足于工作拍節(jié)要求的條件下，應(yīng)該盡量去選取較底的運(yùn)動(dòng)速度。機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的速度與臂力，行程，驅(qū)動(dòng)方式，緩沖方式，定位方式之間都有很大關(guān)系，應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析。 ③ 在工作拍節(jié)短的、動(dòng)作多的情況下，常需要幾個(gè)動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行。因此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要采取相應(yīng)措施，以此來保證動(dòng)作同步。 機(jī)械手的各運(yùn)動(dòng)速度如下： 手腕的回轉(zhuǎn)速度 v腕回 = 40°/s； 手臂的伸縮速度 v臂伸 = 50 mm/s； 手臂的回轉(zhuǎn)速度 v臂回 = 40°/s； 手臂的升降速度 v臂升 = 50 mm/s； 立柱的水平運(yùn)動(dòng)速度 v柱移 = 50 mm/s； 手指夾緊油缸運(yùn)動(dòng)速度 v夾 = 50 mm/s； 1.4.4 手臂配置形式 機(jī)械手的手臂的配置形式基本上能反映它的總體布局。運(yùn)動(dòng)要求，操作環(huán)境。工作對(duì)象的不同，手臂的配置形式也大不相同。本機(jī)械手采用的是機(jī)座式。機(jī)座式得結(jié)構(gòu)多被工業(yè)機(jī)器人采用，機(jī)座上可裝上獨(dú)立的控制設(shè)備，便于搬運(yùn)和安放，機(jī)座底部也可以安裝行走設(shè)備，用已擴(kuò)大機(jī)械的活動(dòng)范圍，分為1.手臂配置在機(jī)座頂部,，2.手臂配置在機(jī)座立柱上兩種形式，本機(jī)械手主要采用手臂配置在機(jī)座的立柱上的形式。手臂配置在機(jī)座立柱上的機(jī)械手大多為圓柱坐標(biāo)型，它有升降、伸縮與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工作范圍比較大。 1.4.5 位置的檢測(cè)裝置的選擇 機(jī)械手常用位置檢測(cè)方式主要有三種：1.行程開關(guān)式、2.模擬式,3.數(shù)字式。本機(jī)械手主要采用行程開關(guān)式。利用行程開去關(guān)檢測(cè)位置，精度較低，一般需要與機(jī)械擋塊聯(lián)合應(yīng)用。在機(jī)械手中，采用行程開關(guān)與機(jī)械擋塊檢測(cè)定位不但精度高而且簡(jiǎn)單實(shí)用可靠，故也是應(yīng)用最多的。 1.4.6 驅(qū)動(dòng)與控制方式選擇 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)與控制方式是根據(jù)它們的特點(diǎn)，結(jié)合生產(chǎn)工藝要求來選擇的，需要要盡量去選擇控制性能好、體積小、維修方便、成本底的方式。 控制系統(tǒng)也有許多不同的類型。除了一些專用機(jī)械手以外，大多數(shù)的機(jī)械手均需要進(jìn)行專門控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 驅(qū)動(dòng)的方式一般有四種：氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。 參考《工業(yè)機(jī)器人》表9-6和表9-7，按照設(shè)計(jì)要求，本機(jī)械手采用的驅(qū)動(dòng)方式為液壓驅(qū)動(dòng)，控制方式為固定程序的PLC控制。 2 手部的結(jié)構(gòu) 2.1概述 手部是機(jī)械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進(jìn)行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機(jī)械手手臂的前端。機(jī)械手結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場(chǎng)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(shè)計(jì)各種類型的手部結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)由手指和傳力機(jī)構(gòu)組成。其傳力機(jī)構(gòu)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問題 ①應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力） 在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。 ②手指間應(yīng)有一定的開閉角 兩個(gè)手指張開與閉合的兩個(gè)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(jìn)入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。 ③應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)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(dòng)定心。 ④應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕。 ⑤應(yīng)考慮被抓取對(duì)象的要求 應(yīng)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(shè)計(jì)和確定手指的形狀。 2.3 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)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 如圖所示為滑槽式的手部結(jié)構(gòu)。在3拉桿作用下2銷軸向上的拉力為P，并通過銷軸的中心O點(diǎn)，兩手指1滑槽對(duì)銷軸反作用力為P1、P2，力的方向是垂直于滑槽中心線OO1和OO2并且指向O點(diǎn)，P1和P2延長(zhǎng)線交O1O2于A及B，因?yàn)椤鱋1OA和△O2OA均為直角三角形，所以∠AOC=∠BOC=α。根據(jù)銷軸力平衡的條件，即 ∑Fx=0, P1=P2; ∑Fy=0 P=2P1cosα； P1=P/2cosα； 銷軸對(duì)手指的用力為p1′。手指握緊工件時(shí)所需力稱為握力（即夾緊力），假設(shè)握力作用在手指與工件接觸面的對(duì)稱平面內(nèi)，并設(shè)兩力大小相等，方向相反，用N表示。通過手指的力矩平衡條件，即 ∑m01(F)=0得； P1′h=Nb； 又因 h=a/cosα ； 所以 P=2b(cosα)N/a； 式中 a——手指回轉(zhuǎn)的支點(diǎn)到對(duì)稱中心線的距離（mm）。 α——工件被夾緊時(shí)手指滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)的支點(diǎn)連線間的夾角。 由上式可得，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力P一定時(shí)，α角增大時(shí)則握力N也隨之增加，但α角過大則會(huì)導(dǎo)致拉桿的行程過大，及手指滑槽尺寸長(zhǎng)度增大，使其結(jié)構(gòu)增大，所以，一般取α=30°~40°。在這里取角α=30。 這種手部的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，且具有動(dòng)作靈活，手指餓開閉角大等特點(diǎn)。查《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》中表2-1可知，V形手指在夾緊圓棒料時(shí)，握力的計(jì)算公式N=0.5G，綜合前面的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算方法，可以求出驅(qū)動(dòng)力的大小?？紤]工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力、振動(dòng)及傳力機(jī)構(gòu)的效率的影響，實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力P應(yīng)按以下公式計(jì)算，即： P實(shí)際=PK1K2/η； 式中 η——手部機(jī)械效率，一般取0.85~0.95； K1——安全系數(shù)，一般取1.2~2； K2——工作情況的系數(shù)，主要考慮慣性力影響，K2可以近似的按下式去估計(jì)，K2=1+a/g，其中a為被抓取工件在運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大加速度，g為重力加速度。 此次設(shè)計(jì)的機(jī)械手的工件只需要做水平和垂直平移，當(dāng)它移動(dòng)速度為500毫米/秒時(shí)，移動(dòng)的加速度為1000毫米/秒，工件的重量G為98牛頓，V型鉗口夾角為120°,α=30°時(shí)，拉緊油缸驅(qū)動(dòng)力P和P實(shí)際計(jì)算如下： 根據(jù)鉗爪夾的持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置工件的當(dāng)量夾緊力計(jì)算公式 N=0.5G； 把已知的條件代入公式得當(dāng)量夾緊力為 N=49（N）； 由滑槽杠桿式的結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式 P=2b(cosα)N/a 得； P=P計(jì)算=2*45/27(cos30°)*49=122.5(N)； P實(shí)際=P計(jì)算K1K2/η； 取η=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/9810≈1.1； 則 P實(shí)際=122.5*1.5*1.1/0.85=238(N)； 3 腕部結(jié)構(gòu) 3.1 概述 腕部是連接手部與臂部的構(gòu)件，主要起支承手部的作用。設(shè)計(jì)腕部的時(shí)候要注意以下幾點(diǎn)： ① 結(jié)構(gòu)要緊湊，重量要盡量輕。 ② 轉(zhuǎn)動(dòng)需靈活，密封性要好。 ③ 注意解決好腕部與手部、臂部的連接，及各個(gè)自由度的位置檢測(cè)、管線的布置，潤(rùn)滑、維修，調(diào)整等各方面的問題 ④ 要適應(yīng)工作環(huán)境需要。 另外，通往手腕油缸的管道應(yīng)盡量從手臂的內(nèi)部通過，方便便手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候管路不扭轉(zhuǎn)和不外露，防止管路損壞。 3.2 腕部結(jié)構(gòu)形式 本機(jī)械手時(shí)采用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，但密封性較差，回轉(zhuǎn)角度為±115°； 如下圖所示為腕部結(jié)構(gòu)，定片與后蓋，回轉(zhuǎn)缸體和前蓋，均用螺釘和銷子進(jìn)行連接和定位，動(dòng)片與手部的夾緊油缸的缸體用鍵連接。夾緊缸體固連成一體。當(dāng)回轉(zhuǎn)油缸兩腔分別通入壓力時(shí)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)片連同夾緊油缸的缸體和指座一同轉(zhuǎn)動(dòng)，為手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 圖3 機(jī)械手的腕部結(jié)構(gòu) 3.3手腕的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處摩擦阻力矩，定片、動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等密封裝置的摩擦阻力矩及由轉(zhuǎn)動(dòng)的重心與軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需要驅(qū)動(dòng)力矩可以按下式計(jì)算： M驅(qū)=M慣+M偏+M摩 （N.m）； 式中 M驅(qū)——驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩； M慣——慣性力矩 （N.m）； M偏——參與轉(zhuǎn)動(dòng)零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸體的動(dòng)片）對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線產(chǎn)生的偏重力矩 （N.m）； M摩——手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處摩擦力矩 （N.m） ； ⑴ 摩擦的阻力矩M摩 M摩 =（N1D1+N2D2） （N.m）； 式中 f——軸承的摩擦系數(shù)，滾動(dòng)軸承取f=0.02，滑動(dòng)軸承取f=0.1； N1 、N2 ——軸承的支承反力 （N）； D1 、D2 ——軸承的直徑（m） 由設(shè)計(jì)得D1=0.035m， D2=0.054m， N1=800N， N2=200N， G1=98N ， e=0.020時(shí) M摩 =0.1*（200*0.035+800*0.054）/2； 得 M摩 =2.51（N.m）； ⑵ 工件的重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏； M偏 =G1 e （N.m）； 式中 G1——工件的重量（N）； e——偏心距（即工件重心到碗回轉(zhuǎn)中心線垂直距離），當(dāng)工件重心與手腕回轉(zhuǎn)的中心線重合時(shí)，M偏為0 當(dāng)e=0.0200，G1=98N時(shí)； M偏 =1.96 （N·m）； ⑶ 腕部啟動(dòng)時(shí)慣性阻力矩M慣 ① 當(dāng)知道手腕回轉(zhuǎn)角的速度時(shí)，可按下式計(jì)算M慣； M慣 =（J+J工件） （N·m）； 式中 ——手腕回轉(zhuǎn)角的速度 （1/s） T——手腕啟動(dòng)餓過程中所用時(shí)間（s）， J——手腕回轉(zhuǎn)部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m）； J工件——工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （kg·m） ； 按已知計(jì)算可得J=2.4 J工件 =6.24 =0.25m/ m t=2 故 M慣 = 1.4（N·m） ； ② 當(dāng)知道啟動(dòng)的過程所轉(zhuǎn)過角度時(shí)，也可用下面公式計(jì)算M慣： M慣=（J+J工件） （N·m） ； 式中 ——啟動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度（rad）； ——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s）； 考慮到驅(qū)動(dòng)缸密封摩擦的損失等因素，一般需要將M取大一些，可取 M =1.1∽1.2 （M慣+M偏+M摩 ） （N.m） ； M = 1.2*（2.5+1.96+1.3） =6.9 （N.m）； 4 臂部結(jié)構(gòu) 4.1 概述 臂部是機(jī)械手主要的執(zhí)行部件，它的作用是支承手部和腕部，并且將被抓取的工件傳送到指定的位置和方位上，一般機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右的回轉(zhuǎn)和升降的運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降的運(yùn)動(dòng)是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，立柱橫向移動(dòng)為手臂的橫向移動(dòng)。手臂各種運(yùn)動(dòng)通常由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，所以，它不僅僅承受被抓取的工件的重量，而且承受手部，手腕，和手臂自身的重量。手臂結(jié)構(gòu)、工作的范圍、靈活性及臂力和定位精度等都會(huì)直接影響到機(jī)械手的工作性能，所以，必須要根據(jù)機(jī)械手抓取重量、自由度數(shù)、運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)速度及其定位精度的要求來設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)型式。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮到手臂受力情況、油缸及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕連接形式等個(gè)方面因素。因此一般要注意下述要求： ① 剛度要大 ， 為了防止臂部在運(yùn)動(dòng)的過程中產(chǎn)生過大變形，手臂的截面的形狀選擇要合理。弓字形截面彎曲剛度一般比圓截面要大，空心管的彎曲剛度和扭曲剛度都比實(shí)心軸大。所以常用鋼管作臂桿以及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼來作支承板。 ② 導(dǎo)向性能要好 為了防止手臂在直線移動(dòng)的過程中，沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或著設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式臂桿。 ③ 偏重力矩要小 所謂偏重力矩就是指臂部重量對(duì)其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的靜力矩。為了提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，需要盡量減少臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，以此來減少偏重力矩和整個(gè)手臂對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 ④ 運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)，定位精度要高 應(yīng)為臂部運(yùn)動(dòng)速度越高、重量越大，慣性力引起的定位前的沖擊越大，運(yùn)動(dòng)即不平穩(wěn)，定位精度也不會(huì)太高。所以應(yīng)盡量減少小臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時(shí)需要采取一定的緩沖措施。 4.2手臂直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 機(jī)械手手臂的伸縮、升降及橫向移動(dòng)都屬于直線運(yùn)動(dòng)，而實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)形式比較多，常用的主要有活塞油（氣）缸、活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)、絲桿螺母機(jī)構(gòu)以及活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)。 4.2.1手臂的伸縮運(yùn)動(dòng) 這里實(shí)現(xiàn)直線的往復(fù)運(yùn)動(dòng)是采用液壓驅(qū)的活塞油缸。由于活塞油缸體積小、重量較輕，因而在機(jī)械手手臂的機(jī)構(gòu)中應(yīng)用的比較多。本機(jī)械手采用雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)。如圖5手臂和手腕是通過連接板安裝在升降油缸上端，當(dāng)雙作用油缸兩腔分別通入壓力油時(shí)，則推動(dòng)活塞桿（即手臂）作往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)向桿在導(dǎo)向套內(nèi)部移動(dòng)，防止手臂伸縮時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)（并兼做手腕回轉(zhuǎn)缸及手部夾緊油缸的輸油管道）。由手臂的伸縮油缸安裝在兩導(dǎo)向桿之間，導(dǎo)向桿承受彎曲的作用，活塞桿受拉壓作用，所以受力簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)，外形美觀，結(jié)構(gòu)緊湊?？捎糜谧ブ亓看?、行程長(zhǎng)的場(chǎng)合。 圖5 雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu) 4.2..2手臂的升降運(yùn)動(dòng) 如圖6所示為手臂升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)升降缸的上下兩腔通壓力油時(shí)，活塞杠4做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，缸體2固定在旋轉(zhuǎn)軸上。由活塞桿帶動(dòng)套筒3做升降的運(yùn)動(dòng)。其導(dǎo)向的作用靠立柱的平鍵8實(shí)現(xiàn)。圖中6為位置檢測(cè)裝置。 圖6手臂升降和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圖 4.3 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 實(shí)現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)等。本機(jī)械手采用齒條缸式臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如圖6所示，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由齒條活塞桿8驅(qū)動(dòng)齒輪，帶動(dòng)配油軸和缸體一起轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過缸體帶動(dòng)外套一起轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)。 4.4 手臂的橫向移動(dòng) 如圖7所示為手臂橫向移動(dòng)的機(jī)構(gòu)。手臂橫向移動(dòng)是由活塞缸5來驅(qū)動(dòng)，回轉(zhuǎn)缸體與滑臺(tái)1是用螺釘聯(lián)結(jié)，活塞桿4通過兩塊連接板3用螺釘使其固定在滑座2上。當(dāng)活塞缸5通壓力油，缸體就帶動(dòng)滑臺(tái)1，沿著燕尾形滑座2做橫向往復(fù)的運(yùn)動(dòng)。 1滑臺(tái) 2滑座 3連接板 4活塞桿 5活塞缸 圖8 手臂橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu) 4.5 臂部的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 計(jì)算臂部的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力（包括力矩）時(shí)，要把臂部所受到的全部負(fù)荷考慮進(jìn)去。機(jī)械手在工作時(shí)，臂部所受的負(fù)荷有慣性力、摩擦力和重力等。 4.5.1 臂水平伸縮運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 手臂做水平的伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先需要克服摩擦阻力，主要包括油缸與活塞之間的摩擦阻力及導(dǎo)向桿與支承滑套之間的摩擦阻力，還需要克服啟動(dòng)過程中產(chǎn)生的慣性力。其驅(qū)動(dòng)力Pq可以按照下式計(jì)算： Pq = Fm + Fg (N)； 式中 Fm——各支承處的摩擦阻力 Fg——啟動(dòng)過程中的慣性力，其大小可按下式估算 Fg = a (N) ； 式中 W ——手臂伸縮部件的總重量 （N） g ——重力加速度（9.8m/s） a ——啟動(dòng)過程中的平均加速度（m/s）； 而 a = (m/s)； △v ——速度的變化量。如果手臂從靜止?fàn)顟B(tài)加速到工作的速度V，則這個(gè)過程的速度變化量就等于手臂的工作速度； △t ——啟動(dòng)過程中所用時(shí)間，一般為0.01∽0.5s； 當(dāng)Fm=80N,W=1098（N） △V = 500mm/s時(shí)， Pq = 80+* =80+112=192 (N)； 4.5.2 臂垂直升降的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 手臂在作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，除了要克服摩擦阻力Fm和慣性力Fg以外，還要克服臂部運(yùn)動(dòng)部件重力，其驅(qū)動(dòng)力Pq可按下式計(jì)算： Pq = Fm + Fg ± W (N)； 式中 Fm——各支承處摩擦力（N）； Fg——啟動(dòng)時(shí)慣性力（N）可按臂伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)情況計(jì)算； W——臂部運(yùn)動(dòng)部件總重量（N）； ±——上升時(shí)為正，下降時(shí)為負(fù)。 當(dāng)Fm=40N， Fg=100N， W =1098N時(shí) Pq=40+100+1098=1238（N） 4.5.3 臂部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 臂部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)該根據(jù)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處摩擦力矩來計(jì)算。因?yàn)閱?dòng)過程一般不是等加速度運(yùn)動(dòng)，故最實(shí)際大驅(qū)動(dòng)力矩要比理論平均值大一些，取平均值的1.3倍。故驅(qū)動(dòng)力矩Mq可以下式計(jì)算： Mq = 1.3(Mm + Mg ) (N·m) ； 式中 Mm——各支承處總摩擦力矩； Mg——啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩，一般按下式計(jì)算： Mg = J (N·m) ； 式中 J——手臂的部件對(duì)其回轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m）; ——回轉(zhuǎn)手臂工作角速度（rad/s）; △t——回轉(zhuǎn)臂的啟動(dòng)時(shí)間（s） 當(dāng)Mm=84(N·m)，Mg=8=32(N·m)； Mq = 1.3*116=150.8(N·m)； 對(duì)活塞、導(dǎo)向套筒和油缸等的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都需要做詳細(xì)計(jì)算，因?yàn)檫@些零件的重量較大或著回轉(zhuǎn)半徑較大，對(duì)總計(jì)算結(jié)果的影響也較大，對(duì)于小零件則作為質(zhì)點(diǎn)計(jì)算其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以忽略不計(jì)。對(duì)于形狀復(fù)雜零件，可劃分為幾個(gè)簡(jiǎn)單零件進(jìn)行分別計(jì)算，其中有的部分可以當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)計(jì)算。可參考《工業(yè)機(jī)器人》表4-1。 5 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.1液壓系統(tǒng)的簡(jiǎn)介 機(jī)械手液壓傳動(dòng)是以有壓力油液作為傳遞動(dòng)力的工作介質(zhì)。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵的輸出壓力油，是將電動(dòng)機(jī)供給機(jī)械能轉(zhuǎn)換成油液壓力能。壓力油經(jīng)過管道及一些控制調(diào)節(jié)的裝置等進(jìn)入油缸，推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)，使手臂作伸縮、升降的運(yùn)動(dòng)，油液的壓力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。手臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)所能克服摩擦阻力的大小，及手部夾緊工件時(shí)所需要保持的握力大小，均與油液的壓力和活塞的有效工作面積有關(guān)。手臂做各種運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)速度取決于流入密封油缸中的油液容積的多少。這種借助于運(yùn)動(dòng)的壓力油的容積變化來傳遞動(dòng)力的液壓傳動(dòng)稱為容積式液壓傳動(dòng)，機(jī)械手的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)都屬于容積式液壓傳動(dòng)。 5.2液壓系統(tǒng)的組成 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成： ① 油泵 它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能，用這壓力油驅(qū)動(dòng)整個(gè)液壓系統(tǒng)工作。 ② 液動(dòng)機(jī) 壓力油驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件對(duì)外工作部分。手臂做直線運(yùn)動(dòng)，液動(dòng)機(jī)就是手臂伸縮油缸。也有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液動(dòng)機(jī)一般叫作油馬達(dá)，回轉(zhuǎn)角小于360°的液動(dòng)機(jī)，一般叫作回轉(zhuǎn)油缸（或稱擺動(dòng)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(jī)械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所要求的運(yùn)動(dòng)。 5.3機(jī)械手液壓系統(tǒng)的控制回路 機(jī)械手的液壓系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)械手自由度的多少，液壓系統(tǒng)可繁可簡(jiǎn)，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(yùn)動(dòng)的換向、工作速度的調(diào)節(jié)以及同步運(yùn)動(dòng)等。 5.3.1 壓力控制回路 ① 調(diào)壓回路 在采用定量泵液壓系統(tǒng)中，為控制系統(tǒng)最大工作壓力，一般在油泵的出口附近設(shè)置溢流閥，用它來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力，并將多余油液溢流回油箱。 ② 卸荷回路 在機(jī)械手的各油缸不工作時(shí)，油泵電機(jī)還沒停止工作的情況下，為減少油泵功率餓損耗，節(jié)省動(dòng)力，降低系統(tǒng)發(fā)熱，并使油泵在低負(fù)荷下工作，所以需要采用卸荷回路。此機(jī)械手主要采用二位二通電磁閥控制溢流閥的卸荷回路。 ③ 減壓回路 為了使機(jī)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)上一個(gè)減壓閥，以獲得比系統(tǒng)壓力更低壓力。 ④ 平衡與鎖緊回路 在機(jī)械液壓的系統(tǒng)中，為了防止垂直機(jī)構(gòu)因自重而任意下降，可采用平衡回路將垂直機(jī)構(gòu)的自重給以平衡。 為了使機(jī)械手手臂在移動(dòng)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(guān)閉，使活塞停止運(yùn)動(dòng)并鎖緊。本機(jī)械手采用單向順序閥做平衡閥實(shí)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(hù)油泵。液壓系統(tǒng)工作時(shí)，油泵向系統(tǒng)供應(yīng)高壓油液，以驅(qū)動(dòng)油缸運(yùn)動(dòng)而做功。當(dāng)一旦電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，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(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)果產(chǎn)生噪音，加速油泵的磨損。在油泵出油口處加設(shè)單向閥后，隔斷系統(tǒng)中高壓油液和油泵時(shí)間的聯(lián)系，從而起到保護(hù)油缸的作用。第二是防止空氣混入系統(tǒng)。在停機(jī)時(shí)，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(dòng)時(shí)的平穩(wěn)性。 5.3.2 速度控制回路 液壓機(jī)械手各種運(yùn)動(dòng)的速度的控制，主要是通過改變進(jìn)入油缸的流量Q?？刂品椒ㄓ袃深悾阂活悾捎枚勘?，利用調(diào)節(jié)節(jié)流閥通流截面來改變進(jìn)入油缸或油的馬達(dá)的流量；另一類，采用變量泵，改變油泵供油量。本機(jī)械手采用的使定量油泵節(jié)流調(diào)速回路。 根據(jù)各油泵運(yùn)動(dòng)速度要求，分別采用LI型單向節(jié)流閥、LCI型單向節(jié)流閥或著QI型單向調(diào)速閥等進(jìn)行調(diào)節(jié)。 節(jié)流調(diào)速閥的優(yōu)點(diǎn)是：簡(jiǎn)單可靠、調(diào)速范圍較大、價(jià)格便宜。其缺點(diǎn)是：有壓力和流量損耗，在低速負(fù)荷傳動(dòng)時(shí)效率低，發(fā)熱大。 采用節(jié)流閥進(jìn)行節(jié)流調(diào)速時(shí)，負(fù)荷變化會(huì)引起油缸速度變化，其原因是負(fù)荷變化會(huì)引起節(jié)流閥進(jìn)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(fù)荷的變化而自動(dòng)餓調(diào)整和穩(wěn)定所通過的流量，使油缸運(yùn)動(dòng)速度不受負(fù)荷變化的影響，對(duì)速度平穩(wěn)性要求較高的場(chǎng)合，宜用調(diào)速閥實(shí)現(xiàn)節(jié)流來調(diào)速。 5.3.3 方向控制回路 在機(jī)械手液壓的系統(tǒng)中，為控制各油缸、馬達(dá)運(yùn)動(dòng)方向和接通或關(guān)閉油路，常采用二位二通、二位三通、二位四通電磁閥和液動(dòng)滑閥，由電控系統(tǒng)發(fā)出的電信號(hào)，控制電磁鐵操縱閥芯的換向，使油缸及油馬達(dá)的油路換向，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)和正反向轉(zhuǎn)動(dòng)。 目前在液壓系統(tǒng)中使用的電磁閥，按電源不同，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），直流電磁閥使用電壓一般為24V（或110V）本機(jī)械手采用交流電磁閥。交流電磁閥起動(dòng)性能較好，換向時(shí)間短，接線簡(jiǎn)單，并且價(jià)廉，但是當(dāng)吸不上時(shí)容易燒壞，可靠性差，換向時(shí)有沖擊，允許換向頻率底，壽命較短。 5.4 機(jī)械手液壓傳動(dòng)系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)圖繪制是設(shè)計(jì)液壓機(jī)械手的主要內(nèi)容之一。液壓系統(tǒng)圖是各種液壓元件為滿足機(jī)械手動(dòng)作要求的有機(jī)聯(lián)系圖。它通常由一些典型壓力控制、流量控制、方向控制回路加上一些專用的回路所組成。 繪制液壓系統(tǒng)圖的一般順序是：1.確定油缸和油泵，2.布置中間的控制調(diào)節(jié)回路和相應(yīng)的元件，以及其他的輔助裝置，從而組成整個(gè)液壓的系統(tǒng)，并用液壓系統(tǒng)圖形符號(hào)，畫出液壓的原理圖。 5.4.1機(jī)械手的動(dòng)作順序 本液壓傳動(dòng)機(jī)械手主要是從一個(gè)地方拿到工件后，橫移一定的距離后把工件給進(jìn)機(jī)床進(jìn)行加工。它的動(dòng)作順序是：待刀（即起始位置） → 插定位銷 → 手臂前伸 → 手指張開 → 手指夾刀→ 手臂上升 → 手臂縮回 → 立柱橫移 → 手腕回轉(zhuǎn)115° → 拔定位銷 → 手臂回轉(zhuǎn)115° → 插定位銷 → 手臂前伸 → 手臂中停 （此時(shí)機(jī)床刀頭下降，大泵卸荷） → 手指松開（此時(shí)機(jī)床上升） → 手指閉合 → 手臂縮回 → 手臂下降 → 手腕反轉(zhuǎn) （手腕復(fù)位）→ 拔定位銷 → 手臂反轉(zhuǎn)（上料機(jī)械手復(fù)位） → 立柱回移（回到起始位置） → 待刀（一個(gè)循環(huán)結(jié)束）卸荷。 上述動(dòng)作均由電控系統(tǒng)發(fā)信控制相應(yīng)電磁換向閥，按程序依次動(dòng)作而實(shí)現(xiàn)的。該電控系統(tǒng)的步進(jìn)控制環(huán)節(jié)是采用步進(jìn)選線器，其步進(jìn)得動(dòng)作是在每一步動(dòng)作完成之后，使行程開觸點(diǎn)閉合或依據(jù)每一步動(dòng)作的預(yù)設(shè)停留時(shí)間，使時(shí)間繼電器發(fā)信，使步進(jìn)器順序“跳步”控制電磁閥電磁鐵線圈的通斷電，使電磁鐵按程序動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的自動(dòng)控制。 5.4.2 自動(dòng)上料機(jī)械手液壓系統(tǒng)的原理介紹 圖9 機(jī)械手液壓系統(tǒng)圖 液壓系統(tǒng)原理如圖9所示。該系統(tǒng)選用功率N =7.5千瓦電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)雙聯(lián)葉片泵YB-35/18 ，其公稱壓力為60*10帕，流量35升/分+18升/分=53升/分，系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)為30*10帕，油箱的容積選250升。手臂的升降油缸及伸縮油缸工作時(shí)兩個(gè)油泵同時(shí)供油；手臂及手腕的回轉(zhuǎn)和手指夾緊用的拉緊油缸以及手臂回轉(zhuǎn)的定位油缸工作時(shí)只有小油泵供油，大泵自動(dòng)卸荷。 手臂伸縮、手臂升降、手臂回轉(zhuǎn)、手臂橫向移動(dòng)和手腕回轉(zhuǎn)油路采用單向調(diào)速閥（QI-63B、QI-25B、QI-10B）回程節(jié)流，因而速度可調(diào)，工作平穩(wěn)。 手臂升降油缸支路設(shè)置有單向順序閥（XI-63B），可以調(diào)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?jǐn)嗦贰９ぷ鲿r(shí)油泵輸出的壓力油進(jìn)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(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞要上升時(shí)，壓力油液經(jīng)單向閥進(jìn)入升降油缸下腔而不會(huì)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(shí)不受系統(tǒng)壓力波動(dòng)的影響，保證保證手指夾持工件牢靠。當(dāng)反向進(jìn)油時(shí)，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。 在手臂回轉(zhuǎn)后的定位所用的定位油缸支路要比系統(tǒng)壓力低，為此在定位油缸支路前串有減壓閥（J-10），使定位油缸獲得適應(yīng)壓力為15—18*10帕 ，同時(shí)還給電液動(dòng)滑閥（或稱電液換向閥，34DY-63B）來實(shí)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(diào)節(jié)。 此系統(tǒng)四個(gè)主壓力油路的壓力測(cè)量，是通過轉(zhuǎn)換壓力表開關(guān)（K-3B）的位置來實(shí)現(xiàn)的，被測(cè)量的四個(gè)主油路的壓力值，分別從壓力表（Y-60）上表示出來。 下面以機(jī)械手的一個(gè)典型動(dòng)作程序?yàn)槔?，結(jié)合圖8來說明其動(dòng)作循環(huán)。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)雙聯(lián)葉片泵3和8回轉(zhuǎn)，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(jī)械手還未啟動(dòng)，則油液通過二位二通電磁閥5和10（電磁鐵11DT和12DT通電）進(jìn)行卸荷。 當(dāng)熱棒料到達(dá)上料的位置后，或經(jīng)過人工啟動(dòng)，經(jīng)過步進(jìn)選線器跳步，使機(jī)械手開始按程序動(dòng)作。此時(shí)卸荷停止（二位二通電磁閥5和10的電磁鐵斷電），電磁鐵8DT通電，壓力油進(jìn)到定位油缸的無桿腔進(jìn)行定位動(dòng)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(hào)，經(jīng)過步進(jìn)選線器跳步使電磁鐵1DT通電，電液換向閥25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(jìn)入手臂伸縮油缸的右腔，使活塞桿帶動(dòng)導(dǎo)向桿作前伸運(yùn)動(dòng)（因活塞缸固定），手臂前伸到適當(dāng)位置，裝在手臂上的碰鐵碰行程開關(guān)發(fā)出電信號(hào)，經(jīng)步進(jìn)選線器和時(shí)間繼電器延時(shí)，使電磁鐵3DT通電，手指張開；手臂滑行，手指移到待上料的中心位置。在延時(shí)結(jié)束時(shí)，3DT斷電，手指夾緊料；并同時(shí)發(fā)信、跳步，使電磁鐵4DT通電，壓力油從工作油路39經(jīng)電液換向閥33右邊通道、單向調(diào)速閥34的單向閥及單向順序閥35的單向閥進(jìn)入手臂升降油缸的下腔，推動(dòng)手臂上升。在手臂上升到預(yù)定位置，碰行程開關(guān)，使電磁鐵4DT斷電，電液換向閥33復(fù)位成“O”型滑閥機(jī)能狀態(tài)，發(fā)出電信號(hào)經(jīng)步進(jìn)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(diào)速閥26的單向閥進(jìn)入受臂伸縮油缸左腔使受臂縮回。同時(shí)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(dòng)手臂橫向移動(dòng)。當(dāng)橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)上的碰鐵碰到行程開關(guān)，使13DT斷電，并發(fā)出電信號(hào)經(jīng)步進(jìn)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(diào)速閥19的單向閥進(jìn)入手腕回轉(zhuǎn)油缸一腔，使手腕回轉(zhuǎn)115°，手腕上的碰鐵碰行程開關(guān)使6DT斷電，換向閥18復(fù)位成“O”型滑閥機(jī)能狀態(tài)，同時(shí)亦使8DT斷電，定位油缸復(fù)位（拔銷）；壓力繼電器復(fù)位，發(fā)出電信號(hào)。經(jīng)步進(jìn)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(jìn)入手臂回轉(zhuǎn)油缸一腔使手臂回轉(zhuǎn)115°。當(dāng)手臂的回轉(zhuǎn)碰鐵碰行程開關(guān)使9 DT斷電，換向閥28復(fù)位成“O”型滑閥機(jī)能狀態(tài)；并發(fā)出電信號(hào)。步進(jìn)選線器跳步，使8DT通電，定位油缸17動(dòng)作，插定位銷，壓力繼電器40發(fā)出電信號(hào)經(jīng)發(fā)出電信號(hào)。經(jīng)步進(jìn)選線器跳步，使電磁鐵1DT通電，手臂前伸；當(dāng)手臂將棒料送到立式精鍛機(jī)的夾頭軸線前的適當(dāng)距離，手臂的碰鐵碰行程開關(guān)，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(hào)、跳步使12DT通電，大泵卸荷，手臂處于“中?！蔽恢茫瑫r(shí)發(fā)出電信號(hào)使立式精鍛機(jī)啟動(dòng)，夾頭下降，行程開關(guān)發(fā)信，通過時(shí)間繼電器使夾頭閉合將棒料夾牢，機(jī)電控制系統(tǒng)發(fā)信，給機(jī)械手電控系統(tǒng)，經(jīng)過選線器跳步，時(shí)間繼電器延時(shí)使3DT通電，機(jī)械手手指松開（同時(shí)，精鍛機(jī)的電控系統(tǒng)發(fā)信使夾頭提升），延時(shí)到3DT斷電，手指閉合，并發(fā)出電信號(hào)，步選器跳步，2DT通電，手臂縮回。當(dāng)手筆碰鐵碰到行程開關(guān)時(shí)，2DT斷電（手臂縮回停）；并發(fā)出電信號(hào)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(jìn)到升降缸的上腔，使手臂下降，當(dāng)升降導(dǎo)套上的碰鐵碰行程開關(guān)時(shí)，5DT斷電（手臂下降停）；并發(fā)出電信號(hào)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(jìn)入手腕回轉(zhuǎn)油缸的另一腔，使手腕反轉(zhuǎn)115°；手腕上的碰鐵碰行程開關(guān)，使7DT斷電并發(fā)出電信號(hào)、跳步，使8DT斷電（拔定位銷），壓力繼電器復(fù)位發(fā)出電信號(hào)、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(jìn)入手臂回轉(zhuǎn)油缸的另一腔，使手臂反轉(zhuǎn)115°（機(jī)械手復(fù)位）。當(dāng)手臂上的回轉(zhuǎn)碰鐵碰行程開關(guān)時(shí)，10DT斷電，并發(fā)出信號(hào)，跳步，使14DT通電，立柱回移（回到原位，機(jī)械手回到原來位置）；步進(jìn)選線器跳步，使11DT和12DT通電（兩個(gè)油泵同時(shí)卸荷），機(jī)械手的動(dòng)作循環(huán)結(jié)束。 5.5機(jī)械手液壓系統(tǒng)的簡(jiǎn)單計(jì)算 計(jì)算的主要內(nèi)容是，根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所要求的輸出力和運(yùn)動(dòng)速度，確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸和所需流量、確定液壓系統(tǒng)所需的油壓與總的流量，以選擇油泵的規(guī)格和選擇油泵電動(dòng)機(jī)的功率。確定各個(gè)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(jī)械手中，用到的油缸有活塞式油缸（往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)）和回轉(zhuǎn)式油缸（可以使輸出軸得到小于360°的往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）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 ①流量、驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 當(dāng)壓力油輸入無桿腔，使活塞以速度V1運(yùn)動(dòng)時(shí)所需輸入油缸的流量Q1為 Q1 = DV1 對(duì)于手臂伸縮油缸：Q1=0.98cm/s， 對(duì)于手指夾緊油缸：Q1=1.02 cm/s ,對(duì)于手臂升降油缸：Q1=0.83 cm/s 油缸的無桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力P1即油缸的驅(qū)動(dòng)力為： P1 = Dp1 對(duì)于手臂伸縮油缸：p1=196N， 對(duì)于手指夾緊油缸：p1=126N ，對(duì)于手臂升降油缸：p1=320N 當(dāng)壓力油輸入有桿腔，使活塞以速度V2運(yùn)動(dòng)時(shí)所需輸入油缸的流量Q2為： Q2 = （D-d）V2 對(duì)于手臂伸縮油缸：Q1=0.87cm/s， 對(duì)于手指夾緊油缸：Q1=0.96 cm/s ,對(duì)于手臂升降油缸：Q1=0.72 cm/s 油缸的有桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力P2即油缸的驅(qū)動(dòng)力為： P2 = （D-d）p1 對(duì)于手臂伸縮油缸：p1=172N， 對(duì)于手指夾緊油缸：p1=108N ，對(duì)于手臂升降油缸：p1=305N ② 計(jì)算作用在活塞上的總機(jī)械載荷 機(jī)械手手臂移動(dòng)時(shí)，作用在機(jī)械手活塞上的總機(jī)械載荷P為 P = P工 + P導(dǎo) + P封 + P慣 + P回 其中 P工 為工作阻力 P導(dǎo) 導(dǎo)向裝置處的摩擦阻力 P封 密封裝置處的摩擦阻力 P慣 慣性阻力 P回 背壓阻力 P = 83+125+66+80+208=562(N) ③確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸 ㈠油缸內(nèi)徑的計(jì)算 油缸工作時(shí)，作用在活塞上的合成液壓力即驅(qū)動(dòng)力與活塞桿上所受的總機(jī)械載荷平衡，即 P = P1（無桿腔） = P2 （有桿腔） 油缸（即活塞）的直徑可由下式計(jì)算 D = = 1.13 厘米 （無桿腔） 對(duì)于手臂伸縮油缸：D=50mm， 對(duì)于手指夾緊油缸：D=30mm ，對(duì)于手臂升降油缸：D=80mm ，對(duì)于立柱橫移油缸：D = 40mm 或D = 厘米 （有桿腔） ㈡ 油缸壁厚的計(jì)算： 依據(jù)材料力學(xué)薄壁筒公式，油缸的壁厚可用下式計(jì)算： = 厘米 P計(jì) 為計(jì)算壓力 油缸材料的許用應(yīng)力。 對(duì)于手臂伸縮油缸： =6mm， 對(duì)于手指夾緊油缸： =17mm ，對(duì)于手臂升降油缸： =16mm , 對(duì)于立柱橫移油缸: =17mm 活塞桿的計(jì)算 可按強(qiáng)度條件決定活塞直徑d ?；钊麠U工作時(shí)主要承受拉力或壓力，因此活塞桿的強(qiáng)度計(jì)算可近似的視為直桿拉、壓強(qiáng)度計(jì)算問題，即 = ≦ 即 d ≧ 厘米 對(duì)于手臂伸縮油缸：d =30mm， 對(duì)于手指夾緊油缸：d =15mm ，對(duì)于手臂升降油缸：d=50mm , 對(duì)于立柱橫移油缸:d=16mm 5.52 無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸） ① 流量、驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 Q = 當(dāng)D=103mm,d=40mm,=0.95 rad/s時(shí) Q = 952N ② 作用在活塞上的總機(jī)械載荷P P = P工 + P封 + P慣 + P回 其中 P工 為工作阻力 P封 密封裝置處的摩擦阻力 P慣 慣性阻力 P回 背壓阻力 P = 66+108+208=382（N） ③ 油缸內(nèi)徑的計(jì)算 根據(jù)作用在齒條活塞上的合成液壓力即驅(qū)動(dòng)力與總機(jī)械載荷的平衡條件，求得 D = （厘米） D = 45mm 5.5.3 單葉片回轉(zhuǎn)油缸 在液壓機(jī)械手上實(shí)現(xiàn)手腕、手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的另一種常用機(jī)構(gòu)是單葉片回轉(zhuǎn)油缸，簡(jiǎn)稱回轉(zhuǎn)油缸，其計(jì)算簡(jiǎn)圖如下： 圖12 回轉(zhuǎn)油缸計(jì)算簡(jiǎn)圖 ①流量、驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 當(dāng)壓力油輸入回轉(zhuǎn)油缸，使動(dòng)片以角速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要輸入回轉(zhuǎn)油缸的流量Q為： Q = 當(dāng)D=100mm,d=35mm,b=35mm, =0.95 rad/s時(shí) Q=0.02m/s 回轉(zhuǎn)油缸的進(jìn)油腔壓力油液，作用在動(dòng)片上的合成液壓力矩即驅(qū)動(dòng)力矩M： M = 得M = 0.8 (N·m) ② 作用在動(dòng)片（即輸出軸）上的外載荷力矩 M M = M工 +M封 + M慣 + M回 其中 M工 為工作阻力矩 M封 密封裝置處的摩擦阻力矩 M慣 參與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零部件，在啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩 M回 回轉(zhuǎn)油缸回油腔的背反力矩 M = 2.3+0.85+1.22+1.08=5.45 (N·m) ③ 回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)徑的計(jì)算 回轉(zhuǎn)油缸的動(dòng)片上受的合成液壓力矩與其上作用的外載荷力矩相平衡，可得： D = （厘米） D = 30mm 5.5.4油泵的選擇 一般的機(jī)械手的液壓系統(tǒng)，大多采用定量油泵，油泵的選擇主要是根據(jù)系統(tǒng)所需要的油泵工作壓力p泵 和最大流量Q泵來確定。 ⑴ 確定油泵的工作壓力p泵 p泵 ≧ p + △p 式中 p ——油缸的最大工作油壓 △p ——壓力油路（進(jìn)油路）各部分壓力損失之和，其中包括各種元件的局部損失和管道的沿程損失。 p