液壓機(jī)械手9頁(yè)

1、機(jī)械手液壓系統(tǒng) 機(jī)械手是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。近年來(lái)隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高科技技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的一門新興技術(shù)它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活但它具有可不斷重復(fù)工作、能在條件比較惡劣的環(huán)境下工作、載重量大、定位精確等特點(diǎn)因此機(jī)械手受到了許多部門的重視并越來(lái)越廣泛地得到了應(yīng)用例如 (1) 機(jī)床加工工件的裝卸特別是在自動(dòng)化車床、組合機(jī)床上使用較為普遍。 (2)在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛在電子行業(yè)中它可以用來(lái)裝配印制電路板機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖：驅(qū)動(dòng)與控制方式： 機(jī)

2、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)工藝的要求來(lái)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。 控制系統(tǒng)也有不同的類型。除一些專用機(jī)械手外，大多數(shù)機(jī)械手均需進(jìn)行專門的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 驅(qū)動(dòng)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)。液壓系統(tǒng)： 機(jī)械手的液壓傳動(dòng)是以有壓力的油液作為傳遞動(dòng)力的工作介質(zhì)。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵輸出壓力油，是將電動(dòng)機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成油液的壓力能。壓力油經(jīng)過(guò)管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置等進(jìn)入油缸，推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)，從而使手臂作伸縮、升降等運(yùn)動(dòng)，將油液的壓力能又轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。手臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)所能克服的摩擦阻力大小，以及夾持式手部夾緊工件時(shí)所需保持的握力大

3、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(yùn)動(dòng)著的壓力油的容積變化來(lái)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)。機(jī)械手液壓系統(tǒng)的組成液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成： 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。 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）。 控制調(diào)節(jié)裝置 各種閥類，如單向閥、溢流閥、節(jié)流

4、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)。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。壓力控制回路 調(diào)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(shè)置溢流閥，用它來(lái)調(diào)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(jī)械手各油缸不工作時(shí)，油泵電機(jī)又不停止工作的情況下，為減少油泵的功率損耗，節(jié)省動(dòng)力，降低系統(tǒng)的發(fā)熱，使油泵在低負(fù)

5、荷下工作，所以采用卸荷回路。此機(jī)械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(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)一個(gè)減壓閥，以獲得比系統(tǒng)壓力更低的壓力。 平衡與鎖緊回路 在機(jī)械液壓系統(tǒng)中，為防止垂直機(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(guò)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。 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

6、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(guò)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。速度控制回路 液壓機(jī)械手各種運(yùn)動(dòng)速度的控制，主要是改變進(jìn)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(diào)節(jié)節(jié)流閥的通流截面來(lái)改變進(jìn)入油缸或油馬達(dá)的流量；另一類是采用變量泵，改變油泵的供油量。本機(jī)械手采用定量油泵節(jié)流調(diào)速

7、回路。 根據(jù)各油泵的運(yùn)動(dòng)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(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)荷的變化會(huì)引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其原因是負(fù)荷變化會(huì)引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。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(guò)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)調(diào)整和穩(wěn)定所通過(guò)的流量，使油缸的運(yùn)動(dòng)速度不受負(fù)荷變化的影響，對(duì)速度的平穩(wěn)性要求高的場(chǎng)合，宜用調(diào)速閥實(shí)現(xiàn)節(jié)流調(diào)速。方向控制回路

8、 在機(jī)械手液壓系統(tǒng)中，為控制各油缸、馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)方向和接通或關(guān)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(dòng)滑閥，由電控系統(tǒng)發(fā)出電信號(hào)，控制電磁鐵操縱閥芯換向，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(dòng)性能好，換向時(shí)間短，接線簡(jiǎn)單，價(jià)廉，但是如吸不上時(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。機(jī)械手液壓系統(tǒng)的簡(jiǎn)單計(jì)算

9、 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(wú)桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸）。1 . 雙作用單桿活塞油缸 圖10 雙作用單桿活塞桿油缸計(jì)算簡(jiǎn)圖流量、驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 當(dāng)壓力油輸入無(wú)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=

10、1.02 cm/s ,對(duì)于手臂升降油缸：Q1=0.83 cm/s 油缸的無(wú)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

11、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 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) 確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸 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(wú)桿腔） = P2 （有桿腔） 油缸（即活塞）的直徑可由下式計(jì)算 D =

12、 = 1.13 厘米 （無(wú)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） 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(wèn)題，即 = 即 d

13、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=16mm5.5.2 無(wú)桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸） 圖11 齒條活塞缸計(jì)算簡(jiǎn)圖 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 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） 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

14、，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 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 (Nm) 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 (Nm) 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(lái)確定。 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