液壓傳動機械手本科畢業(yè)論文畢業(yè)設計教材

1、學士學位論文摘要本次設計的液壓傳動機械手根據(jù)規(guī)定的動作順序，綜合運用所學的基本理論、 基本知識和相關的機械設計專業(yè)知識，完成對機械手的設計，并繪制必要裝配圖、 液壓系統(tǒng)圖、PLC控制系統(tǒng)原理圖。機械手的機械結構采用油缸、螺桿、導向筒等 機械器件組成；在液壓傳動機構中，機械手的手臂伸縮采用伸縮油缸，手腕回轉采 用回轉油缸，立柱的轉動采用齒條油缸，立柱的橫移采用橫向移動油缸；在PLC控制回路中，采用的PLC類型為FX2N當按下連續(xù)啟動后，通過控制電磁閥的開關來 控制機械手進行相應的動作循環(huán)，當按下連續(xù)停止按鈕后，機械手在完成一個動作 循環(huán)后停止運動。本設計擬開發(fā)的上料機械手可在空間抓放物體，動作靈

2、活多樣，可代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行作業(yè)，可抓取重量較大的工件。關鍵詞：機械手；液壓；控制回路；AbstractThe desig n of hydraulic drive man ipulator moveme nts un der the provisi ons of the order , use the basic theory, basic kno wledge and related mecha ni cal desig n expertise comprehe nsively to complete the desig n,and draw ing the n ecessa

3、ry assembly, hydraulic system map, PLC con trol system diagram . In the hydraulic drive bodies ,ma nipulator arm stretching using telescopic tank ,rotating column of tanks used rack ,manipulator movements using tank movements ,the column takes the horizontal movement of tanks ;The PLC control circui

4、t use the type of FX2N PLC .When pressed for commencement , ,through the control of the solenoid valve to control the switch man ipulator corresp onding moves cycle ,after press the row stop butt on , the man ipulator complete a cycle of actio n to stop after the hole campaig n.The desig n of the pr

5、oposed developme nt of the in formati on on the man ipulator can grasp up in space objects ,flexible and varied moveme nts ,ca n replace the artificial heat and dan gerous operatio n con ducted operati on s,a nd can grasp the larger workpieces . Keywords： Manipulator Hydraulic ; Control Loop ;學士學位論文

6、目錄第一章緒論錯誤！未定義書簽。1.1工業(yè)機器人簡介 錯誤！未定義書簽。1.2世界機器人的發(fā)展 錯誤！未定義書簽。1.3我國工業(yè)機器人的發(fā)展21.4我要設計的機械手 31.4.1臂力的確定31.4.2工作范圍的確定 31.4.3確定運動速度 41.4.4手臂的配置形式 41.4.5位置檢測裝置的選擇 51.4.6驅動與控制方式的選擇 51.5本章小結5第二章手部的結構設計62.1概述62.2設計時應考慮的幾個問題 62.3驅動力的計算72.4兩支點回轉式鉗爪的定位誤差的分析 92.5本章小結9第三章腕部的結構設計103.1概述103.2腕部的結構形式103.3手腕驅動力矩的計算113.4本章小

7、結12第四章臂部的結構設計134.1概述134.2手臂直線運動機構 134.2.1手臂伸縮運動 144.2.2導向裝置144.2.3手臂的升降運動154.3手臂回轉運動164.4手臂的橫向移動 164.5臂部運動驅動力計算 164.5.1臂水平伸縮運動驅動力的計算 164.5.2臂垂直升降運動驅動力的計算 184.5.3臂部回轉運動驅動力矩的計算184.6本章小結19第五章液壓系統(tǒng)的設計205.1液壓系統(tǒng)簡介205.2液壓系統(tǒng)的組成205.3機械手液壓系統(tǒng)的控制回路 205.3.1壓力控制回路 205.3.2速度控制回路215.3.3方向控制回路215.4機械手的液壓傳動系統(tǒng) 215.4.1上

8、料機械手的動作順序225.4.2自動上料機械手液壓系統(tǒng)原理介紹 225.5機械手液壓系統(tǒng)的簡單計算 265.5.1雙作用單桿活塞油缸 265.5.2無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸） 285.5.3單葉片回轉油缸295.5.4油泵的選擇305.5.5確定油泵電動機功率 N315.6本章小結31第六章結論32致謝33參考文獻34III學士學位論文第一章緒論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)?現(xiàn)實，

9、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，應用之廣，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

10、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10.3萬美元降至97年的 6.5萬美兀。（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

11、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 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，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度 等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、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)中已有成熟應用。(5) .虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、

12、 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 作者與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)成功應用的最著名實例。(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應用的領域。1.3我國工業(yè)機器人的發(fā)展有人認為，應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

13、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)模應用，弧焊 機器人已應

14、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 其工程應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 應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距；在應用規(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器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求， 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

15、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(diào)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)應用上開展了不少 工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是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)應用方面則剛剛起 步，與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.

16、1臂力的確定目前使用的機械手的臂力范圍較大，國內(nèi)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 =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mm。142工作范圍的確定機械手的工作范圍根據(jù)工藝要求和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15手臂伸長量150mm；手臂回轉角度15手臂升降行程170mm；手臂水平運動行程100mm；143確定運動速度機械手各動作的最大行程確定

17、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 該在工作拍節(jié)規(guī)定的時間內(nèi)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。

18、機械手的運動速度與臂力、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，以保證動作的同步液壓上料機械手的各運動速度如下：V腕回=40 V臂伸=-50 mm/sV臂回=40 V臂升=-50 mm/sV柱移=50 mm/sV夾=50 mm/s手腕回轉速度手臂伸縮速度手臂回轉速度手臂升降速度立柱水平運動速度手指夾緊油缸的運動速度144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

19、工業(yè)機器人所采用，機座上可以裝上獨立的控制裝置，便于搬運與安放， 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座頂部 與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、伸縮與回轉運動， 工作范圍較大。145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，故一般與機械擋塊聯(lián)合應 用。在機械手中，用行程開關與機械擋塊檢測定位既精度高又簡單實用可靠，故 應用也是最多的。146驅動與控制方式的選擇機械手的驅動與控制方式是

20、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。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。1.5本章小結本章主要介紹了課題提出的背景，隨著工業(yè)的發(fā)展，機械手的重要性越來越 凸顯成為制約企業(yè)的重要因素，國內(nèi)的企業(yè)面臨國外先進機械手的壓力，應用技 術與國外仍存在較大差距，因此自主研發(fā)液壓傳動自動上料機械手對整個機械行 業(yè)發(fā)揮著至

21、關重要的作用，最后介紹了此次設計的內(nèi)容及要求。27第二章手部的結構設計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

22、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與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 形面的手指，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

23、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2. 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 P1、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和厶020A均為直角三角形，故-AOC ：_B0C 。根據(jù)銷軸的力 平衡條件，即Z

24、 Fx=0,P1 = P2;E Fy =0;P = 2 P1C 0S;(2.1)P1 = P/ 2C 0S ；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與工件接觸面的對稱平面內(nèi)，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 m01（F）=0得P1h 二 Nb因 h = a / cos_：i所以P =2b(cos： )2N/a(2.2)式中a手指的回轉支點到對稱中心線的距離（毫米）。a件被夾緊時手指的滑槽方向與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角過如果需要完整的設計文章聯(lián)系我

25、，也信jixiegou-001包括：設計論文、完整 AutoCAD圖紙，三維SolidWorks圖紙, 并提供論文排版，提供過程講解分析2.5本章小結本章比較詳細的說明了機械手手部結構設計時應該考慮的幾個重要問題，明 確了設計要求及總體布局和尺寸聯(lián)系的確定，及手部驅動力的計算。還對兩支點 回轉式鉗爪的定位誤差進行了具體的分析。第三章腕部的結構設計3.1概述腕部是連接手部與臂部的部件，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(diào)整等 問題。要適應工作環(huán)境的需要。

26、另外，通往手腕油缸的管道盡量從手臂內(nèi)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15.如下圖所示為腕部的結構，定片與后蓋，回轉缸體和前蓋均用螺釘和銷子進 行連接和定位，動片與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3.1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，手腕的轉動軸與

27、支承孔處的摩擦阻力矩， 動片與缸徑、 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與軸線不重合所產(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=M 慣 +M 偏+M 摩（N.m）（ 3.1）式中M驅一一驅動手腕轉動的驅動力矩M慣慣性力矩（N.m）M偏參與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摩手腕轉動軸與支承孔處的摩擦力矩（N.m）G1圖3.2腕部回轉力矩計算圖摩擦阻力矩M摩M 摩=f (N 口+ N2 D2)(3.2)2式中f軸承的摩擦系數(shù)，滾動軸承取f =0.。2，滑動軸承取f=0.1 ；Ni、N2軸承支承反

28、力(N)；Di、D2 軸承直徑(m)由設計知 D1=0.035mD2=0.054mN1=800NN2=200N G仁98Ne=0.020時 M摩=0.1(200 0.035 800 0.054)/2得 M摩二 2.05( N.m)工件重心偏置力矩引起的偏置力矩 M偏M 九1.2（ M偏 +M慣 + M摩）（N.m）M =1.2漢（2.5 十1.96+1.3）=6.9（Nm）3.4本章小結本章簡單的介紹了液壓傳動自動上料機械手手腕部的結構形式，及設計時注 意事項。對手腕驅動力矩進行了詳細的計算包括慣性力矩、摩擦阻力矩、偏重力 矩。第四章臂部的結構4.1概述臂部是機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承

29、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?度等都直接影響機械手的工作性能， 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(nèi)部管路與手腕的

30、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)、定位精度要高由于臂部運動速度越高、重量越大

31、，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，同時要米取一定的緩沖措施。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應用比較多。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端，當雙作用油缸1的兩腔分別通入壓力油時

32、，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(nèi)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。1雙作用油缸2活塞桿3導向桿4導向套5支承座6手腕7手部圖4.1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

33、適當?shù)膶蜓b置。它根據(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4.2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

34、導向桿連接起來，支承架的兩側安裝兩個滾動 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。1導向桿2滾動軸承3支承架4支承板圖4. 2雙導向桿手臂結構4.2.3手臂的升降運動如圖4.3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4.3為位置檢測裝置。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，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

35、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?？梢詤⒖脊?業(yè)機器人表4-11升降臺2缸體3套筒4活塞桿5活塞6肋板7齒條缸圖4.3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4.5.3臂部回轉運動驅動力矩的計算4.6本章小結本章主要介紹了機械手臂部的結構形式和手臂的運動（包括手臂的伸縮，手

36、臂的回轉，手部的升降等運動，手臂的橫向移動）。手臂的驅動力矩計算包括臂部 運動驅動力，臂垂直升降運動驅動力的計算，臂部回轉運動驅動力矩。第五章液壓系統(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(diào)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，均與油液的壓力和活塞的 有效工作面積有關。手臂做各種運動的速度決定于流入密封油缸中油液容積的多

37、 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(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，使機械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所要求

38、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(diào)整、油泵的卸荷、運動的換向、工作速度的調(diào)節(jié)以及同步運動等。5.3.1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置溢流閥，用它來調(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。此機械手采用二位二通電磁閥控制

39、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。 平衡與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，以驅動油缸運動而做功。 當一旦電機停止轉動，油泵不再

40、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。532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(diào)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)流調(diào)速回路。根據(jù)各油泵的運動速度要求，可分別采

41、用LI型單向節(jié)流閥、LCI型單向節(jié)流 閥或QI型單向調(diào)速閥等進行調(diào)節(jié)。節(jié)流調(diào)速閥的優(yōu)點是：簡單可靠、調(diào)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(diào)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(diào)速閥能夠隨負荷的變化而自動調(diào)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(diào)速閥實現(xiàn)節(jié)流調(diào) 速。533方向控制回路在機械手液壓系統(tǒng)中，為控制各

42、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，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

43、繪制是設計液壓機械手的主要內(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(diào)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）f插定位銷f手臂前伸f手指張開f手指夾料f手臂上 升 f 手臂縮回 f 立柱橫移

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

45、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。542自動上料機械手液壓系統(tǒng)原理介紹液壓系統(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)5葉片泵YB-35/18，其公稱壓力為60 10帕，流量為35升/分+18升/分=53升/5分，系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)為30 10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(diào) 速閥（QI-63B、QI-25B、QI-10B）回程節(jié)流，

46、因而速度可調(diào)，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(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。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。手臂升降油缸支路設置有單向順序閥（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

47、力增加使之 接通，活塞便向下運動。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。圖5.1機械手液壓系統(tǒng)圖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，為此在定位油缸5支路前串有減壓閥（J-10），使定位油缸獲得適應壓力為1518*10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

48、溫升高。 系統(tǒng)的壓力由溢流閥來調(diào)節(jié)。此系統(tǒng)四個主壓力油路的壓力測量，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（丫-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1150C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

49、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

50、，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(diào)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)步進選線器 跳步使

51、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，