液壓傳動(dòng)上料機(jī)械手設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 機(jī)電一體化專(zhuān)業(yè)

摘 要 本次設(shè)計(jì)的液壓傳動(dòng)機(jī)械手根據(jù)規(guī)定的動(dòng)作順序，綜合運(yùn)用所學(xué)的基本理論、基本知識(shí)和相關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，完成對(duì)機(jī)械手的設(shè)計(jì)。機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用油缸、螺桿、導(dǎo)向筒等機(jī)械器件組成；在液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，機(jī)械手的手臂伸縮采用伸縮油缸，手腕回轉(zhuǎn)采用回轉(zhuǎn)油缸，立柱的轉(zhuǎn)動(dòng)采用齒條油缸，機(jī)械手的升降采用升降油缸，立柱的橫移采用橫向移動(dòng)油缸；本設(shè)計(jì)擬開(kāi)發(fā)的上料機(jī)械手可在空間抓放物體，動(dòng)作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險(xiǎn)的作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)，可抓取重量較大的工件。關(guān)鍵詞 機(jī)械手、液壓、控制回路 目 錄第1章 緒論.11.1 液壓上料機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析.11.1.1臂力的確定.11.1.2 工作范圍的確定.11.1.3確定運(yùn)動(dòng)速度.1 1.1.4手臂的配置形式.21.1.5位置檢測(cè)裝置的選擇.31.1.6 驅(qū)動(dòng)與控制方式的選擇.,.31.2 液壓上料機(jī)械手的運(yùn)用.31.3 液壓上料機(jī)械手的特點(diǎn).41.4液壓上料機(jī)械手.4第2章 手部的結(jié)構(gòu).52.1概述.52.2設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問(wèn)題.5 2.3 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算.6 2.4 兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析.8第三章 腕 部 的 結(jié) 構(gòu).103.1概述.103.2腕部的結(jié)構(gòu)形式.103.3手腕驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì).11第4 章 臂部的結(jié)構(gòu).14 4.1 概述.144.2手臂直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu).154.2.1手臂伸縮運(yùn)動(dòng).15 4.2.2 導(dǎo)向裝置.164.2.3 手臂的升降運(yùn)動(dòng).17 4.3 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).18 4.4 手臂的橫向移動(dòng).18 4.5 臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算.194.5.1 臂水平伸縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算.19 4.5.2 臂垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 .20 4.5.3 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算.21第5 章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì).22 5.1液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介.22 5.2液壓系統(tǒng)的組成.22 5.3機(jī)械手液壓系統(tǒng)的控制回路.235.3.1 壓力控制回路.235.3.2 速度控制回路.235.3.3 方向控制回路.245.4 上料機(jī)械手的動(dòng)作順序.24 5.5機(jī)械手液壓系統(tǒng)的簡(jiǎn)單計(jì)算.25 5.5.1 雙作用單桿活塞油缸.255.5.2 無(wú)桿活塞油缸（亦稱(chēng)齒條活塞油缸）.29 5.5.3 單葉片回轉(zhuǎn)油缸 .305.5.4 油泵的選擇.32 5.5.5 確定油泵電動(dòng)機(jī)功率N.32第6章 機(jī)械手的控制.33第7章 總結(jié).35第8章 致謝.36參考文獻(xiàn).37第一章 緒 論1.1 液壓上料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析1.1.1 臂力的確定 目前使用的機(jī)械手的臂力范圍較大，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的機(jī)械手的臂力最小為0.15N，最大為8000N。本液壓機(jī)械手的臂力為N臂 =1650（N），安全系數(shù)K一般可在1.53，本機(jī)械手取安全系數(shù)K=2。定位精度為±1mm。1.1.2 工作范圍的確定 機(jī)械手的工作范圍根據(jù)工藝要求和操作運(yùn)動(dòng)的軌跡來(lái)確定。一個(gè)操作運(yùn)動(dòng)的軌跡是幾個(gè)動(dòng)作的合成，在確定的工作范圍時(shí)，可將軌跡分解成單個(gè)的動(dòng)作，由單個(gè)動(dòng)作的行程確定機(jī)械手的最大行程。本機(jī)械手的動(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100mm1.1.3 確定運(yùn)動(dòng)速度 機(jī)械手各動(dòng)作的最大行程確定之后，可根據(jù)生產(chǎn)需要的工作拍節(jié)分配每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，進(jìn)而確定各動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度。液壓上料機(jī)械手要完成整個(gè)上料過(guò)程，需完成夾緊工件、手臂升降、伸縮、回轉(zhuǎn)，平移等一系列的動(dòng)作，這些動(dòng)作都應(yīng)該在工作拍節(jié)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，具體時(shí)間的分配取決于很多因素，根據(jù)各種因素反復(fù)考慮，對(duì)分配的方案進(jìn)行比較，才能確定。 機(jī)械手的總動(dòng)作時(shí)間應(yīng)小于或等于工作拍節(jié)，如果兩個(gè)動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行，要按時(shí)間長(zhǎng)的計(jì)算，分配各動(dòng)作時(shí)間應(yīng)考慮以下要求：（1） 給定的運(yùn)動(dòng)時(shí)間應(yīng)大于液壓元件的執(zhí)行時(shí)間；（2） 伸縮運(yùn)動(dòng)的速度要大于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的速度，因?yàn)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的慣性一般大于伸縮運(yùn)動(dòng)的慣性。在滿(mǎn)足工作拍節(jié)要求的條件下，應(yīng)盡量選取較底的運(yùn)動(dòng)速度。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度與臂力、行程、驅(qū)動(dòng)方式、緩沖方式、定位方式都有很大關(guān)系，應(yīng)根據(jù)具體情況加以確定。（3） 在工作拍節(jié)短、動(dòng)作多的情況下，常使幾個(gè)動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行。為此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要采取相應(yīng)的措施，以保證動(dòng)作的同步。 液壓上料機(jī)械手的各運(yùn)動(dòng)速度如下： 手腕回轉(zhuǎn)速度 V腕回 = 40°/s 手臂伸縮速度 V臂伸 = 50 mm/s 手臂回轉(zhuǎn)速度 V臂回 = 40°/s 手臂升降速度 V臂升 = 50 mm/s 立柱水平運(yùn)動(dòng)速度 V柱移 = 50 mm/s 手指夾緊油缸的運(yùn)動(dòng)速度 V夾 = 50 mm/s1.1.4 手臂的配置形式 機(jī)械手的手臂配置形式基本上反映了它的總體布局。運(yùn)動(dòng)要求、操作環(huán)境、工作對(duì)象的不同，手臂的配置形式也不盡相同。本機(jī)械手采用機(jī)座式。機(jī)座式結(jié)構(gòu)多為工業(yè)機(jī)器人所采用，機(jī)座上可以裝上獨(dú)立的控制裝置，便于搬運(yùn)與安放，機(jī)座底部也可以安裝行走機(jī)構(gòu)，已擴(kuò)大其活動(dòng)范圍，它分為手臂配置在機(jī)座頂部與手臂配置在機(jī)座立柱上兩種形式，本機(jī)械手采用手臂配置在機(jī)座立柱上的形式。手臂配置在機(jī)座立柱上的機(jī)械手多為圓柱坐標(biāo)型，它有升降、伸縮與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工作范圍較大。1.1.5 位置檢測(cè)裝置的選擇 機(jī)械手常用的位置檢測(cè)方式有三種：行程開(kāi)關(guān)式、模擬式和數(shù)字式。本機(jī)械手采用行程開(kāi)關(guān)式。利用行程開(kāi)關(guān)檢測(cè)位置，精度低，故一般與機(jī)械擋塊聯(lián)合應(yīng)用。在機(jī)械手中，用行程開(kāi)關(guān)與機(jī)械擋塊檢測(cè)定位既精度高又簡(jiǎn)單實(shí)用可靠，故應(yīng)用也是最多的。1.1.6 驅(qū)動(dòng)與控制方式的選擇機(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。 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)。本次設(shè)計(jì)采用液壓驅(qū)動(dòng)，機(jī)械控制。 1.2 液壓上料機(jī)械手的運(yùn)用 是近幾年在國(guó)內(nèi)剛剛出現(xiàn)的一個(gè)新興產(chǎn)業(yè).但在西方發(fā)達(dá)國(guó)家以及日本和韓國(guó)，早在二十年前，上料機(jī)械手就已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各種類(lèi)型的數(shù)控機(jī)床上。上料機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)抓取、上料、裝卡、加工等所有的工藝過(guò)程，能夠極大的節(jié)約人工成本，提高生產(chǎn)效率。特別適用于大批量、小型零部件的加工，如汽車(chē)變速箱齒輪、軸承套（座）、剎車(chē)盤(pán)、金屬?zèng)_壓結(jié)構(gòu)件等。自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)和自動(dòng)化程度高的加工設(shè)備已經(jīng)成為今后制造工廠的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。單機(jī)自動(dòng)化、整線(xiàn)自動(dòng)化等自動(dòng)上下料裝置用于加工工件的自動(dòng)上料、工件翻轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)序等工作，能夠滿(mǎn)足“快速/大批量加工節(jié)拍”、“節(jié)省人力成本”、“提高生產(chǎn)效率”等要求，成為越來(lái)越多的工廠的理想選擇。1.3 液壓上料機(jī)械手的特點(diǎn) （1） 可用于高溫金屬模板沖壓機(jī)床，來(lái)料溫度：900，出料溫度200； （2） 獨(dú)特的二倍行程手臂疊加機(jī)構(gòu)，倍速機(jī)構(gòu)，可以滿(mǎn)足小空間、大行程的技術(shù)要求。 （3） 運(yùn)行速度快，保證來(lái)料的溫度不下降，滿(mǎn)足沖壓工藝要求。 （4） 性?xún)r(jià)比高。1.4液壓上料機(jī)械手實(shí)現(xiàn)的功能 （1） 液壓上料機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圓盤(pán)類(lèi)、長(zhǎng)軸類(lèi)、不規(guī)則形狀、金屬板類(lèi)工件的自動(dòng)上料、工件翻轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)序等工作。 （2）液壓上料機(jī)械手采用獨(dú)立絎架設(shè)計(jì)，安裝、調(diào)試可以與機(jī)床分開(kāi)進(jìn)行，機(jī)床部分只進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的制造即可，機(jī)械手可以完全獨(dú)立在機(jī)床之外運(yùn)行。 （3） 液壓上料機(jī)械手采用模塊化機(jī)械手和橫梁，可以對(duì)機(jī)床機(jī)型加裝。而不需要分開(kāi)規(guī)格進(jìn)行多種類(lèi)的制造； （4）獨(dú)立料倉(cāng)設(shè)計(jì)，料倉(cāng)獨(dú)立自動(dòng)控制； （5） 不依靠機(jī)床的控制器進(jìn)行控制，機(jī)械手模塊采用獨(dú)立的控制模塊，機(jī)械手故障只需設(shè)定參數(shù)，不影響機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)第二章 手部結(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(zhuān)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(méi)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(lèi)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(wèn)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(guò)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(kāi)閉角 兩個(gè)手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱(chēng)為手指的開(kāi)閉角。手指的開(kāi)閉角保證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)。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(guò)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(lái)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(xiāo)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(jié)構(gòu)。在拉桿3作用下銷(xiāo)軸2向上的拉力為P，并通過(guò)銷(xiāo)軸中心O點(diǎn)，兩手指1的滑槽對(duì)銷(xiāo)軸的反作用力為P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心線(xiàn)OO1和OO2并指向O點(diǎn)，P1和P2的延長(zhǎng)線(xiàn)交O1O2于A及B，由圖受力分析得AOC=BOC=。根據(jù)銷(xiāo)軸的力平衡條件，即 Fx=0,P1=P2; Fy=0,P2=P1cos即： P1=P/2cos 銷(xiāo)軸對(duì)手指的作用力為p1。手指握緊工件時(shí)所需的力稱(chēng)為握力（即夾緊力），假想握力作用在過(guò)手指與工件接觸面的對(duì)稱(chēng)平面內(nèi)，并設(shè)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MO1(F)=0得P1h=Nb 因 h=a/cos 所以 P=2b(cos)N/a式中 a手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱(chēng)中心線(xiàn)的距離（毫米）。 工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)連線(xiàn)間的夾角。 由上式可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力P一定時(shí)，角增大則握力N也隨之增加，但角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致拉桿（即活塞）的行程過(guò)大，以及手指滑槽尺寸長(zhǎng)度增大，使之結(jié)構(gòu)加大，因此，一般取=30°40°。這里取角=30度。 這種手部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有動(dòng)作靈活，手指開(kāi)閉角大等特點(diǎn)。V形手指夾緊圓棒料時(shí)，握力的計(jì)算公式N=0.5G，綜合前面驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算方法，可求出驅(qū)動(dòng)力的大小。為了考慮工件在傳送過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力、振動(dòng)以及傳力機(jī)構(gòu)效率的影響，其實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力P實(shí)際應(yīng)按以下公式計(jì)算，即： P實(shí)際=PK1K2/式中 手部的機(jī)械效率，一般取0.850.95； K1安全系數(shù)，一般取1.22 K2工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，K2可近似按下式估計(jì)，K2=1+a/g，其中a為被抓取工件運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大加速度，g為重力加速度。 本機(jī)械手的工件只做水平和垂直平移，當(dāng)它的移動(dòng)速度為500毫米/秒，移動(dòng)加速度為1000毫米/秒，工件重量G為98牛頓，V型鉗口的夾角為120°,=30°時(shí)，拉緊油缸的驅(qū)動(dòng)力P和P實(shí)際計(jì)算如下： 根據(jù)鉗爪夾持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當(dāng)量夾緊力計(jì)算公式 N=0.5G 把已知條件代入得當(dāng)量夾緊力為 N=49（N） 由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式 P=2b(cos)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/ 取=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/98101.1 則 P實(shí)際=122.5*1.5*1.1/0.85=238(N)2.4 兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析 圖2-2 帶浮動(dòng)鉗口的鉗爪 鉗口與鉗爪的連接點(diǎn)E為鉸鏈聯(lián)結(jié),如圖示幾何關(guān)系,若設(shè)鉗爪對(duì)稱(chēng)中心O到工件中心O的距離為x,則 x= 當(dāng)工件直徑變化時(shí),x的變化量即為定位誤差,設(shè)工件半徑R由Rmax變化到Rmin時(shí),其最大定位誤差為=- 其中了=45mm ,b=5mm ,a=27mm ,2=120° ,Rmin=15mm ,Rmax=30mm代入公式計(jì)算得 最大定位誤差=44.2-44.7=0.51第三章 腕部的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)腕部時(shí)要注意以下幾點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)緊湊，重量盡量輕。 轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)自由度的位置檢測(cè)、管線(xiàn)的布置以及潤(rùn)滑、維修、調(diào)整等問(wèn)題,要適應(yīng)工作環(huán)境的需要。 另外，通往手腕油缸的管道盡量從手臂內(nèi)部通過(guò)，以便手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)管路不扭轉(zhuǎn)和不外露，使外形整齊。3.2 腕部的結(jié)構(gòu)形式 本機(jī)械手采用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，但密封性差，回轉(zhuǎn)角度為±115°. 如下圖所示為腕部的結(jié)構(gòu)，定片與后蓋，回轉(zhuǎn)缸體和前蓋均用螺釘和銷(xiāo)子進(jìn)行連接和定位，動(dòng)片與手部的夾緊油缸缸體用鍵連接。夾緊缸體與指座固連成一體。當(dāng)回轉(zhuǎn)油缸的兩腔分別通入壓力油時(shí)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)片連同夾緊油缸缸體和指座一同轉(zhuǎn)動(dòng)，即為手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 圖3-1 機(jī)械手的腕部結(jié)構(gòu)3.3手腕驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)的重心與軸線(xiàn)不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(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)的零部件的重量（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(xiàn)所產(chǎn)生的偏重力矩 （N.m） M摩手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦力矩 （N.m） 圖3-2 腕部回轉(zhuǎn)力矩計(jì)算圖(1) 摩擦阻力矩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 軸承支承反力 （N）； D1 、D2 軸承直徑（m）由設(shè)計(jì)知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 =2.50（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） e偏心距（即工件重心到碗回轉(zhuǎn)中心線(xiàn)的垂直距離），當(dāng)工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心線(xiàn)重合時(shí)，M偏為零 當(dāng)e=0.020，G1=98N時(shí) M偏 =1.96 （N·m） (3)腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性阻力矩M慣 當(dāng)知道手腕回轉(zhuǎn)角速度時(shí)，可用下式計(jì)算M慣 M慣 =（J+J工件） （N·m） 式中 手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s） T手腕啟動(dòng)過(guò)程中所用時(shí)間（s），（假定啟動(dòng)過(guò)程中近為加速運(yùn)動(dòng)） J手腕回轉(zhuǎn)部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m） J工件工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （kg·m） 按已知計(jì)算得J=2.5，J工件 =6.25，=0.3m/ m,t=2 故 M慣 = 1.3（N·m） 當(dāng)知道啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度時(shí)，也可以用下面的公式計(jì)算M慣： M慣=（J+J工件） （N·m） 式中 啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度（rad）; 手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s）。 考慮到驅(qū)動(dòng)缸密封摩擦損失等因素，一般將M取大一些，可取 M =1.11.2 （M慣+M偏+M摩 ） （N.m） M = 1.2*（2.5+1.96+1.3） =6.9 （N.m） 第四章 臂部的結(jié)構(gòu)4.1 概述 臂部是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并將被抓取的工件傳送到給定位置和方位上，因而一般機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的。；立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫向移動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)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(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大?。幢哿Γ┖投ㄎ痪鹊榷贾苯佑绊憴C(jī)械手的工作性能，所以必須根據(jù)機(jī)械手的抓取重量、運(yùn)動(dòng)形式、自由度數(shù)、運(yùn)動(dòng)速度及其定位精度的要求來(lái)設(shè)計(jì)手臂的結(jié)構(gòu)型式。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到手臂的受力情況、油缸及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因此設(shè)計(jì)臂部時(shí)一般要注意下述要求： (1)剛度要大 為防止臂部在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)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(shí)心軸大得多。所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。 (2) 導(dǎo)向性要好 為防止手臂在直線(xiàn)移動(dòng)中，沿運(yùn)動(dòng)軸線(xiàn)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。 (3)偏重力矩要小 所謂偏重力矩就是指臂部的重量對(duì)其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的靜力矩。為提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，要盡量減少臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，以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 由于臂部運(yùn)動(dòng)速度越高、重量越大，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大，運(yùn)動(dòng)即不平穩(wěn)，定位精度也不會(huì)高。故應(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)要采取一定的緩沖措施。4.2手臂直線(xiàn)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)均屬于直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，而實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式比較多，常用的有活塞油（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手臂伸縮運(yùn)動(dòng) 這里實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)是采用液壓驅(qū)動(dòng)的活塞油缸。由于活塞油缸的體積小、重量輕，因而在機(jī)械手的手臂機(jī)構(gòu)中應(yīng)用比較多。如下圖所示為雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)。手臂和手腕是通過(guò)連接板安裝在伸縮油缸的上端，當(dāng)雙作用油缸1的兩腔分別通入壓力油時(shí)，則推動(dòng)活塞桿2（即手臂）作往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)向桿3在導(dǎo)向套4內(nèi)移動(dòng)，以防止手臂伸縮時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)（并兼做手腕回轉(zhuǎn)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(dǎo)向桿之間，由導(dǎo)向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，故受力簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)，外形整齊美觀，結(jié)構(gòu)緊湊?？捎糜谧ブ卮蟆⑿谐梯^長(zhǎng)的場(chǎng)合。 圖4-1 雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu) 4.2.2 導(dǎo)向裝置 液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮（或升降）運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線(xiàn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shè)計(jì)手臂的結(jié)構(gòu)時(shí)，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。它根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少手臂對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。目前采用的導(dǎo)向裝置有單導(dǎo)向桿、雙導(dǎo)向桿、四導(dǎo)向桿和其他的導(dǎo)向裝置，本機(jī)械手采用的是雙導(dǎo)向桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。 雙導(dǎo)向桿配置在手臂伸縮油缸兩側(cè)，并兼做手部和手腕油路的管道。對(duì)于伸縮行程大的手臂，為了防止導(dǎo)向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導(dǎo)向桿尾部增設(shè)輔助支承架，以提高導(dǎo)向桿的剛性。 如圖4-2所示，對(duì)于伸縮行程大的手臂，為了防止導(dǎo)向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導(dǎo)向桿尾部增設(shè)輔助支承架，以提高導(dǎo)向桿的剛性。如圖4-2所示，在導(dǎo)向桿1的尾端用支承架4將兩個(gè)導(dǎo)向桿連接起來(lái)，支承架的兩側(cè)安裝兩個(gè)滾動(dòng)軸承2，當(dāng)導(dǎo)向桿隨同伸縮缸的活塞桿一起移動(dòng)時(shí)，支承架上的滾動(dòng)軸承就在支承板3的支承面上滾動(dòng)。4.2.3 手臂的升降運(yùn)動(dòng) 如圖4-3所示為手臂的升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)升降缸上下兩腔通壓力油時(shí)，活塞杠4做上下運(yùn)動(dòng)，活塞缸體2固定在旋轉(zhuǎn)軸上。由活塞桿帶動(dòng)套筒3做升降運(yùn)動(dòng)。其導(dǎo)向作用靠立柱的平鍵8實(shí)現(xiàn)。圖中4-3為位置檢測(cè)裝置。 圖4-3 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)，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由齒條活塞桿驅(qū)動(dòng)齒輪，帶動(dòng)配油軸和缸體一起轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)缸體上的平鍵帶動(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4-4所示為手臂的橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)。手臂的橫向移動(dòng)是由活塞缸5來(lái)驅(qū)動(dòng)的，回轉(zhuǎn)缸體與滑臺(tái)1用螺釘聯(lián)結(jié)，活塞桿4通過(guò)兩塊連接板3用螺釘固定在滑座2上。當(dāng)活塞缸5通壓力油時(shí)，其缸體就帶動(dòng)滑臺(tái)1，沿著燕尾形滑座2做橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 圖4-4 手臂橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)4.5 臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 計(jì)算臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力（包括力矩）時(shí)，要把臂部所受的全部負(fù)荷考慮進(jìn)去。機(jī)械手工作時(shí)，臂部所受的負(fù)荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。4.5.1 臂水平伸縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 手臂做水平伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先要克服摩擦阻力，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等，還要克服啟動(dòng)過(guò)程中的慣性力。其驅(qū)動(dòng)力Pq可按下式計(jì)算： Pq = Fm + Fg (N) 式中 Fm各支承處的摩擦阻力； Fg啟動(dòng)過(guò)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(guò)程中的平均加速度（m/s）， 而 a = (m/s) v 速度變化量。如果手臂從靜止?fàn)顟B(tài)加速到工作速度V時(shí)，則這個(gè)過(guò)程的速度變化量就等于手臂的工作速度； t 啟動(dòng)過(guò)程中所用的時(shí)間，一般為0.010.5s。 當(dāng)Fm=80N,W=1098（N），V = 500mm/s時(shí)， Pq = 80+* =80+112=192 (N)4.5.2 臂垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 手臂作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，除克服摩擦阻力Fm和慣性力Fg之外，還要克服臂部運(yùn)動(dòng)部件的重力，故其驅(qū)動(dòng)力Pq可按下式計(jì)算： Pq = Fm + Fg ± W (N) 式中 Fm各支承處的摩擦力（N）； Fg啟動(dòng)時(shí)慣性力（N）可按臂伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)的情況計(jì)算； W臂部運(yùn)動(dòng)部件的總重量（N）； ±上升時(shí)為正，下降時(shí)為負(fù)。 當(dāng)Fm=40N，F(xiàn)g=100N，W =1098N時(shí) Pq=40+100+1098=1238（N）4.5.3 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)根據(jù)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩來(lái)計(jì)算。由于啟動(dòng)過(guò)程一般不是等加速度運(yùn)動(dòng)，故最大驅(qū)動(dòng)力矩要比理論平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。故驅(qū)動(dòng)力矩Mq可按下式計(jì)算： Mq = 1.3(Mm + Mg ) (N·m) 式中 Mm各支承處的總摩擦力矩； Mg啟動(dòng)時(shí)慣性力矩，一般按下式計(jì)算： Mg = J (N·m) 式中 J手臂部件對(duì)其回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m）; 回轉(zhuǎn)手臂的工作角速度（rad/s）; t回轉(zhuǎn)臂啟動(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)于活塞、導(dǎo)向套筒和油缸等的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都要做詳細(xì)計(jì)算，因?yàn)檫@些零件的重量較大或回轉(zhuǎn)半徑較大，對(duì)總的計(jì)算結(jié)果影響也較大，對(duì)于小零件則可作為質(zhì)點(diǎn)計(jì)算其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，對(duì)其質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)慣量忽略不計(jì)。對(duì)于形狀復(fù)雜的零件，可劃分為幾個(gè)簡(jiǎn)單的零件分別進(jìn)行計(jì)算，其中有的部分可當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)計(jì)算。第五章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5.1液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介 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(chēng)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(xiàn)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(chēng)擺動(dòng)油缸）。 （3） 控制調(diào)節(jié)裝置 各種閥類(lèi)，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 壓力控制回路是通過(guò)控制液壓系統(tǒng)的壓力，以滿(mǎn)足執(zhí)行元件對(duì)力和力矩要求的回路。包括調(diào)壓、卸荷、減壓、平衡鎖緊等基本回路。本設(shè)計(jì)采用二位二通電磁閥控制溢流閥遙控口卸荷回路和單向順序閥做平衡閥實(shí)現(xiàn)任意位置鎖緊的回路 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。5.3.2 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(lèi)：一類(lèi)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(lèi)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。5.3.3 方向控制回路 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(xiàn)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(xiàn)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。 5.4 上料機(jī)械手的動(dòng)作順序動(dòng)作順序：待料（即起始位置。手指閉合，待夾料立放） 插定位銷(xiāo) 手臂前伸 手指張開(kāi) 手指夾料 手臂上升 手臂縮回 立柱橫移 手腕回轉(zhuǎn)115° 拔定位銷(xiāo) 手臂回轉(zhuǎn)115° 插定位銷(xiāo) 手臂前伸 手臂中停 （此時(shí)立式精鍛機(jī)的卡頭下降 卡頭夾料，大泵卸荷） 手指松開(kāi)（此時(shí)精鍛機(jī)的卡頭夾著料上升） 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(xiāo) 手臂反轉(zhuǎn)（上料機(jī)械手復(fù)位） 立柱回移（回到起始位置） 待料（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)的電磁換向閥，按程序依次步進(jìn)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)采用步進(jìn)選線(xiàn)器，其步進(jìn)動(dòng)作是在每一步動(dòng)作完成后，使行程開(kāi)關(guān)的觸點(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)間繼電器動(dòng)作而發(fā)信，使步進(jìn)器順序“跳步”控制電磁閥的電磁鐵線(xiàn)圈通斷電，使電磁鐵按程序動(dòng)作（見(jiàn)電磁鐵動(dòng)作程序表）實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的自動(dòng)控制。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(xiàn)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(chēng)齒條活塞油缸）。5.5.1 雙作用單桿活塞油缸 圖5-2 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=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)為裝置處的摩擦阻力 P封為密封裝置處的摩擦阻力 P慣為性阻力 P回為回背壓阻力 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 = = 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 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(chēng)齒條活塞油缸） 圖5-3 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封為密封裝置處的摩擦阻力 P慣為慣性阻力 P回為背壓阻力 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，求得 D = （厘米） D = 45mm5.5.3 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(chēng)回轉(zhuǎn)油缸，其計(jì)算簡(jiǎn)圖如下： 圖5-4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 (N·m) 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封為密封裝置處的摩擦阻力矩 M慣為參與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零部件，在啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩 M回為回轉(zhuǎn)油缸回油腔的背反力矩 M = 2.3+0.85+1.22+1.08=5.45 (N·m) 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 = D = 30mm（厘米)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，其中包括各種元件的局部損失和管道的沿程損失。 p泵= 60*10帕 確定油泵的 Q泵 油泵的流量，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)個(gè)回路按設(shè)計(jì)的要求，在工作時(shí)實(shí)際所需的最大流量Q最大，并考慮系統(tǒng)的總泄漏來(lái)確定 Q泵 = K Q最大 其中：K一般取1.101.25 Q泵=53升/分5.5.5 確定油泵電動(dòng)機(jī)功率N 油泵的電動(dòng)功率為 N = （千瓦） 式中 p油泵的最大工作壓力 Q所選油泵的額定流量 油泵總效率N=7.5（千瓦） 第六章 機(jī)械手的控制 控制系統(tǒng)是機(jī)械手的重要組成部分。在某種意義上講，控制系統(tǒng)起著與人腦相似的作用。機(jī)械手的手部、腕部、臂部等的動(dòng)作以及相關(guān)機(jī)械的協(xié)調(diào)動(dòng)作都是通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。主要控制內(nèi)容有動(dòng)作的順序，動(dòng)作的位置與路徑、動(dòng)作的時(shí)間。機(jī)械手要用來(lái)代替人完成某些操作，通常需要具有圖6.1所示的機(jī)能。實(shí)現(xiàn)上述各種機(jī)能的控制方式有多種多樣。機(jī)械手的程序控制方式可分為兩大類(lèi)，即固定程序控制方式和可變程序控制方式。本課題所用的是固定程序控制類(lèi)別的機(jī)械式控制。常用凸輪和杠桿機(jī)構(gòu)來(lái)控制機(jī)械手的動(dòng)作順序、時(shí)間和速度。一般常與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)并用，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，壽命較長(zhǎng)，工作比較可靠。適用于控制程序步數(shù)少的專(zhuān)用機(jī)械手。 裝卸工件 狀別識(shí)別 環(huán)境識(shí)別操作機(jī)能檢測(cè)、識(shí)別機(jī)能 示教機(jī)能 動(dòng)作順序控制機(jī)能運(yùn)動(dòng)控制機(jī)能 圖6-1機(jī)械手的控制功能 第七章 總結(jié) 本課題在研究了工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)和工作原理的問(wèn)題，分析了液壓驅(qū)動(dòng)和機(jī)械控制的基礎(chǔ)上，提出了利用容積式液壓傳動(dòng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為壓力能，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手部、腕部、臂部的運(yùn)動(dòng)，利用凸輪和杠桿機(jī)構(gòu)控制各部件動(dòng)作的速度和位置。其中詳細(xì)分析了各關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)的選用，通過(guò)解決了對(duì)圓盤(pán)類(lèi)、長(zhǎng)軸類(lèi)、不規(guī)則形狀、金屬板類(lèi)工件的自動(dòng)上料、工件翻轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)序等問(wèn)題，達(dá)到了理論結(jié)合實(shí)際、學(xué)以致用的目的。并從中增強(qiáng)了刻苦鉆研的精神，磨礪了耐性，做事情更加的認(rèn)真細(xì)心，考慮更加全面。懂得了團(tuán)隊(duì)合作的重要性，為以后進(jìn)入社會(huì)打下了良好的基礎(chǔ)。