學士學位論文PAGE北華大學學士學位論文摘要本次設計的液壓傳動機械手根據規定的動作順序，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知識，完成對機械手的設計，并繪制必要裝配圖、液壓系統圖、PLC控制系統原理圖。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，當按下連續停止按鈕后，機械手在完成一個動作循環后停止運動。本設計擬開發的上料機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險的作業區進行作業，可抓取重量較大的工件。關鍵詞：機械手；液壓；控制回路；AbstractThedesignofhydraulicdrivemanipulatormovementsundertheprovisionsoftheorder,usethebasictheory,basicknowledgeandrelatedmechanicaldesignexpertisecomprehensivelytocompletethedesign,anddrawingthenecessaryassembly,hydraulicsystemmap,PLCcontrolsystemdiagram.Inthehydraulicdrivebodies,manipulatorarmstretchingusingtelescopictank,rotatingcolumnoftanksusedrack,manipulatormovementsusingtankmovements,thecolumntakesthehorizontalmovementoftanks;ThePLCcontrolcircuitusethetypeofFX2NPLC.Whenpressedforcommencement,,throughthecontrolofthesolenoidvalvetocontroltheswitchmanipulatorcorrespondingmovescycle,afterpresstherowstopbutton,themanipulatorcompleteacycleofactiontostopaftertheholecampaign.Thedesignoftheproposeddevelopmentoftheinformationonthemanipulatorcangraspupinspaceobjects,flexibleandvariedmovements,canreplacetheartificialheatanddangerousoperationconductedoperations,andcangraspthelargerworkpieces.Keywords：ManipulatorHydraulic；ControlLoop；PAGE24目錄第一章緒論 11.1工業機器人簡介 11.2世界機器人的發展 11.3我國工業機器人的發展 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第五章液壓系統的設計 205.1液壓系統簡介 205.2液壓系統的組成 205.3機械手液壓系統的控制回路 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 215.4.1上料機械手的動作順序 225.4.2自動上料機械手液壓系統原理介紹 225.5機械手液壓系統的簡單計算 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N 315.6本章小結 31第六章結論 32致謝 33參考文獻 34北華大學學士學位論文第一章緒論1.1工業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為現實，早在兩千年前就開始出現了自動木人和一些簡單的機械偶人。到了近代，機器人一詞的出現和世界上第一臺工業機器人問世之后，不同功能的機器人也相繼出現并且活躍在不同的領域，從天上到地下，從工業拓廣到農業、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。工業機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅動系統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的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用。機器人并不是在簡單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，既有人對環境狀態的快速反應和分析判斷能力，又有機器可長時間持續工作、精確度高、抗惡劣環境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產物，它是工業以及非產業界的重要生產和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。1.2世界機器人的發展國外機器人領域發展近幾年有如下幾個趨勢：（1）．工業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6.5萬美元。（2）．機械結構向模塊化、可重構化發展。例如關節模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統三位一體化；由關節模塊、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品問市。（3）．工業機器人控制系統向基于PC機的開放型控制器方向發展，便于標網絡化；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境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術在產品化系統中已有成熟應用。（5）．虛擬現實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業環境中的感覺來操縱機器人。（6）．當代遙控機器人系統的發展特點不是追求全自治系統，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構成完整的監控遙控操作系統，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統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我國工業機器人的發展有人認為，應用機器人只是為了節省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發展機器人不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國，社會主義制度的優越性決定了機器人能夠充分發揮其長處。它不僅能為我國的經濟建設帶來高度的生產力和巨大的經濟效益，而且將為我國的宇宙開發、海洋開發、核能利用等新興領域的發展做出卓越的貢獻。我國的工業機器人從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、控制系統硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發出噴漆、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的近30條自動噴漆生產線（站）上獲得規模應用，弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業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：可靠性低于國外產品；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統技術與國外比有差距；在應用規模上，我國已安裝的國產工業機器人約200臺，約占全球已安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規格多、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、可靠性不穩定。因此迫切需要解決產業化前期的關鍵技術，對產品進行全面規劃，搞好系列化、通用化、?；O計，積極推進產業化進程。我國的智能機器人和特種機器人在“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，還開發出直接遙控機器人、雙臂協調控制機器人、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應用上開展了不少工作，有了一定的發展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發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，有重點地系統攻關，才能形成系統配套可供實用的技術和產品，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1.4.1臂力的確定目前使用的機械手的臂力范圍較大，國內現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K一般可在1.5~3，本機械手取安全系數K=2。定位精度為±1mm。1.4.2工作范圍的確定機械手的工作范圍根據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±115°；手臂伸長量150mm；手臂回轉角度±115°；手臂升降行程170mm；手臂水平運動行程100mm；1.4.3確定運動速度機械手各動作的最大行程確定之后，可根據生產需要的工作拍節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規定的時間內完成，具體時間的分配取決于很多因素，根據各種因素反復考慮，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，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：=1\*GB3①給定的運動時間應大于電氣、液壓元件的執行時間；=2\*GB3②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。在滿足工作拍節要求的條件下，應盡量選取較底的運動速度。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，應根據具體情況加以確定。=3\*GB3③在工作拍節短、動作多的情況下，常使幾個動作同時進行。為此驅動系統要采取相應的措施，以保證動作的同步。液壓上料機械手的各運動速度如下：手腕回轉速度V腕回=40°/s手臂伸縮速度V臂伸=50mm/s手臂回轉速度V臂回=40°/s手臂升降速度V臂升=50mm/s立柱水平運動速度V柱移=50mm/s手指夾緊油缸的運動速度V夾=50mm/s1.4.4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。機座式結構多為工業機器人所采用，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。1.4.5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。1.4.6驅動與控制方式的選擇機械手的驅動與控制方式是根據它們的特點結合生產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也有不同的類型。除一些專用機械手外，大多數機械手均需進行專門的控制系統的設計。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，隨著工業的發展，機械手的重要性越來越凸顯成為制約企業的重要因素，國內的企業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，因此自主研發液壓傳動自動上料機械手對整個機械行業發揮著至關重要的作用，最后介紹了此次設計的內容及要求。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，這里采用滑槽杠桿式。2.2設計時應考慮的幾個問題=1\*GB3①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生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。=2\*GB3②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。=3\*GB3③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‘V’形面的手指，以便自動定心。=4\*GB3④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生的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。=5\*GB3⑤應考慮被抓取對象的要求應根據抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數量的不同，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O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OO1和OO2并指向O點，P1和P2的延長線交O1O2于A及B，由于△O1OA和△O2OA均為直角三角形，故。根據銷軸的力平衡條件，即；（2.1）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，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∑m01(F)=0得因所以（2.2）式中a——手指的回轉支點到對稱中心線的距離（毫米）。α——工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，α角增大則握力N也隨之增加，但α角過如果需要完整的設計文章聯系我，V~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、調整等問題。要適應工作環境的需要。另外，通往手腕油缸的管道盡量從手臂內部通過，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腕部回轉運動，結構緊湊、體積小，但密封性差，回轉角度為±115°.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生的慣性力矩必須克服手腕起動時所產生的慣性力矩，手腕的轉動軸與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：（3.1）式中——驅動手腕轉動的驅動力矩——慣性力矩（N.m）——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）對轉動軸線所產生的偏重力矩（N.m）——手腕轉動軸與支承孔處的摩擦力矩（N.m）圖3.2腕部回轉力矩計算圖=1\*GB2⑴摩擦阻力矩摩（3.2）式中——軸承的摩擦系數，滾動軸承取，滑動軸承取f=0.1；、——軸承支承反力（N）；、——軸承直徑（m）由設計知D1=0.035mD2=0.054mN1=800NN2=200NG1=98Ne=0.020時得（N.m）=2\*GB2⑵工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏。。。。。。。。。。。。（）（N.m）（N.m）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，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鹊榷贾苯佑绊憴C械手的工作性能，所以必須根據機械手的抓取重量、運動形式、自由度數、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、內部管路與手腕的連接形式等因素。因此設計臂部時一般要注意下述要求：=1\*GB3①剛度要大為防止臂部在運動過程中產生過大的變形，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。=2\*GB3②導向性要好為防止手臂在直線移動中，沿運動軸線發生相對運動，或設置導向裝置，或設計方形、花鍵等形式的臂桿。=3\*GB3③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。=4\*GB3④運動要平穩、定位精度要高由于臂部運動速度越高、重量越大，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大，運動即不平穩，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，同時要采取一定的緩沖措施。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，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，外形整齊美觀，結構緊湊。可用于抓重大、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4.2.2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，必須采用適當的導向裝置。它根據手臂的安裝形式，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4.3.2所示，在導向桿1的尾端用支承架4將兩個導向桿連接起來，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。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肌豆I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。第五章液壓系統的設計5.1液壓系統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。壓力油經過管道及一些控制調節裝置等進入油缸，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都屬于容積式液壓傳動。5.2液壓系統的組成液壓傳動系統主要由以下幾個部分組成：=1\*GB3①油泵它供給液壓系統壓力油，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工作。=2\*GB3②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）。=3\*GB3③控制調節裝置各種閥類，如單向閥、溢流閥、節流閥、調速閥、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的運動。5.3機械手液壓系統的控制回路機械手的液壓系統，根據機械手自由度的多少，液壓系統可繁可簡，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，如工作壓力的調整、油泵的卸荷、運動的換向、工作速度的調節以及同步運動等。5.3.1壓力控制回路=1\*GB3①調壓回路在采用定量泵的液壓系統中，為控制系統的最大工作壓力，一般都在油泵的出口附近設置溢流閥，用它來調節系統壓力，并將多余的油液溢流回油箱。=2\*GB3②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，節省動力，降低系統的發熱，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溢流閥遙控口卸荷回路。=3\*GB3③減壓回路為了是機械手的液壓系統局部壓力降低或穩定，在要求減壓的支路前串聯一個減壓閥，以獲得比系統壓力更低的壓力。=4\*GB3④平衡與鎖緊回路在機械液壓系統中，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任意位置鎖緊的回路。=5\*GB3⑤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。液壓系統工作時，油泵向系統供應高壓油液，以驅動油缸運動而做功。當一旦電機停止轉動，油泵不再向外供油，系統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，隔斷系統中高壓油液和油泵時間的聯系，從而起到保護油缸的作用。第二是防止空氣混入系統。在停機時，單向閥把系統能夠和油泵隔斷，防止系統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性。5.3.2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，即利用調節節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流調速回路。根據各油泵的運動速度要求，可分別采用LI型單向節流閥、LCI型單向節流閥或QI型單向調速閥等進行調節。節流調速閥的優點是：簡單可靠、調速范圍較大、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，發熱大。采用節流閥進行節流調速時，負荷的變化會引起油缸速度的變化，使速度穩定性差。其原因是負荷變化會引起油缸速度的變化，使速度穩定性差。其原因是負荷變化會引起節流閥進出油口的壓差變化，因而使通過節流閥的流量以至油缸的速度變化。調速閥能夠隨負荷的變化而自動調整和穩定所通過的流量，使油缸的運動速度不受負荷變化的影響，對速度的平穩性要求高的場合，宜用調速閥實現節流調速。5.3.3方向控制回路在機械手液壓系統中，為控制各油缸、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，由電控系統發出電信號，控制電磁鐵操縱閥芯換向，使油缸及油馬達的油路換向，實現直線往復運動和正反向轉動。目前在液壓系統中使用的電磁閥，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液壓系統圖的繪制是設計液壓機械手的主要內容之一。液壓系統圖是各種液壓元件為滿足機械手動作要求的有機聯系圖。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。繪制液壓系統圖的一般順序是：先確定油缸和油泵，再布置中間的控制調節回路和相應元件，以及其他輔助裝置，從而組成整個液壓系統，并用液壓系統圖形符號，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）→插定位銷→手臂前伸→手指張開→手指夾料→手臂上升→手臂縮回→立柱橫移→手腕回轉115°→拔定位銷→手臂回轉115°→插定位銷→手臂前伸→手臂中停（此時立式精鍛機的卡頭下降→卡頭夾料，大泵卸荷）→手指松開（此時精鍛機的卡頭夾著料上升）→手指閉合→手臂縮回→手臂下降→手腕反轉（手腕復位）→拔定位銷→手臂反轉（上料機械手復位）→立柱回移（回到起始位置）→待料（一個循環結束）卸荷。上述動作均由電控系統發信控制相應的電磁換向閥，按程序依次步進動作而實現的。該電控系統的步進控制環節采用步進選線器，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每一步動作的預設停留時間，使時間繼電器動作而發信，使步進器順序“跳步”控制電磁閥的電磁鐵線圈通斷電，使電磁鐵按程序動作（見電磁鐵動作程序表）實現液壓系統的自動控制。5.4.2自動上料機械手液壓系統原理介紹液壓系統原理如圖8所示。該系統選用功率N=7.5千瓦的電動機，帶動雙聯葉片泵YB-35/18，其公稱壓力為帕，流量為35升/分+18升/分=53升/分，系統壓力調節為帕，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速閥（QI-63B、QI-25B、QI-10B）回程節流，因而速度可調，工作平穩。手臂升降油缸支路設置有單向順序閥（XI-63B），可以調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，性能穩定可靠。手臂升降油缸支路設置有單向順序閥（XI-63B），可以調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機械手液壓系統圖在手臂回轉后的定位所用的定位油缸支路要比系統壓力低，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壓力為15—18*10帕，同時還給電液動滑閥（或稱電液換向閥，34DY-63B）來實現，空載卸荷不致使油溫升高。系統的壓力由溢流閥來調節。此系統四個主壓力油路的壓力測量，是通過轉換壓力表開關（K-3B）的位置來實現的，被測量的四個主油路的壓力值，分別從壓力表（Y-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。當電動機啟動，帶動雙聯葉片泵3和8回轉，油液從油箱1中通過網式濾油器2和7，經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1150℃的熱料使光電繼電器發出電信號（或經過人工啟動），經過步進選線器跳步，使機械手開始按程序動作。此時卸荷停止（二位二通電磁閥5和10的電磁鐵斷電），電磁鐵8DT通電，壓力油進到定位油缸的無桿腔進行定位動作。定位后此支油路系統壓力升高，壓力繼電器40發出電信號，經過步進選線器跳步使電磁鐵1DT通電，電液換向閥25從“O”型滑滑機能狀態變成通路，壓力油泵從3和8經單向閥6、14和13，經過電液換向閥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出電信號，經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；并同時發信、跳步，使電磁鐵4DT通電，壓力油從工作油路39經電液換向閥33右邊通道、單向調速閥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，發出電信號經步進選線器跳步，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，經過單向調速閥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，并發出電信號經步進選線器跳步使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，同時亦使8DT斷電，定位油缸復位（拔銷）；壓力繼電器復位，發出電信號。經步進選線器跳步，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；并發出電信號。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發出電信號經發出電信號。經步進選線器跳步，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，手臂的碰鐵碰行程開關，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；并發出電信號、跳步使12DT通電，大泵卸荷，手臂處