摘 要 液壓機械手是模仿人的手部動作 按照給定的程序 軌跡通過液壓系統(tǒng)實現(xiàn)抓取和 搬運操作的自動裝置 本次設(shè)計的五自由度液壓搬運機械手根據(jù)規(guī)定的動作順序 綜合運用所學(xué)的基本理 論 基本知識和相關(guān)的機械設(shè)計專業(yè)知識 完成對機械手的設(shè)計 并繪制必要裝配圖 液壓系統(tǒng)圖 機械手的機械結(jié)構(gòu)采用油缸 螺桿 導(dǎo)向筒等機械器件組成 在液壓傳動 機構(gòu)中 機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)動采用齒 條油缸 機械手的升降采用升降油缸 立柱的橫移采用橫向移動油缸 通過控制電磁閥 的開關(guān)來控制機械手進行相應(yīng)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(shè)計擬開發(fā)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(yè)區(qū)進行作業(yè) 可抓取重量較大的工件 可以改善勞動條件 避免人身事故 可以減少人力 并便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 關(guān)鍵詞 機械手 液壓 控制回路 II Abstract Hydraulic robot mimic is the hand movements which in accordance with a given program the path through the hydraulic system to achieve automatic device to capture and handling operations The design of hydraulic drive manipulator movements under the provisions of the order use the basic theory basic knowledge and related mechanical design expertise comprehensively to complete the design and drawing the necessary assembly hydraulic system map PLC control system diagram Manipulator mechanical structure using tanks screw guide tubes and other mechanical device component In the hydraulic drive bodies manipulator arm stretching using telescopic tank rotating column of tanks used rack manipulator movements using tank movements the column takes the horizontal movement of tanks through the control of the solenoid valve to control the switch manipulator corresponding moves cycle after press the row stop button the manipulator complete a cycle of action to stop after the hole campaign The design of the proposed development of the information on the manipulator can grasp up in space objects flexible and varied movements can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations and can grasp the larger work pieces Can improve working conditions avoid personal accident Can reduce manpower and to facilitate the there are paced the production of Keywords Manipulator Hydraulic Control Loop V 目 錄 摘 要 III ABSTRACT IV 目 錄 V 1 緒論 1 1 1 機械手的基本概念的研究內(nèi)容和意義 1 1 1 1 機械手的基本概念 1 1 1 2 機械手的研究意義 1 1 2 機械手的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用 1 1 2 1 世界機器人發(fā)展狀況 1 1 2 2 我國工業(yè)機器人的發(fā)展 2 1 3 本課題達到的要求 2 2 液壓機械手主要結(jié)構(gòu)的機械設(shè)計 4 2 1 臂力的確定 4 2 2 確定工作范圍 4 2 3 確定運動速度 4 2 4 手臂的配置形式 4 2 5 位置檢測裝置的選擇 5 2 6 驅(qū)動與控制方式的選擇 5 3 手部結(jié)構(gòu) 7 3 1 概述 7 3 2 設(shè)計時應(yīng)考慮的幾個問題 7 3 3 驅(qū)動力的計算 8 3 4 兩支點回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析 9 4 腕部的結(jié)構(gòu) 11 4 1 概述 11 4 2 腕部的結(jié)構(gòu)形式 11 4 3 手腕驅(qū)動力矩的計算 11 5 臂部的結(jié)構(gòu) 14 5 1 臂部概述 14 5 2 手臂直線運動機構(gòu) 14 5 2 1 手臂伸縮運動 14 5 2 2 導(dǎo)向裝置 15 5 2 3 手臂的升降運動 16 5 3 手臂回轉(zhuǎn)運動 17 5 4 手臂的橫向移動 17 5 5 臂部運動驅(qū)動力計算 17 5 5 1 臂水平伸縮運動驅(qū)動力的計算 17 VI 5 5 2 臂垂直升降運動驅(qū)動力的計算 18 5 5 3 臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩的計算 18 6 液壓系統(tǒng)的設(shè)計 20 6 1 液壓系統(tǒng)簡介 20 6 2 液壓系統(tǒng)的組成 20 6 3 機械手液壓系統(tǒng)的控制回路 20 6 3 1 壓力控制回路 20 6 3 2 速度控制回路 21 6 3 3 方向控制回路 21 6 4 機械手的液壓傳動系統(tǒng) 21 6 4 1 上料機械手的動作順序 21 6 4 2 自動上料機械手液壓系統(tǒng)原理介紹 22 6 5 機械手液壓系統(tǒng)的簡單計算 24 6 6 雙作用單桿活塞油缸 24 6 7 無桿活塞油缸 亦稱齒條活塞油缸 27 6 7 3 單葉片回轉(zhuǎn)油缸 27 6 7 4 油泵的選擇 28 6 7 5 確定油泵電動機功率 N 29 7 結(jié) 論 30 致 謝 31 附 錄 33 1 1 緒論 1 1 機械手的基本概念的研究內(nèi)容和意義 1 1 1 機械手的基本概念 液壓機械手 從本質(zhì)上來說是屬于工業(yè)機器人的范圍的 機器人問題是最近幾十年 的熱門研究課題 它包括了機械工程 計算機科學(xué) 電子工程和自動控制以及人工智能 等多種學(xué)科 體現(xiàn)了機電一體化技術(shù)的最新成就 是當代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的范圍之 一 也是我國科技界跟蹤國際高技術(shù)發(fā)展的重要課題 機械手 Machanical Hand 大部分是指附屬于主機 程序固定的自動抓取 操 作裝置 我國一般稱作機械手或?qū)Ｓ脵C械手 比如自動生產(chǎn)線 自動機的上下給料系統(tǒng) 加工中心自動化裝置 1 1 1 2 機械手的研究意義 1 可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度 應(yīng)用機械手有利于在自動生產(chǎn)線中實現(xiàn)材料的傳送 工件的裝卸 刀具的更換 以 及機器的裝配等的自動化程度 從而提高勞動生產(chǎn)率 降低生產(chǎn)成本 2 可以改善勞動條件 避免人身事故 3 可以減少人力 并便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 4 用液壓系統(tǒng)來控制機械手 比一般的機械控制具有更好的穩(wěn)定性 并且控制的精確 度更高 5 運用機械手可以實現(xiàn)連續(xù)的生產(chǎn) 而大大提高在生產(chǎn)線的工作的時間 從而能大幅 提高勞動的生產(chǎn)率 1 2 機械手的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用 機械手的迅速發(fā)展是因為它的積極作用正逐漸被人們所認可 第一 它能部分代替 體力人工操作 第二 它可以按照生產(chǎn)工藝的要求 按照一定的程序 時間和位置來完 成工作的傳送和裝卸 第三 它能操作必要的器具進行焊接和裝配 從而改善人們的勞 動條件 顯著的提高勞動生產(chǎn)率 加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐 因此 各 先進工業(yè)國家都對此十分重視 投入大量的人力物力進行研究和應(yīng)用 尤其在高溫 高 壓 粉壓 噪音以及帶有放射性的污染的場合應(yīng)用得更為廣泛 在我國 近幾年來也有 較快的發(fā)展 并取得一定的效果 受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視 2 1 2 1 世界機器人發(fā)展狀況 國外機器人領(lǐng)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 2 機械結(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 減速機 檢測系統(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 便于標準化 網(wǎng) 絡(luò)化 大大提高了系統(tǒng)的可靠性 易操作性和可維修性 2 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(yīng)用了視覺 力覺等傳感器 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)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真 預(yù)演發(fā)展到用于過程控制 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 使智能機器人走出實驗室進入實用化階段 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(yīng)用的領(lǐng)域 3 1 2 2 我國工業(yè)機器人的發(fā)展 有人認為 應(yīng)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(shè)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(lǐng)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(guān)開始起步 在國家的支持下 通過 七五 八五 科技攻關(guān) 目前已基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù) 控制系 統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù) 運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù) 生產(chǎn)了部分機器人關(guān)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(yīng)用 弧焊機器人已應(yīng)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(shù)及其工程應(yīng)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(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)與國外比有差距 在應(yīng)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(yīng)用戶的要求 一客戶 一次重新設(shè)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(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) 對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃 搞好系統(tǒng)化 通用化 模化設(shè)計 積極 推進使機器人產(chǎn)業(yè)鏈化 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(lǐng)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(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)遙控機器人 智能裝配機器人 機器人化機械等的開發(fā)應(yīng)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(chǔ)上 有重點地系統(tǒng)攻關(guān) 才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品 以期在 十五 后期立于世界先進行列之中 4 1 3 本課題達到的要求 本次設(shè)計的五自由度液壓搬運機械手根據(jù)規(guī)定的動作順序 綜合運用所學(xué)的基本理 論 基本知識和相關(guān)的機械設(shè)計專業(yè)知識 完成對機械手的設(shè)計 并繪制必要裝配圖 液壓系統(tǒng)圖 機械手的機械結(jié)構(gòu)采用油缸 螺桿 導(dǎo)向筒等機械器件組成 在液壓傳動 3 機構(gòu)中 機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)動采用齒 條油缸 機械手的升降采用升降油缸 立柱的橫采用橫向移動油缸機械手在完成一個動 作循環(huán)后停止運動 本論文內(nèi)容包括以下幾個方面 a 對所設(shè)計的液壓機械手機械部分進行闡述 并說明其原理 b 分析實現(xiàn)其功能應(yīng)有的動作 c 對 PLC 選型 給出系統(tǒng)的硬件連接圖 d 繪制電路原理圖 接線圖畫出設(shè)計流程圖 4 2 液壓機械手主要結(jié)構(gòu)的機械設(shè)計 2 1 臂力的確定 目前使用的機械手的臂力范圍較大 我國目前機器人最小臂力為 0 15N 最大為 8000N 本課題設(shè)計的液壓機械手的臂力為 N 臂 1650 N 安全系數(shù)在 1 5 3 本機械 手采取安全系數(shù) 2 定位精度為 1mm 2 2 確定工作范圍 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需 要幾個動作合成 在工作范圍被確定的情況下 可將軌跡分解成幾個單個的動作 由多 個動作的行程來確定機械手的最大行程 確定本機械手的動作范圍如下 手臂伸長量 150mm 手腕回轉(zhuǎn)角度 115 手臂回轉(zhuǎn)角度 115 手臂升降行程 170mm 手臂水平運動行程 100mm 2 3 確定運動速度 機械手各動作的最大行程確定之后 可按照生產(chǎn)需要來分配每個動作的工作時間 從而確定各動作的運動速度 液壓機械手要完成整個工作過程 需完成夾緊工件 手臂 升降 伸縮 平移等一系列的動作 這些動作都應(yīng)該預(yù)訂設(shè)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(fù)進行計算 對分配的方案進行比較 才能確 定 機械手的總工作哦時間應(yīng)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(yīng)考慮以下要求 給定的運動時間應(yīng)大于液壓元件的執(zhí)行時間 在滿足工作拍節(jié)要求的條件下 應(yīng)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(qū)動方式 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 在工作拍節(jié)短 動作多的情況下 常使幾個動作同時進行 采取相應(yīng)的措施來 驅(qū)動系統(tǒng) 來保證運轉(zhuǎn)動作的同步 液壓抓取機械手的各運動速度如下 手腕回轉(zhuǎn)速度 s40 腕 回V 手臂伸縮速度 5m臂 伸v 手臂回轉(zhuǎn)速度 臂 回 手臂升降速度 s臂 伸 立柱水平運動速度 0 住 移 手指夾緊油缸的運動速度 5夾v 5 2 4 手臂的配置形式 機械手的手臂配置形式?jīng)Q定了它的總體布局 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 本機械手采用固定底座式 工業(yè)機器人大多采用基座 式機械手 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(gòu) 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(zhuǎn)運動 工作范圍較大 5 2 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(guān)式 模擬式和數(shù)字式 本機械手采用 行程開關(guān)式 利用行程開關(guān)檢測位置 精度低 所以一般與機械擋塊聯(lián)合應(yīng)用 在機械 手中 用行程開關(guān)與機械擋塊檢測定位既精度高又簡單實用可靠 故應(yīng)用也是最多的 2 6 驅(qū)動與控制方式的選擇 機械手的驅(qū)動與控制方式是根據(jù)它們的特點結(jié)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 控制系統(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(shè)計 驅(qū)動方式一般有四種 氣壓驅(qū)動 液壓驅(qū)動 電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動 6 參考 工業(yè)機器人 表 9 6 和表 9 7 按照設(shè)計要求 本機械手采用的驅(qū)動方式為液 壓驅(qū)動 控制方式為固定程序的 PLC 控制 3 手部結(jié)構(gòu) 3 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(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 只有自身的運動將物體包住 因此 手部結(jié)構(gòu)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(zhì)以及被抓取部位等的不同而設(shè) 計各種類型的手部結(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)由手指和傳力機構(gòu)組成 其傳力機構(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 3 2 設(shè)計時應(yīng)考慮的幾個問題 應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)按最大直徑的工件考慮 6 應(yīng)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(yīng)的手指形狀 例如圓柱形工件采用帶 V 形面的手指 以便自動定心 應(yīng)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(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡 單緊湊 自重輕 應(yīng)考慮被抓取對象的要求 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)計和確定手指的形狀 3 3 驅(qū)動力的計算 滑槽式手部結(jié)構(gòu) 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 AOC BOC 根據(jù)銷軸的力平衡條件 即 0 Fx21p 0Fy cos 3 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(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 得0 1 FmNbhp 因為 cos a 所以 abp cos22 3 2 式中 a 手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心線的距離 毫米 工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點連線間的夾角 由上式可知 當驅(qū)動力 P 一定時 角增大則握力 N 也隨之增加 但 角過大會導(dǎo) 致拉桿 即活塞 的行程過大 以及手指滑槽尺寸長度增大 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)簡單 具有動作靈活 手指開閉角大等特點 查 工業(yè)機械手設(shè)計基 礎(chǔ) 7 中表 2 1 可知 V 形手指夾緊圓棒料時 握力的計算公式 N 0 5G 綜合前面驅(qū)動 力的計算方法 可求出驅(qū)動力的大小 為了考慮工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力 振動 以及傳力機構(gòu)效率的影響 其實際的驅(qū)動力 P 實際應(yīng)按以下公式計算 即 pk21 實 際 3 3 式中 手部的機械效率 一般取 0 85 0 95 K1 安全系數(shù) 一般取 1 2 2 7 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 K2 1 a g 其中 a 為被抓取工件運動時的最大加速度 g 為重力加速度 本機械手的工件只做水平和垂直平移 當它的移動速度為 500 毫米 秒 移動加速度為 1000 毫米 秒 工件重量 G 為 98 牛頓 V 型鉗口的夾角為 120 30 時 拉緊油缸的驅(qū) 動力 P 和 P 實際計算如下 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量夾緊力計算 公式 GN5 0 3 4 把已知條件代入得當量夾緊力為 49N 由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力計算公式 得 abp cos22 3 5 P P 計算 5 1249 30 cos7 452N P 實際 P 計算 1K 取 85 0 1k 98 02 則 實 際 N3 5 p 3 4 兩支點回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析 鉗口與鉗爪的連接點 E 為鉸鏈聯(lián)結(jié) 如圖示幾何關(guān)系 若設(shè)鉗爪對稱中心 O 到工件中心 O 的距離為 x 則 22 sin XabRl 3 6 當工件直徑變化時 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 其最大定位誤差為 22 sinmax abRl 2 sinm abl 3 7 其中 l 45mm b 5mm a 27mm 10 15i R30 x 代入公式計算得最大定位誤差 44 2 44 7 0 5 0 8 所以是符合要求 3 5 本章小結(jié) 本章闡述了液壓機械手手部在設(shè)計時需要注意的問題 計算出驅(qū)動力 分析了回轉(zhuǎn) 式抓手的定位誤差 4 腕部的結(jié)構(gòu) 4 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)計腕部時要注意以下幾點 8 結(jié)構(gòu)緊湊 重量盡量輕 轉(zhuǎn)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(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 以便手腕轉(zhuǎn)動時管路不扭轉(zhuǎn)和不 外露 使外形整齊 8 4 2 腕部的結(jié)構(gòu)形式 本機械手采用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動實現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)運動 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(zhuǎn)油缸的 兩腔分別通入壓力油時 驅(qū)動動片連同夾緊油缸缸體和指座一同轉(zhuǎn)動 即為手腕的回轉(zhuǎn) 運動 4 3 手腕驅(qū)動力矩的計算 驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動的重心與軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩 手腕轉(zhuǎn)動時所需要的驅(qū)動力矩可按下式計算 摩偏慣驅(qū) N mM 4 1 式中 M 驅(qū) 驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩 M 慣 慣性力矩 N m M 偏 參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量 包括工件 手部 手腕回轉(zhuǎn)缸體的動片 對轉(zhuǎn)動軸線 所產(chǎn)生的偏重力矩 N m M 摩 手腕轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦力矩 N m 摩擦阻力矩 M 摩 摩 mN2D1f 4 2 式中 f 軸承的摩擦系數(shù) 滾動軸承取 f 0 02 滑動軸承取 f 0 1 N1 N2 軸承支承反力 N D1 D2 軸承直徑 m 由設(shè)計知 時D035 1 m04 2801 20NG981 02 e 54 3M 摩 4 3 得 摩 N 9 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩 M 偏 偏 mNG1e 4 4 式中 G1 工件重量 N e 偏心距 即工件重心到碗回轉(zhuǎn)中心線的垂直距離 當工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心 線重合時 M 偏為零 當 e 0 020 G 98N 時 偏 N1 96M 腕部啟動時的慣性阻力矩 M 慣 當知道手腕回轉(zhuǎn)角速度 時 可用下式計算 M 慣 工 件 慣 mtj 4 5 式中 手腕回轉(zhuǎn)角速度 1 s T 手腕啟動過程中所用時間 s 假定啟動過程中近為加速運動 J 手腕回轉(zhuǎn)部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 kg m 2 J 工件 工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 kg m 按已知計算得 J 2 5 J 工件 6 25 0 3m m t 2 2 故 M 慣 1 3 N m 當知道啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度 時 也可以用下面的公式計算 M 慣 工 件 慣 N2j 4 6 式中 啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度 rad 手腕回轉(zhuǎn)角速度 1 s 考慮到驅(qū)動缸密封摩擦損失等因素 一般將 M 取大一些 可取 摩偏慣 mN 2 1 4 7 6 93 251 M 10 5 臂部的結(jié)構(gòu) 5 1 臂部概述 臂部是機械手的主要執(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 因而一般機械手的手臂有三個自由度 即手臂的伸縮 左右回轉(zhuǎn) 和升降運動 手臂的回轉(zhuǎn)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(qū)動機構(gòu)和各種傳動機構(gòu)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(jié)構(gòu) 工作范 圍 靈活性以及抓重大小 即臂力 和定位精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(shè) 計手臂的結(jié)構(gòu)型式 同時 設(shè)計時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(dǎo)向桿 用工字鋼和槽鋼作支承板 導(dǎo)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(shè)置導(dǎo) 向裝置 或設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)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 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(yīng)盡量減少小臂部運 動部分的重量 使結(jié)構(gòu)緊湊 重量輕 同時要采取一定的緩沖措施 9 11 5 2 手臂直線運動機構(gòu) 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(fù)直線運動的 機構(gòu)形式比較多 常用的有活塞油 氣 缸 活塞缸和齒輪齒條機構(gòu) 絲桿螺母機構(gòu)以 及活塞缸和連桿機構(gòu) 10 5 2 1 手臂伸縮運動 這里實現(xiàn)直線往復(fù)運動是采用液壓驅(qū)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(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(fù)直線運動 導(dǎo)向桿 3 在導(dǎo)向套 4 內(nèi)移動 以防止 手臂伸縮時的轉(zhuǎn)動 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 力簡單 傳動平穩(wěn) 外形整齊美觀 結(jié)構(gòu)緊湊 可用于抓重大 行程較長的場合 5 2 2 導(dǎo)向裝置 液壓驅(qū)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(zhuǎn) 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(shè)計手臂的結(jié)構(gòu)時 必須采用適當?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 同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)盡量減少運動部件的重量 和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量 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 本機械手采用的是雙導(dǎo)向桿導(dǎo)向機構(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 5 1 所示 對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 5 2 所示 在導(dǎo)向桿 1 的尾端用 支承架 4 將兩個導(dǎo)向桿連接起來 支承架的兩側(cè)安裝兩個滾動軸承 2 當導(dǎo)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 5 2 3 手臂的升降運動 手臂的升降運動機構(gòu) 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(zhuǎn)軸上 由活塞桿帶動套筒 3 做升降運動 其導(dǎo)向作用靠立柱的平鍵 8 實現(xiàn) 5 3 手臂回轉(zhuǎn)運動 實現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)形式是多種多樣的 常用的有回轉(zhuǎn)缸 齒輪傳動機構(gòu) 鏈 輪傳動機構(gòu) 連桿機構(gòu)等 本機械手采用齒條缸式臂回轉(zhuǎn)機構(gòu) 如圖 7 所示 回轉(zhuǎn)運動 由齒條活塞桿 7 驅(qū)動齒輪 帶動配油軸和缸體一起轉(zhuǎn)動 再通過缸體上的平鍵 8 帶動外 套一起轉(zhuǎn)動實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn) 12 5 4 手臂的橫向移動 如圖 5 4 手臂的橫向移動機構(gòu) 手臂的橫向移動是由活塞缸 5 來驅(qū)動的 回轉(zhuǎn)缸體與 滑臺 1 用螺釘聯(lián)結(jié) 活塞桿 4 通過兩塊連接板 3 用螺釘固定在滑座 2 上 當活塞缸 5 通 壓力油時 其缸體就帶動滑臺 1 沿著燕尾形滑座 2 做橫向往復(fù)運動 5 5 臂部運動驅(qū)動力計算 計算臂部運動驅(qū)動力 包括力矩 時 要把臂部所受的全部負荷考慮進去 機械手 工作時 臂部所受的負荷主要有慣性力 摩擦力和重力等 11 5 5 1 臂水平伸縮運動驅(qū)動力的計算 手臂做水平伸縮運動時 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 還要克服啟動過程中的慣性力 其驅(qū)動力 Pq 可按 下式計算 NFmg pq 5 1 式中 Fm 各支承處的摩擦阻力 Fg 啟動過程中的慣性力 其大小可按下式估算 NagWF 5 2 式中 W 手臂伸縮部件的總重量 N g 重力加速度 9 8m s 2 a 啟動過程中的平均加速度 m s 2 而 2smtva 5 3 v 速度變化量 如果手臂從靜止狀態(tài)加速到工作速度 V 時 則這個過程的速度 變化量就等于手臂的工作速度 t 啟動過程中所用的時間 一般為 0 01 0 5s 當 Fm 80N W 1098 N V 500mm s 時 192805 9180NPq 5 5 2 臂垂直升降運動驅(qū)動力的計算 手臂作垂直運動時 除克服摩擦阻力 Fm 和慣性力 Fg 之外 還要克服臂部運動部件 的重力 故其驅(qū)動力 Pq 可按下式計算 NWFmpgq 5 4 式中 Fm 各支承處的摩擦力 N Fg 啟動時慣性力 N 可按臂伸縮運動時的情況計算 13 W 臂部運動部件的總重量 N 上升時為正 下降時為負 當 Fm 40N Fg 100N W 1098N 時 1238094NPq 5 5 3 臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩的計算 臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩應(yīng)根據(jù)啟動時產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩 來計算 由于啟動過程一般不是等加速度運動 故最大驅(qū)動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)動力矩 Mq 可按下式計算 3 1mNMgq 5 5 式中 Mm 各支承處的總摩擦力矩 Mg 啟動時慣性力矩 一般按下式計算 tjg 5 6 式中 J 手臂部件對其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 kg m 2 回轉(zhuǎn)手臂的工作角速度 rad s t 回轉(zhuǎn)臂啟動時間 s 當 Mm 84 N m 32 08mNMg 8 1506 q 5 7 對于活塞 導(dǎo)向套筒和油缸等的轉(zhuǎn)動慣量都要做詳細計算 因為這些零件的重量較 大或回轉(zhuǎn)半徑較大 對總的計算結(jié)果影響也較大 對于小零件則可作為質(zhì)點計算其轉(zhuǎn)動 慣量 對其質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量忽略不計 對于形狀復(fù)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(zhì)點計算 可以參考 工業(yè)機器人 12 表 4 1 6 液壓系統(tǒng)的設(shè)計 6 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(zhì) 電動機帶動油泵輸 出壓力油 是將電動機供給的機械能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān) 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(tǒng)都屬于容積式液 壓傳動 12 14 6 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(zhuǎn)換為油液的壓力能 用這壓力油驅(qū)動整個液壓系統(tǒng)工作 液動機 壓力油驅(qū)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(zhuǎn)運動的液動機一般叫作油馬達 回轉(zhuǎn)角小于 360 的液動機 一般叫 作回轉(zhuǎn)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的運動 14 6 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 6 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(shè)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(gòu)因自重而任意下降 可 采用平衡回路將垂直機構(gòu)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(guān)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(yīng)高壓油液 以驅(qū)動油缸運動而做功 當一旦電機停止轉(zhuǎn)動 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 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 13 6 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(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 15 15 根據(jù)各油泵的運動速度要求 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 6 3 3 方向控制回路 在機械手液壓系統(tǒng)中 為控制各油缸 馬達的運動方向和接通或關(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(fù)運動和正反向轉(zhuǎn)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 13 6 4 機械手的液壓傳動系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)圖的繪制是設(shè)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 14 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(yīng)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 6 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(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(zhuǎn) 手 腕復(fù)位 拔定位銷 手臂反轉(zhuǎn) 上料機械手復(fù)位 立柱回移 回到起始位置 待料 一個循環(huán)結(jié)束 卸荷 上述動作均由電控系統(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(guān)的觸點閉合或依據(jù)每一步動作的預(yù)設(shè)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斷電 使電磁鐵按程序動作 見電磁鐵動作程 16 序表 實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的自動控制 6 4 2 自動上料機械手液壓系統(tǒng)原理介紹 該系統(tǒng)選用功率 N 7 5 千瓦的電動機 帶動雙聯(lián)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 分 系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)為 30 10 帕 油箱容積選5 5 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(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(zhuǎn) 手臂橫向移動和手腕回轉(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 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 同時還給電液動滑閥5 或稱電液換向閥 34DY 63B 來實現(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)四個主壓力油路的壓力測量 是通過轉(zhuǎn)換壓力表開關(guān) 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 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(jié)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(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(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(dǎo)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(guān)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(jié)束時 3DT 斷電 手指夾緊料 17 并同時發(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 的單向閥進入手臂升降油缸的下腔 推動 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(gòu)上的碰鐵碰到行程開關(guān) 使 13DT 斷電 并發(fā)出電信號經(jīng)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(diào)速閥 19 的單向閥進入手腕回轉(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 型滑閥機能狀態(tài) 同時亦使 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 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(zhuǎn)油缸 一腔使手臂回轉(zhuǎn) 115 當手臂的回轉(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 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 跳步使 12DT 通電 大泵卸荷 手臂處于 中停 位置 同時發(fā)出電信號使立式精 鍛機啟動 夾頭下降 行程開關(guān)發(fā)信 通過時間繼電器使夾頭閉合將棒料夾牢 精鍛機 電控系統(tǒng)發(fā)信 給機械手電控系統(tǒng) 經(jīng)過選線器跳步 時間繼電器延時使 3DT 通電 機 械手手指松開 同時 精鍛機的電控系統(tǒng)發(fā)信使夾頭提升 延時到 3DT 斷電 手指閉合 并發(fā)出電信號 步選器跳步 2DT 通電 手臂縮回 當手筆碰鐵碰到行程開關(guān)時 2DT 斷電 手臂縮回停 并發(fā)出電信號和跳步 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 的單向閥進到升降缸的上腔 使手臂下降 當升降導(dǎo)套上的 碰鐵碰行程開關(guān)時 5DT 斷電 手臂下降停 并發(fā)出電信號和跳步 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 跳步 使 8DT 斷電 拔定位銷 壓力繼電器復(fù)位發(fā)出電信號 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 的單向閥進入手臂回轉(zhuǎn)油缸的另一腔 使手臂反轉(zhuǎn) 115 機 械手復(fù)位 當手臂上的回轉(zhuǎn)碰鐵碰行程開關(guān)時 10DT 斷電 并發(fā)出信號 跳步 使 14DT 通電 立柱回移 回到原位 機械手回到原來位置 步進選線器跳步 使 11DT 和 12DT 通電 兩個油泵同時卸荷 機械手的動作循環(huán)結(jié)束 15 6 5 機械手液壓系統(tǒng)的簡單計算 計算的主要內(nèi)容是 根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)所要求的輸出力和運動速度 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 動機的功率 確定各個控制閥的通流量和壓力以及輔助裝置的某些參數(shù)等 在本機械手中 用到的油缸有活塞式油缸 往復(fù)直線運動 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)運動 及無桿活塞油缸 亦稱齒條活塞油缸 18 6 6 雙作用單桿活塞油缸 作用單桿活塞桿油缸計算簡圖 6 2 如下 Q1 Q2 F1 V2 V1 F2 圖 6 2 作用單桿活塞桿油缸計算簡圖 流量 驅(qū)動力的計算 當壓力油輸入無桿腔 使活塞以速度 V1 運動時所需輸入油缸的流量 Q1 為 1402VDQ 6 1 對于手臂伸縮油缸 Q1 0 98cm s 對于手指夾緊油缸 Q1 1 02 cm s 對于手臂3 3 升降油缸 Q1 0 83 cm s 3 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)動力為 plDP241 6 2 對于手臂伸縮油缸 p1 196N 對于手指夾緊油缸 p1 126N 對于手臂升降油缸 p1 320N 當壓力油輸入有桿腔 使活塞以速度 V2 運動時所需輸入油缸的流量 Q2 為 2 422VdDQ 6 3 對于手臂伸縮油缸 Q1 0 87cm s 對于手指夾緊油缸 Q1 0 96 cm s 對于手3 3 臂升降油缸 Q1 0 72 cm s 3 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)動力為 19 pldDp 422 6 4 對于手臂伸縮油缸 p1 172N 對于手指夾緊油缸 p1 108N 對于手臂升降油缸 p1 305N 計算作用在活塞上的總機械載荷 機械手手臂移動時 作用在機械手活塞上的總機械載荷 P 為 回慣導(dǎo)工 P P 6 5 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)徑的計算 油缸工作時 作用在活塞上的合成液壓力即驅(qū)動力與活塞桿上所 受的總機械載荷平衡 即 有 桿 腔 無 桿 腔 P2P1p 6 6 油缸 即活塞 的直徑可由下式計算 厘米 無桿腔 p1 34D 6 7 對于手臂伸縮油缸 D 50mm 對于手指夾緊油缸 D 30mm 對于手臂升降油缸 D 80mm 對于立柱橫移油缸 D 40mm 或 D 厘米 有桿腔 14 2Pd 6 8 油缸壁厚的計算 依據(jù)材料力學(xué)薄壁筒公式 油缸的壁厚 可用下式計算 厘米 2計p 6 9 P 計 為計算壓力 油缸材料的許用應(yīng)力 對于手臂伸縮油缸 6mm 對于手指夾緊油缸 17mm 對于手臂升降油 缸 16mm 對于立柱橫移油缸 17mm 20 活塞桿的計算 可按強度條件決定活塞直徑 d 活塞桿工作時主要承受拉力或壓力 因此活塞桿的 強度計算可近似的視為直桿拉 壓強度計算問題 即 42dp 6 10 即 厘米 p 6 11 對于手臂伸縮油缸 d 30mm 對于手指夾緊油缸 d 15mm 對于手臂升降油缸 d 50mm 對于立柱橫移油缸 d 16mm 6 7 無桿活塞油缸 亦稱齒條活塞油缸 圖 6 3 條活塞缸計算簡圖 流量 驅(qū)動力的計算 Q 6 12 13 2 dD 當 D 103mm d 40mm 0 95 rad s 時 Q 952N 作用在活塞上的總機械載荷 P 6 13 回慣封工 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 21 P 回 背壓阻力 P 66 108 208 382 N 油缸內(nèi)徑的計算 根據(jù)作用在齒條活塞上的合成液壓力即驅(qū)動力與總機械載荷的平衡條件 求得 D 厘米 6 14 p 4 D 45mm 6 7 3 單葉片回轉(zhuǎn)油缸 在液壓機械手上實現(xiàn)手腕 手臂回轉(zhuǎn)運動的另一種常用機構(gòu)是單葉片回轉(zhuǎn)油缸 簡 稱回轉(zhuǎn)