3608 臥式加工中心換刀機械手的設(shè)計,臥式,加工,中心,機械手,設(shè)計 1臥式加工中心換刀機械手的設(shè)計1 機械手的介紹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)楝F(xiàn)實，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(lǐng)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(yīng)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(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)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(shè)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(zhì)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(yīng)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(wù)性設(shè)備，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。 1.2 世界機器人的發(fā)展國外機器人領(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，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(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(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；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(yīng)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(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制；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，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。（6） ．當(dāng)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(gòu)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(yīng)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(yīng)用的領(lǐng)域。1.3 我國工業(yè)機器人的發(fā)展有人認(rèn)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”2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(dāng)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，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)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(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。1.4 我需要設(shè)計的機械手，1.4.1 臂力確定國內(nèi)目前使用的機械手的臂力范圍較大，現(xiàn)有的機械手的臂力最小為 0.15N，最大為 8000N。本機械手的臂力為 N 臂 =1650（N） ，安全系數(shù) k 般可在 1.5~3，本機械手取安全系數(shù) k=2。定位精度為±1mm。1.4.2 工作范圍確定本機械手的工作范圍需要根據(jù)工藝要求和操作運動的軌跡去確定。一個操作運動的軌跡是由幾個動作的合成，在確定工作范圍時，可將軌跡分解成若干個單個的動作，由單個動作的行程來確定機械手最大行程。此機械手動作范圍確定如下：手腕回轉(zhuǎn)角度=±115°；手臂伸長量=150mm；手臂回轉(zhuǎn)角度=±115° ；手臂升降行程=170mm；手臂水平運動行程=100mm；1.4.3 確定各運動速度機械手的各動作的最大行程確定以后，可以根據(jù)生產(chǎn)需要分配每個動作的時間，進而來確定各動作運動速度。機械手要完成整個過程，需完成夾緊工件，手臂升降，伸縮，回轉(zhuǎn)，平移等一系列動作，這些動作都應(yīng)該在規(guī)定的時間內(nèi)完成。具體時間分配取決于很多因素，根據(jù)對各種因素反復(fù)考慮，對分配的方案進行反復(fù)比較才能確定。機械手的總動作的時間應(yīng)小于或等于工作拍節(jié)，如果需要兩個動作同時進行，要按時間長的去計算，分配各動作的時間應(yīng)考慮以下要求：① 給定運動的時間應(yīng)大于電氣或液壓元件的執(zhí)行時間；② 伸縮運動，速度要大于回轉(zhuǎn)運動速度，因為回轉(zhuǎn)運動的慣性一般會大于伸縮運動的慣性。在滿足于工作拍節(jié)要求的條件下，應(yīng)該盡量去選取較底的運動速度。機械手運動的速度與臂力，行程，驅(qū)動方式，緩沖方式，定位方式之間都有很大關(guān)系，應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析。③ 在工作拍節(jié)短的、動作多的情況下，常需要幾個動作同時進行。因此驅(qū)動系統(tǒng)要采取相應(yīng)措施，以此來保證動作同步。3機械手的各運動速度如下：手腕的回轉(zhuǎn)速度 v 腕回 = 40°/s；手臂的伸縮速度 v 臂伸 = 50 mm/s；手臂的回轉(zhuǎn)速度 v 臂回 = 40°/s；手臂的升降速度 v 臂升 = 50 mm/s；立柱的水平運動速度 v 柱移 = 50 mm/s；手指夾緊油缸運動速度 v 夾 = 50 mm/s；1.4.4 手臂配置形式機械手的手臂的配置形式基本上能反映它的總體布局。運動要求，操作環(huán)境。工作對象的不同，手臂的配置形式也大不相同。本機械手采用的是機座式。機座式得結(jié)構(gòu)多被工業(yè)機器人采用，機座上可裝上獨立的控制設(shè)備，便于搬運和安放，機座底部也可以安裝行走設(shè)備，用已擴大機械的活動范圍，分為 1.手臂配置在機座頂部,，2.手臂配置在機座立柱上兩種形式，本機械手主要采用手臂配置在機座的立柱上的形式。手臂配置在機座立柱上的機械手大多為圓柱坐標(biāo)型，它有升降、伸縮與回轉(zhuǎn)運動，工作范圍比較大。1.4.5 位置的檢測裝置的選擇機械手常用位置檢測方式主要有三種：1.行程開關(guān)式、2.模擬式,3.數(shù)字式。本機械手主要采用行程開關(guān)式。利用行程開去關(guān)檢測位置，精度較低，一般需要與機械擋塊聯(lián)合應(yīng)用。在機械手中，采用行程開關(guān)與機械擋塊檢測定位不但精度高而且簡單實用可靠，故也是應(yīng)用最多的。1.4.6 驅(qū)動與控制方式選擇機械手的驅(qū)動與控制方式是根據(jù)它們的特點，結(jié)合生產(chǎn)工藝要求來選擇的，需要要盡量去選擇控制性能好、體積小、維修方便、成本底的方式。控制系統(tǒng)也有許多不同的類型。除了一些專用機械手以外，大多數(shù)的機械手均需要進行專門控制系統(tǒng)的設(shè)計。驅(qū)動的方式一般有四種：氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。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。2 手部的結(jié)構(gòu)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(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。2.2 設(shè)計時應(yīng)考慮的幾個問題①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。②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。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)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形4狀。例如圓柱形工件采用帶‘V’形面的手指，以便自動定心。④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。⑤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。2.3 驅(qū)動力的計算 1 手指 ， 2.銷軸 ， 3.拉桿 ， 4.指座圖 1 滑槽杠桿式手部受力分析如圖所示為滑槽式的手部結(jié)構(gòu)。在 3 拉桿作用下 2 銷軸向上的拉力為 P，并通過銷軸的中心 O點，兩手指 1 滑槽對銷軸反作用力為 P1、P 2，力的方向是垂直于滑槽中心線 OO1 和 OO2 并且指向 O 點，P 1 和 P2 延長線交 O1O2 于 A 及 B，因為△ O1OA 和△ O2OA 均為直角三角形，所以∠AOC=∠BOC=α。 根據(jù)銷軸力平衡的條件，即 ∑Fx=0, P1=P2; ∑Fy=0P=2P1cosα；P1=P/2cosα；銷軸對手指的用力為 p1′。手指握緊工件時所需力稱為握力（即夾緊力） ，假設(shè)握力作用在手5指與工件接觸面的對稱平面內(nèi)，并設(shè)兩力大小相等，方向相反，用 N 表示。通過手指的力矩平衡條件，即 ∑m01(F)=0 得；P1′h=Nb；又因 h=a/cosα ；所以 P=2b(cosα) N/a；2式中 a——手指回轉(zhuǎn)的支點到對稱中心線的距離（mm ） 。α——工件被夾緊時手指滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)的支點連線間的夾角。由上式可得，當(dāng)驅(qū)動力 P 一定時，α 角增大時則握力 N 也隨之增加，但 α 角過大則會導(dǎo)致拉桿的行程過大，及手指滑槽尺寸長度增大，使其結(jié)構(gòu)增大，所以，一般取 α=30°~40°。在這里取角α=30。這種手部的結(jié)構(gòu)比較簡單，且具有動作靈活，手指餓開閉角大等特點。查《工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ)》中表 2-1 可知，V 形手指在夾緊圓棒料時，握力的計算公式 N=0.5G，綜合前面的驅(qū)動力計算方法，可以求出驅(qū)動力的大小?？紤]工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力、振動及傳力機構(gòu)的效率的影響，實際的驅(qū)動力 P 應(yīng)按以下公式計算，即：P 實際 =PK1K2/η；式中 η——手部機械效率，一般取 0.85~0.95；K1——安全系數(shù)，一般取 1.2~2；K2——工作情況的系數(shù)，主要考慮慣性力影響，K 2 可以近似的按下式去估計，K 2=1+a/g，其中 a 為被抓取工件在運動時的最大加速度，g 為重力加速度。此次設(shè)計的機械手的工件只需要做水平和垂直平移，當(dāng)它移動速度為 500 毫米/秒時，移動的加速度為 1000 毫米/秒 ，工件的重量 G 為 98 牛頓，V 型鉗口夾角為 120°,α=30°時，拉緊油缸驅(qū)動2力 P 和 P 實際計算如下：根據(jù)鉗爪夾的持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置工件的當(dāng)量夾緊力計算公式N=0.5G；把已知的條件代入公式得當(dāng)量夾緊力為N=49（N） ；由滑槽杠桿式的結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力計算公式P=2b(cosα) 2N/a 得；P=P 計算=2*45/27(cos30°) 2*49=122.5(N)；P 實際=P 計算 K1K2/η；取 η=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/9810≈1.1；則 P 實際=122.5*1.5*1.1/0.85=238(N)；3 腕部結(jié)構(gòu)3.1 概述腕部是連接手部與臂部的構(gòu)件，主要起支承手部的作用。設(shè)計腕部的時候要注意以下幾點：① 結(jié)構(gòu)要緊湊，重量要盡量輕。② 轉(zhuǎn)動需靈活，密封性要好。③ 注意解決好腕部與手部、臂部的連接，及各個自由度的位置檢測、管線的布置，潤滑、6維修，調(diào)整等各方面的問題 ④ 要適應(yīng)工作環(huán)境需要。 另外，通往手腕油缸的管道應(yīng)盡量從手臂的內(nèi)部通過，方便便手腕轉(zhuǎn)動的時候管路不扭轉(zhuǎn)和不外露，防止管路損壞。3.2 腕部結(jié)構(gòu)形式本機械手時采用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動實現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運動，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，但密封性較差，回轉(zhuǎn)角度為±115°；如下圖所示為腕部結(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的缸體用鍵連接。夾緊缸體固連成一體。當(dāng)回轉(zhuǎn)油缸兩腔分別通入壓力時，驅(qū)動動片連同夾緊油缸的缸體和指座一同轉(zhuǎn)動，為手腕回轉(zhuǎn)運動。圖 3 機械手的腕部結(jié)構(gòu)3.3 手腕的驅(qū)動力矩計算驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時驅(qū)動力矩必須克服手腕起動所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處摩擦阻力矩，定片、動片與缸徑、定片、端蓋等密封裝置的摩擦阻力矩及由轉(zhuǎn)動的重心與軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。手腕轉(zhuǎn)動時所需要驅(qū)動力矩可以按下式計算：M 驅(qū) =M 慣 +M 偏 +M 摩 （N.m） ；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)動軸線產(chǎn)生的偏重力矩 （N.m） ； M 摩 ——手腕轉(zhuǎn)動軸與支承孔處摩擦力矩 （N.m） ； ⑴ 摩擦的阻力矩 M 摩M 摩 = （N1D1+N2D2） （N.m） ； f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 ——軸承的支承反力 （N ） ；7D1 、D2 ——軸承的直徑（m）由設(shè)計得 D1=0.035m， D2=0.054m， N1=800N， N2=200N， G1=98N ， e=0.020 時M 摩 =0.1*（200*0.035+800*0.054）/2；得 M 摩 =2.51（N.m） ；⑵ 工件的重心偏置力矩引起的偏置力矩 M 偏；M 偏 =G1 e （N.m） ； 式中 G1——工件的重量（N） ；e——偏心距（即工件重心到碗回轉(zhuǎn)中心線垂直距離） ，當(dāng)工件重心與手腕回轉(zhuǎn)的中心線重合時，M 偏為 0當(dāng) e=0.0200，G1=98N 時；M 偏 =1.96 （N·m ） ； ⑶ 腕部啟動時慣性阻力矩 M 慣 ① 當(dāng)知道手腕回轉(zhuǎn)角的速度 時，可按下式計算 M 慣；?M 慣 =（J+J 工件） （N·m） ； t式中 ——手腕回轉(zhuǎn)角的速度 （1/s ）T——手腕啟動餓過程中所用時間（s） ，J——手腕回轉(zhuǎn)部件對回轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動慣量（kg·m ） ；2J 工件——工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動慣量 （kg·m ） ；按已知計算可得 J=2.4 J 工件 =6.24 =0.25m/ m t=2?2故 M 慣 = 1.4（N·m） ；② 當(dāng)知道啟動的過程所轉(zhuǎn)過角度 時，也可用下面公式計算 M 慣：?8M 慣=（J+J 工件） （N·m） ；??2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)動缸密封摩擦的損失等因素，一般需要將 M 取大一些，可取M =1.1∽1.2 （M 慣+M 偏+M 摩 ） （N.m） ；M = 1.2*（2.5+1.96+1.3） =6.9 （N.m） ； 4 臂部結(jié)構(gòu)4.1 概述臂部是機械手主要的執(zhí)行部件，它的作用是支承手部和腕部，并且將被抓取的工件傳送到指定的位置和方位上，一般機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右的回轉(zhuǎn)和升降的運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降的運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱橫向移動為手臂的橫向移動。手臂各種運動通常由驅(qū)動機構(gòu)以及各種傳動機構(gòu)實現(xiàn)，所以，它不僅僅承受被抓取的工件的重量，而且承受手部，手腕，和手臂自身的重量。手臂結(jié)構(gòu)、工作的范圍、靈活性及臂力和定位精度等都會直接影響到機械手的工作性能，所以，必須要根據(jù)機械手抓取重量、自由度數(shù)、運動形式、運動速度及其定位精度的要求來設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)型式。同時，設(shè)計時必須要考慮到手臂受力情況、油缸及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕連接形式等個方面因素。因此一般要注意下述要求：① 剛度要大 ， 為了防止臂部在運動的過程中產(chǎn)生過大變形，手臂的截面的形狀選擇要合理。弓字形截面彎曲剛度一般比圓截面要大，空心管的彎曲剛度和扭曲剛度都比實心軸大。所以常用鋼管作臂桿以及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼來作支承板。② 導(dǎo)向性能要好 為了防止手臂在直線移動的過程中，沿運動軸線發(fā)生相對運動，或著設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計方形、花鍵等形式臂桿。③ 偏重力矩要小 所謂偏重力矩就是指臂部重量對其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的靜力矩。為了提高機器人的運動速度，需要盡量減少臂部運動部分的重量，以此來減少偏重力矩和整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。④ 運動要平穩(wěn)，定位精度要高 應(yīng)為臂部運動速度越高、重量越大，慣性力引起的定位前的沖擊越大，運動即不平穩(wěn)，定位精度也不會太高。所以應(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，同時需要采取一定的緩沖措施。4.2 手臂直線運動機構(gòu)機械手手臂的伸縮、升降及橫向移動都屬于直線運動，而實現(xiàn)手臂往復(fù)的直線運動機構(gòu)形式比較多，常用的主要有活塞油（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)。4.2.1 手臂的伸縮運動這里實現(xiàn)直線的往復(fù)運動是采用液壓驅(qū)的活塞油缸。由于活塞油缸體積小、重量較輕，因而在機械手手臂的機構(gòu)中應(yīng)用的比較多。本機械手采用雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)。如圖 5 手臂和手腕是通過連接板安裝在升降油缸上端，當(dāng)雙作用油缸兩腔分別通入壓力油時，則推動活塞桿（即手臂）作往復(fù)的直線運動。導(dǎo)向桿在導(dǎo)向套內(nèi)部移動，防止手臂伸縮時的轉(zhuǎn)動（并兼做手腕回轉(zhuǎn)缸及手部夾緊油缸的輸油管道） 。由手臂的伸縮油缸安裝在兩導(dǎo)向桿之間，導(dǎo)向桿承受彎曲的作用，活塞桿受拉壓作用，所以受力簡單，傳動平穩(wěn)，外形美觀，結(jié)構(gòu)緊湊?？捎糜谧ブ亓看?、行程長的場合。9圖 5 雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)4.2..2 手臂的升降運動如圖 6 所示為手臂升降運動機構(gòu)。當(dāng)升降缸的上下兩腔通壓力油時，活塞杠 4 做上下往復(fù)運動，缸體 2 固定在旋轉(zhuǎn)軸上。由活塞桿帶動套筒 3 做升降的運動。其導(dǎo)向的作用靠立柱的平鍵 8 實現(xiàn)。圖中 6 為位置檢測裝置。圖 6 手臂升降和回轉(zhuǎn)機構(gòu)圖4.3 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)、10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 6 所示，回轉(zhuǎn)運動由齒條活塞桿 8 驅(qū)動齒輪，帶動配油軸和缸體一起轉(zhuǎn)動，再通過缸體帶動外套一起轉(zhuǎn)動實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)。4.4 手臂的橫向移動如圖 7 所示為手臂橫向移動的機構(gòu)。手臂橫向移動是由活塞缸 5 來驅(qū)動，回轉(zhuǎn)缸體與滑臺 1 是用螺釘聯(lián)結(jié)，活塞桿 4 通過兩塊連接板 3 用螺釘使其固定在滑座 2 上。當(dāng)活塞缸 5 通壓力油，缸體就帶動滑臺 1，沿著燕尾形滑座 2 做橫向往復(fù)的運動。1 滑臺 2 滑座 3 連接板 4 活塞桿 5 活塞缸圖 8 手臂橫向移動機構(gòu)4.5 臂部的運動驅(qū)動力計算 計算臂部的運動驅(qū)動力（包括力矩）時，要把臂部所受到的全部負(fù)荷考慮進去。機械手在工作時，臂部所受的負(fù)荷有慣性力、摩擦力和重力等。4.5.1 臂水平伸縮運動的驅(qū)動力的計算手臂做水平的伸縮運動時，首先需要克服摩擦阻力，主要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，還需要克服啟動過程中產(chǎn)生的慣性力。其驅(qū)動力 Pq 可以按照下式計算：Pq = Fm + Fg (N)；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Fg = a (N) ；gW式中 W ——手臂伸縮部件的總重量 （N ）g ——重力加速度（9.8m/s ）2a ——啟動過程中的平均加速度（m/s ） ；2而 a = (m/s )；tv?△v ——速度的變化量。如果手臂從靜止?fàn)顟B(tài)加速到工作的速度 V，則這個過程的速度變化量就等于手臂的工作速度；11△t ——啟動過程中所用時間，一般為 0.01∽0.5s；當(dāng) Fm=80N,W=1098（N） △V = 500mm/s 時，Pq = 80+ * =80+112=192 (N)；8.91054.5.2 臂垂直升降的運動驅(qū)動力的計算手臂在作垂直運動時，除了要克服摩擦阻力 Fm 和慣性力 Fg 以外，還要克服臂部運動部件重力，其驅(qū)動力 Pq 可按下式計算：Pq = Fm + Fg ± W (N)；式中 Fm——各支承處摩擦力（N） ；Fg——啟動時慣性力（N）可按臂伸縮運動時情況計算；W——臂部運動部件總重量（N ） ；±——上升時為正，下降時為負(fù)。當(dāng) Fm=40N， Fg=100N， W =1098N 時Pq=40+100+1098=1238（N ）4.5.3 臂部的回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩的計算臂部的回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩應(yīng)該根據(jù)啟動時產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處摩擦力矩來計算。因為啟動過程一般不是等加速度運動，故最實際大驅(qū)動力矩要比理論平均值大一些，取平均值的1.3 倍。故驅(qū)動力矩 Mq 可以下式計算：Mq = 1.3(Mm + Mg ) (N·m) ；式中 Mm——各支承處總摩擦力矩； Mg——啟動時的慣性力矩，一般按下式計算：Mg = J (N·m) ；t??式中 J——手臂的部件對其回轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動慣量（kg·m ）;2——回轉(zhuǎn)手臂工作角速度（rad/s）;△t——回轉(zhuǎn)臂的啟動時間（s）當(dāng) Mm=84(N·m)， Mg=8 =32(N·m)； 2.08Mq = 1.3*116=150.8(N·m)； 對活塞、導(dǎo)向套筒和油缸等的轉(zhuǎn)動慣量都需要做詳細(xì)計算，因為這些零件的重量較大或著回轉(zhuǎn)半徑較大，對總計算結(jié)果的影響也較大，對于小零件則作為質(zhì)點計算其轉(zhuǎn)動慣量，其質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量可以忽略不計。對于形狀復(fù)雜零件，可劃分為幾個簡單零件進行分別計算，其中有的部分可以當(dāng)作質(zhì)點計算。可參考《工業(yè)機器人》表 4-1。5 液壓系統(tǒng)設(shè)計5.1 液壓系統(tǒng)的簡介機械手液壓傳動是以有壓力油液作為傳遞動力的工作介質(zhì)。電動機帶動油泵的輸出壓力油，是將電動機供給機械能轉(zhuǎn)換成油液壓力能。壓力油經(jīng)過管道及一些控制調(diào)節(jié)的裝置等進入油缸，推動活塞桿運動，使手臂作伸縮、升降的運動，油液的壓力能轉(zhuǎn)換成機械能。手臂在運動時所能克服摩擦阻力的大小，及手部夾緊工件時所需要保持的握力大小，均與油液的壓力和活塞的有效工作面積有關(guān)。手臂做各種運動的運動速度取決于流入密封油缸中的油液容積的多少。這種借助于運動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：12① 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。② 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） 。③ 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。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① 調(diào)壓回路 在采用定量泵液壓系統(tǒng)中，為控制系統(tǒng)最大工作壓力，一般在油泵的出口附近設(shè)置溢流閥，用它來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的壓力，并將多余油液溢流回油箱。② 卸荷回路 在機械手的各油缸不工作時，油泵電機還沒停止工作的情況下，為減少油泵功率餓損耗，節(jié)省動力，降低系統(tǒng)發(fā)熱，并使油泵在低負(fù)荷下工作，所以需要采用卸荷回路。此機械手主要采用二位二通電磁閥控制溢流閥的卸荷回路。③ 減壓回路 為了使機械手的液壓系統(tǒng)局部壓力降低或穩(wěn)定，在要求減壓的支路前串聯(lián)上一個減壓閥，以獲得比系統(tǒng)壓力更低壓力。④ 平衡與鎖緊回路 在機械液壓的系統(tǒng)中，為了防止垂直機構(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。⑤ 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(dāng)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。5.3.2 速度控制回路液壓機械手各種運動的速度的控制，主要是通過改變進入油缸的流量 Q?？刂品椒ㄓ袃深悾阂活?，采用定量泵，利用調(diào)節(jié)節(jié)流閥通流截面來改變進入油缸或油的馬達的流量；另一類，采用變量泵，改變油泵供油量。本機械手采用的使定量油泵節(jié)流調(diào)速回路。根據(jù)各油泵運動速度要求，分別采用 LI 型單向節(jié)流閥、LCI 型單向節(jié)流閥或著 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(fù)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(fù)荷變化會引起油缸速度變化，其原因是負(fù)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(fù)荷的變化而自動餓調(diào)整和穩(wěn)定所通過的流量，使油缸運動速度不受負(fù)荷變化的影響，對速度平穩(wěn)性要求較高的場合，宜用調(diào)速閥實現(xiàn)節(jié)流來調(diào)速。5.3.3 方向控制回路在機械手液壓的系統(tǒng)中，為控制各油缸、馬達運動方向和接通或關(guān)閉油路，常采用二位二通、13二位三通、二位四通電磁閥和液動滑閥，由電控系統(tǒng)發(fā)出的電信號，控制電磁鐵操縱閥芯的換向，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，按電源不同，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） ，直流電磁閥使用電壓一般為 24V（或 110V）本機械手采用交流電磁閥。交流電磁閥起動性能較好，換向時間短，接線簡單，并且價廉，但是當(dāng)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 機械手液壓傳動系統(tǒng)液壓系統(tǒng)圖繪制是設(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。它通常由一些典型壓力控制、流量控制、方向控制回路加上一些專用的回路所組成。繪制液壓系統(tǒng)圖的一般順序是：1.確定油缸和油泵，2.布置中間的控制調(diào)節(jié)回路和相應(yīng)的元件，以及其他的輔助裝置，從而組成整個液壓的系統(tǒng)，并用液壓系統(tǒng)圖形符號，畫出液壓的原理圖。5.4.1 機械手的動作順序本液壓傳動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進機床進行加工。它的動作順序是：待刀（即起始位置） → 插定位銷 → 手臂前伸 → 手指張開 → 手指夾刀→ 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 （此時機床刀頭下降，大泵卸荷） → 手指松開（此時機床上升）→ 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） → 待刀（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)電磁換向閥，按程序依次動作而實現(xiàn)的。該電控系統(tǒng)的步進控制環(huán)節(jié)是采用步進選線器，其步進得動作是在每一步動作完成之后，使行程開觸點閉合或依據(jù)每一步動作的預(yù)設(shè)停留時間，使時間繼電器發(fā)信，使步進器順序“跳步”控制電磁閥電磁鐵線圈的通斷電，使電磁鐵按程序動作來實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的自動控制。5.4.2 自動上料機械手液壓系統(tǒng)的原理介紹圖 9 機械手液壓系統(tǒng)圖14液壓系統(tǒng)原理如圖 9 所示。該系統(tǒng)選用功率 N =7.5 千瓦電動機，帶動雙聯(lián)葉片泵 YB-35/18 ，其公稱壓力為 60*10 帕，流量 35 升/分+18 升/ 分=53 升/ 分，系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)為 30*10 帕，油箱的容5 5積選 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?jǐn)嗦贰９ぷ鲿r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(dāng)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(dāng)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（或稱電液換向閥，534DY-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(dāng)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(dāng)熱棒料到達上料的位置后，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 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(dāng)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，使電磁鐵 3DT 通電，手指張開；手臂滑行，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；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(dāng)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(dāng)手臂的回轉(zhuǎn)碰鐵碰行程開關(guān)使 9DT 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，15手臂前伸；當(dāng)手臂將棒料送到立式精鍛機的夾頭軸線前的適當(dāng)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，機電控制系統(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(dāng)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(dāng)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(dāng)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。5.5 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） 。5.5.1 雙作用單桿活塞油缸 ①流量、驅(qū)動力的計算 當(dāng)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Q1 = D V140?2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3 3手臂升降油缸：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：P1 = D p14?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(dāng)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：Q2 = （D -d ）V240?2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 ,對于手臂升降油3 3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：P2 = （D -d ）p14?2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=305N16② 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)③確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸㈠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P = P1（無桿腔） = P2 （有桿腔）油缸（即活塞）的直徑可由下式計算D = = 1.13 厘米 （無桿腔） 14?Pp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） 142Pd??㈡ 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 ????2Dp計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?17活塞桿的計算可按強度條件決定活塞直徑 d ?；钊麠U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= ≦ ?42?dP??即 d ≧ 厘米??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=16mm5.52 無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸）① 流量、驅(qū)動力的計算Q = 132??dD當(dāng) D=103mm,d=40mm, =0.95 rad/s 時Q = 952N② 作用在活塞上的總機械載荷 PP = 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 ）③ 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）p?4D = 45mm5.5.3 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)油缸，其計算簡圖如下：18圖 12 回轉(zhuǎn)油缸計算簡圖①流量、驅(qū)動力矩的計算當(dāng)壓力油輸入回轉(zhuǎn)油缸，使動片以角速度 運動時，需要輸入回轉(zhuǎn)油缸的流量 Q?為：Q = 40)(32?dDb?當(dāng) D=100mm,d=35mm,b=35mm, =0.95 rad/s 時Q=0.02m /s3回轉(zhuǎn)油缸的進油腔壓力油液，作用在動片上的合成液壓力矩即驅(qū)動力矩 M：M = 8)(2dDpb?得 M = 0.8 (N·m)② 作用在動片（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)運動的零部件，在啟動時的慣性力矩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 (N·m) ③ 回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)徑的計算回轉(zhuǎn)油缸的動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）28dbp?D = 30mm195.5.4 油泵的選擇 一般的機械手的液壓系統(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 泵來確定。⑴ 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5⑵ 確定油泵的 Q 泵 油泵的流量，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)個回路按設(shè)計的要求，在工作時實際所需的最大流量 Q最大，并考慮系統(tǒng)的總泄漏來確定Q 泵 = K Q 最大 其中 K 一般取 1.10—1.25Q 泵 =53 升/分 5.5.5 確定油泵電動機功率 NN = （千瓦）?612p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）206 機械手的控制部分6.1 根據(jù)機械手的動作順序表，選定電磁閥、開關(guān)等現(xiàn)場器件相對應(yīng)的 PLC 內(nèi)部等效繼電器的地址編號，其對照表如下：表 2 現(xiàn)場器件與 PLC 內(nèi)部等效繼電器對照表 現(xiàn) 場 器 件 內(nèi)部繼電器地址 說 明輸入1sb2sb3sb1st2st3st4st5st6st7st8st9st10stX000X001X002X003X004X005X006X007X010X011X012X013X014啟動按扭連續(xù)啟動按扭連續(xù)停止按扭手腕回轉(zhuǎn)限位開關(guān)手腕反轉(zhuǎn)限位開關(guān)手臂回轉(zhuǎn)限位開關(guān)手臂反轉(zhuǎn)限位開關(guān)手臂上升限位開關(guān)手臂下降限位開關(guān)手臂前伸限位開關(guān)手臂縮回限位開關(guān)立柱橫移限位開關(guān)立柱移回輸出1dt2dt3dt4dt5dt6dt7dt8dt9dt10dt11dt12dt13dt14dthlY000Y001Y002Y003Y004Y005Y006Y007Y010Y011Y012Y013Y014Y015Y016手臂前伸電磁閥手臂縮回電磁閥手指張開電磁閥手臂上升電磁閥手臂下降電磁閥手腕回轉(zhuǎn)電磁閥手腕反轉(zhuǎn)電磁閥定位油缸電磁閥手臂回轉(zhuǎn)電磁閥手臂反轉(zhuǎn)電磁閥卸荷電磁閥卸荷電磁閥立柱橫移電磁閥立柱移回電磁閥工作指示燈6.2 PLC 與現(xiàn)場器件的實際連接圖根據(jù)表 2 畫出 PLC 與現(xiàn)場器件的實際連接圖，如下所示21圖 13 PLC 與現(xiàn)場器件的實際連接 6.3 梯形圖滿足機械手工藝流程的梯形圖如下圖所示 ：22圖 14 機械手梯形圖6.4 指令程序根據(jù)梯形圖編寫的指令程序如下：230 LD X0011 OR M02 OUT M03 OUT Y0164 LD X0015 OR M16 ANI M27 ANI M38 OUT M19 LD X00210 OR M211 ANI M112 OUT M813 LD M114 OR T715 AND M016 ANI M217 OUT M318 LD M319 OR Y00720 ANI M421 ANI M522 OUT T0 K225 OUT Y00726 LD T027 OR Y00128 ANI X01129 OUT Y00130 LD X01131 OR Y00232 ANI T133 OUT Y00234 OUT T1 K237 NOP38 NOP39 NOP40 NOP41 NOP42 LD T143 OR Y00344 AIN X007 45 OUT Y00346 LD X00747 OR Y0012448 ANI X01249 OUT Y00150 LD X01251 OR Y01452 ANI X01353 OUT Y01454 LD X01355 OR Y00556 ANI X00357 OUT Y00558 LD X00359 MPS60 ANI T261 OUT T2 K264 MPP65 ANI X00566 OUT M467 LD T268 OR Y01069 ANI X00570 OUT Y01071 LD X00572 ANI T373 OUT T376 LD T377 OR Y00078 ANI X01179 OUT Y00080 LD X01181 OUT T484 ANI T485 OUT Y01286 LD T487 OUT T590 ANI T591