液壓機械手9頁

1、機械手液壓系統(tǒng) 機械手是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用機器人的研制和生產(chǎn)已成為高科技技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)它更加促進了機械手的發(fā)展使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活但它具有可不斷重復(fù)工作、能在條件比較惡劣的環(huán)境下工作、載重量大、定位精確等特點因此機械手受到了許多部門的重視并越來越廣泛地得到了應(yīng)用例如 (1) 機床加工工件的裝卸特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普遍。 (2)在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板機械手結(jié)構(gòu)示意圖：驅(qū)動與控制方式： 機

2、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。液壓系統(tǒng)： 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

3、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。機械手液壓系統(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

4、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。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。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

5、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

6、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。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

7、回路。 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。方向控制回路

8、 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。機械手液壓系統(tǒng)的簡單計算

9、 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）。1 . 雙作用單桿活塞油缸 圖10 雙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 Q1 = DV1 對于手臂伸縮油缸：Q1=0.98cm/s， 對于手指夾緊油缸：Q1=

10、1.02 cm/s ,對于手臂升降油缸：Q1=0.83 cm/s 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 = Dp1 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： Q2 = （D-d）V2 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)動力為： P2 = （D-d）p1 對于手臂伸縮油

11、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 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) 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 P = P1（無桿腔） = P2 （有桿腔） 油缸（即活塞）的直徑可由下式計算 D =

12、 = 1.13 厘米 （無桿腔） 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） 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 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 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 = 即 d

13、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=16mm5.5.2 無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸） 圖11 齒條活塞缸計算簡圖 流量、驅(qū)動力的計算 Q = 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 P = 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） 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

14、，求得 D = （厘米） D = 45mm 5.5.3 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： 圖12 回轉(zhuǎn)油缸計算簡圖 流量、驅(qū)動力矩的計算 當壓力油輸入回轉(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 = 當D=100mm,d=35mm,b=35mm, =0.95 rad/s時 Q=0.02m/s 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 = 得M = 0.8 (Nm) 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 (Nm) 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） D = 30mm 5.5.4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。 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