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液壓傳動機械手的設計
摘 要 本次設計的液壓傳動機械手根據規(guī)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(yè)知識，完成對機械手的設計，并繪制必要裝配圖、液壓系統(tǒng)圖、PLC控制系統(tǒng)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，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；在PLC控制回路中，采用的PLC類型為FX2N，當按下連續(xù)啟動后，PLC按指定的程序，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(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。
關鍵詞 機械手、液壓、控制回路、PLC
The design of the hydraulic manipulator
Abstract 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 ；The PLC control circuit use the type of FX2N PLC .When pressed for commencement ，PLC in accordance with the prescribed procedures ，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 workpieces .
Keywords Manipulator 、Hydraulic、Control Loop 、PLC
目錄
摘 要 I
1 前言 1
1.1 工業(yè)機器人簡介 1
1.2世界機器人的發(fā)展 1
1.3 我國工業(yè)機器人的發(fā)展 2
1.4 我要設計的機械手 3
1.4.1 臂力的確定 3
1.4.3 確定運動速度 3
1.4.4 手臂的配置形式 4
1.4.5 位置檢測裝置的選擇 4
1.4.6 驅動與控制方式的選擇 5
2 手部結構 6
2.1概述 6
2.2 設計時應考慮的幾個問題 6
2.3 驅動力的計算 6
2.4 兩支點回轉式鉗爪的定位誤差的分析 8
3 腕部的結構 10
3.1 概述 10
3.2 腕部的結構形式 10
3.3手腕驅動力矩的計算 11
4 臂部的結構 14
4.1 概述 14
4.2手臂直線運動機構 14
4.2.1手臂伸縮運動 14
4.2.2 導向裝置 15
4.2.3 手臂的升降運動 16
4.3 手臂回轉運動 17
4.4 手臂的橫向移動 17
4.5 臂部運動驅動力計算 18
4.5.1 臂水平伸縮運動驅動力的計算 18
4.5.2 臂垂直升降運動驅動力的計算 19
4.5.3 臂部回轉運動驅動力矩的計算 19
5 液壓系統(tǒng)的設計 21
5.1液壓系統(tǒng)簡介 21
5.2液壓系統(tǒng)的組成 21
5.3機械手液壓系統(tǒng)的控制回路 21
5.3.1 壓力控制回路 21
5.3.2 速度控制回路 22
5.3.3 方向控制回路 22
5.4 機械手的液壓傳動系統(tǒng) 23
5.4.1 上料機械手的動作順序 23
5.4.2 自動上料機械手液壓系統(tǒng)原理介紹 23
5.5機械手液壓系統(tǒng)的簡單計算 26
5.5.1 雙作用單桿活塞油缸 26
5.5.2 無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸） 29
5.5.3 單葉片回轉油缸 31
5.5.4油泵的選擇 32
5.5.5 確定油泵電動機功率N 33
6 PLC控制回路的設計 34
6.1電磁鐵動作順序 34
6.2 現(xiàn)場器件與PLC內部繼電器對照表 34
6.3 PLC與現(xiàn)場器件的實際連接圖 36
6.4 梯形圖 36
6.5指令程序 38
7 結束語 43
8 參考文獻 44
9 致 謝 45
翻譯文獻 46
IV
1 前言
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域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到 農業(yè)、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(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅動系統(tǒng)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(yè)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(wěn)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?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物，它是工 業(yè)以及非產業(yè)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(fā)展
國外機器人領域發(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）．機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關節(jié)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(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(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(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。
（5）．虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)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(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。
（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，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(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用的領域。
1.3 我國工業(yè)機器人的發(fā)展
有人認為，應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(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領域的發(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(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，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條自動噴漆生產線（站）上獲得規(guī)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(yè)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(tǒng)技術與國外比有差距；在應用規(guī)模上，我國已安裝的國產工業(yè)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(yè)，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(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，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O計，積極推進產業(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先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)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(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)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(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(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)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(xiàn)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臂 =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(jié)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(jié)規(guī)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(jié)，如果兩個動作同時進行，要按時間長的計算，分配各動作時間應考慮以下要求：
① 給定的運動時間應大于電氣、液壓元件的執(zhí)行時間；
② 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(jié)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 在工作拍節(jié)短、動作多的情況下，常使幾個動作同時進行。為此驅動系統(tǒng)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 = 50 mm/s
手臂回轉速度 V臂回 = 40°/s
手臂升降速度 V臂升 = 50 mm/s
立柱水平運動速度 V柱移 = 50 mm/s
手指夾緊油缸的運動速度 V夾 = 50 mm/s
1.4.4 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(huán)境、工作對象的不同，手臂的配置形式也不盡相同。本機械手采用機座式。機座式結構多為工業(yè)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(lián)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。
控制系統(tǒng)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(tǒng)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(yè)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。
2 手部結構
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∠AOC=∠BOC=α。根據銷軸的力平衡條件，即
∑Fx=0,P1=P2;∑Fy=0
P=2P1cosα
P1=P/2cosα
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
P1′h=Nb
因 h=a/cosα
所以 P=2b(cosα)N/a
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角過大會導致拉桿（即活塞）的行程過大，以及手指滑槽尺寸長度增大，使之結構加大，因此，一般取α=30°~40°。這里取角α=30度。
這種手部結構簡單，具有動作靈活，手指開閉角大等特點。查《工業(yè)機械手設計基礎》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，綜合前面驅動力的計算方法，可求出驅動力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產生的慣性力、振動以及傳力機構效率的影響，其實際的驅動力P實際應按以下公式計算，即：
P實際=PK1K2/η
式中 η——手部的機械效率，一般取0.85~0.95；
K1——安全系數，一般取1.2~2
K2——工作情況系數，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°,α=30°時，拉緊油缸的驅動力P和P實際計算如下：
根據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
N=0.5G
把已知條件代入得當量夾緊力為
N=49（N）
由滑槽杠桿式結構的驅動力計算公式
P=2b(cosα)N/a 得
P=P計算=2*45/27(cos30°)*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)
2.4 兩支點回轉式鉗爪的定位誤差的分析
圖2 帶浮動鉗口的鉗爪
鉗口與鉗爪的連接點E為鉸鏈聯(lián)結,如圖示幾何關系,若設鉗爪對稱中心O到工件中心O′的距離為x,則
x=
當工件直徑變化時,x的變化量即為定位誤差△,設工件半徑R由Rmax變化到Rmin時,其最大定位誤差為
△ =∣-∣
其中l(wèi)=45mm ,b=5mm ,a=27mm ,2=120° ,Rmin=15mm ,Rmax=30mm
代入公式計算得
最大定位誤差△=∣44.2-44.7∣=0.5＜0.8
故符合要求.
3 腕部的結構
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：
① 結構緊湊，重量盡量輕。
② 轉動靈活，密封性要好。
③ 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
④ 要適應工作環(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(xiàn)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 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：
M驅=M慣+M偏+M摩 （N.m）
式中 M驅——驅動手腕轉動的驅動力矩
M慣——慣性力矩 （N.m）
M偏——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）
M摩——手腕轉動軸與支承孔處的摩擦力矩 （N.m）
圖4 腕部回轉力矩計算圖
⑴ 摩擦阻力矩M摩
M摩 =（N1D1+N2D2） （N.m）
式中 f——軸承的摩擦系數，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）
由設計知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 =2.50（N.m）
⑵ 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中心線的垂直距離），當工件重心與手腕回轉中心線重合時，M偏為零
當e=0.020，G1=98N時
M偏 =1.96 （N·m）
⑶ 腕部啟動時的慣性阻力矩M慣
① 當知道手腕回轉角速度時，可用下式計算M慣
M慣 =（J+J工件） （N·m）
式中 ——手腕回轉角速度 （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——手腕回轉部件對回轉軸線的轉動慣量（kg·m）
J工件——工件對手腕回轉軸線的轉動慣量 （kg·m）
按已知計算得J=2.5，J工件 =6.25，=0.3m/ m,t=2
故 M慣 = 1.3（N·m）
② 當知道啟動過程所轉過的角度時，也可以用下面的公式計算M慣：
M慣=（J+J工件） （N·m）
式中 ——啟動過程所轉過的角度（rad）;
——手腕回轉角速度 （1/s）。
考慮到驅動缸密封摩擦損失等因素，一般將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 臂部的結構
4.1 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、左右回轉和升降運動。手臂的回轉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動機構和各種傳動機構來實現(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 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 導向性要好 為防止手臂在直線移動中，沿運動軸線發(fā)生相對運動，或設置導向裝置，或設計方形、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 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(xiàn)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(xiàn)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(wěn)，外形整齊美觀，結構緊湊?？捎糜谧ブ卮?、行程較長的場合。
圖5 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(fā)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6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。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。
圖6 雙導向桿手臂結構
4.2.3 手臂的升降運動
如圖7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8實現(xiàn)。圖中6為位置檢測裝置。
圖7 手臂升降和回轉機構圖
4.3 手臂回轉運動
實現(xiàn)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7所示，回轉運動由齒條活塞桿7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8帶動外套一起轉動實現(xiàn)手臂的回轉。
4.4 手臂的橫向移動
如圖8所示為手臂的橫向移動機構。手臂的橫向移動是由活塞缸5來驅動的，回轉缸體與滑臺1用螺釘聯(lián)結，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做橫向往復運動。
圖8 手臂橫向移動機構
4.5 臂部運動驅動力計算
計算臂部運動驅動力（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。
4.5.1 臂水平伸縮運動驅動力的計算
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。其驅動力Pq可按下式計算：
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)
式中 W ——手臂伸縮部件的總重量 （N）；
g ——重力加速度（9.8m/s）;
a ——啟動過程中的平均加速度（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，
Pq = 80+* =80+112=192 (N)
4.5.2 臂垂直升降運動驅動力的計算
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，故其驅動力Pq可按下式計算：
Pq = Fm + Fg ± W (N)
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；
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，F(xiàn)g=100N，W =1098N時
Pq=40+100+1098=1238（N）
4.5.3 臂部回轉運動驅動力矩的計算
臂部回轉運動驅動力矩應根據啟動時產生的慣性力矩與回轉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。故驅動力矩Mq可按下式計算：
Mq = 1.3(Mm + Mg ) (N·m)
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：
Mg = J (N·m)
式中 J——手臂部件對其回轉軸線的轉動慣量（kg·m）;
——回轉手臂的工作角速度（rad/s）;
△t——回轉臂啟動時間（s）
當Mm=84(N·m)，Mg=8=32(N·m)
Mq = 1.3*116=150.8(N·m)
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(yè)機器人》表4-1。
5 液壓系統(tǒng)的設計
5.1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。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(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(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：
① 油泵 它供給液壓系統(tǒng)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(tǒng)工作。
② 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 控制調節(jié)裝置 各種閥類，如單向閥、溢流閥、節(jié)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(tǒng)的控制回路
機械手的液壓系統(tǒng)，根據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，如工作壓力的調整、油泵的卸荷、運動的換向、工作速度的調節(jié)以及同步運動等。
5.3.1 壓力控制回路
① 調壓回路 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置溢流閥，用它來調節(jié)系統(tǒng)壓力，并將多余的油液溢流回油箱。
② 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。
③ 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。
④ 平衡與鎖緊回路 在機械液壓系統(tǒng)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(fā)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(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(tǒng)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(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(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(jié)流閥、LCI型單向節(jié)流閥或QI型單向調速閥等進行調節(jié)。
節(jié)流調速閥的優(yōu)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(fā)熱大。
采用節(jié)流閥進行節(jié)流調速時，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。
調速閥能夠隨負荷的變化而自動調整和穩(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，宜用調速閥實現(xiàn)節(jié)流調速。
5.3.3 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)直線往復運動和正反向轉動。
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。
5.4 機械手的液壓傳動系統(tǒng)
液壓系統(tǒng)圖的繪制是設計液壓機械手的主要內容之一。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。
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節(jié)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(tǒng)，并用液壓系統(tǒng)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(huán)結束）卸荷。
上述動作均由電控系統(tǒng)發(fā)信控制相應的電磁換向閥，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(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（見電磁鐵動作程序表）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)原理介紹
圖9 機械手液壓系統(tǒng)圖
液壓系統(tǒng)原理如圖8所示。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)壓力調節(jié)為30*10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(jié)流，因而速度可調，工作平穩(wěn)。
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(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(xiàn)，空載卸荷不致使油溫升高。系統(tǒng)的壓力由溢流閥來調節(jié)。
此系統(tǒng)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(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，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(fā)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(tǒng)壓力升高，壓力繼電器40發(fā)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(tài)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(fā)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(fā)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(tài)，發(fā)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(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。當橫向移動機構上的碰鐵碰到行程開關，使13DT斷電，并發(fā)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(tài)，同時亦使8DT斷電，定位油缸復位（拔銷）；壓力繼電器復位，發(fā)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(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)出電信號經發(fā)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(fā)出電信號、跳步使12DT通電，大泵卸荷，手臂處于“中?！蔽恢?，同時發(fā)出電信號使立式精鍛機啟動，夾頭下降，行程開關發(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時，2DT斷電（手臂縮回停）；并發(fā)出電信號和跳步，使5DT通