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1、液压机械手机械手液压系统机械手是在机械化、自动化生产过程中发展 起来的一种新型装置。近年来随着电子技术特 别是电子计算机的广泛应用机器人的研制和生 产已成为高科技技术领域内迅速发展起来的一门 新兴技术 它更加促进了机械手的发展 使得机 械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结 合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活但它 具有可不断重复工作、能在条件比较恶劣的环境 下工作、载重量大、定位精确等特点 因此 机 械手受到了许多部门的重视 并越来越广泛地得 到了应用例如(1)化车床、组合机床上使用较为普遍。以用来装配印制电路板机械手结构示意图：囹411肾欄机械手结构示意图138牲抵#執¥一粗同
2、兽动构杵* 3-方槽殆内爭轨*吗一方常空右导柱* S-头上的爭flh &吏苻去r 了一液压确“ fi-«5t+ X-向穆釦 F-辄旬蓉动2上下誓动：1舗岸僻饕希* 1情斗回转需驱动与控制方式：机械手的驱动与控制方式是根据它们的特点 结合生产工艺的要求来选择的，要尽量选择控制 性能好、体积小、维修方便、成本底的方式。控制系统也有不同的类型。除一些专用机械 手外，大多数机械手均需进行专门的控制系统的 设计。驱动方式一般有四种：气压驱动、液压驱动、 电气驱动和机械驱动。液压系统:机械手的液压传动是以有压力的油液作为传 递动力的工作介质。电动机带动油泵输出压力油， 是将电动机供给的机
3、械能转换成油液的压力能。 压力油经过管道及一些控制调节装置等进入油 缸，推动活塞杆运动，从而使手臂作伸缩、升降 等运动，将油液的压力能又转换成机械能。手臂 在运动时所能克服的摩擦阻力大小，以及夹持式 手部夹紧工件时所需保持的握力大小，均与油液 的压力和活塞的有效工作面积有关。手臂做各种 运动的速度决定于流入密封油缸中油液容积的多 少。这种借助于运动着的压力油的容积变化来传 递动力的液压传动称为容积式液压传动，机械手 的液压传动系统都属于容积式液压传动。机械手液压系统的组成液压传动系统主要由以下几个部分组成： 油泵 它供给液压系统压力油，将电动机 输出的机械能转换为油液的压力能，用这压力油 驱动
4、整个液压系统工作。 液动机压力油驱动运动部件对外工作部 分。手臂做直线运动，液动机就是手臂伸缩油缸。 也有回转运动的液动机一般叫作油马达，回转角 小于360°的液动机，一般叫作回转油缸（或称 摆动油缸）。 控制调节装置 各种阀类，如单向阀、溢流 阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序阀等，各起 一定作用，使机械手的手臂、手腕、手指等能够 完成所要求的运动。机械手液压系统的控制回路机械手的液压系统，根据机械手自由度的多 少，液压系统可繁可简，但是总不外乎由一些基 本控制回路组成。这些基本控制回路具有各种功 能，如工作压力的调整、油泵的卸荷、运动的换 向、工作速度的调节以及同步运动等。压力控制
5、回路 调压回路在采用定量泵的液压系统中，为控制系统的最大工作压力，一般都在油泵的出 口附近设置溢流阀，用它来调节系统压力，并将 多余的油液溢流回油箱。 卸荷回路在机械手各油缸不工作时，油泵电机又不停止工作的情况下，为减少油泵的功 率损耗，节省动力，降低系统的发热，使油泵在 低负荷下工作，所以采用卸荷回路。此机械手采 用二位二通电磁阀控制溢流阀遥控口卸荷回路。 减压回路 为了是机械手的液压系统局 部压力降低或稳定，在要求减压的支路前串联一 个减压阀，以获得比系统压力更低的压力。 平衡与锁紧回路在机械液压系统中，为防止垂直机构因自重而任意下降，可采用平衡回 路将垂直机构的自重给以平衡。为了使机械手
6、手臂在移动过程中停止在任意 位置上，并防止因外力作用而发生位移，可采用 锁紧回路，即将油缸的回油路关闭，使活塞停止 运动并锁紧。本机械手采用单向顺序阀做平衡阀 实现任意位置锁紧的回路。 油泵岀口处接单向阀在油泵出口处接单向阀。其作用有二：第一是保护油泵。液压系 统工作时，油泵向系统供应高压油液，以驱动油 缸运动而做功。当一旦电机停止转动，油泵不再 向外供油，系统中原有的高压油液具有一定能量， 将迫使油泵反方向转动，结果产生噪音，加速油 泵的磨损。在油泵出油口处加设单向阀后，隔断 系统中高压油液和油泵时间的联系，从而起到保 护油缸的作用。第二是防止空气混入系统。在停机时，单向阀把系统能够和油泵隔
7、断，防止系统 的油液通过油泵流回油箱，避免空气混入，以保 证启动时的平稳性。速度控制回路液压机械手各种运动速度的控制，主要是改 变进入油缸的流量Q其控制方法有两类：一类 是采用定量泵，即利用调节节流阀的通流截面来 改变进入油缸或油马达的流量；另一类是采用变 量泵，改变油泵的供油量。本机械手采用定量油 泵节流调速回路。根据各油泵的运动速度要求，可分别采用 LI 型单向节流阀、LCI型单向节流阀或QI型单向调 速阀等进行调节。节流调速阀的优点是：简单可靠、调速范围 较大、价格便宜。其缺点是：有压力和流量损耗， 在低速负荷传动时效率低，发热大。采用节流阀进行节流调速时，负荷的变化会 引起油缸速度的变
8、化，使速度稳定性差。其原因 是负荷变化会引起油缸速度的变化，使速度稳定 性差。其原因是负荷变化会引起节流阀进出油口 的压差变化，因而使通过节流阀的流量以至油缸的速度变化调速阀能够随负荷的变化而自动调整和稳定 所通过的流量，使油缸的运动速度不受负荷变化 的影响，对速度的平稳性要求高的场合，宜用调 速阀实现节流调速。方向控制回路在机械手液压系统中，为控制各油缸、马达 的运动方向和接通或关闭油路，通常采用二位二 通、二位三通、二位四通电磁阀和电液动滑阀， 由电控系统发出电信号，控制电磁铁操纵阀芯换 向，使油缸及油马达的油路换向，实现直线往复 运动和正反向转动。目前在液压系统中使用的电磁阀，按其电源
9、的不同，可分为交流电磁阀（D型）和直流电磁 阀（E型）两种。交流电磁阀的使用电压一般为 220V（也有380V或36V）,直流电磁阀的使用电 压一般为24V （或110V）。这里采用交流电磁阀。 交流电磁阀起动性能好，换向时间短，接线简单, 价廉，但是如吸不上时容易烧坏，可靠性差，换 向时有冲击，允许换向频率底，寿命较短。 机械手液压系统的简单计算计算的主要内容是，根据执行机构所要求的输 出力和运动速度，确定油缸的结构尺寸和所需流 量、确定液压系统所需的油压与总的流量，以选 择油泵的规格和选择油泵电动机的功率。确定各 个控制阀的通流量和压力以及辅助装置的某些参 数等。在本机械手中，用到的油缸有
10、活塞式油缸 （往复直线运动）和回转式油缸（可以使输出轴 得到小于360°的往复回转运动）及无杆活塞油缸 （亦称齿条活塞油缸）。1 .双作用单杆活塞油缸FV 2Vi图10双作用单 杆活塞杆油缸计算简图 流量、驱动力的计算 当压力油输入无杆腔，使活塞以速 度V1运动时所需输入油缸的流量 Q1为Q1 =亦 D2 V1对于手臂伸缩油缸：Q1=0.98cm3 /s, 对于手指夹紧油缸：Q仁1.02cm3 /s对于手臂升降油缸： Q1=0.83 cm3/s油缸的无杆腔内压力油液作用在 活塞上的合成液压力P1即油缸的驱动力为：P1 =二 D2 pl41对于手臂伸缩油缸：p1=196N，对于手 指夹
11、紧油缸：p1=126N，对于手臂升降油缸： p1=320N当压力油输入有杆腔，使活塞以 速度V2运动时所需输入油缸的流量 Q2为：Q2 = -（ D2 -d2）V240对于手臂伸缩油缸： Q1=0.87cm3 /s, 对 于手指夹紧油缸：Q1=0.96 cm3/s对于手臂升降油 缸：Q1=0.72 cm3/s油缸的有杆腔内压力油液作用 在活塞上的合成液压力P2即油缸的驱动力为：P2 =（ D2 -d2） p14对于手臂伸缩油缸：p1=172N，对于手指夹紧油缸：p1=108N，对于手臂升降油缸：p1=305N 计算作用在活塞上的总机械载荷机械手手臂移动时，作用在机 械手活塞上的总机械载荷P为P
12、 = P工+ P导+ P封+ P惯+P回其中P工为工作阻力P导导向装置处的摩擦 阻力P封密封装置处的摩擦 阻力P惯惯性阻力P 回背压阻力P=83+125+66+80+208=562（N） 确定油缸的结构尺寸油缸内径的计算油缸工作时， 作用在活塞上的合成液压力即驱动力与活塞杆上 所受的总机械载荷平衡，即P = P1（无杆腔）=P2 （有杆腔）油缸（即活塞）的直径可由下式计算D = ,4P1 = 1.13 P 厘米（无杆腔）对于手臂伸缩油缸：D=50mm ,对于手 指夹紧油缸：D=30mm，对于手臂升降油缸： D=80mm，对于立柱横移油缸：D = 40mm或D =汽薯厘米 （有杆 腔）油缸壁厚的
13、计算：依据材料力学薄壁筒公式， 油缸的壁厚 可用下式计算：P计为计算压力"油缸材料的许用应力。对于手臂伸缩油缸：:=6mm，对 于手指夹紧油缸：=17mm，对于手臂升降油缸： =16mm ,对于立柱横移油缸：=17mm活塞杆的计算可按强度条件决定活塞直径 d。活塞杆工作时主要承受拉力或压力，因此活塞杆的强度计算可近似的视为直杆拉、压强度计 算问题，即d2对于手臂伸缩油缸：d =30mm,对于手指夹紧油缸：d =15mm，对于手臂升降油缸：d=50mm ,对于立柱横移油缸：d=16mm5.5.2无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸）图11齿条活塞缸计算简图 流量、驱动力的计算2D d -当
14、D=103mm,d=40mm, =0.95 rad/s 时Q = 952N 作用在活塞上的总机械载荷PP = P工+ P封+ P惯+ P回其中P工为工作阻力P封密封装置处的摩擦 阻力P惯惯性阻力P回背压阻力P = 66+108+208=382（ N） 油缸内径的计算根据作用在齿条活塞上的合成液压 力即驱动力与总机械载荷的平衡条件，求得D = 4P （厘米）二 pD = 45mm5.5.3单叶片回转油缸在液压机械手上实现手腕、手臂回转运动的 另一种常用机构是单叶片回转油缸，简称回转油 缸，其计算简图如下：bFV P图12回转油缸计算简图 流量、驱动力矩的计算当压力油输入回转油缸，使动片 以角速度
15、 运动时，需要输入回转油缸的流量Q为：2 2Q = 3b(D -d )400当 D=100mm,d=35mm,b=35mm, =0.95 rad/s 时Q=0 02m3 /s回转油缸的进油腔压力油液，作用在动片上 的合成液压力矩即驱动力矩M:M = Pb（D2 -d2）8得 M = 0.8 （N m） 作用在动片（即输出轴）上的外载荷 力矩MM = M工+M封+ M惯+ M回其中 M工为工作阻力矩M 封密圭寸装置处的摩 擦阻力矩M惯参与回转运动的 零部件，在启动时的惯性力矩M回回转油缸回油腔 的背反力矩M =2.3+0.85+1.22+1.08=5.45（N m） 回转油缸内径的计算 回转油缸
16、的动片上受的合成液压 力矩与其上作用的外载荷力矩相平衡，可得：D = 8M 2（厘米） bpD = 30mm5.5.4油泵的选择一般的机械手的液压系统，大多采用定量油机械手液压系统原理图：泵，油泵的选择主要是根据系统所需要的油泵工 作压力p泵和最大流量Q泵来确定。确定油泵的工作压力P泵p泵仝p + zp式中 p油缸的最大工作油压工压力油路（进油路）各部分压力损失之和，其中包括各种元件的局部损失和管 道的沿程损失。p 泵=60*105 帕确定油泵的Q泵、油泵的流量，应根据系统个回路按设计的要求，在工作时实际所需的最大流量 Q最 大，并考虑系统的总泄漏来确定最大其中k 一般取1.101.25Q泵=
17、53升/分5.5.5确定油泵电动机功率N、N = 61Q、（千瓦）式中p油泵的最大工作压力Q所选油泵的额定流量口油泵总效率N=7.5 （千瓦）rrZTO閉X山T严r#、卜q彳30r -123L；=F|'!i 1iL(TIfr jti|gh rmpm26ri?fXE ；U Bjb品胆聖09 8-12机械手菠压U 2 9.回油过滤fL 3定港压毎4 4一电磁甜岚蹲t 5-ffi力宸t 6、T-二位三世电理換向 fl- 9一平10> Ik 34单澗阀12二怕二盪电嚴損离(Uh 1札H. I氛】趴17三惟四通电硝複剧辉| 18. 25-UMiaii 19. EU喉周节K稱I红、22. 23. 2仁込即一单向声建阕1 26- M&Kr M£世瀛压Fl 30-X ttMF&tir 31 Y轴倉爪虹】裁一 F漏瑕向液压纯这*昭一*端取洵旅压码达参考：工业机器人筑路机械与施工机械化中国机械工程文摘机械研究与应用