四自由度機(jī)械手的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

華俊芳

【摘要】機(jī)械手是指能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等 。機(jī)械手按驅(qū)動(dòng)方式的不同又可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式，而本文討論的是具有四自由度的機(jī)械手的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械手;液壓系統(tǒng);設(shè)計(jì)

1.機(jī)械手結(jié)構(gòu)分析

本文所研究的搬運(yùn)機(jī)械手具有四個(gè)自由度，分別為手腕的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降運(yùn)動(dòng)，坐標(biāo)形式為圓柱坐標(biāo)，采用液壓驅(qū)動(dòng)控制方式，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

2.機(jī)械手關(guān)鍵液壓回路分析

在驅(qū)動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程中，其中夾緊放松動(dòng)作，旋轉(zhuǎn)動(dòng)作和伸縮動(dòng)作是主要的動(dòng)作，這里對(duì)這些動(dòng)作的回路進(jìn)行分析。

（1）夾緊回路

夾緊回路采用的是O型三位四通換向閥來進(jìn)行鎖定，如圖2所示。

1—三位四通換向閥 ?2—調(diào)速閥 3—二位三通換向閥

圖2 夾緊回路

（2）旋轉(zhuǎn)回路

對(duì)于機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作，采用了液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)，原理如圖3所示。

1—二位二通換向閥 2—調(diào)速閥 3—三位四通換向閥 4—液壓馬達(dá)

圖3 旋轉(zhuǎn)回路

3.液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)作為搬運(yùn)機(jī)械手的重要驅(qū)動(dòng)方式，主要 用來使機(jī)械手完成工作夾/松、手部擺動(dòng)、手臂水平位 移和垂直升降等動(dòng)作，主要由油缸、油泵、油壓馬達(dá)和各種閥組成。

系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)如下：

抓重：20kg

自由度：4

坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo)

最大工作半徑：1500mm

手臂最大中心高度：700mm

手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)：

伸縮行程：700mm

伸縮速度：400mm/s

升降行程：300m m

升降速度：50mm/s

回轉(zhuǎn)范圍：0°—180°

回轉(zhuǎn)速度：70°/s

手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)：

回轉(zhuǎn)范圍：0°—180°

回轉(zhuǎn)速度：9 0°/s

手指夾持范圍：∮30mm—∮60mm

手指握力：500N

根據(jù)系統(tǒng)的工作要求和特點(diǎn)，擬定的四自由度搬運(yùn)機(jī)械手液壓系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

4.液壓系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）液壓泵的選擇

泵的工作壓力的確定：泵的工作壓力可按缸的工作壓力加上管路和元件的壓力損失來確定。采用調(diào)速閥調(diào)速，初算時(shí)可取?？紤]背壓，現(xiàn)取。泵的工作壓力初定為：

式中：p——液壓缸的工作壓力;——系統(tǒng)的壓力損失。

泵的流量的確定：由于液壓缸采用的是差動(dòng)連接方式，而有桿腔有效面積大于活塞面積，故在速度相同的情況下，快退所需的流量大于快進(jìn)的流量，故按快退考慮。已知快退時(shí)所需要的流量，故快退時(shí)泵應(yīng)供油量為：

式中，K為系統(tǒng)的泄露系數(shù)，一般取K=1.1～1.3，此處取1.1。

根據(jù)組合機(jī)床的具體情況，從產(chǎn)品樣本中選用YB-4/10型雙聯(lián)葉片泵。其最大提供的流量為：

故所選泵符合系統(tǒng)要求。

（2）選擇閥類元件

各類閥可按通過該閥的最大流量和實(shí)際工作壓力選取。如表1所示：

表1 液壓閥的選型

序號(hào) 元件名稱 型號(hào) 規(guī)格

1 溢流閥 YF-B32H 21MPa，250L/min

2 調(diào)速閥 Q-H10 32MPa，40L/min

3 單向閥 I-25B 6.3MPa、25L/min

4 二位二通電磁閥 22E1-10B 6.3MPa、l0L/min

5 三位四通電磁閥 34E1-25B 6.3MPa、25L/min

6 調(diào)速閥 Q-H20 32MPa，100L/min

7 單向閥 DF—B10K1 35MPa，30L/min

8 二位二通電磁閥 22E1-10B 6.3MPa、l0L/min

9 三位四通電磁閥 34E1-25B 6.3MPa、25L/min

10 調(diào)速閥 Q-H32 32MPa，100L/min

11 單向閥 DF—B10K1 35MPa，30L/min

12 二位三通電磁閥 23E1-25B 6.3MPa、25L/min

13 三位四通電磁閥 34E1-25B 6.3MPa、25L/min

14 調(diào)速閥 Q-H32 32MPa，100L/min

15 單向閥 DF—B10K1 35MPa，30L/min

16 二位三通電磁閥 23E1-25B 6.3MPa、25L/min

17 三位四通電磁閥 34E1-25B 6.3MPa、25L/min

（3）電機(jī)的確定

快進(jìn)快退時(shí)所需的功率比工進(jìn)時(shí)的功率要大，所以選取電機(jī)功率的時(shí)候用快進(jìn)快退的功率做為選取依據(jù)。系統(tǒng)的壓力為4MPa，流量為14L/min，其功率為：

故選取電機(jī)功率為1.5kw的電機(jī)。

本文主要對(duì)四自由度機(jī)械手的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的前進(jìn)，后退，升降和回轉(zhuǎn)功能，并對(duì)系統(tǒng)的主要元件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和選型。根據(jù)仿真軟件進(jìn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)能運(yùn)行穩(wěn)定夠滿足需要，可試用推廣。

參考文獻(xiàn)

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