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)机床加工工件的装卸 特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。

(2)在装配作业中应用广泛 在电子行业中它可以用来装配印制电路板 机械手结构示意图：

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：

① 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，用这压力油驱动整个液压系统工作。

② 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）。

③ 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。

压力控制回路

① 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。

② 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。

③ 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。

④ 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。

⑤ 油泵出口处接单向阀 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

图10 双作用单杆活塞杆油缸计算简图

①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 = π2DV1 40

33 对于手臂伸缩油缸：Q1=0.98cm/s， 对于手指夹紧油缸：Q1=1.02 cm/s ,

对于手臂升降油缸：Q1=0.83 cm/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 =3π2 Dp1 4

对于手臂伸缩油缸：p1=196N， 对于手指夹紧油缸：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 = π22（D-d）V2 40

33 对于手臂伸缩油缸：Q1=0.87cm/s， 对于手指夹紧油缸：Q1=0.96 cm/s ,对于手臂升

降油缸：Q1=0.72 cm/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 =π （D-d）p1

4223

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

② 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 = 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)

③确定油缸的结构尺寸

㈠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 = 4Pp = 1.13 厘米 （无杆腔） P1πP1

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 = 4P+πP1d2

厘米 （有杆腔） πP1

㈡ 油缸壁厚的计算：

依据材料力学薄壁筒公式，油缸的壁厚ξ可用下式计算：

ξ = p计D 厘米 2σ P计 为计算压力

[σ] 油缸材料的许用应力。

对于手臂伸缩油缸：ξ =6mm， 对于手指夹紧油缸：ξ =17mm ，对于手臂升降油缸：ξ =16mm , 对于立柱横移油缸: ξ=17mm

㈢ 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

σ =

dP2π≦ [σ]

4

厘米 即 d ≧4Pπσ 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=16mm

5.5.2 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

① 流量、驱动力的计算

2πDdϖ Q = 133

当D=103mm,d=40mm,ϖ=0.95 rad/s时

Q = 952N

② 作用在活塞上的总机械载荷P

P = 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）

③ 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 =

D = 45mm

5.5.3 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：

4P （厘米） πp

图12 回转油缸计算简图

①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ϖ运动时，需要输入回转油缸的流量Q为：

22 Q = 3b(D-d)ϖ 400

当D=100mm,d=35mm,b=35mm, ϖ=0.95 rad/s时

Q=0.02m/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：

22 M = pb(D-d) 38

得M = 0.8 (N·m)

② 作用在动片（即输出轴）上的外载荷力矩 M

M = M工 +M封 + M惯 + M回

其中 M工 为工作阻力矩

M封 密封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)

③ 回转油缸内径的计算

回转油缸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+d2 （厘米）

bp

D = 30mm

5.5.4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。

⑴ 确定油泵的工作压力p泵

p泵 ≧ p + ∑△p

式中 p ——油缸的最大工作油压

∑△p ——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*10帕 5

⑵ 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

Q = K Q

其中K一般取1.10—1.25

Q=53升/分 泵最大泵

5.5.5 确定油泵电动机功率N

N =

式中 p——油泵的最大工作压力

Q——所选油泵的额定流量

η——油泵总效率

N=7.5（千瓦） pQ （千瓦） 612η

机械手液压系统原理图：

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》