轻型液压平动搬运机械手研制

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随着工业 自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越广泛，尤其是在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的诚应用更为广泛。机械手构造和性能上兼有人和机器的双重优点，尤其体现在人的智能和适应性方面。机械手作业的准确性和不同环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间 。J。它之所以可以迅速地被人们所认识，是因为- 方面它能代替部分人工操作，另外-方面它能按照生产工艺的要求，遵循-定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸。此外，机械手能操作必要的机具进行焊接和装配，从而极大改善了工人的劳动条件，显著提高了劳动生产率，加快了实现工业生产机械化和自动化的步伐，因而受到很多国家的重视。在我国近几年也有较快的发展，并且取得-定的成果。

在深入了解搬运机械手运动机理的基础上着重进行嗅构、轻质量、灵活平动搬运机械手的研究，确定了搬运机械手系统的基本结构，完成了包括传动部分、执行部分、驱动部分的设计工作，并对搬运机械手的力学性能进行了分析。

1 轻型平动搬运机械手机械结构设计1.1 机械手基本形式的选择图 1是机械手搬运物品示意图，图中机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带 B，本文的研究对象即为此类平动搬运机械手。-般来说，常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可以分为4种 J：① 直角坐标型机械手；② 圆柱坐标型机械手；③ 球坐标(极坐标)型机械手；④ 多关节型机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑、定位精度高、占地面积小，因此本文采用圆柱坐标型。

图1 平动搬运机械手原理示意图1.2 机械手关键结构设计1)夹持器机构设计夹持器应具有适当的夹紧力和驱动力，手指应该有-定的开合范围，应保证工件在手指内的夹持精度，收稿 日期：2013-01-05作者简介：谭益松(1982-)，男，吉林吉林人，副教授，博士，研究方向为航天设备的工程分析及结构优化设计、移动机器人控制技术等。

2013年第8期 液压与气动 21要求结构紧凑、重量轻、效率高。设计的夹持器结构如图2所示，采用手指式夹持器，通过法兰联接在手臂上，由液压缸提供动力，驱动楔块前后进给，进而实现手指的抓紧.放松动作。

1 21.夹持器液压缸 2.滚子 3.连接板 4.楔块5.夹持手指 6.V型手指图2 机械手夹持器结构图2)腕部机构设计腕部的设计力求结构紧凑、重量轻、合理布局，由于机械手是在室内工作诚搬运物料，工作环境对其的影响不大，所以采用具有-个 自由度的回转缸液压驱动的典型腕部结构，其结构图如图3所示。

1.腕梁 2.通向手部的油管 3.回转液压缸 4.手部驱动液压缸5.手部 6.通向摆动缸的油管 7.左进油孔 8.右进油孔9.固定叶片 1O.缸体 11.回转轴 12.回转叶片图3 腕部结构图3)伸缩臂结构设计机械手伸缩臂的底板固定在大臂上，前端法兰安装机械手，完成直线伸缩动作。采用单出杆双作用液压油缸，手臂伸出时采用单向调速阀进行回油节流调速，接近终点时发出信号，进行调速缓冲，靠油缸行程极限定位，采用导向杆导向防止转动，采用电液换向阀控制伸缩方向，伸缩臂的结构简图如图4所示。

2 机械手液压驱动系统设计设计的轻型平动搬运机械手采用液压驱动控制方式，液压传动是以有压力的油液作为传递动力的工作1.支座 2.油缸 3.铰链接头 4.法兰 5.直线导轨 6.底板图4 伸缩臂的结构简图介质。电动机带动油泵输出压力油，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，以及夹持器手指夹紧工件时所需的夹持力，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。

2.1 液压驱动控制 系统设计原理及实现机械手驱动系统采用叶片泵供油，动作顺序如下：从原位开始--升降臂下降--夹持器夹紧--升降臂上升--底座快进回转--底座慢进--手腕 回转--伸缩臂伸出--夹持器松开--伸缩臂缩回；待加工完毕后，动作顺序相反，到原位停止，准备下次循环。上述动作均由电控系统发出信号控制相应的电磁换向阀，按程序依次步进动作而实现，其液压系统原理图如图5所示。

2.2 液压系统电磁铁动作顺序控制原理(1)升降臂下降 使 4YA通电阀 21位于左位，压力油经阀22，进入油缸 26上腔，回油经油缸下腔，阀24、阀23、阀2l左位回油箱。下降速度由阀23调节，阀24防止自重下滑起支撑平衡作用。

(2)夹持器夹紧 升降到-定位置接触行程开关，使电磁铁 7YA通电，4YA断电，压力油经阀28右位进入油缸 32上腔，油缸下腔油液经阀30，阀28右位回油箱，29、30液控单向阀保持夹持器夹牢工件。

(4)底座快进回转 当上升到预定位置时，挡块接触行程开关。使得 5YA断电 8YA通电，阀 33处于左位，压力油经阀33左位，阀34进入回转缸上腔，下腔油液经阀35、阀33左位回油箱。底座回转 9O度，22 液压与气动 2013年第8期1、6、9.滤油器 2.冷却器 3.电动机 4.油泵 5、12.压力表 7、24、30、35、4O、41.溢流阀 8.二位二通电磁换向阀10、l6、18、25、29、36.单向阀 l1、19、27、31、38.压力继电器 13.蓄能器 14、21、28、33、42.三位四通电磁换向阀15、17.节流阀 2O、26、32、37.液压缸 22、23、34.调速阀 39.马达图5 机械手液压系统图回转速度由阀34调节。回转缸在其油路上安装有行程节流阀进行减速缓冲。

(5)伸缩臂伸出 底座回转到位接触行程开关，使 8YA断电，2YA通电，压力油经阀14左位，进入油缸20左腔，右腔油液经阀 l7、阀 l4左位回油箱。伸缩臂外伸，伸缩速度由阀 l7调节。

待加工完毕后，所有动作反向进行，最后在原位停止，准备下次循环。

3 机械手力学性能分析3.1 夹紧力及驱动力的计算手指施加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，必须对其大孝方向、作用点进行分析、计算。-般来说，夹紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷(惯性力或惯性力矩)以使工件保持可靠的夹紧状态 。手指对工件的夹紧力可按下列公式计算：FN≥ K1 K3G (1)式中：K -- 安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定，通常取 1.2-2.0，本文选取 1.5K -- 工件情况系数，主要考虑惯性力的影响，计算最大加速度，得出工作情况系数 ：1詈1 1.02 Vo-- 机械手搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值(m/s )- - 方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定手指与工件位置：手指水平放置，工件垂直放置；手指与工件形状：V形指端夹持圆柱型工件； 为摩擦系数；0为 型手指半角，此处粗略计算K3- 4。

G-- 被抓取工件的重量求得夹紧力 ：FNKlK2 Mg1.5 X 1.002 X 4 X 3 X 9.8176.75 N取整为 177 N。

根据驱动力和夹紧力之间的关系式：F F c (2)式中：C-- 滚子至销轴之间的距离b-- 手指至销轴之间的距离O/-- 楔块的倾斜角可得 ：F ：2-FNb sinol： 195.15 N ～ - lU、 l、 lF为理论计算值，实际采用的液压缸驱动力F 要大于理论计算值 ，考虑手爪的机械效率 田，-般取 0.8～0.9，此处取 0.88，则：2013年第8期 液压与气动 23F，： ：! ：! ：221. 761 N竹 0.88 取 F 222 N3.2 腕部回转力矩的计算腕部回转时，需要克服的阻力有 ：(1)腕部回转支承处的摩擦力矩 麾摩寺(FR。D FR：D2) (3)式中：F .、F ，-- 轴承处支反力(N)，可由静力平衡方程求得D 、D -- 轴承的直径(m).厂-- 轴承的摩擦系数，对于滚动轴承为0.01～0.02，对于滑动轴承为0.1为简化计算，取M摩0.1M总阻力矩，如图6所示。其中，G 为工件重量，G 为手部重量，G，为手腕转动件重量。

图 6 腕部 回转参数 图(2)克服由于工件重心偏置所需的力矩 M偏：偏 G1e (4)式中：e-- 工件重心到手腕回转轴线的垂直距离(m)，已知 e10 mm，则：偏 G1。e 3 ×9.8×0.01 N ·m 0.294 N ·m(3)克服启动惯性所需的力矩 M惯：启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度 及启动过程转过的角度咖启按下式计算：惯 ( J工件) (5)启式中：.，工件-- 工件对手腕回转轴线的转动惯量(N·m · sl，-- 手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量(N·m·s )- - 手腕回转过程的角速度(1/s)t启-- 启动过程所需的时间(s)，-般取0.05-0.3 s，此处取 0.1 s手爪、手爪驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为-个圆柱体，高为 200 mm，直径 90 mm，其重力估算 ：G 叮T×0.0452×0.2×7800 kg/m ×9.8 N/kg97.26 N，取 98 N。

等效圆柱体的转动惯量：.， 丢· .o.045 -o.㈣已知圆柱体工件R 40 mm，Z100 mm工件的转动惯量：-，工件 m(3 l2) 1·3。(3×0. 04 0.1 2) 0.0037要求工件在 0.5 s内旋转 90。，∞取平均角速度，即∞1T。代人得： (.，.，工件) o J(0.01010.0037) N。m 0.4335 N ·m总阻力矩 摩 偏M惯 (0.1M总阻力矩0.2940.4335、N ·m解可得： 总阻力矩0.8083 N·m回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩。

4 结论完成了轻型平动搬运机械手夹持器、腕部、伸缩臂、液压控制系统的设计。设计出的机械手夹持器结构紧凑、重量轻、效率高；腕部结构的设计满足结构紧凑、合理布局、工作条件适合等要求；机械手伸缩臂结构满足了其适应性、可靠性、安全性等要求；机械手驱动系统的设计满足其动作顺序和逻辑要求。整机工作协调、效率高。