四自由度機械手的液壓系統設計

華俊芳

【摘要】機械手是指能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等 。機械手按驅動方式的不同又可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式，而本文討論的是具有四自由度的機械手的液壓系統設計。

【關鍵詞】機械手;液壓系統;設計

1.機械手結構分析

本文所研究的搬運機械手具有四個自由度，分別為手腕的旋轉運動，手臂的伸縮運動、旋轉運動和升降運動，坐標形式為圓柱坐標，采用液壓驅動控制方式，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 機械手結構示意圖

2.機械手關鍵液壓回路分析

在驅動機械手運動過程中，其中夾緊放松動作，旋轉動作和伸縮動作是主要的動作，這里對這些動作的回路進行分析。

（1）夾緊回路

夾緊回路采用的是O型三位四通換向閥來進行鎖定，如圖2所示。

1—三位四通換向閥 ?2—調速閥 3—二位三通換向閥

圖2 夾緊回路

（2）旋轉回路

對于機械手的旋轉動作，采用了液壓馬達實現，原理如圖3所示。

1—二位二通換向閥 2—調速閥 3—三位四通換向閥 4—液壓馬達

圖3 旋轉回路

3.液壓系統設計

液壓系統作為搬運機械手的重要驅動方式，主要 用來使機械手完成工作夾/松、手部擺動、手臂水平位 移和垂直升降等動作，主要由油缸、油泵、油壓馬達和各種閥組成。

系統主要技術參數如下：

抓重：20kg

自由度：4

坐標形式：圓柱坐標

最大工作半徑：1500mm

手臂最大中心高度：700mm

手臂運動參數：

伸縮行程：700mm

伸縮速度：400mm/s

升降行程：300m m

升降速度：50mm/s

回轉范圍：0°—180°

回轉速度：70°/s

手腕運動參數：

回轉范圍：0°—180°

回轉速度：9 0°/s

手指夾持范圍：∮30mm—∮60mm

手指握力：500N

根據系統的工作要求和特點，擬定的四自由度搬運機械手液壓系統原理圖如圖4所示。

4.液壓系統硬件設計

（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。采用調速閥調速，初算時可取。考慮背壓，現取。泵的工作壓力初定為：

式中：p——液壓缸的工作壓力;——系統的壓力損失。

泵的流量的確定：由于液壓缸采用的是差動連接方式，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的流量，故按快退考慮。已知快退時所需要的流量，故快退時泵應供油量為：

式中，K為系統的泄露系數，一般取K=1.1～1.3，此處取1.1。

根據組合機床的具體情況，從產品樣本中選用YB-4/10型雙聯葉片泵。其最大提供的流量為：

故所選泵符合系統要求。

（2）選擇閥類元件

各類閥可按通過該閥的最大流量和實際工作壓力選取。如表1所示：

表1 液壓閥的選型

序號 元件名稱 型號 規格

1 溢流閥 YF-B32H 21MPa，250L/min

2 調速閥 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）電機的確定

快進快退時所需的功率比工進時的功率要大，所以選取電機功率的時候用快進快退的功率做為選取依據。系統的壓力為4MPa，流量為14L/min，其功率為：

故選取電機功率為1.5kw的電機。

本文主要對四自由度機械手的液壓系統進行了設計，實現機械手的前進，后退，升降和回轉功能，并對系統的主要元件進行了設計和選型。根據仿真軟件進行試驗，系統能運行穩定夠滿足需要，可試用推廣。

參考文獻

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