四自由度机械手的液压系统设计
【摘要】机械手是指能模仿人手和臂的某些动作功能,用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化,能在有害环境下操作以保护人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置,如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件,在加工中心中更换刀具等 。机械手按驱动方式的不同又可分为液压式、气动式、电动式、机械式,而本文讨论的是具有四自由度的机械手的液压系统设计。
【关键词】机械手;液压系统;设计
1.机械手结构分析
本文所研究的搬运机械手具有四个自由度,分别为手腕的旋转运动,手臂的伸缩运动、旋转运动和升降运动,坐标形式为圆柱坐标,采用液压驱动控制方式,其结构示意图如图1所示。
图1 机械手结构示意图
2.机械手关键液压回路分析
在驱动机械手运动过程中,其中夹紧放松动作,旋转动作和伸缩动作是主要的动作,这里对这些动作的回路进行分析。
(1)夹紧回路
夹紧回路采用的是O型三位四通换向阀来进行锁定,如图2所示。
1—三位四通换向阀 2—调速阀 3—二位三通换向阀
图2 夹紧回路
(2)旋转回路
对于机械手的旋转动作,采用了液压马达实现,原理如图3所示。
1—二位二通换向阀 2—调速阀 3—三位四通换向阀 4—液压马达
图3 旋转回路
3.液压系统设计
液压系统作为搬运机械手的重要驱动方式,主要 用来使机械手完成工作夹/松、手部摆动、手臂水平位 移和垂直升降等动作,主要由油缸、油泵、油压马达和各种阀组成。
系统主要技术参数如下:
抓重:20kg
自由度:4
坐标形式:圆柱坐标
最大工作半径:1500mm
手臂最大中心高度:700mm
手臂运动参数:
伸缩行程:700mm
伸缩速度:400mm/s
升降行程:300m m
升降速度:50mm/s
回转范围:0°—180°
回转速度:70°/s
手腕运动参数:
回转范围:0°—180°
回转速度:9 0°/s
手指夹持范围:∮30mm—∮60mm
手指握力:500N
根据系统的工作要求和特点,拟定的四自由度搬运机械手液压系统原理图如图4所示。
4.液压系统硬件设计
(1)液压泵的选择
泵的工作压力的确定:泵的工作压力可按缸的工作压力加上管路和元件的压力损失来确定。采用调速阀调速,初算时可取。考虑背压,现取。泵的工作压力初定为:
式中:p——液压缸的工作压力;——系统的压力损失。
泵的流量的确定:由于液压缸采用的是差动连接方式,而有杆腔有效面积大于活塞面积,故在速度相同的情况下,快退所需的流量大于快进的流量,故按快退考虑。已知快退时所需要的流量,故快退时泵应供油量为:
式中,K为系统的泄露系数,一般取K=1.1~1.3,此处取1.1。
根据组合机床的具体情况,从产品样本中选用YB-4/10型双联叶片泵。其最大提供的流量为:
故所选泵符合系统要求。
(2)选择阀类元件
各类阀可按通过该阀的最大流量和实际工作压力选取。如表1所示:
表1 液压阀的选型
序号 元件名称 型号 规格
1 溢流阀 YF-B32H 21MPa,250L/min
2 调速阀 Q-H10 32MPa,40L/min
3 单向阀 I-25B 6.3MPa、25L/min
4 二位二通电磁阀 22E1-10B 6.3MPa、l0L/min
5 三位四通电磁阀 34E1-25B 6.3MPa、25L/min
6 调速阀 Q-H20 32MPa,100L/min
7 单向阀 DF—B10K1 35MPa,30L/min
8 二位二通电磁阀 22E1-10B 6.3MPa、l0L/min