四自由度机械手的液压系统设计

华俊芳

【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

9 三位四通电磁阀 34E1-25B 6.3MPa、25L/min

10 调速阀 Q-H32 32MPa，100L/min

11 单向阀 DF—B10K1 35MPa，30L/min

12 二位三通电磁阀 23E1-25B 6.3MPa、25L/min

13 三位四通电磁阀 34E1-25B 6.3MPa、25L/min

14 调速阀 Q-H32 32MPa，100L/min

15 单向阀 DF—B10K1 35MPa，30L/min

16 二位三通电磁阀 23E1-25B 6.3MPa、25L/min

17 三位四通电磁阀 34E1-25B 6.3MPa、25L/min

（3）电机的确定

快进快退时所需的功率比工进时的功率要大，所以选取电机功率的时候用快进快退的功率做为选取依据。系统的压力为4MPa，流量为14L/min，其功率为：

故选取电机功率为1.5kw的电机。

本文主要对四自由度机械手的液压系统进行了设计，实现机械手的前进，后退，升降和回转功能，并对系统的主要元件进行了设计和选型。根据仿真软件进行试验，系统能运行稳定够满足需要，可试用推广。

参考文献

[1]张宏友.液压与气动技术[M].大连：大连理工大学出版社，2009.

[2]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，1993.

[3]耿跃峰，夏政伟.四自由度搬运机械手液压系统设计[J].液压与气动，2012（2）：42-45.