的速度变化量就等于手臂的工作速度；
△t ——启动过程中所用时间，一般为0.01∽0.5s； 当Fm=80N,W=1098（N） △V = 500mm/s时，
Pq = 80+
10980.5* =80+112=192 (N)； 9.80.54.5.2 臂垂直升降的运动驱动力的计算 手臂在作垂直运动时，除了要克服摩擦阻力Fm和惯性力Fg以外，还要克服臂部运动部件重力，其驱动力Pq可按下式计算：
Pq = Fm + Fg ± W (N)； 式中 Fm——各支承处摩擦力（N）；
Fg——启动时惯性力（N）可按臂伸缩运动时情况计算； W——臂部运动部件总重量（N）； ±——上升时为正，下降时为负。 当Fm=40N， Fg=100N， W =1098N时
Pq=40+100+1098=1238（N） 4.5.3 臂部的回转运动驱动力矩的计算
臂部的回转运动驱动力矩应该根据启动时产生的惯性力矩与回转部件支承处摩擦力矩来计算。因为启动过程一般不是等加速度运动，故最实际大驱动力矩要比理论平均值大一些，取平均值的1.3倍。故驱动力矩Mq可以下式计算：
Mq = 1.3(Mm + Mg ) (N·m) ； 式中 Mm——各支承处总摩擦力矩；
Mg——启动时的惯性力矩，一般按下式计算： Mg = J
? (N·m) ； ?t2 式中 J——手臂的部件对其回转轴线转动惯量（kg·m）; ?——回转手臂工作角速度（rad/s）; △t——回转臂的启动时间（s） 当Mm=84(N·m)，Mg=8
0.8=32(N·m)； 0.2 Mq = 1.3*116=150.8(N·m)；
对活塞、导向套筒和油缸等的转动惯量都需要做详细计算，因为这些零件的重量较大或着回转半径较大，对总计算结果的影响也较大，对于小零件则作为质点计算其转动惯量，其质心转动惯量可以忽略不计。对于形状复杂零件，可划分为几个简单零件进行分别计算，其中有的部分可以当作质点计算。可参考《工业机器人》表4-1。
5 液压系统设计
5.1液压系统的简介
机械手液压传动是以有压力油液作为传递动力的工作介质。电动机带动油泵的输出压力油，是将电动机供给机械能转换成油液压力能。压力油经过管道及一些控制调节的装置等进入油缸，推动活塞杆运动，使手臂作伸缩、升降的运动，油液的压力能转换成机械能。手臂在运动时所能克服摩擦阻力的大小，及手部夹紧工件时所需要保持的握力大小，均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关。手臂做各种运动的运动速度取决于流入密封油缸中的油液容积的多少。这种借助于运动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。
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5.2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。 5.3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。 5.3.1 压力控制回路
① 调压回路 在采用定量泵液压系统中，为控制系统最大工作压力，一般在油泵的出口附近设置溢流阀，用它来调节系统的压力，并将多余油液溢流回油箱。
② 卸荷回路 在机械手的各油缸不工作时，油泵电机还没停止工作的情况下，为减少油泵功率饿损耗，节省动力，降低系统发热，并使油泵在低负荷下工作，所以需要采用卸荷回路。此机械手主要采用二位二通电磁阀控制溢流阀的卸荷回路。
③ 减压回路 为了使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上一个减压阀，以获得比系统压力更低压力。
④ 平衡与锁紧回路 在机械液压的系统中，为了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。 5.3.2 速度控制回路
液压机械手各种运动的速度的控制，主要是通过改变进入油缸的流量Q。控制方法有两类：一类，采用定量泵，利用调节节流阀通流截面来改变进入油缸或油的马达的流量；另一类，采用变量泵，改变油泵供油量。本机械手采用的使定量油泵节流调速回路。
根据各油泵运动速度要求，分别采用LI型单向节流阀、LCI型单向节流阀或着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，负荷变化会引起油缸速度变化，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饿调整和稳定所通过的流量，使油缸运动速度不受负荷变化的影响，对速度平稳性要求较高的场合，宜用调速阀实现节流来调速。
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5.3.3 方向控制回路
在机械手液压的系统中，为控制各油缸、马达运动方向和接通或关闭油路，常采用二位二通、二位三通、二位四通电磁阀和液动滑阀，由电控系统发出的电信号，控制电磁铁操纵阀芯的换向，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，按电源不同，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），直流电磁阀使用电压一般为24V（或110V）本机械手采用交流电磁阀。交流电磁阀起动性能较好，换向时间短，接线简单，并且价廉，但是当吸不上时容易烧坏，可靠性差，换向时有冲击，允许换向频率底，寿命较短。 5.4 机械手液压传动系统
液压系统图绘制是设计液压机械手的主要内容之一。液压系统图是各种液压元件为满足机械手动作要求的有机联系图。它通常由一些典型压力控制、流量控制、方向控制回路加上一些专用的回路所组成。
绘制液压系统图的一般顺序是：1.确定油缸和油泵，2.布置中间的控制调节回路和相应的元件，以及其他的辅助装置，从而组成整个液压的系统，并用液压系统图形符号，画出液压的原理图。 5.4.1机械手的动作顺序
本液压传动机械手主要是从一个地方拿到工件后，横移一定的距离后把工件给进机床进行加工。它的动作顺序是：待刀（即起始位置） → 插定位销 → 手臂前伸 → 手指张开 → 手指夹刀→ 手臂上升 → 手臂缩回 → 立柱横移 → 手腕回转115° → 拔定位销 → 手臂回转115° → 插定位销 → 手臂前伸 → 手臂中停 （此时机床刀头下降，大泵卸荷） → 手指松开（此时机床上升） → 手指闭合 → 手臂缩回 → 手臂下降 → 手腕反转 （手腕复位）→ 拔定位销 → 手臂反转（上料机械手复位） → 立柱回移（回到起始位置） → 待刀（一个循环结束）卸荷。
上述动作均由电控系统发信控制相应电磁换向阀，按程序依次动作而实现的。该电控系统的步进控制环节是采用步进选线器，其步进得动作是在每一步动作完成之后，使行程开触点闭合或依据每一步动作的预设停留时间，使时间继电器发信，使步进器顺序“跳步”控制电磁阀电磁铁线圈的通断电，使电磁铁按程序动作来实现液压系统的自动控制。 5.4.2 自动上料机械手液压系统的原理介绍
图9 机械手液压系统图
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液压系统原理如图9所示。该系统选用功率N =7.5千瓦电动机，带动双联叶片泵YB-35/18 ，其公称压力为60*10帕，流量35升/分+18升/分=53升/分，系统压力调节为30*10帕，油箱的容积
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选250升。手臂的升降油缸及伸缩油缸工作时两个油泵同时供油；手臂及手腕的回转和手指夹紧用的拉紧油缸以及手臂回转的定位油缸工作时只有小油泵供油，大泵自动卸荷。 手臂伸缩、手臂升降、手臂回转、手臂横向移动和手腕回转油路采用单向调速阀（QI-63B、QI-25B、QI-10B）回程节流，因而速度可调，工作平稳。 手臂升降油缸支路设置有单向顺序阀（XI-63B），可以调整顺序阀的弹簧力使之在活塞、活塞杆及其所支承的手臂等自重所引起的油液压力作用下仍保持断路。工作时油泵输出的压力油进入升降油缸上腔，作用在顺序阀的压力增加使之接通，活塞便向下运动。当活塞要上升时，压力油液经单向阀进入升降油缸下腔而不会被顺序阀所阻，这样采用单向顺序阀克服手臂等自重，以防下滑，性能稳定可靠。
手指夹紧油缸支路装有液控单向阀（IY-25B），使手指夹紧工件时不受系统压力波动的影响，保证保证手指夹持工件牢靠。当反向进油时，油箱通过控制油路将单向阀芯顶开，使回油路接通，油液流回油箱。
在手臂回转后的定位所用的定位油缸支路要比系统压力低，为此在定位油缸支路前串有减压阀（J-10），使定位油缸获得适应压力为15—18*10帕 ，同时还给电液动滑阀（或称电液换向阀，34DY-63B）来实现，空载卸荷不致使油温升高。系统的压力由溢流阀来调节。
此系统四个主压力油路的压力测量，是通过转换压力表开关（K-3B）的位置来实现的，被测量的四个主油路的压力值，分别从压力表（Y-60）上表示出来。
下面以机械手的一个典型动作程序为例，结合图8来说明其动作循环。
当电动机启动，带动双联叶片泵3和8回转，油液从油箱1中通过网式滤油器2和7，经过叶片泵被送到工作油路中去，如果机械手还未启动，则油液通过二位二通电磁阀5和10（电磁铁11DT和12DT通电）进行卸荷。
当热棒料到达上料的位置后，或经过人工启动，经过步进选线器跳步，使机械手开始按程序动作。此时卸荷停止（二位二通电磁阀5和10的电磁铁断电），电磁铁8DT通电，压力油进到定位油缸的无杆腔进行定位动作。定位后此支油路系统压力升高，压力继电器40发出电信号，经过步进选线器跳步使电磁铁1DT通电，电液换向阀25变成通路，压力油泵从3和8经单向阀6、14和13，经过电液换向阀25右边通道进入手臂伸缩油缸的右腔，使活塞杆带动导向杆作前伸运动（因活塞缸固定），手臂前伸到适当位置，装在手臂上的碰铁碰行程开关发出电信号，经步进选线器和时间继电器延时，使电磁铁3DT通电，手指张开；手臂滑行，手指移到待上料的中心位置。在延时结束时，3DT断电，手指夹紧料；并同时发信、跳步，使电磁铁4DT通电，压力油从工作油路39经电液换向阀33右边通道、单向调速阀34的单向阀及单向顺序阀35的单向阀进入手臂升降油缸的下腔，推动手臂上升。在手臂上升到预定位置，碰行程开关，使电磁铁4DT断电，电液换向阀33复位成“O”型滑阀机能状态，发出电信号经步进选线器跳步，使电磁铁2DT通电，电液换向阀25左边接通油路，压力油通过电液换向阀25左边通道，经过单向调速阀26的单向阀进入受臂伸缩油缸左腔使受臂缩回。同时发信、跳步，使电磁铁13DT通电，压力油通过电液换向阀41的左腔，推动手臂横向移动。当横向移动机构上的碰铁碰到行程开关，使13DT断电，并发出电信号经步进选线器跳步使6DT通电，则换向阀18右边接通油路，压力油通过单向调速阀19的单向阀进入手腕回转油缸一腔，使手腕回转115°，手腕上的碰铁碰行程开关使6DT断电，换向阀18复位成“O”型滑阀机能状态，同时亦使8DT断电，定位油缸复位（拔销）；压力继电器复位，发出电信号。经步进选线器跳步，使电磁铁9DT通电，换向阀28右边通道接通油路，压力油经QI（31）的单向阀进入手臂回转油缸一
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腔使手臂回转115°。当手臂的回转碰铁碰行程开关使9 DT断电，换向阀28复位成“O”型滑阀机能状态；并发出电信号。步进选线器跳步，使8DT通电，定位油缸17动作，插定位销，压力继电器40发出电信号经发出电信号。经步进选线器跳步，使电磁铁1DT通电，手臂前伸；当手臂将棒料 送到立式精锻机的夹头轴线前的适当距离，手臂的碰铁碰行程开关，1DT断电，手臂靠滑行和定位螺钉使手臂将棒料送到夹头轴线处；并发出电信号、跳步使12DT通电，大泵卸荷，手臂处于“中停”位置，同时发出电信号使立式精锻机启动，夹头下降，行程开关发信，通过时间继电器使夹头闭合将棒料夹牢，机电控制系统发信，给机械手电控系统，经过选线器跳步，时间继电器延时使3DT通电，机械手手指松开（同时，精锻机的电控系统发信使夹头提升），延时到3DT断电，手指闭合，并发出电信号，步选器跳步，2DT通电，手臂缩回。当手笔碰铁碰到行程开关时，2DT断电（手臂缩回停）；并发出电信号和跳步，使5DT通电，电液换向阀33的左边通道接通油路，压力油经QI（36）的单向阀进到升降缸的上腔，使手臂下降，当升降导套上的碰铁碰行程开关时，5DT断电（手臂下降停）；并发出电信号和跳步，使7DT通电，换向罚18的左边通道接通油路，压力油QI（20）的单向阀进入手腕回转油缸的另一腔，使手腕反转115°；手腕上的碰铁碰行程开关，使7DT断电并发出电信号、跳步，使8DT断电（拔定位销），压力继电器复位发出电信号、跳步，使10DT通电，换向阀28左边通道接通油路，压力油经QI（29）的单向阀进入手臂回转油缸的另一腔，使手臂反转115°（机械手复位）。当手臂上的回转碰铁碰行程开关时，10DT断电，并发出信号，跳步，使14DT通电，立柱回移（回到原位，机械手回到原来位置）；步进选线器跳步，使11DT和12DT通电（两个油泵同时卸荷），机械手的动作循环结束。 5.5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）。 5.5.1 双作用单杆活塞油缸 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 =
?2DV1 4033 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 =
3?2 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 =
?22（D-d）V2 4033 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
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