卧式加工中心换刀机械手的设计

卧式加工中心换刀机械手的设计

1 机械手的介绍

1.1 工业机器人简介

几千年前人类就渴望制造一种像人一样的机器，以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。如古希腊神话《阿鲁哥探险船》中的青铜巨人泰洛斯（Taloas)，犹太传说中的泥土巨人等等，这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现实，早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。

到了近代 ，机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后，不同功能的机器人也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到 农业、林、牧、渔，甚至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。

工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续 工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工 业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 1.2世界机器人的发展

国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势：

（1）. 工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10．3万美元降至97年的6．5万美元。 （2）．机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。 （3）．工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 （4）．机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 （5）．虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 （6）．当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。

(7)．机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。 1.3 我国工业机器人的发展

有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。

我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动

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学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的 水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模化设计，积极推进产业化进程。

我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。 1.4 我需要设计的机械手， 1.4.1 臂力确定

国内目前使用的机械手的臂力范围较大，现有的机械手的臂力最小为0.15N，最大为8000N。本机械手的臂力为N臂 =1650（N），安全系数k般可在1.5~3，本机械手取安全系数k=2。定位精度为±1mm。

1.4.2 工作范围确定

本机械手的工作范围需要根据工艺要求和操作运动的轨迹去确定。一个操作运动的轨迹是由几个动作的合成，在确定工作范围时，可将轨迹分解成若干个单个的动作，由单个动作的行程来确定机械手最大行程。此机械手动作范围确定如下： 手腕回转角度=±115°；

手臂伸长量=150mm； 手臂回转角度=±115°； 手臂升降行程=170mm；

手臂水平运动行程=100mm；

1.4.3 确定各运动速度

机械手的各动作的最大行程确定以后，可以根据生产需要分配每个动作的时间，进而来确定各动作运动速度。机械手要完成整个过程，需完成夹紧工件，手臂升降，伸缩，回转，平移等一系列动作，这些动作都应该在规定的时间内完成。具体时间分配取决于很多因素，根据对各种因素反复考虑，对分配的方案进行反复比较才能确定。

机械手的总动作的时间应小于或等于工作拍节，如果需要两个动作同时进行，要按时间长的去计算，分配各动作的时间应考虑以下要求：

① 给定运动的时间应大于电气或液压元件的执行时间；

② 伸缩运动，速度要大于回转运动速度，因为回转运动的惯性一般会大于伸缩运动的惯性。在满足于工作拍节要求的条件下，应该尽量去选取较底的运动速度。机械手运动的速度与臂力，行程，驱动方式，缓冲方式，定位方式之间都有很大关系，应根据具体情况具体分析。 ③ 在工作拍节短的、动作多的情况下，常需要几个动作同时进行。因此驱动系统要采取相应措施，以此来保证动作同步。

机械手的各运动速度如下：

2

手腕的回转速度 v腕回 = 40°/s；

手臂的伸缩速度 v臂伸 = 50 mm/s；

手臂的回转速度 v臂回 = 40°/s；

手臂的升降速度 v臂升 = 50 mm/s； 立柱的水平运动速度 v柱移 = 50 mm/s； 手指夹紧油缸运动速度 v夹 = 50 mm/s； 1.4.4 手臂配置形式

机械手的手臂的配置形式基本上能反映它的总体布局。运动要求，操作环境。工作对象的不同，手臂的配置形式也大不相同。本机械手采用的是机座式。机座式得结构多被工业机器人采用，机座上可装上独立的控制设备，便于搬运和安放，机座底部也可以安装行走设备，用已扩大机械的活动范围，分为1.手臂配置在机座顶部,，2.手臂配置在机座立柱上两种形式，本机械手主要采用手臂配置在机座的立柱上的形式。手臂配置在机座立柱上的机械手大多为圆柱坐标型，它有升降、伸缩与回转运动，工作范围比较大。 1.4.5 位置的检测装置的选择

机械手常用位置检测方式主要有三种：1.行程开关式、2.模拟式,3.数字式。本机械手主要采用行程开关式。利用行程开去关检测位置，精度较低，一般需要与机械挡块联合应用。在机械手中，采用行程开关与机械挡块检测定位不但精度高而且简单实用可靠，故也是应用最多的。 1.4.6 驱动与控制方式选择

机械手的驱动与控制方式是根据它们的特点，结合生产工艺要求来选择的，需要要尽量去选择控制性能好、体积小、维修方便、成本底的方式。

控制系统也有许多不同的类型。除了一些专用机械手以外，大多数的机械手均需要进行专门控制系统的设计。

驱动的方式一般有四种：气压驱动、液压驱动、电气驱动和机械驱动。

参考《工业机器人》表9-6和表9-7，按照设计要求，本机械手采用的驱动方式为液压驱动，控制方式为固定程序的PLC控制。

2 手部的结构

2.1概述

手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式……等，这里采用滑槽杠杆式。 2.2 设计时应考虑的几个问题

①应具有足够的握力（即夹紧力）

在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 ②手指间应有一定的开闭角

两个手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角保证工件能顺利进入或脱开。若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。 ③应保证工件的准确定位

为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带?V?形面的手指，以便自动定心。 ④应具有足够的强度和刚度

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手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求具有足够的强度和刚度以防止折断或弯曲变形，但应尽量使结构简单紧凑，自重轻。

⑤应考虑被抓取对象的要求

应根据抓取工件的形状、抓取部位和抓取数量的不同，来设计和确定手指的形状。 2.3 驱动力的计算

1手指 ， 2.销轴 ， 3.拉杆 ， 4.指座

图1 滑槽杠杆式手部受力分析

如图所示为滑槽式的手部结构。在3拉杆作用下2销轴向上的拉力为P，并通过销轴的中心O点，两手指1滑槽对销轴反作用力为P1、P2，力的方向是垂直于滑槽中心线OO1和OO2并且指向O点，P1和P2延长线交O1O2于A及B，因为△

O1OA和△O2OA均为直角三角形，

所以∠AOC=∠BOC=α。根据销轴力平衡的条件，即

∑Fx=0, P1=P2; ∑Fy=0 P=2P1cosα； P1=P/2cosα；

销轴对手指的用力为p1′。手指握紧工件时所需力称为握力（即夹紧力），假设握力作用在手

指与工件接触面的对称平面内，并设两力大小相等，方向相反，用N表示。通过手指的力矩平衡条件，即 ∑m01(F)=0得；

4

P1′h=Nb； 又因 h=a/cosα ； 所以 P=2b(cosα)2N/a；

式中 a——手指回转的支点到对称中心线的距离（mm）。

α——工件被夹紧时手指滑槽方向与两回转的支点连线间的夹角。

由上式可得，当驱动力P一定时，α角增大时则握力N也随之增加，但α角过大则会导致拉杆的行程过大，及手指滑槽尺寸长度增大，使其结构增大，所以，一般取α=30°~40°。在这里取角α=30。 这种手部的结构比较简单，且具有动作灵活，手指饿开闭角大等特点。查《工业机械手设计基础》中表2-1可知，V形手指在夹紧圆棒料时，握力的计算公式N=0.5G，综合前面的驱动力计算方法，可以求出驱动力的大小。考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动及传力机构的效率的影响，实际的驱动力P应按以下公式计算，即： P实际=PK1K2/η；

式中 η——手部机械效率，一般取0.85~0.95； K1——安全系数，一般取1.2~2；

K2——工作情况的系数，主要考虑惯性力影响，K2可以近似的按下式去估计，K2=1+a/g，其中a为被抓取工件在运动时的最大加速度，g为重力加速度。

此次设计的机械手的工件只需要做水平和垂直平移，当它移动速度为500毫米/秒时，移动的加速度为1000毫米/秒，工件的重量G为98牛顿，V型钳口夹角为120°,α=30°时，拉紧油缸驱动力P和P实际计算如下：

根据钳爪夹的持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置工件的当量夹紧力计算公式 N=0.5G；

把已知的条件代入公式得当量夹紧力为 N=49（N）；

由滑槽杠杆式的结构的驱动力计算公式 P=2b(cosα)N/a 得；

P=P计算=2*45/27(cos30°)*49=122.5(N)； P实际=P计算K1K2/η；

取η=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/9810≈1.1； 则 P实际=122.5*1.5*1.1/0.85=238(N)；

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3 腕部结构

3.1 概述

腕部是连接手部与臂部的构件，主要起支承手部的作用。设计腕部的时候要注意以下几点：

① 结构要紧凑，重量要尽量轻。 ② 转动需灵活，密封性要好。

③ 注意解决好腕部与手部、臂部的连接，及各个自由度的位置检测、管线的布置，润滑、

维修，调整等各方面的问题

④ 要适应工作环境需要。

另外，通往手腕油缸的管道应尽量从手臂的内部通过，方便便手腕转动的时候管路不扭转和不

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外露，防止管路损坏。 3.2 腕部结构形式

本机械手时采用回转油缸驱动实现腕部的回转运动，结构紧凑、体积小，但密封性较差，回 转角度为±115°；

如下图所示为腕部结构，定片与后盖，回转缸体和前盖，均用螺钉和销子进行连接和定位，动片与手部的夹紧油缸的缸体用键连接。夹紧缸体固连成一体。当回转油缸两腔分别通入压力时，驱动动片连同夹紧油缸的缸体和指座一同转动，为手腕回转运动。

图3 机械手的腕部结构

3.3手腕的驱动力矩计算

驱动手腕回转时驱动力矩必须克服手腕起动所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处摩擦阻力矩，定片、动片与缸径、定片、端盖等密封装置的摩擦阻力矩及由转动的重心与轴线不重合所产生的偏重力矩。手腕转动时所需要驱动力矩可以按下式计算： M驱=M惯+M偏+M摩 （N.m）；

式中 M驱——驱动手腕转动的驱动力矩； M惯——惯性力矩 （N.m）；

M偏——参与转动零部件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸体的动片）对转动轴线产生的偏重力矩 （N.m）；

M摩——手腕转动轴与支承孔处摩擦力矩

（N.m） ；

⑴ 摩擦的阻力矩M摩

M摩 =（N1D1+N2D2） （N.m）； 式中 f——轴承的摩擦系数，滚动轴承取f=0.02，滑动轴承取f=0.1； N1 、N2 ——轴承的支承反力 （N）； D1 、D2 ——轴承的直径（m）

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由设计得D1=0.035m， D2=0.054m， N1=800N， N2=200N， G1=98N ，

e=0.020时

M摩 =0.1*（200*0.035+800*0.054）/2； 得 M摩 =2.51（N.m）；

⑵ 工件的重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏；

M偏 =G1 e （N.m）；

式中 G1——工件的重量（N）；

e——偏心距（即工件重心到碗回转中心线垂直距离），当工件重心与手腕回转的中心线重

合时，M偏为0

当e=0.0200，G1=98N时；

M偏 =1.96 （N·m）； ⑶ 腕部启动时惯性阻力矩M惯

① 当知道手腕回转角的速度?时，可按下式计算M惯；

M惯 =（J+J工件）

? （N·m）； t 式中 ?——手腕回转角的速度 （1/s）

T——手腕启动饿过程中所用时间（s），

J——手腕回转部件对回转轴线转动惯量（kg·m）；

2 J工件——工件对手腕回转轴线转动惯量 （kg·m） ；

2 按已知计算可得J=2.4 J工件 =6.24 ?=0.25m/ m t=2

2 故 M惯 = 1.4（N·m） ；

② 当知道启动的过程所转过角度?时，也可用下面公式计算M惯：

?2 M惯=（J+J工件） （N·m） ；

2?7

式中 ?——启动过程所转过的角度（rad）； ?——手腕回转角速度 （1/s）；

考虑到驱动缸密封摩擦的损失等因素，一般需要将M取大一些，可取

M =1.1∽1.2

（M惯+M偏+M摩 ） （N.m） ；

M = 1.2*（2.5+1.96+1.3） =6.9 （N.m）；

4 臂部结构

4.1 概述

臂部是机械手主要的执行部件，它的作用是支承手部和腕部，并且将被抓取的工件传送到指定的位置和方位上，一般机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右的回转和升降的运动。手臂的回转和升降的运动是通过立柱来实现的，立柱横向移动为手臂的横向移动。手臂各种运动通常由驱动机构以及各种传动机构实现，所以，它不仅仅承受被抓取的工件的重量，而且承受手部，手腕，和手臂自身的重量。手臂结构、工作的范围、灵活性及臂力和定位精度等都会直接影响到机械手的工作性能，所以，必须要根据机械手抓取重量、自由度数、运动形式、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂结构型式。同时，设计时必须要考虑到手臂受力情况、油缸及导向装置的布置、内部管路与手腕连接形式等个方面因素。因此一般要注意下述要求：

① 刚度要大 ， 为了防止臂部在运动的过程中产生过大变形，手臂的截面的形状选择要合理。弓字形截面弯曲刚度一般比圆截面要大，空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实心轴大。所以常用钢管作臂杆以及导向杆，用工字钢和槽钢来作支承板。

② 导向性能要好 为了防止手臂在直线移动的过程中，沿运动轴线发生相对运动，或着设置导向装置，或设计方形、花键等形式臂杆。

③ 偏重力矩要小 所谓偏重力矩就是指臂部重量对其支承回转轴所产生的静力矩。为了提高机器人的运动速度，需要尽量减少臂部运动部分的重量，以此来减少偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。

④ 运动要平稳，定位精度要高 应为臂部运动速度越高、重量越大，惯性力引起的定位前的冲击越大，运动即不平稳，定位精度也不会太高。所以应尽量减少小臂部运动部分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时需要采取一定的缓冲措施。 4.2手臂直线运动机构

机械手手臂的伸缩、升降及横向移动都属于直线运动，而实现手臂往复的直线运动机构形式比较多，常用的主要有活塞油（气）缸、活塞缸和齿轮齿条机构、丝杆螺母机构以及活塞缸和连杆机构。

4.2.1手臂的伸缩运动

这里实现直线的往复运动是采用液压驱的活塞油缸。由于活塞油缸体积小、重量较轻，因而在机械手手臂的机构中应用的比较多。本机械手采用双导向杆手臂的伸缩结构。如图5手臂和手腕是通过连接板安装在升降油缸上端，当双作用油缸两腔分别通入压力油时，则推动活塞杆（即手臂）作往复的直线运动。导向杆在导向套内部移动，防止手臂伸缩时的转动（并兼做手腕回转缸及手部夹紧油缸的输油管道）。由手臂的伸缩油缸安装在两导向杆之间，导向杆承受弯曲的作用，活塞杆受拉压作用，所以受力简单，传动平稳，外形美观，结构紧凑。可用于抓重量大、行程长的场合。

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图5 双导向杆手臂的伸缩结构 4.2..2手臂的升降运动

如图6所示为手臂升降运动机构。当升降缸的上下两腔通压力油时，活塞杠4做上下往复运动，缸体2固定在旋转轴上。由活塞杆带动套筒3做升降的运动。其导向的作用靠立柱的平键8实现。图中6为位置检测装置。

图6手臂升降和回转机构图

4.3 手臂回转运动

实现手臂回转运动的机构形式是多种多样的，常用的有回转缸、齿轮传动机构、链轮传动机构、

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连杆机构等。本机械手采用齿条缸式臂回转机构，如图6所示，回转运动由齿条活塞杆8驱动齿轮，带动配油轴和缸体一起转动，再通过缸体带动外套一起转动实现手臂的回转。

4.4 手臂的横向移动

如图7所示为手臂横向移动的机构。手臂横向移动是由活塞缸5来驱动，回转缸体与滑台1是用螺钉联结，活塞杆4通过两块连接板3用螺钉使其固定在滑座2上。当活塞缸5通压力油，缸体就带动滑台1，沿着燕尾形滑座2做横向往复的运动。

1滑台 2滑座 3连接板 4活塞杆 5活塞缸 图8 手臂横向移动机构

4.5 臂部的运动驱动力计算 计算臂部的运动驱动力（包括力矩）时，要把臂部所受到的全部负荷考虑进去。机械手在工作时，臂部所受的负荷有惯性力、摩擦力和重力等。 4.5.1 臂水平伸缩运动的驱动力的计算

手臂做水平的伸缩运动时，首先需要克服摩擦阻力，主要包括油缸与活塞之间的摩擦阻力及导向杆与支承滑套之间的摩擦阻力，还需要克服启动过程中产生的惯性力。其驱动力Pq可以按照下式计算：

Pq = Fm + Fg (N)；

式中 Fm——各支承处的摩擦阻力

Fg——启动过程中的惯性力，其大小可按下式估算 Fg =

Wa (N) ； g 式中 W ——手臂伸缩部件的总重量 （N） g ——重力加速度（9.8m/s

2）

2 a ——启动过程中的平均加速度（m/s 而 a =

）；

?v (m/s?t2)；

△v ——速度的变化量。如果手臂从静止状态加速到工作的速度V，则这个过程

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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。

12

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

13

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

55

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

514

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

15

3

油缸的有杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力P2即油缸的驱动力为： P2 =

?22 （D-d）p1 4

对于手臂伸缩油缸：p1=172N， 对于手指夹紧油缸：p1=108N ，对于手臂升降油缸：p1=305N ② 计算作用在活塞上的总机械载荷

机械手手臂移动时，作用在机械手活塞上的总机械载荷P为 P = P工 + P导 + P封 + P惯 + P回 其中 P工 为工作阻力

P导 导向装置处的摩擦阻力 P封 密封装置处的摩擦阻力 P惯 惯性阻力 P回 背压阻力

P = 83+125+66+80+208=562(N)

③确定油缸的结构尺寸

㈠油缸内径的计算 油缸工作时，作用在活塞上的合成液压力即驱动力与活塞杆上所受的总机械载荷平衡，即

P = P1（无杆腔） = P2 （有杆腔） 油缸（即活塞）的直径可由下式计算 D =

p4P = 1.13 厘米 （无杆腔）

P1?P1对于手臂伸缩油缸：D=50mm， 对于手指夹紧油缸：D=30mm ，对于手臂升降油缸：

D=80mm ，对于立柱横移油缸：D = 40mm

或D =

4P??P1d2 厘米 （有杆腔）

?P1 ㈡ 油缸壁厚的计算：

依据材料力学薄壁筒公式，油缸的壁厚?可用下式计算： ? =

p计D

厘米 2??? P计 为计算压力

??? 油缸材料的许用应力。

对于手臂伸缩油缸：? =6mm， 对于手指夹紧油缸：? =17mm ，对于手臂升降油缸：

16

? =16mm , 对于立柱横移油缸: ?=17mm

活塞杆的计算

可按强度条件决定活塞直径d 。活塞杆工作时主要承受拉力或压力，因此活塞杆的强度计算可近似的视为直杆拉、压强度计算问题，即

? =

Pd2?4≦

???

即 d ≧

4P???? 厘米

对于手臂伸缩油缸：d =30mm， 对于手指夹紧油缸：d =15mm ，对于手臂升降油缸：

d=50mm , 对于立柱横移油缸:d=16mm

5.52 无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸） ① 流量、驱动力的计算 Q =

?D2d?133

当D=103mm,d=40mm,?=0.95 rad/s时 Q = 952N

② 作用在活塞上的总机械载荷P P = P工 + P封 + P惯 + P回 其中 P工 为工作阻力

P封 密封装置处的摩擦阻力 P惯 惯性阻力 P回 背压阻力

P = 66+108+208=382（N） ③ 油缸内径的计算

根据作用在齿条活塞上的合成液压力即驱动力与总机械载荷的平衡条件，求得 D = D = 45mm

5.5.3 单叶片回转油缸

在液压机械手上实现手腕、手臂回转运动的另一种常用机构是单叶片回转油缸，简称回转油缸，

4P （厘米） ?p17

其计算简图如下：

图12 回转油缸计算简图 ①流量、驱动力矩的计算

当压力油输入回转油缸，使动片以角速度?运动时，需要输入回转油缸的流量Q为：

3b(D2?d2)? Q =

400 当D=100mm,d=35mm,b=35mm, ?=0.95 rad/s时

Q=0.02m/s

回转油缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩M：

3pb(D2?d2) M =

8 得M = 0.8 (N·m)

② 作用在动片（即输出轴）上的外载荷力矩 M M = M工 +M封 + M惯 + M回 其中 M工 为工作阻力矩

M封 密封装置处的摩擦阻力矩

M惯 参与回转运动的零部件，在启动时的惯性力矩 M回 回转油缸回油腔的背反力矩 M = 2.3+0.85+1.22+1.08=5.45 (N·m) ③ 回转油缸内径的计算

回转油缸的动片上受的合成液压力矩与其上作用的外载荷力矩相平衡，可得： D =

8M?d2 （厘米） bp D = 30mm

18

5.5.4油泵的选择

一般的机械手的液压系统，大多采用定量油泵，油泵的选择主要是根据系统所需要的油泵工作压力p泵 和最大流量Q泵来确定。 ⑴ 确定油泵的工作压力p泵 p泵 ≧ p + ?△p

式中 p ——油缸的最大工作油压

?△p ——压力油路（进油路）各部分压力损失之和，其中包括各种元件的局部

损失和管道的沿程损失。 p泵= 60*10帕

5⑵ 确定油泵的 Q

泵

油泵的流量，应根据系统个回路按设计的要求，在工作时实际所需的最大流量Q最

大，并考虑系统的总泄漏来确定

Q

泵

= K Q

最大

其中K一般取1.10—1.25

Q泵=53升/分

5.5.5 确定油泵电动机功率N

N =

pQ （千瓦） 612? 式中 p——油泵的最大工作压力

Q——所选油泵的额定流量 ?——油泵总效率

N=7.5（千瓦）

19

6 机械手的控制部分

6.1根据机械手的动作顺序表，选定电磁阀、开关等现场器件相对应的PLC内部等效继电器的地址

编号，其对照表如下：

表 2 现场器件与PLC内部等效继电器对照表 现 场 器 件 内部继电器地址 说 明 1sb X000 启动按扭 2sb X001 连续启动按扭 3sb X002 连续停止按扭 1st X003 手腕回转限位开关 输 2st X004 手腕反转限位开关 3st X005 手臂回转限位开关 4st X006 手臂反转限位开关 5st X007 手臂上升限位开关 入 6st X010 手臂下降限位开关 7st X011 手臂前伸限位开关 8st X012 手臂缩回限位开关 9st X013 立柱横移限位开关 10st X014 立柱移回 1dt Y000 手臂前伸电磁阀 2dt Y001 手臂缩回电磁阀 3dt Y002 手指张开电磁阀 4dt Y003 手臂上升电磁阀 输 5dt Y004 手臂下降电磁阀 6dt Y005 手腕回转电磁阀 7dt Y006 手腕反转电磁阀 8dt Y007 定位油缸电磁阀 出 9dt Y010 手臂回转电磁阀 10dt Y011 手臂反转电磁阀 11dt Y012 卸荷电磁阀 12dt Y013 卸荷电磁阀 13dt Y014 立柱横移电磁阀 14dt Y015 立柱移回电磁阀 hl Y016 工作指示灯 6.2 PLC与现场器件的实际连接图

根据表2画出PLC与现场器件的实际连接图，如下所示

20

图13 PLC与现场器件的实际连接 6.3梯形图

满足机械手工艺流程的梯形图如下图所示 ：

21

图14 机械手梯形图

6.4指令程序

根据梯形图编写的指令程序如下：

22

0 LD X001 1 OR M0 2 OUT M0 3 OUT Y016 4 LD X001 5 OR M1 6 ANI M2 7 ANI M3 8 OUT M1

9 LD X002 10 OR M2 11 ANI M1 12 OUT M8 13 LD M1 14 OR T7 15 AND M0 16 ANI M2 17 OUT M3 18 LD M3 19 OR Y007 20 ANI M4 21 ANI M5

22 OUT T0 K2 25 OUT Y007 26 LD T0 27 OR Y001 28 ANI X011 29 OUT Y001 30 LD X011 31 OR Y002 32 ANI T1 33 OUT Y002

34 OUT T1 K2 37 NOP 38 NOP 39 NOP 40 NOP 41 NOP

42 LD T1 43 OR Y003 44 AIN X007 45 OUT Y003 46 LD X007 47 OR Y001

23

48 ANI X012 49 OUT Y001 50 LD X012 51 OR Y014 52 ANI X013 53 OUT Y014 54 LD X013 55 OR Y005 56 ANI X003

57 OUT Y005 58 LD X003 59 MPS

60 ANI T2

61 OUT T2 K2 64 MPP

65 ANI X005 66 OUT M4 67 LD T2 68 OR Y010 69 ANI X005 70 OUT Y010 71 LD X005 72 ANI T3 73 OUT T3 76 LD T3 77 OR Y000 78 ANI X011 79 OUT Y000 80 LD X011 81 OUT T4 84 ANI T4 85 OUT Y012 86 LD T4 87 OUT T5 90 ANI T5 91 OUT Y002 92 LD T5 93 OR Y001 94 ANI X012 95 OUT Y001 96 LD X012 97 OR Y004 98 ANI X010 99 OUT Y004

24

100 LD X010 101 OR Y006 102 ANI X004 103 OUT Y006 104 LD X004 105 MPS

106 ANI T7 107 OUT M5

108 MPP

109 OUT T6 K2 112 LD T6 113 OR Y011 114 ANI X006 115 OUT Y011 116 LD X006 117 OR Y015 118 ANI X014 119 OUT Y015 120 LD X014 121 OUT Y011 122 OUT Y012

123 OUT T7 K5

25

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