機械畢業(yè)設(shè)計(論文)彈簧鋼板淬火機械手及其液壓系統(tǒng)的設(shè)計機械手(含全套圖紙)

1、彈簧鋼板淬火機械手及其液壓系統(tǒng)的設(shè)計 學(xué) 生：指導(dǎo)老師：(-)摘 要：首先明確彈簧鋼板淬火機械手及其液壓系統(tǒng)的要求，然后通過給定的技術(shù)參數(shù)表里的設(shè)計參數(shù)，確定液壓執(zhí)行元件的載荷力、系統(tǒng)工作壓力和液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸以及機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計，制定系統(tǒng)方案，擬定液壓系統(tǒng)圖，然后進(jìn)行液壓元件的選擇，最后對系統(tǒng)性能進(jìn)行驗算。在具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，主要是針對系統(tǒng)中涉及到機械手，液壓系統(tǒng)的設(shè)計等。關(guān)鍵詞：機械手的設(shè)計；液壓元件；彈簧鋼板淬火design of spring steel quenching manipulator and its hydraulic pressure system student:

2、 zeng tao tutor: chen wen- kai（oriental science technology college of hunan agricultural university, changsha 410128）abstract: firstly, is to make clear about the request of spring steel quenching manipulator and its hydraulic pressure system, to define the fluid good parts dutch strength, the depar

3、tment working strength as well as the fluid cylinders main construction size, the formulation is a plan, decides the fluid department through the technique outside and inside fluid department which decides then, to choose the hydraulic element , finally is to calculate the performance line. in the c

4、oncrete construction, is mainly aim to research the design about manipulator , hydraulic pressure system and so onkey words: design of manipulator; hydraulic element ; steel board springs quenching1 前言機器人技術(shù)集中了機械工程、電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制理論及人工智能等多學(xué)科的最新研究成果，代表了機電一體化的最高成就，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。在傳統(tǒng)的制造領(lǐng)域，工業(yè)機器人經(jīng)過誕生、成

5、長、成熟期后，已成為不可缺少的核心自動化設(shè)備，目前世界上約有近百萬臺工業(yè)機器人正在各種生產(chǎn)現(xiàn)場工作。在非制造領(lǐng)域，上至太空艙、宇宙飛船、月球探險，下至極限環(huán)境作業(yè)、醫(yī)療手術(shù)、日常生活服務(wù)，機器人技術(shù)的應(yīng)用已拓展到社會經(jīng)濟發(fā)展的諸多領(lǐng)域?？茖W(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，推動著機器人技術(shù)不斷發(fā)展和完善；機器人技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，又促進(jìn)了人民生活的改善，推動著生產(chǎn)力的提高和整個社會的進(jìn)步。機器人技術(shù)作為當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的前沿學(xué)科，將成為未來社會生產(chǎn)和生活不可缺少的一門技術(shù)。然本課程設(shè)計主要考慮在淬火上的應(yīng)用。在鋼板彈簧熱處理過程中，當(dāng)鋼板在淬火機中完成彎曲和淬火后，鋼板彈簧被推入到油槽中，然后油機械手抓取并放

6、入貫通式回火爐中進(jìn)行回火處理。由于工作環(huán)境惡劣，勞動強度大，無法由人工進(jìn)行此項操作，必須由機械手完成此項工作，并保持所需的速度。原機械手控制系統(tǒng)由步進(jìn)選線器構(gòu)成，硬件故障多，又不易根據(jù)工藝參數(shù)的變化改變控制邏輯，從而造成對生產(chǎn)的影響。應(yīng)用plc技術(shù)對原系統(tǒng)進(jìn)行改造，使新的控制系統(tǒng)的外圍電路簡單，易于維修，可靠性和邏輯變更柔性獲得很大的提高。機械手主要安裝在帶燕尾導(dǎo)軌的拖尾上，機械手由以下部分組成：1）前后移動機構(gòu)。機械手主體安裝在帶燕尾導(dǎo)軌的拖尾上，通過油缸作前后移動。2）水平回轉(zhuǎn)機構(gòu)。用雙活塞齒條油缸帶動回轉(zhuǎn)軸作水平180度回轉(zhuǎn)，在缸頭有緩沖裝置。3）轉(zhuǎn)腕機構(gòu)。通過兩個安裝在機械手座架兩側(cè)的

7、直線油缸推動齒條，帶動轉(zhuǎn)腕軸上的齒條使手腕仰俯轉(zhuǎn)動，兩個油缸靠回轉(zhuǎn)軸達(dá)到機械同步。4）夾緊機構(gòu)。夾緊油缸推動滑塊在鉗柄斜槽內(nèi)滑動，使鉗手夾緊。為防止溫度很高的工件被夾傷，夾緊機構(gòu)裝有減壓閥以降低壓力。5）伸縮機構(gòu)。伸縮油缸活塞左右運動，帶動夾緊油缸和鉗手水平移動，機械手即伸出或收回。6）行走機構(gòu)。用一臺軸向柱塞油馬達(dá)經(jīng)齒輪減速后帶動主動輪在軌道上移動，同時軸上齒輪還與安裝在地面的齒條相吻合，以防工作時輪子打滑而影響定位。在不需要工作時可利用輪子行走至非工作區(qū)。油馬達(dá)通過快慢速度變換和自動閥制動來控制其定位。 2 技術(shù)特點與介紹1）鋼板淬火機械手采用液壓傳動和plc控制，使得高溫惡劣環(huán)境下人工無

8、法操作的工件抓取和放置作業(yè)由機械手自動完成。2）機械手的液壓系統(tǒng)采用定量泵供油的調(diào)速閥回油節(jié)流調(diào)速方式；需二次調(diào)速的執(zhí)行器采用兩個調(diào)速閥并聯(lián)并由電磁換向閥進(jìn)行速度換接；行走液壓馬達(dá)、轉(zhuǎn)臺行走缸和水平回轉(zhuǎn)缸除采用調(diào)速閥外，其進(jìn)出油口均設(shè)置有行程節(jié)流閥，以減小換向沖擊，提高定位精度。3）機械手采用可編程序控制器組成電控系統(tǒng)，外圍電路簡單，易于維修，可靠性和邏輯變更柔性高；可以克服由電子邏輯器件和繼電器組成的電控系統(tǒng)易受環(huán)境干擾、故障率高和維修困難等缺陷，可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。通過修改軟件，容易滿足工藝要求的變更。4）該系統(tǒng)可推廣至工況相近的機械手中14。2.1 鋼板彈簧淬火機械手主要技術(shù)參數(shù)

9、 表1 鋼板彈簧淬火機械手主要技術(shù)參數(shù)14 table 1 the main technical parameters of leaf spring quenching manipulator項目參數(shù)單位結(jié)構(gòu)形式圓柱坐標(biāo)行走式自由度5個鉗口形式雙鉗口 前后移動最大距離600mm 手臂最大伸縮距離 200mm 水平回轉(zhuǎn)角度 180（）手腕仰俯角度90（）工作行走距離5000mm最大行走速度1000mm/min最大夾持重量1000n3 夾鉗式手部設(shè)計的基本要求1）應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力手指握力(夾緊力)大小要適宜，力量過大則動力消耗多，結(jié)構(gòu)龐大，不經(jīng)濟，甚至?xí)p壞工仍：力量過小則夾持不住或產(chǎn)生

10、松動、脫落。在確定握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件夾持安全可靠。而對手部的驅(qū)動裝置來說，應(yīng)有足夠的驅(qū)動力。由于機構(gòu)傳力比不同，在一定爐火持力條件下，不同的傳動機構(gòu)所需驅(qū)動力的大小是不同的。2）手指應(yīng)具有一定的開閉范圍手指應(yīng)具有足夠的開閉角度(手指從張開到閉合繞支占岡；轉(zhuǎn)過的角度)或開閉距離(對平移型手指從張開到閉合的直線移動距離)，以便于竹單成退出工件。 3）應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度應(yīng)保證每個被夾持的工件，在手指內(nèi)部有準(zhǔn)確的相對位置。這對一些有方位要求的場合更為重要，如曲拐、凸輪軸一類復(fù)雜的工件，在機床上安裝的位置要求嚴(yán)格，因此機械手的手部

11、在夾持工件后應(yīng)保持；目對的位置精度。4）要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕、效率高在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。5）應(yīng)考慮通用性和特殊要求一般情況下，手部多是專用的，為了擴大它的使用范圍，提高它的通用化程度，以適應(yīng)夾持；同尺寸和形狀的工件需要，通常采取手指可調(diào)整的辦法。如更換手指甚至更換整個手部。此外，還要考慮能適應(yīng)工作環(huán)境提出的特殊要求，如耐高溫，耐腐蝕。能承受鍛錘沖擊力等。3.1 機械手的選擇及其分析計算各種夾緊裝置驅(qū)動力計算手爪的結(jié)構(gòu)很多，在設(shè)計和確定手爪的結(jié)構(gòu)方案時，一方面應(yīng)根據(jù)實際要求選取具體的結(jié)構(gòu)，另一方面必須進(jìn)行力的分析，以便在設(shè)計選取時進(jìn)行比較

12、，才能正確選擇手爪結(jié)構(gòu)方案，確定各構(gòu)件的尺寸，以滿足夾持工件釣具體要求。設(shè)計者可根據(jù)1表2-1所列的機構(gòu)進(jìn)行選取。3.1.1 手指夾緊缸已知該機械手要求的最大夾持力,根據(jù)該機械手的實際工況，要求該機械手能夠夾取扁型鋼板，所以采用平行連桿式鉗爪進(jìn)行夾取。平行連桿式鉗爪的主要結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示14。圖1 平行連桿式鉗爪示意圖figure 1 sketch of structure about parallel linkage gripper arm根據(jù)該傳力機構(gòu)理論驅(qū)動力計算公式1，已知如圖（1）加持手手部在工作過程中，其實際驅(qū)動力的大小，除按照理論驅(qū)動力計算外，還應(yīng)考慮傳力機構(gòu)的效率及工作運送

13、過程中所產(chǎn)生的慣性力等因素的影響。 實際驅(qū)動力計算公式為10：（2）式中 -理論驅(qū)動力； -安全系數(shù)，取1.5-2； -工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可按下式估算：（3）其中 為手部抓取工件后手臂運動的最大加速度（）， 為重力加速度（）-傳力機構(gòu)的機械效率，一般。因為機械手在夾持過程中，屬于緩慢移動，可以是為零，所以實際驅(qū)動力（4）初選系統(tǒng)的工作壓力：根據(jù)參考文獻(xiàn)10表23.4-2，按載荷選擇工作壓力，初步選擇工作壓力為。計算液壓缸的主要結(jié)構(gòu)尺寸a)圖2 液壓缸主要設(shè)計參數(shù) figure 2 the main design parameters of hydraulic cylinder

14、液壓缸有關(guān)設(shè)計參數(shù)見圖2。上圖為液壓缸活塞桿工作在受壓狀態(tài)，下圖為活塞桿工作在受拉狀態(tài)?；钊麠U受壓時（5）活塞桿受拉時（6） 式中 -無桿腔活塞有效作用面積（）；-有桿腔活塞有效作用面積（）;-液壓缸工作腔壓力（）-液壓缸回油腔壓力（），即背壓力。-活塞直徑（）；-活塞桿直徑（）。根據(jù)參考文獻(xiàn)10表23.4-5選取，表23.4-4選取回油路帶調(diào)速閥的系統(tǒng)被壓力，由參考文獻(xiàn)10式23.4-18得出：（7）由參考文獻(xiàn)10表23.4-7常用液壓缸內(nèi)徑，圓整為由桿徑比，求出活塞桿直徑，由參考文獻(xiàn)10表23.4-8可查的活塞桿直徑。 夾緊缸有桿腔和無桿腔實際作用面積：無桿腔 有桿腔 根據(jù)液壓行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

15、，查參考文獻(xiàn)10選取hsg型液壓缸。3.1.2 伸縮液壓缸伸縮液壓缸的負(fù)載只要考慮所夾持工件的重量和夾緊液壓缸的重量所產(chǎn)生的摩擦負(fù)載，所以 （8） （9）根據(jù)液壓行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，圓整10mm,同樣查參考文獻(xiàn)10選取hsg型液壓缸。3.1.3 轉(zhuǎn)腕液壓缸，回轉(zhuǎn)液壓缸，轉(zhuǎn)臺行走液壓缸，行走車液壓馬達(dá)因為轉(zhuǎn)腕液壓缸要帶動機械手的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)手腕的的仰俯，所以在設(shè)計過程中，需要采用直線液壓缸兩個，推動齒條，帶動轉(zhuǎn)腕軸上的齒條使機械手的手腕俯仰轉(zhuǎn)動。該液壓缸的活塞桿未帶活塞部分帶有齒條，以帶動轉(zhuǎn)腕軸上的齒條使機械手的手腕仰俯轉(zhuǎn)動，兩個液壓缸考回轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)剛性同步。而對于轉(zhuǎn)臺行走液壓缸以及行走車液壓馬達(dá)需根據(jù)系

16、統(tǒng)的油壓進(jìn)行計算。手臂回轉(zhuǎn)液壓缸，當(dāng)手指夾著工件，手臂旋轉(zhuǎn)時，液壓缸需克服的摩擦力矩最大。 （10）所選液壓馬達(dá)的型號及參數(shù)如表2所示。表2 液壓馬達(dá)型號及參數(shù)table 2 the model and parameters of hydraulic motor型號額定轉(zhuǎn)速（r/min)額定轉(zhuǎn)矩（nm)額定壓力(mpa)排量（ml/r)流量(l/min)減速機馬達(dá)cm-c10c180017.21010.919.63.2 液壓缸的其他技術(shù)要求1)缸筒與端蓋的連接形式 由于機械手要求外形尺寸小，重量輕，故采用螺紋式連接；2)缸筒、端蓋和導(dǎo)向套的基本要求缸筒內(nèi)孔一般采用鏜削、絞孔、滾壓或磨等精密加工

17、工藝制造，要求表面粗糙度在，使活塞及其密封件、支撐件能順利滑動，從而保證密封效果，減少磨損；缸筒要承受很大的液壓力，因此，應(yīng)具有足夠的強度和剛度；導(dǎo)向套對活塞桿起導(dǎo)向和支撐作用，一般采用摩擦系數(shù)小，耐磨性好的聚四氟乙烯制作；3)活塞和活塞桿的連接形式由于機械手工作時振動較大，要求連接強度高且具有減震能力，故選擇半環(huán)式連接；4)活塞組件的密封在活塞的外圓表面一般開幾道寬的環(huán)形溝槽，稱平衡槽，其作用如下：使活塞具有自位性能，由于活塞的幾何形狀和同軸度誤差，工作壓力油在密封間隙中的不對稱分布形成一個徑向不平衡力，稱為液壓卡緊力，它使摩擦力增大，開平衡槽后，使得徑向油壓力趨于平衡，使活塞的對中減小油液

18、的泄漏量，提高了密封性能；自潤滑作用，油液儲存在平衡槽內(nèi)，使活塞能自動潤滑。同時還采用y型密封。y型密封的截面為y形，屬唇型密圈，主要用于往復(fù)運動的密封。y形圈的密封作用取決于它的唇邊對耦合面的緊密接觸程度。在壓力油作用下，唇邊對耦合面產(chǎn)生較大的接觸壓力，從而達(dá)到密封的目的。當(dāng)液壓力升高時，唇邊與耦合面貼得更緊，接觸壓力更高，密封性能更好；5)緩沖裝置當(dāng)液壓缸拖動負(fù)載的質(zhì)量較大、速度較高時，一般應(yīng)在液壓缸中設(shè)緩沖裝置，必要時還需要在液壓缸傳動系統(tǒng)中設(shè)緩沖回路，以免在行程終端發(fā)生過大的機械碰撞，導(dǎo)致液壓缸損壞，緩沖的原理是當(dāng)活塞或缸筒接近行程終端時，在排油腔內(nèi)增大回油阻力，從而降低液壓缸的運動速

19、度，避免活塞與缸蓋相撞。3.3 液壓缸壓力驗算在機械手的機身回轉(zhuǎn)運動中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片式擺動缸，它的原理如圖3所示10： 圖3 回轉(zhuǎn)氣缸簡圖figure 3 diagram of rotating air cylinder定片1與缸體2固連，動片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動片封圈4把腔分隔成兩個.當(dāng)液體從孔a進(jìn)入時，推動輸出軸作逆時4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的液體從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉(zhuǎn)。葉片j缸的壓力p和驅(qū)動力矩m的關(guān)系為: (11)式中m- 回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動力矩(ncm);p- 回轉(zhuǎn)缸的工作壓力(ncm);r- 缸體內(nèi)壁半徑(cm);r- 輸出軸半徑(cm);b 動片寬度 (cm).代人數(shù)

20、據(jù)得： （12） =2.8mpa3mpa滿足設(shè)計要求 3.4 手爪的夾持誤差分析與計算機械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手定位精度(由臂部和腕部等運動部件確定)，而且也與手指的夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，-避免產(chǎn)生手指夾持的定位誤差，必須注意選用合理的手部結(jié)構(gòu)參數(shù)，(參見圖2-9) 1從而使夾持誤差控制在較小的范圍內(nèi)。在機械加工中，通常情況使手爪的夾持誤差不超過lmm就可以了。這就可以在滿足定位精度的條件下，采用簡單的回轉(zhuǎn)型手爪。而避免單純追求自動定心，而使設(shè)計出的結(jié)構(gòu)過分復(fù)雜。4 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計要求及選擇本次設(shè)計

21、的工業(yè)機械手屬坐標(biāo)式機械手。具有手臂伸縮，回轉(zhuǎn)，升降，手腕回轉(zhuǎn)四個自由度。因此，相應(yīng)地有手腕回轉(zhuǎn)機構(gòu)、手臂伸縮機構(gòu)，手臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)，手臂升降機構(gòu)等構(gòu)成。設(shè)計要求1）滿足工業(yè)機械手動作順序要求。動作順序的各個動作均由電控系統(tǒng)發(fā)訊號控制相應(yīng)的電磁鐵，按程序依次步進(jìn)動作而實現(xiàn)；2）機械手伸縮臂安裝在升降大臂上，前端安裝夾持器，按控制系統(tǒng)的指令，完成工件的自動換位工作。伸縮要平穩(wěn)靈活，動作快捷，定位準(zhǔn)確，工作協(xié)調(diào)；3）控制系統(tǒng)設(shè)計要滿足伸縮臂動作邏輯要求，液壓缸及其控制元件的選擇要滿足伸縮臂動力要求和運動時間要求。本次設(shè)計采用液壓傳動的控制方式,相比其他傳動控制方式,液壓傳動有以下優(yōu)點:1）在同等的體積

22、下,液壓裝置能比電氣裝置產(chǎn)生更大的動力。在同等的功率下，液壓裝置的體積和質(zhì)量小，即其功率密度大，結(jié)構(gòu)緊湊。液壓馬達(dá)的體積和質(zhì)量只有同等功率電動機的12%左右；2）液壓裝置工作比較平穩(wěn)。由于質(zhì)量和慣性小、反應(yīng)快，液壓裝置易于實現(xiàn)快速啟動、制動和頻繁換向；3）液壓裝置能在大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級變速，它還能在運行過程中調(diào)速；4）液壓傳動易于對液體壓力、流量或流動方向進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。當(dāng)將液壓控制和電氣控制、電子控制結(jié)合起來使用時，整個傳動裝置能實現(xiàn)很復(fù)雜的順序動作，也能實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和自動化；5）液壓裝置易于實現(xiàn)過載保護(hù)；6）由于液壓元件已實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，液壓系統(tǒng)的設(shè)計、制造和使用都比較方便；（7

23、）用液壓傳動來實現(xiàn)直線運動遠(yuǎn)比用機械傳動簡單。4.1 動力元件定量泵的選擇液壓泵是標(biāo)準(zhǔn)元件，其選擇的依據(jù)是額定壓力和流量。整個系統(tǒng)由一個定量泵供油，只要確定最大的工作壓力和最大的流量就可以確定液壓泵的參數(shù)。由分析可知：實際流量： （13）實際壓力： （14）查參考文獻(xiàn)10機械設(shè)計手冊p23-68,表23.5-6，選擇cb32型齒輪泵,技術(shù)參數(shù)見表3。 表3 齒輪泵型號及參數(shù)table 3 the model and parameters of gear pump型號排量/壓力/轉(zhuǎn)速/容積效率（%）驅(qū)動功率重量/額定最高額定最高cb32321012.515008.726.4根據(jù)所選的cb32齒輪

24、泵的參數(shù)，從機械設(shè)計課程設(shè)計手冊第三版p167表12-1選擇y160m-4,同步轉(zhuǎn)速為1500，額定功率為11kw的電動機。4.2 控制元件電磁換向閥、壓力閥、流量閥、平衡閥的選擇控制元件是標(biāo)準(zhǔn)件，其選擇依據(jù)是系統(tǒng)的最高工作壓力和通過該閥的最大流量1 方向控制閥電磁換向閥：按選dsg-01-3c型電磁換向閥8個（四個三位四通o型機能電磁閥；兩個二位四通電磁閥；兩個二位二通電磁換向閥）；單向閥：按 選s型單向閥1個；2 壓力控制閥減壓閥：按 選dr6dp直動式減壓閥1個；卸荷溢流閥：按 選da型先導(dǎo)式卸荷溢流閥1個；3 流量控制閥調(diào)速閥：按 選取fcg-3-16-h-10型流量控制閥9個；單向行

25、程節(jié)流閥：按 選取zc-g-06-22型單行行程節(jié)流閥6個.按照元件計算結(jié)果見表4。表4 液壓閥型號及參數(shù) table 4 the model and parameters of hydraulic valve名稱工作壓力（mpa)流量（l/min）型號數(shù)量方向控制閥電磁換向閥1136.08dgc-01-3c8單向閥1136.08sv101壓力控制閥減壓閥1136.08dr6dp1卸荷溢流閥1136.08da101流量控制閥調(diào)速閥1136.08fcg-3-16-h-109單向行程節(jié)流閥1136.08zc-g-06-2265 對液壓系統(tǒng)的要求1)液壓缸設(shè)計：在確保其密封性的同時，盡量選用橡膠與氟

26、化塑料組合的密封件，以減小摩擦阻力，提高液壓缸的壽命；2)定位點的緩沖與制動：因機械于手臂的運動慣量較大，在定位點前要加緩沖與制動機構(gòu)或鎖緊裝置；3)對慣性較大的運動軸和接近機械手末湍的腕部運動軸的液壓缸兩側(cè)，最好加設(shè)安全保護(hù)裝置，防止因碰撞過載損壞機械結(jié)構(gòu)。4)為保證安全生產(chǎn)，系統(tǒng)應(yīng)有安全連鎖裝置。5.1 液壓系統(tǒng)傳動方案的確定(一)各液壓缸的換向回路為便于機械手的自動控制，如采用可編程序控制器或微機進(jìn)行控制，從工況圖中可知系統(tǒng)躍壓力和流量都不高，因此一般都選用電磁換向閥回路，以獲得較好的自動化程度和經(jīng)濟汪益。液壓機械手一般采用單泵或雙泵供油，手臂伸縮，手臂俯仰和手臂旋轉(zhuǎn)等機構(gòu)采用并聯(lián)供油，

27、這樣可有效降低系統(tǒng)的供油壓力，此時為了保證多缸運動的系統(tǒng)互不干擾，實現(xiàn)同步或非同步運動，換向閥需采用中位o型換向閥。(二)調(diào)速方案整個液壓系統(tǒng)只用單泵或雙泵工作，各液壓缸所需的流量相差較大，各液壓缸都用液壓泵的全流量工作是無法滿足設(shè)計要求的。盡管有的液壓缸是單一速度工作，但也需要進(jìn)行節(jié)流調(diào)速，用以保證液壓缸運行的平穩(wěn)運行。各缸可選擇進(jìn)油路或回油路節(jié)流調(diào)速，因為系統(tǒng)為中低系統(tǒng)，一般適宜選用節(jié)流閥調(diào)速。 圖 圖4 液壓系統(tǒng)傳動方案示意圖figure 4 the force diagram of hydraulic pressure systems transmission scheme 機械手的手

28、臂伸縮和手臂俯仰或升降缸采用兩個單向節(jié)流閥來實現(xiàn)。在一般情況下，機械手的各個部位是分別動作的，手腕回轉(zhuǎn)缸和手臂回轉(zhuǎn)缸(或升降)所需的流量較為接近，手腕回轉(zhuǎn)缸和手臂回轉(zhuǎn)缸及夾緊缸所需流量較為接近，且它們兩組缸所需的流量相差較大，這樣可以選擇如圖所示單泵供油系統(tǒng)。此單泵供油系統(tǒng)要以所有液壓缸中需流量最大的來選擇泵的流量。優(yōu)點是系統(tǒng)較為簡單，所需的元件較少，經(jīng)濟性好。缺點是當(dāng)所需流量較少的液壓缸(如手腕回轉(zhuǎn)缸、夾緊缸等)動作時，能源利用率較低。對于系統(tǒng)功率較小的場合是可取的。(三)減速緩沖回路通用工業(yè)機械手要求可變行程，它是由微機控制，可在行程中任意點定位，故應(yīng)在液壓系統(tǒng)中采用緩沖裝置，形成緩沖回路

29、9。 5.1.1 各部分液壓回路設(shè)計1）手部采用一個單作用直線液壓缸，通過機構(gòu)運動實現(xiàn)手抓的張合。在液壓回路中采用二位四通閥，通過5ya來控制。同時在加以調(diào)速閥和減壓閥起背壓作用，保證機械手工作時的可靠性。其液壓原理圖5所示10:圖5 手部液壓圖 圖6 臂部液壓圖figure 5 hydraulic diagram of mechanical hand figure 6 hydraulic diagram of arm department2）臂部采用直線缸來實現(xiàn)平動，通過一個三位四通電磁閥來實現(xiàn)手臂的左右運動，同時在回油路上用一個調(diào)速閥來實現(xiàn)調(diào)速。其原理如圖6所示：3）機身采用轉(zhuǎn)腕回轉(zhuǎn)缸來實

30、現(xiàn)回轉(zhuǎn)。機身的轉(zhuǎn)腕采用三位四通電磁換向閥來實現(xiàn)，采用一個二位二通電磁換向閥和兩個調(diào)速閥實現(xiàn)調(diào)速。在回轉(zhuǎn)回路上設(shè)置液壓鎖，提高可靠性和安全性。其液壓原理圖分別如圖7所示： 圖 圖7 機身液壓圖figure 7 hydraulic diagram of fuselage5.1.2 供油系統(tǒng)本系統(tǒng)采用單泵供油，同時在油路上設(shè)置單向閥起到防止回油的作用，通過并聯(lián)一溢流閥和兩位二通電磁閥分別來實現(xiàn)齒輪泵的過載保護(hù)與卸荷作用。其液壓原理如圖8所示：圖8 供油液壓圖figure 8 hydraulic diagram of fuel system5.2 鋼板彈簧淬火機械手液壓系統(tǒng)原理圖圖9 鋼板彈簧淬火機械

31、手的液壓系統(tǒng)原理圖figure 9 hydraulic system schematic diagram of steel board springs quenching robot5.2.1 鋼板彈簧淬火機械手液壓系統(tǒng)工作原理機械手的液壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示。系統(tǒng)的油源為定量液壓泵10，其供油壓力由溢流閥12設(shè)定并可通過壓力表38顯示，單向閥11用于防止液壓油倒灌電磁換向閥13與調(diào)速閥22配合用于旁路調(diào)節(jié)進(jìn)入系統(tǒng)的總流量。液壓系統(tǒng)的執(zhí)行器有五種（六個）液壓缸和一個液壓馬達(dá)。整個機械手沿燕尾導(dǎo)軌的前后移動由液壓缸6驅(qū)動，缸6的運動方向由電磁換向閥16控制，單向行程節(jié)流閥32/33和調(diào)速閥23用

32、于控制缸6的移動速度；機械手的水平回轉(zhuǎn)由雙活塞齒條液壓缸5（端部有緩沖裝置）帶動回轉(zhuǎn)軸作水平180回轉(zhuǎn)，缸5的運動方向由電磁換向閥18控制，單向行程節(jié)流閥36、37和調(diào)速閥26用于控制缸5的速度；安裝在機手座架4兩側(cè)的直線液壓缸9（兩個）推動齒條，缸9的運動方向由電磁換向閥19控制，缸9的運動速度控制與快慢速切換由調(diào)速閥27、28和電磁換向閥15控制；液壓缸2推動滑塊在鉗柄斜槽內(nèi)滑動，使鉗手1夾緊，為防止溫度很高的工件被夾傷，夾緊缸2的油路上設(shè)有減壓閥31以降低壓力，夾緊缸2的運動方向和速度由電磁換向閥20和調(diào)速閥29控制；液壓缸3帶動夾緊液壓缸2和鉗手1水平移動，實現(xiàn)機械手的伸出或收回，缸3

33、的運動方向和速度由電磁換向閥21和調(diào)速閥30控制；行走機構(gòu)由軸向柱塞定量液壓馬達(dá)8及齒輪減速后帶動主動輪在軌道上移動，同時軸上齒輪還與安裝在地面的齒條相嚙合，以防工作時輪子打滑而影響定位。在不需要工作時可利用輪子行走至非工作區(qū)，液壓馬達(dá)通過快慢速度變換和制動閥制動來控制其定位，液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向由電磁換向閥17控制，液壓馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度及轉(zhuǎn)換通過調(diào)速閥24、25和電磁換向閥14進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。5.2.2 鋼板彈簧淬火機械手液壓系統(tǒng)電磁鐵動作順序表表5 鋼板彈簧機械手電磁鐵動作順序表table 5 the solenoid action sequence table of leaf spring

34、quenching manipulator步進(jìn)程序程序轉(zhuǎn)換條件程序動作液壓馬達(dá)泵卸荷夾緊缸松伸縮缸轉(zhuǎn)腕缸回轉(zhuǎn)缸前前后缸泵卸載換向快伸縮轉(zhuǎn)換慢前后正反上下電磁鐵ya1234567891011121341延時手伸，后退+2延時夾緊+續(xù)表53延時手縮+4延時前進(jìn)，前回轉(zhuǎn)，慢進(jìn)+5延時液壓馬達(dá)快進(jìn)+6行程液壓馬達(dá)慢進(jìn)+7行程前回轉(zhuǎn)+8行程轉(zhuǎn)腕下（快）+9行程手伸+10延時轉(zhuǎn)腕下（慢）+11延時手松+12延時手縮+13延時轉(zhuǎn)腕上（快）+14延時后回轉(zhuǎn)，慢退+15延時液壓馬達(dá)快退+16行程液壓馬達(dá)慢退+17行程后回轉(zhuǎn)+18行程原位+6 電控系統(tǒng)該機械手的電控系統(tǒng)以plc作為控制核心。plc有手動、單循環(huán)、

35、自動循環(huán)等操作方式。手動和單循環(huán)控制方式主要供系統(tǒng)調(diào)試及設(shè)備維修時使用，通過plc控制臺面上的手動控制按鈕分別操作各設(shè)備單獨運動。另外為了掌握各工序運行現(xiàn)狀，控制臺上設(shè)有各工序運動狀態(tài)指示燈及故障報警指示燈等。整個系統(tǒng)的各個輸入信號均為數(shù)字量，分為位置檢測信號和控制命令信號兩部分。輸入器件是無源的觸點（行程開關(guān)、按鈕、壓力繼電器）。18個輸出負(fù)載信號也均為數(shù)字量，分負(fù)載（液壓電磁閥）驅(qū)動信號和指示信號兩部分。plc為三菱公司的fx2-48mr可編程序控制器，其輸入點數(shù)和輸出點數(shù)分別為24點，輸出類型為繼電器輸出，可滿足交流或直流負(fù)載的通斷；其電阻負(fù)載為2a/點，感性負(fù)載在80va以下，觸點壽命

36、為100萬次。這樣對一般電磁閥、指示燈和報警器等類型負(fù)載，可由plc直接驅(qū)動；對較大的負(fù)載如控制電機，則加一級接觸器作為功率驅(qū)動。plc的輸入/輸出接口分配見表6所示。表6 plc的輸入/輸出接口分配表table 6 the interface allocation table of plc input / output地址說明地址說明地址說明x0啟動anx21淬火機定位sqy6轉(zhuǎn)腕下yax1急停anx22轉(zhuǎn)腕下定位sqy7轉(zhuǎn)腕上yax2手動/自動轉(zhuǎn)換anx23手伸定位sqy10轉(zhuǎn)腕慢yax3單循環(huán)anx24爐口定位sqy11前回轉(zhuǎn)yax4自動循環(huán)anx25回轉(zhuǎn)定位sqy12前進(jìn)yax5液壓馬

37、達(dá)前anx26后退sqy13后退yax6液壓馬達(dá)后anx27前進(jìn)sqy14泵卸載yax7手縮any0液壓馬達(dá)前yay15自動循環(huán)指示yax10手伸any1液壓馬達(dá)后yay16單循環(huán)指示x11轉(zhuǎn)腕下any2液壓馬達(dá)快yay17手動指示x12轉(zhuǎn)腕下any3手松yay30停機報警指示x13前進(jìn)any4手伸yay31原位指示x20后退any5手縮ya7 液壓系統(tǒng)性能驗算7.1 驗算回路中的壓力損失本系統(tǒng)較為復(fù)雜，有多個液壓缸執(zhí)行元件動作回路，其中環(huán)節(jié)較多，管路損失較大的要算快速運動回路，故主要驗算由泵到液壓缸這段管路的損失8。7.1.1 沿程壓力損失的計算沿程壓力損失，主要是液壓缸快速運動時進(jìn)油管路的

38、損失。此管路長為5m，管內(nèi)徑0.034速運動時通過的流量為2.7l/s，正常運轉(zhuǎn)后的粘度為= 27 ，油的密度為=918kg/油在管路的實際流速 =2.93m/s （15） re=37022300 （16）根據(jù)公式=求得沿程壓力損失為: =0.023mpa (17)7.1.2 局部壓力損失局部壓力損失包括通過管路中折管和管接頭等處的管路局部壓力損失，以及通過控制閥的局部壓力損失。其中管路局部壓力損失相對來說小得多，故主要考慮通過控制閥的局部壓力損失。從系統(tǒng)圖中可以看出,從大泵的出口到油缸的進(jìn)油口,要經(jīng)過單向閥、電磁換向閥、單向調(diào)速閥、溢流閥。單向閥的額定流量為50l/min,額定壓力損失0.3

39、mpa, 電磁換向閥的額定流量為150l/min,額定壓力損失為0.2mpa, 單向調(diào)速閥的額定流量為160l/min,額定壓力損失為0.3mpa。溢流閥的額定流量為120l/min,額定壓力損失為0.2mpa。通過各閥的局部壓力損失之和：=0.65 mpa （18）從小泵出油口到油缸進(jìn)油口也要經(jīng)過單向閥、電磁換向閥、單向調(diào)速閥、溢流閥。向閥的額定流量為50l/min,額定壓力損失0.3mpa, 電磁換向閥的額定流量150l/min,額定壓力損失為0.2mpa, 單向調(diào)速閥的額定流量為160l/min,額定壓力損0.3mpa。溢流閥的額定流量為120l/min,額定壓力損失為0.2mpa通過各

40、閥的損失之和為：p3=0.76mpa （19）以上計算結(jié)果是大小是同時工作的,所經(jīng)過的管道都是一樣的。則大小泵是同時工作的,所以大小泵到油缸之間總的壓力損失為 （20）7.2 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱溫升的計算7.2.1 計算液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率液壓系統(tǒng)工作時，除執(zhí)行元件驅(qū)動外載荷輸出有效功率外，其余功率損失全部轉(zhuǎn)化為熱量，使油溫升高。液壓系統(tǒng)的功率損失主要有以下幾種形式：(1) 液壓泵的功率損失 （21）式中 -工作循環(huán)周期（s）； z投入工作液壓泵的臺數(shù)；-液壓泵的輸入功率（w）；-各臺液壓泵的總效率；-第i臺泵工作時間（s）；(2) 液壓執(zhí)行元件的功率損失 （22）式中 m液壓執(zhí)行元件的數(shù)量；-液壓

41、執(zhí)行元件的輸入功率（w）；-液壓執(zhí)行元件的輸入效率；-第j個執(zhí)行元件工作時間（s）；(3) 溢流閥的功率損失 （23）式中 -溢流閥的調(diào)整壓力（mpa）； -經(jīng)過溢流閥回油箱的流量（）。(4) 油液流經(jīng)閥或管道的功率損失 （24）式中 -通過閥或管路的壓力損失（mpa）； -通過閥或管路的流量（）。由以上各種損失構(gòu)成了整個系統(tǒng)的功率損失，即液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率 （25）該公式適用于回路比較簡單的液壓系統(tǒng)，對于復(fù)雜系統(tǒng)，由于功率損失的環(huán)節(jié)太多，一一計算較麻煩，通常用下式計算液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率 =- （26）式中是液壓系統(tǒng)的總輸入功率，是輸出的有效功率。對于本系統(tǒng)來說, 就是正個工作循環(huán)中的雙泵的平

42、均輸入功率 （27）式中是液壓系統(tǒng)的總輸入功率，是輸出的有效功率。 =7kw （28）式中 -工作周期（s）； z、n、m分別為液壓泵、液壓缸、液壓馬達(dá)的數(shù)量； 、-第i臺泵的實際輸出壓力、流量、效率； -第i臺泵工作時間（s）；、-液壓缸外載荷及驅(qū)動此載荷的行程（nm）?？偟陌l(fā)熱功率按照公式:=-=16.8-7=9.8kw （29）7.2.2 計算液壓系統(tǒng)的散熱功率液壓系統(tǒng)的散熱渠道主要是油箱表面，但如果系統(tǒng)外接管路較長，而且要考慮管道的散熱功率時，也應(yīng)考慮管路表面散熱。=3.416+0.5=3.916kw （30）式中 -油箱的散熱系數(shù) -管路的散熱系數(shù)、-分別為油箱、和管道的散熱面積-油

43、溫與環(huán)境溫度之差油箱散熱系數(shù)見表 7。表 7 油箱散熱系數(shù) （w/）table 7 the heat loss rate of the tank冷卻條件通風(fēng)條件很差89通風(fēng)條件良好1517用風(fēng)扇冷卻23循環(huán)水強制冷卻110170管道的散熱系數(shù)見表 8（w/） 表8管道散熱系數(shù) （w/）table 8 the heat loss rate of the pipe 風(fēng)速管道外徑/m 0.010.050.1086512514105694023則計算出的，油溫會不斷升高，這時，最大溫差,根據(jù)公式 （31）環(huán)境溫度為，則油溫。當(dāng)油箱的散熱面積不能再加大，或加大一些無濟于事時，需要安裝冷卻器。7.2.3

44、根據(jù)散熱要求計算油箱容量在初步確定油箱容積的情況下，驗算其散熱面積是否滿足要求。當(dāng)系統(tǒng)的發(fā)熱量求出以后，可依據(jù)散熱的要求拉確定油箱的容量。油箱的散熱面積,根據(jù)公式 （32）油箱的主要設(shè)計參數(shù)如下圖，一般油面的高度為油箱高h(yuǎn)的0.8倍，與油直接接觸的表面算全散熱面，與油不接觸的表面算半散熱面，油箱的有效容積和散熱面積分別為 v=0.8abh=0.8 a=1, b=1.3,h=1=1.8h(a+b)+1.5ab=1.81(1+1.3)+1.511.3=6.1 （33）油箱的散熱功率為 （34）式中 -油箱散熱系數(shù),查表得16w/-油溫與環(huán)境溫度之差,取=35=166.135=3.416kw=9.8kw由此可見,油箱的散熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了系統(tǒng)散熱的要求,管路散熱是極小的。如按要求求出的油箱容積過大，遠(yuǎn)超出用油量的需要，且又受空間尺寸的限制，則應(yīng)當(dāng)縮小