一种物流园专用上货机械手液压控制系统设计.pdf

I lI5 出 一 种物流园专用上货机械手液压控制系统设计 The desi gn of hydr aul i c cont r ol s ys t em about on e m et he d m ani pul a t or f or t he i ogi s t i cs i ndus t r yhand 罗纲 ，姚玲峰 ，肖世德 L UO Ga n g ，Y AO L i n g f e n g 。XI AO Sh i - d e ( 1 成都纺织高等专科学校 机械工程学院，成都 6 1 1 7 3 1 ；2 西南交通大学 机械工程学院，成都 6 1 0 0 3 1 ) 摘 要：根据某大型物流园的上货需要设计了一种专用上货机械手及机械手主要功能的液压控制线路， 根据机械手功能要求分析了液压控制线路的性能特点 ，提出了采用双液压缸同步回路举升货 物的设计思路，并计算了双液压缸同步举升的液压缸驱动力，且对举升线路进行同步误差实 验和液压缸速度提升实验。结果表明，此机械手及其液压控制线路能基本满足物流园上货的 设计需要。 关键词；同步；控制；机械手 ；液压 中图分类号：T P2 7 8 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 9 0 1 3 4 ( 2 0 1 4 ) 0 3 ( 上) 一O 1 3 3 0 4 D o i ：1 0 3 9 6 9 J i s s n 1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 4 o 3 (E) 3 8 0 引言 当前 ，随着 经济全球化 以及世界范 围内服务 经济 的 发展 ，物流 产业 正在 全球 范 围 内迅 速兴 起 ，跨国化、规模化和 网络经济化等现象 已经成 为全球物流产业发展的重要趋势 。我 国物流产业 正处在前所未有的高速增长阶段 ，在一些大型 的 的物流园中 ，每天货物吞吐量达数十万吨 ，一个 月台每天要为上 百多台货车上 货 。但是，多数物 流 园上货方法原 始，根本满足 不了 日益增长 的运 输需求 。据考察 ，多数 国内物 流中心上货方 法还 是 多年前 的老方法 ，即司机将卡车停在 月台，然 后工人将货 品用叉车将货物插到 月台边 ，再 由搬 运工将货物从月 台上 的货物搬运到卡车上并进行 有序堆放 。I t前， 比较常用的货车车厢长度有1 2 米，1 1 米 、7 米、5 米 等左右 ，这就需要搬运工在 搬 运过程中一天需要抱着几十公斤重的货物来 回 走到几百次，劳动强度很大，效率低。 根据某大型物流 园需要 ，设计 一电液控制机 械手上货系统 ( 如图1 所示 )。其功能为： 叉车将货 物按规定位置放置在平 台上 ，机械 手从平 台上抓取货 物并举升一 定高度后，在安装 在轨道上 的送货车作用下将货 物运 至货车厢 中相 应位置 ，再 由工人操作机械手将货物放下 ，由工 人将货物堆放好 。这将减少工人来 回搬运货 物的 过程 ，减轻 了搬运工人劳动强度 同时提高搬运效 率。机械手基本参数要求如表1 所示 。 表1 上货机械手参数要求 设计参数 数值 操作频率 3 0 9 0 最大载重 5 0 0 Kg 运货车行走速度 0 0 8 I I l S 机 械手上升行程 4 0 0 mm 机械手最大摆动角度 9 0 o 机械手抓手最大夹持力 l O o 0 N 机 械手上升 速度 0 0 6 m S 图1 机械手上货 系统 图 1 机械手结构及功能 机械 手主要实现三个功能 ，即抓取货物并夹 紧，举升货物 至一定高 度，机械手转动调整 ，其 结构如图2 所示 。抓取货物的功能主要依靠机械手 开合控制缸实现机械手张开和抓取 ；举升货物依 靠活塞在油缸 中往复运动实现 ；为适应工人堆放 货物的需求 ，机械手需要在9 0 度范 围内转动 ，机 械手 的旋转依靠齿轮齿条缸实现。 收稿日期：2 0 1 3 -1 2 - 0 4 基盒项目：特种材料及制备四川省高校重点实验室开放基金 ( $ 2 J J 2 0 0 9 0 1 8 ) 作者简介：罗纲 ( 1 9 7 4 一 )，男，副教授，硕士，主要从事机械设计、模具技术、数控技术、C A D C A M的教学和科研工作。 第3 6 卷第3 期2 0 1 4 0 3 ( 上) 1 3 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务1 匐 似 设计其液压控制系统如图3 所示 。 图2 机械手结构简图 图3 机械手 液压控制 图 2 机械手液压控制系统分析 2 _ 1机械手抓取及夹紧控制油路 硅 - L ， L # 稠 E 1 _ _ J l： ： 斟 I 2ZI 图4抓取和夹紧控制油路 机械 手 的抓 取和 夹紧 回路 ( 如 图4 所示 )采 用两 个液压缸 ，抓取和 夹紧时三位 四通 阀5 和 1 1 走左位 ，活塞杆顶 出实现夹紧 。因机械手下方有 托架 ，夹紧力 只需保证货物不松脱 ，夹紧力并不 大 ，但 由于货物外形尺寸并非完全相 同，所 以在 在夹 紧 过程 中，需 要机 械手 开合 距 离可 根据 货 物尺 寸 变化 ，因而 要求 活塞 杆推 出位 置 可 实时 1 3 4 1 第3 6 卷第3 期2 0 1 4 0 3 ( 上) 调整 ，则在 回路 中设置点动控制 回路 ，即1 YA、 4 YA线 圈通过点动控制 ，由工人根据货物具体大 小实现点动控制机械手夹紧距离。为避免机械手碰 伤货物在回油路 中设置顺序阀8 、1 4 起背压作用 。 机械手张开时三位四通 阀5 和 1 1 走右位 ，回油路中 设置单向节流调速阀7 和l 3 控制机械手开合速度 。 2 2机械手旋转控制 图5机 械 手 旋 转 控 制 油 路 货物运送到车 厢内后，工人 可根据货物具体 外形选择摆放位置 ，要求机 械手能在9 0 度 内旋转 摆动 ，机械 手旋 转控 制 采用 齿轮 齿 条摆动 液 压 缸 ，齿轮齿条摆动液压缸是通过液压驱动活塞的 往复运动 ，带动齿条直线运动 ，经过齿轮齿条的 啮合 ，将活塞的往复运动转化为齿轮轴的摆动旋 转运动 ，同时将直线运动液压缸 的推力转化为齿 轮轴 的输出扭矩 。液压控制系统图如 图5 所示 ，当 线圈9 YA得 电，二位二通 阀3 1 走左位 ，经三位 四 通阀3 2 左位和单 向阀进入齿轮齿条摆动液压缸 进 油缸 ，推动齿轮 顺时针转动 ，从 而机 械手顺时针 转动 ，回油路经过单 向节流调速 阀3 6 可控制转 动 速度，同时可以起 到背压 阀的作 用，减缓 液压缸 的刚性冲击 ，降低系统泄漏 和发 热。为保证在 执 行其 他运动 时机械 手不发生旋转 以免误 伤工人 或 碰伤 货物，二位二通 阀3 1 起到互 锁作用。为实现 工人点动控制机械手转动，线圈1 2 Y A控制二位二 通 阀3 3 起点动补油作用 。 2 3机械手的升降控制 在整个液压控制 系统 中，机械 手举升缸负载 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 訇 似 最大，运载货物最重达5 0 0 Kg ，机械手 自身重量近 1 0 0 k g ，若采用单缸推动则液压缸负载大，而采用 双缸举升则大幅度降低液压缸 负载。 2 3 1双缸举升驱动力F 计算 1 )工作载荷 ： ( 5 0 0 + 1 0 0 ) x 9 8 =5 8 8 0 N 2 )机械手惯性载荷 ： = 善 A t g 1 ， 机械手举升速度为0 0 6 M S 。 At 启动时间，按0 2 S 计算。 则 ： F： x Av ：5 88 0 0 0 6 ：1 8 0 N “ g At 9 8 02 3 )机械手摩擦阻力计算 因机械手最大开合可达2 m， 按最大偏距1 I I l 计 算 ，液压缸有效长度h = 0 4 m( n 图6 所示) ，O型密 封圈阻力忽略不计。则 ： i l 图6 举升过程 液压缸活 塞受力分析 十 2 1 z P Fr l Fr 2- = =7 3 5 0 N 取摩擦 系数 为0 1 5 ，则： =2 F r l =27 3 5 00 1 5=2 2 0 5 N 4 )液压缸驱动力计算 升降虹所 受负载F ，由于采用双缸驱动 ，故对 单缸而言驱动力应除以2 ： F： 生 T 1 m 为在不同工作情况的液压缸载荷； 为液压缸机械效率，取 = 0 9 5 。 启动加速时： F ： |_ ：5 8 8 0+1 8 0 +2 2 05 ：4 3 5 0 0 0 N X2 0 9 5X2 稳态运动时 ： F： 土： 5 8 8 0 + 2 2 0 5 ： 4 2 5 5 2 6 1 1 2 0 9 52 减速制动时 ： F： 旦： 5 8 8 0 - 1 8 0 + 2 2 0 5 T 1 X2 O 9 5x2 =41 6 0 5 3 由计算结果可见 ，采用双 油缸同步驱动 ，减 小 了单缸驱动负载 ，使活塞运动更加灵活 ，机械 手对油压响应及时 ，制动更可靠 。并且减小 了运 动过程中机械手对活塞产生的附加力矩。 2 3 2 机械手升降双缸驱动液压控制系统 图7 机械手举升控制油路 为使机械手在升 降过程 中动作 灵活可靠 ，机 械手升 降采用 双液压缸控 制 ( 如图7 所示 )，同 时为防止运动过程产生液压缸刚性冲击 ，双液压 缸均采用可调速缓冲缸 。由于采用双缸控制机 械 手升降 ，双缸的供油采用 电液比例调速阀同步回 路 。回路使用了一个 普通调速 阀2 l 和一个电液比 例调速 阀2 8 ，它们安装在 由单向阀搭建的桥式 回 路 中，分别控制缸2 4 和缸3 O ，当两个活塞 出现不同 步现象时，电液比例调速阀2 8 自动调节 ，使活塞运 动 同步，防止在升降过程的出现附加力矩。机械手 下降过程 中因负载较大，在回路中设置顺序阀l 7 、 l 8 作背压阀减缓液压缸下降过程的冲击。 2 3 3 同步提升液压系统性能分析 1 )举升误差的可靠性 。针对采用桥式比例阀 同步 回路进行 了油缸 同步实验 ，并绘制 同步误差 图 ( 如图8 所 示)，由图8 可见采用桥式 比例阀同 步回路 比普通同步回路双 缸驱动误差小，稳定在 第3 6 卷第3 期2 0 1 4 - 0 3 ( 上) 1 3 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 0 5 mm至0 6 mm之间，基本能满足机械手同步举升 货物的要求 。 囊缸曩差 曲 O O O O O 0 。 O 。 图8 举升缸同步误差仿真 2 ) 举升速度满足设计要求 。根据举升 油路 驱动实验结果绘制举升速度图 ( 如图9 所示)，在 启动初期 ，液压缸速度不够稳定 ，有顿挫现 象 ， 但 当油路压力稳定后，举升速度随之相对稳定。 奉 赉 这 度I “ O 。 l 0 1 2 3 4 5 6 7 时 阿s 奉 井毫 发 图9 举升速度 3 机械手效能分析 将机械手搬运能力和 以8 人为一个搬运组的工 作能力进行 比较，结果如表2 所示。 表2 机械手与人力搬运能力比较 对 比项 目 原人力搬运 机械 手搬 运 一 次运货量 5 0 Kg 5 0 0 k g 运载至1 0 米车厢往返时间 1 0 0 s 2 6 s 运货工人配备 8 A 1 A 完成l O 吨货物装运时间 2 5 0 o S 5 2 0 s 完成 1 0 吨货物搬运次数 2 5 2 0 1 O 人 ( 8 人运 2 人 ( 1 人运 配置工人数 货 ，2 A卸货 ) 货 ，1 人 卸货 ) 由表2可见，采用机械手搬运货物的效能远远 高于一个 1 0 人搬运组的效能 ，并且设备只需配置2 名工作人 员，劳动强度远低于1 0 人组人力搬运的 强度 ，在每 日货物吞吐量 巨大的物流 园中有非常 广阔的应用前景 。 1 3 6 1 第3 6 卷第3 期2 0 1 4 0 3 ( 上) 4 结束语 1 )完成 了物流园要求的上货机械手结构及液 压 系统的设计 ，达到可设计参数相关要求。 2 )提 出了机械手货物的举升采用双液压缸缸 同步驱动 的设计 思路，并通过 液压缸驱动力计算 说明双缸驱动将减小液压缸的负载 ，使液压缸运 动灵活制动可靠。 3 )进行 同步举升 系统 同步误差和举升速度的 实验分析，绘制分 析图 ，说明采用 同步液压缸驱 动回路驱动机械手能设计参数要求。 参考文献： 1 】余发国， 高峰， 史巧硕 基于G F集的锻造操作机构型方法 【 J 】 机械工程学报， 2 0 0 8 ，4 4 ( 2 ) ： 1 5 2 1 5 9 2 】R E N Y P ， L U C S ， H A N Q K， e t a 1 S i mu l a t e d c o mp a r i s o n o n k i n e m a t i c s p r o p e r t i e s o f t wo t y p i c a l me c h a n i s ms o f f o r g i n g ma n i p u l a t o r 【 C 】 4 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e O n M e t r o n i c s a n d I n f o r m a t i o n Te c h n o l o g y ， De c e mb e r 0 5 0 6 ， 2 0 0 7 ， Gi f u ， J a p a n W a s h i n g t o n ： SP I E， 2 0 0 8 ， 6 7 9 4： 6 7 9 4 2 N一 6 7 9 4 2 N 6 3 】C HE N G L ， WAN G H ， L I N Z Q， e t a 1 P e r f o r ma n c e a n a l y s i s o f a f o r g i n g ma n i p u l a t o r b a s e d o n t h e c o mp o s i t e mo d e l i n g me t h o d C 1 s t I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e I n t e l l i g e n t Ro b o ti c s a n d Ap p l i c a t i o n s ， Oc t o b e r 1 5 1 7 ， 2 0 08 ， W u h a n ， Ch i n a Be r l i n ： S p r i n g e r ， 2 0 0 8 ： 1 5 2 1 6 0 【 4 】余发国， 高峰， 郭为忠， 等 锻造操作机的回顾与展望【 J 】 机 械设计 与研 究， 2 0 0 7( 增刊) ： l 2 1 5 5 】YAN C Y，GAO F Dy n a mi c s t a b i l i t y a n a l y s i s o f a n ov e l f or g i ng ma n i p u l a t or 【 C】 1 s t I nt e r n a t i o na l Co n f e r e n c e l n t e l l i g e n t Ro b o t i c s a n d Ap p l i c a t i o n s ， Oc t o b e r 1 5 1 7 ， 2 0 0 8 ， W u h an ， C h i n a Be r l i n ： S p r i n g e r ， 2 0 0 8 ： 4 4 9 4 5 8 【 6 】LUDW I G S E F o r g i n g ma n i P U 1 a t o r s ： Un i t e d S t a t e s ， 3 7 1 5 9 0 8 P 1 9 7 3 0 2 1 3 【 7 】郑江 锻造操作机电液比例位置控制系统研究【 D】 武汉： 华中科技大学， 2 0 0 3 【 8 】NYE T J ， ELBADAN A M ， BONE G M Re a l t i m e p r o c e s s c h a r a c t e r i z a t i o n o f o p e n d i e f o r g i n g f o r a d a p t i v e c o n t r o l J J o u r n a l o f Eng i n e e r i n g M a t e r i a l s an d Te c h n o l o g y ， 2 0 01 ， 1 2 3 ： 5 1 1 - 51 6 【 9 】代平之， 张作龙 液压泵回路的节能措施 J 流体传动控 制， 2 0 0 7 ， 1 ： 5 1 5 5 【 1 0 】 胡标 液压缓冲器建模、仿真及实验研究【 D】 杭州： 浙江 大学， 2 0 0 6 【 1 1 】 倪敬， 项占琴， 潘晓弘， 等 多缸同步提升电液系统建模和 控制【 J 机械工程学报， 2 0 0 6 ， 4 2 ( 1 1 ) ： 8 1 - 8 7 【 1 2 】 顾临怡， 王庆丰， 路甬祥 液压驱动的大惯性负载加减速特 性研究 J 机械工程学报，2 0 0 2 ， 3 8 ( 1 0 ) ： 4 6 4 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m