数控机床自动夹持搬运装置的液压系统设计.pdf

毕 业 设 计（论 文）中 文 摘 要 数控机床自动夹持搬运装置的液压系统设计 摘 要：数控机床上专用于工件和零件的夹持和自动运转的装置，其运动自由度多，且有严格的动作顺序要求。用液压驱动可实现动作自动循环，利于自动化和高效率等要求。机械手用于各种工艺装备上，其中包括组成柔性自动化系统的数控金属切削机床。工业机器人装备有自动可换夹持装置，其中双夹持器的装置用来保证同时操作毛坯和在加工的零件。本设计主要针对机械手的液压系统，确定液压系统中各个部分的功能，并且对各种执行元件进行计算分析，最终完成液压原理图。关键词：可换夹持装置 液压元件 双夹持器 毕 业 设 计（论 文）外 文 摘 要 Numerically Controlled Machine Tools Automatically Handling Devices Hydraulic Rescue System Design Abstract:Numerically controlled machine tools,spare parts and dedicated to her rescue and automatic operation of the device,the more freedom of movement and strict action sequence.Driven by hydraulic achievable moves automatically cycle for automation and high efficiency.Mechanical hand for various processes and equipment,including the digital automation system composed soft metal cutting machine tools.Industrial robots are equipped with automatic convertible rescue devices,including devices used to ensure that double-rescue devices at the same time and in the processing operation blank parts.The design of the hydraulic system mainly mechanical hand,identifying the functions of the various parts of the hydraulic system,and implementation of various components in the calculation of analysis,and ultimately complete hydraulic principles maps.Keywords:Convertible rescue devices;Hydraulic components;Double-rescue vehicles 目 录 1 概述 1 1.1 课题背景 1 1.2 课题内容 1 1.3 课题的意义 2 1.4 课题的创新点 2 2 机械手的功能设计 2 2.1 机械手液压系统的各部分功能 2 2.2 机械手液压系统的功能综合5 2.3 机械手电磁铁动作循环表 6 2.4 机械手液压系统方案设计 6 3 机械手液压系统机构设计计算 6 3.1 负载分析 6 3.2 液压马达的负载9 3.3 执行元件主要参数的确定10 3.4 计算液压缸各工作阶段的工作压力、流量、功率11 3.5 拟定液压原理图11 3.6 选择液压元件12 3.7 液压缸基本参数的确定14 3.8 液压缸结构强度计算和稳定校验17 3.9 液压传动用油的选择22 4 验算系统液压性能23 4.1 压力损失的验算及泵压力的调整23 4.2 液压系统发热和温升验算26 4.3 滤油器的选择26 结论 30 致谢 31 参考文献32 1 概述 11 课题背景 现在工业机器人集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从 1962 年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术极其产品发展很快，已成为柔性制造系统（FMS）、自动化工厂（FA）、计算机集成制造系统（CIMS）的自动化工具。广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改善着人类的生产和生活方式。工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。据联合国欧洲委员会（UNECE）和国际机器人联合会（IFR）的统计，世界机器人市场前景看好，从 20 世纪下半叶起，世界机器人产业一直保持着稳步增长的良好势头。进入 20 世纪 90 年代，机器人产品发展速度较快，年增长率平均在 10%左右。2004 年增长率达到闯记录的 20%。其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，高达 43%。在自动化生产领域中，工业机械手是近几十年发展起来的。工业机械手的是从工业机器人中分支出来的。其特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业具有准确性和各种环境中完成作业的能力。机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。机械手由执行机构、驱动-传动机构、控制系统、智能系统、远程诊断监控系统五部分组成。驱动-传动机构与执行机构是相辅相成的，在驱动系统中可以分：机械式、电气式、液压式和复合式，其中液压操作力最大。本课题是数控机床上专用于工件和零件的夹持和自动运转的装置，其运动自由度多，且有严格的动作顺序要求、用液压驱动可实现动作自动循环，利于自动化和高效率等要求。12 课题内容 本课题的基本内容是：1）功能原理方案分析 2）液压系统原理图设计 3）液压系统的计算 4）油箱与执行元件工作图设计 5）编写计算说明书 13 课题的意义 本课题所研究的数控机床的装夹装置属于工业机器人这一范畴，对它的研究实际上就是对工业机器人的研究。现在工业机器人集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备。自从 1962 年美国研制出世界上第一台工业机器人以来，机器人技术极其产品发展很快，已成为柔性制造系统（FMS）、自动化工厂（FA）、计算机集成制造系统（CIMS）的自动化工具。广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改善着人类的生产和生活方式。随着加工行业在我国的迅速发展，各行各业的自动化装备水平越来越高，现代化加工车间，常常配有机械手，以提高生产效率，代替工人完成恶劣环境下危险、繁重的劳动。14 课题的创新点 采用手动换向阀变换夹持方式，既可以双夹持也可以单夹持。2 机械手的功能设计 21 机械手液压系统的各部分功能 2.1.1 液压站 图 2-1 液压站液压原理图 1蓄能器 2 精过滤器 3.压力继电器 4.减压阀 5.冷却器 6.液压马达 本设计应用液压站供应小车，滑板和机器人手臂位移电液步进式驱动装置以及手腕转动、摆动机构和夹持器夹紧机构驱动装置。同时液压站能够相应于在主干线恒压下进入液压系统的耗油量来自动变化可调泵的供给量。液压站还进行油的冷却，并能防止在断路状态下液压系统中漏油。2.1.2 小车驱动装置 图 2-2 小车驱动装置液压原理图 1.液压马达 M1 2.单向阀 3.液压分配器 4.步进电动机 小车的驱动装置由液压马达 M1 和成套步进驱动系统组成。当信号传递到步进马达 M5时，其转子通过螺旋传动推动液压分配器的滑阀，他连接着压力管和溢流管与相应的液压马达腔。液压马达之间的连接使其在轴上的力矩方向相反，以保持在齿轮齿条传动中的无隙啮合。在电液步进驱动装置的液压马达传动时，其与分配器滑阀刚性相连的轴，使得滑阀回到初始位置，从而实现位置反馈。手臂滑板移动用线性电液步进式驱动装置和手臂摆动用线性电液步进驱动装置是由步进电动机（M3 和 M4）、随动分配器和液压缸组成，液压缸活塞杆内装有位置反馈螺旋机构。在信号传递到步进电动机时，其转子通过螺旋传动推动液压分配器滑阀，开启进入液压缸油通道。液压缸活塞平行运动通过螺旋传动变为丝杆传动，而通过齿轮传动和螺旋副变为滑阀轴向移动。单向阀的作用是用来防止液压设备断路时手臂杆件自然下垂。2.1.3 机械手腕转动（摆动）图 2-3 机械手手腕摆动（转动）液压原理图 1.定位器 2.液压缸 液压操纵盘1控制手腕转动（摆动），取决于电磁铁 Y7 或 Y8 及 Y6，由取决于手腕（头部）摆动方向的旋转指令控制。此时定位器的活塞克服弹簧力向上运动，并通过杠杆推动随动滑阀，开启油道通路，油通过分配器 P2 到液压马达 M2 的腔内。此后，当液压马达达到所需的转速时，信号进入电磁铁断路，从而使手腕固定和分配器 P2 断路。液压马达转速可以调节。在指令传递到液压滑阀2上的分配器 P3 和 P4 时，液压马达 M3 使手腕转动。在电磁铁 P4 接通时，油在压力下进入控制液压缸左腔。此时电磁铁 Y5 断开，则活塞移动到极右位置，通过杠杆 17 推动随动阀，并且开启油通道，使油进入液压马达 M3 腔内。杠杆 17的另一端安装在手腕传动部分的靠模保持接触。这样当手腕转动一定角度时（例如在极右位置）杠杆 17 使随动阀回到中间位置，且液压马达 M3 停止转动。当电磁铁 Y5 接通，Y4断开，油在压力下进入控制液压缸右腔，而其左腔与排油孔相连；活塞移动到左边位置，且液压马达 M3 将手腕转动到靠模的相应突缘上。在电磁铁 Y2 和 Y5 接通时，液压缸 2 两腔均与压力管路相连，而由于活塞面积，使他停在套筒挡块所确定的中间位置上。液压马达转动手腕到靠模中间凸缘上。2.1.4 夹持器驱动装置 图 2-4 夹持装置液压原理图 1.手动换向阀 2.单向阀 液压缸3的驱动装置不但用于带双夹持器，又用于单夹持器。按夹持器型式，液压操纵盘3的阀式分配器用手动摆放在左面或右面的位置。用单夹持器工作时用液压分配器 P5 进行控制。在接通电磁铁 Y2 时，夹持器张开；而在断开 Y2 时，夹持器产生压紧动作。装在液压操纵盘上的单向阀防止在系统中压力下降时，夹持器迅速松开。在双夹持工作时，通过接通电磁铁 Y2 或 Y3 来传递给每一只手臂的松开指令。当两个磁铁接通时（或断开），夹持器同时被弹簧压紧。22 机械手液压系统的功能综合 总之，本次设计的机械手的总的功能如以下图所示：图 2-5 机械手总功能示意图 小车，滑板和机器人手臂位移电液步进式驱动装置以及手腕转动、摆动机构和夹持器夹紧机构驱动装置都需要液压系统来调控。23 机械手电磁铁动作循环表 表 2-1 机械手工作状态以及动作 控制目标 工作状态 电 磁 铁 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 液压站 启动-工作+夹持器传动装置 夹紧+-+松开+-中间位置+-手腕（头部）回转传动装置 向右+-向左+-+中间位置+停止+-手腕（头部）摆动传动装置 向右+-向左+-+停止+-2.4 机械手液压系统方案设计 液压执行元件大体分为液压缸或液压马达。前者实现直线运动，后者实现回旋运动，对于单纯并且简单的直线运动或回转运动机构，可以分别采用液压缸或液压马达直接驱动。根据设计目标及现有条件,在查阅有关资料和实物调研的基础上,构建本机械手的总本设计方案如下:1.设计成一个数控机床搬运机械手,用于将工件从工位 I 搬运到工位。2.本机械手包含手指夹紧工件,手臂转位,手指松开卸料,手臂复位四个基本动作,采用手动上下料等功能。3.具备自动与手动操作两种工作方式并能快速灵活地切换且互锁.手动方式下操作者可以随意地完成这四个基 本动作的任意组合;自动方式下机械手的一个工作循环包括夹紧,转位,卸料,复位,能够稳定可靠地重复循环工作。3 机械手液压系统机构设计计算 31 负载分析 311 载荷的组成和计算 如图 1 表示一个以液压缸为执行元件的液压系统计算简图。各参数标注图上，其中 Fw是作用在活塞杆上的外部载荷，Fm 是活塞与缸壁以及活塞杆遇导向套之间的密封阻力。作用在活塞杆上的外部载荷 Fg，导轨的摩擦力 Ff 和由速度变化而产生的惯性力 Fa。图 3-1 液压缸受力简图（1）工作载荷 Fd 常见的工作载荷有作用于活塞杆上的重力、切削力、挤压力等，这些作用力与活塞的运动方向相同为负相反为正。（2）导轨摩擦载荷fF 摩擦阻力是指液压缸驱动工作机构工作时所克服的机械摩擦阻力，对于机床来说，即导轨摩擦阻力，其值与导轨的形式，放置情况和运动状态有关。在机床上经常使用的平导轨和 V 型导轨水平放置。对于平道轨 fFfnF （3-1）对于 V 型导轨 fFfnF/sin（/2）（3-2）式中 Fn作用在导轨上的法向力 V 型导轨夹角 f导轨摩擦因数 图 3-2 平导轨 图 3-3 V 型导轨 本课题采用平轨，故：fFfnF f 取滑动导轨（材料铸铁对铸铁）低速（v10cm2满足最底速度的要求。3.4 计算液压缸各工作阶段的工作压力，流量，功率 根据液压缸的负载图和速度图以及液压缸的有效面积，可以算出液压缸工作过程各阶段的压力，在计算时工进时的背压力按 Pb8105Pa 代入，快退时按 Pb5105Pa 代入公式和计算结果如下表：表 3-1 各工作阶段的工作压力，流量，功率 工作循环 计算公式 负载 进油压力 回油压力 所需流量 输入功率 F(N)PJ(Pa)Pn(Pa)L/min P(KW)差动快进 Pj212AApAF qv(A1A2)PPjp 550.2 8.5105 13.5105 12.5 0.174 工进 jqjPPVAqAPbAFP112 479.1 38.5105 8105 0.32 0.021 快退 21AAPFPbj jqPPVAq2 408 13.1105 5105 12.9 0.218 注：1.差动连接时，液压缸的回油口到进油口之间的压力损失P510Pa，而 PnPjP 2快退时，液压缸有杆腔进油。压力为 Pj，无杆腔回油，压力为 Pn。3.5 拟定液压系统原理图 3.5.1 选择液压基本回路 1确定调速方式及供油形式 在液压缸的初步计算前，已经确定了采用调速阀的进口节流调速，因此相应采用开式循环系统，这种调速回路具有较好的低速稳定性和速度负载特性。2快速运动回路和速度换接回路 根据本设计的运动方式和要求，采用差动连接和双泵供油，两种快速回路来实现快速运动，即快进时，由大小泵同时供油，液压缸实现差动连接。采用二位三通电磁阀的速度换接回路，控制由快进转为工进，与采用行程阀相比，电磁阀可直接安装在液压站上，由工作台行程开关控制，管路较简单，行程大小饿容易调整，另外采用液压控制顺序阀与单项阀来切断差动油路，因此速度换接回路为形成和压力联合控制形式。3换向回路选择 本系统对换向的平稳性没严格的要求，所以选用电磁换向阀的换向回路。为提高换向的位置精度，采用压力继电器的行程终点反程控制。3.5.2 组成液压系统 将选定的液压回路进行组合，并做出休整，即组成液压系统图。3.6 选择液压元件 3.6.1 选择液压泵 液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。节流调速系统一般用定量泵供油，再无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。容积调速系统多数是采用变量泵供油。对长时间所需油量较小的情况，可增设蓄能器作辅助油源。工进阶段液压缸工作压力最大。若取压力损失p5105 Pa 压力继电器可靠动作需要压力差为 5105 Pa 液压泵最高工作液压可按：aapppppP8.4810)558.38(105551 因此泵的额定压力可取 551061108.4825.1arppPa 工进所需的流量最小是 0.32L/min，设备流量最小流量为 2.5L/min，则小流量泵的流量按公式max1qkqp即 min/)5.232.01.1(1Lqp2.85L/min 快进快退时液压缸所需的最大流量是 12.9L/min，则泵的总流量为：min/2.149.121.1Lqp 即大流量泵的流量：min/35.11min/)85.22.14(12LLqqqppp 根据上面计算的压力和流量，查产品样本选用 YB-4/12 型的双联叶片泵，该泵的额定压力为 6.3MP，额定转速为 960r/min。3.6.2 电动机的选择 系统为双泵供油系统，其中小泵 1 的流量为：smsmqp/100667.0/)60/104(33231 大泵的流量为：smsmq/102.0/)60/1012(33532 差动快进快退时两个泵同时向系统供油，工进时，小泵向系统供油，大泵卸载，下面计算三个阶段所需要的电动机功率 P0。1.差动快进 差动快进时，大泵 2m 出口油经单向阀与小泵汇合，然后经单向阀 2，三位五通阀 3，二位三通阀 4 进入液压缸大腔，大腔的压力aPPjP81105.8查样本可知，小泵的出口压力损失PaP5105.1，于是计算可得小泵的出口压力aPPP511013（总效率5.01），大泵出口压力aPpP52105.14（总效率5.02）。电动机效率为：463)5.0102.0105.145.0100667.01013(35352221111qPqPPpP 2工进 考虑到调速阀所需最小压力aPP51105压力继电器可靠动作所需压力差aPP52105因此工进时小泵的出口压力aPPPPPP52111108.48而大泵的卸载压力取aPPP52102（小泵的总效率3.0,565.021大泵总效率）电动机功率：926)51.0102.010185.0100667.0105.16(35352221112qPqPPPP综合比较 快退时所需功率最大，因此选用 Y90l-6 异步电动机，电动机功率 1.1KW，额定转速 910r/min.3.6.3 选择液压阀 根据液压阀在系统中最高的工作压力与通过的最大流量，可选出这些元件的型号及规格，本设计中所有阀是压力为 63105aP额定流量根据通过的流量是确定为 10L/min，30L/min 和 63L/min 三种规格。表 3-2 液压阀的流量、型号和规格 序号 元件名称 通过流 量vQ（L/min）额定流量nQ（L/min）额 定压 力p（MPa）额 定压 降np（MPa）型号、规格 1 过滤器 34.8 63 1.6 0.07 XU-A6350 2 单向阀 34.8 30 6.3 0.2 I-30B 3 溢流阀 3 30 6.3 Y-30B 4 节流阀 22.2 30 6.3 0.3 L-30B 5 节流阀 3.78/2.4/1 10 6.3 0.3 L-10B 6 三位四通电磁阀 22.2 30 6.3 0.4 34D-30B 7 二位四通电磁阀 2.4 10 6.3 0.4 24D-10B 8 二位二通电磁阀 3.78 10 6.3 0.4 22D-10B 9 减压阀 22.2 30 6.3 J-30B 10 三位四通电磁阀 3.78/0.96 10 6.3 0.4 34D-10B 11 减压阀 2.4 10 6.3 J-10B 3.7 3.7 液压缸基本参数的确定液压缸基本参数的确定 3.7.1 工作负载 液压缸的工作负载是指工作机构在满负载情况下，以一定的加速度启动时对液压缸产生的总阻力。F=K0F （3-7）0F工作机构的要求的负载力；K考虑缸本身的各种负载力的系数；K=1.2 F缸的输出力。由原始参数 F0=1.83610N,则 F=1.21.83106=2.2106N 3.7.2 定活塞杆直径 按简单拉伸或压缩的受力条件来确定活塞杆的直径。Fd4 （3-8）材料的许用应力。计算出的 d 值如果太小，允许根据结构要求加大。若遇到明显过细过长的活塞杆，活塞杆又受压，则须按压杆稳定的条件来确定活塞杆直径。计算出的活杆直径查 GB2348-80 圆整。Fd4=235102.2.46=108.2 mm 圆整后,取杆径 d=110mm.3.7.3 根据速比定出缸筒直径 D 速比根据工作机构的要求提出作为已知参数。若工作机构对无明显要求可按表 3-1选取。表 3-3 速比的推荐值 1.06 1.12 1.25 1.4 1.6 2 2.5 5 缸内径公式：1dD 取=2，122110D=155.56（mm）计算出的 D 值按表 3-3 圆整 表 3-4 缸内径 D 系列（GB2348-80）(mm)8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 320 400 圆整后取港的内径 D=160mm。3.7.4 选择设计压力 p 液压件的额定压力是在指定的运转条件下液压件能长期正常工作的压力。又叫公称压力。液压件的工作压力是指在真实系统中承受的压力。若负载变化工作压力的大小也会发生变化。系统的额定压力可参照和现正设计的主机相同或类似的机器的系统压力来选定缸的设计压力。参见表 3-5。表 3-5 各类主机常用系统压力 主 机 类 型 系统压力（MPa）精加工机床 半精加工机床 精加工或重型机床 0.8-2 3-5 5-10 农业机械，小型工程机械、工程机械的辅助机构 液压机、重型机械、超重机、大中型工程机械 10-16 20-32 表 3-6 液压缸公称压力系列（GB2346-80）(MPa)0.63 1 1.6 2.5 4 6.3 10 16 25 40 本设计中选设计压力为 p=10MPa.3.7.5 最小导向长度的确定 当活塞杆全部外伸时，从活塞支撑面中点到导向套滑动面中点的距离称为最小导向 长度 H（图 3-4）。图 3-4 最小导向长度 H 示意图 如果导向长度过小，将使液压缸的初始饶度增大，影响液压缸的稳定性，因此在设计时必须保证有一定的最小导向长度。对于一般的液压缸，其最小导向长度应满足下式要求：220LHD（m）（3-9）式中 L液压缸最大工作行程(m)；D缸筒内径（m）.本设计中，L=1750mm=1.75m;D=160mm=0.16m.216.02075.1H=0.1675m 符合要求。