搬运机械臂液压系统设计和元件选型研究.pdf

设 计 与 研 究47搬运机械臂液压系统设计和元件选型研究董 娟（江苏省通州中等专业学校，通州 226300）摘 要：液压系统具有配置参数高、运行效能高、应用便捷、简易控制等优势，加强搬运机械臂相关液压系统研究具有重要意义。文章先分析了搬运机械臂液压系统设计，然后介绍了搬运机械臂液压系统的元件选型，以期为相关人员提供有效参考。关键词：搬运机械臂；液压系统；系统设计；元件选型Research on Hydraulic System Design and Component Selection of Handling Manipulator ArmDONG Juan(Jiangsu Tongzhou Secondary Specialised School,Tongzhou 226300)Abstract:The hydraulic system has the advantages of high configuration parameters,high operation efficiency,convenient application and simple control,so it is of great significance to strengthen the research on the hydraulic system related to the handling robot arm.This paper first analyzes the hydraulic system design of the handling manipulator arm,and then introduces the component selection of the hydraulic system of the handling manipulator arm,in order to provide an effective reference for the relevant personnel.Keywords:handling mechanical arm;hydraulic system;system design;component selection液压传动技术在原有传动控制基础上得到进一步优化发展，具有运行效能高、方便控制、操作简单的优点。液压机械臂广泛应用于生产实践中，能够支持连续稳定作业，提高生产自动化水平和生产效率。因此，应基于原有传动控制技术，促进现代机械结构的不断优化创新，实现现代控制技术的进一步发展。1 搬运机械臂液压系统设计此次设计中的机械臂为专门用于搬运的机械臂，拥有相对固定的动作节拍，运行环境温度高，因此需要机械臂维持稳定的驱动系统性能，提升定位精度，具体设计要求如下。第一，机械臂运行环境相对恶劣，因此对机械臂的稳定性和精密性要求较高，确保油液温度不会过度影响系统的传动过程，延长机械臂的运行时间。第二，搬运工件重量较大，机械臂实际运行中需要保持良好的稳定性和安全性，保证液压系统维持稳定流量，降低液压冲击。第三，为进一步改善节能效果，机械臂应结合实际运行工况，参考外部负载力波动，合理控制变量泵输出，灵活调节输出压力，控制液压回路内部的压力能损失，实现节能目标。1.1 机械臂手爪液压回路设计机械臂手爪对应抓握主要经手爪液压缸部件伸缩实现操作。结合手爪受力状况，为确保机械臂在抓到锻件后维持稳定状态，避免其他动作影响而掉落工件，需要将液压锁添加到手爪液压回路。液压回路具体操作原理如图 1 所示。76412351.油缸；2.电机；3.变量泵；4.溢流阀；5.比例方向阀；6.液压锁；7.伸缩液压缸。图 1 手爪伸缩液压回路此次设计中机械臂手爪液压缸对应伸缩速度为0.05 m s-1，伸缩量为 50 mm，耗时 1 s，手爪收缩夹紧中对应回路流量为 4.5 L min-1，手爪伸出松开中基础回路流量为 5.9 L min-1。在手爪液压缸伸出中，由于液压回油路直接回油箱，背压值相对较低，该条现 代 制 造 技 术 与 装 备482023 年第 10 期总第 323 期件下应缩小回路压强1。手爪夹紧中，将杆腔作为工作腔，活塞杆受拉，则工作压强公式为1122FPAPA+=（1）式中：P1、P2分别为无杆腔和有杆腔的运行压强；F为液压缸实际运行荷载；A1、A2分别为无杆腔和有杆腔的工作面积。代入相关参数值，可得P2为 0.90 MPa。1.2 手腕旋转部分液压回路设计机械臂手腕旋转主要通过液压马达驱动，液压回路除了需要确保液压马达实施正反转外，还应将比例方向阀布置在中位。手腕不会受到其他因素影响而产生突变，因此需要合理增设液控单向阀，以预防相关问题出现。回转马达基础流量qs的计算公式为 ssssV nq=（2）式中：Vs为液压马达对应排量；s为液压马达对应机械效率；ns为液压马达实际转速。1.3 手臂伸缩部分液压回路设计此次设计中，液压系统主要将变量泵当作动力传输元件，并包含负载敏感调控，设置容积节流调速回路。计算手臂缓慢伸出中，对应回路流量为 9.35 L min-1，快速收回手臂中，对应回路流量达到12.9 L min-1。在手臂向外延伸中，液压回路结构较为简单，因此不会形成过大背压值，可以忽略不计。在液压缸伸出活动中，通过计算可得P1为 1.40 MPa。在手臂收回运动中，通过计算可得P2为 1.38 MPa。1.4 主体升降部分液压回路设计将外控平衡阀加入升降液压回路，基于控制压力操控平衡阀启闭，与负载无关，且拥有良好的密封性2。结合机械臂运行工况和设计要求，机械臂抬升50 mm，速度为 0.05 m s-1，耗时 1 s。机械臂在抬升运动中，计算回路流量为 15.1 L min-1，机械臂下落操作中，回路流量为 11.3 L min-1。机械臂负载提高后，由于液压回油路结构相对简单，不会形成过高背压值，可以直接忽略。机械臂保持负载平稳抬升中，运行压强P1为2.40 MPa。在机械臂维持负载平稳下落操作中，运行压强P2为 1.62 MPa。机械臂在空载状态下平稳抬升中，运行压强P1为 1.89 MPa。1.5 腰部回转部分液压回路设计综合分析机械臂腰部回转液压回路的相关性能和动作要求，设计液压回路如图 2 所示。2M1354678J1.油缸；2.电机；3.变量泵；4.溢流阀；5.比例方向阀；6.液压锁；7.双溢流阀组；8.回转液压马达。图 2 腰部回转液压回路因为机械臂整体结构规模较大，会形成较高的回转惯性扭矩，所以回路内需要额外增设双溢流阀组支持双向制动，发挥良好的缓冲功能。实际制动操作中，马达一侧压强提升，另一侧会产生负压现象3。该条件下，溢流油液得到补充，促进马达制动。2 搬运机械臂液压系统元件选型2.1 液压泵选型液压系统设计结束后，针对基础液压执行元件进行理论计算，并针对液压系统内其他液压元件进行综合选型计算。液压泵最高运行压强为pmaxp1+p（3）式中：pmax为液压泵最高运行压强；p1为执行元件最高运行压强；p为液压管路损失。在液压系统内，最高压强分布于回转马达中，结合液压马达选型设 计 与 研 究49判断最高运行压强。在实际运行中，液压系统形成的动态压强远远超出系统静态压强，同时液压泵存在相应的压强储备，因此将初始压强值设置为 8 MPa。在实际操作中，专门搬运机械臂各项动作呈现递进关系，各个执行元件实施衔接运动，没有复合运动，腰部回转马达部位形成最大流量，为 14.5 L min-1。系统泄漏系数设置为 1.2，计算得到液压泵相关输出流量为17.4 L min-1。液压泵和驱动电机选型中，结合液压泵实际运行中的流量和压强需求，液压泵需要设置相应压强储备，因此选择 A10VSO18DRG 型变量柱塞泵。该液压泵中设置了可调节斜盘，能够利用斜盘对液压系统内部流量实施无级调节，设置斜盘摆角指示器，提高操作直观性4。此次主要选用 Y2-123M-4 型异步电动机，设置额定功率为 7.5 kW，设置额定转速为 1 440 r min-1。2.2 其他液压元件选型在阀类元件选型设计中，主要根据对应阀门流经最高压力值和流量值来确定。在溢流阀选型中，需要按照液压泵输出最大流量进行设计。综合考虑最低稳定流量选择流量控制阀，确保满足系统操作性能要求，辅助设备操作。针对控制法选型，需要留出充足压力储备以及流量。液压元件选型设计会直接影响整个机械臂操作的稳定性和综合性能，其中节流阀、压力补偿阀两者串联结构可作为流量控制阀5。根据系统设计的计算结果，确定液压元件选型，如表 1 所示。表 1 液压元件选型元件元件规格元件型号滤油器/（Lmin-1）25WU-25180压力表/MPa0 16Y-60溢流阀/MPa3.5 14C-175液控单向阀/MPa0.5 31SV10D1FP 系列比例方向阀 1/（Lmin-1）65E02CD1FP 系列比例方向阀 2/（Lmin-1）165E02HD1FP 系列比例方向阀 3/（Lmin-1）255E02C流量控制阀 10 85 Lmin-1，21 MPaFCG-01流量控制阀 20 24.5 Lmin-1，21 MPaFCG-023 结语搬运机械臂能够取代人力进行搬运工作，不但可以提高整体生产效率，同时能降低人员操作中的安全风险。为此，需要深入研究搬运机械臂相关液压系统，挖掘其中的缺陷问题，明确能量浪费的根源，进行优化设计，创新液压系统，实现节能目标。参考文献1 叶昊宸，王会良，张志高，等.基于单片机控制的智能物料搬运小车的设计 J.科学技术创新，2021（25）：193-194.2 黄爔元，杨智超，冯源，等.工业搬运机器人控制系统软件设计与实验 J.工业控制计算机，2021（11）：77-78.3 付裕.基于单片机 STM32 的搬运机器人控制系统设计与实现 J.无线互联科技，2023（5）：39-42.4 曹海兰，吴玲.基于 PLC 的液控分拣机械臂设计与研究 J.液压气动与密封，2023（1）：10-14.5 杨鹏民.基于嵌入式 Linux 与深度视觉的井下多轴机械臂系统设计 J.煤炭工程，2022（12）：90-96.