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1、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NumericallyControlledMachineToolsA
2、utomaticallyHandlingDevicesHydraulicRescueSystemDesignAbstract:Numericallycontrolledmachinetools,sparepartsanddedicatedtoherrescueandautomaticoperationofthedevice,themorefreedomofmovementandstrictactionsequence.Drivenbyhydraulicachievablemovesautomaticallycycleforautomationandhighefficiency.Mechanic
3、alhandforvariousprocessesandequipment,includingthedigitalautomationsystemcomposedsoftmetalcuttingmachinetools.Industrialrobotsareequippedwithautomaticconvertiblerescuedevices,includingdevicesusedtoensurethatdouble-rescuedevicesatthesametimeandintheprocessingoperationblankparts.Thedesignofthehydrauli
4、csystemmainlymechanicalhand,identifyingthefunctionsofthevariouspartsofthehydraulicsystem,andimplementationofvariouscomponentsinthecalculationofanalysis,andultimatelycompletehydraulicprinciplesmaps.Keywords:Convertiblerescuedevices;Hydrauliccomponents;Double-rescuevehicles1概述11.1 课题背景11.2 课题内容11.3 课题
5、的意义21.4 课题的创新点22机械手的功能设计22.1 机械手液压系统的各部分功能22.2 机械手液压系统的功能综合52.3 机械手电磁铁动作循环表62.4 机械手液压系统方案设计63机械手液压系统机构设计计算63.1 负载分析63.2 液压马达的负载93.3 执行元件主要参数的确定103.4 计算液压缸各工作阶段的工作压力、流量、功率113.5 拟定液压原理图113.6 选择液压元件123.7 液压缸基本参数的确定143.8 液压缸结构强度计算和稳定校验173.9 液压传动用油的选择224验算系统液压性能234.1 压力损失的验算及泵压力的调整234.2 液压系统发热和温升验算264.3
6、滤油器的选择26结论30致谢31参考文献321概述1. 1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，己成为柔性制造系统（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
7、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
8、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
9、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。2. 2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1. 3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
10、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。1.4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2. 1机械手液压系统的各部分功能3. 1.1液压站图27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
11、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。图2-2小车驱动装置液压原理图1.液压马达Ml2.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Ml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
12、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。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T11控制手腕转动（摆动），取决于电磁铁Y7或Y8及Y
13、6,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112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
14、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。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113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E3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，
15、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。2. 2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。2. 3机械手电磁铁动作循环表表27机械手工作状态以及动作控制目标工作状态电磁铁Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8液压站启动-工作+夹持器传动装置夹紧+一+松开+一中间位置+-手腕（
16、头部）回转传动装置向右+一向左+中间位置+停止+一一手腕（头部）摆动传动装置向右+-向左+停止+一-一2.4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HO2 .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
17、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3. 1负载分析3.1. 1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Fa0图37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
18、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Fz=fFn(3-1)对于V型导轨Ff=fFrtsin(/2)(3-2)式中Fn作用在导轨上的法向力一一V型导轨夹角f导轨摩擦因数Fn图3-2平导抗AOC-图3-3V型导轨本课题采用平轨，故：F=f义Ftlf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，
19、在计算时工进时的背压力按Pb=8X105pa代入，快退时按Pb=5IO5Pa代入公式和计算结果如下表：表37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)P7(Pa)Pn(Pa)L/minP(KW)差动快进F+pA2A-A2q=v(A1-A2)P=P.JP550.28.510513.510512.50.174工进F+PbA2Alq=VAP=Piq479.138.5X1058X1050.320.021快退p二.+川JA2q=&VP=PW40813.1105510512.90.218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AP=5X10
20、Pa,而Pn=PjP2.快退时，液压缸有杆腔进油。压力为P,无杆腔回油，压力为Pn。3. 5拟定液压系统原理图3.1.1 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
21、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。3.1.2 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4. 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
22、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Zw=5X105Pa压力继电器可靠动作需要压力差为5XIO、Pa液压泵最高工作液压可按：PP=Pl+p+5105=(38.8+5+5)X1()5,=48.8几因此泵的额定压力可取pr1.2548.8105p=61105Pa工进所需的流量最小是0.32Lmin,设备流量最小流量为2.5LInin,则小流量泵的流量按公式外,Zmax即qpi(1.10.32+2.5)L/min=2.85Lmin快进快退时液压缸所需的最大流量是12.9Lmin,则泵的总流量为：qp=1.112.9=14.2Lmin即
23、大流量泵的流量：qp2qp-qp-(14.2-2.85)min=11.35Lmin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960rmin05. 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：qpi=(4x10-360)zn25=0.0667103w3/大泵的流量为:q2=(12XIO_3605/s=0.20-3m3/s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Poo1 .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,
24、二位三通阀4进入液压缸大腔，大腔的压力6=仔=8.5乂108巴查样本可知，小泵的出口压力损失P=1.5xl()5p,于是计算可得小泵的出口压力4=13x1052(总效率7=0.5),大泵出口压力分2=14.5x10“(总效率%=0.5)。电动机效率为：nPPIqlpp22z131050.066710314.51050.210-Pi=+=(+)=46369720.50.52 .工进考虑到调速阀所需最小压力=5x1052压力继电器可靠动作所需压力差P?=5x10吮因此工进时小泵的出口压力匕=耳+打+=48.8xl5而大泵的卸载压力取/=2l02(小泵的总效率7=0.565,大泵总效率%=0.3)电
25、动机功率：只=%包+空迫=(16.5XUX0.0667X炉十&x1()5:炉加9?，综合比较710.50.51快退时所需功率最大，因此选用Y901-6异步电动机，电动机功率1.1KW,额定转速910rmin.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63X105丹额定流量根据通过的流量是确定为10Lmin,30Lmin和63Lmin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(Lmin)额定流量Qn(Lmin)额定压力P(MPa)额定压降(MPa)型号、规格1过滤器34.8631.60.07XU-A
26、63502单向阀34.8306.30.2I-30B3溢流阀3306.3Y-30B4节流阀22.2306.30.3L-30B5节流阀3.78/2.4/1106.30.3L-10B6三位四通电磁阀22.2306.30.434D-30B7二位四通电磁阀2.4106.30.424D-10B8二位二通电磁阀3.78106.30.422D-10B9减压阀22.2306.3J-30B10三位四通电磁阀3.78/0.96106.321=100当i=M4时，由欧拉公式i2ElPk（N）（3-12）（W）式中一一活塞杆计算柔度（柔性系数）；长度折算系数，取决于液压缸的支承在状况，如图4-5所示；1活塞杆计算长度（
27、即液压缸安装长度，m）；E活塞杆材料的纵向弹性模数，E=20.59lO,oPtz;i一一活塞杆横断面回转半径，i=J（m）,其中A为断面面积（）J为断面最小惯性矩（m）.对圆断面，=幺；44柔性系数（按表3-7选取），4=Tr材料ab4%钢(A3)310011.4010561钢(A5)460036.1710060硅钢589038.1710060铸铁770012080一本设计中，4=1,1=1.750m,E=20.591010Pa,I=i2d2160.1102002=164=7.18xlOYn4P=也kW220.59xl007018xl（6（11.75）2=4.76106NP=2.2x1067V
28、故P三-716=2.38IO6N,完全符合稳定性要求。223.8.4活塞组件活塞组件活塞和活塞杆。这部分的结构活塞和活塞杆的联结，活塞杆头部的结构两方面的问题。根据工作压力、安装形式及工作条件的不同，活塞组件也有多种结构形式。1 .活塞与活塞杆的联结活塞和活塞杆的联结可采用螺纹连接和非螺纹连接两种形式。非螺纹连接常用于大工作压力的场合，本设计中采用的是螺纹连接。2 .活塞杆头部结构活塞杆头部直接和工作机械联系，根据与负载连接的要求不同，活塞杆头部主要有如下几种结构：（1）单耳环不带衬套式；（2）单耳环带衬套式；（3）单耳环式；（4）双耳环式；（5）球头式；（6）外螺纹式；（7）内螺纹式。本设计
29、中考虑到液压缸和机械装置的连接形式，采用单耳环带衬套式的头部结构。3 .8.5密封装置液压缸在工作时，缸内压力较缸外的压力高的很多；缸内的进油腔压力较回油腔压力也高的很多，这样，油液就可能通过固定件的联结处和相对运动的配合间隙处泄漏，这种泄漏既有内泄也有外泄，外泄不但使油液损失影响环境，而且有着火的危险。内泄则能使油液发热，液压缸的容积效率降低，从而使液压缸的工作性能变坏。因此应最大限度的减少泄漏。活塞和缸筒内壁之间的滑动和密封，目前主要有这样几种方案：第一种方案是靠活塞直接与缸壁接触滑动，密封由O型圈来实现，这种方案构造简单摩擦阻力小，但密封寿命低，而且工艺要求高；第二种方案是采用V型密封圈
30、，这种密封圈的特点是可以支承一定的径向力，但活塞运动时的磨擦阻力大；第三种方案是目前工程机械上用的最普遍的一种,活塞上套一个用耐磨材料（尼龙或聚四氟乙烯）制成的支承环，用以代替活塞与缸壁的磨擦，可降低摩擦系数和提高液压缸的寿命，它不起密封作用，密封靠一对小Y型密封圈，本设计即采用第三种方案。4 .8.6缓冲装置液压缸一般都设有缓冲装置，特别是活塞运动速度较高和运动部件较大时，为了防止活塞在行程终点与缸盖或缸底发生机械碰撞，引起噪声、冲击，甚至造成液压缸或被驱动件的损坏，则必须设置缓冲装置。a）固定节流孔缓冲器b）节流槽缓冲机构c）溢流阀缓冲机构图3-6节流缓冲装置本设计中采用的缓冲装置为溢流阀
31、的缓冲装置，如果不考虑溢流阀的压力超调值，则该缓冲装置为恒压等减速缓冲装置。优点是随运动部件的质量和初速度Vo的不同，缓冲压力可以调节。3.8.7油管的选择根据选定的液压阀连接油口尺寸确定管道尺寸。液压缸进出油管按输出，排出的流量来计算。由于系统液压缸差动连接快进快退时，油管内通油量最大其实际流量为泵的额定流量的两倍达32Lmin,则液压缸进出油口直径d按产品样本，选用内径为15mm,外径为19mm的10号冷拔钢管。3.8.8油箱容积的确定取油箱的有效容积为泵每分钟排除液体体积的1.2倍，上述的有效容积是指油箱中油所占据的容积，其实际含义是系统正常工作时油箱中的油所占据的容积，和系统中的油全部
32、流回油箱所占的容积，这两部分之总和，油箱的总容积是指油箱的有效容积和油箱中空气所占据的容积的总和，空气的体积约为油箱总容积的10%o本设计中，液压泵的流量为230Lmin,即每分钟流量为230升。230L1.2=276圆整后取280升。拟定油箱的长、宽、高为800x600x58OAw%。3.9液压传动用油的选择油液在液压系统中实现润滑与传递动力的双重功能,必须根据使用环境和目的慎重选择。3.9.1工作介质的选择根据液压工作介质的使用要求，选取L-HL型液压油。该液压油的特征和主要应用：本产品为精制矿物油，并改善其防锈和抗氧性的润滑油，常用于低压液压系统，也可适用于要求换油期较长的轻负荷机械的油
33、浴式非循环润滑系统。3.9.2介质粘度的选择液压系统所有元件中，以液压泵的转速最高，压力大，温度较高。一般应根据液压泵的要求来确定液压油的粘度。根据表3-8选择L-HL46。表3-8液压油的粘度名称粘度(相Ms)工作压力(MPa)工作温度()推荐用油允许最佳齿轮泵4220255412.5以下540L-HL32,L-HL4640-80L-HL46,L-HL6810-20540L-HL46,L-HL6840-80L-HL46,L-HL6816-32540L-HL32,L-HL6840-80L-HL46,L-HL684验算系统液压性能4.1 压力损失的验算及泵压力的调整1 .工进时压力损失的验算和小流量泵压力的调整工进时管路中的流量仅为032Lmin,因此流速很小，所以沿程损失和局部压力损失都非常小，可以忽略不计。这时进油路上仅考虑调速阀的压力损失AP=5xK)52,回油路只有背压阀的压力
