灯壳冲压下料机械手的液压系统设计学士学位.doc

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1、学学士学位论文 I 灯壳冲压下料机械手的液压系统设计 摘要 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用 消费品的产业。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技 术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济 的战略重点之一。生产水平及科学技术的不断进步与发展带动了整个机械 工业的快速发展。现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的 主题。然而在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。单靠人力将这 些不连续的生产工序衔接起来，不仅费时而且效率不高。同时人的劳动强 度非常大，有时还会出现失误及伤害。显然，这严重影响制约了整个生产 过程的效率和

2、自动化程度。机械手的应用很好的解决了这一情况，它不存 在重复的偶然失误，也能有效的避免了人身事故。机器人并不是在简单意 义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的机械 装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间 持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的 进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先 进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 液压驱动是机械手中使用最为广泛的一中驱动方式。该灯壳冲压生产 线用伺服型下料机械手的驱动方式也选用了液压驱动。因此，本次毕业设 计的主要任务是为灯壳冲压自动生产线用伺服型下料机械

3、手配备驱动系统 。其中包括液压系统原理的设计，液压泵站的设计。此外，参照机械手 设计基础还画出了机械手的外部结构图，升降油缸和回转油缸的装配图 、手指和手腕的装配图。 本文主要叙述了液压方面的一些设计计算过程。其中包括：液压缸的参数 设计，各种液压元件的选择，电机的选择，液压集成块的设计，液压系统 的安装和维护。 关键字 机械手；液压驱动；液压泵站；液压系统 学学士学位论文 II Lamp Shell Stamping Cutting Manipulator Hydraulic System Design Abstract Machinery industry is National Arma

4、ments,is to provide durable consumer goods for peoples life for the national economy to provide equipment and Industry.Machinery industry scale and technology level is an important symbol to measure the strength of the national economy and the level of science and technology. Therefore, all countrie

5、s in the world to develop machinery industry as one of the key strategy of the development of the national economy. Continuous progress and development level of production and science and technology has driven the rapid development of the machinery industry.In modern industry, the production process

6、 of mechanization, automation has become a prominent theme. However, in the machinery industry, machining, assembly and other production is not continuous. Relying on human link these discontinuous production process, not only time-consuming and inefficient. At the same time, the labor intensity is

7、very large, sometimes the failure and damage.Obviously, this seriously restrict the efficiency and automation of the whole production process. Application of manipulator is a very good solution to this situation, it does not exist accidental mistakes repeatedly, can effectively avoid accidents.The r

8、obot is not to replace manual labor in the simple sense, but a combination of a mechanical device for anthropomorphic people skills and expertise of the machine, as a man on the state of the environment of rapid response and the analysis judgment ability, and the machine can work 学学士学位论文 III continu

9、ously for long time, high precision, resistance to harsh environment capacity, says evolutionary process it is also a product of the machine from some kind of meaning, it is the industrial and non-industrial sector an important production and service equipment, automation equipment is indispensable

10、in the field of advanced manufacturing technology. Hydraulic driving mechanical hands is the most widely used in a driving way. Drive the manipulator of the shell stamping production line with servo type chooses the hydraulic drive. Therefore, the main task of this graduation design is the manipulat

11、or is equipped with a driving system of automatic production line for the shell stamping with servo type.The design includes the design principle of hydraulic system, the hydraulic pump station. In addition, according to “manipulator design basis“ also shows the external structure of the manipulator

12、, a lifting oil cylinder and a rotating cylinder assembly drawing assembly drawing, finger and wrist. This paper mainly describes the design of the hydraulic calculation process of some aspects of the. Including: the parameter design of hydraulic cylinder, hydraulic components selection, choice of m

13、otor, design of hydraulic manifold block, the installation and maintenance of hydraulic system. Keywords Manipulator；Hydraulic Drive；Hydraulic Station；Hydraulic System 学学士学位论文 IV 目录 摘要 I AbstractII 第1章 绪论.1 1.1机械手在工业中的应用.1 1.2 机械手的组成.1 1.2.1 执行机构2 1.2.2 驱动系统2 1.2.3 控制系统2 1.2.4 位置检测装置2 第2章 概述.3 2.1下料

14、机械手的规格参数.3 2.2 下料机械手的机械机构及其工作原理.4 2.2.1手臂升降、回转运动机构4 2.2.2手臂伸缩运动机构4 2.2.3手腕回转机构和手腕结构5 第3章 下料机械手的液压系统工作原理.6 3.1 下料机械手的驱动方式.6 3.2 液压系统大体有以下五部分组成.6 3.3 液压传动的特点.6 3.4 下料机械手的液压系统工作原理7 第4章 下料机械手液压油缸设计计算.10 4.1 手臂伸缩油缸的设计计算.10 4.1.1 伸缩缸外伸的载荷分析.10 4.1.2 伸缩缸的尺寸计算（以外伸时计算） 11 4.1.3 伸缩缸外伸时流量计算11 4.1.4 缩缸回缩时所需的压力计

15、算11 4.1.5 缩缸的缸长的设计计算11 4.1.6 缩缸回缩时所需的流量计算12 4.2手臂回转油缸的设计计算.12 学学士学位论文 V 4.2.1 回转油缸的力矩计算12 4.2.2 回转油缸的排量计算12 4.3 夹紧油缸的设计计算12 4.3.1 工作负载的分析12 4.4 夹紧油缸所需压力计算14 4.5夹紧油缸所需泵流量的计算.14 第5章 液压系统设计计算.16 5.1 液压泵的选择.16 5.1.2 液压泵的最大工作压力Pp16 5.1.3 确定液压泵的最大流量Qp .16 5.1.4 确定液压泵16 5.2 电机的选择16 5.2.1 确定液压泵的驱动功率P16 5.2.

16、2 电机的选择17 5.3 液压阀的选择与专用件的设计17 5.3.1 液压阀的选择17 5.3.2 管道尺寸的确定18 5.3.3 邮箱容积的确定18 5.3.4 液压油的选择18 5.4 液压系统的发热温升的计算19 5.4.1 液压系统的发热功率计算19 5.4.2 液压系统的散热计算19 第6章 液压集成块的设计.20 6.1 液压集成块的组成结构20 6.2 集成块的设计步骤20 第7章 液压站的设计.22 7.1油箱的设计.22 7.2液压站的结构设计.22 7.2.1 液压泵的电机安装方式22 7.2.2 液压站的结构设计23 第8章 液压泵的维护与安装.24 8.1 液压元件的

17、安装.24 8.2 液压元件的维护.24 结论25 致谢26 参考文献27 附录28 学学士学位论文 VI 第1章 绪论 工业机械手是工业生产中一种较新的技术设备，它能模仿人的上体的某些 动作，在生产过程中起传递工件或操作工具的作用。美国在六十年代初生 产了工业机械手投入市场，以后欧洲、日本等国也竞相发展并掀起热潮。 七十年代以后开始稳步发展。今年来随着其性能的提高以及传感器的应用 ，它以逐步应用于机械加工、装配、包装、运输和仓库作业等部门。现在 美、日、西德等国已在强噪声、高温、有毒气体等工作环境用工业机械手 尾数为机床下料，为传送带运送部件等。 随着液压传动技术的发展，液压机械自动化程度的

18、不断提高，液压技 术在工业机械手中的得到了广泛的应用。目前工业机械手采用液压者占一 半以上。特别是近十年来，液压技术与传感技术、微电子技术紧密结合， 出现了诸如电液比例控制阀、电液伺服液阀等机电液一体化元器件，使液 压技术在高压、高速大功率、节能高效、低噪声、使用寿命长、高度集成 化等方面取得了重大进展。无疑，液压元件系统的计算机辅助设计（CAD ），计算机辅助试验（ACAT）和计算机实时控制也是当前液压技术的发 展方向。 1.1机械手在工业中的应用 随着我国工业生产飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、 转向、输送或操持焊、喷枪、枪扳手等工具进行加工装配等作业的自动化 ，已越来越引

19、起人们的重视。 机械手是模仿着人的部分动作，按给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取 、搬运或制造的自动机械装置。在工业生产中的应用的机械手被称为“工 业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率 学学士学位论文 2 ；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压 、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣环境中，它代替人 进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械制造行业里，尤其是自动 化生产线中应用最为广泛。 1.2 机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动结构、控制系统以及位置检测装置等所 组成。 1.2.1 执行机构 执行机构包括手部手腕手臂和立

20、柱等部件，有的还增设行走机构。 1.手部即与物件接触的部件。由于物件的形式不同可分为夹持式和吸 附式手部。夹持式手部由手指（或手抓）和传力机构所组成，手指直接与 物件接触，而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成放物件的任务；吸附 式手部主要由吸盘等机构构成，它是靠吸附力（如吸盘内形成负压或产生 电磁力）吸附物件。 2.手腕即接手部和手臂的部件，起调整或改变工件方位的作用。 3.手臂即支撑手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。 4.立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转 运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱通常是 固定不动的，但因工作的需要，也可以作横

21、向移动，即称为可以移动式立 柱。 5.行走机构，机械手为了完成远距离的操作和扩大使用范围，可以增 设滚轮行走机构。滚轮式行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮 运动则应另外增设机械传动装置。 6.机座，它是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系 统均安装在机座上，故它起支承和联接的作用。 1.2.2 驱动系统 机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。常用的有液压传 动、气压传动、电力传动、齿轮传动等形式。 1.2.3 控制系统 控制系统由电器控制系统和射流控制两种，常用的微电气控制。它是 机械手的重要组成部分，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们 学学士学位论文 3

22、给予机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同 时向其控制系统的执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视 ，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。 1.2.4 位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈 给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后将通过控制系统进行调整， 从而使之行动机构以一定的精度达到设定位置。 第2章 概述 该机械手为灯壳冲压自动线用伺服型下料机械手，其功用是将压制成 形的灯壳从模腔中取出并送到传送带上。其坐标型式使活动范围大、占地 面积小的圆柱坐标型式。由于压制一个灯壳需要时间约为810秒，而下料 机械手在该段时间

23、里要完成13个动作工步，因此下料机械手的每工步都比 较快。另外，要求下料机械手能准确无误的将灯壳从模腔中取出，因此下 料机械手的重复定位精度要较高。还有机械手手臂伸向压床模腔和伸向传 送带放料的形成亦不同。因此采用响应速度高、动态性能好的电液伺服组 成的闭环伺服控制系统 2.1下料机械手的规格参数 抓重：1公斤 坐标型式：圆柱坐标 自由度数：4个 手臂的运动参数： 伸缩形成：500毫米，最大速度：750毫米/秒； 回转角度：220，最大角速度：110/秒 升降行程：100毫米，最大速度：220毫米/秒 手腕运动参数： 回转角度：210，最大角速度：360毫米/秒 定位精度：1毫米 驱动方式：液

24、压 控制方式：电磁 学学士学位论文 4 手臂和手腕运动：点位控制伺服型 程序存储：插销板 位置存储：数码开光 存储容量：16 环境温度：-1040 消耗功率：4千瓦 2.2 下料机械手的机械机构及其工作原理 附图1为下料机械手的外形结构图，下料机械手主要由手部1、手部2 、手臂3、电位器机构4、电液伺服阀5、邮箱及底座6和手臂升降与回转机 构7等组成。 2.2.1手臂升降、回转运动机构 当压力油经伺服阀11的滑阀开口进入升降缸2的下腔时，推动活塞杆3 ，并通过活塞杆端部的球面铰链，带动框形导套4及其上面所有部件做升 降运动，既是手臂升降运动。 升降运动的导向装置，是采用框形滚珠导套，它具有良好

25、的导向性， 且刚度大，摩擦阻力小，使升降运动平稳。滚珠导套处的间隙，可通过关 调节螺钉进行调节。 升降行程位置通过齿条（与框形导套顾联，并一同升降）齿轮机构机 构进行反馈，将直线转变为角位移输给电位器（比较检测元件）与设定位 置（由步进电机带动触头实现）进行比较，其差值即“误差”，由电位器 输出的电压信号，经放大器放大后输给电液伺服阀的线圈，控制阀口开口 量，当“误差”为零时，机械手的手臂就停止在设定位置上。为了使定位 准确，当升降运动到设定位置前一定位置时，晶体管接近开关（LJ1- 24）发信号，开始线性降低频率，使机械手的运动速度亦线性递减，以保 证平稳定位。 当压力油液经伺服阀10的滑阀

26、开口，进入回转油缸8的工作腔，推动 动片连同回转轴9一起回转，手臂伸缩等部件一起回转，即为手臂的回转 运动。回转行程位置通过回转轴9下端部与电位器壳体直接进行检测，将 角位移直接反馈给电位器，为设定的位置（由步进电机经蜗杆蜗轮带动电 位器的动触头实现）进行比较，由电位器输出的电压信号吗，经放大后去 输出给伺服阀线圈，控制滑阀开口量，即控制回转油缸的运动速度。在到 达设定位置前一定位置，晶体管接近开关发信号，开始线性降低频率，使 机械手的回转速度线性减速，当误差为零时，手臂平稳无冲击的停在设定 位置上。 学学士学位论文 5 2.2.2手臂伸缩运动机构 手臂伸缩运动机构，它又手臂伸缩油缸1、伸缩运

27、动伺服阀2、手臂3（亦 为导向杆）、位置检测装置5等组成。 压力油液从手臂升降回转机构的回转轴内d，e油孔通道油路分配板6，其 上有四只油管分别接到伸缩运动伺服阀2、手指夹紧油路的减压阀（J- 10B）7及手腕回转运动伺服阀4. 当压力油液经伺服阀2进到手臂伸缩缸1的左腔时，驱动手臂前伸；压力油 液进入右腔时（油路为差动连接），手臂缩回。其位置检测室通过手臂3 外圆柱面上的齿条带动齿轮（与电位器壳提联接），把直线位移转换成角 位移反馈给电位器，预设定的位置进行比较，用于“误差”成正比的输出 电压控制伺服阀，进而控制手臂的伸缩运动。 手臂伸缩的导向装置，是由导向键8与手臂3上铣的宽10毫米长65

28、0毫 米的键槽相配合，实现导向作用。油缸的右腔与伺服阀为差动连接，而左 腔是单独与伺服阀输油孔联接。油缸端盖上泄露的油液，可从泄油口4流 回邮箱。 2.2.3手腕回转机构和手腕结构 驱动手腕回转运动的伺服阀，装在手臂伸缩部件的后部，用管路将伺 服阀出油口与连接轴上的油孔b、c相连，并经油路通到回转油缸2的两腔 。当通压力 油液时，推动动片回转通过键即带动夹紧缸体回转，使手指座5回转，既 是手腕回转运动。 手腕回转运动的位置检测，是由夹紧油缸3的左端，经手臂内的管轴 与位置检测电位器的壳体直接联接而进行的。 经减压后的压力油液，用管路通到连接轴1的油孔a处，并进到夹紧油 缸3的左腔，推动活塞杆经

29、传力机构4使手指6夹紧工作，当油孔a通油箱时 ，弹簧的弹力将手指张开。手指夹紧工件的松紧程度，可由调节螺钉7进 行调节。为了保护压床和磨具，手指6用硬聚氯乙烯制成。 学学士学位论文 6 第3章 下料机械手的液压系统工作原理 3.1 下料机械手的驱动方式 该下料机械手的驱动方式是用液压驱动的 3.2液压系统大体有以下五部分组成 1.动力装置：动力装置是指能将原动力的机械能转换成液压能的装置 ，它是液压传动系统的动力源。对液压传动系统来说是液压泵，其作用是 为液压传动系统提供压力油。 2控制调节装置：它包括各种阀类元件，其作用是用来控制工作介 质的流动方向、压力和流量，以保证执行元件和工作机构按要

30、求工作。 3.执行元件：执行元件指油缸或马达，是将压力能转化为机械能的装置， 其作用是在工作介质的作用下输出力和速度（或者转矩和转速），以驱动 工作机构做功。 3.辅助装置：除以上装置外的其他元器件都成为辅助装置，如邮箱、 过滤器、蓄能器、冷却器、水分滤清器、油雾器、消声器、管件、管接头 以及各种信号转换器等。它们是一些对完成主运动起辅助作用的元件，在 系统中也是必不可少的，对保证系统正常工作有着重要的作用。 4.工作介质：工作介质是指传动液体，在液压传动系统中通常称为液 压油。常用液压油有普通液压油、抗磨液压油、低凝液压油、高粘度指数 液压油、专用液压油、机械油、汽轮机油、水包油型乳化液、油

31、包水型乳 化液、水- 乙二醇液压油、高水基液压油、磷霜脂液压油、脂肪霜液压油、卤化液压 油等。 学学士学位论文 7 3.3 液压传动的特点 1.液压装置的体积小、重量轻、结构紧凑。但它能产生很大的动力。 它具有大的功率密度或力密度（工作压力）。 2.液压装置容易做到对速度的无级调节，而且调速范围大，并且对速 度的调节还可以在工作工程中进行。 3.液压装置工作平稳，换向冲击小，便于实现频繁换向。 4.液压装置易于实现过载保护，能实现自润滑，使用寿命长 5.液压装置易于实现自动化，可以很方便的对液体的流动方向、压力 和流量进行调节和控制，并能很容易的和电气、电子控制或气压控制结合 起来，实现复杂的

32、运动和操作。 6.液压元件易于实现系列化、标准化和通用化，便于设计、制造和推 广使用。 7.由于液压传动中的泄露和液体的可压缩性使这种传动无法保证严格 的传动比 8.液压传动有较多的能量损失（泄露损失、摩擦损失等），因此，传 动效率相对低。 9.液压传动对油温的变化比较敏感，不宜在较高或较低的温度下工作 。 10.液压传动出现故障时不易诊断 3.4 下料机械手的液压系统工作原理 下料机械手的液压系统如附图2所示，该系统由手臂伸缩回转升降手 腕回转及手指夹紧等五个回路和一个供油系统所组成。其中伸缩油缸为差 动联接的单杆双作用活塞缸，升降油缸和手指夹紧油缸，分别单杆双作用 和单作用活塞缸，手臂回转

33、和腕转均为回转缸。 油液经网式滤油器2，由叶片泵3（YB1- 50）吸入，经锡青铜烧结滤油器5二次过滤后送入工作回路。系统的工作 压力由溢流阀（Y- 63）来调整工作压力。当系统过载时，溢流阀打开使油液流回油箱，以保 证系统的安全。 在机械手不工作时，电动机照常运转的情况下，为减少功率和控制油 液发热，此处采用卸荷阀（即二位二通电磁阀）7控制溢流阀6的遥控口进 行卸荷。 学学士学位论文 8 因电液伺服阀的输出流量，随油的粘度而变化，而油的粘度又与油温 有关，所以为使伺服阀能正常地工作，此处采用冷却器8对回油进行冷却 ，使油液的最高温升不超过50。 在油泵的出口处装置单向阀4，其作用有二：一时防

34、止停机空气混入 系统，以保证重新启动的平稳性；二是在停机瞬时，它能隔断系统中高压 油液与油泵之间的联系，否则，高压油液将迫使油泵反转，产生噪音加速 磨损，故它能起到保护油泵的作用。 本液压系统采用电液伺服阀控制油缸，当各工步的电信号依次输入各 个伺服阀的线圈时，各伺服阀产生位移，从而控制进入油缸的流量。输入 的电信号的大小可以决定滑阀的开启程度，从而可以控制各油缸的运动速 度。油液的流动方向由电气信号指示的方向决定。 此机械手有四个电液伺服系统，分别控制机械手的伸缩、回转和升降 以及手腕回转运动，各个伺服系统的动作原理均相同，其手臂伸缩的伺服 系统工作原理可参见。 手指的夹紧动作由二位三通23

35、D- 63Y电磁阀15来控制，手指松开是依靠弹簧复位。 下料机械手的各动作工步，指令信号及其实际动作性能参数如表3- 1所示。 表3-1 指令信号及其实际动作性能参数表 工步 序号 工步 名称 指令 脉冲数 指令 行程 指令 平均数 动作 时间 实际 行程 0整序117 1臂升63100mm333mm/s0.3s 2臂伸543500mm625mm/s0.8s 5001 3指夹36 4臂缩543500mm625mm/s0.8s 5001 学学士学位论文 9 5臂降63100mm333mm/s0.3s 6臂左转2610 9045/s 2s 98 1 7腕正转120 18090/s0.36s 8指夹

36、1630mm0.01s 9臂伸543500mm625mm/s0.8s 5001 10指松4030mm0.01s 续表 3-1 11臂缩543500mm625mm/s0.8s 5001 12腕反转120 18090/s0.36s 13臂左转2610 9045/s 2s 90 1 学学士学位论文 10 第4章 下料机械手液压油缸设计计算 根据下料机械手的液压系统原理图所示，该系统共有五个液压子系统 ，由于有的子系统设计计算的相似性，在此只设计计算手臂伸缩油缸、手 臂回转油缸和手指夹紧油缸的参数。 4.1 手臂伸缩油缸的设计计算 4.1.1 伸缩缸外伸的载荷分析 该过程中工作负载Fg=0，加速和减速

37、过程的加速度由速度时间图4-1 a=4165mm/s,运动部件的总重量G=359.8=343N。（总质量为35KG） 学学士学位论文 11 图 4-1 速度时间图 1.启动加速阶段： Fw=Fg+Ff+Fa 而Fg=0，Ff =G=0.18343=61.74N(取=0.18) Fa=354.165=145.6N 所以Fw=0+61.74+145.6=207.34N 2.稳态运行阶段： Fw=Ff =G=0.07343=24.01N (取=0.07) 3.减速制动阶段： Fw=Ff-Fa=61.74-145.6=83.86N (加速和减速阶段Ff和Fa的大小相同) 综上所述伸缩缸外伸 手的研究设计是非常有意义的。