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【中文4750字】
液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計與計算
1 明確設(shè)計要求進行工況分析
在設(shè)計液壓系統(tǒng)時，首先應(yīng)明確以下問題，并將其作為設(shè)計依據(jù)。
主機的用途、工藝過程、總體布局以及對液壓傳動裝置的位置和空間尺寸的要求；
主機對液壓系統(tǒng)的性能要求，如自動化程度、調(diào)速范圍、運動平穩(wěn)性、換向定位精度以及對系統(tǒng)的效率、溫升等的要求；液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境，如溫度、濕度、振動沖擊以及是否有腐蝕性和易燃物質(zhì)存在等情況。
在上述工作的基礎(chǔ)上，應(yīng)對主機進行工況分析，工況分析包括運動分析和動力分析，對復(fù)雜的系統(tǒng)還需編制負載和動作循環(huán)圖，由此了解液壓缸或液壓馬達的負載和速度隨時間變化的規(guī)律，以下對工況分析的內(nèi)容作具體介紹。
1.1 運動分析
主機的執(zhí)行元件按工藝要求的運動情況，可以用位移循環(huán)圖(L—t)，速度循環(huán)圖(v—t)，或速度與位移循環(huán)圖表示，由此對運動規(guī)律進行分析。
1.1.1 位移循環(huán)圖L—t
圖1.1為液壓機的液壓缸位移循環(huán)圖，縱坐標L表示活塞位移，橫坐標t表示從活塞啟動到返回原位的時間，曲線斜率表示活塞移動速度。
圖1.1 位移循環(huán)圖
1.1.2 速度循環(huán)圖v—t(或v—L)
工程中液壓缸的運動特點可歸納為三種類型。圖1.2為三種類型液壓缸的v—t圖，第一種如圖1.2中實線所示，液壓缸開始作勻加速運動，然后勻速運動，
?
圖1.2 速度循環(huán)圖
最后勻減速運動到終點；第二種，液壓缸在總行程的前一半作勻加速運動，在另一半作勻減速運動，且加速度的數(shù)值相等；第三種，液壓缸在總行程的一大半以上以較小的加速度作勻加速運動，然后勻減速至行程終點。v—t圖的三條速度曲線，不僅清楚地表明了三種類型液壓缸的運動規(guī)律，也間接地表明了三種工況的動力特性。
1.2 動力分析
動力分析，是研究機器在工作過程中，其執(zhí)行機構(gòu)的受力情況，對液壓系統(tǒng)而言，就是研究液壓缸或液壓馬達的負載情況。
1.2.1 液壓缸的負載及負載循環(huán)圖
1.2.1.1 液壓缸的負載力計算
工作機構(gòu)作直線往復(fù)運動時，液壓缸必須克服的負載由六部分組成：
(1.1)
式中：Fc為切削阻力；Ff為摩擦阻力；Fi為慣性阻力；Fg為重力；Fm為密封阻力；Fb為排油阻力。
1.2.1.2液壓缸運動循環(huán)各階段的總負載力
液壓缸運動循環(huán)各階段的總負載力計算，一般包括啟動加速、快進、工進、快退、減速制動等幾個階段，每個階段的總負載力是有區(qū)別的。
(1)啟動加速階段：這時液壓缸或活塞處于由靜止到啟動并加速到一定速度，其總負載力包括導(dǎo)軌的摩擦力、密封裝置的摩擦力(按缸的機械效率=0.9計算)、重力和慣性力等項，即：
(1.2)
(2)快速階段：
(1.3)
(3)工進階段：
(1.4)
(4)減速：
(1.5)
對簡單液壓系統(tǒng)，上述計算過程可簡化。例如采用單定量泵供油，只需計算工進階段的總負載力，若簡單系統(tǒng)采用限壓式變量泵或雙聯(lián)泵供油，則只需計算快速階段和工進階段的總負載力。
1.2.2 液壓馬達的負載
工作機構(gòu)作旋轉(zhuǎn)運動時，液壓馬達必須克服的外負載為：
(1.6)
1.2.2.1 工作負載力矩Me。工作負載力矩可能是定值，也可能隨時間變化，應(yīng)根據(jù)機器工作條件進行具體分析。
1.2.2.2 摩擦力矩Mf。為旋轉(zhuǎn)部件軸頸處的摩擦力矩，其計算公式為：
(1.7)
式中：G為旋轉(zhuǎn)部件的重量(N)；f為摩擦因數(shù)，啟動時為靜摩擦因數(shù)，啟動后為動摩擦因數(shù)；R為軸頸半徑(m)。
1.2.2.3 慣性力矩Mi。為旋轉(zhuǎn)部件加速或減速時產(chǎn)生的慣性力矩，其計算公式為：
(1.8)
式中：ε為角加速度(r/s2)；Δω為角速度的變化(r/s)；Δt為加速或減速時間(s)；J為旋轉(zhuǎn)部件的轉(zhuǎn)動慣量()，。
式中：為回轉(zhuǎn)部件的飛輪效應(yīng)()。
各種回轉(zhuǎn)體的可查《機械設(shè)計手冊》。
根據(jù)式(1.6)，分別算出液壓馬達在一個工作循環(huán)內(nèi)各階段的負載大小，便可繪制液壓馬達的負載循環(huán)圖
2 確定液壓系統(tǒng)主要參數(shù)
2.1 液壓缸的設(shè)計計算
2.1.1 初定液壓缸工作壓力
液壓缸工作壓力主要根據(jù)運動循環(huán)各階段中的最大總負載力來確定，此外，還需要考慮以下因素：
2.1.1.1 各類設(shè)備的不同特點和使用場合。
2.1.1.2 考慮經(jīng)濟和重量因素，壓力選得低，則元件尺寸大，重量重；壓力選得高一些，則元件尺寸小，重量輕，但對元件的制造精度，密封性能要求高。
所以，液壓缸的工作壓力的選擇有兩種方式：一是根據(jù)機械類型選；二是根據(jù)切削負載選。
如表2.1、表2.2所示。
表2.1 按負載選執(zhí)行文件的工作壓力
負載/N
＜5000
500～10000
10000～20000
20000～30000
30000～50000
＞50000
工作壓力/MPa
≤0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
＞5
表2.2 按機械類型選執(zhí)行文件的工作壓力
機械類型
機 床
農(nóng)業(yè)機械
工程機械
磨床
組合機床
龍門刨床
拉床
工作壓力/MPa
a≤2
3～5
≤8
8～10
10～16
20～32
2.2 液壓馬達的設(shè)計計算
2.2.1 計算液壓馬達排量
液壓馬達排量根據(jù)下式?jīng)Q定：
(2.1)
式中：T為液壓馬達的負載力矩(N·m)；為液壓馬達進出口壓力差()；為液壓馬達的機械效率，一般齒輪和柱塞馬達取0.9～0.95，葉片馬達取0.8～0.9。
2.2.2 計算液壓馬達所需流量液壓馬達的最大流量
(2.2)
式中：Vm為液壓馬達排量(m3/r)；nmax為液壓馬達的最高轉(zhuǎn)速(r/s)。
3 液壓元件的選擇
3.1 液壓泵的確定與所需功率的計算
3.1.1 液壓泵的確定
3.1.1.1 確定液壓泵的最大工作壓力。液壓泵所需工作壓力的確定，主要根據(jù)液壓缸在工作循環(huán)各階段所需最大壓力p1，再加上油泵的出油口到缸進油口處總的壓力損失ΣΔp，即
(3.1)
包括油液流經(jīng)流量閥和其他元件的局部壓力損失、管路沿程損失等，在系統(tǒng)管路未設(shè)計之前，可根據(jù)同類系統(tǒng)經(jīng)驗估計，一般管路簡單的節(jié)流閥調(diào)速系統(tǒng)為(2～5)×105Pa，用調(diào)速閥及管路復(fù)雜的系統(tǒng)為(5～15)×105Pa，也可只考慮流經(jīng)各控制閥的壓力損失，而將管路系統(tǒng)的沿程損失忽略不計，各閥的額定壓力損失可從液壓元件手冊或產(chǎn)品樣本中查找，也可參照表1.3選取。
表3.1 常用中、低壓各類閥的壓力損失(Δpn)
閥名
Δpn(×105Pa)
閥名
Δpn (×105Pa)
閥名
Δpn (×105Pa)
閥名
Δpn (×105Pa)
單向閥
0.3～0.5
背壓閥
3～8
行程閥
1.5～2
轉(zhuǎn)閥
1.5～2
換向閥
1.5～3
節(jié)流閥
2～3
順序閥
1.5～3
調(diào)速閥
3～5
3.1.2 確定液壓泵的流量qB
泵的流量qB根據(jù)執(zhí)行元件動作循環(huán)所需最大流量qmax和系統(tǒng)的泄漏確定。
3.1.2.1多液壓缸同時動作時，液壓泵的流量要大于同時動作的幾個液壓缸(或馬達)所需的最大流量，并應(yīng)考慮系統(tǒng)的泄漏和液壓泵磨損后容積效率的下降，即
(3.2)
式中：K為系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取1.1～1.3，大流量取小值，小流量取大值；為同時動作的液壓缸(或馬達)的最大總流量(m3/s)。
3.1.2.2選擇液壓泵的規(guī)格：根據(jù)上面所計算的最大壓力pB和流量qB，查液壓元件產(chǎn)品樣本，選擇與pB和qB相當?shù)囊簤罕玫囊?guī)格型號。
表3.2 液壓泵的總效率
液壓泵類型
齒輪泵
螺桿泵
葉片泵
柱塞泵
總效率
0.6～0.7
0.65～0.80
0.60～0.75
0.80～0.85
?
按上述功率和泵的轉(zhuǎn)速，可以從產(chǎn)品樣本中選取標準電動機，再進行驗算，使電動機發(fā)出最大功率時，其超載量在允許范圍內(nèi)。
3.2 閥類元件的選擇
3.2.1 選擇依據(jù)
選擇依據(jù)為：額定壓力，最大流量，動作方式，安裝固定方式，壓力損失數(shù)值，工作性能參數(shù)和工作壽命等。
3.2.2 選擇閥類元件應(yīng)注意的問題
3.2.2.1 應(yīng)盡量選用標準定型產(chǎn)品，除非不得已時才自行設(shè)計專用件。
3.2.2.2 閥類元件的規(guī)格主要根據(jù)流經(jīng)該閥油液的最大壓力和最大流量選取。選擇溢流閥時，應(yīng)按液壓泵的最大流量選??；選擇節(jié)流閥和調(diào)速閥時，應(yīng)考慮其最小穩(wěn)定流量滿足機器低速性能的要求。
3.3 蓄能器的選擇
3.3.1 蓄能器用于補充液壓泵供油不足時，其有效容積為：
(3.3)
式中：A為液壓缸有效面積(m2)；L為液壓缸行程(m)；K為液壓缸損失系數(shù)，估算時可?。耍?.2；qB為液壓泵供油流量(m3/s)；t為動作時間(s)。
3.3.2 蓄能器作應(yīng)急能源時，其有效容積為：
(3.4)
當蓄能器用于吸收脈動緩和液壓沖擊時，應(yīng)將其作為系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)與其關(guān)聯(lián)部分一起綜合考慮其有效容積。
根據(jù)求出的有效容積并考慮其他要求，即可選擇蓄能器的形式。
3.4 管道的選擇
3.4.1 油管類型的選擇
液壓系統(tǒng)中使用的油管分硬管和軟管，選擇的油管應(yīng)有足夠的通流截面和承壓能力，同時，應(yīng)盡量縮短管路，避免急轉(zhuǎn)彎和截面突變。
3.4.1.1 鋼管：中高壓系統(tǒng)選用無縫鋼管，低壓系統(tǒng)選用焊接鋼管，鋼管價格低，性能好，使用廣泛。
3.4.1.2 銅管：紫銅管工作壓力在6.5～10MPa以下，易變曲，便于裝配；黃銅管承受壓力較高，達25MPa，不如紫銅管易彎曲。銅管價格高，抗震能力弱，易使油液氧化，應(yīng)盡量少用，只用于液壓裝置配接不方便的部位。
3.4.2 油管尺寸的確定
3.4.2.1 油管內(nèi)徑d按下式計算：
d= (3.5)
式中：q為通過油管的最大流量(m3/s)；v為管道內(nèi)允許的流速(m/s)。一般吸油管取0.5～5(m/s)；壓力油管取2.5～5(m/s)；回油管取1.5～2(m/s)。
3.4.2.2 油管壁厚δ按下式計算：
(3.6)
式中：p為管內(nèi)最大工作壓力；n為安全系數(shù)，鋼管p＜7MPa時，取n=8；p＜17.5MPa時，取n=6；p＞17.5MPa時，取n=4。
根據(jù)計算出的油管內(nèi)徑和壁厚，查手冊選取標準規(guī)格油管。
3.5 油箱的設(shè)計
油箱的作用是儲油，散發(fā)油的熱量，沉淀油中雜質(zhì)，逸出油中的氣體。
3.5.1 油箱設(shè)計要點
3.5.1.1 油箱應(yīng)有足夠的容積以滿足散熱，同時其容積應(yīng)保證系統(tǒng)中油液全部流回油箱時不滲出，油液液面不應(yīng)超過油箱高度的80%。
3.5.1.2 吸箱管和回油管的間距應(yīng)盡量大。
3.5.1.3 油箱底部應(yīng)有適當斜度，泄油口置于最低處，以便排油。
3.6 濾油器的選擇
選擇濾油器的依據(jù)有以下幾點：
3.6.1 承載能力：
按系統(tǒng)管路工作壓力確定。
3.6.2 過濾精度：
按被保護元件的精度要求確定。
3.6.3 通流能力：
按通過最大流量確定。
3.6.4 阻力壓降：
應(yīng)滿足過濾材料強度與系數(shù)要求。
4 液壓系統(tǒng)性能的驗算
為了判斷液壓系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量，需要對系統(tǒng)的壓力損失、發(fā)熱溫升、效率和系統(tǒng)的動態(tài)特性等進行驗算。
4.1 管路系統(tǒng)壓力損失的驗算
當液壓元件規(guī)格型號和管道尺寸確定之后，就可以較準確的計算系統(tǒng)的壓力損失，壓力損失包括：油液流經(jīng)管道的沿程壓力損失、局部壓力損失和流經(jīng)閥類元件的壓力損失，即：
(4.1)
系統(tǒng)的調(diào)整壓力：
(4.2)
式中：P0為液壓泵的工作壓力或支路的調(diào)整壓力；P1為執(zhí)行件的工作壓力。
如果計算出來的比在初選系統(tǒng)工作壓力時粗略選定的壓力損失大得多，應(yīng)該重新調(diào)
整有關(guān)元件、輔件的規(guī)格，重新確定管道尺寸。
4.2 系統(tǒng)發(fā)熱溫升的驗算
系統(tǒng)發(fā)熱來源于系統(tǒng)內(nèi)部的能量損失，如液壓泵和執(zhí)行元件的功率損失、溢流閥的溢流損失、液壓閥及管道的壓力損失等。
系統(tǒng)發(fā)熱功率P的計算:
(4.3)
式中：PB為液壓泵的輸入功率(W)；η為液壓泵的總效率。
若一個工作循環(huán)中有幾個工序，則可根據(jù)各個工序的發(fā)熱量，求出系統(tǒng)單位時間的平均發(fā)熱量：
(4.4)
式中：T為工作循環(huán)周期(s)；ti為第i個工序的工作時間(s)；pi為循環(huán)中第i個工序的輸入功率(W)。
4.3 系統(tǒng)效率驗算
液壓系統(tǒng)的效率是由液壓泵、執(zhí)行元件和液壓回路效率來確定的。
液壓回路效率nc一般可用下式計算：
(4.5)
式中：p1，q1；p2，q2；……為每個執(zhí)行元件的工作壓力和流量；pB1，qB1；pB2，qB2為每個液壓泵的供油壓力和流量。
液壓系統(tǒng)總效率：
(4.6)
式中：為液壓泵總效率；為執(zhí)行元件總效率；為回路效率。
5 繪制正式工作圖和編寫技術(shù)文件
經(jīng)過對液壓系統(tǒng)性能的驗算和必要的修改之后，便可繪制正式工作圖，它包括繪制液壓系統(tǒng)原理圖、系統(tǒng)管路裝配圖和各種非標準元件設(shè)計圖。
正式液壓系統(tǒng)原理圖上要標明各液壓元件的型號規(guī)格。對于自動化程度較高的機床，還應(yīng)包括運動部件的運動循環(huán)圖和電磁鐵、壓力繼電器的工作狀態(tài)。
5.1 確定液壓系統(tǒng)參數(shù)
由工況分析中可知，工進階段的負載力最大，所以，液壓缸的工作壓力按此負載力計算，根據(jù)液壓缸與負載的關(guān)系，選p1=40×105Pa。本機床為鉆孔組合機床，為防止鉆通時發(fā)生前沖現(xiàn)象，液壓缸回油腔應(yīng)有背壓，設(shè)背壓p2=6×105Pa，為使快進快退速度相等，選用差動油缸，假定快進、快退的回油壓力損失為Δp=7×105Pa。
5.2 選擇液壓元件
5.2.1 選擇液壓泵和電動機
5.2.1.1 確定液壓泵的工作壓力。
前面已確定液壓缸的最大工作壓力為40×105Pa，選取進油管路壓力損失Δp=8×105Pa，其調(diào)整壓力一般比系統(tǒng)最大工作壓力大5×105Pa，所以泵的工作壓力PB＝(40＋8＋5)×105＝53×105Pa
這是高壓小流量泵的工作壓力。
液壓缸快退時的工作壓力比快進時大，取其壓力損失Δp′＝4×105Pa，則快退時泵的工作壓力為：
PB=(16.4＋4)×105＝20.4×105Pa
這是低壓大流量泵的工作壓力。
5.2.1.2 液壓泵的流量。快進時的流量最大，其值為30L/min，最小流量在工進時，其值為0.51L/min，取K＝1.2，
則： qB＝1.2×0.5×10-3=36L/min
由于溢流閥穩(wěn)定工作時的最小溢流量為3L/min，故小泵流量取3.6L/min。
根據(jù)以上計算，選用YYB-AA36/6B型雙聯(lián)葉片泵。
5.2.1.3 確定管道尺寸:根據(jù)工作壓力和流量，按式(3.5)、式(3.6)確定管道內(nèi)徑和壁厚。(從略)
5.2.1.4 確定油箱容量油箱容量可按經(jīng)驗公式估算，取V＝(5～7)q。
本例中：V＝6q＝6(6＋36)＝252L有關(guān)系統(tǒng)的性能驗算從略。
哈爾濱理工大學(xué)?？粕厴I(yè)論文
哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院
本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
學(xué)生姓名：李景暉 學(xué)號：1030060115
學(xué) 院： 榮成學(xué)院 專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化
任務(wù)起止時間： 2014年02月24日至 2013年06月 20日
畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：
沖壓機械手---液壓系統(tǒng)設(shè)計
畢業(yè)設(shè)計工作內(nèi)容：
1、實際調(diào)研，收集相關(guān)資料，完成開題報告；1—3周。
2、結(jié)合生產(chǎn)實際，設(shè)計機械手液壓系統(tǒng)；4—7周。
3、設(shè)計機械手的液壓系統(tǒng)泵站結(jié)構(gòu)圖；8—11周。
4、設(shè)計機械手的電氣控制原理12—13周。
5、撰寫畢業(yè)設(shè)計論文，準備答辯；14—16周。
注：要求全部用計算機繪圖和打印文稿（交打印件和電子稿）
資料：
1、工業(yè)機器人設(shè)計手冊；
2、非標設(shè)計手冊；
3、液壓與氣壓傳動；
4、相關(guān)的技術(shù)資料。
指導(dǎo)教師意見：
簽名：
2013年 2 月 24 日
系主任意見：
簽名：
2013年2月 25日
沖壓機械手-液壓系統(tǒng)設(shè)計
沖壓機械手-液壓系統(tǒng)設(shè)計
摘 要
本次設(shè)計的課題為沖壓機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計，綜合運用所學(xué)的基本理論、基本知識和相關(guān)的機械設(shè)計專業(yè)知識，完成對沖壓機械手液壓部分、液壓泵站、電氣控制系統(tǒng)進行了設(shè)計，并繪制必要裝配圖、液壓系統(tǒng)圖、PLC控制系統(tǒng)原理圖等。
沖壓機械手的機械結(jié)構(gòu)采用油缸、螺桿、導(dǎo)向筒等機械器件組成；在液壓傳動機構(gòu)中，沖壓機械手的手臂伸縮采用伸縮油缸，手腕回轉(zhuǎn)采用回轉(zhuǎn)油缸，立柱的轉(zhuǎn)動采用齒條油缸，沖壓機械手的升降采用升降油缸，立柱的橫移采用橫向移動油缸；在PLC控制回路中，采用的PLC類型為FX2N，當按下連續(xù)啟動后，PLC按指定的程序，通過控制電磁閥的開關(guān)來控制沖壓機械手進行相應(yīng)的動作循環(huán)，當按下連續(xù)停止按鈕后，沖壓機械手在完成一個動作循環(huán)后停止運動。
關(guān)鍵詞：沖壓機械手、液壓系統(tǒng)、液壓泵站、控制回路、PLC
The stamping manipulator hydraulic system design
Abstract
The design issues for the stamping manipulator hydraulic system design, integrated use of the basic theory of learning, the basic knowledge and related mechanical design expertise, the completion of the punching robot hydraulic parts, hydraulic pump station, electrical control system design and draw necessary assembly drawings, hydraulic system diagram, PLC control system schematic diagrams.
Mechanical structure stamping manipulator using cylinder, screw, guide tube and other mechanical devices composed; hydraulic transmission mechanism, stamping robot arm retractable telescopic cylinders, wrist rotation using rotating cylinder, rotating column using rack cylinder, punching robot movements using the lift cylinder, racking uprights using lateral movement of the cylinder; in PLC control loop, PLC type used for the FX2N, when pressed consecutive start, PLC program specified by controlling the solenoid valve switches to control the press manipulator corresponding action cycle, when the stop button is pressed continuously, punching robot cycle after the completion of an action to stop the movement.
Keywords: Stamping manipulator, Hydraulic systems, Pump stations, Control circuit, PLC
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 沖壓機械手簡介 1
1.2 我國沖壓機械手的發(fā)展 1
第2章 沖壓機械手液壓系統(tǒng)總體設(shè)計 3
2.1 參數(shù)選定 3
2.1.1 臂力的選定 3
2.1.2 工作范圍的選定 3
2.1.3運動速度選定 3
2.2液壓系統(tǒng)簡介 3
5.2液壓系統(tǒng)的組成 4
第3章 液壓部分的設(shè)計 5
3.1控制回路的選擇 5
3.1.1壓力控制回路 5
3.1.2速度控制回路 5
3.1.3方向控制回路 6
3.2液壓系統(tǒng)原理圖的擬定 6
3.2.1沖壓機械手的動作順序 6
3.2.2沖壓機械手液壓系統(tǒng)原理圖 7
3.3液壓缸的設(shè)計 7
3.3.1手臂升降、伸縮缸，手指夾緊缸 7
3.3.2機械手回轉(zhuǎn)缸 10
3.3.3手腕回轉(zhuǎn)缸 11
第4章 液壓泵站的設(shè)計 13
4.1液壓元件及介質(zhì)的選擇 13
4.1.1液壓泵 13
4.1.2液壓介質(zhì)的選擇 13
4.1.3液壓閥類元件的選擇 13
4.1.4油箱的設(shè)計 15
4.1.5液壓集成閥塊設(shè)計 16
4.2其它輔助液壓裝置的設(shè)計選擇 16
4.2.1過濾器的選擇 16
4.2.3空氣濾清器的選擇 18
4.2.4液位計的選擇 18
4.3動力系統(tǒng)的設(shè)計 18
4.3.1電動機的選擇 18
4.3.2聯(lián)軸器的選擇 18
4.4 液壓系統(tǒng)性能校核 19
4.4.1液壓系統(tǒng)壓力損失 19
4.4.2系統(tǒng)發(fā)熱計算 20
第5章 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 22
5.1液壓系統(tǒng)的特點分析 22
5.2繼電器--接觸器控制線路設(shè)計 24
5.3電器元件的選擇 28
5.4 可編程控制器PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計 29
參考文獻 33
致 謝 34
IV
第1章 緒論
1.1 沖壓機械手簡介
幾千年前人類就渴望制造一種像人一樣的機器，以便將人類從繁重的勞動中解脫出來。如古希臘神話《阿魯哥探險船》中的青銅巨人泰洛斯（Taloas)，猶太傳說中的泥土巨人等等，這些美麗的神話時刻激勵著人們一定要把美麗的神話變?yōu)楝F(xiàn)實，早在兩千年前就開始出現(xiàn)了自動木人和一些簡單的機械偶人。
到了近代 ，沖壓機械手一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺沖壓機械手問世之后，不同功能的沖壓機械手也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到 農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進入尋常百姓家。沖壓機械手的種類之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。
沖壓機械手由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。
沖壓機械手并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù) 工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工 業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。
1.2 我國沖壓機械手的發(fā)展
有人認為，應(yīng)用沖壓機械手只是為了節(jié)省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發(fā)展沖壓機械手不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國，社會主義制度的優(yōu)越性決定了沖壓機械手能夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能為我國的經(jīng)濟建設(shè)帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟效益，而且將為我國的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻。
我國的沖壓機械手從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了沖壓機械手操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分沖壓機械手關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等沖壓機械手；其中有130多臺套噴漆沖壓機械手在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊沖壓機械手已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的沖壓機械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；沖壓機械手應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)沖壓機械手約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成沖壓機械手產(chǎn)業(yè)，當前我國的沖壓機械手生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。
第2章 沖壓機械手液壓系統(tǒng)總體設(shè)計
2.1 參數(shù)選定
2.1.1 臂力的選定
目前使用的沖壓機械手的臂力范圍較大，國內(nèi)現(xiàn)有的沖壓機械手的臂力最小為0.15N，最大為8000N。本液壓沖壓機械手的臂力為N臂 =1650（N），安全系數(shù)K一般可在1.5~3，本沖壓機械手取安全系數(shù)K=2。定位精度為±1mm。
2.1.2 工作范圍的選定
沖壓機械手的工作范圍根據(jù)工藝要求和操作運動的軌跡來確定。一個操作運動的軌跡是幾個動作的合成，在確定的工作范圍時，可將軌跡分解成單個的動作，由單個動作的行程確定沖壓機械手的最大行程。本沖壓機械手的動作范圍確定如下：
手腕回轉(zhuǎn)角度±115°
手臂伸長量150mm
手臂回轉(zhuǎn)角度±115°
手臂升降行程170mm
手臂水平運動行程100mm
2.1.3運動速度選定
液壓沖壓機械手的各運動速度如下：
手腕回轉(zhuǎn)速度 V腕回 = 40°/s
手臂伸縮速度 V臂伸 = 50 mm/s
手臂回轉(zhuǎn)速度 V臂回 = 40°/s
手臂升降速度 V臂升 = 50 mm/s
立柱水平運動速度 V柱移 = 50 mm/s
手指夾緊油缸的運動速度 V夾 = 50 mm/s
2.2液壓系統(tǒng)簡介
沖壓機械手的液壓傳動是以有壓力的油液作為傳遞動力的工作介質(zhì)。電動機帶動油泵輸出壓力油，是將電動機供給的機械能轉(zhuǎn)換成油液的壓力能。壓力油經(jīng)過管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置等進入油缸，推動活塞桿運動，從而使手臂作伸縮、升降等運動，將油液的壓力能又轉(zhuǎn)換成機械能。手臂在運動時所能克服的摩擦阻力大小，以及夾持式手部夾緊工件時所需保持的握力大小，均與油液的壓力和活塞的有效工作面積有關(guān)。手臂做各種運動的速度決定于流入密封油缸中油液容積的多少。這種借助于運動著的壓力油的容積變化來傳遞動力的液壓傳動稱為容積式液壓傳動，沖壓機械手的液壓傳動系統(tǒng)都屬于容積式液壓傳動。
5.2液壓系統(tǒng)的組成
液壓傳動系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：
① 油泵 它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動機輸出的機械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能，用這壓力油驅(qū)動整個液壓系統(tǒng)工作。
② 液動機 壓力油驅(qū)動運動部件對外工作部分。手臂做直線運動，液動機就是手臂伸縮油缸。也有回轉(zhuǎn)運動的液動機一般叫作油馬達，回轉(zhuǎn)角小于360°的液動機，一般叫作回轉(zhuǎn)油缸（或稱擺動油缸）。
③ 控制調(diào)節(jié)裝置 各種閥類，如單向閥、溢流閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、減壓閥、順序閥等，各起一定作用，使沖壓機械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所要求的運動。
第3章 液壓部分的設(shè)計
3.1控制回路的選擇
沖壓機械手的液壓系統(tǒng)，根據(jù)沖壓機械手自由度的多少，液壓系統(tǒng)可繁可簡，但是總不外乎由一些基本控制回路組成。這些基本控制回路具有各種功能，如工作壓力的調(diào)整、油泵的卸荷、運動的換向、工作速度的調(diào)節(jié)以及同步運動等。
3.1.1壓力控制回路
① 調(diào)壓回路 在采用定量泵的液壓系統(tǒng)中，為控制系統(tǒng)的最大工作壓力，一般都在油泵的出口附近設(shè)置溢流閥，用它來調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，并將多余的油液溢流回油箱。
② 卸荷回路 在沖壓機械手各油缸不工作時，油泵電機又不停止工作的情況下，為減少油泵的功率損耗，節(jié)省動力，降低系統(tǒng)的發(fā)熱，使油泵在低負荷下工作，所以采用卸荷回路。此沖壓機械手采用二位二通電磁閥控制溢流閥遙控口卸荷回路。
③ 減壓回路 為了是沖壓機械手的液壓系統(tǒng)局部壓力降低或穩(wěn)定，在要求減壓的支路前串聯(lián)一個減壓閥，以獲得比系統(tǒng)壓力更低的壓力。
④ 平衡與鎖緊回路 在機械液壓系統(tǒng)中，為防止垂直機構(gòu)因自重而任意下降，可采用平衡回路將垂直機構(gòu)的自重給以平衡。
為了使沖壓機械手手臂在移動過程中停止在任意位置上，并防止因外力作用而發(fā)生位移，可采用鎖緊回路，即將油缸的回油路關(guān)閉，使活塞停止運動并鎖緊。本沖壓機械手采用單向順序閥做平衡閥實現(xiàn)任意位置鎖緊的回路。
⑤ 油泵出口處接單向閥 在油泵出口處接單向閥。其作用有二：第一是保護油泵。液壓系統(tǒng)工作時，油泵向系統(tǒng)供應(yīng)高壓油液，以驅(qū)動油缸運動而做功。當一旦電機停止轉(zhuǎn)動，油泵不再向外供油，系統(tǒng)中原有的高壓油液具有一定能量，將迫使油泵反方向轉(zhuǎn)動，結(jié)果產(chǎn)生噪音，加速油泵的磨損。在油泵出油口處加設(shè)單向閥后，隔斷系統(tǒng)中高壓油液和油泵時間的聯(lián)系，從而起到保護油缸的作用。第二是防止空氣混入系統(tǒng)。在停機時，單向閥把系統(tǒng)能夠和油泵隔斷，防止系統(tǒng)的油液通過油泵流回油箱，避免空氣混入，以保證啟動時的平穩(wěn)性。
3.1.2速度控制回路
液壓沖壓機械手各種運動速度的控制，主要是改變進入油缸的流量Q。其控制方法有兩類：一類是采用定量泵，即利用調(diào)節(jié)節(jié)流閥的通流截面來改變進入油缸或油馬達的流量；另一類是采用變量泵，改變油泵的供油量。本沖壓機械手采用定量油泵節(jié)流調(diào)速回路。
根據(jù)各油泵的運動速度要求，可分別采用LI型單向節(jié)流閥、LCI型單向節(jié)流閥或QI型單向調(diào)速閥等進行調(diào)節(jié)。
節(jié)流調(diào)速閥的優(yōu)點是：簡單可靠、調(diào)速范圍較大、價格便宜。其缺點是：有壓力和流量損耗，在低速負荷傳動時效率低，發(fā)熱大。
采用節(jié)流閥進行節(jié)流調(diào)速時，負荷的變化會引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其原因是負荷變化會引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其原因是負荷變化會引起節(jié)流閥進出油口的壓差變化，因而使通過節(jié)流閥的流量以至油缸的速度變化。
調(diào)速閥能夠隨負荷的變化而自動調(diào)整和穩(wěn)定所通過的流量，使油缸的運動速度不受負荷變化的影響，對速度的平穩(wěn)性要求高的場合，宜用調(diào)速閥實現(xiàn)節(jié)流調(diào)速。
3.1.3方向控制回路
在沖壓機械手液壓系統(tǒng)中，為控制各油缸、馬達的運動方向和接通或關(guān)閉油路，通常采用二位二通、二位三通、二位四通電磁閥和電液動滑閥，由電控系統(tǒng)發(fā)出電信號，控制電磁鐵操縱閥芯換向，使油缸及油馬達的油路換向，實現(xiàn)直線往復(fù)運動和正反向轉(zhuǎn)動。
目前在液壓系統(tǒng)中使用的電磁閥，按其電源的不同，可分為交流電磁閥（D型）和直流電磁閥（E型）兩種。交流電磁閥的使用電壓一般為220V（也有380V或36V），直流電磁閥的使用電壓一般為24V（或110V）。這里采用交流電磁閥。交流電磁閥起動性能好，換向時間短，接線簡單，價廉，但是如吸不上時容易燒壞，可靠性差，換向時有沖擊，允許換向頻率底，壽命較短。
3.2液壓系統(tǒng)原理圖的擬定
液壓系統(tǒng)圖的繪制是設(shè)計液壓沖壓機械手的主要內(nèi)容之一。液壓系統(tǒng)圖是各種液壓元件為滿足沖壓機械手動作要求的有機聯(lián)系圖。它通常由一些典型的壓力控制、流量控制、方向控制回路加上一些專用回路所組成。
繪制液壓系統(tǒng)圖的一般順序是：先確定油缸和油泵，再布置中間的控制調(diào)節(jié)回路和相應(yīng)元件，以及其他輔助裝置，從而組成整個液壓系統(tǒng)，并用液壓系統(tǒng)圖形符號，畫出液壓原理圖。
3.2.1沖壓機械手的動作順序
本液壓傳動沖壓機械手主要是從一個地方拿到工件后，橫移一定的距離后把工件給立式精鍛機進行加工。它的動作順序是：待料（即起始位置。手指閉合，待夾料立放）→插定位銷→手臂前伸→手指張開→手指夾料→手臂上升→手臂縮回→立柱橫移 →手腕回轉(zhuǎn)115°→拔定位銷→手臂回轉(zhuǎn)115°→插定位銷→手臂前伸→手臂中停 （此時立式精鍛機的卡頭下降→卡頭夾料，大泵卸荷）→手指松開（此時精鍛機的卡頭夾著料上升）→手指閉合→手臂縮回→手臂下降→手腕反轉(zhuǎn) （手腕復(fù)位）→ 拔定位銷→手臂反轉(zhuǎn)（沖壓機械手復(fù)位）→立柱回移（回到起始位置）→待料（一個循環(huán)結(jié)束）卸荷。
上述動作均由電控系統(tǒng)發(fā)信控制相應(yīng)的電磁換向閥，按程序依次步進動作而實現(xiàn)的。該電控系統(tǒng)的步進控制環(huán)節(jié)采用步進選線器，其步進動作是在每一步動作完成后，使行程開關(guān)的觸點閉合或依據(jù)每一步動作的預(yù)設(shè)停留時間，使時間繼電器動作而發(fā)信，使步進器順序“跳步”控制電磁閥的電磁鐵線圈通斷電，使電磁鐵按程序動作（見電磁鐵動作程序表）實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的自動控制。
3.2.2沖壓機械手液壓系統(tǒng)原理圖
圖3-1液壓系統(tǒng)原理圖
3.3液壓缸的設(shè)計
計算的主要內(nèi)容是，根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)所要求的輸出力和運動速度，確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸和所需流量、確定液壓系統(tǒng)所需的油壓與總的流量，以選擇油泵的規(guī)格和選擇油泵電動機的功率。確定各個控制閥的通流量和壓力以及輔助裝置的某些參數(shù)等。
在本沖壓機械手中，用到的油缸有活塞式油缸（往復(fù)直線運動）和回轉(zhuǎn)式油缸（可以使輸出軸得到小于360°的往復(fù)回轉(zhuǎn)運動）及無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸）。
3.3.1手臂升降、伸縮缸，手指夾緊缸
圖3-2雙作用單桿活塞桿油缸計算簡圖
（1）流量、驅(qū)動力的計算
當壓力油輸入無桿腔，使活塞以速度V1運動時所需輸入油缸的流量Q1為
Q1 = DV1
對于手臂伸縮油缸：Q1=0.98cm/s， 對于手指夾緊油缸：Q1=1.02 cm/s ,對于手臂升降油缸：Q1=0.83 cm/s
油缸的無桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力P1即油缸的驅(qū)動力為：
P1 = Dp1
對于手臂伸縮油缸：p1=5978.3N， 對于手指夾緊油缸：p1=2996.1N ，對于手臂升降油缸：p1=3500N
當壓力油輸入有桿腔，使活塞以速度V2運動時所需輸入油缸的流量Q2為：
Q2 = （D-d）V2
對于手臂伸縮油缸：Q2=0.87cm/s， 對于手指夾緊油缸：Q2=0.96 cm/s ,對于手臂升降油缸：Q2=0.72 cm/s
油缸的有桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力P2即油缸的驅(qū)動力為：
P2 =（D-d）p1
對于手臂伸縮油缸：p1=172N， 對于手指夾緊油缸：p1=108N ，對于手臂升降油缸：p1=305N
（2）計算作用在活塞上的總機械載荷
沖壓機械手手臂移動時，作用在沖壓機械手活塞上的總機械載荷P為
P = P工 + P導(dǎo) + P封 + P慣 + P回
其中 P工 為工作阻力
P導(dǎo) 導(dǎo)向裝置處的摩擦阻力
P封 密封裝置處的摩擦阻力
P慣 慣性阻力
P回 背壓阻力
P = 83+125+66+80+208=562(N)
（3）確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸
①油缸內(nèi)徑的計算 油缸工作時，作用在活塞上的合成液壓力即驅(qū)動力與活塞桿上所受的總機械載荷平衡，即
P = P1（無桿腔） = P2 （有桿腔）
油缸（即活塞）的直徑可由下式計算
D = = 1.13 厘米 （無桿腔）
對于手臂伸縮油缸：D=50mm， 對于手指夾緊油缸：D=30mm ，對于手臂升降油缸：D=80mm ，對于立柱橫移油缸：D = 40mm
或D = 厘米 （有桿腔）
②油缸壁厚的計算：
依據(jù)材料力學(xué)薄壁筒公式，油缸的壁厚可用下式計算：
= 厘米
P計 為計算壓力
油缸材料的許用應(yīng)力。
對于手臂伸縮油缸： =6mm， 對于手指夾緊油缸： =17mm ，對于手臂升降油缸： =16mm , 對于立柱橫移油缸: =17mm
③活塞桿的計算
可按強度條件決定活塞直徑d ?；钊麠U工作時主要承受拉力或壓力，因此活塞桿的強度計算可近似的視為直桿拉、壓強度計算問題，即
= ≦
即 d ≧ 厘米
對于手臂伸縮油缸：d =30mm， 對于手指夾緊油缸：d =15mm ，對于手臂升降油缸：d=50mm , 對于立柱橫移油缸:d=16mm
3.3.2機械手回轉(zhuǎn)缸
圖3-3齒條活塞缸計算簡圖
① 流量、驅(qū)動力的計算
Q =
當D=103mm,d=40mm,=0.95 rad/s時
Q = 952N
② 作用在活塞上的總機械載荷P
P = P工 + P封 + P慣 + P回
其中 P工 為工作阻力
P封 密封裝置處的摩擦阻力
P慣 慣性阻力
P回 背壓阻力
P = 66+108+208=382（N）
③ 油缸內(nèi)徑的計算
根據(jù)作用在齒條活塞上的合成液壓力即驅(qū)動力與總機械載荷的平衡條件，求得
D =（厘米）
D = 45mm
3.3.3手腕回轉(zhuǎn)缸
在液壓沖壓機械手上實現(xiàn)手腕、手臂回轉(zhuǎn)運動的另一種常用機構(gòu)是單葉片回轉(zhuǎn)油缸，簡稱回轉(zhuǎn)油缸，其計算簡圖如下：
圖12回轉(zhuǎn)油缸計算簡圖
①流量、驅(qū)動力矩的計算
當壓力油輸入回轉(zhuǎn)油缸，使動片以角速度運動時，需要輸入回轉(zhuǎn)油缸的流量Q為：
Q =
當D=100mm,d=35mm,b=35mm, =0.95 rad/s時Q=0.02m/s
回轉(zhuǎn)油缸的進油腔壓力油液，作用在動片上的合成液壓力矩即驅(qū)動力矩M：
M =
得M = 0.8 (N·m)
② 作用在動片（即輸出軸）上的外載荷力矩 M
M = M工 +M封 + M慣 + M回
其中 M工 為工作阻力矩
M封 密封裝置處的摩擦阻力矩
M慣 參與回轉(zhuǎn)運動的零部件，在啟動時的慣性力矩
M回 回轉(zhuǎn)油缸回油腔的背反力矩
M = 2.3+0.85+1.22+1.08=5.45 (N·m)
③ 回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)徑的計算
回轉(zhuǎn)油缸的動片上受的合成液壓力矩與其上作用的外載荷力矩相平衡，可得：
D = （厘米）
D = 30mm
第4章 液壓泵站的設(shè)計
4.1液壓元件及介質(zhì)的選擇
4.1.1液壓泵
（1）確定液壓泵的最大工作壓力pp
????????? （4.1）
式中 p1——液壓缸或液壓馬達最大工作壓力為6MPa；
Σ△p——從液壓泵出口到液壓缸或液壓馬達入口之間總的管路損失。 Σ△p的準確計算要待元件選定并繪出管路圖時才能進行，初算時可按經(jīng)驗數(shù)據(jù)選取：管路簡單、流速不大的，取Σ△p=（0.2～0.5）MPa；管路復(fù)雜，進口有調(diào)閥的，取Σ△p=（0.5～1.5）MPa。選擇管路損失Σ△p=1MPa。則可得液壓泵的最大工作壓力:則Pp=5+1=6MPa
（2）確定液壓泵的流量QP??
（4.2）
式中 K——系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取K=1.1～1.3；
ΣQmax——同時動作的液壓缸或液壓馬達的最大總流量，可從（Q-t）圖上查得。對于在工作過程中用節(jié)流調(diào)速的系統(tǒng)，還須加上溢流閥的最小溢流量，一般取2-3L/min。由題知系統(tǒng)的最大工作流量為53L/min此處取K=1.2，則可預(yù)選液壓泵的流量:Qp=60L/min
（2）選擇液壓泵的規(guī)格
根據(jù)以上求得的pp和Qp值，按系統(tǒng)中擬定的液壓泵的形式，從產(chǎn)品樣本或本手冊中選擇相應(yīng)的液壓泵。為使液壓泵有一定的壓力儲備，所選泵的額定壓力一般要比最大工作壓力大25%～60%。根據(jù)以上壓力和流量的數(shù)值查閱產(chǎn)品樣本，最后選取雙聯(lián)葉片泵YB-35/18，其泵的流量為53L/min，額定壓力6MPa，額定轉(zhuǎn)速2700r/min。最高壓力30MP,最高轉(zhuǎn)速2500 r/min，額定功率7.5KW，重量15.5KG。
4.1.2液壓介質(zhì)的選擇
液壓介質(zhì)運動粘度，即液壓介質(zhì)的牌號的選擇：液壓系統(tǒng)的壓力不高，為低壓系統(tǒng)，并且液壓系統(tǒng)回路較為簡單。在液壓系統(tǒng)中，液壓泵的負荷最重，所以根據(jù)液壓泵來選擇液壓介質(zhì)的粘度，前面選用的是齒輪泵，根據(jù)《液壓設(shè)計與使用》，可以查到對于符合條件的液壓介質(zhì)在30-70℃時推薦為HL46，這種液壓油質(zhì)量比機械油高，用于中低壓或簡單機具的液壓系統(tǒng)，允許粘度范圍為16-850，其最佳粘度范圍為70-250。符合液壓站的要求。
4.1.3液壓閥類元件的選擇
閥的規(guī)格，根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和實際通過該閥的最大流量，選擇有定型產(chǎn)品的閥件。溢流閥按液壓泵的最大流量選?。贿x擇節(jié)流閥和調(diào)速閥時，要考慮最小穩(wěn)定流量應(yīng)滿足執(zhí)行機構(gòu)最低穩(wěn)定速度的要求?？刂崎y的流量一般要選得比實際通過的流量大一些，必要時也允許有20%以內(nèi)的短時間過流量。
（1）先導(dǎo)式溢流閥
溢流閥我們根據(jù)簡單實用的原則，選用先導(dǎo)式直動型溢流閥：靈敏度高，壓力溢流量的影響較小，適合在中高壓大流量下工作。根據(jù)我們確定的流量為240L/min，并且前面我們已經(jīng)確定了液壓回路采用板式連接，根據(jù)《機械設(shè)計手冊》我們選擇采用BG-10-V-32型，調(diào)壓范圍0.5-25MPa，最大流量400L/min，重量8.7Kg。
（2）壓力繼電器
壓力繼電器是利用液體的壓力信號來啟閉電氣觸點的液壓電氣轉(zhuǎn)換元件。它在油液壓力達到其設(shè)定壓力時，發(fā)出電信號，控制電氣元件動作，實現(xiàn)泵的加載或卸載、執(zhí)行元件的順序動作。本系統(tǒng)設(shè)定壓力為6MPa。查詢《機械設(shè)計手冊》第五版可知其型號為SG-02-C-20，最高使用壓力35MPa。
（3）三位四通電磁換向閥
電磁換向閥的主要作用是用于切換油路的走向。在液壓回路的設(shè)計中已經(jīng)確定了采用電液換向閥，根據(jù)《液壓元件與選用》選擇用3WE0—G24型電磁換向閥，其通徑為10mm，額定流量為120L/min，質(zhì)量為6kg，工作壓力為31.5MPa，可以采用多種直流的供電方式。為了結(jié)合我們選用無管集成的需求，我們選用板式連接。
（4）壓力表開關(guān)
壓力表開關(guān)的作用主要是為了當壓力表出現(xiàn)問題是截斷油路。根據(jù)《液壓設(shè)計手冊》選用KF-L8/E，公稱壓力為31.5MPa。
（5）壓力表
根據(jù)系統(tǒng)壓力6MPa，查詢《液壓元件與選用》選取型號為Y-60。
（6）調(diào)速閥
在工進是流量為110L/min。調(diào)速閥工作狀態(tài)是系統(tǒng)工進的時候。所以根據(jù)工進時流量和壓力，查詢《液壓元件與選用》選取型號2FRM1621/160L,通徑為16mm,最大流量為160L/min，工作壓力31.5MPa。
（7）二位二通電磁換向閥
換向閥的換向有壓力繼電器控制，在快進和快退的時候油路從這里通過。所以在快進是最大流量為200L/min，系統(tǒng)壓力最大為6MPa，查《機械設(shè)計手冊》第四版，選擇型號3WE10-20/W220-50，通徑為10mm，額定壓力31.5MPa，額定流量為120L/min。
（8）單向閥
單向閥我們根據(jù)簡單實用的原則，選擇板式連接，選用S型單向閥，根據(jù)確定的油路流量為200L/min，查詢《液壓元件與選用》，我們發(fā)現(xiàn)當通徑為10mm時，流量為260L/min，額定壓力31.5MPa。我們選擇開啟壓力為0.3MPa的S10P3A0型。
所有元件具體規(guī)格型號及規(guī)格如表2-1。
表4-1
序號
名稱
型號
件數(shù)
規(guī)格
生產(chǎn)廠家
額定壓降MPa
1
先導(dǎo)式溢流閥
BG-06- C -32
1
調(diào)壓范圍0-25MPa
榆次油研液壓公司
——
2
壓力繼電器
SG-02-C-20
1
壓力35MPa
華德液壓廠
——
3
三位四通電磁換向閥
3WE0—G24
1
31.5MPa，120L/min
北京液壓廠
〈0.5
4
壓力表開關(guān)
KF-L8/E
1
31.5MPa
北京液壓廠
——
5
壓力表
Y-60
1
華德液壓廠
〈0.2
6
調(diào)速閥
2FRM1621/
160L
1
31.5MPa,-160L/min
華德液壓廠
〈0.5
7
二位二通電磁換向閥
3WE10-20/W220-50
1
31.5MPa,
120L/min
北京液壓廠
〈0.5
8
單向閥
S10P3A0
1
35.1MPa，260L/min
華德液壓廠
——
4.1.4油箱的設(shè)計
油箱的有效容積（油面高度為油箱高度的80%時的容積）根據(jù)液壓系統(tǒng)發(fā)熱，散熱平衡計算。但是對于液壓站來說，根據(jù)液壓泵的最大流量為53L/min，油箱容量的經(jīng)驗公式為
?????????? (4.3)
式中 QV——液壓泵每分鐘排出壓力油的容積（m3）；
?? α——經(jīng)驗系數(shù)，見表2-2。
表4-2經(jīng)驗系數(shù)α
系統(tǒng)類型
行走機構(gòu)
低壓系統(tǒng)
中壓系統(tǒng)
鍛壓機械
冶金機械
α
1～2
2～4
5～7
6～12
10
由前面可知壓力為6MPa，系統(tǒng)為中低壓，取。初步確定油箱容量為：
根據(jù)《液壓站的設(shè)計與使用》可以取油箱容量為250L最為接近，長寬高分別為400mm、250mm、250mm，油箱至少厚度3mm。根據(jù)以往設(shè)計的經(jīng)驗可知箱底厚度應(yīng)大于箱壁厚度，取其厚度為6mm，箱蓋厚度應(yīng)比箱壁厚度和箱底厚度大，選取箱蓋厚度為9mm。為了便于放油和搬運，應(yīng)該把油箱升起來，油箱底離地50mm 。并且設(shè)有支架，油箱是用鋼板焊接成的，而支架是通過單獨制作的焊接在油箱的箱底邊緣。支架上設(shè)置有4×φ14的螺栓固定在底板上。
4.1.5液壓集成閥塊設(shè)計
（1）控制閥的布置
液壓站的控制回路較為簡單，根據(jù)擬定的系統(tǒng)原理圖來布置液壓閥，為了保證用最短的回路連接各個液壓閥，減少沿程壓力損失，需要把相關(guān)的液壓閥都布置在一起。具體的液壓閥型號在前面的液壓閥的選擇中可以知道。
（2）孔徑的確定
液壓回路孔道的尺寸，根據(jù)前面選擇確定的液壓閥的型號。查閱《機械設(shè)計手冊》，可以得到其外形尺寸，根據(jù)其通徑尺寸確定與之對應(yīng)的油路板上的尺寸。
（3）油路板的安裝形式
油路板的安裝有整體式，支架式盒框架式三種，但是三種情況都不太適合這種情況，雖然采用L型安裝剛度好，但是會增加很多空間。結(jié)合情況，油路板尺寸比較小，油箱頂部平面很大。采用平板式安裝，把油路板平鋪在油箱頂面，完全是可以的，并且不用鑄造成L型這樣麻煩。
此外，油路板的外接油口都采用螺紋連接管件。
4.2其它輔助液壓裝置的設(shè)計選擇
4.2.1過濾器的選擇
根據(jù)題目要求和系統(tǒng)性能的考慮，選擇將過濾器置于液壓泵吸油管路上油，并查詢《機械設(shè)計手冊》第四卷，選取型號為ZU-H25010FS，流量為250L/min，額定壓力32MPa，過濾精度10μm，壓差指示器工作差0.35MPa，初始壓力降0.15MPa。
4.2.2管道和管接頭的選擇
（1）管道內(nèi)徑計算
（4.4）
式中:d—管道內(nèi)徑（mm）；
q—通過管道內(nèi)的流量（m3/s）；
υ—管內(nèi)允許流速（m/s），見表4-3。
計算出內(nèi)徑d后，按標準系列選取相應(yīng)的管子。分別取吸油、壓油、回油管路的液壓油流速分別如下：
（2.5）
（a）對于液壓泵壓油管這段取流量為53L/min ，壓力為6MPa；
（b）分支到各條液壓支路的壓油管取流量為30L/min 壓力為6MPa。
（c）回油管選取流量為53L/min 壓力為6MPa。
經(jīng)計算可得：吸油路、壓油路、回油路管路的內(nèi)徑分別為：0.053 m、0.022m、0.053m。并采用無縫鋼管進行管路的連接。
表4-3允許流速推薦值
管道
推薦流速（m/s）
液壓泵吸油管
0.5～1.5，一般常取1以下
液壓系統(tǒng)壓油管
3～6，壓力高，管道短，粘度小取大值
液壓系統(tǒng)回油管
1.5～2.6
（2）管道壁厚δ的計算
根據(jù)系統(tǒng)壓力和流量采用無縫鋼管，選擇相應(yīng)滿足要求的鋼管厚
（2.6）
式中 ——管壁厚度（m）；
p——管道內(nèi)最高工作壓力（Pa）；
???d——管道內(nèi)徑（m）；
——材料許用拉應(yīng)力，其值；
?? σb——管道材料的抗拉強度（Pa）；
?? n——安全系數(shù)，對鋼管來說，p＜7MPa時，取n=8；p＜17.5MPa時，取n=6；p＞17.5MPa時，取n=4。
據(jù)《機械設(shè)計手冊》表選擇管的標準外徑和內(nèi)徑。吸油路管路內(nèi)徑和外徑為40mm、50mm，壓油路管路內(nèi)徑和外徑為20mm、28mm，回油路管管路內(nèi)徑和外徑為40mm、50mm。對于液壓泵站采用無縫鋼管，可以采用多種接頭形式，有焊接式管接頭，擴口密封管接頭，卡套式管接頭。焊接式管接頭式最常用的，它采用接管焊接油管，焊接工作很大，需要酸洗，耐振性很好。擴口密封接頭，需要對油管進行擴口處理，耐振性很差并且只能用于管徑小于34mm 的系統(tǒng)。卡套式連接裝配比較方便，但是對油管的要求很高。綜合比較，我們發(fā)現(xiàn)采用焊接式管接頭比較符合我們的要求，但是也有很多不足，接頭型號也不是很全面，需要考慮專門設(shè)計接頭，采用螺紋密封和連接。
4.2.3空氣濾清器的選擇
空氣濾清器主要是保持液壓油箱油液的純潔度，以免灰塵進入。查《機械設(shè)計手冊》選用型號為Y200L1-6。
4.2.4液位計的選擇
液位計一般設(shè)置在油箱側(cè)壁上，以指示油箱中的液面位置。通常油箱上還應(yīng)該設(shè)置溫度計，以檢測其油溫，為了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，選取帶溫度計的液位指示器。所以，查《機械設(shè)計手冊》選取型號AF3-Ea20B。
4.3動力系統(tǒng)的設(shè)計
4.3.1電動機的選擇
在前面已經(jīng)確定了液壓泵的型號雙聯(lián)葉片泵YB-35/18，驅(qū)動功率為7.5KW,液壓泵工作壓力為6MPa，流量53L/min,根據(jù)表2-4取泵的總效率，則液壓泵驅(qū)動電動機所需的功率為。
表4-4液壓泵的總效率
液壓泵類型
齒輪泵
螺桿泵
葉片泵
柱塞泵
總效率
0.6～0.7
0.65～0.80
0.60～0.75
0.80～0.85
查閱《機械設(shè)計手冊》取Y160M-2三相異步電動機。額定功率為7.5KW,同步轉(zhuǎn)速2970r/min，為91.5%。
4.3.2聯(lián)軸器的選擇
電機與液壓泵的傳動一般有帶傳動或者聯(lián)軸器連接兩軸，一般聯(lián)軸器是兩軸轉(zhuǎn)速相同，要求結(jié)構(gòu)緊湊的場合。帶傳動是用于中心距離比較大，傳動比不為1不能采用聯(lián)軸器直接連接的傳動。根據(jù)《機械設(shè)計手冊》可以知道電動機機的轉(zhuǎn)速為，液壓泵的額定轉(zhuǎn)速為 ,最高轉(zhuǎn)速為2500r/min ,可以知道柴油機的轉(zhuǎn)速滿足液壓泵的轉(zhuǎn)速范圍，并且液壓泵站要求結(jié)構(gòu)緊湊，液壓泵要求上置，所以可以確定采用聯(lián)軸器傳動。
下面進行聯(lián)軸器的選擇：
根據(jù)公式： （4.7）
其中P為電動機的輸出功率，T 為輸出軸的轉(zhuǎn)矩，n為額定轉(zhuǎn)速，效率，由此可以計算出公稱轉(zhuǎn)矩T＝N.mm。查《機械設(shè)計》第八版的工作系數(shù)，計算轉(zhuǎn)矩。為了減小啟動載荷，緩和沖擊，并且柴油機和齒輪泵安裝在同一個機架上，沒有較大的曲線偏移補償，所以應(yīng)該采用彈性聯(lián)軸器，一般我們采用彈性柱銷聯(lián)軸器。。型號的選擇需要根據(jù)柴油機輸出軸的直徑才可以確定。通過查詢電機轉(zhuǎn)軸直徑為55mm。查GB/T4323-1984選擇LT型。
4.4 液壓系統(tǒng)性能校核
4.4.1液壓系統(tǒng)壓力損失
壓力損失包括管路的沿程損失，管路的局部壓力損失和閥類元件的局部損失，總的壓力損失為:
(4.8)
（1）沿程壓力損失
沿程壓力損失，主要是快速注射時進油管路的壓力損失。此管路假設(shè)最長為2m，管內(nèi)經(jīng)40mm，快進是流量80L/min，選用L-HL46號油正常運轉(zhuǎn)后油的運動粘度，油的密度。查《機械設(shè)計手冊》知在管路中的實際流速為：
（4.9）
代入相關(guān)數(shù)據(jù)：
（4.10）
代入數(shù)據(jù)：
查《液壓傳動》可知，時油在管路中呈層流狀態(tài)，其沿程阻力系數(shù)為：
（4.11）
按如下公式求得壓力損失：
（4.12）
代入相關(guān)數(shù)據(jù)：
可見，沿程壓力損失的大小與流量成正比，這是有層流所決定的。
（2）局部壓力損失
當流體經(jīng)過局部裝置（如彎頭、閥等）時，其流速的大小、方向都發(fā)生變化。在此局部流速重新分布，形成漩渦產(chǎn)生能量損失。即局部損失：
(4.13)
式中：—局部壓力損失因數(shù)，平均取1，初取10。
則：。
（3）閥類零件壓力損失
閥類元件的局部壓力損失，即進油油路上的損失：
（4.14）
式中：—換向閥閥壓差（Pa）；=0.3MPa；
—通過閥的實際流量（）；
—閥的額定流量（）；
則：。
(4.15)
n取2，因為在進油口共有3個閥，則。
總的系統(tǒng)壓力損失為：
=0.008+0.02+1.38=1.408MP （4.16）
因為1.408MPa<1.41MP系統(tǒng)按照初選值來計算符合驗算情況，設(shè)計方案較為合理。
4.4.2系統(tǒng)發(fā)熱計算
系統(tǒng)的發(fā)熱功率：
（4.17）
式中：—液壓泵的總輸入功率；
—液壓系統(tǒng)的總效率。
由前述計算，液壓泵的輸入功率為12.9KW。
則：。
液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量，主要由油箱的散熱面進行散熱。由于管道散熱面相對較小，且與自身由于壓力損失產(chǎn)生的熱量平衡，故忽略不計，只計算油箱的散熱，其散熱功率可按下式計算：
（4.18）
式中：—油箱的散熱系數(shù)，通風(fēng)條件良好取17（）;
A—郵箱的散熱面積；
—系統(tǒng)中油液的溫度，即油溫允許40—70，系統(tǒng)正常取=60;
—環(huán)境溫度取20。
表4-5油箱散熱系數(shù)K1（W/（m2·℃））
冷卻條件
K1
通風(fēng)條件很差
8～9
通風(fēng)條件良好
15～17
用風(fēng)扇冷卻
23
循環(huán)水強制冷卻
110～170
表4-6各種機械允許油溫（℃）
液壓設(shè)備類型
正常工作溫度
最高允許溫度
數(shù)控機床
30～50
55～70
一般機床
30～55
55～70
機車車輛
40～60
70～80
船舶
30～60
80～90
冶金機械、液壓機
40～70
60～90
工程機械、礦山機械
50～80
70～90
則：;。一般工作機械允許溫升為，結(jié)果符合液壓系統(tǒng)的允許溫升。不需要加冷卻裝置。
第5章 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計
5.1液壓系統(tǒng)的特點分析
沖壓機械手液壓系統(tǒng)圖如圖5-1所示。各執(zhí)行機構(gòu)的動作均由電控系統(tǒng)發(fā)信號控制相應(yīng)的電磁換向閥，按程序依次步進動作。電磁鐵動作順序見表5-1。
圖5-1沖壓機械手液壓系統(tǒng)
該液壓系統(tǒng)的特點歸納如下：
1）系統(tǒng)采用了雙聯(lián)泵供油，額定壓力為6MPa，手臂升降及伸縮時由兩個泵同時供油，流量為（35+18）L/min，手臂及手腕回轉(zhuǎn)，手指松緊及定位缸工作時，只由小流量泵2供油，大流量泵1自動卸載。由于定位缸和控制油路所需壓力較低，在定位缸去路上串聯(lián)有減壓閥8，使之獲得穩(wěn)定的1.5～1.8MPa壓力。
2）手臂的伸縮和升降采用單桿雙作用液壓缸驅(qū)動，手臂的伸出和升降速度分別由單向調(diào)整閥15、13和11實現(xiàn)回油節(jié)流調(diào)速；手臂及手腕的回轉(zhuǎn)由擺動液壓缸驅(qū)動，其正反向運動亦采用單向調(diào)速閥17和18、23和24回油節(jié)流調(diào)速。
3）執(zhí)行機構(gòu)的定位和緩沖是沖壓機械手工作平穩(wěn)可靠的關(guān)鍵。從提高生產(chǎn)率來說，希望沖壓機械手正常工作速度越快越好，但工作速度越高，啟動和停止時的慣性力就越大，振動和沖擊就越大，這不僅會影響到?jīng)_壓機械手的定位精度，嚴重時還會損傷機件。因此為達到?jīng)_壓機械手的定位精度和運動平穩(wěn)性的要求，一般在定位前要采取緩沖措施。
該沖壓機械手手臂伸出、手腕回轉(zhuǎn)由死擋鐵定位保證精度，端點到達前發(fā)信號切斷油路，滑行緩沖；手臂縮回和手臂上升由行程開關(guān)適時發(fā)信號，提前切斷油路滑行緩沖并定位。此外，手臂伸縮缸和升降缸采用了電液換向閥換向，調(diào)節(jié)換向時間，亦增加緩沖效果。由于手臂的回轉(zhuǎn)部分質(zhì)量圈套，轉(zhuǎn)速較高，運動慣性矩圈套，系統(tǒng)的手臂回轉(zhuǎn)缸除采用單向調(diào)速閥回油節(jié)流調(diào)速外，還在回油路上安裝有行程和節(jié)流閥19進行減速緩沖，最后由定位缸插銷定位，滿足定位精度要求。
4）為使手指夾緊缸夾緊工件后不受系統(tǒng)壓力波動的影響，保證牢固地夾緊工件，采用了液控單向閥21的鎖緊回路。
5）手臂升降缸為立式液壓缸，為支承平衡手臂運動部件的自重，采用了單向順序閥12的平衡回路。
沖壓機械手液壓系統(tǒng)電磁鐵、壓力繼電器動作順序表如表1所示。
表5-1沖壓機械手液壓系統(tǒng)電磁鐵、壓力繼電器動作順序表
動作順序
1Y
2Y
3Y
4Y
5Y
6Y
7Y
8Y
9Y
10Y
11Y
12Y
K26
插銷定位
+
+
-
+
手臂前伸
+
+
+
手指張開
+
+
+
+
手指抓料
+
+
+
手臂上升
+
+
+
手臂縮回
+
+
+
手腕回轉(zhuǎn)
+
+
+
+
拔定位銷
+
手臂回轉(zhuǎn)
+
+
插定位銷
+
+
-
+
手臂前伸
+
+
+
手臂中停
+
+
手指張開
+
+
+
+
手指閉合
+
+
+
手臂縮回
+
+
+
手臂下降
+
+
+
手腕反轉(zhuǎn)
+
+
+
+
拔定位銷
+
手臂反轉(zhuǎn)
+
+
待料卸載
+
+
5.2繼電器--接觸器控制線路設(shè)計
對于線路的設(shè)計我們采用的是邏輯設(shè)計法，根據(jù)沖壓機械手液壓系統(tǒng)圖和沖壓機械手的動作要求，我作出了其繼電器電氣原理圖，見圖5-2。這里我們對其繼電器電氣原理圖進行說明。
圖5-2繼電器電氣原理圖
圖中SB2實現(xiàn)開機功能，按下SB2能KM線圈得電，啟動電動機，為下面的順序動作做準備。
當要進行順序動作時，繼電器工作順序如下 ：
（1）插定位銷
按下SB3，中間繼電器K1線圈得電并自鎖；1Y，12Y，K26得電，沖壓機械手的定位缸右移，到達極限位置時，插上定位銷。
（2）手臂前伸
當定位缸到達極限位置時，同時會觸動行程開關(guān)ST1，中間繼電器K2得電并自鎖，中間繼電器K2的輔助動斷點斷開，1Y失電，同時5Y得電，手臂伸縮缸開始前伸，實現(xiàn)手臂前能。
（3）手指張開
當手臂伸縮缸伸到一定位置時觸動行程開關(guān)ST2，中間繼電器K3得電并自鎖，中間繼電器K3的輔助動斷點斷開，5Y失電；同時9Y得電，手指夾緊缸向右滑動，實現(xiàn)手指張開功能。
（4）手指抓料
當手指夾緊缸向右滑動到一定位置時觸動行程開關(guān)ST3，中間繼電器K4得電并自鎖，中間繼電器K4的輔助動斷點斷開，9Y失電；手指夾緊缸向左滑動，從而實現(xiàn)手指抓料功能。
（5）手臂上升
當手指夾緊缸向左滑動到一定位置時觸動行程開關(guān)ST4，中間繼電器K5得電并自鎖，中間繼電器K5的輔助動斷點斷開，1Y失電；同時3Y得電，手臂升降缸開始上升，從而實現(xiàn)手臂上升功能。
（6）手臂縮回
當手臂升降缸上升到一定位置時觸動行程開關(guān)ST5，中間繼電器K6得電并自鎖，中間繼電器K6的輔助動斷點斷開，3Y失電；同時6Y得電，手臂伸縮缸開始向右滑動，從而實現(xiàn)手臂縮回功能
（7）手腕回轉(zhuǎn)
當手臂伸縮缸向右縮到一定位置時觸動行程開關(guān)ST6，中間繼電器K7得電并自鎖，中間繼電器K7的輔助動斷點斷開，6Y失電；同時10Y得電，手腕回轉(zhuǎn)缸開始轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)功能
（8）拔定位銷
當手腕回轉(zhuǎn)缸轉(zhuǎn)動到一定位置時觸動行程開關(guān)ST7，中間繼電器K8得電并自鎖，中間繼電器K8的輔助動斷點斷開，12Y失電，K26失電，10Y失電；拔出定位銷。
（9）手臂回轉(zhuǎn)
當定位缸向左滑動到一定位置時會觸動行程開關(guān)ST8，電磁閥7Y得電并自鎖，手臂回轉(zhuǎn)缸開始轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)功能。
（10）插定位銷
當手臂回轉(zhuǎn)缸轉(zhuǎn)動到一定位置時會觸動行程開關(guān)ST9，中間繼電器K10得電并自鎖，其輔助動斷點斷開，7Y失電；中間繼電器K9得電，其輔助動合點關(guān)閉，12Y得電，K26得電，沖壓機械手的定位缸右移，觸動行程開關(guān)ST11時，插上定位銷。
（11）手臂前伸
當定位缸觸動行程開關(guān)ST10，中間繼電器K13得電并自鎖，中間繼電器K11得電，其動合觸點關(guān)閉，5Y得電；中間繼電器K12得電，其動斷觸點斷開，1Y失電；手臂伸縮缸開始前伸，實現(xiàn)手臂前伸功能。
（12）手臂中停
當手臂伸縮缸觸動行程開關(guān)ST11，中間