陳國(guó)君，陳 云，陳 鵬

(1.東北電力大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；北華大學(xué) 汽車與建筑工程學(xué)院，吉林 吉林132012；3.吉雅教育培訓(xùn)學(xué)校，吉林 吉林 132012)

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基于液壓傳動(dòng)技術(shù)的機(jī)器手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳國(guó)君1，陳 云2，陳 鵬3

(1.東北電力大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；北華大學(xué) 汽車與建筑工程學(xué)院，吉林 吉林132012；3.吉雅教育培訓(xùn)學(xué)校，吉林 吉林 132012)

為了提高機(jī)器手的抓舉能力，基于液壓傳動(dòng)技術(shù)確定了液壓工作時(shí)的流量，合理選擇了液壓元件，從而設(shè)計(jì)了機(jī)器手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器手的抓舉能力提高，結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作平穩(wěn)、耐沖擊、耐振動(dòng)、防爆性好。

機(jī)器手；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；液壓傳動(dòng)技術(shù)

機(jī)器手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。機(jī)器手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門(mén)跨學(xué)科綜合技術(shù)。機(jī)器手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定的程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。機(jī)器手一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助裝置組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作要由傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。常用機(jī)器手傳動(dòng)系統(tǒng)分為機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電力傳動(dòng)等幾種形式。液壓傳動(dòng)機(jī)器手是以壓縮液體的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器手，其主要特點(diǎn)是：介質(zhì)源極為方便，輸出力小，液壓動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。本文基于液壓技術(shù)確定液壓工作時(shí)的流量，合理選擇液壓元件，從而設(shè)計(jì)了機(jī)器手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

1 液壓缸或液壓馬達(dá)所需流量的確定

液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能且作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)(或擺動(dòng)運(yùn)動(dòng))的液壓執(zhí)行元件。它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠。用它來(lái)實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可免去減速裝置，并且沒(méi)有傳動(dòng)間隙，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，在各種機(jī)械的液壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。常用液壓缸的結(jié)構(gòu)有多種：按運(yùn)動(dòng)方式可分為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)式和回轉(zhuǎn)擺動(dòng)式；按結(jié)構(gòu)形式可分為活塞式、柱塞式、多級(jí)伸縮套筒式，齒輪齒條式等；按受液壓力作用情況可分為單作用式、雙作用式；按安裝形式可分為拉桿、耳環(huán)、底腳、鉸軸等；按壓力等級(jí)可分為16 MPa、25 MPa、31.5 MPa等。

1.1 活塞式液壓缸的工作原理

本文采用的是活塞式液壓缸，它可分為單桿式和雙桿式兩種結(jié)構(gòu)，其固定方式由缸體固定和活塞桿固定兩種，按液壓力的作用情況有單作用式和雙作用式。在單作用式液壓缸中，壓力油只供液壓缸的一腔，靠液壓力使缸實(shí)現(xiàn)單方向運(yùn)動(dòng)，反方向運(yùn)動(dòng)則靠外力(如彈簧、自重或外部載荷等)來(lái)實(shí)現(xiàn)；而雙作用液壓缸活塞兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)則通過(guò)兩腔交替進(jìn)油，靠液壓力的作用來(lái)完成。單桿雙作用活塞式液壓缸示意圖，如圖1所示。它只在活塞的一側(cè)設(shè)有活塞桿，因而兩腔的有效作用面積不同。在供油量相同時(shí)，不同腔進(jìn)油，活塞的運(yùn)動(dòng)速度不同；在需克服的負(fù)載力相同時(shí)，不同腔進(jìn)油，所需要的供油壓力不同，或者說(shuō)在系統(tǒng)壓力調(diào)定后，環(huán)衛(wèi)垃圾車液壓缸兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)所能克服的負(fù)載力不同。

圖1 單桿雙作用活塞式液壓缸

1.2 液壓缸工作時(shí)流量的確定

液壓缸工作時(shí)，所需流量

qV=A·v ，

(1)

式中： A為液壓缸有效作用面積，m2；v為活塞與缸體的相對(duì)速度，m/s。

(1) 無(wú)桿活塞桿有效作用面積

(2)

式中:D為油缸內(nèi)徑，mm。

表1 各活塞的有效面積

(2) 有桿活塞桿有效作用面積

(3)

式中:d為活塞桿直徑，mm。

經(jīng)過(guò)計(jì)算可得各活塞的有效面積如表1所示，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得各液壓缸流量如表2所示。

表2 各液壓缸流量

查表得YMD30擺角90°，流量(內(nèi)泄漏量)為300 mL/min；YMD300擺角270°，流量(內(nèi)泄漏量)為470 mL/min[1-4]。

2 液壓元件的選擇

2.1 液壓泵的選擇

油泵作為液壓系統(tǒng)的動(dòng)力元件，是液壓系統(tǒng)的心臟，它把原動(dòng)機(jī)(電動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)等)輸入的機(jī)械能(轉(zhuǎn)矩和角速度)轉(zhuǎn)換為液壓能(壓力和流量)輸出，為執(zhí)行元件提供壓力油。液壓泵的性能好壞直接影響到液壓系統(tǒng)的工作特性和可靠性，在液壓傳動(dòng)中占有及其重要的地位。液壓泵按排量能否改變分為定量泵和變量泵；按進(jìn)、出油口的方向是否可變分為單向泵和雙向泵；按運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的形狀和運(yùn)動(dòng)方式分為齒輪泵、葉片泵、柱塞泵、螺桿泵[5-7]。

目前在機(jī)械手上多數(shù)采用齒輪泵和葉片泵，而從流量特性來(lái)看，多數(shù)是采用定量泵。設(shè)計(jì)中采用PV2R雙聯(lián)葉片泵，已知系統(tǒng)壓力為8 MPa，選取PV2R12，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表20-5-33選取其前泵排量V1為33 mL/r，后泵排量V2為12 mL/r，其允許最高轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，最低轉(zhuǎn)速為750 r/min[8-10]。該泵使用普通液壓油時(shí)，前泵的最高使用壓力為14 MPa，后泵為16 MPa，滿足系統(tǒng)要求的8 MPa。

前泵的流量

q=V·n ，

(4)

式中： V為泵的排量，mL/r；n為泵的額定轉(zhuǎn)速，r/min。

qmax=33×1 800=59.4 L/min，

qmin=33×750=24.75 L/min .

后泵的流量

q=V·n ，

(5)

式中： V為泵的排量，mL/r；n為泵的額定轉(zhuǎn)速，r/min。

qmax=12×1800=21.6L/min，

qmin=12×750=9L/min .

2.2 液壓泵所需電機(jī)功率的確定

N=P·qmax/η ，

(6)

式中： N為油泵所需要的電動(dòng)機(jī)功率；P為油泵的最大工作壓力，Pa；qmax為油泵最大流量，m3/s；η為油泵總效率，一般葉片泵η=0.75～0.85；齒輪泵η=0.6～0.8；柱塞泵η=0.75～0.9。

前泵所需電機(jī)功率

后泵所需電機(jī)功率

2.3 液壓閥的選擇

液壓閥的作用是控制液壓系統(tǒng)的油流方向、壓力和流量，從而控制整個(gè)液壓系統(tǒng)的全部功能，如系統(tǒng)的工作壓力，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作程序，工作部件的運(yùn)動(dòng)速度、方向，以及變換頻率、輸出力或力矩等等。液壓閥的性能是否可靠，是關(guān)系到整個(gè)液壓系統(tǒng)能否正常工作的問(wèn)題。

液壓閥的分類有：(1)壓力控制閥：主要控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力或輸出轉(zhuǎn)矩的大小，并確定液壓泵及整個(gè)液壓系統(tǒng)的工作負(fù)載，在過(guò)載時(shí)起到保護(hù)系統(tǒng)的作用；(2)流量控制閥：根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度的要求供給所需流量；(3)方向控制閥:控制油流的通、切斷或改變油流的方向，以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向等。三類閥還可以相互組合，成為復(fù)合閥，以減少管路的連接，使結(jié)構(gòu)更為緊湊，提高系統(tǒng)效率。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，選擇合適的液壓閥，是使系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，性能優(yōu)良，安裝簡(jiǎn)便，維修容易，并保證該系統(tǒng)正常工作的重要條件。

根據(jù)本文液壓的設(shè)計(jì)要求，液壓閥的選擇按額定壓力和額定流量大于系統(tǒng)最高工作壓力和通過(guò)該閥的最大流量的原則。選擇換向回路的核心是選擇換向閥的形式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)于換向精度及換向平穩(wěn)性的要求。一般來(lái)說(shuō)，換向性能要求高，應(yīng)選用機(jī)動(dòng)換向閥或液動(dòng)換向閥，若對(duì)于換向性能無(wú)特別要求，應(yīng)選用電磁閥。根據(jù)本文設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)要求，夾緊缸換向選用兩位兩通電磁閥，其他缸全部選用三位四通電磁換向閥。

為防止俯仰缸因自重自由下滑和伸縮缸在仰起一定角度后的自由下滑，本文采用單向順序閥來(lái)平橫。為保證夾緊缸夾持工件的可靠性，選用液控單向閥保壓和鎖緊。手臂升降缸為立式液壓缸，為支承平衡手臂運(yùn)動(dòng)部件的自重，采用了單向順序閥的平衡回路。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的液壓式機(jī)器手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有很大的抓舉能力(高達(dá)幾百千克以上)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作平穩(wěn)、耐沖擊、耐振動(dòng)、防爆型好，但液壓元件要求有較高的制造精度和密封性能，否則漏油將污染環(huán)境。

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Drive System Design Of Mechanical Hand Based On Hydraulic Drive

CHEN Guo-jun1，CHEN Yun2，CHEN Peng3

(1.School of Mechanical Engineering，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.School of Automobile and Architecture Engineering，Beihua University，Jilin Jilin 132012；3.Jiya Education Training School，Jilin Jilin 132012)

In order to improve the capability of catch，the paper gets the fluid flow during hydraulic drive working based on hydraulic drive technology，choices reasonably hydraulic components and designs drive system of mechanical hand.The experiments show that the capability of catch can be improved up.Its structure is close，stable，impact-jresistance，vibration-jresistance and explosion-proof.

Mechanical hand；Drive system design；Hydraulic drive technology

2016-05-18

陳國(guó)君(1958-)，男，吉林省吉林市人，東北電力大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)員，主要研究方向：液壓與氣壓技術(shù).

1005-2992(2016)05-0039-04

TH122

A