自动化机械手液压系统设计

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数控精密中小孔珩磨机液压系统设计

摘 要

本次设计的液压系统包含机械手液压系统和夹具液压系统。其中液压传动机械手根据规定的动作顺序，综合运用所学的基本理论、基本知识和相关的机械设计专业知识，完成对机械手的设计，并绘制必要装配图、液压系统图。机械手的机械结构采用油缸、导向筒等机械器件组成；在液压传动机构中，机械手的手臂伸缩采用伸缩油缸，立柱的转动采用伸缩油缸，机械手的升降采用升降油缸，立柱的横移采用横向移动油缸。在PLC控制回路中，当按下连续启动后，PLC按指定的程序，通过控制电磁阀的开关来控制机械手进行相应的动作循环，当按下连续停止按钮后，机械手在完成一个动作循环后停止运动。夹具采用横向移动油缸，在PLC控制下配合机械手运动，完成工件的加紧与松放。

关键词 机械手；夹具；液压；控制回路

I

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Hydraulic system design for CNC precision honing

machine

Abstract

The design of the hydraulic system contains hydraulic system of manipulator and clamp hydraulic system. The hydraulic drive manipulator according to the provisions of the action sequence, the basic theory, comprehensive use of the basic knowledge of mechanical design and related professional knowledge, to complete the design of manipulator, and draw the necessary assembly drawing, hydraulic system diagram. The mechanical structure of the manipulator using the cylinder, cylinder and other mechanical components; in the hydraulic transmission mechanism, a telescopic arm manipulator with telescopic cylinder, column is rotated in a telescopic cylinder, lifting manipulator with lifting cylinder, vertical traverse the transverse moving oil cylinder. In the PLC control loop, when pressed for startup, PLC according to the specified procedure, to control the manipulator by controlling the switch of the electromagnetic valve for the corresponding action cycle, when you press the stop button after continuous, mechanical hand in a cycle of operation is completed after the cessation of movement.Fixture with transverse moving oil cylinder, with the mechanical hand movement under the control of the PLC, the completion of workpiece stepping up and release.

Key words mechanical hand ;fixture;hydraulic pressure;control loop

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目 录

第一章 绪论 ............................................................................................................................................. 1

1.1 液压技术发展趋势 ..................................................................................................................... 1

1.2 国内外对液压产品技术的提高 ................................................................................................. 3 1.3 课题研究的对象和研究方法 ..................................................................................................... 4 第二章 拟定液压系统原理图 .................................................................................................................. 5 2.1 液压系统原理图......................................................................................................................... 5

2.2 液压系统特点分析 ..................................................................................................................... 6 2.3 液压系统电磁铁动作顺序表 ..................................................................................................... 7 2.4 液压系统工作原理 ..................................................................................................................... 8 第三章 计算和选择液压元件 ................................................................................................................ 12

3.1 执行元件——液压缸、液压马达 .......................................................................................... 13

3.1.1 手指夹紧缸 .................................................................................................................... 14

3.1.2 手臂伸缩缸 .................................................................................................................... 16 3.1.3 手臂升降缸 .................................................................................................................... 22 3.1.4 手臂回转液压缸 ............................................................................................................ 27 3.1.5 定位缸............................................................................................................................ 28 3.1.6 夹具夹紧缸 .................................................................................................................... 29 3.1.7 液压缸、摆动液压马达选型 ........................................................................................ 32 3.1.8 液压缸的其它技术要求 ................................................................................................ 34 3.2 动力元件——液压泵 ............................................................................................................... 35 3.2.1 小泵 ............................................................................................................................... 35 3.2.2 大泵 ............................................................................................................................... 35 3.3 控制元件——方向阀、压力阀、流量阀 ............................................................................... 36

3.3.1 方向控制阀 .................................................................................................................... 36 3.3.2 压力控制阀 .................................................................................................................... 37 3.3.3 流量控制阀 .................................................................................................................... 37 3.4 辅助元件——管道、管接头、过滤器、油箱 ....................................................................... 39

3.4.1 管道 ............................................................................................................................... 39

3.4.2 管接头............................................................................................................................ 40 3.4.3 过滤器............................................................................................................................ 40 3.4.4 油箱 ............................................................................................................................... 41

3.5 工作介质——液压油 ............................................................................................................... 41 第四章 液压系统性能的验算 ................................................................................................................ 42

4.1 系统的压力损失验算 ............................................................................................................... 42 4.2 系统的温升验算....................................................................................................................... 42 4.3 系统的其它验算....................................................................................................................... 42 结 论 ..................................................................................................................................................... 43 致 谢 ..................................................................................................................................................... 44 参 考 文 献 ........................................................................................................................................... 45

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附录I 译文 .......................................................................................................................................... 46

液压系统 ......................................................................................................................................... 46 附录II 外文原文 .................................................................................................................................. 54

IV

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第一章 绪论

1.1 液压技术发展趋势

液压技术是实现现代化传动与控制的关键技术之一，世界各国对液压工业的发展都给予很大重视。液压气动技术具有独特的优点，如:液压技术具有功率重量比大，体积小，频响高，压力、流量可控性好，可柔性传送动力，易实现直线运动等优点；气动传动具有节能、无污染、低成本、安全可靠、结构简单等优点，并易与微电子、电气技术相结合，形成自动控制系统。因此，液压气动技术广泛用于国民经济各部门。

但是近年来，液压气动技术面临与机械传动和电气传动的竞争，如：数控机床、中小型塑机已采用电控伺服系统取代或部分取代液压传动。其主要原因是液压技术存在渗漏、维护性差等缺点。为此，必须努力发挥液压气动技术的优点，克服缺点，注意和电子技术相结合，不断扩大应用领域，同时降低能耗，提高效率，适应环保需求，提高可靠性，这些都是液压气动技术继续努力的永恒目标，也是液压气动产品参与市场竞争是否取胜的关键。

液压产品技术发展趋势 由于液压技术广泛应用了高科技成果，如：自控技术、计算机技术、微电子技术、可靠性及新工艺新材料等，使传统技术有了新的发展，也使产品的质量、水平有一定的提高。尽管如此，走向21世纪的液压技术不可能有惊人的技术突破，应当主要靠现有技术的改进和扩展，不断扩大其应用领域以满足未来的要求。其主要的发展趋势将集中在以下几个方面：

（1）减少损耗，充分利用能量 液压技术在将机械能转换成压力能及反转换过程中，总存在能量损耗。为减少能量的损失，必须解决下面几个问题：减少元件和系统的内部压力损失，以减少功率损失；减少或消除系统的节流损失，尽量减少非安全需要的溢流量；采用静压技术和新型密封材料，减少摩擦损失；改善液压系统性能，采用负荷传感系统、二次调节系统和采用蓄能器回路。

（2）泄漏控制 泄漏控制包括：防止液体泄漏到外部造成环境污染和外部环境对系统的侵害两个方面。今后，将发展无泄漏元件和系统，如发展集成化和复合化的元件和系统，实现无管连接，研制新型密封和无泄漏管接头，电机油泵组合装置等。无泄漏将是世界液压界今后努力的重要方向之一。

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（3）污染控制 过去，液压界主要致力于控制固体颗粒的污染，而对水、空气等的污染控制往往不够重视。今后应重视解决：严格控制产品生产过程中的污染，发展封闭式系统，防止外部污染物侵入系统；应改进元件和系统设计，使之具有更大的耐污染能力。同时开发耐污染能力强的高效滤材和过滤器。研究对污染的在线测量；开发油水分离净化装置和排湿元件，以及开发能清除油中的气体、水分、化学物质和微生物的过滤元江及检测装置。

（4）主动维护 开展液压系统的故障预测，实现主动维护技术。必须使液压系统故障诊断现代化，加强专家系统的开发研究，建立完整的、具有学习功能的专家知识库，并利用计算机和知识库中的知识，推算出引起故障的原因，提出维修方案和预防措施。要进一步开发液压系统故障诊断专家系统通用工具软件，开发液压系统自补偿系统，包括自调整、自校正，在故障发生之前进行补偿，这是液压行业努力的方向。

（5）机电一体化 机电一体化可实现液压系统柔性化、智能化，充分发挥液压传动出力大、惯性小、响应快等优点，其主要发展动向如下：液压系统将有过去的电液开发系统和开环比例控制系统转向闭环比例伺服系统，同时对压力、流量、位置、温度、速度等传感器实现标准化；提高液压元件性能，在性能、可靠性、智能化等方面更适应机电一体化需求，发展与计算机直接接口的高频，低功耗的电磁电控元件；液压系统的流量、压力、温度、油污染度等数值将实现自动测量和诊断；电子直接控制元件将得到广泛采用，如电控液压泵，可实现液压泵的各种调节方式，实现软启动、合理分配功率、自动保护等；借助现场总线，实现高水平信息系统，简化液压系统的调节、争端和维护。

（6）液压CAD技术 充分利用现有的液压CAD设计软件，进行二次开发，建立知识库信息系统，它将构成设计-制造-销售-使用-设计的闭环系统。将计算机防真及适时控制结合起来，在试制样机前，便可用软件修改其特性参数，以达到最佳设计效果。下一个目标是，利用CAD技术支持液压产品到零不见设计的全过程，并把CAD/CAM/CAPP/CAT，以及现代管理系统集成在一起建立集成计算机制造系统（CIMS），使液压设计与制造技术有一个突破性的发展。

（7）新材料、新工艺的应用 新型材料的使用，如陶瓷、聚合物或涂敷料，可使液压的发展引起新的飞跃。为了保护环境，研究采用生物降解迅速的压力流体，如采

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用菜油基和合成脂基或者水及海水等介质替代矿物液压油。铸造工艺的发展，将促进液压元件性能的提高，如铸造流道在阀体和集成块中的广泛使用，可优化元件内部流动，减少压力损失和降低噪声，实现元件小型化。

1.2 国内外对液压产品技术的提高

在工业先进国家，对液压气动产品污染控制及密封技术都特别重视，因为它直接影响到产品性能、质量和水平，是产品有否市场的大问题。当前归纳的基本情况是：

（1）产品污染控制贯彻在产品零部件制造的各道工序、产品装配、产品试验和包装中，有严格的定量指标来表证产品清洁度状况，有严格的防锈和其他措施来保证产品储存，运输中的清洁度；

（2）制订出相应的标准和规范，供有关人员遵照执行，并且纪律严明； （3）对液压气动产品的用户，在使用中有明确的清洁度要求，并有保证清洁度的相 关辅件供用户选用；

（4）把产品的污染控制纳入日常的工作范畴，出现问题随时解决； （5）特别注重针对产品结构的密封技术研究，以保证产品有可靠的密封性； （6）为适应主机产品高压、高速、高温或低温发展对配套密封件的需求，国外正向扩大橡塑组合、橡塑复合密封应用领域；研究非接触式可控膜式密封；探索应用新的柔性石墨密封材料等。

我国，对液压气动产品的污染控制及密封技术也同样十分重视，但至今对该项技术的研究，实施以及取得的效果，与工业先进国家比，仍有不少差距，需要继续加大研究力度。

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1.3 课题研究的对象和研究方法

本课题研究对象是数控珩磨机床的液压系统部分，此机床改良（其原图如上）主轴等传动系统部分使用步进电机，去除曲柄传动结构，增加机械手与夹具自动夹放工件装置。机械手采用液压驱动实现工件的夹放和手臂旋转；夹具采用滚珠丝杠进给传动实现工件的往复运动，夹紧装置采用液压驱动。

本着高效节能、机电一体化、计算机辅助设计及计算机控制、系统集成化与控制技术集结于一身的目的，课题着重研究机械手与夹具的液压缸和液压泵，对其进行受力分析和优化设计，是设计一个高效、节能机床液压系统的前提。

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第二章 拟定液压系统原理图

2.1 液压系统原理图

图1 液压系统图

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2.2 液压系统特点分析

(1) 系统采用双联泵供油，手臂回转、手臂升降及伸缩时由两个泵同时供油；夹具松紧、手指松紧及定位缸工作时，只有小流量泵2供油，大流量泵1自动卸载。由于定位缸和控制油路所需压力较低，在定位缸支路上串联有减压阀8，使之获得稳定的压力。

(2) 手臂的伸缩和升降采用单杆双作用液压缸驱动，手臂的升降和伸缩速度分别由单向调速阀15、13、11实现回油节流调速；手臂的回转由液压摆动马达驱动，其正反向运动亦采用单向阀17和18回油节流调速。

(3) 执行机构的定位和缓冲是机械手工作平稳可靠的关键。从提高生产率来说，希望机械手正常工作速度越快越好，但工作速度越快，起动和停止时的惯性就越大，振动和冲击就越大，这不仅会影响到机械手的定位精度，严重时还会损伤机件。因此机械手的定位精度和运动平稳性的要求，一般在定位前要采取缓冲措施。

该机械手手臂伸出由定位块定位保证精度，端点到达前发信号切断油路，滑动缓冲；手臂缩回和手臂上升由行程开关适时发信号，提前切断油路，滑行缓冲并定位。此外，手臂伸缩缸、手臂回转缸和升降缸采用了电液换向阀换向，调节换向时间，亦增加缓冲效果。由于手臂的回转部分质量较大，转速较高，运动惯性矩较大，系统手臂回转缸除采用单向调速阀回油节流调速外，还在回油路上安装行程节流阀19进行减速缓冲，最后由定位缸插定位销定位，满足定位精度要求。

（4）手臂升降缸为立式液压缸，为支承平衡运动部件的自重，采用了单向顺序阀12的平衡回路。

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2.3 液压系统电磁铁动作顺序表

表1

动作顺序 手臂前伸 手指张开 手指抓料 手臂上升 手臂缩回 手臂回转 手臂前伸 夹具张开 手指张开 夹具夹紧 夹具张开 手指闭合 手臂缩回 手臂下降 手臂反转 手指张开 1Y 2Y 3Y 4Y 5Y 6Y 7Y 8Y 9Y 10Y + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 7

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2.4 液压系统工作原理

1、插定位销（1Y?、11Y?）

按下油泵起动按钮后，双联叶片泵1、2同时供油，电磁铁1Y、2Y带电，油液经溢流阀3和4至油箱，机械手处于待料卸荷状态。

当棒料到达待上料位置，启动程序动作。电磁铁1Y带电，2Y不带电，使泵1继续卸荷，而泵2停止卸荷，同时11Y通电。

进油路：泵2→阀6→减压阀8→阀9→阀24（右）→定位缸左腔。

此时，插定位销以保证初始位置准确。定位缸没有回油路，它是依靠弹簧复位的。 2、手臂前伸（5Y?、11Y?）

插定位销后，此支路系统油压升高，使继电器K26发讯，接通电磁铁5Y，泵1和泵2经相应的单向阀汇流到电液换向阀14左位，进入手臂伸缩缸油腔。

进油路：泵1→单向阀5→阀14（左）→阀15→手臂伸缩缸右腔 泵2→阀6→阀7→↑

回油路：手臂伸缩缸左腔→阀14（左）→油箱 3、手指张开（1Y?、9Y?、11Y?）

手臂前伸至适当位置，行程开关发讯，电磁铁1Y、9Y带电，泵1卸载，泵2供油，经单向阀6电磁阀20左位，进入手指夹紧缸右腔。回油路从左腔通过液控单向阀21及阀20左位进入油箱。

进油路：泵2→阀6→电磁阀20（左）→手指夹紧缸右腔 回油路：手指夹紧缸左腔→阀21→电磁阀20（左）→油箱 4、手指抓料（1Y?、11Y?）

手指张开后，时间继电器延时。待棒料由送料机构送到手指区域时，继电起器发讯使9Y断电，泵2的压力油通过阀20的右位进入缸的左腔，使手指夹紧棒料。

进油路：泵2→阀6→阀20（右）→阀21→手指夹紧缸左腔 回油路：手指夹紧缸右腔→阀20（右）→油箱 5、手臂上升（4Y?、11Y?）

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当手指抓料后，手臂上升。此时，3Y带电，泵1和泵2同时供油到升降缸。主油路为：

进油路：泵1→单向阀5→阀10（左）→阀11→阀12→手臂升降缸下腔 泵2→阀6→阀7→↑

回油路：手臂升降缸上腔→阀13→阀10（左）→油箱 6、手臂缩回（6Y?、11Y?）

手臂上升至预定位置，碰行程开关，3Y断电，电液换向阀10复位，6Y带电。泵1和泵2一起供油至电液换向阀14右端，压力油进入伸缩缸左腔，而右腔油液经单向调速阀15、阀14右端回油箱。

进油路：泵1→阀5→阀14（右）→手臂伸缩缸右腔 泵2→阀6→阀7→↑

回油路：手臂伸缩缸左腔→阀15→阀14（右）→油箱 7、拔定位销（1Y?）

当手臂上的碰块碰到行程开关时，11Y断电，阀24复位，定位缸油液经阀24左端回油箱，弹簧作用拔定位销。

回油路：定位缸左腔→阀24（左）→油箱 定位缸没有进油路，它是在弹簧作用下前进的。 8、手臂回转（1Y?、8Y?）

定位缸支路无油压后，压力继电器K26发讯，接通8Y。泵2的压力油进入阀6经换向阀16左端通过单向调速阀18最后进入手臂回转缸，使手臂回转90?。

进油路：泵2→阀6→阀7→换向阀16（右）→单向调速阀18→手臂回转缸 泵1→阀5→换向阀16（右）→单向调速阀18→手臂回转缸

回油路：手臂回转缸→单向调速阀17→换向阀16（右）→行程节流阀19→油箱 9、插定位销（1Y?、11Y?）

当手臂回转碰到行程开关时，8Y断电，11Y重又通电，插定位销同1。 10、手臂前伸（5Y?、11Y?）

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插定位销后，此支路系统油压升高，使继电器K26发讯，接通电磁铁5Y，泵1和泵2经相应的单向阀汇流到电液换向阀14左位，进入手臂伸缩缸油腔。

进油路：泵1→单向阀5→阀14（左）→阀15→手臂伸缩缸右腔 泵2→阀6→阀7→↑

回油路：手臂伸缩缸左腔→阀14（左）→油箱 11、手臂中停（11Y?）

当手臂前伸碰到行程开关后，5Y断电，伸缩缸停止动作，确保手臂将棒料送到准确位置处，“手臂中停”等主机夹头夹紧棒料，夹头夹紧棒料后，时间继电器发讯。

12、夹具张开（1Y?、10Y?）

得到讯号后，10Y?通电，1Y带电卸载荷，泵2的压力油经阀22左进入夹具夹紧缸右腔，时间继电器发讯。

进油路：泵2→阀6→阀22（左）→夹具夹紧腔右端 回油路：夹具夹紧腔左端→阀23→阀22（左）→油箱 13、手指张开（1Y?、9Y?、11Y?）

接到继电器信号后，1Y、9Y通电，手指张开同3。并启动时间继电器延时，主机夹具移走棒料后，继电器发讯。

14、夹具夹紧（1Y?、11Y?）

接到继电器信号后，1Y带电卸载，泵2的压力油通过阀22右端进入阀23进而进入夹具夹紧缸左腔，时间继电器发讯。

进油路：泵2→阀6→阀22（右）→阀23→夹具夹紧腔左腔 回油路：夹具夹紧腔右腔→阀22（右）→油箱 15、夹具张开（1Y?、10Y?）

接到继电器信号后，此时的动作如12，时间继电器发讯，待料卸载。 16、手指闭合（1Y?、11Y?）

接继电器信号，9Y断电，手指闭合同4，手指从夹具抓料完成。

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17、手臂缩回（6Y?、11Y?）

当手指闭合后，1Y断电，使泵1和泵2一起供油，同时6Y通电，其动作顺序同6。

18、手臂下降（4Y?、11Y?）

手臂缩回碰到行程开关，6Y断电，4Y通电。此时，电液换向阀10右端动作，压力油经阀10和单向调速阀13进入升降缸上腔。

进油路：泵1→单向阀5→阀10（右）→阀13→手臂升降缸上腔 泵2→阀6→阀7→↑

回油路：手臂升降缸下腔→阀12→阀11→阀10（右）→油箱 19、拔定位销（1Y?）

手臂碰到行程开关后，11Y断电。动作顺序同8。 20、手臂反转（1Y?、7Y?）

拔定位销，压力继电器发信号，7Y接通。换向阀16左端动作，压力油进入手臂回转缸的另一腔，手臂反转90?，机械手复位。

进油路：泵2→阀6→阀7→换向阀16（左）→单向调速阀17→手臂回转缸 泵1→阀5→换向阀16（左）→单向调速阀17→手臂回转缸

回油路：手臂回转缸→单向调速阀18→换向阀16（左）→行程节流阀19→油箱 21、手指张开（1Y?、9Y?、11Y?）

接到继电器信号后，1Y、9Y通电该动作同3，手指卸料完成。 22、待料卸载（1Y?、2Y?）

手臂反转到位后，启动行程开关，8Y断电，2Y接通。此时，两油泵同时卸荷。机械手动作循环结束，等待下一个循环。机械手与夹具的动作也可由微机程序控制，与相关主机联为一体，其动作顺序相同。

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第三章 计算和选择液压元件

液压元件包括执行元件、动力元件、控制元件、辅助元件、工作介质。 一、机械手初始参数与设计要求：

1、抓重：100N 2、自由度：3个 3、臂部运动参数：

表 2

运动名称 伸缩 升降 回转 符号 X Z Φ 行程范围 0~400mm 0~300mm 0°~270° 速度 小于300mm/s 小于70mm/s 小于90°/s

4、手指夹持范围：棒料，Φ30mm~Φ70mm，长度40--120mm 6、定位方式：伺服系统定位控制系统 7、驱动方式：液压（中、低压系统） 8、定位精度：±1mm 二、夹具初始参数与设计要求：

1、工件物重：100N 2、夹具类型：V形块

3、运动参数：L≤150mm，V≤50mm

4、驱动方式：X方向：滚珠丝杠 Y方向：液压（中、低压系统） 5、定位方式：伺服系统定位控制系统 6、定位精度：±1mm

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3.1 执行元件——液压缸、液压马达

图2 机械手受力示意图

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3.1.1 手指夹紧缸 1、手指夹紧缸受力分析

图3 手部结构受力示意图

如图所示为连杆式手部结构，作用在拉杆上的驱动力3为P，两连杆2对拉杆反作用力为P1、P2，其力的方向沿连杆两铰链中心的连线，指向O点并与水平方向成α角。

b——手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。 c——手指的回转支点到连杆铰链连接点的距离（毫米）

α——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。 这里取角α=30度。

查《工业机械手设计基础》中表2-1可知，V形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式N=0.5G，其实际的驱动力P实际应按以下公式计算，即：

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P实际=PK1K2/η

式中 η——手部的机械效率，一般取0.85~0.95； K1——安全系数，一般取1.2~2

K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可近似按下式估计，K2=1+a/g，其中a为被抓取工件运动时的最大加速度，g为重力加速度。

本机械手的工件只做水平和垂直平移，所以取它的移动速度不大于500毫米/秒，这里取最大值，移动加速度为1000毫米/秒2，工件重量G为10牛顿，V型钳口的夹角为120°,α=30°时，拉紧油缸的驱动力P和P实际计算如下：

根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算公式：

N=0.5G=50（N）

选取b=60 c=30

由连杆杠杆式结构的驱动力计算公式 P=2btgα N/c 得

P?P计算?2?60?tan30?50/30?115.4?N?

o

?? P实际=P计算K1K2/η

取η=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/9810≈1.1

则 P实际=115.4×1.5×1.1/0.85≈224 (N)

2、夹紧缸驱动力计算

夹紧装置是使手指夹紧工件的动力装置，此外，选用液压驱动，为单向作用缸，手指夹紧工件时，缸的驱动力为 P推=D2Pπηψ／4

其中D——缸筒内径，选取内径25mm的液压缸 P——液压缸的供油压力，选取P=1MPa Ψ——液压缸的负载率，一般取ψ=0.5——0.7； η——液压缸的总效率，一般取η=0.7——0.9； 计算可得：

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P推=252×1×π×0.7×0.85／4=292.1（N）

P推＞P实际 故夹紧缸的选择满足题目要求，d依据GB/T2348-93选取12mm。

3.1.2 手臂伸缩缸

机械手手臂的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在1000~1500mm/s,最大回转角速度设计在180°/s内，大部分平均移动速度在1000mm/s，平均回转角速度在90°/s。 1、手臂运动机构的选择

通过以上综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用液压驱动,液压缸选取双作用液压缸。

2、手臂直线运动的驱动力计算

先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。

做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性、密封等几个方面的阻力，来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力的计算。

P?P回?P摩?P密?P惯

P摩----摩擦阻力(N)。臂部运动时，运动件表面间的摩擦力，如导向装置、

活塞和缸壁等处的阻力。

P密----密封装置处的摩擦阻力(N)。

P回----油缸回油腔低压油造成的阻力(N)，一般背压阻力较小，可取：

P回=0.05P。

P惯----臂部起动或制动时活塞杆上受到的平均惯性力(N)。

3、手臂摩擦力的分析与计算

分析：

摩擦力的计算 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。下图是机械手的手臂示意图。

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图4 机械手臂部受力示意

计算如下：

不同的配置和不同的导向截面形状，P摩是不同的，要根据具体情况进行估算，本案为圆柱面双导向杆导向，导向杆对称配置在油缸两侧的水平伸缩缸，起动时，导向装置处的摩擦阻力较大，由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。

根据机械手机构部分数据得：

p摩?1518.75N

4、手臂惯性力的计算

本设计要求手臂平动是V=0.3m/s,在计算惯性力的时候,设置启动时间?t?0.5s，启动速度?V=V=0.3m/s,

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G总?vP 惯?g?tP惯?G总?vg?t?250N?0.3m/s?15.3N9.8N/Kg?0.5s

5、密封装置的摩擦阻力

不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用O型密封，当液压缸工作压力小于10Mpa，活塞杆直径为油缸直径的一半，活塞与活塞杆处都采用O形圈密封时，液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：F封?0.03F(因手部轴线与臂部伸缩轴

线垂直，手部油管不会经过臂部，故油管密封不考虑)。 经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：

P?0.03P?P摩?P惯?0.05P?1667.45N 6、液压缸工作压力和结构的确定

经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力P=1667.45N，选择液压缸的工作压力P=1MPa

（1） 确定液压缸的结构尺寸： 液压缸内径的计算，如图所示

图5 双作用液压缸示意图

当油进入无杆腔，

P?P??p11?D24?

当油进入有杆腔中， 本案初设d=D/3：

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P?P??P11液压缸的有效面积：

F???D2?d2?42?D2??P? 19P p1故有 D?4PP （无杆腔） ?1.13?p1??p1D?9P （有杆腔） 2?p1?式中 P----活塞的驱动力(N) P1----油缸的工作压力(MPa)

d----活塞杆直径(mm),本案初设d=D/3 D----油缸内径(mm)

η----油缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取η=0.95 据上述计算，P=1667.45N P1=1MPa，按有杆腔进行计算，其结果必然满足无杆腔的力学要求。

将有关数据代入： D?9P?3?2?P?11667.45?50.14mm

2??1?0.95根据油缸内径系列（GB/T2348-93），选择标准液压缸内径， D=63mm. 活塞杆直径d=63/3=21mm。 （2） 液压缸外径的设计

本案液压缸考虑铸造结构，考虑到铸造的最小壁厚要求，故最小不小于3mm，而驱动压力又较低，故厚度不超过10mm。按中等壁厚进行计算(0.3>D/δ>0.08)：

p计D???CO

(2.3[?P]?3PMAX)?式中 ?----强度系数(当为无缝钢管时取值为1，本案为铸造式，取值0.7

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C----计入管壁公差及侵蚀的附加厚度 ???----油缸材料的许用应力(MPa)；????的抗拉强度，n为安全系数，一般n=5。 表3

材料名称 静载荷 交变载荷 不对称 钢、锻铁 3 5 对称 8 12 冲击载荷 ?bn，其中

?b为油缸材料

液压缸的安全系数

一般常用缸体材料的许用应力 ???为：取材料抗拉强度为：500MPa

得铸钢： ???=100MPa

代入数据：

P计D1.3?1?63?C??2?2.52mm ???2.3???－3P计???2.3?100－1.3?3??0.7圆整为3mm，即缸体外径69mm。 （1） 活塞杆的计算校核

①强度校核

活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。对于杆长L大于直径d的10—15倍以上，按拉、压强度计算：

4pns[?]???2?d 式中 P为液压缸最大推力

ns为安全系数，一般取2~4，这里取4

设计中活塞杆取材料为铸钢，故进行校核：

???=100MPa，活塞直径d=21mm,L=1000mm,现在

20

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??4Pns1667.45?4?4??19.3Mpa?100Mpa 22?d??21结论： 1.活塞杆的强度足够。

2.稳定性校核

本案L>15d，应进行稳定性校核。稳定性条件可表示为 P?式中 Pk----活塞杆弯曲失稳临界力(N)

nk----安全系数，一般为2～4，一般取3.5，在此取最大4。

Pk nkIs?d4/64di???

A?d2/44 0.5?1000本案中，????95.238??1?50，故按大柔度杆计算

21i4

?l?2E?2?2000002??10.5?75262N 根据欧拉公式得： Pk?2F?2?95.238 式中 ?----活塞杆计算柔度

l----活塞杆长度(mm)，本案取值1000mm i----活塞杆横截面的惯性半径，取值为d/4 F----活塞杆截面积

E----活塞杆材料的弹性模量(MPa) E=200000 ?----长度折算系数，本案取值0.5

?1----特定柔度值，本案取50

Pk75262??18815.5N?P?1667.45N 将Pk值代入：n4 k 故稳定性符合要求。

21

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3.1.3 手臂升降缸

设计具体采用方案：

机械手的垂直手臂（大臂）升降运动为直线运动。直线运动的实现一般是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。此机械手手臂的驱动选择液压驱动方式，通过液压缸的直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件。

因为液压系统能提供很大的驱动力，因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实现的，关键是机械手运动的稳定性和刚度的满足。因此手臂液压缸的设计原则是缸的直径取得大一点（在整体结构允许的情况下），再进行强度的较核。

机身升降机构（大臂）的计算：

1、手臂偏重力矩的计算

由机械手机构设计部分得数据如下： （1） G总?G工件?G爪?G臂=75Kg

(2) 计算零件的重心位置，求出重心到回转轴线的距离?：

???工件G工件??爪G爪??臂G臂G总?673mm

所以，回转半径??673mm (3) 计算偏重力矩

M偏?G总?

M偏?G总??75Kg?9.8?0.673m?495N?m

手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算

P?P惯?P摩?P密?P回?G

式中F摩——摩擦阻力，各支承处的摩擦力（N） P摩?4R1f 取f=0.16 G——零件及工件所受的总重。 （1）F惯的计算

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F惯?G总?vg?t

设定速度为?V=0.07m/s;起动或制动的时间差?t=0.02s;G总近似估算为110Kg;将数据带入上面公式有：

P惯?G总?vg?t?110?0.07?385N

0.02（2）P摩的计算

P摩?4R1f

R1?R2?R3?R4?? P摩G总?h?110Kg?9.8N/Kg?673mm?1684.4N

430.72mm?4R1f?4?1684.4?0.16?1078N

（3）液压缸在这里选择O型密封，所以密封摩擦力可以通过近似估算

P密?0.03P

最后通过以上计算

当液压缸向上驱动时，P=(385+1078+110×9.8)/0.97=2620N

当液压缸向下驱动时，P=(385+1078-110×9.8)/0.97=397N

2、油缸结构尺寸的确定

图6 液压缸受力简图

当油进入无杆腔，

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P?P??p11?D24?

当油进入有杆腔中，

??D2?d2?3p?p1??p1???D2?p1

416液压缸的有效面积：

F?P p1故有 D?4PP （无杆腔） ?1.13?p1??p1p3??p1 D?4 （有杆腔）

式中 P----活塞的驱动力(N) P1---供油的工作压力(MPa)

d----活塞杆直径(mm),本案初设d=D/2 D----油缸内径(mm)

η----油缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取η=0.95 据上述计算，P=2620N P1=1MPa，按有杆腔进行计算，其结果必然满足无杆腔的力学要求。

将有关数据代入： D?4p3??p1?4?2620?68.4

3???1?0.95根据油缸内径系列（GB/T2348-93），选择标准液压缸内径，D=80mm. 活塞杆直径d=80/2=40mm。 （1） 液压缸外径的设计

本案液压缸考虑铸造结构，考虑到铸造的最小壁厚要求，故最小不小于3mm，而驱动压力又较低，故厚度不超过10mm。按中等壁厚进行计算(0.3>D/δ>0.08)：

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p计D???CO

(2.3[?P]?3PMAX)?式中 ?----强度系数(当为无缝钢管时取值为1，本案为铸造式，取值0.7 C----计入管壁公差及侵蚀的附加厚度 ???----油缸材料的许用应力(MPa)；?????bn，其中?b为油缸材料的

抗拉强度，n为安全系数，一般n=3～12，这里取5，同伸缩缸选择。 一般常用缸体材料的许用应力 ???为：取材料抗拉强度为500MPa，

得铸钢： ???=100MPa

代入数据得：

p计D1.3?1?80?CO??2?2.66 ??(2.3[?P]?3PMAX)?(2.3?100?3?1)?0.7圆整为3mm，即缸体外径86mm。 3、活塞杆的计算校核

①强度校核

活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。对于杆长L大于直径d的10—15倍以上，按拉、压强度计算：

4pns[?]???2?d 式中 P为液压缸最大推力

ns为安全系数，一般取2~4，这里取4

设计中活塞杆取材料为铸钢，故进行校核：

???=100MPa，活塞直径d=40mm,L=1000mm,现在

??4Pns2620?4?4??8.34Mpa?100Mpa 22?d??40结论： 1.活塞杆的强度足够。

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2.稳定性校核

本案L?（10—15）d，应进行稳定性校核。稳定性条件可表示为 P?式中 Pk----活塞杆弯曲失稳临界力(N)

nk----安全系数，一般为2～4，一般取3.5，在此取最大4。

Pk nkIs?d4/64d??本案中，i?2A?d/44??

?li?0.5?1000?50??1?50，故按大柔度杆计算

10

?2E?2?20000025??20?9.5?10N 根据欧拉公式得： Pk?2F?2?50 式中 ?----活塞杆计算柔度

l----活塞杆长度(mm)，本案取值1000mm i----活塞杆横截面的惯性半径，取值为d/4 F----活塞杆截面积

E----活塞杆材料的弹性模量(MPa) E=200000 ?----长度折算系数，本案取值0.5

?1----特定柔度值，本案取50 将Pk值代入：

Pk950000??237500N?P?2620N n4 k故稳定性符合要求。

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3.1.4 手臂回转液压缸

摆动液压缸又称摆动液压马达，是一种输出轴能做往复摆动运动的液压执行元件。因为摆动液压缸的摆角大小一般是不能调整的，当输出轴直接和负载链接时，所选最大摆角应与负载所需最大摆角相等。特殊情况下，可选择摆动液压缸摆角大于负载所需摆角，用行程开关来控制负载所需的摆角。

此机械手的最大摆角为90度角，计算转矩：

M偏??G总?

M偏??G伸缩?1??G手爪?2???G总?0.1?0.637?750?47.7N?m其中ρ取0.1

参照《液压气动与液力工程手册》，选择YMD—30单片式摆动液压缸： YMD—30：最大摆角（θ/(°)）：90、180、270； 排量（V/L?r）：0.03； 额定压力(PN/MPa)：14；

?1 额定理论转矩(TN/N?m)：71；

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3.1.5 定位缸

机械手在旋转运动后需要保持平稳状态，故在机械手底部处安装一定位缸，此定位缸用来插拔限制机械手自由度的定位销。

定位销属于标准件：

圆柱销：GB/T119.1—2000 GB/T119.2—2000 内螺纹圆柱销：GB/T120.1—2000 GB/T120.2—2000 圆锥销：GB/T117—2000

此定位缸因只有定位销的插拔的功能，可以忽略液压缸除输出力的其他力，选择拉杆型液压缸。选用液压驱动，为单向作用缸，回程用弹簧驱动，液压缸插拔工件时，所受力?100N。

计算缸的驱动力为 P推=D2Pπηψ／4 其中D——缸筒内径，选取内径25mm的液压缸 P——液压缸的供油压力，选取P=1MPa Ψ——液压缸的负载率，一般取ψ=0.5——0.7； η——液压缸的总效率，一般取η=0.7——0.9； 计算可得：

P推=252×1×π×0.7×0.85／4=292.1（N）

P推＞P实际 故定位缸的选择满足题目要求

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3.1.6 夹具夹紧缸

图7 夹具受力分析简图

1、夹具夹紧缸的设计计算

如图示，该夹具夹紧缸做水平伸缩运动，夹具体本身所在的平台沿着滚珠丝杠前后移动，与主轴形成配合运动，进而对工件进行加工。运动夹具部分的最大运动行程为150mm，V不大于0.05m/s，初始加速时间为0.02S。因为珩磨机的切削应力较小，在设计液压缸所受的外力和中可以忽略不计。

故油缸理论驱动力可按下式计算：

F理?F摩?F密?F回?F惯

F摩----摩擦阻力(N)。夹具运动时，运动件表面间的摩擦力，如导向装置、

活塞和缸壁等处的阻力。

F密---密封装置处的摩擦阻力(N)。

F回----油缸回油腔低压油造成的阻力(N)，一般背压阻力较小，可取：

P回=0.05P。

F惯----夹具起动或制动时活塞杆上受到的平均惯性力(N)。

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估计参与夹具夹紧运动的部件包含运动部分夹具重量和液压缸自身运动部件总重量

?G= (10?20)?9.8N?294N

（1）F摩 的计算：

因为此油缸的受力方向主要是水平方向，除自身的部分自重产生的部分摩擦外，其他摩擦均可忽略不计，故在此F摩=uGP （2）F密的计算：

当液压缸的工作压力小于10MPa，活塞杆直径为液压缸内径的一半，则活塞杆和活塞都采用O型密封圈，此时液压缸的密封阻力为：

?14.7N。

F密?F杆?F活塞?0.03F驱

（3）F惯的计算：

G?V294?0.05F惯???75N

g?t9.8?0.02 式中：?v—由静止到加速到正常的变化量。

?t —启动时间，一般取0.01~0.05S，在此取?t为0.02S。 （4）F回的计算：

一般背阻压力较小，F回取0.05F驱。

则：F理?F摩?F密?F回?F惯?0.03F理?0.05F理?75?14.7 得：F理?97.5N

k3?365.6N 实际驱动力F实?F理??97.5??0.8式中：K—安全系数，取K为2 ?—传力机构机械效率，?=0.8

确定液压缸的结构尺寸：

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缸内径计算： D?4F4?365.6??22.02mm ?P???1?0.961根据油缸内径系列（GB/T2348-93），选择标准液压缸内径，D=32mm. 活塞杆直径d=50/2=16mm。 （1） 液压缸外径的设计

本案液压缸考虑铸造结构，考虑到铸造的最小壁厚要求，故最小不小于3mm，而驱动压力又较低，故厚度不超过10mm。按中等壁厚进行计算(0.3>D/δ>0.08)：

p计D???CO

(2.3[?P]?3PMAX)?式中 ?----强度系数(当为无缝钢管时取值为1，本案为铸造式，取值0.7 C----计入管壁公差及侵蚀的附加厚度 ???----油缸材料的许用应力(MPa)；?????bn，其中?b为油缸材料的

抗拉强度，n为安全系数，一般n=3～12，这里取5，同伸缩缸选择。 一般常用缸体材料的许用应力 ???为： 取材料抗拉强度为500MPa，

得铸钢： ???=100MPa

代入数据得：

p计D1.3?1?32???C??2?2.26 O(2.3[?P]?3PMAX)?(2.3?100?3?1)?0.7圆整为3mm，即缸体外径38mm。 2、活塞杆的计算校核

（1） 强度校核

活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。对于杆长L大于直径d的10—15倍以上，按拉、压强度计算：

4pns[?]???2?d 式中 P为液压缸最大推力

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ns为安全系数，一般取2~4，这里取3.5

设计中活塞杆取材料为铸钢，故进行校核：

???=100MPa，活塞直径

d=16mm,L=500mm,现在

??4Pns365.6?4?3.5??6.37Mpa?100Mpa 22?d??16结论： 1.活塞杆的强度足够。 2.稳定性校核

3.1.7 液压缸、摆动液压马达选型

根据《机械设计手册》得拉杆式液压缸WYX01性能参数： 表4

额定工作压力/MPa 7 14 最高允许压力/MPa 10.5 21 耐压力/MPa 10.5 21 最低启动压力/MPa ≤0.3 允许最高工作速度/m?s 使用温度/℃ ?10.5 —10~80 得工程用液压缸HSG性能参数：

速度比为： 1.33,1.46,2 此次选择速度比为1.33。

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液压缸的计算结果： 表5

型号 速度比 活塞缸内径(mm) 活塞杆直径(mm) 活塞杆工进速(m/min) 手指WYX01 夹紧缸 手臂HSG 伸缩缸 手臂HSG 升降缸 定位WYX01 缸 夹具WYX01 夹紧缸

32 16 3 2 0.24 25 12 3 2 0.147 1.33 80 40 4.2 2 2.11 1.33 63 21 18 5 5.6 25 12 3 2 0.147 度实际压力(MPa) 流量(L/min) 液压摆动缸计算结果：

表6 型号 摆角 θ/° 手臂回转缸 YMD—30 90 排量 V/L?r?1额定压力 PN/MPa 额定理论转矩 TN/N?m 71 0.03 14 33

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3.1.8 液压缸的其它技术要求 ⑴ 缸筒与端盖的连接形式

由于机械手要求外形尺寸小，重量轻，故采用螺纹式连接 ⑵ 缸筒、端盖和导向套的基本要求

缸筒内孔一般采用镗削、铰孔、滚压或磨等精密加工工艺制造，要求表面粗糙度在0.1～0.4?m,使活塞及其密封件、支承件能顺利滑动，从而保证密封效果，减少磨损；缸筒要承受很大的液压力，因此，应具有足够的强度和刚度。

端盖装在缸筒两端，形成封闭油腔，同样承受很大的液压力，因此，端盖及其连接件都应有足够的强度和刚度。

导向套对活塞杆起导向和支承作用，一般采用摩檫系数小、耐磨性好的聚四氟乙烯制作。

⑶ 活塞和活塞杆的连接形式

由于机械手工作时振动较大，要求连接强度高且具有减振能力，故选择半环式连接。

⑷ 活塞组件的密封

在活塞的外圆表面一般开几道宽0.3～0.5mm的环形沟槽，称平衡槽，其作用如下：使活塞具有自位性能，由于活塞的几何形状和同轴度误差，工作压力油在密封间隙中的不对称分布形成一个径向不平衡力，称为液压卡紧力，它使摩檫力增大，开平衡槽后，使得径向油压力趋于平衡，使活塞能够自动对中，减小摩檫力；由于同心环缝的泄漏要比偏心环缝小得多，活塞的对中减小了油液的泄漏量，提高了密封性能；自润滑作用，油液储存在平衡槽内，使活塞能自动润滑。 ⑸ 缓冲装置

当液压缸拖动负载的质量较大、速度较高时，一般应在液压缸中设缓冲装置，必要时还需在液压缸传动系统中设缓冲回路，以免在行程终端发生过大的机械碰撞，导致液压缸损坏。缓冲的原理是当活塞或缸筒接近行程终端时，在排油腔内增大回油阻力，从而降低液压缸的运动速度，避免活塞与缸盖相撞。这里设计的缓冲装置为控制开关，用来控制液压油的量的大小来代替其他缓冲装置。

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3.2 动力元件——液压泵

液压泵是标准件，其选择依据是额定压力和流量。 3.2.1 小泵

当手指松紧、手臂回转时、夹具松紧及定位缸工作时，只有小流量泵供油。 夹具松紧时，液压缸的额定压力为2MPa,流量为qt=A1Vmax=

?40D2×

Vmax=

?40×0.322×30=0.24L/min

当手臂伸手臂回转时,摆动液压缸的额定压力为14MPa，流量为qt=nq=0.03×n=0.03nL/min，因为手臂旋转频率不是很快，故此缸的流量可以忽略不计。

手指松紧时，液压缸的工作压力为2 MPa，流量为qt= A1Vmax=×0.252×30=0.147L/min

定位缸工作时, 液压缸的工作压力为2 MPa，流量为qt= A1Vmax=

?40D2×Vmax=

?40?40D2×

Vmax=

?40×0.252×30=0.147L/min

实际流量：qp=K1×qmax=1.1×0.24=0.264L/min

实际压力：pp=K2×pmax+?△p=1.1×14+?△p≈15.6 MPa 3.2.2 大泵

手臂伸缩、手臂升降，大、小泵同时供油。

手臂升降时，液压缸工作压力为2 MPa，流量为qt= A1Vmax=

0.82×42=2.11L/min。

?40D2×Vmax=

?40×

手臂伸缩时，液压缸工作压力为5 MPa，流量为qt= A1Vmax=

0.632×180=5.6L/min

?40D2×Vmax=

?40×

实际流量：qp=K1×qmax=1.1×5.6=6.16L/min 实际压力：pp=K2×pmax=1.1×10=11 MPa

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查《机械设计手册》选PFED-4131029/016双联柱销式叶片泵（140bar）。 工作时液压泵所需的最大功率为：

因为双联泵的前泵和后泵的驱动功率不一样，前泵为：10kw，后泵为5kw，而液压系统在工作时有同时运作两个泵的情况，所以，电动机的最小值不得小于15kw。

查《机械零件手册》选三相异步电动机，型号为：Y160M2-2。 泵的计算结果： 表7

型号 排(mL/r) 小泵 大泵 PFED-4131029/016 16.5 45 量额定压力(MPa) 14 14 800-2000 19 37 转速(r/min) 流量(L/min) 表中输出量为转速为1500时工作状况下保证值。

电机的计算结果： 表8

电机 型号 Y160M2-2 功率(KW) 15 转速(r/min) 2950

3.3 控制元件——方向阀、压力阀、流量阀

控制元件是标准件，其选择依据是系统的最高工作压力和通过该阀的最大流量 3.3.1 方向控制阀

电液换向阀：按P=14MPa,q=37Lmin选DSHG-03-3c型电液换向阀2个（3位4

通O型机能）

按P=14MPa,q=19Lmin选DSHG-03-3c型电液换向阀1个（3位4

通O型机能）

电磁换向阀：按P=14MPa,q=37Lmin选DSG-03-3c型电磁换向阀1个（2位3

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