注塑机上下料机械手机构及自动控制系统PLC的设计

2012 届毕业设计说明书

注塑机上下料机械手 机构及自动控制系统PLC的设计

学 院： 机械工程学院 学生姓名： 赵露锋 指导教师： 邓生明 职称 副教授 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机本0802班 完成时间： 2012年5月

摘 要

1

本文简要地介绍了注塑机机械手的概念，机械手的组成和分类，机械手的自由度和座标型式，液动技术的特点，PLC控制的特点及国内外的发展状况。

本文针对PT-II 650型注塑机的具体参数对机械手进行了总体方案设计，确定了机械手的座标型式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，分别设计了机械手的夹持式手部结构以及机械手手部结构;设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转液压缸的驱动力矩;设计了机械手的手臂结构，设计了手臂伸缩、升降用液压缓冲器和手臂回转用液压缓冲器。

设计出了机械手的液压系统，并绘制了机械手液压系统工作原理图。利用可编 程序控制器对机械手进行控制，选取了合适的PLC型号，根据机械手的工作流程制定了可编程序控制器的控制方案，画出了机械手的工作时序图和梯形图，并编制了可编程序控制器的控制程序。

关键词：机械手；液动；可编程序控制器(PLC)

Abstract

2

At first,the paper introduces the conception of the industrial robot and the elertary information of the development briefly. What's more,the paper accounts for background and the primary mission of thetopic.

The paper introduces the function,composing and classification of the manipulator,tells out the free-degree and the form of coordinate.At the same time,the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator.

This paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator,and analyzes the error of the orientation of the fingers.

The paper designs the structure of the wrist,computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump.

The paper designs the structure of the arm,and designs the hydraulic pressure buffer when the manipulator's arm flexes,ascend,descend and wheels .

The paper designs the system of hydraulic manipulator and draws the work principle chair.

The manipulator uses PLC to control.The paper institutes two controls chemes of PLC acordine to the work flow of the manipulator.The paper draws out the work time sequence chart and the trapezia chart.What’smore,the paper work out the control program of the PLC.

Key words: mechanical hand； hydraulic； programmable logic controller (PLC)

目 录

3

摘 要.............................................................. 1 1.绪论.............................................................. 6

1.1机械手概述................................................... 6 1.2机械手的组成和分类........................................... 6

1.2.1 机械手的系统工作原理及组成............................. 6 1.2.2机械手的分类 ........................................... 8 1.3课题的提出及主要任务......................................... 9

1.3.1课题的提出 ............................................. 9 1.3.2课题的主要任务 ......................................... 9

2 机械手的设计方案............................................... 10

2.1机械手的座标型式与自由度和工作范围.......................... 10 2.2 机械手的手部结构方案设计 ................................... 11 2.3 机械手的手臂结构方案设计 ................................... 11 2.4机械手的驱动方案设计........................................ 11 2.5 机械手的控制方案设计 ....................................... 11 2.6机械手的主要参数............................................ 11 2.7机械手的技术参数列表........................................ 12

2.7.1 用途:............................................... 12 2.7.2 设计技术参数:....................................... 14

3 手部结构设计................................................... 15

3.1手部设计.................................................... 16

3.1.1手指的形状和分类 ...................................... 16 3.1.2设计时考虑的几个问题 .................................. 16 3.2手部夹紧液压缸的设计........................................ 17

3.2.1 动力计算............................................. 17 3.2.2 液压缸的直径........................................ 18 3.2.3 缸筒壁厚的设计....................................... 19

4 手腕结构设计.................................................... 21

4.1 手腕的自由度 ............................................... 21 4.2 手腕的驱动力矩的计算 ....................................... 21

4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩 .............................. 21

4

4.2.2回转液压缸的驱动力矩计算 .............................. 23 4.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核.............................. 23

5 手臂结构设计................................................... 26

5.1手臂伸缩.................................................... 26

5.1.1结构设计 .............................................. 26 5.1.2手臂伸缩驱动力的计算 .................................. 26 5.2手臂升降和回转部分.......................................... 27

5.2.1结构设计 .............................................. 27 5.3手臂伸缩液压缸的设计........................................ 27

5.3.1 驱动力计算........................................... 27 5.3.2 液压缸的直径........................................ 28 5.3.3 活塞杆直径的计算.................................... 29 5.3.4 缸筒壁厚计算......................................... 29

6 液压系统主要参数................................................ 31

6.1液压缸和液压马达的设计计算.................................. 31

6.1.1 液压缸的设计计算..................................... 31 6.1.2 液压缸的流量计算..................................... 31 6.2 液压马达的设计计算 ....................................... 32

6.2.1 计算液压马达排量..................................... 32 6.2.2 计算液压马达所需流量液压马达的最大流量：............ 32 6.3 液压元件的选择 ........................................... 32

6.3.1 液压泵的确定与所需功率的计算........................ 32 6.3.2 阀类元件的选择....................................... 34 6.3.3 管道的选择........................................... 34 6.3.4 油箱的设计.......................................... 35 6.3.5 滤油器的选择......................................... 35

7 液压系统........................................................ 37

7.1 液压系统图 ................................................ 37 7.2 液压回路分析 ............................................. 37 7.3 液压系统的主要特点 ....................................... 39 7.4 液压缸的保养与维修 ......................................... 39

5

7.4.1 液压元件的安装........................................ 39 7.4.2 液压系统的一般使用与维护.............................. 39 7.4.3 一般技术安全事项...................................... 39

8 机械手的控制系统............................................... 41

8.1 可编程序控制器的选择及工作过程 ............................. 41

8.1.1 可编程序控制器的选择.................................. 41 8.1.2 可编程序控制器的工作过程.............................. 41 8.2可编程序控制器的使用步骤.................................... 42 8.3机械手可编程序控制器控制方案................................ 42

8.3.1系统简介 .............................................. 42 8.3.2操作面板布置 .......................................... 43 8.3.3输入/输出端子地址分配 ................................. 43 8.3.4整体程序结构 .......................................... 44 8.3.5实现单操作工作的程序 .................................. 44

结 论............................................................. 47 致 谢............................................................. 48 参考文献........................................................... 49

6

1.绪论

1.1机械手概述

工业机器人由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中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: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的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.

1.2机械手的组成和分类

1.2.1 机械手的系统工作原理及组成

机械手的系统工作原理框图如图1-2所示。

控制系统 （PLC） 驱动系统 （液压传动） 位置检测装置 执行机构 手部手腕手臂7

立柱 图1-2 机械手的系统工作原理框图

机械手的工作原理：机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。在PLC程序控制的条件下，采用液压传动方式，来实现执行机构的相应部位发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和时间的动作。同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，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。位置检测装置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，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置. (一)执行机构

包括手部、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 1、手部

即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。 2、手腕

是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势) 3、手臂

手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、液压缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、液压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。 4、立柱

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。机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。 5、机座

8

机座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于机座上，故起支撑和连接的作用。 (二)驱动系统

驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的。它由动力装置、调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 液压传动、机械传动。 (三)控制系统

控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。该机械手采用的是PLC程序控制系统，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们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)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，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。 (四)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，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置. 1.2.2机械手的分类

工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。 (一)按用途分

机械手可分为专用机械手和通用机械手两种。 (二)按驱动方式分

机械手可分为液压传动机械手、气压传动机械手、机械传动机械手、电力传动机械手。本设计是液压传动机械手的设计。

液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。 (三)按控制方式分

1、点位控制

它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。

9

2、连续轨迹控制

它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。

1.3课题的提出及主要任务

1.3.1课题的提出

随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。例如，注塑及的生产过程中，往往工件、材料的上下要人工完成，既费时费力，又影响效率。为此，我们把上下料机械手作为我们研究的课题。

现在的机械手大多采用液压传动，液压传动存在以下几个优点: a.液压传动能方便地实现无级调速，调速范围大。

b.在相同功率情况下，液压传动能量转换元件的体积较小，重量较轻。 c.工作平稳，换向冲击小，便于实现频繁换向。

d.便于实现过载保护，而且工作油液能使传动零件实现自润滑，故使用寿命长。

e.操纵简单，便于实现自动化。特别是和电气控制联合使用时，易于实现复杂的自动工作循环。

f.液压元件易于实现系列化、标准化和通用化。 1.3.2课题的主要任务

本课题将要完成的主要任务如下:

①机械手为注塑机机械手，因此它是专用机械手. ②选取机械手的座标型式和自由度

③设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手臂等部件的设计。手部设计成夹持式手指来抓取工件

④液压传动系统的设计

本课题将设计出机械手的液压传动系统，包括液动元器件的选取，液动回路的设计，并绘出液动原理图。

⑤机械手的控制系统的设计

本机械手拟采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制，本课题将要选取PLC型号，根据机械手的工作流程编制出PLC程序，并画出梯形图。

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2 机械手的设计方案

对液动机械手的基本要求是能快速、准确地搬运工件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计液动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，增强专用性，并能实现柔性转换和编程控制。

本次设计的机械手是注塑机专用液动上下料机械手，专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点。

2.1机械手的座标型式与自由度和工作范围

按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度。

图2-1所示为机械手的手臂的运动示意图和工作范围图。

图 2-1 机械手的运动示意图和工作范围图

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2.2 机械手的手部结构方案设计

为了适应注塑机，把机械手的手部结构设计成夹持式手部，可以准确的夹取工件。

2.3 机械手的手臂结构方案设计

按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由液压缸来实现。

2.4机械手的驱动方案设计

由于液压传动系统的工作平稳，换向冲击小，便于实现频繁换向，因此选用液压传动系统。

2.5 机械手的控制方案设计

考虑到机械手的专用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器 (PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。

2.6机械手的主要参数

1、主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数，目前机械手最大抓重以10公斤左右的为数最多。故该机械手主参数定为10公斤，高速动作时抓重减半。

2、基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。

该机械手最大移动速度设计为1m/s，最大回转速度设计为1000°/s，平均移动速度为lm/s，平均回转速度为900°/s。

机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。

除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为400mm,最大工作半径

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约为1300mm，手臂安装前后可调200mm。手臂回转行程范围定为240(应大于180否则需安装多只手臂)，又由于该机械手设计成手臂安装范围可调，从而扩大了它的使用范围。手臂升降行程定为150mm。

定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为土0.5～±lmm

2.7机械手的技术参数列表

2.7.1 用途:

用于力劲PT650注塑机注塑机上下料。 具体参数如下：

图2-2 PT-II 650型注塑机

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表2-1 PT-II 650技术参数表

项目 注射部分 射料量 (硬胶PS) 螺丝直径 射胶容积 射胶压力 射胶速率 螺丝长径比 螺杆行程 螺丝转速 塑化能力(硬胶) 射咀行程 料斗容积 锁模部分 锁模力 容模量(最小-最大) 模板最大开距 开模行程 哥林柱内距(水平3垂直) 模板尺寸(水平3垂直) 顶出行程 顶出力 其他部分 油泵马达功率 系统压力 油箱容量 电热功率 温度控制区 机器尺寸 机器重量 空循环时间

单位 g Oz mm c.c. Mpa CC/S mm r.p.m. KG/H mm L KN mm mm mm mm mm mm KN KW Mpa L KW mm Kg s 14

PT-650 2058 73 80 2262 235 575 23 2605 92 90 2863 186 728 21 450 179 3216 114 100 3534 151 899 19 3891 138 110 4276 125 1109 17.2 432 638 885 125 650 810 990 350-920 1820 900 911x911 1260x1260 270 215 29+33 17.5 1350 33 5+N 9330x2270x1874 36000 6.4

2.7.2 设计技术参数:

1、抓重

10公斤 (夹持式手部) 2、自由度数 4个自由度 3、座标型式

圆柱座标 4、最大工作半径

1300mm 5、手臂最大中心高

1200mm 6、手臂运动参数

伸缩行程 400mm 伸缩速度 300mm/s 升降行程 200mm 升降速度 300mm/s 回转范围 0°～ 240°7、手指夹持范围

工件: 80～150mm 8、定位方式

行程开关或可调机械挡块等9、定位精度

士0.5mm 10,缓冲方式

液压缓冲器 11.驱动方式

液压传动 12、控制方式

点位程序控制(采用PLC)

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4 手腕结构设计

4.1 手腕的自由度

手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油(气)缸，因此我们选用回转液压缸。它的结构紧凑，但回转角度小于360?，并且要求严格的密封。

4.2 手腕的驱动力矩的计算

4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩

手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图4-1所示为手腕受力的示意图。

1.工件2.手部3.手腕 图4-1手碗回转时受力状态

21

手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:

M驱?M惯?M偏?M摩?M封

式中: M驱- 驱动手腕转动的驱动力矩(N?cm);

MM惯- 惯性力矩(N?cm);

- 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对- 手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力

偏转动轴线所产生的偏重力矩(N?cm).

M封矩(N?cm);

下面以图4-1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算: 1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M悦

若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为?，起动过程所用的时间为?t，则:

M惯?（J?J1）(N.cm)?t?

式中:J- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量(N.cm.s2);

J1- 工件对手腕转动轴线的转动惯量(N.cm.s)。

2若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量J1为:

J1?Jc?G1ge12

式中: Jc- 工件对过重心轴线的转动惯量(N.cm.s2):

G1- 工件的重量(N);

e1- 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm), - 起动过程所需的时间(s); — 起动过程所转过的角度(弧度)。

?G1e1 +G3e3 (N?cm ?- 手腕转动时的角速度(弧度/s);

?t??2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏

M偏)

式中: G3- 手腕转动件的重量(N);

e3- 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)

当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则G1e1?0. 3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩M封

M封?f2(RAd2?RBd1)(N?cm)

式中:d1 ，d2- 转动轴的轴颈直径(cm);

f- 摩擦系数，对于滚动轴承f?0.01，对于滑动轴承f?0.1;

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RA,RB- 处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解，

根据?M（F）?0,得: ARBl?G3l3?G2l2?G1l

RB?G1l1?G2l2?G3l3l同理，根据?MB(F)?0,得:

RA?G1(l?l1)?G2(l?l2)?G3(l?l3)l

式中:G2- 的重量(N)

l,l1,l2,l3,— 如图4-1所示的长度尺寸(cm).

4、转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。 4.2.2回转液压缸的驱动力矩计算

在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转液压缸，它的原理如图4-2所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶液压缸的压力P驱动力矩M的关系为:

p?2Mb(R?r)22M?pb(R?r)222

或

4.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核 1.尺寸设计

液压缸长度设计为b?100mm,液压缸内径为D1=96mm,半径R?48mm,轴径

?D2=26mm,半径R?13mm,液压缸运行角速度?=90/s，加速度时间?t=0.1s,

压强P?0.4MPa, 则力矩： M?pb(R?r)2622

2

?0.4?10?0.1(0.0482?0.026)2

?32.6(N.m) 23

2.尺寸校核

（1）测定参与手腕转动的部件的质量m1?10kg,分析部件的质量分布情况， 质量密度等效分布在一个半径r?50mm的圆盘上，那么转动惯量：

J?m1r22

2 ?10?0.052

?0.0125（kg.m2）

工件的质量为5kg,质量分布于长l?100mm的棒料上，那么转动惯量：

J??ml1222c5?0.112

2?0.0042(kg.m) 假如工件中心与转动轴线不重合，对于长l?100mm的棒料来说，最大偏心距

e1?50mm，其转动惯量为:

J?Jc?m1e122?0.0042?5?0.05?0.0167(kg.m)M惯

2 ?(J?J1)??t

900.1

?(0.0125?0.0167)?26.3(N.m)（2）手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏，考虑手腕转动件重心

与转动轴线重合，e1?0，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线e3?50mm,则：

M偏?G1e1 +G3e3

24

?10?10?0?5?10?0.05?2.5(N.m)

（3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为M摩，对于滚动轴承f?0.01，对于滑动轴承f=0.1，d1 ，d2为手腕转动轴的轴颈直径，d1?30mm, d2?20mm,

RA,RB为轴颈处的支承反力，粗略估计RA?300N,RB?150N,

M摩?f2(RAd2?RBd1)

(300?0.02?150?0.03) ?0.012

?0.05(N.m)

4．回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此处估计M封为M摩的3倍，

M封?3?M摩

?3?0.05 ?0.15(N.m)

?

M驱?M惯?M偏?M摩?M

?26.3?2.5?0.05?0.15 ?29(N.m)

〈M M驱 ?设计尺寸符合使用要求，安全。

25

6 液压系统主要参数

6.1液压缸和液压马达的设计计算

6.1.1 液压缸的设计计算

1.初定液压缸工作压力 液压缸工作压力主要根据运动循环各阶段中的最大总负载力来确定，此外，还需要考虑以下因素：

(1)各类设备的不同特点和使用场合。

(2)考虑经济和重量因素，压力选得低，则元件尺寸大，重量重；压力选得高1些，则元件尺寸小，重量轻，但对元件的制造精度，密封性能要求高。

所以，液压缸的工作压力的选择有两种方式：1是根据机械类型选；二是根据切削负载选。 如表6-1、表6-2所示。

表6-1 按负载选执行文件的工作压力

负载/N 工作压力/MPa ＜5000 ≤0.8～1 500～10000 1.5～2 10000～20000 2.5～3 20000～30000 3～4 30000～50000 4～5 ＞50000 ＞5 表6-2 按机械类型选执行文件的工作压力

机械类型 工作压力/MPa

6.1.2 液压缸的流量计算

式中：A为液压缸的有效面积A1或A2(m2)；vmax为液压缸的最大速度(m/s)。 液压缸的最小流量： qmin=A2vmin(m3/s) 式中：vmin为液压缸的最小速度。

液压缸的最小流量qmin，应等于或大于流量阀或变量泵的最小稳定流量。若不满

31

机 床 磨床 a≤2 组合机床 龙门刨床 3～5 ≤8 拉床 8～10 农业机械 工程机械 10～16 20～32 液压缸的最大流量： qmax=A2vmax (m3/s) （6-1）

足此要求时，则需重新选定液压缸的工作压力，使工作压力低1些，缸的有效工作面积大1些，所需最小流量qmin也大1些，以满足上述要求。

流量阀和变量泵的最小稳定流量，可从产品样本中查到。

6.2 液压马达的设计计算

6.2.1 计算液压马达排量 液压马达排量根据下式决定： vm=6.28T/Δpmηη

min

(m3/r) （6-2）

式中：T为液压马达的负载力矩(N2m)；Δpm为液压马达进出口压力差(N/m3)；

min

为液压马达的机械效率，1般齿轮和柱塞马达取0.3～0.35，叶片马达取

0.8～0.3。

6.2.2 计算液压马达所需流量液压马达的最大流量：

qmax=vm2nmax(m/s) （6-3） 式中：vm为液压马达排量(m3/r)；nmax为液压马达的最高转速(r/s)。

3

6.3 液压元件的选择

6.3.1 液压泵的确定与所需功率的计算 液压泵的确定

(1)确定液压泵的最大工作压力。液压泵所需工作压力的确定，主要根据液压缸在工作循环各阶段所需最大压力p1，再加上油泵的出油口到缸进油口处总的 ΣΔp包括油液流经流量阀和其他元件的局部压力损失、管路沿程损失等，在系统管路未设计之前，可根据同类系统经验估计，1般管路简单的节流阀调速系统ΣΔp为(2～5)3105Pa，用调速阀及管路复杂的系统ΣΔp为(5～15)3105Pa，ΣΔp也可只考虑流经各控制阀的压力损失，而将管路系统的沿程损失忽略不计，各阀的额定压力损失可从液压元件手册或产品样本中查找，也可参照表6-3选取。

表6-3 常用中、低压各类阀的压力损失(Δpn)

阀名 单向阀 Δpn(310Pa) 0.3～0.5 5压力损失ΣΔp，即 pB=p1+ΣΔp （6-4）

阀名 背压阀 Δpn(310Pa) 3～8 2～3 32

5阀名 Δpn(310Pa) 5阀名 转阀 Δpn(3105Pa) 1.5～2 3～5 行程阀 1.5～2 换向阀 1.5～3 节流阀

顺序阀 1.5～3 调速阀

(2)确定液压泵的流量qB。泵的流量qB根据执行元件动作循环所需最大流量qmax和系统的泄漏确定。

①多液压缸同时动作时，液压泵的流量要大于同时动作的几个液压缸(或马达)所需的最大流量，并应考虑系统的泄漏和液压泵磨损后容积效率的下降，即

3

qB≥K(Σq)max(m/s) （6-5）

式中：K为系统泄漏系数，1般取1.1～1.3，大流量取小值，小流量取大值；(Σq)max为同时动作的液压缸(或马达)的最大总流量(m3/s)。

②采用差动液压缸回路时，液压泵所需流量为：

qB≥K(A1-A2)vmax(m/s)

式中：A 1，A 2为分别为液压缸无杆腔与有杆腔的有效面积(m2)；vmax为活塞的最大移动速度(m/s)。

③当系统使用蓄能器时，液压泵流量按系统在1个循环周期中的平均流量选

Z3

取，即 qB=

?i?1ViK/Ti （6-6）

式中：Vi为液压缸在工作周期中的总耗油量(m3)；Ti为机器的工作周期(s)；Z为液压缸的个数。

(3)选择液压泵的规格：根据上面所计算的最大压力pB和流量qB，查液压元件产品样本，选择与PB和qB相当的液压泵的规格型号。

上面所计算的最大压力pB是系统静态压力，系统工作过程中存在着过渡过程的动态压力，而动态压力往往比静态压力高得多，所以泵的额定压力pB应比系统最高压力大25%～60%，使液压泵有1定的压力储备。若系统属于高压范围，压力储备取小值；若系统属于中低压范围，压力储备取大值。

(4)确定驱动液压泵的功率。

①当液压泵的压力和流量比较衡定时，所需功率为：

式中：pB为液压泵的最大工作压力(N/m2)；qB为液压泵的流量(m3/s)；ηB为液压泵的总效率，各种形式液压泵的总效率可参考表6-4估取，液压泵规格大，取大值，反之取小值，定量泵取大值，变量泵取小值。

表6-4 液压泵的总效率

液压泵类型 总效率

33

p=pBqB/103ηB (kW) （6-7）

齿轮泵 0.6～0.7 螺杆泵 0.65～0.80 叶片泵 0.60～0.75 柱塞泵 0.80～0.85 ②在工作循环中，泵的压力和流量有显著变化时，可分别计算出工作循环中各个阶段所需的驱动功率，然后求其平均值，即 p=t1p12+t2p22+ +tnpn2/ t1+t2+ +tn （6-8）

式中：t1，t2，?，tn为1个工作循环中各阶段所需的时间(s)；P1，P2，?，Pn为1个工作循环中各阶段所需的功率(kW)。

按上述功率和泵的转速，可以从产品样本中选取标准电动机，再进行验算，使电动机发出最大功率时，其超载量在允许范围内。 6.3.2 阀类元件的选择 1.选择依据

选择依据为：额定压力，最大流量，动作方式，安装固定方式，压力损失数值，工作性能参数和工作寿命等。 2.选择阀类元件应注意的问题

(1)应尽量选用标准定型产品，除非不得已时才自行设计专用件。 (2)阀类元件的规格主要根据流经该阀油液的最大压力和最大流量选取。选择溢流阀时，应按液压泵的最大流量选取；选择节流阀和调速阀时，应考虑其最小稳定流量满足机器低速性能的要求。

(3)一般选择控制阀的额定流量应比系统管路实际通过的流量一些，必要时，允许通过阀的最大流量超过其额定流量的20%。 6.3.3 管道的选择

1.油管类型的选择

液压系统中使用的油管分硬管和软管，选择的油管应有足够的通流截面和承压能力，同时，应尽量缩短管路，避免急转弯和截面突变。

(1)钢管：中高压系统选用无缝钢管，低压系统选用焊接钢管，钢管价格低，性能好，使用广泛。

(2)铜管：紫铜管工作压力在6.5～10MPa以下，易变曲，便于装配；黄铜管承受压力较高，达25MPa，不如紫铜管易弯曲。铜管价格高，抗震能力弱，易使油液氧化，应尽量少用，只用于液压装置配接不方便的部位。

(3)软管：用于两个相对运动件之间的连接。高压橡胶软管中夹有钢丝编织物；低压橡胶软管中夹有棉线或麻线编织物；尼龙管是乳白色半透明管，承压能力为2.5～8MPa，多用于低压管道。因软管弹性变形大，容易引起运动部件爬行，所以软管不宜装在液压缸和调速阀之间。 2.油管尺寸的确定

(1)油管内径d按下式计算：

34

d=4q?v?1.13?103qv （6-9）

式中：q为通过油管的最大流量(m3/s)；v为管道内允许的流速(m/s)。1般吸油管取0.5～5(m/s)；压力油管取2.5～5(m/s)；回油管取1.5～2(m/s)。

(2)油管壁厚δ按下式计算：

δ

≥p2d/2〔σ

式中：p为管内最大工作压力；〔σ〕为油管材料的许用压力，〔σ〕=σb/n；σ取n=6；p＞17.5MPa时，取n=4。

根据计算出的油管内径和壁厚，查手册选取标准规格油管。 6.3.4 油箱的设计

油箱的作用是储油，散发油的热量，沉淀油中杂质，逸出油中的液压体。其形式有开式和闭式两种：开式油箱油液液面与大液压相通；闭式油箱油液液面与大液压隔绝。开式油箱应用较多。

1.油箱设计要点

(1)油箱应有足够的容积以满足散热，同时其容积应保证系统中油液全部流回油箱时不渗出，油液液面不应超过油箱高度的80%。 (2)吸箱管和回油管的间距应尽量大。

(3)油箱底部应有适当斜度，泄油口置于最低处，以便排油。 (4)注油器上应装滤网。

(5)油箱的箱壁应涂耐油防锈涂料。 2.油箱容量计算

油箱的有效容量V可近似用液压泵单位时间内排出油液的体积确定。

V?K?q〕 （6-10）

b

为材料的抗拉强度；n为安全系数，钢管p＜7MPa时，取n=8；p＜17.5MPa时，

(6-11)



式中：K为系数，低压系统取2～4，中、高压系统取5～7；Σq为同1油箱供油的各液压泵流量总和。 6.3.5 滤油器的选择

选择滤油器的依据有以下几点：

(1)承载能力：按系统管路工作压力确定。 (2)过滤精度：按被保护元件的精度要求确定。 (3)通流能力：按通过最大流量确定。

(4)阻力压降：应满足过滤材料强度与系数要求。

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