液压系统的设计

8 液压系统的设计

8.1液压系统简介

机械手的液压传动是以有压力的油液作为传递动力的工作介质。电动机带动油泵输出压力油，是将电动机供给的机械能转换成油液的压力能。压力油经过管道及一些控制调节装置等进入油缸，推动活塞杆运动，从而使手臂作伸缩、升降等运动，将油液的压力能又转换成机械能。手臂在运动时所能克服的摩擦阻力大小，以及夹持式手部夹紧工件时所需保持的握力大小，均与油液的压力和活塞的有效工作面积有关。手臂做各种运动的速度决定于流入密封油缸中油液容积的多少。这种借助于运动着的压力油的容积变化来传递动力的液压传动称为容积式液压传动，机械手的液压传动系统都属于容积式液压传动。

8.2液压系统的组成

液压传动系统主要由以下几个部分组成：

①油泵它供给液压系统压力油，将电动机输出的机械能转换为油液的压力能，用这压力油驱动整个液压系统工作。

②液动机压力油驱动运动部件对外工作部分。手臂做直线运动，液动机就是手臂伸缩油缸。也有回转运动的液动机一般叫作油马达，回转角小于360°的液动机，一般叫作回转油缸（或称摆动油缸）。

③控制调节装置各种阀类，如单向阀、溢流阀、节流阀、调速阀、减压阀、顺序阀等，各起一定作用，使机械手的手臂、手腕、手指等能够完成所要求的运动。

8.3机械手液压系统的控制回路

机械手的液压系统，根据机械手自由度的多少，液压系统可繁可简，但是总不外乎由一些基本控制回路组成。这些基本控制回路具有各种功能，如工作压力的调整、油泵的卸荷、运动的换向、工作速度的调节以及同步运动等。

8.3.1 压力控制回路

①调压回路在采用定量泵的液压系统中，为控制系统的最大工作压力，一般都在油泵的出口附近设置溢流阀，用它来调节系统压力，并将多余的油液溢流回油箱。

②卸荷回路在机械手各油缸不工作时，油泵电机又不停止工作的情况下，为减少油泵的功率损耗，节省动力，降低系统的发热，使油泵在低负荷下工作，所以采用卸荷回路。此机械手采用二位二通电磁阀控制溢流阀遥控口卸荷回路。

③减压回路为了是机械手的液压系统局部压力降低或稳定，在要求减压的支路前串联一个减压阀，以获得比系统压力更低的压力。

④平衡与锁紧回路在机械液压系统中，为防止垂直机构因自重而任意下降，可采用平衡回路将垂直机构的自重给以平衡。

为了使机械手手臂在移动过程中停止在任意位置上，并防止因外力作用而发生位移，可采用锁紧回路，即将油缸的回油路关闭，使活塞停止运动并锁紧。本机械手采用单向顺序阀做平衡阀实现任意位置锁紧的回路。

⑤油泵出口处接单向阀在油泵出口处接单向阀。其作用有二：第一是保护油泵。液压系统工作时，油泵向系统供应高压油液，以驱动油缸运动而做功。当一旦电机停止转动，油泵不再向外供油，系统中原有的高压油液具有一定能量，将迫使油泵反方向转动，结果产生噪音，加速油泵的磨损。在油泵出油口处加设单向阀后，隔断系统中高压油液和油泵时间的联系，从而起到保护油缸的作用。第二是防止空气混入系统。在停机时，单向阀把系统能够和油泵隔断，防止系统的油液通过油泵流回油箱，避免空气混入，以保证启动时的平稳性。

8.3.2 速度控制回路

液压机械手各种运动速度的控制，主要是改变进入油缸的流量Q。其控制方法有两类：一类是采用定量泵，即利用调节节流阀的通流截面来改变进入油缸或油马达的流量；另一类是采用变量泵，改变油泵的供油量。本机械手采用定量油泵节流调速回路。

根据各油泵的运动速度要求，可分别采用LI型单向节流阀、LCI型单向节流阀或QI型单向调速阀等进行调节。

节流调速阀的优点是：简单可靠、调速范围较大、价格便宜。其缺点是：有压力和流量损耗，在低速负荷传动时效率低，发热大。

采用节流阀进行节流调速时，负荷的变化会引起油缸速度的变化，使速度稳定性差。其原因是负荷变化会引起油缸速度的变化，使速度稳定性差。其原因是负荷变化会引起节流阀进出油口的压差变化，因而使通过节流阀的流量以至油缸的速度变化。

调速阀能够随负荷的变化而自动调整和稳定所通过的流量，使油缸的运动速度不受负荷变化的影响，对速度的平稳性要求高的场合，宜用调速阀实现节流调速。

8.3.3 方向控制回路

在机械手液压系统中，为控制各油缸、马达的运动方向和接通或关闭油路，通常采用二位二通、二位三通、二位四通电磁阀和电液动滑阀，由电控系统发出电信号，控制电磁铁操纵阀芯换向，使油缸及油马达的油路换向，实现直线往复运动和正反向转动。

目前在液压系统中使用的电磁阀，按其电源的不同，可分为交流电磁阀（D型）和直流电磁阀（E型）两种。交流电磁阀的使用电压一般为220V（也有380V或36V），直流电磁阀的使用电压一般为24V（或110V）。这里采用交流电磁阀。交流电磁阀起动性能好，换向时间短，接线简单，价廉，但是如吸不上时容易烧坏，可靠性差，换向时有冲击，允许换向频率底，寿命较短。

8.4 机械手的液压传动系统

液压系统图的绘制是设计液压机械手的主要内容之一。液压系统图是各种液压元件为满足机械手动作要求的有机联系图。它通常由一些典型的压力控制、流量控制、方向控制回路加上一些专用回路所组成。

绘制液压系统图的一般顺序是：先确定油缸和油泵，再布置中间的控制调节回路和相应元件，以及其他辅助装置，从而组成整个液压系统，并用液压系统图形符号，画出液压原理

图。

8.4.1 上料机械手的动作顺序

本液压传动上料机械手主要是从一个地方拿到工件后，横移一定的距离后把工件给立式精锻机进行加工。它的动作顺序是：待料（即起始位置。手指闭合，待夹料立放）→ 插定位销→ 手臂前伸→ 手指张开→ 手指夹料→ 手臂上升→ 手臂缩回→ 立柱横移→ 手腕回转115° → 拔定位销→ 手臂回转115° → 插定位销→ 手臂前伸→ 手臂中停（此时立式精锻机的卡头下降→ 卡头夹料，大泵卸荷）→ 手指松开（此时精锻机的卡头夹着料上升）→ 手指闭合→ 手臂缩回→ 手臂下降→ 手腕反转（手腕复位）→ 拔定位销→ 手臂反转（上料机械手复位）→ 立柱回移（回到起始位置）→ 待料（一个循环结束）卸荷。

上述动作均由电控系统发信控制相应的电磁换向阀，按程序依次步进动作而实现的。该电控系统的步进控制环节采用步进选线器，其步进动作是在每一步动作完成后，使行程开关的触点闭合或依据每一步动作的预设停留时间，使时间继电器动作而发信，使步进器顺序“跳步”控制电磁阀的电磁铁线圈通断电，使电磁铁按程序动作（见电磁铁动作程序表）实现液压系统的自动控制。

8.4.2 自动上料机械手液压系统原理介绍

图9 机械手液压系统图

液压系统原理如图8所示。该系统选用功率N =7.5千瓦的电动机，带动双联叶片泵YB-35/18 ，其公称压力为60*105帕，流量为35升/分+18升/分=53升/分，系统压力调节

为30*105帕，油箱容积选为250升。手臂的升降油缸及伸缩油缸工作时两个油泵同时供油；手臂及手腕的回转和手指夹紧用的拉紧油缸以及手臂回转的定位油缸工作时只有小油泵供油，大泵自动卸荷。

手臂伸缩、手臂升降、手臂回转、手臂横向移动和手腕回转油路采用单向调速阀（QI-63B、QI-25B、QI-10B）回程节流，因而速度可调，工作平稳。

手臂升降油缸支路设置有单向顺序阀（XI-63B），可以调整顺序阀的弹簧力使之在活塞、活塞杆及其所支承的手臂等自重所引起的油液压力作用下仍保持断路。工作时油泵输出的压力油进入升降油缸上腔，作用在顺序阀的压力增加使之接通，活塞便向下运动。当活塞要上升时，压力油液经单向阀进入升降油缸下腔而不会被顺序阀所阻，这样采用单向顺序阀克服手臂等自重，以防下滑，性能稳定可靠。

手指夹紧油缸支路装有液控单向阀（IY-25B），使手指夹紧工件时不受系统压力波动的影响，保证保证手指夹持工件牢靠。当反向进油时，油箱通过控制油路将单向阀芯顶开，使回油路接通，油液流回油箱。

在手臂回转后的定位所用的定位油缸支路要比系统压力低，为此在定位油缸支路前串有减压阀（J-10），使定位油缸获得适应压力为15—18*105帕，同时还给电液动滑阀（或称电液换向阀，34DY-63B）来实现，空载卸荷不致使油温升高。系统的压力由溢流阀来调节。

此系统四个主压力油路的压力测量，是通过转换压力表开关（K-3B）的位置来实现的，被测量的四个主油路的压力值，分别从压力表（Y-60）上表示出来。

下面以上料机械手的一个典型动作程序为例，结合图9来说明其动作循环。

当电动机启动，带动双联叶片泵3和8回转，油液从油箱1中通过网式滤油器2和7，经过叶片泵被送到工作油路中去，如果机械手还未启动，则油液通过二位二通电磁阀5和10（电磁铁11DT和12DT通电）进行卸荷。

当热棒料到达上料的位置后，由于1150℃的热料使光电继电器发出电信号（或经过人工启动），经过步进选线器跳步，使机械手开始按程序动作。此时卸荷停止（二位二通电磁阀5和10的电磁铁断电），电磁铁8DT通电，压力油进到定位油缸的无杆腔进行定位动作。定位后此支油路系统压力升高，压力继电器40发出电信号，经过步进选线器跳步使电磁铁1DT通电，电液换向阀25从“O”型滑滑机能状态变成通路，压力油泵从3和8经单向阀6、14和13，经过电液换向阀25右边通道进入手臂伸缩油缸的右腔，使活塞杆带动导向杆作前伸运动（因活塞缸固定），手臂前伸到适当位置，装在手臂上的碰铁碰行程开关发出电信号，经步进选线器和时间继电器延时，是电磁铁3DT通电，手指张开；手臂靠惯性滑行，手指移到待上料的中心位置。在延时结束时，3DT断电，手指夹紧料；并同时发信、跳步，使电磁铁4DT通电，压力油从工作油路39经电液换向阀33右边通道、单向调速阀34的单向阀及单向顺序阀35的单向阀进入手臂升降油缸的下腔，推动手臂上升。在手臂上

升到预定位置，碰行程开关，使电磁铁4DT断电，电液换向阀33复位成“O”型滑阀机能状态，发出电信号经步进选线器跳步，使电磁铁2DT通电，电液换向阀25左边接通油路，压力油通过电液换向阀25左边通道，经过单向调速阀26的单向阀进入受臂伸缩油缸左腔使受臂缩回。同时发信、跳步，使电磁铁13DT通电，压力油通过电液换向阀41的左腔，推动手臂横向移动。当横向移动机构上的碰铁碰到行程开关，使13DT断电，并发出电信号经步进选线器跳步使6DT通电，则换向阀18右边接通油路，压力油通过单向调速阀19的单向阀进入手腕回转油缸一腔，使手腕回转115°，手腕上的碰铁碰行程开关使6DT断电，换向阀18复位成“O”型滑阀机能状态，同时亦使8DT断电，定位油缸复位（拔销）；压力继电器复位，发出电信号。经步进选线器跳步，使电磁铁9DT通电，换向阀28右边通道接通油路，压力油经QI（31）的单向阀进入手臂回转油缸一腔使手臂回转115°。当手臂的回转碰铁碰行程开关使9 DT断电，换向阀28复位成“O”型滑阀机能状态；并发出电信号。步进选线器跳步，使8DT通电，定位油缸17动作，插定位销，压力继电器40发出电信号经发出电信号。经步进选线器跳步，使电磁铁1DT通电，手臂前伸；当手臂将棒料送到立式精锻机的夹头轴线前的适当距离，手臂的碰铁碰行程开关，1DT断电，手臂靠滑行和定位螺钉使手臂将棒料送到夹头轴线处；并发出电信号、跳步使12DT通电，大泵卸荷，手臂处于“中停”位置，同时发出电信号使立式精锻机启动，夹头下降，行程开关发信，通过时间继电器使夹头闭合将棒料夹牢，精锻机电控系统发信，给机械手电控系统，经过选线器跳步，时间继电器延时使3DT通电，机械手手指松开（同时，精锻机的电控系统发信使夹头提升），延时到3DT断电，手指闭合，并发出电信号，步选器跳步，2DT通电，手臂缩回。当手笔碰铁碰到行程开关时，2DT断电（手臂缩回停）；并发出电信号和跳步，使5DT通电，电液换向阀33的左边通道接通油路，压力油经QI（36）的单向阀进到升降缸的上腔，使手臂下降，当升降导套上的碰铁碰行程开关时，5DT断电（手臂下降停）；并发出电信号和跳步，使7DT 通电，换向罚18的左边通道接通油路，压力油QI（20）的单向阀进入手腕回转油缸的另一腔，使手腕反转115°；手腕上的碰铁碰行程开关，使7DT断电并发出电信号、跳步，使8DT 断电（拔定位销），压力继电器复位发出电信号、跳步，使10DT通电，换向阀28左边通道接通油路，压力油经QI（29）的单向阀进入手臂回转油缸的另一腔，使手臂反转115°（机械手复位）。当手臂上的回转碰铁碰行程开关时，10DT断电，并发出信号，跳步，使14DT 通电，立柱回移（回到原位，机械手回到原来位置）；步进选线器跳步，使11DT和12DT 通电（两个油泵同时卸荷），机械手的动作循环结束。

8.5机械手液压系统的简单计算

计算的主要内容是，根据执行机构所要求的输出力和运动速度，确定油缸的结构尺寸和所需流量、确定液压系统所需的油压与总的流量，以及选择油泵的规格和选择油泵电动机的功率。确定各个控制阀的通流量和压力以及辅助装置的某些参数等。

在本机械手中，用到的油缸有活塞式油缸（往复直线运动）和回转式油缸（可以使输出轴得到小于360°的往复回转运动）及无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸）。

8.5.1 双作用单杆活塞油缸

图10 双作用单杆活塞杆油缸计算简图

①流量、驱动力的计算

当压力油输入无杆腔，使活塞以速度V1运动时所需输入油缸的流量Q1为 Q1 = 40

πD 2V1 对于手臂伸缩油缸：Q1=0.98cm 3/s ， 对于手指夹紧油缸：Q1=1.02 cm 3/s ,

对于手臂升降油缸：Q1=0.83 cm 3/s

油缸的无杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力P1即油缸的驱动力为：

P1 =4

π D 2p1 对于手臂伸缩油缸：p1=196N ， 对于手指夹紧油缸：p1=126N ，对于手臂升降油缸：p1=320N

当压力油输入有杆腔，使活塞以速度V2运动时所需输入油缸的流量Q2为： Q2 = 40

π（D 2-d 2）V2 对于手臂伸缩油缸：Q1=0.87cm 3/s ， 对于手指夹紧油缸：Q1=0.96 cm 3/s ,对于手臂

升降油缸：Q1=0.72 cm 3

/s

油缸的有杆腔内压力油液作用在活塞上的合成液压力P2即油缸的驱动力

为：

P2 =4

π （D 2-d 2）p1 对于手臂伸缩油缸：p1=172N ， 对于手指夹紧油缸：p1=108N ，对于手臂升降油缸：p1=305N

② 计算作用在活塞上的总机械载荷

机械手手臂移动时，作用在机械手活塞上的总机械载荷P 为

P = P 工 + P 导 + P 封 + P 惯 + P 回

其中 P 工 为工作阻力

P 导 导向装置处的摩擦阻力

P 封 密封装置处的摩擦阻力

P 惯 惯性阻力

P 回 背压阻力

P = 83+125+66+80+208=562(N)

③确定油缸的结构尺寸

㈠油缸内径的计算 油缸工作时，作用在活塞上的合成液压力即驱动力与活塞杆上所受的总机械载荷平衡，即

P = P1（无杆腔） = P2 （有杆腔）

油缸（即活塞）的直径可由下式计算

D = 1

4P P π = 1.131P p 厘米 （无杆腔） 对于手臂伸缩油缸：D=50mm ， 对于手指夹紧油缸：D=30mm ，对于手臂升降油缸：D=80mm ，对于立柱横移油缸：D = 40mm

或D = 1

142

P d P P ππ+ 厘米 （有杆腔） ㈡ 油缸壁厚的计算：

依据材料力学薄壁筒公式，油缸的壁厚ξ可用下式计算： ξ = []

σ2D p 计 厘米

P 计 为计算压力

[]σ 油缸材料的许用应力。

对于手臂伸缩油缸：ξ =6mm ， 对于手指夹紧油缸：ξ =17mm ，对于手臂升降油缸：ξ =16mm , 对于立柱横移油缸: ξ=17mm

㈢ 活塞杆的计算

可按强度条件决定活塞直径d 。活塞杆工作时主要承受拉力或压力，因此活塞杆的强度计算可近似的视为直杆拉、压强度计算问题，即

σ =

4

2πd P ≦ []σ

即 d ≧[]

σπP 4 厘米 对于手臂伸缩油缸：d =30mm ， 对于手指夹紧油缸：d =15mm ，对于手臂升降油缸：d=50mm ,

对于立柱横移油缸:d=16mm

8.5.2 无杆活塞油缸（亦称齿条活塞油缸）

图11 齿条活塞缸计算简图

① 流量、驱动力的计算

Q = 1332ϖ

πd D

当D=103mm,d=40mm,ϖ=0.95 rad/s 时

Q = 952N

② 作用在活塞上的总机械载荷P

P = P 工 + P 封 + P 惯 + P 回

其中 P 工 为工作阻力

P 封 密封装置处的摩擦阻力

P 惯 惯性阻力

P 回 背压阻力

P = 66+108+208=382（N ）

③ 油缸内径的计算

根据作用在齿条活塞上的合成液压力即驱动力与总机械载荷的平衡条件，求得

D =

p

P π4 （厘米） D = 45mm

8.5.3 单叶片回转油缸

在液压机械手上实现手腕、手臂回转运动的另一种常用机构是单叶片回转油缸，简称回转油缸，其计算简图如下：

图12 回转油缸计算简图

①流量、驱动力矩的计算

当压力油输入回转油缸，使动片以角速度ϖ运动时，需要输入回转油缸的流量Q 为：

Q = 400

)(322ϖd D b - 当D=100mm,d=35mm,b=35mm, ϖ=0.95 rad/s 时

Q=0.02m 3

/s

回转油缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩M ： M = 8

)(22d D pb - 得M = 0.8 (N·m)

② 作用在动片（即输出轴）上的外载荷力矩 M

M = M 工 +M 封 + M 惯 + M 回

其中 M 工 为工作阻力矩

M 封 密封装置处的摩擦阻力矩

M 惯 参与回转运动的零部件，在启动时的惯性力矩 M 回 回转油缸回油腔的背反力矩

M = 2.3+0.85+1.22+1.08=5.45 (N·m)

③ 回转油缸内径的计算

回转油缸的动片上受的合成液压力矩与其上作用的外载荷力矩相平衡，可得：

D = 28d bp

M + （厘米） D = 30mm

8.5.4油泵的选择

一般的机械手的液压系统，大多采用定量油泵，油泵的选择主要是根据系统所需要的油泵工作压力p 泵 和最大流量Q 泵来确定。

⑴ 确定油泵的工作压力p 泵

p 泵 ≧ p + ∑△p

式中 p ——油缸的最大工作油压

∑△p ——压力油路（进油路）各部分压力损失之和，其中包括各种元件的局部损失和管道的沿程损失。

p 泵= 60*105

帕 ⑵ 确定油泵的 Q 泵

油泵的流量，应根据系统个回路按设计的要求，在工作时实际所需的最大流量Q 最大，并考虑系统的总泄漏来确定

Q 泵 = K Q 最大

其中K 一般取1.10—1.25

Q 泵=53升/分

8.5.5 确定油泵电动机功率N

N = η

612pQ （千瓦） 式中 p ——油泵的最大工作压力

Q ——所选油泵的额定流量

η——油泵总效率

N=7.5（千瓦）