沖壓機械手---液壓系統(tǒng)設計【含8張CAD圖紙和文檔資料】【GC系列】

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沖壓機械手-液壓系統(tǒng)設計 沖壓機械手-液壓系統(tǒng)設計 摘 要 本次設計的課題為沖壓機械手液壓系統(tǒng)設計，綜合運用所學的基本理論、基本知識和相關的機械設計專業(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構采用油缸、螺桿、導向筒等機械器件組成；在液壓傳動機構中，沖壓機械手的手臂伸縮采用伸縮油缸，手腕回轉采用回轉油缸，立柱的轉動采用齒條油缸，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來控制沖壓機械手進行相應的動作循環(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)總體設計 3 2.1 參數選定 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機械手回轉缸 10 3.3.3手腕回轉缸 11 第4章 液壓泵站的設計 13 4.1液壓元件及介質的選擇 13 4.1.1液壓泵 13 4.1.2液壓介質的選擇 13 4.1.3液壓閥類元件的選擇 13 4.1.4油箱的設計 15 4.1.5液壓集成閥塊設計 16 4.2其它輔助液壓裝置的設計選擇 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)的設計 18 4.3.1電動機的選擇 18 4.3.2聯軸器的選擇 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實，早在兩千年前就開始出現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并且活躍在不同的領域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到 農業(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、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新換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物，它是工 業(yè)以及非產業(yè)界的重要生產和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。 1.2 我國沖壓機械手的發(fā)展 有人認為，應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濟建設帶來高度的生產力和巨大的經濟效益，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”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前已基本掌握了沖壓機械手操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分沖壓機械手關鍵元器件，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條自動噴漆生產線（站）上獲得規(guī)模應用，弧焊沖壓機械手已應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及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產品；沖壓機械手應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距；在應用規(guī)模上，我國已安裝的國產沖壓機械手約200臺，約占全球已安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成沖壓機械手產業(yè)，當前我國的沖壓機械手生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，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，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O計，積極推進產業(yè)化進程。 第2章 沖壓機械手液壓系統(tǒng)總體設計 2.1 參數選定 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，國內現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K一般可在1.5~3，本沖壓機械手取安全系數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： 手腕回轉角度±115° 手臂伸長量150mm 手臂回轉角度±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： 手腕回轉速度 V腕回 = 40°/s 手臂伸縮速度 V臂伸 = 50 mm/s 手臂回轉速度 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。電動機帶動油泵輸出壓力油，是將電動機供給的機械能轉換成油液的壓力能。壓力油經過管道及一些控制調節(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。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換為油液的壓力能，用這壓力油驅動整個液壓系統(tǒng)工作。 ② 液動機 壓力油驅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。也有回轉運動的液動機一般叫作油馬達，回轉角小于360°的液動機，一般叫作回轉油缸（或稱擺動油缸）。 ③ 控制調節(jié)裝置 各種閥類，如單向閥、溢流閥、節(jié)流閥、調速閥、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 液壓部分的設計 3.1控制回路的選擇 沖壓機械手的液壓系統(tǒng)，根據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，如工作壓力的調整、油泵的卸荷、運動的換向、工作速度的調節(jié)以及同步運動等。 3.1.1壓力控制回路 ① 調壓回路 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置溢流閥，用它來調節(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，為防止垂直機構因自重而任意下降，可采用平衡回路將垂直機構的自重給以平衡。 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)供應高壓油液，以驅動油缸運動而做功。當一旦電機停止轉動，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動，結果產生噪音，加速油泵的磨損。在油泵出油口處加設單向閥后，隔斷系統(tǒng)中高壓油液和油泵時間的聯系，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)流調速回路。 根據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型單向調速閥等進行調節(jié)。 節(jié)流調速閥的優(yōu)點是：簡單可靠、調速范圍較大、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。 調速閥能夠隨負荷的變化而自動調整和穩(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，宜用調速閥實現節(jié)流調速。 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，實現直線往復運動和正反向轉動。 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)圖的繪制是設計液壓沖壓機械手的主要內容之一。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節(jié)回路和相應元件，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115°→拔定位銷→手臂回轉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 （手腕復位）→ 拔定位銷→手臂反轉（沖壓機械手復位）→立柱回移（回到起始位置）→待料（一個循環(huán)結束）卸荷。 上述動作均由電控系統(tǒng)發(fā)信控制相應的電磁換向閥，按程序依次步進動作而實現的。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，使行程開關的觸點閉合或依據每一步動作的預設停留時間，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液壓缸的設計 計算的主要內容是，根據執(zhí)行機構所要求的輸出力和運動速度，確定油缸的結構尺寸和所需流量、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等。 在本沖壓機械手中，用到的油缸有活塞式油缸（往復直線運動）和回轉式油缸（可以使輸出軸得到小于360°的往復回轉運動）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 油缸的無桿腔內壓力油液作用在活塞上的合成液壓力P1即油缸的驅動力為： 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 油缸的有桿腔內壓力油液作用在活塞上的合成液壓力P2即油缸的驅動力為： 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 + P封 + P慣 + P回 其中 P工 為工作阻力 P導 導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）確定油缸的結構尺寸 ①油缸內徑的計算 油缸工作時，作用在活塞上的合成液壓力即驅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： 依據材料力學薄壁筒公式，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機械手回轉缸 圖3-3齒條活塞缸計算簡圖 ① 流量、驅動力的計算 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 油缸內徑的計算 根據作用在齒條活塞上的合成液壓力即驅動力與總機械載荷的平衡條件，求得 D =（厘米） D = 45mm 3.3.3手腕回轉缸 在液壓沖壓機械手上實現手腕、手臂回轉運動的另一種常用機構是單葉片回轉油缸，簡稱回轉油缸，其計算簡圖如下： 圖12回轉油缸計算簡圖 ①流量、驅動力矩的計算 當壓力油輸入回轉油缸，使動片以角速度運動時，需要輸入回轉油缸的流量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 參與回轉運動的零部件，在啟動時的慣性力矩 M回 回轉油缸回油腔的背反力矩 M = 2.3+0.85+1.22+1.08=5.45 (N·m) ③ 回轉油缸內徑的計算 回轉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 液壓泵站的設計 4.1液壓元件及介質的選擇 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，初算時可按經驗數據選?。汗苈泛唵?、流速不大的，取Σ△p=（0.2～0.5）MPa；管路復雜，進口有調閥的，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，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，則可預選液壓泵的流量:Qp=60L/min （2）選擇液壓泵的規(guī)格 根據以上求得的pp和Qp值，按系統(tǒng)中擬定的液壓泵的形式，從產品樣本或本手冊中選擇相應的液壓泵。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%。根據以上壓力和流量的數值查閱產品樣本，最后選取雙聯葉片泵YB-35/18，其泵的流量為53L/min，額定壓力6MPa，額定轉速2700r/min。最高壓力30MP,最高轉速2500 r/min，額定功率7.5KW，重量15.5KG。 4.1.2液壓介質的選擇 液壓介質運動粘度，即液壓介質的牌號的選擇：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，所以根據液壓泵來選擇液壓介質的粘度，前面選用的是齒輪泵，根據《液壓設計與使用》，可以查到對于符合條件的液壓介質在30-70℃時推薦為HL46，這種液壓油質量比機械油高，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，選擇有定型產品的閥件。溢流閥按液壓泵的最大流量選??；選擇節(jié)流閥和調速閥時，要考慮最小穩(wěn)定流量應滿足執(zhí)行機構最低穩(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%以內的短時間過流量。 （1）先導式溢流閥 溢流閥我們根據簡單實用的原則，選用先導式直動型溢流閥：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。根據我們確定的流量為240L/min，并且前面我們已經確定了液壓回路采用板式連接，根據《機械設計手冊》我們選擇采用BG-10-V-32型，調壓范圍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換元件。它在油液壓力達到其設定壓力時，發(fā)出電信號，控制電氣元件動作，實現泵的加載或卸載、執(zhí)行元件的順序動作。本系統(tǒng)設定壓力為6MPa。查詢《機械設計手冊》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。在液壓回路的設計中已經確定了采用電液換向閥，根據《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 壓力表開關的作用主要是為了當壓力表出現問題是截斷油路。根據《液壓設計手冊》選用KF-L8/E，公稱壓力為31.5MPa。 （5）壓力表 根據系統(tǒng)壓力6MPa，查詢《液壓元件與選用》選取型號為Y-60。 （6）調速閥 在工進是流量為110L/min。調速閥工作狀態(tài)是系統(tǒng)工進的時候。所以根據工進時流量和壓力，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 單向閥我們根據簡單實用的原則，選擇板式連接，選用S型單向閥，根據確定的油路流量為200L/min，查詢《液壓元件與選用》，我們發(fā)現當通徑為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 規(guī)格 生產廠家 額定壓降MPa 1 先導式溢流閥 BG-06- C -32 1 調壓范圍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 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，根據液壓泵的最大流量為53L/min，油箱容量的經驗公式為 ?????????? (4.3) 式中 QV——液壓泵每分鐘排出壓力油的容積（m3）； ?? α——經驗系數，見表2-2。 表4-2經驗系數α 系統(tǒng)類型 行走機構 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《液壓站的設計與使用》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。根據以往設計的經驗可知箱底厚度應大于箱壁厚度，取其厚度為6mm，箱蓋厚度應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，應該把油箱升起來，油箱底離地50mm 。并且設有支架，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。支架上設置有4×φ14的螺栓固定在底板上。 4.1.5液壓集成閥塊設計 （1）控制閥的布置 液壓站的控制回路較為簡單，根據擬定的系統(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，根據前面選擇確定的液壓閥的型號。查閱《機械設計手冊》，可以得到其外形尺寸，根據其通徑尺寸確定與之對應的油路板上的尺寸。 （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計選擇 4.2.1過濾器的選擇 根據題目要求和系統(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）管道內徑計算 （4.4） 式中:d—管道內徑（mm）； q—通過管道內的流量（m3/s）； υ—管內允許流速（m/s），見表4-3。 計算出內徑d后，按標準系列選取相應的管子。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。 經計算可得：吸油路、壓油路、回油路管路的內徑分別為：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 根據系統(tǒng)壓力和流量采用無縫鋼管，選擇相應滿足要求的鋼管厚 （2.6） 式中 ——管壁厚度（m）； p——管道內最高工作壓力（Pa）； ???d——管道內徑（m）； ——材料許用拉應力，其值； ?? σb——管道材料的抗拉強度（Pa）； ?? n——安全系數，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《機械設計手冊》表選擇管的標準外徑和內徑。吸油路管路內徑和外徑為40mm、50mm，壓油路管路內徑和外徑為20mm、28mm，回油路管管路內徑和外徑為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 液位計一般設置在油箱側壁上，以指示油箱中的液面位置。通常油箱上還應該設置溫度計，以檢測其油溫，為了結構設計的合理性，選取帶溫度計的液位指示器。所以，查《機械設計手冊》選取型號AF3-Ea20B。 4.3動力系統(tǒng)的設計 4.3.1電動機的選擇 在前面已經確定了液壓泵的型號雙聯葉片泵YB-35/18，驅動功率為7.5KW,液壓泵工作壓力為6MPa，流量53L/min,根據表2-4取泵的總效率，則液壓泵驅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《機械設計手冊》取Y160M-2三相異步電動機。額定功率為7.5KW,同步轉速2970r/min，為91.5%。 4.3.2聯軸器的選擇 電機與液壓泵的傳動一般有帶傳動或者聯軸器連接兩軸，一般聯軸器是兩軸轉速相同，要求結構緊湊的場合。帶傳動是用于中心距離比較大，傳動比不為1不能采用聯軸器直接連接的傳動。根據《機械設計手冊》可以知道電動機機的轉速為，液壓泵的額定轉速為 ,最高轉速為2500r/min ,可以知道柴油機的轉速滿足液壓泵的轉速范圍，并且液壓泵站要求結構緊湊，液壓泵要求上置，所以可以確定采用聯軸器傳動。 下面進行聯軸器的選擇： 根據公式： （4.7） 其中P為電動機的輸出功率，T 為輸出軸的轉矩，n為額定轉速，效率，由此可以計算出公稱轉矩T＝N.mm。查《機械設計》第八版的工作系數，計算轉矩。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，所以應該采用彈性聯軸器，一般我們采用彈性柱銷聯軸器。。型號的選擇需要根據柴油機輸出軸的直徑才可以確定。通過查詢電機轉軸直徑為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。此管路假設最長為2m，管內經40mm，快進是流量80L/min，選用L-HL46號油正常運轉后油的運動粘度，油的密度。查《機械設計手冊》知在管路中的實際流速為： （4.9） 代入相關數據： （4.10） 代入數據： 查《液壓傳動》可知，時油在管路中呈層流狀態(tài)，其沿程阻力系數為： （4.11） 按如下公式求得壓力損失： （4.12） 代入相關數據： 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，形成漩渦產生能量損失。即局部損失： (4.13) 式中：—局部壓力損失因數，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，通風條件良好取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K1（W/（m2·℃）） 冷卻條件 K1 通風條件很差 8～9 通風條件良好 15～17 用風扇冷卻 23 循環(huán)水強制冷卻 110～170 表4-6各種機械允許油溫（℃） 液壓設備類型 正常工作溫度 最高允許溫度 數控機床 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)行機構的動作均由電控系統(tǒng)發(fā)信號控制相應的電磁換向閥，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，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動，手臂的伸出和升降速度分別由單向調整閥15、13和11實現回油節(jié)流調速；手臂及手腕的回轉由擺動液壓缸驅動，其正反向運動亦采用單向調速閥17和18、23和24回油節(jié)流調速。 3）執(zhí)行機構的定位和緩沖是沖壓機械手工作平穩(wěn)可靠的關鍵。從提高生產率來說，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，這不僅會影響到沖壓機械手的定位精度，嚴重時還會損傷機件。因此為達到沖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，調節(jié)換向時間，亦增加緩沖效果。由于手臂的回轉部分質量圈套，轉速較高，運動慣性矩圈套，系統(tǒng)的手臂回轉缸除采用單向調速閥回油節(jié)流調速外，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 + + + + 拔定位銷 + 手臂回轉 + + 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 + + + + 拔定位銷 + 手臂反轉 + + 待料卸載 + + 5.2繼電器--接觸器控制線路設計 對于線路的設計我們采用的是邏輯設計法，根據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，從而實現手臂縮回功能 （7）手腕回轉 當手臂伸縮缸向右縮到一定位置時觸動行程開關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，手腕回轉缸開始轉動，從而實現手腕回轉功能 （8）拔定位銷 當手腕回轉缸轉動到一定位置時觸動行程開關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 當定位缸向左滑動到一定位置時會觸動行程開關ST8，電磁閥7Y得電并自鎖，手臂回轉缸開始轉動，實現手臂回轉功能。 （10）插定位銷 當手臂回轉缸轉動到一定位置時會觸動行程開關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，其輔助動合點關閉，12Y得電，K26得電，沖壓機械手的定位缸右移，觸動行程開關ST11時，插上定位銷。 （11）手臂前伸 當定位缸觸動行程開關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，實現手臂前伸功能。 （12）手臂中停 當手臂伸縮缸觸動行程開關ST11，中間