毕业设计（论文）-基于CAD的汽车半轴模锻生产线液压系统设计.doc

南京理工大学泰州科技学院毕业设计说明书(论文)作 者:学 号：学院(系):机械工程学院专 业:机械工程及自动化题 目:基于cad的汽车半轴模锻生产线液压系统设计（1）副教授指导者： 副教授评阅者： 2011 年 6 月诚信保证书本人保证：所呈交的毕业设计(论文)是我在导师指导下独立进行设计所取得的成果，尽我所知，除文中已经注明引用的内容和致谢部分外，本毕业设计(论文)成果不包含任何他人享有著作权的内容。尽管导师指导多名同学，因每人一个设计题目，相互间虽有切磋、交流，但不存在抄袭、剽窃。如有不实，愿承担一切后果。作者签名： 日 期： 年 月 日毕业设计说明书（论文）中文摘要 本文介绍了汽车半轴模锻生产线及机器人1的液压系统的设计。首先介绍了液压驱动在工程中的应用及该自动化生产线的总体方案，其次对液压缸的主要参数进行了计算和液压缸的选型，液压基本回路的设计，液压泵主要参数的计算及选型，液压阀和辅助元件的选择，管件的选择，再对集成块进行了设计，液压泵站的设计计算，最后对整个液压系统进行了压力损失和温升的验算。完成了整个生产线及机器人1的液压系统原理图，集成块设计图以及液压泵站总装图的绘制。关键词 汽车制造 自动化生产线 液压驱动 机器人 毕业设计说明书（论文）外文摘要title based on cad of automatic production line of hydraulic system design abstractthis article describes the vehicle axle forging production line and the robot 1 of the hydraulic system design. first introduced the hydraulic drive applications in engineering and the overall scheme of automated production lines, followed by the main parameters of the hydraulic cylinder is calculated and the selection of hydraulic cylinders, hydraulic basic circuit design, hydraulic calculation and selection of main parameters , hydraulic valves and auxiliary components of choice, the choice of pipe, and then the manifold has been designed, hydraulic pump station design and calculation, and finally the entire hydraulic system pressure loss and temperature rise checked.completion of the entire production line and the robot a schematic diagram of hydraulic system, hydraulic pump station manifold assembly design and mapping. keywords automotive automated production hydraulic drive robot 本科毕业设计说明书(论文) 第 i 页 共37 页目 录1 前言11.1 液压技术在工程中的应用11.2 液压传动技术的特点21.3 工业机器人31.4 研究内容及任务32 汽车半轴模锻自动化生产线的总体方案设计42.1 汽车半轴摆碾工艺42.2 汽车半轴模锻自动化生产线总体方案42.3 小结53 机器人1的液压系统的设计与计算63.1 机器人1的运动分析63.2 机器人1的主要参数63.3 机器人1的工况分析113.4 机器人1的液压系统图的拟定153.5 翻转机构和传动机构的液压系统图的拟定194 液压元件的选用224.1 确定液压泵的规格和驱动电机功率214.2 阀类元件及辅助元件的选择214.3 油管的选择214.4 管接头的选择254.5 油箱容量的确定254.6 集成块的设计264.7 液压油的选用295 液压泵站的设计305.1 液压系统性能的验算305.2 液压泵站的选择与设计336 总 结34结束语35致 谢36参 考 文 献37 本科毕业设计说明书(论文) 第 38 页 共 37 页1 前言目前汽车半轴模锻生产线所存在的问题有，工人的劳动强度大，生产过程不连续，生产的流程无序，工作环境也存在着隐患，产量不稳定，所以导致了产品的质量和数量不能满足企业的社会竞争。这就要求汽车零部件生产的企业改变以往的大部分靠人工生产的模式，采用工业机器人参与的自动化生产的模式。这种自动化生产的模式可以大大的减小工人的劳动强度，提高主设备的生产效率。1.1 液压技术在工程中的应用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。它能够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。张立平在液压控制系统及设计中介绍过一些，比如“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1。”我很受启发，在实际企业生产中一定要考虑成本的。为了节约成本，我们选择液压传动。在磨床操作中会使用到液压驱动系统。液压油产生的热量进入到机身引起膨胀和变形，影响工件研磨的精度；液压系统产生震动传到磨床底部，导致工件上产生摆动痕迹。这些都是由液压系统与主机一体所引起的。王春行在液压控制系统中谈到“平稳、消震、无段进给等优质特点的液压系统是必不可少的2。”这个对我设计机器人液压系统是有很大的参考价值的。设计良好的液压系统能给机器人带来更加稳定的运转。使其在操作中避免液压油的过度发热，减少内在力的缓冲。陈全胜在装夹机械手液压设计中设计出的换向回路中谈到，“系统对换向的平稳性要求不是很高时, 可以选用价格比较低的电磁换向阀控制的换向回路。为了方便差动联接, 选用三位五通电磁换向阀。为了调速方便和增加液压夹紧支路, 选用y 型中位机能换向阀。为了控制位移精度, 提高换向位置精度, 采用死挡块加电压继电器的行程终点转换控制3。”这对我的启发很大，这要求我在选择液压元件的时候要充分地考虑到最后一切可能产生的结果，这有许多东西能够借鉴到我的设计中去的。目前的液压机最大的标定压力已达到750mn，液压系统在高压，大流量的情况下工作的可靠性要好，滑阀式的液压阀已经不能满足要求，就要考虑到使用插装阀。袁野在插装阀在液压机液压系统中的应用中谈到，“插装阀f3与电磁阀5组成二位二通电磁阀，可以控制主液压缸上腔的进油。插装阀f4与调压阀6组成安全阀4。”这里所介绍的关于怎样使用插装阀与其他液压元件的组合方法对我设计液压系统是很有帮助的。大吨位的起重机上大多采用闭式系统，使得具有良好的运动平稳性。闫增强在液压闭式系统在起重机上的应用中说过，“pr100履带起重机采用闭式系统，在安全方面，补油泵经过滤器和安全溢流阀向系统中的低压侧供油，安全溢流阀在过滤器被堵时打开5。”这对我的感触很大，安全生产对企业是很重要的，这就要求我在设计液压系统的时候，要充分地考虑到所选的液压环境，合适的选择闭式或开式系统。传统的管，板式结构的液压传动系统管路复杂，已经不适应了生产发展。液压集成块现在被广泛地应用到各种机床中去。姚平在液压集成块在设备改造中的应用中谈到液压集成块在cy665滚子车床上的应用，“系统中每两台设备由1台1.5kw的电机和1台cb-b25齿轮泵，4个液压集成块组成，实现减压阀和溢流阀的互换性6。”从中我们发现设计的夹紧集成块既具有调压功能，又有减压功能，充分地发挥了液压集成块的灵活性。这对我在设计集成块时是很有参考价值的，使得设计出的液压系统安全并且低能耗。1.2 液压传动技术的特点液压传动具有通用性、多功能性和可控性的特点，因此在生产中有着广泛的应用。液压传动系统外形设计灵活、多样，不受几何外形和外形尺寸方面的制约，现在越来越多的工业领域包括控制生产操作、机械设备、制造过程和物料传递等越来越多地依赖以自动化，以提高生产率、减少人力劳动强度、降低生产成本，提高了企业的竞争力。液压传动相比于其他的传动方式有以下的优点：通过调节流量可以实现无级调速，而且调速范围也大，容易获得极低的速度。液压系统靠油液的连续流动传递运动，油液几乎不可以压缩，且又具有吸振能力，使得执行元件的运动平稳。液压系统里的驱动执行元件做功的机械能也比较大，即承载能力大。液压元件在液压油中工作，润滑条件充分，使用寿命也长。液压传动操作简单，安全，易于实现生产自动化和实现过载保护。由于液压元件的标准和通用化，系列化，使得在设计液压系统时比较方便。液压系统有很多的优点，但也存在着不足之处：在传动时，由于运动部件之间会产生一定的泄露，不能保证传动比的准确性。由于在传动中存在较多的能量损失，不易于实现远距离传递。油液黏度的变化会影响系统工作的稳定性。在油液中混入空气时容易产生振动和噪声。在发生故障时不易于检查和排除。液压元件的制造精度要求高，系统维护的技术水平要求高。近年来，随着液压技术的不断发展，液压元件的体积不断地缩小，高度的组合化和模块化，并且与微电子，计算机技术不断地结合，从而进一步的实现智能自动化。结合本课题所要求设计的液压系统，根据汽车半轴模锻生产线的改造方案，我选择液压传动。相比较而言，液压传动还是比较好的驱动方式。1.3 工业机器人工业机器人由操作机(机械本体)、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。机器人应用在汽车零部件自动化生产上占有很大的比例，成为超越美国变成全球第一大汽车市场，汽车需求量的不断增大，更加证明了机器人在汽车自动化生产的不可缺少。国际汽车制造业向中国的转移，扩大了未来应用机器人的空间，汽车行业在不断发展的同时，也经历着产业升级，表现为汽车生产自动化程度的不断提高，为机器人带来广阔的发展空间7，8。1.4 研究内容及任务 我们一组负责对整条生产线进行设计，该生产线采用三台机器人搬运胚料和上下料，自动传送链传送胚料，并采用液压驱动。我所负责的是对汽车半轴模锻生产线液压系统及搬运机器人1液压系统的设计。在接下来的几章中，先讨论和设计汽车半轴模锻自动化生产线的总体方案，再进行机器人1的总体方案地讨论和设计，对机器人1的液压系统图进行确定，再来选择液压元件，再进行集成块的设计，最后进行液压站的设计。运用cad软件画出整个生产线及机器人1的液压系统原理图，集成块设计图以及液压泵站总装图的绘制。2 汽车半轴模锻自动化生产线的总体方案设计2.1 汽车半轴摆碾工艺汽车半轴是车轮转动的直接驱动件，是传递扭矩的一个重要零件。汽车在运行的时候，发动机输出的扭矩，经过多级变速和传动器传递给半轴，再由半轴传到车轮上，推动汽车前进和后退。汽车半轴在工作的时候要承受冲击，交变弯曲疲劳荷载和扭力的作用，所以要求材料有足够的抗弯强度和较好的韧性。过去的半轴锻件是在空气锤上采用胎模锻造，这个工艺比较落后，锻件的精度低，工件的表面质量差，成本高，生产率低，工人的劳动强度大。而现在半轴的摆碾新工艺能够解决这些问题。摆碾机的原理是利用一个绕中心迅速滚动的圆锥形上模对毛坯端面局部加压，使毛坯逐步成形的一种加工方法。摆辗加工只要一次加热就可以直接成形，缩短了加工周期，大大提高了生产效率，加工出的工件质量高，尺寸精度高，便于实现机械化操作，劳动条件好。2.2 汽车半轴模锻自动化生产线总体方案 汽车半轴生产工艺主要有三个部分见图2.1所示，分别是锻压花键端、预成型、摆碾。锻压花键端时需要一台200t的压机1和机器人1，通过机器人1将毛坯翻转90竖直送入压机1，进行合模成型。预成型时通过机器人1将毛坯旋转90竖直送入200t的压机2进行加工。摆碾时通过机器人2将毛坯旋转30送入摆碾机进行加工。传统的该生产线的工艺过程中，搬运坯料和上下料采用的是人工操作，该方案中采用了这三台机器人来完成这些动作。为了方便整条生产线的统一协调动作，这条生产线中还包括了传送链和三台翻转机构。生产线中有两台加热炉，是为了给两台压机对坯料的两端进行模锻做准备的。该自动化生产线的方框简图见图2.1。图2.1 生产线方框简图整条自动化生产线采用的是液压驱动。三台机器人、三个翻转机构、传送链的驱动力来自于液压驱动。液压驱动比传统的电机驱动的效率高910倍，液压驱动是靠油液的连续流动来传递运动，油液几乎不可以压缩，且又具有吸振能力，使得执行元件的运动平稳。液压系统里的驱动执行元件做功的机械能也比较大，从而使得液压系统的承载能力大。液压驱动比电机驱动的操作简单，安全，易于实现生产自动化和实现过载保护。综上所述，在本方案中我选择采用液压驱动。压机1、压机2和一台摆碾机是靠自带的液压系统来进行液压驱动的。我们采用plc电气控制，来协调控制好所有动作，控制好每个动作，确定出工作节拍。2.3 小结 本章介绍了汽车半轴模锻自动化生产线的总体方案。对汽车半轴传统的生产工艺和现代工艺进行了比较。用摆碾工艺代替传统的胎模锻工艺加工汽车半轴，效果较好，然后介绍了整条自动化生产线的总体方案，最后重点介绍了采用液压驱动比传统的电机驱动所具有的优势。3 机器人1的液压系统的设计与计算3.1 机器人1的运动分析机器人1的工作要求是搬运胚料和上下料，胚料一端加热后，手爪夹紧，通过回转缸将胚料从水平位置旋转到垂直方向，并保持垂直利用伸缩缸将胚料平推入锻压机；锻压后，保持垂直平拉出锻压机，再由垂直转为水平方向，放到传送链。机器人1的一个动作循环是：手爪抓紧手臂正转90手臂伸出手爪松开等待时间时间到，手爪抓紧手臂收缩手臂逆转90手爪松开。 搬运机器人1主要用到夹紧缸，回转液压缸和伸缩液压缸。手部的液压缸用于手指的夹紧与松开，机器人1的手部液压系统在设计的时候要考虑到两个单杆缸同时锁紧和松开。回转液压缸的回转角为90，作用是将胚料由水平放置变为垂直。伸缩缸主要将胚料保持垂直平推入锻压机，锻压后，保持垂直平拉出锻压机。最后再通过回转缸再由垂直转为水平方向，放到传送链。在确定了执行元件后，通过计算液压缸的负载和速度，选择合适的液压元件，拟定液压回路，最终确定液压系统图9，10。 在设计液压回路时要考虑的基本回路有调压回路和调速回路，在调压回路中通过使用溢流阀或者安全阀来限定系统的最高压力，防止系统过载。在系统中通常不止一种压力，则采用多级调压回路。为了满足液压执行元件对工作速度的要求，则采用了调速回路。在管路设计中应该尽可能的使系统简单，选择液压元件时，尽可能选择高效低能耗的元件。在对集成块设计时，要考虑到所选元件的外形，在布置管路的时候要考虑到是否干涉。3.2 机器人1的主要参数3.2.1 伸缩缸的技术要求(1) 伸缩缸水平放置(a) 负载分析 机器人1的伸缩缸主要要完成这个循环：“快进 快退 停止”。设计方案中的工作部件总重1000n，快速运动距离450mm，快进快退速度0.225m/s，加速减速时间0.2s。当伸缩缸水平放置时：受力分析：受到的力主要有启动时的惯性力和摩擦阻力。 (3.1) 各支撑处的摩擦阻力(n)；启动过程中的惯性力(n)(b) 摩擦阻力的计算导向杆的材料选择钢，导向支撑选择青铜，估算手部运动部件总质量为100kg，则n，m，导向支撑设计为0.1m。(c) 惯性力的计算 (3.2) 手臂伸缩部件的总重量(n)；重力加速度(10)； 启动过程中的平均加速度()。手部运动部件故为500n，启动时间为0.2s，速度为0.225m/s。根据公式(3.2)可以算出：(d) 驱动力大小根据公式(3.1)可以算出：取安全系数为2，则(2) 伸缩缸竖直放置(a) 受力分析：受到的力主要有启动时的惯性力、摩擦阻力、及运动部件自身重力(b) 驱动力大小 (3.3)(c) 摩擦阻力大小 (3.4)根据公式(3.4)可以算出： 根据公式(3.2)可以算出： (d) 驱动力的大小根据公式 (3.3)可以算出： 取安全系数为2，则所以伸缩缸的驱动力为1500n(3) 伸缩缸的选择(a) 初选液压缸的工作压力mpa，要达到快退和快进时的速度相等，可以采用差动连接，并取标准缸，即无杆腔有效面积等于有杆腔有效面积的2倍。由于最大的驱动力为1500n。(b) 最大的驱动力 (3.5)(c) 液压缸差动时的作用面积 (3.6) 根据公式(3.5)可以算出:液压缸差动时的作用面积mm2mm，由 则有 mm ,按gb2348-80将所计算的d与d值分别圆整到将近标准直径，以便采用标准的密封元件。圆整后得mm，mm。液压缸无杆腔和有杆腔的实际有效面积、为mm2 mm2本设计选用优瑞纳斯液压机械有限公司的液压缸。根据结构需要，本设计选用后法兰安装方式的伸缩液压缸。在既满足结构需要，又满足液压系统要求的情况下，通过查ug系列工程机械液压缸选用标准表。本设计选用ug16h40/22的杆端外螺纹式伸缩液压缸。则实际工作压力为mpampa，能满足要求11。伸缩缸快退时的进油腔的压力p1，输入的流量q，功率p的计算： (3.7) 根据公式(3.7)可以计算出：恒速时的压力f=56.25n，q=8.32l/min,p1=pa,p=0.083kw伸缩缸快进时的进油腔的压力p1，输入的流量q，功率p的计算： (3.8)根据公式(3.8)可以计算出：恒速时的压力f=56.25n，q=8.65l/min,p1=pa,p=0.153kw3.2.2 回转缸的技术要求(1) 回转力矩分析 回转缸要求实现“快进 快退 停止”的工作循环，快进快退速度45/s，加速减速时间0.1s，工作时间2s，最大工作压力不得超过6.4mpa。一般的实际驱动力矩比理论的大1.3倍，即驱动力矩为: (3.9) (a) 启动时的惯性力大小= (3.10) 手臂部件对其回转轴线的转动惯量()； 工件对回转轴线的转动惯量()； 回转臂的工作角速度()； 回转臂启动时间(s)。(b) 估算为4855mm，=30kg，=20kg，w=45/s=0.785rad/s，=0.1s，根据公式(3.9)(3.10)可以计算出：=(c) 估算=500n， =294n，=80n，=100n， =1.5m，=0.7m，=0.3m，则(nm)根据以上计算(nm)安全系数取2，所以圆整为1700 ,同理，逆转时p=1.625mpa 回转缸的选择为了摆动缸安装固定方便，选择脚架式安装方法。通过查表ub系列此轮此条摆动液压缸基本参数表(jb/zq4713-98)，选择了脚架式轴输出双齿条摆动液压缸的ubjzs63-90,其参数如下：用油量为0.00598l/,旋转90, 时间2s (mpa)(kw)考虑了机器人1的结构后，选用ubfzs63法兰式轴输出双齿条系列摆动缸11。3.2.3 夹紧缸的技术要求(1) 夹紧缸负载分析机器人1的手爪由两个夹紧缸组成，先用单杆活塞式液压缸来计算。(a) 夹紧力的计算 (3.11) ：安全系数，一般取1.22.0；：工况系数；：方位系数。根据公式(3.11)可以计算出： (n)(b) 驱动力的计算 (3.12)其中取45，取30mm，根据公式(3.12)可以计算出：(n)(c) 但是实际的驱动力比理论值要大，一般的取f实际=(n)(d) 液压缸的直径的计算 (3.13)根据公式(3.13)可以计算出：(mm)又，则(mm)(2) 夹紧缸的选择 根据参考手册，将调整为40mm，调整为22mm，所选伸缩缸的型号为ug16q40/2220，能够满足生产线的工作要求11。(a) 手爪夹紧时的流量：(l/min)则 两只手爪 (l/min) (mpa) (kw)(b) 手爪放松时的流量：(l/min)则 两只手爪 (l/min) mpa (kw)3.3 机器人1的工况分析 在本课题中，机器人1有三个液压缸，分别是夹紧缸，伸缩缸，回转缸。每个液压缸在各个工作阶段的外负载计算结果见前面.3节。根据各个计算结果即可分别绘制出每个液压缸的速度时间循环图(vt图)和负载时间循环图(ft图)，分别见图3.1,图3.2,图3.3，图3.4，图3.5，图3.6。以下的速度单位为(m/s),时间单位为(s)，角速度单位为(rad/s)，力f的单位为(n)，力矩的单位为(nm)图3.1 伸缩缸的速度时间图 图3.2 回转缸的速度时间图图3.3 夹紧缸的速度时间图图3.4 伸缩缸的负载时间图图3.5 回转缸的负载时间图图3.6 夹紧缸的负载时间图 根据上述条件经计算可以得到液压缸工作循环中各个阶段的压力，流量，归纳见表3.1。表3.1 液压缸工作循环中各阶段的压力、流量动作流量(l/min)压力(mpa)时间(s)夹紧缸抓紧6.21.550.5松开伸缩缸伸出8.651.12缩回8.320.62回转缸正转16.1465.82逆转16.1461.6252 机器人1的手爪抓紧工件后，通过回转缸正转90，手臂水平伸出，到达锻压机，手爪松开，锻压完成，手爪抓紧工件，手臂缩回，回转缸逆转，手臂垂直伸出，手爪松开，将工件放在传送带上，一个循环完成。其中液压缸的流量及所受压力的情况分析图分别见图3.7和图3.8。图3.7 工作周期系统流量循环图图3.8 工作周期系统压力循环图3.4 机器人1的液压系统图的拟定3.4.1 调压卸荷回路 机器人1要完成的动作为：夹紧缸的夹紧和松开，伸缩缸的伸出和缩回，回转缸的正转和逆转。机器人1完成的这些动作是互不影响的，可采用一个供油系统。先设计一个调压卸荷回路，见图3.9。该回路采用二级调压，就是在先导式溢流阀的遥控口再接上一个溢流阀(注意的是，该远程调压阀的调节压力要小于主阀中先导阀的调节压力)。并且在遥控口上再接一个二位二通的换向阀，因为主阀上腔的压力接近于0，主阀弹簧很软，主阀芯在很低的压力作用下便可以上移，阀口开到最大，这时系统的油液在很低的压力下通过起到卸荷作用12,13。图3.9 调压卸荷回路图3.4.2 伸缩缸的伸缩回路 采用三位四通电磁换向阀满足换向的要求，采用先导式溢流阀满足溢流保压的作用。本回路可以采用差动缸增速回路。具体回路见图3.10。快进时：当换向阀换到左位时，叶片泵输出油液和液压缸返回的油液合流进入左腔，活塞实现快速前进。快退时：当换向阀换到左位时，使活塞实现快速后退。停止时，换向阀换到中位14。图3.10 伸缩缸的伸缩回路图3.4.3 夹紧缸的夹紧松开回路 由于所夹取的工件较长，所以采用两只手爪，这就要考虑到两只手爪的同步问题，夹取完成后还要考虑到锁紧的问题。采用三位四通电磁换向阀换向，并采用两个液控单向阀起到锁紧作用。在设计时候为了保证可靠地锁紧，换向阀采用o型,见图3.11。当手爪夹紧时的进油顺序为叶片泵三位四通阀(右位)液控单向阀夹紧缸右腔，回油顺序为夹紧缸左腔液控单向阀三位四通阀(右位)油箱。当手爪松开时的进油顺序为叶片泵三位四通阀(左位)液控单向阀夹紧缸左腔，回油顺序为夹紧缸右腔液控单向阀三位四通阀(左位)油箱15,16。 图3.11 夹紧缸的夹紧-松开回路图 图3.12 回转缸的旋转回路3.4.4 回转缸的旋转回路回转缸在整个系统中受到的压力是最大的，所以所需要的力也是最大的。由于回转缸正转时要保证安全，必须要有背压，否则会坠下，而逆转时不需要背压，这就要求正逆转时采用不同的回油路，所以采用三位五通电磁换向阀进行换向，采用液控单向阀锁紧，采用调速阀进行控制流量大小17。回路图见图3.12。 回转缸正转时：进油：叶片泵三位五通换向阀(右位)液控单向阀回转缸左腔 回油：回转缸右腔液控单向阀三位四通换向阀(右)调速阀油箱回转缸逆转时：进油：叶片泵三位五通换向阀(左位)液控单向阀回转缸右腔 回油：回转缸左腔液控单向阀三位四通换向阀(左位)油箱3.4.5 机器人1的液压系统的总体方案图机器人1最终液压原理图见图3.13。 机器人1完成的具体动作与电磁铁的关系见下表3.2，以及机器人1液压元件工作状态见下表3.3。图3.13 机器人1液压系统回路图为了方便表3.2的绘制，先对各个换向阀上的电磁铁进行标号：换向阀5的电磁铁：1ya换向阀7的电磁铁：左位：2ya ,右位：3ya换向阀8的电磁铁：左位：4ya, 右位：5ya换向阀9的电磁铁：左位：6ya，右位：7ya表3.2 机器人1的执行机构动作顺序表机器人1机构动作顺序名称动作电磁铁工作状态1ya2ya3ya4ya5ya6ya7ya伸缩缸伸出-+-缩回-+停止-回转缸顺时针转-+-逆时针转-+-夹紧缸松开-+-夹紧-+-卸荷+-(“+”表示电磁铁得电，“-”表示电磁铁失电)表3.3 机器人1液压元件工作状态表机器人1动作名 称液压元件工作状态阀5阀7阀8阀9伸缩缸伸出左位中位中位左位缩回右位停止中位回转缸顺时针转右位逆时针转左位夹紧右位卸荷右位左位右位3.5 翻转机构和传动机构的液压系统图的拟定3.5.1 翻转机构和传动机构的工况分析整个生产线上共有3个翻转机构和1个传动机构,翻转机构主要用于将工件从传送带上翻转到机器人的手爪上，同时手爪抓紧。或者手爪松开，工件落在翻转机构上，翻转到传送带上。分析可知道，翻转机构只要翻转90度，就可以完成动作。在设计中，翻转机构和传动机构采用另外一个叶片泵来供油。设计的液压回路图见图3.14。三个翻转机构和一个传动机构的油液流通的回路相同，所以只分析一个来说明，以翻转缸24来分析。翻转缸24伸出：进油：叶片泵19三位四通换向阀20(左位)翻转缸24左腔回油：翻转缸24右腔三位四通换向阀20(左位)油箱翻转缸24缩回：进油：叶片泵19三位四通换向阀20(右位)翻转缸24右腔回油：翻转缸24左腔三位四通换向阀20(右位)油箱图3.14 翻转和传动机构液压回路图 翻转机构和传动机构所要完成的具体动作与电磁铁的关系见下表3.4，以及液压元件工作状态见下表3.5。为了方便表3.4的绘制，先对各个换向阀上的电磁铁进行标号： 换向阀20：左位：1ya,右位：2ya 换向阀21：左位：3ya,右位：4ya 换向阀22：左位：5ya,右位：6ya换向阀23：左位：7ya,右位：8ya名称动作1ya2ya3ya4ya5ya6ya7ya8ya缸24伸出+-缸24缩回-+-缸25伸出-+-缸25缩回-+-缸26伸出-+-缸26缩回-+-缸27伸出-+-缸27缩回-+表3.4 动作顺序表(“+”表示电磁铁得电，“-”表示电磁铁失电)表3.5 翻转、传动机构液压元件工作状态翻转机构动作名称液压元件工作状态阀20阀21阀22阀23翻转缸24伸出左位中位中位中位缩回右位翻转缸25伸出中位左位缩回右位翻转缸26伸出中位左位缩回右位传动缸27伸出中位左位缩回右位4 液压元件的选用4.1 确定液压泵的规格和驱动电机功率 从前面绘制的图3.7可以看出，流量最大的时候是回转缸旋转的时候。这时候的流量为16.146l/min.系统存在泄漏，所以液压泵的供油的最大流量为 (l/min)根据以上的压力和流量的值查手册，根据整个机器人1的液压系统的压力不超过6.4mpa,可以选择yb1型号的定量泵，再根据表3.1所列举的叶片泵型号，最后确定选取yb1-25型中低压定量泵17。 表4.1 yb1型叶片泵型号yb1-2.5yb1-4yb1-6yb1-10yb1-12yb1-16yb1-25yb1-32yb1-40yb1-50yb1-63yb1-80yb1-100根据前面的计算分析可以看出，回转缸旋转的时候，系统的功率也最大，这时液压泵的供油压力为7.36mpa.流量为液压泵的流量为25l/min,泵的总效率为0.75(见表4.2)，电机的功率 (4.1)表4.2 液压泵的总效率液压泵类型齿轮泵叶片泵柱塞泵螺杆泵总效率0.6-0.70.6-0.750.8-0.850.65-0.8根据公式(4.1)可以计算出驱动电机的功率为:kw4.2 阀类元件及辅助元件的选择4.2.1 过滤器的选择选择过滤器时主要考虑过滤器的通流能力，过滤精度和承压能力。液压元件的不同，它所需要的过滤精度不同。可参照表4.3。表4.3 液压元件的过滤精度要求(单位：微米)元件类型过滤精度元件类型过滤精度齿轮泵50调速阀10-15叶片泵30比例阀10溢流阀10-15液压缸50 选择过滤器的通油能力时，一般应该大于实际通过流量的2倍以下。综上，可以选择xu型线隙式过滤器，即xub50100 溢流阀的选择 溢流阀的流量应按液压泵的最大流量选取，并应注意其允许的最小稳定流量，一般来说最小稳定流量为额定流量的15%以上。再根据整个系统的压力不超过6.4mpa,可以考虑y系列的溢流阀。可以参考表4.4。表4.4 y系列溢流阀的型号和技术参数型号规格通径/mm流量/(l/min)调压范围/mpa接口螺纹说明y-10b12100.5-6.3m9板式连接y-25b16250.5-6.3m16板式连接综上所述，可以选择y-25b的溢流阀17。4.2.3 调速阀的选择选择时候要考虑到最小稳定的流量要满足执行机构的最低的稳定速度的要求。它适用于执行元件负载变化大，运动速度稳定性高的液压系统。调速阀的规格见表4.5。表4.5 调速阀的规格名称流 量 (升/分)管式连接板式连接工作压力(mpa)最大最小型号重量型号重量 调 速 阀100.05q103.5q10b250.07q254.5q25b4.5630.10q636q63b61000.10q1009.6q100b9.6 单向调速阀100.05qi103.5qi10b3.5250.07qi254.5qi25b4.5630.10qi636qi63b61000.10qi100b9.6根据液压泵的流量为25l/min,以及机器人1的系统压力要求不超过6.4mpa,可以考虑选择q-25b的调速阀。 4.2.4 换向阀的选择一般的来说，流量在190l/min以上宜用插装阀，190l/min以下时采用滑阀型换向阀。70l/min以下时宜用电磁换向阀。该系统采用电磁换向阀。具体规格见表4.6，表4.7。表4.6 电磁换向阀的规格型号流量l/min压力mpa压力损失mpa泄漏ml/min换向时间s电磁推力n行程mm24d-25b256.30.35200.0740622d-25b256.30.30300.0740434d-25b256.30.35300.07404 表4.7 电磁换向阀的规格型号流量l/min压力mpa压力损失mpa泄漏ml/min22d/d2-10b106.30.12022d/d2-10bh23d/d2-10b0.2524d/d2-10b24d/d2-10bp0.23025d/d2-10b0.2534d/d2-10b0.2535d/d2-10b 综上分析，可以选用34d-25b的三位四通电磁换向阀及22d-25b的二位二通电磁换向阀。24d-25b的二位四通电磁换向阀。其中，b表示板式连接17。4.2.5 液控单向阀的选择 液控单向阀的一般性能与普通单向阀相同，但有反向开启最小控制压力的要求。通过查找手册，可以选择sys系列的液控双向锁，技术参数见表4.8。表4.8 技术参数型号公称直径mm公称流量l/min公称压力mpasys-b10103031.5sys-表示双向液压锁，b-表示板式连接，10-表示公称直径，根据液压泵的最大流量为25l/min,综上分析，可以考虑选用sysb10的液控双向锁17。 4.2.6 液压元件的型号机器人1的液压元件型号见表4.9所示。表4.9 机器人1液压元件型号序号元器件名称型号1过滤器xu-b501002叶片泵yb1-253溢流阀y-25b4溢流阀y-25b5二位二通电磁换向阀22d-25b6调速阀q-25b7三位五通电磁换向阀35d-25b8三位四通电磁换向阀34d-25b9三位四通电磁换向阀34d-25b10液控双向锁sys-b1011液控双向锁sys-b1012背压阀y-25b13调速阀q-25b翻转机构及传动机构的液压元件型号见表4.10所示。表4.10 翻转机构及传动机构的液压元件型号序号元器件名称型号18叶片泵yb1-2519溢流阀y-25b20三位四通电磁换向阀34d-25b21三位四通电磁换向阀34d-25b22三位四通电磁换向阀34d-25b23三位四通电磁换向阀34d-25b4.3 油管的选择一般的，在液压系统中，外径定寸管比通径定寸管具有较高的外径尺寸精度和内外表面粗糙度，易于对管子进行弯曲，适合选用各种管接头。这类管子有钢管、铜管和铝管，后两种一般用于低压系统。铜管虽易弯曲与扩口成形，但扩口时易冷作硬化且铜具有促进油液氧化的催化作用。钢管是液压系统的主要用管，其强度高，适合各种液压设备和高压系统。在本课题设计的液压系统中，所需的压力不超过6.4mpa,可以考虑选择钢管。 (4.2)为管道内径,为流经油管的流量，为油管内的允许流量，管道中油液的流速，一般吸油管取0.5m/s1.5m/s(通常在计算时取值小于1m/s)，回油管取v0 1.5m/s2.5m/s，压油管p=(2.5mpa16mpa)时取3m/s4m/s。根据公式(4.2)可以计算出：(mm)(mm)管道选择钢管，根据流量查手册得到:管径为10mm，外径为18mm，壁厚为1.6mm。推荐的管道流量为25l/min。4.4 管接头的选择 管接头的选择要在满足强度足够的前提下，还要考虑到装拆方便，连接牢固，密封性能好，外形尺寸小，压力损失小，工艺性好。管接头的种类很多，主要有焊接式管接头、卡套式管接头、扩口式管接头、扣压式管接头、快换式管接头、快插式管接头以及固定铰接管接头。由于在本系统中要求工作压力不超过6.4mpa,查阅相关的手册，可以考虑使用扩口式管接头。在之前的管道选择中所选的是钢管，扩口式管接头是可以用的。管接头的连接螺纹采用国家标准米制锥螺纹(zm)和普通细牙螺纹(m)。锥螺纹可依靠本身的锥体旋紧和采用聚四氟乙烯生料带进行密封，广泛用于中、低压系统。所以本系统采用锥螺纹。查找国家标准米制锥螺纹部分规格。综上分析，选用国家标准米制锥螺纹，采用螺纹为m181.5。4.5 油箱容量的确定 油箱在液压系统中不仅有着储存供系统循环所需的油液的作用，还能散发系统工作时产生的热量，释放混在油液中的液体，为系统中元件的安装提供位置。油箱的容量是油箱的最基本参数。油箱的容量通常为液压泵每分钟排出体积额定值的35倍。对于安装位置受到限制的行走机械和设置冷却装置的设备,油箱的容量可选择偏小值,对于固定设备,空间位置不受限制及没有冷却装置,依靠油箱散热的设备,则应选择偏大值。在本次设计的液压系统中，属于固定设备，所以选择偏大值。还要注意：当液压系统需要尖峰流量时，对应的油箱液面正好下降到最低点，此时，液面还应高于泵的吸油口。当液压系统处于最大回油量时，油箱液面达到最高位，此时，油箱内还应有10%的储备容量(液面以上的空气容积)，以便形成与大气接触的自由液面，供热膨胀和空气从液体中分离之用。为了便于放掉油，油箱底部应有一定倾斜度。对于这些固定式油箱的容量v(单位为l)可以用下面的公式估算： (4.3) 式(4.3)中：液压泵的额定流量，单位为l/min；与压力有关的经验数据；低压系统24，中压系统57，高压系统1012，根据公式可以估算出：(l)表4.11 yz系列液压站的油箱容量规格表 单位：l254063100160250400630800100012501600200025003200400050006300生产厂河南省汝阳县液压机械厂按jb/t79381995规定，取偏大的标准值v=250l。再根据散热确定油箱容积来验算这个数值，油液中油液温度一般推荐在3050范围内工作比较合适，系统的功率为3kw，便可查表4.11得到油箱的容量250l，结果符合要求。4.6 集成块的设计集成块实体是一个三维六面体，集成块外部安装所需各种元件如液压阀，管接头，压力表等。集成块内部有许多相互连通或相互交错的圆柱孔道，这些孔道与安装元件底面孔道相沟通构成液压系统某个回路。集成块具有结构紧凑，元件密度高，占据面积小，运用方便灵活，易于实现标准化等优点19。4.6.1 液压元件的型号通过图3.13和图3.14可以绘制出机器人1集成块单元回路图和翻转机构集成块单元回路图，如图4.1和图4.2所示。图4.1 机器人1集成块单元回路图图4.2 翻转机构集成块单元回路图将3个翻转机构和1个传动机构共有4个三位四通换向阀。因此将4个换向阀分别放在2个集成块中，有3个阀安装在同一个集成块的3个不同面上，另一个阀安装在另一个集成块上。机器人1共有三组执行元件，共12个阀控制，系统压力控制阀2个。系统压力控制阀和单独的翻转机构放在同一块集成块中。控制回转缸的4个阀，可以采用两个集成块，先在一个集成块上安装3个阀在3个面上，在另一块集成块上安装一个阀。伸缩缸的控制阀有3个，可以安装在三个面上。夹紧缸只有2个阀，只需要安装在2个面上。一个底板，一个顶盖构成了这组集成块。4.6.2 集成块上各元件的布置按照集成块单元回路图，先确定阀的位置和进油口及回油口的位置，再把液压油道绘制出来。在绘制的过程中可能会发现孔与孔出现了干涉，这个时候就要重新考虑阀的布局。在确定孔的直径时候，应该根据流量的大小来确定，在满足流量的同时也要尽可能选择较小的孔径。机器人1共有5个中间块，以夹紧缸阀块为例，各元件的布置方式如图4.3所示。图4.3 夹紧缸阀块安装位置图4.6.3 集成块的三维绘制 集成块的设计是一个非常复杂的过程，集成块的孔系结构复杂，对于我初次涉足集成块来说，就要认真分析集成块中各个阀块的安装位置图，并运用pro/e辅助三维设计，下面介绍绘制集成块的过程。(以夹紧缸阀块为例，其他的见后附图纸)(1)绘制长方体的形状，确定长和宽的合适大小，这就是我所要设计的集成块最初的毛坯。(2)用pro/e绘制孔道的时候，可根据实际情况调整孔的布局。以图4.3的集成块阀安装位置图为例，阀块1的三维建模如图4.4所示。图4.4 夹紧缸阀块三维建模图4.7 液压油的选用在液压系统所有的元件中，液压泵的工作条件最严格，不但压力高，转速高和温度高，并且油液在被液压泵吸入和液压泵压出时要受到剪切作用，所以一般的根据液压泵的要求来确定工作介质的粘度。在本设计的液压系统中，工作压力不超过6.4mpa,工作温度35，通过查表，可以选择32号抗磨液压油l-hh32.5 液压泵站的设计 5.1 液压系统性能的验算5.1.1 液压系统压力损失 液压系统的压力损失估算:液压系统压力损失包括管道内的沿程损失和局部损失以及阀类元件的局部损失三项。通过前面对整个机器人1液压系统的分析，我们可以发现回转缸在整个过程中的负载最大，在估算压力损失的时候只要考虑回转缸的压力损失18。选用的液压油为32号抗磨液压油，工作后的运动粘度m2/s，油的密度kg/m3。管道的内径为10mm,通过回转缸的流量为16.146l/min,即0.26910-3m3/s。油液在管路中的流速大小为 (5.1)根据公式(5.1)可以计算出油在管路中的流速为：又有雷诺系数 (5.2) 根据公式(5.2)可以计算出：可以判断出液压油在管道中流动为层流，又因为管道是钢管，所以沿程阻力系数(1) 管道和沿程损失管道的沿程压力损失为： (5.3)可以假设下管道的长度为 6m,，为管道的长度和内径；为液流的平均流速；为液压油的密度；为沿程阻力系数。根据公式(5.3)可以计算出：mpa(2) 管道的局部压力损失管道的局部压力损失为：，因为管道的局部压力损失太小，可以不考虑。(3) 阀类元件的局部压力损失阀类元件的局部压力损失 (5.4)为阀的额定流量，为通过阀的实际流量，参照上面的液压系统回路图，发现要到达回转缸就得通过三位四通电磁换向阀和液控单向阀，实际的流量为16.146l/min.通过查表，可以知道三位四通电磁换向阀的损失压力小于0.35mpa,额定的流量为25l/min,液控单向阀的损失压力为0.2mpa,额定流量为30l/min。根据公式(5.4)可以计算出：(mpa)(4) 总的压力损失p (5.5) 根据公式(5.5)可以计算出：(mpa) 考虑到损失后的压力为6.185mpa6.4mpa,能够满足要求。5.1.2 液压系统发热与温升计算(1) 系统的发热功率 液压系统里能量的损失都转化成热量，从而提高了系统的温度，在温度较高的环境对液压系统有很多不利的影响。液压系统里发热功率主要来自于液压泵、执行元件、溢流阀等等的功率损失。一般的，管道的功率损失都很小，通常可以忽略不计。(a) 液压泵的功率损失 (5.6) 其中，液压泵的输入功率，液压泵的总效率。根据公式(5.6)可以计算出：(b) 液压执行元件的功率损失 (5.7)其中， 为第i个液压执行元件的输入功率，为第i个液压执行元件的效率，第i个执行元件工作时间，为工作循环周期。根据公式(5.7)可以计算出： =0.198（kw）(c) 溢流阀功率损失 (5.8)其中，为溢流阀的调定压力，为溢流阀的溢流量，根据公式(5.8)可以计算出：（kw） (d) 机器人1总的发热功率损失 (5.9) 根据公式(5.9)可以计算出：（kw）5.1.3 系统的温升油箱的散的面积可依据下式计算 (5.10) 根据公式(5.10)可以计算出： 油箱的散热面积：m2当系统的发热功率等于散热功率是，即达到热平衡。此时系统的温升为： (5.11)又查表可知油箱通风良好时散热系数为15w17.5w，因此取。根据公式(5.11)可以计算出：5.2 液压泵站的选择与设计 液压泵站类型的选择：由于本设计的液压系统属于中小功率的液压系统，可以选用上置式液压泵站。上置式液压泵站又有立式和卧式的两种。上置立式的液压泵站对液压泵的安装要求是泵与电动机有同轴度要求。上置卧式的液压泵站对液压泵的安装要求较多，除了要有同轴度要求，还要考虑液压泵的吸油高度以及吸油管与泵的联接处密封要求严格。两种液压泵站的比较下，再结合企业生产的实际情况，我们考虑使用上置立式液压泵站。该泵站总装图见图5.1。图5.1 yzl型上置立式液压站总装图6 总 结本文介绍了汽车半轴模锻生产线中机器人1及翻转机构的液压系统设计过程。本文开头介绍了液压系统的特点和液压系统在工程中的应用及工业机器人的发展，然后根据动作要求初步确定了机器人1的动作过程。按照设计要求对工况和主要参数进行了分析计算，选出合适的执行元件，并初步设计了机器人1和翻转机构的液压系统，接着就是对系统设计中存在的不足进行分析和改进，确定了本系统的最终方案。在设计