机器人工作站自动化装配平台的液压系统设计

0引言21世纪以来，机器人已经成为现代工业制造中不可或缺的重要工具。机器人是最具代表性的现代多种高新技术的综合体，工业机器人的主要应用领域有焊接、搬运、码垛及装配等。本项目设计了大型工件的机器人工作站自动化装配平台，此平台可满足大型工件在机器人装配过程中所需的自动中心定位胀紧、翻转、调直等功能。1自动化装配平台组成自动化装配平台由电机-链条翻转机构、四爪撑紧机构、平台定位机构、工件机身调直机构、脚踏机构、地坑等部分组成，如图1所示。本项目用于在地面挖地坑后，将平台的支撑转轴部件安装在地面上，地坑区域的平台两侧安装有可伸缩的脚踏板，便于人工作业和检修使用。电机-链条翻转机构可将平台翻转180°，以便于工件底部零件的装配。平台定位机构是在平台两侧对称安装4根油缸，油缸活塞杆同时伸出插进地面上的固定销孔中将平台固定。四爪撑紧机构用于工件的中心孔定位胀紧，由液压油缸驱动连杆机构实现四爪同时撑开胀紧工件中心内孔。机身调直机构用于将工件的位置调整至与平台平行，由液压缸驱动两侧连杆伸出进而推动工件调整姿态至与平台平行。液压站由液压泵、驱动电机、油箱、冷却器等构成，为液压系统供油。2自动化装配平台的液压系统设计本项目自动化装配平台液压系统的原理如图2所示。根据平台特性和使用工况，确定系统压力P为16MPa，并确定各执行机构运行所需的速度。（1）平台定位油缸参数计算。4根油缸同时动作，根据工况及受力分析可确定：平台定位单根油缸最大负载质量2000kg；所需油缸行程150mm；活塞杆伸出速度50mm/s；活塞杆缩回速度50mm/s；根据机械设计手册选择杆径缸径比为0.5。由以上条件计算平台定位油缸参数：缸径=（2000g÷16÷0.95÷π×4）0.5≈40.52mm杆径=40.52×0.5=20.26mm根据油缸样本选定平台定位油缸的缸径为40mm，杆径为22mm。油缸大腔工作流量=50π×40×40÷4×60×10-6≈3.77L/min油缸小腔工作流量=（40×40-22×22）π÷4×50×60×10-6≈2.6L/min（2）脚踏翻转油缸参数计算。脚踏翻转同时动作的油缸数量为2，单根油缸的最大负载质量2600kg。根据工况和受力分析确定已知条件，参照以上方法可计算油缸参数：缸径为50mm，杆径30mm，活塞杆完全伸出时的安装距离为955mm。大腔工作流量5.89L/min，小腔工作流量3.8L/min。根据机械设计手册，液压缸承受轴向压缩载荷时，当活塞杆的计算长度（955mm）与活塞杆直径（30mm）比大于10时，应校核其稳定性。脚踏翻转油缸如图3所示。按照等截面计算法，活塞杆纵向弯曲破坏的临界载荷计算公式为：Pk=nπ2EJ/l2式中：n为末端条件系数；E为活塞杆材料的弹性模量，钢取210000MPa；J为活塞杆的截面惯性矩；l为活塞杆计算长度，即活塞杆在最大伸出距离时，活塞杆端支点和液压缸安装点间的距离。根据工况，取n=1，计算J=3.14×304÷64=39740.625mm4Pk=1×3.142×210000×39740.625÷9552=90221Nmm安全系数nk=90221÷（2000×9.8）=4.6，nk＞2，符合要求。（3）机身调直的油缸数量为1，根据工况和受力分析确定已知条件，参照以上方法可计算油缸参数：缸径63mm，杆径35mm。大腔工作流量9.35L/min，小腔工作流量6.5L/min。（4）定心胀紧的油缸数量为1，根据工况和受力分析确定已知条件，参照以上方法可计算油缸参数：缸径125mm，杆径70mm。大腔工作流量14.73L/min，小腔工作流量10.1L/min。（5）系统流量Q的计算。根据工况，平台定位、脚踏翻转、机身调直以及定心胀紧不同时动作，平台定位有4根油缸同时动作，所需流量为3.77×4÷0.9≈16.76L/min，大于其他油缸的工作流量，因此系统流量Q为16.76L/min。（6）油泵的输出功率=QP/η=16.76×16÷60÷（0.95×0.9）≈5.2kW。η=0.95×0.9为液压泵的总效率，根据常用的电机功率参数，初定此泵电机功率为5.5kW，额定转速1480r/min，电机的额定输出扭矩T为35.49Nm，可以计算出油泵排量V=16.76÷1

480×1

000÷0.95≈11.92

mL/r，再根据电机扭矩与系统压力和油泵排量的关系式T=VPη/（2π），进行系统压力反算验证，经验证P＞16.76MPa，故可判定此电机满足要求。综上所述，完成了油缸和液压站的参数计算后，再根据工况选择三位四通的电磁换向阀，给每个油缸安装