搬運(yùn)機(jī)械臂液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)和元件選型研究

董 娟

（江蘇省通州中等專業(yè)學(xué)校，通州 226300）

液壓傳動(dòng)技術(shù)在原有傳動(dòng)控制基礎(chǔ)上得到進(jìn)一步優(yōu)化發(fā)展，具有運(yùn)行效能高、方便控制、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。液壓機(jī)械臂廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中，能夠支持連續(xù)穩(wěn)定作業(yè)，提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率。因此，應(yīng)基于原有傳動(dòng)控制技術(shù)，促進(jìn)現(xiàn)代機(jī)械結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

1 搬運(yùn)機(jī)械臂液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)中的機(jī)械臂為專門用于搬運(yùn)的機(jī)械臂，擁有相對(duì)固定的動(dòng)作節(jié)拍，運(yùn)行環(huán)境溫度高，因此需要機(jī)械臂維持穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能，提升定位精度，具體設(shè)計(jì)要求如下。第一，機(jī)械臂運(yùn)行環(huán)境相對(duì)惡劣，因此對(duì)機(jī)械臂的穩(wěn)定性和精密性要求較高，確保油液溫度不會(huì)過度影響系統(tǒng)的傳動(dòng)過程，延長機(jī)械臂的運(yùn)行時(shí)間。第二，搬運(yùn)工件重量較大，機(jī)械臂實(shí)際運(yùn)行中需要保持良好的穩(wěn)定性和安全性，保證液壓系統(tǒng)維持穩(wěn)定流量，降低液壓沖擊。第三，為進(jìn)一步改善節(jié)能效果，機(jī)械臂應(yīng)結(jié)合實(shí)際運(yùn)行工況，參考外部負(fù)載力波動(dòng)，合理控制變量泵輸出，靈活調(diào)節(jié)輸出壓力，控制液壓回路內(nèi)部的壓力能損失，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

1.1 機(jī)械臂手爪液壓回路設(shè)計(jì)

機(jī)械臂手爪對(duì)應(yīng)抓握主要經(jīng)手爪液壓缸部件伸縮實(shí)現(xiàn)操作。結(jié)合手爪受力狀況，為確保機(jī)械臂在抓到鍛件后維持穩(wěn)定狀態(tài)，避免其他動(dòng)作影響而掉落工件，需要將液壓鎖添加到手爪液壓回路。液壓回路具體操作原理如圖1 所示。

圖1 手爪伸縮液壓回路

此次設(shè)計(jì)中機(jī)械臂手爪液壓缸對(duì)應(yīng)伸縮速度為0.05 m·s-1，伸縮量為50 mm，耗時(shí)1 s，手爪收縮夾緊中對(duì)應(yīng)回路流量為4.5 L·min-1，手爪伸出松開中基礎(chǔ)回路流量為5.9 L·min-1。在手爪液壓缸伸出中，由于液壓回油路直接回油箱，背壓值相對(duì)較低，該條件下應(yīng)縮小回路壓強(qiáng)[1]。手爪夾緊中，將桿腔作為工作腔，活塞桿受拉，則工作壓強(qiáng)公式為

式中：P1、P2分別為無桿腔和有桿腔的運(yùn)行壓強(qiáng)；F為液壓缸實(shí)際運(yùn)行荷載；A1、A2分別為無桿腔和有桿腔的工作面積。

代入相關(guān)參數(shù)值，可得P2為0.90 MPa。

1.2 手腕旋轉(zhuǎn)部分液壓回路設(shè)計(jì)

機(jī)械臂手腕旋轉(zhuǎn)主要通過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，液壓回路除了需要確保液壓馬達(dá)實(shí)施正反轉(zhuǎn)外，還應(yīng)將比例方向閥布置在中位。手腕不會(huì)受到其他因素影響而產(chǎn)生突變，因此需要合理增設(shè)液控單向閥，以預(yù)防相關(guān)問題出現(xiàn)?；剞D(zhuǎn)馬達(dá)基礎(chǔ)流量qs的計(jì)算公式為

式中：Vs為液壓馬達(dá)對(duì)應(yīng)排量；ηs為液壓馬達(dá)對(duì)應(yīng)機(jī)械效率；ns為液壓馬達(dá)實(shí)際轉(zhuǎn)速。

1.3 手臂伸縮部分液壓回路設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)中，液壓系統(tǒng)主要將變量泵當(dāng)作動(dòng)力傳輸元件，并包含負(fù)載敏感調(diào)控，設(shè)置容積節(jié)流調(diào)速回路。計(jì)算手臂緩慢伸出中，對(duì)應(yīng)回路流量為9.35 L·min-1，快速收回手臂中，對(duì)應(yīng)回路流量達(dá)到12.9 L·min-1。在手臂向外延伸中，液壓回路結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，因此不會(huì)形成過大背壓值，可以忽略不計(jì)。在液壓缸伸出活動(dòng)中，通過計(jì)算可得P1為1.40 MPa。在手臂收回運(yùn)動(dòng)中，通過計(jì)算可得P2為1.38 MPa。

1.4 主體升降部分液壓回路設(shè)計(jì)

將外控平衡閥加入升降液壓回路，基于控制壓力操控平衡閥啟閉，與負(fù)載無關(guān)，且擁有良好的密封性[2]。結(jié)合機(jī)械臂運(yùn)行工況和設(shè)計(jì)要求，機(jī)械臂抬升50 mm，速度為0.05 m·s-1，耗時(shí)1 s。機(jī)械臂在抬升運(yùn)動(dòng)中，計(jì)算回路流量為15.1 L·min-1，機(jī)械臂下落操作中，回路流量為11.3 L·min-1。

機(jī)械臂負(fù)載提高后，由于液壓回油路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，不會(huì)形成過高背壓值，可以直接忽略。機(jī)械臂保持負(fù)載平穩(wěn)抬升中，運(yùn)行壓強(qiáng)P1為2.40 MPa。在機(jī)械臂維持負(fù)載平穩(wěn)下落操作中，運(yùn)行壓強(qiáng)P2為1.62 MPa。機(jī)械臂在空載狀態(tài)下平穩(wěn)抬升中，運(yùn)行壓強(qiáng)P1為1.89 MPa。

1.5 腰部回轉(zhuǎn)部分液壓回路設(shè)計(jì)

綜合分析機(jī)械臂腰部回轉(zhuǎn)液壓回路的相關(guān)性能和動(dòng)作要求，設(shè)計(jì)液壓回路如圖2 所示。

圖2 腰部回轉(zhuǎn)液壓回路

因?yàn)闄C(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)規(guī)模較大，會(huì)形成較高的回轉(zhuǎn)慣性扭矩，所以回路內(nèi)需要額外增設(shè)雙溢流閥組支持雙向制動(dòng)，發(fā)揮良好的緩沖功能。實(shí)際制動(dòng)操作中，馬達(dá)一側(cè)壓強(qiáng)提升，另一側(cè)會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓現(xiàn)象[3]。該條件下，溢流油液得到補(bǔ)充，促進(jìn)馬達(dá)制動(dòng)。

2 搬運(yùn)機(jī)械臂液壓系統(tǒng)元件選型

2.1 液壓泵選型

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)束后，針對(duì)基礎(chǔ)液壓執(zhí)行元件進(jìn)行理論計(jì)算，并針對(duì)液壓系統(tǒng)內(nèi)其他液壓元件進(jìn)行綜合選型計(jì)算。液壓泵最高運(yùn)行壓強(qiáng)為

式中：pmax為液壓泵最高運(yùn)行壓強(qiáng)；p1為執(zhí)行元件最高運(yùn)行壓強(qiáng)；∑Δp為液壓管路損失。在液壓系統(tǒng)內(nèi)，最高壓強(qiáng)分布于回轉(zhuǎn)馬達(dá)中，結(jié)合液壓馬達(dá)選型判斷最高運(yùn)行壓強(qiáng)。在實(shí)際運(yùn)行中，液壓系統(tǒng)形成的動(dòng)態(tài)壓強(qiáng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出系統(tǒng)靜態(tài)壓強(qiáng)，同時(shí)液壓泵存在相應(yīng)的壓強(qiáng)儲(chǔ)備，因此將初始?jí)簭?qiáng)值設(shè)置為8 MPa。在實(shí)際操作中，專門搬運(yùn)機(jī)械臂各項(xiàng)動(dòng)作呈現(xiàn)遞進(jìn)關(guān)系，各個(gè)執(zhí)行元件實(shí)施銜接運(yùn)動(dòng)，沒有復(fù)合運(yùn)動(dòng)，腰部回轉(zhuǎn)馬達(dá)部位形成最大流量，為14.5 L·min-1。系統(tǒng)泄漏系數(shù)設(shè)置為1.2，計(jì)算得到液壓泵相關(guān)輸出流量為17.4 L·min-1。

液壓泵和驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型中，結(jié)合液壓泵實(shí)際運(yùn)行中的流量和壓強(qiáng)需求，液壓泵需要設(shè)置相應(yīng)壓強(qiáng)儲(chǔ)備，因此選擇A10VSO18DRG 型變量柱塞泵。該液壓泵中設(shè)置了可調(diào)節(jié)斜盤，能夠利用斜盤對(duì)液壓系統(tǒng)內(nèi)部流量實(shí)施無級(jí)調(diào)節(jié)，設(shè)置斜盤擺角指示器，提高操作直觀性[4]。此次主要選用Y2-123M-4 型異步電動(dòng)機(jī)，設(shè)置額定功率為7.5 kW，設(shè)置額定轉(zhuǎn)速為1 440 r·min-1。

2.2 其他液壓元件選型

在閥類元件選型設(shè)計(jì)中，主要根據(jù)對(duì)應(yīng)閥門流經(jīng)最高壓力值和流量值來確定。在溢流閥選型中，需要按照液壓泵輸出最大流量進(jìn)行設(shè)計(jì)。綜合考慮最低穩(wěn)定流量選擇流量控制閥，確保滿足系統(tǒng)操作性能要求，輔助設(shè)備操作。針對(duì)控制法選型，需要留出充足壓力儲(chǔ)備以及流量。液壓元件選型設(shè)計(jì)會(huì)直接影響整個(gè)機(jī)械臂操作的穩(wěn)定性和綜合性能，其中節(jié)流閥、壓力補(bǔ)償閥兩者串聯(lián)結(jié)構(gòu)可作為流量控制閥[5]。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果，確定液壓元件選型，如表1 所示。

表1 液壓元件選型

3 結(jié)語

搬運(yùn)機(jī)械臂能夠取代人力進(jìn)行搬運(yùn)工作，不但可以提高整體生產(chǎn)效率，同時(shí)能降低人員操作中的安全風(fēng)險(xiǎn)。為此，需要深入研究搬運(yùn)機(jī)械臂相關(guān)液壓系統(tǒng)，挖掘其中的缺陷問題，明確能量浪費(fèi)的根源，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，創(chuàng)新液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。