用于方形物件装卸液压机械手的设计.pdf

2 0 1 0年 9月 第 3 8 卷 第 1 8期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS S e p ． 2 0 1 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 1 8 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 8 ． 0 1 4 用于方形物件装卸液压机械手的设计 何芹，原政军，姚龙元 山东建筑大学机电工程学院，山东济南 2 5 0 1 0 1 摘要设计一种用于方形物件装卸的液压机械手 ，主要介绍该机械手的工作原理 、总体结构及液压控制系统，重点介 绍其手部夹持结构和回转结构。这种机械手主要用于方形物件的装卸，动作灵活，安全可靠，易于调节和控制，操作简 单 ，便于实现堆码机 械 自动化 。 关键词 机械手 ；液压系统 ；堆码 中图分类号 T P 2 7 1 ． 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 8 0 3 8 3 T h e De s i g n o f a Hy d r a u l i c Ma n i p u l a t o r f o r S q u a r e Ob j e c t Ha n d l i n g HE Q i n ，Y U A N Z h e n g j u n ，Y A O L o n g y u a n S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c al E n g i n e e ri n g o f S h a n d o n g J i a n z h u U n i v e r s i t y ，J i n a n S h a n d o n g 2 5 0 1 0 1 ，C h i n a A b s t r a c t A k i n d o f h y d r o m e c h a n i c a l h a n d w a s d e s i g n e d f o r s q u a r e o b j e c t l o a d i n g a n d u n l o a d i n g ．T h e w o r k i n g p r i n c i p l e ，o v e r - a l l s t r u c t u r e a n d h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e ms o f t h e me c h a n i c a l h a n d we r e d e s c r i b e d ． T h e g r i p p i n g s t r u c t u r e a n d t h e t u r n s t r u c t u r e o f t h e ma n i p u l a t o r h a n d w e r e f o c u s e d o n ．T h i s m e c h a n i c a l h a n d fo r h a n d l i n g s q u a r e o b j e c t s i s fl e x i b l e ，s a f e a n d r e l i a b l e ，e a s y t o a d j u s t a n d c o n t r o l ， s i mp l e t o o p e r a t e． I t i s e a s y t o r e a l i z e s t a c ki ng ma c h i ne a u t o ma t i z a t i o n． Ke y wo r d s Ma n i p u l a t o r ；Hy d r a u l i c s y s t e m； S t a c k i n g 目前国内外 的方形物件堆码主要是用铲车来 完成 的。由于铲车 的动作简单 ，堆放高度 有限 ，不能满足 方形物件在车船和仓库的堆码要求 ，因此迫切需要一 种机构 机器 ，能满足方形 物件 的快 速堆码 和装 卸 工作 的要求 。作者设 计了一 种用 于方形物件装卸 的液 压机械手 ，它可按固定 程序夹持 、搬运物件完成某些 特定操作。该机械手可以代替人从事单调重复或繁重 的体力劳动 ，实现生产 的机械化和 自动化 ，代替人在 有害环境下的手工操作 。 1 总体方案设计 该设计 的主要技术参数 机械 手行程 0～3 ． 0 m， 最大堆放高度 3 ． 0 m，抓取物件 的质量 l 5～ 2 5 ，方 形物件边长 2 0～ 4 0 c m，液压缸 的伸缩速度 0 ． 0 5 m ／ s 。 为 了使所设计液压机械手满足技术要求 ，对液压机械 手要进行合理设计 ，它主要 由手部 、手臂 、底座和液 压缸组成 。 液压机械手工作原理 ，如图 1 所示 。手部结构 由 手爪、手爪油缸 、手架和 回转油缸组成。液压油缸 2 、 4活塞杆伸出可使机械手抬起，活塞杆缩进可使 机械手下降。油缸 6伸缩可使机械手前后 移动 ，手部 回转油缸 图中未示 出可使机械手做旋转运动。 底座结构可以安装在装卸车 、导轨履带或是 固定在地 面的某个静止点上来完成装卸搬运的工作。 缸 图 1 机械手总体方案图 2 结构设计 2 ． 1 手部结 构设 计 如 图 2所示 ，该机械 手 由手爪 6 、橡 胶垫 5 、螺 钉 3 、滑块 图 中未示 出 、带滑 道 的手爪 支撑 架 4 及双 向液压缸 图 中未示 出 组成 。双 向液 压缸 固 定在手爪支撑架的中间部位 ，液压缸的活塞杆 1与手 爪 6相连 ，手爪 6与滑块用螺栓连接 ，滑块 与手爪 支 撑架上4的滑道 2成燕尾形 ，滑块可在 滑道 2上滑 动。橡胶垫 5与手爪 6接触表面涂胶沾剂 ，然后将两 者用沉头螺钉相连接，胶垫整体呈现一定的斜度 ，使 夹持省力可靠。当系统供油时，活塞杆实现伸缩动 作 ，从而带动连接在活塞杆前端 的手爪 6沿支撑架 4 两端滑道滑动 ，进而实现 手爪 6的松开 和夹 紧动作 。 收稿 日期 2 0 0 9 0 9 2 3 作者简介何芹 1 9 7 9 一 ，女，讲师，主要从事机械制造及 自动化 、液压与气压传动教学和研究工作。电话0 5 3 1 8 6 3 6 7 2 7 1 ，E ma i l h e q i n 2 9 3 s d j z u ． e d u ． e n 。 第 1 8期 何芹 等用于方形物件装卸液压机械手的设计 3 9 图2 手部结构图 2 ． 2回转油缸 设计 回转油缸用来 控制液 压机械手 手部 的 回转 运动 ， 结构如图 3 所示 。 1 、3 一 油 口 2 一 缸 体 4 一 端 盖 5 一 螺 旋杆 6 一 活 塞 7 一 导 向杆 8 一 轴承 图3 带导向杆式螺旋摆动液压缸 由缸体 2 、端盖 4 、螺旋 杆 5 、活塞 6 、导 向杆 7 、 轴承 8组成 。回转 油 缸 的导 向杆 7两 端嵌 入 端 盖 4 内，端盖 4靠螺栓 固定在缸体 2上 ，导向杆 7除 了可 产生绕自身轴线转动外 ，不可能产生其他 自由度的运 动 。两根 导向杆对称布置穿 过活塞 6 ，活塞 6外表 面 与缸体 2内表面紧密配合 。当端盖 4固定在 缸体 2上 时，螺旋杆 5通过配合在端盖4上的轴承支撑于缸体 上 ，螺旋杆 5 穿 过活塞 6中心 ，通过 自身螺纹与活塞 6紧密配合 。当活塞 6在 液压 力 的作 用下沿 螺旋 杆 5 方向运动时，由于导向杆 7固定在缸体 2上 ，活塞 6 不可能旋转 ，所 以螺旋 杆 5产生旋转运动 ，从而实现 油缸 的旋转功能 。带导向杆式 螺旋摆 动液压缸结构示 意图如图 3 示。图中螺旋杆 5通过两端锥轴承支撑于 缸体 2 上 ，两根导 向杆 7穿过活塞 6固定在缸体 2 上。当活塞在液压力的作用下沿螺旋杆运动时，要产 生旋转运动。如果固定缸体，由于导向杆也固定，所 以活塞沿螺旋杆及导向杆只能做直线运动，而旋转运 动由螺旋杆输出；如果固定螺旋杆，则活塞通过导向 杆带 动缸体转动 。除此之外 ，这种液 压缸结 构简单 、 便 于加工 2 ． 3 液 压控 制 系统设计 液压机械手是以液体压力能作为驱 动力进行工作 的。在机械手上被驱动件的运 动速度 ，决定于油液在 油缸 直线 缸或 回转缸 内容 积变 化 的快慢 ；驱 动 力的大小 ，决定 于油液 的单位 压力 常用 2～ 4 M P a 的压力油 ，有的可高达 7 M P a 及作用 的有效面积。 机械手液压系统图如图 4所示 ，系统 由叶片泵 1 供油 ，液压油经单向阀2分别进入5个三位四通换向 阀，分别控制手爪油缸、摆动油缸、升降油缸 、仰俯 油缸 的 动作 ，来 实现夹 持 松 开 物 件 、抬起 落 下 物件等一 系列 动作 。手爪油 缸所需液压 力较小 ， 故使用减压阀3来降低压力。作者所设计液压控制系 统均采用手动换 向阀 4操作 ，换 向平稳 ，可 靠性强 。 系统压力 由溢流 阀 7调定 ，各个液压缸 的运动速度可 由调速阀6分别调节。液压控制系统必须保证执行元 件在不工作时切断其进 、出油液通道，确切地保证在 既定 位置上 ，而不会 因外力作用 而移动 。锁紧 回路均 采用 双向液压锁 5 ，锁紧效果好 ，可很好 地实现机 械 手在 空中任何位置 的停 留。单 向阀 2有效地防止油液 倒 流 ，保护液压泵 。 手 爪油缸摆 动 油缸 仰俯 油 缸 升 降 油缸 升 降 油缸 图4 液压控制系统原理图 3三维仿真设计 根据工作要求确定机械手设计方案后 ，采用计算 机辅助设 计的方法进行结构设 计。利用 S o l i d E d g e三 维设计软件可提高设计效率。在设计过程中，采用了 自底而上的设计方法 ，先建立好参数化零件模型，然 后再进行 虚拟装 配与仿 真。机械手设计流程如图 5所 示 。 图 5 S o l i d E d g e设计流程图 4 0 机床 与液压 第 3 8卷 3 ． 1 几何建模 通过 S o l i d E d g e 可 以建立全参 数化 的模 型 ，便 于 修改 ，极大地减小 了更改模 型尺寸带来 的麻烦 。首先 通过新建文件进人 S o l i d E d g e的零件模块，通过拉伸 等实体建模方法建立实体模型。实体建模是产品设计 和仿真的基础，模型建立的好坏直接影响到后面仿真 和运动分析的结果 。作者所研究 的机械手要建 立的实 体有 手臂 、立 柱 、 回转 液 压缸 、手爪 、手架 、 滑块 、底座 等。 3 ． 2虚拟装 配 零件实体建模 工作完成后 ，通过新 建文件进 入 S o t i d E d g e 的装 配 件模块 ，就 可 以进行 零 件 的装 配 。根 据机 械 手 结 构 的形 式 、各 个 零 部 件 之 间 的 约束条件和相对运动关系，制定合理的装配顺 序， 完成 机 械手 的虚 拟 装 配 ，生 成 机 械 手 的 三维 实 体 模 型 。S o l i d E d g e 软件 装 配模 块 里 提 供很 多 的连 接 条件 ，提高了装 配效率，也方便 了后 面的机 构运 动分 析 。 3 ． 3 机 构仿 真 装 配工作 结束 后 ，首先 要 检查 机 械手 的装 配 情 况 ，在装配成功的情况下就可以进行机构仿真 了。从 仿真 的过程 中可以看 出各 个零部 件之 间有 没有 干涉 ， 是否符合功能要 求。如果没有 干涉 又符合 功能要求 ， 则说 明机械手能够实现 预定 的动作要求 ；如果出现错 误 ，就应 该返 回几 何建模 这一 步对 零件 尺 寸进 行修 改 ，直到仿真正确为止 。作者所设计 的液压机械手仿 真装配图如图 6 。 图6 液压机械手仿真装配图 4结论 作者所设计的用于方 形物件 装卸 的液压 机械手 ， 动作灵活，操作简单 ，易于调节和控制，可代替仓库 铲车快速实 现方 形 物件 的装 卸工 作 ，也 可在 物流 中 心、码头的车船上对方形物件进行快速堆码和装卸， 还可以代 替人从 事单调 重复 、繁重和有害环境的体 力 劳动 ，实 现生产 的机械化 和 自动化 。更换液压机械手 手爪 ，可以扩大该机械手的应用范围，具有广阔的市 场 和应用前景 。 参考文献 【 1 】 刘延俊． 液压与气压传动[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 20 0 2． 1 2． 【 2 】石延平， 扬力． 大摆角螺旋摆动液压缸的设计[ J ] ． 液压 与气动 ， 1 9 9 9 6 ． 【 3 】黄迷梅． 液压气动密封与泄漏防治[ M ] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． 3 ． 【 4 】 黄胜， 张剑澄， 王天翔． S o l i d E d g e 高级篇[ M] ． 北京 机 械工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． 1 ． 上接第 3 7页 地改变，而不 出现突然增大或减小排量 的不正常现象 。 恒功率控制阀 3常态是右位工作。当压力增大时，到 恒功率调节范围，压力控制油进入上变量油缸5 ，使滚 轮柱上升 ，推动摇臂压缩外部恒功率 调整弹簧 ，这 时 恒功率控制阀 3的阀芯 左位工 作，控 制油经 阀 3 、阀 2 、阀 1 进入下变量油缸 6 ，由于上下变量油缸面积差 ， 使排量变至 i 方向，在恒功率控制区域压力增大， 排量减小 ，即同样满足 P 常数。 恒功率、压力切断带电比例控制泵是混凝土泵车 上应用较多的主油泵。我 国主要泵 车生产 厂家所 采用 的主油泵大都选用德 国 R e x r o t h公 司生产的 Al 1 V L O 系列轴 向柱塞泵 ，便 于远程 遥控操作 ，实质上 A 】 1 V 一 L O系列泵的控制有多种方式，这里所讨论的是常见 的 3 种控制方式 。 4结论 R e x r o t h A 1 1 V L O轴向柱塞泵结构复杂，制造精 度高，额定工作压力达 3 5 MP a ，是一种专用于拖式 混凝土泵、混凝土泵车、车载泵或其他工程机械的高 压柱塞泵，优点很多 ，能实现恒功率调速、压力切 断 、远程 电比例遥控操作 。为满足不同工况要求 ，变 量控制方式可根据实 际需要选用 。该泵的设计制造技 术代表了当今工程机械、混凝土泵送机械液压传动技 术的最高水平，对我国液压元件制造厂家的产品研 发 、创新等方面有着很好的借鉴意义。 参考文献 【 1 】R e x r o t h ． 行走机械用液压及电子控制元件[ M] ． B o s c h Gr o u p， 20 0 5． 【 2 】刘明安 ， 张博． 液压传动技能实训[ M] ， 2 0 0 8 ． 【 3 】B o s c h G r o u p ． R e x r o t h A 1 1 V L O 1 9 0 2 6 0 L R D U 2 ／ 1 1 R产 品培训 [ M] ．