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淬火用上下料機(jī)械手液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
學(xué) 生：陳二彪
指導(dǎo)老師：陳文凱
（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128）
摘 要：本文主要介紹了上下料用機(jī)械手的設(shè)計(jì)過程，它包括了對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的工作要求和情況的分析，通過系統(tǒng)的工作過程確定整個(gè)液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。分析整個(gè)循環(huán)過程確定系統(tǒng)工作原理圖，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)要求選擇標(biāo)準(zhǔn)的液壓元件，完成液壓系統(tǒng)的裝配圖。液壓集成塊作為現(xiàn)在液壓系統(tǒng)的主要部件，液壓集成塊的CAD的研究與開發(fā)已為液壓工程設(shè)計(jì)提供了有力支持，在對(duì)機(jī)械手液壓系統(tǒng)集成塊設(shè)計(jì)過程中，能夠與實(shí)際的加工工藝相結(jié)合，并且對(duì)現(xiàn)在的液壓集成塊的CAD技術(shù)有很好的認(rèn)識(shí)。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手；液壓系統(tǒng)；集成塊
Design of Hydraulic System of Manipulator For Hardening Material Loading And Unloading
Student: Chen Erbiao
Tutor: Chen Wenkai
(College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)
Abstract: The process of loading and unloading manipulator is designed in this paper, which includes the analysis of the request of the system and the situation, and determines the structure design of the hydraulic system by the working process of the system. Analysis of the entire process to determine the system working principle diagram, according to the hydraulic system parameters for the selection criteria, to finish the assembly diagram of hydraulic system. Hydraulic integrated block as the main components of the hydraulic system of hydraulic integrated block now, research and development of hydraulic integrated block CAD has provided a strong support of hydraulic engineering design, in the hydraulic system of the manipulator integrated block design process, can be combined with process the actual, and good knowledge of CAD technology of hydraulic integrated block now.
Key words: manipulator; hydraulic system; integrated block
1 前言
工業(yè)機(jī)器人一般指用于機(jī)械制造業(yè)中代替人完成具有大批量、高質(zhì)量要求的工作，如汽車制造、摩托車制造、艦船制造、某些家電產(chǎn)品（電視機(jī)、電冰箱、洗衣機(jī)）、化工等行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線中的點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、切割、電子裝配及物流系統(tǒng)的搬運(yùn)、包裝、碼垛等作業(yè)的機(jī)器人。
工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 ?
機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。
機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)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(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。
在發(fā)達(dá)國家中，工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線成套設(shè)備已成為自動(dòng)化裝備的主流及未來的發(fā)展方向。國外汽車行業(yè)、電子電器行業(yè)、工程機(jī)械等行業(yè)已經(jīng)大量使用工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)避免了大量的工傷事故。全球諸多國家近半個(gè)世紀(jì)的工業(yè)機(jī)器人的使用實(shí)踐表明，工業(yè)機(jī)器人的普及是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，提高社會(huì)生產(chǎn)效率，推動(dòng)企業(yè)和社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的有效手段。
目前，國外已經(jīng)研制和生產(chǎn)了各種不同的標(biāo)準(zhǔn)組件，而中國作為未來工業(yè)機(jī)器人的主要生產(chǎn)國，標(biāo)準(zhǔn)化的過程是發(fā)展趨勢(shì)。中國制造業(yè)面臨著向高端轉(zhuǎn)變，承接國際先進(jìn)制造、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)。加快工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究開發(fā)與生產(chǎn)是中國抓住這個(gè)歷史機(jī)遇的主要途徑。因此我國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展要進(jìn)一步落實(shí)：第一，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是我國由制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的主要手段和途徑，政府要對(duì)國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人有更多的政策與經(jīng)濟(jì)支持，參考國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，加大技術(shù)投入與改造；第二，在國家的科技發(fā)展計(jì)劃中，應(yīng)該繼續(xù)對(duì)智能機(jī)器人研究開發(fā)與應(yīng)用給予大力支持，形成產(chǎn)品和自動(dòng)化制造裝備同步協(xié)調(diào)的新局面；第三，部分國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人質(zhì)量已經(jīng)與國外相當(dāng)，企業(yè)采購工業(yè)機(jī)器人時(shí)不要盲目進(jìn)口，應(yīng)該綜合評(píng)估，立足國產(chǎn)。
智能化、仿生化是工業(yè)機(jī)器人的最高階段，隨著材料、控制等技術(shù)不斷發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品越來越多的產(chǎn)品化，逐步應(yīng)用於各個(gè)場(chǎng)合。伴隨移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，多傳感器、分布式控制的精密型工業(yè)機(jī)器人將會(huì)越來越多，逐步滲透制造業(yè)的方方面面，并且由制造實(shí)施型向服務(wù)型轉(zhuǎn)化[11]。
2 機(jī)械手技術(shù)特點(diǎn)
1）淬火用上下料機(jī)械手采用流體傳動(dòng)和可編程序控制器控制，距離保溫爐較近的機(jī)構(gòu)采用氣動(dòng)，距離較遠(yuǎn)的則采用液壓，以避免由于溫度過高而引起液壓油液泄漏等問題；可以實(shí)現(xiàn)調(diào)整、手動(dòng)及自動(dòng)控制，電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠，造價(jià)低于一般的繼電器控制。降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量并保證了生產(chǎn)安全。
2）液壓系統(tǒng)所有執(zhí)行器均采用回油節(jié)流調(diào)速，有利于油液散熱和提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性；通過節(jié)流閥與電磁換向閥配合實(shí)現(xiàn)執(zhí)行器的緩沖控制。
3）機(jī)械手的定位通過行程開關(guān)、光電開關(guān)和氣缸驅(qū)動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
4）在結(jié)構(gòu)上，液壓系統(tǒng)中的板式控制閥集成塊，外形美觀，使用維護(hù)方便。
5）該系統(tǒng)還可推廣至其他淬火機(jī)床或鍛壓機(jī)床的上下料機(jī)械手中，因此研究推廣淬火用上下料機(jī)械手對(duì)我國乃至全世界的經(jīng)濟(jì)發(fā)張有著很重要的意義[4]。
3 機(jī)械手設(shè)計(jì)要求分析
3.1 設(shè)計(jì)目的和要求
上下料用機(jī)械手能在不同高度與不連續(xù)的工作臺(tái)之間實(shí)現(xiàn)機(jī)械零件的重復(fù)取放，代替人工勞動(dòng)，減輕了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證了產(chǎn)品和工人的質(zhì)量與安全。
3.2 機(jī)械手簡(jiǎn)介與分析
1）上下料用機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)的結(jié)構(gòu)形式，主要的組成部分有：升降機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，手臂伸縮結(jié)構(gòu)等，在這三中機(jī)構(gòu)中采用液壓驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)方式，能保證機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)的緊湊性，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)以及可以方便的實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。
2）如圖1所示，機(jī)械手在工作過程中需三種運(yùn)動(dòng)，其中手臂的伸縮和立柱的升降為兩種直線運(yùn)動(dòng)，而手臂的回轉(zhuǎn)為圓周運(yùn)動(dòng)，所以采用圓柱坐標(biāo)形式。其特點(diǎn)是，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，手臂運(yùn)動(dòng)范圍大，有較高的定位準(zhǔn)確度。
圖 1 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式
Fig 1 The moving coordinate form of manipulator
3）機(jī)械手的工作范圍：機(jī)械手在水平方向上的伸縮范圍為至兩個(gè)不同高度的工作臺(tái)的距離，手臂伸縮總行程為500mm，手臂回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)范圍為90度，立柱升降的垂直方向的距離為兩工作臺(tái)的高度差，總行程為200mm。
4 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 根據(jù)工作要求確定一個(gè)工作循環(huán)周期的運(yùn)動(dòng)過程
1）手臂位于初始位置（1）
2）手臂伸長(zhǎng)至工作臺(tái)（1）
3）手指抓取工件（延時(shí)20s，確保工件被抓?。?
4）手臂縮回
5）立柱升高至所需高度，至工作臺(tái)（2）
6）手臂回轉(zhuǎn)角度α，至位置（2）
7）手臂伸長(zhǎng)并釋放工件（延時(shí)20s，確保工件被成功釋放）
8）手臂縮回
9）手臂回轉(zhuǎn)角度 —α，至位置（1）
10）立柱下降高度至工作臺(tái)（1）
圖 2 上下料機(jī)械手運(yùn)動(dòng)位置示意圖
Fig 2 The motion location diagram of the manipulator
圖3 上下料機(jī)械手工作行程范圍示意圖
Fig 3 The working stroke range diagram of the manipulator
工作行程范圍：
角度0-240度；手作工作范圍200mm；高度工作范圍200mm
4.2 據(jù)工作循環(huán)過程確定系統(tǒng)工況分析圖，確保工作運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)作連續(xù)性
圖4 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)循環(huán)工況分析圖
Fig 4 The analysis of motion cycle char the manipulatort of
4.3 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)要求
1）滿足工業(yè)機(jī)械手動(dòng)作順序要求。動(dòng)作順序的各個(gè)動(dòng)作均由電控系統(tǒng)發(fā)訊號(hào)控制相應(yīng)的電磁鐵，按程序依次步進(jìn)動(dòng)作而實(shí)現(xiàn)。
2）機(jī)械手伸縮臂安裝在升降大臂上，前端安裝夾持器，按控制系統(tǒng)的指令，完成工件的自動(dòng)換位工作。伸縮要平穩(wěn)靈活，動(dòng)作快捷，定位準(zhǔn)確，工作協(xié)調(diào)；
3）控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要滿足伸縮臂動(dòng)作邏輯要求，液壓缸及其控制元件的選擇要滿足伸縮臂動(dòng)力要求和運(yùn)動(dòng)時(shí)間要求。
本次設(shè)計(jì)采用液壓傳動(dòng)的控制方式，相比其他傳動(dòng)方式有以下幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：
1）液壓傳動(dòng)能在運(yùn)行中實(shí)行無極調(diào)速，調(diào)速方便且調(diào)速范圍比較大；
2）在同等功率條件下，液壓傳動(dòng)裝置的體積小，重量輕，慣性小，結(jié)構(gòu)緊湊，而且能傳遞較大的力或轉(zhuǎn)矩
3）液壓傳動(dòng)工作比較平穩(wěn)，反應(yīng)快，沖擊小，能高速啟動(dòng)、制動(dòng)和換向。液壓傳動(dòng)裝置的換向，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)每分可達(dá)500次
4）液壓傳動(dòng)裝置的控制、調(diào)節(jié)比較簡(jiǎn)單，操縱比較方便、省力，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，與電氣控制配合使用，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的順序動(dòng)作和遠(yuǎn)程控制
5）液壓傳動(dòng)裝置易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，系統(tǒng)超負(fù)荷，油液經(jīng)溢流閥回油箱。由于采用油液作工作介質(zhì)，能自行潤(rùn)滑，所以壽命比較長(zhǎng)
6）液壓傳動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，利于設(shè)計(jì)，制造和推廣使用
7）液壓傳動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、直線運(yùn)動(dòng)，且元件排列布置靈活
8）液壓傳動(dòng)中，由于功率損失所產(chǎn)生的熱量可由流動(dòng)著的油帶走，所以可避免在系統(tǒng)某些局部位置產(chǎn)生過度溫升
4.4 擬訂液壓系統(tǒng)的工作原理圖
4.4.1 根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的工作完成步驟，選擇合適的液壓缸
伸縮運(yùn)動(dòng)和升降運(yùn)動(dòng):選擇單桿活塞液壓缸，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)選擇擺動(dòng)液壓缸，保證整個(gè)系統(tǒng)能夠達(dá)到穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)效果。
4.4.2 液壓回路的選擇
確定液壓執(zhí)行元件以后，根據(jù)設(shè)備的共組特點(diǎn)和工作要求確定對(duì)主要性能起決定性影響的主要回路，機(jī)械手液壓系統(tǒng)主要有針對(duì)伸縮運(yùn)動(dòng)，升降運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的三個(gè)主要運(yùn)動(dòng)回路。
4.4.3 對(duì)以上的液壓元件和液壓回路進(jìn)行綜合
液壓回路的綜合就是把選擇的液壓回路放在一起，進(jìn)行歸并整理，增加必要的液壓元件和輔助回路，確定完整的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。同時(shí)注意：a.盡量簡(jiǎn)化系統(tǒng)機(jī)構(gòu)，減少不必要的液壓元件使用；b.保證整個(gè)液壓系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的可靠，安全，沒有元件與機(jī)構(gòu)之間的相互干涉問題的存在；c.盡可能的去提高系統(tǒng)的工作效率，減少不必要的功耗的浪費(fèi)；d.盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)通用的液壓元件。
綜合以上的動(dòng)作，原理以及元件，繪制液壓系統(tǒng)原理圖。下圖為本機(jī)械手液壓系統(tǒng)的工作原理圖：
圖 5 上下料機(jī)械手液壓系統(tǒng)的工作原理圖
(注：上圖中的s1，s2，s3，s4，s5，s6，s7為行程控制開關(guān))
Fig 5 The principle diagram of hydraulic system of loading manipulators
(Note: the above S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7 is a stroke control switch)
4.5 液壓缸尺寸的確定及安全強(qiáng)度的校核
根據(jù)設(shè)計(jì)的參數(shù)要求，確定合理的液壓缸尺寸
4.5.1 伸縮液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算
由于工件相對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)較小，并且工件運(yùn)動(dòng)為水平運(yùn)動(dòng)垂直于重力方向和摩擦力方向，所以對(duì)于運(yùn)動(dòng)過程來說負(fù)載較小，故不進(jìn)行負(fù)載分析。
1）伸縮液壓選擇單桿式活塞缸:工作行程為 500mm
由于此工業(yè)機(jī)械手屬于小型的工程機(jī)械，故選初始?jí)毫?P=10Mpa
試取 q=30L/min
V1=100mm/s（活塞伸出的速度）
V2=130mm/s（活塞縮回的速度）
則：A = q / V1= 50 cm2
D1 =4A/π=80mm （1）
由于V1V2=A2A1=(D12-D22)D12 （2）
算出D2=40mm
故選取標(biāo)準(zhǔn)CHSG01-01/De 速度比為1.337
D1=80mm D2=40mm
2）工作腔面積
A1=14πD12=1600π （3）
A2=14πD22=1200π （4）
3）活塞穩(wěn)定性較核
活塞工作總行程 S=500mm， 活塞桿直行 D2 =40mm 因?yàn)?e/d=500/400=12.5 〉10 ，故需對(duì)活塞桿進(jìn)行穩(wěn)定性校核
由材料力學(xué)中有關(guān)公式以及下表1和表2知，根據(jù)液壓缸一端支承一端鉸接，
取末端條件系數(shù) n=2，活塞桿選用中碳鋼 ；
材料強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值 fc=4.9×108Pa
柔性系數(shù) m=85
實(shí)驗(yàn)常數(shù) a=1/5000
因?yàn)榛钊麠U斷面的回轉(zhuǎn)半徑 K=JA=d/4=40/4=10 （5）
活塞桿細(xì)長(zhǎng)比 lK=50010=50
F=pA1=5.0×104 （8）
所以滿足穩(wěn)定性要求；
對(duì)于伸縮而言 ，則取缸徑 D1=80mm
活塞桿半徑 D2=40mm
求液壓缸流量：
q進(jìn)=A1V1=502.4ml （9）
q退=A2V2=490ml （10）
表1 液壓缸末端條件系數(shù)
Table 1 The end condition coefficient of the hydraulic cylinder
類型
一端固定，一端自由
兩端鉸接
一端固定，一端鉸接
兩端固定
n
1/4
1
2
4
表2 參考取值
Table 2 The reference value
材料
鑄鐵
鍛鋼
低碳鋼
中碳鋼
fc/MPa
560
250
340
490
a
1/1600
1/9000
1/7500
1/5000
m
80
110
90
85
4.5.2 擺動(dòng)液壓缸設(shè)計(jì)計(jì)算
回轉(zhuǎn)角度α=90°
液壓缸和工作壓力P1=10MPa 則輸出壓力P2=0MPa
取q=30L/min
故取b=30 R1=70mm R2=50mm
T=bR2R1(P1-P2)rdr=3.6×104N.m≥T1 (11)
故可驅(qū)動(dòng)基于手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
4.5.3 升降液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算
由于手臂伸縮機(jī)構(gòu)與擺動(dòng)機(jī)構(gòu)等重量全載于升降機(jī)構(gòu)，
故算的, FG≤3000N
選取液壓缸的工作壓力 P=10MPa 工作負(fù)載 FL=2500N
A=FP=3000107=3×10-4 （12）
取D1=100mm
D2=50mm
q=30L/min
V=q/A=3000/60×25π=63mm/s （13）
取V=50mm/s 則耗時(shí)約為4s
4.6 液壓元件的選擇
4.6.1 動(dòng)力元件(定量泵的選擇)
液壓泵是標(biāo)準(zhǔn)元件，其選擇的依據(jù)是額定壓力和流量。整個(gè)系統(tǒng)由一個(gè)定量泵供油，只要確定最大的工作壓力和最大的流量就可以確定液壓泵的參數(shù)。由分析可知：
實(shí)際流量：qp=K1×qmax=1.1×32.8=36.08L/min （14）
實(shí)際壓力：Pp=K1×Pmax=1.1×10=11MPa （15）
查參考文獻(xiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》P23-68，表23.5-6，選擇CB32型齒輪泵，技術(shù)參數(shù)見下表
表3齒輪泵型號(hào)及參數(shù)
Table 3 The types and parameters of gear pump
型號(hào)
排量
ml/r
壓力/MPa
壓力/MPa
轉(zhuǎn)速/r/min
容積效率（%）
驅(qū)動(dòng)功率/KW
重量/KG
CB32
32
10
12.5
1500
≥90
8.72
6.4
根據(jù)所選的CB32齒輪泵的參數(shù)，從《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》 P167表12-1選擇Y160M-4，同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，額定功率為11KW的電動(dòng)機(jī)[11]。
4.6.2 控制元件（電磁換向閥、壓力閥、流量閥的選擇）
控制元件是標(biāo)準(zhǔn)件，其選擇依據(jù)是系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的最大流量
1）方向控制閥
電磁換向閥：按照P=11MPa，q=36.08L/min,選擇34-H10B型三位四通電磁換向閥和24-H10B型兩位四通電磁換向閥。
單向閥：按照P=11MPa，q=36.08L/min,選擇AJ-H10B型單向閥
2）壓力控制閥
減壓閥：按照P=11MPa，q=36.08L/min,選擇JF3-10B型直動(dòng)式減壓閥
卸荷溢流閥：按照P=11MPa，q=36.08L/min,選擇DA型先導(dǎo)式卸荷溢流閥
3）流量控制閥
調(diào)速閥：按照P=11MPa，q=36.08L/min,選擇FCG-3-16-H-10型流量控制閥
單向行程節(jié)流閥：按照P=11MPa，q=36.08L/min,選擇L-10H型單向行程節(jié)流閥
按照元件計(jì)算結(jié)果見下表
表4液壓閥型號(hào)及參數(shù)
Table 4 The types and parameters of hydraulic valve
名稱
工作壓力（MPa）
流量（L/min）
型號(hào)
電磁換向閥
11
36.08
34-H10B
單向閥
11
36.08
AJ-H10B
減壓閥
11
36.08
JF3-10B
卸荷溢流閥
11
36.08
DA
調(diào)速閥
11
36.08
FCG-3-16-H-10
單向行程節(jié)流閥
11
36.08
L-10H
4.6.3 輔助元件（管道、接頭、濾油器、油箱）
1管道：由于本系統(tǒng)壓力一般，擬采用軟管
根據(jù)公式A=Q6V （16）
得d=2Q3πV
d：軟管內(nèi)徑
V:管內(nèi)速度
Q：管內(nèi)流量
把已知數(shù)據(jù)代入公式得d=14.4mm
根據(jù)液壓行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，圓整為d=15mm
查選《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》Ι型軟管
2、管接頭
由于本系統(tǒng)最高工作壓力為11MPa，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選扣壓式膠管接頭
3、濾油器
由于本系統(tǒng)適用于高溫作業(yè)，油液溫度會(huì)很高，故選擇燒結(jié)式濾芯
4、工作介質(zhì)（液壓油）
液壓系統(tǒng)對(duì)工作介質(zhì)的要求：有適當(dāng)?shù)木群土己玫恼硿靥匦裕?
氧化安定性好和剪切安定性好；
抗乳化性、抗泡沫性好；
能防火、防爆；
有良好的潤(rùn)滑性和放腐蝕性；
對(duì)人體無害，成本低
5 集成塊的設(shè)計(jì)
5.1 設(shè)計(jì)分析
在整個(gè)液壓系統(tǒng)中，由于整個(gè)系統(tǒng)由若干個(gè)液壓閥有機(jī)組合在一起的，各個(gè)液壓閥之間的連接方式主要有：管式連接，板式連接，集成式連接。集成式連接又可以分為集成塊式連接，疊加閥式連接，插裝錐閥式連接。
由于管式連接結(jié)構(gòu)分散，尤其對(duì)于復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，占據(jù)空間很大，管路交錯(cuò)，接頭較多，裝卸維修困難，并且在接頭處容易造成油液的泄露與空氣的滲入，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪音和震動(dòng)。
板式連接一般油管較多，而且易在兩板之間形成間隙，出現(xiàn)漏油，串腔等問題。而集成塊式連接是集成式連接中的一種，即借助于集成塊把標(biāo)準(zhǔn)式的板式連接的液壓元件連接起來，它是一種代替管路把元件連接起來的六面連接體，在連接體內(nèi)根據(jù)各控制油路設(shè)計(jì)出需要的油路通道，液壓閥裝在集成塊周圍。集成塊的上下面是塊與塊的結(jié)合面，在結(jié)合面上加工有相同位置的壓力油孔P，回油孔T，泄露油孔L，以及安裝螺栓孔。集成塊與裝在周圍的閥類元件之間組成一個(gè)集成塊組，可以完成一定典型回路的功能。將所有的集成塊組疊加在一起，就可以構(gòu)成整個(gè)集成塊式的液壓傳動(dòng)接系統(tǒng)。
在所有的集成塊組的下面應(yīng)該有底板結(jié)構(gòu)，底板上有壓力油孔P，回油孔T，泄露油孔L等，通過底板來實(shí)現(xiàn)集成塊組與油泵和油箱的連接，在所有的集成塊組上面還應(yīng)該有頂蓋結(jié)構(gòu)，在頂蓋上可以安裝壓力表開關(guān)，以便于測(cè)量系統(tǒng)中各連接點(diǎn)或者某一油路的壓力情況，這種集成方式的優(yōu)點(diǎn)是它的機(jī)構(gòu)緊湊，占地面積小，易于裝卸和維修，并且具有標(biāo)準(zhǔn)化和系列化產(chǎn)品。以選用組合，因而被廣泛用于各種中高壓液壓系統(tǒng)和各種中低壓液壓系統(tǒng)中，但是對(duì)于它的設(shè)計(jì)，工作量比較大，加工工藝復(fù)雜，不能任意修改等缺點(diǎn)。
下面就簡(jiǎn)單的集成塊舉一個(gè)例子。包括三維造型的線形結(jié)構(gòu)和實(shí)體結(jié)構(gòu)。（如下圖）
圖 6 集成塊三維造型的線形結(jié)構(gòu)
Fig 6 The three-dimensional shape of the linear structure of integrated block
圖 7 集成塊的三維實(shí)體造型
Fig 7 The 3D solid modeling of integrated block
5.2 根據(jù)具體的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算
上下料用的機(jī)械手液壓系統(tǒng)的集成塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)見集成塊裝配圖，它包括地板塊，升降機(jī)構(gòu)控制集成塊，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制集成塊，伸縮機(jī)構(gòu)控制集成塊以及頂蓋等五個(gè)集成塊組成。
下面針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中的伸縮缸液壓控制回路集成塊為例子，具體說明整個(gè)集成塊的設(shè)計(jì)計(jì)算過程：
為了能滿足整個(gè)循環(huán)的工作要求，則該回路共需四個(gè)液壓元件，有相關(guān)手冊(cè)查得它們的型號(hào)和規(guī)格，以及安裝底板在安裝這些元件時(shí)候應(yīng)考慮的油孔的相對(duì)位置情況等。
1）減壓閥
型號(hào)：JF3-10B
通徑：Φ10
連接底板標(biāo)準(zhǔn)：GB8100-AG-06-2-A
外型尺寸：84mm*61mm
安裝螺栓孔和油孔的相對(duì)位置如下：
2）單向閥
型號(hào)：AJ-H10B
通徑：Φ10
AJ型直角單向閥板式連接
外型尺寸：60mm*90mm
安裝螺栓孔和油孔的相對(duì)位置如下：
3）三位四通電磁換向閥
彈簧對(duì)中型 代號(hào)O
型號(hào)：34- H10B
通徑：Φ10
規(guī)格：流量40 L/min
公稱壓力 31.5 Mpa
換向頻率 60次/min
電壓 AC 220V 50Hz ±10%
DC 12V 24V ±10%
功耗 AC 40W
DC 42W
安裝螺栓孔和油孔的相對(duì)位置如下：
4）單向節(jié)流閥
型號(hào)：L -H10
板式連接
通徑：Φ10
外型尺寸：130mm*90mm
安裝螺栓孔和油孔的相對(duì)位置如下：
5.3 下面為集成塊的設(shè)計(jì)步驟
1）根據(jù)上面查得的標(biāo)準(zhǔn)，做液壓元件樣板，根據(jù)閥的油孔和外型尺寸確定液壓集成塊的外型尺寸，以及閥體在集成塊某一面上所占的空間。
2）確定通道的孔徑，集成塊上的公用通道，即壓力油孔P，回油孔T，泄露油孔L，以及四個(gè)安裝孔，壓力油孔由液壓泵流量決定，本回路流量約為30 L/min
則取壓力油孔的孔徑為Φ12mm，回油孔和泄露油孔也取孔徑為Φ12mm。
直接與液壓元件連接的液壓油孔由選定的液壓元件規(guī)格確定，由于所選液壓閥的通徑都為Φ10mm，則統(tǒng)一取孔徑為Φ12mm，方便加工。而孔與孔之間的連接孔（即工藝孔）也取Φ12，并且要求用螺塞在集成塊表面堵死，不允許堵孔用的螺塞對(duì)其他的液壓元件和結(jié)合面有干涉作用。
3）集成塊上液壓元件的布置，把做好的液壓元件樣板在集成塊各個(gè)視圖上進(jìn)行布局，有的液壓元件需要連接板，則樣板以連接板為準(zhǔn)。
在布局時(shí)應(yīng)該避免電磁換向閥兩端的電磁鐵與其他部分或元件想干涉，液壓元件的布置應(yīng)以在集成塊上加工的孔最少為最佳。如圖8所示，孔道相通的液壓元件應(yīng)該盡可能布置在同一水平面上，或在直徑d的范圍內(nèi)（如圖8 a），
否則要鉆中間油孔（如圖8 b，c），不通油孔之間的最小壁厚h必須進(jìn)行強(qiáng)度校核（如圖8 d）。
液壓元件在水平上的孔道若與公共油孔相通，則應(yīng)盡可能地布置在同一垂直位置或在直徑d的范圍（如圖8 a，b），否則要鉆中間孔道（如圖9c），集成塊前后與左右連接的孔道應(yīng)相互垂直，不然也要鉆中間孔道（如圖9 d）。
設(shè)計(jì)專用集成塊時(shí)，要注意其高度應(yīng)該比裝在其上的液壓元件最大橫向尺寸大，以避免上下集成塊上的液壓元件相互干涉，影響集成塊組之間的緊固問題。
圖 8 液壓元件在垂直面內(nèi)的孔道關(guān)系
Fig 8 The channel relationship of the hydraulic components in the vertical plane
4）集成塊上液壓元件布置程序。電磁換向閥布置在集成塊的前面和后面，先布置垂直位置，后布置水平位置，要避免電磁換向閥的固定螺孔與閥口通道、集成塊固定螺孔相通。液壓元件泄漏孔可考慮與回油孔合并。水平位置孔道可分為三層進(jìn)行布置。根據(jù)水平孔道布置的需要，液壓元件可以上下左右移動(dòng)一段距離，具體可參見圖6。溢流閥的先導(dǎo)閥部分可伸出集成塊外，有的元件如單向閥，可以橫向布置。
圖 9 液壓元件在水平面內(nèi)的孔道關(guān)系
Fig 9 The channel relationship of the hydraulic components in the water plane
由于集成塊內(nèi)部油道很多，而且連接方式比較復(fù)雜，這樣就給內(nèi)部孔道的設(shè)計(jì)和校核帶來了一定的麻煩。在做整個(gè)集成塊設(shè)計(jì)的過程中首先要了解整個(gè)液壓回路所需要的液壓元件，然后考慮合適的結(jié)構(gòu)布局，在外觀上，盡量避免在一個(gè)面上安裝兩個(gè)多個(gè)占地面積比較大的液壓元件，這樣會(huì)給集成塊內(nèi)部孔道的設(shè)計(jì)帶來很多麻煩，還有要注意液壓元件外型上的干涉問題，有的液壓元件基本參數(shù)的調(diào)節(jié)要靠手動(dòng)來完成，也就是說在液壓元件的外型空間以外有足夠的空間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)它的調(diào)節(jié)。在內(nèi)部孔道設(shè)計(jì)上，要注意如圖8和圖9中要注意的情況。就拿來說，首先確定壓力油孔P，回油孔T，泄露油孔L和連接螺栓孔的位置，然后選擇液壓回路需要的液壓元件：減壓閥，單向控制閥，三位四通電磁換向閥和節(jié)流閥等，首先放置減壓閥的底面模板于集成塊一面，在放置的過程中要注意使減壓閥的進(jìn)油孔道與壓力油孔P連接方式要盡可能簡(jiǎn)單并且容易加工，然后考慮減壓閥的出油孔道加工深度，綜合考慮單向閥的孔道位置關(guān)系，在合適的減壓閥外部空間以外放置單向閥的底板模型，確定單向閥的孔道位置，同時(shí)要考慮整個(gè)液壓回路各個(gè)液壓元件之間的孔道連接關(guān)系綜合考慮孔道的設(shè)計(jì)。之后在集成塊另一表面放置電磁換向閥，孔道設(shè)計(jì)同樣要考慮加工簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)合理，外型布局合理等因素，然后在一面放置節(jié)流閥，設(shè)計(jì)過程同上。
然后綜合考慮孔道以及外型關(guān)系，確定合理的液壓集成塊的合理尺寸，以及內(nèi)部孔系結(jié)構(gòu)[5]。
5.4 液壓集成塊的加工工藝
隨著液壓系統(tǒng)向高壓化，高精度化發(fā)展，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式也向著集成化的方向發(fā)展，在這種趨勢(shì)下尤其顯示出液壓集成塊的優(yōu)越性。
集成塊加工質(zhì)量的好壞直接影響到系統(tǒng)和設(shè)備的工作性能。集成塊在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理布置油道，盡可能節(jié)省工藝孔。
集成塊的選料：當(dāng)工作壓力<6.3Mpa時(shí)，集成塊可以采用鑄鐵HT20-40，推薦相鄰孔間距δ=5mm；工作壓力>=6.3Mpa時(shí)，集成塊可以采用45#或35#鋼材鍛件或厚板材，且相鄰孔間距δ為6～7mm。
集成塊的加工工藝過程為：
1）下料 一般每邊至少留2mm以上的加工余量；
2）銑六面 每邊留0.2～0.4mm磨量；
3）磨六面至圖紙尺寸 保證兩對(duì)應(yīng)面不平行度不大于0.03mm，兩相鄰面垂直度小于0.05mm；
4）鉗 劃線并鉆各孔，表面精確度Ra=12.5um。對(duì)孔徑適宜需要者，可攻絲。鉆孔遇有相交時(shí)應(yīng)考慮油液流動(dòng)方向，避免產(chǎn)生渦流和沖擊性震動(dòng)，如圖7所示；
5）車 對(duì)需要鏜孔或車螺紋的各孔進(jìn)行車（鏜）加工；
6）鉗 去除毛刺鐵屑，保證清理干凈。目前針對(duì)不同形狀的零件和不同的材質(zhì)以及部位已經(jīng)有多種不同的去毛刺方法和設(shè)備，針對(duì)集成塊主要有以下兩種方法：a）.震動(dòng)式去毛刺，主要用于精加工前，熱處理后進(jìn)行去毛刺處理，除銹，除氧化皮及銳邊倒角處理；b）柔性毛刷去毛刺，針對(duì)集成塊加工中各個(gè)油孔，臺(tái)階孔，直角棱邊出現(xiàn)的毛刺，在精加工后使用毛刷進(jìn)行光整，加工效果好；
7）焊 堵焊工藝孔并且打磨平整。可用螺塞堵孔，堵塞和工藝孔的過盈量在0.02～0.04mm之間，堵塞和孔均留45度的焊接坡口，坡口深3mm，焊接牢固，不得有裂縫，磨平焊渣，也可以用螺塞加密封墊圈旋緊堵住工藝孔，注意外型不要對(duì)其他的元件干涉；
8）磨 將各個(gè)表面磨至所要求的粗糙度要求；
9）清洗 對(duì)于高精度的集成塊，清洗要跟隨每一道工序進(jìn)行，這樣才能保證整個(gè)元件的清潔度。
10）表面處理 鍍鎘或鍍鋅
在裝配前要進(jìn)行粗洗和精洗。
1）粗洗 主要清除附在零件表面的各種顆粒污染物，腐蝕物，油脂等，常用的方法有：a.洗滌液浸泡，刷洗，沖洗，可以除去灰塵殘留顆粒物，油脂等；b.堿性液浸泡，沖洗，可以除去灰塵，油脂，可溶性金屬氧化物；c.酸性液浸泡，沖洗，可以除去氧化皮，銹蝕物，有機(jī)物和無機(jī)物質(zhì)；d.溶劑浸泡，刷洗，可以除去油脂，潤(rùn)滑液，有機(jī)物等；e.機(jī)械清洗，清除表面沾附的污染物。
2）精洗 由于集成塊表面清潔度要求極高，所以要進(jìn)行精洗，精洗的清潔度可以達(dá)到表面殘留一個(gè)分子層的污染物，常用的精洗方法有兩種：a）蒸汽浴洗 將被清洗零件放置在加熱的溶劑蒸氣中，蒸汽在零件表面冷凝從而將污染物洗去；b）超聲波清洗 它是一種有效的清洗方法，將集成塊浸泡在盛有清潔溶劑的超聲波槽中，利用超聲波清除集成塊表面的污染物。
裝配和試驗(yàn)
加工完所有的零件后，在清潔的環(huán)境進(jìn)行集成塊系統(tǒng)的裝配，以防止元器件的銹蝕或受環(huán)境的污染，裝配后的集成塊的進(jìn)出油口用螺塞加組合密封墊圈進(jìn)行密封。
裝配后的產(chǎn)品需要進(jìn)行壓力試驗(yàn)和功能試驗(yàn)，耐壓試驗(yàn)需要按國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，試壓時(shí)間在10分鐘左右，各個(gè)接頭處不得有油液泄露，不允許有其他異?，F(xiàn)象，功能實(shí)驗(yàn)根據(jù)不同功能要求進(jìn)行。
6 液壓集成塊CAD技術(shù)
利用CAD的三維實(shí)體造型功能，可以將液壓集成塊自動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果，即集成塊外部元件布局和內(nèi)部孔道布局的集成方案，在CAD圖形庫中自動(dòng)生成集成塊的三維結(jié)構(gòu)圖和裝配圖，在CAD的三維瀏覽工具的支持下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)集成塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和裝配圖的多方位，多角度的觀察，進(jìn)而對(duì)檢驗(yàn)方案結(jié)果及優(yōu)劣程度進(jìn)行改造。其中，液壓集成塊三維裝配圖生成需要液壓元件圖形庫的支持。
在液壓集成塊設(shè)計(jì)應(yīng)用開發(fā)中仍拘泥于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)果信息建模，而在孔道校驗(yàn)繪圖軟件中，集成塊的設(shè)計(jì)信息轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型記錄到相關(guān)描述文件，據(jù)此得到集成塊的三維幾何模型，并生成二維圖紙作為設(shè)計(jì)結(jié)果，此外對(duì)設(shè)計(jì)過程建模并無涉足?，F(xiàn)在關(guān)于集成塊CAD的研究開發(fā)，不能停留于結(jié)果信息建模，而要面向整個(gè)設(shè)計(jì)過程的建模。為此，需要強(qiáng)調(diào)完善集成塊的設(shè)計(jì)規(guī)范，特別是其設(shè)計(jì)過和目標(biāo)要求，構(gòu)思總體部署方案和確定全部元件規(guī)格及其安裝位置，根據(jù)原理要求設(shè)計(jì)塊體孔系，設(shè)計(jì)師在塊體設(shè)計(jì)中要遵循設(shè)計(jì)規(guī)范與準(zhǔn)則，獲得集成塊裝配草圖與零件設(shè)計(jì)草圖，孔道校驗(yàn)和技術(shù)文件編制。然而集成塊CAD研究開發(fā)的目標(biāo)在于促使設(shè)計(jì)師發(fā)揮創(chuàng)造性，即應(yīng)用開發(fā)應(yīng)定位于集成塊設(shè)計(jì)的前端。根據(jù)過程改進(jìn)要求獲得設(shè)計(jì)過程規(guī)范是過程建模的前提。按照設(shè)計(jì)及開發(fā)能力以及過程改進(jìn)的方法學(xué)框架，逐步建立行之有效的設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)模型。設(shè)計(jì)師利用軟件高效完成工作的同時(shí)，能充分發(fā)揮創(chuàng)造潛力，完成工作的創(chuàng)造性部分，即為集成塊CAD研究開發(fā)的最高目標(biāo)。明確這一目標(biāo)，液壓集成塊CAD研究開發(fā)任務(wù)也就明確了。
液壓集成塊CAD應(yīng)用軟件將能自動(dòng)生成與獲得最優(yōu)的布局不孔集成方案。實(shí)現(xiàn)了液壓集成塊布局孔集成方案的自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。利用該軟件用戶只需要輸入液壓原理圖所提供的液壓元件及其元件之間的連通關(guān)系，則計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成中間的處理過程，包括液壓元件在集成塊體上的布局定位，實(shí)時(shí)干涉校核下的孔道自動(dòng)連通，連通方案的目標(biāo)評(píng)價(jià)和布局方案的自動(dòng)調(diào)整等步驟。最后形成集成塊的布局布孔最優(yōu)方案。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，需要以下幾項(xiàng)數(shù)據(jù)：1.元件的外型尺寸，用于裝配時(shí)進(jìn)行外型干涉校核 2.元件底版孔系數(shù)據(jù)，包括元件底版上各油孔，螺紋孔等的坐標(biāo)位置和孔道大小，以及深度要求和安裝精度要求等 3.元件本身屬性，包括元件裝配的優(yōu)先面，優(yōu)先角度等
液壓集成塊的CAD的研究與開發(fā)已為液壓工程設(shè)計(jì)提供了有力的支持，但其發(fā)展?jié)摿€沒有充分發(fā)掘。由于液壓集成塊的高附價(jià)值，液壓集成塊CAD技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)不但能夠滿足個(gè)別企業(yè)液壓集成塊的專業(yè)急需，同時(shí)也有望走上商品化專業(yè)軟件市場(chǎng)。對(duì)液壓集成塊CAD技術(shù)的研究開發(fā)提出全面的商品化，工程化要求并采取有效的方法學(xué)，技術(shù)和工具，將液壓集成塊CAD技術(shù)應(yīng)用軟件推向用戶市場(chǎng)是液壓集成塊CAD領(lǐng)域的重要工作。
7 結(jié)論
在實(shí)際的生產(chǎn)中，為了提高生產(chǎn)率，減少勞動(dòng)強(qiáng)度，機(jī)械手也就被廣泛地用于工業(yè)生產(chǎn)中，它可以無疲勞地進(jìn)行重復(fù)的動(dòng)作。在這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)整個(gè)過程中，我不僅對(duì)工業(yè)機(jī)械手的現(xiàn)階段的運(yùn)用情況和范圍得到了很深的了解，而且對(duì)于簡(jiǎn)單的機(jī)械手設(shè)計(jì)知識(shí)有一定的掌握不論從結(jié)構(gòu)還是從驅(qū)動(dòng)的形式。還有對(duì)于集成塊的設(shè)計(jì)，以前并不知道液壓集成塊是什么樣的工業(yè)產(chǎn)品，通過這一階段的學(xué)習(xí)，不僅僅對(duì)于液壓集成塊有很深的了解，而且也可以制作一定難度的液壓集成塊，通過CAD技術(shù)的三維建模，對(duì)集成塊進(jìn)行內(nèi)部孔道的加工仿真，從而達(dá)到避免內(nèi)部所設(shè)計(jì)孔道的不干涉問題的存在。在集成塊外型設(shè)計(jì)上要保證裝在集成塊外表面的液壓元件外型的不干涉問題，只有集成塊在液壓元件外型和內(nèi)部設(shè)計(jì)的連接孔都不干涉，并且內(nèi)部孔道之間要進(jìn)行強(qiáng)度的校核，這樣才能保證集成塊工作的安全性能。雖然說這次設(shè)計(jì)做的時(shí)間有限，但是它貫徹了我們四年以來所學(xué)習(xí)的所有知識(shí)，能夠把我們所學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)貫穿在一起，同時(shí)也真正的了解到產(chǎn)品開發(fā)所需要的設(shè)計(jì)過程，應(yīng)注重的設(shè)計(jì)要求等。
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致 謝
本設(shè)計(jì)是在陳文凱老師的悉心指導(dǎo)和熱情關(guān)懷下完成的，從懂一點(diǎn)液壓的學(xué)生到對(duì)液壓有進(jìn)一步的了解，這個(gè)過程自我感覺非常充實(shí)，學(xué)到了很多東西，當(dāng)然不光是書本上的知識(shí)，還有獨(dú)立思考、解決問題的能力等等，這其實(shí)也是我們大學(xué)本科生應(yīng)該學(xué)到的。
大學(xué)四年，陳老師一直都很耐心地教導(dǎo)我們，在此我要深深感謝老師的幫助，從老師身上我不僅學(xué)會(huì)了很多專業(yè)知識(shí)，而且學(xué)會(huì)了很多做人的道理，這對(duì)我以后步入社會(huì)有很大的幫助。
在今后的工作中，我會(huì)盡力將所學(xué)用于實(shí)踐，做到理論與實(shí)踐相結(jié)合，以次來回報(bào)我的母校，尤其是教過我的老師們。同時(shí)也要感謝論文答辯組專家的精心指導(dǎo)。
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