机械毕业设计（论文）-煤车自动锚定机械臂机电液系统综合设计【全套图纸】 .doc

本科毕业设计（论文）煤车自动锚定机械臂机电液系统综合设计（运动模拟仿真设计）燕 山 大 学2011年6月 本科毕业设计（论文）煤车自动锚定机械臂机电液系统综合设计（运动模拟仿真设计）全套图纸，加153893706学院（系）：机械工程学院 专 业： 机电控制 学生 姓名： 学 号：070101010019 指导 教师： 答辩 日期： 2011-6-24 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：机械工程学院 系级教学单位：机电控制工程系 学号070101010019学生姓名专 业班 级机电控制1班题目题目名称煤车自动锚定机械臂机电液系统综合设计（运动模拟仿真设计）题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容设计内容： 基于组态软件的整体机工作过程动画模拟（mcgs、组态王、wincc）运动仿真设计指标：可承受水平交变载荷500kn； 机械手伸缩范围1.8m； 液压最高压力15mpa；额定流量150l/min。基本要求1. 实现系统的动态模拟、体现液压系统工作原理；2. 实现系统压力信号的实时监测；3. 历史数据的保存；4. 电气控制台界面的设计和功能实现；5. 设计计算说明书不少于2万字；6. 英文翻译不少于5000汉字。参考资料1、工控组态软件与plc应用技术 、mcgs用户指南 、mcgs参考手册2、wincc基础及应用开发指南 、深入浅出西门子wincc v63、网上下载的科技论文。周 次第14周第58周第912周第1316周第1617周应完成的内容熟悉题目；借阅参考书；参考资料消化；文献综述、开题报告。组态软件的学习；模拟仿真总体框架设计；系统的动态模拟界面设计；实时压力检测信号界面设计；历史数据保存功能设计；电气控制台界面设计；外文资料翻译；设计计算说明书撰写；审图、改图；准备答辩；毕业答辩。指导教师：职称：教授、博导 2011年2月 28日系级教学单位审批： 年 月 日摘要摘要现代工业机器人机械手起源于20世纪50年代，初期是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更、具有多自由度动作功能的柔性自动化设备，其中通用机械手因具有独立的控制系统程序可变动作灵活多样等特点在中小批量自动化生产中得到广泛应用。本文主要介绍了plc控制的卸煤自动锚定机械臂的功能原理。包括机械臂的机械、液压部分的方案选择和设计计算过程，以及plc控制系统的可靠性设计和控制程序原理。最后阐述了基于组态软件的整机工作过程动画模拟及运动仿真。自动锚定机械手是一种机电液一体化的自动化装置，由四连杆机构、液压缸、传感器位置检测和plc控制系统组成，可实现机械手的空间位置自动寻找、机械手与车辆挂钩自动连接、定位和位置锁定。保证在采用卸煤机卸煤的作业过程中，车辆在轨道上不发生位置移动和振动，从而消除了人身安全事故并提高了生产效率；在卸煤作业完成后，机械手自动脱离与车辆的连接并退回原始位置，缩入轨道基面以下，使得轨道上车辆正常行驶无障碍，符合铁路安全标准规定。关键词机械手 plc控制 组态软件 机电液一体化 i 燕山大学本科生毕业设计（论文）abstractmodern industrial robot manipulator originated in the 1950s, at first it is based on master-slave control mode, can adapt to change, product variety is more flexible automation function of freedom movement, because of the general manipulator with independent variable control system program features such as flexible movements in small batches automation production is widely used. this paper mainly introduces about the function principles of the automatic coal train anchoring manipulator controlled by plc . including the scheme choosing and design calculation process of its mechanical and hydraulic portion .and the reliability design and the program control principle of the plc control system are also expounded. finally the paper introduces the animated simulation and movement simulation process based on configuration software.anchoring manipulator is an automatic device of integrative mechanical, electronic and hydraulic technique.it consists of four-link mechanical, cylinders, detectors and plc control system.it can automatically realize the automatic joint, orientation and lock of the train pothook.in order to avoid the safety accident and improve the productivity, the train must not move and vibrate on the orbit during the course of automatic unloading coal. after unloading, the manipulator can automatically unlock from railway carriage, and move and draw back to under the railroad level to make the train move on the orbit without obstacle, which accords with the railway safety regulation.keywordsmanipulator plc control configuration softwareintegrative mechanical,electronic and hydraulic techniqueiii 目 录摘要iabstractii第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1 机械手的国内外发展史11.1.2 工业机器人的组成及其分类11.1.3 锚定机械手的工程背景51.2 本章小结5第2章 自动锚定机械手液压系统设计72.1 卸煤自动锚定机械臂的工作原理72.2 液压系统原理设计82.2.1 液压系统组成82.2.2液压系统设计计算92.3 本章小结11第3章 自动锚定机械手液压元件的选择133.1 液压泵的选择133.2 电机的选择143.3 联轴器的选择143.4 液压控制阀的选择143.4.1 压力控制阀的选择153.4.2 流量控制元件的选择153.4.3 方向控制元件的选择163.5 液压辅助元件的选择173.5.1 滤油器的选择173.5.2 液位液温计的选择173.5.3 空气滤清器的选择173.5.4 加热器的选择183.5.5 压力表和压力表开关的选择183.6 工作介质的选择183.7 本章小结18第4章 自动锚定机械手液压装置的结构设计194.1 液压泵站的类型及其组件选择194.1.1 液压泵站的类型选择194.1.2 液压元件的配置形式194.2 油箱的设计204.2.1 油箱的功用与类型204.2.2 油箱的容积确定214.2.2 油箱的结构设计214.3 阀集成块的设计234.4 管路及管路的布置244.5 泵站的设计254.3 本章小结26第5章 基于mcgs的整体机工作过程动画模拟275.1mcgs组态软件的概括275.1.1 mcgs组态软件的概念275.1.2 mcgs组态软件的系统构成275.1.3 组态软件的功能特点305.2锚定机械手的系统模拟315.2.1 建立工程315.2.1 设计画面流程335.2.1 编写控制流程375.2.2 曲线显示385.2.3 安全机制405.3本章小结44结论45参考文献46致谢48附录149附录257附录365iii第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题背景人类不断的探索客观世界，同时也在努力的发掘自身的特性。人类的足迹几乎踏遍整个地球，成功的登陆月球，观测其他星球，研究人类的生存环境；同时，人类也在加速自身的研究，包括：生物工程、遗传工程、蛋白质的合成、人造心脏、器官移植、人工智能、专家系统、语音识别等。1.1.1 机械手的国内外发展史工业机器人技术是当今世界最引人瞩目的高新产业之一。许多国家都把发展工业机器人作为高技术领域的战略目标列入国家发展计划，但各国的发展模式有所不同。目前，国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、otc、松下、fanuc、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的kuka、cloos、瑞典的abb、意大利的comau及奥地利的igm公司。我国开发工业机器人晚于美国和日本，但也已有20多年的发展历史，并在“七五”期间对工业机器人进行了攻关，由于部门分割等缘故，所研制的220台机器人中竟然有80多个类型，所以工业机器人一直没有形成规模，很多停留在样机水平上，距产品还有相当的差距。随着国家经济形势的发展，对高技术的要求也发生了变化，我国于1986年将发展机器人列入国家“863”高科技计划。以后又列入国家“八五”和“九五”中。在国家的组织和支持下，经过十几年的持续努力，在机器人的基础技术、控制技术、关键元器件等方面取得了重大进展，并形成了适合我国国情的工业机器人应用领域。1.1.2 工业机器人的组成及其分类工业机器人“一般由两大部分组成：一部分是机器人执行机构，一般称作机器人操作机，它完成机器人的操作和作业；另一部分是机器人控制系统，它主要完成信息的获取、处理、作业编程、规划、控制以及整个机器人系统的管理等功能。机器人控制系统是机器入中最核心的部分，机器入性能的优劣主要取决于控制系统的品质。机器人控制系统集中体现了各种现代高新技术和相关学科的最新进展。当然，要想机器人进行作业，除去机器人以外，还需要相应的作业机构及配套的周边设备，这些与机器人一起形成了一个完整的工业机器人作业系统。工业机器人的系统结构如图1-1所示。1)工业机器人操作机操作机具有与人手臂相似的功能，是可在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置，包括机座、手臂、手腕和末端执行器。迄今为止，典型的工业机器人仅实现了人类胳膊和手的某些功能，所以机器人操作机也称作机器人手臂或机械手。机器人机构可以视为一种杆件机构，它的基本结构是将机构学中的杆件和运动副相互连接而构成的开式运动链。当然也有部分闭链或全部闭链的机器人。图1-1工业机器人的组成1-机座；2-控制装置；3-操作机在机器人中，连杆可称为手臂，运动副称作关节。关节分为平移关节和转动关节。机器人的末端称为手腕，它一般由几个转动关节组成。机器人的手臂决定机器人达到的位置，而手腕则决定机器人的姿态。2)机器人控制系统控制系统是机器人的关键和核心部分，它类似于人的大脑，控制着机器人的全部动作。机器人功能的强弱以及性能的优劣，主要取决于控制系统。控制系统用来控制工业机器人按规定要求动作，可分为开环控制系统和闭环控制系统。一般分为决策级、策略级和执行级：决策级的功能是识别环境，建立模型，将作业任务分解为基本动作序列；策略级将基本动作变为关节坐标协调变化的规律，分配给各关节的伺服系统；执行级给出各关节伺服系统执行给定的指令。工业机器人的分类方法很多，可以按其坐标形式、控制方式和功能等进行分类。1)按坐标形式分(1)圆柱坐标型机器人(见图1-2)：由一个回转和两个平移的自由度组合构成。图1-2圆柱坐标型机器人 图1-3球坐标型机器人(2)球坐标型机器人(见图1-3)：由回转、旋转、平移的自由度组合构成。这两种机器人由于具有中心回转自由度，所以它们都有较大的动作范围，其坐标计算也比较简单。世界上最初实用化的工业机器人“versatran”和“unimate”分别采用圆柱坐标型和球坐标型。图1-4直角坐标型机器人(3)直角坐标型机器人(见图1-4)：由独立沿x，y，z：轴的自由度构成。其结构简单，精度高，坐标计算和控制也都极为简单。 (4)关节型机器人：主要由回转和旋转自由度构成。它可以看成是仿人手臂的结构，具有肘关节的连杆关节结构，如图图1-5关节型机器人1-5所示。从肘至手臂根部(肩)的部分称为上臂，从肘到手腕的部分称为前臂。这种结构，对于确定三维空间上的任意位置和姿态是最有效的，对于各种各样的作业都有良好的适应性，但其坐标计算和控制比较复杂，且难以达到高精度。2)按机器人的控制方法分类(1)点位控制机器人：指只能从一个特定点移动到另个特定点，移动路径不限的机器人。这些特定点通常是一些机械定位点。这种机器人是一种最简单、最便宜的机器人。(2)连续轨迹控制机器人：能够在运动轨迹的任意特定数量的点处停留，但不能在这些持定点之间沿某一确定的直线或曲线运动。(3)可控轨迹机器人：又称为计算轨迹机器人，其控制系统能够根据要求，精确地计算出直线、圆弧、内插曲线和其他轨迹。在轨迹中的任何一点，机器人都可以达到较高的运动精度。其中有些机器人还能够用几何或代数的术语指定轨迹。(4)伺服型与非伺服型机器人：伺服型机器人可以通过某些方式感知自己的运动位置，并把所感知的位置信息反馈回来控制机器人的运动；非伺服型机器人则无法确定自己是否已经到达指定的位置。3)按机器人的功能分类(1)顺序控制型机器人：能够按预先设置的指令完成一系列特定的动作。这种机器人的动作顺序和时间可以进行调整，但一经调整完毕，它们就只能按确定的顺序动作，直至再次对它们做硬性调整为止。(2)再现型机器人：又称为示教再现型机器人，通过“示教”来执行各种运动，并采用存储器等记录装置记录一系列来自位置传感器的运行轨迹坐标点信息。(3)可控轨迹机器人：可通过编程沿若干特定点之间的确定轨迹运动，用户只需指定某些点和计算轨迹必须使用的点集名称，如内插曲线、光滑曲线等。这种机器人又称为数控机器人，因为它与数控机床较为类似。(4)自适应机器人：具有计算机控制能力和感觉反馈能力，能够反映周围环境的变化。这种机器人大多具有可控轨迹的能力，它会试着执行一项任务，在执行过程中不断修正自己的轨迹和动作。 (5)智能机器人：不仅能够感知周围环境和修正已经设定的动作，而且具有知识库和周围环境的模型。这种机器人应该具有人工智能和专家系统，具有一整套感觉系统，具有大容量的信息存储器，并具有对周围环境建模的能力。1.1.3 锚定机械手的工程背景我国是煤炭生产大国, 年生产能力可达10亿吨以上。而煤炭生产基地主要分布在长江以北，从而形成了北煤南运的格局。水运无疑成为多种运输方式中最经济的一种。这也就决定了港口的卸煤工作线必须可靠、高效。铁道的煤炭运输车辆到达港口后，有许多场合需要将其固定，尤以卸煤机工作时车辆的固定最为重要。以秦港三公司原卸煤作业线为例，其工作状态为，10节装满煤炭的车辆相连接自由停放在铁轨上，由5台卸煤机同时进行卸煤操作，将车辆上的煤炭横向推出车辆，落入传输带上。同时卸煤机又作纵向运动以完成整节车厢内的卸煤工作。这样，多台卸煤机的随机纵向运动，使车辆产生了沿铁轨方向的无规律自由运动。这种现象一方面容易发生人身伤亡事故，严重影响了安全生产；另一方面车辆移动后，需要推回到原来指定的卸煤位置，增加了辅助时间，影响作业安全和生产效率。卸煤自动锚定机械臂，它是一种将力作用到车厢钩头的将铁道车辆定位和位置锁定的安全作业装置，可自动实现机械手的空间位置寻找、机械手与车辆挂钩自动连接、定位和位置锁定。这就解决了卸煤过程中的车辆移动问题，提高了作业安全和生产效率，增大了经济效益。卸煤自动锚定机械臂，它采用的液压缸驱动四连杆机构、传感器位置检测、plc 控制的机电液一体化技术，在国内外军事、民用自动化机械上应用较多，如升降台、起落架、机器人等。而在两铁轨中间、轨道底面以下的狭小地坑内安置锚定力达500kn 的自动锚定机械手，属国内外首创。1.2 本章小结 本章主要讲述工业机器人的发展情况及其分类，并由此引出了卸煤自动锚定机械臂的背景及应用情况。45 第2章 自动锚定机械手液压系统设计 第2章 自动锚定机械手液压系统设计卸煤自动锚定机械臂在工作时需要实现1.8米空间位置自动寻找、机械手与车辆挂钩自动连接、定位和位置锁定，保证在采用自动卸煤机卸煤过程中，车辆在轨道上不发生位置移动和振动，从而消除了人身安全事故并提高了生产效率；在卸煤作业完成后，机械手自动脱离与车辆的连接并退回原始位置，缩入轨道基面以下0.8米，使得轨道上车辆正常行驶无障碍，符合铁路安全标准规定；机械手需可承受水平交变载荷500kn，液压最高压力15mpa,额定流量150l/min。2.1 卸煤自动锚定机械臂的工作原理 锚定机械手的主要功能是使煤车定位，工作时，首先由升降缸驱动升降臂5使上平台平移上升，上升到预定位置后，升降停止，而液压伸缩缸1自动伸出，由液压伸缩缸驱动钩头3与煤车钩头自动挂接，挂接后液压伸缩缸1通过plc 控制液控单向阀实现自动锁紧，保证煤车在工作时不发生移动，待煤车卸车完毕后，提链缸拔出钩头插销，伸缩缸自动缩回与煤车脱开，伸缩缸缩回原位后，控制升降臂的升降缸自动下降，使上平台下降至路面以下，从而保证不影响车辆通行。结构如图2-1所示。图2-1 锚定机械手结构图2.2 液压系统原理设计 2.2.1 液压系统组成液压系统主要由能源部分、控制阀台及三个执行油缸组成。系统原理图如图2-2所示。系统的工作压力为15mpa,流量为150l/min。系统工作时，利用系统压力驱动，由两个液压电液换向阀控制两个油缸实现锚定机械手的升降和伸缩动作，实现上平台的平移上升及钩头的自动挂接，由一个电磁换向阀控制一个油缸从而实现提链的动作，实现钩头的脱离。当挂接完成后，三个液压换向阀均处于中位，实现机构的锁紧，此时系统卸荷，以节省能源并避免系统发热，油缸至控制阀之间的压力由负荷决定，设计最大为25mpa。图2-2 液压系统原理图任何液压系统都是由一个或多个液压基本回路组成，所谓液压基本回路是指那些为了实现特定功能而把某些液压元件和管道按一定的方式组合起来的油路结构。根据本系统要求，它主要有三个基本回路组成：压力调节回路、速度调节回路和方向控制回路。压力调节回路只要用来使液压系统整体或某部分的压力保持恒定或不超过某个值，主要由溢流阀来实现。速度调节回路用来控制液压缸的运动速度，对于三个缸的速度均是由双单向节流阀调节的。方向控制回路用于使缸实现某种特定的运动顺序，只要由电液换向阀或电磁换向阀电磁铁的通断点顺序来实现。电磁铁通断情况如表2-1所示。表2-1 电磁铁动作顺序表1dt2dt3dt4dt5dt6dt7dt机架上升上升停止挂钩伸出定位提链挂钩缩回提链复位缩回停止机架下降下降停止2.2.2液压系统设计计算液压缸是液压系统中的执行元件，它是一种把液体的压力能转换成机械能以实现直线往复运动的能量转换装置。液压缸结构简单，工作可靠，在液压系统中得到了广泛的应用。液压缸的设计是在对整个液压系统进行了工况分析，编制了负载图，选定了工作压力之后进行的。先根据使用要求选择结构类型，然后按负载情况、运动要求、最大行程等确定其主要工作尺寸，进行强度、稳定性和缓冲验算，最后再进行结构设计。液压缸设计中应注意以下问题：(1) 尽量使活塞杆在受拉状态下承受最大负载，或在受压状态下承受最大负载，或在受压状态下具有良好的纵向稳定性。(2) 考虑液压缸行程终了处的制动问题和液压缸的排气问题。缸内若无缓冲装置和排气装置，系统中需有相应的措施。但是并非所有的液压缸都考虑这些问题。(3) 正确确定液压缸的安装、固定方式。(4) 液压缸各部分的结构需根据推荐的结构形式和设计标准进行设计，尽可能做到结构简单、紧凑、加工、装配和维修方便。下边以伸缩缸设计计算为例无杆腔为工作腔 (2-1)， (2-2)取液压缸往返速比：，考虑到回油损失较大，取：，液压缸所需最大流量 (2-3)取:则 所以选取的液压缸如图2-3所示。图2-3 伸缩缸装配图此液压缸的压力级别为25mpa，缸径200mm，活塞杆直径110mm，工作行程为1800mm,油口采用螺纹连接，安装方式为中间销轴连接。2.3 本章小结 本章介绍了卸煤自动锚定机械手的工作原理，从而了解到三个液压缸的工作情况，并由此设计了液压原理图。第3章 自动锚定机械手液压元件的选择 第3章 自动锚定机械手液压元件的选择 第3章 自动锚定机械手液压元件的选择一个正常工作的液压系统，一般都应具有下列五个主要部分：（1） 动力源-液压泵站 它将电动机（或其他原动机）输出的机械能转变为工作液体的压力能。一般为液压泵。（2） 执行元件 包括液压缸和液压马达。它把工作液体的压力能重新转变为往复直线运动或回转运动的机械能，推动负载运动。（3） 控制元件 包括对液压系统中液体压力、流量和方向进行控制的压力阀、流量阀和方向阀，实实现液压系统的工作循环。（4） 辅助元件 为保证液压系统正常工作所需要的上述三种元件以外的装置，在系统中起到输送、储存、加热、冷却、过滤和测量等作用。包括管路、管接头、油箱、过滤器、蓄能器以及各种指示和控制仪表等。（5） 工作介质 利用它进行能量和信号传递。3.1 液压泵的选择 液压泵是一种能量转换装置，它把驱动电机的机械能转换成油液的压力能供液压系统使用。液压泵的工作压力是指泵实际工作时的压力。对泵来说，工作压力指它的输出压力。液压泵的额定压力是指泵在正常条件下允许连续运转的最高压力，超过此值就是过载。液压泵的排量是指泵轴每转一转，由其密封容腔几何尺寸变化所算得的排出液体的体积。液压泵的理论流量是指泵在单位时间内由其密封容腔几何尺寸变化而计算得出的排出液体的体积。液压泵的额定流量是指在正常工作条件下，按实验标准规定必须保证的流量，以及在额定转速和额定压力下由泵输出的流量。(1) 确定液压泵的工作压力，液压泵的最大工作压力 （3-1）其中,p为从液压泵出口到液压缸入口处的总管路损失。由于在此液压系统中，压力油所经过的阀的数量比较多，故压力损失亦较大，取p = 1mpa。根据以上计算结果，泵应选取额定压力为16mpa的型号。泵的转速选择980r/min，所以泵每转的排量为 （3-2）所以系统可以选择公称流量为pv2r3-125-f-raa。3.2 电机的选择 与单相异步电动机相比，三相异步电机结构简单，制造方便，运行性能好，并可节省各种材料，价格便宜，能满足大多数工业生产机械及电气传动的需要。本系统采用的液压泵为pv2r3-125-f-raa，转速为980r/min,则 （3-3）泵的有效功率为 （3-4）取电机与泵之间联轴器的效率为0.98。电机的效率为0.95。所以电机的额定效率为 （3-5）由此选取的电机为y200l-63.3 联轴器的选择 本系统选用的是凸缘联轴器，它是把两个带有凸缘的半联轴器用普通平键分别与两轴连接，然后用螺栓把两个半联轴器连成一体，以传递运动和转矩。凸缘联轴器结构简单，制造方便，成本较低，工作可靠，装拆、维护均较简便，传递转矩较大，能保证两轴具有较高的对中精度，一般常用于载荷平稳，高速或传动精度要求较高的轴系传动。3.4 液压控制阀的选择 液压控制阀是在液压系统中，用于控制系统的液流压力、流量和液流方向的元件。按照功用分类只要包括压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。3.4.1 压力控制阀的选择压力控制阀是用来控制液压系统中液体压力的阀类。压力阀按功能和用途可分为溢流阀、减压阀、顺序阀、平衡阀等。它们的共同特点是根据阀心受力平衡的原理，利用受控液流的压力对阀心的作用力与其他作用力的平衡条件，来调节阀的开口量以改变液阻的大小，从而达到控制液流压力的目的。本系统中只用到了溢流阀。溢流阀在不同的场合有不同的用途，如在定量泵节流调速系统中，溢流阀用来用来保持液压系统的压力恒定，并将液压泵多余的流量溢流回油箱，这时溢流阀作定压阀用；在容积节流调速系统中，溢流阀在液压系统正常工作时处于关闭状态，只是系统压力大于或等于溢流阀调定压力时才开启溢流，对系统起过载保护作用，这时溢流阀作安全阀用；在需要卸荷回路的液压系统中，溢流阀还可以作卸荷阀用，这时只需要通过电磁换向阀将溢流阀的遥控口与油箱接通，液压泵即可卸荷。本系统中根据系统要求，使用了五个直动式溢流阀，起过载保护的作用。采用的是力士乐系列的dbds20p10/315型直动溢流阀。另外，为了降低机械手工作时液压系统的功率损耗和发热量，还选用了力士乐的dbw25b250/315型号的电磁溢流阀，用于泵卸荷。3.4.2 流量控制元件的选择流量控制阀是在一定的压力差下，依靠改变节流口液阻的大小来控制通过节流口的流量，从而调节执行元件的运动速度的元件。流量阀包括节流阀、调速阀、溢流节流阀和分流集流阀等。节流阀是通过改变节流截面或节流长度以控制流体流量的阀门。将节流阀和单向阀并联则可组合成单向节流阀。节流阀和单向节流阀是简易的流量控制阀，在定量泵液压系统中，节流阀和溢流阀配合，可组成三种节流调速系统，即进油路节流调速系统、回油路节流调速系统和旁路节流调速系统。节流阀没有流量负反馈功能，不能补偿由负载变化所造成的速度不稳定，一般仅用于负载变化不大或对速度稳定性要求不高的场合。本系统的速度调节采用的是回油节流调速系统，选择的是力士乐的叠加单向节流阀，型号为z2fs16s1 。 3.4.3 方向控制元件的选择方向控制阀是用来使液压系统中的油路通断或改变油液的流动方向，从而控制液压执行元件的起动或停止，改变其运动方向的阀类。如单向阀、换向阀等。单向阀又称止回阀，它是一种只允许液流沿一个方向通过，而反向液流被截止的方向阀。单向阀包括普通单向阀和液控单向阀两种。普通单向阀常被安装在泵的出口，一方面防止系统的压力冲击影响泵的正常工作，另一方面在泵不工作时防止系统的油液倒流经泵回油箱。本系统中的单向阀选择的是力士乐的s30a1。液控单向阀是可以实现逆向流动的单向阀。它的作用主要有：(1)保持压力。 滑阀式换向阀都有间隙泄漏现象，只能短时间保压。当有保压要求时，可在油路上加一个液控单向阀，利用锥阀关闭的严密性，使油路长时间保压。 (2)液压缸的“支承”。 在立式液压缸中，由于滑阀和管的泄漏，在活塞和活塞杆的重力下，可能引起活塞和活塞杆下滑。将液控单向阀接于液压缸下腔的油路，则可防止液压缸活塞和滑块等活动部分下滑。 (3)实现液压缸锁紧。 当换向阀处于中位时，两个液控单向阀关闭，可严密封闭液压缸两腔的油液，这时活塞就不能因外力作用而产生移动。 本系统中选择叠加式液控单向阀z2s16，来实现液压缸的锁紧。换向阀是利用阀心和阀体间相对位置的不同，来变换阀体上各主油口的通断关系，实现各油路连通、切断或改变液流方向的阀类。按照换向阀的操纵方式，可分为手动、机动、电磁、液动、电液动和气动。电磁换向阀通常用于流量压力较小的场合，而电液换向阀通常用于流量压力较大的场合下。因此，本系统中选择了两个电液换向阀分别用于升降缸和伸缩缸的控制，而提链缸的控制则选择的是电磁换向阀。型号分别是力士乐的4weh25j50和4we10j20/a。3.5 液压辅助元件的选择 3.5.1 滤油器的选择滤油器在液压系统中可以滤除外部混入或者系统运转中内部产生的液压油中的固体杂质，使液压油保持清洁，延长液压元件的使用寿命，保证系统工作的稳定性。滤油器按照安装的位置不同，又能分为吸滤器、压滤器和回油滤油器等，其中吸滤器多为精度较低的粗滤器。滤油器按照滤芯的材料和结构不同，可以分为网式滤油器、线隙式滤油器、纸质滤油器、烧结式滤油器及磁性滤油器等几个种类。吸油滤油器的主要作用是保护液压泵，防止吸油时将较大的颗粒污染物吸入泵内。吸油滤油器的结构简单，本系统选择的是ylx型箱上吸油滤油器，公称流量为160l/min,过滤精度为80m。压油滤油器装设在液压泵的下游压力管路，向系统输送清洁的压力油。根据压力等级可分为高压、中压和低压几种类型。压油滤油器要求能承受较大的工作压力，因此其结构紧凑，本系统选择的是zuh-16020s的高压过滤器。回油滤油器的作用是在系统油液回油箱之前，将外界侵入系统的和系统内产生的污染物滤净，为液压泵提供清洁的油液。回油滤油器承受的压力为回油路的背压，因而结构尺寸可适当加大，本系统选用的是ylh型箱上回油滤油器，公称流量为160l/min，过滤精度为20m。3.5.2 液位液温计的选择液位液温计一般安装在油箱边壁上，以指示油箱液面位置和油箱内工作介质的温度，一般放在加油时容易看见的地方。本系统选择的液位液温计型号为cyw-350。3.5.3 空气滤清器的选择空气滤清器的作用是使油箱与大气相通，保证液压泵的自吸能力，并滤除空气中的灰尘杂物，有时兼作加油口。它一般布置在顶盖上靠近油箱边缘处。本系统中选择的是quq型空气滤清器，型号为quq2.5-203。3.5.4 加热器的选择在寒冷地区使用的液压设备，在开始工作时，必须将油箱中的液压油加热。某些液压系统要求在恒温条件下工作，也应在开始工作前加油加热到一定温度。本系统选择的是gyy2-220/2型电加热器。3.5.5 压力表和压力表开关的选择为了随时监测系统的工作状态，保证系统的正常工作，需对系统进行压力监测。液压系统的静态压力测量一般采用弹簧管式压力表，若需要测量动态压力则应选用压力传感器。在本系统中，压力表选择的是弹簧管压力表，型号为y60，压力表开关选择的是kf型，型号为kf-l8/14e。3.6 工作介质的选择工作介质是液压系统中极为重要的组成部分，它将系统中各类元件沟通起来成为一个有机的整体。据统计，75%85%的各类液压系统故障与工作介质的选择、使用和维护不当有关。只有正确选择、使用和维护系统工作介质，才能有效地避免多数系统潜在故障的产生。液压系统根据其组成、结构、工作条件、环境条件以及所起的作用，对工作介质提出了一系列要求，主要包括：（1）合适的粘度及良好的粘温特性；（2）良好的氧化安定性和热安定性；（3）良好的抗磨性（润滑性）;（4）良好的抗乳化性和水解安定性等。根据系统要求及所选泵的要求，选择工作介质为ya-n32的液压油。3.7 本章小结液压系统主要有五部分组成，动力源、执行元件、控制元件、辅助元件及工作介质。本章主要内容是根据液压原理图选取液压元件，从而组成完整的液压系统。第4章 自动锚定机械手液压装置的结构设计 第4章 自动锚定机械手液压装置的结构设计 第4章 自动锚定机械手液压装置的结构设计第4章 自动锚定机械手液压装置的结构设计 液压系统原理图确定以后，根据所选用或设计的液压元件、辅件，便可进行液压装置的结构设计。4.1 液压泵站的类型及其组件选择4.1.1 液压泵站的类型选择液压泵按液压泵组是否置于油箱之上有上置式和非上置式之分。根据电动机安装方式不同，上置式液压泵站又可分为立式和卧式两种。上置式液压泵站结构紧凑，占地小，被广泛应用于中、小功率液压系统中。非上置式液压泵站按液压泵组与油箱是否公用一个底座而分为整体式和分离式两种。整体式液压泵组安置形式又有旁置和下置之分。非上置式液压泵站中的液压泵组置于油箱液面以下，能有效地改善液压泵的吸入性能，且装置高度低，便于维修，适用于功率较大的液压系统。根据本系统的工作特点选择非上置式分离式液压泵站。4.1.2 液压元件的配置形式液压装置中元件的配置形式有板式配置和集成式配置两种。板式配置是把标准元件与其底板用螺钉固定在平板上，件与件之间的油路联系或用油管或借助底板上的油道来实现。集成式配置是借助某种专用或通用的辅助件，把元件组合在一起。按辅助件形式不同，可分为箱体式、组合块式和叠加阀式。箱体式中液压元件用螺钉固定在根据系统工作需要所设计的箱体上，元件间的油路连接由箱体上所钻的孔实现。组合块式是根据液压系统完成一定功能的各种回路，做成通用的六面体集成块，块的上下两面作为块和块的结合面，四周除一面接执行部件的管接头外，其余供固定标准元件用。叠加阀式是在组合块式基础上发展起来的，不需要另外的连接块，而是以自身阀体作为连接体，其结构更为紧凑，体积更小，重量更轻，无管件连接，从而消除了因油管、接头等引起的泄漏、振动和噪声。本系统的设计采用的是叠加阀式配置，将电液换向阀或电磁换向阀、双液控单向阀和单向节流阀叠加连接，然后经过两个直动溢流阀调压，推动执行元件液压缸。本系统的两种叠加阀是配置如图4-1和图4-2所示。图4-2 升降缸的叠加阀式配置 图4-1 提链缸的叠加阀式配置4.2 油箱的设计4.2.1 油箱的功用与类型油箱的用途主要是储存液压系统所需要的液体介质，起散热、分离液体介质中的空气及沉淀杂物的作用。油箱设计的好坏直接影响到液压元件及系统的工作可靠性，尤其是对泵的寿命有决定性影响。控制好油液从油箱进入泵入口的流动性能、流回油箱的回流及油液在油箱内的流动，可以显著减少空气的混入和气蚀的产生。油箱的设计应满足以下几点要求：1）能够储存足够的油液，以满足液压系统正常工作的需要。2）应有足够的表面面积，能散发系统工作中产生的热量。3）油箱中的油液应平缓迂回流动，以利于油液中空气的分离和污染物的沉淀。4）应能有效地防止外界污染物的侵入。5）应能保证液压泵的正常吸油，防止气泡的混入和气穴的发生。6）应为清洗油箱及油箱内元部件的安装、维修提供方便，并便于注油和排油。7）应备有液面指示器等装置，便于观察液面的变化。8）应使外观整齐美观，并具有一定的强度和刚度。油箱按结构分为整体式和分离式两种；按形状分为矩形油箱和圆筒形油箱；按油箱内的液面是否直接与大气相接触，可分为开式油箱和闭式油箱。根据系统要求，本系统采用的是开式矩形油箱。4.2.2 油箱的容积确定油箱的容积的确定，是设计油箱的关键。油箱的容积应能保证当系统有大量供油而无回油时，最低液面应在油泵进口过滤器之上，保证不会吸入空气；当系统有大量回油而无供油，或系统停止运转，油液返回油箱时，油液不会溢出。初始设计时，可按使用情况确定油箱容积， （4-1）式中 v油箱的有效容积（m3）； q液压泵的流量（m3/min）； 经验系数，见表4-1。表4-1 经验系数行走机械低压系统中压系统锻压系统冶金机械1-22-45-76-1210在本系统中，系统的额定流量为150l/min，由于没有冷却设备，因此油箱的容积选择720l，乘以0.8的容积效率就可以满足系统要求。4.2.2 油箱的结构设计为了使油箱能实现储油、散热、分离空气及防止污染的作用，进行油箱结构设计时，应注意如下几个问题：1）在许多场合，要将泵、电机或阀安装在油箱顶部，这时顶部必须备有加工平整的安装底板，并具有足够的刚度和强度。2）一般油箱应可拆下上盖进行清洗，但容量较大的油箱，则在油箱侧壁上设置观察和清洗口，又称人孔。3）油箱应设置通气孔，并在通气孔上安装空气滤清器。当油箱内的液面变化时，可通过空气滤清器吸入或放出适量空气。一般情况下都将通气口和加油口合在一起，是加油过滤和空气过滤均由空气滤清器完成。4）在油箱内的吸油管和回油管之间，一般应设置一块或几块直立隔板，用于分开吸油区和回油区，有助于油液散热、沉淀污染物和释放油中的空气。5）为保护液压泵，一般应在吸油管入口装设吸油过滤器。回油管的下端管口应插入最低液面以下50mm或11.5倍管径的深度。液压系统的泄漏油应尽量单独接回油箱。6）放油孔应该安装在油箱底部的最低位置，以便于放油时使油液和污染物能顺利地从放油口排出。为此，油箱底部应倾斜一定角度。7）为了更好的散热、清洗及便于搬运，40l以上的油箱底部应有150mm以上的离地高度。当油箱重量较大时，应设置吊环，便于吊运。本系统油箱由钢板直接焊成，由于阀块安装在油箱顶部，所以顶盖的连接处焊有角钢。油箱结构如图4-3所示。图4-3 油箱结构图油箱顶部开有空气滤清器安装孔、回油滤油器安装口及阀块连接所需的螺纹孔。油箱左右两个侧板上分别设置一个直径为500mm的人孔及两个用于吊运的吊环，前侧板上开有吸油滤油器安装法兰液位液温计图4-3 油箱结构图接口及压油滤油器支撑架底座焊接有槽钢用于支撑油箱，并使其距地面高度达到指定要求。图4-3 油箱结构图图4-3 油箱结构图4.3 阀集成块的设计当液压控制阀采用板式连接时，将阀集成安装在专用的阀块上，这样不仅便于集中管理，而且可以减少连接管路，提高液压系统的工作可靠性。显然，液压阀集成块在液压系统设计中占有很重要的地位。阀集成块的设计原则为：1）合理选择集成阀的个数，若集成的阀太多，会使阀块的体积过大，设计、加工困难；集成的阀太少，集成的意义又不大。2）在阀块设计时，块内的油路应尽量简捷，尽量减少深孔、斜孔，阀块中的孔径要与通过的流量相匹配，特别注意相贯通的孔必须有足够的通流面积。3）阀块设计时应注意进出油口的方向和位置，应与系统的总体布置及管道连接形式