（机械电子工程专业论文）液压连续提升机器人的研究.pdf

摘要 液压同步连续提升( 下降) 技术是在传统的间歇式液压提升技术的基础上发展起来的一 种新兴的建筑施工技术目前很多国家都致力于该项技术的研究有着良好的发展前景。本 论文以新型的液压同步连续提升( 下降) 机器人为研究对象，研究实现液压同步连续提升( 下 降) 的关键技术。首先，研究了机器人的运行机理。从理论上分析实现机器人连续提升( 下 降) 的可行性。其次，设计了机器人的液压缸和新的脱锚机构，从规械结构上保证机器人能 够完成连续提升( 下降) 动作。再次，开发了计算机控制系统、上位机监控系统和通信系统， 从控制的硬件和软件上实现机器人的连续运动，特别是人机界面的应用，极大的方便了工程 作业人员对机器人的控制。除此之外，为了使机器人能够满足同步作业要求，本文还对相应 的控制策略和控制算法进行了研究。最后，进行了机器人的台架试验。得到了机器人在各种 运行状态下的数据曲线，验证了液压同步连续提升( 下降) 技术的研发是成功的。 关键词：连续上升( 下降) ，机器人运行机理，锚具机构，人机界面，串行通信，数据曲 线。 a b s t r a c t h y d r a u l i cs y n c h r o n i z i n gs u c c e s s i v el i f t i n g ( d e s c e n d i n g ) t e c h n i q u e ，w h i c hd e v e l o p e df r o mt h e t r a d i t i o n a li n t e r m i t t e n th y d r a u l i cl i f t i n g , i san e wc o n s h u c f i o nt e c h n i q u e n o w , m a n yc o u n 们e s h a v e d o n em u c hr e s e a r c ho ni t ，w h i c hh a sh a v eap r o m i s i n gd e v e l o p m e n ti nt h ef u t u r e t h i sp a p e r s e l e c t sa h y d r a u l i cs y n c h r o n i z i n gs u c c e s s i v el i f t i n g ( d e s c e n d i n g ) r o b o t , w h i c hw a sn e w l yd e s i g n e d , a si t sr e s e a r e ho b j e c t t h er e s e a r c ho ft h ep a p e rw e sa i m e da tt h ek e yt e c h n o l o g i e st om a k e h y d r a u l i cs y n c h r o n i z i n gs u c c e s s i v el i f t i n g ( d e s c e n d i n g ) c o m et r u e f i r s t , t h er o h n t so p e r a t i n g t h e o r yw a ss t u d i e d , 订o u g hw h i c ht h ef e a s i b i l i t yo fh y d r a u l i cs y n c h r o n i z i n gs u c c e s s i v el i f t i n g ( d e s c e n d i n g ) t e c h n i q u ew a sa n a l y z e d s e c o n d ，t h ec y l i n d e r sa sw e l la st h ei m p r o v e d j a c k so f t h e r o b o tw e l ed e s i g n e d ，w h i c hg u a r a n t e et h er o b o tw e l lw o r k e di nm e c h a n i s m t h i r d , t h ee l e c t r o n i c c o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi n c l u d e st h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ，h m ia n dt h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， w e sd e v e l o p e d a 1 1t h i sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei nc o n t r o ls y s t e mm a d et h er o b o ta c h i e v e s u c c e s s i v el i f t i n g ( d e s c e n d i n g ) m o v e m e n ls p e c i a l l y t h eu s eo f h m im a d et h ec o n t r o lo f t h er o b o t m o r ec o n v e n i e n t f u r t h e rm o r e ，t h ea u t h o rh a v ed o n es o m er e s e a r c ho nc o n t r o la l g o f i t h r aa n d c o n t r o ls u a t e g yf o rs y n c h r o n i z i n go p e r a t i o n 姒s o m ee x p e r i m e n t sw e r ed o n e , f r o mt h ev a l u e c u r v e so ft h ee x p e r i m e n t s ，w ec o u l d c o n c l u d et h a tt h er & do fh y d r a u l i cs y n c h r o n i z i n g s u c c e s s i v e l yl i f t i n g ( d e s c e n d i n g ) r o b o tt e c h n i q u ew e s s u c c e s s f u l k e yw o r d s ：s u c c e s s i v el i f t i n g ( d e s c e n d i n g ) ，r o b o t , o p e r a t i n gt h e o r y , j a c k , h m i ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o n , v a l u ec u r v e 声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果，撰写成硕士学位论文= = 速压连续堡珏扭墨厶数受宜：。除 论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注 明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 年月日 同济大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 液压同步提升技术是一项近年来发展起来的建筑施工的新技术。该项技术以其新颖的设 计构思。独特的施工方法，高度的自动化和良好的安全可靠性，在上海东方明珠广播电视塔 铜天线桅杆整体提升、北京西客站主站钢架门楼整体提升等重大工程中，获得了巨大的成功。 建筑业是很多国家的支柱产业之一其产值约占国民生产总值的7 0 一1 0 因此，建设 机器人越来越受到人们的普遍认识重视，美、法、德、日等许多国家都开始关注建设机器人 技术的研究与开发工作p q p ”。建设机器人技术的应用将帮助实现传统旖工技术的现代化， 提高建筑质量，降低成本，加快工程建设的进度，扩大建筑活动领域，从而产生了良好的社 会和经济效益。 液压同步连续提升( 下降) 机器人作为一种重要的建设机器人，它采用钢绞线承重，计 算机控制液压同步，集机、电、液、传感器和计算机技术等多学科于一体，结合现代化的施 工工艺，可将在地面拼装好的大型构件以整体的方式提升到预定的高度安装就位。在提升过 程中，不但可以控制构件的运动姿态和应力分布，还可以使构件在空中长期滞留和进行微动 调节，完成人力和现有设备难以完成的施工任务。工程实践证明，它是一项具有良好应用前 景的新技术。 1 1 液压同步连续提升技术的发展概况及展望 1 1 1 液压同步连续提升技术的发展概况 大型构件的液压同步提升技术是在国外首先发展起来的。在国际上有瑞士的v s l 公司， 瑞典的b y g g i n g u d d e m a n n 公司等专门从事提升安装的专业公司，他们已经在世界上三 十多个国家进行了大吨位构件的液压提升安装如在法国巴黎t d f 塔的7 7 8 0 吨塔楼的提升， 在芬兰赫尔辛基9 0 0 0 吨伞形水塔的提升以及日本大阪国际机场机库建设和跨海栈桥施工中 都使用了液压同步提升技术。1 1 1 在国内，从八十年代中期开始，计算机电液比例控制技术的工程应用研究用于液压电梯 的控制中口j 。采用m c s - 4 8 系列单片计算机，d y b q - g 2 5 型电液比例调速阀，进行电梯的信 号逻辑控制和调速控制。围绕电梯加、减速段舒适性和门区平层问题，进行了电液比例控制 系统调速特性研究，并针对电梯控制接触器的电磁干扰，重点解决了计算机控制系统的抗干 扰问题，都取得了良好的控制效果。可以说，这是液压同步提升技术的雏形( 单点液压顶升) 。 这些基本问题的研究和解决，为以后液压同步提升技术的形成奠定了技术基础。 液压同步提升技术在1 9 9 0 年被正式应用于上海石洞口第二电厂2 x 6 0 m w 发电机组钢 内筒烟囱顶升工程中pj l ”。钢内筒烟囱高2 4 0 米，直径6 5 米，总重6 0 0 吨，采用倒装法逐 段向上项升施： 。三个特殊液压缸在三根万形刚性立柱中间，依靠液压缸的同步伸缩和上、 下插销的协调插拔向上顶升，将缸烟囱同步托起。在此工程中，进行了负载平衡转换研究； 采用了m c s 5 l 系列单片计算机进行数字p i d 同步调节，解决了三点支撑的高精度同步控 制问题，使提升过程的同步精度达到1 m r n ，这是该项技术在重大：程中的第一次实际府 用。 1 9 9 4 年，该项技术州丁上海尔方明珠广播电视塔钢大线桅杆整体提升pj 。该大线桅杆全 k1 1 8 米，总重4 5 0 吨，首次采h j 了柔性钢绞线承重、提升液压缸沿钢绞线集群爬升的构仆 提升方案。以直径i52 4 r a m 的柔性钢绞线作为承重索具1 2 0 根钢绞线从标高3 5 0 米的j 皑 同济大学硕士学位论文第一章绪论 凝土塔顶平台挂到地面，2 0 只4 0 0 k n 的液压提升器分别布置在钢天线桅杆根部段四侧，托 着1 0 0 多米的天线桅杆沿着1 2 0 根钢绞线同步向上攀升。在这一工程中，柔性钢绞线的采 用使长距离超高空整体提升成为可能，钢绞线平均负载为3 7 5 吨根：计算机控制系统采用 m c s 9 6 系列单片机与f x 2 可编程控制器组成的控制系统，同时控制天线桅杆的垂直高度 和钢绞线的负载均衡，这一多目标控制策略保证了庞大天线桅杆的平稳提升。又由于提升器 楔形夹片的逆向运动自锁作用，使提升过程十分安全可靠；锚具的主动松紧，又解决了提升 器带载下降问题。在解决了这一系列技术关键之后钢天线桅杆经过8 0 余小时，3 5 0 米的 连续提升，使其顶端达到4 6 8 米的高度。 1 9 9 4 年底，该项技术又应用于北京西客站主站钢门楼整体提升工程。西客站钢门楼长 4 5 米，宽2 8 5 米在地面上整体拼装后，总重1 8 0 0 吨。采用8 吊点2 4 只提升器，3 3 6 根 钢绞线，钢绞线平均负载5 3 5 吨，根，净提升高度4 3 5 米。接着，又进行了北京首都机场四 机位机库大型钢屋架提升工程。首都机场四机位机库全长3 0 0 米宽9 0 米，钢结构屋架分 为南、北大粱( 各重1 2 0 0 吨跨度1 3 2 米) 中粱( 重4 0 0 吨) 及四片网架结构( 每片重 6 3 0 吨，8 0 米7 5 米) 等部分，分七次提升，钢绞线平均负载4 3 吨根和5 6 吨根提 升2 4 米。在这两个工程中首次采用多级计算机主从控制方式，以适用多吊点远距离同步 控制需要；特别是根据东方明珠广播电视塔钢天线桅杆整体提升工程的实践经验，并经理论 分析和实验验证，证实了钢绞线的负载自动均衡特性，从而免除了每根钢绞线上的张力传感 器，使传感检测系统得到了很大的简化；同时，在研制的第二代提升设备上对液压系统和计 算机控制系统做了进一步改进，使之更为简单可靠，方便灵活。 1 9 9 6 年采用液压同步提升技术又对上海大剧院钢屋架实施整体提升m i 。钢屋架长1 0 0 米宽9 0 米。高1 1 米，总重6 0 7 5 吨，采用四吊点4 4 只2 0 0 0 k n 提升器。7 9 2 根钢绞线， 钢绞线平均负载又提高到7 6 7 ， 梗，提升高度2 6 5 米。这是迄今为止国内外整体提升的最大 最重构件之一。在这一工程中，第三代提升设备的模块化、标准化设计使之具备了优越的扩 展性能。 经过十几年的开发研究和工程实践，液压同步提升技术解决了一个又一个关键技术取 得了长足的进步。但是，从目前的情况来看，在此之前所使用的提升器还仅限于间歇式提升 运动。间歇式提升( 下降) 运动的有效提升( 下降) 时间只占作业时间的4 0 左右，造成 提升时间较长，施工效率低下。同时在提升过程中频繁的上升( 下降) 和停止引起的惯性力 会给大型构件造成附加载荷，引起震动和冲击。另外，受环境因素影响，大型构件在空中滞 留的时间越长风险也就越大，因此，缩短大型构件的提升过程尤为重要。现有的连续提升器 已不能完全满足现代化的施工要求，这就对液压同步提升技术提出了更高的要求，迫切要求 设计出新型的液压提升器。 液压同步连续提升( 下降) 机器人正是应这种需求而产生的。工程技术人员在现有液压 提升器的基础上进行改进，改间歇式提升( 下降) 方式为连续提升( 下降) 方式，以加快作 业速度，减少构件的空间滞留时间，降低大质量构件在提升过程中因频繁启停引起的附加惯 性载荷或动、静摩擦过程不断转换造成的震动与冲击，从而可以大大提高施工的安全性和可 靠性。 1 1 2 液压同步连续提升技术的展望 我国的液压同步提升技术是在实际r 程的应j _ j 中得到逐步完善和发展的，冈其省i 、省 时、省料，而有良好的经济效益，展现了良女j ：的应川前景，后继r 程接连不断。它的发展过 氍完全适应了当前我国的建设事业，特5 ；| j 是建筑业的发腱的需要。 液压同步提升技术将n 以f 二个方面得到发展： 同济大学硕上学位论文第一章绪论 ( 1 ) 完善液压提升技术。到目前为止，所有工程大部分是垂直向上的重载提升工况， 带载下降工况较少，而连续提升( 下降) 技术将是发展趋势，它将大大缩短施工周期提高 旖工效率。 ( 2 ) 拓展应用领域。除构件同步提升外，液压同步提升技术还可以用于建筑施工的其 他方面，如构件高空旋转、同步水平滑移、同步曲面滑移和同步空间滑移等特殊作业的应用 领域。 ( 3 ) 组建专业集团，走向国际市场。国外已经有了专门从事提升安装的专业公司，就 我国该项技术的目前水平而言，完全可以与国外公司相媲美。若在现有基础上，组织专门队 伍，落实配套措施，加强国际联系，承担国外工程，那么该项技术走向国际市场就为期不远 了。 1 2 液压同步连续提升技术的特点 大型构件的液压同步连续提升技术的核心设备液压连续提升器及其液压控制系统， 是采用计算机控制，全自动完成同步升降、负载均衡、姿态校正、应力控制、操作闭锁、过 程显示和故障报警等多种功能，集机、电、液、计算机、传感器和控制论等技术于一体的现 代化先进设备h 。该项技术主要具有以下特点： ( 1 ) 提升构件的重量大、提升高度高。由于提升吊点数可以扩展，提升器集群数不限， 单根钢绞线长度可达数千米因此可将超大型构件整体同步提升到很高的高空就位；并由于 楔形夹具的自锁作用，构件可在空中任意位置长期、可靠的锁定。 ( 2 ) 自动化程度高。整套提升设备采用计算机控制。能够全自动地完成同步升降、负 载均衡、姿态校正、应力控制、操作闭锁、过程显示和故障报警等多种功能：此外手动、 顺控、自动等多种操作方式十分适合于现场作业。特别是液压同步连续提升( 下降) 机器人， 可以实现构件自动地连续提升( 下降) ，大大地提高了施工效率。 ( 3 ) 控制模式完备。液压提升设备并不像其他起重设备那样仅仅是作简单的构件提升， 而是能够根据不同的提升对象和施工要求，在提升过程中进行构件的姿态调整或应力控制， 乃至实现多目标复合控制。 ( 4 ) 设备体积小，起重，自重比大。与相同起重重量的其他起重设备相比，液压提升设 备的体积仅为它们1 5 - 1 1 0 ，而提升重量却能够达到其自重的5 0 倍甚至更多，这就有可能 进入到其他起重设备无法进入的狭小空间或高空、地下等施工场合进行起重安装作业。 ( 5 ) 安全可靠性能好。为确保提升工程绝对安全，对系统的安全可靠性作了周密考虑。 采用了信号冗余传感技术、控制系统电磁兼容技术、控制软件抗干扰技术、误操作闭锁、液 压系统爆裂自锁和楔形夹具逆向作用自锁等一系列措施，有效地避免了事故的发生。在施工 方式上，液压同步连续提升( 下降) 机器人的出现，变传统的间歇式的提升方式为连续的提 升，加快了作业速度，减少了构件的空间滞留时间，同时减少了下降过程的动作环节，降低 大质量构件在提升过程中因频繁启停引起的附加惯性载荷或动、静摩擦过程不断转换造成的 震动与冲击，从而可以大大提高施工的安全性和可靠性。 ( 6 ) 适用性、通用性强。由于预见到该项技术应用的广泛性，冈此提升系统采用了模 块化，集成化和程序化设计，使液压系统、电气系统中的模块单元可以灵活组合以适用不 同的施i 要求；系统结构紧凑，适合在狭小空间作业，也给设备本身的运输利现场安装布置 带爿方便：埂什功能软什化，只要通过改变软件就能满足不同系统的提升要求， 液压同步迮续提升技术的出现，适_ l i j 了当前建设事业蓬勃发展的需要，是高新技术改造 传统施r 技术的重人突破。它以新颖的设计构思、独 的施l ：方法、高超的亡 动化干l f ! 度_ i 良 r 的安全可诘性赢得了j 泛的赞誉，行将住更f 阔的施i 领域获得推j 。 同济大学顶士学位论文第一章绪论 1 3 1 选题意义 1 3 本论文的选题意义及研究内容 近几年来随着经济的发展，施工项目的数量和规模不断增加，传统的施工安装机械已 不能完全满足现代化施工要求因此建设机器人技术越来越受到人们的重视。液压同步提升 技术作为建设机器人技术的一种，它实现了传统旌工技术的现代化，提高了建筑质量，降低 了施工成本，提高了旆工效率，已经在我国的重大工程建设中取得了成功的应用。但是，随 着施工要求的不断提高，传统的间歇式液压提升机器人已不能令人满意，它在施工效率和施 工安全等方面部存在不足。 间歇式液压提升器由上锚具机构、穿心式提升液压缸和下锚具机构等组成。间歇式液压 提升器的运动过程是：当下锚其机构夹紧时，上锚具机构松开，提升液压缸空载上升或下降， 提升构件不动：当上锚具机构夹紧钢绞线时，下锚具机构松开，提升液压缸带载上升或下降， 构件便上升或下降一定的高度。重复上述循环，直至将构件提升或下降到预定高度。从上述 运动过程可知，在每一个上升和下降的循环中，提升液压缸空载上升或下降的动作环节是造 成效率低下的一个主要原因。 间歇式液压提升器在下降作业过程中，其动作环节要比上升作业多，耍增加构件短暂的 上升动作环节，否则无法进行上下锚具的负载转换。这就是说，在每一个下降作业循环中， 不仅有构件的向下运动，还有构件的提升运动，频繁的上升( 下降) 和停止使得可靠性程度 有所下降。 此外，现有的间歇式液压提升器的楔形夹片与钢绞线之间的松开动作，除了钢绞线顶、 拉力外，还要通过螺钉传力保持松开状态，由于难以保证每个螺钉受力均匀，常会造成拔出 锲形夹片时螺钉被拉断，从而影响工程进程和造成不安全因素。 在完成论文过程中，本课题组做了大量工作，攻克了一些关键技术。首先通过对液压同 步连续提升系统的研究，从机械结构、液压系统和控制系统上分析其实现连续上升和连续下 降的原理，并建立合理的数学模型，对系统进行仿真，通过选择合适的控制策略和控制参数。 使液压同步连续提升( 下降) 机器人的连续和同步的运行性能达到最优，满足我们的设计要 求。 在完成论文的过程中，根据目标要求，设计出新的液压同步连续提升( 下降) 机器人， 并改进脱锚机构，使连续上升和下降成为可能。并且根据控制策略编制了单片机控制软件和 上位机监控软件，利用现有泵站进行现场试验。取得的运行曲线表明。液压同步连续提升( 下 降) 机器人完全满足现场施工要求，为新型的液压同步连续提升( 下降) 机器人正式应用于 工程实践打下了坚实的基础。 1 3 2 研究内容 一液压同步连续提升( f 降) 梳器人的结构设计毳j 运动机理研究 殴计出由仳f 上部的上锚具机构、穿心式上提升液乐缸、r 锚具机构以及穿心式r 提升 液压缸等组成冉勺液压同步连续提升( f 降) 机器人政间歇式升降方式为连续升降方式，可 保证孛句f l ：以较恒定的速度上升或r 降，实现了连续提升手| f 连续卜降休业目标。在单元技术方 面，研制了凡有更高可靠性的锚具机构，采圳套簖埒楔形夹片顾出锚环孔，提高了脱锚可靠 性。最后j ! ! l 过对液压刖步连续提升( f 降) 机器人的结构和i 液压系统的分折得出其连续【： 同济丈学硕士学位论文 第一章绪论 升和连续下降的运动机理。 二液压同步连续提升( 下降) 机器人控制系统的硬件设计 除了设计液压同步连续提升( 下降) 机器人的机械结构外，还设计了以m s p 4 3 0 单片机 为核心的控制系统，包括单片机外围电路、前向输入通道和后向输出通道。它接收各种信号 源发出的开关量、脉冲量和模拟量，并依据相应的操作规则和控制算法做出决策，确定输出 信号，从而控制执行机构按所需要的要求进行动作。 三液压同步连续提升( 下降) 控制系统的软件设计 为了便于工程人员监控机器人的工作情况，我们利用组态王软件编制人机界面( h m i ) ， 并利用v i s u a lb a s i c 中的m s c o m m 控件完成上位机和单片机的串行通信。 四液压同步连续提升( 下降) 机器人的实验研究 根据设计要求，利用现有液压泵站对液压同步连续提升( 下降) 机器人做一系列试验， 包括连续上升、连续下降、顺序上升、顺序下降、同步连续上升，同步连续下降和手动控制 等一系列动作。同时利用v i s u a lb a s i c 和组态王软件进行数据采集，绘出机器人的运行曲线， 根据曲线分析机器人是否满足我们的设计要求。 同济大学硕士学位论文第二章液压同步连续提升( 下降) 机器人的设计原理 第二章液压同步连续提升( 下降) 机器人的设计原理 2 1 概述 液压连续提升系统的核心是一套连续提升设备。它主要由连续提升器电液比例液压控 制系统，电气控制系统和传感器检测系统组成，如图2 1 所示。被提升构件的高度、提升液 压缸和锚具缸的位置、系统压力和温度等参数是通过相应的位移、位置、压力和温度传感器 转换为电信号输入到电气控制系统并经过单片机和计算机处理、判断，发出相应的控制指 令或一定的控制信号，以满足提升过程中的动作、精度和可靠性要求，最终完成给定的提升 任务。 同步高差信号主液压缸和锚具位置信号 图2 1 液压连续提升系统的组成 2 2 液压同步连续提升( 下降) 机器人的动作机理 2 2 1 机器人的总体结构 液压同步连续提升( 下降) 机器人的结构示葸图如图2 2 所示。它的主要组成部分为： 上锚具机构，穿心式上提升液压缸，下锚具机构以及穿心式下提升液压缸等。钢绞线是柔性 承重索，它是一种高强度，低松弛预应力的钢绞线，其抗拉强度、儿何尺寸和表面质量都有 严格保证。锚具机构在不同阶段与钢绞线保持不同的关系夹紧或松开，分别称为紧锚或 松锚。紧锚动作主要由锚具机构中的锚具液压缸完成，脱锚动作主要通过两个穿心式提升液 乐缸活塞的运动速度之筹米顶松域拉松具有逆向臼锁作州的锲形夹片，并辅助以锚其液乐缸 的液乐作蚓力来完成。两个提升液压缸通过轴向伸缩运动的相生配合实现人型构t r 的连续e 丹歧f 降。 同济大学硕士学位论文第二章液压同步连续提升( 下降) 机器人的设计原理 i 哭曩置上麓再毛上月舅e 自啦- 上蛊藏畹 5 下- 龋屯下t 鼢雌t y 主 r l t l t8 - 1 期m 图2 2 连续提升器结构图 2 , 2 2 机器人连续上升作业的运动机理 初始时刻，上、下提升液压缸处于全缩状态。上、下锚具机构处于紧锚状态。图2 3 所 示为机器人的上升动作过程。 上锚具紧，上提升液压油缸活塞杆伸，钢绞线将f 锚具机构的楔形夹片拉松，接着下锚 具液压缸进油，保持下锚具呈松锚状态。( 图2 3 a ) 当上提升液压缸活塞杆到达2 l 时，使下锚具机构处于紧锚状态，下提升液压缸活塞杆 伸，而上提升液压缸则减速伸缸，这个速度差使钢绞线将上锚具机构的楔形夹片顶松，同时， 向上锚具缸进油，使其处于松锚状态。( 图2 3 b ) 当上提升液压缸活塞杆到达2 l 时，上提升液压缸快速缩缸，而下提升液压缸活塞杆仍 以正常速度伸出。( 图2 3 c ) 当f 提升液压缸活塞杆剑达2 l 时( 此时上提升液乐缸已完成全缩r 况) ，使上锚具机 翰处丁紧锚状态，并使l - , 提升液乐缸开始伸缸，此刻r 提升液压缸减速伸缸，这个速度莘使 钢绞线将r 锚冗机构楔形夹片拉松同时，f 锚具液压缸进油，使r 锚具机构处r r 松锚：状态。 ( 剀23 d ) 同济大学硕：t 学位论文第二章液压同步连续提升( 下降) 机器人的设计原理 当下提升液压缸缸活塞杆到达2 l 时，使其快速缩缸。上提升液压缸活塞杆以正常速度 伸出。( 图2 3 e ) 重复执行此循环过程，可实现大型构件的连续上升作业。 obcde 图2 3 机器人的上升动作过程 2 2 3 机器人连续下降作业的运动机理 初始时刻，上、下提升液压缸处于全缩状态上、下锚具机构处于紧锚状态。图2 4 所 示为机器人的下降动作过程。 上提升液压缸活塞杆伸出，拉松下锚具机构的楔形夹片，接着向下锚具液压缸供油，使 下锚具机构保持松锚状态。( 图2 4 a ) 上提升液压缸停止伸缸，下提升液压缸开始伸缸，当下提升液压缸活塞杆到达2 l 时， 向下锚具液压缸供油，使下锚具机构处于紧锚状态。下提升液压缸缸继续伸缸，下提升液压 缸带动钢绞线顶开上锚具机构的楔形夹片，接着向上锚具机构液压缸供油，使上锚具机构保 持松锚状态，此时下提升液压缸活塞杆到达2 l 。( 图2 4 b ) 下提升液压缸开始缩缸，带动大型构件下降。同时上提升液压缸伸缸，当下提升液压缸 活塞杆缩到位置l + 时( 此时上提升液压缸已经处于全伸状态) ，向上锚具机构液压缸供油， 使上锚具机构处于紧锚状态。上提升液压缸以低于下提升液压缸的速度缩缸，而下提升液压 缸仍按原速缩缸此速度差使下锚具机构的楔形夹片被钢绞线拉松，接着向下锚具机构液压 缸供油，使下锚具机构保持松锚状态。( 图2 4 c ) 上提升液压缸以正常速度缩缸，使大型构件下降，与此同时，下提升液压缸快速伸缸。 当上提升液压缸活塞杆缩到l + 时( 此时下提升液压缸已处于全伸状态) ，向f n 具机构液压 缸供油，使f 锚具机构保持紧锚状态下提升液压缸以低丁二上提升液压缸的速度缩缸，而上 提升液压缸仍以然按原速缩缸，此速度差使上锚具机构的楔形夹片被钢绞线顶松，接着向上 锚具机构液压缸供油，使上锚凡机构保持松锚状态。( 图2 4 d ) f 提升液压缸以正常速度r 降，使人型构什f 降，而上提升液乐缸! j l i j 快速坤缸。( 图2 4 e ) 当r 提升液压缸活塞杆缩虿卜时，向上锚具机构液压缸1 ：； 汕，使t 锚具机构保持紧锚 ：状态。此后r 提升液压缸按原述缩缸，而卜提升液压缸以较陧速度缩缸，此速度差使r l * 司济大学硕士学位论文 第二章液压同步连续提升( 下降) 机器人的设计原理 具机构的楔形夹片被钢绞线拉松，接着向下锚具机构液压缸供油，使f 锚具机构保持松锚状 态。 gbcde 图2 4 机器人的下降动作过程 这样，在下降过程中就实现了负载的平稳转换和连续运动。重复执行此循环过程，可实 现大型构件的连续下降作业。与间歇式液压提升机器人相比液压同步连续提升( 下降) 机 器人不仅能够实现连续的运动。还减少了在每个下降循环中存在的短暂的构件提升的动作环 节1 8 1 。 2 3 液压同步连续提升( 下降) 机器人的提升器设计 根据液压同步连续提升( 下降) 机器人的工作要求，取提升液压缸的公称压力p = 2 5 m p a 。 这样可以计算提升液压缸的理论提升力f ，为： 即三( d 2 一p 。r = 4 ( 3 8 0 2 2 0 0 2 ) 1 0 - 6 x 2 5 1 0 6x0 9 7 = 1 9 9 0 0 0 0 n 式中： 一穿一t l , 活塞外径 d 穿一i i , 活塞内径 行效率系数。通常取1 7 = 0 9 5 0 9 9 ，取r = 0 9 7 2 3 1 提升液压缸外缸筒的设计 一外缸简肇厚的计算 对丁_ 受内压的圆筒而言其内压不允许人t 。某一给定值，即增加圆筒肇厚不总是提高强 度的育放方法。 外缸筒所州的材料为4 5 号铡r f _ 遗) ，其机触r e 能比 午通4 5 号钠提高j 同济大学硕士学位论文 第二章液压同步连续提升( t i l l ) 机器人的设计原理 2 0 1 ”】，锻造后的4 5 号钢的屈服极限o 。为4 3 2 m p a ，强度极限o 。为7 2 0 m p a 。 根据文献1 9 1 ，4 5 号钢的许用应力为： o ：旦m p a 打 o s 钢筒材料的屈服强度 n 一安全系数。通常取n = 1 5 2 5 ，根据液压缸的重要程度和工作压力大小等因素选取。 根据设计要求，初取外缸筒的外径为4 7 2 m m 这样壁厚j = 4 7 2 二- 一3 8 型= 4 6 m m 。 6 1 3 = 4 6 3 8 0 = 0 1 2 1 ，在o o 汕3 之间按中等壁厚公式1 ”l 计算： 。 ：生：掣：2 1 6 m p a ，取n ：2 以z 由于主油缸的额定压力为2 5 m p a , 大于- 1 6 m p a ，根据文献，最大工作压力p 。取 3 i 2 5 m p a 。 氏一= 些：垫堡婴型：2 9 5 m m 4 6 m m 。“2 3 p 】一3 p 一2 3 x 2 1 6 1 0 6 3 x 3 1 2 5 1 0 6 初选值与计算值相比，十分富裕，但考虑构造需要，取外缸简壁厚为4 6 m m 。 二外缸筒壁厚的校验 计算求得外缸筒壁厚值后应做以下四个方面的校验，以保证液压缸安全工作“o l 。 ( i ) 液压缸的额定工作压力应该低于一定的极限值p 。，以保证工作安全。 胪2 5 胁 p r = 3 1 2 5 m p a ，校验合格。 2 3 。2 提升液压缸内缸筒的设计 一，内缸筒壁厚的计算 根据结构设计要求，取内缸筒的外径为2 0 0 r a m 内径为1 6 0 m m 。 壁厚占= t 2 0 0 - 1 6 0 = 2 0 m m 。 6 ，d = 2 0 2 0 0 o 1 。大于0 , 0 8 ，按中等壁厚缸筒的壁厚公式计算： 。 ：生：掣：2 1 6 m p a ，仍取n - 2 nz 占。：纽望：型篓里坠! 坚了：1 5 5 。 p r = 3 1 2 5 m p a 。校验台格。 二内缸筒凸台( 法兰) 厚度的计算 内缸筒法! 一般在连续上升时受力，主要是钢绞线上升时作州在隔扳上的推力，根据估 算，取单根钢绞线怍川冉内缸筒 - 的最人推力为o 5 t 。1 8 根的最人作力为9 t ，法二厚度的 汁并公式i | 为： 同济大学硕士学位论文 第二章液压同步连续提升( 下降) 机器人的设计原理 = 4 f 二b x ( r o - d ) 【盯】 = 兰兰! ：竺兰! ! ：兰! 竺：1 1 3 1 4 1 6 ( 1 3 3 11 ) x 2 1 6 式中： f - - 法兰在缸筒最大内压1 i 所承受的轴向力； 法兰外圆半径 其余符号的意义见图2 5 。 考虑到结构要求，取内缸筒凸台的厚度为2 2 m m 。 剪切强度校核： f 0 9 1 0 5 r = 一2 4 剪切强度要求 万1 9 8 x 2 2 = 9 2 m m = 6 6m p a t = 1 3 0 m p a t ”。满足 2 3 3 提升液压缸活塞和活塞杆的设计 图2 5 一提升液压缸活塞 活塞本身应该具有较好精度和表面粗糙度，硬度不能太大，但为了承受液压油的压力及 缸盏的冲击力，又必须具有一定的强度。 活塞材料的选用，主要是从活塞的结构型式来考虑。对于具有导向环和支撑环的活塞， 常用3 5 号或4 5 号碳素结构钢。本设计采用4 5 号碳素结构钢。 活塞的宽度一般由密封件，导向环和支撑环的安装沟槽尺寸来决定。 活塞的加工要求：如果活塞有导向环和支撑环时，则活塞的外径公差、表面粗糙度等加 工要求则较低。 安装在活塞外圆的导向环和支撑环具有精确的导向作用，并可吸收活塞运动时随时产生 的侧向力。导向环和支撑环的优点有【lo 】： ( 1 )带导向环和支撑环的活塞，在缸筒内的运动是非金属接触。因此摩擦系数小， 起动时无爬行。 ( 2 ) 活塞安装了导向环和支撑环后，能改善活塞与缸筒的同轴度，使间隙均匀， 故减少了泄漏。 ( 3 ) 导向环和支撑环采用耐磨材料使用寿命长，磨损后易于更换。 ( 4 ) 能刮掉杂质，防止杂质嵌入密封面。 ( 5 ) 导向环和支撑环用填充聚四氯乙烯或纤维复合材斟，具有良好的承载能力。 活塞的导向环和支撑环型式：嵌入式，浮动式和组合式。 导向环和支撑环中现在极广泛的使用着浮动式。 导向环和支撑环是用高强度合成树脂材料制成的烈带，安装在活塞外圆的相应沟槽 内，侧向保持有间隙，导向环和支撑环可在沟槽内移动弗有一个4 5 度斜开口，斜开 口也可_ f j 黏结剂粘合。 一般玻纤增强尼龙掺 i 墨导向环平| 1 支撑环的厚度为3 - 5 m m ，宽度为2 5 2 5 r a m ； 一般聚四氟乙烯导向环平支撑环的厚度为1 5 - 2 5 m m ，宽度为5 6 2 5 r a m 。 格米罔也称方形同轴密封件，可川丁- 复运动的场合。由丁液压缸的活塞与缸孔之间 存在着问隙，使蚪3 中若单独侵崩格米圈进行密封，除易形成单边磨损外，污染物极翳扶 问隙人的- o ! j j 侵入格米阁密封面，所以液压缸中，特圳是以同运动的活摩中往往：舟洛 同济大学硕士学位论文第一二章液压同步连续提升( 下降) 机器人的设汁原理 来圈与斯来圈( 即导向环或支撑环) 一起使用。 液压缸的最大行程，可根据工作机械动作要求所决定的液压缸最大和最小极限位置 来确定，根据g b 2 3 4 9 - 8 0 规定的液压缸工作行程系列，向大圆整成标准值，即得液压 缸的最大工作行程，本设计中取形成为1 5 0 m m 。 二提升液压缸活塞杆 1 活塞杆直径的确定 液压连续提升器在工作时，钢绞线要穿过液压缸的中心，因此在本设计中活塞杆采用空 心式。一般情况下，对于双作用单活塞杆的液压缸，其活塞杆的直径d ，可根据往复运动的速 度比妒( 即面积比) 的要求来初步计算活塞杆的直径。 在该液压系统中，液压缸的工作压力为2 5 m p a , 大于1 6 m p a ，为了保证活塞杆压杆稳定， 因此取妒值为2 。但是，由于本设计中采用空心是活塞杆，并且行程比较短，其稳定性是足 够的，因此，只需从结构方面来考虑活塞杆的直径。 根据结构要求，取活塞杆直径d = 2 7 0 m m 。 演算速度比舻： 实际速比p ：生：兰l ；一3 8 0 2 - 2 0 0 ：1 4 6 u a ，3 8 0 2 2 7 0 2 2 活塞杆强度计算 ( 1 ) 2 0 0 吨主液压缸是一种短行程液压缸，在工作中主要承受轴向载荷，故可按中心受压进 行强度计算【1 3 i 即 f 盯= = 二_ 一s 【盯】 弓( d 2 一d , z ) 1 9 9 0 0 0 0 ( 2 7 0 2 2 0 0 2 、 式中卜活塞杆外径 = 7 7 m p a 3 2 6 _ _ 0 0 = 1 8 0 m p a ，取n _ 2 d l 空心活塞杆内径，对于实心活塞轩取0 ： f _ 啦压缸最大提升力： o 活塞杆的压应力； 【o 活塞材料的许用应力，【o - os i n ，其中os 为材料的屈服极限，l q 为安全系 数，通常取n = 1 5 - 2 5 。 ( 2 ) 受外压作用的活塞杆，内表面是危险点，按照第三强度理论： 一鲁2 鬻州s 口等堋a 、2 7 0 3 活塞杆的导向，密封平| i 防尘 格来圈主要用于液压缸活塞上的密封，而斯特封常用作对液压缸活塞杆的密封。根据文 献【4j ，两个斯特封串联使用密封效果极好，其泄渊鼙儿乎为零。斯特封在高压侧具有一个 阶梯形断面，利于斯特封本身产生径向箍紧力的作l j ：低压侧具有一个角度不人的锥面，有 利r 对活塞杆的紧密贴合，作为单向密封，i 作介质泄漏很少。两个斯特封间距1 3 2 0 r a m 。 斯特封除一般川作对活塞杆的外径的单同紫封外，也可作为活塞上对缸肇内桦的单向密 封之_ l j 。 同济大学硕士学位论文第二章液压劂步连续提升( 下降) 机器人的设计原理 使用时注意斯特封的阶梯形面迎着压力油的方向。 导向套( 环) 由专业厂供应带胚，因此允许用两个或两个以上的标准带胚宽度之和来达 到总宽度的要求。 导向套( 环) 安装的沟槽尺寸、公差和表面租糙度等均按导向环供应厂的要求加工。 2 3 4 提升液压缸油口的设计 液压缸油口直径应根据活塞最高运动速度和油口的最高流速而定。 液压缸的进、出油口可布置在缸筒或者前后端盖上其连接形式有螺纹、法兰等，其中 法兰是连接较大尺寸液压缸的连接形式。 根据2 5 m p a 系列单缸液压缸的国际标准( i s 0 8 1 3 7 - 1 9 8 6 ) 和国家标准( g b t 2 8 7 8 9 3 ) 本设计中有杆腔采用螺纹连接。无杆腔采用板式连接取油口直径为1 0 m m 油口的接头螺 纹为m 1 4 x 1 5 。 2 4 液压同步连续提升( 下降) 机器人的锚具机构设计 2 4 1 脱锚机构的改 在液压提升系统中，锚具机构的作用极其重要。它主要实现在重韧提升过程中承重系统 的负载转换，它的工作状态直接影响到系统的工作效率和安全可靠性。 锚具机构的工作过程是：紧锚时，向锚具液压缸上腔供油，带动液压缸下行，使锚片保 持夹紧状态：松锚时，先依靠钢绞线拉松或者顶松锚片，接着向锚具液压缸下腔供油，带动 液压缸上行，使锚片保持松锚状态。 问歇式提升机器人的脱锚方法是螺钉牵引法，如图2 6 所示。在紧锚工程中，锚具液压 缸下行，带动上压板向下运动，把楔形夹片压入锚环的锥形孔。以夹紧钢绞线，实现紧锚： 在松锚过程中，先依靠钢绞线把锚片拉松或顼松接着锚具液压缸上行带动压锚板往上运 动通过三个固定在锚片上的螺钉拉起楔形夹片使其脱离锚环的锥形孔，以使钢绞线处于 松开状态，实现松锚。这种脱锚方法过程简单，但可靠性较低，容易出现螺钉被拉断的情况。 i 链基缸i 埘黄2 、辐乓t 斗毒髓5 蒜吁- 。楗堪专声5 葛玎i 三_ 压省乜 圈2 6 间歇式提升矶器人的锚只叽丰 = 问济大学硕士学位论文第二章液压同步连续提升( 下降) 机器人的设计原理 为了提高松锚和紧锚动作的可靠性克服采用螺钉拔出楔形夹片易断裂的缺点，提高机 器人自动锁紧钢绞线的能力我们改进了锚具机构，设计了新型的脱锚装置，见图2 7 。锚 具机构包括：压锚板8 ，压紧弹簧9 ，弹簧座6 。楔形夹片5 脱锚螺栓7 ，脱锚套筒3 锚 环4 ，锚具液压缸内外缸筒1 、2 ，压扳1 0 和挡板l l 等。在紧锚过程中，锚具液压缸下行， 带动压锚扳向下运动，压缩弹簧，通过弹簧座将楔形夹片压入锚环的锥形孔，以夹紧钢绞线， 实现紧锚；在松锚过程中，先依靠钢绞线把锚片拉松或项松，接着锚具液压缸上行，通过脱 锚螺栓带动下厦的压板和挡板向上运动。使脱锚套动也向上运动，项起楔形夹片，使其脱离 锚环的锥形孔，以使钢绞线处于松开状态，实现松锚。 j 慧蔼；闹卜辽 墨 罩 翮潲 擘 生! 业 墨 一!澜 l !姗 少 二； 研h f a 上, 、l 4 - 、 1 罂津w 叫 l i 锚具液压缸内缸筒z 锚具液压缸外缸筒3 。脱锚套筒 4 锚环5 楔形夹片6 弹簧座7 脱锚螺栓8 压锚板 9 弹簧l n 压板1 1 挡板 2 4 2 锚具液压缸的设计 图2 7 改进的锚具机构 根据液压同步连续提升( 下降) 机器人的工作要求，取锚具液压缸的工作压力为6 m p a 。 这样可以计算提升液压缸的理论提升力f 为： f ap - ；( 2 5 6 2 2 4 0 2 、1