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淬火用上下料機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計 學 生： 指導老師： （湖南農(nóng)業(yè)大學工學院，長沙 410128） 摘 要：本文主要介紹了上下料用機械手的設(shè)計過程，它包括了對于整個系統(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液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。分析整個循環(huán)過程確定系統(tǒng)工作原理圖，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)要求選擇標準的液壓元件，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)計提供了有力支持，在對機械手液壓系統(tǒng)集成塊設(shè)計過程中，能夠與實際的加工工藝相結(jié)合，并且對現(xiàn)在的液壓集成塊的CAD技術(shù)有很好的認識。 關(guān)鍵詞：機械手；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)機器人一般指用于機械制造業(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、電冰箱、洗衣機）、化工等行業(yè)自動化生產(chǎn)線中的點焊、弧焊、噴漆、切割、電子裝配及物流系統(tǒng)的搬運、包裝、碼垛等作業(yè)的機器人。 　　 工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 ? 機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、機構(gòu)學、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術(shù)，是當代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。 機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(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器的進化過程產(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，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。 在發(fā)達國家中，工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線成套設(shè)備已成為自動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)、工程機械等行業(yè)已經(jīng)大量使用工業(yè)機器人自動化生產(chǎn)線，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，同時避免了大量的工傷事故。全球諸多國家近半個世紀的工業(yè)機器人的使用實踐表明，工業(yè)機器人的普及是實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，提高社會生產(chǎn)效率，推動企業(yè)和社會生產(chǎn)力發(fā)展的有效手段。 目前，國外已經(jīng)研制和生產(chǎn)了各種不同的標準組件，而中國作為未來工業(yè)機器人的主要生產(chǎn)國，標準化的過程是發(fā)展趨勢。中國制造業(yè)面臨著向高端轉(zhuǎn)變，承接國際先進制造、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)。加快工業(yè)機器人技術(shù)的研究開發(fā)與生產(chǎn)是中國抓住這個歷史機遇的主要途徑。因此我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展要進一步落實：第一，工業(yè)機器人技術(shù)是我國由制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變的主要手段和途徑，政府要對國產(chǎn)工業(yè)機器人有更多的政策與經(jīng)濟支持，參考國外先進經(jīng)驗，加大技術(shù)投入與改造；第二，在國家的科技發(fā)展計劃中，應(yīng)該繼續(xù)對智能機器人研究開發(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)機器人質(zhì)量已經(jīng)與國外相當，企業(yè)采購工業(yè)機器人時不要盲目進口，應(yīng)該綜合評估，立足國產(chǎn)。 智能化、仿生化是工業(yè)機器人的最高階段，隨著材料、控制等技術(shù)不斷發(fā)展，實驗室產(chǎn)品越來越多的產(chǎn)品化，逐步應(yīng)用於各個場合。伴隨移動互聯(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)機器人將會越來越多，逐步滲透制造業(yè)的方方面面，并且由制造實施型向服務(wù)型轉(zhuǎn)化[11]。 2 機械手技術(shù)特點 1）淬火用上下料機械手采用流體傳動和可編程序控制器控制，距離保溫爐較近的機構(gòu)采用氣動，距離較遠的則采用液壓，以避免由于溫度過高而引起液壓油液泄漏等問題；可以實現(xiàn)調(diào)整、手動及自動控制，電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠，造價低于一般的繼電器控制。降低了操作者的勞動強度、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動平穩(wěn)性；通過節(jié)流閥與電磁換向閥配合實現(xiàn)執(zhí)行器的緩沖控制。 3）機械手的定位通過行程開關(guān)、光電開關(guān)和氣缸驅(qū)動機械機構(gòu)實現(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，使用維護方便。 5）該系統(tǒng)還可推廣至其他淬火機床或鍛壓機床的上下料機械手中，因此研究推廣淬火用上下料機械手對我國乃至全世界的經(jīng)濟發(fā)張有著很重要的意義[4]。 3 機械手設(shè)計要求分析 3.1 設(shè)計目的和要求 上下料用機械手能在不同高度與不連續(xù)的工作臺之間實現(xiàn)機械零件的重復取放，代替人工勞動，減輕了人工勞動強度，提高了自動化水平和勞動生產(chǎn)率，保證了產(chǎn)品和工人的質(zhì)量與安全。 3.2 機械手簡介與分析 1）上下料用機械手采用圓柱坐標的結(jié)構(gòu)形式，主要的組成部分有：升降機構(gòu)，回轉(zhuǎn)機構(gòu)，手臂伸縮結(jié)構(gòu)等，在這三中機構(gòu)中采用液壓驅(qū)動傳動方式，能保證機械手的整體結(jié)構(gòu)的緊湊性，運動平穩(wěn)以及可以方便的實現(xiàn)無級調(diào)速。 2）如圖1所示，機械手在工作過程中需三種運動，其中手臂的伸縮和立柱的升降為兩種直線運動，而手臂的回轉(zhuǎn)為圓周運動，所以采用圓柱坐標形式。其特點是，結(jié)構(gòu)簡單，手臂運動范圍大，有較高的定位準確度。 圖 1 機械手運動坐標形式 Fig 1 The moving coordinate form of manipulator 3）機械手的工作范圍：機械手在水平方向上的伸縮范圍為至兩個不同高度的工作臺的距離，手臂伸縮總行程為500mm，手臂回轉(zhuǎn)的運動范圍為90度，立柱升降的垂直方向的距離為兩工作臺的高度差，總行程為200mm。 4 液壓系統(tǒng)設(shè)計 4.1 根據(jù)工作要求確定一個工作循環(huán)周期的運動過程 1）手臂位于初始位置（1） 2）手臂伸長至工作臺（1） 3）手指抓取工件（延時20s，確保工件被抓住） 4）手臂縮回 5）立柱升高至所需高度，至工作臺（2） 6）手臂回轉(zhuǎn)角度α，至位置（2） 7）手臂伸長并釋放工件（延時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（1） 圖 2 上下料機械手運動位置示意圖 Fig 2 The motion location diagram of the manipulator 圖3 上下料機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，確保工作運動中的動作連續(xù)性 圖4 機械手運動循環(huán)工況分析圖 Fig 4 The analysis of motion cycle char the manipulatort of 4.3 驅(qū)動設(shè)計要求 1）滿足工業(yè)機械手動作順序要求。動作順序的各個動作均由電控系統(tǒng)發(fā)訊號控制相應(yīng)的電磁鐵，按程序依次步進動作而實現(xiàn)。 2）機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，完成工件的自動換位工作。伸縮要平穩(wěn)靈活，動作快捷，定位準確，工作協(xié)調(diào)； 3）控制系統(tǒng)設(shè)計要滿足伸縮臂動作邏輯要求，液壓缸及其控制元件的選擇要滿足伸縮臂動力要求和運動時間要求。 本次設(shè)計采用液壓傳動的控制方式，相比其他傳動方式有以下幾點優(yōu)點： 1）液壓傳動能在運行中實行無極調(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）液壓傳動工作比較平穩(wěn)，反應(yīng)快，沖擊小，能高速啟動、制動和換向。液壓傳動裝置的換向，回轉(zhuǎn)運動每分可達500次 4）液壓傳動裝置的控制、調(diào)節(jié)比較簡單，操縱比較方便、省力，易于實現(xiàn)自動化，與電氣控制配合使用，能實現(xiàn)復雜的順序動作和遠程控制 5）液壓傳動裝置易于實現(xiàn)過載保護，系統(tǒng)超負荷，油液經(jīng)溢流閥回油箱。由于采用油液作工作介質(zhì)，能自行潤滑，所以壽命比較長 6）液壓傳動易于實現(xiàn)系列化、標準化、通用化，利于設(shè)計，制造和推廣使用 7）液壓傳動易于實現(xiàn)回轉(zhuǎn)、直線運動，且元件排列布置靈活 8）液壓傳動中，由于功率損失所產(chǎn)生的熱量可由流動著的油帶走，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)整個系統(tǒng)的工作完成步驟，選擇合適的液壓缸 伸縮運動和升降運動:選擇單桿活塞液壓缸，回轉(zhuǎn)運動選擇擺動液壓缸，保證整個系統(tǒng)能夠達到穩(wěn)定的運動效果。 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)備的共組特點和工作要求確定對主要性能起決定性影響的主要回路，機械手液壓系統(tǒng)主要有針對伸縮運動，升降運動和回轉(zhuǎn)運動的三個主要運動回路。 4.4.3 對以上的液壓元件和液壓回路進行綜合 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系統(tǒng)。同時注意：a.盡量簡化系統(tǒng)機構(gòu)，減少不必要的液壓元件使用；b.保證整個液壓系統(tǒng)運動動作的可靠，安全，沒有元件與機構(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；d.盡可能采用標準通用的液壓元件。 綜合以上的動作，原理以及元件，繪制液壓系統(tǒng)原理圖。下圖為本機械手液壓系統(tǒng)的工作原理圖： 圖 5 上下料機械手液壓系統(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度的校核 根據(jù)設(shè)計的參數(shù)要求，確定合理的液壓缸尺寸 4.5.1 伸縮液壓缸的設(shè)計計算 由于工件相對于整個系統(tǒng)較小，并且工件運動為水平運動垂直于重力方向和摩擦力方向，所以對于運動過程來說負載較小，故不進行負載分析。 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)機械手屬于小型的工程機械，故選初始壓力 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 故選取標準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 因為 e/d=500/400=12.5 〉10 ，故需對活塞桿進行穩(wěn)定性校核 由材料力學中有關(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 ； 材料強度實驗值 fc=4.9×108Pa 柔性系數(shù) m=85 實驗常數(shù) a=1/5000 因為活塞桿斷面的回轉(zhuǎn)半徑 K=JA=d/4=40/4=10 （5） 活塞桿細長比 lK=50010=50F=pA1=5.0×104 （8） 所以滿足穩(wěn)定性要求； 對于伸縮而言 ，則取缸徑 D1=80mm 活塞桿半徑 D2=40mm 求液壓缸流量： q進=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 擺動液壓缸設(shè)計計算 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)動基于手臂的回轉(zhuǎn)運動 4.5.3 升降液壓缸的設(shè)計計算 由于手臂伸縮機構(gòu)與擺動機構(gòu)等重量全載于升降機構(gòu)， 故算的, FG≤3000N 選取液壓缸的工作壓力 P=10MPa 工作負載 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 則耗時約為4s 4.6 液壓元件的選擇 4.6.1 動力元件(定量泵的選擇) 液壓泵是標準元件，其選擇的依據(jù)是額定壓力和流量。整個系統(tǒng)由一個定量泵供油，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： 實際流量：qp=K1×qmax=1.1×32.8=36.08L/min （14） 實際壓力：Pp=K1×Pmax=1.1×10=11MPa （15） 查參考文獻《機械設(shè)計手冊》P23-68，表23.5-6，選擇CB32型齒輪泵，技術(shù)參數(shù)見下表 表3齒輪泵型號及參數(shù) Table 3 The types and parameters of gear pump 型號 排量 ml/r 壓力/MPa 壓力/MPa 轉(zhuǎn)速/r/min 容積效率（%） 驅(qū)動功率/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《機械設(shè)計課程設(shè)計手冊》 P167表12-1選擇Y160M-4，同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，額定功率為11KW的電動機[11]。 4.6.2 控制元件（電磁換向閥、壓力閥、流量閥的選擇） 控制元件是標準件，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型直動式減壓閥 卸荷溢流閥：按照P=11MPa，q=36.08L/min,選擇DA型先導式卸荷溢流閥 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 按照元件計算結(jié)果見下表 表4液壓閥型號及參數(shù) Table 4 The types and parameters of hydraulic valve 名稱 工作壓力（MPa） 流量（L/min） 型號 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)標準，圓整為d=15mm 查選《機械設(shè)計手冊》Ι型軟管 2、管接頭 由于本系統(tǒng)最高工作壓力為11MPa，查《機械設(shè)計手冊》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)對工作介質(zhì)的要求：有適當?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； 有良好的潤滑性和放腐蝕性； 對人體無害，成本低 5 集成塊的設(shè)計 5.1 設(shè)計分析 在整個液壓系統(tǒng)中，由于整個系統(tǒng)由若干個液壓閥有機組合在一起的，各個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，尤其對于復雜的液壓系統(tǒng)，占據(jù)空間很大，管路交錯，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，有時會產(chǎn)生噪音和震動。 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準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)成整個集成塊式的液壓傳動接系統(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)，以便于測量系統(tǒng)中各連接點或者某一油路的壓力情況，這種集成方式的優(yōu)點是它的機構(gòu)緊湊，占地面積小，易于裝卸和維修，并且具有標準化和系列化產(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，但是對于它的設(shè)計，工作量比較大，加工工藝復雜，不能任意修改等缺點。 下面就簡單的集成塊舉一個例子。包括三維造型的線形結(jié)構(gòu)和實體結(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 集成塊的三維實體造型 Fig 7 The 3D solid modeling of integrated block 5.2 根據(jù)具體的要求進行設(shè)計計算 上下料用的機械手液壓系統(tǒng)的集成塊設(shè)計系統(tǒng)見集成塊裝配圖，它包括地板塊，升降機構(gòu)控制集成塊，回轉(zhuǎn)機構(gòu)控制集成塊，伸縮機構(gòu)控制集成塊以及頂蓋等五個集成塊組成。 下面針對整個系統(tǒng)中的伸縮缸液壓控制回路集成塊為例子，具體說明整個集成塊的設(shè)計計算過程： 為了能滿足整個循環(huán)的工作要求，則該回路共需四個液壓元件，有相關(guān)手冊查得它們的型號和規(guī)格，以及安裝底板在安裝這些元件時候應(yīng)考慮的油孔的相對位置情況等。 1）減壓閥 型號：JF3-10B 通徑：Φ10 連接底板標準：GB8100-AG-06-2-A 外型尺寸：84mm*61mm 安裝螺栓孔和油孔的相對位置如下： 2）單向閥 型號：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位置如下： 3）三位四通電磁換向閥 彈簧對中型 代號O 型號：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位置如下： 4）單向節(jié)流閥 型號：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位置如下： 5.3 下面為集成塊的設(shè)計步驟 1）根據(jù)上面查得的標準，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視圖上進行布局，有的液壓元件需要連接板，則樣板以連接板為準。 在布局時應(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必須進行強度校核（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)計專用集成塊時，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一段距離，具體可參見圖6。溢流閥的先導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雜，這樣就給內(nèi)部孔道的設(shè)計和校核帶來了一定的麻煩。在做整個集成塊設(shè)計的過程中首先要了解整個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，盡量避免在一個面上安裝兩個多個占地面積比較大的液壓元件，這樣會給集成塊內(nèi)部孔道的設(shè)計帶來很多麻煩，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，從而實現(xiàn)對它的調(diào)節(jié)。在內(nèi)部孔道設(shè)計上，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油孔道與壓力油孔P連接方式要盡可能簡單并且容易加工，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，同時要考慮整個液壓回路各個液壓元件之間的孔道連接關(guān)系綜合考慮孔道的設(shè)計。之后在集成塊另一表面放置電磁換向閥，孔道設(shè)計同樣要考慮加工簡單，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)計時應(yīng)合理布置油道，盡可能節(jié)省工藝孔。 集成塊的選料：當工作壓力<6.3Mpa時，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，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。對孔徑適宜需要者，可攻絲。鉆孔遇有相交時應(yīng)考慮油液流動方向，避免產(chǎn)生渦流和沖擊性震動，如圖7所示； 5）車 對需要鏜孔或車螺紋的各孔進行車（鏜）加工； 6）鉗 去除毛刺鐵屑，保證清理干凈。目前針對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，針對集成塊主要有以下兩種方法：a）.震動式去毛刺，主要用于精加工前，熱處理后進行去毛刺處理，除銹，除氧化皮及銳邊倒角處理；b）柔性毛刷去毛刺，針對集成塊加工中各個油孔，臺階孔，直角棱邊出現(xiàn)的毛刺，在精加工后使用毛刷進行光整，加工效果好； 7）焊 堵焊工藝孔并且打磨平整?？捎寐萑驴?，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，注意外型不要對其他的元件干涉； 8）磨 將各個表面磨至所要求的粗糙度要求； 9）清洗 對于高精度的集成塊，清洗要跟隨每一道工序進行，這樣才能保證整個元件的清潔度。 10）表面處理 鍍鎘或鍍鋅 在裝配前要進行粗洗和精洗。 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，有機物和無機物質(zhì)；d.溶劑浸泡，刷洗，可以除去油脂，潤滑液，有機物等；e.機械清洗，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，所以要進行精洗，精洗的清潔度可以達到表面殘留一個分子層的污染物，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 加工完所有的零件后，在清潔的環(huán)境進行集成塊系統(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出油口用螺塞加組合密封墊圈進行密封。 裝配后的產(chǎn)品需要進行壓力試驗和功能試驗，耐壓試驗需要按國家標準進行，試壓時間在10分鐘左右，各個接頭處不得有油液泄露，不允許有其他異?，F(xiàn)象，功能實驗根據(jù)不同功能要求進行。 6 液壓集成塊CAD技術(shù) 利用CAD的三維實體造型功能，可以將液壓集成塊自動設(shè)計結(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，可以實現(xiàn)對集成塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和裝配圖的多方位，多角度的觀察，進而對檢驗方案結(jié)果及優(yōu)劣程度進行改造。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)計應(yīng)用開發(fā)中仍拘泥于產(chǎn)品的設(shè)計結(jié)果信息建模，而在孔道校驗繪圖軟件中，集成塊的設(shè)計信息轉(zhuǎn)化為數(shù)學模型記錄到相關(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)計結(jié)果，此外對設(shè)計過程建模并無涉足。現(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，而要面向整個設(shè)計過程的建模。為此，需要強調(diào)完善集成塊的設(shè)計規(guī)范，特別是其設(shè)計過和目標要求，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)計塊體孔系，設(shè)計師在塊體設(shè)計中要遵循設(shè)計規(guī)范與準則，獲得集成塊裝配草圖與零件設(shè)計草圖，孔道校驗和技術(shù)文件編制。然而集成塊CAD研究開發(fā)的目標在于促使設(shè)計師發(fā)揮創(chuàng)造性，即應(yīng)用開發(fā)應(yīng)定位于集成塊設(shè)計的前端。根據(jù)過程改進要求獲得設(shè)計過程規(guī)范是過程建模的前提。按照設(shè)計及開發(fā)能力以及過程改進的方法學框架，逐步建立行之有效的設(shè)計規(guī)范和設(shè)計模型。設(shè)計師利用軟件高效完成工作的同時，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。明確這一目標，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)用軟件將能自動生成與獲得最優(yōu)的布局不孔集成方案。實現(xiàn)了液壓集成塊布局孔集成方案的自動優(yōu)化設(shè)計。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，則計算機自動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，實時干涉校核下的孔道自動連通，連通方案的目標評價和布局方案的自動調(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)計過程中，需要以下幾項數(shù)據(jù)：1.元件的外型尺寸，用于裝配時進行外型干涉校核 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值，液壓集成塊CAD技術(shù)的應(yīng)用開發(fā)不但能夠滿足個別企業(yè)液壓集成塊的專業(yè)急需，同時也有望走上商品化專業(yè)軟件市場。對液壓集成塊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，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是液壓集成塊CAD領(lǐng)域的重要工作。 7 結(jié)論 在實際的生產(chǎn)中，為了提高生產(chǎn)率，減少勞動強度，機械手也就被廣泛地用于工業(yè)生產(chǎn)中，它可以無疲勞地進行重復的動作。在這次的畢業(yè)設(shè)計整個過程中，我不僅對工業(yè)機械手的現(xiàn)階段的運用情況和范圍得到了很深的了解，而且對于簡單的機械手設(shè)計知識有一定的掌握不論從結(jié)構(gòu)還是從驅(qū)動的形式。還有對于集成塊的設(shè)計，以前并不知道液壓集成塊是什么樣的工業(yè)產(chǎn)品，通過這一階段的學習，不僅僅對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，對集成塊進行內(nèi)部孔道的加工仿真，從而達到避免內(nèi)部所設(shè)計孔道的不干涉問題的存在。在集成塊外型設(shè)計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)計的連接孔都不干涉，并且內(nèi)部孔道之間要進行強度的校核，這樣才能保證集成塊工作的安全性能。雖然說這次設(shè)計做的時間有限，但是它貫徹了我們四年以來所學習的所有知識，能夠把我們所學習的專業(yè)知識貫穿在一起，同時也真正的了解到產(chǎn)品開發(fā)所需要的設(shè)計過程，應(yīng)注重的設(shè)計要求等。 參考文獻 [1]張利平.主編.液壓傳動設(shè)計指南[M].化學工業(yè)出版社,2009.07: 101-120 [2]濮良貴,紀名剛.主編.機械設(shè)計[M].高等教育出版社，2004.2 [3]陳啟松.液壓傳動與控制手冊[M].上?？茖W技術(shù)出版社，2006 [4]劉延俊.主編.液壓與氣壓傳動[J].機械工業(yè)出版社，2006.12:78-90 [5] 張利平.主編.現(xiàn)代液壓技術(shù)應(yīng)用200例（第2版）[M].化學工業(yè)出版社,2009: 181-188 [6] 張波,李衛(wèi)民,尚銳.液壓與氣壓傳動[J] 2002年08期 [7]吳宗澤,羅圣國.主編.機械設(shè)計課程設(shè)計手冊第三版[M].高等教育出版社，2009.12: 58-61 [8] 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The MathWorks,Inc.1997 [19]Goodwin G C,Payne R L. Dynamic System Identification,Experiment Design and Data Analysis. New York:Academis Press.1997 [20]Muth E J. Transform Methods With Application to Engineering and Operation.1999 致 謝 本設(shè)計是在陳文凱老師的悉心指導和熱情關(guān)懷下完成的，從懂一點液壓的學生到對液壓有進一步的了解，這個過程自我感覺非常充實，學到了很多東西，當然不光是書本上的知識，還有獨立思考、解決問題的能力等等，這其實也是我們大學本科生應(yīng)該學到的。 大學四年，陳老師一直都很耐心地教導我們，在此我要深深感謝老師的幫助，從老師身上我不僅學會了很多專業(yè)知識，而且學會了很多做人的道理，這對我以后步入社會有很大的幫助。 在今后的工作中，我會盡力將所學用于實踐，做到理論與實踐相結(jié)合，以次來回報我的母校，尤其是教過我的老師們。同時也要感謝論文答辯組專家的精心指導。 25