基于自动上料机械手的液压传动系统设计.pdf

l 匐 似 基于 自动上料机械手的液压传动系统设计 The hydr aul i c dr i v e s ys t em bas ed on aut om at i c f eedi ng m ani pul at or d esi gn 张金萍 ZHANG J i n ． p i n g 白城职业技术学院，白城 1 3 7 0 0 0 摘要 本文基于自动上料机械手对传动系统的要求，结合上料作业特点 ，设计了自动上料机械手液 压传动系统整体结构方案，包括系统参数的设计和元件选型 ，并运用其设计方法进行仿真实 验，实验结果表明设计方案的正确性和合理性。 关键词上料；机械手 ；液压 中图分类号T H I 3 7 文献标识码 B 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 3 1 1 i- 一0 1 5 3 0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． i s s n ． 1 0 0 9 -0 1 3 4 ． 2 0 1 3 ． 1 1 上 ． 4 4 0 引言 随着我 国工业化进程 的加快 ，物料的移动 、 材料上下搬运 、零部件 的组装 已经成为各个行业 都 普遍 存 在 的加 工 环节 。以 自动 上 料机 械手 实 现这 些环节 的 自动化对提高所有行业 的加工效率 都具有重要作用 。传统机械手大 多采用机械传动 方式 ，由于机械式传动 系统 中包含变速箱、驱动 桥等体积较大部件使得机械手体积大、运动不稳 定 。液压传动 系统 因具有体积小 、重量轻、可 以 实现无级变速且调速范 围宽、低速稳定性好等特 点 。因此本文设计将液压系统引入 自动上料机械 手的传动 系统中。 1 自动上料机械手液压驱动整体方案 综上所述 ，基于 自动上料机械手作业环 境特 点，从经济性、可控性、可靠 性等角度考虑 ，最 终确定采用双泵 供油四轮对称 驱动方案 。系统主 要 由1 个变量轴 向柱塞双联泵和4 个斜盘式轴 向柱 塞 变量马达和行星减速器组成 的车轮 马达组 成。 采 用X 型连接 ，即一个泵驱动前左和右后车 轮马 达 ，另一个泵 驱动前右和后左 车轮 马达 。 自动上 料机械手液压传动系统原理图如图1 所示。 图1 自动上料机械手 液压 传动 系统原理图 该液压 系统 主要由双联变 量泵、变量马达 、 补油泵 、变量油缸 、比例 阀、安全阀、单 向阀、 溢流 阀、滤油器和油箱等组成 。回路中双联变量 泵既提供液压能源 ，又是主要的控制 元件 ，液压 泵采用位移直接反馈式电液比例控制 ，改变双联 变量泵 的排量和方 向就可以改变液压 马达输 出转 速和 方 向。变 量马达排 量调节方 式为带DA功能 的位移直接反馈式 电液比例排 量控制 ，与变量泵 相配合可 以获得较大的调速范 围。 自动上料机械 手可 以自动实现 前进、后退 、快慢 的控制 。回路 中还设置 了补油泵 ，其作用有三个 一是与集成 在马达模块 中的梭阀相同的功 能，即置换 回路 中 的油液 ，冷却 液压系统 ；二是补充液压泵和液压 马达泄露的液压 油；三是作为变量机构的液压油 源 ，补油泵通过单向阀向系统 的低压 回路补油 ， 低压 溢 流 阀设 定 系统 的补 油压 力 。作为 闭式 回 路，当液压 马达 进行正反转转换时 ，工作油路的 高低压也将会发 生互换 ，因此在油路的两个方向 都 必须 设置安全 阀，用来双 向限制 系统的最高工 作压力 。此外 ，系统 中还设置 了压力切断 阀，当 闭式回路 中出现异 常高压 时，压 力切断 阀将高压 端与油箱连通 ，保证液压系统的安全 。 2 液压传动系统参数设计 正确设计 自动上料机械手液压传动 系统各部 件参数并使它们的性能相互匹配 ，能有效提高 自 动上料机械手整机 的动力性 和经济性 ，合理的参 数设计也为后面的仿真分析奠定 了理论基础 ，因 此应首先根据已知参数确 定其他参数并对液压 系 统各部件进行选型。已知参数为发动机参数和整 机净重、上料箱容 积、最大理论速度 、车轮直径 收稿日期2 0 1 3 - 0 9 -1 2 作者简介张金萍 1 9 6 6一 ，女，吉林白城人，副教授，工程师，本科，研究方向为机电工程。 第3 5 卷第1 1 期2 0 1 3 -1 1 上 [ 1 5 3 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 訇 似 等整机参数 。 2 ． 1马达选型 在 液 压传 动 系统设 计 中，首 先要 完成 马 达 的选型 。液压马达的主要参数是其转速n 和排量 V ，所选择 的液压马达必须满足 自动上料机械手 行驶速度和动力性要求 ，即选择 的马达应具有满 足要求 的转速和转矩 。本文采用角功率法来进行 马达选 型 。 角功率不是通常能够获得的功率 ，它是一种 极限状态 的描述指标，但 它能有效的反映传动 装 置 的变换能力和功率容量，是液压 系统设计过程 中极为重要的参数 。 自动上料机械手液压传动 系 统 的动力装置 由发动机和传动装置组成，传动装 置 的任务就是根据外 负荷 的变化来调节发动机转 速和扭矩两者之 间的比例 ，使驱动扭矩平衡负荷 扭矩以驱动 自动上料机械手行走。因为发动机为 有限功率动力源，扭矩和转速的乘积为定值 ，扭 矩小时转速大 ，两者不可能同时到达极限值 ，因 此用角功率计算 的意义就在于将 转速和扭矩的双 参数匹配问题转换为角功率单参数问题。 自动上料机械手角功率计算公式为 Ⅱm x F k m “r a ／ n r1 、 尸 ma x n ma x ／ 9 5 4 9 F m a x 7 1 m a ／ 3 6 0 0 式中， i 为机器角功率 k W ；M 为驱动 轮最大扭矩 Nm；n k m a x 为驱动轮最大转速 r ／ mi n ；U T 为最大理论转速 k m／ h ；r d 为驱动 轮半径 m；n 为驱动轮数 。根据 已知参数最大 理论速度U 和最大牵引力F h 眦 ， 可计算得到 自动 上料机械手角功率 。 由 自动上 料 机械 手 的角 功率 来确 定满 足 要 求 的液压 传动 装置 的有 效传 动 比R。 ，有 效传 动 比是 自动 上料机 械 手角 功率 与传动 装置 额定 输 出功 率 的比值 ，表 征所 要求 的液压 传动 装置 的 变换 比 。通 过 有效 传动 比 的计 算还 可 以验证 前 文对液压系统结构方案的分析。R 。 P _j ／ P P jI／ P 。 H r l 1 r l b r l r l 2 P ii ／ 0 ． 7 P 。 H 式中，P k H 为液压传动装 置 的额 定输 出功率 ，P 。 为 发动机 净功率输 出 ， 传动 装 置 各环 节 总效 率 估 算值 为 T 1 、 T 1 取 0 ． 9 5 - 0 ． 9 7 ， r t b 、 r l 取0 ． 8 6 0 ． 8 8 ，传动装置总效率 约为0 ． 7 。 根据机械设计 手册 ，机械动力输 出轴的最大 功率一般按发动机额定功 率的2 ／ 3计算 。自动上 [ 1 5 4 1 第3 5 卷第1 1 期2 0 1 3 - 1 1 上 料机械手还 同时配 套有液泵和风机等部件 ，则风 机所需功率约 占动力输 出轴最大功率 的3 5 ％，液 泵 占3 5 ％，其余部分为传动装置耗用功率 。即 P 。 2 ／ 3 P 。 3 0 ％。式 中P 。 为发动机额定功率，由 式3 ，4 计算得到R 。 。当R 。 2时，选用定量马达 ， 速度和扭矩的调节 由变量泵来实现；当2 2 0． 95 m r ／ 2 由式 2 得 到传动 比取值 范 围，根据 自动上 料机械手的设计经验 ，减速装置一般选择具 有大 传动比的行星齿轮减速器，为 了尽量提高传动效 率 ，在减速装置样本 中尽可能选择减速比较小 的 行星齿轮减速器 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务1 lI5 化 其次 ，根 据计算 得到 的传动 比i ，对马达 最 小排 量和最大排量 对应的匹配转速进行计算并 校 核 3 式 3 中， 、n x s 为马达最大和最小排量时 要求的最高匹配转速 r ／ mi n ；， z 为马达 最大和最小排量时最高标定转速 r ／ mi n ；S 为 车轮滑转率 ，取0 ． 0 2 。 最 后，校核减 速装置的持续输 出扭矩不得超 过许可值 。机械减速装置允许的持续扭矩约为最 大扭矩的1 ／ 3 - 1 ／ 2 ，最高不超过7 5 ％。 2 ． 3输入变速装置方案 发动机 与液压泵通 常有两种 联接方式 ，发动 机直接和 间接驱动两种 。直接驱动结构简洁 ，成 本低 ，常用于 多泵 同轴 串联 ，但 由于泵为串联形 式 ，故障率高 。间接驱动方式为发动机通过分动 箱驱动液压泵 ，各泵互不干扰 ，故障率低，但其 结构复杂 ，分动箱 占用底盘空间较大 ，整机质量 较大 。 发动机 、分动 箱、液压泵之 间的转速匹配 关 系为， z ， z f 1 。式中， 为泵额定匹配转速 r ／ mi n ； 为发动机额定转速 r ／ mi n 。考虑 自 动上料机 械手对 底盘 传动 系的设计要求 ，本文采 用直接驱动形式，取i 1 。 2 ． 4 泵选型 为满足马达流量 的要求 ，泵 的参数计算公式 如式 4 ，取泵、马达容积效率均为0 ． 9 5 。 I ， n s Z 0 -3 ～ 0 ．5 ‘ 4 式中，Y为泵的数量。 泵排量确定后 ，其对应的额定转速n 即可求 得，泵的额定转速需大于额定匹配转速，即玎 拊 n ，对于定量马达 ，马达实际转速n 不能大于 最 高标定转速 ，马达 实际转速通过 行驶液压 系统 制动工况求得 ，如下式 、 1 2 7 ～ l 3 2 V b ma x i l n e h Y r 5 m 一 对于变量 马达 ，应同时确保 在最大排量和最 小排量两种情况下 的实际转速均不超过其 最高 标 定值。 1 按式 5 确定马达在最大排量时是否满足要 小。 、 0 ．9 5 2 计算马达最小排量 m ra i n 一 3计 算 马 达 最 小 排 量 比 1 3 i V i ／ V 。除了特殊需要取V 为零外，一般从传动 效率考虑 ，应使 耐 0 ． 3 。 4 利用公式 4 按行驶制动工况计算 ，确 定马达最小排量时的实际转速 ，保证其不超过 最 高标定转速。 3 实验及分析 根据上文对液压泵 、马达 以及减速装置的选 型 ，参考各元件样品表 ，液压传动 系统 的参数 。 如表l 所示。 表1 液压传动系统参数表 参数名称 参数值 参数 单位 变量泵流 量增 益 5 ． 4 x 1 0 ‘ m3 ／ s ．r a d 马达斜盘最大摆角 0 ． 2 9 7 r a d 马达排量梯度 2 ． 9 3 6 x l 0 一 m3 ／ r a d 泵 和马达工作总容积 5 ． 5 3 x l 0 - m3 系统总泄漏系数 8 ． 7 5 x l 0 m5 ／ N S 马达和 负载总惯量 1 6 ． 0 8 3 Kg m 马达和负载总阻尼 0 ． 7 4 2 m． N． S ．r a d 液压 油弹性 模量 8 7x l 0 P a 假设四个变量马达是完全相同的，且左侧马达 初始转速为实际最高转速为3 5 8 9 ． 0 6 r ／ mi n ，无负载输 入，系统总泄漏系数C t C b C 1 ． 2 7 1 0 m ／ N． s ， 根据表l 对在Ma t l a b ／ S i mu l i n k 环境下建立的针对时 间响应特性分析 的模型进行仿真 。液压系统对单 位阶跃输入的响应 曲线如图2 所示，由于马达参数 相同，所以左右侧马达的响应曲线也相 同。 图2 系统单位阶跃输入的响应曲线 第3 5 卷第1 1 期2 0 1 3 1 1 上 [ 1 5 5 1 P 3一 l 一 ， ●● J、● ●● ●●l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 匐 化 由 仿 真 结 果 数 据 得 ， 响 应 曲 线 的 峰 值 x 0 t p 5 ． 5 3 8 4 1 0 4 ，稳态值x 0 。 。 5 ． 4 0 3 8 1 0 4 。 上升时间t r 3 ． 2 4 2 5 s ，峰值时间t p 4 ． 1 1 2 5 s ，调整时 间t s 4 ． 6 8 2 5 s ，最大超调量Mp 2 ． 4 9 ％。 本文基于Ma t l a b ／ S i mHy d r a u l i c s工具 箱设计 了上料机械手液压传动 系统仿真分析 方法 ，以前 期设计的实例为研 究对象 ，建立了包括排量调节 机构 、变量泵 、变量马达等仿真模型 ，在Ma t l a b ／ S i mu l i n k环境下对该控制系统进行了仿真实验和 结果分析，验证 了仿真模型的正确性和设计方案 的合理性 。 参考文献 【 1 】田晋跃， 于 英． 车辆静液压 传动特性 研究 [ J 】 ． 农业机 械学 报， 2 0 1 2 ， 3 3 4 3 2 3 4 ． 【 2 ]郑洪波， 孙 友松． 基于S i mu l i n k ／ H y d r a u l i c s的液压系统仿 真【 J 】 _ 液压装备 与制造技术， 2 0 1 2 ， 6 3 1 - 3 4 ． 量‘ ． 童‘ 矗‘ ． ． 岛‘ 出‘ 蠡‘ 矗‘ 出‘ 盘‘ j童‘ 童● 盘‘ 岛‘ 出‘ 蠡‘ 出‘ 岛‘ 蠡● 蠡} j蠡‘ 矗} 出‘ 【 上接 第1 3 6 页 】 1 1 3 内部励磁绕组的通 电电流强度，进而控制 转子2 6 的转速，实现发动机输出转速可调 。 3 双转子发动机仿真分析 根据纯 电动轿车双转子发动机工作原理 及控 制方法，利用Ma t l a b ／ S i mu l i n k 软件设计了其控制模 型，如图4 所示 。图中，双转子发动机共 包含1 6 个 输出端子和三个输入端子。输入端子用于采集交流 发电机输出电流信号，超级电容器端电压信号等。 图4 双 转子 发动机控制模型 图5 双转子发动机定子三相绕组输 出电压 图5 N 示为双 转子发动机 定子三相 绕组输 出 [ 1 5 6 1 第3 5 卷第1 1 期2 0 1 3 1 1 上 电压波形图，各相电压的峰值为1 4 ． 5 V，有效值为 1 2 ． 3 V，显然经过稳压器稳压后，得到1 2 V电压能 有效提供给汽车用 电设备使用 。 4 结论 纯 电动轿车双转子发动机将发动机与传动、 发电装置合为一体，具备 了起动、发电、制动及 加速控制等功能，同时减轻 了整车重量 。通过控 制单元的控制 ，能有效地 向转子供 电，维持汽车 正常行驶 ；同时在制动过程 中，能 有效 回收转子 的动能 向电池组及超级 电容器充 电；控制单元通 过控制大功率场效应管 的通断频率 ，控制汽车的 加速。通过Ma t l a b ／ S i mu l i n k 软件构建了其控制模型 并进行仿真，其结果表 明，轿车双转子发动机 有 效提高汽车动力传输效率 ，在行驶过程 中能不间 断地 向电池组及超级 电容器充电，大大延长了电 动汽车的行驶里程数 。 参考文献 【 1 】李秀芬， 雷跃峰 ． 电动 汽车关键 技术发 展综述 [ J ] ． 上海汽 车 ．2 0 0 6 0 1 1 1 - 1 3 ． [ 2 1 Ti mo t h y J ． C o o n e y ， J o e l E Mo wa t t ．De v e l o p me n t o f a Hy d r a u l i c Re t a r d e r f o r t h e Al l i s o n AT5 4 5R Tr a n s mi s s i o n [ R] ． S AE p a p e r 9 5 2 6 0 6 ． 【 3 】N D Ki m， J M Ki m， H S Ki m， 谷雨．混合电动车辆 复 式 电 力 机 械 无 级 变 速 器 的 控 制 策 略 【 J 】 ． 传 动 技 术， 2 0 1 0 0 2 2 1 3 3． [ 4 】刘存香， 何仁． 摩擦 式制 动器与非接触式轮边缓速器系统 结构分析 [ J ] ． 农业机械学报， 2 0 1 0 ， 6 2 5 3 0 ． 【 5 】刘存香， 伺仁． 电磁制动与摩擦制动集成系统测试台架设 计及试 验研 究[ J 】 ． 汽车技术， 2 0 1 2 ， 1 5 1 5 5 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m