【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 例控制、伺服控制、數(shù)字控制和機(jī)電一體化方向也取得了許多重大成果。新材料和新介質(zhì)方向的研究也為液壓技術(shù)的發(fā)展和完善提供了新的動(dòng)力。 液壓傳動(dòng)1) 液壓傳動(dòng)概述傳動(dòng)的含義是能量(動(dòng)力)形式的轉(zhuǎn)換、傳遞和控制。液壓傳動(dòng)是以密閉在管路中的受壓液體(主要形式為液壓油)為土作介質(zhì)，進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換、傳遞、分配和控制的技術(shù)，稱之液壓傳動(dòng)或液壓技術(shù)。在這種傳動(dòng)方式中，由于能量形式的轉(zhuǎn)換和動(dòng)力傳遞是依靠密閉管中受壓液體容積變化完成的，又稱之容積式液壓傳動(dòng)或靜壓傳動(dòng)。2) 液壓系統(tǒng)的組成部分及作用由若干液壓元件和管路組成以完成一定動(dòng)作的整體稱液壓系統(tǒng)。如果液壓系統(tǒng)中含有伺服控制元件(如伺服閥和伺服變量泵)則稱液壓伺服(控制)系統(tǒng)。如果不使用或明確說明使用了伺服控制元件，則稱液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)功能不一、形式各異，無論是簡(jiǎn)單的液壓千斤項(xiàng)，還是其他的復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，都包括如下部分(見圖21)。(1) 動(dòng)力元件動(dòng)力元件又稱液壓泵，其作用是利用密封的容積變化，將原動(dòng)機(jī)(如內(nèi)燃機(jī)，電動(dòng)機(jī))的輸入機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ饕后w的壓力能(即液壓能)，是液壓系統(tǒng)的能源(動(dòng)力)裝置。PQPQ輸出機(jī)械能輸入機(jī)械能動(dòng)力元件工作介質(zhì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)儲(chǔ)存文件控制元件圖11 液壓系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換及構(gòu)成元件示意圖(2) 執(zhí)行元件將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置稱為執(zhí)行元件。它是與液壓泵作用相反的能量轉(zhuǎn)換裝置，是液壓缸和液壓馬達(dá)的總稱。前者是將液壓能轉(zhuǎn)成往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件，它輸出力和速度；后者是將液壓能轉(zhuǎn)換成連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件，它輸出扭矩和轉(zhuǎn)速。擺動(dòng)液壓馬達(dá)(習(xí)慣稱擺動(dòng)液壓缸)不可連續(xù)回轉(zhuǎn)，只能往復(fù)擺動(dòng)(擺動(dòng)角小于)。(3) 控制元件液壓系統(tǒng)中控制液體壓力、流量和流動(dòng)方向的元件，總稱為控制元件，通常稱為液壓控制閥，簡(jiǎn)稱液壓閥，控制閥或閥。(4) 輔助元件 輔助元件包括油箱、管道、管接頭、濾油器、蓄能器、加熱器、冷卻器等。它們雖然稱為輔助元件，但在液壓系統(tǒng)中是必不可少的。它們的功能是多方而的，各不相同。(5) 工作介質(zhì)液壓系統(tǒng)中工作介質(zhì)為液體，通常是液壓油，它是能量的載體，也是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)最本質(zhì)的組成部分。液壓系統(tǒng)沒有工作介質(zhì)也就不能構(gòu)成液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，其重要性不言而喻。 液壓傳動(dòng)型工業(yè)機(jī)器人液壓系統(tǒng)概述 液壓缸概述液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的、做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)(或擺動(dòng)運(yùn)動(dòng))的液壓執(zhí)行元件。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠。用它來實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可免去減速裝置，并且沒有傳動(dòng)間隙，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，因此在各種機(jī)械的液壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。液壓缸輸出力和活塞有效面積及其兩邊的壓差成正比液。1―支撐板，2―后缸蓋，3―螺母，4―彈簧墊片，5―排氣閥，6―O型圈，7―活塞，8―O型圈擋圈，9―缸筒，10―活塞桿，11―套筒圖12 雙作用液壓缸液壓缸基本上由缸筒和缸蓋、活塞和活塞桿、密封裝置、緩沖裝置與排氣裝置組成。緩沖裝置與排氣裝置視具體應(yīng)用場(chǎng)合而定，其他裝置則必不可少。液壓傳動(dòng)型工業(yè)機(jī)器人是依靠發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)液壓舉升機(jī)構(gòu)，將貨箱從某一位置運(yùn)送到指定位置從而達(dá)到自動(dòng)運(yùn)輸?shù)哪康模⒁揽侩p作用液壓缸使其復(fù)位的一種重要專用運(yùn)輸設(shè)備。根據(jù)液壓傳動(dòng)型工業(yè)機(jī)器人的這一特點(diǎn)，液壓傳動(dòng)型工業(yè)機(jī)器人的液壓缸可以設(shè)計(jì)成單活塞桿單雙作用式的。前端蓋為法蘭的雙作用型液壓缸如圖11所示，這也是機(jī)械工程上常用的液壓缸，可以作為液壓傳動(dòng)型工業(yè)機(jī)器人液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參考圖。圖11的液壓缸額定土作較高,可達(dá)25MPa。 液壓系統(tǒng)原理圖1) 液壓缸控制回路發(fā)動(dòng)機(jī)液壓泵液壓控制及調(diào)節(jié)裝置執(zhí)行組件液壓缸被驅(qū)動(dòng)件圖13 液壓缸控制回路2) 液壓回路能量轉(zhuǎn)換圖電能機(jī)械能液壓能機(jī)械能圖14 液壓回路能量轉(zhuǎn)換圖2) 液壓系統(tǒng)的確定按照液體流動(dòng)的循環(huán)方式不同，液壓系統(tǒng)可以分為開式循環(huán)系統(tǒng)和閉式循環(huán)系統(tǒng)兩種。一般有較大空間可以存放油箱的系統(tǒng)，都采用開式回路；相反，可采用閉式回路。通常節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)采用開式回路，容積調(diào)速系統(tǒng)采用閉式回路。閉式循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，油路封閉，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，散熱條件差，為補(bǔ)償油液泄露和進(jìn)行油液更新及冷卻必須設(shè)置完整的補(bǔ)油系統(tǒng)，油液過濾精度要求也較高。開式循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又可以很好的再油缸中進(jìn)行冷卻和沉淀雜質(zhì)，散熱條件好。適用于多個(gè)液動(dòng)機(jī)進(jìn)行并聯(lián)的情況，也適用與定量油泵、節(jié)流調(diào)速的液壓系統(tǒng)液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，它們是設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的主要依據(jù)。壓力決定于外載荷。流量取決于液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度和結(jié)構(gòu)尺寸。因此，經(jīng)系統(tǒng)分析本文采用開式回路。基本回路，就是由一些液壓元件組成，用來完成特定功能的油路結(jié)構(gòu)。根據(jù)工作特點(diǎn)和性能要求確定液壓基本回路如下：調(diào)速回路：系統(tǒng)分析采用節(jié)流調(diào)速，循環(huán)形式為開式。方向控制回路：本設(shè)計(jì)采用手控三位四通換向閥對(duì)油路進(jìn)行方向控制。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)中，通常由定量泵供油，用溢流閥調(diào)節(jié)所需的壓力，并保持恒定。油泵輸出的油液在換向閥內(nèi)部卸荷，本設(shè)計(jì)用三位四通換向閥的中位進(jìn)行卸荷。(1) 保壓回路在液壓系統(tǒng)中，常要求液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)在一定的行程位置上停止運(yùn)動(dòng)或在有微小的位移下穩(wěn)定地維持住一定的壓力，這就要采用保壓回路。最簡(jiǎn)單的保壓回路是密封性能較好的液控單向閥的回路，但是，閥類元件處的泄漏使得這種回路的保壓時(shí)間不能維持太久。如圖13 所示的回路，為采用液控單向閥和電接觸式壓力表的自動(dòng)補(bǔ)油式保壓回路，其工作原理為：當(dāng)1YA得電，換向閥右位接入回路，液壓缸上腔的壓力上升至電接觸式壓力表的上限值時(shí)，上觸點(diǎn)接電，使電磁鐵1YA失電，換向閥處于中位，液壓泵卸荷，液壓缸由液控單向閥保壓。當(dāng)液壓缸上腔的壓力下降到預(yù)定下限值時(shí)，電接觸式壓力表又發(fā)出信號(hào)，使1YA得電，液壓泵再次向系統(tǒng)供油，使壓力上升。當(dāng)壓力達(dá)到上限值時(shí)，上觸點(diǎn)又發(fā)出信號(hào)，使1YA失電。因此，這一回路能自動(dòng)地使液壓缸的補(bǔ)充壓力油，使其壓力能長期保持在一定范圍內(nèi)。圖15 自動(dòng)補(bǔ)油保壓回路(2) 啟?；芈?執(zhí)行元件需頻繁啟動(dòng)或停止的液壓系統(tǒng)中，一般不采用啟動(dòng)和停止電機(jī)的方法。采用中位為O，Y，M型的三位四通換向閥來實(shí)現(xiàn)。圖16 三位四通(O型) (3) 壓力繼電器控制順序動(dòng)作回路在壓力控制的順序動(dòng)作回路中，壓力繼電器的調(diào)定壓力必須大于前一動(dòng)作液壓缸的最高工作壓力，~1MPa；否則，在管路中的壓力沖擊或被動(dòng)下會(huì)造成誤動(dòng)作，導(dǎo)致設(shè)備故障和人身事故。這種回路只適合于系統(tǒng)中執(zhí)行元件數(shù)目不多、負(fù)載變化不定的場(chǎng)合。動(dòng)作順序：先將工件夾緊,然后動(dòng)力滑臺(tái)進(jìn)行切削加工，加工完畢，退刀、松開。動(dòng)作1：按啟動(dòng)按鈕，1YA得電，閥1左位工作，液壓缸7的活塞向右移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作順序1；動(dòng)作2：到右端后，缸7左腔壓力上升，達(dá)到壓力繼電器3的調(diào)定壓力時(shí)發(fā)訊，1YA 斷電，3YA得電，閥2左位工作，壓力油進(jìn)入缸8的左腔，其活塞右移，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作順序2；動(dòng)作3：到行程端點(diǎn)后，缸8左腔壓力上升，達(dá)到壓力繼電器5的調(diào)定壓力時(shí)發(fā)訊，3YA斷電，4YA得電，閥2右位工作，壓力油進(jìn)入缸8的右腔，其活塞左移，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作順序3；動(dòng)作4：到行程端點(diǎn)后，缸8右腔壓力上升，達(dá)到壓力繼電器6的調(diào)定壓力時(shí)發(fā)訊，4YA斷電，2YA得電,閥1右位工作，缸7的活塞向左退回，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作順序4。圖17 壓力繼電器控制順序動(dòng)作回路為防止壓力繼電器誤動(dòng)作，~1MPa，~1MPa。為了提高順序動(dòng)作的可靠性，可以采用壓力與行程控制相結(jié)合的方式。即在活塞的終點(diǎn)安裝一個(gè)行程開關(guān)，只有在壓力繼電器和行程開關(guān)都發(fā)出信號(hào)時(shí)，才能是換向閥動(dòng)作。(3) 互不干擾回路功能：在多缸系統(tǒng)中，防止其壓力、速度互相干擾。工作原理：(1) 圖示，各缸原位停止。(2) 3YA、4YA+，兩缸差動(dòng)快進(jìn)，大泵供油小泵保壓。(3) A缸先完成快進(jìn)，行程開關(guān)使1YA+、2YA，A缸工進(jìn)，B缸快進(jìn)，互不干擾，若兩缸均工進(jìn)，全由小泵供油。(4) 1YA+、2YA+ YA+、4YA+，兩缸皆大泵供油，快退1YA、2YA、3YA、4YA，各缸停止運(yùn)動(dòng)鎖于所在位置。圖18互不干擾回路在擬定液壓系統(tǒng)原理圖確定回路的類型時(shí)，應(yīng)根據(jù)各類主機(jī)的工作特點(diǎn)和性能要求，首先確定對(duì)主機(jī)主要性能起決定性影響的主要回路。例如機(jī)床液壓系統(tǒng)的調(diào)速和速度換接回路、液壓壓力機(jī)系統(tǒng)的調(diào)壓回路。然后再考慮其它輔助回路，例如有垂直運(yùn)動(dòng)部件的系統(tǒng)要考慮平衡回路，有多個(gè)執(zhí)行元件的系統(tǒng)要考慮順序動(dòng)作、同步或互不干擾回路，有空載運(yùn)行要求的系統(tǒng)要考慮卸荷回路等。 液壓傳動(dòng)型工業(yè)機(jī)器人液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 液壓傳動(dòng)型工業(yè)機(jī)器人的液壓系統(tǒng)原理圖液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整機(jī)設(shè)計(jì)的一部分。設(shè)計(jì)過程中，除了要滿足主機(jī)在動(dòng)作和性能等方面的要求外，還必須滿足體積小、重量輕、成本低、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、使用和維修方便等要求。將選擇的回路綜合起來，構(gòu)成一個(gè)完整的液壓系統(tǒng)。在綜合基本回路時(shí)，在滿足工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)要求及生產(chǎn)率的前提下，應(yīng)力求系統(tǒng)簡(jiǎn)單，工作安全可靠，動(dòng)作平穩(wěn)、效率高，調(diào)整和維護(hù)保養(yǎng)方便。液壓傳動(dòng)型工業(yè)機(jī)器人的液壓系統(tǒng)原理圖如下：圖19液壓傳動(dòng)型工業(yè)機(jī)器人的液壓系統(tǒng)原理圖 為防止壓力繼電器誤動(dòng)作，~1MPa，~1MPa。為了提高順序動(dòng)作的可靠性，可以采用壓力與行程控制相結(jié)合的方式。即在活塞的終點(diǎn)安裝一個(gè)行程開關(guān)，只有在壓力繼電器和行程開關(guān)都發(fā)出信號(hào)時(shí)，才能是換向閥動(dòng)作。 系統(tǒng)工作循環(huán)分析根據(jù)液壓傳動(dòng)型工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)要求，液壓系統(tǒng)應(yīng)完成左右方向前進(jìn)，上下方向前進(jìn)，以及前后方向前進(jìn)和返回工作循環(huán)。上述工作循環(huán)由系統(tǒng)中的一般工作回路實(shí)現(xiàn)。前進(jìn)：按下啟動(dòng)按鈕，電磁鐵1YA通電，液壓缸1活塞前進(jìn)到前端后，回路壓力升高，壓力繼電器1K動(dòng)作，使電磁鐵3YA通電，液壓缸2活塞前進(jìn)到前端點(diǎn)后，回路壓力升高，壓力繼電器2動(dòng)作，使4YA通電，液壓缸3活塞前進(jìn)到前端。返回：返回時(shí)按下返回按鈕。1YA、3YA、4YA斷電，5YA通電，液壓缸3活塞先返回到后端點(diǎn)，回路壓力升高，壓力繼電器4K動(dòng)作，使4YA通電，液壓缸2活塞返回到左端點(diǎn)，回路中壓力升高，壓力繼電器3K動(dòng)作，使2YA通電，液壓缸1活塞返回到復(fù)位處。至此完成圖示的 的順序動(dòng)作。表11 系統(tǒng)工作循環(huán)狀態(tài)電磁鐵電磁鐵狀態(tài) 液壓缸狀態(tài)1YA+液壓缸1前進(jìn)2YA+液壓缸2前進(jìn)3YA+液壓缸3前進(jìn)4YA+液壓缸3后退5YA+液壓缸2后退6YA+液壓缸1后退 液壓系統(tǒng)中幾種低壓回路的作用(1) 背壓油路：由系統(tǒng)回路上的背閥所產(chǎn)生的低壓油(~1MPa)在制動(dòng)或出現(xiàn)超速吸空時(shí)通過雙向補(bǔ)油閥26向液壓馬達(dá)的低油腔補(bǔ)油，以保證滾輪始終貼緊一浮軌表面，使馬達(dá)上作平穩(wěn)井有可靠的制動(dòng)性能。(2) 泄露油路(無背壓)：將多路閥的內(nèi)部漏油用油管集中起來，經(jīng)過濾油器引回油箱，以減少外泄露。圖110 系統(tǒng)工作循環(huán)圖第2章 液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原則和步驟 設(shè)計(jì)的依據(jù)液壓缸與機(jī)器及機(jī)器上的機(jī)構(gòu)直接相聯(lián)系，對(duì)于不同的機(jī)構(gòu)，液壓缸的具體用途和土作性能也不同，因此設(shè)計(jì)之前，要進(jìn)行全而地分析和研究，收集必要的原始資料并加以整理作為設(shè)計(jì)的依據(jù)。1) 了解和掌握液壓缸在機(jī)器上的用途和工作要求滿足機(jī)構(gòu)的動(dòng)作要求和用途是設(shè)計(jì)液壓缸的主要目的。比如，液壓翻斗自卸汽車的液壓缸的作用是將翻斗(車廂)舉升成傾斜狀態(tài)，使所載的物料自動(dòng)卸掉，其回程可在翻斗(車廂)的重力作用卜而完成。這種情況下的液壓缸可設(shè)計(jì)成單(活塞)桿單作用液壓缸，也可設(shè)計(jì)成柱塞缸。再如汽車起重機(jī)的吊臂液壓缸，為適應(yīng)不同的起吊高度要求和工作場(chǎng)地的轉(zhuǎn)換，其吊臂液壓缸必須采用伸縮式多級(jí)液壓缸，其體結(jié)構(gòu)形式可以是單作用的柱塞式多級(jí)液壓缸，或活塞式多縮液壓缸，或末級(jí)活塞式的多級(jí)液壓缸。2) 了解液壓缸工作環(huán)境條件工作環(huán)境條件不同，液壓缸的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)也不盡相同。比如用于采煤工作而液壓支架上的立(支)柱缸，工作條件惡劣，粉塵大，支護(hù)(工作)壓力變化大(負(fù)載變化大)，要求立(支)柱液壓缸絕對(duì)安全可靠，不允許有泄漏。針對(duì)這種工作條件，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮防塵措施：缸體和柱塞的強(qiáng)度和穩(wěn)定性要絕對(duì)可靠，安全系數(shù)就要取大些，密封性能要好。像精密外(內(nèi))圓磨床用的液壓缸，工作環(huán)境比較清潔，負(fù)載穩(wěn)定并且較小，結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)參數(shù)就應(yīng)當(dāng)適應(yīng)它的工作條件。3) 了解外部負(fù)載情況主要指外部負(fù)載的質(zhì)量、幾何形狀、空間體積大小、運(yùn)動(dòng)軌跡、摩擦阻力及連接部位的連接形式等。例如液壓翻斗自卸汽車，液壓缸的外負(fù)載是翻斗(車廂)和所裝的貨物，翻斗(車廂)上升傾斜時(shí)，液壓缸的軸線發(fā)生擺動(dòng)，這就要求活塞桿頭部與翻斗(車廂)的連接采用耳環(huán)式或銷軸式，液壓缸底座與車身的安裝形式也要采用耳環(huán)式或耳軸式。4) 了解液壓缸運(yùn)動(dòng)形態(tài)及安裝約束條件包括了解液壓缸的最大行程、運(yùn)動(dòng)速度或時(shí)間、安裝空間所允許的外形尺寸及液壓缸的運(yùn)動(dòng)形式，例如液壓缸軸線固定或擺動(dòng)，作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)或往復(fù)擺動(dòng)，連續(xù)運(yùn)動(dòng)還是間歇周期運(yùn)動(dòng)，缸體運(yùn)動(dòng)或活塞桿運(yùn)動(dòng)。以作用力為主要要求的液壓缸與以運(yùn)動(dòng)速度或時(shí)間為主要要求的液壓缸，設(shè)計(jì)考慮的出發(fā)點(diǎn)也是不同的。5) 了解液壓系統(tǒng)的情況液壓缸的設(shè)計(jì)是液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分。設(shè)計(jì)已知液壓系統(tǒng)的液壓缸，應(yīng)了解液壓泵的工作壓力和流量大小，管路的通徑和布置情況，各種液壓閥的安裝和控制情況等。6) 了解有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)定和其它參考資料。借鑒已有的液壓缸的設(shè)計(jì)是十分必要的。 設(shè)計(jì)的一般原則液壓缸設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意如下問題。1)保證液壓缸的輸出力推力、拉力(或轉(zhuǎn)矩)、行程和往返運(yùn)動(dòng)速度滿足要求。液壓缸的工作壓力(輸出力的折算值)以液壓泵的額定工作壓力的70%為宜。2)保證液壓缸的每個(gè)零件有足夠的強(qiáng)度、剛度和耐用性(壽命)