铸造型芯取料机械手液压系统设计

刘敏

【摘 要】本文设定了拖拉机变速箱箱体铸造型芯取料机械手工作所需的主要性能参数并完成了机械手夹持器设计。分析了机械手液压系统总体方案，完成了机械手液压系统原理图的设计，最后运用AMESim液压仿真软件对液压系统进行了仿真模拟，验证了液压系统设计的正确性。

【关键词】铸造型芯；机械手；液压系统；系统仿真

【Abstract】This paper setting the main performance parameters of the picking manipulator cast-molding core of the tractor gearbox. The manipulator gripper was designed according to work required and managed.Then the overall scheme of the hydraulic system was analyzed， the hydraulic system of the picking manipulator was finished. Finally， the correctness of hydraulic system was verifying using hydraulic system simulation software of AMESim.

【Key words】Cast-molding core；Manipulator；Hydraulic system；System simulation

0 引言

本文研究对象拖拉机变速箱箱体属于结构复杂壳体类零件，材料一般采用铸铁或铝合金，毛坯采用铸造工艺制造，其内部型腔采用铸造型芯获得。拖拉机变速箱箱体制造属于大批量生产，其铸造型芯的制造工艺有多种，其中利用造型机压制成型制芯工艺较多。型芯制成后会输送至平台上，然后人工搬运至下道工序工位，自动化程度低下，劳动强度大。本文针对铸造型芯生产加工搬运效率低、劳动强度大、容易发生安全事故隐患的缺点，设计了拖拉机变速箱铸造型芯取料机械手液压系统。该机械手系统的设计可实现拖拉机变速箱加工的自动化，提高生产效率、改善车间环境、降低工人的劳动强度。

1 机械手手部结构设计及液压系统方案拟定

1.1 机械手的工作原理

拖拉机变速箱箱体铸造型芯取料机械手由六部分组成，分别是基座、腰部、大臂、小臂、手腕和手指。机械手的运动简图如图1，该机械手可实现腰部回转、大臂升降、小臂伸缩、腕部回转和手指开合运动，此五种运动都是由液压驱动回路组成，分别为大臂升降回路、腰部回转回路、小臂伸缩回路 、腕部回转和手部夹持回路。

该机械手动作过程中：1为腰部沿立柱作回转运动；2为大臂沿立柱作上下移动；3为小臂沿水平方向作伸缩运动；4为手腕作回转运动；5为手指作夹紧、放松运动。在每个动作开始或结束都有相应行程检测开关、限位开关和压力继电器用来发出信号以控制机械手按工作要求进行准确而平稳的顺序动作。

1.2 机械手的工作参数设定

（1）抓取工件为为砂型型芯，最大工件重量为20kg，形状为圆柱体；

（2）机械手自由度数：四个自由度；

（3）最大工作半径：1500mm；

（4）手臂运动参数：伸缩形程：700mm

伸缩速度：小于150mm/s；

升降形程：300mm升降速度：小于50mm/s；

腰部回转范围：0～90°回转速度：小于50mm/s；

手腕回转范围：0～180°回转速度：小于90°/s；

（5）机械手定位精度：-3mm～+3mm；

（6）驱动方式：液压驱动；

（7）机械手手指夹持范围：4～100mm。

1.3 机械手的手部夹持器设计

机械手的手部夹持器主要用来对工件进行抓取和握紧转动，它于机械手的前端，可以完成人手的一些基本动作。因其与工件直接接触从而决定了其对工件的操作也直接影响着工件的质量与安全。如抓取时使工件受力不均、滑动等将直接对工件造成一定程度上的伤害。目前，根据被抓取的加工工件形状、重量等物理方面因素的不同，在生产中应用的手部夹持器主要有钳爪式和气吸式。其又可根据夹持器工作维度分为平移型和回型型。工作中夹持器准确而无偏差地抓取工件并送到下道工序工件加工位置，其與机械手的定位精度和手指的夹持误差大小都相关。现对平移型和回转型夹持器的优缺点及定位误差进行分析。

（1）平移型夹持器

平移型夹持器示意图如图2。该夹持器的优点为轴心的位置在工作过程中不发生变化，即工作过程中其定位误差。但通常的平移型夹持器由纯机械组合机构来传动，存在结构繁杂、体积庞大、效率低。

（2）回转型夹持器

回转型夹持器示意图如图3。回转型夹持器是目前在各种抓取机械手及搬动机械上广泛被应用的一种。但夹持器手指夹持工件时，手指与工件的接触部分随工件的直径不同而会发生很大的变化。特别是当工件的直径较大时，手指与工件的接触部分就会变得很小，导致夹持不稳。

（3）液压驱动连杆交叉平移夹持器

机械手在生产线上工作时，夹取工件的直径尺寸根据生产要求而不同，夹持器若使用回转型夹持器，则会出现大的定位误差，其就会使机械手取料的精度下降。又为解决平移型夹持器复杂的机械结构和庞大的体积。本文设计了液压驱动连杆交叉平移夹持器。液压驱动连杆交叉平移夹持器示意图如图4。

该夹持器由一个单作用双联液压缸和交叉式连杆机构组合而成。当液压缸的无杆腔有油液进入时，在液压压力作用下两活塞杆被分别推出，通过交叉式连杆作用从而使工件夹紧；当液压缸无杆腔无液压油进入时，两活塞杆分别在弹簧推力作用下被自动推回，工件被松开。因这两个液压缸共用一个进油腔从而能使两个活塞杆同步动作。同时该夹持器的轴心位置不因工件直径的变化而发生变化，当工件直径尺寸不同时，夹持器能够自动调整，使定位误差为零，且其有结构简单、体积小、动作反应快等优点。endprint

1.4 液压系统原理图及工作原理

把上节选择的液压回路整合在一起，经优化与完善后即为一张液压系统原理图。现将机械手液压系统原理图如图5。

2 液壓系统的仿真

2.1 机械手液压系统建模

本液压系统共由5个单独的支路并联而成，每个支路即是一个子系统，对应于每个子系统，首先分别构建5个与其相应的子模型，即升降缸模型、腰部回转缸模型、伸缩缸模型、腕部回转缸模型和夹紧缸模型，然后通过管道将5个子模型连接成总液压系统模型如图6所示。

2.2 系统仿真结果

该系统仿真结果如图7、图8、图9所示。

由图7可知，升降缸满足工作要求。由图8可知，升降缸两腔压力也满足工作需要，当升降缸上升或下降时，其回油路上皆产生一定背压力使系统运行稳定。由图9可知，该系统流量变化较为稳定。综上分析可知，该子系统的设计正确且具有良好的可行性。

由图10可以看出，其左右转动速度均较准确，可以准确到达工作所需位置而满足工作要求。由图11可知，当系统稳定运行时，其有较为稳定且小的扭矩，可保证工件稳定转运。由图12可知，回转缸两腔压力同样满足工作需要，当回转缸左右转动时，其回油路上皆产生背压力使系统运行稳定。而综上可知，该子系统的设计正确具有良好的可行性。

3 结论

本文以拖拉机变速箱箱体铸造型芯液压驱动取料机械手为研究对象，完成了机械手夹持器及其液压系统原理图的设计，并对液压系统进行仿真分析，验证了系统构建的正确性及运行的稳定性。该机械手液压系统的设计可实现拖拉机变速箱箱体型芯加工的自动化，提高生产效率、改善车间环境、降低工人的劳动强度。

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