机械设计与研究

一种液压平衡机构的设计与实现*荣学文张志兵（山东科技大学机器人研究中心济南250031）摘要：本文介绍了一种由两只液压油缸组成的液压平衡机构。该机构通过将两只油缸的有杆腔和无杆腔分别接通组成封闭回路，并用优化设计的方法确定其最佳结构参数和位置参数，从而使大型喷浆机器人的纵向进给装置在工作过程中自动保持水平。与其它方法相比，其显著特点是不仅结构紧凑、动作精度高，而且控制系统简单，并且无须人工参与控制。从而降低了成本，简化了操作。最后给出了该机构的液压回路，并讨论了主要液压元器件的功能和用途。关键词：液压平衡机构优化设计液压回路一种大型喷浆机器人的结构示意图如图1所示。根据喷浆工艺要求，在大臂起落过程中，喷浆机器人纵向进给装置7要保持水平。要实现这个动作要求，主要有以下几种方法：①采取平行四连杆结构；②利用伺服控制系统；③多关节复合动作，各关节单独控制；④采取液压平衡机构。方法①结构简单、可靠，动作精度高。但在喷浆机器人结构中，大臂4与伸臂5之间有相对运动，用该方法无法实现；方法②也可实现无人工参与控制，且精度较高，但控制系统成本高，且对液压系统的清洁度要求很高；方法③需要较多的人工操作，且精度低；方法④不仅结构紧凑、精度高，而且控制系统简单，且无需人工参与控制。显然在喷浆机器人机械系统中宜采取方法④来实现纵向进给装置7在工作过程中始终保持水平。其工作原理是将油缸2的有杆腔和无杆腔与油缸6的有杆腔和无杆腔分别接通，组成封闭回路。这样当油缸2的缸杆伸出时，油缸6的缸杆缩回，反之亦然。通过合理选择油缸2和油缸6的结构参数和支点位置就能实现纵向进给装置7在工作过程中始终保持水平。1．回转支座2．平衡油缸Ⅰ3．变幅油缸4．大臂5．伸臂6．平衡油缸Ⅱ7．纵向进给装置⒏手腕部分图1大型喷浆机器人结构示意图图2液压平衡机构参数模型⒈液压平衡机构的设计为精确实现纵向进给装置7在工作过程中始终保持水平，对由油缸2和油缸6组成的液压平衡机构的结构参数和位置参数进行优化设计。液压平衡机构的参数模型如图2所示。为生产与安装的方便，取油缸2的行程等于油缸6的行程。设51234678x8x6φ2x9φ1DREFCQGBAHλ1λ3θ3x10x7x4x3x2x1x5λ2βα油缸结构长度为357mm，行程为s，则油缸缩回时的最短长度1L与全伸出时的长度2L分别为：sL3571（1）sL23572（2）1.1设计变量由图2可知，要确定液压平衡机构的全部参数共需11个变量，写成向量形式如下：1110987654321x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,xX（3）其中1x至10x为位置参数，11x表示油缸的工作行程s，为结构参数。1.2约束条件为取得合理的优化结果，必须对部分变量施加约束。由大臂工作范围的要求，需有等式约束：015)(min1Xh（4）0532max)(hX（5）式中，max和min为大臂相对水平面的最大和最小仰角。为了防止油缸2的机械自锁，需有约束：012)(min11Xg（6）式中，min1为油缸2在工作过程中的最小传动角。为保证油缸6具有较高的传动效率，需有约束：035)(min22Xg（7）式中，min2为油缸6在工作过程中的最小传动角。由安装的要求及使结构具有良好的力传递性能，需有约束：0100)(53xgX（8）0200)(84xgX（9）1.3目标函数为了表示纵向进给装置在各个位置的姿态，将油缸2的行程等分为W等份。以i表示纵向进给装置在某位置的实际姿态角，'i表示纵向进给装置在相应位置的理想姿态角，即纵向进给装置保持水平的姿态角，i表示二者之差（),,2,1Wi，则有：321ii（10）iii'（11）显然，i越逼近于'i，纵向进给装置的实际姿态越水平，所以i越小越好。根据设计要求，本机构的设计目标函数可表示为：Wiikkxf121111)(X（12）式中第一项表示期望结构紧凑；第二项表示期望实际姿态角对理想姿态角的偏差最小。1和2为二者的期望程度归一化加权因子。1.4优化结果通过编程计算得如下最优解：}320,7.249,1.158,7.212,6.21,2.739,5.138,3.827,8.296,9.162,3.204{X(13)此时，17.0max，即纵向进给装置在工作过程中与水平面的最大夹角小于17.0，可以认为是始终保持水平的，且1.53max，2.18min，13.14min1，34.35min2，分别满足大臂的工作范围要求，油缸2不自锁和油缸6具有较高的传动效率。⒉液压平衡机构的实现大型喷浆机器人的液压系统见文献[2]，本文只讨论液压平衡机构部分的液压回路原理，并对文献[2]中该部分液压回路原理的不合理之处进行了修正。该机构的液压回路原理如图3所示。平衡阀3的作用一是保证纵向进给装置在大臂俯仰或单独调节时的运动平稳，二是锁住平衡油缸Ⅰ的无杆腔，防止纵向进给装置在重力作用下改变水平姿态。安全阀4对平衡油缸Ⅰ和平衡油缸Ⅱ组成的液压平衡机构起保护作用。当纵向进给装置的初始位置不在水平位置时，比如下俯某一角度，则在大臂还没有达到抬仰运动极限时，平衡油缸Ⅰ已全部缩回。此时如再使大臂做抬仰运动，平衡油缸Ⅱ有杆腔中的液压油已无通路，只能通过安全阀4通向系统回油管路；同时平衡油缸Ⅱ的无杆腔通过液控单向阀5、单向节流阀6和电磁换向阀7从系统回油管路补油，防止吸空。若无安全阀4，则可能出现油缸密封破坏或管路爆裂等事故。液控单向阀5使两个平衡油缸组成完全封闭回路，从而实现二者的反向同步运动。单向节流阀6是为控制单独调节纵向进给装置时的运动速度而设的。梭阀的作用是在单独调节纵向进给装置或两平衡油缸联动时打开平衡阀3，形成通路。在单独调节纵向进给装置的水平姿态时，控制油是从电磁换向阀7通往平衡油缸Ⅰ有杆腔的高压回路中引入的；当两油缸联动时，只在大臂抬仰过程中需要控制油打开平衡阀3，因此控制油是从电磁换向阀通往变幅油缸无杆腔的高压回路中引入的。如果没有梭阀，只靠两平衡油缸组成的闭合回路中有杆腔中的油压来打开平衡阀3，则会出现脉动（或称作爬行）现象。图3液压平衡机构液压原理图在设计该机构液压回路时，充分考虑了机构的运动平稳性、液压系统的安全性和控制方式的简易性等，简化了部分控制系统，提高了大型喷浆机器人的可靠性，是一个简单实用的液压回路。3.计算机辅助设计在设计该液压平衡机构及大型喷浆机器人其它组成部分时，充分利用了计算机辅助设计技术。在设计大型喷浆机器人结构参数时，多次使用了优化设计，使机器人整体结构非常合理。并且对所有机械结构均采用UG软件进行三维实体设计，为机器人结构的干涉检查和有限元分析，机器人运动学、动力学分析和动态仿真打下了良好的基础。最后，作者用ADAMS软件对该液压平衡机构及液压回路做了动态仿真分析，分析结果证实该液压回路能很好的工作，液压平衡机构能完美实现纵向进给装置在工作过程中始终保持水平，并且有良好的力学性能。98810111212654371.平衡油缸Ⅰ2.平衡油缸Ⅱ3.平衡阀4.安全阀5.液控单向阀7.电磁换向阀6.单向节流阀8.变幅油缸10.平衡阀9.梭阀11.单向节流阀12.电磁换向阀4.结论本文讨论了如何用一种液压平衡机构使大型喷浆机器人的纵向进给装置在工作过程中始终保持水平。用优化设计的方法计算出该机构的全部参数，并给出了该平衡机构的液压回路。与其它使纵向进给装置保持水平的方法相比，该机构具有结构紧凑、承载能力大，精度高和控制简单等优点，具有一定的工程实用意义。参考文献：[1]荣学文，樊炳辉，李云江等.基于改进遗传算法的油缸平衡机构的优化设计[J].中国机械工程.2001,12（5）：543～545.[2]李云江，荣学文，樊炳辉等.大型隧道喷浆机器人液压系统设计[J].中国机械工程.2001,12（7）：735～737.[3]雷天觉.液压工程手册[M].北京：机械工业出版社，1990.DesignandRealizationofaHydraulicEquilibriumMechanismRONGXuewenZHANGZhibingLIYunjiangFANBinghui（ShandongUniversityofScience&Technology,RobotResearchCenter,Jinan,250031）Abstract:Thispaperpresentsahydraulicequilibriummechanismwhichconsistsoftwohydrauliccylinders.Itmaintainsthelongitudinalarmofthebigshotcretingrobothorizontalallthetimeatworkbyconnectingtheproportionalchambersfromonecylindertotheother,decidingthebeststructuralandlocationparameterswithoptimizationdesign.Comparingtoothermethods,it’smaincharacteristicsarenotonlycompactstructure,highaccuracy,butalsosimplecontrolsystemandnomantakenin.Soitreducesthecostandsimplifiesthemanipulationoftherobot.Finallyhydrauliccircuitisgivenandtheutilityofmajorhydraulicelementsisdiscussed.Keywords:Hydraulicequilibrium,Mechanism,Optimizationdesign,Hydrauliccircuit