机电学院90自动旋转液压抱夹装置的设计.docx
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机电学院90自动旋转液压抱夹装置的设计
图书分类号：
密级：
毕业设计（论文）
90°自动旋转液压抱夹装置的设计
90°AUTOMATICROTATIONHYDRAULICCLAMPDEVICE
学生姓名
黄睿
班级
20090616342
学院名称
机电工程学院
专业名称
机械设计制造及自动化
指导教师
程磊
2013年
5月
日
徐州工程学院学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。
除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
论文作者签名：
日期：
2013年5月 22 日
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论文作者签名：
导师签名：
日期：
年 月 日日期：
年 月 日
摘要
90°自动旋转液压抱夹装置在切割系统中使用较为普遍的一种设备。
主要结构包括夹臂，旋转体身和基座几个部分。
本文首先介绍了90°自动旋转液压抱夹装置的整体结构和特点。
对该装置旋转的机理和其驱动系统进行了重点设计。
驱动系统选定为液压驱动，它工作起来比较平稳，换向冲击小，操作起来较为轻便，工作性能比较可靠，而且使用寿命一般都比较长。
而后对控制元件和控制系统进行了简单的设计和计算，使其在接收到工作信号后能自动完成各个动作，并能在遇到各种突发状况时报警以及自动停止。
关键词90°自动旋转液压抱夹装置；液压系统；旋转机构
Abstract
90°automaticrotationHydraulicClampmeanscuttingsystemmorecommonlyusedasadevice.Themainstructureincludingclamparm,therotatorandabasebodyparts.Thispaperintroducesthe90°automaticrotationHydraulicClampdeviceoverallstructureandcharacteristics.Themeansfordrivingtherotationmechanismandthefocusofthedesignsystem.Drivesystemselectedashydraulicdrive,whichismorestablework,reversingtheimpactofsmall,operatemoreportable,morereliableperformanceandlongerservicelifethannormal.Thenthecontrolsystemforthecontrolcomponentsandasimpledesignandcalculation,sothatitreceivestheworkingsignalautomaticallyaftercompletingeachaction,andcanmeetavarietyofunexpectedsituationsandautomaticallystopthealarm.
Keywords90°automaticrotationhydraulicRotatingmechanismHydraulicsystemclampdevice
1绪论
1.1概论
随着我国社会经济的快速发展，人民物质文化和生活水平日益提高，对于住房的要求也越来越高。
陶粒混凝土砌块质量相比于实心砖要轻的多，保温性能也比实心砖好，热损失、抗渗性、耐火性等也都比实习砖好，而且具有施工适应性强的特点，它可以根据建筑物的用途和承载能力不同，制造出不同尺寸和不同强度的混凝土砌块，而且施工简便，所以陶粒混凝土砌块得到了大量的生产。
为了更高效率的生产陶粒混凝土砌块，可以先生产一整大块，然后对其进行切割。
在陶粒混凝土砌块切割过程中，需要对毛坯进行两次切割，为了缩短切割时间周期，提高生产效率，利用90°自动旋转液压抱夹装置可以将两条生产线合并到一条生产线上面，有效的提高了切割效率，使陶粒混凝土砌块可以实现大批量生产。
以每小时切割20块计算，年产量就能达到7万立方，可以快速供给市场需求。
1.290°自动旋转液压抱夹装置研究背景及意义
机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、短途搬运或全自动操作的自动机械装置。
机械手的快速发展得益于它的积极作用在生活生产中不断体现：
首先，它可以部分代替人工，对机器或者物品进程操作；其次，它可以按照生产中不同工艺的要求，遵循系统设定的程序、时间和位置来完成工件的安装、焊接、装卸和运送；最后，它可以操作某些人工无法操作或者对人身有危害的机具进行焊接和装配，从而改善劳动条件，增加工作的安全系数，在劳动生产率上也有了显著的提高，为实现工业生产机械化和自动化的步伐做出巨大贡献。
机械手作为一种多功能机器，可以实现自动控制并且可以重新编程，以适应不同工作要求。
机械手一般都拥有多个自由度，以适应不同环境中的工作。
机械手的结构形式在研制开发的前期还比较简单，但是专用性比较强。
伴随着工业科技技术的不断发展，适用范围广泛的通用机械手也跟着研制成功，它可以独立的按照程序控制来实现往复操作。
它能在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用正是由于它的适应性强，可以较快的改变工作程序。
90°自动旋转液压抱夹装置作为一种专用机械手，专门用来搬运砖块，整个过程可以通过程序控制自动运行，也可以通过人工操作来进行手动操作，有效的提高了生产效率。
290°自动旋转液压抱夹装置结构及性能特点
2.190°自动旋转液压抱夹装置简介
90°自动旋转液压抱夹装置根据所采用的能源和驱动方式，主要为液压系统驱动。
升起和夹紧装置均采用液压缸，而旋转装置则采用回转式减速器。
随着液压缸在各行各业的广泛使用，对它的研究也越来越重视。
液压缸是液压系统中的执行原件，它主要是将液压能转变成机械能使其做直线往复运动，并且不需要减速装置，也没有传动间隙，运动比较平稳。
它的结构比较简单，主要由活塞杆、缸筒组成。
可根据各种场合不同选择不同的缸盖、活塞、密封装置，在某些场合下，缓冲装置和排气装置都可以不使用。
回转式减速器是回转支承的升级产品，通常由蜗杆、涡轮式回转支承、壳体、动力源组成。
壳体采用优质铸钢具有非常高的强度，蜗轮蜗杆均采用42CrMo并经辉光离子淡化，耐磨性强度均高于国内传统的气体氮化的50Mn材质，和国内其它包络环面蜗杆相比硬度更强使用寿命更加长久。
该产品可以用于平板运输车、吊木机，单柱起重机，提梁机，随车吊、高空作业车、巡日太阳能，自动化设备等机械设备上；在太阳能光伏发电行业，回转驱动装置一般配直流行星减速电机或交流减速电机为主；在工程机械上主要配液压马达作为动力驱动系统。
回转式减速器其他称谓：
回转驱动装置、回转齿轮装置、回转减速机、回转转盘装置、蜗轮蜗杆传动、涡轮蜗杆副、蜗轮蜗杆副、涡轮蜗杆装置，主要应用在航天航空、塔吊机、挖掘机、工程机械、卫星接收系统、太阳能跟踪系统等诸多行业。
特别是近几年发展迅猛的太阳能光伏发电行业的应用十分广泛。
本课题设计的90°自动旋转液压抱夹装置其大体结构如下图所示：
图2-190°自动旋转液压抱夹装置结构图
2.290°自动旋转液压抱夹装置特点
与普通抱夹装置相比，90°自动旋转液压抱夹装置占用面积小，操作灵活，可90°回转无需人工干预，能准确地把砖块夹放到指定地点，装卸效率高，并能迅速投入工作。
90°自动旋转液压抱夹装置是一种循环的、间歇动作的、短程搬运砖块的机械。
一个工作循环包括夹紧、升起、旋转、降下、松开、提升及回到原位的过程，即提升装置从切割机输送轨道上由夹臂把砖块提起，到达指定高度后，利用回转减速器对装置进行90°旋转，然后下降到指定高度，接着松开夹臂，空载到一定高度并回到原位，为下一次工作循环做好准备。
在两个工作循环之间切割机需要对砖块进行切割，所以会有一段停歇时间。
在整个循环过程中，油缸和夹臂不停的启动、制动以及正向、反向，所以，90°自动旋转液压抱夹装置应工作安全可靠、提升旋转效率高、维护方便、操作简单。
考虑到切割砖块产出大量灰尘和废渣，所以会接高压水枪对砖块进行冲洗，于是该装置还应能防水、防潮和适应工作环境。
该装置应满足的基本技术要求如下。
（1）能以额定的起重速度和旋转速度提升和旋转砖块。
（2）能根据操作者的要求方便迅速的对砖块进行抱夹、提升、旋转、降下、回归原位。
（3）能依据砖块轻重、空载等不同情况，在较广的范围内调节运行速度。
（4）无论在夹起、降下或者旋转的过程，都可以根据实际情况的需要随时停止并保持重物不下落、不转动，实现平稳可靠的制动。
2.390°自动旋转液压抱夹装置主要性能及参数
90°自动旋转液压抱夹装置的主要性能参数是油缸工作性能指标，也是设计的依据，主要包括起额定重量、提升高度、工作速度、自重等。
1.额定起重量:
90°自动旋转液压抱夹装置额定起重量是在各种工况下安全作业所容许抱夹起砖块的最大质量值，其中包括取物装置的重量。
2.起升高度:
在额定起重量下，90°自动旋转液压抱夹装置提起重物的最高高度。
提升高度决定了油缸的最大行程。
3.工作速度:
90°自动旋转液压抱夹装置的工作速度主要指该装置夹紧、升起、旋转、降下、松开、回到原位的速度。
夹紧、松开速度指夹臂夹紧砖块的水平位移速度;升起、降下速度指夹臂夹紧砖块平稳运动时的垂直位移速度;旋转速度指抱夹砖块后旋转90°的速度。
4.自重:
指90°自动旋转液压抱夹装置处于工作状态时提升机本身的全部质量，它是评价90°自动旋转液压抱夹装置的综合指标，反映了90°自动旋转液压抱夹装置设计、制造和材料应用的技术水平。
本设计的主要参数确定如下：
1，最大抱夹额定起重量（吨）：
3
2，油缸行程（米）：
0.7
3，最大提示速度（m/s）：
0.15
4，最大旋转速度（r/min）：
0.65
5，旋转范围：
90°限位旋转
2.490°自动旋转液压抱夹装置液压系统的组成及工作原理
90°自动旋转液压抱夹装置液压系统的特点是:
主要是重力和摩擦力做功。
不管是在重物升起、降下、旋转或者停在半空不动时，重力和摩擦力始终在一个方向上存在。
所以两根主油管在工作中要一根承受高压，另一根承受低压，产生方向不变的液压力或者扭矩用以抗衡重力和摩擦力的作用。
所以，起重机构液压系统应该具有如下特点:
（1）要限制油路的压力，使一根较高，而另一根则较低。
（2）必须要能限制住降下重物时的速度，防止重物重力做功而快速坠落，导致机器损坏。
（3）重物停止在空中时应该要可靠地锁紧，防止重物重力做功向下滑落。
（4）如果受环境等因素影响重力变动的范围较大的话，那么就要限制功率，以防发生安全事故。
390°自动旋转液压抱夹装置总体设计和计算
3.1夹紧装置设计
3.1.1夹臂设计
夹臂是90°自动旋转液压抱夹装置的重要组成部分，提升机通过油缸直接带动整个机体和提升物进行运动，要实现一定的作业高度与幅度，还要进行旋转。
整个机器工作性能的好坏主要由夹臂来决定，重量轻，重心高度低，稳定性强，那么该夹臂设计就是合格的，所以在保证夹臂安全工作的基本条件下尽可能减轻夹臂的重量，这样有利于提高整机质量和整机经济性。
因此对夹臂的结构、力学分析在整个设计中都是非常有必要的，为了减轻自重，降低制造成本，提高整机性能，夹臂材料选择Q235。
但是如果由钢铁直接与混凝土接触，不但会破坏混凝土，而且钢铁与混凝土之间的摩擦因素比较小，只有0.15，那么就需要油缸提供更大的力，所以我们一般选择钢铁和混凝土之间用橡胶。
橡胶弹性大，抗撕裂性好，耐磨性高，而且和混凝土的摩擦因素能达到3.0，可以大大减小油缸的负载。
整个机构需要两个夹臂进行夹紧，通过两根导轨控制夹臂的运动路径，所以夹臂并不是完全对称的。
夹臂上面焊接部分是对称的，但是下面部分一边长一边短，另一边的夹臂则是一边短一边长，这样就能平稳的夹紧砖块，而不会出现错移现象。
图3-1夹臂结构图
图3-2橡胶条
3.1.2夹紧设计
夹紧装置是对有相对运动的物件进行约束的一种机构，使其固定不动。
根据其作用机理，夹紧装置不良就会使应固定不动的物件产生运动，破坏夹紧物或者被夹物。
该机构主要由油缸、夹臂、铰链、支撑台等组成。
该装置由液压缸两头连接两个夹臂，控制液压缸的压力和行程可以控制夹臂的夹紧、松开和极限位置，而运用铰链进一步保证夹臂的两个极限位置，防止人工操作不当，导致导向轴脱离导轨。
支撑台上的四个导向块固定了导向轴的运动方向，一根X轴方向的导向轴限制了Y轴、Z轴移动和转动，两根导向轴则又限制了X轴方向的转动，于是限制了5个自由度，导轨只能沿X轴方向进行运动，这个也正是我们设计需要。
图3-3夹紧结构图
3.1.3液压缸的选择
图3-4夹紧液压缸安装图
（1）计算夹紧工作压力
砖重N砖=30×2.3kg=69kg
查资料可知橡胶与混凝土之间的摩擦系数为0.3.
若要夹紧砖块则
经查资料，取工作压力
=1MPa。
（2）夹紧缸有效面积，缸径，杆径
夹紧缸有效面积
夹紧缸直径
为
经查资料，取标准值
=55mm
活塞杆受压力
活塞杆直径
为
=0.55
=30.25mm
取标准值
=30mm
（3）计算夹紧缸的流量
（夹紧时间为t=1s，行程为1000mm）
图3-5夹紧液压缸结构图
3.2旋转装置设计
回转式减速器是回转支承的升级产品，它通常由蜗杆、涡轮式回转支承、壳体、动力源组成。
壳体一般采用优质铸钢，所以具有非常高的强度，蜗轮蜗杆均采用42CrMo并经过辉光离子淡化，所以耐磨性强都高于国内传统的气体氮化的50Mn材质，与国内其它包络环面蜗杆相比较该壳体硬度更强，使用寿命更长。
该产品可以广泛运用于平板输送车、吊木机、提梁机、随车吊、高空作业车、巡日太阳能等自动化设备上；回转驱动装置在太阳能光伏发电行业一般以配直流行星减速电机或者配交流减速电机为主，而在工程机械上则主要配液压马达作为其动力驱动系统。
回转式减速器的一些其他称谓：
回转驱动装置、回转齿轮装置、回转减速机、回转转盘装置、蜗轮蜗杆传动、涡轮蜗杆副、蜗轮蜗杆副、涡轮蜗杆装置等
主要应用在航天航空、塔吊机、挖掘机、工程机械、卫星接收系统、太阳能跟踪系统等诸多行业。
特别是最近几年发展十分迅猛的太阳能光伏发电行业的应用十分广泛。
回转驱动副的规格型号大小不一，分SE/PE/ZE/WE/VE/PVE/ZVE/ZDE等3”、5”、7”、9”、12”、14”、17”、21”、25”等规格。
由于核心部件采用的是回转支承，所以可以同时承受轴向力、径向力和倾翻力矩。
回转驱动副因其安装简便、易于维护、更大程度上节省安装空间，所以该产品可以广泛应用于重型平板运输车、重型集装箱起重机、高空作业车、巡日太阳能发电机系统等工程机械和新能源领域。
回转驱动装置可以基本分为单蜗杆传动回转驱动装置和双蜗杆传动回转驱动装置。
蜗轮蜗杆机构的特点：
1.由于蜗杆的齿轮数是连续不断的螺旋齿，所以传动比较平稳，噪音小，啮合冲击相对较小。
2.由于蜗杆的齿数（头数）比较少，所以单级传动获得的传动比较大（可达1000），而且结构比较紧凑。
在作减速动力传动时，传动比的范围为
。
增速时
。
3.由于蜗杆涡轮啮合轮齿间的相对滑动速度比较大，所以摩擦磨损会比较严重，传动效率低，而且易出现发热等现象，常常需要较贵的减摩耐磨材料来制造涡轮，成本比较高。
4.当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角，即
时，机构反行程就具有自锁的性质。
在这种情况下，只能用蜗杆带动涡轮（此时的效率一般小于50%），而不能用涡轮带动蜗杆运动。
蜗杆传动类型比较多，其中阿基米德蜗杆传动是最基本的。
图3-6回转式减速器结构图
3.3提升装置设计
3.3.1提升机构设计
提升装置主要由液压缸、夹紧装置、回转减速器等组成。
泵站提供压力，驱动液压缸运动，从而带动夹紧装置进行上下运动。
由于整个夹紧装置需要进行旋转，而提升装置又连接在支架上面，所以需要对提升装置的运动进行限制。
由于这个部分的动作运动比较频繁，所以采用导向轴和导向块进行定位导向。
一根Z轴方向的导向轴限制了X轴、Y轴移动和转动，两根导向轴则又限制了Z轴方向的转动，于是限制了5个自由度，导轨只能沿Z轴方向进行运动，这个也正是我们设计需要。
考虑到液压缸使用时间久了或者因为人工操作不当会漏油，为防止整个装置脱离支架，需要在导向轴顶端加上顶盖，这样能有效阻止装置脱离支架的情况发生。
支架顶部固定导轨用的衬套需要减小摩擦，所以选择无油衬套。
无油衬套又名自润滑轴承，自润滑轴承分为复合材料自润滑轴承，固体镶嵌自润滑轴承，双金属材料自润滑轴承，特殊材料自润滑轴承，按照不同用途和工矿，选用不同的自润滑轴承。
无油衬套是在轴承基体的金属摩擦面上开发排列有序大小适当的孔穴，并嵌入二硫化钼、石墨等制成复合自润滑块镶嵌在金属套上，制成的复合轴承，固体润滑剂摩擦面积达25%--65%.。
固体自润滑块在280°高温下正常工作。
但由于其机械强度低，承载能力弱，易产生变形，把它镶嵌在金属孔槽内便能抑制这种缺点，形成金属部分起承载作用，自润滑块起润滑作用。
无油衬套具有承载能力高，耐冲击，耐高温，自润滑能力强等特点，特别适用于重载，低速，往复或摆动等难以润滑和形成油膜的场合，也不怕水冲和其他酸液的浸蚀和冲刷，目前产品已广泛应用在冶金连铸机、轧钢设备、矿上机械、模具、起重机械、纺织机械、风力发电、船舶、汽轮机。
水轮机、注塑机及设备生产流水线中。
耐磨性是普通衬套的一倍。
图3-7导轨结构图
图3-8支架顶部轴套结构图
3.3.2液压缸的选择和计算
图3-9升降液压缸安装图
（1）计算工作压力及缸径，杆径。
升降缸受到负载F=（
+m）g=（69+550）×10=6190N
经查资料，取工作压力P=2MPa
经查资料，受拉力λ取0.5
即d=0.5D
联合解得D≈71.4mmd≈35.7mm
经查资料，取标准值
D=80mmd=40mm
（2）计算升降缸流量
有效行程为500mm时间3s
所以
有效面积
无杆腔有效工作面积为
活塞杆面积为
有杆腔有效工作面积
确定所需流量
图3-10提升用液压缸结构图
3.4支架设计
90°自动旋转液压抱夹装置设定为安装在切割生产线上，切割线宽度大约为1.5米，高度大约为0.7米，所以该装置采用框架式结构。
外部支撑柱均采用150*10的无缝方管，支撑梁则用100*7的无缝方管。
无缝方管截面中空，而且没有任何接缝，抗弯强度高，不但降低了整机的重量，而且能保证整机的强度。
由于无缝方管是中空的，所以一些线路可以架设在方管中间，不仅可以有效保护线路的安全，而且可以使整体看上去美观。
图3-11支架整体结构图
图3-12整体装配结构图
图3-13整体装配爆炸图
4液压系统原理设计及原件选择
4.1液压传动的工作原理、组成、优缺点及应用
液压传动是以受压液体为工作介质来进行能量的传递、转换、控制和分配。
4.1.1工作原理
（1）电动机带动液压泵经滤油器先从油箱中吸油，然后油液被加压,从泵的输出口输入管路。
油液经过开停阀、节流阀、换向阀等进入液压缸，然后推动活塞使工作台进行左右（或者上下）移动。
液压缸里的油液经换向阀和回油管排回至油箱。
（2）工作台的移动速度是通过节流阀来调节的。
当节流阀开大，则进入液压缸的油量增多，工作台的移动速度就跟着增大；当节流阀关小，那么进入液压缸的油量相对减少，工作台的移动速度跟着减慢。
由此可见，运动速度是由油量决定的。
4.1.2液压系统的基本组成
一个完整的液压系统要能正常工作，一般要包括五个组成部分。
（1）动力元件：
即能源装置，液压系统一般以液压泵或蓄能器作为动力原件，其气动系统是空气压缩机和储存罐。
起作用是将原机输出的机械能转换成流体压力能，并向系统或用气点供给压力流体。
（2）执行元件：
包括液压缸或汽缸、液压马达或气马达，前者实现往复运动，后者实现旋转运动，其作用是将原动机输出的机械能转换成机械能，输出到工作机构上。
（3）控制原件：
包括压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀、行程阀等，其作用是控制和调节流体系统的压力、流量和液体方向以及充当信号转换、逻辑运算、放大等功能的信号控制原件，以保证执行原件能够得到所要求的力（或扭矩）、速度（或转速）和运动方向（或旋转方向）。
（4）辅助原件：
包括油箱、管路、管接头、滤油器、消声器、油雾器、滤气器以及各种仪表等。
这些原件也是流体系统必不可少的。
（5）工作介质：
用以传递能量，同时还起散热和润滑作用。
液压系统用液压油作为工作介质，启动系统用压缩气体作为工作介质。
4.1.3液压传动的优点
液压传动与机械传动相比，具有以下的优点：
（1）液压传动控制方便，易于实现无级调速而且调速范围大，调速范围可达数百，最大至2000：
1.
（2）传动体积小，单位功率质量小，一般只有电动机的1/10，单位质量输出功率大，容易获得较大的力和转矩，具有运动惯性小、动态性能好的优点。
因而启动、制动迅速，运动平稳，利于相关部件和控制系统的小型化和微型化。
如轴向柱塞泵的质量仅是同功率直流发电机质量的10%-20%，前者尺寸仅为后者的12%-13%。
对于工程建设机械，这个优点表现尤为突出。
（3）可以简化地与电控部分结合，组成电液控制、气电控制或气液控制的传动和控制一体化系统，实现各种自动控制优势互补。
这种控制既具有流体传动输出功率适应范围大的特点，又具有电子控制方便灵活的特点。
现代机械装备已越来越多的采用此种方法。
（4）工作安全性好，具有实现过载保护功能，并有自润滑作用。
（5）易于实现标准化、系统化、和通用化，便于设计、制造和推广使用。
4.1.4液压传动的缺点
（1）液压传动是以液体为工作介质，在相对运动表面间不可避免地会有泄漏，同时，液体又不是绝对不可压缩的，因此不宜在传动比要求严格的场合采用，例如螺纹和齿轮加工机床的内传动链系统。
（2）液压传动在工作过程中会有较多的能量损失，比如摩擦生热的损失、泄漏的损失等，所以不宜于远距离传动。
（3）液压传动对油温的变化比较敏感，油温变化会到影响运动的稳定性。
所以，在低温或者高温条件下，采用液压传动会有
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