基于AMESim的货物装卸机械手液压系统设计与仿真解读.docx

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基于AMESim的货物装卸机械手液压系统设计与仿真解读

２０１

１年第６期液压与气动

６５

基于ＡＭＥＳｉｍ的货物装卸机械手液压系统

设计与仿真

左帅，李艾民

Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｃａｒｇｏ—ｈａｎｄｌｉｎｇｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ＇ｓｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍ

ｂａｓｅｄ

ｏｎ

ＡＭＥＳｉｍ

ＺＵＯＳｈｕａｉ，ＬＩＡｉ－ｒａｉｎ

（中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州２２１１１６）

摘要：

以货物装卸机械手的液压系统为研究对象，利用ＡＭＥＳｉｍ软件建立机械手液压系统模型，设置模型参数，主要针对手爪抓取货物时，对其液压系统进行仿真。

仿真结果表明：

系统响应速度较快，稳定性较好，为货物装卸机械手液压系统优化设计提供了新方法。

关键词：

机械手；液压系统；ＡＭＥＳｉｍ；仿真分析

中图分类号：

ＴＰ２７１＋．３；ＴＰ３１９文献标识码：

Ｂ文章编号：

１０００－４８５８（２０１１）０６－００６５－０３

１引言

货物装卸机械手（如图ｌ所示）用于车船和仓库货物的装卸，该机械手可以代替人从事单调重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，代替人

１．安装底座２．摆动关节３．摆动液压缸４．大臂在有害环境下的手工操作。

采用液压驱动的方式来实现机械手动作，操作方便，安全可靠。

本文利用ＡＭＥＳｉｍ软件对货物装卸机械手的液压系统进行仿真分析，有利于该液压系统的维护和改进。

２创Ⅵ】晒ｉｍ软件简介

ＡＭＥＳｉｍ是国外某公司开发的液压／机械系统建模仿真及动力学分析软件。

该软件模型库丰富，多达

１４类，涵盖了机械、液压、控制、液压管路、液压元件设计、液压阻力、气动、热流体、冷却、动力传动等领域。

它与Ｍａｎａｂ、Ｓｉｍｕｌｉｎｋ、Ａｄａｍｓ等软件的都由接口，可与这些软件进行联合仿真，利用ＡＭＥＳｉｍ软件建模、仿真

５．大臂液压缸６．小臂液压缸７．小臂８．手腕液压缸

收稿日期：

２０１１－０３－０９

９．手腕ｌｏ．手爪１１．手爪液压缸

作者简介：

左帅（１９８６一），男，江苏徐州人，硕士，研究方向机

图ｌ货物装卸机械手示意图

电液一体化。

５结论

采用ＡＭＥＳｉｍ软件建立了配咫型分配阀的客车单车制动系统模型，通过与试验结果的对比，验证了仿真模型的正确性。

据此可进行各结构参数对单车制动以及列车编组制动性能的影响，为进一步进行制动系统故障模拟和诊断分析奠定了基础。

参考文献：

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北

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中国铁道出版社，２９０５．

万方数据

液压与气动

２０１１年第６期

方便，并适用于复杂系统。

３液压系统工作原理

如图２所示，本系统采用串并联连接的五路换向阀来控制各个液压缸的动作，五路换向阀中只能有１个滑阀工作，滑阀之间互锁，使各执行元件只能单动或顺序动作。

图２机械手液压系统图

五路换向阀中有四路手动换向阀，其中阀１控制摆动液压缸６，阀２控制大臂液压缸７，阀３控制小臂液压缸８，阀４控制手腕液压缸９；有一路是电磁换向阀５，它用来控制手爪液压缸１０的动作。

图２中安全阀１ｌ起到过载保护作用；液控单向阀１２在液压缸的两侧油路，起到保压锁紧作用；泵出口处的单向阀１３，预防液压油流回液压泵，从而保护液压泵；当泵出口处压力超过额定压力时，溢流阀１４打开，液压油流回油箱；系统通过单向节流阀１５进行节流调速，建立与负载相适应的背压，使系统运行平稳可靠；１６为粗过滤器，１７为精过滤器。

在货物装卸过程中，如何才能让手爪恰好抓紧货物又不损坏货物，这里设定压力继电器１８比较值为恰好抓紧货物时的压力，当手爪液压缸１０进油腔压力达到压力继电器设定值时，压力继电器１８动作，使电磁铁２Ｙ失电，换向阀置中位，液压缸被液控单向阀锁紧保压，保证货物恰好抓紧。

如果现场出现压力继电器失灵的情况，手爪液压缸进出油口的安全阀会起到和压力继电器相同作用，不过控制精度较压力继电器差。

４系统建模与仿真４．１建立模型

从ＡＭＥＳｉｍ各库中拉出所需要的元件模型，然后接线，各元件模型选择与系统相适应的特性，系统模型如图３所示。

图３系统模型

（１）机械手的手爪抓力模型：

由信号输入的力模

型ｆｏｒｃｅ：

（２）电磁换向阀模型：

由输入信号经放大增益Ｋ输入给伺服阀，实现换向动作；

（３）压力继电器模型：

液压缸进油口处，压力传感器１０的检测值ｐｌ经比较器５与设定压力值ｐｏ比较，ｐｌ＞ｐｏ输出ｌ，ｐｌ＜ｐｏ输出０，输出值反馈回输入端，

与原信号相加后输出给伺服阀，使其做出相应动作。

４．２参数设置

这里仅研究手爪液压缸工作时的情况，由于五路换向阀只能单动，所以这里只需设置手爪液压缸动作回路的模型参数。

设定参数：

电动机转速１０００ｒ／ｍｉｎ，液压泵额定转

速１０００ｒ／ｍｉｎ，排量Ｏ．０１１Ｌ／ｒ，系统进、回油路的过滤

器压降分别为Ｏ．０１

ＭＰａ、Ｏ。

０２

ＭＰａ，溢流阀１设定压

力为３ＭＰａ，常量２的值为１，节流阀最大开口流量为

１１

Ｌ／ｒａｉｎ，压降０．１ＭＰａ，常量４设定值为２．４，放大增

益７为１０、１００，伺服阀８的额定电流为４０ｍＡ，固有频

率为８０Ｈｚ，各油口间压降为０．１ＭＰａ，安全阀９设定压力为２．６５ＭＰａ，压力传感器１０的输出转换比为１／ＭＰａ，液压缸１１的内径８０ｍｉｌｌ，活塞杆直径４５ＩＴｌｎｌ，质量块２００ｋｇ，初始位移０．８ｍ，行程Ｏ．８ｍ（活塞杆运动

到最左端时，此时进油口压力大于负载力，用这种情况模拟手爪抓紧到位），力输入模型１２单位为Ｎ，信号６、１３的值如图４所示。

Ｏ－２

＿４

．６．８．１０．１２

６、１３输入值

万方数据

２０１１年第６期

液压与气动

６７

４．３

进行仿真

设置仿真时间为３５ｓ，仿真步长为０．０１Ｓ，开始

仿真。

４．４仿真结果分析

（１）放大增益Ｋ分别为１０、１００时，活塞杆位移的

比较。

从图５ａ、５ｂ中可以看出放大增益Ｋ对活塞杆位移有较大影响，原因是放大系数Ｋ值小会造成系统响应较慢，导致伺服阀的动作反应较慢，会导致手爪抓不紧货物。

所以Ｋ值应尽量大些，从而提高响应速度，但是也不能太大，太大会造成系统震荡不稳定。

ｔ旭ｔｆｓ

ａ）Ｋ＝１０

”条１００

图５活塞杆位移

这里Ｋ值取１００时系统响应速度和稳定性都很好，所以以下的仿真分析都是在Ｋ＝１００的条件下进

行的。

（２）反馈比较后的伺服阀输入信号

这是放大增益Ｋ之前的输入信号，输入值为负，阀置左位；值为０，阀置中位。

比较图４、图６中的信号值，可以看出在ｔ＝２０ｓ时，液压缸进油口压力升高到

２．４

ＭＰａ，达到了比较器的设定值，从而比较器输出值

为１，与原信号相加输出给伺服阀，所以在此刻阀置中位。

这表明系统响应快，精度高。

ｆ，ｓ

图６反馈比较后的输入信号

（３）伺服阀Ｐ、Ｔ、Ａ和Ｂ口压力分析

从图７中可以看出，在ｔ＝５８处伺服阀存在轻微的压力波动，这种现象可能是由伺服阀自身动作，滑阀开闭时引起的。

在泵与阀之间加蓄能器作缓冲，可减小压力波动。

（４）液压缸进出油口处压力分析

图８中，２、１分别表示液压缸进出油口压力。

在ｔ

＝５

Ｓ处进油口出现压力波动，伺服阀阀口的压力波动

３．Ｏ２．５日２．０

鞭

Ｏ．Ｏ－ｏ．５

３．Ｏ２．５

日２．０

聪

Ｏ．Ｏ－ｏ．５

ｆ，ｓ

图７阀口压力曲线

图８液压缸油口压力曲线

传递到了液压缸进油口，这种现象可以通过设定液压缸出油口处的液控单向阀的开启压力来解决，但会影

响系统的响应速度。

观察曲线２，在ｔ＝２０Ｓ后液压缸进油口压力仍有一段上升的过程，最后趋于稳定，这是

由于液压缸油腔存在死区，在伺服阀置中位时，液控单向阀锁紧、外负载力仍在作用，导致油液被压缩，从而压力上升，活塞受力平衡后，油腔压力便趋于稳定。

５结束语

使用ＡＭＥＳｉｍ软件对货物装卸机械手液压系统进

行了建模、仿真，然后对仿真结果进行分析，发现系统响应速度和稳定性较好，符合工况要求。

此次仿真结果为货物装卸机械手液压系统的优化设计提供了参考。

参考文献：

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暑ｍ／楼掣

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