鍛造機械臂液壓系統(tǒng)設(shè)計及仿真

張 旭，張曉麗，何雪龍，劉旭明

（蘭州蘭石能源裝備工程研究院，甘肅 蘭州 730000）

當前，自動化、智能化已是工業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。鍛造作為傳統(tǒng)裝備制造業(yè)，企業(yè)加工生產(chǎn)普遍存在工作環(huán)境惡劣、勞動力成本高、產(chǎn)線自動化程度低等問題，一定程度上導(dǎo)致了企業(yè)盈利能力弱、招工困難等局面。隨著我國工業(yè)自動化技術(shù)的發(fā)展，人們資源、環(huán)境意識的增強，工業(yè)機器人的應(yīng)用越來越普遍，技術(shù)也越來越成熟。全液壓鍛造機械臂是實現(xiàn)鍛壓自動化的重要設(shè)備之一。與傳統(tǒng)鍛造操作機相比，鍛造機械臂主要運用于自動化產(chǎn)線內(nèi)各設(shè)備間的轉(zhuǎn)運工作，例如車軸生產(chǎn)線、環(huán)坯生產(chǎn)線等產(chǎn)品規(guī)格較為一致的鍛造產(chǎn)線。

鍛造機械臂的用途決定了其必須具備重復(fù)定位精度高、響應(yīng)快、動作平穩(wěn)靈巧等要求。本文針對鍛造機械臂的液壓驅(qū)動系統(tǒng)進行了設(shè)計及仿真，并對其精度控制、響應(yīng)速度、可靠性等進行了研究。該研究可以為液驅(qū)自動化設(shè)備的液壓系統(tǒng)設(shè)計提供理論指導(dǎo)及控制思路。

1 鍛造機械臂的構(gòu)成

如圖1 所示，重載機械臂機械部分主要由底座、回轉(zhuǎn)總成、折臂總成，鉗桿等部件組成。具備車體旋轉(zhuǎn)，平升降，伸縮，鉗桿仰俯，鉗桿旋轉(zhuǎn)，鉗口夾緊等六大功能。

圖1 鍛造機械臂

（1）車體旋轉(zhuǎn)功能：通過液壓馬達驅(qū)動回轉(zhuǎn)支撐齒輪，實現(xiàn)車體正反旋轉(zhuǎn)，并保證兩工位間的準確定位。

（2）折臂功能：通過一對升降缸及伸縮缸，控制重載機械臂的折臂四連桿機構(gòu)上下仰俯、前后傾斜，實現(xiàn)鉗桿的升降、前后伸縮功能，滿足設(shè)備的大工作半徑。

（3）鉗桿仰俯功能：通過折臂四連桿機構(gòu)中的仰俯缸驅(qū)動平行四連桿，控制鉗桿的仰俯動作。

（4）夾持功能：由液壓系統(tǒng)驅(qū)動鉗桿內(nèi)的夾緊油缸及兩組旋轉(zhuǎn)馬達，實現(xiàn)坯料的夾持、旋轉(zhuǎn)。并依靠旋轉(zhuǎn)液壓回路來保證物料的準確定位。

2 鍛造機械臂液壓系統(tǒng)設(shè)計

鍛造機械臂在整體結(jié)構(gòu)形式上通常采用解耦設(shè)計，就是將設(shè)備的主要功能分解為車體旋轉(zhuǎn)，平升降，伸縮，鉗桿仰俯，鉗桿旋轉(zhuǎn)，鉗口夾緊等6 組相對獨立的運動，這也使得每一個系統(tǒng)本身具備一定的獨立性。本文將通過鍛造機械臂的結(jié)構(gòu)形式及每個動作本身的技術(shù)參數(shù)要求，設(shè)計相應(yīng)的液壓控制系統(tǒng)。機械臂參數(shù)如表1 所示。

表1 鍛造機械臂技術(shù)參數(shù)表

（1）旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。如圖2 所示，旋轉(zhuǎn)回路包括車體旋轉(zhuǎn)、鉗桿旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)采用伺服比例控制閥配合旋轉(zhuǎn)編碼器形成閉環(huán)控制，達到對液壓馬達的精確操控。系統(tǒng)采用兩組液壓馬達，正反旋轉(zhuǎn)時，兩組馬達一組為主動輸出，提供旋轉(zhuǎn)扭矩。一組為被動旋轉(zhuǎn)，由出力馬達帶動回轉(zhuǎn)齒輪推動被動馬達旋轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)時相反。用這種方式消除齒輪間的齒側(cè)間隙，使得回轉(zhuǎn)動作能夠在重復(fù)動作時，精度能夠達到±0.1°。同時進回油路內(nèi)設(shè)置邏輯截止閥，防止閥體內(nèi)泄，實現(xiàn)液壓鎖緊功能。為防止設(shè)備在急停過程中馬達產(chǎn)生吸空現(xiàn)象，在馬達進回油油路都設(shè)計了補油單向閥。當馬達高壓管路壓力低于單向閥設(shè)置的彈簧力時，液壓油流入吸空管路。

圖2 旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

（2）升降系統(tǒng)。如圖3 所示，升降系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)鍛造機械臂夾鉗在豎直方向的提升和下降，系統(tǒng)采用伺服比例控制閥控制兩個并聯(lián)油缸，并配合油缸內(nèi)置的位移傳感器形成閉環(huán)控制，實現(xiàn)機械臂夾鉗的準確定位，系統(tǒng)進回油路均設(shè)計有邏輯截止閥，保證鉗桿不會因為內(nèi)泄而發(fā)生位移，進油路設(shè)有平衡閥，能夠使鉗桿在下降過程不會因為高壓油腔突然失壓，而致鉗臂因整體自重導(dǎo)致下降過快，使設(shè)備運行更加平穩(wěn)可控。伸縮回路與升降回路類似，不再詳述。

圖3 升降系統(tǒng)

（3）仰俯系統(tǒng)。如圖4 所示，仰俯系統(tǒng)的主要功能是控制鉗桿的上仰和下傾動作，設(shè)備采用比例閥控制一個柱塞缸來實現(xiàn)鉗桿的上仰動作，下傾動作依靠鉗桿自重完成。

圖4 仰俯系統(tǒng)

（4）夾持系統(tǒng)。如圖5 所示，夾持系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)鉗口的開合，并在夾持物料的過程中保持一定的夾緊力，要保證夾持系統(tǒng)具有一定的夾持適應(yīng)性和穩(wěn)定性，為了滿足對于不同物料的夾持力要求，系統(tǒng)采用了比例減壓閥回路來控制夾持力，并設(shè)有蓄能器及液壓鎖緊系統(tǒng)，同時能夠依靠蓄能器來保證夾持過程中的油液內(nèi)泄補油，也就是夾持保壓，使得夾持動作穩(wěn)定可靠。

圖5 夾持系統(tǒng)

3 鍛造機械臂液壓系統(tǒng)仿真分析

為了提高鍛造機械臂液壓系統(tǒng)的性能，在液壓系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，運用仿真軟件建立仿真模型，對整個系統(tǒng)的控制性能進行了仿真分析。

整個液壓系統(tǒng)仿真采用Amesim 軟件進行仿真分析，其中車體回轉(zhuǎn)和鉗桿旋轉(zhuǎn)較為獨立，為簡化仿真模型的搭建，建立單獨的仿真回路仿真計算；平升、伸縮、仰俯、平衡系統(tǒng)的負載較為復(fù)雜，且相互關(guān)聯(lián)，為保證仿真的精確，采用2D Mecanical 庫搭建了平面機構(gòu)，故平升、伸縮、仰俯、平衡系統(tǒng)進行整體仿真分析。

（1）主體設(shè)備質(zhì)量信息（表1）

（2）仿真回路建模（圖6、7）

圖6 車體旋轉(zhuǎn)回路仿真建模

（3）通過系統(tǒng)仿真得到以下結(jié)果（圖8、9、10）

圖7 平升、伸縮、仰俯、平衡系統(tǒng)仿真建模

圖8 旋轉(zhuǎn)回路仿真曲線

由于目前的系統(tǒng)仿真中伺服閥的信號僅僅采用開關(guān)信號，沒有加入控制，所以仿真出的結(jié)果有較大的信號波動。但能夠得到車體旋轉(zhuǎn)、鉗桿旋轉(zhuǎn)、平升、伸縮、仰俯、平衡系統(tǒng)原理正確，可以實現(xiàn)相應(yīng)動作；所有回路能夠達到設(shè)計要求：最大車體旋轉(zhuǎn)速度為7.357r/min；鉗桿旋轉(zhuǎn)速度能夠達到10r/min 的要求；鉗桿上仰時，最大速度為170mm/s，下俯時速度為125mm/s；機械臂下降時，平升缸活塞桿縮回，無桿腔壓力為100bar，有桿腔壓力為52bar，速度為191mm/s。

圖9 俯仰缸、平升缸工作曲線

4 結(jié)論

本文提出一種用于鍛造的重載機械臂液壓系統(tǒng)的設(shè)計方案，簡述了機械臂個動作間的液壓系統(tǒng)設(shè)計思路，并對所設(shè)計的關(guān)鍵動作進行了仿真，所得到的仿真結(jié)果符合設(shè)計初衷。能夠?qū)崿F(xiàn)機械臂的靈敏、高速、穩(wěn)定、可靠、高精度控制要求。