一种物流园专用上货机械手液压控制系统设计

摘要：根据某大型物流园的上货需要设计了一种专用上货机械手及机械手主要功能的液压控制线路，

根据机械手功能要求分析了液压控制线路的性能特点，提出了采用双液压缸同步回路举升货物的设计思路，并计算了双液压缸同步举升的液压缸驱动力，且对举升线路进行同步误差实验和液压缸速度提升实验。结果表明，此机械手及其液压控制线路能基本满足物流园上货的设计需要。

关键词;同步;控制;机械手;液压中图分类号：TP278文献标识码：A文章编号：1 009—01 34(2014)03(上)一O1 33—04Doi：1 0.3969/J.issn.1 009-01 34.201 4.o3(E).380引言当前，随着经济全球化以及世界范围内服务经济的发展，物流产业正在全球范围内迅速兴起，跨国化、规模化和网络经济化等现象已经成为全球物流产业发展的重要趋势。我国物流产业正处在前所未有的高速增长阶段，在一些大型的的物流园中，每天货物吞吐量达数十万吨，一个月台每天要为上百多台货车上货。但是，多数物流园上货方法原始，根本满足不了日益增长的运输需求。据考察，多数国内物流中心上货方法还是多年前的老方法，即司机将卡车停在月台，然后工人将货品用叉车将货物插到月台边，再由搬运工将货物从月台上的货物搬运到卡车上并进行有序堆放。It前，比较常用的货车车厢长度有12米，11米、7米、5米等左右，这就需要搬运工在搬运过程中一天需要抱着几十公斤重的货物来回走到几百次，劳动强度很大，效率低。

根据某大型物流园需要，设计一电液控制机械手上货系统(如图1所示)。其功能为：

叉车将货物按规定位置放置在平台上，机械手从平台上抓取货物并举升一定高度后，在安装在轨道上的送货车作用下将货物运至货车厢中相应位置，再由工人操作机械手将货物放下，由工人将货物堆放好。这将减少工人来回搬运货物的过程，减轻了搬运工人劳动强度同时提高搬运效率。机械手基本参数要求如表1所示。

表1上货机械手参数要求设计参数数值操作频率30~90最大载重500Kg运货车行走速度0.08IIl/S机械手上升行程400mm机械手最大摆动角度90o机械手抓手最大夹持力lOo0N机械手上升速度0.06m/S图1机械手上货系统图1机械手结构及功能机械手主要实现三个功能，即抓取货物并夹紧，举升货物至一定高度，机械手转动调整，其结构如图2所示。抓取货物的功能主要依靠机械手开合控制缸实现机械手张开和抓取;举升货物依靠活塞在油缸中往复运动实现;为适应工人堆放货物的需求，机械手需要在90度范围内转动，机械手的旋转依靠齿轮齿条缸实现。

抓取和夹紧控制油路机械手的抓取和夹紧回路(如图4所示)采用两个液压缸，抓取和夹紧时三位四通阀5和11走左位，活塞杆顶出实现夹紧。因机械手下方有托架，夹紧力只需保证货物不松脱，夹紧力并不大，但由于货物外形尺寸并非完全相同，所以在在夹紧过程中，需要机械手开合距离可根据货物尺寸变化，因而要求活塞杆推出位置可实时调整，则在回路中设置点动控制回路，即1YA、4YA线圈通过点动控制，由工人根据货物具体大小实现点动控制机械手夹紧距离。为避免机械手碰伤货物在回油路中设置顺序阀8、14起背压作用。

机械手张开时三位四通阀5和1 1走右位，回油路中设置单向节流调速阀7和l3控制机械手开合速度。

2.2机械手旋转控制图5机械手旋转控制油路货物运送到车厢内后，工人可根据货物具体外形选择摆放位置，要求机械手能在90度内旋转摆动，机械手旋转控制采用齿轮齿条摆动液压缸，齿轮齿条摆动液压缸是通过液压驱动活塞的往复运动，带动齿条直线运动，经过齿轮齿条的啮合，将活塞的往复运动转化为齿轮轴的摆动旋转运动，同时将直线运动液压缸的推力转化为齿轮轴的输出扭矩。液压控制系统图如图5所示，当线圈9YA得电，二位二通阀31走左位，经三位四通阀32左位和单向阀进入齿轮齿条摆动液压缸进油缸，推动齿轮顺时针转动，从而机械手顺时针转动，回油路经过单向节流调速阀36可控制转动速度，同时可以起到背压阀的作用，减缓液压缸的刚性冲击，降低系统泄漏和发热。为保证在执行其他运动时机械手不发生旋转以免误伤工人或碰伤货物，二位二通阀31起到互锁作用。为实现工人点动控制机械手转动，线圈12YA控制二位二通阀33起点动补油作用。

2.3机械手的升降控制在整个液压控制系统中，机械手举升缸负载l訇似最大，运载货物最重达500Kg，机械手自身重量近100kg，若采用单缸推动则液压缸负载大，而采用双缸举升则大幅度降低液压缸负载。

2.3.1双缸举升驱动力F计算1)工作载荷：

(500+100)x 9.8=5880N2)机械手惯性载荷：

=善g × At△1，机械手举升速度为0.06M/S。

At启动时间，按0.2S计算。

则：

F ： xAv： —58—80× —0.0—6： 180N“ g At 9.8 0.23)机械手摩擦阻力计算因机械手最大开合可达2m，按最大偏距1 IIl计算，液压缸有效长度h=0.4m(~n图6所示)，O型密封圈阻力忽略不计。则：

i l图6举升过程液压缸活塞受力分析·十2·.1z ‘PFrl Fr2- = =7350N取摩擦系数为0.15，则：

= 2Frl =2×7350~0.15=2205N4)液压缸驱动力计算升降虹所受负载F，由于采用双缸驱动，故对单缸而言驱动力应除以2：

F：生T1m为在不同工作情况的液压缸载荷;

为液压缸机械效率，取=0.95。

启动加速时：

—5880+18—0+2205： 4350.00NX2 0.95X2稳态运动时：

—5880+—2205：4255. 26Ⅳ11 ×2 0.95×2减速制动时：

—5880O-.9158—0x+2 2205 =4160.53Ⅳ由计算结果可见，采用双油缸同步驱动，减小了单缸驱动负载，使活塞运动更加灵活，机械手对油压响应及时，制动更可靠。并且减小了运动过程中机械手对活塞产生的附加力矩。

2.3.2机械手升降双缸驱动液压控制系统图7机械手举升控制油路为使机械手在升降过程中动作灵活可靠，机械手升降采用双液压缸控制(如图7所示)，同时为防止运动过程产生液压缸刚性冲击，双液压缸均采用可调速缓冲缸。由于采用双缸控制机械手升降，双缸的供油采用电液比例调速阀同步回路。回路使用了一个普通调速阀2l和一个电液比例调速阀28，它们安装在由单向阀搭建的桥式回路中，分别控制缸24和缸3O，当两个活塞出现不同步现象时，电液比例调速阀28自动调节，使活塞运动同步，防止在升降过程的出现附加力矩。机械手下降过程中因负载较大，在回路中设置顺序阀l7、

l8作背压阀减缓液压缸下降过程的冲击。

2.3.3同步提升液压系统性能分析1)举升误差的可靠性。针对采用桥式比例阀同步回路进行了油缸同步实验，并绘制同步误差图(如图8所示)，由图8可见采用桥式比例阀同步回路比普通同步回路双缸驱动误差小，稳定在第36卷第3期2014-03(上) [13510.5mm至0.6mm之间，基本能满足机械手同步举升货物的要求。

机械手与人力搬运能力比较对比项目原人力搬运机械手搬运一次运货量<50Kg <500kg运载至10米车厢往返时间100s 26s运货工人配备8A 1A完成lO吨货物装运时间250oS 520s完成10吨货物搬运次数25 20配置工人数1O人(8人运2人(1人运货，2A卸货)货，1人卸货)

由表2可见，采用机械手搬运货物的效能远远高于一个10人搬运组的效能，并且设备只需配置2名工作人员，劳动强度远低于10人组人力搬运的强度，在每日货物吞吐量巨大的物流园中有非常广阔的应用前景。

2)提出了机械手货物的举升采用双液压缸缸同步驱动的设计思路，并通过液压缸驱动力计算说明双缸驱动将减小液压缸的负载，使液压缸运动灵活制动可靠。

3)进行同步举升系统同步误差和举升速度的实验分析，绘制分析图，说明采用同步液压缸驱动回路驱动机械手能设计参数要求。