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(dāng)前，自動(dòng)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(dòng)力成本高、產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化程度低等問(wèn)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(guó)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，人們資源、環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越普遍，技術(shù)也越來(lái)越成熟。全液壓鍛造機(jī)械臂是實(shí)現(xiàn)鍛壓自動(dòng)化的重要設(shè)備之一。與傳統(tǒng)鍛造操作機(jī)相比，鍛造機(jī)械臂主要運(yùn)用于自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)內(nèi)各設(shè)備間的轉(zhuǎn)運(yùn)工作，例如車(chē)軸生產(chǎn)線(xiàn)、環(huán)坯生產(chǎn)線(xiàn)等產(chǎn)品規(guī)格較為一致的鍛造產(chǎn)線(xiàn)。

鍛造機(jī)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(dòng)作平穩(wěn)靈巧等要求。本文針對(duì)鍛造機(jī)械臂的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)及仿真，并對(duì)其精度控制、響應(yīng)速度、可靠性等進(jìn)行了研究。該研究可以為液驅(qū)自動(dòng)化設(shè)備的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)及控制思路。

1 鍛造機(jī)械臂的構(gòu)成

如圖1 所示，重載機(jī)械臂機(jī)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(chē)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(jī)械臂

（1）車(chē)體旋轉(zhuǎn)功能：通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)支撐齒輪，實(shí)現(xiàn)車(chē)體正反旋轉(zhuǎn)，并保證兩工位間的準(zhǔn)確定位。

（2）折臂功能：通過(guò)一對(duì)升降缸及伸縮缸，控制重載機(jī)械臂的折臂四連桿機(jī)構(gòu)上下仰俯、前后傾斜，實(shí)現(xiàn)鉗桿的升降、前后伸縮功能，滿(mǎn)足設(shè)備的大工作半徑。

（3）鉗桿仰俯功能：通過(guò)折臂四連桿機(jī)構(gòu)中的仰俯缸驅(qū)動(dòng)平行四連桿，控制鉗桿的仰俯動(dòng)作。

（4）夾持功能：由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鉗桿內(nèi)的夾緊油缸及兩組旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)坯料的夾持、旋轉(zhuǎn)。并依靠旋轉(zhuǎn)液壓回路來(lái)保證物料的準(zhǔn)確定位。

2 鍛造機(jī)械臂液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鍛造機(jī)械臂在整體結(jié)構(gòu)形式上通常采用解耦設(shè)計(jì)，就是將設(shè)備的主要功能分解為車(chē)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(duì)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)，這也使得每一個(gè)系統(tǒng)本身具備一定的獨(dú)立性。本文將通過(guò)鍛造機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)形式及每個(gè)動(dòng)作本身的技術(shù)參數(shù)要求，設(shè)計(jì)相應(yīng)的液壓控制系統(tǒng)。機(jī)械臂參數(shù)如表1 所示。

表1 鍛造機(jī)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(chē)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(dá)到對(duì)液壓馬達(dá)的精確操控。系統(tǒng)采用兩組液壓馬達(dá)，正反旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩組馬達(dá)一組為主動(dòng)輸出，提供旋轉(zhuǎn)扭矩。一組為被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，由出力馬達(dá)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)齒輪推動(dòng)被動(dòng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)時(shí)相反。用這種方式消除齒輪間的齒側(cè)間隙，使得回轉(zhuǎn)動(dòng)作能夠在重復(fù)動(dòng)作時(shí)，精度能夠達(dá)到±0.1°。同時(shí)進(jìn)回油路內(nèi)設(shè)置邏輯截止閥，防止閥體內(nèi)泄，實(shí)現(xiàn)液壓鎖緊功能。為防止設(shè)備在急停過(guò)程中馬達(dá)產(chǎn)生吸空現(xiàn)象，在馬達(dá)進(jìn)回油油路都設(shè)計(jì)了補(bǔ)油單向閥。當(dāng)馬達(dá)高壓管路壓力低于單向閥設(shè)置的彈簧力時(shí)，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(shí)現(xiàn)鍛造機(jī)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(gè)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(shí)現(xiàn)機(jī)械臂夾鉗的準(zhǔn)確定位，系統(tǒng)進(jìn)回油路均設(shè)計(jì)有邏輯截止閥，保證鉗桿不會(huì)因?yàn)閮?nèi)泄而發(fā)生位移，進(jìn)油路設(shè)有平衡閥，能夠使鉗桿在下降過(guò)程不會(huì)因?yàn)楦邏河颓煌蝗皇?，而致鉗臂因整體自重導(dǎo)致下降過(guò)快，使設(shè)備運(yùn)行更加平穩(wěn)可控。伸縮回路與升降回路類(lèi)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(dòng)作，設(shè)備采用比例閥控制一個(gè)柱塞缸來(lái)實(shí)現(xiàn)鉗桿的上仰動(dòng)作，下傾動(dòng)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(shí)現(xiàn)鉗口的開(kāi)合，并在夾持物料的過(guò)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(mǎn)足對(duì)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(lái)控制夾持力，并設(shè)有蓄能器及液壓鎖緊系統(tǒng)，同時(shí)能夠依靠蓄能器來(lái)保證夾持過(guò)程中的油液內(nèi)泄補(bǔ)油，也就是夾持保壓，使得夾持動(dòng)作穩(wěn)定可靠。

圖5 夾持系統(tǒng)

3 鍛造機(jī)械臂液壓系統(tǒng)仿真分析

為了提高鍛造機(jī)械臂液壓系統(tǒng)的性能，在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用仿真軟件建立仿真模型，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制性能進(jìn)行了仿真分析。

整個(gè)液壓系統(tǒng)仿真采用Amesim 軟件進(jìn)行仿真分析，其中車(chē)體回轉(zhuǎn)和鉗桿旋轉(zhuǎn)較為獨(dú)立，為簡(jiǎn)化仿真模型的搭建，建立單獨(dú)的仿真回路仿真計(jì)算；平升、伸縮、仰俯、平衡系統(tǒng)的負(fù)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(kù)搭建了平面機(jī)構(gòu)，故平升、伸縮、仰俯、平衡系統(tǒng)進(jìn)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(chē)體旋轉(zhuǎn)回路仿真建模

（3）通過(guò)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(xiàn)

由于目前的系統(tǒng)仿真中伺服閥的信號(hào)僅僅采用開(kāi)關(guān)信號(hào)，沒(méi)有加入控制，所以仿真出的結(jié)果有較大的信號(hào)波動(dòng)。但能夠得到車(chē)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(shí)現(xiàn)相應(yīng)動(dòng)作；所有回路能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求：最大車(chē)體旋轉(zhuǎn)速度為7.357r/min；鉗桿旋轉(zhuǎn)速度能夠達(dá)到10r/min 的要求；鉗桿上仰時(shí)，最大速度為170mm/s，下俯時(shí)速度為125mm/s；機(jī)械臂下降時(shí)，平升缸活塞桿縮回，無(wú)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(xiàn)

4 結(jié)論

本文提出一種用于鍛造的重載機(jī)械臂液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，簡(jiǎn)述了機(jī)械臂個(gè)動(dòng)作間的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，并對(duì)所設(shè)計(jì)的關(guān)鍵動(dòng)作進(jìn)行了仿真，所得到的仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)初衷。能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械臂的靈敏、高速、穩(wěn)定、可靠、高精度控制要求。