一种液压平衡机构的设计与实现*荣学文张志兵（山东科技大学机器人研究中心济南250031）摘要：本文介绍了一种由两只液压油缸组成的液压平衡机构。该机构通过将两只油缸的有杆腔和无杆腔分别接通组成封闭回路，并用优化设计的方法确定其最佳结构参数和位置参数，从而使大型喷浆机器人的纵向进给装置在工作过程中自动保持水平。与其它方法相比，其显著特点是不仅结构紧凑、动作精度高，而且控制系统简单，并且无须人工参与控制。从而降低了成本，简化了操作。最后给出了该机构的液压回路，并讨论了主要液压元器件的功能和用途。关键词：液压平衡机构优化设计液压回路x8x6φ2x9φ1DREFCQGBAHλ1λ3θ3x10x7x4x3x2x1x5λ2βα一种大型喷浆机器人的结构示意图如图1所示。根据喷浆工艺要求，在大臂起落过程中，喷浆机器人纵向进给装置7要保持水平。要实现这个动作要求，主要有以下几种方法：①采取平行四连杆结构；②利用伺服控制系统；③多关节复合动作，各关节单独控制；④采取液压平衡机构。方法①结构简单、可靠，动作精度高。但在喷浆机器人结构中，大臂4与伸臂5之间有相对运动，用该方法无法实现；方法②也可实现无人工参与控制，且精度较高，但控制系统成本高，且对液压系统的清洁度要求很高；方法③需要较多的人工操作，且精度低；方法④不仅结构紧凑、精度高，而且控制系统简单，且无需人工参与控制。显然在喷浆机器人机械系统中宜采取方法④来实现纵向进给装置7在工作过程中始终保持水平。其工作原理是将油缸2的有杆腔和无杆腔与油缸6的有杆腔和无杆腔分别接通，组成封闭回路。这样当油缸2的缸杆伸出时，油缸6的缸杆缩回，反之亦然。通过合理选择油缸2和油缸6的结构参数和支点位置就能实现纵向进给装置7在工作过程中始终保持水平。512346781．回转支座2．平衡油缸Ⅰ3．变幅油缸4．大臂5．伸臂6．平衡油缸Ⅱ7．纵向进给装置⒏手腕部分图1大型喷浆机器人结构示意图图2液压平衡机构参数模型⒈液压平衡机构的设计为精确实现纵向进给装置7在工作过程中始终保持水平，对由油缸2和油缸6组成的液压平衡机构的结构参数和位置参数进行优化设计。液压平衡机构的参数模型如图2所示。为生产与安装的方便，取油缸2的行程等于油缸6的行程。设油缸结构长度为357mm，行程为s，则油缸缩回时的最短长度与全伸出时的长度分别为：（1）（2）1.1设计变量由图2可知，要确定液压平衡机构的全部参数共需11个变量，写成向量形式如下：（3）其中至为位置参数，表示油缸的工作行程，为结构参数。1.2约束条件为取得合理的优化结果，必须对部分变量施加约束。由大臂工作范围的要求，需有等式约束：（4）（5）式中，和为大臂相对水平面的最大和最小仰角。为了防止油缸2的机械自锁，需有约束：（6）式中，为油缸2在工作过程中的最小传动角。为保证油缸6具有较高的传动效率，需有约束：（7）式中，为油缸6在工作过程中的最小传动角。由安装的要求及使结构具有良好的力传递性能，需有约束：（8）（9）1.3目标函数为了表示纵向进给装置在各个位置的姿态，将油缸2的行程等分为W等份。以表示纵向进给装置在某位置的实际姿态角，表示纵向进给装置在相应位置的理想姿态角，即纵向进给装置保持水平的姿态角，表示二者之差（，则有：（10）（11）显然，越逼近于，纵向进给装置的实际姿态越水平，所以越小越好。根据设计要求，本机构的设计目标函数可表示为：（12）式中第一项表示期望结构紧凑；第二项表示期望实际姿态角对理想姿态角的偏差最小。和为二者的期望程度归一化加权因子。1.4优化结果通过编程计算得如下最优解：(13)此时，，即纵向进给装置在工作过程中与水平面的最大夹角小于，可以认为是始终保持水平的，且，，，，分别满足大臂的工作范围要求，油缸2不自锁和油缸6具有较高的传动效率。⒉液压平衡机构的实现大型喷浆机器人的液压系统见文献[2]，本文只讨论液压平衡机构部分的液压回路原理，并对文献[2]中该部分液压回路原理的不合理之处进行了修正。该机构的液压回路原理如图3所示。平衡阀3的作用一是保证纵向进给装置在大臂俯仰或单独调节时的运动平稳，二是锁住平衡油缸Ⅰ的无杆腔，防止纵向进给装置在重力作用下改变水平姿态。安全阀4对平衡油缸Ⅰ和平衡油缸Ⅱ组成的液压平衡机构起保护作用。当纵向进给装置的初始位置不在水平位置时，比如下俯某一角度，则在大臂还没有达到抬仰运动极限时，平衡油缸Ⅰ已全部缩回。此时如再使大臂做抬仰运动，平衡油缸Ⅱ有杆腔中的液压油已无通路，只能通过安全阀4通向系统回油管路；同时平衡油缸Ⅱ的无杆腔通过液控单向阀5、单向