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寧XX大學 畢業(yè)設計(論文) 球坐標工業(yè)機械手設計 所在學院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指導老師 2014年 月 日 摘 要 工業(yè)機械手（以下簡稱機械手）是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術，作為多學科融合的邊沿學科，它是當今高技術發(fā)展最快的領域之一，并已成為現(xiàn)代機械制造生產系統(tǒng)中的一個重要組成部分。所謂工業(yè)機械手就是一種能按給定的程序或要求自動完成物件（如材料、工件、零件或工具等）傳送或操作作業(yè)的機械裝置，它能部分地代替人的手工勞動。較高級型式的機械手，還能模擬人的手臂動作，完成較復雜的作業(yè)。 本次設計所確定的機械手的整體結構為球坐標式機械手，手臂動作為擺動或者轉動，手爪的動作為伸縮和松夾。由于此機械手的動作要求放置不同的工件，所以實現(xiàn)上下料過程也要求手腕能旋轉動作。 本文的機械手用于棒料，直徑φ40~φ60，長度450~1200mm，介紹它的組成和分類、自由度和座標型式、液壓技術的特點、PLC控制的特點及國內外的發(fā)展狀況，對機械手進行總體方案設計，確定機械手的座標型式和自由度，確定機械手的技術參數，設計機械手的手臂結構，設計出機械手的液壓系統(tǒng)，繪制機械手液壓系統(tǒng)工作原理圖。利用可編程序控制器對機械手進行控制，選取合適的PLC型號，根據機械手的工作流程制定可編程序控制器的控制方案，畫出機械手的工作時的順序功能圖和梯形圖，并編制可編程序控制器的控制程序。 關鍵詞：機械手, 球坐標工業(yè)機械手，抓取，棒料；液壓；PLC 50 Abstract Industrial machinery hand (hereinafter referred to as the manipulator) is a new technology of modern automatic control in the field, as the edge disciplines multidisciplinary integration, it is one of the fastest growing areas of high technology, and has become an important part of modern machinery manufacturing in the production system. The so-called industrial manipulator is a complete object automatically according to the given procedures or requirements (such as materials, parts, components or tools) mechanical device to transmit or operation, it can partly replace the manual labor. The manipulator of higher level type, can simulate human arm movement, complex operation. The overall structure of the design of manipulator and the spherical coordinate manipulator, arm movements as swing or rotation, the gripper action for expansion and loose clamp. Because the mechanical hand movements placed different workpieces, so the implementation process on the wrist rotation is required. In this paper, the mechanical hand for bar, diameter φ 40~ φ 60, length 450~1200mm, introduces its composition and classification, degree of freedom and coordinate type, hydraulic technology characteristics, PLC control characteristics and development at home and abroad, for the overall design of manipulator, to determine the coordinates of the manipulator types and degrees of freedom, to determine the technical parameters of the manipulator, manipulator arm structure design, hydraulic system design of mechanical hand, draw the working principle of the hydraulic system of manipulator diagram. The control of the manipulator programmable controller, select the appropriate PLC model, according to the workflow manipulator developed PLC control program, draw the mechanical hand work of the sequential function chart and the ladder diagram, and control program of programmable controlle Keywords: manipulator, spherical coordinate industrial manipulator, grasping, bar; hydraulic; PLC 目 錄 摘 要 II Abstract III 目 錄 IV 1 緒 論 1 1.1選題背景 1 1.2 機械手發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 2 1.3 機械手的系統(tǒng)工作原理及組成 2 1.3 球坐標工業(yè)機械手的組成 2 2 球坐標工業(yè)機械手設計要求與方案 3 2.1 球坐標工業(yè)機械手技術參數 3 2.2總體方案分析 3 2.3　動作原理 4 2.4　工業(yè)機械手的傳動方案設計 4 2.5球坐標工業(yè)機械手驅動方式的選擇 5 3 球坐標工業(yè)機械手各主要組成部分設計 7 3.1手部結構 7 3.1.1手部結構種類 7 3.1.2 夾持器設計計算 8 3.1.3手部校核 9 3.2 升降方向設計計算 9 3.2.1 初步確系統(tǒng)壓力 10 3.2.2 升降油缸計算 10 3.3油缸主要部位的計算校核 14 3.3.1缸筒壁厚的計算 14 3.3.2 活塞桿強度和液壓缸穩(wěn)定性計算 15 3.3.3缸筒壁厚的驗算 17 3.3.4 缸筒的加工要求 18 3.3.5法蘭設計 19 3.3.6 (缸筒端部）法蘭連接螺栓的強度計算 19 3.4 活塞的設計 21 3.5 導向套的設計與計算 22 3.6 端蓋和缸底的設計與計算 24 3.7 缸體長度的確定 25 3.8 緩沖裝置的設計 25 3.9 排氣裝置 26 3.10 密封件的選用 28 3.11 防塵圈 29 3.12 液壓缸的安裝連接結構 30 3.13 水平方向設計計算 33 3.13.1 水平方向計算 33 3.13.2 油缸的選型 33 3.14 底座回轉機構設計計算 33 3.14.1 回轉部位負載計算校核 34 3.14.2 油馬達的選型 35 3.15機身結構的設計校核 37 3.15.1 油馬達的選擇 37 3.15.2螺柱的設計與校核 37 3.15.3機座的機械結構 38 3.6 繪制液壓系統(tǒng)圖 39 3.6.1 計算和選擇液壓元件 40 3.6.2液壓系統(tǒng)性能的驗算 41 4 機械手控制系統(tǒng)設計 42 4.1 機械手的工藝過程 42 4.2 PLC 控制系統(tǒng) 43 4.3 PLC 控制系統(tǒng)程序設計 44 總結與展望 47 參考文獻 48 致 謝 49 1 緒 論 1.1選題背景 機械手是工業(yè)自動化發(fā)展過程中的重要產物之一，它不僅提高了勞動生產的效率，還能代替人類完成高強度、危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，可以說是一舉兩得。在機械行業(yè)中，機械手越來越廣泛的得到應用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數控機床、組合機床上使用更為普遍。目前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機床設備和機械手共同構成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。但目前我國的工業(yè)機械手技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規(guī)模和產業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國機械行業(yè)自動化生產水平的提高，從經濟上、技術上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計具有重要意義。隨著工業(yè)自動化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動場合必將由機器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動強度，另一方面可以大大提高勞動生產率。 目前，我國大多數工廠的生產線上裝卸工件仍由人工完成，其勞動強度大、生產效率低，而且具有一定的危險性，已經滿足不了生產自動化的發(fā)展趨勢。為了提高工作效率,降低成本,并使生產線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng),適應現(xiàn)代機械行業(yè)自動化生產的要求,針對具體生產工藝,結合機床的實際結構，利用機械手技術，設計用一臺上下料機械手代替人工工作，以提高勞動生產率。本機械手主要與數控機床組合最終形成生產線，實現(xiàn)加工過程的自動化和無人化。 1.2 機械手發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢 ??? 目前，國內外各種機械手和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下： （1）機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。 （2）工業(yè)機械手控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網絡化；器件集成度提高，結構小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性，而且維修方便。 （3）機械手中的傳感器作用日益重要，使其向智能化方向發(fā)展。 （4）關節(jié)式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機械手產品標準化、通用化、模塊化、系列化設計；柔性仿形噴涂機械手開發(fā)，柔性仿形復合機構開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)； （5）焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機械手產品的標準化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。 ??總的來說，大體是兩個方向：其一是機械手的智能化，多傳感器，多控制器，先進的控制算法，復雜的機電控制系統(tǒng)；其二是與生產加工相聯(lián)系，性價比高，在滿足工作要求的基礎上，追求系統(tǒng)的經濟、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。? 1.3 機械手的系統(tǒng)工作原理及組成 機械手的系統(tǒng)工作原理框圖如圖1-1所示。 控制系統(tǒng) （PLC） 位置檢測裝置 驅動系統(tǒng) 執(zhí)行機構 機身 手臂 手腕 手部 圖1-1機械手的系統(tǒng)工作原理框圖 機械手的工作原理：機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機構的相應部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置。 （1）執(zhí)行機構 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。 ①手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本設計中采用夾持式手部結構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置， 因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。 ②手腕 是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢)。 ③手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如氣缸、液壓缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 ④立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 ⑤機座 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 （2）驅動系統(tǒng) 驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的。它由動力裝置、調節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動。 （3）控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 （4）位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置。 1.3 球坐標工業(yè)機械手的組成 執(zhí)行系統(tǒng)一般包括手部、腕部、臂部、機身機座等，其中最主要是運動系統(tǒng)。 球坐標工業(yè)機械手主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)三部分組成。 手部是夾緊（或吸附、托持）與松開工件或工具 的部件，由手指（或吸盤），驅動元件和傳動元件等組成。 時間、速度和加速度等參數。 球坐標工業(yè)機械手與主機及其它有關裝置之間的聯(lián)系[3]。 2 球坐標工業(yè)機械手設計要求與方案 2.1 球坐標工業(yè)機械手技術參數 坐標形式:球坐標 坐標系 抓重 自由度 伸縮X 升降Z 球坐標 200N 4 350mm，<200mm/s 橫移Y 回轉φ 俯仰θ 0°~210°，<90°/s 0°~45°，<90°/s 　 回轉ω 手指夾持范圍 0°~180°，<90°/s 棒料，直徑φ40~φ60，長度450~1200mm 定位方式 驅動方式 定位精度 控制方式 電位器(或接近開關等)設定，點位控制 液壓(中、低壓系統(tǒng)) ±3mm PLC控制 2.2總體方案分析 由設計內容可知，本次設計所確定的機械手的整體結構為球坐標式機械手，此機械手要實現(xiàn)從傳送帶到設備的上下料過程。傳送帶移動方向與設備上所夾持的工件方向垂直。因此手臂動作為擺動或者轉動，手爪的動作為伸縮和松夾。由于此機械手的動作要求放置不同的工件，所以實現(xiàn)上下料過程也要求手腕能旋轉動作。 通過以上分析，這里初選三個方案，各方案如下： 方案一：機身的旋轉，采用電動機驅動實現(xiàn)，大手臂的俯仰也采用電動機驅動實現(xiàn)，小手臂的伸縮用伸縮缸實現(xiàn)，手腕的回轉用電動機實現(xiàn)。 方案二：機身的旋轉，采用電動機驅動實現(xiàn)，大手臂的俯仰也采用電動機驅動實現(xiàn)，小手臂的伸縮用齒輪齒條實現(xiàn)，手腕的回轉用電動機實現(xiàn)。 方案三：機身的旋轉，采用擺動液壓缸驅動實現(xiàn)，大手臂的俯仰采用擺動液壓缸驅動實現(xiàn)，小手臂的伸縮用伸縮缸實現(xiàn)，手腕的回轉用擺動液壓缸。 通過方案一，方案二和方案三的比較分析可知，方案一從功能上講可以滿足條件，但電動機的造價太高，不太經濟。方案二中也存在上述的問題。同時齒輪齒條的驅動精度太低，在抓取工件時定位精度不夠準確，且結構大而復雜。方案三中，由液壓缸來完成的部分，不僅驅動力大且結構也相對簡單，雖然擺動缸結構尺寸大但輸出轉矩大，進行優(yōu)化設計，從而得出方案三最佳，并最終確定此次的設計方案方案三，方案如下： 機身旋轉、手腕轉動，均采用擺動缸來控制，手臂的伸縮用伸縮缸控制，手爪的松夾用夾緊缸來控制。 2.3　動作原理 本次設計是液壓驅動，電氣控制。機械手的各個動作是由液壓缸來驅動的，其動作過程是由液壓缸的各個動作運動至終點時壓合行程開關，將行程開關的機械運動通過PLC轉化為電磁閥得電和失電，后由電磁閥控制各油路的通斷，以實現(xiàn)各液壓缸的相應運動，從而控制機械手的各個動作。 2.4　工業(yè)機械手的傳動方案設計 2.4.1　傳動方案設計 按工業(yè)機械手的不同形式及其組合情況，其活動范圍的圖形也是不同的，基本上可分為四種運動形式；直角坐標式機械手、圓柱坐標式機械手、球坐標式機械手、關節(jié)式機械手。 根據設計要求，選用球坐標型式。 由于液壓傳動具有以下幾個優(yōu)點： (1)壓力高，可實現(xiàn)較大的驅動力，機構可做的較小，緊湊。 (2) 無級變速，定位精度高，可實現(xiàn)任意中間位置的停止。系統(tǒng)固有震動頻率小，壓力、容量調節(jié)容易。 (3) 重量小，慣性小，可做到經常快速且無沖擊的變速和換向，容易控制，動作平穩(wěn)，遲滯小。 2.4.2 總體設計框圖 圖2 總體設計框圖 如圖2為總設計框圖，說明如下： (1) 控制系統(tǒng)：任務是根據機械手的作業(yè)指令程序和傳感器反饋回來的信號，控制機械手的執(zhí)行機構，使其完成規(guī)定的運動和功能。主要設計目標為CPU的選擇，CPU程序的編寫調試等。 (2) 驅動系統(tǒng)：驅動系統(tǒng)工作的驅動裝置。 (3) 機械系統(tǒng)：包括機身、機械臂、手腕、手爪。需要確定其自由度、坐標形式，并計算得出具體結構。 (4) 感知系統(tǒng)：即傳感器的選擇及具體作用。 2.5球坐標工業(yè)機械手驅動方式的選擇 機械手常用的驅動方式主要有液壓驅動、液壓驅動和油馬達驅動四種基本形式。 但與液壓驅動相比，功率較小，液壓驅動的能源、結構都比較簡單速度不易控制，精度不高。 油馬達傳動能源簡單，速度和位置精度都很高，使用方便，噪聲低，機構速度變化范圍大，效率高，控制靈活。 液壓驅動的特點是功率大、結構簡單，可省去減速裝置，響應快，精度較高。但是需要有液壓源，而且容易發(fā)生液體泄漏。 起初，我先選擇電動機的傳動結構，但是考慮到機械手的升降運動運用純機械結構并不能達到理想傳動效果。而機械手臂旋轉如若使用液壓或者液壓傳動，就必須帶有旋轉液壓或者旋轉液壓缸，相對來說結構較為復雜，不利于設計。 故改良方案，將驅動方式分成兩個部分。其中，機械臂的回轉采用傳動的驅動方式，通過油馬達帶動齒輪鏈進行旋轉傳動；而機械臂的伸縮、升降和機械手抓的抓取，都采用液壓驅動方式。 3 球坐標工業(yè)機械手各主要組成部分設計 3.1手部結構 3.1.1手部結構種類 1.連桿杠桿式手爪 這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。 2.楔塊杠桿式手爪 利用楔塊與杠桿來實現(xiàn)手爪的松、開，來實現(xiàn)抓取工件。 3.齒輪齒條式手爪 這種手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉，產生手爪的夾緊與松開動作。 4.滑槽式手爪 當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應抓取大小不同的物體。 5.平行杠桿式手爪 不 需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動采用平行四邊形機構，因此，比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小很多 結合具體的工作情況，采用連桿杠桿式手爪。驅動活塞 往復移動，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條 使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工 工件的直徑來調定。本設計按照所要捆綁的重物最大使用 的鋼絲繩直徑為50mm來設計。 a．有適當的夾緊力 手部在工作時，應具有適當的夾緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對于剛性很差的工件夾緊力大小應該設計得可以調節(jié)，對于笨重的工件應考慮采用自鎖安全裝置。 b．有足夠的開閉范圍 工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置?？捎瞄_閉角和手指夾緊端長度表示。于回轉型手部手指開閉范圍，手指開閉范圍的要求與許多因素有關 c．力求結構簡單，重量輕，體積小 作時運動狀態(tài)多變，其結構，重量和體積直接影響整個球坐標工業(yè)機械手的結構，抓重，定位精度，運動速度等性能。手部處于腕部的最前端，工因此，在設計手部時，必須力求結構簡單，重量輕，體積小。 d．手指應有一定的強度和剛度 因此送料，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，根據工件的形狀，松開時，用單作用式液壓缸。此種結構較為簡單，制造方便。 液壓缸右腔停止進油時，液壓缸右腔進油時松開工件。 3.1.2 夾持器設計計算 手爪要能抓起工件必須滿足： （3-6） 式中，-----為所需夾持力； -----安全系數，通常取1.2~2； -----為動載系數，主要考慮慣性力的影響可按估算，為機械手在搬運工件過程的加速度，，為重力加速度； -----方位系數，查表選取； -----被抓持工件的重量 200N； 帶入數據，計算得： ； 理論驅動力的計算： （3-7） 式中，----為柱塞缸所需理論驅動力； ----為夾緊力至回轉支點的垂直距離； -----為扇形齒輪分度圓半徑； -----為手指夾緊力； ---齒輪傳動機構的效率，此處選為0.92； 其他同上。帶入數據，計算得 計算驅動力計算公式為： （3-8） 式中，-----為計算驅動力； ---安全系數，此處選1.2； ---工作條件系數，此處選1.1； 而液壓缸的工作驅動力是由缸內油壓提供的，故有 （3-9） 式中，---為柱塞缸工作油壓； ----為柱塞截面積；選取缸內徑為50mm 3.1.3手部校核 活塞桿直徑查《液壓傳動與控制手冊》根據桿徑比d/D，一般的選取原則是：當活塞桿受拉時，一般選取d/D=0.3-0.5，當活塞桿受壓時，一般選取d/D=0.5-0.7。本設計選擇d/D=0.7，d=35 mm ==961625N》37700N 計算所得的力遠遠大于實際所需要的力，所以滿足要求。 經計算，所需的油壓約為： (后續(xù)章節(jié)進行介紹) 3.2 升降方向設計計算 3.2.1 初步確系統(tǒng)壓力 表3-1 按負載選擇工作壓力[1] 負載/ KN <5 5~10 10~20 20~30 30~50 >50 工作壓力/MPa < 0.8~1 1.5~2 2.5~3 3~4 4~5 ≥5 表3-2 各種機械常用的系統(tǒng)工作壓力[1] 機械類型 機 床 農業(yè)機械 小型工程機械 建筑機械 液壓鑿巖機 液壓機 大中型挖掘機 重型機械 起重運輸機械 磨床 組合 機床 龍門 刨床 拉床 工作壓力/MPa 0.8~2 3~5 2~8 8~10 10~18 20~32 液壓系統(tǒng)的最大負載約為2000N（其中重物200N，其它零部件重量加上摩擦超載等因素），初選液壓缸的設計壓力P1=10MPa 3.2.2 升降油缸計算 手臂作垂直運動時，除克服摩擦阻力F摩和慣性力F慣之外，還要克服臂部運動部件的重力，故其驅動力F驅可按下式計算： F驅 = F摩 + F慣± W(N)（4-2） 式中F摩——各支承處的摩擦力（N）； F慣——啟動時慣性力（N）可按臂伸縮運動時的情況計算； W——臂部運動部件的總重量（N）； ±——上升時為正，下降時為負。 F慣其大小可按下式估算： F慣= a (N) 式中W——手臂伸縮部件的總重量（N）； g——重力加速度（g =9.8m/s）； a——啟動過程中的平均加速度（m/s），a = (m/s)； △v——速度變化量。手臂從靜止狀態(tài)加速到工作速度V時，則這個過程的速度變化量就等于手臂的工作速度； △t——啟動過程中所用的時間，一般為0.01~0.5s。 當F摩=100N，F(xiàn)慣=130N，W =1000N(估算重物和臂部結構重量)時，△V = 250mm/s (題目條件) F驅=100+×+1000=1151（N） ，取液壓缸的機械效率ηcm=0.9。 （2）計算液壓缸內徑D和活塞桿直徑d 知最大負載工進F為1151.02N，取d/D=0.7 =1.27 D==0.124m=124mm 查得油缸的液壓缸的內徑為125mm,活塞桿直徑為90mm,有效行程為200 mm 表4.1 液壓缸內徑系列 mm 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 200 320 400 500 (1) 液壓缸缸體厚度計算 缸體是液壓缸中最重要的零件，當液壓缸的工作壓力較高和缸體內經較大時，必須進行強度校核。缸體的常用材料為20、25、35、45號鋼的無縫鋼管。在這幾種材料中45號鋼的性能最為優(yōu)良，所以這里選用45號鋼作為缸體的材料。 式中，——實驗壓力，MPa。當液壓缸額定壓力Pn5.1MPa時，Py=1.5Pn，當Pn16MPa時，Py=1.25Pn。 []——缸筒材料許用應力，N/mm。[]=，為材料的抗拉強度。 注：1.額定壓力Pn 額定壓力又稱公稱壓力即系統(tǒng)壓力，Pn=10MPa 2.最高允許壓力Pmax Pmax1.5Pn=1.2510=12.5MPa 液壓缸缸筒材料采用45鋼，則抗拉強度：σb=600MPa 安全系數n按《液壓傳動與控制手冊》P243表2—10，取n=5。 則許用應力[]==120MPa 取液壓缸厚度12.5mm。 取液壓缸缸體外徑為150mm。 4.液壓缸長度的確定 液壓缸長度L根據工作部件的行程長度確定。 L=350mm (題目要求) 5. 活塞桿直徑的設計 查《液壓傳動與控制手冊》根據桿徑比d/D，一般的選取原則是：當活塞桿受拉時，一般選取d/D=0.3-0.5，當活塞桿受壓時，一般選取d/D=0.5-0.7。本設計我選擇d/D=0.7，即d=0.7D=0.7×125=87.5mm。 表4.2 活塞桿直徑系列 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 200 280 320 360 400 故取d=90mm。 2.活塞桿強度計算： 式中 ————許用應力；（Q235鋼的抗拉強度為375-500MPa，取400MPa，為位安全系數取5，即活塞桿的強度適中） 3．活塞桿的結構設計 活塞桿的外端頭部與負載的拖動電機機構相連接，為了避免活塞桿在工作生產中偏心負載力，適應液壓缸的安裝要求，提高其作用效率，應根據負載的具體情況，選擇適當的活塞桿端部結構。 4.活塞桿的密封與防塵 活塞桿的密封形式有Y形密封圈、U形夾織物密封圈、O形密封圈、V形密封圈等[6]。采用薄鋼片組合防塵圈時，防塵圈與活塞桿的配合可按H9/f9選取。薄鋼片厚度為0.5mm。為方便設計和維護，本方案選擇O型密封圈。 液壓缸工作行程長度可以根據執(zhí)行機構實際工作的最大行程確定，并參照表4-4選取標準值。液壓缸活塞行程參數優(yōu)先次序按表4-4中的a、b、c選用。 表4-4（a）液壓缸行程系列（GB 2349-80）[6] 25 50 80 100 125 160 200 200 320 400 500 630 800 1000 1200 1600 2000 2000 3200 4000 表4-4（b） 液壓缸行程系列（GB 2349-80）[6] 40 63 90 110 140 180 220 280 360 450 550 700 900 1100 1400 1800 2200 2800 3600 表4-4（c） 液壓缸形成系列（GB 2349-80）[6] 240 260 300 340 380 420 480 530 600 650 750 850 950 1050 1200 1300 1500 1700 1900 2100 2400 2600 3000 3400 3800 3.3油缸主要部位的計算校核 3.3.1缸筒壁厚的計算 在中、低壓系統(tǒng)中，液壓缸的壁厚基本上由結構和工藝上的要求確定，壁厚通常都能滿足強度要求，一般不需要計算。但是，當液壓缸的工作壓力較高和缸筒內徑較大時，必須進行強度校核。 當時，稱為薄壁缸筒，按材料力學薄壁圓筒公式計算，計算公式為 式（3-2） 式中，—缸筒內最高壓力； —缸筒材料的許用壓力。=, 為材料的抗拉強度，n為安全系數，當時，一般取。 當時,按式（3-3）計算 (該設計采用無縫鋼管) 式（3-3） 根據缸徑查手冊預取=30 此時 最高允許壓力一般是額定壓力的1.5倍，根據給定參數，所以： =71.5=10.5MP []=100～110（無縫鋼管），取[]=100，其壁厚按公式（3-3）計算為 滿足要求，就取壁厚為6mm。 3.3.2 活塞桿強度和液壓缸穩(wěn)定性計算 A.活塞桿強度計算 活塞桿的直徑按下式進行校核 式中，為活塞桿上的作用力； 為活塞桿材料的許用應力，=,n一般取1.40。 滿足要求 B.液壓缸穩(wěn)定性計算 活塞桿受軸向壓縮負載時，它所承受的力不能超過使它保持穩(wěn)定工作所允許的臨界負載，以免發(fā)生縱向彎曲，破壞液壓缸的正常工作。的值與活塞桿材料性質、截面形狀、直徑和長度以及液壓缸的安裝方式等因素有關。若活塞桿的長徑比且桿件承受壓負載時，則必須進行液壓缸穩(wěn)定性校核?；钊麠U穩(wěn)定性的校核依下式進行 式中，為安全系數，一般取=2~4。 a.當活塞桿的細長比時 b.當活塞桿的細長比時 式中，為安裝長度，其值與安裝方式有關，見表1；為活塞桿橫截面最小回轉半徑，；為柔性系數，其值見表3-2； 為由液壓缸支撐方式決定的末端系數，其值見表1；為活塞桿材料的彈性模量，對鋼?。粸榛钊麠U橫截面慣性矩；為活塞桿橫截面積；為由材料強度決定的實驗值，為系數，具體數值見表3-3。 表3-2液壓缸支承方式和末端系數的值 支承方式 支承說明 末端系數 一端自由一端固定 1/4 兩端鉸接 1 一端鉸接一端固定 2 兩端固定 4 表3-3 、、的值 材料 鑄鐵 5.6 1/1600 80 鍛鐵 2.5 1/9000 110 鋼 4.9 1/5000 85 c.當時,缸已經足夠穩(wěn)定，不需要進行校核。 此設計安裝方式中間固定的方式，此缸已經足夠穩(wěn)定，不需要進行穩(wěn)定性校核。 3.3.3缸筒壁厚的驗算 下面從以下三個方面進行缸筒壁厚的驗算： A液壓缸的額定壓力值應低于一定的極限值，保證工作安全： 式（3-4） 根據式（3-4）得到： 顯然，額定油壓==7MP，滿足條件； B為了避免缸筒在工作時發(fā)生塑性變形，液壓缸的額定壓力值應與塑性變形壓力有一定的比例范圍： 式（3-5） 式（3-6） 先根據式（3-6）得到： =41.21 再將得到結果帶入（3-5）得到： 顯然，滿足條件； C耐壓試驗壓力，是液壓缸在檢查質量時需承受的試驗壓力。在規(guī)定的時間內，液壓缸在此壓力 下，全部零件不得有破壞或永久變形等異?，F(xiàn)象。 各國規(guī)范多數規(guī)定: 當額定壓力時 （MPa） D為了確保液壓缸安全的使用，缸筒的爆裂壓力應大于耐壓試驗壓力： (MPa） 式（3-7） 因為查表已知=596MPa，根據式（3-7）得到： 至于耐壓試驗壓力應為： 因為爆裂壓力遠大于耐壓試驗壓力，所以完全滿足條件。 以上所用公式中各量的意義解釋如下： 式中: —缸筒內徑（）； —缸筒外徑（）； —液壓缸的額定壓力（） —液壓缸發(fā)生完全塑形變形的壓力（）； —液壓缸耐壓試驗壓力（）； —缸筒發(fā)生爆破時壓力（）； —缸筒材料抗拉強度（）； —缸筒材料的屈服強度（； —缸筒材料的彈性模量（）； —缸筒材料的泊桑系數 鋼材：=0.3 3.3.4 缸筒的加工要求 缸筒內徑采用H7級配合，表面粗糙度為0.16，需要進行研磨； 熱處理：調制，HB240； 缸筒內徑的圓度、錐度、圓柱度不大于內徑公差之半； 剛通直線度不大于0.03mm； 油口的孔口及排氣口必須有倒角，不能有飛邊、毛刺； 在缸內表面鍍鉻，外表面刷防腐油漆。 3.3.5法蘭設計 液壓缸的端蓋形式有很多，較為常見的是法蘭式端蓋。本次設計選擇法蘭式端蓋 （缸筒端部）法蘭厚度根據下式進行計算： 式（3-8） 式中， -法蘭厚度（m）； —密封環(huán)內經d=40mm（m）； 密封環(huán)外徑（m）；=50mm 系統(tǒng)工作壓力（pa）；=7MPa 附加密封力（Pa）；值取其材料屈服點353MPa； 螺釘孔分布圓直徑（m）；=55mm 密封環(huán)平均直徑（m）；=45mm 法蘭材料的許用應力（Pa）；[]=/n=353/5=70.6MPa —法蘭受力總合力（m） 所以=13.2mm 為了安全取=14mm 3.3.6 (缸筒端部）法蘭連接螺栓的強度計算 連接圖如下： 圖3-1缸體端部法蘭用螺栓連接 1-前端蓋；2-缸筒 螺栓強度根據下式計算： 螺紋處的拉應力: (MPa) 式（3-9） 螺紋處的剪應力 (MPa) 式（3-10） 合成應力 (MPa) 式（3-11） 式中, —液壓缸的最大負載，=A，單桿時，雙桿是 —螺紋預緊系數，不變載荷=1.25~1.5，變載荷=2.5~4； —液壓缸內徑； —缸體螺紋外徑； —螺紋內經； —螺紋內摩擦因數，一般取=0.12;變載荷取=2.5~4； —材料許用應力，,為材料的屈服極限，n為安全系數，一般取n=1.2~1.5； Z—螺栓個數。 最大推力為： 使用4個螺栓緊固缸蓋，即：=4 螺紋外徑和底徑的選擇： =10mm =8mm 系數選擇：選取=1.3=0.12 根據式（3-9）得到螺紋處的拉應力為： = 根據式（3-10）得到螺紋處的剪應力為： 根據式（3-11）得到合成應力為： ==367.6MPa 由以上運算結果知，應選擇螺栓等級為12.9級； 查表的得：抗拉強度極限=1220MP;屈服極限強度=1100MP； 不妨取安全系數n=2 可以得到許用應力值：[]=/n=1100/2=550MP 證明選用螺栓等級合適。 3.4 活塞的設計 活塞的寬度一般取=（0.6-1.0） 即=（0.6-1.0）×125=（75-125）mm 取=80mm 由于活塞在液壓力的作用下沿缸筒往復滑動，因此，它與缸筒的配合應適當，既不能過緊，也不能間隙過大。配合過緊，不僅使最低啟動壓力增大，降低機械效率，而且容易損壞缸筒和活塞的配合表面；間隙過大，會引起液壓缸內部泄露，降低容積效率，使液壓缸達不到要求的設計性能。 活塞與缸體的密封形式分為：間隙密封（用于低壓系統(tǒng)中的液壓缸活塞的密封）、活塞環(huán)密封（適用于溫度變化范圍大、要求摩擦力小、壽命長的活塞密封）、密封圈密封三大類。其中密封圈密封又包括O形密封圈（密封性能好，摩擦因數小，安裝空間?。?、Y形密封圈（用在20Mpa壓力下、往復運動速度較高的液壓缸密封）、形密封圈（耐高壓，耐磨性好，低溫性能好，逐漸取代Y形密封圈）、V形密封圈（可用于50Mpa壓力下，耐久性好，但摩擦阻力大）。綜合以上因素，考慮選用O型密封圈。 3.5 導向套的設計與計算 1.最小導向長度H的確定 當活塞桿全部伸出時，從活塞支承面中點到到導向套滑動面中點的距離稱為最小導向長度[1]。如果導向長度過短，將使液壓缸因間隙引起的初始撓度增大，影響液壓缸工作性能和穩(wěn)定性。因此，在設計時必須保證液壓缸有一定的最小導向長度。根據經驗,當液壓缸最大行程為L,缸筒直徑為D時,最小導向長度為: （4-5） 一般導向套滑動面的長度A，在缸徑小于80mm時取A=(0.6~1.0)D，當缸徑大于80mm時取A=(0.6~1.0)d.?；钊麑挾菳取B=(0.6~1.0)D。若導向長度H不夠時,可在活塞桿上增加一個導向套K(見圖4-1)來增加H值。隔套K的寬度。 圖4-1 液壓缸最小導向長度[1] 因此:最小導向長度，取H=9cm； 導向套滑動面長度A= 活塞寬度B= 隔套K的寬度 2.導向套的結構 導向套有普通導向套、易拆導向套、球面導向套和靜壓導向套等，可按工作情況適當選擇。 1）普通導向套 這種導向套安裝在支承座或端蓋上，油槽內的壓力油起潤滑作用和張開密封圈唇邊而起密封作用[6]。 2）易拆導向套 這種導向套用螺釘或螺紋固定在端蓋上。當導向套和密封圈磨損而需要更換時，不必拆卸端蓋和活塞桿就能進行，維修十分方便。它適用于工作條件惡劣，需經常更換導向套和密封圈而又不允許拆卸液壓缸的情況下。 3）球面導向套 這種導向套的外球面與端蓋接觸，當活塞桿受一偏心負載而引起方向傾斜時，導向套可以自動調位，使導向套軸線始終與運動方向一致，不產生“憋勁“現(xiàn)象。這樣，不僅保證了活塞桿的順利工作，而且導向套的內孔磨損也比較均勻。 4）靜壓導向套 活塞桿往復運動頻率高、速度快、振動大的液壓缸，可以采用靜壓導向套。由于活塞桿與導向套之間有壓力油膜，它們之間不存在直接接觸，而是在壓力油中浮動，所以摩擦因數小、無磨損、剛性好、能吸收振動、同軸度高，但制造復雜，要有專用的靜壓系統(tǒng)。 3.6 端蓋和缸底的設計與計算 在單活塞液壓缸中，有活塞桿通過的端蓋叫端蓋，無活塞桿通過的缸蓋叫缸頭或缸底。端蓋、缸底與缸筒構成密封的壓力容腔，它不僅要有足夠的強度以承受液壓力，而且必須具有一定的連接強度。端蓋上有活塞桿導向孔（或裝導向套的孔）及防塵圈、密封圈槽，還有連接螺釘孔，受力情況比較復雜，設計的不好容易損壞。 1.端蓋的設計計算 端蓋厚h為： 式中 D1——螺釘孔分布直徑，cm； P——液壓力，； ——密封環(huán)形端面平均直徑，cm； ——材料的許用應力，。 2.缸底的設計 缸底分平底缸，橢圓缸底，半球形缸底。 2.端蓋的結構 端蓋在結構上除要解決與缸體的連接與密封外，還必須考慮活塞桿的導向，密封和防塵等問題[6]。缸體端部的連接形式有以下幾種： A．焊接 特點是結構簡單，尺寸小，質量小，使用廣泛。缸體焊接后可能變形，且內缸不易加工。主要用于柱塞式液壓缸。 B．螺紋連接（外螺紋、內螺紋） 特點是徑向尺寸小，質量較小，使用廣泛。缸體外徑需加工，且應與內徑同軸；裝卸徐專用工具；安裝時應防止密封圈扭曲。 C．法蘭連接 特點是結構較簡單，易加工、易裝卸，使用廣泛。徑向尺寸較大，質量比螺紋連接的大。非焊接式法蘭的端部應燉粗。 D．拉桿連接 特點是結構通用性好。缸體加工容易，裝卸方便，使用較廣。外形尺寸大，質量大。用于載荷較大的雙作用缸。 E．半球連接，它又分為外半環(huán)和內半環(huán)兩種。外半環(huán)連接的特點是質量比拉桿連接小，缸體外徑需加工。半環(huán)槽消弱了缸體，為此缸體壁厚應加厚。內半環(huán)連接的特點是結構緊湊，質量小。安裝時端部進入缸體較深，密封圈有可能被進油口邊緣擦傷。 F．鋼絲連接 特點是結構簡單，尺寸小，質量小。 3.7 缸體長度的確定 液壓缸缸體內部長度應等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長度還需要考慮到兩端端蓋的厚度[1]。一般液壓缸缸體長度不應大于缸體內經的20~30倍。取系數為5,則液壓缸缸體長度：L=5*10cm=50cm。 3.8 緩沖裝置的設計 液壓缸的活塞桿（或柱塞桿）具有一定的質量，在液壓力的驅動下運動時具有很大的動量。在它們的行程終端，當桿頭進入液壓缸的端蓋和缸底部分時，會引起機械碰撞，產生很大的沖擊和噪聲。采用緩沖裝置，就是為了避免這種機械撞擊，但沖擊壓力仍然存在，大約是額定工作壓力的兩倍，這就必然會嚴重影響液壓缸和整個液壓缸的強度及正常工作。緩沖裝置可以防止和減少液壓缸活塞及活塞桿等運動部件在運動時對缸底或端蓋的沖擊，在它們的行程終端能實現(xiàn)速度的遞減，直至為零。 當液壓缸中活塞活塞運動速度在6m/min以下時，一般不設緩沖裝置，而運動速度在12m/min以上時，不需設置緩沖裝置。在該組合機床液壓缸中，動力滑臺的最大速度為4m/min,因此沒有必要設計緩沖裝置。 3.9 排氣裝置 如果排氣裝置設置不當或者沒有設置排氣裝置，壓力油進入液壓缸后，缸內仍會存在空氣[6]。由于空氣具有壓縮性和滯后擴張性,會造成液壓缸和整個液壓缸在工作中的顫振和爬行,影響液壓缸的正常工作。比如液壓導軌磨床在加工過程中，這不僅會影響被加工表面的光潔程度和精度，而且會損壞砂輪和磨頭等機構。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，除了防止空氣進入液壓缸外，還必須在液壓缸上設置排氣裝置。配氣裝置的位置要合理，由于空氣比壓力油輕，總是向上浮動，因此水平安裝的液壓缸，其位置應設在缸體兩腔端部的上方；垂直安裝的液壓缸，應設在端蓋的上方。 一般有整體排氣塞和組合排氣塞兩種。整體排氣塞如圖4-2（a）所示。 表4-5 排氣閥（塞）尺寸[6] d 閥座 閥桿 孔 c D M16 6 11 6 19.2 9 3 2 31 17 10 8.5 3 48 4~6 23 M20x2 8 14 7 25.4 11 4 3 39 22 13 11 4 59 4~8 28 圖4-2 (a) 整體排氣孔 圖4-2（b） 組合排氣孔 圖4-2（c） 整體排氣閥零件結構尺寸 由于螺紋與缸筒或端面連接，靠頭部錐面起密封作用。排氣時，擰松螺紋，缸內空氣從錐面空隙中擠出來并經過斜孔排除缸外。這種排氣裝置簡單、方便，但螺紋與錐面密封處同軸度要求較高，否則擰緊排氣塞后不能密封，造成外泄漏。組合排氣塞如圖4-2（b）所示，一般由絡螺塞和錐閥組成。螺塞擰松后，錐閥在壓力的推動下脫離密封面排出空氣。排氣裝置的零件圖及尺寸圖見4-2（c）以及表4-2（d）。 圖4-2（d） 組合排氣閥零件結構尺寸 3.10 密封件的選用 1.對密封件的要求 液壓缸工作中要求達到零泄漏、摩擦小和耐磨損的要求。在設計時，正確地選擇密封件、導向套（支承環(huán)）和防塵圈的結構形式和材料是很重要的。從現(xiàn)在密封技術來分析，液壓缸的活塞和活塞桿及密封、導向套和防塵等應作為一個綜合的密封系統(tǒng)來考慮，具有可靠的密封系統(tǒng)，才能式液壓缸具有良好的工作狀態(tài)和理想的使用壽命。 在液壓元件中，對液壓缸的密封要求是比較高的，特別是一些特殊材料液壓缸，如擺動液壓缸等。液壓缸中不僅有靜密封，更多的部位是動密封，而且工作壓力高，這就要求密封件的密封性能要好，耐磨損，對溫度適應范圍大，要求彈性好，永久變形小，有適當的機械強度，摩擦阻力小，容易制造和裝卸，能隨壓力的升高而提高密封能力和利于自動補償磨損。 密封件一般以斷面形狀分類。有O形、U形、V形、J形、L形和Y形等。除O形外，其他都屬于唇形密封件。 2.O形密封圈的選用 液壓缸的靜密封部位主要是活塞內孔與活塞桿、支承座外圓與缸筒內孔、缸蓋與缸體端面等處[6]。這些部位雖然是靜密封，但因工作由液壓力大，稍有意外，就會引起過量的內漏和外漏。 靜密封部位使用的密封件基本上都是O形密封圈。O形密封圈雖小，確實一種精密的橡膠制品，在復雜使用條件下，具有較好的尺寸穩(wěn)定性和保持自身的性能。在設計選用時，根據使用條件選擇適宜的材料和尺寸，并采取合理的安裝維護措施，才能達到較滿意的密封效果。 安裝O形圈的溝槽有多種形式，如矩形、三角形、V形、燕尾形、半圓形、斜底形等，可根據不同使用條件選擇，不能一概而論。使用最多的溝槽是矩形，其加工簡便，但容易引起密封圈咬邊、扭轉等現(xiàn)象。 2.動密封部位密封圈的選用 液壓缸動密封部位主要有活塞與缸筒內孔的密封、活塞桿與支承座（導向