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寧XX大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
球坐標(biāo)工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)老師
2014年 月 日
摘 要
工業(yè)機(jī)械手（以下簡(jiǎn)稱機(jī)械手）是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，作為多學(xué)科融合的邊沿學(xué)科，它是當(dāng)今高技術(shù)發(fā)展最快的領(lǐng)域之一，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。所謂工業(yè)機(jī)械手就是一種能按給定的程序或要求自動(dòng)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(jī)械裝置，它能部分地代替人的手工勞動(dòng)。較高級(jí)型式的機(jī)械手，還能模擬人的手臂動(dòng)作，完成較復(fù)雜的作業(yè)。
本次設(shè)計(jì)所確定的機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)為球坐標(biāo)式機(jī)械手，手臂動(dòng)作為擺動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)，手爪的動(dòng)作為伸縮和松夾。由于此機(jī)械手的動(dòng)作要求放置不同的工件，所以實(shí)現(xiàn)上下料過(guò)程也要求手腕能旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。
本文的機(jī)械手用于棒料，直徑φ40~φ60，長(zhǎng)度450~1200mm，介紹它的組成和分類、自由度和座標(biāo)型式、液壓技術(shù)的特點(diǎn)、PLC控制的特點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，對(duì)機(jī)械手進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，確定機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度，確定機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)，設(shè)計(jì)機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出機(jī)械手的液壓系統(tǒng)，繪制機(jī)械手液壓系統(tǒng)工作原理圖。利用可編程序控制器對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制，選取合適的PLC型號(hào)，根據(jù)機(jī)械手的工作流程制定可編程序控制器的控制方案，畫出機(jī)械手的工作時(shí)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(guān)鍵詞：機(jī)械手, 球坐標(biāo)工業(yè)機(jī)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(jī)械手發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì) 2
1.3 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理及組成 2
1.3 球坐標(biāo)工業(yè)機(jī)械手的組成 2
2 球坐標(biāo)工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)要求與方案 3
2.1 球坐標(biāo)工業(yè)機(jī)械手技術(shù)參數(shù) 3
2.2總體方案分析 3
2.3 動(dòng)作原理 4
2.4 工業(yè)機(jī)械手的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) 4
2.5球坐標(biāo)工業(yè)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式的選擇 5
3 球坐標(biāo)工業(yè)機(jī)械手各主要組成部分設(shè)計(jì) 7
3.1手部結(jié)構(gòu) 7
3.1.1手部結(jié)構(gòu)種類 7
3.1.2 夾持器設(shè)計(jì)計(jì)算 8
3.1.3手部校核 9
3.2 升降方向設(shè)計(jì)計(jì)算 9
3.2.1 初步確系統(tǒng)壓力 10
3.2.2 升降油缸計(jì)算 10
3.3油缸主要部位的計(jì)算校核 14
3.3.1缸筒壁厚的計(jì)算 14
3.3.2 活塞桿強(qiáng)度和液壓缸穩(wěn)定性計(jì)算 15
3.3.3缸筒壁厚的驗(yàn)算 17
3.3.4 缸筒的加工要求 18
3.3.5法蘭設(shè)計(jì) 19
3.3.6 (缸筒端部）法蘭連接螺栓的強(qiáng)度計(jì)算 19
3.4 活塞的設(shè)計(jì) 21
3.5 導(dǎo)向套的設(shè)計(jì)與計(jì)算 22
3.6 端蓋和缸底的設(shè)計(jì)與計(jì)算 24
3.7 缸體長(zhǎng)度的確定 25
3.8 緩沖裝置的設(shè)計(jì) 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(jié)構(gòu) 30
3.13 水平方向設(shè)計(jì)計(jì)算 33
3.13.1 水平方向計(jì)算 33
3.13.2 油缸的選型 33
3.14 底座回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 33
3.14.1 回轉(zhuǎn)部位負(fù)載計(jì)算校核 34
3.14.2 油馬達(dá)的選型 35
3.15機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)校核 37
3.15.1 油馬達(dá)的選擇 37
3.15.2螺柱的設(shè)計(jì)與校核 37
3.15.3機(jī)座的機(jī)械結(jié)構(gòu) 38
3.6 繪制液壓系統(tǒng)圖 39
3.6.1 計(jì)算和選擇液壓元件 40
3.6.2液壓系統(tǒng)性能的驗(yàn)算 41
4 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 42
4.1 機(jī)械手的工藝過(guò)程 42
4.2 PLC 控制系統(tǒng) 43
4.3 PLC 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) 44
總結(jié)與展望 47
參考文獻(xiàn) 48
致 謝 49
1 緒 論
1.1選題背景
機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展過(guò)程中的重要產(chǎn)物之一，它不僅提高了勞動(dòng)生產(chǎn)的效率，還能代替人類完成高強(qiáng)度、危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，可以說(shuō)是一舉兩得。在機(jī)械行業(yè)中，機(jī)械手越來(lái)越廣泛的得到應(yīng)用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更為普遍。目前，機(jī)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(gè)重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)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(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。但目前我國(guó)的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國(guó)機(jī)械行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)具有重要意義。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動(dòng)場(chǎng)合必將由機(jī)器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，另一方面可以大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。
目前，我國(guó)大多數(shù)工廠的生產(chǎn)線上裝卸工件仍由人工完成，其勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，而且具有一定的危險(xiǎn)性，已經(jīng)滿足不了生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)。為了提高工作效率,降低成本,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng),適應(yīng)現(xiàn)代機(jī)械行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的要求,針對(duì)具體生產(chǎn)工藝,結(jié)合機(jī)床的實(shí)際結(jié)構(gòu)，利用機(jī)械手技術(shù)，設(shè)計(jì)用一臺(tái)上下料機(jī)械手代替人工工作，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。本機(jī)械手主要與數(shù)控機(jī)床組合最終形成生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的自動(dòng)化和無(wú)人化。
1.2 機(jī)械手發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)
??? 目前，國(guó)內(nèi)外各種機(jī)械手和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn)，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢(shì)如下：
（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。
（2）工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，結(jié)構(gòu)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性，而且維修方便。
（3）機(jī)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(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)械手產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)；柔性仿形噴涂機(jī)械手開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)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(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)械手產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)態(tài)仿真。
??總的來(lái)說(shuō)，大體是兩個(gè)方向：其一是機(jī)械手的智能化，多傳感器，多控制器，先進(jìn)的控制算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，性價(jià)比高，在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場(chǎng)化、模塊化的元件。?
1.3 機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理及組成
機(jī)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(cè)裝置
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
執(zhí)行機(jī)構(gòu)
機(jī)身
手臂
手腕
手部
圖1-1機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理框圖
機(jī)械手的工作原理：機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動(dòng)方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運(yùn)動(dòng)軌跡，有一定速度和時(shí)間的動(dòng)作。同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。位置檢測(cè)裝置隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。
（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。
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(shè)計(jì)中采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，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(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。而傳力機(jī)構(gòu)則通過(guò)手指產(chǎn)生夾緊力來(lái)完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多時(shí)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(lái)調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢(shì))。
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(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如氣缸、液壓缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。
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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。
⑤機(jī)座
機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。
（2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的。它由動(dòng)力裝置、調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、 氣壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)。
（3）控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)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(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成。同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
（4）位置檢測(cè)裝置
控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。
1.3 球坐標(biāo)工業(yè)機(jī)械手的組成
執(zhí)行系統(tǒng)一般包括手部、腕部、臂部、機(jī)身機(jī)座等，其中最主要是運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。
球坐標(biāo)工業(yè)機(jī)械手主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)元件和傳動(dòng)元件等組成。
時(shí)間、速度和加速度等參數(shù)。
球坐標(biāo)工業(yè)機(jī)械手與主機(jī)及其它有關(guān)裝置之間的聯(lián)系[3]。
2 球坐標(biāo)工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)要求與方案
2.1 球坐標(biāo)工業(yè)機(jī)械手技術(shù)參數(shù)
坐標(biāo)形式:球坐標(biāo)
坐標(biāo)系
抓重
自由度
伸縮X
升降Z
球坐標(biāo)
200N
4
350mm，<200mm/s
橫移Y
回轉(zhuǎn)φ
俯仰θ
0°~210°，<90°/s
0°~45°，<90°/s
回轉(zhuǎn)ω
手指夾持范圍
0°~180°，<90°/s
棒料，直徑φ40~φ60，長(zhǎng)度450~1200mm
定位方式
驅(qū)動(dòng)方式
定位精度
控制方式
電位器(或接近開關(guān)等)設(shè)定，點(diǎn)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(shè)計(jì)內(nèi)容可知，本次設(shè)計(jì)所確定的機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)為球坐標(biāo)式機(jī)械手，此機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)從傳送帶到設(shè)備的上下料過(guò)程。傳送帶移動(dòng)方向與設(shè)備上所夾持的工件方向垂直。因此手臂動(dòng)作為擺動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)，手爪的動(dòng)作為伸縮和松夾。由于此機(jī)械手的動(dòng)作要求放置不同的工件，所以實(shí)現(xiàn)上下料過(guò)程也要求手腕能旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。
通過(guò)以上分析，這里初選三個(gè)方案，各方案如下：
方案一：機(jī)身的旋轉(zhuǎn)，采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，大手臂的俯仰也采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，小手臂的伸縮用伸縮缸實(shí)現(xiàn)，手腕的回轉(zhuǎn)用電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)。
方案二：機(jī)身的旋轉(zhuǎn)，采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，大手臂的俯仰也采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，小手臂的伸縮用齒輪齒條實(shí)現(xiàn)，手腕的回轉(zhuǎn)用電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)。
方案三：機(jī)身的旋轉(zhuǎn)，采用擺動(dòng)液壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，大手臂的俯仰采用擺動(dòng)液壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，小手臂的伸縮用伸縮缸實(shí)現(xiàn)，手腕的回轉(zhuǎn)用擺動(dòng)液壓缸。
通過(guò)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(dòng)機(jī)的造價(jià)太高，不太經(jīng)濟(jì)。方案二中也存在上述的問(wèn)題。同時(shí)齒輪齒條的驅(qū)動(dòng)精度太低，在抓取工件時(shí)定位精度不夠準(zhǔn)確，且結(jié)構(gòu)大而復(fù)雜。方案三中，由液壓缸來(lái)完成的部分，不僅驅(qū)動(dòng)力大且結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單，雖然擺動(dòng)缸結(jié)構(gòu)尺寸大但輸出轉(zhuǎn)矩大，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而得出方案三最佳，并最終確定此次的設(shè)計(jì)方案方案三，方案如下：
機(jī)身旋轉(zhuǎn)、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)，均采用擺動(dòng)缸來(lái)控制，手臂的伸縮用伸縮缸控制，手爪的松夾用夾緊缸來(lái)控制。
2.3 動(dòng)作原理
本次設(shè)計(jì)是液壓驅(qū)動(dòng)，電氣控制。機(jī)械手的各個(gè)動(dòng)作是由液壓缸來(lái)驅(qū)動(dòng)的，其動(dòng)作過(guò)程是由液壓缸的各個(gè)動(dòng)作運(yùn)動(dòng)至終點(diǎn)時(shí)壓合行程開關(guān)，將行程開關(guān)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)通過(guò)PLC轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)各液壓缸的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，從而控制機(jī)械手的各個(gè)動(dòng)作。
2.4 工業(yè)機(jī)械手的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)
2.4.1 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)
按工業(yè)機(jī)械手的不同形式及其組合情況，其活動(dòng)范圍的圖形也是不同的，基本上可分為四種運(yùn)動(dòng)形式；直角坐標(biāo)式機(jī)械手、圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手、球坐標(biāo)式機(jī)械手、關(guān)節(jié)式機(jī)械手。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用球坐標(biāo)型式。
由于液壓傳動(dòng)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
(1)壓力高，可實(shí)現(xiàn)較大的驅(qū)動(dòng)力，機(jī)構(gòu)可做的較小，緊湊。
(2) 無(wú)級(jí)變速，定位精度高，可實(shí)現(xiàn)任意中間位置的停止。系統(tǒng)固有震動(dòng)頻率小，壓力、容量調(diào)節(jié)容易。
(3) 重量小，慣性小，可做到經(jīng)?？焖偾覠o(wú)沖擊的變速和換向，容易控制，動(dòng)作平穩(wěn)，遲滯小。
2.4.2 總體設(shè)計(jì)框圖
圖2 總體設(shè)計(jì)框圖
如圖2為總設(shè)計(jì)框圖，說(shuō)明如下：
(1) 控制系統(tǒng)：任務(wù)是根據(jù)機(jī)械手的作業(yè)指令程序和傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)，控制機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使其完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。主要設(shè)計(jì)目標(biāo)為CPU的選擇，CPU程序的編寫調(diào)試等。
(2) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作的驅(qū)動(dòng)裝置。
(3) 機(jī)械系統(tǒng)：包括機(jī)身、機(jī)械臂、手腕、手爪。需要確定其自由度、坐標(biāo)形式，并計(jì)算得出具體結(jié)構(gòu)。
(4) 感知系統(tǒng)：即傳感器的選擇及具體作用。
2.5球坐標(biāo)工業(yè)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式的選擇
機(jī)械手常用的驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和油馬達(dá)驅(qū)動(dòng)四種基本形式。
但與液壓驅(qū)動(dòng)相比，功率較小，液壓驅(qū)動(dòng)的能源、結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單速度不易控制，精度不高。
油馬達(dá)傳動(dòng)能源簡(jiǎn)單，速度和位置精度都很高，使用方便，噪聲低，機(jī)構(gòu)速度變化范圍大，效率高，控制靈活。
液壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是功率大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可省去減速裝置，響應(yīng)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(dòng)機(jī)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，但是考慮到機(jī)械手的升降運(yùn)動(dòng)運(yùn)用純機(jī)械結(jié)構(gòu)并不能達(dá)到理想傳動(dòng)效果。而機(jī)械手臂旋轉(zhuǎn)如若使用液壓或者液壓傳動(dòng)，就必須帶有旋轉(zhuǎn)液壓或者旋轉(zhuǎn)液壓缸，相對(duì)來(lái)說(shuō)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不利于設(shè)計(jì)。
故改良方案，將驅(qū)動(dòng)方式分成兩個(gè)部分。其中，機(jī)械臂的回轉(zhuǎn)采用傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)油馬達(dá)帶動(dòng)齒輪鏈進(jìn)行旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)；而機(jī)械臂的伸縮、升降和機(jī)械手抓的抓取，都采用液壓驅(qū)動(dòng)方式。
3 球坐標(biāo)工業(yè)機(jī)械手各主要組成部分設(shè)計(jì)
3.1手部結(jié)構(gòu)
3.1.1手部結(jié)構(gòu)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(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動(dòng)，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn)手爪的松、開，來(lái)實(shí)現(xiàn)抓取工件。
3.齒輪齒條式手爪
這種手爪通過(guò)活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動(dòng)作。
4.滑槽式手爪
當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過(guò)銷子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。
5.平行杠桿式手爪
不 需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動(dòng)采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此，比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小很多
結(jié)合具體的工作情況，采用連桿杠桿式手爪。驅(qū)動(dòng)活塞 往復(fù)移動(dòng)，通過(guò)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(lái)調(diào)定。本設(shè)計(jì)按照所要捆綁的重物最大使用 的鋼絲繩直徑為50mm來(lái)設(shè)計(jì)。
a．有適當(dāng)?shù)膴A緊力
手部在工作時(shí)，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A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(duì)于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計(jì)得可以調(diào)節(jié)，對(duì)于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。
b．有足夠的開閉范圍
工作時(shí)，一個(gè)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。可用開閉角和手指夾緊端長(zhǎng)度表示。于回轉(zhuǎn)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(guān)
c．力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小
作時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個(gè)球坐標(biāo)工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運(yùn)動(dòng)速度等性能。手部處于腕部的最前端，工因此，在設(shè)計(jì)手部時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小。
d．手指應(yīng)有一定的強(qiáng)度和剛度
因此送料，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，根據(jù)工件的形狀，松開時(shí)，用單作用式液壓缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，制造方便。
液壓缸右腔停止進(jìn)油時(shí)，液壓缸右腔進(jìn)油時(shí)松開工件。
3.1.2 夾持器設(shè)計(jì)計(jì)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(shù)，通常取1.2~2；
-----為動(dòng)載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按估算，為機(jī)械手在搬運(yùn)工件過(guò)程的加速度，，為重力加速度；
-----方位系數(shù)，查表選??；
-----被抓持工件的重量 200N；
帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得： ；
理論驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算： （3-7）
式中，----為柱塞缸所需理論驅(qū)動(dòng)力；
----為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)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(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，此處選為0.92；
其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得
計(jì)算驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式為：
（3-8）
式中，-----為計(jì)算驅(qū)動(dòng)力；
---安全系數(shù)，此處選1.2；
---工作條件系數(shù)，此處選1.1；
而液壓缸的工作驅(qū)動(dòng)力是由缸內(nèi)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(nèi)徑為50mm
3.1.3手部校核
活塞桿直徑查《液壓傳動(dòng)與控制手冊(cè)》根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當(dāng)活塞桿受拉時(shí)，一般選取d/D=0.3-0.5，當(dāng)活塞桿受壓時(shí)，一般選取d/D=0.5-0.7。本設(shè)計(jì)選擇d/D=0.7，d=35 mm
==961625N》37700N
計(jì)算所得的力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所需要的力，所以滿足要求。
經(jīng)計(jì)算，所需的油壓約為： (后續(xù)章節(jié)進(jìn)行介紹)
3.2 升降方向設(shè)計(jì)計(jì)算
3.2.1 初步確系統(tǒng)壓力
表3-1 按負(fù)載選擇工作壓力[1]
負(fù)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(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力[1]
機(jī)械類型
機(jī) 床
農(nóng)業(yè)機(jī)械
小型工程機(jī)械
建筑機(jī)械
液壓鑿巖機(jī)
液壓機(jī)
大中型挖掘機(jī)
重型機(jī)械
起重運(yùn)輸機(jī)械
磨床
組合
機(jī)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(fù)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(shè)計(jì)壓力P1=10MPa
3.2.2 升降油缸計(jì)算
手臂作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，除克服摩擦阻力F摩和慣性力F慣之外，還要克服臂部運(yùn)動(dòng)部件的重力，故其驅(qū)動(dòng)力F驅(qū)可按下式計(jì)算：
F驅(qū) = 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(dòng)時(shí)慣性力（N）可按臂伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)的情況計(jì)算；
W——臂部運(yùn)動(dòng)部件的總重量（N）；
±——上升時(shí)為正，下降時(shí)為負(fù)。
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(dòng)過(guò)程中的平均加速度（m/s），a = (m/s)；
△v——速度變化量。手臂從靜止?fàn)顟B(tài)加速到工作速度V時(shí)，則這個(gè)過(guò)程的速度變化量就等于手臂的工作速度；
△t——啟動(dòng)過(guò)程中所用的時(shí)間，一般為0.01~0.5s。
當(dāng)F摩=100N，F(xiàn)慣=130N，W =1000N(估算重物和臂部結(jié)構(gòu)重量)時(shí)，△V = 250mm/s (題目條件)
F驅(qū)=100+×+1000=1151（N）
，取液壓缸的機(jī)械效率ηcm=0.9。
（2）計(jì)算液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d
知最大負(fù)載工進(jìn)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(nèi)徑為125mm,活塞桿直徑為90mm,有效行程為200 mm
表4.1 液壓缸內(nèi)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(jì)算
缸體是液壓缸中最重要的零件，當(dāng)液壓缸的工作壓力較高和缸體內(nèi)經(jīng)較大時(shí)，必須進(jìn)行強(qiáng)度校核。缸體的常用材料為20、25、35、45號(hào)鋼的無(wú)縫鋼管。在這幾種材料中45號(hào)鋼的性能最為優(yōu)良，所以這里選用45號(hào)鋼作為缸體的材料。
式中，——實(shí)驗(yàn)壓力，MPa。當(dāng)液壓缸額定壓力Pn5.1MPa時(shí)，Py=1.5Pn，當(dāng)Pn16MPa時(shí)，Py=1.25Pn。
[]——缸筒材料許用應(yīng)力，N/mm。[]=，為材料的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度：σb=600MPa
安全系數(shù)n按《液壓傳動(dòng)與控制手冊(cè)》P243表2—10，取n=5。
則許用應(yīng)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(zhǎng)度的確定
液壓缸長(zhǎng)度L根據(jù)工作部件的行程長(zhǎng)度確定。
L=350mm (題目要求)
5. 活塞桿直徑的設(shè)計(jì)
查《液壓傳動(dòng)與控制手冊(cè)》根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當(dāng)活塞桿受拉時(shí)，一般選取d/D=0.3-0.5，當(dāng)活塞桿受壓時(shí)，一般選取d/D=0.5-0.7。本設(shè)計(jì)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(qiáng)度計(jì)算：
式中 ————許用應(yīng)力；（Q235鋼的抗拉強(qiáng)度為375-500MPa，取400MPa，為位安全系數(shù)取5，即活塞桿的強(qiáng)度適中）
3．活塞桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
活塞桿的外端頭部與負(fù)載的拖動(dòng)電機(jī)機(jī)構(gòu)相連接，為了避免活塞桿在工作生產(chǎn)中偏心負(fù)載力，適應(yīng)液壓缸的安裝要求，提高其作用效率，應(yīng)根據(jù)負(fù)載的具體情況，選擇適當(dāng)?shù)幕钊麠U端部結(jié)構(gòu)。
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(shí)，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(shè)計(jì)和維護(hù)，本方案選擇O型密封圈。
液壓缸工作行程長(zhǎng)度可以根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際工作的最大行程確定，并參照表4-4選取標(biāo)準(zhǔn)值。液壓缸活塞行程參數(shù)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(jì)算校核
3.3.1缸筒壁厚的計(jì)算
在中、低壓系統(tǒng)中，液壓缸的壁厚基本上由結(jié)構(gòu)和工藝上的要求確定，壁厚通常都能滿足強(qiáng)度要求，一般不需要計(jì)算。但是，當(dāng)液壓缸的工作壓力較高和缸筒內(nèi)徑較大時(shí)，必須進(jìn)行強(qiáng)度校核。
當(dāng)時(shí)，稱為薄壁缸筒，按材料力學(xué)薄壁圓筒公式計(jì)算，計(jì)算公式為
式（3-2）
式中，—缸筒內(nèi)最高壓力；
—缸筒材料的許用壓力。=, 為材料的抗拉強(qiáng)度，n為安全系數(shù)，當(dāng)時(shí)，一般取。
當(dāng)時(shí),按式（3-3）計(jì)算
(該設(shè)計(jì)采用無(wú)縫鋼管) 式（3-3）
根據(jù)缸徑查手冊(cè)預(yù)取=30
此時(shí)
最高允許壓力一般是額定壓力的1.5倍，根據(jù)給定參數(shù)，所以：
=71.5=10.5MP
[]=100～110（無(wú)縫鋼管），取[]=100，其壁厚按公式（3-3）計(jì)算為
滿足要求，就取壁厚為6mm。
3.3.2 活塞桿強(qiáng)度和液壓缸穩(wěn)定性計(jì)算
A.活塞桿強(qiáng)度計(jì)算
活塞桿的直徑按下式進(jìn)行校核
式中，為活塞桿上的作用力；
為活塞桿材料的許用應(yīng)力，=,n一般取1.40。
滿足要求
B.液壓缸穩(wěn)定性計(jì)算
活塞桿受軸向壓縮負(fù)載時(shí)，它所承受的力不能超過(guò)使它保持穩(wěn)定工作所允許的臨界負(fù)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(zhì)、截面形狀、直徑和長(zhǎng)度以及液壓缸的安裝方式等因素有關(guān)。若活塞桿的長(zhǎng)徑比且桿件承受壓負(fù)載時(shí)，則必須進(jìn)行液壓缸穩(wěn)定性校核?；钊麠U穩(wěn)定性的校核依下式進(jìn)行
式中，為安全系數(shù)，一般取=2~4。
a.當(dāng)活塞桿的細(xì)長(zhǎng)比時(shí)
b.當(dāng)活塞桿的細(xì)長(zhǎng)比時(shí)
式中，為安裝長(zhǎng)度，其值與安裝方式有關(guān)，見表1；為活塞桿橫截面最小回轉(zhuǎn)半徑，；為柔性系數(shù)，其值見表3-2； 為由液壓缸支撐方式?jīng)Q定的末端系數(shù)，其值見表1；為活塞桿材料的彈性模量，對(duì)鋼??；為活塞桿橫截面慣性矩；為活塞桿橫截面積；為由材料強(qiáng)度決定的實(shí)驗(yàn)值，為系數(shù)，具體數(shù)值見表3-3。
表3-2液壓缸支承方式和末端系數(shù)的值
支承方式
支承說(shuō)明
末端系數(shù)
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(dāng)時(shí),缸已經(jīng)足夠穩(wěn)定，不需要進(jìn)行校核。
此設(shè)計(jì)安裝方式中間固定的方式，此缸已經(jīng)足夠穩(wěn)定，不需要進(jìn)行穩(wěn)定性校核。
3.3.3缸筒壁厚的驗(yàn)算
下面從以下三個(gè)方面進(jìn)行缸筒壁厚的驗(yàn)算：
A液壓缸的額定壓力值應(yīng)低于一定的極限值，保證工作安全：
式（3-4）
根據(jù)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(shí)發(fā)生塑性變形，液壓缸的額定壓力值應(yīng)與塑性變形壓力有一定的比例范圍：
式（3-5）
式（3-6）
先根據(jù)式（3-6）得到：
=41.21
再將得到結(jié)果帶入（3-5）得到：
顯然，滿足條件；
C耐壓試驗(yàn)壓力，是液壓缸在檢查質(zhì)量時(shí)需承受的試驗(yàn)壓力。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，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(guó)規(guī)范多數(shù)規(guī)定:
當(dāng)額定壓力時(shí)
（MPa）
D為了確保液壓缸安全的使用，缸筒的爆裂壓力應(yīng)大于耐壓試驗(yàn)壓力：
(MPa） 式（3-7）
因?yàn)椴楸硪阎?596MPa，根據(jù)式（3-7）得到：
至于耐壓試驗(yàn)壓力應(yīng)為：
因?yàn)楸褖毫h(yuǎn)大于耐壓試驗(yàn)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(nèi)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(yàn)壓力（）；
—缸筒發(fā)生爆破時(shí)壓力（）；
—缸筒材料抗拉強(qiáng)度（）；
—缸筒材料的屈服強(qiáng)度（；
—缸筒材料的彈性模量（）；
—缸筒材料的泊桑系數(shù)
鋼材：=0.3
3.3.4 缸筒的加工要求
缸筒內(nèi)徑采用H7級(jí)配合，表面粗糙度為0.16，需要進(jìn)行研磨；
熱處理：調(diào)制，HB240；
缸筒內(nèi)徑的圓度、錐度、圓柱度不大于內(nèi)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(nèi)表面鍍鉻，外表面刷防腐油漆。
3.3.5法蘭設(shè)計(jì)
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(shè)計(jì)選擇法蘭式端蓋
（缸筒端部）法蘭厚度根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：
式（3-8）
式中， -法蘭厚度（m）；
—密封環(huán)內(nèi)經(jīng)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(diǎn)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(yīng)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(qiáng)度計(jì)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(qiáng)度根據(jù)下式計(jì)算：
螺紋處的拉應(yīng)力:
(MPa) 式（3-9）
螺紋處的剪應(yīng)力
(MPa) 式（3-10）
合成應(yīng)力
(MPa) 式（3-11）
式中, —液壓缸的最大負(fù)載，=A，單桿時(shí)，雙桿是
—螺紋預(yù)緊系數(shù)，不變載荷=1.25~1.5，變載荷=2.5~4；
—液壓缸內(nèi)徑；
—缸體螺紋外徑；
—螺紋內(nèi)經(jīng)；
—螺紋內(nèi)摩擦因數(shù)，一般取=0.12;變載荷取=2.5~4；
—材料許用應(yīng)力，,為材料的屈服極限，n為安全系數(shù)，一般取n=1.2~1.5；
Z—螺栓個(gè)數(shù)。
最大推力為：
使用4個(gè)螺栓緊固缸蓋，即：=4
螺紋外徑和底徑的選擇：
=10mm =8mm
系數(shù)選擇：選取=1.3=0.12
根據(jù)式（3-9）得到螺紋處的拉應(yīng)力為：
=
根據(jù)式（3-10）得到螺紋處的剪應(yīng)力為：
根據(jù)式（3-11）得到合成應(yīng)力為：
==367.6MPa
由以上運(yùn)算結(jié)果知，應(yīng)選擇螺栓等級(jí)為12.9級(jí)；
查表的得：抗拉強(qiáng)度極限=1220MP;屈服極限強(qiáng)度=1100MP；
不妨取安全系數(shù)n=2
可以得到許用應(yīng)力值：[]=/n=1100/2=550MP
證明選用螺栓等級(jí)合適。
3.4 活塞的設(shè)計(jì)
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(fù)滑動(dòng)，因此，它與缸筒的配合應(yīng)適當(dāng)，既不能過(guò)緊，也不能間隙過(guò)大。配合過(guò)緊，不僅使最低啟動(dòng)壓力增大，降低機(jī)械效率，而且容易損壞缸筒和活塞的配合表面；間隙過(guò)大，會(huì)引起液壓缸內(nèi)部泄露，降低容積效率，使液壓缸達(dá)不到要求的設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(shù)小，安裝空間?。?、Y形密封圈（用在20Mpa壓力下、往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(dǎo)向套的設(shè)計(jì)與計(jì)算
1.最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H的確定
當(dāng)活塞桿全部伸出時(shí)，從活塞支承面中點(diǎn)到到導(dǎo)向套滑動(dòng)面中點(diǎn)的距離稱為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度[1]。如果導(dǎo)向長(zhǎng)度過(guò)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(shè)計(jì)時(shí)必須保證液壓缸有一定的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),當(dāng)液壓缸最大行程為L(zhǎng),缸筒直徑為D時(shí),最小導(dǎo)向長(zhǎng)度為:
（4-5）
一般導(dǎo)向套滑動(dòng)面的長(zhǎng)度A，在缸徑小于80mm時(shí)取A=(0.6~1.0)D，當(dāng)缸徑大于80mm時(shí)取A=(0.6~1.0)d.?；钊麑挾菳取B=(0.6~1.0)D。若導(dǎo)向長(zhǎng)度H不夠時(shí),可在活塞桿上增加一個(gè)導(dǎo)向套K(見圖4-1)來(lái)增加H值。隔套K的寬度。
圖4-1 液壓缸最小導(dǎo)向長(zhǎng)度[1]
因此:最小導(dǎo)向長(zhǎng)度，取H=9cm；
導(dǎo)向套滑動(dòng)面長(zhǎng)度A=
活塞寬度B=
隔套K的寬度
2.導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)
導(dǎo)向套有普通導(dǎo)向套、易拆導(dǎo)向套、球面導(dǎo)向套和靜壓導(dǎo)向套等，可按工作情況適當(dāng)選擇。
1）普通導(dǎo)向套 這種導(dǎo)向套安裝在支承座或端蓋上，油槽內(nèi)的壓力油起潤(rùn)滑作用和張開密封圈唇邊而起密封作用[6]。
2）易拆導(dǎo)向套 這種導(dǎo)向套用螺釘或螺紋固定在端蓋上。當(dāng)導(dǎo)向套和密封圈磨損而需要更換時(shí)，不必拆卸端蓋和活塞桿就能進(jìn)行，維修十分方便。它適用于工作條件惡劣，需經(jīng)常更換導(dǎo)向套和密封圈而又不允許拆卸液壓缸的情況下。
3）球面導(dǎo)向套 這種導(dǎo)向套的外球面與端蓋接觸，當(dāng)活塞桿受一偏心負(fù)載而引起方向傾斜時(shí)，導(dǎo)向套可以自動(dòng)調(diào)位，使導(dǎo)向套軸線始終與運(yùn)動(dòng)方向一致，不產(chǎn)生“憋勁“現(xiàn)象。這樣，不僅保證了活塞桿的順利工作，而且導(dǎo)向套的內(nèi)孔磨損也比較均勻。
4）靜壓導(dǎo)向套 活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率高、速度快、振動(dòng)大的液壓缸，可以采用靜壓導(dǎo)向套。由于活塞桿與導(dǎo)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(dòng)，所以摩擦因數(shù)小、無(wú)磨損、剛性好、能吸收振動(dòng)、同軸度高，但制造復(fù)雜，要有專用的靜壓系統(tǒng)。
3.6 端蓋和缸底的設(shè)計(jì)與計(jì)算
在單活塞液壓缸中，有活塞桿通過(guò)的端蓋叫端蓋，無(wú)活塞桿通過(guò)的缸蓋叫缸頭或缸底。端蓋、缸底與缸筒構(gòu)成密封的壓力容腔，它不僅要有足夠的強(qiáng)度以承受液壓力，而且必須具有一定的連接強(qiáng)度。端蓋上有活塞桿導(dǎo)向孔（或裝導(dǎo)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(fù)雜，設(shè)計(jì)的不好容易損壞。
1.端蓋的設(shè)計(jì)計(jì)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(yīng)力，。
2.缸底的設(shè)計(jì)
缸底分平底缸，橢圓缸底，半球形缸底。
2.端蓋的結(jié)構(gòu)
端蓋在結(jié)構(gòu)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(dǎo)向，密封和防塵等問(wèn)題[6]。缸體端部的連接形式有以下幾種：
A．焊接 特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，質(zhì)量小，使用廣泛。缸體焊接后可能變形，且內(nèi)缸不易加工。主要用于柱塞式液壓缸。
B．螺紋連接（外螺紋、內(nèi)螺紋） 特點(diǎn)是徑向尺寸小，質(zhì)量較小，使用廣泛。缸體外徑需加工，且應(yīng)與內(nèi)徑同軸；裝卸徐專用工具；安裝時(shí)應(yīng)防止密封圈扭曲。
C．法蘭連接 特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，易加工、易裝卸，使用廣泛。徑向尺寸較大，質(zhì)量比螺紋連接的大。非焊接式法蘭的端部應(yīng)燉粗。
D．拉桿連接 特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)通用性好。缸體加工容易，裝卸方便，使用較廣。外形尺寸大，質(zhì)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(nèi)半環(huán)兩種。外半環(huán)連接的特點(diǎn)是質(zhì)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(yīng)加厚。內(nèi)半環(huán)連接的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量小。安裝時(shí)端部進(jìn)入缸體較深，密封圈有可能被進(jìn)油口邊緣擦傷。
F．鋼絲連接 特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，質(zhì)量小。
3.7 缸體長(zhǎng)度的確定
液壓缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長(zhǎng)度還需要考慮到兩端端蓋的厚度[1]。一般液壓缸缸體長(zhǎng)度不應(yīng)大于缸體內(nèi)經(jīng)的20~30倍。取系數(shù)為5,則液壓缸缸體長(zhǎng)度：L=5*10cm=50cm。
3.8 緩沖裝置的設(shè)計(jì)
液壓缸的活塞桿（或柱塞桿）具有一定的質(zhì)量，在液壓力的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)時(shí)具有很大的動(dòng)量。在它們的行程終端，當(dāng)桿頭進(jìn)入液壓缸的端蓋和缸底部分時(shí)，會(huì)引起機(jī)械碰撞，產(chǎn)生很大的沖擊和噪聲。采用緩沖裝置，就是為了避免這種機(jī)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(huì)嚴(yán)重影響液壓缸和整個(gè)液壓缸的強(qiáng)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(yùn)動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)缸底或端蓋的沖擊，在它們的行程終端能實(shí)現(xiàn)速度的遞減，直至為零。
當(dāng)液壓缸中活塞活塞運(yùn)動(dòng)速度在6m/min以下時(shí)，一般不設(shè)緩沖裝置，而運(yùn)動(dòng)速度在12m/min以上時(shí)，不需設(shè)置緩沖裝置。在該組合機(jī)床液壓缸中，動(dòng)力滑臺(tái)的最大速度為4m/min,因此沒(méi)有必要設(shè)計(jì)緩沖裝置。
3.9 排氣裝置
如果排氣裝置設(shè)置不當(dāng)或者沒(méi)有設(shè)置排氣裝置，壓力油進(jìn)入液壓缸后，缸內(nèi)仍會(huì)存在空氣[6]。由于空氣具有壓縮性和滯后擴(kuò)張性,會(huì)造成液壓缸和整個(gè)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(dǎo)軌磨床在加工過(guò)程中，這不僅會(huì)影響被加工表面的光潔程度和精度，而且會(huì)損壞砂輪和磨頭等機(jī)構(gòu)。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，除了防止空氣進(jìn)入液壓缸外，還必須在液壓缸上設(shè)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(dòng)，因此水平安裝的液壓缸，其位置應(yīng)設(shè)在缸體兩腔端部的上方；垂直安裝的液壓缸，應(yīng)設(shè)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(jié)構(gòu)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(shí)，擰松螺紋，缸內(nèi)空氣從錐面空隙中擠出來(lái)并經(jīng)過(guò)斜孔排除缸外。這種排氣裝置簡(jiǎn)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(luò)螺塞和錐閥組成。螺塞擰松后，錐閥在壓力的推動(dòng)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(jié)構(gòu)尺寸
3.10 密封件的選用
1.對(duì)密封件的要求
液壓缸工作中要求達(dá)到零泄漏、摩擦小和耐磨損的要求。在設(shè)計(jì)時(shí)，正確地選擇密封件、導(dǎo)向套（支承環(huán)）和防塵圈的結(jié)構(gòu)形式和材料是很重要的。從現(xiàn)在密封技術(shù)來(lái)分析，液壓缸的活塞和活塞桿及密封、導(dǎo)向套和防塵等應(yīng)作為一個(gè)綜合的密封系統(tǒng)來(lái)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(duì)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(dòng)液壓缸等。液壓缸中不僅有靜密封，更多的部位是動(dòng)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(duì)溫度適應(yīng)范圍大，要求彈性好，永久變形小，有適當(dāng)?shù)臋C(jī)械強(qiáng)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(dòng)補(bǔ)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(nèi)孔與活塞桿、支承座外圓與缸筒內(nèi)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(huì)引起過(guò)量的內(nèi)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(shí)一種精密的橡膠制品，在復(fù)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(shè)計(jì)選用時(shí)，根據(jù)使用條件選擇適宜的材料和尺寸，并采取合理的安裝維護(hù)措施，才能達(dá)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(jù)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(jiǎn)便，但容易引起密封圈咬邊、扭轉(zhuǎn)等現(xiàn)象。
2.動(dòng)密封部位密封圈的選用
液壓缸動(dòng)密封部位主要有活塞與缸筒內(nèi)孔的密封、活塞桿與支承座（導(dǎo)向