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A robot is a reprogrammable, multifunctional manipulator designed to achieve a variety of tasks can be changed by the program actions to move material, parts, tools or other special equipment. The automatic loading and unloading arm design is a transmission shaft processing line special equipment, mainly by lifting devices, jaw means care feeding device, four major hydraulic system. The design process, first by performing automatic unloading arm structure and principle analysis, the analysis presented in this overall structure of the program on the basis of arm; then, for each of the four main components of device was designed and checked; Then, the hydraulic system design; and finally, through AutoCAD drawing software to draw a diagram of the arm assembly, hydraulic system schematics and main components Fig. Through this design, the consolidation of the university is the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerances and interchangeability theory, mechanical drawing, hydraulic transmission, etc; mastered the design of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD mapping software, the future work of great significance in life. Keywords: Arm, Hydraulic Cylinders, Hydraulic system, Design 40 變速箱傳動軸加工線自動上下料機械臂設計 第一章 緒論 1.1研究背景及意義 機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設備。我國的工業(yè)機械手是從80年代"七五"科技攻關(guān)開始起步,在國家的支持下,通過"七五","八五"科技攻關(guān),目前已經(jīng)基本掌握了機械手操作機的設計制造技術(shù),控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術(shù),運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù),生產(chǎn)了部分機械手關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆，孤焊，點焊，裝配，搬運等機械手，其中有130多臺噴漆機械手在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應用，孤焊機械手已經(jīng)應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的看來，我國的工業(yè)機械手技術(shù)及其工程應用的水平和國外比還有一定距離。 隨著社會生產(chǎn)不斷進步和人們生活節(jié)奏不斷加快，人們對生產(chǎn)效率也不斷提出新要求。由于微電子技術(shù)和計算軟、硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的不斷完善，使機械手技術(shù)快速發(fā)展，其中液壓機械手系統(tǒng)由于其介質(zhì)來源簡便以及不污染環(huán)境、組件價格低廉、維修方便和系統(tǒng)安全可靠等特點，已滲透到工業(yè)領(lǐng)域的各個部門，在工業(yè)發(fā)展中占有重要地位。隨著工業(yè)自動化程度的提高，機械手的應用領(lǐng)域越來越廣。機械手能模擬人的手臂的部分動作，按預定的程序、軌跡及其它要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操縱工具。機械手可以代替很多重復性的體力勞動，從而減輕工人的勞動強度、提高生產(chǎn)效率。 1.2機械手概述 機械手也被稱為自動手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。隨著工業(yè)機械化和自動化的發(fā)展以及液壓技術(shù)自身的一些優(yōu)點，液壓機械手已經(jīng)廣泛應用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)。 1.2.1機械手的組成 機械手主要由手部、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。 1.2.2機械手的分類 機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、液壓式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。機械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機械手。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定的操作。它的特點是具備普通機械的性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是用專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用以解決機床上下料和工件送。這種機械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅(qū)動；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。在國外，目前主要是搞第一類通用機械手，國外稱為機械手 1.3 國內(nèi)外發(fā)展狀況 機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。 1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。 1962年美國機械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機械手。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎(chǔ)。 1978年美國Unimate公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國機械制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。 聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應用機械手，至1977年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進口。 目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機械手具有感覺機能。第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。 一般概況國內(nèi)機械行業(yè)應用的機械手絕大部分為專用機械手,附屬于某一設備,其工作程序是固定的。通用機械手也有發(fā)展,目前應用的都是開關(guān)式點位控制型,伺服型已試制出數(shù)臺在調(diào)試中,連續(xù)軌跡控制型還沒有。 控制方式—有觸點固定程序控制占絕大多數(shù),專用機械手多采用這種控制。 第二章 總體方案設計 2.1設計要求 設計汽車變速箱傳動軸生產(chǎn)線上的自動上下料系統(tǒng)，傳動軸最大直徑80mm，最大長度450mm。 要求設計機械臂系統(tǒng)能夠自動將上道工序加工完成并由傳送帶傳遞來的工件自動送料，并將本工序加工完成的工件自動下料并放置于傳送帶。 2.2方案擬定 2.2.1機械手結(jié)構(gòu)類型 工業(yè)機械手的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標結(jié)構(gòu)，圓柱坐標結(jié)構(gòu)，球坐標結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應的特點，分別介紹如下。 （1）直角坐標機械手結(jié)構(gòu) 直角坐標機械手的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖a2-1.。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標機械手有可能達到很高的位置精度（μm級）。但是，這種直角坐標機械手的運動空間相對機械手的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標機械手的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機械手的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。 直角坐標機械手的工作空間為一空間長方體。直角坐標機械手主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標機械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。 （2）圓柱坐標機械手結(jié)構(gòu) 圓柱坐標機械手的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.b。這種機械手構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。 （3）球坐標機械手結(jié)構(gòu) 球坐標機械手的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1.c。這種機械手結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。 （4）關(guān)節(jié)型機械手結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機械手的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖2-1.d。關(guān)節(jié)型機械手動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機械手本體尺寸，其工作空間比較大。此種機械手在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機械手。關(guān)節(jié)型機械手結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。 圖2-1 四種機械手坐標形式 2.2.2擬定方案 本次設計的上下料機械臂是某變速箱傳動軸加工線專用的設備，調(diào)查發(fā)下凸輪軸自動線是由幾臺專用車床所組成。料道方向平行于機床主軸中心線，并且位于機床主軸的上方。因此機械手只需要做上下動作，即可實現(xiàn)上下料動作。料道的托板2是可以回轉(zhuǎn)的，她是有旋轉(zhuǎn)油缸來操縱。送料是托板處于水平位置，當機械手往機床主軸上下料時，托板就回轉(zhuǎn)到下方。料道傳送工件是間歇式的，加工完一個工件便送料一次，工件從左邊依次進料。每臺機床上面都裝有一個機械手，各自完成自己的上下料動作。方案如下圖示： 圖2-2 總體方案簡圖 2.2.3工作原理分析 該自動上下料機械臂主要由升降裝置、夾爪裝置、托料裝置、液壓系統(tǒng)四大部分組成。工作原理是： （1）車床之間有滑道，當上道工序有加工完成的工件時，工件會被機械臂的托板托起至機床上方，生產(chǎn)線一端的液壓缸會將其沿料道推送至下工序的機床上方托板上； （2）機械臂升降液壓缸活塞桿伸出，夾爪快速下降接近工件； （3）夾爪慢速下降，握住工件，之后升降缸停留； （4）夾緊缸動作，使夾爪夾緊工件； （5）托板擺動桿轉(zhuǎn)動，托板向下轉(zhuǎn)動，離開升降缸下方（即主軸上方）的空間； （6）升降缸繼續(xù)下降，至機床主軸高度處停止，將工件夾持在雙頂尖之間； （7）夾爪松開，同時升降缸快速上升，回復至初始位置； （8）托板擺動缸轉(zhuǎn)動，使托板再次位于對準料道的位置，等待下一個工件。 第三章 升降裝置設計 3.1升降裝置結(jié)構(gòu)方案 根據(jù)2.2.2該自動上下料手臂總體結(jié)構(gòu)方案，得到如下圖示升降裝置結(jié)構(gòu)方案： 圖3-1 升降裝置結(jié)構(gòu)方案 3.2升降缸設計 3.2.1負載計算 （1）工作負載 工作負載等于工作臺自重加上物料的重量 已知傳動軸最大直徑80mm，最大長度450mm，則物料重： 工作臺自重： 故有： （2）摩擦負載 由于工件為垂直起升，所以摩擦負載較小可以忽略不計，即： 靜摩擦負載 動摩擦負載 （3）慣性負載 加速 根據(jù)以上計算，液壓缸各階段中的負載如以下表3-1所示。 表3-1液壓缸各階段負載 工況 計算公式 總負載F/N 缸推力F/N 啟動 650 722.2 加速 617 685.6 下降 650 722.2 上升 683 758.9 3.2.2初選液壓缸的工作壓力 執(zhí)行元件的工作壓力可以根據(jù)負載循環(huán)圖中的最大負載來選取，也可以根據(jù)主機的類型了確定（見表3-2和表3-3）。 表3-1 按負載選擇執(zhí)行元件的工作壓力 負載/ KN <5 510 1020 2030 3050 >50 工作壓力/MPa <0.81 1.52 2.53 34 45 ≥5 表3-2 各種機械常用的系統(tǒng)工作壓力 設備 類型 機 床 農(nóng)業(yè)機械或中型 工程機械 液壓機、重型 機械等 磨床 組合 機床 龍門 刨床 拉床 工作壓力 0.8~2.0 3~5 2~8 8~10 10~16 20~32 所設計的動力滑臺在加速上升時負載最大，其值為758.8N，其它工況時的負載都相對較低，參考表3-1和表3-2按照負載大小或按照液壓系統(tǒng)應用場合來選擇工作壓力的方法，初選液壓缸的工作壓力。 3.2.3液壓缸直徑確定 ； 由計算所得的D與d的值分別按表3-3和表3-4圓整到相近的標準直徑，以便采用標準的密封元件。 表3-3 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列 (GB2348--1980) (mm) 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 （90） 100 （110） 125 （140） 160 （180） 200 （220） 250 320 400 500 630 注：括號內(nèi)數(shù)值為非優(yōu)先選用值 表3-4 活塞桿直徑系列 (GB2348--1980) (mm) 4 5 6 8 10 12 14 16 18 2 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 由GB/T2348-1980查得標準值為D=63mm，d=32mm。 3.2.4液壓缸其它參數(shù)計算 （1）液壓缸壁厚和外徑的計算 液壓缸的壁厚由液壓缸的強度條件來計算。 液壓缸的壁厚一般指液壓缸中最薄處的厚度。從材料力學可以知道，承受內(nèi)壓力的圓筒，其內(nèi)應力分別規(guī)律因為壁厚的不同而各異。一般計算時可以分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。 液壓缸的內(nèi)徑D與其壁厚的比值D/≥10的圓筒稱為薄壁圓筒。起重運輸機械和工程機械的液壓缸，一般采用無縫鋼管，大多屬于薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其壁厚按薄壁圓筒壁厚公式計算 ≥ 式中 ——液壓缸壁厚（m）。 D——液壓缸內(nèi)徑（m）。 ——試驗壓力，一般取最大工作壓力的（1.25~1.5）倍（MPa）。額定壓力≤16Mpa,取=1.5MPa。 ——缸筒材料的許用應力。 = ，其中為材料抗拉剛度，n為安全系數(shù)，一般取n = 5。的值為：鍛鋼： = 110~120 MPa；鑄鋼： = 100~110 MPa；無縫鋼管： = 110~110 MPa；高強度鑄鐵： = 60MPa；灰鑄鐵： = 25MPa。 在中低壓液壓系統(tǒng)中，按上式計算所得液壓缸的壁厚往往很小，使得液壓缸的剛度往往不夠，如在切削加工過程中的變形、安裝變形等引起液壓缸工作過程卡死或者漏油。因此一般不作計算，按經(jīng)驗選取，必要時按上式公式進行校核。 對于D/＜10時，應該按材料力學中的厚壁圓筒公式進行壁厚的計算。 對于脆性材料以及塑性材料 ≥ 式中的符號意思與前面相同。 液壓缸壁厚算出后，即可以求出缸體的外徑為 ≥ + 式中值應該按無縫鋼管標準，或者按有關(guān)標準圓整為標準值。 在設計中，取試驗壓力為最大工作壓力的1.5倍，即 = 1.5×2.15MPa =3.23MPa。而缸筒材料許用應力取為= 100 MPa。 應用公式 ≥ 得，≥ 下面確定缸體的外徑，缸體的外徑≥+=63+2×5.1mm =73.2mm。在液壓傳動設計手冊中查得選取標準值=80mm。在根據(jù)內(nèi)徑D和外徑重新計算壁厚，= =mm =8.5mm。 （2）液壓缸工作行程的確定 液壓缸工作行程長度，可以根據(jù)執(zhí)行元件機構(gòu)實際工作的最大行程來確定，并且參照表3-6中的系列尺寸來選取標準值。 表3-6液壓缸活塞行程參數(shù)系列 （mm） Ⅰ 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000 Ⅱ 40 63 90 110 140 180 220 280 360 450 550 700 900 1100 1400 1800 2200 2800 3900 Ⅲ 240 260 300 340 380 420 480 530 600 650 750 850 950 1050 1200 1300 1500 1700 1900 2100 2400 2600 3000 3800 注：液壓缸活塞行程參數(shù)依Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ次序優(yōu)先選用。 由已知條件知道最大工作行程為300mm,參考上表系列Ⅱ，取液壓缸工作行程為300mm。 （3）缸蓋厚度的確定 一般液壓缸多為平底缸蓋，其有效的厚度t按強度要求可以用下面兩式進行進似計算。 無孔時： 有孔時： 式中 ——缸蓋有效厚度（m）。 ——缸蓋止口內(nèi)徑（m）。 ——缸蓋孔的直徑（m）。 在此次設計中，利用上式計算可取t=25mm （4）最小導向長度的確定 當活塞桿全部外伸時，從活塞支撐面中點到缸蓋滑動支撐面的距離H稱為最小導向長度（圖3-2）。如果導向長度過小，將使液壓缸的初始撓度（間隙引起的撓度）增大，從而影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此設計時必須保證有一定得最小導向長度。 對于一般的液壓缸，最小導向長度H應滿足以下要求 式中 ——液壓缸的最大行程。 ——液壓缸的內(nèi)徑。 為了保證最小導向長度H，如果過分增大和B都是不適宜的，必要時可以在缸蓋和活塞之間增加一個隔套K來增加H的值。隔套的長度C由需要的最小導向長度H決定，即 在此設計中，液壓缸的最大行程為400mm，液壓缸的內(nèi)徑為63mm，所以應用公式的 =mm =51.5mm。 活塞的寬度B一般取得B =（0.6~1.0）D；缸蓋滑動支撐面的長度，根據(jù)液壓缸內(nèi)徑D而定。 當D＜80mm時，?。? 當D＞80mm時，取。 活塞的寬度B=（0.6~1.0）d =37.8~63mm，取50mm （5）缸體長度的確定 液壓缸缸體內(nèi)部長度應等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長度還要考慮到兩端端蓋的厚度。一般液壓缸缸體長度不應該大于內(nèi)徑的20~30倍。缸體長度L =300+50mm=350mm。 （6）固定螺栓得直徑 液壓缸固定螺栓直徑按照下式計算 式中 F——液壓缸最大負載。 Z——固定螺栓個數(shù)。 k——螺紋擰緊系數(shù)，k = 1.121.5。 根據(jù)上式求得 ==4.9mm （7）液壓缸強度校核 1）缸筒壁厚校核： 。 。 前面已經(jīng)通過計算得：D = 63mm, =8.5mm。則有＜10，所以壁厚： 可見缸筒壁厚滿足強度要求。 2）活塞桿穩(wěn)定性的驗算 活塞桿受軸向壓縮負載時，它所承受的軸向力F不能超過使它穩(wěn)定工作所允許的臨界負載，以免發(fā)生縱向彎曲，從而破壞液壓缸的正常工作。的值與活塞桿材料性質(zhì)、截面的形狀、直徑和長度以及液壓缸的安裝方式等因素有關(guān)?；钊麠U的穩(wěn)定性的校核依照下式（穩(wěn)定條件）進行 式中 ——安全系數(shù)，一般取=24。 當活塞桿的細長比＞時 = 當活塞桿的細長比≤時，且 = 20120時，則 = 式中 ——安裝長度，其值與安裝方式有關(guān)。 ——活塞桿截面最小回轉(zhuǎn)半徑， = 。 ——柔性系數(shù)。 ——由液壓缸支承方式?jīng)Q定的末端系數(shù)。 E——活塞桿材料的彈性模量，對剛?cè) = 。 J——活塞桿橫截面慣性矩，A為活塞桿橫截面積。 f——由材料強度決定的實驗值。 根據(jù)驗算，液壓缸滿足穩(wěn)定性要求。 3.2.5液壓缸的結(jié)構(gòu)設計 液壓缸主要尺寸確定以后，就進行各部分的結(jié)構(gòu)設計。主要包括：液壓缸缸體與缸蓋的連接結(jié)構(gòu)、活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)、活塞桿導向部分的結(jié)構(gòu)、密封裝置、緩沖裝置、排氣裝置、以及液壓缸的安裝連接結(jié)構(gòu)等。由于工作條件的不同，結(jié)構(gòu)形式也各不相同。設計時根據(jù)具體情況進行選擇。 （1）缸體與缸蓋的連接形式 缸體與缸蓋常見連接方式有法蘭連接式、半環(huán)連接式 、螺紋連接式 、拉桿連接式 、焊接式連接等。 圖3-4 常見的缸筒和缸蓋結(jié)構(gòu) 圖3-4所示為常見的缸蓋和缸筒連接形式。圖3-4a 為法蘭式連接結(jié)構(gòu)，這種連接結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，容易加工，便于裝卸，強度較大，能夠承受高壓。但是外形尺寸較大，常用于鑄鐵制的缸筒上。 圖3-4b 為半環(huán)式連接結(jié)構(gòu)，這種連接分為外半環(huán)連接和內(nèi)半環(huán)連接兩者形式。它們的缸筒壁部由于開了環(huán)形槽而削弱了強度，為此有時要增加壁厚。它容易加工和裝卸、重量較輕，半環(huán)連接是一種應用較為普遍的連接結(jié)構(gòu)，常用于無縫鋼管和鍛鋼制的缸筒上。 圖3-4c、f 為螺紋連接形式，這種連接分為外螺紋連接和內(nèi)螺紋連接兩者形式。它的缸筒端部結(jié)構(gòu)復雜，外徑加工必須要求同時保證內(nèi)外徑同心，裝卸要使用專用工具，它的外形尺寸和重量都比較小，結(jié)構(gòu)緊湊，常常用于無縫鋼管和鍛鋼制的缸筒上。 圖3-4d 為拉桿式連接形式，這種連接結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好、通用性強、易于裝拆，但是端蓋的體積和重量都非常大，拉桿在受力后容易拉伸變長，從而影響密封效果，僅適用于長度不大的中低壓缸。 圖3-4d 為焊接式連接，這種連接形式強度高，制造簡單，但是焊接時容易引起缸筒的變形。 缸體端部與缸蓋的連接形式與工作壓力、缸體材料以及工作條件有關(guān)。通過綜合考慮，在此設計中，缸體端部與缸蓋采取法蘭連接的形式。 （2）活塞桿導向部分的結(jié)構(gòu) 活塞桿導向部分的結(jié)構(gòu)，包括活塞桿與端蓋、導向套的結(jié)構(gòu)，以及密封、防塵和鎖緊裝置等。導向套的結(jié)果可以做成端蓋整體式直接導向，也可以做成與端蓋分開的導向套導向結(jié)構(gòu)。后者導向套磨損后便于更換，所以應用比較普遍。導向套的位置可以安裝于密封圈的內(nèi)側(cè)，也可以安裝于密封圈的外側(cè)。機床和工程機械中一般采用裝在內(nèi)測的結(jié)構(gòu)，有利于導向套的潤滑；而壓油機常采用裝在外測的結(jié)構(gòu)，在高壓下工作時，使得密封圈由足夠的油壓將唇邊張開，以提高系統(tǒng)的密封性能。 活塞桿處的密封形式由O型、V型、Y型和型密封圈。為了清除活塞桿處外漏部分粘附的灰塵，保證油液清潔以及減少磨損，在端蓋外側(cè)增加防塵圈。此設計經(jīng)過綜合考慮，采取端蓋直接導向。 （3）密封裝置 液壓缸中常見的密封裝置有間隙密封，摩擦環(huán)密封，密封圈密封等。 間隙密封依靠運動件間的微笑間隙來防止泄露。為了提高這種裝置的密封能力，常在活塞的表面制造出幾條微小的環(huán)形槽，用以增大油液通過間隙時的阻力。它結(jié)構(gòu)簡單，摩擦阻力小，可以耐高溫，但是泄露大，加工要求高，磨損后無法恢復原有能力，只有在尺寸小、壓力較低、相對運動速度較高的缸筒和活塞間使用。 摩擦環(huán)密封依靠活塞上的摩擦環(huán)（尼龍或者其他高分子材料制成）在“O”形圈彈力作用下貼緊缸壁而防止泄露。這種材料密封效果好，摩擦阻力較小并且穩(wěn)定，可以耐高溫，磨損后有自動補償能力，但是加工要求高，裝拆不方便，適用于缸筒和活塞之間的密封。 油缸主要采用密封圈密封，密封圈有O形、V形、Y形及組合式等數(shù)種，其材料為耐油橡膠、尼龍、聚氨脂等。它利用橡膠或者塑料的彈性使各種截面的環(huán)形圈貼緊在靜、動配合面之間來防止泄露。它結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，磨損后有自動補償能力，性能可靠，在缸筒和活塞之間、活塞和活塞桿之間、缸筒和缸蓋之間都能使用。 （a）O形密封圈（如圖3-7） O形密封圈的截面為圓形，主要用于靜密封。與唇形密封圈相比，運動阻力較大，作運動密封時容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，故一般不單獨用于油缸運動密封。 圖3-7 O形密封圈 （b）V形密封圈（如圖3-8） V形圈的截面為V形，如圖所示，V形密封裝置是由壓環(huán)、V形圈和支承環(huán)組成。當工作壓力高于10MPa時，可增加V形圈的數(shù)量，提高密封效果。安裝時，V形圈的開口應面向壓力高的一側(cè)。 圖3-8 V形密封圈 （c）Y形密封圈（如圖3-9） Y形密封圈的截面為Y形，屬唇形密封圈(Lip Seal)。它是一種摩擦阻力小、壽命較長的密封圈，應用普遍。Y形圈主要用于往復運動的密封。根據(jù)截面長寬比例的不同，Y形圈可分為寬斷面和窄斷面兩種形式，圖所示為寬斷面Y形密封圈。 圖3-9 Y形密封圈 對于活塞桿外伸部分來說，由于它很容易把臟物帶入液壓缸，使油液受到污染，使密封件磨損，因此常需要在活塞桿密封處增添防塵圈，并且放在向著活塞桿外伸的一段。 （4）緩沖裝置 液壓缸帶動質(zhì)量較大的部件作快速往復運動時，由于運動部件具有很大的動能，因此當活塞運動到液壓缸終端時，會與端蓋碰撞，而產(chǎn)生沖擊和噪聲。這種機械沖擊不僅引起液壓缸的有關(guān)部分的損壞，而且會引起其它相關(guān)機械的損傷。為了防止這種危害，保證安全，應采取緩沖措施，對液壓缸運動速度進行控制。 當活塞移至端部，緩沖柱塞開始插入缸端的緩沖孔時，活塞與缸端之間形成封閉空間，該腔中受困擠的剩余油液只能從節(jié)流小孔或緩沖柱塞與孔槽之間的節(jié)流環(huán)縫中擠出，從而造成背壓迫使運動柱塞降速制動，實現(xiàn)緩沖。 液壓缸中常用的緩沖裝置有節(jié)流口可調(diào)式（如圖3-10）和節(jié)流口變化式（如圖3-11）兩種。 圖3-10 節(jié)流口可調(diào)式緩沖裝置 圖3-11 節(jié)流口變化式緩沖裝置 在此設計中，為了適當?shù)臏p輕加工難度，決定采取如圖3-10所示的緩沖裝置。這種緩沖裝置可以調(diào)節(jié)。 3.3升降連接板設計 升降連接板用于連接升降缸、夾緊缸及夾爪，他們分別用螺栓連接在升降連接板上，根據(jù)后面夾緊缸及夾爪尺寸匹配得到的升降連接板結(jié)構(gòu)尺寸如下圖示： 圖3-12 升降連接板 第四章 夾爪裝置設計 4.1夾爪裝置結(jié)構(gòu)方案 根據(jù)2.2.2該自動上下料手臂總體結(jié)構(gòu)方案，得到如下圖示夾爪裝置結(jié)構(gòu)方案： 圖4-1夾爪裝置結(jié)構(gòu)方案 4.2夾爪手部設計 夾爪手部采用滑槽式結(jié)構(gòu)，手指采用V型結(jié)構(gòu)以適應不同直徑軸的加工要求。根據(jù)設計要求最大夾取軸的直徑為80mm，由此匹配得到夾爪手部結(jié)構(gòu)尺寸如下圖示： 圖4-2夾爪手部結(jié)構(gòu)尺寸 4.3驅(qū)動力的計算 如圖4-2所示為滑槽式手部結(jié)構(gòu)。 圖4-2 滑槽杠桿式手部受力分析 1-手指 2-銷軸 3-拉桿 4-指座 在拉桿3作用下銷軸2向上的拉力為P，并通過銷軸中心O點，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為、，其力的方向垂直于滑槽中心線和并指向點，和的延長線交于A及B，由于和均為直角三角形，故。根據(jù)銷軸的力平衡條件，即 ,; 銷軸對手指的作用力為。手指握緊工件時所需的力稱為握力（即夾緊力），假想握力作用在過手指與工件接觸面的對稱平面內(nèi)，并設兩力的大小相等，方向相反，以N表示由手指的力矩平衡條件，即由手指的力矩平衡條件，即得 因 所以 式中a——手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心線的距離（毫米）。 ——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點連線間的夾角。 由上式可知，當驅(qū)動力P定時，角增大則握力N也隨之增加，但角過大會導致拉桿（即活塞）的行程過大，以及手指滑槽尺寸長度增大，使之結(jié)構(gòu)加大，因此，一般取。這里取角 這種手部結(jié)構(gòu)簡單，具有動作靈活，手指開閉角大等特點。查[業(yè)機械手設計基礎(chǔ)]表2-1可知，V形手指夾緊圓棒料時，握力的計算公式，綜合前面驅(qū)動力的計算方法，可求出驅(qū)動力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力、振動以及傳力機構(gòu)效率的影響，其實際的驅(qū)動力P實際應按以下公式計算，即： = 式中 ——手部的機械效率，一般取； K——安全系數(shù)，一般取 K——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，K可近似按下式估計，，其中為被抓取工件運動時的最大加速度，為重力加速度。 本機械手的工件只做水平和垂直平移，當它的移動速度為500毫米/秒，移動加速度為，工件重量G為，V型鉗口的夾角為120°, 時，拉緊油缸的驅(qū)動力P和P實際計算如下： 根據(jù)鉗爪夾持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當量夾緊力計算公式 把已知條件代入得當量夾緊力為 由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力計算公式 得 取, , 則 4.4夾緊缸設計 4.4.1負載計算 根據(jù)上述4.3的計算可知夾爪所需的驅(qū)動力為238N，為了確保夾緊可靠取夾緊缸的驅(qū)動力為其1.5倍，即： 4.4.2初選液壓缸的工作壓力 執(zhí)行元件的工作壓力可以根據(jù)負載循環(huán)圖中的最大負載來選取，也可以根據(jù)主機的類型了確定（見表3-2和表3-3）。 表3-1 按負載選擇執(zhí)行元件的工作壓力 負載/ KN <5 510 1020 2030 3050 >50 工作壓力/MPa <0.81 1.52 2.53 34 45 ≥5 表3-2 各種機械常用的系統(tǒng)工作壓力 設備 類型 機 床 農(nóng)業(yè)機械或中型 工程機械 液壓機、重型 機械等 磨床 組合 機床 龍門 刨床 拉床 工作壓力 0.8~2.0 3~5 2~8 8~10 10~16 20~32 所設計的動力滑臺在加速上升時負載最大，其值為357N，其它工況時的負載都相對較低，參考表3-1和表3-2按照負載大小或按照液壓系統(tǒng)應用場合來選擇工作壓力的方法，初選液壓缸的工作壓力。 4.4.3液壓缸直徑確定 ； 由計算所得的D與d的值分別按表3-3和表3-4圓整到相近的標準直徑，以便采用標準的密封元件。 表3-3 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列 (GB2348--1980) (mm) 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 （90） 100 （110） 125 （140） 160 （180） 200 （220） 250 320 400 500 630 注：括號內(nèi)數(shù)值為非優(yōu)先選用值 表3-4 活塞桿直徑系列 (GB2348--1980) (mm) 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 由GB/T2348-1980查得標準值為D=40mm，d=20mm。 4.4.4液壓缸其它參數(shù)計算 夾緊缸其他結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)計算過程與升降缸類似，再次不一一復述，經(jīng)過計算最終得到的夾緊缸結(jié)構(gòu)尺寸如下圖所示： 圖4-3 夾緊缸結(jié)構(gòu)尺寸 第五章 托料裝置設計 5.1托料裝置結(jié)構(gòu)方案 根據(jù)2.2.2該自動上下料手臂總體結(jié)構(gòu)方案，得到如下圖示托料裝置結(jié)構(gòu)方案： 圖5-1 托料裝置結(jié)構(gòu)方案 5.2擺動缸設計 5.2.1擺動缸驅(qū)動力矩的計算 回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩的計算公式為： =++ (N·m) 慣性力矩 = 式中 ——臂部回轉(zhuǎn)部件(包括工件)對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m）； ——回轉(zhuǎn)缸動片角速度變化量，在啟動過程=(rad/s)； ——啟動過程的時間(s)； 若手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與回轉(zhuǎn)軸的距離為(前面計算得=800mm)，則 式中 ——回轉(zhuǎn)零件的重心的轉(zhuǎn)動慣量。 = 回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個長600mm，直徑為1000mm的圓柱體，質(zhì)量為100Kg.設置起動角速度=70°/s，則起動角速度=1.22，起動時間設計為0.5s。 === 28 kg·m =28+=93.3kg·m ==93.3=227.6 為了簡便計算，密封處的摩擦阻力矩，由于回油背差一般非常的小，故在這里忽略不計，=0 所以 =227.6+0+0.03 =234.6 回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動力矩需要的力矩。 回轉(zhuǎn)缸回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩。 夾取棒料直徑100mm，長度1000mm，重量10~50Kg，當手部回轉(zhuǎn)時，計算力矩： 手抓、手抓驅(qū)動液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動件等效為一個圓柱體，高為220mm，直徑120mm，其重力估算G=3.14 擦力矩。 啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度=0.314rad，等速轉(zhuǎn)動角速度。 查取轉(zhuǎn)動慣量公式有： 代入： 5.2.2回轉(zhuǎn)缸尺寸參數(shù)的確定 回轉(zhuǎn)缸油腔內(nèi)徑D計算公式為： 式中 P——回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力； d——輸出軸與動片連接處的直徑，初步設計按D/d=1.5~2.5； b——動片寬度，可按2b/(D-d)≥2選取。 選定回轉(zhuǎn)缸的動片寬b=50mm，工作壓力為5MPa，d=50mm =94.9mm 按標準油缸內(nèi)徑選取內(nèi)徑為100mm。 表5-1 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB826-66） （mm） 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 經(jīng)過以上的計算，最終確定的液壓缸的尺寸，內(nèi)徑為100mm，外徑按中等壁厚設計，根據(jù)表5-2（JB1068-67）取外徑選擇168mm，輸出軸徑為50mm。 圖5-2 回轉(zhuǎn)缸的截面圖 表5-2 標準液壓缸外徑（JB1068-67） （mm） 液壓缸內(nèi)徑 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200 20鋼P 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 45鋼 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 5.2.3擺動缸蓋螺釘?shù)挠嬎? 圖5-3 缸蓋螺釘間距示意 表5-3 螺釘間距t與壓力P之間的關(guān)系 工作壓力P（Mpa） 螺釘?shù)拈g距t(mm) 小于150 小于120 小于100 小于80 缸蓋螺釘?shù)挠嬎悖鐖D5-3所示，t為螺釘?shù)拈g距，間距跟工作壓強有關(guān)，見表3-3，在這種聯(lián)結(jié)中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力： 計算： 液壓缸工作壓強為P=5Mpa,所以螺釘間距t小于80mm,試選擇6個螺釘 所以選擇螺釘數(shù)目合適Z=6個 危險截面 所以，=4906.3+7359.4=12265.7N 螺釘材料選擇Q235，（） 螺釘?shù)闹睆? 螺釘?shù)闹睆竭x擇d=10mm.選擇M10的內(nèi)六角圓頭螺釘。 5.2.4動片和輸出軸間的連接螺釘 動片和輸出軸之間的聯(lián)接螺釘一般為偶數(shù)，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔檬鞘箘悠洼敵鲚S之間的配合面緊密接觸不留間隙。根據(jù)動片所受力矩的平衡條件有： = 即 式中 ——每個螺釘預緊力； D——動片的外徑； f——被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，鋼對鋼取f=0.15 螺釘?shù)膹姸葪l件為 或 帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得 ===10416.7N 螺釘材料選擇Q235，則（n=1.2~2.5） 螺釘?shù)闹睆絛=9.3mm 螺釘?shù)闹睆竭x擇d=10mm.選擇M10的內(nèi)六角圓頭螺釘。 5.3托板設計 料道的托板用于托起待加工的軸，他用螺栓連接在擺動缸輸出軸法蘭盤上，根據(jù)托起的待加工軸的尺寸匹配得到的托板結(jié)構(gòu)尺寸如下圖示： 圖5-4 托板結(jié)構(gòu)尺寸 第六章 液壓系統(tǒng)設計 6.1方案的擬定 6.1.1供油方式 從系統(tǒng)速度相差很大可知，該系統(tǒng)在快上和慢上時流量變化很大，因此可以選用變量泵或雙泵供油。 6.1.2調(diào)速回路 由于速度變化大，所以系統(tǒng)功率變化也大，可以選容積調(diào)速回路或雙泵供油回路。 6.1.3速度、換接回路 由于系統(tǒng)各階段對換接的位置要求高，所以采用由行程開關(guān)發(fā)訊控制二位二通電磁閥來實現(xiàn)速度的換接。 根據(jù)上述分析，至少有兩種方案可以滿足系統(tǒng)要求。 （1）用變量泵供油和容積調(diào)速回路調(diào)速，速度換接用二位二通電磁閥來實現(xiàn)，平衡和鎖緊用液控單向閥和單向背壓閥。系統(tǒng)的機械特性、調(diào)速特性很好，功率損失較小，但是系統(tǒng)價格較貴。 （2）用雙泵供油，調(diào)速回路選節(jié)流調(diào)速回路，平衡及鎖緊用液控單向閥和單向背壓閥實現(xiàn)。系統(tǒng)的機械特性、調(diào)速特性不及第一種方案，但其經(jīng)濟性很好，系統(tǒng)效率高。 6.2方案的確定 綜上所述，液壓系統(tǒng)圖的擬定，主要是考慮以下幾個方面的問題： 供油方式 從工況圖分析可知，該系統(tǒng)在快上和快下時所需的流量較小，因此從提高系統(tǒng)的效率，節(jié)省能源的角度考慮，采用單個定量泵的供油方式顯然是不適合的，宜選用雙聯(lián)式定量葉片泵作為油源。 調(diào)速回路 由工況可知可知，該系統(tǒng)在慢速時速度需要調(diào)節(jié)，考慮到系統(tǒng)功率小，滑臺運動速度需要調(diào)節(jié)，考慮到系統(tǒng)功率小，滑臺運動速度低，工作負載變化小，所以采用調(diào)速閥的回油節(jié)流調(diào)速回路。 速度換接回路 由于快上和滿上之間速度需要換接，但對換接到位置要求不高，所以采用由行程開關(guān)發(fā)訊控制二位二通電磁閥來實現(xiàn)速度的換接。下圖為擬定的液壓系統(tǒng)原理圖。 圖6-1 液壓系統(tǒng)原理圖 6.3液壓元件的選擇 6.3.1確定液壓泵的型號及電動機功率 液壓缸在整個工作循環(huán)中最大工作壓力為2.15Mpa.由于該系統(tǒng)比較簡單，所以取其壓力損失，所以液壓泵的工作壓力為 兩個液壓泵同時向系統(tǒng)供油時，若回路中的泄漏按10%計算，則兩個泵的總流量應為，由于液壓缸慢升時所需的流量為:1.87L/min，所以高壓泵的輸出流量不得少于： 根據(jù)以上壓力和流量的數(shù)值查產(chǎn)品目錄，選用YB1-6.3/6.3型的雙聯(lián)葉片泵，其額定壓力為6.3Mpa，小泵和大泵的排量分別為3ml/r,15ml/r；容積效率，總效率，所以驅(qū)動該泵的電動機的功率可由泵的工作壓力（2.15MPa）和輸出流量（當電動機轉(zhuǎn)速為910 r/min） 查電動機產(chǎn)品目錄，擬定選用電動機的型號為Y90S-6,功率為750W，額定轉(zhuǎn)速為910r/min。 6.3.2選擇閥類元件及輔助元件 根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和通過各個閥類元件和輔助元件的流量，可選出這些元件的型號及規(guī)格如下表5-1。 表6-1 液壓元件及規(guī)格 序 號 名 稱 通過流量 型號及規(guī)格 1 濾油器 11.47 X