机械毕业设计（论文）-灯壳冲压上下料机械手液压系统设计（全套图纸） .pdf

i xx 大学 毕业设计(论文) 灯壳冲压上下料机械手 所 在 学 院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指 导 老 师 年 月 日 摘 要 机械手是在在机械化、 自动化生产过程中发展的一种新型装置,使用的一种具有抓 取和移动工件功能的自动化装置。机械手能代替人类、重复枯燥完成危险工作，提高 劳动生产力,减轻人劳动强度。该装置涵盖了位置控制技术可编程控制技术、 检测技术 等。 本课题拟开发的物料液压机械手可在空间抓放物体， 动作灵活多样，根据工件的变 化及运动流程的要求随时更改相关参数,可代替人工在高温危险区进行作业，。 关键词：机械手, 液压机械手，灯壳冲压，提升 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 iii abstract a robot is a new type of device development in mechanization and automation of the production process, an automated device has a gripping and moving the workpiece functional use. robot can replace humans, the risk of repeating the boring work to complete, improve labor productivity, reduce human labor intensity. the device covers the position control programmable control technology, detection technology. the subject material to be developed hydraulic robot can pick and place objects in space, flexible operation, change the relevant parameters according to changes in the movement of the workpiece and the process requirements at any time, you can replace the manual operation in high temperature danger zone. keywords: robot, hydraulic manipulator, light shell stamping, upgrade iv 目 录 摘 要 . ii abstract. iii 目 录 iv 第 1 章 绪论 1 1.1 课题背景及目的 1 1.2 本课题研究的目的和意义 . 2 1.3 液压机械手概念 . 2 1.4 国内液压机械手的研究 . 2 第 2 章 灯壳冲压上下料液压机械手设计要求与方案 4 2.1 液压机械手设计要求 . 4 2.2 基本设计思路 . 4 2.2.1 系统分析 4 2.2.2 总体设计框图 4 2.2.3 液压机械手的基本参数 5 2.3 液压机械手结构设计 . 5 2.4 机械手材料的选择 . 5 2.5 机械臂的运动方式 6 2.6 液压机械手驱动方式的选择 . 6 2.7 动作要求分析 . 7 2.8 液压机械手结构及驱动系统选型 . 7 第 3 章 机械手机械部分的设计计算 8 3.1 手部结构 . 8 3.1.1 端执行器的要求 8 3.1.2 手爪的分类和选取 8 3.2 机械手手爪设计计算 . 9 3.2.1 手爪的力学分析 9 3.2.2 夹紧力及驱动力的计算 10 3.3 夹紧液压缸的设计 . 10 3.4 手爪夹持范围计算 . 12 3.5 机械手手爪夹持精度的分析计算 . 13 3.6 弹簧的设计计算 . 14 3.7 升降方向设计计算 17 3.7.1 初步确系统压力 17 3.7.2 升降液压缸计算 17 3.7.3 活塞杆的计算校核 19 3.7.4 液压缸工作行程的确定 20 3.7.5 活塞的设计 21 3.7.6 导向套的设计与计算 21 3.7.7 端盖和缸底的计算校核 22 3.7.8 缸体长度的确定 23 v 3.7.9 缓冲装置的设计 23 3.7.10 液压缸的选型 23 3.8 水平方向设计计算 . 25 3.8.1 水平方向计算 25 3.8.2 液压缸的选型 25 3.9 机身结构的设计校核 27 3.10 螺柱的设计与校核 . 27 3.11 绘制液压系统图 . 29 第 4 章 液压集成块的设计 30 4.1 块式集成的结构 31 4.2 块式集成的特点 31 4.3 块式集成液压控制装置的设计 32 4.4 计算和选择液压元件 . 35 4.5 液压系统性能的验算 . 36 总结 37 参考文献 38 致 谢 39 1 第 1 章 绪论 1.1 课题背景及目的 由于现代科学技术的发展，在工业生产和日常生活中，液压机械手技术得到了广泛 的应用。智能型液压机械手的研究是近年来科学家同意致力的方向。式液压机械手的人 体模型，它可以模拟各种人类行为和人类的外部特征。未来的液压机械手的管家将不是 梦想。 根据不同的液压机械手的结构， 液压机械手可以分为各种各样的。 轮式移动机械手， 履带式液压机械手，机械手，行走液压机械手等。值得一提的是，行走液压机械手，他 是近年来类机的一个重要研究成果。移动它最喜欢的动物甚至人类交谈。这是一个非常 复杂的自动化程度很高的运动。与传统的轮式和履带式液压机械手相比，对环境的适应 性。在工作空间很小，在崎岖的道路上，楼梯等。不久的将来，这项技术将被广泛使用。 在研究中，液压机械的生产，对液压机械手设计的计算机模拟中的应用是一个非常 重要的过程。包括零件建模，装配液压机械手的仿真，与运动仿真。通过仿真，设计师 可以观察各机构的运动非常直观，知道没有干扰；可以了解各部件的受力，不同的模拟 数据。该方法大大降低了开发时间和成本。 在学校的毕业设计是机械设计制造及其自动化专业学习的最后一个环节，学习在大 学四年的继续深化和检验，具有实践性和综合性，是不是一个单一的其他替代方案，通 过毕业设计可以提高综合能力的培养，是要去上班，提高实际工作能力起着非常重要的 作用。为了实现以下目标： （1）基本理论，基本知识和基本技能的综合运用，提高分析和解决实际问题的能 力。 （2）接受全面的培训工程师必须，提高实际工作能力。为调查研究，文献和数据 收集和分析能力；设计和开发测试计划能力；设计，计算和绘图能力的提高；总结和撰 写论文的能力。 （3）的综合素质和实践能力的测试。 2 1.2 本课题研究的目的和意义 （1）通过对的设计使我们得到对所学相关课程的综合训练； （2）传统的配料以人为主体，而人的操作总是有失误的，并不如机器可靠。本设计， 自动上料系统效率高，反应快，确保高质量进行工作。 （3）本设计的主要任务是通过自动送料系统送到别的地方 传统夹紧机构对加工时的干涉太大，对生产量影响较大，设计一款新的夹紧机 构，使得加工时间缩短，加工精度得到保证，生产量得到提高。 1.3 液压机械手概念 目前，工业机械手的概念，世界是不统一，分类是不一样的。国际标准化联合国最 近采用了美国机械手协会定义了工业机械手的组织：工业机械手是一种可编程的多功能 操作装置，可以改变行动计划，完成各种工作，主要用于材料处理，工件传送。 液压机械手（机械手）是一台自动执行工作。它是一个产品的控制理论，先进的集 成机械电子，计算机，材料和仿生。在工业，医学，农业，建筑业甚至军事等领域中均 有重要的应用。 液压机械手是一种有代表性的， 机械的和电子控制系统， 自动化程度高的生产工具， 在近 50 年的发展。在制造业中，液压工业机械手技术已经得到了广泛的应用。这是一 个高的自动化程度，改善劳动条件，保证产品质量和提高工作效率，发挥了非常重要的 作用。可以说，他是现代工业的技术革命。 执行系统一般包括手，腕，臂，底座，一个主要的运动系统。 主要由液压机械手执行系统，驱动系统和控制系统三部分。 手抓（或吸附，控股）和松开工件或工具的部分，由手指（或吸收） ，驱动元件和 驱动元件。 1.4 国内液压机械手的研究 工业液压机械手的应用在日本有着悠久的历史。在七十年代当工业液压操纵器，然 后经过十年的发展，已在工业液压机械手八十年代流行。他们的年工业产值迅速增加。 1980 达到一千亿日元，1990 至六千亿日元。在 2004 达到了一兆和八千五百亿日元。这 表明工业液压机械手在提高生产效率的重要性。 在国际上，各个国家都实现了工业液压机械手的重要性。因此，工业液压机械手订 3 单锐减。相比于 2003 2002 百分之十的增长的订单。然后工业液压机械手的需求量仍在 上升。从 2001 到 2006，超过 90000 的全球经济增长中的订单。7%的平均年增长率。 国际工业液压机械手的发展方向： 液压机械手涉及多学科、多领域的知识。包括：计算机，电子，控制，人工智能， 传感器，通信和网络，控制，机械等。液压机械手的发展离不开主题。正是由于各学科 整合的相互作用，创建一个自动化程度高，其。随着科学技术的进步，在液压机械手的 应用范围越来越广泛；技术越来越高，功能更强大。它是液压机械手的研究向小型化发 展。液压机械手将更多地进入人们的日常生活。总的发展趋势是模块化，标准化，智能 化。 广泛应用于工业液压机械手，以提高质量和生产力，产品安全人员安全，改善劳动 环境，减轻劳动强度，提高生产效率，节约原材料的消耗，降低了生产成本，具有非常 重要的作用。广泛应用于工业液压机械手的以人为本的原则，它的出现使人们的生活更 方便、美好。液压机械手工业是一个大型高新技术工业计算机，后车。现代军事工业， 液压机械发展的市场前景是非常好的。从第二十世纪起，液压机械行业的稳步增长。在 第二十世纪九十年代，液压机械产品的开发和快速增长，年均增长率超过百分之十。在 2004 到百分之二十的记录。亚洲液压机械手的更多需求，年增长率高达百分之四十三。 经过 40 年的发展，应用工业液压机械手的许多领域。生产中使用最广泛的液压机械手。 如制造焊接，热处理，表面涂层，加工，装配，测试和仓库，毛（冲压，压铸，锻坯等） 等操作，代替人工操作的液压机械手，极大地提高了生产效率。 4 第 2 章 灯壳冲压上下料液压机械手设计要求与方案 2.1 液压机械手设计要求 设计一种液压机械手,用于灯壳冲压上下料机械手,可上升下降,可左右旋转,可手部 伸长缩短,可夹持工件. 2.2 基本设计思路 2.2.1 系统分析 该机械手是实现生产过程自动化，提高劳动生产率的有力工具。为了在生产过程实 现自动化，机械化，自动化的综合技术经济分析的需要，从而判断是否适当的机械手。 以完成机械手的设计，一般都要先做以下工作： （1）根据使用场合的机械手机械手的，明确的目标和任务。 （2）机械手的工作环境分析。 （3）对系统要求的分析，确定了机械手和方案的基本功能，如自由度的数目，机 械手的运动速度，定位准确，抓住重。此外，根据抓斗液压质量，形状，尺寸和批量生 产，以确定的形式和机械手的位置和握力的大小。 在这方面，我分析如下： （1）为手材料液压机械设计问题，机械手是物料输送机械手。虽然机械手的使用 场合，也非常广泛，涉及到材料的状态，环境因素的作业线，比我的知识和能力，我选 择了材料液压机械手的小对象处理非生产线。 （2）由于机械手我选择的是材料的液压机械手，小对象处理非生产线。因此，系 统的工作环境下，机械厂，准确度高，故障率低，速度。 2.2.2 总体设计框图 5 图图 2 总体设计框图总体设计框图 如图 2 为总设计框图，说明如下： (1) 控制系统：任务是根据机械手的作业指令程序和传感器反馈回来的信号，控制 机械手的执行机构，使其完成规定的运动和功能。主要设计目标为 cpu 的选择，cpu 程序的编写调试等。 (2) 驱动系统：驱动系统工作的驱动装置。 (3) 机械系统：包括机身、机械臂、手腕、手爪。需要确定其自由度、坐标形式， 并计算得出具体结构。 (4) 感知系统：即传感器的选择及具体作用。 2.2.3 液压机械手的基本参数 1. 机械手的最大液压物料的重量是它的主参数。 2. 运动速度直接影响机械手的动作快慢和机械手动作的稳定性，所以运动速度也 是是物料物料液压机械手的一个主要的基本参数。设计速度过低的话，会无法满足机械 手的动作功能，限制机械手的使用范围。设计的速度过高又会加重机械手的负载并影响 机械手动作的平稳性。 3. 伸缩行程和工作半径是决定机械手工作范围及整机尺寸的关键，也是机械手设 计的基本参数。 3.定位精度也是机械手的主要基本参数之一。机械手精度太低，就完成不了功能，精度 太高又意味着成本的增加。综合考虑，该物料液压机械手的定位精度设定定位精度 0.3mm。物料液压机械手的各个部分的基本参数可以由上面已经知道的物料液压机械手 各关节的行程和时间分配来决定。 2.3 液压机械手结构设计 根据所设计的机械手的运动方式： 机械臂的转动， 机械臂的升降。 根据上文所说的， 机械手按照坐标的分类情况，选择圆柱坐标式机械手更为妥当。 2.4 机械手材料的选择 机械手的材料应根据手臂的工作条件， 满足机械手的设计和制造要求。 从设计思想， 机械臂完成各种运动。因此，对材料的要求是为移动部件，它应该是轻质材料。另一方 面，手臂振动经常的运动过程中，这将大大减少它的运动精度。所以在材料的选择上， 综合考虑的质量，刚度，阻尼的需要，从而有效地提高了机械臂的动力学性能。此外， 机械手选材料和不同材料的一般结构。机械手是一种伺服机构，受控制，必须考虑其可 控性。在臂的材料选择，可控性和可加工性的材料，结构，质量性能的考虑。 总之，选择一个机械臂的材料，应考虑强度，刚度，重量轻，弹性，耐冲击，外观 和价格等因素。这里有几个机械手使用的材料： 6 （l）的高强度钢，碳素结构钢和合金结构钢：这类材料的强度，特别是合金结构 钢的强度增加了 4 5 倍，弹性模量，抗变形能力，是最广泛使用的材料； （2）铝，铝合金等轻合金材料的共同特点是重量轻，弹性模量 e 的小，但材料的 密度小，与 ep 比值还与钢相比； （3）陶瓷：陶瓷材料具有良好的质量，但易碎，但处理不好，接头需要特殊的设 计与金属零件。然而，日本已开发 arm 陶瓷机械手用于高速机械手的样品； 从机械手设计的角度来看，不需要负载能力在材料的选择，也不需要高弹性模量和 抗变形能力，除了要考虑到材料成本，加工和其他因素。在各种因素的措施，结合铝合 金的初步选择的工作条件，如机械臂组件。 2.5 机械臂的运动方式 机械手的运动形式有五种常见的 scara 型，直角坐标式极坐标型，联合型和圆柱 坐标。根据运动形式的选择主要运动参数为基础的结构设计。一种运动形式以满足不同 生产工艺的需要，可以采用不同的结构。选择表格的具体位置，必须根据操作要求，工 作地点，和液压工作中心线方向的变化，比较和选择。 这种机械手的定位 2 个肩关节和肘关节的 1，2 或 3 手腕方向。其中，绕垂直轴肩， 另一个肩斜度。 肩关节的两个正交轴。 平行于第二轴肩关节， 考虑到机械手的工作特点， 这就要求动作灵活，具有较大的工作空间，结构紧凑，占用空间小，关节式机械手的选 择。如图所示。这种配置，动作灵活，工作空间大，干涉仪的最小空间机械臂操作，结 构紧凑，占地面积小，关节相对运动部位易密封与防尘。但这种机械手运动学逆解比较 复杂，难以确定的端元；态度不够直观，并在控制，计算量比较大。 图图3 常见的运动方式常见的运动方式 2.6 液压机械手驱动方式的选择 机械手使用的驱动方式主要有液压驱动，液压驱动和电机驱动的四种基本形式。 但是，与液压传动相比，低功耗，能源，液压传动结构相对简单的速度不易控制， 精度不高。 油马达驱动能量是简单，速度和位置精度高，使用方便，低噪音，高速变化的机制， 高效，灵活的控制。 7 液压驱动的特点是功率大，结构简单，省去了减速装置，响应速度快，精度高。但 需要有液压源，但也容易漏气。 首先，我会选择驱动电机，但考虑到纯机械结构的机械手的运动并不能达到理想的 传播效果。如果你使用液压或液压传动机械臂的旋转，必须与回转液压或旋转液压缸， 结构比较复杂，不利于设计。 改进后的方案，将驱动方式分为两个部分。其机械臂伸缩，升降机械手抓抓，采用 液压驱动方式。 2.7 动作要求分析 动作一：送 料 动作二：预夹紧 动作三：手臂上升 动作四：手臂旋转 动作五：小臂伸长 动作六：手腕旋转 预夹紧 手臂上升 手臂旋转 手臂伸长 手臂转回 手腕旋转 图图 2.2 液压机械手动作简易图液压机械手动作简易图 2.8 液压机械手结构及驱动系统选型 本课题所设计的液压机械手为通用型的液压机械手，其中坐标系为圆柱坐标系结 构。驱动系统选用油马达驱动和液压驱动，油马达驱动用于机座的旋转和手臂的上下移 动，液压驱动用于手臂的伸缩和液压机械手的夹取和翻转 3。 8 第 3 章 机械手机械部分的设计计算 3.1 手部结构 四自由度气动机械手采用夹持式手部结构，由手爪和传力机构所组成。其传力结构 形式多样，有楔块杠杆式、滑槽杠杆式、连杆杠杆式、齿轮齿条平行连杆式、左右旋丝 杠平移型10，本设计采用滑槽杠杆式的传力机构。 3.1.1 端执行器的要求 （1）不论是夹持或是吸附，末端执行器需具有满足作业要求的足够的夹持力和所 需的夹持位置精度。 （2）应尽可能使末端执行器结构简单，紧凑、重量轻，以减轻手臂的负荷。专用 的末端执行器机构简单，工作效率高，而能完成多种作业的万能末端执行器可能具有结 构复杂、费用昂贵的缺点，因此提倡设计可快速更换的系列化、通用化专用末端执行器 10。 3.1.2 手爪的分类和选取 工业机器人中应用的机械式夹持器多为双指手爪式，按其手爪的运动方式可分为平 移型和回转型。回转型手爪又可分为单支点回转和双支点回转型，按夹持方式可分为外 夹式和内撑式，按驱动方式有电动、液压和气动三种。 回转型夹持器结构较简单，但当所夹持的工件直径有变化时，将引起工件的轴心偏 移。这个偏移量称为夹持误差。 平移型夹持器，工件直径的变化不影响其轴心的位置，但其架构复杂，体积大，制 造精度要求高。 当设计机械式夹持器式，在满足工件定位精度要求的条件下，尽可能采用结构较简 单的回转型夹持器。10 结合机械手设计任务书中要求：手爪开合角为 60 度，且能够抓取重约 1kg 的圆柱 形铁质工件。所以本设计采用双支点回转型滑槽杠杆式手爪。 9 3.2 机械手手爪设计计算 3.2.1 手爪的力学分析 下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆，如图 3- 1 为常见的滑槽杠杆式手部结 构。 图图 3-1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析滑槽杠杆式手部结构、受力分析 1手指手指 2销轴销轴 3杠杆杠杆 p f = 2 2 cos n b f a （3- 1） 式中： p f 驱动力； n f 夹紧力； a手指的回转支点到对称中心的距离； b手指长度； 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。 由分析可知，当驱动力 p f一定时，角增大，则夹紧力 n f 也随之增大，但角过 大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好= 0 30 0 40。 10 3.2.2 夹紧力及驱动力的计算 手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点 进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的 惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。 （1）手指对工件的夹紧力可按公式计算： sin 2 2 x n a kp f = （3- 2） 式中: k 安全系数，通常 1.22.0； x p轴向力； av 形手抓的开合角； 工件和手抓间的摩擦系数； 计算：设 a=10mm,b=30mm, = 0 35，求夹紧力 n f 和驱动力 p f 。 设 k=1.5， x mgp =， =0.3 根据公式，将已知条件带入得： 2.5 1 9.8 sin60 35.3640 0.6 n fnn = （2）根据驱动力公式得： 22 p 2bcos40 2 30 cos 35 161.04 a10 n f fn = 由于实际采用的液压缸驱动力大于计算，把手抓的机械效率考虑在内，一般取 0.88 0.9 =。 （3）取0.9 = p 161.04 178.9180 0.9 f fn = 实 （3- 3） 3.3 夹紧液压缸的设计 （1）液压缸工作压力的确定 由表 3- 1 取液压缸工作压力 1pmpa= 11 表表 3-1 液压负载常用的工作压力液压负载常用的工作压力 负载 f/n 50000 工作压力 p/mpa 57 （2）液压缸内径d和活塞杆直径d的确定 可由下式推算出液压缸的内径 d： () 22 4 fddp = 实际 （3-4） () 62 44 180 0.0276 1 100.7510.5 f d p = 实际 预设活塞杆直径 d=0.5d,液压缸工作压力 p=0.4mpa,根据机械设计手册液压传动分 册 p22-125，选取液压缸内径为：d=32mm。 可以得出活塞杆内径为: d=0.5d=320.5=16mm，选取 d=14mm。 （3）缸筒壁厚和外径的设计 缸筒直接承受压缩空液压力，必须有一定厚度。一般液压缸缸筒壁厚与内径之比小 于或等于 1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算: / 2 p dp= （3-5） 式中， 缸筒壁厚，(mm)； d 液压缸内径，(mm)； p p 液压缸试验压力，一般取ppp5 . 1=（pa） ； p 液压缸工作压力 （pa） ； 缸筒材料许用应力（pa） 。 本设计手爪夹紧液压缸缸筒材料采用为:铝合金 zl1060, =3mpa 代入己知数据，则壁厚为: / 2 p dp= 12 366 32 101.5 0.4 10 /(2 3 10 ) 2.4()mm = = 取3mm =，则缸筒外径为: 1 323 238()dmm=+ = （4）手部活塞杆行程长 l 计算 活塞杆的位移量 s 可推得： s10tg3510tg56.127mm = （3-6） 液压缸的活塞行程与其使用场合及工作机构的行程比有关。多数情况下不应使用满 行程，以免活塞与缸盖相碰撞，尤其用于夹紧等机构。为保证夹紧效果，必须按计算行 程多加mm2010的行程余量11。 6.12026.1lmm=+= （3-7） 故液压传动手册圆整为27lmm=。 （5）手爪部分总质量估算： mmmm=+ 手爪气缸零件 （3- 8） 其中：手爪部分和活塞杆材料采用 45 钢，缸筒和端盖连接材料采用铝合金 zl106 查相关手册可得， 45 号钢密度为 33 7.85 10 kg/m； zl1060 的密度为 33 2.73 10 kg/m。 手爪部分总质量约为 ： m0.0314 1.2 12.2314kg=+ = 3.4 手爪夹持范围计算 为了保证手爪张开角为 0 60，活塞杆运动长度为 27mm。 13 （a）手爪最小夹持半径）手爪最小夹持半径 （b）手爪最大夹持半径）手爪最大夹持半径 图图 3-2 手爪张开示意图手爪张开示意图 手爪夹持范围的计算，手指长 30mm，当手抓没有张开角的时候，如图 3- 2（a）所 示，根据机构设计，它的最小夹持半径 1 r=10，当张开 0 60时，如图 3- 2（b）12所示， 最大夹持半径 2 r 计算如下： 00 2 303010cos3026mmrtg=+ 机械手的夹持半径从10 26mm。 3.5 机械手手爪夹持精度的分析计算 机械手的精度设计要求工件定位准确,抓取精度高,重复定位精度和运动稳定性好,并 有足够的抓取能力。 机械手能否准确夹持工件， 把工件送到指定位置， 不仅取决于机械手的定位精度 （由 臂部和腕部等运动部件来决定） ，而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种 的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定要进行机械手的夹持 误差计算。 14 图图 3-3 手爪夹持误差分析示意图手爪夹持误差分析示意图 该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。 机械手的夹持范围为 10mm26mm。 一般夹持误差不超过 1mm,分析如下： 工件的平均半径： 10 15 2 cp r + = 12.5mm= （3- 9） 手指长 30lmm= ,取 v 型夹角 0 2120 = 偏转角按最佳偏转角确定： 110 0 12.5 coscos61 sin30 sin60 cp r l = （3- 10） 计算 ： 0 sincos30rl= 00 sin60 cos61 12.5= （3- 11） 当 max r 0min rr 时带入有： 2 22222 max 2cossina0.17450.5 sinsin max rr lll =+=50 工作压力 /mpa 1.25 2 cm ，满足最低速度的要求。 2.活塞杆强度计算： mmm f 45.15015454 . 0 1080 105 . 14 4 d 6 4 = = 90mm （4-4） 式中 许用应力；mpa80 5 004 n b = （q235 钢的抗拉强度为 375-500mpa，取 400mpa，为位安全系数取 5，即活塞杆的强度适中） 3活塞杆的结构设计 活塞杆的外端头部与负载的拖动油马达机构相连接，为了避免活塞杆在工作生产中 偏心负载力，适应液压缸的安装要求，提高其作用效率，应根据负载的具体情况，选择 适当的活塞杆端部结构。 4.活塞杆的密封与防尘 活塞杆的密封形式有 y 形密封圈、 u 形夹织物密封圈、 o 形密封圈、 v 形密封圈等6。 采用薄钢片组合防尘圈时，防尘圈与活塞杆的配合可按 h9/f9 选取。薄钢片厚度为 0.5mm。为方便设计和维护，本方案选择 o 型密封圈。 3.7.4 液压缸工作行程的确定 液压缸工作行程长度可以根据执行机构实际工作的最大行程确定，并参照表 4-4 选 21 取标准值。液压缸活塞行程参数优先次序按表 4-4 中的 a、b、c 选用。 表 4-4（a）液压缸行程系列（gb 2349-80）6 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000 表 4-4（b） 液压缸行程系列（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） 液压缸形成系列（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 根据设计要求知快速接近工件，行程根据任务书要求，根据表 3-8，可选取垂直方 向液压缸的工作行程为 900mm，可选取水平方向液压缸的工作行程为 1000mm。 3.7.5 活塞的设计 由于活塞在气力的作用下沿缸筒往复滑动，因此，它与缸筒的配合应适当，既不能 过紧，也不能间隙过大。配合过紧，不仅使最低启动压力增大，降低机械效率，而且容 易损坏缸筒和活塞的配合表面；间隙过大，会引起液压缸内部泄露，降低容积效率，使 液压缸达不到要求的设计性能。考虑选用 o 型密封圈。 3.7.6 导向套的设计与计算 1.最小导向长度 h 的确定 当活塞杆全部伸出时，从活塞支承面中点到到导向套滑动面中点的距离称为最小导 向长度1。影响液压缸工作性能和稳定性。因此，在设计时必须保证液压缸有一定的最 小导向长度。根据经验,当液压缸最大行程为 l,缸筒直径为 d 时,最小导向长度为: 220 dl h+ （4- 5） 一般导向套滑动面的长度 a， 在缸径小于 80mm 时取 a=(0.61.0)d， 当缸径大于 80mm 时取 a=(0.61.0)d.。活塞宽度 b 取 b=(0.61.0)d。若导向长度 h 不够时,可在活塞杆 22 上增加一个导向套 k(见图 4-1)来增加 h 值。隔套 k 的宽度) 2 1 bahc+=（。 图 4-1 液压缸最小导向长度1 因此:最小导向长度，取 h=9cm； 导向套滑动面长度 a=cmcm2 . 798 . 0= 活塞宽度 b=8.1mmmm099 . 0= 2.导向套的结构 导向套有普通导向套、易拆导向套、球面导向套和静压导向套等，可按工作情况适 当选择。 3.7.7 端盖和缸底的计算校核 在单活塞液压缸中，有活塞杆通过的端盖叫端盖，无活塞杆通过的缸盖叫缸头或缸 底。端盖、缸底与缸筒构成密封的压力容腔，它不仅要有足够的强度以承受气力，而且 必须具有一定的连接强度。端盖上有活塞杆导向孔（或装导向套的孔）及防尘圈、密封 圈槽，还有连接螺钉孔，受力情况比较复杂，设计的不好容易损坏。 1.端盖的设计计算 端盖厚 h 为： )-3p( h 1 cp cp d dd = 式中 d1螺钉孔分布直径，cm； p压力， 2 kgf/cm ； cp d密封环形端面平均直径，cm； 23 材料的许用应力， 2 kgf/cm 。 2.缸底的设计 缸底分平底缸，椭圆缸底，半球形缸底。 3.7.8 缸体长度的确定 液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和。缸体外形长度还需要考 虑到两端端盖的厚度1。一般液压缸缸体长度不应大于缸体内经的 2030 倍。取系数为 5,则液压缸缸体长度：l=5*10cm=50cm。 3.7.9 缓冲装置的设计 液压缸的活塞杆（或柱塞杆）具有一定的质量，在气力的驱动下运动时具有很大的 动量。在它们的行程终端，当杆头进入液压缸的端盖和缸底部分时，会引起机械碰撞， 产生很大的冲击和噪声。采用缓冲装置，就是为了避免这种机械撞击，但冲击压力仍然 存在，大约是额定工作压力的两倍，这就必然会严重影响液压缸和整个气系统的强度及 正常工作。缓冲装置可以防止和减少液压缸活塞及活塞杆等运动部件在运动时对缸底或 端盖的冲击，在它们的行程终端能实现速度的递减，直至为零。 当液压缸中活塞活塞运动速度在 6m/min 以下时，一般不设缓冲装置，而运动速度 在 12m/min 以上时，不需设置缓冲装置。在该组合机床气系统中，动力滑台的最大速度 为 4m/min,因此没有必要设计缓冲装置。 3.7.10 液压缸的选型 经过比较，参考市场上的液压缸类型，选择一种可靠优质的液压缸产品的生产商 速易可（上海）有限公司 /about_us.asp。 速易可气动（上海）有限公司成立于 2004 年，从事于空油压零组件和设备研 究、 生产、销售的自动化厂商，产品以tonab品牌营销国内外市场，产品主要有空气净 化组件、气动控制组件、气动执行组件、辅助组件、空油压设备，产 品广泛应用于医 疗器械、工业机械手、食品包装机械、纺织机械、半导体设备、轨道交通、烟草机械、 机床自动控制、真空搬运、汽车制造、教学培训等行业。 速易可目前主要产品有：无杆液压缸、滑台液压缸、止动液压缸、回转液压缸、机 械夹、回转夹紧气（油）压缸、导杆液压缸、带锁液压缸、双轴缸、标准型液压缸、控 制阀、空气控制组件、真空系统组件及相关气动辅助零组件。 24 根据上节计算，在这选择 yam63. 25 3.8 水平方向设计计算 3.8.1 水平方向计算 当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重 5kg，长度 l =300mm。如图 3.4 所示。 图图 3.4 受力简图受力简图 (1)计算扭矩 1 4 (2)液压缸（伸缩）及其配件的估算扭矩 2 4 f =50n s =1m（最大行程时） 带入公式 2.9 得 sf =2=50101 =500（nm） 由于水平方向的液压缸与升降方向的有些类似，在此不在一一列举 3.8.2 液压缸的选型 速易可目前主要产品有：无杆液压缸、滑台液压缸、止动液压缸、回转液压缸、机 械夹、回转夹紧气（油）压缸、导杆液压缸、带锁液压缸、双轴缸、标准型液压缸、控 制阀、空气控制组件、真空系统组件及相关气动辅助零组件。 工件 26 根据上节计算，在这选择 yam63. 腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵 27 活，转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度，可采用具有一个活动度的回转缸 驱动的腕部结构。 3.9 机身结构的设计校核 臂部和机身的配置形式基本上反映了气机械手的总体布局。本课题气机械手的机身 设计成机座式，这样气机械手可以是独立的，自成系统的完整装置，便于随意安放和搬 动，也可具有行走机构。臂部配置于机座立柱中间，多见于回转型气机械手。臂部可沿 机座立柱作升降运动，获得较大的升降行程。升降过程由电动机带动螺柱旋转。由螺柱 配合导致了手臂的上下运动。手臂的回转由电动机带动减速器轴上的齿轮旋转带动了机 身的旋转，从而达到了自由度的要求 7-9。 3.10 螺柱的设计与校核 螺杆是气机械手的主支承件，并传动使手臂上下运动。 螺杆的材料选择： 从经济角度来讲并能满足要求的材料为铸铁。 螺距 p =6mm 梯形螺纹 螺纹的工作高度 h =0.5p （3.17） =3mm 螺纹牙底宽度 b =0.65p=0.656=3.9mm （3.18） 螺杆强度 11 53 s = （3.19） 53 150 = =3050mpa 螺纹牙剪切 =40 弯曲 b =4555 (1)当量应力 + = 2 3 1 2 2 1 2 . 0 3 4 d t d f (3.20) 式中 t传递转矩 nmm 28 螺杆材料的许用应力 所以代入公式（3.20）得： 2 3 1 2 2 1 d2 . 0 6 . 08 . 9200 3 d 8 . 92004 + = 6 2 3 1 2 2 1 105030 d 2 . 61 d 2495 + = 12 2 3 1 2 2 1 102500900 d 2 . 61 3 d 2495 + = 12 6 1 4 1 102500900 d 11236 d 6225025 += 6225025d1 2+11236900d 1 61012 62250250.029 2+112369000.02961012 即 16471pa535340pa 合格 (2)剪切强度 6 160 = p h z （旋合圈数） （3.21） bzd1 f = （3.22） 3- 10 6 160 9 . 3029 . 0 8 . 9200 = =206.810 3pa =0.206mpa=40mpa (3)弯曲强度 zbd h3 2 1 b f = 1609 . 39 . 2 638 . 92003 2 = =0.48mpa=45mpa 合格 29 3.11 绘制液压系统图 本机械手的液压系统图如图 3- 1 所示， 它拥有垂直手臂的上升、下降，水平伸缩缸/的前伸、后缩，以及执行手爪的夹紧、 张开三个执行机构。 其中，泵由三相交流异步电动机 m 拖动；系统压力由溢流阀 v1 调定；1dt 的得失 电决定了动力源的投入与摘除。 考虑到手爪的工作要求轻缓抓取、迅速松开，系统采用了节流效果不等的两个单向 节流阀。当 5dt 得电时，工作液体经由节流阀 v5 进入柱塞缸，实现手爪的轻缓抓紧； 当 6dt 失电时，工作液体进入柱塞缸中，实现手爪迅速松开。 另外， 由于机械手垂直升降缸在工作时其下降方向与负荷重力作用方向一致， 下降 时有使运动速度加快的趋势，为使运动过程的平稳，同时尽量减小冲击、振动，保证系 统的安全性，采用 v2 构成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背压，以平衡重 力负载。 30 第 4 章 液压集成块的设计 液压控制装置的集成主要有板式集成、块式集成和叠加阀式集成。 （1）板式集成液压控制装置，是把若干个标准板式液压控制阀用螺钉固定在一块 公共底板（油路板，亦称阀板）上，按系统要求，通过油路板中钻、铣或铸造出的孔道 实现各阀之间的油路联系，构成一个回路。对于较复杂的系统，则需将系统分解成若干 个回路，用几个油路板来安装标准板式液压元件，各个油路板之间通过管道来连接。通 常将油路板上安装阀的一面称为正面，不安装阀的一面称为背面。 板式集成的特点是对于动作复杂的液压系统，会因液压元件数量的增加，导致所需 油路板的尺寸和数量的增大，致使有些孔道甚至无法钻出，而铣槽往往出现渗漏串腔现 象。此外，油路板是根据特定的液压系统专门设计制造的，不易实现标准化和通用化， 不易组织专业生产。特别是当需要更改回路或追加元件时，油路板就要重新设计加工， 而其中的差错可能会使整块油路板报废。 总之，板式集成液压控制装置适合不太复杂的低压液压系统采用。 （2） 块式集成是按典型液压系统的各种基本回路， 做成通用化的 6 面体油路块 （集 成块） ，通常其四周除 1 面安装通向液压执行器（液压缸或液压马达）的管接头外，其 余 3 面安装标准的板式液压阀及少量叠加阀或插装阀，这些液压阀之间的油路联系由油 路块内部的通道孔实现，块的上下两面为块间叠积结合面，布有由下向上贯穿通道体的 公用压力油孔 p、回油孔 o（t） 、泄油孔 l 及块间连接螺栓孔，多个回路块叠积在一起， 同过 4 只长螺栓固紧后，各块之间的油路联系通过公用油孔来实现。 块式集成有以下几个特点：1）可简化设计；2）设计灵活，更改方便；3）易于加 工，专业化程度高；4）结构紧凑，装配维护方便；5）系统运行效率较高。 块式集成的主要缺点是集成块的孔系设计和加工容易出错，需要一定的设计和制造 经验。 （3）叠加阀是在集成块的基础上发展起来的,液压元件间的连接不需要另外的连接 块,而是以特殊设计的叠加阀的阀体作为连接体,通过螺栓将液压阀等元件直接叠积并 固定在最底层的基块(底板)上.基块侧面开有螺纹孔,通过管接头作为通向执行器、 液压 泵或油箱的孔道,并可以根据需要用螺塞封堵打开,只要把同一规格的叠加阀按一定顺 序叠加起来,再将板式换向阀直接安装于这些叠加阀的上面,即可构成各种典型液压回 31 路. 叠加阀的特点为：结构紧凑,体积小,重量轻,占地面积小。叠加阀安装简便，装配 周期短，系统有变动增减元件时，重新组装较为方便。使用叠加阀，元件间无管连接， 消除了因管接头引起的漏油、振动和噪声。使用叠加阀系统配置简单，元件规格统一， 外行整齐美观，维修保养容易。采用我过叠加阀组成的集中供油系统 节电显著。 由于规定尺寸限制，由叠加阀组成的回路形式少，通径较小，一般使用于工作压力 小于 20mpa，流量小于 200l/min 的机床，轻工机械，工程机械等行业。综上比较可以得 出此液压系统适用的块式集成为叠加式。 动力源装置确定 液压动力源一般由液压泵组、油箱组件、控温组件和过滤器组件等相对独立的部分 组成。尽管这几个部分相对独立，但设计者在液压动力源装置设计中，除了根据机器设 备的工况特点和使用的具体要求合理进行取舍外，经常需要将它们进行适当的组合，合 理构成一个部件。例如，油箱上常需将控温组件中的油温计、过滤器组件作为油箱附件 而组合在一起构成液压油箱等等。 按液压泵组布置的方式分上置式液压动力源、非上置式液压动力源和柜式液压动力 源三种方式。本设计采用上置式液压动力源设计。当电动机卧式安装，液压泵置于油箱 之上时， 称为卧式液压动力源。 当电动机立式安装于油箱之上时， 称为立式液压动力源。 上置式液压动力源占地面积小，结构紧凑，液压泵置于油箱内的立式安装动力源，躁声 低且便于收集漏油。综合考虑本设计决定采用卧式液压动力源布置。 【16】 4.1 块式集成的结构 块式集成是按典型液压系统的各种基本回路， 做成通用化的6面体油路块 （集成块） ， 通常其四周除 1 面安装通向液压执行器（液压缸或液压马达）的管接头外，其余 3 面安 装标准的板式液压阀及少量叠加阀或插装阀，这些液压阀之间的油路联系由油路块内部 的通道孔实现，块的上下两面为块间叠积结合面，布有由下向上贯穿通道体的公用压力 油孔 p、回油孔 o（t） 、泄漏油孔 l 及块间连接螺栓孔，多个回路块叠积在一起，通过 4 只长螺栓固紧后，各块之间的油路联系通过公用油孔来实现。 4.2 块式集成的特点 可简化设计； 32 设计灵活、更改方便； 易于加工、专业化程度高； 结构紧凑、装配维护方便； 系统运行效率较高 块式集成的主要缺点是集成块的孔系设计和加工容易出错，需要一定的设计和制造 经验。 4.3 块式集成液压控制装置的设计 1）分解液压系统并绘制集成块单元回路图 集成块单元回路实质上是液压系统原理图的一个等效转换。 分解集成块单元回路时， 应优先采用现有系列集成块单元回路， 以减少设计工作量。 集成块上液压阀的安排应紧凑，块树应尽量晒，以减少整个液压控制装置的结构尺寸和 重量。集成块的数量与液压系统的复杂程度有关，一摞集成块组中，除基块和顶块外， 中间块一般 1- 7 块。当所需中间块多于 7 块时，可按系统工作特点和性质，分组多摞叠 加，否则集成简单回路合用一个集成块；液压 泵的出口窜接单向阀时，可采用管式连 接的单向阀（窜接在泵与集成块组的基块之间） ；采用少量叠加阀、插装阀及集成块专 用嵌入式插装阀； 集成块侧面加装过渡