毕业设计（论文）-关于搬运作用机械手的应用结构设计（全套图纸）

沈 阳 化 工 大 学 科 亚 学 院 本 科 毕 业 设 计 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 题 目： 关于搬运作用机械手的应用结构设计 专 业： 机械设计制造及自动化 班 级： 1201 学生姓名： 指导教师： 论文提交日期： 2016 年 6 月 1 日 论文答辩日期： 2016 年 6 月 6 日 毕业设计任务书毕业设计任务书 机械设计制造及其自动化 1201 班 学生： 毕业设计题目：关于搬运作用机械手的应用结构设计 毕业设计内容： 本论文研究的是拟定最大抓取重量 60N 的 搬运机械手，根据工作位置和工作环境的需要，决定采用单 滑销缸式手部。 毕业设计专题部分： 论文的前六章中对主要的手部、摆动 缸、小臂套筒、支小臂液压缸、大臂进行结构设计，后四章 对起控制作用的液压传动方案和液压系统原理进行确定，最 后对论文需要的阀门和液压原件进行选定。 起止时间：2016.3.12016.6.6 指导教师： 签字 年 月 日 摘要摘要 1998 年 ABB 公司推出 IRbl400 系列小机器人， 其循环时间只有 0.4s， 控制器包括软件、高压电、驱动器、用户接口等皆集成于一柜，只有洗 衣机变换器那样大小。FANUC 公司 2000 年 9 月宣称它的控制器为世界最 小。工业机器人的应用从单机、单元向系统发展。多达百台以上的机器 人群与微机及周边智能设备和操作人员形成一个大群体(多智能体)。跨 国大集团的垄断和全球化的生产将世界众多厂家的产品联接在一起，实 现了标准化、开放化、网络化的“虚拟制造”，为工业机器人系统化的 发展推波助澜。机器人技术是涉及机械学、传感器技术、驱动技术、控 制技术、通信技术和计算机技术的一门综合性高新技术，既是光机电软 一体化的重要基础，又是光机电软一体化技术的典型代表。其产品主要 有两大类，即以日本和瑞典为代表的一系列特定应用的机器人，如弧焊、 点焊、喷漆装备、刷胶和建筑等，并形成了庞大的机器人产业。 另一类是以美国、英国为代表的智能机器人开发，由于人工智能和 其它智能技术的发展远落后于人们对它的期望，目前绝大部分研究成果 未能走出实验室。机器人系统集成技术也是由几个主要发达国家所垄断。 近年来，机器人技术并未出现突破性进展，各国的机器人技术研究机构 和制造厂商都继续在技术深化、引进新技术和扩大应用领域等方面进行 探索。 关键词：关键词： 机械手； 液压缸； 液压传动； 活塞 Abstract 1998 ABB IRbl400 series small robot, the cycle time of only 0.4 s, controller including software, high voltage, drive, and user interface are integrated in a cabinet, only washing machine size converter. FANUC company in September 2000 claimed its controller is the smallest. The application of industrial robots from single machine, the unit to the system development. Up to more than one hundred sets of machines of microcomputer and people in and around intelligent equipment and operating personnel to form a large group (multi- agent). Multinational conglomerates of monopoly and the globalization of the world many manufacturers products join together, has realized the standardization, open, networked “virtual manufacturing“, for the development of the industrial robot systematic. Robotics is related to mechanics, sensor technology, drive technology, control technology, communication technology and computer technology of a comprehensive new and high technology, is not only the important opto- mechatronics integration of soft foundation, a typical representative of the soft and optical integration technology. Its products mainly include two categories, namely, represented by Japan and Sweden, a series of specific application of the robot, such as arc welding, spot welding, spray painting equipment, cementing and construction, etc., and formed a huge industry robot. Another kind is the intelligent robot development represented by the United States, Britain, due to the development of artificial intelligence and other intelligence is far behind the people expect of it, at present most of the results of the study are not out of the lab. Robot system integration technology is dominated by several major developed countries. There was no breakthrough in recent years, robot technology, robot technology research institutions and manufacturers of all countries are to continue deepening in technology, the introduction of new technology to explore and expand the application field, etc. Key words： Manipulator; Hydraulic Cylinder; Hydraulic Drive; Piston 目目 录录 第一章绪论 1 第二章手部结构设计 2 2.1 手抓的结构选定 2 2.2 液压缸的选定 3 2.2.1 液压缸内径的确定 . 3 2.2.2 液压缸外径的确定 3 2.2.4 液压缸活塞杆的确定及校核 . 4 2.2.5 活塞的最大行程 . 4 2.2.6 钢筒底部厚度的确定 4 2.2.7 缸盖螺钉的计算 . 5 2.2.8 钢筒头部法兰厚度的确定 . 6 2.2.9 液压缸其它元件的确定 . 7 第三章摆动缸的选定 8 3.1 联接部分的设计 8 3.2 连接部分材料的选定与连接方法 9 第四章手臂的结构设计 . 10 4.1 手臂的结构初定 . 10 4.2 小臂受力分析 . 10 4.3 小臂液压缸的确定 . 11 4.3.1 小臂液压缸的受力分析 11 4.3.2 液压缸内径的确定 11 4.3.3 液压缸外径的确定 11 4.3.4 钢筒壁厚校核 12 4.3.5 液压缸活塞杆的确定及校核 13 4.3.6 活塞的最大行程 13 4.3.7 钢筒底部厚度的确定 13 4.3.8 缸盖螺钉的计算 14 4.3.9 钢筒头部法兰厚度的确定 15 4.3.10 液压缸其它元件的确定 . 16 4.4 小臂套筒的设计 . 17 4.4.1 材料的选定 17 4.4.2 内套的设计 17 4.4.3 外套的设计 17 第五章支小臂液压缸的确定 . 18 5.1 支小臂液压缸的摆动角度确定 . 18 5.2 支小臂缸的受力分析 . 18 5.3 液压缸的确定 . 19 5.3.1 液压缸内径的确定 19 5.3.2 液压缸的外径及壁厚的确定 19 5.3.3 液压缸活塞杆的确定及校核 20 5.3.4 活塞的最大行程 21 5.3.5 钢筒底部厚度的确定 21 5.3.6 缸盖螺钉的计算 22 5.3.7 缸盖头部法兰厚度的确定 23 5.3.8 缸筒与端部焊接 24 5.3.9 液压缸的其他元件的确定 24 第六章大臂的结构设计 . 25 6.1 大臂材料的选定 . 25 6.2 大臂受力受力分析 25 6.3 支大臂液压缸的确定 . 26 6.3.1 液压缸内径的确定 26 6.3.2 液压缸的外径及壁厚的确定 27 6.3.3 缸筒壁厚的校核 27 6.3.4 液压缸活塞杆的确定及校核 28 6.3.5 活塞杆的最大允许行程 28 6.3.6 钢筒底部厚度的确定 . 29 6.3.7 缸盖螺钉的计算 29 6.3.8 缸盖头部法兰厚度的确定 31 6.3.9 缸筒与端部焊接 31 6.3.10 液压缸的其他元件的确定 . 32 第七章底座的设计 . 33 7.1 底座材料及尺寸选定 . 33 7.2 底板螺栓的确定 . 33 7.2.1 受翻转力矩的螺栓组连接 33 7.2.2 缸盖螺钉的计算 34 第八章液压系统传动方案的确定 . 35 8.1 各液压缸的换向回路 . 35 8.2 调速方案 . 35 第九章计算和选择液压元件 . 36 9.1 阀的种类和功用 . 36 9.2 拟定液压系统 . 36 9.3 液压系统中的辅助装置 . 37 第十章液压系统原理图 . 37 结论 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致谢 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第一章绪论 1 第一章绪论 为了使机器人能更好的应用于工业，各工业发达国家的大学、研究机构和大工业 企业对机器人系统开发投入了大量的人力财力。在美国和加拿大，各主要大学都设有 机器人研究室，麻省理工学院侧重于制造过程机器人系统的研究，卡耐基梅隆机器 人研究所侧重于挖掘机器人系统的研究，而斯坦福大学则着重于系统应用软件的开 发。德国正研究开发“MOVE AND PLAY”机器人系统，使机器人操作就像人们操作 录像机、开汽车一样。我国的工业机器人从 80 年代“七五”科技攻关开始起步，在 国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机 的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部 分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有 130 多台套喷漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线 （站） 上获得规模应用， 弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及 其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用 工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；在应用规模上，我国 已安装的国产工业机器人约 200 台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要 是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次 重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低， 而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全 面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程。 我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。 其中最为突出的是水下机器人，6000 米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还 开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在 机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定 的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器 人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进 水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，以系统集成带动机器 人技术的全面发展，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 手部设计 2 第二章手部结构设计 2.1 手抓的结构选定手抓的结构选定 拟定最大抓取重量为 60N，根据工作位置和工作环境的需要，决定采用单滑销缸 式手部见图 1，滑销缸式手部。 图 1 滑销缸式手部 手抓机架拟定材料为 HT200，图中有关参数，初步选定如下： = 60（手指的抓取半角 =4570）; f =0.2 (物件与手指接触处的摩擦系数 f=0.10.5)； =0.9 (手部的机械效率 =0.850.9)； 1 k =1.3 (安全系数 5 . 11 . 1 1= k)； 2 k (工作情况系数 5 . 21 . 1 2 =k)； mml50=；mmL100=；= 30；smg/8 . 9= 整个手抓部分长度选择mm300. 夹紧时由力学公式： N f G N9 .12960sin 2 .02 60 sin 2 = = 计 2- 1 N KKN N 3 . 375 9 . 0 0 . 23 . 1 9 . 129 21 = = 计 需 2- 2 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 手部设计 3 夹紧时活塞杆的力由公式： NN L F 9 . 1125 3 . 375 75 30cos1002 1 cos2 22 = = 需需 初步估算手抓的重量约为 30N。 2.2 液压缸的选定液压缸的选定 2.2.1 液压缸内径的确定液压缸内径的确定 液压缸的理论输出 F 可按下式计算： ! n F = 2- 3 需 F ：活塞杆的实际作用力（N ）； ：负载率，一般取 0.50.7； H ：液压缸的总效率，一般取 0.90.95； N n F 6 . 2447 92 . 0 5 . 0 9 . 1125! = = 由表 17-6-3 查得液压缸的工作压力初选为 P=1MPa. 由公式： mm P F D84.5510 4 3 = 2- 4 由 17-6-26 可选用标准液压缸内径 D=63mm。 2.2.2 液压缸外径的确定液压缸外径的确定 按壁厚筒有关公式确定： 其中：MPa s 360= (钢筒材料屈服强度。由表 20-6-7 查得) MPaPn23.25 76 )6376(360 35 . 0 2 22 = 钢筒发生完成塑性变形的压力 ; 5 . 67 63 76 lg3603 . 2lg3 . 2 1 Mpa D D P sn = 因为 MPaPPn）（）（35.28625.23 5 . 6742 . 0 35 . 0 )42 . 0 35 . 0 ( rl = 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 手部设计 4 故选择MPaPn25=，即工作压力小于MPa25。 即工作压力小于MPa25。 本液压缸最大工作压力为MPa5 . 1，所以设计选择的壁厚可满足压力的要求。 2.2.4 液压缸活塞杆的确定及校核液压缸活塞杆的确定及校核 设计中根据工作压力的大小，选用速度比是由表 20-6-16 查得 =1.33 mmDd38.31 33 . 1 133 . 1 63 1 = = = 根据表 20-6-16 取标准值 d=32mm 由于活塞杆在稳定工况下，只受轴向推力或拉力，所以可以近似的用直杆承受拉 压载荷的简单强度计算公式进行计算： Mpa d F 4 . 1 1032 4 10 9 . 1125 4 10 62 6 2 6- = = = （100-110）Mpa； 所以满足工作时的强度需要。 2.2.5 活塞的最大行程活塞的最大行程 k k F EI L 2 = 2- 5 k F ：活塞杆弯曲失稳临界压缩力 k nk PF ； F ：活塞杆纵向压缩力； k n ：安全系数，通常65 . 3= k n； E ：材料的弹性模量； 钢材的 E=2.110 5 N/mm2 I ：活塞杆横截面惯性矩 72.105320 2 = k k F d L 由表 20-6-2 取液压缸标准行程 280mm。 2.2.6 钢筒底部厚度的确定钢筒底部厚度的确定 钢筒底部为平面，其厚度1 可以按照四周嵌进的圆盘强度公式进行计算： 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 手部设计 5 p P D 433.0 1 2- 6 其中：P：筒内最大工作压力 （MPaPP5 . 1 max =）; p :筒底材料许用应力（前面求得 Mpa P 83.50= ）； 2 D ：计算厚度外直径 取 mmD60 2 = mm46. 4 83.50 5 . 1 60433. 0 1 = 所以，综合上述条件，钢筒底部厚度选择 7.5mm。 2.2.7 缸盖螺钉的计算缸盖螺钉的计算 由表 2-1-8 可知活塞 max V=0.5m/s 则取 2 V =0.0133m/s 活塞杆退回速度， v=0.01m/s 活塞杆退回速度。由公式： A Q v = 2- 7 V：活塞杆的运动速度()sm/； Q：流入液压缸的流量()sm / 3 ； A：活塞的有效面积() 2 m； 34-62 222 10312.01063 4 01.0mAVQ= 由公式 S QQQ+= 0 Z PD Z P Q 2 4 = 2- 8 其中P ：缸盖所受的负载液压力( )N ； Z:螺钉数目； t D Z 0 = MPaQ08 . 0 6 5 . 11063 4 42 = = 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 手部设计 6 KQQS= 8 . 15 . 1=K 128 . 0 = s Q MPaQ208 . 0 128 . 0 08 . 0 =+= 螺钉的强度条件 2 1 2 1 0 3 . 1 4 3 . 1 d Q d Q J = l 2- 9 l =MPa120 3 360 = 由公式 l j Q d 4 1 MpaQQJ27. 0208. 03 . 13 . 1 0 = mm Q d j j 35.5 120 27.04 4 1 = = 选择标准六角螺栓：M840 2.2.8 钢筒头部法兰厚度的确定钢筒头部法兰厚度的确定 有公式可得： 3 10 )( 4 p la dr Fb h 2- 10 其中 F：法兰在钢筒最大内压下所承受的轴向压力； NPF5 .46731063 4 10 6-2 max = a r ：法兰外圆直径； 因为选定的螺栓为 M8，所以为了方便安装，法兰圆外径选定为 135mm。 1 d :螺栓直径， mmd8 1= ； b ：法兰材料的许用应力； b：缸筒外径到螺栓中线的距离； mm dr Fb h p la 04.310 38.508-13514.3 105 .46734 10 )( 4 33 = = ）（ 取法兰厚度为 7.5mm。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第二章 手部设计 7 为了防止油液的泄漏，两端盖内部需装入 0 型密封圈，所以端盖向内凹处厚度 选择 7.5mm，即整个端盖厚度为 15mm。 2.2.9 液压缸其它元件的确定液压缸其它元件的确定 a.缸盖的材料 缸盖本身又是活塞杆的导向套时，缸盖选用铸铁拟定 HT200 b.活塞的材料 无导向环的活塞可用耐磨铸铁，灰铸铁（HT300，HT350），球墨铸铁，初步拟定 为 HT300。 c.密封圈的选择 密封件大多采用 0 型密封圈，参考手册表 10-4-4 可知，查得 0 型密封圈标准值， 即截面直径 d=3.55mm，故端盖厚度符合要求。 d.管接头的确定 由公式： )(6 .4mm v Q d 2- 11 V：按推荐值选定，一般=3m/s. 求得66. 3dmm， 取标准值mmd4=。 所以整个液压缸的长度为 ()mm31025 . 75 . 7280=+ 大体估算整个液压缸加上油液的重量约为 30N。所以，此设计的液压缸见图 2， 液压缸的结构。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 摆动缸的选定 8 第三章摆动缸的选定 手腕的旋转部分由摆动缸来实现。由于手抓部位的活塞缸 d=63mm，D=76mm，所 以选择标准摆动缸的轴径 45mm，外径为 120mm。 图 2 液压缸的结构 3.1 联接部分的设计联接部分的设计 由于摆动缸的轴径外凸无法直接连于活塞杆上，设计一连接结构见图 3,摆动缸 的轴部联接。 图 3 摆动缸的轴部联接 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第三章 摆动缸的选定 9 3.2 连接部分材料的选定与连接方法连接部分材料的选定与连接方法 初步选定此连接结构的材料为 HT200。 摆动缸的轴与连接部分通过键连接， 为防止所传递的转矩过大， 故选择花键连接。 根据实际情况选择标准花键 832366。 初步估计此摆动缸及连接装置重 50N，为确保工作所需的油量，估算长度为 300mm。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 手臂的结构设计 10 第四章手臂的结构设计第四章手臂的结构设计 4.1 手臂的结构初定手臂的结构初定 拟定驱动大臂的液压缸和驱动小臂的液压缸安装在手臂的同侧。 4.2 小臂受力分析小臂受力分析 小臂和大臂之间为铰链接，且推动小臂的液压缸也和小臂铰连接。拟定两铰链接 触之间的距离 L=500mm。小臂受力示意见图 4，小臂的受力分析。 图图 4 小臂的受力分析小臂的受力分析 0= A M得()0=+ 物物手手活活摆摆臂臂 XGXGXGXGXGLRb 所以NRb85.375115060103030 5 . 7773060050250 6 . 137=+= 0= B M得()0=+ 物物手手活活摆摆臂臂 XGXGXGXGXGLRb 所以N57.283100560880305 .62730450501006 .137=+ 剪力和弯矩图如上 最大危险截面为 B 处 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 手臂的结构设计 11 4.3 小臂液压缸的确定小臂液压缸的确定 4.3.1 小臂液压缸的受力分析小臂液压缸的受力分析 初步拟定大臂俯仰角度为 3090，小臂的运动的范围-3060。则对 小臂的受力分析如下： 当小臂上扬到最大角度，即 45时，小臂液压缸所受的推力最大，所以只需计 算此时 F 需即可满足设计需求。 ()NFGGGGGF 4 . 134345cos=+= 需臂活摆手物需 4.3.2 液压缸内径的确定液压缸内径的确定 液压缸的理论输出 F 可按下式计算： ! n F = 4- 1 需 F ：活塞杆的实际作用力（N ）； ：负载率，一般取 0.50.7； H ：液压缸的总效率，一般取 0.90.95； N n F 7 . 2433 92 . 0 6 . 0 3 . 1343! = = 由表 20-6-3 查得液压缸的工作压力初选为 P=1.5MPa. 由公式： mm P F D46.4510 4 3 = 由 20-6-26 可选用标准液压缸内径 D=50mm。 4.3.3 液压缸外径的确定液压缸外径的确定 按壁厚有关公式确定： mm P P DD y y 3.1 4.0 + 外 4- 2 y P =(1.21.3)Pmax； 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 手臂的结构设计 12 max P=1.5p=2.25Mpa； y P =1.252.25=2.81Mpa； D:油缸内径（mm）； 钢筒的材料一般要求有足够的强度和冲击韧性，初选 45 钢； n b = 4- 3 查表 17-6-7 可知 b =610 MPa ：缸体材料的需用拉应力()MPa ； n：冲击系数，由表 2-3-6 可查得 n=12； MPa n b 83.50 12 610 = 初选壁厚 =6 mm 则 n =0.12（0.080.3） 所以选择下面的壁厚公式计算： mm p Dp 02.1 25.2383.503.2 5025.2 33.2 max max = = 初选成立 综上所述，从表 20-6-9 中选择标准液压缸外径 60mm，所以液压缸壁厚为= （60-50）/2=5mm。 4.3.4 钢筒壁厚校核钢筒壁厚校核 额定压力 ： () 2 1 2 2 1 35 . 0 D DD P s n 4- 4 其中： s =360Mpa (钢筒材料屈服强度。由表 17-6-7 查得) 所以 钢筒发生完成塑性变形的压力 ;6.65 50 60 lg3603.2lg3.2 1 Mpa D D P sn = 1.66 81.23.1-83.50 81.24.083.50 3.1 4.0 = + = + DD P P DD y y 外外 Mpa5.38 60 )5060(360 35.0 2 22 = 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 手臂的结构设计 13 因为： MPaPPn）（）（55.2796.22 5 . 6542 . 0 35 . 0 )42 . 0 35 . 0 ( rl = 故选择MPaPn25= 即工作压力小于MPa25。 本液压缸最大工作压力为MPa23. 2，所以设计选择的壁厚可满足压力的要求。 4.3.5 液压缸活塞杆的确定及校核液压缸活塞杆的确定及校核 设计中根据工作压力的大小，选用速度比是由表 17-6-16 查得 =1.33 mmDd 9 . 24 33 . 1 133 . 1 50 1 = = = 根据表 20-6-16 取标准值 d=25mm 由于活塞杆在稳定工况下，只受轴向推力或拉力，所以可以近似的用直杆承受拉 压载荷的简单强度计算公式进行计算： Mpa d F 74 . 2 1025 4 10 4 . 1343 4 10 62 6 2 6- = = = （100-110）Mpa； 所以满足工作时的强度需要。 4.3.6 活塞的最大行程活塞的最大行程 k k F EI L 2 = 4- 5 k F ：活塞杆弯曲失稳临界压缩力 nk PF F ：活塞杆纵向压缩力； k n ：安全系数 通常 k n =3.56； E ：材料的弹性模量； 钢材的 E=2.110 5 N/mm2 I ：活塞杆横截面惯性矩 6 . 119320 2 = k k F d L 综合小臂的设计需求和表 17-6-2 取液压缸标准行程 220mm。 4.3.7 钢筒底部厚度的确定钢筒底部厚度的确定 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 手臂的结构设计 14 钢筒底部为平面，其厚度1可以按照四周嵌进的圆盘强度公式进行计算： p P D 433. 0 1 4- 6 其中： P ：筒内最大工作压力（P=Pmax=2.25Mpa）； P ：筒底材料许用应力 （前面求得p= =50.83Mpa）； 2 D 计算厚度外径 取 D2=45mm mm1.4 83.50 25.2 45433.0 1 = 所以，综合上述条件，钢筒底部厚度选择 7.5mm。 4.3.8 缸盖螺钉的计算缸盖螺钉的计算 由表 2-1-8 可知活塞 max V=0.5m/s 则取 2 V =0.02m/s，活塞杆退回速度， 1 V =0.023m/s 活塞杆退回速度。由公式： A Q v = 4- 7 V：活塞杆的运动速度（m/s） Q：流入液压缸的流量（m 3/ s）； A：活塞的有效面积（m 2）； smAVQ/1045. 01050 4 023. 0 34-6-2 222 = 由公式: S QQQ+= 0 Q: 工作载荷()MPa Z PD Z P Q 2 4 = 其中P ：缸盖所受的负载液压力； Z ：螺钉数目，Z= t D 0 MPaQ07 . 0 6 25 . 2 1050 4 4-2 = = 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 手臂的结构设计 15 KQKS=, 8 . 15 . 1=K,112 . 0 = S Q MPaQ182 . 0 07 . 0 += 螺钉的强度条件： i j d Q d Q = 2 1 2 1 0 3 .1 4 3 . 1 4- 8 l：材料的许用应力。 n s l = Mpa l 120 3 360 = 由公式： l j l Q d 4 4- 9 其中： QQ3 . 1 0 = MpaQQ oj 24 . 0 182 . 0 3 . 13 . 1= mm Q d l j l 05 . 5 120 24 . 0 4 4 = = 选择标准六角螺栓 M835。 4.3.9 钢筒头部法兰厚度的确定钢筒头部法兰厚度的确定 由公式可得 3 10 )( 4 p la dr Fb h 4- 10 其中 F ：法兰在钢筒最大内压下所承受的轴向压力； NAPF6 .44151050 4 1025. 2 6-2 max = 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 手臂的结构设计 16 a r =法兰外圆直径 因为选定的螺栓为 M8，所以为了方便安装，法兰圆外径选定为 120mm。 l d ：螺栓直径， l d =8mm； p ：法兰材料的许用应力； b：缸筒外径到螺栓中线的距离； mm dr Fb h p la 14.310 38.508-12014.3 106.44154 10 )( 4 33 = = ）（ 取法兰厚度为 7.5mm。 为了防止油液的泄漏，两端盖内部需装入 0 型密封圈，所以端盖向内凹处厚度 选择 7.5mm，即整个端盖厚度为 15mm。 4.3.10 液压缸其它元件的确定液压缸其它元件的确定 a.缸盖的材料 缸盖本身又是活塞杆的导向套时，缸盖选用铸铁拟定 HT200 b.活塞的材料 无导向环的活塞可用耐磨铸铁，灰铸铁（HT300，HT350），球墨铸铁，初步拟定 为 HT300。 c.密封圈的选择 密封件大多采用 0 型密封圈，参考手册表 10-4-4 可知，查得 0 型密封圈标准值， 即截面直径 d=3.55mm，故端盖厚度符合要求。 d.管接头的确定 由公式： )(6 . 4mm v Q 4- 11 Q：液体流量，L/min； V：按推荐值选定，一般=3m/s. 求得38. 3dmm， 取标准值mmd4=。 所以整个液压缸的长度为： ()mm25025 . 75 . 7220=+ 大体估算整个液压缸加上油液的重量约为 30N。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第四章 手臂的结构设计 17 4.4 小臂套筒的设计小臂套筒的设计 4.4.1 材料的选定材料的选定 初定小臂材料为BQ235的空心圆管，长度为mm500。 4.4.2 内套的设计内套的设计 由于内套与活塞缸之间不能有接触，所以初步选定内套圆管的内径为 156mm，外 径为 177mm，长度为 280mm。 内套的重量约为： G=Nvg 3 . 1138 . 910280)156175( 4 108 . 7 9223 = 4.4.3 外套的设计外套的设计 由于内套与外套之间必须接触，且内套与外套之间需要留有一定的余量，所以初 步选 定内套圆管的内径为 179mm，外径为 200mm，长度为 260mm。 内套的重量约为 Nvg 2 . 1248 . 910260)179200( 4 108 . 7 9223 = 所以整个小臂的长度为 500mm 整个小臂的重量为 30+113.3+124.2=267.5N 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章 支小臂液压缸设计 18 第五章支小臂液压缸的确定 5.1 支小臂液压缸的摆动角度确定支小臂液压缸的摆动角度确定 初步拟定大臂俯仰角度为 6090，小臂俯仰角度的范围为 045 5.2 支小臂缸的受力分析支小臂缸的受力分析 由公式 摩惯重推 MMMM+=可求出推力 P推 M 推：油缸输出的推力 P 推对小臂摆动中心 O 所产生的起力矩(Ngm)； M重：手臂偏重对中心 O 的偏重力矩(Ngm)； M惯：手臂向上摆动的起动惯性力矩(Ngm）； M摩：摩擦力矩(Ngm）； 小臂小臂钢缸手部手部物物重 XGXGXGXGM+= 22 5- 1 ()Ngm325.21925 . 0 1706 . 0508775 . 0 30130 . 1 30255 . 1 60=+= 0 J ：参与摆动零件（偏重）对摆动中心的转动惯量 ( 2 KggM ) ：手臂向上摆动的切向角加速度， = t v 拟定= 36 （弧度/秒） sVt5 . 0=（起动时间） () g XGXGXGXGXGM 22222 2211 小臂小臂缸缸缸缸手部手部物物惯 += = () g 525 . 0 17036 . 0 50277 . 1 30575 . 1 605 . 1+ =()Ngm8 . 4 cos03 . 0 LPM= 推摩 , 0 型密封圈的摩擦阻力矩(Ngm)， 为安装角度， =3 .67 mLgLPM1 . 0,cos03 . 0 8 . 4325.219=+= 推推 NP10213= 推 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章 支小臂液压缸设计 19 由公式 F = t o F 可求出液压缸的理论输出力 F 0 F ：活塞杆的实际作用力 (N) ：负载率，一般取 0.50.7 ； t ：液压缸的总效率，一般取 0.90.95 ； 取 6 . 0=, 9 . 0= t N F FNF t 1891310123 0 0 = ， 5.3 液压缸的确定液压缸的确定 5.3.1 液压缸内径的确定液压缸内径的确定 由表 17-6-3 查得液压缸的工作压力初选为MpaP2=. 由公式： mm P F D11010 4 3 = 由 17-6-9 可选用标准液压缸内径 D=125mm。 5.3.2 液压缸的外径及壁厚的确定液压缸的外径及壁厚的确定 按壁厚有关公式确定： mm P P DD y y 3.1 4.0 + 外 5- 2 () max 3 . 12 . 1PPy=， PP5 . 1 max =；取 3 max =P，()MpaPy6 . 3= ()mmD：油缸内径 钢筒的材料一般要求有足够的强度和冲击韧性，初选 45 钢； n b = 5- 3 查表 17-6-7 可知 ()Mpa b 610= ()Mpa力：缸体材料的许用拉应； n：冲击系数，由表 2-3-6 可查得 12=n 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章 支小臂液压缸设计 20 MPa n b 83.50 12 610 = mm P P DD y y 133 3.1 4.0 = + 外 初选壁厚= 12mm，则 D = 0.096（0.080.3）； 根据表 17-6-8 公式进行计算： mm p Dp 24.4 33.2 max max = 初选成立 综上所述，从表 17-6-9 中选择标准液压缸外径 A 型 146mm。 n P : 额定工作压力 s 其中：()Mpa s 360= (钢筒材料屈服强度。由表 17-6-7 查得) 所以 钢筒发生完成塑性变形的压力： ）（pa84.55lg3 .2 1 M D D P sn = 因为：MPaPPn）（）（453.2344.195 5 . 6542 . 0 35 . 0 )42 . 0 35 . 0 ( rl = 本液压缸最大工作压力为 Mpa3，所以设计选择的壁厚可满足压力的要求。 5.3.3 液压缸活塞杆的确定及校核液压缸活塞杆的确定及校核 设计中根据工作压力的大小，选用速度比是由表 17-6-16 查得 =1.33 由公式 mmDd26.62 33 . 1 133 . 1 125 1 = = = 根据表 20-6-16 取标准值mmd63= 由于活塞杆在稳定工况下，只受轴向推力或拉力，所以可以近似的用直杆承受拉 压载荷的简单强度计算公式进行计算： 2 1 22 1 )( 35. 0 D DD s Mpa11.96 146 )125146(360 35.0 2 22 = 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章 支小臂液压缸设计 21 ()()MpaMpa d F 11010028 . 3 1063 4 1010213 4 10 62 6 2 6- = = = 所以满足工作时的强度需要。 5.3.4 活塞的最大行程活塞的最大行程 k k F EI L 2 = 5- 4 k F ：活塞杆弯曲失稳临界压缩力：( )NPF nkK F ：活塞杆纵向压缩力 ( )N k n ：安全系数 通常 ()65 . 3= k n 取5= k n E ：材料的弹性模量； 钢材的 5 101 . 2 =EN/mm 2 I ：活塞杆横截面惯性矩 （mm 4） 圆截面 4 4 049.0 64 d dI= 拟订大臂与小臂铰接时的角度为 135 液压缸安装时铰链焊接处为小臂mm200，与大臂焊接处为mm300；根据余弦定 理可得，最大行程为mm350。 5.3.5 钢筒底部厚度的确定钢筒底部厚度的确定 钢筒底部为平面，其厚度可以按照四周嵌进的圆盘强度公式进行计算： p P D 433.0 1 5- 5 其中： ：P筒内最大工作压力（P=Pmax=3Mpa）； p ：筒底材料许用应力 （前面求得p= =50.83Mpa）； 2 D ：计算厚度外径 取 2 D =90mm mm467.9 83.50 3 90433.0 1 = 所以，综合上述条件，钢筒底部厚度选择 12mm。 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 第五章 支小臂液压缸设计 22 5.3.6 缸盖螺钉的计算缸盖螺钉的计算 由表 2-1-8 可知活塞smV/5 . 0 max = 则活塞杆退回速度， smV/033 . 0 1= 活塞杆退回速度smV/043.0 2 =。 由公式： A Q v = V：活塞杆的运动速度（sm/） Q：流入液压缸的流量（sm / 3 ）； A：活塞的有效面积（ 2 m ）； smAVQ/1027. 510125 4 043. 0 34-6-2 222 = 由公式： S QQQ+= 0 :Q 工作载荷( )