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抓件液压机械手设计【优秀机械手液压系统全套课程毕业设计含4张CAD图纸】

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手部受力分析图.dwg

手部结构图.dwg

机械手工作原理图.dwg

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关键词：: 液压机械手液压机械手设计课程毕业设计抓件液压机械手设计机械手液压系统全套课程毕业设计

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抓件液压机械手设计【优秀机械手液压系统全套课程毕业设计含4张CAD图纸】

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手部受力分析图.dwg

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抓件液压机械手的设计.doc

机械手工作原理图.dwg

液压系统原理图.dwg

摘要1

关键词1

Abstract1

Key words1

前言2

1.总体方案设计2

2.手部设计3

2.1 确定手部结构4

2.2 手部受力分析4

2.3 手部夹紧力的计算5

2.4 手抓夹持误差分析与计算6

2.5 手部夹紧缸的设计计算6

2.5.1 夹紧缸主要尺寸的计算6

2.5.2 缸体结构及验算7

2.5.3 缸筒两端部的计算8

2.5.4 缸筒加工工艺要求10

2.5.5 活塞与活塞杆的设计计算10

3.臂部设计12

3.1 臂部设计基本要求12

3.2 臂部结构的确定12

3.3 臂部设计计算12

3.3.1 水平伸缩缸的设计计算12

3.3.2 升降缸的设计计算14

3.3.3 手臂回转液压缸的设计计算15

4.液压系统设计16

4.1 系统参数的计算16

4.1.1 确定系统工作压力16

4.1.2 各个液压缸流量的计算16

4.2设计液压系统图17

4.3 选择液压元件19

4.3.1泵和电机的选择19

4.3.2 选择液压控制阀和辅助元件19

4.4根据动作要求编制电磁铁动作顺序表20

5.控制系统设计21

5.1 确定输入、输出点数，画出接口端子分配图21

5.2 画出梯形图21

5.3 按梯形图编写指令语句23

6. 总结24

参考文献25

致谢26

抓件液压机械手设计

摘要

机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置。目前液压机械手被广泛应用于工业领域中。使用机械手，可以实现生产加工的自动化，把人从繁重的体力劳动中解放出来。使用机械手可稳定和提高产品的质量，提高劳动生产率，降低生产成本。本次设计要求我们综合运用液压、机械、电控方面的知识，完成液压机械手的设计，包括机械部分、液压系统和PLC控制部分。机械部分是在力学计算的基础上经过结构分析进行设计，包括手部﹑手臂和机身。通常机械手的手部要求结构紧凑，重量轻，通用性好，夹持精度高。臂部则要求刚度好，重量轻，运动速度高，惯性小，动作灵活，位置精度高。液压系统的设计包括液压系统的计算和液压元件的选用；PLC控制部分包括控制梯形图的绘制及选择控制元件。

关键词

液压机械手；液压系统；设计；PLC

Abstract

Manipulator is a sort of automation device which has the function of grasp and transfer workpieces during the automated production. Today hydraulic manipulator is widely used in industry field. It can make the produce process automated and liberate the people from heavy physical labor. It can promote the quality of production and decrease the cost of production. In this design, we should use the knowledge of hydraulic, mechanism and electric control comprehensively to complete the design of hydraulic manipulator, including machine system, hydraulic and PLC control system. The mechanical part is designed on the basis of mechanics computation foundation after the structure analysis, including hand, arm and fuselage. Generally the manipulator’s hand should have four merits: compact structure, light weight, good universal property and high catch precision. Well, the arm should have merits that are good rigidity, light weight, high movement velocity, small inertia and flexible motion. The hydraulic system design including the hydraulic system computation and the selection of hydraulic components; The PLC control system design including plotting the ladder diagram and selecting the control component.

Key words

Hydraulic manipulator; hydraulic system; design; PLC

前言

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。它是机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性（王承义，1995）。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用（王希敏，1992）。

机械手在工业生产中应用极为广泛，这主要是因为它具有下列优点：对环境的适应性强，能代替人从事危险有害的工作；持久耐劳，动作准确，可稳定和提高产品生产质量，避免人为操作错误；通用性好，动作灵活，能较好地适应产品品种的变化；可提高劳动生产率，降低生产成本（张军，2004）。机械手按用途分为专业机械手和通用机械手。通用机械手具有独立控制系统，程序可变，动作灵活可以改变。其工作范围大，定位精度高，通用性强，适用于工件经常变化的中、小批量自动化生产（李允文，1994）。

工业机械手是由执行机构、驱动系统和控制系统组成的。执行机构由抓取部分、腕部、臂部等部件组成（李允文，1994）。对于执行运动较简单的机械手，可省去腕部的设计。驱动机械又有气动、液动、电动、机械式四种形式，气动和液动驱动方式较为常用。气动式速度快，结构简单，成本低，有较高的重复定位精度，但臂力一般在50牛顿以下。而液动式臂力大，可用电液伺服结构，能实现连续控制，使机械手的用途和通用性更广（张雅琴，2004）。

液压抓件机械手设计是一次比较完整的机电一体化整机设计。通过设计可以提高学生的机构分析与综合分析的能力、机械结构设计的能力、机电一体化系统设计能力，掌握实现生产过程自动化的设计方法。懂得如何将学过的知识应用到设计中去。

在机械手各部分的设计中，主要考虑了以下几个方面：机械结构上，让各部分的机构尽可能紧凑，自重和转动惯量尽可能小，同时臂部和机身还要求有足够的强度和刚度。除此之外，对臂部还要求运动速度高、惯性小、动作灵活，为之精度高。液压部分的设计主要是确定好系统的工作压力和流量。

这次设计使得我们对以往所学知识得到了巩固和加深，熟悉了有关国家标准。初步掌握了机械手产品的设计一般步骤。培养了自身独立工作的能力。

参考文献

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14.许福玲,陈尧明.液压与气压传动.第三版.北京:机械工业出版社,2007

15.杨春杰.5R工业装夹机械手液压驱动系统设计.机械研究与应用，2004，(2):50-51

16.杨永清,郭虹,纪玉杰.液压摆动机械手设计.液压与气动,2008,(1): 41-43

17.张利平.液压传动系统设计.北京:化学工业出版社,2005

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19.张雅琴.机电液一体化机械手设计.长春工程学院机电学院, 机械工程与自动化, 2006, (3): 80-82

20.张军,冯志辉.多工步搬运机械手设计.机械设计,2004,(4):20

机械手工作原理图.gif

手部结构图.gif

手部受力分析图.gif

液压系统原理图.gif

内容简介：: 抓件液压机械手设计本科毕业设计说明书题目姓名 Design of hydraulic manipulator for grasping 学号专业机械设计制造及其自动化指导教师职称副教授分类号密级 nts 本科毕业设计说明书抓件液压机械手设计 Design of hydraulic manipulator for grasping 学生姓名：学生学号学生专业：机械设计制造及其自动化指导教师： nts目录摘要 .1 关键词 .1 Abstract .1 Key words.1 前言 .2 1.总体方案设计 .2 2.手部设计 .3 2.1 确定手部结构 .4 2.2 手部受力分析 .4 2.3 手部夹紧力的计算 .5 2.4 手抓夹持误差分析与计算 .6 2.5 手部夹紧缸的设计计算 .6 2.5.1 夹紧缸主要尺寸的计算 .6 2.5.2 缸体结构及验算 .7 2.5.3 缸筒两端部的计算 .8 2.5.4 缸筒加工工艺要求 . 10 2.5.5 活塞与活塞杆的设计计算 . 10 3.臂部设计 . 12 3.1 臂部设计基本要求 . 12 3.2 臂部结构的确定 . 12 3.3 臂部设计计算 . 12 3.3.1 水平伸缩缸的设计计算 . 12 3.3.2 升降缸的设计计算 . 14 3.3.3 手臂回转液压缸的设计计算 . 15 4.液压系统设计 . 16 4.1 系统参数的计算 . 16 4.1.1 确定系统工作压力 . 16 4.1.2 各个液压缸流量的计算 . 16 4.2 设计液压系统图 . 17 4.3 选择液压元件 . 19 4.3.1 泵和电机的选择 . 19 4.3.2 选择液压控制阀和辅助元件 . 19 4.4 根据动作要求编制电磁铁动作顺序表 . 20 5.控制系统设计 . 21 5.1 确定输入、输出点数，画出接口端子分配图 . 21 5.2 画出梯形图 . 21 5.3 按梯形图编写指令语句 . 23 6. 总结 . 24 参考文献 . 25 致谢 . 26 nts本科毕业设计 1 抓件液压机械手设计摘要机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置。目前液压机械手被广泛应用于工业领域中。使用机械手，可以实现生产加工的自动化，把人从繁重的体力劳动中解放出来。使用机械手可稳定和提高产品的质量，提高劳动生产率，降低生产成本。本次设计要求我们综合运用液压、机械、电控方面的知识，完成液压机械手的设计，包括机械部分、液压系统和 PLC 控制部分。机械部分是在力学计算的基础上经过结构分析进行设计，包括手部手臂和机身。通常机械手的手部要求结构紧凑，重量轻，通用性好，夹持精度高。臂部则要求刚度好，重量轻，运动速度高，惯性小，动作灵活，位置精度高。液压系统的设计包括液压系统的计算和液压元件的选用；PLC 控制部分包括控制梯形图的绘制及选择控制元件。关键词液压机械手；液压系统；设计； PLC Abstract Manipulator is a sort of automation device which has the function of grasp and transfer workpieces during the automated production. Today hydraulic manipulator is widely used in industry field. It can make the produce process automated and liberate the people from heavy physical labor. It can promote the quality of production and decrease the cost of produc tion. In this design, we should use the knowledge of hydraulic, mechanism and electric control comprehensively to complete the design of hydraulic manipulator, including machine system, hydraulic and PLC control system. The mechanical part is designed on the basis of mechanics computation foundation after the structure analysis, including hand, arm and fuselage. Generally the manipulators hand should have four merits: compact structure, light weight, good universal property and high catch precision. Well, the arm should have merits that are good rigidity, light weight, high movement velocity, small inertia and flexible motion. The hydraulic system design including the hydraulic system computation and the selection of hydraulic components; The PLC control system design including plotting the ladder diagram and selecting the control component. Key words Hydraulic manipulator; hydraulic system; design; PLC nts本科毕业设计 2 前言机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。它是机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性（王承义， 1995）。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用（王希敏， 1992）。机械手在工业生产中应用极为广泛，这主要是因为它具有下列优点：对环境的适应性强，能代替人从事危险有害的工作；持久耐劳，动作准确，可稳定和提高产品生产质量，避免人为操作错误；通用性好，动作灵活，能较好地适应产品品种的变化；可提高劳动生产率，降低生产成本（张军， 2004）。机械手按用途分为专业机械手和通用机械手。通用机械手具有独立控制系统，程序可变，动作灵活可以改变。其工作范围大，定位精度高，通用性强，适用于工件经常变化的中、小批量自动化生产（李允文， 1994）。工业机械手是由执行机构、驱动系统和控制系统组成的。执行机构由抓取部分、腕部、臂部等部件组成（李允文， 1994）。对于执行运动较简单的机械手，可省去腕部的设计。驱动机械又有气动、液动、电动、机械式四种形式，气动和液动驱动方式较为常用。气动式速度快，结构简单，成本低，有较高的重复定位精度，但臂力一般在 50 牛顿以下。而液动式臂力大，可用电液伺服结构，能实现连续控制，使机械手的用途和通用性更广（张雅琴， 2004）。液压抓件机械手设计是一次比较完整的机电一体化整机设计。通过设计可以提高学生的机构分析与综合分析的能力、机械结构设计的能力、机电一体化系统设计能力，掌握实现生产过程自动化的设计方法。懂得如何将学过的知识应用到设计中去。在机械手各部分的设计中，主要考虑了以下几个方面：机械结构上，让各部分的机构尽可能紧凑，自重和转动惯量尽可能小，同时臂部和机身还要求有足够的强度和刚度。除此之外，对臂部还要求运动速度高、惯性小、动作灵活，为之精度高。液压部分的设计主要是确定好系统的工作压力和流量。这次设计使得我们对以往所学知识得到了巩固和加深，熟悉了有关国家标准。初步掌握了机械手产品的设计一般步骤。培养了自身独立工作的能力。 1.总体方案设计根据课题设计任务书的要求，确定总体方案： 1. 抓重： 10kg 2. 坐标形式：圆柱坐标 3. 自由度： 3 4. 手臂运动参数：运动名称符号行程范围速度伸缩 X 300mm 小于 200mm/s 升降 Z 200mm 小于 100mm/s 回转 180 小于 90（） /s 手指夹持范围：棒料，半径 40mm 60mm。定为方式：机械挡块（行程开关）。驱动方式：液压驱动。控制方式： PLC（可编程序控制） nts本科毕业设计 3 定位精度： 2mm。机械手的工作原理图如图 1-1 所示手部 1 采用夹钳式，具体为单支点回转型夹紧机构。动力采用单作用液压缸 2驱动夹紧，反向则由弹簧复位而松开手指。手臂的伸缩采用双作用液压缸驱动，伸缩过程采用双导管导向，在导向的同时，亦起到了一定的支撑作用，大大减少活塞杆的受力。夹紧缸的压力油经其中一导管进入缸内，此结构能使油管布置更加紧凑。手臂的回转采用摆动液压缸驱动，此摆动缸设计成输出轴固定不动，而使缸体转动从而带动整个手臂回转运动。双作用液压缸 5驱动手臂做升降运动图 1-1 机械手工作原理图 2.手部设计手部（亦称抓取机构）是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面处理等的不同，则机械手的手部机构是多种多样的，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而设计的（林建龙，王小北， 2003）。常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夹持式和吸附式两大类。本设计采用常用的夹钳式手部结构，它是最常见的夹持式结构。夹钳式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成的，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘和套类零件（殷际英，何广平， 2003）。一般情况下多采用两个手指，少数采用三指或多指。本设计中的工件是棒料，所以选择较简单的两指结构。夹钳式手部设计的基本要求： 1、应具有适当的夹紧力和驱动力手指握力（夹紧力）大小要合适，力量过大则动力消耗多，结构庞大，不经济，甚至会损坏工件；力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。在确定握力时，除考虑工件总量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，亦保证工件夹持安全可靠（杨永清等， 2008）。对于手部的驱动装置来说，应有足够的驱动力。应当指出，由于机构传动力比不同，在一定的夹持力条件下，不同的传动机构所需驱动力的大小是不同的。 2、手指应具有一定的开闭范围手指应具有足够的开闭角度或开闭距离，以便于抓取或退出工件。 3、应保证工件在手指内的夹持精度应保证每个被夹持的工件，在手指内都有准nts本科毕业设计 4 确地相对位置。这对一些有方位要求的场合更为重要，如曲拐、凸轮轴一类复杂的工件，在机床上安装的位置要求严格，因此机械手的手部在夹持工件后应保持相对的位置精度。 4、要求结构紧凑、重量轻、效率高在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。 5、应考虑通用性和特殊要求一般情况下，手部多是专用的，为了扩大它的适用范围，提高它的通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要，通常采取手指可调整的办法，如更换手指甚至更换整个手部。此外，还要考虑能适应工作环境提出的特殊要求，如耐高温、耐腐蚀、能承受锻锤冲击力等。 (李允文， 1994) 2.1 确定手部结构根据设计要求设计出的手部结构如图 2-1 所示：图 2-1 手部结构图图中NF为手指对工件的夹紧力， F 为夹紧缸活塞杆的推力。 2.2 手部受力分析经分析，手部受力图如图 2-2 所示 nts本科毕业设计 5 图 2-2 机械手手部受力分析图由图可知，手部结构对称，则 12FF由 0yF 得 1F cos2 F 且 1F 1F 由 0)(1 FM o得 1Fh= NFb 且 NFNF由几何关系有 hcosc由上述等式可得： FN Fbc 2)cos1(2 即 F= 22 cosNb Fc 式中 b 手指回转中心到夹紧力作用点之间的距离； C 手指回转中心到滑槽支点之间的距离；工件被夹紧时手指滑槽方向与回转中心在水平方向的夹角。 2.3 手部夹紧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。必须对其大小、方向和作用点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），以使工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按下式计算（李允文， 1994）： 1 2 3NF K K K G 1.5 1.02 4 98=593N 取 FN =600N 式中： K1 安全系数，取 K1 1.5； nts本科毕业设计 6 K2 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。取 K2 1.02； K3 方位系数，根据工件形状以及手指与工件位置不同进行选定， K3 4 G 被抓工件所受重力（ N）， G mg 10 9.8 98N。则： 222 c o s c o s 3 0 6 0 0 2 2 5 0NbFFc 理论 2 1 0 0 40N 2647FF 理论实际 2250 0.85N 式中手指传力效率，取 0.85。 2.4 手抓夹持误差分析与计算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确定），而且还与手指的夹持误差大小有关。在机械加工中，通常情况要求手抓的夹持误差不超过 1mm 就可以了。根据设计要求知棒料半径为40mm 60mm。则：工件平均半径： m i n m a x 4 0 6 0 5022cp RRR mm 取手指 LAB为工件平均半径的 2 倍： LAB 2 50 100mm 取 V型钳的夹角 2 120 偏转角按最佳偏转角确定： 11 50c o s c o s 5 4 4 4s i n 1 0 0 s i n 6 0cp ooABRL =计算0 s i n c o s 0 s i n 6 0 c o s 5 4 4 4 5 0ABRL Mmm m a x 0 m inR R R则定位误差为1和2中的较大者。 22 m a x m a x1 ( ) 2 c o s s i n 8 2 . 4 6 2 8 1 . 6 4 4 0 . 8 1 8s i n s i nA B A B A BRRL L L m m 22 m i n m i n( ) 2 c o s s i n 8 2 . 4 6 5 8 1 . 6 4 4 0 . 8 2 1s i n s i nA B A B A BRRL L L m m 2 2 0.821mm1mm 夹持误差满足设计要求。 2.5 手部夹紧缸的设计计算 2.5.1 夹紧缸主要尺寸的计算由前知，夹紧缸为单作用弹簧复位液压缸，假设夹紧工件时的行程为 25mm，时间为0.5s，则所需夹紧力为： nts本科毕业设计 7 2647F F P P 弹弹实际式中： F 活塞杆实际输出力； P 弹弹簧压缩时的作用力。其中： 43) 4 6 28 ZGdP L S NDZ弹（式中： G 弹簧材料的剪切模量，对于钢材， 528 . 1 1 0 ( / )G k g c m ； D 弹簧的钢丝直径（ 3mm）； DZ 弹簧中径（ 30mm）； Z 弹簧的有效圈数（ 18 圈）； L 及 S 活塞的行程及弹簧的与预缩量， L=25mm, S=20mm。 F=2647+462=3109N5000N 查表工作压力取 1aMP，考虑到为使液压缸结构尺寸简单紧凑，取工作压力为2aMP。由公式 24F D P 得： 64 4 3 1 0 9 4 5 . 73 . 1 4 2 1 0 0 . 9 5FD m mP 式中 : D 液压缸内径； P 液压缸工作压力；液压缸工作效率， 0.95。由 JB826 66 标准系列将缸内径圆整为 D 50mm，同理查得活塞杆直径 d 32m， 2.5.2 缸体结构及验算缸体采用 45 号钢无缝钢管，由 JB1068 67 查得可取缸筒外径为 60m，则壁厚 5mm。（ 1）液压缸额定工作压力 ()NP MPa应低于一定极限值，以保证工作安全（李壮云， 2008）。 22 6 2 21221() 0 . 3 5 3 4 0 1 0 ( 0 . 0 6 0 . 0 5 )0 . 3 5 3 6 . 3 60 . 0 6sN DDP M P aD 式中： D 缸筒内径（ m）； D1 缸筒外径（ m）； s 缸筒材料的屈服点，（ 45 号钢为 340MPa ）。已知工作压力 PN 2MPa 36.36MPa ，故安全。（ 2）为避免缸筒在工作时发生塑形变形，液压缸的额定压力 PN 值应与塑性变形压力有一定的比例范围。 nts本科毕业设计 8 PN（ 0.35 0.42） PPl 式中： PPl缸筒发生完全塑性变形时的压力（ MPa ），12 .3 lgp l s DP D。计算可得： 61.92plP aMP0 . 3 5 6 1 . 9 2 2 1 . 6 7NaP M P 已知实际工作压力 PN 2MPa 21.67MPa ,故安全。（ 3）缸筒爆裂压力 ()EaP MP应远远大于耐压试验压力 PT。 12 .3 lgEbDP D 查表知 45 号钢 600baMP ，则： 62 . 3 6 0 0 1 0 l g 1 . 2 1 0 9 . 2 7EaP M P TP取 1.5NP 3MPa ，可知EP远远大于耐压实验压力TP。 2.5.3 缸筒两端部的计算（ 1）缸筒底部厚度的计算此夹紧缸采用了平行缸底，且底部设有油孔，则底部厚度为（李壮云， 2008）： m a x 60 4 0 . 0 50 . 4 3 3 0 . 4 3 3 0 . 0 5 6 . 8( ) 1 2 0 1 0 0 . 0 3 8pDh D m mDd 考虑结构要求，取 h 10mm 式中： D 缸筒内径； Pmax 液压缸最大工作压力，取 Pmax 2PN 4MPa 。缸底材料的许用应力（ MPa ），材料为 45 号钢，b 600MPa 。则 600 1205bn MPa ， n 为安全系数，取 n 5。（ 2）缸筒底部联接强度计算缸筒底部采用外卡环联接，材料为 35 号钢，联接图如下：图 2-3 外卡环联接图 nts本科毕业设计 9 卡环尺寸一般取： 5h l m m ; 12 2 . 52hh h m m 外卡环 ab 侧面上的挤压应力c（ MPa ）为 : 2 62m a x 114 1 0 ( 0 . 0 6 ) 2 5 . 0 4 3 1 0( 2 ) 0 . 0 5 ( 2 0 . 0 6 0 . 0 5 )cpD M P a M P ah D h 缸筒危险截面 AA 上的拉应力（ MPa ）为 : 2 62m a x 12 2 2 214 1 0 ( 0 . 0 6 ) 2 7 . 4 3 5 2 0( ) ( 0 . 0 6 0 . 0 5 ) ( 0 . 0 5 )pD M P a M P aD h D 故知缸筒底部联接安全。（ 3）缸筒端部联接强度计算缸筒端部与手指是用螺钉联接，联接图如下：图 2-4 螺钉联接图螺纹处的拉应力： 662213 4 7 01 0 1 0 2 6 . 2 6( 0 . 0 0 4 1 3 4 ) 444KF M P adZ 螺纹处的剪应力： 6610 3310 . 1 2 3 4 7 0 0 . 0 0 51 0 1 0 1 5 . 3 80 . 2 0 . 2 ( 0 . 0 0 4 1 3 4 ) 4K K F d M P adZ 则合成应力： 223 3 7 . 4 1 2 0n M P a M P a 则知螺纹连接处安全可靠。式中： K 拧紧螺纹的系数，取 K 3； K1 螺纹连接处的摩擦系数 K1 0.12； d0 螺纹外径（ m）， d0 0.005m； d1 螺纹底径（ m）， d1 0.004134m； nts本科毕业设计 10 Z 螺钉数量 Z 4。 2.5.4 缸筒加工工艺要求 (1）缸筒内径采用 H8 配合。表面粗糙度：活塞采用橡胶密封圈密封，aR取0.1 0.4 m ，需研磨加工处理。（ 2）缸筒内径 D 的圆度公差值可按 9、 10 或 11 级精度选取，圆柱度公差值可按 8级精度选取 (下为缸筒机加工图 ) 图 2-5 缸筒机加工图（ 3）缸筒端面 T 的垂直度公差值按 7 级精度选取（ 4）为了防止腐蚀和提高寿命，缸筒内表面应镀以厚度为 30 40 m 的铬层，镀后进行抛光（李柱， 2004）。 2.5.5 活塞与活塞杆的设计计算（ 1）活塞设计活塞的外径与缸筒内径一致为 D=50mm，活塞宽度 B一般为活塞外径的 0.6 1.0 倍，这里取为 0.8 倍，则 B 0.8 50 40mm。因是单作用弹簧缸，活塞与活塞杆采用较简单的螺纹连接。活塞与缸筒内壁采用 O型密封圈密封（王懋瑶， 2004）。活塞结构如下：图 2-6 活塞结构图对于无导向环活塞的材料，一般选用高强度铸铁 HT200 或球墨铸铁 (陈大先， 2004)，这里我们选用 HT200。 nts本科毕业设计 11 加工上，活塞外径 D 对孔轴线的径向圆跳动公差值，可按 7、 8 级精度加工，同时其圆柱度公差值，按 9、 10 级选取；端面 T对轴线的垂直度公差值按 8级精度加工；外表面粗糙度控制在 0 .4 0 .8mm之间。（ 2）活塞杆设计由前知活塞杆的直径 d 32mm，活塞一端用螺纹与活塞相连接，另一端也采用外螺纹与手指连接（如图）图 2-7 活塞杆外端部结构图活塞杆直径 d 32mm，故取 3 0 2K K P M ， A 40mm （螺纹长短型）活塞杆结构（如图）采用实心杆图 2-8 活塞杆结构图杆体材料采用 35号钢，加工后调质到硬度为 229 285HBS，必要时，再经高频淬火，硬度达 45 55HRC。活塞杆直径 d的圆柱度公差值，应按 8级精度加工，其圆度公差值，应按 9、 10 级精度加工；端面 T的垂直度公差值应加工成 7级精度；外圆表面粗糙度应处于 0.4 0.8 m 之间（郑修本， 1999）。验算活塞杆的强度取活塞杆的计算长度为 150mm，活塞杆已知 32mm 则 150 1032ld ，属于短行程活塞杆，主要验算抗拉强度。 64 6 6 3 . 5 32 2 7 . 53 1 0 1 0ssFnd m m 已知 d 32mm，故安全。式中： F 液压缸最大推力， F 取 1.5 3109 4663.5； D 活塞杆直径， ns 安全系数，一般取 ns 3； s 活塞杆材料屈服极限（ MPa ），查资料知 35 号钢为 310 MPa nts本科毕业设计 12 3.臂部设计手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内的任意一点。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右回转和升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既承受手部和工件的静、动载荷，而且自身运动有较多，故受力复杂。因而，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度等直接影响机械手的工作性能。（李允文， 1994） 3.1 臂部设计基本要求臂部设计首先要实现所旭要求的运动，为此，要满足下列几项要求：（ 1）臂部应承载能力大、刚度好、自重轻；（ 2）臂部运动速度要高，惯性要小；（ 3）手臂动作应灵活；（ 4）位置精度要高。除此之外，要求机械手的通用性好，能适应多种作业的要求；工艺性好，便于加工和安装；用于热加工的机械手，还要考虑隔热、冷却；用于作业区粉尘大的机械手还要设置防尘装置等。 3.2 臂部结构的确定（ 1）由前知，手臂的伸缩采用双导向杆状作用液压缸手臂结构，导向管在导向套内移动，且导向管内设有通向夹紧缸的油管。活塞杆只受拉压作用，受力简单，传动平衡，外形整齐美观，结构紧凑。（ 2）手臂的水平回转采用液压摆动缸驱动。（ 3） .手臂的升降采用双作用液压缸驱动。 3.3 臂部设计计算 3.3.1 水平伸缩缸的设计计算（ 1）驱动力计算根据液压缸运动时所需克服的摩擦、回油背压及惯性等几方面的阻力，来确定液压缸所需的驱动力。理论驱动力： F F F F F 理回摩密惯估算参与手臂运动部件总重量 2 5 9 . 8 2 4 5GN ，且重心位置距导向套前端面距离为 200mm。 F摩的计算：由于导向杆对称布置，导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。由 0AM 知 bGL aFnts本科毕业设计 13 则： 2 4 5 2 0 0 81660b GLFNa 又 0Y 则 8 1 6 2 4 5 5 7 1abF F G N ab 0 . 1 5 1 3 8 7 2 0 8baF F F F F N 摩摩摩式中： L 重心距导向套前端距离（ 200mm）； a 导向套长度（ 60mm）；当量摩擦系数，取 0.15。 F 摩的计算：当液压缸的工作压力小于 10MPa 。活塞杆直径为液压缸直径的一半，则活塞和活塞杆都采用 O 型密封圈，此时液压缸的密封阻力为： 0 . 0 3F F F F 驱密杆活塞 F 回的计算：一般背压阻力较小， F 回取 0.05F 驱 F 惯的计算： 2 4 5 0 . 1 5 1889 . 8 0 . 0 2GvFNgt惯式中； v 由静止加速到常速的变化量（ m/s）； t 起动过程时间（ s），一般取 0.01 0.5s，这里取 t 0.2s。则： 2 0 8 0 . 0 5 0 . 0 3 1 8 8F F F 理理理得出 F 理 408N 实际驱动力 24 0 8 1 0 2 00 . 8kF F N 理实；式中： k 安全系数 k 2；传力机构机械效率 0.8。（ 2）结构尺寸的确定缸内径计算：取工作压力 P 2MPa ，则： 64 4 1 0 2 0 263 . 1 4 2 1 0 0 . 9 5FD m mp ，圆整为 D 32mm。根据强度要求，计算活塞杆直径 d： 64 4 1 0 2 0 3 . 63 . 1 4 1 0 0 1 0Fd m m ，材料许用应力，碳钢取 100 MPa 。考虑结构要求，取 11 3 2 1 622d D m m 壁厚计算：此缸工作压力为 2MPa ，属低压，则缸筒壁厚采用薄壁计算公式（成大先， 2004）： nts本科毕业设计 14 m a x 4 3 2 0 . 6 42 2 1 0 0pD mm ，取 4mm。联接螺钉强度计算：取螺钉数目 Z 4，工作载荷： 1020 2554Q FFNZ 预紧力 1 . 3 1 . 8 2 5 5 5 9 6 . 7QjF 。则 1 64 4 5 9 6 . 7 2 . 23 . 1 4 1 6 0 1 0QjFd m m ，查手册取螺纹直径 d1 6mm，螺距 p0.75，材料为 35 号钢的内六角螺钉。 3.3.2 升降缸的设计计算（ 1）驱动力计算经分析易知，升降缸在上升阶段所需驱动力为最大，则以此为设计依据，此时相比伸缩缸，其驱动力还应加上手部上面各运动部件以及工件的重力。理论驱动力； F F F F F G 理回总摩密惯，估算 G 总 450N F 摩的计算： 0.16FF理摩； F 密的计算：同理 0 . 0 3F F F F驱密杆活塞； F 回的计算：回油背压小，取 F 回 0.05F 驱； F 惯的计算： 4 5 0 0 . 1 2309 . 8 0 . 0 2GvFNgt 总惯。则： 0 . 1 6 0 . 0 5 0 . 0 3 2 3 0 4 5 0F F F F 理理理理得出 F 理 810N 实际驱动力 28 1 0 2 0 2 50 . 8kF F N 理实（ 2）结构尺寸的确定缸内径计算：取工作压力 P 2MPa ，则： 64 4 2 0 2 5 373 . 1 4 2 1 0 0 . 9 5FD m mp ，圆整到 D 40mm 根据强度要求，计算活塞杆直径 d： 64 4 2 0 2 5 5 . 13 . 1 4 1 0 0 1 0Fd m m ，同理取 11 4 0 2 022d D m m 。结构上，活塞杆内部装有花键及花键套，能实现导向作用，同时可使活塞杆在升降运动中传动平稳，且获得较大刚度。 nts本科毕业设计 15 壁厚同伸缩缸一样，取 4mm。联接螺钉强度计算：取螺钉数目 Z 4，工作载荷 2025 5064Q FFNZ 预紧力 1 . 3 1 . 8 5 0 6 1 1 8 4QjFN 。则 1 64 4 1 1 8 4 3 . 73 . 1 4 1 6 0 1 0QjFd m m ，查手册取螺纹直径 d1 6mm，螺距 p0.75，材料为 35 号钢的内六角螺钉。 3.3.3 手臂回转液压缸的设计计算（ 1）驱动力矩的计算驱动手臂水平回转所需要的驱动力矩 M 驱应该与手臂启动时所产生的惯性力矩 M 惯及各密封装置处的摩擦力矩 M 封相平衡，若轴承处的摩擦力忽略不计：则M M M驱惯封，在设计计算时，为简化计算，可不计 M 封。直接计入回转缸效率中，则 MM惯驱，取 0.9。 wM t0惯 J式中： w 角速度变化量（ rad/s），在起动过程

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