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全套设计图纸加： 36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计IV摘 要液压缸是液压系统中最广泛应用的一种液压执行元件。液压缸是将液压泵输出的压力能转换为机械能的执行元件,它主要是用来输出直线运动。液压传动和液力传动均是以液体作为工作介质来进行能量传递的传动方式。液压传动主要是利用液体的压力能来传递能量；而液力传动则主要是利用液体的动能来传递能量。由于液压传动有许多突出的优点，因此，它被广泛地应用于机械制造、工程建筑、石油化工、交通运输、军事器械、矿山冶金、轻工、农机、渔业、林业等各方面。同时，也被应用到航天航空、海洋开发、核能工程和地震预测等各个工程技术领域。 本文对液压缸参数化设计方法进行深入系统的研究,建立液压缸 CAD 原型软件系统,主要研究成果如下: 1.系统分析液压缸工作原理的基础上, 归纳了液压缸的工作形式及主要安装形式。在分析液压缸主要部件结构特点的基础上,建立了基于装配的面向对象液压缸产品设计模型; 2.研究面向制造的产品特征建模技术,基于产品建模方法和面向对象技术,建立了基于特征的液压缸产品模型。研究了适用于液压缸参数化设计的标准件库建模方法及数据库建模技术,并据此建立了液压缸参数化数据库模型及基于装配的液压缸参数化模型; 3.建立液压缸参数化 CAD 系统模型,基于商用 CAD 软件,开发了液压缸参数化 CAD 软件原型系统。关键词：液压缸；液压泵；液压传动；液力传动全套设计图纸加： 36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计VAbstractHydraulic cylinders are one of the hydraulic action components, which are widely used to transfer hydraulic power produced by pump to mechanical power with the manner of straight movement.Hydraulic transmission hydraulic transmission and are based on the liquid as energy transfer medium to the drive. Mainly the use of hydraulic fluid to transmit pressure to energy; and hydraulic transmission is mainly used to transfer the kinetic energy of liquid energy. As a result of hydraulic many prominent advantages, therefore, it is widely used in machine building, construction, petrochemical, transportation, military equipment, mine metallurgy, light industry, agricultural, fisheries, forestry and so on. At the same time, also be applied to aerospace, marine development, nuclear engineering and earthquake prediction in various fields of engineering and technology.In this paper, the parameters of the hydraulic cylinder design of the system to conduct in-depth research, the establishment of hydraulic cylinder CAD prototype software system, the main research results are as follows: 1. The working principle of hydraulic cylinder systems analysis on the basis of summed up the work of the form of hydraulic cylinder and the major form of installation. Analysis of hydraulic cylinders in the structural characteristics of the main components on the basis of the assembly based on object-oriented model of product design of hydraulic cylinder; 2. Research-oriented products feature modeling, product modeling based on object-oriented methods and technology, based on the characteristics of the hydraulic cylinder product model. Studied for parametric design of hydraulic cylinder of standard parts library and database modeling modeling techniques, and accordingly established a database of hydraulic cylinder model parameters and the hydraulic cylinder assembly based on the model parameters; 3. To establish fluid pressure cylinder of CAD system model parameters, based on the commercial CAD software, has developed a hydraulic cylinder Parametric CAD software prototype system.Key words：Hydraulic cylinder; hydraulic pump; hydraulic transmission; hydraulic transmission全套设计图纸加： 36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计VI引 言液压传动元件以其功率大，安装布置简便，易于受控，操作方便舒适，故障率低，便于维护等优点，非常适于结构形态多变，工作条件恶劣的农业机械的应用。液 压 传 动 的 基本 原 理 ： 液 压 系 统 利 用 液 压 泵 将 原 动 机 的 机 械 能 转 换 为 液 体 的 压 力 能 ， 通 过 液 体 压 力 能的 变 化 来 传 递 能 量 ， 经 过 各 种 控 制 阀 和 管 路 的 传 递 ， 借 助 于 液 压 执 行 元 件 (缸 或 马 达 )把液 体 压 力 能 转 换 为 机 械 能 ， 从 而 驱 动 工 作 机 构 ， 实 现 直 线 往 复 运 动 和 回 转 运 动 。 其 中 的液 体 称 为 工 作 介 质 ， 一 般 为 矿 物 油 ， 它 的 作 用 和 机 械 传 动 中 的 皮 带 、 链 条 和 齿 轮 等 传 动元 件 相 类 似 。 在 液 压 传 动 中 ， 液 压 油 缸 就 是 一 个 最 简 单 而 又 比 较 完 整 的 液 压 传 动 系 统 ，分 析 它 的 工 作 过 程 ， 可 以 清 楚 的 了 解 液 压 传 动 的 基 本 原 理 。 几十年来，液压技术不仅在农机，机床，工程机械，建筑机械，航天航空设备等得到越来越多的应用，而且形成了庞大的市场。全世界液压元件市场销售额已超过二百亿美元，我国液压行业产值已近 80 亿人民币而液压油缸是液压传动中将液体的压力能转换成机械能，实现往复直线运动或往复摆动的执行元件，被广泛应用于各种液压机械设备中。液压油缸的设计合理性、制造质量，直接影响整个液压机械设备的的使用状态，乃至整个生产系统的正常运行和生产的安全性。所以，液压油缸的合理化设计具有重要的现实意义。全套设计图纸加： 36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计VII目 录摘 要 .IAbstract.II引 言 .III目 录 .IV第 1 章 液压传动的概述 .11.1 简介 .11.2 应用领域 .11.3 传动原理 .11.4 主要组成 .11.4.1 动力元件（油泵） .11.4.2 执行元件（油缸、液压马达） .21.4.3 控制元件 .21.4.4 辅助元件 .21.4.5 工作介质 .21.5 表达符号 .21.6 现状及其展望 .3第 2 章 液压缸的计算依据 .42.1 液压缸的分类 .42.2 主要参数及常用计算公式 .62.2.1 压力 .62.2.2 主要尺寸及面积比 .62.2.3 液压缸活塞的理论推理和拉力 .82.2.4 效率 .92.2.5 液压缸负载率 .102.2.6 活塞瞬间线速度 .102.2.7 活塞作用力 F.112.2.8 活塞加速度 a.122.2.9 活塞加（减）速时间 ta（t d） .122.2.10 活塞加（减）速行程 Sa（S d） .122.2.11 液压缸流量 .132.2.12 液压缸功率 P.13第 3 章液压缸的典型结构 .143.1 端盖与缸筒连接方式 .143.1.1 拉杆型液压缸 .14全套设计图纸加： 36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计VIII3.1.2 螺纹盖型液压缸 .143.1.3 法兰型液压缸 .143.1.4 安装方式 .143.2 专用液压缸典型结构 .163.2.1 特殊结构液压缸 .163.2.2 电液伺服液压缸 .173.2.3 特殊工质液压缸 .183.2.4 组合液压缸 .183.2.5 多级液压缸 .18第 4 章 液压缸主要零部件设计 .204.1 缸筒的设计计算 .204.1.1 主要技术要求 .204.1.2 缸筒结构 .204.1.4 缸筒厚度计算 .234.1.5 缸筒厚度验算 .244.1.6 缸筒底部厚度计算 .244.1.8 缸筒材料 .254.1.9 缸筒内壁表面加工公差和粗糙度 ISO4394 .264.2 活塞件的设计计算 .264.2.1 活塞结构型式 .264.2.2 密封件沟槽尺寸，公差及粗糙度 .264.2.3 材料 .264.2.4 活塞尺寸及公差 .274.3 活塞杆的设计计算 .274.3.1 结构 .274.3.2 活塞杆直径计算 .284.4 导向环的设计计算 .314.4.1 导向环主要优点 .314.4.2 导向环的型式 .314.4.3 导向环的尺寸不同 .324.5 活塞杆导向套 .324.6 中隔圈的设计计算（限位圈） .334.7 缓冲机构设计计算 .344.7.1 一般技术要求 .344.7.2 结构型式 .34全套设计图纸加： 36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计IX4.7.3 缓冲计算 .364.7.4 调整缓冲机构尺寸 .384.8 辅件 .40第 5 章设计主要尺寸图纸 .44结 论 .45参考文献 .46致 谢 .47全套设计图纸加： 36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计1第一章 液压传动的概述1.1 简介液压传动是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。液压传动称为流体传动，是根据 17 世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，是工农业中广为应用的一门技术。如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。1.2 应用领域液压传动有许多突出的优点，因此它的应用非常广泛，如一般工业用的塑料加工机械、压力机械、机床等；行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等；钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等；土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等；发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等等；船舶用的甲板起重机械（绞车） 、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等；军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。1.3 传动原理液压传动的基本原理：液压系统利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件(液压缸或马达)把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。其中的液体称为工作介质，一般为矿物油，它的作用和机械传动中的皮带、链条和齿轮等传动元件相类似。在液压传动中，液压油缸就是一个最简单而又比较完整的液压传动系统，分析它的工作过程，可以清楚的了解液压传动的基本原理。1.4 主要组成液压系统主要由：动力元件（油泵） 、执行元件（油缸或液压马达） 、控制元件（各种阀） 、辅助元件和工作介质等五部分组成。 1.4.1 动力元件（油泵）它的作用是把液体利用原动机的机械能转换成液压力能；是液压传动中的动力部分。 全套设计图纸加： 36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计21.4.2 执行元件（油缸、液压马达）它是将液体的液压能转换成机械能。其中，油缸做直线运动，马达做旋转运动。 1.4.3 控制元件 包括压力阀、流量阀和方向阀等。它们的作用是根据需要无级调节液动机的速度，并对液压系统中工作液体的压力、流量和流向进行调节控制。 1.4.4 辅助元件 除上述三部分以外的其它元件，包括压力表、滤油器、蓄能装置、冷却器、管件各种管接头(扩口式、焊接式、卡套式） 、高压球阀、快换接头、软管总成、测压接头、管夹等及油箱等，它们同样十分重要。 1.4.5 工作介质 工作介质是指各类液压传动中的液压油或乳化液，它经过油泵和液动机实现能量转换。1.5 表达符号全套设计图纸加： 36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计3图 1 液压系统表达符号1油箱 7油管2过滤器 8油管3液压泵 9液压缸4流量控制阀 10工作台5溢流阀6换向阀1.6 现状及其展望液压油缸也是基于以密闭容器中的静压力传递力和功率这一原理实现工作目的的。目前以其可实现大范围的无级调速、体积小、质量轻、结构紧凑、惯性小，易于实现自动化、过载保护以及良好的标准化、系列化、通用化特点广泛应用工程领域。当前正继续向着节能、与微电子、计算机技术结合、运行的可靠性、高度的集成化、高压、低噪声、提高密封性能等发展。全套设计图纸加： 36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计4第 2 章 液压缸的计算依据液压缸是将液压能转化成直线运动机械能的执行元件2.1 液压缸的分类液压缸主要分单作用液压缸，双作用液压缸，缓冲式液压缸，多级液压缸，等，具体分类如表 1表 1.液压缸的分类类别 名称 图形符号 说明单作用活塞液压缸（无弹簧）活塞仅作单向外伸运动，其反向内缩运动由外力来完成单作用活塞液压缸（弹簧回程）活塞仅作单向运动，其反向运动由弹簧力来完成单作用伸缩液压缸（单作用多级液压缸）有多个单向依次外伸运动的活塞（柱塞） ，各活塞（柱塞）逐次运动时，其运动速度和推力均是变化的。其反向内缩运动由外力来完成单 作 用 液 压 缸单作用柱塞液压缸柱塞仅作单向外伸运动，其反向内缩运动由外力来完成。其工作行程比单作用活塞液压缸长全套设计图纸加： 36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计5类别 名称 图形符号 说明双作用无缓冲式液压缸活塞作双向运动，并产生推，拉力。活塞在行程终了时不减速不可调单向缓冲式液压缸活塞作双向运动，并产生推，拉力。活塞在一侧形成终了时减速制动，其减速值不可调。另一侧行程终了时不减速不可调双向缓冲式液压缸活塞作双向运动，并产生推，拉力，活塞在双侧行程终了时均减速制动，其减速值不可调可调单向缓冲式液压缸活塞作双向运动，并产生推，拉力。活塞在一侧形成终了时减速制动，其减速值可调。另一侧行程终了时不减速可调双向缓冲式液压缸活塞作双向运动，并产生推，拉力，活塞在双侧行程终了时均减速制动，其减速值可调双 作 用 液 压 缸双活塞杆液压缸活塞两端杆径相同，活塞作正，反运动时，其运动全套设计图纸加： 36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计6速度和推（拉）力均相等双作用伸缩液压缸（双作用多级液压缸）有多个双向依次运动的活塞，各活塞逐次运动时，其运动速度和推，拉力均是变化的以上列出的是常见的液压缸分类，未包括一些结构或用途特殊的液压缸。2.2 主要参数及常用计算公式 2.2.1 压力1.额定压力 Pn，也称公称压力，是液压缸能用以长期工作的压力。国家标准 GB2346-80 规定了液压缸的公称压力系列如表 2表 2 液压缸公称压力（MPa）2.最高允许压力 Pmax，也是动态试验压力，是液压缸在瞬间所能承受的极限压力。各国规范通常规定为：P max1.5P n（MPa） （1-1-1）3 耐压试验压力 Pt，是液压缸在检查质量时需承受的压力试验，在此压力下不出现变形或破裂。各国规范多数规定为：P t=1.5Pn（MPa） （1-1-2）军品规范为：P t=(2-2.5) Pn (MPa) （1-1-3）2.2.2 主要尺寸及面积比1、缸内径 D国家标准 GB2348-80（等效于 ISO3320）规定了液压缸内径系列如表 3表 3 缸内径 D（mm）全套设计图纸加： 36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计72、活塞杆内径 d国家标准 GB2349-80 规定了活塞杆直径的基本系列（见表 4） 表 4 活塞杆直径 d（mm）3、活塞行程 S国家标准 GB2349-80 规定了活塞行程 S 的基本系列（见表 5） 表 5 活塞杆行程 S4、面积比（即速度比） = (1-1-4)22121/()AvDdA1= /4 A2= /4( )2d式中 A 1活塞无杆侧有效面积（ ）2mA2活塞有杆侧有效面积（ ）活塞杆伸出速度（ ）v2/s全套设计图纸加： 36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计8活塞杆退出速度（ ）2v2/msD活塞直径（m 2）d活塞杆直径（m 2）值系列案 ISO7181 规定，如表 62.2.3 液压缸活塞的理论推理和拉力以双作用单活塞液压缸为例，液压油作用在活塞上 F1：（1-1-6261*0/4*10()i iFAPDPN5）当活塞杆退回时的理论拉力 F2：（1-1-6 62*10/4()*10()i iFAPDdPN6）表 6 面积比 全套设计图纸加： 36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计9当活塞杆差动前进时（即活塞的两侧同时进压力相同的液压油）的理论推力 3:F（1-1-626312()*0/4*10()iAPidPN7）以上三式中 D活塞直径（即液压缸内径） （m）d活塞杆直径（m）Pi供油压力（MPa）2.2.4 效率 t1、 机械效率 ，由各运动件摩擦损失所造成。在额定压力下，通常可取m0.9。m2、容积效率 ，由各密封件泄露所造成，通常容积效率为：v全套设计图纸加： 36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计10图 2 液压缸活塞受力示意图装弹性体密封圈时： 1 v装活塞环时： 0.98 3、作用力效率 ：由排出口背压所产生的反向作用力而造成。d活塞外推时： （1-1-121/dPA8）活塞向内拉时： （1-1-212/d9） 式中 当活塞外推时，为进油压力；当活塞向内拉时,为排油压1P力（MPa） ；当活塞杆外推时，为排油压力；当活塞环内拉时，为进2油压力（MPa） ；同前。12A、当排油直接回油箱时： 1.d4、总效率 t=tmvd2.2.5 液压缸负载率 为实际使用推力（或拉力）与理论额定推力（或拉力）的比值：=实际使用推力（或拉力）/理论额定推力（或拉力） (1-1-11)这值是用以衡量液压缸在工作时的负载，通常采用 0.50.7，但对有些用途也可取 0.450.752.2.6 活塞瞬间线速度 v全套设计图纸加： 36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计11活塞瞬间线速度 v= （m/s） (1-1-v/qA12)式中 液压缸瞬时体积流量（ ） v 2/msA活塞的有效作用面积当 =常数时，v=常数。但实际上，活塞在行程两端各有一个加速阶段或vq一个减速阶段，见图 3图 3 活塞线速度随时间的变化2 活塞最高时线速度 maxV当流量 保持不变时，活塞在行程的中间大部分保持恒速，在活塞杆外推vq时，活塞的最高线速度为 Vmax为 （1-1-max11/()vqAs13）式中 杆外推时的体积流量 1v 2(/)ms活塞杆内拉时（1-1-max22/()vVqAs14）全套设计图纸加： 36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计12式中 杆内拉时的体积流量 2vq2(/)ms3 活塞平均线速度 mV（1-1-/ST(/)s15）式中 S活塞行程（m）T活塞在单一方向的全行程时间（s）活塞最高线速度与平均线速度可按下式计算 = （ ） （1-1-maxVvK/s16） 式中 活塞线速度系数 v活塞最高线速度 受活塞和活塞杆密封圈以及行程末端缓冲机构所能承maxV受的动能所限制。过低的最大线速度可能造成爬行，不利于正常工作，故 应大于maxV0.10.2 。2/s2.2.7 活塞作用力 F液压缸在工作适，活塞的作用力 F，必须克服各项阻力，F 的大小为；F （N） （1-1-EfI17）式中 外负载阻力（包括外摩擦阻力在内） （N） ；E回油阻力（N） ，当油流会邮箱时，可以近似取F=0，如果回油存在背压，则当杆外推时，可按式（1.1.6） ，计算当杆内拉时，F可按式（1-1-5）计算；当活塞差动前进时，在推力 中已考虑了 在内，故3FF此不必计算；密封圈摩擦阻力 （N） ；f活塞在启动，制动或换向时的惯性力（N） ， 在加速IF时，取+ ，在减速时，取- ，在恒速时，取 =0。111F密封圈摩擦阻力 为活塞密封和活塞杆密封摩擦阻力之和，即f全套设计图纸加： 36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计13（N） （1-1-6()10f DdFpbk18）式中 密封圈摩擦系数，按不同润滑条件，f可以取 =0.050.2；f密封圈两侧压力差 （Mpa） ；p分别为活塞及活塞杆密封圈宽度 (m)；Dbk分别为活塞和活塞杆密封圈摩擦修正系数，d“O”型密封圈； 0.15dk压紧型密封圈； 0.2唇型密封圈； 0.25d2.2.8 活塞加速度 a活塞加速度或减速度 a 为 （1-1-2/()IaFms19）式中 m为活塞及负载重量（kg）为活塞及负载惯性力（N）IF活塞加速度 a 的符号为“+” ，减速度为“-” 。2.2.9 活塞加（减）速时间 ta（t d）如图 2 作为活塞简化运动规律，则活塞的加速度和减速度时间分别为（s） （1-1-max/tv20）（s） （1-1-ax/dt21）2.2.10 活塞加（减）速行程 Sa（S d） 如仍以图 2 作为活塞简化运动规律，活塞的加速及减速行程分别为（m） (1-1-2/at22)全套设计图纸加： 36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计14(m) （1-1-2/dSat23）装有缓冲装置的液压缸的活塞加速或减速行程与缓冲装置节流行程有关（见 1-1-23）2.2.11 液压缸流量 vq当活塞杆外推时；(1-1-24)1/vmvqA2()s当活塞杆内拉时；（1-1-2/vmv2()s25）对于弹性物密封圈； 对于金属活塞坏；1;v0.98;v2.2.12 液压缸功率 P当活塞杆外推时；（w） （1-1-1mFv26）当活塞杆内拉时；（w） (1-1-2mPFv27)以上各式中凡未加说明的代号，其意义和单位均与前相同。全套设计图纸加： 36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计15第 3 章液压缸的典型结构通用液压缸用途较广，适用用与机床，车辆，重型机械，自动控制等用途。已有国家标准和国际标准规定其安装尺寸。此类液压缸的结构可从端盖与缸筒的连接方式和安装方式叙述。3.1 端盖与缸筒连接方式3.1.1 拉杆型液压缸两端盖和缸筒用多根长拉杆来连接，通常两端盖均为正方形或长方形，用四根拉杆拉紧（图 4）图 4 拉杆式液压缸3.1.2 螺纹盖型液压缸活塞杆侧的前端盖制有螺纹以旋入相应的缸筒螺纹内，后端盖则多数是焊全套设计图纸加： 36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计16接在缸桶后端这类液压缸暴露在外面的零件较少，外表光洁，外形尺寸较小，能承受一定的冲击负载和严酷的外界环境条件。但由于前端盖螺纹强度和预紧端盖的操作的限制，因此不能用与过大的缸内直径和太高的额定工作压力，通常用与内径 d这类液压缸多用与车辆，船舶，矿业等室外作业机械上。3.1.3 法兰型液压缸两端盖均有法兰，用多个螺钉分别与钢筒相应的法兰连接3.1.4 安装方式 国际标准 ISO60991985 初步规定了 51 种安装方式，分为七类，并用字母和数字表示。字母为 M，表示安装方式，后面为字母和数字。字母的定义如下：M安装 R螺栓端D双活塞杆 S第脚E前端或后端 T耳轴F法兰（可拆的） X双头螺栓或拉杆P圆柱销实用上多限于 6-12 种，如目前采用较广泛的三项国际标准分别规定 7-12种安装方式（见表 7）表 7 各类液压缸的安装方式代号国际标准 液压缸类型 工作压力 安装方式代号安装方式数目ISO6020/1单活塞杆中型系列 16MF1。MF2，MF3，MF4，MP3，MP4，MP5，MP6，MT1，MT2，MT3 11 ISO6020/2单活塞杆小型系列 16ME5，ME6，MP1，MP3，MP5，MS2，MT1，MT2，MT4，MX1，MX2，MX3 12ISO6022 单活塞杆 25MF3，MF4，MP3，MP4，MP5，MP6，MT4 7表 7 中各种规定了 7-12 种安装方式代号所代表的意义如下：端盖类：ME5前端矩形端盖安装全套设计图纸加： 36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计17ME6后端矩形端盖安装法兰类：MF1前端矩形法兰安装MF2后端矩形法兰安装MF3前端圆形法兰安装MF4后端圆形法兰安装耳环类：MP1后端固定式双耳环安装MP3后端固定式单耳环安装MP4后端可拆式单耳环安装MP5后端固定式球铰耳环安装MP3后端可拆式球铰耳环安装底座类：MS2侧底座安装耳轴类：MT1前端整体式耳轴安装MT2后端整体式耳轴安装MT3中间固定或可移式耳轴安装MT4中间固定或可拆式耳轴安装螺栓螺孔类：MX1两端四双头螺栓式安装MX2后端四双头螺栓式安装MX3前端四双头螺栓式安装上表中各种安装方式的安装尺寸，在设计标准液压缸时，可查阅表中有关标准。3.2 专用液压缸典型结构专用液压缸指专门为某一用途而设计的液压缸，以满足该用途的特殊要求，为此在结构，材料，精度，组合型式方面均较为特殊。这些液压缸中有些已形成系列并投入批产。3.2.1 特殊结构液压缸（1）重型液压缸重型机械如轧钢机，冶炼电炉等用的液压必须在高温，多尘，蒸汽等恶劣环境下工作，须连续作业，并承受猛烈的冲击负载。（2）控速液压缸为适应活塞高速下工作，并能在行程末端进入缓冲区时避免压力冲击，须在加速和减速阶段控制活塞的速度和加，减速度，达到无级缓冲的效果。（3）自锁液压缸全套设计图纸加： 36396305（Q-Q）优秀机械类毕业设计18这类液压缸装有自锁机构，可按要求将活塞杆锁定在要求的位置上。自锁机构分两种：液压锁优点：无级锁定，锁定位置可任意调定，锁定可靠，不会移位，可以遥控，只要操纵压力油压流向，即可锁定或松锁。机械锁机械锁多用在行程方向上的锁定，包括液压缸自带机械锁和液压缸外部对活塞杆的机械锁。液压缸自带机械锁又可分为活塞机械锁和活塞杆机械锁，也可分为无级机械锁和端位机械锁。（4）钢索液压缸为节省液压缸的轴向空间，实现特长行程之用，所带动的负载是较轻的。这种缸也称无杆液压缸。结构特点：液压缸的两端盖外各装有一个钢索滑轮。活塞没有活塞杆，活塞的两侧面分别与钢索的一端相联。活塞移动时带动钢索作同方向移动。（5）浸水液压缸用于浸在水中作业。液压缸不仅要防止工作油液泄露带外部，还要防止外部的水渗漏到缸内。结构特点：除活塞杆的密封件外，另外还装有外向密封圈，在外面再加一防尘圈。内和外向密封圈之间有一个低压腔，用于回油管把低压腔与油箱连接，以防止油液向外泄露。外露零件用不锈钢制成。（6）开关式限位液压缸为限制行程末端位置，当活塞杆到达调定的极限位置时，由杆带动的滑块触动行程开并发出电信号，控制液压系统方向阀的电磁铁，使活塞停下来作反向运沈阳理工大学学士学位论文I摘 要随着机器人在各个领域应用的日益广泛，许多场合要求机器人具有力控制的能力。此次设计是针对回转壳体内自动粘贴胶片的任务，设计一个 3DOF 平面关节型机械手（包括 1 个移动关节，2 个转动关节和末端执行机构） ，配合壳体驱动系统来实现此任务。在机械手工作过程中，通过伺服电机带动丝杠转动，从而来完成机械手水平方向的移动，旋转关节 1 通过链传动来完成平面内的旋转动作，旋转关节 2 直接在伺服电机的驱动下完成平面内的旋转动作，这样机械手可以伸入口径较小的回转壳体内完成粘贴胶片的任务。本次设计工作首先对机械手进行了运动学分析（包括运动学方程的建立，运动学方程的正问题、逆问题及其解） 。设计内容包括机械手的移动关节、旋转关节的结构设计，传动部分的设计等。其中，重点是对伺服进给系统的设计（包括工作台的设计，丝杠的设计，直线导轨、伺服电机和减速器的选取等） 。最后对系统中主要部件的刚度、强度等性能参数进行了计算与校核。关键词：机械手；自由度；运动学分析；伺服电机；直角减速器沈阳理工大学学士学位论文IIAbstractWith the increasing application of robot in various industrial fields, it is requested that robot has the ability to control power. According to the contact task of rotary hull, a 3-DOF robot manipulator is designed in order to accomplish sticking of the colloid. The robot manipulator consists of a transfer joint and two revolute joints and robot end-effector. The robot manipulator could realize the contacting task combining with the driving system of rotary hull. The concrete processing comprising of driving screw transmission with the servo motor. In this way, robot manipulator could complete movement in horizontal direction, the revolute joint could be able to accomplish revolute motion of two dimension-space through a chain driving, the revolute joint of end-effector completes directly revolute motion with the servo motor.Firstly, this design has been carried on the kinematics analysis in order to the manipulator, which consists of including the establishment of kinematics equation, the positive solutions of the kinematics equation, the corresponding inverse solutions. Secondly, the transfer joint, revolute joint and the transmission part are designed. The important part is the design of servo feeding system, which consists of the design of the platform and the screw, the selection of linear guide way, servo motor and reducer, etc. Finally, the corresponding calculations are done considering the systems main guide line such as components stiffness, strength and other performance parameters.Keywords: Robot manipulator；Freedom ；Kinematics analysis；Servo motor；Right-angle reducer沈阳理工大学学士学位论文III目 录1 引言 .11.1 课题背景和意义 .11.2 国内外研究现状 .11.3 工业机械手的用途 .32 机械手结构的总体方案设计 .42.1 课题的主要内容 .42.2 课题的研究方案 .42.3 机械手结构的总体设计 .42.3.1 主要技术指标设计 .42.3.2 机械手的结构设计 .43 机械手运动学分析 .63.1 机械手运动学方程的建立 .63.2 运动学方程的正解 .73.3 运动学方程的逆解 .84 传动装置的 设计 .104.1 伺服电机及减速器的选择 .104.1.1 机电领域中伺服电机的选择原则 .104.1.2 旋转关节驱动电机及减速器的选择 .104.2 链轮的设计及链条的选择 .114.2.1 滚子链传动的设计 .114.2.2 链轮的设计 .134.2.3 滚子链的静强度计算 .144.2.4 链传动的张紧 .154.2.5 链传动的润滑 .155 轴的设计与验算 .165.1 轴的结构设计 .16沈阳理工大学学士学位论文IV5.1.1 选择轴的材料 .165.1.2 初步估计轴径 .175.2 轴的校核 .186 轴上零件的选择与计算 .256.1 键的选择与键联接强度校核 .256.1.1 大臂末端电机轴上键的选择与校核 .256.1.2 轴上矩形花键的选择与校核 .266.1.3 小臂电机轴上键的选择与校核 .266.2 滚动轴承的验算 .266.2.1 确定轴承的承载能力 .276.2.2 计算当量动载荷 .286.2.3 校核轴承寿命 .287 伺服进给系统的设计与计算 .297.1 滚珠丝杠 的设 计 .297.1.1 材料的选择 .297.1.2 耐磨性计算 .297.1.3 螺杆的强度计算 .307.1.4 螺杆的稳定性计算 .307.2 丝杠副的选择计算 .317.2.1 螺母的疲劳寿命计算 .327.2.2 螺母螺纹牙的强度计算 .337.2.3 螺母凸缘的强度计算 .347.3 丝杠驱动电机的选择 .347.4 机械导轨的选择 .357.5 联轴器的选择与计算 .367.5.1 选择联轴器的类型 .367.5.2 联轴器的主要参数 .377.5.3 联轴器的计算扭矩 .37结论 .39沈阳理工大学学士学位论文V致谢 .40参考文献 .41附录 A.42附录 B.48沈阳理工大学学士学位论文11 引言1.1 课题背景和意义机器人技术，应该说是一个伴随着科学技术的进步而发展起来的一项综合性的成果。同时，也是对社会经济发展产生了重大影响的一门科学技术。它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入。比如说日本，战争以后开始发展汽车工业，那么这时候由于它人力的缺乏，迫切需要一种机器人来进行大批量的制造，提高生产效率降低人的劳动强度，这是社会发展本身的一个需求。另一方面它也是生产力发展需求的必然结果，还是人类自身发展的必然结果。随着人类社会的发展，人们在不断认识和改造自然的过程中，需要能够解放人的一种奴隶。这种奴隶要能够代替人们去从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达到世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。但另一方面，尽管人们有各种各样的好的想法，机器人技术仍归功于电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展，需要其提供强大的技术保证。随着社会的进步，不仅工业机器人技术在制造业领域得到了广泛的应用，同时，特种机器人的用途也越来越广泛，机器人每年收获的农作物达数十亿吨。有的机器人可以上山伐木，有的可以挤牛奶，有的则可以擦玻璃、洗汽车和洗飞机。机器人技术作为 20 世纪人类最伟大的发明之一，自 20 世纪 60年代初问世以来，经历 40 余年的发展已取得长足的进步。走向成熟的工业机器人及各种用途的特种机器人的应用，昭示着机器人技术灿烂的明天。1.2 国内外研究现状在 1947 年产生了世界上第一台主从遥控的机器人，1947 年以后是计算机电子技术发展比较迅速的时期，因此各国已经开始利用当时的一些现代的技术，进行了机器人研究。在 1962 年美国研制成功 PUMA 通用示教再现型机器人，那么这就标志着机器人走向成熟，应该说第一台可用的机器人在 1947 年产生，而真正意义的机器人在 1962 年产生。相继不久，在英国等国家，也相继研究出一些机器人，那么到了 20 世纪 60 年代末，日本人将它的国民经济的汽车工业与机器人进行结合，它购买了美国的专利，在日本进行了再次开发和生产机器沈阳理工大学学士学位论文2人。到 20 世纪 70 年代，日本已经将这种示教再现型的机器人进行了工业化，出现了很多公司，现在的像 ABB，MOTOMAN，安川公司，还有很多机器人公司像 OTC 等公司。它们都已经将机器人进行了工业化，进行了批量生产，而且成功的用于了汽车工业，使机器人正式走向应用。在 20 世纪 70 年代到 20 世纪 80 年代初期，工业机器人变成产品以后，得到全世界的普遍应用以后，那么很多研究机构开始研究第二代具有感知功能的机器人，出现了瑞典的 ABB 公司，德国的 KUKA 机器人公司和日本的 FUNAC公司。它们都在工业机器人方面具有很大的作为，同时我们也看到机器人的应用在不断拓宽，它已经从工业上的一些应用，扩展到了服务行业，并且扩展了它的作业空间，已经在海洋空间和服务医疗等行业的进行使用。我们国家在机器人的研究，是在 20 世纪 70 年代后期，当时我们在国家北京举办一个日本的工业自动化产品展览会，在这个会上有两个产品，一个是数控机床，一个是工业机器人，这个时候，我们国家的许多学者，看到了这样一个方向，开始进行了机器人的研究，但是这时候研究，基本上还局限于理论的探讨阶段，那么真正进行机器人研究的时候，是在七五、八五、九五、十五将近这二十年的发展。发展最迅速的时候，是在 1986 年我们国家成立了 863 计划是高技术发展计划，就将机器人技术作为一个重要的发展的主题，国家投入将近几个亿的资金开始进行了机器人研究，使得我们国家在机器人这一领域得到很快地、迅速地发展。目前主要单位像中科院沈阳自动化所，原机械部的北京自动化所，像哈尔滨工业大学，北京航空航天大学，清华大学，还包括中科院北京自动化所等等的一些单位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果，而且目前这几年来看，我们国家在高校里边，有很多单位从事机器人研究，很多研究生和博士生都在从事机器人方面的研究，目前我们国家比较有代表性的研究，有工业机器人，水下机器人，空间机器人，核工业的机器人，都在国际上应该处于领先水平，总体上我们国家与发达国家相比，还存在很大的差距，主要表现在，我们国家在机器人的产业化方面，目前还没有固定的成熟的产品，但是在上述这些水下、空间、核工业，一些特殊机器人方面，我们取得了很多有特色的研究成就。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。沈阳理工大学学士学位论文31.3 工业机械手的用途机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。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大等特点，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，例如：(1)机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。(2)在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。(3)可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。(4)可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。(5)宇宙及海洋的开发。(6)军事工程及生物医学方面的研究和试验。沈阳理工大学学士学位论文42 机械手结构的总体方案设计2.1 课题的主要内容本次课题的主要内容是针对回转壳体内自动粘贴胶片的任务，设计一个3DOF 平面关节型机械手(包括 1 个移动关节，2 个转动关节和末端执行机构) ，并且和壳体驱动系统配合起来实现自动粘贴胶片的的任务。2.2 课题的研究方案针对胶片粘贴任务，可设计 3DOF 平面关节型机械手。机械手由移动关节，旋转关节 1，旋转关节 2 和执行机构组成。移动关节安装在直线导轨上，通过伺服电机带动丝杠的转动来完成机械手前后方向的移动。旋转关节 1 的动作是通过链传动来完成的。具体方法是，大臂末端安装伺服电机来带动链传动，通过链传动使旋转关节 1 完成平面内的旋转动作。而旋转关节 2 则直接在伺服电机的驱动下完成平面内的旋转动作。执行机构设计为可以绕轴转动的圆柱型内空结构，以便与壳体内部形状吻合并且大大减轻机构重量。几个关节运动的有机结合可以实现机械手自动粘贴胶片的任务，并通过减速器使其达到理想的旋转速度。2.3 机械手结构的总体设计2.3.1 主要技术指标设计此机械手针对回转壳体，实现在其内部的自动粘贴胶片工作。回转壳体的有效长度为 2m，内部直径为 350mm，开口直径为 300m。胶片在粘贴到壳体前被剪裁成 300mm300mm，然后由工作人员放到执行机构的胶片架上。大臂水平方向的有效行程为 1.5m。沈阳理工大学学士学位论文52.3.2 机械手的结构设计大臂选用 10mm 厚的方钢，材质：Q235A。中臂，小臂，执行机构选用 45钢。具体结构如下图所示：图 2.1 机械手大臂图 2.2 机械手中臂沈阳理工大学学士学位论文6图 2.3 小臂执行机构3 机械手运动学分析机器人操作手通常为开链空间连杆机构，各杆件间通常用转动副和移动副相连接。开链一端安装在机座上，另一端为末端执行器。各关节由驱动器驱动，关节的相对运动导致连杆的运动，进而确定了末端执行器在空间的位置和姿态。齐次变换是解决机器人操作手运动学的数学工具。3.1 机械手运动学方程的建立表示机器人操作手的每个杆件在空间相对于基础坐标系位置和姿态的方程，称为机器人操作手的运动学方程。要描述机器人操作手每个杆件的空间位姿，需要使用以下直角系。 绝对坐标系，即建立在工作现场地面的坐标系。 机座坐标系，即建立在机器人上的坐标系，它是机器人各活动杆件的公共参考坐标系。通常在研究问题时，认为机座相对于工作地面是静止的，因此又将机座坐标系称为固定坐标系或基础参考系。 杆件坐标系即建立在机器人指定的活动杆件上的坐标系。它与活动杆件相固连，随杆件一起运动，因此又称其为活动坐标系或当前坐标系。沈阳理工大学学士学位论文7 末端执行器坐标，即末端杆，因此相应坐标系均转为杆件坐标系。在研究具体问题时，常将机座看为操作机的第 0 号杆件，即首端杆，而将末端执行器视为最后一个杆，即末端杆，因此相应坐标系均转为杆件坐标系。若一个机器人操作手有 n 个杆组成，各杆件编号从机座到末端执行器依次为 0，1，2，3，n，则可以写出变换方程 3：(3.1)TTn5643210式中： ，n)两杆件的相对变换矩阵。,(1iTi依据上述变换方程，即可求出任一杆件相对机座坐标系的位姿，得到相应的运动学方程。确定相临两杆间的变换矩阵是建立机器人运动学方程的基础。变换矩阵 ，n) 顺序相乘就可得到 。因 中含有一个关节,321(ii Tn0i1变量 若用广义坐标 3 则可写成 形式，有),(iid或iq,表 示 1i)iq（(3.2)().()(3210 nnT通常将 称为操作手的变换矩阵。显然它是 n 个关节变Tn0量 ，n)的函数。将 (3.2)称为操作手的运动学方程，它表示末端连杆,321(iq的位姿与关节变量之间的关系。3.2 运动学方程的正解正解问题是指已知各杆的结构参数和关节变量，求末端执行器的空间位姿，即求 。Tn0按下关节模式确定各杆的 A 矩阵。所建立的坐标系如下图所示：图 3.1 平面三杆机械手沈阳理工大学学士学位论文8建立 A 矩阵所需要的参数值见下表。表 3.1 机械手的结构参数表杆件号 i 关节变量 i ai di cos isin i1 0 0 lx10 1 02 1 0 20 1 03 2 0 3l0 1 0=A1= (3.3)T001lx=A2= (3.4)T0 10sincosini21l=A3= (3.5)T2 10sincosini2322l则： = = A1 A2 A3= T03123 1023122slcsxsll(3.6)式中 ；12c)os(21；in；1c1s。i沈阳理工大学学士学位论文93.3 运动学方程的逆解逆解问题是指已知满足某工作要求时末端执行器的空间位姿，就是已知中各元素的值以及各杆的结构参数，求关节变量。Tn0由运动学方程的正解可知 中各元素的值以及各杆件的结构参数。求关节Tn0变量。由前面可知：= (3.7)T03 12312slcsxcll根据 = ，T0131= = (3.8)0130)(1lx10yyxxpon10)(yylxxpon= A2 A3= (3.9)T31212312slcsc令(3.8)(3.9)式中两端矩阵第一行第三列元素与第二行第三列元素分别相等，得(3.10)12123)(slslpcxyx当工作时，机械手末端位姿如下图：图 3.2 机械手末端位姿图沈阳理工大学学士学位论文10因为此时 ，9021所以(3.10)式可化简为：(3.11)1231)(slpcxyx所以 (3.12)1212321()/90cos(/)lxylplll沈阳理工大学学士学位论文114 传动装置的设计4.1 伺服电机及减速器的选择4.1.1 机电领域中伺服电机的选择原则现代机电行业中经常会碰到一些复杂的运动，这对电机的动力荷载有很大影响。伺服驱动装置是许多机电系统的核心。因此，伺服电机的选择就变得尤为重要。首先要选出满足给定负载要求的电动机，然后再从中按价格、重量、体积等技术经济指标选择最适合的电机 2。图 4.1 各种电机的 T- 曲线一般伺服电机选择考虑的问题：(1) 电机的最高转速。(2) 电机的负载转矩。4.1.2 旋转关节驱动电机及减速器的选择1.估算各臂重量大臂 60KW9.8N/Kg=490N；中臂 30KW9.8N/Kg=294N；小臂和执行机构（手） 30KW9.8N/Kg=294N。2.旋转关节 1 驱动电机及减速器的选择(4.1)1(29450).319()TFLNm沈阳理工大学学士学位论文12(4.2)12031968.09.5.nTPW(4.3)168.5.L K故驱动关节 1 选用安川伺服电机 SGMH-13AAA41 。 。min/50,3.rnKWP额额减速器型号：PLS142HP 减速比 i=643.旋转关节 2 驱动电机及减速器的选择(4.4)2(50294).68.4()TFLNm(4.5)173.nPW(4.6)2187340.20.L K故驱动关节 2 选用安川伺服电机 SGMH-05AAA41 。min/15,4.0rnWKP额额减速器型号：WPLE60 减速比 i=804.2 链轮的设计及链条的选择4.2.1 滚子链传动的设计1.滚子链链轮的主要尺寸链轮的主要尺寸摘自 GB124485传动用短节距精密滚子链和套筒链链轮齿形和公差 ，适用于与 GB1243.183传动用短节距精密滚子链 配用的链轮；等效于 ISO6061982传动用短节距精密滚子链和链轮 。链轮的基本参数为：链轮的齿数 Z,链条的节距 P,滚子外径 dr,排距 Pt。2.滚子链传动的设计计算滚子链传动的设计计算步骤及计算式：已知传动功率 P=1.3KW,主动轮转速与从动轮转速相同，即 n1=n2=23.4r/min,大链轮轴孔直径与小链轮轴孔直径相同，既 dK1=dK2=40mm2.1 链轮齿数小链轮的齿数 Z1=23沈阳理工大学学士学位论文13大链轮的齿数 Z2=232.2 实际传动比 ii=Z2/Z1=23/23=1 (4.7)2.3 计算功率 PCPC=KAP/KZ=11.3/1.23=1.057KW (4.8)KA工况系数。查表 11-92， KA=1；齿数系数：Kz=(Z1/19)1.08=(23/19)1.08=1.23 (4.9)2.4 链条节距 P按 PC=1.3KW，n 1=23.4r/min，查图 11-52，得链节为 16A,即 P=25.4mm。2.5 查表 11-10 2，d Kmax=109dK=40mm,合适。2.6 初定中心距 a按要求 a0=1300mm，a0p=a0/p=1300/25.40=48.56 (4.10)在 3050 之间，所以合适。2.7 链节数LP=2a0/p+(Z1+Z2)/2+P/a0(Z2Z 1/2)2=21300/25.4+(23+23/2)+25.4/1300(23-23/2)2=102.36+23+0 =125.36 (4.11)取 LP=125 节。2.8 链条长度L=PLP=25.40125=3175mm (4.12)2.9 理论中心距 a当 Z1=Z2=Z 时，a=P/2(LP-Z)=25.40/2(125-23)=1259mm (4.13)2.10 实际中心距 aa=a-a=1259-0.003493.8=1258 (4.14)2.11 链速 VV= Z1 n1 P/601000=2323.425.40/601000=0.2278m/s (4.15)2.12 有效圆周力 Ft沈阳理工大学学士学位论文14Ft=1000P/V=100025.40/0.2278=111501N (4.16)2.13 作用于轴上之力 FKFK=1.15KAFt=1.151111501=128226N2 (4.17)2.14 润滑方式的选择根据 P 及 V 查图 11102，应采用油杯或刷子供油。2.15 链条的标记链 16A1125图 4.2 链条的三维视图4.2.2 链轮的设计1.链轮的材料链轮的材料应能保证链轮具有足够的耐磨性和强度。链轮的啮合次数越多受冲击也就越严重，故链轮采用较好的材料制造。选用链轮的材料为 20Cr,热处理为渗碳，淬火，回火。热处理后的硬度为 5060HRC。2.链轮基本尺寸的计算d=P/sin180o/Z=25.4/sin180o/23=25.4/0.136=186.76 (4.18)damax=d+1.25P-d1=186.76+1.2525.4-15.75=202.76 (4.19)damin=d+(1-1.6/Z)P-d1=186.76+(1-1.6/23)25.4-15.75=194.64 (4.20)所以 da 取整为 196。bf1=0.93b1=0.9315.75=14.64 (4.21)ba=0.125.4=2.54 (4.22)沈阳理工大学学士学位论文15h=0.5P=0.525.4=12.7 (4.23)ra0.04P=0.0425.4=1.0161 (4.24)df=d-d1=186.76-15.88=170.88 (4.25)dgPcot180 o/Z-1.04h2-0.76=25.4cot180o/23-1.0424.13-0.76=159.0(4.26)所以 dg 取整为 159。图 4.3 链轮的齿槽形状4.2.3 滚子链的静强度计算在低速(V0.6m/s)重载链传动中，链条的静强度占主要地位。如果仍用额定功率曲线选择计算，结果常不经济，因为额定功率曲线上各点相应的条件性安全系数 n 为 820，远比静强度安全系数大。当进行耐疲劳和耐磨损工作能力计算时，若要求的使用寿命过短，传动功率过大，也需进行链条的静强度验算。链条静强度计算公式 2：(4.27)lim148caAFnSK式中：沈阳理工大学学士学位论文16Sca链的抗拉静强度的计算安全系数；Fli
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