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毕业设计（论文）本科 2011 级 机械工程 系 专业 班设计（论文）题目 变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计 学生姓名 危凌峰 学号 1101101028 起讫日期 2014.11.28-2015.05.31 设计地点 指导教师 刘晓梅 职称 副教授 2015 年 5 月 5 日 I目 录摘 要.IIIAbstract.IV第一章 绪论.11.1 研究背景及意义.11.2 机械手概述.11.2.1 机械手的组成.11.2.2 机械手的分类.21.3 国内外发展状况.2第二章 总体方案设计.42.1 设计要求.42.2 方案拟定.42.2.1 机械手结构类型.42.2.2 拟定方案.52.2.3 工作原理分析.6第三章 升降装置设计.73.1 升降装置结构方案.73.2 升降缸设计.73.2.1 负载计算.73.2.2 初选液压缸的工作压力.83.2.3 液压缸直径确定.93.2.4 液压缸其它参数计算.93.2.5 液压缸的结构设计.143.3 升降连接板设计.18第四章 夹爪装置设计.194.1 夹爪装置结构方案.194.2 夹爪手部设计.194.3 驱动力的计算.204.4 夹紧缸设计.22II4.4.1 负载计算.224.4.2 初选液压缸的工作压力.224.4.3 液压缸直径确定.224.4.4 液压缸其它参数计算.23第五章 托料装置设计.245.1 托料装置结构方案.245.2 摆动缸设计.245.2.1 摆动缸驱动力矩的计算.245.2.2 回转缸尺寸参数的确定.265.2.3 摆动缸盖螺钉的计算.275.2.4 动片和输出轴间的连接螺钉.285.3 托板设计.29第六章 液压系统设计.306.1 方案的拟定.306.1.1 供油方式.306.1.2 调速回路.306.1.3 速度、换接回路.306.2 方案的确定.306.3 液压元件的选择.316.3.1 确定液压泵的型号及电动机功率.316.3.2 选择阀类元件及辅助元件.326.3.3 油箱及油管的设计.326.4 液压系统的性能验算.346.4.1 压力损失及调定压力的确定.346.4.2 系统的发热和温升.35总 结.36参考文献.37致 谢.38III摘 要机械手不仅是一种自动化的机器。机械手是一种可重新编程的、多功能的、机械手，为实现各种任务设计成通过可改变的程序动作来移动材料、零部件、工具或是其他专用装置。本次设计的自动上下料机械臂是某变速箱传动轴加工线专用的设备，主要由升降装置、夹爪装置、托料装置、液压系统四大部分组成。设计过程中，首先，通过对自动上下料机械臂结构及原理进行分析，在此分析基础上提出了机械臂的总体结构方案；接着，对四大装置各主要零部件进行了设计与校核；然后，对液压系统进行了设计；最后，通过 AutoCAD 制图软件绘制了该机械臂装配图、液压系统原理图及主要零部件图。通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图、液压传动等；掌握了普通机械产品的设计方法并能够熟练使用 AutoCAD 制图软件，对今后的工作于生活具有极大意义。关键字：机械臂，液压缸，液压系统，设计IVAbstractNot only is an automated robotic machines. 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变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计1第一章 绪论1.1 研究背景及意义机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。我国的工业机械手是从 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,目前已经基本掌握了机械手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,生产了部分机械手关键元器件，开发出喷漆，孤焊，点焊，装配，搬运等机械手，其中有 130 多台喷漆机械手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，孤焊机械手已经应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的看来，我国的工业机械手技术及其工程应用的水平和国外比还有一定距离。随着社会生产不断进步和人们生活节奏不断加快，人们对生产效率也不断提出新要求。由于微电子技术和计算软、硬件技术的迅猛发展和现代控制理论的不断完善，使机械手技术快速发展，其中液压机械手系统由于其介质来源简便以及不污染环境、组件价格低廉、维修方便和系统安全可靠等特点，已渗透到工业领域的各个部门，在工业发展中占有重要地位。随着工业自动化程度的提高，机械手的应用领域越来越广。机械手能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具。机械手可以代替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度、提高生产效率。1.2 机械手概述机械手也被称为自动手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。随着工业机械化和自动化的发展以及液压技术自身的一些优点，液压机械手已经广泛应用在生产自动化的各个行业。 1.2.1 机械手的组成机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计2动） 、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有 6 个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有 23个自由度。1.2.2 机械手的分类机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、液压式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand” ，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机械手1.3 国内外发展状况机械手首先是从美国开始研制的。1958 年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。 1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为 Unimate（即万能自动） 。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。1962 年美国机械制造公司也实验成功一种叫 Vewrsatran 机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计3出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。1978 年美国 Unimate 公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种 Unimate-Vicarm 型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于1 毫米。联邦德国机械制造业是从 1970 年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。联邦德国 KnKa 公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至 1977 年底，其中一半是国产，一半是进口。目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统 FMS和柔性制造单元 FMC 中的重要一环。一般概况国内机械行业应用的机械手绝大部分为专用机械手,附属于某一设备,其工作程序是固定的。通用机械手也有发展,目前应用的都是开关式点位控制型,伺服型已试制出数台在调试中,连续轨迹控制型还没有。 控制方式有触点固定程序控制占绝大多数,专用机械手多采用这种控制。变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计4第二章 总体方案设计2.1 设计要求设计汽车变速箱传动轴生产线上的自动上下料系统，传动轴最大直径 80mm，最大长度 450mm。要求设计机械臂系统能够自动将上道工序加工完成并由传送带传递来的工件自动送料，并将本工序加工完成的工件自动下料并放置于传送带。2.2 方案拟定2.2.1 机械手结构类型工业机械手的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下。（1）直角坐标机械手结构 直角坐标机械手的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图 a2-1.。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机械手有可能达到很高的位置精度（m 级） 。但是，这种直角坐标机械手的运动空间相对机械手的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机械手的结构尺寸要比其他类型的机械手的结构尺寸大得多。直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体。直角坐标机械手主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机械手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。（2）圆柱坐标机械手结构圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1.b。这种机械手构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。（3）球坐标机械手结构球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图 2-1.c。这种机械手结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计5（4）关节型机械手结构关节型机械手的空间运动是由三个回转运动实现的，如图 2-1.d。关节型机械手动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大。此种机械手在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机械手。关节型机械手结构，有水平关节型和垂直关节型两种。图 2-1 四种机械手坐标形式2.2.2 拟定方案本次设计的上下料机械臂是某变速箱传动轴加工线专用的设备，调查发下凸轮轴自动线是由几台专用车床所组成。料道方向平行于机床主轴中心线，并且位于机床主轴的上方。因此机械手只需要做上下动作，即可实现上下料动作。料道的托板2 是可以回转的，她是有旋转油缸来操纵。送料是托板处于水平位置，当机械手往机床主轴上下料时，托板就回转到下方。料道传送工件是间歇式的，加工完一个工件便送料一次，工件从左边依次进料。每台机床上面都装有一个机械手，各自完成自己的上下料动作。方案如下图示：变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计6图 2-2 总体方案简图2.2.3 工作原理分析该自动上下料机械臂主要由升降装置、夹爪装置、托料装置、液压系统四大部分组成。工作原理是：（1）车床之间有滑道，当上道工序有加工完成的工件时，工件会被机械臂的托板托起至机床上方，生产线一端的液压缸会将其沿料道推送至下工序的机床上方托板上；（2）机械臂升降液压缸活塞杆伸出，夹爪快速下降接近工件；（3）夹爪慢速下降，握住工件，之后升降缸停留；（4）夹紧缸动作，使夹爪夹紧工件；（5）托板摆动杆转动，托板向下转动，离开升降缸下方（即主轴上方）的空间；（6）升降缸继续下降，至机床主轴高度处停止，将工件夹持在双顶尖之间；（7）夹爪松开，同时升降缸快速上升，回复至初始位置；（8）托板摆动缸转动，使托板再次位于对准料道的位置，等待下一个工件。变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计7第三章 升降装置设计3.1 升降装置结构方案根据 2.2.2 该自动上下料手臂总体结构方案，得到如下图示升降装置结构方案：变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计8图 3-1 升降装置结构方案3.2 升降缸设计3.2.1 负载计算（1）工作负载 工作负载等于工作台自重加上物料的重量已知传动轴最大直径 80mm，最大长度 450mm，则物料重：NgLDG150421钢工作台自重：NG5002故有：NGGFL65021（2）摩擦负载由于工件为垂直起升，所以摩擦负载较小可以忽略不计，即：变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计9 静摩擦负载 0fsFN 动摩擦负载 0fdFN（3）惯性负载加速 6500.05339.80.1aGvFNgt根据以上计算，液压缸各阶段中的负载如以下表 3-1 所示。表 3-1 液压缸各阶段负载工况计算公式总负载 F/N缸推力 F/N启动fsLFFF650722.2加速fdLaFFFF617685.6下降fdLFFF650722.2上升LfdaFFFF683758.93.2.2 初选液压缸的工作压力执行元件的工作压力可以根据负载循环图中的最大负载来选取，也可以根据主机的类型了确定（见表 3-2 和表 3-3） 。表 3-1 按负载选择执行元件的工作压力负载/ KN50工作压力/MPa0.8 11.5 22.5 33 44 55表 3-2 各种机械常用的系统工作压力机 床设备类型磨床组合机床龙门刨床拉床农业机械或中型工程机械液压机、重型机械等工作压力0.82.0352881010162032所设计的动力滑台在加速上升时负载最大，其值为 758.8N，其它工况时的负载都相对较低，参考表 3-1 和表 3-2 按照负载大小或按照液压系统应用场合来选择工作压力的方法，初选液压缸的工作压力。MPap5 . 013.2.3 液压缸直径确定变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计102426758.915.18 100.5 10FAmmp；4244 15.18 106.56 10ADmmmmmDd8 .3226 .652由计算所得的 D 与 d 的值分别按表 3-3 和表 3-4 圆整到相近的标准直径，以便采用标准的密封元件。表 3-3 液压缸内径尺寸系列 (GB2348-1980) (mm)810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200（220）250320400500630注：括号内数值为非优先选用值表 3-4 活塞杆直径系列 (GB2348-1980) (mm)45681012141618222252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400由 GB/T2348-1980 查得标准值为 D=63mm，d=32mm。3.2.4 液压缸其它参数计算（1）液压缸壁厚和外径的计算液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般指液压缸中最薄处的厚度。从材料力学可以知道，承受内压力的圆筒，其内应力分别规律因为壁厚的不同而各异。一般计算时可以分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径 D 与其壁厚的比值 D/10 的圆筒称为薄壁圆筒。起重运输机械和工程机械的液压缸，一般采用无缝钢管，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒壁厚公式计算变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计11 2yp D式中 液压缸壁厚（m） 。 D液压缸内径（m） 。 试验压力，一般取最大工作压力的（1.251.5）倍（MPa） 。额定yp压力16Mpa,取=1.5MPa。npypnp1.5 2.153.23 缸筒材料的许用应力。 = ，其中为材料抗拉刚度，n 为 bnb安全系数，一般取 n = 5。的值为：锻钢： = 110120 MPa；铸钢： = bbb100110 MPa；无缝钢管： = 110110 MPa；高强度铸铁： = 60MPa；灰铸铁：bb = 25MPa。b在中低压液压系统中，按上式计算所得液压缸的壁厚往往很小，使得液压缸的刚度往往不够，如在切削加工过程中的变形、安装变形等引起液压缸工作过程卡死或者漏油。因此一般不作计算，按经验选取，必要时按上式公式进行校核。对于 D/10 时，应该按材料力学中的厚壁圆筒公式进行壁厚的计算。对于脆性材料以及塑性材料 0.4121.3yypDp式中的符号意思与前面相同。液压缸壁厚算出后，即可以求出缸体的外径为1D +1DD2式中值应该按无缝钢管标准，或者按有关标准圆整为标准值。1D在设计中，取试验压力为最大工作压力的 1.5 倍，即 = 1.52.15MPa yp=3.23MPa。而缸筒材料许用应力取为= 100 MPa。b应用公式 得， 2yp D3.23 635.12 100/5mm变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计12下面确定缸体的外径，缸体的外径+=63+25.1mm =73.2mm。在液压1DD2传动设计手册中查得选取标准值=80mm。在根据内径 D 和外径重新计算壁厚，1D1D= =mm =8.5mm。12DD80632（2）液压缸工作行程的确定液压缸工作行程长度，可以根据执行元件机构实际工作的最大行程来确定，并且参照表 3-6 中的系列尺寸来选取标准值。表 3-6 液压缸活塞行程参数系列 （mm）255080100125160200250320400500630800100012501600200025003200400040639011014018022028036045055070090011001400180022002800390024026030034038042048053060065075085095010501200130015001700190021002400260030003800注：液压缸活塞行程参数依、次序优先选用。由已知条件知道最大工作行程为 300mm,参考上表系列，取液压缸工作行程为300mm。（3）缸盖厚度的确定一般液压缸多为平底缸盖，其有效的厚度 t 按强度要求可以用下面两式进行进似计算。无孔时： 20.433yptD有孔时： 2200.433yp DtDDd式中 缸盖有效厚度（m） 。t 缸盖止口内径（m） 。2D变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计13 缸盖孔的直径（m） 。0d在此次设计中，利用上式计算可取 t=25mm（4）最小导向长度的确定当活塞杆全部外伸时，从活塞支撑面中点到缸盖滑动支撑面的距离 H 称为最小导向长度（图 3-2） 。如果导向长度过小，将使液压缸的初始挠度（间隙引起的挠度）增大，从而影响液压缸的稳定性，因此设计时必须保证有一定得最小导向长度。对于一般的液压缸，最小导向长度 H 应满足以下要求202LDH 式中 液压缸的最大行程。L 液压缸的内径。D为了保证最小导向长度 H，如果过分增大 和 B 都是不适宜的，必要时可以在1l缸盖和活塞之间增加一个隔套 K 来增加 H 的值。隔套的长度 C 由需要的最小导向长度 H 决定，即112CHlB在此设计中，液压缸的最大行程为 400mm，液压缸的内径为 63mm，所以应用公式的 =mm =51.5mm。202LDH 202LDH 40063202活塞的宽度 B 一般取得 B =（0.61.0）D；缸盖滑动支撑面的长度 ，根据液压1l缸内径 D 而定。当 D80mm 时，取；1(0.61.0) Dl 当 D80mm 时，取。1(0.61.0) dl 活塞的宽度 B=（0.61.0）d =37.863mm，取 50mm（5）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。缸体外形长度还要考虑到两端端盖的厚度。一般液压缸缸体长度不应该大于内径的 2030 倍。缸体长度 L =300+50mm=350mm。（6）固定螺栓得直径sd变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计14液压缸固定螺栓直径按照下式计算sd 5.2skFdZ式中 F液压缸最大负载。 Z固定螺栓个数。 k螺纹拧紧系数，k = 1.121.5。根据上式求得=4.9mm 5.2skFdZ5.2 1.3 67563.14 6 100 （7）液压缸强度校核1）缸筒壁厚校核：。yp DD(10)2 当时，壁厚应满足。yy 0.4pDD(10)12 0.3p当时，壁厚应满足前面已经通过计算得：D = 63mm, =8.5mm。则有10，所以壁厚：D7.4yy 0.4pD631000.4 3.23=8.5114.762 0.3p21000.3 3.23mmmm 可见缸筒壁厚满足强度要求。2）活塞杆稳定性的验算活塞杆受轴向压缩负载时，它所承受的轴向力 F 不能超过使它稳定工作所允许的临界负载，以免发生纵向弯曲，从而破坏液压缸的正常工作。的值与活塞杆kFkF材料性质、截面的形状、直径和长度以及液压缸的安装方式等因素有关。活塞杆的稳定性的校核依照下式（稳定条件）进行kkFFn式中 安全系数，一般取=24。knkn变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计15当活塞杆的细长比时klr12 = kF222EJl 当活塞杆的细长比时，且 = 20120 时，则klr1212 = kF221kfAlr式中 安装长度，其值与安装方式有关。l 活塞杆截面最小回转半径， = 。krkrJA柔性系数。1由液压缸支承方式决定的末端系数。2E活塞杆材料的弹性模量，对刚取 E = 。1122.06 10/N mJ活塞杆横截面惯性矩，A 为活塞杆横截面积。f由材料强度决定的实验值。根据验算，液压缸满足稳定性要求。3.2.5 液压缸的结构设计液压缸主要尺寸确定以后，就进行各部分的结构设计。主要包括：液压缸缸体与缸盖的连接结构、活塞杆与活塞的连接结构、活塞杆导向部分的结构、密封装置、缓冲装置、排气装置、以及液压缸的安装连接结构等。由于工作条件的不同，结构形式也各不相同。设计时根据具体情况进行选择。（1）缸体与缸盖的连接形式缸体与缸盖常见连接方式有法兰连接式、半环连接式 、螺纹连接式 、拉杆连接式 、焊接式连接等。变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计16图 3-4 常见的缸筒和缸盖结构图 3-4 所示为常见的缸盖和缸筒连接形式。图 3-4a 为法兰式连接结构，这种连接结构简单、成本低廉，容易加工，便于装卸，强度较大，能够承受高压。但是外形尺寸较大，常用于铸铁制的缸筒上。图 3-4b 为半环式连接结构，这种连接分为外半环连接和内半环连接两者形式。它们的缸筒壁部由于开了环形槽而削弱了强度，为此有时要增加壁厚。它容易加工和装卸、重量较轻，半环连接是一种应用较为普遍的连接结构，常用于无缝钢管和锻钢制的缸筒上。图 3-4c、f 为螺纹连接形式，这种连接分为外螺纹连接和内螺纹连接两者形式。它的缸筒端部结构复杂，外径加工必须要求同时保证内外径同心，装卸要使用专用工具，它的外形尺寸和重量都比较小，结构紧凑，常常用于无缝钢管和锻钢制的缸筒上。图 3-4d 为拉杆式连接形式，这种连接结构简单，工艺性好、通用性强、易于装拆，但是端盖的体积和重量都非常大，拉杆在受力后容易拉伸变长，从而影响密封效果，仅适用于长度不大的中低压缸。图 3-4d 为焊接式连接，这种连接形式强度高，制造简单，但是焊接时容易引起缸筒的变形。缸体端部与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关。通过综合考虑，在此设计中，缸体端部与缸盖采取法兰连接的形式。（2）活塞杆导向部分的结构活塞杆导向部分的结构，包括活塞杆与端盖、导向套的结构，以及密封、防尘和锁紧装置等。导向套的结果可以做成端盖整体式直接导向，也可以做成与端盖分变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计17开的导向套导向结构。后者导向套磨损后便于更换，所以应用比较普遍。导向套的位置可以安装于密封圈的内侧，也可以安装于密封圈的外侧。机床和工程机械中一般采用装在内测的结构，有利于导向套的润滑；而压油机常采用装在外测的结构，在高压下工作时，使得密封圈由足够的油压将唇边张开，以提高系统的密封性能。活塞杆处的密封形式由 O 型、V 型、Y 型和型密封圈。为了清除活塞杆处外xY漏部分粘附的灰尘，保证油液清洁以及减少磨损，在端盖外侧增加防尘圈。此设计经过综合考虑，采取端盖直接导向。（3）密封装置液压缸中常见的密封装置有间隙密封，摩擦环密封，密封圈密封等。间隙密封依靠运动件间的微笑间隙来防止泄露。为了提高这种装置的密封能力，常在活塞的表面制造出几条微小的环形槽，用以增大油液通过间隙时的阻力。它结构简单，摩擦阻力小，可以耐高温，但是泄露大，加工要求高，磨损后无法恢复原有能力，只有在尺寸小、压力较低、相对运动速度较高的缸筒和活塞间使用。摩擦环密封依靠活塞上的摩擦环（尼龙或者其他高分子材料制成）在“O”形圈弹力作用下贴紧缸壁而防止泄露。这种材料密封效果好，摩擦阻力较小并且稳定，可以耐高温，磨损后有自动补偿能力，但是加工要求高，装拆不方便，适用于缸筒和活塞之间的密封。油缸主要采用密封圈密封，密封圈有 O 形、V 形、Y 形及组合式等数种，其材料为耐油橡胶、尼龙、聚氨脂等。它利用橡胶或者塑料的弹性使各种截面的环形圈贴紧在静、动配合面之间来防止泄露。它结构简单，制造方便，磨损后有自动补偿能力，性能可靠，在缸筒和活塞之间、活塞和活塞杆之间、缸筒和缸盖之间都能使用。（a）O 形密封圈（如图 3-7）O 形密封圈的截面为圆形，主要用于静密封。与唇形密封圈相比，运动阻力较大，作运动密封时容易产生扭转，故一般不单独用于油缸运动密封。 变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计18图 3-7 O 形密封圈（b）V 形密封圈（如图 3-8）V 形圈的截面为 V 形，如图所示，V 形密封装置是由压环、V 形圈和支承环组成。当工作压力高于 10MPa 时，可增加 V 形圈的数量，提高密封效果。安装时，V形圈的开口应面向压力高的一侧。图 3-8 V 形密封圈（c）Y 形密封圈（如图 3-9）Y 形密封圈的截面为 Y 形，属唇形密封圈(Lip Seal)。它是一种摩擦阻力小、寿命较长的密封圈，应用普遍。Y 形圈主要用于往复运动的密封。根据截面长宽比例的不同，Y 形圈可分为宽断面和窄断面两种形式，图所示为宽断面 Y 形密封圈。图 3-9 Y 形密封圈对于活塞杆外伸部分来说，由于它很容易把脏物带入液压缸，使油液受到污染，使密封件磨损，因此常需要在活塞杆密封处增添防尘圈，并且放在向着活塞杆外伸的一段。（4）缓冲装置液压缸带动质量较大的部件作快速往复运动时，由于运动部件具有很大的动能，因此当活塞运动到液压缸终端时，会与端盖碰撞，而产生冲击和噪声。这种机械冲击不仅引起液压缸的有关部分的损坏，而且会引起其它相关机械的损伤。为了防止这种危害，保证安全，应采取缓冲措施，对液压缸运动速度进行控制。 当活塞移至端部，缓冲柱塞开始插入缸端的缓冲孔时，活塞与缸端之间形成封闭空间，该腔中受困挤的剩余油液只能从节流小孔或缓冲柱塞与孔槽之间的节流环变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计19缝中挤出，从而造成背压迫使运动柱塞降速制动，实现缓冲。 液压缸中常用的缓冲装置有节流口可调式（如图 3-10）和节流口变化式（如图3-11）两种。图 3-10 节流口可调式缓冲装置 图 3-11 节流口变化式缓冲装置在此设计中，为了适当的减轻加工难度，决定采取如图 3-10 所示的缓冲装置。这种缓冲装置可以调节。3.3 升降连接板设计升降连接板用于连接升降缸、夹紧缸及夹爪，他们分别用螺栓连接在升降连接板上，根据后面夹紧缸及夹爪尺寸匹配得到的升降连接板结构尺寸如下图示：图 3-12 升降连接板变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计20第四章 夹爪装置设计4.1 夹爪装置结构方案根据 2.2.2 该自动上下料手臂总体结构方案，得到如下图示夹爪装置结构方案：图 4-1 夹爪装置结构方案4.2 夹爪手部设计夹爪手部采用滑槽式结构，手指采用 V 型结构以适应不同直径轴的加工要求。根据设计要求最大夹取轴的直径为 80mm，由此匹配得到夹爪手部结构尺寸如下图示：变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计21图 4-2 夹爪手部结构尺寸4.3 驱动力的计算如图 4-2 所示为滑槽式手部结构。图 4-2 滑槽杠杆式手部受力分析1-手指 2-销轴 3-拉杆 4-指座在拉杆 3 作用下销轴 2 向上的拉力为 P，并通过销轴中心 O 点，两手指 1 的滑槽对销轴的反作用力为、，其力的方向垂直于滑槽中心线和并指向1P2P1OO2OO点，和的延长线交于 A 及 B，由于和均为直角三角形，O1P2P21OOOAO1OAO2故。根据销轴的力平衡条件，即 BOCAOC,;0XF21PP 0yF变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计22cos21PPcos2PP销轴对手指的作用力为。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力） ，1P假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以 N 表示由手指的力矩平衡条件，即由手指的力矩平衡条件，即得0)(01Fm1PNbh 因cosah 所以aNbP2)(cos2式中 a手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米） 。 工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。由上式可知，当驱动力 P 定时，角增大则握力 N 也随之增加，但角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取。这里取角403030这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。查业机械手设计基础表 2-1 可知，V 形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式，综合前面驱动GN5 . 0力的计算方法，可求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力 P 实际应按以下公式计算，即： = 实际P21kpk式中 手部的机械效率，一般取；95. 085. 0 K 安全系数，一般取122 . 1 K 工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K 可近似按下式估计，22，其中为被抓取工件运动时的最大加速度，为重力加速度。gak12ag本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为 500 毫米/秒，移动加速度为，工件重量 G 为，V 型钳口的夹角为 120, 时，拉紧21000smmN9830油缸的驱动力 P 和 P 实际计算如下：变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计23根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算公式GN5 . 0把已知条件代入得当量夹紧力为NN49由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式得aNbP2)(cos2)5 .1224930cos274522NPP（）（）（计算21KKPP计算实际取, , 85. 05 . 11K1 . 19810100012）（K 则NP23885. 01 . 15 . 15 .122实际4.4 夹紧缸设计4.4.1 负载计算根据上述 4.3 的计算可知夹爪所需的驱动力为 238N，为了确保夹紧可靠取夹紧缸的驱动力为其 1.5 倍，即：NNFL3572385 . 14.4.2 初选液压缸的工作压力执行元件的工作压力可以根据负载循环图中的最大负载来选取，也可以根据主机的类型了确定（见表 3-2 和表 3-3） 。表 3-1 按负载选择执行元件的工作压力负载/ KN50工作压力/MPa0.8 11.5 22.5 33 44 55表 3-2 各种机械常用的系统工作压力机 床设备类型磨床组合机床龙门刨床拉床农业机械或中型工程机械液压机、重型机械等变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计24工作压力0.82.0352881010162032所设计的动力滑台在加速上升时负载最大，其值为 357N，其它工况时的负载都相对较低，参考表 3-1 和表 3-2 按照负载大小或按照液压系统应用场合来选择工作压力的方法，初选液压缸的工作压力。MPap3 . 014.4.3 液压缸直径确定242635711.9 100.3 10FAmmp；4244 11.9 1038.9 10ADmmmmmDd5 .1929 .382由计算所得的 D 与 d 的值分别按表 3-3 和表 3-4 圆整到相近的标准直径，以便采用标准的密封元件。表 3-3 液压缸内径尺寸系列 (GB2348-1980) (mm)810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200（220）250320400500630注：括号内数值为非优先选用值表 3-4 活塞杆直径系列 (GB2348-1980) (mm)456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400由 GB/T2348-1980 查得标准值为 D=40mm，d=20mm。4.4.4 液压缸其它参数计算夹紧缸其他结构及尺寸参数计算过程与升降缸类似，再次不一一复述，经过计算最终得到的夹紧缸结构尺寸如下图所示：变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计25图 4-3 夹紧缸结构尺寸第五章 托料装置设计5.1 托料装置结构方案根据 2.2.2 该自动上下料手臂总体结构方案，得到如下图示托料装置结构方案：图 5-1 托料装置结构方案5.2 摆动缸设计5.2.1 摆动缸驱动力矩的计算回转缸驱动力矩的计算公式为：驱M=+ (Nm)驱M惯M回M封M惯性力矩 =惯M0Jt式中 臂部回转部件(包括工件)对回转轴线的转动惯量（kgm ） ；0J2变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计26 回转缸动片角速度变化量，在启动过程=(rad/s)； 启动过程的时间(s)；t若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为(前面计算得=800mm)，则2c0gGJJ式中 回转零件的重心的转动惯量。 cJ=cJ)3(12122Rlm回转部件可以等效为一个长 600mm，直径为 1000mm 的圆柱体，质量为 100Kg.设置起动角速度=70/s，则起动角速度=1.22，起动时间设计为 0.5s。rad s= 28 kgmcJ)3(12122Rlm)136 . 0(12100222=28+=93.3kgm2c0gGJJ2.80.8910002=93.3=227.6 惯M0Jt.5022. 1mN 为了简便计算，密封处的摩擦阻力矩，由于回油背差一般非常的驱封MM3.00小，故在这里忽略不计，=0回M所以 =227.6+0+0.03驱M驱M=234.6驱MmN 回转缸的驱动力矩需要的力矩。M惯回转缸回转支撑处的摩擦力矩。M摩夹取棒料直径 100mm，长度 1000mm，重量 1050Kg，当手部回转时，计0180算力矩：手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为 220mm，直径 120mm，其重力估算 G=3.14变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计27230.060.22 78009.8190GKg mN KgN擦力矩。0.1Mm摩启动过程所转过的角度=0.314rad，等速转动角速度。启01822.616s22MJJ惯工件启查取转动惯量公式有：2222111900.060.034222 9.8NJMRN m sN m sN Kg2222211 60 9.8313 0.055.012512129.8GJlRN m sg 工件代入： 22.6160.03425.0125552 0.314MN m惯0.1MMMMM惯摩惯5561.110.9MN m5.2.2 回转缸尺寸参数的确定回转缸油腔内径 D 计算公式为：23810dbpMD驱式中 P回转油缸的工作压力； d输出轴与动片连接处的直径，初步设计按 D/d=1.52.5； b动片宽度，可按 2b/(D-d)2 选取。选定回转缸的动片宽 b=50mm，工作压力为 5MPa，d=50mm=94.9mm23505506 .234810D按标准油缸内径选取内径为 100mm。表 5-1 液压缸的内径系列（JB826-66） （mm）2025324050556365707580859095100105变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计28110125130140160180200250经过以上的计算，最终确定的液压缸的尺寸，内径为 100mm，外径按中等壁厚设计，根据表 5-2（JB1068-67）取外径选择 168mm，输出轴径为 50mm。图 5-2 回转缸的截面图表 5-2 标准液压缸外径（JB1068-67） （mm）液压缸内径405063809010011012514015016018020020 钢 P160Mpa5060769510812113316814618019421924545 钢200PMpa506076951081211331681461801942192455.2.3 摆动缸盖螺钉的计算图 5-3 缸盖螺钉间距示意表 5-3 螺钉间距 t 与压力 P 之间的关系工作压力 P（Mpa）螺钉的间距 t(mm)0.51.5:小于 1501.52.5:小于 1202.55.0:小于 1005.010.0:小于 80缸盖螺钉的计算，如图 5-3 所示，t 为螺钉的间距，间距跟工作压强有关，见表变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计293-3，在这种联结中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力：0sQQQFFF计算：液压缸工作压强为 P=5Mpa,所以螺钉间距 t 小于 80mm,试选择 6 个螺钉3.14 0.1143.178066D所以选择螺钉数目合适 Z=6 个 危险截面222220.110.0450.0079088754SRrmQPSFZ所以，QPSFZ4906.3N SQQFKF1.51.8K :1.5 4906.37359.4SQQFKFN所以，=4906.3+7359.4=12265.7N0sQQQFFF螺钉材料选择 Q235，（） 2402001.2sMPan:1.22.5n :螺钉的直径 04 1.3QFd 04 1.3QFd 64 1.3 12265.70.013.14 200 10m螺钉的直径选择 d=10mm.选择 M10 的内六角圆头螺钉。5.2.4 动片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴之间的联接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。连接螺钉的作用是使动片和输出轴之间的配合面紧密接触不留间隙。根据动片所受力矩的平衡条件有：2282QbpdDdMF Zf摩=驱M摩M变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计30即 224QbpFDdZfd式中 每个螺钉预紧力；QFD动片的外径；f被连接件配合面间的摩擦系数，钢对钢取 f=0.15螺钉的强度条件为 211.34QFd合或 14QFd 带入有关数据，得=10416.7NQF)(422dDZfdbp)05. 01 . 0(05. 015. 06410505. 0226螺钉材料选择 Q235，则（n=1.22.5） 2401.2sn200MPa螺钉的直径 d=9.3mm Q1.3F4螺钉的直径选择 d=10mm.选择 M10 的内六角圆头螺钉。5.3 托板设计料道的托板用于托起待加工的轴，他用螺栓连接在摆动缸输出轴法兰盘上，根据托起的待加工轴的尺寸匹配得到的托板结构尺寸如下图示：变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计31图 5-4 托板结构尺寸第六章 液压系统设计6.1 方案的拟定6.1.1 供油方式从系统速度相差很大可知，该系统在快上和慢上时流量变化很大，因此可以选用变量泵或双泵供油。6.1.2 调速回路变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计32由于速度变化大，所以系统功率变化也大，可以选容积调速回路或双泵供油回路。6.1.3 速度、换接回路由于系统各阶段对换接的位置要求高，所以采用由行程开关发讯控制二位二通电磁阀来实现速度的换接。根据上述分析，至少有两种方案可以满足系统要求。（1）用变量泵供油和容积调速回路调速，速度换接用二位二通电磁阀来实现，平衡和锁紧用液控单向阀和单向背压阀。系统的机械特性、调速特性很好，功率损失较小，但是系统价格较贵。（2）用双泵供油，调速回路选节流调速回路，平衡及锁紧用液控单向阀和单向背压阀实现。系统的机械特性、调速特性不及第一种方案，但其经济性很好，系统效率高。6.2 方案的确定综上所述，液压系统图的拟定，主要是考虑以下几个方面的问题：供油方式 从工况图分析可知，该系统在快上和快下时所需的流量较小，因此从提高系统的效率，节省能源的角度考虑，采用单个定量泵的供油方式显然是不适合的，宜选用双联式定量叶片泵作为油源。调速回路 由工况可知可知，该系统在慢速时速度需要调节，考虑到系统功率小，滑台运动速度需要调节，考虑到系统功率小，滑台运动速度低，工作负载变化小，所以采用调速阀的回油节流调速回路。速度换接回路 由于快上和满上之间速度需要换接，但对换接到位置要求不高，所以采用由行程开关发讯控制二位二通电磁阀来实现速度的换接。下图为拟定的液压系统原理图。变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计33图 6-1 液压系统原理图6.3 液压元件的选择6.3.1 确定液压泵的型号及电动机功率液压缸在整个工作循环中最大工作压力为 2.15Mpa.由于该系统比较简单，所以取其压力损失，所以液压泵的工作压力为0.3pMPa (2.150.3)2.45ppPpMPaMPa 两个液压泵同时向系统供油时，若回路中的泄漏按 10%计算，则两个泵的总流量应为，由于液压缸慢升时所需的流量为:1.1 9.3510.29/ minpqL1.87L/min，所以高压泵的输出流量不得少于：1.87 1.12.06minqL根据以上压力和流量的数值查产品目录，选用 YB1-6.3/6.3 型的双联叶片泵，其变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计34额定压力为 6.3Mpa，小泵和大泵的排量分别为 3ml/r,15ml/r；容积效率，0.9pV总效率，所以驱动该泵的电动机的功率可由泵的工作压力（2.15MPa）和0.8p输出流量（当电动机转速为 910 r/min）313 10910 0.92.46 / minpqL 3215 10910 0.912.29 / minpqL63122.45 102.46 12.2910742.960 0.8pppPpqppPW查电动机产品目录，拟定选用电动机的型号为 Y90S-6,功率为 750W，额定转速为 910r/min。6.3.2 选择阀类元件及辅助元件根据系统的工作压力和通过各个阀类元件和辅助元件的流量，可选出这些元件的型号及规格如下表 5-1。表 6-1 液压元件及规格序 号名 称通过流量)min./(1maxLq型号及规格1滤油器11.47XLX-06-802双联叶片泵9.75YB1-6.3/6.33单向阀4.875I-10B4外控顺序阀4.875XY-B10B5溢流阀3.375PB-10B6三位四通电磁换向阀9.75BD103417单向顺序阀11.57XI-B10B8液控单向阀11.57IY-25B9二位二通电磁换向阀8.21BD1022110单向调速阀9.75QI-10B11压力表Y100T12压力表开关K-3B13电动机Y90S-66.3.3 油箱及油管的设计（1）油箱的设计液压油箱的作用是贮存液压油，分离液压油中的杂质和空气，同时还起到散热变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计35的作用。（a）液压油箱有效容积的确定液压油箱在不同的工作条件下，影响散热的条件很多，通常按压力范围来考虑。油箱容积根据液压泵的流量计算，取其体积：(24)pVq取：，取 V=830L33 232.22696.66pVq 式中，V 液压油箱的有效容积 pq液压泵的额定流量（b）液压油箱的外形尺寸油箱长、宽、高的确定：根据油箱三个边长必须在 1：1：11：2：3 的范围内，又有油箱的容积为 V=830L,所以油箱的长（L） 、宽（D） 、高（H）可以设计为L=1100mm,D=900mm,H=840mm。（c）液压油箱的结构设计油箱体一般由 A3 钢板焊接而成，钢板厚度为 36mm，大者取大值。油箱分为固定式和移动式两种，本系统采用固定式。为防止其发生变形，油箱的骨架有标准的角钢焊接而成。为使进油口与回油口应尽可能远。中间焊接隔板来增加油液的行程，隔板底部切割 45的三角形孔，便于清洗油箱时两侧的油液沉淀物流至放油口排出。为了便于油液排放，底板有一定斜度，选用底面斜度 1：40。为了便于油箱的吊运，使油箱高于地面 150200mm，可加长两侧钢板的长度弯曲折成支架，并增加加固板作为油箱的底座。在底座部分可以切出 80 的圆孔作为吊耳以方便油箱的吊运。（2）油管的设计油管的内径可按照所连接元件的接口尺寸确定，也可以按照管路中允许的流速来计算。本例中，由表 5-3 推荐取油液在压油管的流速 v=3m/s,按式 4.1 算得液压缸无杆强及有杆腔相连的油管的内径为mmvqd3 .103601075.1413. 113. 13式中 q通过油管的流量； v推荐管道中油液的流速，可按表 5-3 数值选取。取 d=12mm。变速箱传动轴加工线自动上下料机械臂设计366.4 液压系统的性能验算6.4.1 压力损失及调定压力的确定根据计算慢上时管道内的油液流动速度为 0.01 m/s，通过的流量为 3.02 L/min，数值较小，主要压力损失为调速阀两端的压降，此时功率损失最大；而在快下时滑台及活塞组件的重量和背压阀所平衡，系统工作压力很低，所以不必验算。因而必须以快进为依据来计算卸荷阀和溢流阀的调定压力，由于供油量的变化，其快上时液压缸的速度为3161221.17 10/0.735/73.5/60 5026.55 10pqvm sm smm sA此时油液在进油管中的流速为326221.17 10/7.51/2510604pqvm sm sA（1）沿程压力损失 首先要判别管中的流态，设系统采用 N32 液压油。室温为时，020 C，421.0 10/ms所以有：34Re/7.51 25 10/1.0 101877.52320vd管中为层流，则阻力损失系数，若取进、回油管75/Re75/1877.50.040长度均为 2m,油液的密度为，则其进油路上的沿程压力损失为3890/kg m221328900.047.510.0803225 102lpvMPad（2）局部压力损失 局部压力损失包括管道安装和管接头的压力损失和通过液压阀的局部压力损失，前者视管道具体安装结构而定，一般取沿程压力损失的 10%；而后者则与通过阀的流量大小有关，若阀的额定流量和额定压力损失为和和。则当通过阀的流nqnp量为