搬運作用機械手的應用結(jié)構(gòu)設計
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搬運作用機械手的應用結(jié)構(gòu)設計專業(yè)：機械設計制造及其自動化專業(yè)：機械設計制造及其自動化答辯人：李洋答辯人：李洋指導老師：王楠指導老師：王楠目 錄CONTENTSPART 01研究背景PART 02機械手的主要組成部分PART 03液壓系統(tǒng)傳動方案的確定PART 04計算和選擇液壓元件PART 05液壓系統(tǒng)原理圖結(jié)論01PART ONE研究背景搬運機械手的發(fā)展機械手的研究意義機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置，可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機械手的組成機械手主要由手部和運動機構(gòu)組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等02PART TWO機械手的主要組成部分2 2.1 1三維圖片本次設計包括：手部機構(gòu)，擺動缸，回轉(zhuǎn)缸，大臂的結(jié)構(gòu)設計，支小臂液壓缸設計，底座設計2 2.2 2手部結(jié)構(gòu)設計2 2.3 3擺動缸的選定手腕的旋轉(zhuǎn)部分由擺動缸來實現(xiàn)。由于手抓部位的活塞缸 d=63mm，D=76mm，所以選擇標準擺動缸的軸徑45mm，外徑為120mm。2 2.4 4回轉(zhuǎn)缸的設計選用標準液壓缸內(nèi)徑D=200鋼筒的材料一般要求有足夠的強度和沖擊韌性，初選45號鋼取液壓缸標準行程60mm鋼筒底部厚度選擇40mm2 2.5 5大臂的結(jié)構(gòu)設計材料為Q235B的空心方鋼長度 L=1000mm，外邊長 a=100mm,內(nèi)邊長 b=80mm初步擬定大臂俯仰角度為3090，小臂的運動的范圍-30602 2.6 6支小臂液壓缸的確定支小臂液壓缸的擺動角度確定：初步擬定大臂俯仰角度為6090，小臂俯仰角度的范圍為0452 2.7 7支小臂液壓缸的參數(shù)確定內(nèi)徑的確定：可選用標準液壓缸內(nèi)徑D=125mm。外徑及壁厚的確定：選擇標準液壓缸外徑A型146mm活塞桿的確定:取標準值d=63mm活塞的最大行程:根據(jù)余弦定理可得，最大行程為350mm2 2.8 8底座的設計底座材料及尺寸的選定：初步擬定底座上底板和臂座以及連接板均采用，底板邊長為，高為的方鑄鐵，臂座采用邊長為，高為的方鑄鐵，連接板邊長為，高為 的圓鑄鐵，立柱為直徑，高為的圓鑄鐵，回轉(zhuǎn)缸固定在連接板和底板中間，采用螺栓連接。估算底座重量約為650N底板螺栓的確定:受扭轉(zhuǎn)力矩以及翻轉(zhuǎn)力矩的螺栓組連接，初步擬定底板用8個螺栓，螺栓距翻轉(zhuǎn)軸距離240mm03液壓系統(tǒng)傳動方案的確定系統(tǒng)傳動方案的確定 液壓機械手一般采用單泵或雙泵供油，手臂伸縮，手臂仰俯和手臂旋轉(zhuǎn)等機構(gòu)采用并聯(lián)供油，這樣可有效降低系統(tǒng)的供油壓力，此時為了保證多缸運動的系統(tǒng)互不干擾，實現(xiàn)同步或非同步運動，換向閥需采用中位“0”型換向閥。整個液壓系統(tǒng)只用單泵或雙泵工作，各液壓缸所需的流量相差較大，各液壓缸都用液壓泵的全流量工作是無法滿足設計要求的。盡管有的液壓缸是單一速度工作，但也需要進行節(jié)流調(diào)速，用以保證液壓缸運行的平穩(wěn)運行。各缸可選擇進油或回油節(jié)流調(diào)速。機械手的手臂俯仰采用兩個單向節(jié)流調(diào)速閥來實現(xiàn)，則進油達到最大允許速度來調(diào)節(jié)，當無桿腔進油時，其速度就少于最大允許速度，但仍然符合設計需求。04計算和選擇液壓元件4 4.1 1計算和選擇液壓元件1.閥的種類和功用壓力控制閥：作用主要是控制系統(tǒng)中油液的壓力，用來實現(xiàn)機械手執(zhí)行所需要的輸出力。流量控制閥：作用主要是控制液壓系統(tǒng)中油液流量的大小，用來實現(xiàn)機械手執(zhí)行機構(gòu)所要求的運動速度，如節(jié)流閥、調(diào)速閥。方向控制閥：作用主要是控制液壓系統(tǒng)中油液流動的方向，用來實現(xiàn)機械手執(zhí)行機構(gòu)所要求的運動方向。如電磁換向閥等，電磁換向閥是利用其電磁鐵線圈通電后通過電磁鐵帶動閥芯完成換向工作的。4 4.2 2擬定液壓系統(tǒng)換向回路：所有換向閥選用 0 型三位四通換向閥。選人控閥便于人工控制，選中位為 0 型定位準確。調(diào)速方案：本系統(tǒng)功率較小，故選簡單的進油路節(jié)流閥調(diào)速，同樣理由選用單泵供油，力求獲得較好的經(jīng)濟性。系統(tǒng)的安全性：為防止俯仰缸因自重自由下滑在仰起一定角度后自由下滑，都采用液控單向閥來平衡。為保證夾緊缸工作的可靠性選用液控單向閥保壓和鎖緊。合成并完善液壓系統(tǒng)：壓力繼電器在夾緊工件后發(fā)出訊號，讓微機控制其它缸開始運動。二位二通電磁換向閥用于系統(tǒng)卸荷。05液壓系統(tǒng)原理圖5 5.1 1液壓系統(tǒng)圖機械手液壓系統(tǒng)由一組多路換向閥來控制四個回路以實現(xiàn)各種工作性能。該閥屬于并聯(lián)式多路換向閥，其特點是壓力油同時向多路換向閥控制的機構(gòu)供油，各工作機構(gòu)的壓力既是液壓泵的出口壓力。液壓系統(tǒng)圖5 5.2 2液壓系統(tǒng)原理 選用的多路換向閥全為彈簧復位機能，有利于微小動作，此組多路換向閥的額定壓力選為。因為壓力的選擇要根據(jù)負載的大小和設備類型而定，還要考慮到執(zhí)行元件的裝配空間，經(jīng)濟條件及元件供應情況等限制。在載荷一定的情況下，工作壓力低，勢必要加大執(zhí)行遠見的尺寸；反之，壓力選得太高，對泵、缸、閥等元件的材質(zhì)、密封、制造精度要求也很高，必然要提高設備的成本沒，所以綜合考慮，我選擇。為了保證機械手在工作情況下位置不動，分別在大臂、小臂、抓緊缸三個回路上加入液壓鎖，形成用液壓單向閥雙向鎖緊回路和兩個液控單向閥實現(xiàn)對液壓缸的雙向鎖緊。當二回路的換向閥處于中位時（閥為 0 型機能），每個液控單向閥均關閉，活塞被鎖住不動，活塞桿可運動在任意位置被鎖緊0 06 6研究結(jié)論 通過查閱資料分別為機械手爪、液壓缸、回轉(zhuǎn)缸、大臂、底座這五部分，確定各個關節(jié)的方案與結(jié)構(gòu)形式、尺寸、材料。通過查閱資料分別為機械手爪、腕部、大臂、小臂、底座這五部分，確定各個關節(jié)的方案與結(jié)構(gòu)形式、尺寸、材料。本次設計使我加深了對液壓系統(tǒng)的進一步認識，也對液壓傳動技術(shù)的發(fā)展有了一定的了解，對機械手又有一定的了解，同時也認識到了液壓技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中所起到的重要作用添加小標題THANKS
沈陽化工大學科亞學院
本科畢業(yè)設計
題 目： 關于搬運作用機械手的應用結(jié)構(gòu)設計
專 業(yè)： 機械設計制造及自動化
班 級： 1201
學生姓名： 李 洋
指導教師： 王楠
論文提交日期： 2016年 6月 1 日
論文答辯日期： 2016年 6月 6 日
畢業(yè)設計任務書
機械設計制造及其自動化
1201班
學生：李洋
畢業(yè)設計題目：關于搬運作用機械手的應用結(jié)構(gòu)設計
畢業(yè)設計內(nèi)容： 本論文研究的是擬定最大抓取重量60N的搬運機械手，根據(jù)工作位置和工作環(huán)境的需要，決定采用單滑銷缸式手部。
畢業(yè)設計專題部分： 論文的前六章中對主要的手部、擺動缸、小臂套筒、支小臂液壓缸、大臂進行結(jié)構(gòu)設計，后四章對起控制作用的液壓傳動方案和液壓系統(tǒng)原理進行確定，最后對論文需要的閥門和液壓原件進行選定。
起止時間：2016.3.1—2016.6.6
指導教師： 簽字 年 月 日
摘要
1998年ABB公司推出IRbl400系列小機器人，其循環(huán)時間只有0.4s，控制器包括軟件、高壓電、驅(qū)動器、用戶接口等皆集成于一柜，只有洗衣機變換器那樣大小。FANUC公司2000年9月宣稱它的控制器為世界最小。工業(yè)機器人的應用從單機、單元向系統(tǒng)發(fā)展。多達百臺以上的機器人群與微機及周邊智能設備和操作人員形成一個大群體(多智能體)。跨國大集團的壟斷和全球化的生產(chǎn)將世界眾多廠家的產(chǎn)品聯(lián)接在一起，實現(xiàn)了標準化、開放化、網(wǎng)絡化的“虛擬制造”，為工業(yè)機器人系統(tǒng)化的發(fā)展推波助瀾。機器人技術(shù)是涉及機械學、傳感器技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)和計算機技術(shù)的一門綜合性高新技術(shù)，既是光機電軟一體化的重要基礎，又是光機電軟一體化技術(shù)的典型代表。其產(chǎn)品主要有兩大類，即以日本和瑞典為代表的一系列特定應用的機器人，如弧焊、點焊、噴漆裝備、刷膠和建筑等，并形成了龐大的機器人產(chǎn)業(yè)。
另一類是以美國、英國為代表的智能機器人開發(fā)，由于人工智能和其它智能技術(shù)的發(fā)展遠落后于人們對它的期望，目前絕大部分研究成果未能走出實驗室。機器人系統(tǒng)集成技術(shù)也是由幾個主要發(fā)達國家所壟斷。近年來，機器人技術(shù)并未出現(xiàn)突破性進展，各國的機器人技術(shù)研究機構(gòu)和制造廠商都繼續(xù)在技術(shù)深化、引進新技術(shù)和擴大應用領域等方面進行探索。
關鍵詞： 機械手； 液壓缸； 液壓傳動； 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 錄
第一章緒論 1
第二章手部結(jié)構(gòu)設計 2
2.1 手抓的結(jié)構(gòu)選定 2
2.2 液壓缸的選定 3
2.2.1 液壓缸內(nèi)徑的確定 3
2.2.2液壓缸外徑的確定 3
2.2.4 液壓缸活塞桿的確定及校核 4
2.2.5 活塞的最大行程 4
2.2.6鋼筒底部厚度的確定 4
2.2.7 缸蓋螺釘?shù)挠嬎? 5
2.2.8 鋼筒頭部法蘭厚度的確定 6
2.2.9 液壓缸其它元件的確定 7
第三章擺動缸的選定 8
3.1 聯(lián)接部分的設計 8
3.2 連接部分材料的選定與連接方法 9
第四章手臂的結(jié)構(gòu)設計 10
4.1 手臂的結(jié)構(gòu)初定 10
4.2 小臂受力分析 10
4.3 小臂液壓缸的確定 11
4.3.1 小臂液壓缸的受力分析 11
4.3.2 液壓缸內(nèi)徑的確定 11
4.3.3 液壓缸外徑的確定 11
4.3.4 鋼筒壁厚校核 12
4.3.5 液壓缸活塞桿的確定及校核 13
4.3.6 活塞的最大行程 13
4.3.7 鋼筒底部厚度的確定 13
4.3.8 缸蓋螺釘?shù)挠嬎? 14
4.3.9 鋼筒頭部法蘭厚度的確定 15
4.3.10 液壓缸其它元件的確定 16
4.4 小臂套筒的設計 17
4.4.1 材料的選定 17
4.4.2 內(nèi)套的設計 17
4.4.3 外套的設計 17
第五章支小臂液壓缸的確定 18
5.1 支小臂液壓缸的擺動角度確定 18
5.2 支小臂缸的受力分析 18
5.3 液壓缸的確定 19
5.3.1 液壓缸內(nèi)徑的確定 19
5.3.2 液壓缸的外徑及壁厚的確定 19
5.3.3 液壓缸活塞桿的確定及校核 20
5.3.4 活塞的最大行程 21
5.3.5 鋼筒底部厚度的確定 21
5.3.6 缸蓋螺釘?shù)挠嬎? 22
5.3.7 缸蓋頭部法蘭厚度的確定 23
5.3.8 缸筒與端部焊接 24
5.3.9 液壓缸的其他元件的確定 24
第六章大臂的結(jié)構(gòu)設計 26
6.1 大臂材料的選定 26
6.2 大臂受力受力分析 26
6.3 支大臂液壓缸的確定 27
6.3.1 液壓缸內(nèi)徑的確定 27
6.3.2 液壓缸的外徑及壁厚的確定 28
6.3.3 缸筒壁厚的校核 28
6.3.4 液壓缸活塞桿的確定及校核 29
6.3.5 活塞桿的最大允許行程 29
6.3.6鋼筒底部厚度的確定 30
6.3.7 缸蓋螺釘?shù)挠嬎? 30
6.3.8 缸蓋頭部法蘭厚度的確定 32
6.3.9 缸筒與端部焊接 32
6.3.10 液壓缸的其他元件的確定 33
第七章底座的設計 34
7.1 底座材料及尺寸選定 34
7.2 底板螺栓的確定 34
7.2.1 受翻轉(zhuǎn)力矩的螺栓組連接 34
7.2.2 缸蓋螺釘?shù)挠嬎? 35
第八章液壓系統(tǒng)傳動方案的確定 36
8.1 各液壓缸的換向回路 36
8.2 調(diào)速方案 36
第九章計算和選擇液壓元件 37
9.1 閥的種類和功用 37
9.2 擬定液壓系統(tǒng) 37
9.3 液壓系統(tǒng)中的輔助裝置 38
第十章液壓系統(tǒng)原理圖 38
結(jié)論 41
參考文獻 42
致謝 43
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第一章緒論
第1章 緒論
為了使機器人能更好的應用于工業(yè)，各工業(yè)發(fā)達國家的大學、研究機構(gòu)和大工業(yè)企業(yè)對機器人系統(tǒng)開發(fā)投入了大量的人力財力。在美國和加拿大，各主要大學都設有機器人研究室，麻省理工學院側(cè)重于制造過程機器人系統(tǒng)的研究，卡耐基—梅隆機器人研究所側(cè)重于挖掘機器人系統(tǒng)的研究，而斯坦福大學則著重于系統(tǒng)應用軟件的開發(fā)。德國正研究開發(fā)“MOVE AND PLAY”機器人系統(tǒng)，使機器人操作就像人們操作錄像機、開汽車一樣。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術(shù)、運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30 條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。
我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000米水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種；在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術(shù)的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器
人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，以系統(tǒng)集成帶動機器
43
人技術(shù)的全面發(fā)展，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第二章 手部設計
第二章手部結(jié)構(gòu)設計
2.1 手抓的結(jié)構(gòu)選定
擬定最大抓取重量為60N，根據(jù)工作位置和工作環(huán)境的需要，決定采用單滑銷缸
式手部見圖1，滑銷缸式手部。
圖1 滑銷缸式手部
手抓機架擬定材料為HT200，圖中有關參數(shù)，初步選定如下：
= 60°（手指的抓取半角 α=45～70）;
=0.2 (物件與手指接觸處的摩擦系數(shù) f=0.1～0.5)；
=0.9 (手部的機械效率 η=0.85～0.9)；
=1.3 (安全系數(shù) )；
(工作情況系數(shù) )；
；；；
整個手抓部分長度選擇.
夾緊時由力學公式：
2-1
2-2
夾緊時活塞桿的力由公式：
初步估算手抓的重量約為30N。
2.2 液壓缸的選定
2.2.1 液壓缸內(nèi)徑的確定
液壓缸的理論輸出F可按下式計算：
2-3
：活塞桿的實際作用力（N ）；
：負載率，一般取0.5～0.7；
：液壓缸的總效率，一般取0.9～0.95；
由表17-6-3查得液壓缸的工作壓力初選為P=1MPa.
由公式：
2-4
由17-6-26可選用標準液壓缸內(nèi)徑D=63mm。
2.2.2液壓缸外徑的確定
按壁厚筒有關公式確定：
其中： (鋼筒材料屈服強度。由表20-6-7查得)
鋼筒發(fā)生完成塑性變形的壓力
因為
故選擇，即工作壓力小于。
即工作壓力小于。
本液壓缸最大工作壓力為，所以設計選擇的壁厚可滿足壓力的要求。
2.2.4 液壓缸活塞桿的確定及校核
設計中根據(jù)工作壓力的大小，選用速度比是由表20-6-16查得=1.33
根據(jù)表20-6-16取標準值d=32mm
由于活塞桿在穩(wěn)定工況下，只受軸向推力或拉力，所以可以近似的用直桿承受拉壓載荷的簡單強度計算公式進行計算：
<<（100-110）Mpa；
所以滿足工作時的強度需要。
2.2.5 活塞的最大行程
2-5
：活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力 ；
：活塞桿縱向壓縮力；
：安全系數(shù)，通常；
：材料的彈性模量； 鋼材的E=2.1×105 N/mm2
：活塞桿橫截面慣性矩
由表20-6-2取液壓缸標準行程280mm。
2.2.6鋼筒底部厚度的確定
鋼筒底部為平面，其厚度δ1可以按照四周嵌進的圓盤強度公式進行計算：
2-6
其中：P：筒內(nèi)最大工作壓力 （）;
:筒底材料許用應力（前面求得 ）；
：計算厚度外直徑 取
所以，綜合上述條件，鋼筒底部厚度選擇7.5mm。
2.2.7 缸蓋螺釘?shù)挠嬎?
由表 2-1-8可知活塞=0.5m/s則取=0.0133m/s活塞桿退回速度，=0.01m/s活塞桿退回速度。由公式：
2-7
：活塞桿的運動速度；
：流入液壓缸的流量；
：活塞的有效面積；
由公式
2-8
其中：缸蓋所受的負載液壓力；
Z:螺釘數(shù)目；
螺釘?shù)膹姸葪l件
2-9
= 由公式
選擇標準六角螺栓：M8×40
2.2.8 鋼筒頭部法蘭厚度的確定
有公式可得：
2-10
其中F：法蘭在鋼筒最大內(nèi)壓下所承受的軸向壓力；
：法蘭外圓直徑；
因為選定的螺栓為M8，所以為了方便安裝，法蘭圓外徑選定為135mm。
:螺栓直徑， ；
：法蘭材料的許用應力；
：缸筒外徑到螺栓中線的距離；
取法蘭厚度為7.5mm。
為了防止油液的泄漏，兩端蓋內(nèi)部需裝入 0型密封圈，所以端蓋向內(nèi)凹處厚度選擇7.5mm，即整個端蓋厚度為15mm。
2.2.9 液壓缸其它元件的確定
a.缸蓋的材料
缸蓋本身又是活塞桿的導向套時，缸蓋選用鑄鐵擬定HT200
b.活塞的材料
無導向環(huán)的活塞可用耐磨鑄鐵，灰鑄鐵（HT300，HT350），球墨鑄鐵，初步擬定為HT300。
c.密封圈的選擇
密封件大多采用0型密封圈，參考手冊表10-4-4可知，查得0型密封圈標準值，即截面直徑d=3.55mm，故端蓋厚度符合要求。
d.管接頭的確定
由公式：
2-11
：按推薦值選定，一般ν=3m/s.
求得mm， 取標準值。
所以整個液壓缸的長度為
大體估算整個液壓缸加上油液的重量約為30N。所以，此設計的液壓缸見圖2，液壓缸的結(jié)構(gòu)。
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第三章 擺動缸的選定
第三章擺動缸的選定
手腕的旋轉(zhuǎn)部分由擺動缸來實現(xiàn)。由于手抓部位的活塞缸 d=63mm，D=76mm，所以選擇標準擺動缸的軸徑45mm，外徑為120mm。
圖2 液壓缸的結(jié)構(gòu)
3.1 聯(lián)接部分的設計
由于擺動缸的軸徑外凸無法直接連于活塞桿上，設計一連接結(jié)構(gòu)見圖3,擺動缸的軸部聯(lián)接。
圖3 擺動缸的軸部聯(lián)接
3.2 連接部分材料的選定與連接方法
初步選定此連接結(jié)構(gòu)的材料為HT200。
擺動缸的軸與連接部分通過鍵連接，為防止所傳遞的轉(zhuǎn)矩過大，故選擇花鍵連接。根據(jù)實際情況選擇標準花鍵8×32×36×6。
初步估計此擺動缸及連接裝置重50N，為確保工作所需的油量，估算長度為300mm。
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第四章 手臂的結(jié)構(gòu)設計
第四章手臂的結(jié)構(gòu)設計
4.1手臂的結(jié)構(gòu)初定
擬定驅(qū)動大臂的液壓缸和驅(qū)動小臂的液壓缸安裝在手臂的同側(cè)。
4.2小臂受力分析
小臂和大臂之間為鉸鏈接，且推動小臂的液壓缸也和小臂鉸連接。擬定兩鉸鏈接觸之間的距離L=500mm。小臂受力示意見圖4，小臂的受力分析。
圖4 小臂的受力分析
得
所以
得
所以
剪力和彎矩圖如上
最大危險截面為 B 處
4.3 小臂液壓缸的確定
4.3.1 小臂液壓缸的受力分析
初步擬定大臂俯仰角度為30°～90°，小臂的運動的范圍-30°～60°。則對
小臂的受力分析如下：
當小臂上揚到最大角度，即 45°時，小臂液壓缸所受的推力最大，所以只需計算此時F需即可滿足設計需求。
4.3.2 液壓缸內(nèi)徑的確定
液壓缸的理論輸出F可按下式計算：
4-1
：活塞桿的實際作用力（N ）；
：負載率，一般取0.5～0.7；
：液壓缸的總效率，一般取0.9～0.95；
由表20-6-3查得液壓缸的工作壓力初選為P=1.5MPa.
由公式：
由20-6-26可選用標準液壓缸內(nèi)徑D=50mm。
4.3.3液壓缸外徑的確定
按壁厚有關公式確定：
4-2
=(1.2～1.3)×Pmax；
=1.5p=2.25Mpa；
=1.252.25=2.81Mpa； :油缸內(nèi)徑（mm）；
鋼筒的材料一般要求有足夠的強度和沖擊韌性，初選45鋼；
4-3
查表17-6-7可知 =610 MPa
：缸體材料的需用拉應力；
：沖擊系數(shù)，由表2-3-6可查得 =12；
初選壁厚 =6 mm 則=0.12∈（0.08～0.3）
所以選擇下面的壁厚公式計算：
初選成立
綜上所述，從表20-6-9中選擇標準液壓缸外徑60mm，所以液壓缸壁厚為=（60-50）/2=5mm。
4.3.4 鋼筒壁厚校核
額定壓力 ：
4-4
其中：=360Mpa (鋼筒材料屈服強度。由表17-6-7查得)
所以
鋼筒發(fā)生完成塑性變形的壓力
因為：
故選擇 即工作壓力小于。
本液壓缸最大工作壓力為，所以設計選擇的壁厚可滿足壓力的要求。
4.3.5 液壓缸活塞桿的確定及校核
設計中根據(jù)工作壓力的大小，選用速度比是由表17-6-16查得=1.33
根據(jù)表20-6-16取標準值d=25mm
由于活塞桿在穩(wěn)定工況下，只受軸向推力或拉力，所以可以近似的用直桿承受拉壓載荷的簡單強度計算公式進行計算：
<<（100-110）Mpa；
所以滿足工作時的強度需要。
4.3.6 活塞的最大行程
4-5
：活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力
：活塞桿縱向壓縮力；
：安全系數(shù) 通常=3.5～6；
：材料的彈性模量； 鋼材的E=2.1×105 N/mm2
：活塞桿橫截面慣性矩
綜合小臂的設計需求和表17-6-2取液壓缸標準行程220mm。
4.3.7 鋼筒底部厚度的確定
鋼筒底部為平面，其厚度δ1可以按照四周嵌進的圓盤強度公式進行計算：
4-6
其中：
：筒內(nèi)最大工作壓力（P=Pmax=2.25Mpa）；
：筒底材料許用應力 （前面求得p==50.83Mpa）；
計算厚度外徑 取D2=45mm
所以，綜合上述條件，鋼筒底部厚度選擇7.5mm。
4.3.8 缸蓋螺釘?shù)挠嬎?
由表2-1-8可知活塞=0.5m/s則取=0.02m/s，活塞桿退回速度，=0.023m/s 活塞桿退回速度。由公式：
4-7
：活塞桿的運動速度（m/s）
：流入液壓缸的流量（m3/ s）；
：活塞的有效面積（m2）；
由公式:
: 工作載荷
其中：缸蓋所受的負載液壓力；
：螺釘數(shù)目，Z=
,
,
螺釘?shù)膹姸葪l件：
4-8
：材料的許用應力。
由公式：
4-9
其中：
選擇標準六角螺栓 M8×35。
4.3.9 鋼筒頭部法蘭厚度的確定
由公式可得
4-10
其中
：法蘭在鋼筒最大內(nèi)壓下所承受的軸向壓力；
=法蘭外圓直徑
因為選定的螺栓為M8，所以為了方便安裝，法蘭圓外徑選定為120mm。
：螺栓直徑， =8mm；
：法蘭材料的許用應力；
：缸筒外徑到螺栓中線的距離；
取法蘭厚度為7.5mm。
為了防止油液的泄漏，兩端蓋內(nèi)部需裝入 0型密封圈，所以端蓋向內(nèi)凹處厚度選擇7.5mm，即整個端蓋厚度為15mm。
4.3.10 液壓缸其它元件的確定
a.缸蓋的材料
缸蓋本身又是活塞桿的導向套時，缸蓋選用鑄鐵擬定HT200
b.活塞的材料
無導向環(huán)的活塞可用耐磨鑄鐵，灰鑄鐵（HT300，HT350），球墨鑄鐵，初步擬定為HT300。
c.密封圈的選擇
密封件大多采用0型密封圈，參考手冊表10-4-4可知，查得0型密封圈標準值，即截面直徑d=3.55mm，故端蓋厚度符合要求。
d.管接頭的確定
由公式：
4-11
：液體流量，L/min；
：按推薦值選定，一般ν=3m/s.
求得mm， 取標準值。
所以整個液壓缸的長度為：
大體估算整個液壓缸加上油液的重量約為30N。
4.4 小臂套筒的設計
4.4.1 材料的選定
初定小臂材料為的空心圓管，長度為。
4.4.2 內(nèi)套的設計
由于內(nèi)套與活塞缸之間不能有接觸，所以初步選定內(nèi)套圓管的內(nèi)徑為156mm，外徑為177mm，長度為280mm。
內(nèi)套的重量約為：
G=
4.4.3 外套的設計
由于內(nèi)套與外套之間必須接觸，且內(nèi)套與外套之間需要留有一定的余量，所以初步選
定內(nèi)套圓管的內(nèi)徑為179mm，外徑為200mm，長度為260mm。
內(nèi)套的重量約為
所以整個小臂的長度為500mm
整個小臂的重量為 30+113.3+124.2=267.5N
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第五章 支小臂液壓缸設計
第五章支小臂液壓缸的確定
5.1 支小臂液壓缸的擺動角度確定
初步擬定大臂俯仰角度為60°～90°，小臂俯仰角度的范圍為0°～45°
5.2 支小臂缸的受力分析
由公式可求出推力P推
M推：油缸輸出的推力P推對小臂擺動中心O所產(chǎn)生的起力矩()；
M重：手臂偏重對中心O的偏重力矩()；
M慣：手臂向上擺動的起動慣性力矩(）；
M摩：摩擦力矩(）；
5-1
：參與擺動零件（偏重）對擺動中心的轉(zhuǎn)動慣量 ()
：手臂向上擺動的切向角加速度，= 擬定 （弧度/秒）
（起動時間）
=
=
, 0型密封圈的摩擦阻力矩()，為安裝角度，
由公式 F = 可求出液壓缸的理論輸出力 F
：活塞桿的實際作用力 (N)
：負載率，一般取0.5～0.7 ；
：液壓缸的總效率，一般取0.9～0.95 ；
取 ,
5.3 液壓缸的確定
5.3.1 液壓缸內(nèi)徑的確定
由表17-6-3查得液壓缸的工作壓力初選為.
由公式：
由17-6-9 可選用標準液壓缸內(nèi)徑D=125mm。
5.3.2 液壓缸的外徑及壁厚的確定
按壁厚有關公式確定：
5-2
， ；取 ，
鋼筒的材料一般要求有足夠的強度和沖擊韌性，初選45鋼；
5-3
查表17-6-7可知
；
：沖擊系數(shù)，由表2-3-6可查得
初選壁厚δ= 12mm，則 = 0.096∈（0.08～0.3）；
根據(jù)表17-6-8公式進行計算：
初選成立
綜上所述，從表17-6-9中選擇標準液壓缸外徑A型146mm。
: 額定工作壓力
其中： (鋼筒材料屈服強度。由表17-6-7查得)
所以
鋼筒發(fā)生完成塑性變形的壓力：
因為：
本液壓缸最大工作壓力為，所以設計選擇的壁厚可滿足壓力的要求。
5.3.3 液壓缸活塞桿的確定及校核
設計中根據(jù)工作壓力的大小，選用速度比是由表17-6-16查得=1.33 由公式
根據(jù)表20-6-16取標準值
由于活塞桿在穩(wěn)定工況下，只受軸向推力或拉力，所以可以近似的用直桿承受拉
壓載荷的簡單強度計算公式進行計算：
所以滿足工作時的強度需要。
5.3.4 活塞的最大行程
5-4
：活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力：
：活塞桿縱向壓縮力
：安全系數(shù) 通常 取
：材料的彈性模量； 鋼材的N/mm2
：活塞桿橫截面慣性矩 （mm4）
圓截面
擬訂大臂與小臂鉸接時的角度為135°
液壓缸安裝時鉸鏈焊接處為小臂，與大臂焊接處為；根據(jù)余弦定理可得，最大行程為。
5.3.5 鋼筒底部厚度的確定
鋼筒底部為平面，其厚度δ可以按照四周嵌進的圓盤強度公式進行計算：
5-5
其中：
筒內(nèi)最大工作壓力（P=Pmax=3Mpa）；
：筒底材料許用應力 （前面求得p==50.83Mpa）；
：計算厚度外徑 取=90mm
所以，綜合上述條件，鋼筒底部厚度選擇12mm。
5.3.6 缸蓋螺釘?shù)挠嬎?
由表2-1-8可知活塞 則活塞桿退回速度，
活塞桿退回速度。
由公式：
：活塞桿的運動速度（）
：流入液壓缸的流量（）；
：活塞的有效面積（）；
由公式：
工作載荷
5.6
其中：
缸蓋所受的負載液壓力（N）；
螺釘數(shù)目，
缸蓋所受的負載液壓力
:螺釘中心所在圓的直徑;
油缸內(nèi)油液的工作壓力
剩余緊縮力對于要求緊密的連接
取
螺釘?shù)膹姸葪l件為 ：
5.7
材料的許用應力；
，n:安全系數(shù)，n=5；
, ；
取標準的開槽沉頭螺釘M8×35。
5.3.7 缸蓋頭部法蘭厚度的確定
有公式可得
5-8
其中
法蘭在鋼筒最大內(nèi)壓下所承受的軸向壓力；
:法蘭外圓直徑；
螺栓直徑；
缸筒外徑到螺栓中線的距離；
選定螺栓為M8，為了安裝方便，法蘭外圓直徑選定為180
取法蘭厚度為12mm。
5.3.8 缸筒與端部焊接
焊縫應力計算有公式：
5-9
其中：
:缸筒最大推力；
：缸筒外徑；
:焊縫材料的抗拉強度；
：安全系數(shù)；
:焊接效率；
取焊縫底徑為50mm.
5.3.9 液壓缸的其他元件的確定
a . 缸蓋的材料
缸蓋本身又是活塞桿的導向套時，缸蓋最好選用鑄鐵擬定 HT200。
b. 活塞的材料
無導向環(huán)的活塞可用耐磨鑄鐵，灰鑄鐵（HT300，HT350），球墨鑄鐵，初擬定為HT300。
c. 密封件均采用 0 型密封圈，由機械設計手冊（第三版、第 2 卷）選擇雙三角密封圈寬度為 5mm?；钊麠U的密封圈選擇活塞桿的專用密封圈 V 型夾織物橡膠密封圈。
d. 管接頭的確定
由公式：
5-10
：液體流量，L/min；
：按推薦值選定，一般
求得，取標準值d=10mm。
. 估算整個液壓缸和油缸的重量約為70
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第六章 大臂的機構(gòu)設計
第六章大臂的結(jié)構(gòu)設計
6.1 大臂材料的選定
初步擬定大臂材料為 Q235B 的空心方鋼，長度 L=1000mm，外邊長 a=100mm,內(nèi)邊長 b=80mm
估算大臂的重量：
6.2 大臂受力受力分析
大臂的受力見圖6，大臂的受力分析圖。
圖6 大臂的受力分析圖
由公式 可求出推力
：油缸輸出的推力對小臂擺動中心所產(chǎn)生的起動力矩
：手臂偏重對中心的偏重力矩；
：手臂向上擺動的起動慣性力矩；
：摩擦力矩，油腔的阻力矩。
=739.84
:參與擺動零件（偏重）對擺動中心的轉(zhuǎn)動慣量
：手臂向上擺動的切向角加速度，擬定（弧度/秒）
（啟動時間）
=23.9
o型密封圈的摩擦阻力矩，
，L=0.1m
由公式 可求出液壓缸的理論輸出力F
6.3 支大臂液壓缸的確定
6.3.1 液壓缸內(nèi)徑的確定
由表 2-3-2 查得液壓缸的工作壓力初選為
由公式：
由表43.6-26 可選用標準液壓缸內(nèi)徑D=180mm。
6.3.2 液壓缸的外徑及壁厚的確定
按壁厚有關公式確定：
6-1
， ；取 ，
油缸內(nèi)徑
鋼筒的材料一般要求有足夠的強度和沖擊韌性，初選45鋼；
查表17-6-7可知
缸體材料的許用拉應力
沖擊安全系數(shù)，由表17-6-8可查得 ；
初選壁厚，則 = 0.082∈（0.08～0.3）；
根據(jù)表17-6-8公式進行計算：
初選成立。
綜上所述，從表17-6-9中選擇標準液壓缸外徑A型219mm。
6.3.3 缸筒壁厚的校核
由公式：
6-2
: 額定工作壓力；
其中： (鋼筒材料屈服強度。由表17-6-7查得)
所以
鋼筒發(fā)生完成塑性變形的壓力 由公式：
因為：
本液壓缸的最大工作壓力為4.5，所以可以滿足強度要求。
6.3.4 液壓缸活塞桿的確定及校核
設計中根據(jù)工作壓力的大小，由表17-6-16查得=1.33 由公式：
根據(jù)機械手冊表17-6-16，取活塞桿的標準值
由于活塞桿在穩(wěn)定工況下，只受軸向推力或拉力，所以可以近似的用直桿承受拉壓載荷的簡單強度計算公式進行計算：
由公式：
所以滿足工作時的強度需要。
6.3.5 活塞桿的最大允許行程
由公式：
6-3
：活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力：
：活塞桿縱向壓縮力
：安全系數(shù) 通常 取
：材料的彈性模量； 鋼材的N/mm2
：活塞桿橫截面慣性矩 （）
圓截面 I=
擬訂大臂與小臂鉸接時的角度為60°
根據(jù)余弦定理可得，最大行程為310。
6.3.6鋼筒底部厚度的確定
鋼筒底部為平面，其厚度δ可以按照四周嵌進的圓盤強度公式進行計算：
6-4
其中：缸筒內(nèi)最大工作壓力（）；
：筒底材料許用應力 （）；
：計算厚度外徑 取=120
所以，綜合上述條件，鋼筒底部厚度選擇18。
6.3.7 缸蓋螺釘?shù)挠嬎?
由表2-1-8可查得活塞 則取活塞桿退回速度，
活塞桿退回速度。
由公式：
6-5
：活塞桿的運動速度（）
：流入液壓缸的流量（）；
：活塞的有效面積（）；
由公式 :
6-6
其中缸蓋所受的負載液壓力（N）；
螺釘數(shù)目，
:螺釘中心所在圓的直徑;
油缸內(nèi)油液的工作壓力
剩余緊縮力對于要求緊密的連接 ,
。取
螺釘?shù)膹姸葪l件為:
6-7
材料的許用應力；
，安全系數(shù),；
，；
。
取標準的開槽沉頭螺釘。
6.3.8 缸蓋頭部法蘭厚度的確定
由公式：
6-8
其中：
法蘭在缸筒最大壓力下所承受的軸向力；
：法蘭外圓直徑；
：螺栓直徑；
: 缸筒外徑刀螺栓中線的距離；
選定螺栓為，為了安裝方便，法蘭外圓直徑選定為
取法蘭厚度為18。
6.3.9 缸筒與端部焊接
焊縫應力計算有公式：
6-9
其中：
:缸筒最大推力；
：缸筒外徑；
:焊接地徑；
：焊縫材料的抗拉強度；
：安全系數(shù)；
:焊接效率；
取焊縫底徑為60mm.
6.3.10 液壓缸的其他元件的確定
a.缸蓋的材料
缸蓋本身又是活塞桿的導向套時，缸蓋最好選用鑄鐵擬定 HT200。
b.活塞的材料
無導向環(huán)的活塞可用耐磨鑄鐵，灰鑄鐵（HT300，HT350），球墨鑄鐵，初擬定為HT300。
c.密封件均采用 0 型密封圈，由機械設計手冊（第三版、第 2 卷）選擇雙三角密封
圈寬度為 5mm?；钊麠U的密封圈選擇活塞桿的專用密封圈 V 型夾織物橡膠密封圈。
d. 管接頭的確定
由公式：
：液體流量，；
：按推薦值選定，一般
求得，取標準值d=10mm。
. 估算整個液壓缸和油缸的重量約為90
沈陽化工大學科亞學院學士學位論文 第七章 底座的設計
第七章底座的設計
7.1 底座材料及尺寸的選定
初步擬定底座上底板和臂座以及連接板均采用，底板邊長為 ，高為的方鑄鐵，臂座采用邊長為，高為的方鑄鐵，連接板邊長為，高為 的圓鑄鐵，立柱為直徑，高為的圓鑄鐵，回轉(zhuǎn)缸固定在連接板和底板中間，采用螺栓連接。估算底座重量約為650。
7.2 底板螺栓的確定
受扭轉(zhuǎn)力矩以及翻轉(zhuǎn)力矩的螺栓組連接，初步擬定底板用8個螺栓，螺栓距翻轉(zhuǎn)軸距離。
受扭轉(zhuǎn)力矩的螺栓在轉(zhuǎn)矩T 的作用下，底板有繞通過螺栓中心并與接合面垂直的軸線回轉(zhuǎn)的趨勢，使每個螺栓連接都受橫向力。
7-1
：防滑系數(shù)；
：扭矩：
：摩擦系數(shù)；
,..... 各螺栓中心至底板旋轉(zhuǎn)中心的距離；
7.2.1 受翻轉(zhuǎn)力矩的螺栓組連接
由公式：
7-2
：螺栓所受的最大工作載荷:
:對稱軸線左側(cè)各螺栓軸線到對稱軸線的距離;
:中最大值；
：各運動工件的偏重力矩；
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