車載園林修剪機機械臂和工作機構設計

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車載園林修剪機機械臂和工作機構設計摘要園林綠化機械作為林業(yè)機械的一個分支，它的發(fā)展只有 50 年左右的歷史，它是隨著城市園林化，特別是草坪業(yè)的發(fā)展，而逐步發(fā)展壯大起來。良好的環(huán)境，合理的生態(tài)系統(tǒng)，是人類賴以生存和發(fā)展的不可缺少的搖籃。隨著生活水平的提高，人們對生活環(huán)境的要求也越來越高。綠籬在城市道路和園林綠化中也占有重要地位。因其可修剪成各種造型，并能相互組合，從而提高了觀賞效果和城市的美化。此外，綠籬還能起到遮蓋不良視點、隔離防護和防塵防噪等作用。綠籬生長會成各種各樣的形狀，因此對綠籬的修剪工作非常重要。本文設計一種車載式園林修剪機，其包括兩個部分組成，分別為：機械手臂結構和修剪工作機構。其中本次設計的園林修剪機的機械手臂擁有 4 個自由度，采用液壓形式驅動，執(zhí)行機構由液壓馬達提供動力。本文重點完成機械手臂和執(zhí)行機構的設計，包括機械手臂結構形式的確認，液壓缸的設計計算，刀片的設計，主軸的強度校核等。關鍵詞：車載園林修剪機，機械手臂，工作機構，液壓缸 iAbstractGardening machinery as a branch of forestry machinery, its development is only about 50 years of history, it is with the urban landscape, especially the development of turf industry, and gradually grow up. Good ecological environment, reasonable system is indispensable, the cradle of human survival and development. With the improvement of living standards, people's demand on living environment is more and more high. The hedge also occupies an important position in the city roads and landscaping. Because it can be cut into various shapes, and can be combined with each other, thereby improving the ornamental effect and the beautification of the city. In addition, hedges can also play a bad cover view, isolation protection and dustproof anti noise effect. Hedgerow growth into a variety of shapes, so the hedgerow pruning is very important.In this paper, the design of a vehicular garden trimming machine, which comprises two parts, respectively: mechanical arm structure and the pruning mechanism. In the design of garden pruning machine mechanical arm with four degrees of freedom, and uses the form of hydraulic drive, actuator, powered by hydraulic motors.This paper focus on the completion of the mechanical arm and actuator design, including recognition of the mechanical arm structure form, design and calculation of hydraulic cylinder, design of the blade, the spindle strength check.Keywords: Vehicle garden pruning machine, mechanical arm, working mechanism, hydraulic cylinder ii目錄摘要 ...................................................................................................................................................................iAbstract.............................................................................................................................................................ii第一章 引言 ....................................................................................................................................................11.1 課題研究的目的及意義 ...................................................................................................................11.2 機械手的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 ........................................................................................................11.2.1 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 .....................................................................................................................11.2.2 國外研究現(xiàn)狀 .........................................................................................................................21.2.3 發(fā)展趨勢 ................................................................................................................................31.3 園林修剪機的發(fā)展 ............................................................................................................................31.4 綠籬修剪機械的研究應用現(xiàn)狀 .......................................................................................................41.4.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀分析 ................................................................................................................41.4.2 國外研究現(xiàn)狀分析 .................................................................................................................41.5 課題設計思路 ...................................................................................................................................41.6 課題設計結構 ...................................................................................................................................4第二章 車載園林修剪機的總體設計方案 ....................................................................................................62.1 車載園林修剪機的組成及各部分關系概述 ....................................................................................62.2 車載園林修剪機驅動方案的確認 ...................................................................................................62.3 機械手基本形式的選擇 .................................................................................................................62.3.1 直角坐標型機械手 ..............................................................................................................62.3.2 圓柱坐標型機械手 ..............................................................................................................72.3.3 極坐標型機械手 ..................................................................................................................72.3.4 多關節(jié)機械手 ......................................................................................................................72.4 工作裝置方案擬定 ...........................................................................................................................9第三章 車載園林修剪機機械手臂的設計計算 ..................................................................................113.1 擬定主要技術參數(shù) .......................................................................................................................113.2 主臂液壓缸的設計計算 ...............................................................................................................113.2.1 負載分析 ..............................................................................................................................113.2.2 油缸效率分析 ......................................................................................................................123.2.3 系統(tǒng)背壓的選擇 ..................................................................................................................123.2.4 液壓缸缸徑的確認 ...............................................................................................................133.2.5 導向長度的確認 ...................................................................................................................143.2.5 活塞寬度 的確定 ...............................................................................................................14B3.2.6 缸體長度的確定 ..................................................................................................................143.2.7 缸筒壁厚的計算 ...................................................................................................................143.2.8 缸體外徑尺寸的計算 ..........................................................................................................153.2.9 活塞桿強度和液壓缸穩(wěn)定性計算 ......................................................................................153.2.10 缸筒壁厚的驗算 .................................................................................................................173.2.11 活塞設計 .............................................................................................................................18 iii3.2.12 密封件的選用 .....................................................................................................................183.2.13 活塞桿的設計 ....................................................................................................................193.2.14 緩沖裝置和排氣閥 .............................................................................................................213.3 其它液壓缸的設計計算 ...............................................................................................................224.1 刀具的設計 .....................................................................................................................................234.1.1 刀具的材料 ..........................................................................................................................234.1.2 校核修剪刀具的強度 ..........................................................................................................234.1.3 修剪刀具的外形結構 ..........................................................................................................264.2 刀片主軸的設計及強度校核計算 .................................................................................................264.2.1 軸的校核 ..............................................................................................................................27第五章 結論 ..................................................................................................................................................325.1 本設計所取得的結果 .....................................................................................................................325.2 技術展望 .........................................................................................................................................32參考文獻 ........................................................................................................................................................33致謝 ................................................................................................................................................................34 0第一章 引言1.1 課題研究的目的及意義園林綠化機械作為林業(yè)機械的一個分支，它的發(fā)展只有 50 年左右的歷史，它是隨著城市園林化，特別是草坪業(yè)的發(fā)展，而逐步發(fā)展壯大起來。良好的環(huán)境，合理的生態(tài)系統(tǒng)，是人類賴以生存和發(fā)展的不可缺少的搖籃。隨著生活水平的提高，人們對生活環(huán)境的要求也越來越高。綠籬在城市道路和園林綠化中也占有重要地位。因其可修剪成各種造型，并能相互組合，從而提高了觀賞效果和城市的美化。此外，綠籬還能起到遮蓋不良視點、隔離防護和防塵防噪等作用。綠籬生長會成各種各樣的形狀，因此對綠籬的修剪工作非常重要。通過本課題，讓學生在此次設計過程中綜合大學所學基礎課程及專業(yè)課程，培養(yǎng)學生綜合應用所學知識和技能去分析和解決一般工程技術問題的能力；進一步培養(yǎng)學生分析問題、創(chuàng)造性地解決實際問題的能力。本課題中車載園林修剪機系統(tǒng)主要采用氣壓驅動。1.2 機械手的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀工業(yè)機械手最早應用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。工業(yè)機械手延伸和擴大了人的 手足和大腦功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高溫等惡劣環(huán)境中工作：代替人完成繁重、單調(diào)重復勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應用與制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機械手與數(shù)控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應用領域日益擴大。我國工業(yè)機械手的研究與開發(fā)始于 20 世紀 70 年代。1972 年我國第一臺機械手開發(fā)于上海，隨之全國各省都開始研制和應用機械手。從第七個五年計劃（1986-1990）開始，我國政府將工業(yè)機械手的發(fā)展列入其中，并且為此項目投入大量的資金，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機械手，有由北京機械自動化研究所設計制造的噴涂機械手，廣州機床研究所和北京機床研究所合作設計制造的點焊機械手，大連機床研究所設計制造的氬弧焊機械手，沈陽工業(yè)大學設計制造的裝卸載機械手等等。這些機械手的控制器，都是由中國科學院沈陽 1自動化研究所和北京科技大學機械手研究所開發(fā)的，同時一系列的機械手關鍵部件也被開發(fā)出來，如機械手專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機，編碼器，DC——PWM 等等。我國的工業(yè)機械手發(fā)展主要是逐步擴大其應用范圍。在應用專業(yè)機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，研制出示教式機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等。可以將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構，設計成典型的通用機構，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型機構，組裝成各種用途的機械手，即便于設計制造，又便于跟換工件，擴大了應用范圍。目前國內(nèi)機械手主要用于機床加工、鍛造。熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以，在國內(nèi)主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應用專業(yè)機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，有條件的要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。此外還應大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。1.2.2 國外研究現(xiàn)狀國外機械手在機械制造行業(yè)中應用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如 發(fā)生少許偏差時候，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定的成績。1962 年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎上，又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮，用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓做儲存裝置。不少球面坐標式機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的；同年該公司和普曼公司合并成為萬能制動公司，專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。1962 年美國機械鑄造公司也實驗成功一種叫Versatran 機械手，原意是靈活搬運，可做點位和軌跡控制：該機械手的中央立柱可以回轉、升降、伸縮，采用液壓驅動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這 2 種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外機械手發(fā)展的基礎。從 60 年代后期起，噴漆、弧焊工業(yè)機械手相繼在生產(chǎn)中開始應用。1978 年美國 Unimate 公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制出一種Unimation—Vic.arm 型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)。聯(lián)邦德國機器制造業(yè)是從 1970 年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作 2業(yè)：聯(lián)邦德國 Kuka 公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制；日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快，應用國家最多的國家，自 1969 年從美國引進兩種典型機械手后，開始大力從事機械手的研究，目前以成為世界上工業(yè)機械手應用最多的國家之一。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應用機械手，主要用于機械化、自動化程序較低、繁重單調(diào)、有害于健康的輔助性工作。1.2.3 發(fā)展趨勢現(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝的焊接生產(chǎn)線，大多采用了氣動機械手。車身在每個工序的移動；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點焊機焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點焊，都采用了各種特殊功能的氣動機械手。目前世界高端工業(yè)機械手均具有高精化，高速化，多軸化，輕量化等的發(fā)展趨勢。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達到 3M/S，良新產(chǎn)品可以達到 6 軸，負載 2KG 的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破 100KG。更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相互結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時，隨著機械手的小型化和微型化，其應用領域將會突破傳統(tǒng)的機械領域，從而向著電子信息、生物技術、生命科學及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。1.3 園林修剪機的發(fā)展為了獲得造型各異的樹木、綠籬及草坪等，都需要按規(guī)定進行不同的修剪作業(yè)。草坪修剪機分為滾切式、旋刀式、剪切式三大類，按動力則分為手動與機動兩類。機動修剪機有乘座式及手推車式。上海園林工具廠生產(chǎn) JCG25D 型手推草坪修剪機有 6 片滾刀旋轉切草坪，幅寬 250mm，地而坡度適應性較好，但效率較低。近年來大部分綠化部門都使用進口澳洲陸寶(RDVER)45. 7cm 草坪機其特點為刀片耐磨、噪聲低、震動小、對坡地適應性較好。陸寶 45. 7cm 系列草坪修剪機動力系單缸 4 沖程汽油機，功率 2. 94kw, 4. 41 kw 多種，刀片為剪切式。用于綠籬修剪作業(yè)機具的研制我國起步較早，生產(chǎn)的兒種機型，如北京園林機械廠研制的中頻電機為動力的雙動往復刀片式;上海園林工具廠生產(chǎn)的電動旋刀式，刀片呈輻射狀，定刀片對枝條起支承作用，動刀片旋轉則進行切割，該機需配-12V 的蓄電池。從使用角度看，配置不大合里。效率不是很高?，F(xiàn)在對這類機具一般采用進口的較好的。如日木產(chǎn) E7B750、HT750 型，此機動力系單缸 4 沖程汽油機、體積小、重舉輕、工作效率高。人行道兩邊樹木多為銀中楊、白楊、梧桐等喬木。其樹形高大，一般高于 5m,每天要進行適當?shù)男藜?，以控制樹勢。一般高枝直徑?20mm 以下的宜用手動向枝剪，臺灣和青島合資 3m 3伸縮 HA200 型，工作向度 4m,適宜修剪行道樹和同內(nèi)綠化樹術。日木巴尼高枝剪除剪枝、鋸枝外還能摘果。1.4 綠籬修剪機械的研究應用現(xiàn)狀綠籬移動修剪作業(yè)機械執(zhí)行機構控制系統(tǒng)的研究，有助于綠籬移動修剪作業(yè)機械系統(tǒng)和移動機械手控制的研究和實現(xiàn)，對提升我國環(huán)境綠化作業(yè)機械裝備水平也具有重要的實際意義和科學價值。 1.4.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀分析我國對于綠籬修剪作業(yè)機具的研制起步較早，生產(chǎn)了幾種機型，如北京園林機械廠研制的以中頻電機為動力的雙動往復刀片式;上海園林工具廠生產(chǎn)的電動旋刀式，其刀片呈輻射狀，定刀片對枝條起支承作用，動刀片旋轉則進行切割，該機需配 12V 的蓄電池。從使用角度看其配置不太合理，效率不是很高。目前在我國城市道路以及企事業(yè)單位的道路綠籬，普遍采用的是手持式油鋸或手動修枝剪國內(nèi)目前只生產(chǎn) LT 系列等便攜式綠籬修剪機。高枝修剪機有鋸式和剪切式兩類，傳動方式以液壓、氣動為多，比較有名的有小松、SOLO、 STIHL 等。1.4.2 國外研究現(xiàn)狀分析修剪機有汽油機作動力的，也有電動的，切割機械以往復式為多，日木的小松、德國的STIHL、瑞典的 HUSQVARAN 等均生產(chǎn)有各種不同規(guī)格的便攜式綠籬修剪機。歐洲還生產(chǎn)一種車載臂架懸掛式綠籬修剪機，它可以修剪高度或寬度比較大的綠籬。1.5 課題設計思路1）參考所有與車載園林修建機產(chǎn)品相關數(shù)據(jù)，了解整個車載園林修剪機的整機系統(tǒng)的組成。2）車載園林修剪機整機方案的確認。3）車載園林修剪機機械臂的設計計算，并對主要零部件進行設計校核。4）車載園林修剪機整機工作裝置的設計計算。1.6 課題設計結構本文以車載園林修剪機項目作為應用背景，對其機械結構進行了研究。全文共分為五章，各章的主要內(nèi)容如下：第一章前言部分，主要介紹車載園林修剪機的研究現(xiàn)狀和課題研究的目的及意義； 4第二章對整個車載園林修剪機的整機方案進行確認，包括傳動系統(tǒng)，驅動系統(tǒng)等確認。第三章完成整個車載園林修剪機機械手臂的設計計算；第四章對車載園林修剪機進行工作裝置的設計計算；第五章總結了全文的研究工作，給出了存在的問題和進一步研究的方向。 5第二章 車載園林修剪機的總體設計方案2.1 車載園林修剪機的組成及各部分關系概述車載園林修剪機主要由機械系統(tǒng)(機械臂系統(tǒng)、工作機構系統(tǒng))、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是車載園林修剪機完成工作的部件。驅動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅動其動力的裝置。常用的有機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動?？刂葡到y(tǒng)：通過對驅動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，當發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。2.2 車載園林修剪機驅動方案的確認目前機械設備的主要驅動形式有三大類：液壓驅動、氣動驅動和電機驅動。液壓驅動具有輸出功率大、控制精度高、可無級調(diào)速，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制等優(yōu)點。但是液壓傳動有較多的能量損失(泄漏損失、壓力損失等)，傳動效率相對低。液壓傳動需要配套設備如：液壓站、各種液壓控制閥等，它適用于重載、低速驅動，成本高，體積大。適合本車載園林修剪機。氣動驅動功率/質(zhì)量比大，體積小，結構緊湊，密封問題較小，成本低。不符合本文需求。電機驅動與氣動驅動和液壓驅動相比，具有能精確定位，反應靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服性好等優(yōu)點；單對于本機械手來說，結構相對復雜，要求精度較高，不符合本文要求。2.3 機械手基本形式的選擇常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài)，按坐標形式大致可以分為以下 4 種，如圖 2-1所示：（1）直角坐標型機械手；（2）圓柱坐標型機械手；（3）極坐標型機械手；(4)多關節(jié)型機械手。2.3.1 直角坐標型機械手 直角坐標型機械手，它在 x,y,z 軸上的運動是獨立的，3 個關節(jié)都是移動關節(jié)，關節(jié)軸線相互垂直，它主要用于生產(chǎn)設備的上下料，也可用于高精度的裝卸和檢測和作業(yè)。這種形式的主要特點是： 6(1)在三個直線方向上移動，運動容易想象。(2)計算比較方便。(3)由于可以兩端支撐，對于給定的結構長度，其剛性最大。(4)要求保留較大的移動空間，占用空間較大。(5)要求有較大的平面安裝區(qū)域。(6)滑動部件表面的密封較困難，容易被污染。2.3.2 圓柱坐標型機械手圓柱坐標型機械手，R、θ 和 x 為坐標系的三個坐標，其中 R 是手臂的徑向長度，θ是手臂的角位置，x 是垂直方向上手臂的位置。這種形式的主要特點是：(1)容易想象和計算。(2)能夠伸入形腔式機器內(nèi)部。(3)空間定位比較直觀。(4)直線驅動部分難以密封、防塵及防御腐蝕物質(zhì)。(5)手臂端部可以達到的空間受限制，不能到達靠近立柱或地面的空間。2.3.3 極坐標型機械手 極坐標型機械手又稱為球坐標機械手，R，θ 和 β 為坐標系的坐標。其中 θ 是繞手臂支撐底座垂直軸的轉動角，β 是手臂在鉛垂面內(nèi)的的擺動角。這種機械手運動所形成的軌跡表面是半球面。其特點是：(1)在中心支架附近的工作范圍較大。(2)兩個轉動驅動裝置容易密封。(3)覆蓋工作空間較大。(4)坐標系較復雜，較難想象和控制。(5)直線驅動裝置仍存在密封問題。(6)存在工作死區(qū)。2.3.4 多關節(jié)機械手 多關節(jié)機械手，它是以其各相鄰運動部件之間的相對角位移作為坐標系的。θ、α 和φ 為坐標系的坐標，其中 θ 是繞底座鉛垂軸的轉角，φ 是過底座的水平線與第一臂之間的夾角，α 是第二臂相對于第一臂的轉角。這種機械手手臂可以達到球形體積內(nèi)絕大部分位置，所能達到區(qū)域的形狀取決于兩個臂的長度比例。其特點是： 7(1)動作較靈活，工作空間大。(2 關節(jié)驅動處容易密封防塵。(3)工作條件要求低，可在水下等環(huán)境中工作。(4) 適合于電動機驅動。(5)運動難以想象和控制，計算量較大。(6)不適于液壓驅動。 θ直角坐標型 圓柱坐標型β θ αφ θ極坐標型 多關節(jié)型圖 2-1 工業(yè)機械手基本結構形式本課題要求機械手為多關節(jié)結構形式，其方案圖如圖 2-2 所示： 8圖 2-2 機械手臂結構圖如圖 2-2 所示因為本機械手工作范圍大，位置精度要求不高?？紤]本機械手工作要求的特殊情況，本設計采用四自由度的機械手：自由度具體分配如下：1）主臂俯仰自由度。擬采用液壓缸達來實現(xiàn)，液壓缸帶動主臂完成俯仰運動。其俯仰角度靠液壓缸行程來控制。2）中間臂俯仰自由度。擬采用液壓缸達來實現(xiàn)，液壓缸帶動中間臂完成俯仰運動。其俯仰角度靠液壓缸行程來控制。3）工作臂俯仰自由度。擬采用液壓缸達來實現(xiàn)，液壓缸帶動工作臂完成俯仰運動。其俯仰角度靠液壓缸行程來控制。4）工作裝置回轉自由度。擬采用液壓馬達來實現(xiàn)，液壓馬達帶動工作裝置回轉機構完成回轉運動。其回轉角度靠液壓馬達來控制。2.4 工作裝置方案擬定　本次工作裝置要求有效修建寬度為 1250mm，因此本次設計采用兩把刀的結構形式，其結構簡圖如下圖 2-3 所示： 9圖 2-3 工作裝置結構圖如圖所示，本次工作裝置的動力單元由液壓馬達驅動，液壓馬達通過同步帶輪傳遞動力，帶動兩把到同時旋轉，達到修剪的效果。 10第三章 車載園林修剪機機械手臂的設計計算3.1 擬定主要技術參數(shù)已知系統(tǒng)總的壓力為 10Mpa, 主臂液壓缸推力為 60KN，速度為 10mm/s，行程為400mm。3.2 主臂液壓缸的設計計算3.2.1 負載分析圖 3-1 液壓缸工作原理簡圖油缸實際推力公式：F= Fw + +Fa (3-1)fF式中 Fw-----工作負載，對于機械手臂來說，即為推力；Fa------運動部件速度變化時的慣性負載;------導軌摩擦阻力負載，啟動時為靜摩擦阻力。啟動后為動摩擦fF阻力摩擦負載計算公式：= f( G + FRn ) (3-2)fF 11式中G------重力，工作臺和彎曲的總量假定為900KG----垂直于導軌的工作負載，本系統(tǒng)中為零;RnFf-------摩擦系數(shù)，靜摩擦系數(shù)取 0.02,動摩擦系數(shù)為 0.01。得出摩擦負載幾乎忽略不計慣性負載計算公式：(3-3) aGF=gt??式中 —重力加速度—加速或減速時間，一般△t 取 0.1s—0.5s?— 時間內(nèi)的速度變化量。?求的： = = =16.33N慣FtgxvGX△△ 5.0x8924根據(jù)上述計算結果，列出各工作階段所受的外負載求的F= Fw + +Fa≈6000NfF3.2.2 油缸效率分析油缸的效率 由以下三種效率組成：?A.機械效率 ，由各運動件摩擦損失所造成，在額定壓力下，通?？扇?=0.9m m?B.容器效率 ，由各密封件泄露所造成，通常容積效率 為：v v?裝彈性體密封圈時 1v??裝活塞環(huán)時 0.98C.作用力效率 ，由出油口背壓所產(chǎn)生的反作用力而造成。d一般取 =0.9?所以 =0.9 =1 =0.9mv?d總效率為 。0.8d? 123.2.3 系統(tǒng)背壓的選擇系統(tǒng)被壓如表 3-1 所示表 3-1 執(zhí)行元件背壓力系統(tǒng)類型 背壓力 P/MPa簡單系統(tǒng)或輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) 0.2—0.5回油路帶調(diào)速閥的系統(tǒng) 0.4—0.6回油路設置有背壓閥的系統(tǒng) 0.5—1.5用補油泵的閉式回路 0.8—1.5回油路較復雜的工程機械 1.2—3回油路較短，且直接回油箱 可忽略不計按表 3-1 可取 p2 為 0.5MPa3.2.4 液壓缸缸徑的確認(3-4)221cm14FDpdD????????????????????????=93.3m 按設計手冊取 d/D 為 0.7 ， 故 得 d≈65mm 表 3-2 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列（GB2348-80） 8 10 12 16 20 25 3240 50 63 80 (90) 100 (110)125 (140) 160 (180) 200 (220) 250表 3-3 活塞桿直徑系列（GB2348-80）4 5 6 8 10 12 14 16 1820 22 25 28 32 36 40 45 5056 63 70 80 90 100 110 125 140根據(jù)表 3-2 和表 3-3 將這些直徑圓整成進標準值時得：油缸有：D=100mm 和活塞 d=70mm 13由此求得液壓缸面積的實際有效面積為：A1= =0.00785m A2= =0.0040m4π2D24）d（xπ 2?D23.2.5 導向長度的確認當活塞桿全部外伸時，從活塞支承面中點到缸蓋滑動支承面中點距離為 H，稱為最小導向長度。如果導向長度過小，將使液壓缸的初始撓度增大，影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此在設計時必須保證有一定的最小導向長度。圖 3-2 液壓缸最小導向長度對一般的液壓缸，最小導向長度 應滿足： H250162.5lDm????式中： —液壓缸的最大行程 (mm) 設計要求 =200mml l—液壓缸內(nèi)徑 (mm)D取 H=70mm3.2.5 活塞寬度 的確定B活塞的寬度 一般取 =（ 0.6-1.0） D即 =（0.6-1.0 ）×100=（60-100）mm取 =35mm3.2.6 缸體長度的確定液壓缸缸體內(nèi)部的長度應等于活塞的行程 L 與活塞寬度 B 的和。缸體外部尺寸還要考慮到兩端端蓋的厚度，一般液壓缸缸體的長度不應大于缸體內(nèi)徑 的 20-30 倍。D即：缸體內(nèi)部長度 250+35=285mm 143.2.7 缸筒壁厚的計算在中、低壓系統(tǒng)中，液壓缸的壁厚基本上由結構和工藝上的要求確定，壁厚通常都能滿足強度要求，一般不需要計算。但是，當液壓缸的工作壓力較高和缸筒內(nèi)徑較大時，必須進行強度校核。當 時，稱為薄壁缸筒，按材料力學薄壁圓筒公式計算，計算公式為0.8D??（3-5） ??max2pD??式中， —缸筒內(nèi)最高壓力；maxp—缸筒材料的許用壓力。 = , 為材料的抗拉強度，n 為安全系數(shù)，??????/b當 時，一般取 。0.8D?5n?當 時,按式（3-6）計算..3?(該設計采用無縫鋼管 ) （3-6）??maxa2.3pD???根據(jù)缸徑查手冊預取 =30此時 300.8.1D????最高允許壓力一般是額定壓力的 1.5 倍，根據(jù)給定參數(shù) ，所以：10PMa?=10 1.5=15MPmaxP?[?]=100～110 M（無縫鋼管） ，取[ ?]=100 a，其壁厚按公式（3-6）計算為??axma1508.12.32.3-pDm??????滿足要求，就取壁厚為 10mm。3.2.8 缸體外徑尺寸的計算缸體外徑 120120D?????查機械手冊表：外徑 取 340mm1 153.2.9 活塞桿強度和液壓缸穩(wěn)定性計算1、活塞桿強度計算活塞桿的直徑 按下式進行校核d][4??Fd?(3-7) 式中， 為活塞桿上的作用力；F][?為活塞桿材料的許用應力， ][= ,n 一般取 1.40。/bn3640170523.598/.4dmm????滿足要求2、液壓缸穩(wěn)定性計算活塞桿受軸向壓縮負載時，它所承受的力 F不能超過使它保持穩(wěn)定工作所允許的臨界負載 kF，以免發(fā)生縱向彎曲，破壞液壓缸的正常工作。 k的值與活塞桿材料性質(zhì)、截面形狀、直徑和長度以及液壓缸的安裝方式等因素有關。若活塞桿的長徑比 且桿件承受壓負/10ld?載時，則必須進行液壓缸穩(wěn)定性校核?；钊麠U穩(wěn)定性的校核依下式進行 knF?(3-8)式中， kn為安全系數(shù)，一般取 k=2~4。a.當活塞桿的細長比 時/lrmi?(3-9) 2kiEJFl??b.當活塞桿的細長比 時/klri?(3-10)21()kkfAalir??式中， l為安裝長度，其值與安裝方式有關； k為活塞桿橫截面最小回轉半徑，AJrk/?； 為柔性系數(shù)，其值見表 3-4； 為由液壓缸支撐方式?jīng)Q定的末端系數(shù)； E為mi 16活塞桿材料的彈性模量，對鋼取 21/06.2mNE??；為活塞桿橫截面慣性矩； A為活塞桿橫截面積； f為由材料強度決定的實驗值， ?為系數(shù)，具體數(shù)值見表 3-5。表 3-4 液壓缸支承方式和末端系數(shù) 的值i支承方式 支承說明末端系數(shù)i一端自由一端固定 1/4兩端鉸接 1一端鉸接一端固定 2兩端固定 4表 3-5 f、 ?、 的值m材料 28/10Nf?鑄鐵 5.6 1/1600 80鍛鐵 2.5 1/9000 110鋼 4.9 1/5000 85c.當 時,缸已經(jīng)足夠穩(wěn)定，不需要進行校核。20lk?此設計安裝方式兩端固定的方式，此缸已經(jīng)足夠穩(wěn)定，不需要進行穩(wěn)定性校核。3.2.10 缸筒壁厚的驗算液壓缸的額定壓力 值應低于一定的極限值，保證工作安全：np（3-10）21()0.35snD???(MPa 17根據(jù)式（3-10）得到： 235(0.17). 63()npMpa????顯然，額定油壓 = =10MP，滿足條件；n3.2.11 活塞設計1、活塞結構的設計活塞分為整體式和組合式，組合式制作和使用比較復雜，所以在此選用整體式活塞，形式如下圖：圖 3-2 整體式活塞此整體式活塞中，密封環(huán)和導向套是分槽安裝的。2、活塞的材料選用高強度球墨鑄鐵 QT600-33、加工公差活塞的配合因為使用了組合形式的密封器件，所以要求不高，這里不加敘述?；钊鈴綄?nèi)孔的同軸度公差不大于 0.02mm，斷面與軸線的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，外表面的圓度和圓柱度不大于外徑公差之半。3.2.12 密封件的選用1、對密封件的要求在液壓元件中，液壓缸的密封要求是比較高的，特別是一些特殊液壓缸，如擺動液壓缸等。液壓缸不僅有靜密封，更多的部位是動密封，而且工作壓力高，這就要求密封件的密封性能要好，耐磨損，對溫度的適應范圍大，要求彈性好，永久變形小，有適當?shù)臋C械強度，摩擦阻力小，容易制造和裝拆，能隨壓力的升高而提高密封能力和利于自動補償磨損。密封件一般以斷面形狀分類，有 O 形、Y 形、U 形、V 形和 Yx 形等。除 O 形外，其他都屬于唇形密封件。 182、O 形密封圈的選用液壓缸的靜密封部位主要有活塞內(nèi)孔與活塞桿、支撐座外圓與缸筒內(nèi)孔、端蓋與缸體端面等處。靜密封部位使用的密封件基本上都是 O 形密封圈。3、動密封部位密封圈的選用由于 O 型密封圈用于往復運動存在起動阻力大的缺點，所以用于往復運動的密封件一般不用 O 形圈，而使用唇形密封圈或金屬密封圈。液壓缸動密封部位主要有活塞與缸筒內(nèi)孔的密封、活塞桿與支撐座（或導向套）的密封等?；钊h(huán)是具有彈性的金屬密封圈，摩擦阻力小，耐高溫，使用壽命長，但密封性能差，內(nèi)泄漏量大，而且工藝復雜，造價高。對內(nèi)泄漏量要求不嚴而要求耐高溫的液壓缸，使用這種密封圈較合適。V 形圈的密封效果一般，密封壓力通過壓圈可以調(diào)節(jié)，但摩擦阻力大，溫升嚴重。因其是成組使用，模具多，也不經(jīng)濟。對于運動速度不高、出力大的大直徑液壓缸，用這種密封圈較好。U 形圈雖是唇形密封圈，但安裝時需用支撐環(huán)壓住，否則就容易卷唇，而且只能在工作壓力低于 10MPa 時使用，對壓力高的液壓缸不適用。比較而言，能保證密封效果，摩擦阻力小，安裝方便，制造簡單經(jīng)濟的密封圈就屬 Yx型密封圈了。它屬于不等高雙唇自封壓緊式密封圈 ，分軸用和孔用兩種。綜上，所以本設計選用 Yx 型圈，聚氨酯和聚四氟乙烯密封材料組合使用，可以顯著提高密封性能：a.降低摩擦阻力，無爬行現(xiàn)象；b.具有良好的動態(tài)和靜態(tài)密封性，耐磨損，使用壽命長；c.安裝溝槽簡單，拆裝簡便。這種組合的特別之處就是允許活塞外園和缸筒內(nèi)壁有較大間隙，因為組合式密封的密封圈能防止擠入間隙內(nèi)，降低了活塞與缸筒的加工要求，密封方式圖如下： 19圖 3-3 密封方式圖3.2.13 活塞桿的設計1、活塞桿桿體的選擇此次設計選用的是實心桿件，形式如下圖：圖 3-4 活塞桿2、活塞桿與活塞的連接形式此次設計采用的是鎖緊螺母型連接，如下圖：圖 3-5 鎖緊螺母型3、.活塞桿材料和技術要求a.因為沒有特殊要求，所以選用 45 號鋼作為活塞桿的材料，本次設計中活塞桿只承受壓應力，所以不用調(diào)制處理，但進行淬火處理是必要的，淬火深度可以在 0.5—1mm 左右。b.安裝活塞的軸頸和外圓的同軸度公差不大于 0.01mm，保證活塞桿外圓和活塞外圓的同軸度，避免活塞與缸筒、活塞桿和導向的卡滯現(xiàn)象。安裝活塞的軸間端面與活塞桿軸線的垂直度公差