自動(dòng)生產(chǎn)線的三自由度搬運(yùn)機(jī)械臂設(shè)計(jì)含開題及11張CAD圖

自動(dòng)生產(chǎn)線的三自由度搬運(yùn)機(jī)械臂設(shè)計(jì)含開題及11張CAD圖,自動(dòng)生產(chǎn)線,自由度,搬運(yùn),機(jī)械,設(shè)計(jì),開題,11,十一,cad 搬運(yùn)機(jī)械臂設(shè)計(jì) 摘 要 目前，由于勞動(dòng)力成本和技術(shù)問題，國(guó)內(nèi)搬運(yùn)仍然多采用人工，不僅效率低、，而且工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，存在操作者發(fā)生安全事故的隱患，因此，設(shè)計(jì)機(jī)械手以代替人工搬運(yùn)的操作就變得十分重要。 本文講述了搬運(yùn)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。首先，通過對(duì)機(jī)械臂現(xiàn)狀進(jìn)行全方位調(diào)研，在此基礎(chǔ)上提出了機(jī)械臂方案；接著，設(shè)計(jì)計(jì)算了各主要構(gòu)成件的結(jié)構(gòu)尺寸；然后，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；最后，通過AutoCAD制圖軟件繪制了搬運(yùn)機(jī)械臂裝配圖、主要零件圖。 通過本次設(shè)計(jì)，鞏固了大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識(shí)，如：機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、材料力學(xué)、公差與互換性理論、機(jī)械制圖等；掌握了起重機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法并能夠熟練使用AutoCAD制圖軟件，對(duì)今后的工作于生活具有極大意義。 關(guān)鍵字：搬運(yùn)，機(jī)械臂，液壓缸，液壓系統(tǒng) Abstract At present, due to labor costs and technical problems, domestic handling still mostly uses manual, not only inefficient, but also the labor intensity of workers, there are hidden dangers of operator safety accidents. Therefore, it is very important to design a manipulator to replace manual handling operation. This paper describes the structure design of the handling manipulator. Firstly, based on the comprehensive investigation of the actuality of the manipulator, the scheme of the manipulator is put forward. Secondly, the structural dimensions of the main components are designed and calculated. Secondly, the hydraulic system is designed. Finally, the assembly drawings and main parts drawings of the manipulator are drawn by AutoCAD drawing software. Through this design, we have consolidated our professional knowledge, such as mechanical principle, mechanical design, material mechanics, tolerance and interchangeability theory, mechanical drawing, etc. We have mastered the design method of hoisting machinery products and can skillfully use AutoCAD drawing software, which is of great significance to our future work and life. Key words: Handling, Manipulator, Hydraulic Cylinder, Hydraulic System 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1背景及意義 1 1.2機(jī)械臂概述 2 1.2.1機(jī)械臂的組成 2 1.2.2機(jī)械臂的分類 2 1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 2 第2章 總體方案設(shè)計(jì) 4 2.1 設(shè)計(jì)要求 4 2.1.1 動(dòng)作要求 4 2.1.2參數(shù)要求 4 2.2方案擬定 4 2.2.1初步分析 4 2.2.2 擬定方案 4 第3章 機(jī)械臂平移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 6 3.1 X向平移驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 6 3.1.1摩擦力的分析與計(jì)算 6 3.1.2密封處的摩擦阻力的計(jì)算 7 3.1.3 慣性力的計(jì)算 7 3.2 X向平移油缸的設(shè)計(jì) 7 3.2.1確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸 8 3.2.2液壓缸外徑的設(shè)計(jì) 9 3.2.3液壓缸工作行程的確定 9 3.2.4活塞桿的計(jì)算校核 10 3.2.5油缸端蓋的設(shè)計(jì) 11 3.3 滑塊及導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 12 第4章 機(jī)械臂機(jī)身設(shè)計(jì) 13 4.1 機(jī)身的整體設(shè)計(jì) 13 4.2 Z向回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 13 4.2.1回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 13 4.2.2 回轉(zhuǎn)缸尺寸參數(shù)的確定 14 4.3 Z向升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 16 4.3.1手臂片重力矩的計(jì)算 16 4.3.2升降導(dǎo)向立柱不自鎖條件 17 4.3.3升降油缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 17 4.3.4升降缸尺寸參數(shù)的確定 18 第5章 機(jī)械臂臂部設(shè)計(jì) 20 5.1臂部整體設(shè)計(jì) 20 5.2臂部設(shè)計(jì)計(jì)算 20 第6章 液壓及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 6.1機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 22 6.1.1臂部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 22 6.1.2 X向平移機(jī)構(gòu) 22 6.1.3臂部機(jī)械臂 24 6.2液壓系統(tǒng)方案擬定 24 6.2.1調(diào)速回路方案分析 25 6.2.2 快進(jìn)回路方案分析 26 6.3液壓元件的計(jì)算和選擇 29 6.3.1液壓泵選型 29 6.3.2液壓元件的選擇 31 6.3.3液壓輔助元件的選擇 31 6.4液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算 32 6.4.1驗(yàn)算回路中的壓力損失 32 6.4.2液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升計(jì)算 33 總 結(jié) 36 參考文獻(xiàn) 37 致 謝 38 39 第1章 緒論 1.1背景及意義 目前，由于勞動(dòng)力成本和技術(shù)問題，國(guó)內(nèi)搬運(yùn)工采用人工，不僅效率低，而且工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，存在操作者發(fā)生安全事故的隱患。有些搬運(yùn)生產(chǎn)廠商為了防止操作者發(fā)生安全事故，加入了一些防護(hù)措施，如加入光電保護(hù)器等；但這不能從根本上防止操作者的安全。因此，設(shè)計(jì)機(jī)械臂以代替人工進(jìn)行搬運(yùn)的操作就變得十分重要。本設(shè)計(jì)就是根據(jù)這一工程應(yīng)用需要，設(shè)計(jì)搬運(yùn)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。 機(jī)械臂是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。我國(guó)的工業(yè)機(jī)械臂是從80年代"七五"科技攻關(guān)開始起步，在國(guó)家的支持下，通過"七五"，"八五"科技攻關(guān)，目前已經(jīng)基本掌握了機(jī)械臂操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)，運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆，孤焊，點(diǎn)焊，裝配，搬運(yùn)等機(jī)器人，其中有130多臺(tái)噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，孤焊機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的看來，我國(guó)的工業(yè)機(jī)械臂技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定距離。 世界工業(yè)機(jī)械臂的數(shù)目雖然每年在遞增，但市場(chǎng)是波浪式向前發(fā)展的。在新世紀(jì)的曙光下人們追求更舒適的工作條件，惡劣危險(xiǎn)的勞動(dòng)環(huán)境都需要用機(jī)器人代替人工。隨著機(jī)器人應(yīng)用的深化和滲透，工業(yè)機(jī)械臂在汽車行業(yè)中還在不斷開辟著新用途。機(jī)械臂的發(fā)展也已經(jīng)由最初的液壓，氣壓控制開始向人工智能化轉(zhuǎn)變，并且隨著電子技術(shù)的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，這項(xiàng)技術(shù)將日益完善。 隨著社會(huì)生產(chǎn)不斷進(jìn)步和人們生活節(jié)奏不斷加快，人們對(duì)生產(chǎn)效率也不斷提出新要求。由于微電子技術(shù)和計(jì)算軟、硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的不斷完善，使機(jī)械臂技術(shù)快速發(fā)展，其中液壓機(jī)械臂系統(tǒng)由于其介質(zhì)來源簡(jiǎn)便以及不污染環(huán)境、組件價(jià)格低廉、維修方便和系統(tǒng)安全可靠等特點(diǎn)，已滲透到工業(yè)領(lǐng)域的各個(gè)部門，在工業(yè)發(fā)展中占有重要地位。本文講述的液壓機(jī)械臂有氣控機(jī)械臂、XY軸絲杠組、轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)基座等機(jī)械部分組成。主要作用是完成機(jī)械部件的搬運(yùn)工作，能放置在各種不同的生產(chǎn)線或物流流水線中，使零件搬運(yùn)、貨物運(yùn)輸更快捷、便利。 隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，機(jī)械臂的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。機(jī)械臂能模擬人的手臂的部分動(dòng)作，按預(yù)定的程序、軌跡及其它要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件或操縱工具。機(jī)械臂可以代替很多重復(fù)性的體力勞動(dòng)，從而減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率。 1.2機(jī)械臂概述 機(jī)械臂也被稱為自動(dòng)手能模仿人手臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。隨著工業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化的發(fā)展以及液壓技術(shù)自身的一些優(yōu)點(diǎn)，液壓機(jī)械臂已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動(dòng)化的各個(gè)行業(yè)。 1.2.1機(jī)械臂的組成 機(jī)械臂主要由工件、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。工件是用來抓持工件（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。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使工件完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械臂的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī)械臂設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械臂的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械臂有2～3個(gè)自由度。 1.2.2機(jī)械臂的分類 機(jī)械臂的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、液壓式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械臂；按適用范圍可分為專用機(jī)械臂和通用機(jī)械臂兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械臂等。機(jī)械臂一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械臂。它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定的操作。它的特點(diǎn)是具備普通機(jī)械的性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號(hào)操作機(jī)來進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是用專用機(jī)械臂，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用以解決機(jī)床搬運(yùn)和工件送。這種機(jī)械臂在國(guó)外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。在國(guó)外，目前主要是搞第一類通用機(jī)械臂，國(guó)外稱為機(jī)器人 1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 機(jī)械臂首先是從美國(guó)開始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械臂。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。 1962年，美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械臂。商名為Unimate（即萬能自動(dòng)）。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械臂就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動(dòng)公司，專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械臂。 1962年美國(guó)機(jī)械制造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Vewrsatran機(jī)械臂。該機(jī)械臂的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械臂出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)械臂發(fā)展的基礎(chǔ)。 1978年美國(guó)Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機(jī)械臂，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國(guó)機(jī)械制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械臂，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的搬運(yùn)等作業(yè)。 聯(lián)邦德國(guó)KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械臂，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。日本是工業(yè)機(jī)械臂發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種機(jī)械臂后大力從事機(jī)械臂的研究。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械臂，至1977年底，其中一半是國(guó)產(chǎn)，一半是進(jìn)口。 目前，工業(yè)機(jī)械臂大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機(jī)械臂正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機(jī)械臂具有感覺機(jī)能。第三代機(jī)械臂則能獨(dú)立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。 一般概況國(guó)內(nèi)機(jī)械行業(yè)應(yīng)用的機(jī)械臂絕大部分為專用機(jī)械臂，附屬于某一設(shè)備，其工作程序是固定的。通用機(jī)械臂也有發(fā)展，目前應(yīng)用的都是開關(guān)式點(diǎn)位控制型，伺服型已試制出數(shù)臺(tái)在調(diào)試中，連續(xù)軌跡控制型還沒有。 控制方式—有觸點(diǎn)固定程序控制占絕大多數(shù)，專用機(jī)械臂多采用這種控制。 第2章 總體方案設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)要求 2.1.1 動(dòng)作要求 設(shè)計(jì)一種用于自動(dòng)生產(chǎn)線的搬運(yùn)機(jī)械臂，該機(jī)械臂能夠?qū)⒐ぜ囊粋€(gè)傳送帶搬運(yùn)到另一個(gè)傳送帶。機(jī)械臂有三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，分別是Z向回轉(zhuǎn)、X向移動(dòng)和Z向移動(dòng)?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)可有氣壓缸、氣動(dòng)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)或步進(jìn)電機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。由液壓控制系統(tǒng)作為整個(gè)機(jī)械臂的控制核心。設(shè)計(jì)機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)，使機(jī)械臂搬運(yùn)的負(fù)載從一點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到另一點(diǎn)。 2.1.2參數(shù)要求 本次設(shè)計(jì)選定參數(shù)如下： （1）運(yùn)動(dòng)范圍：Z向回轉(zhuǎn)范圍360°、X向移動(dòng)500mm、Z向移動(dòng)300mm （2）機(jī)械臂負(fù)載：25kg 2.2方案擬定 2.2.1初步分析 機(jī)械臂負(fù)載為25kg，按工業(yè)機(jī)械臂的分類，屬于中型，按用途分為通用機(jī)械臂，其特點(diǎn)是具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)、程序可變、動(dòng)作靈活多樣，通用機(jī)械臂的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適合于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化生產(chǎn)。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械臂與直角坐標(biāo)式械手相比，占地面積小而活動(dòng)范圍大，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，并能達(dá)到很高的定位精度，因此應(yīng)用廣泛。 2.2.2 擬定方案 搬運(yùn)機(jī)械臂一般是3~6個(gè)自由度，而本次設(shè)計(jì)為3個(gè)自由度機(jī)械臂，通過上述調(diào)研分析，初步擬定本次如下兩個(gè)方案。 （1）方案一 采用X向平移液壓缸下置，回轉(zhuǎn)液壓缸上置的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下： 2-1 方案一結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 （2）方案二 采用X向平移液壓缸上置，回轉(zhuǎn)液壓缸上置的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下： 圖2-2 方案二結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 由于本設(shè)計(jì)要求完成手臂的升降，旋轉(zhuǎn)以及伸縮三個(gè)動(dòng)作，通過綜合對(duì)比，考慮到采用X向平移液壓缸上置會(huì)增加機(jī)身及X向平移液壓缸負(fù)載，容易造成液壓缸磨損泄漏，因此本次采用方案一。 第3章 機(jī)械臂平移機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 X向平移驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 先進(jìn)行粗略的估算，或類比同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸，再進(jìn)行校核計(jì)算，修正設(shè)計(jì)。如此反復(fù)，繪出最終的結(jié)構(gòu)。 做水平伸縮直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸的驅(qū)動(dòng)力根據(jù)液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)所克服的摩擦、慣性等幾個(gè)方面的阻力，來確定液壓缸所需要的驅(qū)動(dòng)力。液壓缸活塞的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算為： 3.1.1摩擦力的分析與計(jì)算 由于導(dǎo)向桿對(duì)稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個(gè)導(dǎo)向桿計(jì)算。 得 得 式中 參與運(yùn)動(dòng)的零部件所受的總重力（含工件）（N）； L——手臂與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的前端的距離（m），參考上一節(jié)的計(jì)算; a——導(dǎo)向支撐的長(zhǎng)度（m）; ——當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面有關(guān)。 對(duì)于圓柱面： ——摩擦系數(shù)，對(duì)于靜摩擦且無潤(rùn)滑時(shí)： 鋼對(duì)青銅：取 鋼對(duì)鑄鐵：取 計(jì)算：油缸桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向套支撐選擇鋼， 預(yù)估，已知L=800mm，導(dǎo)向支撐a設(shè)計(jì)為200mm 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計(jì)算 600=1260N 3.1.2密封處的摩擦阻力的計(jì)算 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計(jì)中，采用O型密封圈，當(dāng)液壓缸工作壓力小于10Mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為： =0.03F。 3.1.3 慣性力的計(jì)算 =0.1 式中 ——參與運(yùn)動(dòng)的零件的總重力（包括工件）(N)； ——從靜止加速到工作速度的變化量(m/s)； ——啟動(dòng)時(shí)間(s)，一般取0.01~0.5； 設(shè)啟動(dòng)時(shí)間為0.2s，最大為0.233m/s。 則： =0.1=69.9N 由于背壓阻力較小，可取=0.05 所以 =+++=1260+69.9+0.03F+0.05F 求得 =1446N 所以手臂伸縮驅(qū)動(dòng)力為=1446N。 3.2 X向平移油缸的設(shè)計(jì) 表3-1 液壓缸的工作壓力 作用在活塞上外力F（N） 液壓缸工作壓力Mpa 作用在活塞上外力F（N） 液壓缸工作壓力Mpa 小于5000 0.8~1 20000~30000 2.0~4.0 5000~10000 1.5~2.0 30000~50000 4.0~5.0 10000~20000 2.5~3.0 50000以上 5.0~8.0 經(jīng)過上面的計(jì)算，確定了液壓缸的驅(qū)動(dòng)力F=4378N，根據(jù)表3-1選擇液壓缸的工作壓力P=1MPa； 3.2.1確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸 液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算，如圖3-2所示 圖3-2 雙作用液壓缸示意圖 當(dāng)油進(jìn)入無桿腔： 當(dāng)油進(jìn)入有桿腔： 液壓缸的有效面積： (mm) 所以 （無桿腔） （有桿腔） 式中——活塞驅(qū)動(dòng)力(P)； ——油缸的工作壓力(MPa)； ——活塞桿直徑； ——油缸機(jī)械效率，工程機(jī)械中用耐油橡膠可取=0.96； 由上節(jié)求得驅(qū)動(dòng)力F=1446N，=1MPa，機(jī)械效率=0.96 將數(shù)據(jù)代入得： ==43.8mm 根據(jù)表4-1（JB826-66），選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列，選擇D=50mm. 3.2.2液壓缸外徑的設(shè)計(jì) 外徑按中等壁厚設(shè)計(jì)，根據(jù)（JB1068-67）取油缸外徑76mm。 液壓缸的內(nèi)徑D與其壁厚的比值D/≥10的圓筒稱為薄壁圓筒。起重運(yùn)輸機(jī)械和工程機(jī)械的液壓缸，一般采用無縫鋼管，大多屬于薄壁圓筒結(jié)構(gòu)，其壁厚按薄壁圓筒壁厚公式計(jì)算： ≥ 式中 ——液壓缸壁厚（m）。 D——液壓缸內(nèi)徑（m）。 ——試驗(yàn)壓力，一般取最大工作壓力的（1.25~1.5）倍（MPa）。額定壓力≤16Mpa,取=1.5 MPa。 ——缸筒材料的許用應(yīng)力。 = ，其中為材料抗拉剛度，n為安全系數(shù)，一般取n = 5。的值為：鍛鋼： = 110~120 MPa；鑄鋼： = 100~110 MPa；無縫鋼管： = 110~110 MPa；高強(qiáng)度鑄鐵： = 60MPa；灰鑄鐵： = 25MPa。 在中低壓液壓系統(tǒng)中，按上式計(jì)算所得液壓缸的壁厚往往很小，使得液壓缸的剛度往往不夠，如在切削加工過程中的變形、安裝變形等引起液壓缸工作過程卡死或者漏油。因此一般不作計(jì)算，按經(jīng)驗(yàn)選取，必要時(shí)按上式公式進(jìn)行校核。 經(jīng)校核滿足強(qiáng)度要求。 3.2.3液壓缸工作行程的確定 液壓缸工作行程長(zhǎng)度，可以根據(jù)執(zhí)行元件機(jī)構(gòu)實(shí)際工作的最大行程來確定，并且參照表3-6中的系列尺寸來選取標(biāo)準(zhǔn)值。 表3-6 液壓缸活塞行程參數(shù)系列 （mm） Ⅰ 25 50 80 100 125 160 200 250 320 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000 Ⅱ 40 63 90 110 140 180 220 280 360 450 550 700 900 1100 1400 1800 2200 2800 3900 Ⅲ 240 260 300 340 380 420 480 530 600 650 750 850 950 1050 1200 1300 1500 1700 1900 2100 2400 2600 3000 3800 注：液壓缸活塞行程參數(shù)依Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ次序優(yōu)先選用。 由已知條件知道最大工作行程為500mm,參考上表，取液壓缸工作行程為500mm。 3.2.4活塞桿的計(jì)算校核 活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運(yùn)動(dòng)的要求和強(qiáng)度要求。對(duì)于桿長(zhǎng)L大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強(qiáng)度計(jì)算： (mm) 設(shè)計(jì)中取活塞桿材料為碳鋼，碳鋼許用應(yīng)力的=100~120Mpa。本次取=110 則： =4.1mm 考慮到工件夾緊油缸需內(nèi)置于該活塞桿，而前述已算得工件夾緊油缸外徑為36mm，所以活塞直徑按下表取d=36mm，滿足強(qiáng)度和裝配要求。 表3-2 活塞桿直徑系列（GB/T2348-93） 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 現(xiàn)在進(jìn)行穩(wěn)定性校核，其穩(wěn)定性條件為 式中 ——臨界力(N)； ——安全系數(shù)，=2~4。 按中長(zhǎng)桿進(jìn)行穩(wěn)定性校核，其臨界力=F() 式中 F——活塞桿截面面積(mm)； a，b——常數(shù)，與材料性質(zhì)有關(guān)，碳鋼a=461，b=2.47； ——柔度系數(shù)，經(jīng)計(jì)算為70。 代入數(shù)據(jù)，臨界力 =F()=3.14=90463.4MPa 取=3 =30154.47 MPa 所以活塞桿滿足穩(wěn)定性要求。 3.2.5油缸端蓋的設(shè)計(jì) (1) 缸體材料選擇無縫鋼管，此時(shí)端蓋的連接方式多采用半環(huán)鏈接優(yōu)點(diǎn)是加工和裝拆方便，缺點(diǎn)是缸體開環(huán)槽削弱了強(qiáng)度 (2) 缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 為保證連接的緊密性，螺釘間距t應(yīng)適當(dāng)（如圖4-2），在這種聯(lián)結(jié)中，每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)剖面上承受的拉力為工作載荷和剩余預(yù)緊力之和 =+ 式中 ——工作載荷，=； ——螺釘中心所在圓的直徑； P——驅(qū)動(dòng)力。 Z——螺釘數(shù)目，Z=； ——剩余預(yù)緊力，=KQ，K=1.5~1.8； 計(jì)算： D=76mm，取=90mm，P=1MPa，間距與工作壓強(qiáng)有關(guān)，見表4.3，間距應(yīng)小于150mm，試選螺釘數(shù)為6個(gè)： 表4-3 螺釘間距t與壓力P之間的關(guān)系 工作壓力P（Mpa） 螺釘?shù)拈g距t (mm) 0.5~1.5 小于150 1.5~2.5 小于120 2.5~5.0 小于100 5.0~10.0 小于80 則 Z=，代入數(shù)據(jù)=46<150，滿足要求； ==838N； 選擇K=1.5，=1.5=1255N; =+=837+1257=2095N 螺釘直徑按強(qiáng)度條件計(jì)算 式中 ——計(jì)算載荷，=1.3； ——許用抗拉應(yīng)力，=； ——螺釘材料的屈服點(diǎn)，材料選擇45鋼，則屈服強(qiáng)度為352MPa； n——安全系數(shù)，n=1.2-2.5，此處取n=2； ——螺紋內(nèi)徑，=d-1.224S，d為螺釘公稱直徑，S為螺距。 計(jì)算： =1.3=1.3×2095=2723.5N 代入數(shù)據(jù)： ===0.0045m 3.3 滑塊及導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的機(jī)械臂用于搬運(yùn)工件， 要求不高，因此出于成本考慮沒必要選用高精度的直線導(dǎo)軌，故采用在底座上加工一滑槽的形式即可。 第4章 機(jī)械臂機(jī)身設(shè)計(jì) 機(jī)身是直接支撐和驅(qū)動(dòng)手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都安在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。因此，臂部的運(yùn)動(dòng)越多，機(jī)身的機(jī)構(gòu)和受力情況就越復(fù)雜。機(jī)身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運(yùn)動(dòng)。 4.1 機(jī)身的整體設(shè)計(jì) 按照設(shè)計(jì)要求，機(jī)械臂要實(shí)現(xiàn)手臂360°的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般設(shè)計(jì)在機(jī)身處。為了設(shè)計(jì)出合理的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，就要綜合考慮分析。 機(jī)身承載著手臂，做回轉(zhuǎn)，升降運(yùn)動(dòng)，是機(jī)械臂的重要組成部分。常用的機(jī)身結(jié)構(gòu)有以下幾種： （1） 回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是能承受較大偏重力矩。其缺點(diǎn)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)路線長(zhǎng)，花鍵軸的變形對(duì)回轉(zhuǎn)精度的影響較大。 （2） 回轉(zhuǎn)缸置于升降之上的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)緊湊。但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運(yùn)動(dòng)部件較大。 （3） 活塞缸和齒條齒輪機(jī)構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過齒條齒輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)：齒條的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)，從而使手臂左右擺動(dòng)。 綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)機(jī)身包括兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，機(jī)身的回轉(zhuǎn)和升降?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)置于升降缸之上的機(jī)身結(jié)構(gòu)。手臂部件與回轉(zhuǎn)缸的上端蓋連接，回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸體連接，由缸體帶動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。回轉(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸與升降缸的活塞桿是一體的?；钊麠U采用空心，內(nèi)裝一花鍵套與花鍵軸配合，活塞升降由花鍵軸導(dǎo)向。花鍵軸與與升降缸的下端蓋用鍵來固定，下短蓋與連接地面的的底座固定。這樣就固定了花鍵軸，也就通過花鍵軸固定了活塞桿。這種結(jié)構(gòu)是導(dǎo)向桿在內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊。具體結(jié)構(gòu)見下圖。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是液壓驅(qū)動(dòng)，回轉(zhuǎn)缸通過兩個(gè)油孔，一個(gè)進(jìn)油孔，一個(gè)排油孔，分別通向回轉(zhuǎn)葉片的兩側(cè)來實(shí)現(xiàn)葉片回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)角度一般靠機(jī)械擋塊來決定，對(duì)于本設(shè)計(jì)就是考慮兩個(gè)葉片之間可以轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，為滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)中動(dòng)片和靜片之間可以回轉(zhuǎn)360°。 4.2 Z向回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 4.2.1回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 手臂回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算公式為： =++ (N·m) 慣性力矩 = 式中 ——臂部回轉(zhuǎn)部件(包括工件)對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m）； ——回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片角速度變化量，在啟動(dòng)過程=(rad/s)； ——啟動(dòng)過程的時(shí)間(s)； 若手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與回轉(zhuǎn)軸的距離為(前面計(jì)算得=800mm)，則 式中 ——回轉(zhuǎn)零件的重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 = 回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個(gè)長(zhǎng)600mm，直徑為1000mm的圓柱體，質(zhì)量為100Kg.設(shè)置起動(dòng)角速度=70°/s，則起動(dòng)角速度=1.22，起動(dòng)時(shí)間設(shè)計(jì)為0.5s。 === 28 kg·m =28+=93.3kg·m ==93.3=227.6 為了簡(jiǎn)便計(jì)算，密封處的摩擦阻力矩，由于回油背差一般非常的小，故在這里忽略不計(jì)，=0 所以 =227.6+0+0.03 =234.6 4.2.2 回轉(zhuǎn)缸尺寸參數(shù)的確定 （1）回轉(zhuǎn)缸油腔內(nèi)徑D計(jì)算公式為： 式中 P——回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力； d——輸出軸與動(dòng)片連接處的直徑，初步設(shè)計(jì)按D/d=1.5~2.5； b——?jiǎng)悠瑢挾龋砂?b/(D-d)≥2選取。 選定回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片寬b=50mm，工作壓力為5MPa，d=50mm =94.9mm 按標(biāo)準(zhǔn)油缸內(nèi)徑選取內(nèi)徑為100mm。 （2）油缸缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 回轉(zhuǎn)缸的工作壓力為5Mpa，所以螺釘間距t應(yīng)小于80mm。螺釘數(shù)目 Z==×3.14=3.93 所以缸蓋螺釘?shù)臄?shù)目選擇6個(gè)。 危險(xiǎn)截面 ==0.00589 所以 =4906.3N =4906.3×1.5=7359.4N (K=1.5) 所以 7359.4+4906.3=12265.7N 螺釘材料選擇Q235，則（n=1.2~2.5） 螺釘?shù)闹睆? d=10mm 螺釘?shù)闹睆竭x擇d=10mm.選擇M10的內(nèi)六角圓頭螺釘。 經(jīng)過以上的計(jì)算，最終確定的液壓缸的尺寸，內(nèi)徑為100mm，外徑按中等壁厚設(shè)計(jì)，根據(jù)表4-2（JB1068-67）取外徑選擇168mm，輸出軸徑為50mm。 （3）動(dòng)片聯(lián)接螺釘?shù)挠?jì)算 動(dòng)片和輸出軸之間的聯(lián)接螺釘一般為偶數(shù)，對(duì)稱安裝，并用兩個(gè)定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔檬鞘箘?dòng)片和輸出軸之間的配合面緊密接觸不留間隙。根據(jù)動(dòng)片所受力矩的平衡條件有 = 即 式中 ——每個(gè)螺釘預(yù)緊力； D——?jiǎng)悠耐鈴剑? f——被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，鋼對(duì)鋼取f=0.15 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為 或 帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得 ===10416.7N 螺釘材料選擇Q235，則（n=1.2~2.5） 螺釘?shù)闹睆絛=9.3mm 螺釘?shù)闹睆竭x擇d=10mm.選擇M10的內(nèi)六角圓頭螺釘。 4.3 Z向升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 4.3.1手臂片重力矩的計(jì)算 圖 5-3 手臂各部件重心位置圖 (1) 估算重量：=150N，=150N，=500N (2) 計(jì)算零件的重心位置，求出重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離: =800mm，=760mm， =400mm。 由于 = 所以 =0.5425m (3) 計(jì)算偏重力矩 =434 4.3.2升降導(dǎo)向立柱不自鎖條件 手臂在的作用下有向下的趨勢(shì)，而里立柱導(dǎo)套卻阻止這種趨勢(shì)。所謂不自鎖條件就是升降立柱能在導(dǎo)套內(nèi)自由下滑，即 ＞= 所以 若取摩擦系數(shù) f=0.16，則導(dǎo)套長(zhǎng)度h＞0.32 即 h＞0.32×0.5425=0.1736m 4.3.3升降油缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 式中 摩擦阻力，，取f=0.16。 G——零件及工件所受的總重。 (1) 的計(jì)算 設(shè)定速度為V=0.6m/s；起動(dòng)或制動(dòng)的時(shí)間差t=0.1s、為800N。 將數(shù)據(jù)帶入上面公式有： 489.8N (2) 的計(jì)算 =2500N 所以 =2×2500×0.16=800N (3) 液壓缸在這里選擇O型密封，所以密封摩擦力可以通過近似估算 (4) 由于背壓阻力較小，為簡(jiǎn)便計(jì)算，可將其忽略，=0 所以 F=489.8+800+0.03F 當(dāng)液壓缸向上驅(qū)動(dòng)時(shí)，F(xiàn)=2105N 當(dāng)液壓缸向下驅(qū)動(dòng)時(shí)，F(xiàn)=505N 4.3.4升降缸尺寸參數(shù)的確定 (1) 液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算 液壓缸驅(qū)動(dòng)力按上升時(shí)計(jì)算，F(xiàn)=2105N，由表(5-1)選擇油缸工作壓力為1.0MPa，計(jì)算如5.4節(jié)公式，代入數(shù)據(jù)： ==0.1029 根據(jù)表(4-1)可選取液壓缸內(nèi)徑D=125mm。 (2) 液壓缸外徑的計(jì)算 按厚壁計(jì)算(3.2)： 式中 ——缸體材料的許用應(yīng)力，無縫鋼管時(shí)=100~110MPa 根據(jù)表4-2（JB1068-67）取外徑選擇180mm. (3) 活塞桿的計(jì)算 設(shè)計(jì)中取活塞桿材料為碳鋼，碳鋼許用應(yīng)力的=100~120Mpa。本次取=110 則： =4.94mm 活塞桿直徑應(yīng)大于8.5mm。 (4) 缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 D=120mm，取=180mm，P=1.0MPa，間距與工作壓強(qiáng)有關(guān)，見表4-3，間距應(yīng)小于120mm，試選螺釘數(shù)為6個(gè)： 則 Z=，代入數(shù)據(jù)=84<120，滿足要求； ==1962.5N； 選擇K=1.5，=1.5=2943.75N;=+=1962.5+2943.75=4907N 螺釘直徑按強(qiáng)度條件計(jì)算： 式中 ——計(jì)算載荷，=1.3； ——許用抗拉應(yīng)力，=； ——螺釘材料的屈服點(diǎn)，材料選擇45鋼，則屈服強(qiáng)度為352MPa； n——安全系數(shù)，n=1.2-2.5，此處取n=2； ——螺紋內(nèi)徑，=d-1.224S，d為螺釘公稱直徑，S為螺距。 計(jì)算： =1.3=1.3×4907=6379.1N 代入數(shù)據(jù)： ===0.0068m 第5章 機(jī)械臂臂部設(shè)計(jì) 5.1臂部整體設(shè)計(jì) 手臂部件是機(jī)械臂的主要受力部件。它的作用是支承腕部和工件（包括工件），并帶動(dòng)它們作空間轉(zhuǎn)動(dòng)。 臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把工件送到空間范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。因此，臂部具有兩個(gè)自由度才能滿足基本要求：即手臂，左右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由油缸驅(qū)動(dòng)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從背部的受力情況分析，它在工作中既直接工件和工件的靜動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)又較多，故受力復(fù)雜。因而，它的結(jié)構(gòu)，工作范圍，靈活性以及負(fù)載大小和定位精度等都直接影響機(jī)械臂的工作性能。 機(jī)身是固定的，它直接承受和傳動(dòng)手臂的部件，實(shí)現(xiàn)臂部的回轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。臂部要實(shí)現(xiàn)所要求的運(yùn)動(dòng)，需滿足下列各項(xiàng)基本要求： 1）機(jī)械臂式機(jī)身的承載 機(jī)械臂臂式機(jī)身的承載能力，取決于其剛度，結(jié)構(gòu)上采用水平懸梁形式。顯然，手臂桿的懸伸長(zhǎng)度愈大，則剛度逾差，而且其剛度隨支臂桿的伸縮不斷變化，對(duì)于機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)性能，位置精度和負(fù)荷能力等影響很大。 2）臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小 機(jī)械臂臂的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械臂主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械臂的生產(chǎn)水平，一般時(shí)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求來決定。在一般情況，手臂回轉(zhuǎn)要求均速運(yùn)動(dòng)，（V和w為常數(shù)），但在手臂的啟動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊，要求啟動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前的加速度不能太大，否則引起沖擊和振動(dòng)。 對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的機(jī)械臂，其最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)在1000～1500mm/s，最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計(jì)在180°/s內(nèi)，在大部分行程距離上平均移動(dòng)速度為1000mm/s內(nèi)，平均回轉(zhuǎn)角速度為90°/s內(nèi)。 3）位置精度要高 一般說來，直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)械臂位置精度較高；除此之外，要求機(jī)械臂同用性要好，能適合做種作業(yè)的要求；工藝性要好，便于加工和安裝；用于熱加工的機(jī)械臂，還要考慮隔熱，冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機(jī)械臂，還要設(shè)置防塵裝置等。 5.2臂部設(shè)計(jì)計(jì)算 考慮到本次設(shè)計(jì)的機(jī)械臂最大夾持重量25kg，抓取重量較小，因此本設(shè)計(jì)選擇油缸桿伸縮機(jī)構(gòu)，其手臂的伸縮油缸活塞桿安裝在導(dǎo)向套內(nèi)，減小油缸桿的彎曲應(yīng)力。活塞桿受拉壓和彎曲載荷共同作用，受力簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)，外形整齊美觀，結(jié)構(gòu)緊湊。使用液壓驅(qū)動(dòng)，液壓缸選取雙作用液壓缸。 選擇冷彎等邊槽鋼（GB/T6728-2002）。通過查表3.1-158根據(jù)實(shí)際物理需求，選擇H×B×t=200×100×20。理論質(zhì)量為10.221kg/m.橫截面面積S=13.021,重心X。=1.517. 材料選擇優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼20鋼。 圖5-1矩形冷彎空心型鋼結(jié)構(gòu) 第6章 液壓及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6.1機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 根據(jù)前面幾部分設(shè)計(jì)好的各液壓執(zhí)行元件的參數(shù)，以及設(shè)計(jì)要求等對(duì)液壓系統(tǒng)作進(jìn)一步的工況分析，確定每個(gè)執(zhí)行元件在工作循環(huán)各階段中的速度、載荷變化規(guī)律，繪制出液壓系統(tǒng)有關(guān)工況圖即液壓缸的P-t圖、Q-t圖、N-t圖。 6.1.1臂部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 已知參數(shù)： D=100，d=50mm，b=50mm，M=，1.22rad/s 計(jì)算工況圖： 圖6-2 6.1.2 X向平移機(jī)構(gòu) 已知參數(shù)： D=50mm，d=36mm， ， 計(jì)算工況圖： 無桿腔進(jìn)油情況下 圖6-3 有桿腔進(jìn)油情況下： 圖6-4 6.1.3臂部機(jī)械臂 已知參數(shù)： D=125mm，d=90mm， ， 計(jì)算工況圖： 圖6-5 6.2液壓系統(tǒng)方案擬定 （a）安裝前元件應(yīng)以煤油進(jìn)行清洗，并要進(jìn)行壓力和密封性實(shí)驗(yàn)，合格后可安裝。 (b)泵及其傳動(dòng)要求較高的同心度。 (c)油泵的入口，出口和旋轉(zhuǎn)方向一般在泵上均有標(biāo)明，不得接反。 (d)安裝各種閥時(shí)，應(yīng)注意進(jìn)油口與回油口的方向。 (e)為了避免空氣滲入閥內(nèi)，連接處應(yīng)保持密封良好。 (f)用法蘭安裝的閥件，螺釘不能擰的過緊，因?yàn)橛袝r(shí)擰的過緊反而密封不良。 6.2.1調(diào)速回路方案分析 （1）方案一：節(jié)流調(diào)速 節(jié)流調(diào)速，采用定量泵供油，由流量控制閥改變流入和流出執(zhí)行元件的流量以調(diào)節(jié)速度，這種系統(tǒng)稱閥控系統(tǒng)。如圖（7） 圖（7）為節(jié)流調(diào)速原理圖 其優(yōu)點(diǎn)是：能量損失較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)單，使用維護(hù)方便。 而缺點(diǎn)是：效率較低，發(fā)熱大。 （2）方案二：容積調(diào)速 容積調(diào)速，采用變量泵或變量馬達(dá)，以改變泵或馬達(dá)的排量調(diào)節(jié)速度。這種系統(tǒng)稱泵控系統(tǒng)。如圖（8） 圖（8）為容積調(diào)速原理圖 其優(yōu)點(diǎn)是：效率高，發(fā)熱小，使用維護(hù)方便。缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜 （3）方案三：容積節(jié)流調(diào)速 容積節(jié)流調(diào)速，采用壓力反饋式變量泵供油，由流量控制閥改變流入或流出執(zhí)行元件的流量，進(jìn)而調(diào)節(jié)速度，同時(shí)又使變量泵的流量與通過流量控制閥的流量相適應(yīng)。如圖（9） 圖（9）為容積節(jié)流調(diào)速原理圖 其優(yōu)點(diǎn)是：沒有溢流損失，效率較高，速度穩(wěn)定性相對(duì)好。缺點(diǎn)是：會(huì)有節(jié)流損失。 以上方案，每個(gè)都有它們的優(yōu)缺點(diǎn)。在中小型專用機(jī)床的液壓系統(tǒng)中，進(jìn)給速度的控制一般采用節(jié)流閥或者調(diào)速閥。根據(jù)銑削類專用機(jī)床工作時(shí)對(duì)低速性能和速度負(fù)載特性都有一定要求的特點(diǎn)，因此本次設(shè)計(jì)采用限壓式變量葉片泵和調(diào)速閥組成的容積節(jié)流調(diào)速。這種調(diào)速回路具有效率高、發(fā)熱小和速度剛性好的特點(diǎn)，并且調(diào)速閥安裝在回油路上，這樣具有承受負(fù)切削力的能力。 6.2.2 快進(jìn)回路方案分析 （1）方案一：液壓缸差動(dòng)連接快速調(diào)速 差動(dòng)連接是，活塞無桿端面比有桿端面的受壓 面積大（大桿的面積），（這面積差 是差動(dòng)的根本原因。）在兩端面受 壓力（壓強(qiáng)）相同時(shí)，無桿端面的總壓力大，會(huì)將活塞推著向有桿端移動(dòng)，這就是差動(dòng)。這時(shí)，將有桿腔排出的油導(dǎo)入無桿腔，就在泵油的基礎(chǔ)上增加了流量，能使活塞更快移動(dòng)，形成差的快速。這種油路的連接方法如圖（10）。 圖（10）為液壓缸差動(dòng)連接原理圖 其優(yōu)點(diǎn)是：活塞桿伸出時(shí)能獲得較快的速度，即使泵的流量較小.但這時(shí)油缸的出力較小，不適合重載.?油缸設(shè)計(jì)合理時(shí)，不需要調(diào)節(jié)，就可以使活塞桿伸出和回縮時(shí)速度相等。缺點(diǎn)：噪聲大。 （2）方案二：采用蓄能器的快速調(diào)速 蓄能器是，液壓或液壓系統(tǒng)中的一種能量?jī)?chǔ)蓄裝置。它在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)將系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s能或位能儲(chǔ)存起來，當(dāng)系統(tǒng)需要的時(shí)，又將壓縮能或位能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤夯驓鈮旱饶芏尫懦鰜?，重新補(bǔ)供給系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)瞬間壓力增大時(shí)，它可以吸收這部分的能量，以保證整個(gè)系統(tǒng)壓力正常。如圖（11） 圖（11）為蓄能器快速調(diào)速原理圖 其優(yōu)點(diǎn)是：反應(yīng)靈敏，工作可靠。缺點(diǎn)是：制造困難，密封性要求高。 （3）方案三：雙泵供油快速調(diào)速 雙泵供油是，用兩個(gè)泵來提供動(dòng)力，其中一個(gè)為大流量泵，用以實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)；另外一個(gè)是小流量泵，則用以實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給，如圖（12） 圖（12）為雙泵供油快速調(diào)速 其優(yōu)點(diǎn)是：功率損耗小，系統(tǒng)效率高，應(yīng)用較為普遍。而缺點(diǎn)是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 經(jīng)過綜合對(duì)比快速調(diào)速方法選用液壓缸差動(dòng)連接快速調(diào)速。因?yàn)槠涔ぷ餍矢叨矣偷难h(huán)利用，速度的調(diào)節(jié)也比較好，而且結(jié)構(gòu)相對(duì)雙泵供油，容積調(diào)速等方式簡(jiǎn)單，制造難度比蓄能器低，而且反應(yīng)靈敏。很符合現(xiàn)在社會(huì)的發(fā)展需要和工業(yè)生產(chǎn)需要。 最后把所選的液壓回路組合起來，即可以組成圖6-3所示液壓系統(tǒng)原理圖。 圖6-3液壓系統(tǒng)原理圖 6.3液壓元件的計(jì)算和選擇 6.3.1液壓泵選型 機(jī)械臂常用油泵分為齒輪油泵與柱塞泵兩類。齒輪泵多為外嚙合式，在相同體積下齒輪泵比柱塞泵流量大但油壓低。柱塞泵最大特點(diǎn)是油壓高（油壓范圍16～35MPa），且在最低轉(zhuǎn)速下仍能產(chǎn)生全油壓，固可縮短舉升時(shí)間。中輕型機(jī)械臂上多采用齒輪泵，重型機(jī)械臂常采用柱塞泵，此次設(shè)計(jì)選用齒輪泵。 （1）液壓泵工作壓力的計(jì)算 （5.1） 式中[14]:——液壓泵的最大工作壓力 （N/m2）； ——液壓缸的最大工作壓力，（Mpa）； Mpa （5.2） 式中：——油缸最大作用力（N）； ——油缸橫截面積（m2）。 由式（6.2）解得 P=P=5 MPa，估算=0.5MPa 所以 P5 +0.5=5.5MPa 為液壓泵的出油口到缸進(jìn)油口處的壓力損失。用調(diào)速閥及管路復(fù)雜的系統(tǒng) 這里取Δp=10×105Pa=0.5MPa 則=5.5MPa。 （2）液壓泵功率的計(jì)算 當(dāng)忽略輸送管路及液壓缸中的能量損失時(shí)，液壓泵的輸出功率應(yīng)等于液壓缸的輸入功率又等于液壓缸的輸出功率。但在實(shí)際工作中，機(jī)械損失和能量損失是不可避免的，在計(jì)算中，必須要考慮。液壓泵的輸出功率為： （5.3） 式中：0——液壓泵的輸出功率（W） ——液壓缸的輸出功率 (W) V——液壓缸勻速伸長(zhǎng)的速度 (m/s) ——液壓泵輸出到液壓缸的端的機(jī)械損失，取0.75[9]； ——液壓缸中及管路能量損失，取0.7[9]； ——舉升時(shí)間(s)，取t=60s。 由式（6.3）得 =12.346kW 液壓泵的輸入功率： （5.4） 式中：P——液壓泵的輸入功率 ——液壓泵的總效率，因我們所設(shè)計(jì)的升降機(jī)屬于中輕型機(jī)械臂，選擇齒輪泵即可。齒輪泵的總效率一般為0.6~0.7，取0.65。 則由式（6.4）得到輸入功率為。 （3）油泵流量的計(jì)算 液壓泵的輸入功率與流量有如下關(guān)系 （5.5） 式中： Pp——油泵最大工作壓力，(N/m2)； ——液壓泵的流量（m3/s）； ——液壓泵的總效率,=0.65[14]。 =29.44L/min，取K=1.1 所以QK20.24=32.4L/min ① 規(guī)格： 根據(jù)《液壓設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本》P152，表20-5-6，選擇齒輪泵CB40，n=1460r/min，Q=40L/min，P=6MPa ② 電機(jī)選用： 取泵的總效率=0.85，則N==4.7kw 選電機(jī)：Y132M-4，N=5.5kw，n=1460r/min。 6.3.2液壓元件的選擇 表6-2 液壓元件一覽表 序號(hào) 元件名稱 規(guī)格 數(shù)量 1 線隙式過濾器 2.5MPa，100L/min 1 2 電動(dòng)機(jī) 5.5kw，1460r/min 1 3 齒輪泵 5MPa，1450r/min 1 4 溢流閥 2.5MPa，12 1 5 電磁換向閥 6.3MPa，12 1 6 單向閥 6.3MPa，12 1 7 壓力表 (0~8)MPa 1 8，14 節(jié)流閥 6.3MPa，12 2 9，15，20，21 25，26，30 節(jié)流閥 6.3MPa，8 7 10，16 電磁換向閥 6.3MPa，12 2 11，17 電磁換向閥 6.3MPa，12 2 12，18 單向順序閥 2.5MPa，12 2 22，27 電磁換向閥 6.3MPa，8 2 23，28 電磁換向閥 6.3MPa，8 2 31 電磁換向閥 6.3MPa，8 1 33 壓力繼電器 (1~6.3)MPa 1 34 減壓閥 6.3MPa，8 1 35 壓力表開關(guān) 6.3MPa，4 1 注：表中元件的序號(hào)與液壓系統(tǒng)原理圖中的序號(hào)相對(duì)應(yīng)。 6.3.3液壓輔助元件的選擇 （1）液壓管道尺寸的確定 油管內(nèi)徑尺寸一般可以參閱所選用的液壓元件接口尺寸來確定，也可以按管路允許的流速進(jìn)行計(jì)算。本系統(tǒng)主油路流量為差動(dòng)時(shí)流量q = 31.81 L/min。壓油管的允許流速取v = 4m/s，則內(nèi)徑d為 d = 2 = 2mm = 14.5mm 如果系統(tǒng)主油路流量按快退時(shí)取q = 29.53 L/min，則可以算得油管內(nèi)徑d = 10.3mm。 綜合各種因素，現(xiàn)取油管的內(nèi)徑d為12mm。吸油管同樣可以按上式計(jì)算（q = 24 L/min，v = 1.5m/s），現(xiàn)參照YBX-16變量泵吸油口連接尺寸，取吸油管內(nèi)徑d為25mm。 油箱的壁厚公式為 式中 p——油管內(nèi)壓力。 ——油管材料的許用應(yīng)力。，其中為油管材料的抗拉強(qiáng)度，n為安全系數(shù)。對(duì)于鋼管，當(dāng)p＜7MPa時(shí)，取n=8; 當(dāng)p＜17.5MPa時(shí)，取n=6; 當(dāng)p＞17.5MPa時(shí)，取n=4