機械手臂工作液壓油缸的設計,機械,手臂,工作,液壓油,設計 機械手臂工作液壓油缸的設計 班 級 機電 1202 學 號 1203130210 學生姓名 郭曉濤 指導教師 文斌老師 2015 年 1 月 至 2015 年 5 月 目錄 液壓傳動工作原理液壓傳動原理 ......................................................................................................1 1.1 手臂伸縮油缸的設計與校核 ...............................................................................................2 1.1.2 尺寸校核 .................................................................................................................3 1.1.3 導向裝置 .................................................................................................................7 1.1.4 平衡裝置 .................................................................................................................7 1.2 手臂升降油缸的設計與校核 ...............................................................................................7 1.2.1 尺寸設計 ...................................................................................................................7 1.2.2 尺寸校核 ...................................................................................................................7 1.3 手臂回轉油缸的設計與校核 .............................................................................................34 1.3.1 尺寸設計 .................................................................................................................35 1.3.2 尺寸校核 .................................................................................................................35 2.1 油缸的密封.............................................................................................. 機械手手臂工作液壓油缸的設計與計算 一、液壓傳動工作原理液壓傳動原理：以油液作為工作介質， 通過油液內部的壓力來傳遞動力。1、動力部分－將原動機的機 械能轉換為油液的壓力能（勢能）。2、執(zhí)行部分－將液壓泵輸 入的油液壓力能轉換為帶動工作機構的機械能。3、控制部分－ 用來控制和調節(jié)油液的壓力、流量和流動方向。4、輔助部分－ 將前面三部分連接在一起，組成一個系統(tǒng)，起貯油、過濾、測 量和密封等作用。二、液壓缸的工作原理：先了解最基本 5 個 部件：1、缸筒和缸蓋 2、活塞和活塞桿 3、密封裝置 4、緩沖 裝置 5、排氣裝置每種缸的工作原理都是相似的，拿一個手動 千斤頂來說它的工作原來（千斤頂其實也就是個最簡單的油缸） 通過手動增 壓稈（液壓手動泵）使液壓油經過一個單項閥進入油缸，這時 進入油缸的液壓油因為單項閥的原因不能再倒退回來，逼迫缸 桿向上，然后在做工繼續(xù)使液壓油不斷進入液壓缸，就這樣不 斷上上升，要降的時候就打開液壓閥，使液壓油回到油箱。 1.1 手臂伸縮油缸的設計與校核 材料的選擇；活塞：45 鋼，活塞桿 45 鋼，O 型密封圈橡膠， Y 型密封圈橡膠， 卡簧 65 Mn，導向圈 45 鋼，圓螺母 M72 手臂的伸縮動作由伸縮油缸帶動，需要計算油缸的驅動力。所謂油缸的驅 動力是指油缸的高壓油腔的壓力油所產生的合成液壓力。在機械手工作時，各 油缸的驅動力要分別克服作用在各自油缸活塞上的總機械載荷，以保證機械手 正常運動 [13]。 手臂伸縮油缸運行長度設計為 ,油缸內徑為 ，半徑50ml?140mD? 。 20mR? 1.1.2 尺寸校核 1、設計油缸運行長度設計為 ,油缸內徑為 ,半徑 , 50ml?140mD?20R? 活塞運行速度為 ，加速度時間 ，進油壓力為17/s?.st? 。52=0N/mP? 當壓力油輸入無桿腔，使活塞以速度 而運動是所需輸入油缸的流量 為：1?1Q2114DQ?? 式中： — 油缸（或活塞）直徑， Dm=0 — 輸入無桿腔的流量，1QL/in — 活塞的移動速度， ?s175/s?? 流量 為：1 210.4756./i??? 油缸的無桿腔內壓力油液作用在活塞上的合成液壓力 即油缸的驅動力為：1P214DPp??? 式中： — 進油壓力，pN — 油缸驅動力，1P2510.416NP???? 當壓力油輸入有桿腔，使活塞以速度 而運動是所需輸入油缸的流量2? 為：2Q24DdQ???（ ） 式中： — 活塞桿直徑（mm） d0m — 輸入無桿腔的流量，1 L/in — 活塞的移動速度， ，2?s215/s?? 則流量 為：2Q220.41560Q?????（ ）8L/min 油缸的無桿腔內壓力油液作用在活塞上的合成液壓力 即油缸的驅動力2P 為： 2DdPp4???（ ） 250..10942N??（ ） 2、計算作用在活塞上的總機械載荷 機械手手臂移動油缸的受力簡圖如圖5-1所示。作用在活塞上的總機械載荷 P為： PP???驅 工 導 回 封 慣 處 放 大Ia工 P導G總CA 圖1-1 手臂伸縮油缸受力簡圖 1.工作阻力 ：工作阻力 的數值要根據油缸工作的 具體情況確定有無，P工 P工 并進行計算或估算。 在此為完成搬運工件的伸縮油缸，故不受工作阻力，即 為0。P工 2.導向裝置處的摩擦阻力 ：不同配置和不同的導向截面形狀，其摩擦阻導 力不同，要根據具體情況進行估算。 本設計如圖1-1所示的是雙向桿導機構，其導向桿截面形狀是圓柱面。導向 桿對稱配置在油缸的兩側，并布置在過油缸活塞桿的平面內。 圖5-1所示的油缸在啟動時，導向裝置處的摩擦阻力較大，估計如下： 由于導向桿對稱配置，兩導向桿受力均勻，可按一只導向桿估算，忽略導 向桿直徑的影響，根據它手里的平衡條件推得： 12LaPG???導 總 式中 — 參與運動的零部件的總重量， （包括被抓物件重量）估算總 N 為G總 80kg — 手臂縮回時參與運動的零部件的總重量的重心C到導向支承前端L 的距離 m5? — 導向支承的長度， ama=160 — 摩擦系數，對于靜摩擦且無潤滑時，鋼對鋼的取? 0.1?? — 當量摩擦系數，其值與導向支承的截面形狀有關，對于圓柱面1 ，取??.27151=.4? 則： 206P80.???導 N 3.密封裝置處的摩擦阻力 P封 在壓力油驅動活塞運動時，各密封裝置處摩擦阻力之和為 ，即P封 123??封 封 封 封 分別為活塞桿和缸蓋處、活塞與缸壁處、伸縮油管處等密123P封 封 封、 、 封裝置處的摩擦阻力，其值隨密封圈結構的不同而異。 當油缸的工作壓力不大于 時，活塞桿直徑為油缸直徑的一半，5210N/m? 活塞和活塞桿處走采用O型密封圈時，油缸密封處的總摩擦力為： 112.03Pp??封 封 =0.3567 伸縮油管處的摩擦阻力 為：封 3pdl???封 式中 —密封圈與配合面的摩擦系數，主要與密封圈形式、材料與配合? 接觸的零件材料和油液壓力有關。 對于O型橡膠密封圈，當油液壓力 時， 。52N/m????????????? 油液壓力高時 取小值，壓力低時 取大值，在本次設計中取 。??????? —密封處的工作壓力， ，PN52=10/mP? —伸縮油管直徑， ，dm.6d —密封的有效長度，l 密封的有效長度l近似估算為： 20ldk?? 式中： —為壓縮率 一般為 ，在這里取k.8.14?=0.12k —為O型密封圈截面直徑， 對應圖帶入0dm 則： 220.l?????? .14 3Ppdl??封50.41.406..N????123PP?封 封 封 封 37.8. 4.慣性力 P慣 機械手的手臂在起動時，活塞桿上所受到的平均慣性力，可近似計算如下： Gvgt??總慣 式中： — 參與運動的零部件的總重量， （包括被抓物件重量）總 N80k總 g — 重力加速度， 2m/s210/sg? — 速度變化量， ，v?.75v? — 啟動過程的時間， t sst 則： 801.75P??慣 6N 5.背壓阻力 P回 背壓阻力為油缸低壓油液所造成的阻力。一般被壓阻力較小，可按 計算。0.5?工回 由于 ，故 。工 0?回 所以： PP??驅 工 導 回 封 慣 = +1823.60+ N 因為： ，故該油缸的尺寸符合使用要求。5??驅 1.1.3 導向裝置 液壓驅動的機械手臂在進行伸縮運動時，為了防止手臂繞軸線轉動，以保 證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性， 在設計手臂結構時，應該采用導向裝置。具體的安裝形式應該根據本設計的具 體結構和抓取物體重量等因素來確定，同時在結構設計和布局上應該盡量減少 運動部件的重量和減少對回轉中心的慣量。目前導向桿常采用的裝置有單導向 桿，雙導向桿，四導向桿等，在本設計中采用雙向導向桿來增加手臂的剛性和 導向性 [16]。 1.1.4 平衡裝置 在本設計中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓 一側重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮油缸一側加裝平衡裝置，裝置內加放 砝碼，砝碼塊的質量根據抓取物體的重量和油缸的運行參數視具體情況加以調 節(jié)，務求使兩端盡量接近平衡。 1.2 手臂升降油缸的設計與校核 1.2.1 尺寸設計 油缸運行長度設計為 ,油缸運行速度為 ，加速度時間10ml?250m/s ,油缸內徑為 ,半徑 ,進油壓力為 ，0.1st??8D=40R52=10N/p? 做升降運動的總重量 。G90N?總 1.2.2 尺寸校核 驅動力 為：P驅 P???驅 工 背 慣 摩 封 由經驗公式可得： 90NPG工 總 .5.045???工背 2N1.ag總慣 0.9PG總摩 6.054???總封 故： P??驅 工 導 回 封 慣 =90+4528 13N 作用在活塞上的推力 ： 24DPp?? 253.108=1? 5N? 因為 ，所以伸縮油缸的尺寸符合要求。1304N2P??驅 1.3 手臂回轉油缸的設計與校核 采用回轉油缸實現(xiàn)手臂回轉運動時，其受力情況可簡化成如圖5-2所示。 材料的選擇：軸 45 鋼，彈簧墊圈 M12，開槽圓柱螺母 45 鋼，密封圈 26 耐油墊圈，深溝軸軸承 61840 GCr15，軸座 45 鋼，液壓缸后端蓋 HT150 彈簧墊圈 M12 16Mn，開槽圓柱螺栓 M12 45 鋼，缸體 45 鋼，彈 簧墊圈 M6 16Mn，內六角螺釘 M8，液壓缸前端蓋 HT150。 1.3.1 尺寸設計 油缸內徑為 ,半徑 ,軸徑 半徑 ,10mD?50R?240mD?20R? 油缸運行角速度 ，加速度時間 ，進油壓力o9/s?.st?5=1N/p? 1.3.2 尺寸校核 驅動手臂回轉的力矩 ，應該與手臂起動時所產生的慣性力矩 及各M驅 M慣 密封裝置處的摩擦阻力矩 相平街。若軸承處摩擦力矩忽略不計，則可按下封 式計算： ??驅 慣 封 式中 — 密封裝置處的摩擦阻力矩，回轉缸密封裝置處的摩擦阻力矩應M封 包括回轉缸動片圓柱面與缸徑和動片端面與缸蓋之間的摩擦阻力矩，如圖5-2中 b所示，因此，摩擦阻力矩可按下式計算： 12??封 封 封 1FRbp?封 2-ccpMRr封 （ ） 其中： p?? 式中各尺寸符號如圖5-2所示，單位為厘米，其 為密封圈與缸徑裝配后接1b 觸面的有效寬度。 由設計估算： 5210kg=10N/mGp??，.546bB??， ， ，8m2Rr?， ， 33510.6010.9M??????封 3335 332 21.5 (50210)??? ?????封 =19Nm? 12M??封 封 封 9 8? — 慣性力矩，手臂在起動過程的慣性力矩可按下式計算：M慣 0Jt????慣 式中 — 回轉缸動片的角速度變化量， 在起動過程，其 。??o/s??? — 起動過程的時間，t s — 手臂回轉部件(包括工件)對回轉軸線的轉動慣量， 。0J Nm? 由于參與回轉的零件形狀．尺寸和重量各不相同，所以計算 比較復雜，0J 為了簡化計算，可將形狀復雜的零件簡化成幾個簡單形體，分別計算，然后將 各值相加，即是復雜零件對回轉軸的轉動慣量。 手臂回轉的零件重心與回轉軸線重合，其零件對回轉軸的轉動慣量為 [17]： 20JG??21.8? 6.4Nm? ， ，o90/s57/rads???0.1st??t???1.M=J???慣 ?驅 慣 封 280Nm?? 手臂回轉力矩： 2-bpDd（ ） 52.401(.04)1Nm8????? 得出結論： 12M???驅 即所需克服的負載小于回轉缸所能提供的回轉力矩，所以油缸的尺寸設計 符合要求。 2.1 油缸的密封 有的液壓機械手由于油缸泄漏嚴重，壓力不能提高，工作性能不穩(wěn)定，以 致影響機械手的正常使用。因此，為了保證機械手液壓系統(tǒng)的工作性能，在各 油缸的相對運動表面和固定連接的表面進行密封，以防壓力油液從高壓油腔泄 漏到低壓油腔，或泄漏到缸體外面。 目前機械手液壓系統(tǒng)使用的密封件，大多采用耐油橡膠制成的各種形式的 密封圈。作為動密封(即運動部分的密封)或靜密封(即靜止部分的密封)，以保 證配合面的密封性。 密封圈在配合面間的密封作用，主要是借安裝時的預壓力和在工作時由于 油液壓力的作用，使密封圈產生變形并壓緊密封表面來達到的。 密封圈具有制造容易，使用方便，密封可靠，并能在溫度變化范圍較大及 各種油液壓力下可靠地工作，結構簡單緊湊，無需調整等一系列優(yōu)點，所以獲 得廣泛的應用。在液壓機械手上常用的密封固有：O 形(圓形)、Y 形、v 形和矩 形等幾種。O 形、Y 形、v 形密封圈均已標準化，可按標準選用。矩形密封圈主 要用于回轉油缸的動片與缸壁間的密封，它是非標準的，要根據具體使用條件 進行設計與制造 [18]。 圖 2-1 O 形密封圈及在溝槽中的情況圖 為了保證密封性能．安裝 O 形密封圈的溝槽尺 寸和表面光潔度應符合要求，可查閱“機械沒計手冊”。使用 O 形圈密封的相 對運動的配合表面，一般是尺寸精度為Ⅲ級，表面光潔度為 ，而溝槽??89 內部表面的光潔度為 。?6 O 形密封圈制正溝槽中，因受油壓作用而變形．并脹緊溝槽和間隙，從而 起到密封作用，因此它的密封性能隨壓力的增加而提高。但是．當壓力過高或 溝槽尺寸選擇不當時，密封圈很容易被擠出溝槽而造成劇烈磨損。為克服這個 缺點，當油缸油液壓力大與 時，要在 O 形密封圈側面放置擋圈，5210N/m? 在壓力低于 時，一般不加擋圈。5210/? 2．V 形密封圈 V 形密封圈由夾布橡膠制成。圖 6—2 所示為 V 形密封圈 的形狀，通常由三個環(huán)(支承環(huán) 1，密封環(huán) 2．壓壞 3)疊在一起成組使用。當油 缸的工作壓力小于 時，用一組 V 形圈就有足夠的密封性。當壓力52N/ 提高時，可增加密封環(huán)數量，以加長密封長度。 V 形密封圈一般用于活塞與缸體、活塞桿與缸蓋間的密封。安裝時要注意 方向，使壓力油腔的油液壓力能使兩唇邊張開，即支承環(huán)必需面對壓力油方向。 由干 v 形密封圈撥觸面較長。密封性好，但摩擦力較大，所以在栘動速度 不高的油缸中應用較多。 圖 2-3 Y 形密封圈及其安裝情況圖 3、Y 形密封圈 Y 形密封圈的形狀如圖 6-3(a)所示，圖中尺寸 d 和 D 是 Y 形密封圈的公稱內徑和公稱外徑。Y 形密封圈在工作時，壓力油液把 Y 形圈的 唇邊緊緊壓在相對運動的兩配合面上，并隨著油液壓力的增高而提高密封能力， 并能補償磨損的影響，所以裝配時唇邊要面對壓力油腔。Y 形密封圈摩擦力較 小，在運動速度較高，工作壓力小于 的活塞油缸中常有應用。52201N/m? 在一般情況下，Y 形圈可直接裝入溝槽內即可起密封作用，但在壓力變動較大， 滑動速度較高的地方，要使用支承環(huán)以固定密封圈，如圖 6—3（b）所示。支 承環(huán)的主要尺寸如圖 6—3(c)所示。 對于活塞油缸，除了采用上述密封圈進行密封防止泄漏外，還要求油缸和 活塞桿的 軸線彎曲度，在 500 毫米長度上應不大于 。油缸安裝端面對軸線或活塞0.3m 安裝端面對活塞桿軸線的不垂直度．在直徑 上應不大于 。10.4m 2.1.2 回轉油缸的泄漏與密封 有的液壓機械手的手臂和手腕回轉運動采用回轉油缸來實現(xiàn)。由于動片和 缸體、動片和輸出軸、動片端面和缸蓋之間的間隙不易保證，易引起較大的泄 漏，使油液壓力降低，減小了輸出扭矩，達不到設計要求，影響機械手的正常 的回轉運動，為減少泄漏，除嚴格控制相對運動表面的配合間隙外，主要的還 是采用密封裝置進行密封。 當回轉油缸的動片與輸出軸(或缸壁)用螺釘聯(lián)接時，要對動片的三個相對 運動表面和一個固定聯(lián)接表面均進行密封，即需要在矩形動片的四周進行密封， 這比圓周密封要困難的多，沒有標準密封圈可供選用，若進行設計制造，需有 一個生產周期和相應的設備?，F(xiàn)將實踐中有關回轉油缸的密封經驗，簡介幾例 [19]。 1. 圓截面矩形密封圈密封 圖 6—4 所示，為某“加工中心”上的換刀機 械手采用的回轉油缸結構圖。其密封裝置采用圓形截面的密封圈，嵌在動片的 四周槽內進行密封，它的外形是矩形的，以保證缸體轉角處密封可靠，裝入缸 體后，密封圈的預壓縮量 約為 。缸體與動片的配合為 ，2?m?0.34/cDd 光潔度為 。該回轉油缸的工作壓力為 ，傳遞扭矩在 以7?5241N/?20Nm? 上，密封效果較好。 圖 6-4 回轉油缸及其密封結構圖 2.帶擋圈的矩形密封圈密封 由于回轉油缸的輸出扭矩約為 100N.m 左右， 矩形橡膠密封圈和牛皮擋圈組成的密封結構。牛皮擋圈的作用是防止高壓油液 將橡膠密封圈擠入配合間隙，以保證密封性并延長密封圈的使用壽命。 此外回轉油缸動片剛度不足也容易造成泄漏，并且使輸出扭矩減小。動片 在受到壓力油液作用時，其受力情況相當于一受均布載荷的懸臂梁，頂端變形 量最大，而且扁平的動片的抗彎剛度又差，很易變形，在使用中當負荷增加時， 動片變形，出現(xiàn)運動不穩(wěn)定，甚至動片卡住在缸壁上的現(xiàn)象(當然，這一現(xiàn)象， 還同油缸各運動件的配合間隙、相對位置精度和缸壁的幾何形狀精度有關)。為 了提高動片的剛度，可根據回轉油缸的擺動角度大小，對動片采用有加強貼的 結構。另外，如采用雙動片回轉油缸，固有兩個動片同時承受油壓，在與單動 片回轉油缸尺寸相同的條件下，可用較低的油壓，獲得較大的輸出扭矩，這有 利于減少動片的變形和減少泄漏。但動片的回轉角度要減少一半。 結 論 本次畢業(yè)設計是在學完大學三年的基礎知識和專業(yè)知識，進行了一系列的生產 實習和以前各次課程設計的基礎上進行的一次綜合性的大總結。旨在培養(yǎng)我們 綜合運用所學的基礎知識、專業(yè)知識去分析和解決生產實際問題的能力及培養(yǎng) 正確的設計思想，并通過運用設計標準、規(guī)范、手冊、圖冊、和查閱有關技術 資料去進行理論計算、結構思考、繪制圖樣、寫相關說明性材料，培養(yǎng)我們機 械設計的基本技能和工程設計工作者的基本素質，為我們走上工作崗位打下堅 實的基礎。本次畢業(yè)設計課題為機械手手臂工作油缸的設計。隨著生產率水平 的提高，人們對產品精度和質量要求越來越來嚴格，企業(yè)生產線的自動化程度 要求越來越高，工業(yè)機械手已成為多數企業(yè)生產線上必不可少的設備。此次設 計的機械手手臂工作油缸的計 致 謝 本次設計是在我尊敬的文斌老師悉心指導下完成的。導師嚴謹的治學態(tài)度 和精益求精的工作作風使我受益匪淺。在此，我首先向導師表示誠摯的感謝， 并致以崇高的敬意! 本次畢業(yè)設計是大學三年間所學知識的綜合運用，通過這 次設計把這三年所學的基礎理論和專業(yè)課程作了一個總結和回顧，加深了對理 論的理解，能夠掌握機械設計的全套思路，為即將走上工作崗位和以后的發(fā)展 打下了一定的基礎。 在課題的研究和開發(fā)階段，我得到了浙江同濟科技職業(yè)學院老師的大力支 持和幫助，在此一并向他們表示衷心的感謝。在此我向他們以及多年來為我的 成長付出辛勤勞動的老師們和同學們表示衷心的感謝。感謝父母 、家人對我的 教育，感謝所有關心我的老師和朋友。 當然，由于本人設計水平有限、在課程中沒有接觸過機械手手臂油缸的相 關課程，實際經驗的不足，以及時間上的限制，在設計中難免存在一些錯誤。 懇請老師給予以批評以及指正。 再次表示感謝！