變速箱傳動(dòng)軸加工線自動(dòng)上下料機(jī)械臂設(shè)計(jì)-機(jī)械手設(shè)計(jì)【7張CAD圖紙及說(shuō)明書全套】【YC系列】
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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
本科 2011 級(jí)
機(jī)械工程 系 專業(yè) 班
設(shè)計(jì)（論文）題目
變速箱傳動(dòng)軸加工線自動(dòng)上下料機(jī)械臂設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名 危凌峰 學(xué)號(hào) 1101101028
起訖日期 2014.11.28-2015.05.31
設(shè)計(jì)地點(diǎn)
指導(dǎo)教師 劉曉梅 職稱 副教授
2015年 5月 5日
目 錄
摘 要 III
Abstract IV
第一章 緒論 1
1.1研究背景及意義 1
1.2機(jī)械手概述 1
1.2.1機(jī)械手的組成 1
1.2.2機(jī)械手的分類 2
1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 2
第二章 總體方案設(shè)計(jì) 4
2.1設(shè)計(jì)要求 4
2.2方案擬定 4
2.2.1機(jī)械手結(jié)構(gòu)類型 4
2.2.2擬定方案 5
2.2.3工作原理分析 6
第三章 升降裝置設(shè)計(jì) 7
3.1升降裝置結(jié)構(gòu)方案 7
3.2升降缸設(shè)計(jì) 7
3.2.1負(fù)載計(jì)算 7
3.2.2初選液壓缸的工作壓力 8
3.2.3液壓缸直徑確定 9
3.2.4液壓缸其它參數(shù)計(jì)算 9
3.2.5液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
3.3升降連接板設(shè)計(jì) 18
第四章 夾爪裝置設(shè)計(jì) 19
4.1夾爪裝置結(jié)構(gòu)方案 19
4.2夾爪手部設(shè)計(jì) 19
4.3驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 20
4.4夾緊缸設(shè)計(jì) 22
4.4.1負(fù)載計(jì)算 22
4.4.2初選液壓缸的工作壓力 22
4.4.3液壓缸直徑確定 22
4.4.4液壓缸其它參數(shù)計(jì)算 23
第五章 托料裝置設(shè)計(jì) 24
5.1托料裝置結(jié)構(gòu)方案 24
5.2擺動(dòng)缸設(shè)計(jì) 24
5.2.1擺動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 24
5.2.2回轉(zhuǎn)缸尺寸參數(shù)的確定 26
5.2.3擺動(dòng)缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 27
5.2.4動(dòng)片和輸出軸間的連接螺釘 28
5.3托板設(shè)計(jì) 29
第六章 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 30
6.1方案的擬定 30
6.1.1供油方式 30
6.1.2調(diào)速回路 30
6.1.3速度、換接回路 30
6.2方案的確定 30
6.3液壓元件的選擇 31
6.3.1確定液壓泵的型號(hào)及電動(dòng)機(jī)功率 31
6.3.2選擇閥類元件及輔助元件 32
6.3.3油箱及油管的設(shè)計(jì) 32
6.4液壓系統(tǒng)的性能驗(yàn)算 34
6.4.1壓力損失及調(diào)定壓力的確定 34
6.4.2系統(tǒng)的發(fā)熱和溫升 35
總 結(jié) 36
參考文獻(xiàn) 37
致 謝 38
摘 要
機(jī)械手不僅是一種自動(dòng)化的機(jī)器。機(jī)械手是一種可重新編程的、多功能的、機(jī)械手，為實(shí)現(xiàn)各種任務(wù)設(shè)計(jì)成通過(guò)可改變的程序動(dòng)作來(lái)移動(dòng)材料、零部件、工具或是其他專用裝置。
本次設(shè)計(jì)的自動(dòng)上下料機(jī)械臂是某變速箱傳動(dòng)軸加工線專用的設(shè)備，主要由升降裝置、夾爪裝置、托料裝置、液壓系統(tǒng)四大部分組成。設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先，通過(guò)對(duì)自動(dòng)上下料機(jī)械臂結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行分析，在此分析基礎(chǔ)上提出了機(jī)械臂的總體結(jié)構(gòu)方案；接著，對(duì)四大裝置各主要零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與校核；然后，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；最后，通過(guò)AutoCAD制圖軟件繪制了該機(jī)械臂裝配圖、液壓系統(tǒng)原理圖及主要零部件圖。
通過(guò)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、液壓傳動(dòng)等；掌握了普通機(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：機(jī)械臂，液壓缸，液壓系統(tǒng)，設(shè)計(jì)
Abstract
Not 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
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變速箱傳動(dòng)軸加工線自動(dòng)上下料機(jī)械臂設(shè)計(jì)
第一章 緒論
1.1研究背景及意義
機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)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)械手是從80年代"七五"科技攻關(guān)開始起步,在國(guó)家的支持下,通過(guò)"七五","八五"科技攻關(guān),目前已經(jīng)基本掌握了機(jī)械手操作機(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)械手關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆，孤焊，點(diǎn)焊，裝配，搬運(yùn)等機(jī)械手，其中有130多臺(tái)噴漆機(jī)械手在二十余家企業(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)械手已經(jīng)應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的看來(lái)，我國(guó)的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定距離。
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)械手技術(shù)快速發(fā)展，其中液壓機(jī)械手系統(tǒng)由于其介質(zhì)來(lái)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。隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣。機(jī)械手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)械手可以代替很多重復(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)械手概述
機(jī)械手也被稱為自動(dòng)手能模仿人手和臂的某些動(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)械手已經(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)械手的組成
機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來(lái)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)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)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)械手的自由度 。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)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度。
1.2.2機(jī)械手的分類
機(jī)械手的種類，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)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；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)械手等。機(jī)械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械手。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(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電訊號(hào)操作機(jī)來(lái)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)械手，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件送。這種機(jī)械手在國(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)械手，國(guó)外稱為機(jī)械手
1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r
機(jī)械手首先是從美國(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)械手。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)械手。商名為Unimate（即萬(wàn)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)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬(wàn)能自動(dòng)公司,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。
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)械手。該機(jī)械手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)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(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)械手，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)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。
聯(lián)邦德國(guó)KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。日本是工業(yè)機(jī)械手發(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)械手后大力從事機(jī)械手的研究。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手，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)械手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)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息反饋，是機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能。第三代機(jī)械手則能獨(dú)立完成工作中過(guò)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)械手絕大部分為專用機(jī)械手,附屬于某一設(shè)備,其工作程序是固定的。通用機(jī)械手也有發(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(méi)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)械手多采用這種控制。
第二章 總體方案設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)要求
設(shè)計(jì)汽車變速箱傳動(dòng)軸生產(chǎn)線上的自動(dòng)上下料系統(tǒng)，傳動(dòng)軸最大直徑80mm，最大長(zhǎng)度450mm。
要求設(shè)計(jì)機(jī)械臂系統(tǒng)能夠自動(dòng)將上道工序加工完成并由傳送帶傳遞來(lái)的工件自動(dòng)送料，并將本工序加工完成的工件自動(dòng)下料并放置于傳送帶。
2.2方案擬定
2.2.1機(jī)械手結(jié)構(gòu)類型
工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下。
（1）直角坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)
直角坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖a2-1.。由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)械手有可能達(dá)到很高的位置精度（μm級(jí)）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)講，是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。
直角坐標(biāo)機(jī)械手的工作空間為一空間長(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)械手主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。
（2）圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)
圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.b。這種機(jī)械手構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。
（3）球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)
球坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.c。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。
（4）關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)
關(guān)節(jié)型機(jī)械手的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.d。關(guān)節(jié)型機(jī)械手動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對(duì)機(jī)械手本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)械手在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)械手。關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。
圖2-1 四種機(jī)械手坐標(biāo)形式
2.2.2擬定方案
本次設(shè)計(jì)的上下料機(jī)械臂是某變速箱傳動(dòng)軸加工線專用的設(shè)備，調(diào)查發(fā)下凸輪軸自動(dòng)線是由幾臺(tái)專用車床所組成。料道方向平行于機(jī)床主軸中心線，并且位于機(jī)床主軸的上方。因此機(jī)械手只需要做上下動(dòng)作，即可實(shí)現(xiàn)上下料動(dòng)作。料道的托板2是可以回轉(zhuǎn)的，她是有旋轉(zhuǎn)油缸來(lái)操縱。送料是托板處于水平位置，當(dāng)機(jī)械手往機(jī)床主軸上下料時(shí)，托板就回轉(zhuǎn)到下方。料道傳送工件是間歇式的，加工完一個(gè)工件便送料一次，工件從左邊依次進(jìn)料。每臺(tái)機(jī)床上面都裝有一個(gè)機(jī)械手，各自完成自己的上下料動(dòng)作。方案如下圖示：
圖2-2 總體方案簡(jiǎn)圖
2.2.3工作原理分析
該自動(dòng)上下料機(jī)械臂主要由升降裝置、夾爪裝置、托料裝置、液壓系統(tǒng)四大部分組成。工作原理是：
（1）車床之間有滑道，當(dāng)上道工序有加工完成的工件時(shí)，工件會(huì)被機(jī)械臂的托板托起至機(jī)床上方，生產(chǎn)線一端的液壓缸會(huì)將其沿料道推送至下工序的機(jī)床上方托板上；
（2）機(jī)械臂升降液壓缸活塞桿伸出，夾爪快速下降接近工件；
（3）夾爪慢速下降，握住工件，之后升降缸停留；
（4）夾緊缸動(dòng)作，使夾爪夾緊工件；
（5）托板擺動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng)，托板向下轉(zhuǎn)動(dòng)，離開升降缸下方（即主軸上方）的空間；
（6）升降缸繼續(xù)下降，至機(jī)床主軸高度處停止，將工件夾持在雙頂尖之間；
（7）夾爪松開，同時(shí)升降缸快速上升，回復(fù)至初始位置；
（8）托板擺動(dòng)缸轉(zhuǎn)動(dòng)，使托板再次位于對(duì)準(zhǔn)料道的位置，等待下一個(gè)工件。
第三章 升降裝置設(shè)計(jì)
3.1升降裝置結(jié)構(gòu)方案
根據(jù)2.2.2該自動(dòng)上下料手臂總體結(jié)構(gòu)方案，得到如下圖示升降裝置結(jié)構(gòu)方案：
圖3-1 升降裝置結(jié)構(gòu)方案
3.2升降缸設(shè)計(jì)
3.2.1負(fù)載計(jì)算
（1）工作負(fù)載
工作負(fù)載等于工作臺(tái)自重加上物料的重量
已知傳動(dòng)軸最大直徑80mm，最大長(zhǎng)度450mm，則物料重：
工作臺(tái)自重：
故有：
（2）摩擦負(fù)載
由于工件為垂直起升，所以摩擦負(fù)載較小可以忽略不計(jì)，即：
靜摩擦負(fù)載
動(dòng)摩擦負(fù)載
（3）慣性負(fù)載
加速
根據(jù)以上計(jì)算，液壓缸各階段中的負(fù)載如以下表3-1所示。
表3-1液壓缸各階段負(fù)載
工況
計(jì)算公式
總負(fù)載F/N
缸推力F/N
啟動(dòng)
650
722.2
加速
617
685.6
下降
650
722.2
上升
683
758.9
3.2.2初選液壓缸的工作壓力
執(zhí)行元件的工作壓力可以根據(jù)負(fù)載循環(huán)圖中的最大負(fù)載來(lái)選取，也可以根據(jù)主機(jī)的類型了確定（見表3-2和表3-3）。
表3-1 按負(fù)載選擇執(zhí)行元件的工作壓力
負(fù)載/ KN
<5
510
1020
2030
3050
>50
工作壓力/MPa
<0.81
1.52
2.53
34
45
≥5
表3-2 各種機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力
設(shè)備
類型
機(jī) 床
農(nóng)業(yè)機(jī)械或中型
工程機(jī)械
液壓機(jī)、重型
機(jī)械等
磨床
組合
機(jī)床
龍門
刨床
拉床
工作壓力
0.8~2.0
3~5
2~8
8~10
10~16
20~32
所設(shè)計(jì)的動(dòng)力滑臺(tái)在加速上升時(shí)負(fù)載最大，其值為758.8N，其它工況時(shí)的負(fù)載都相對(duì)較低，參考表3-1和表3-2按照負(fù)載大小或按照液壓系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)選擇工作壓力的方法，初選液壓缸的工作壓力。
3.2.3液壓缸直徑確定
；
由計(jì)算所得的D與d的值分別按表3-3和表3-4圓整到相近的標(biāo)準(zhǔn)直徑，以便采用標(biāo)準(zhǔn)的密封元件。
表3-3 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列 (GB2348--1980) (mm)
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
（90）
100
（110）
125
（140）
160
（180）
200
（220）
250
320
400
500
630
注：括號(hào)內(nèi)數(shù)值為非優(yōu)先選用值
表3-4 活塞桿直徑系列 (GB2348--1980) (mm)
4
5
6
8
10
12
14
16
18
2
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
400
由GB/T2348-1980查得標(biāo)準(zhǔn)值為D=63mm，d=32mm。
3.2.4液壓缸其它參數(shù)計(jì)算
（1）液壓缸壁厚和外徑的計(jì)算
液壓缸的壁厚由液壓缸的強(qiáng)度條件來(lái)計(jì)算。
液壓缸的壁厚一般指液壓缸中最薄處的厚度。從材料力學(xué)可以知道，承受內(nèi)壓力的圓筒，其內(nèi)應(yīng)力分別規(guī)律因?yàn)楸诤竦牟煌鳟?。一般?jì)算時(shí)可以分為薄壁圓筒和厚壁圓筒。
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(wú)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=1.5MPa。
——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(wú)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(guò)程中的變形、安裝變形等引起液壓缸工作過(guò)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。
對(duì)于D/＜10時(shí)，應(yīng)該按材料力學(xué)中的厚壁圓筒公式進(jìn)行壁厚的計(jì)算。
對(duì)于脆性材料以及塑性材料
≥
式中的符號(hào)意思與前面相同。
液壓缸壁厚算出后，即可以求出缸體的外徑為
≥ +
式中值應(yīng)該按無(wú)縫鋼管標(biāo)準(zhǔn)，或者按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)圓整為標(biāo)準(zhǔn)值。
在設(shè)計(jì)中，取試驗(yàn)壓力為最大工作壓力的1.5倍，即 = 1.5×2.15MPa =3.23MPa。而缸筒材料許用應(yīng)力取為= 100 MPa。
應(yīng)用公式 ≥ 得，≥
下面確定缸體的外徑，缸體的外徑≥+=63+2×5.1mm =73.2mm。在液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)中查得選取標(biāo)準(zhǔn)值=80mm。在根據(jù)內(nèi)徑D和外徑重新計(jì)算壁厚，= =mm =8.5mm。
（2）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(lái)確定，并且參照表3-6中的系列尺寸來(lái)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300mm,參考上表系列Ⅱ，取液壓缸工作行程為300mm。
（3）缸蓋厚度的確定
一般液壓缸多為平底缸蓋，其有效的厚度t按強(qiáng)度要求可以用下面兩式進(jìn)行進(jìn)似計(jì)算。
無(wú)孔時(shí)：
有孔時(shí)：
式中 ——缸蓋有效厚度（m）。
——缸蓋止口內(nèi)徑（m）。
——缸蓋孔的直徑（m）。
在此次設(shè)計(jì)中，利用上式計(jì)算可取t=25mm
（4）最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的確定
當(dāng)活塞桿全部外伸時(shí)，從活塞支撐面中點(diǎn)到缸蓋滑動(dòng)支撐面的距離H稱為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度（圖3-2）。如果導(dǎo)向長(zhǎng)度過(guò)小，將使液壓缸的初始撓度（間隙引起的撓度）增大，從而影響液壓缸的穩(wěn)定性，因此設(shè)計(jì)時(shí)必須保證有一定得最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。
對(duì)于一般的液壓缸，最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H應(yīng)滿足以下要求
式中 ——液壓缸的最大行程。
——液壓缸的內(nèi)徑。
為了保證最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H，如果過(guò)分增大和B都是不適宜的，必要時(shí)可以在缸蓋和活塞之間增加一個(gè)隔套K來(lái)增加H的值。隔套的長(zhǎng)度C由需要的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H決定，即
在此設(shè)計(jì)中，液壓缸的最大行程為400mm，液壓缸的內(nèi)徑為63mm，所以應(yīng)用公式的 =mm =51.5mm。
活塞的寬度B一般取得B =（0.6~1.0）D；缸蓋滑動(dòng)支撐面的長(zhǎng)度，根據(jù)液壓缸內(nèi)徑D而定。
當(dāng)D＜80mm時(shí)，??；
當(dāng)D＞80mm時(shí)，取。
活塞的寬度B=（0.6~1.0）d =37.8~63mm，取50mm
（5）缸體長(zhǎng)度的確定
液壓缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和。缸體外形長(zhǎng)度還要考慮到兩端端蓋的厚度。一般液壓缸缸體長(zhǎng)度不應(yīng)該大于內(nèi)徑的20~30倍。缸體長(zhǎng)度L =300+50mm=350mm。
（6）固定螺栓得直徑
液壓缸固定螺栓直徑按照下式計(jì)算
式中 F——液壓缸最大負(fù)載。
Z——固定螺栓個(gè)數(shù)。
k——螺紋擰緊系數(shù)，k = 1.121.5。
根據(jù)上式求得
==4.9mm
（7）液壓缸強(qiáng)度校核
1）缸筒壁厚校核：
。
。
前面已經(jīng)通過(guò)計(jì)算得：D = 63mm, =8.5mm。則有＜10，所以壁厚：
可見缸筒壁厚滿足強(qiáng)度要求。
2）活塞桿穩(wěn)定性的驗(yàn)算
活塞桿受軸向壓縮負(fù)載時(shí)，它所承受的軸向力F不能超過(guò)使它穩(wěn)定工作所允許的臨界負(fù)載，以免發(fā)生縱向彎曲，從而破壞液壓缸的正常工作。的值與活塞桿材料性質(zhì)、截面的形狀、直徑和長(zhǎng)度以及液壓缸的安裝方式等因素有關(guān)?；钊麠U的穩(wěn)定性的校核依照下式（穩(wěn)定條件）進(jìn)行
式中 ——安全系數(shù)，一般取=24。
當(dāng)活塞桿的細(xì)長(zhǎng)比＞時(shí)
=
當(dāng)活塞桿的細(xì)長(zhǎng)比≤時(shí)，且 = 20120時(shí)，則
=
式中 ——安裝長(zhǎng)度，其值與安裝方式有關(guān)。
——活塞桿截面最小回轉(zhuǎn)半徑， = 。
——柔性系數(shù)。
——由液壓缸支承方式?jīng)Q定的末端系數(shù)。
E——活塞桿材料的彈性模量，對(duì)剛?cè) = 。
J——活塞桿橫截面慣性矩，A為活塞桿橫截面積。
f——由材料強(qiáng)度決定的實(shí)驗(yàn)值。
根據(jù)驗(yàn)算，液壓缸滿足穩(wěn)定性要求。
3.2.5液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
液壓缸主要尺寸確定以后，就進(jìn)行各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主要包括：液壓缸缸體與缸蓋的連接結(jié)構(gòu)、活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu)、活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu)、密封裝置、緩沖裝置、排氣裝置、以及液壓缸的安裝連接結(jié)構(gòu)等。由于工作條件的不同，結(jié)構(gòu)形式也各不相同。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。
（1）缸體與缸蓋的連接形式
缸體與缸蓋常見連接方式有法蘭連接式、半環(huán)連接式 、螺紋連接式 、拉桿連接式 、焊接式連接等。
圖3-4 常見的缸筒和缸蓋結(jié)構(gòu)
圖3-4所示為常見的缸蓋和缸筒連接形式。圖3-4a 為法蘭式連接結(jié)構(gòu)，這種連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，容易加工，便于裝卸，強(qiáng)度較大，能夠承受高壓。但是外形尺寸較大，常用于鑄鐵制的缸筒上。
圖3-4b 為半環(huán)式連接結(jié)構(gòu)，這種連接分為外半環(huán)連接和內(nèi)半環(huán)連接兩者形式。它們的缸筒壁部由于開了環(huán)形槽而削弱了強(qiáng)度，為此有時(shí)要增加壁厚。它容易加工和裝卸、重量較輕，半環(huán)連接是一種應(yīng)用較為普遍的連接結(jié)構(gòu)，常用于無(wú)縫鋼管和鍛鋼制的缸筒上。
圖3-4c、f 為螺紋連接形式，這種連接分為外螺紋連接和內(nèi)螺紋連接兩者形式。它的缸筒端部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外徑加工必須要求同時(shí)保證內(nèi)外徑同心，裝卸要使用專用工具，它的外形尺寸和重量都比較小，結(jié)構(gòu)緊湊，常常用于無(wú)縫鋼管和鍛鋼制的缸筒上。
圖3-4d 為拉桿式連接形式，這種連接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性好、通用性強(qiáng)、易于裝拆，但是端蓋的體積和重量都非常大，拉桿在受力后容易拉伸變長(zhǎng)，從而影響密封效果，僅適用于長(zhǎng)度不大的中低壓缸。
圖3-4d 為焊接式連接，這種連接形式強(qiáng)度高，制造簡(jiǎn)單，但是焊接時(shí)容易引起缸筒的變形。
缸體端部與缸蓋的連接形式與工作壓力、缸體材料以及工作條件有關(guān)。通過(guò)綜合考慮，在此設(shè)計(jì)中，缸體端部與缸蓋采取法蘭連接的形式。
（2）活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu)
活塞桿導(dǎo)向部分的結(jié)構(gòu)，包括活塞桿與端蓋、導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)，以及密封、防塵和鎖緊裝置等。導(dǎo)向套的結(jié)果可以做成端蓋整體式直接導(dǎo)向，也可以做成與端蓋分開的導(dǎo)向套導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。后者導(dǎo)向套磨損后便于更換，所以應(yīng)用比較普遍。導(dǎo)向套的位置可以安裝于密封圈的內(nèi)側(cè)，也可以安裝于密封圈的外側(cè)。機(jī)床和工程機(jī)械中一般采用裝在內(nèi)測(cè)的結(jié)構(gòu)，有利于導(dǎo)向套的潤(rùn)滑；而壓油機(jī)常采用裝在外測(cè)的結(jié)構(gòu)，在高壓下工作時(shí)，使得密封圈由足夠的油壓將唇邊張開，以提高系統(tǒng)的密封性能。
活塞桿處的密封形式由O型、V型、Y型和型密封圈。為了清除活塞桿處外漏部分粘附的灰塵，保證油液清潔以及減少磨損，在端蓋外側(cè)增加防塵圈。此設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)綜合考慮，采取端蓋直接導(dǎo)向。
（3）密封裝置
液壓缸中常見的密封裝置有間隙密封，摩擦環(huán)密封，密封圈密封等。
間隙密封依靠運(yùn)動(dòng)件間的微笑間隙來(lái)防止泄露。為了提高這種裝置的密封能力，常在活塞的表面制造出幾條微小的環(huán)形槽，用以增大油液通過(guò)間隙時(shí)的阻力。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，摩擦阻力小，可以耐高溫，但是泄露大，加工要求高，磨損后無(wú)法恢復(fù)原有能力，只有在尺寸小、壓力較低、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度較高的缸筒和活塞間使用。
摩擦環(huán)密封依靠活塞上的摩擦環(huán)（尼龍或者其他高分子材料制成）在“O”形圈彈力作用下貼緊缸壁而防止泄露。這種材料密封效果好，摩擦阻力較小并且穩(wěn)定，可以耐高溫，磨損后有自動(dòng)補(bǔ)償能力，但是加工要求高，裝拆不方便，適用于缸筒和活塞之間的密封。
油缸主要采用密封圈密封，密封圈有O形、V形、Y形及組合式等數(shù)種，其材料為耐油橡膠、尼龍、聚氨脂等。它利用橡膠或者塑料的彈性使各種截面的環(huán)形圈貼緊在靜、動(dòng)配合面之間來(lái)防止泄露。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，磨損后有自動(dòng)補(bǔ)償能力，性能可靠，在缸筒和活塞之間、活塞和活塞桿之間、缸筒和缸蓋之間都能使用。
（a）O形密封圈（如圖3-7）
O形密封圈的截面為圓形，主要用于靜密封。與唇形密封圈相比，運(yùn)動(dòng)阻力較大，作運(yùn)動(dòng)密封時(shí)容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，故一般不單獨(dú)用于油缸運(yùn)動(dòng)密封。
圖3-7 O形密封圈
（b）V形密封圈（如圖3-8）
V形圈的截面為V形，如圖所示，V形密封裝置是由壓環(huán)、V形圈和支承環(huán)組成。當(dāng)工作壓力高于10MPa時(shí)，可增加V形圈的數(shù)量，提高密封效果。安裝時(shí)，V形圈的開口應(yīng)面向壓力高的一側(cè)。
圖3-8 V形密封圈
（c）Y形密封圈（如圖3-9）
Y形密封圈的截面為Y形，屬唇形密封圈(Lip Seal)。它是一種摩擦阻力小、壽命較長(zhǎng)的密封圈，應(yīng)用普遍。Y形圈主要用于往復(fù)運(yùn)動(dòng)的密封。根據(jù)截面長(zhǎng)寬比例的不同，Y形圈可分為寬斷面和窄斷面兩種形式，圖所示為寬斷面Y形密封圈。
圖3-9 Y形密封圈
對(duì)于活塞桿外伸部分來(lái)說(shuō)，由于它很容易把臟物帶入液壓缸，使油液受到污染，使密封件磨損，因此常需要在活塞桿密封處增添防塵圈，并且放在向著活塞桿外伸的一段。
（4）緩沖裝置
液壓缸帶動(dòng)質(zhì)量較大的部件作快速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)部件具有很大的動(dòng)能，因此當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到液壓缸終端時(shí)，會(huì)與端蓋碰撞，而產(chǎn)生沖擊和噪聲。這種機(jī)械沖擊不僅引起液壓缸的有關(guān)部分的損壞，而且會(huì)引起其它相關(guān)機(jī)械的損傷。為了防止這種危害，保證安全，應(yīng)采取緩沖措施，對(duì)液壓缸運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行控制。
當(dāng)活塞移至端部，緩沖柱塞開始插入缸端的緩沖孔時(shí)，活塞與缸端之間形成封閉空間，該腔中受困擠的剩余油液只能從節(jié)流小孔或緩沖柱塞與孔槽之間的節(jié)流環(huán)縫中擠出，從而造成背壓迫使運(yùn)動(dòng)柱塞降速制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)緩沖。
液壓缸中常用的緩沖裝置有節(jié)流口可調(diào)式（如圖3-10）和節(jié)流口變化式（如圖3-11）兩種。
圖3-10 節(jié)流口可調(diào)式緩沖裝置 圖3-11 節(jié)流口變化式緩沖裝置
在此設(shè)計(jì)中，為了適當(dāng)?shù)臏p輕加工難度，決定采取如圖3-10所示的緩沖裝置。這種緩沖裝置可以調(diào)節(jié)。
3.3升降連接板設(shè)計(jì)
升降連接板用于連接升降缸、夾緊缸及夾爪，他們分別用螺栓連接在升降連接板上，根據(jù)后面夾緊缸及夾爪尺寸匹配得到的升降連接板結(jié)構(gòu)尺寸如下圖示：
圖3-12 升降連接板
第四章 夾爪裝置設(shè)計(jì)
4.1夾爪裝置結(jié)構(gòu)方案
根據(jù)2.2.2該自動(dòng)上下料手臂總體結(jié)構(gòu)方案，得到如下圖示夾爪裝置結(jié)構(gòu)方案：
圖4-1夾爪裝置結(jié)構(gòu)方案
4.2夾爪手部設(shè)計(jì)
夾爪手部采用滑槽式結(jié)構(gòu)，手指采用V型結(jié)構(gòu)以適應(yīng)不同直徑軸的加工要求。根據(jù)設(shè)計(jì)要求最大夾取軸的直徑為80mm，由此匹配得到夾爪手部結(jié)構(gòu)尺寸如下圖示：
圖4-2夾爪手部結(jié)構(gòu)尺寸
4.3驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
如圖4-2所示為滑槽式手部結(jié)構(gòu)。
圖4-2 滑槽杠桿式手部受力分析
1-手指 2-銷軸 3-拉桿 4-指座
在拉桿3作用下銷軸2向上的拉力為P，并通過(guò)銷軸中心O點(diǎn)，兩手指1的滑槽對(duì)銷軸的反作用力為、，其力的方向垂直于滑槽中心線和并指向點(diǎn)，和的延長(zhǎng)線交于A及B，由于和均為直角三角形，故。根據(jù)銷軸的力平衡條件，即
,;
銷軸對(duì)手指的作用力為。手指握緊工件時(shí)所需的力稱為握力（即夾緊力），假想握力作用在過(guò)手指與工件接觸面的對(duì)稱平面內(nèi)，并設(shè)兩力的大小相等，方向相反，以N表示由手指的力矩平衡條件，即由手指的力矩平衡條件，即得
因
所以
式中a——手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心線的距離（毫米）。
——工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)連線間的夾角。
由上式可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力P定時(shí)，角增大則握力N也隨之增加，但角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致拉桿（即活塞）的行程過(guò)大，以及手指滑槽尺寸長(zhǎng)度增大，使之結(jié)構(gòu)加大，因此，一般取。這里取角
這種手部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有動(dòng)作靈活，手指開閉角大等特點(diǎn)。查[業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)]表2-1可知，V形手指夾緊圓棒料時(shí)，握力的計(jì)算公式，綜合前面驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算方法，可求出驅(qū)動(dòng)力的大小。為了考慮工件在傳送過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力、振動(dòng)以及傳力機(jī)構(gòu)效率的影響，其實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力P實(shí)際應(yīng)按以下公式計(jì)算，即：
=
式中 ——手部的機(jī)械效率，一般取；
K——安全系數(shù)，一般取
K——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，K可近似按下式估計(jì)，，其中為被抓取工件運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大加速度，為重力加速度。
本機(jī)械手的工件只做水平和垂直平移，當(dāng)它的移動(dòng)速度為500毫米/秒，移動(dòng)加速度為，工件重量G為，V型鉗口的夾角為120°, 時(shí)，拉緊油缸的驅(qū)動(dòng)力P和P實(shí)際計(jì)算如下：
根據(jù)鉗爪夾持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當(dāng)量夾緊力計(jì)算公式
把已知條件代入得當(dāng)量夾緊力為
由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式
得
取, ,
則
4.4夾緊缸設(shè)計(jì)
4.4.1負(fù)載計(jì)算
根據(jù)上述4.3的計(jì)算可知夾爪所需的驅(qū)動(dòng)力為238N，為了確保夾緊可靠取夾緊缸的驅(qū)動(dòng)力為其1.5倍，即：
4.4.2初選液壓缸的工作壓力
執(zhí)行元件的工作壓力可以根據(jù)負(fù)載循環(huán)圖中的最大負(fù)載來(lái)選取，也可以根據(jù)主機(jī)的類型了確定（見表3-2和表3-3）。
表3-1 按負(fù)載選擇執(zhí)行元件的工作壓力
負(fù)載/ KN
<5
510
1020
2030
3050
>50
工作壓力/MPa
<0.81
1.52
2.53
34
45
≥5
表3-2 各種機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力
設(shè)備
類型
機(jī) 床
農(nóng)業(yè)機(jī)械或中型
工程機(jī)械
液壓機(jī)、重型
機(jī)械等
磨床
組合
機(jī)床
龍門
刨床
拉床
工作壓力
0.8~2.0
3~5
2~8
8~10
10~16
20~32
所設(shè)計(jì)的動(dòng)力滑臺(tái)在加速上升時(shí)負(fù)載最大，其值為357N，其它工況時(shí)的負(fù)載都相對(duì)較低，參考表3-1和表3-2按照負(fù)載大小或按照液壓系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)選擇工作壓力的方法，初選液壓缸的工作壓力。
4.4.3液壓缸直徑確定
；
由計(jì)算所得的D與d的值分別按表3-3和表3-4圓整到相近的標(biāo)準(zhǔn)直徑，以便采用標(biāo)準(zhǔn)的密封元件。
表3-3 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列 (GB2348--1980) (mm)
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
（90）
100
（110）
125
（140）
160
（180）
200
（220）
250
320
400
500
630
注：括號(hào)內(nèi)數(shù)值為非優(yōu)先選用值
表3-4 活塞桿直徑系列 (GB2348--1980) (mm)
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
400
由GB/T2348-1980查得標(biāo)準(zhǔn)值為D=40mm，d=20mm。
4.4.4液壓缸其它參數(shù)計(jì)算
夾緊缸其他結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)計(jì)算過(guò)程與升降缸類似，再次不一一復(fù)述，經(jīng)過(guò)計(jì)算最終得到的夾緊缸結(jié)構(gòu)尺寸如下圖所示：
圖4-3 夾緊缸結(jié)構(gòu)尺寸
第五章 托料裝置設(shè)計(jì)
5.1托料裝置結(jié)構(gòu)方案
根據(jù)2.2.2該自動(dòng)上下料手臂總體結(jié)構(gòu)方案，得到如下圖示托料裝置結(jié)構(gòu)方案：
圖5-1 托料裝置結(jié)構(gòu)方案
5.2擺動(dòng)缸設(shè)計(jì)
5.2.1擺動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算
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(guò)程=(rad/s)；
——啟動(dòng)過(guò)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
回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動(dòng)力矩需要的力矩。
回轉(zhuǎn)缸回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩。
夾取棒料直徑100mm，長(zhǎng)度1000mm，重量10~50Kg，當(dāng)手部回轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)算力矩：
手抓、手抓驅(qū)動(dòng)液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動(dòng)件等效為一個(gè)圓柱體，高為220mm，直徑120mm，其重力估算G=3.14
擦力矩。
啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度=0.314rad，等速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。
查取轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式有：
代入：
5.2.2回轉(zhuǎn)缸尺寸參數(shù)的確定
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?，可?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。
表5-1 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB826-66） （mm）
20
25
32
40
50
55
63
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
125
130
140
160
180
200
250
經(jīng)過(guò)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5-2（JB1068-67）取外徑選擇168mm，輸出軸徑為50mm。
圖5-2 回轉(zhuǎn)缸的截面圖
表5-2 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑（JB1068-67） （mm）
液壓缸內(nèi)徑
40
50
63
80
90
100
110
125
140
150
160
180
200
20鋼P(yáng)
50
60
76
95
108
121
133
168
146
180
194
219
245
45鋼
50
60
76
95
108
121
133
168
146
180
194
219
245
5.2.3擺動(dòng)缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算
圖5-3 缸蓋螺釘間距示意
表5-3 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)
小于150
小于120
小于100
小于80
缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算，如圖5-3所示，t為螺釘?shù)拈g距，間距跟工作壓強(qiáng)有關(guān)，見表3-3，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：
計(jì)算：
液壓缸工作壓強(qiáng)為P=5Mpa,所以螺釘間距t小于80mm,試選擇6個(gè)螺釘
所以選擇螺釘數(shù)目合適Z=6個(gè)
危險(xiǎn)截面
所以，=4906.3+7359.4=12265.7N
螺釘材料選擇Q235，（）
螺釘?shù)闹睆?
螺釘?shù)闹睆竭x擇d=10mm.選擇M10的內(nèi)六角圓頭螺釘。
5.2.4動(dòng)片和輸出軸間的連接螺釘
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。
5.3托板設(shè)計(jì)
料道的托板用于托起待加工的軸，他用螺栓連接在擺動(dòng)缸輸出軸法蘭盤上，根據(jù)托起的待加工軸的尺寸匹配得到的托板結(jié)構(gòu)尺寸如下圖示：
圖5-4 托板結(jié)構(gòu)尺寸
第六章 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
6.1方案的擬定
6.1.1供油方式
從系統(tǒng)速度相差很大可知，該系統(tǒng)在快上和慢上時(shí)流量變化很大，因此可以選用變量泵或雙泵供油。
6.1.2調(diào)速回路
由于速度變化大，所以系統(tǒng)功率變化也大，可以選容積調(diào)速回路或雙泵供油回路。
6.1.3速度、換接回路
由于系統(tǒng)各階段對(duì)換接的位置要求高，所以采用由行程開關(guān)發(fā)訊控制二位二通電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)速度的換接。
根據(jù)上述分析，至少有兩種方案可以滿足系統(tǒng)要求。
（1）用變量泵供油和容積調(diào)速回路調(diào)速，速度換接用二位二通電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)，平衡和鎖緊用液控單向閥和單向背壓閥。系統(tǒng)的機(jī)械特性、調(diào)速特性很好，功率損失較小，但是系統(tǒng)價(jià)格較貴。
（2）用雙泵供油，調(diào)速回路選節(jié)流調(diào)速回路，平衡及鎖緊用液控單向閥和單向背壓閥實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的機(jī)械特性、調(diào)速特性不及第一種方案，但其經(jīng)濟(jì)性很好，系統(tǒng)效率高。
6.2方案的確定
綜上所述，液壓系統(tǒng)圖的擬定，主要是考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：
供油方式 從工況圖分析可知，該系統(tǒng)在快上和快下時(shí)所需的流量較小，因此從提高系統(tǒng)的效率，節(jié)省能源的角度考慮，采用單個(gè)定量泵的供油方式顯然是不適合的，宜選用雙聯(lián)式定量葉片泵作為油源。
調(diào)速回路 由工況可知可知，該系統(tǒng)在慢速時(shí)速度需要調(diào)節(jié)，考慮到系統(tǒng)功率小，滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度需要調(diào)節(jié)，考慮到系統(tǒng)功率小，滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度低，工作負(fù)載變化小，所以采用調(diào)速閥的回油節(jié)流調(diào)速回路。
速度換接回路 由于快上和滿上之間速度需要換接，但對(duì)換接到位置要求不高，所以采用由行程開關(guān)發(fā)訊控制二位二通電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)速度的換接。下圖為擬定的液壓系統(tǒng)原理圖。
圖6-1 液壓系統(tǒng)原理圖
6.3液壓元件的選擇
6.3.1確定液壓泵的型號(hào)及電動(dòng)機(jī)功率
液壓缸在整個(gè)工作循環(huán)中最大工作壓力為2.15Mpa.由于該系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，所以取其壓力損失，所以液壓泵的工作壓力為
兩個(gè)液壓泵同時(shí)向系統(tǒng)供油時(shí)，若回路中的泄漏按10%計(jì)算，則兩個(gè)泵的總流量應(yīng)為，由于液壓缸慢升時(shí)所需的流量為:1.87L/min，所以高壓泵的輸出流量不得少于：
根據(jù)以上壓力和流量的數(shù)值查產(chǎn)品目錄，選用YB1-6.3/6.3型的雙聯(lián)葉片泵，其額定壓力為6.3Mpa，小泵和大泵的排量分別為3ml/r,15ml/r；容積效率，總效率，所以驅(qū)動(dòng)該泵的電動(dòng)機(jī)的功率可由泵的工作壓力（2.15MPa）和輸出流量（當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為910 r/min）
查電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品目錄，擬定選用電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為Y90S-6,功率為750W，額定轉(zhuǎn)速為910r/min。
6.3.2選擇閥類元件及輔助元件
根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和通過(guò)各個(gè)閥類元件和輔助元件的流量，可選出這些元件的型號(hào)及規(guī)格如下表5-1。
表6-1 液壓元件及規(guī)格
序 號(hào)
名 稱
通過(guò)流量
型號(hào)及規(guī)格
1
濾油器
11.47
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