机械制造的有关机械手手臂伸缩课程设计教学内容.docx
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机械制造的有关机械手手臂伸缩课程设计教学内容
机械类综合课程设计
题目名称工业机械手设计（手臂伸缩部分）
专业班级
学号
学生姓名
指导教师
完成时间
一、机械手设计任务书
1.1课程设计目的
课程设计是一个极为重要的实践性教学环节，是使学生综合运用所学过的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程设计问题而进行的一次基本训练。
这对学生即将从事的相关技术工作和未来事业的开拓都具有一定意义。
其主要目的：
（1）、培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识。
（2）、培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法。
（3）、培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。
（4）、培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。
1.2设计内容和要求
（一）原始数据及资料
（1）原始数据：
a、运动简图
b、自由度（四个自由度）
臂转动0d-200d
臂上下运动Z400mm
臂伸缩X600mm
腕部转动0d-180d
（2）设计要求：
a、上料机械手结构设计图、装配图、各主要零件图（一套）
b、液压原理图（一张）
c、设计计算说明书（一份）
（3）技术要求
主要参数的确定：
坐标形式：
圆柱坐标
抓重：
200N
自由度：
4个
臂的运动行程：
伸缩运动600mm，回转运动0d-200d，
升降运动400mm
e、臂的运动速度：
伸缩运动＜250mm/s，
回转运动＜70d/s
升降运动＜70mm/s
f、腕部的运动行程：
回转运动0d-180d
g、腕部的运动速度：
回转运动＜110d/s
h、定位方式：
电位器（或接近开关等）设定，点位控制
i、手指夹持范围：
棒料直径φ50－φ70mm，
长度450－1200mm
驱动方式：
液压（中、低系统）
定位精度：
±3mm
控制方式：
PLC控制
（二）料槽形式及分析动作要求
（1）料槽形式
由于工件的形状属于小型回转体，此种形状的零件通常采用自用输送的输料槽，该装置结构简单，不需要其他动力源和特殊装置，所以本课程题采用此种输料槽。
（2）动作要求分析如图1.1所示
动作一：
送料
动作二：
预夹紧
动作三：
手臂上升
动作四：
手臂旋转
动作五：
小臂伸长
动作六：
手腕旋转
图1.1要求分析
二、手臂的设计
2.1、手臂伸缩的设计计算
手臂是机械手的主要执行部件。
它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。
臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。
机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。
多义性在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了。
伸缩液压缸的设计计算求水平伸缩直线运动液压缸的驱动力
根据液压缸运动时所需克服的摩擦、回油背压及惯性等几个方面的限力，来确定液压缸所需的驱动力。
手臂的伸缩速度为250mm/s
行程L=600mm
抓重200N
液压缸活塞的驱动力的计算
式中一一摩擦阻力。
手臂运动时，为运动件表面间的摩擦阻力。
若是导向装置，则为活塞和缸壁等处的摩擦阻力。
一一密封装置处的康擦阻力;
一一液压缸回油腔低压油掖所造成的阻力;
一一起动或制动时，活塞杆所受平均惯性力。
、、、的计算如下。
2.1.1、的计算
不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力不同，要根据具体情况
进行估算。
图4-15为双导向杆导向，其导向杆截面形状为圆柱面，导向杆对称配置在伸缩缸的两侧，
启动时，导向装置的摩擦阻力较大，计算如下:
由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。
得
式中——参与运动的零部件所受的总重力（含工件重）,估算=+++=（200+200+400+350）N=1150N
L——手臂参与运动的零部件的总重量的重心到导向支承前端的距离（m）,L=100mm
a——导向支承的长度,a=150mm;
一一当量摩擦系数，其值与导向支承的截面形状有关。
对子圆柱面:
取=1.5
——摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时:
钢对青铜:
取=0.1~0.15
钢对铸铁:
取=0.18~0.3取=0.1,=0.15
代入已知数据得=N
2.1.2、的计算
同的密封圈其摩擦阻力不同，其计算公式如下:
（1）“O”形密封圈
当液服缸工作压力小于10Mpa.活寒杆直径为液压缸直径的一半，
活塞与活塞杆处都采用“O”形密封圈时，液压缸密封处的总的摩擦力为:
式中F——为驱动力，
P——工作压力（Pa）;P<10MPa,=0.05~0.023,取p=2Mpa,=0.06;
d——伸缩油管的直径,d=7mm;
L——密封的有效长度（mm）.
为了保证“O”形密封圈装人密封沟槽，井与配合件接触后起到严格的密封，在加工密
封沟槽时考虑密封圈的预压缩量，如图4--15所示。
K=0.08~0.14
取=12mm,K=0.1,得=4.7mm
得
2.1.3、的计算
一般背压阻力较小，可按=0.05F
2.1.4、的计算
一一参与运动的零部件所受的总重力（包括工作重量）（N）
g一一重力加速度，取10
一一由静止加速到常速的变化量=0.25m/s
一一起动过程时间（s），一般取0.01~0.5s，对轻载
低速运动部件取较小值，对重载高速运动部件
取较大值。
取=0.025s
所以所求驱动力，解得F=1707N
2.2、确定液压缸的结构尺寸
2.2.1、液压缸内径的计算
如图4一16，当油进入无杆腔
当油进入有杆腔
液压缸的有效面积:
故有，
查表4-3圆整取D=50mm
式中F——驱动力〔N）;
——液压缸的工作压力,取=1Mpa;
d一一活塞杆直径（m）;
D—一活塞缸内径〔m）;
——液压缸机械效率，在工程机被中用耐油橡胶可取n=0.960
选择适当的液压缸工作压力很重要。
选高了，可以减小液压缸内径及其执行机构的尺寸，使机械手手臂结构紧凑，但要选用价格较贵的高压油泵和阀，井使密封复杂化。
选低了，可用价格较低的泵和阀，但使结构庞大，自重增加。
一般取2~8Mpa.表4-2推荐了几组数据，可供选择液压缸工作压力时参考。
表4一1液压缸工作压力
作用在活塞上的外力F（N）
液压缸工作压力（Mpa）
作用在活塞上的外力F（N）
液压缸工作压力（Mpa）
〈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
5.0~7.0
通过计算所选择的液压缸内径，应尽可能是标准值，液压缸内径系列（JB826-66）如表
4-3所示。
表4-2液压缸内径系列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
注：
1.内的尺寸尽可能不用。
2.*号为（JB1086-67）标准系列
液压缸壁厚计算，按中等壁厚进行计算：
估取壁厚
薄壁厚，即时，
（4-13）
故壁厚符合要求。
式中F——液压缸内工作压力Mpa
——强度系数（当为无缝钢管时=1）
C——计入管壁公差及侵蚀的附加厚度，一般圆整到标准壁厚值;
D——液压缸内径（m）
式中
——材料的抗拉强度（Mpa）
n——安全系数，n=3.5~5
一般常用缸体材料的许用应力
锻钢=110~120Mpa,取=120Mpa
铸铁=60Mpa
无缝钢管=100~110Mpa
将计算结果按有关资料选择，如表4-4
油缸外径,根据表4-4，mm,用20号刚。
表4-4标准液压缸径（JB68~67）（mm）
油缸内径
40
50
63
80
90
100
110
125
140
（150）
160
180
200
20钢16
50
60
76
95
108
121
133
146
168
180
194
219
245
45钢20
50
60
76
95
108
121
133
146
168
180
194
219
245
缸体为无缝钢管。
2.3、活塞杆的计算
2.3.1、活塞杆的尺寸
要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度的要求。
对
于杆长t大于直径d的I5倍（即t）活塞杆还必须具有足够的稳定性。
取活塞杆直径,
按强度条件决定活塞杆直径d按拉、压强度计算:
或
故活塞杆直径d=25mm符合要求。
碳钢取=110~120Mpa，取=100Mpa；n一般不小于1.4，取n=1.4;
表4-5活塞杆直径系列（JB826~66）
10
12
14
16
18
20
22
25
28
（30）
32
35
40
45
50
55
（60）
63
（65）
70
（75）
80
（85）
90
（95）
注：
括号内的尺寸尽可能不用
2.3.2、活塞杆的稳定性校核
最小导向长度：
当括塞杆L>15d时，一般应进行稳定性校核。
稳定性条件可表示为
式中
——临界力（N），可按材料力学有关公式计算。
——安全系数，=2—4取=4
2.3.3、大柔度杆的临界力
当时，临界力为
=
式中为活塞杆的计算柔度（柔度系数），
L为活塞杆的计算长度（m），油缸支承情况和活塞杆端部支承情况不同，活塞杆计算长度不同，见表4—6；
i为活塞杆横截面的惯性半径（m）,
J为活塞杆截面对中性轴的惯性矩（）
E为弹性横量，E=210GPa
为长度折算系数，见表4—6；
为特定的柔度值，=，为比例极限。
=，故活塞杆的稳定性满足条件。
2.3.4、缸筒材料的选择.
（1）缸底材料：
选择Q235碳素结构钢，其抗拉强度375～460
（2）缸底厚度
取缸底厚度为5mm。
2.3.5、油缸端盖的连接方式及强度计算
保证连接的紧密性，必须规定螺钉的间距，进而决定螺钉的数目。
缸的一端为缸体与缸盖铸造成一体，另一端缸体与缸盖采用螺钉连接。
（1）缸盖螺钉的计算
为保证连接的紧密性，必须规定螺钉的间距，进而决定螺钉的数目
在这种连接中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为工作载荷Q和预进力之和。
式中：
P—驱动力N
P—工作压力Mpa
Z—螺钉数目，取4
—预紧力N
=K，K=1.5-1.8
螺钉的强度条件为：
式中：
=1.3,——计算载荷（N）
，螺钉内径取=8mm。
表3-1螺钉间距与压力p的关系
工作压力（）
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