机械手臂伸缩及回转设计与计算课程设计

1机械系统课程设计说明书设计题目：工业机械手手臂及回转设计指导教师：洪林设计人：张强学院：机械工程学院专业：机械设计制造及其自动化0901班学号：200910742目录一、机械手手臂设计目的……………………………………………………3二、手臂的设计与计算…………………………………………………………31、导向装置的摩擦阻力的计算2、密封圈摩擦阻力的计算3、背压阻力的计算4、惯性阻力的计算三、手臂伸缩油缸结构的确定………………………………………………6（1）确定液压缸的结构尺寸（2）液压缸外径的设计四、活塞杆的计算校核…………………………………………………………7（1）活塞杆的尺寸计算（2）活塞杆的稳定性校核五、大柔度杆的临界力…………………………………………………………8六、缸筒材料的选择……………………………………………………………9七、油缸端盖的连接方式及强度计算………………………………………9八、回转缸设计与计算…………………………………………………………101、回转缸驱动力矩的计算2、回转缸尺寸的确定3、油缸缸盖螺钉的计算4、动片联接螺钉的计算九、参考文献………………………………………………………………………133一、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。二、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=300mm抓重50N液压缸活塞的驱动力的计算FFFFF回摩密惯式中F摩一一摩擦阻力。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。F密一一密封装置处的康擦阻力;F回一一液压缸回油腔低压油掖所造成的阻力;F惯一一起动或制动时，活塞杆所受平均惯性力。4F摩、F密、F回、F惯的计算如下。1、F摩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。0AMbGLaF总bGLF总a0YbaGFF得aLaFGa总'2LaFGa总摩式中G总——参与运动的零部件所受的总重力(含工件重),估算5G总=G工件+G手+G手腕+G手臂=(50+200+350+400)N=1000NL——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=60mma——导向支承的长度,a=80mm;'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:'4(1.271.57)2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'LaFGa总摩=0.15×1000×（60+80/80）=262.5N2、F密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:120.03FFF封封式中F——为驱动力，3Fpdl封P——工作压力(Pa);P10MPa,=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。02KdK=0.08~0.14202ldKK取0d=12mm,K=0.1,得21020.10.1l=4.7mm6得30.0623.1474.717.7FpdlN封3、F回的计算一般背压阻力较小，可按F回=0.05F4、F惯的计算F惯=G总*△V/g△t=1000×0.25/10×0.025=1000NG总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102/msv一一由静止加速到常速的变化量v=0.25m/st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t=0.025s所以所求驱动力F=F摩+F密+F回+F惯，F=262.5+17.7+0.05F+0.03F+1000,解得F=1391N三、手臂伸缩油缸结构的确定表4-2液压缸的工作压力作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa作用在活塞上外力F（N）液压缸工作压力Mpa小于50000.8~120000~300002.0~4.05000~100001.5~2.030000~500004.0~5.010000~200002.5~3.050000以上5.0~8.0经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力F=1391N，根据表5-1选择液压缸的工作压力P=1MPa；（1）确定液压缸的结构尺寸：液压缸内径的计算，如图5-2所示7图4-16双作用液压缸示意图当油进入无杆腔：4211DPPF当油进入有杆腔：4)(2212dDPPF液压缸的有效面积：1PPS(mm2)所以1113.14PPPPD（无杆腔）214dPPD（有杆腔）式中P——活塞驱动力(P)；1p——油缸的工作压力(MPa)；d——活塞杆直径；——油缸机械效率，工程机械中用耐油橡胶可取=0.96；由上节求得驱动力F=1391N，1p=1MPa，机械效率=0.96将数据代入得：1113.14PPPPD=0.038根据表4-3（JB826-66），选择标准液压缸内径系列，选择D=40mm.（2）液压缸外径的设计外径按中等壁厚设计，根据表4-2（JB1068-67）取外径选择60mm.四、活塞杆的计算校核（1）活塞杆的尺寸计算活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。对于杆长L大于直径d的15倍以上，按拉、压强度计算：pd4(mm)设计中取活塞杆材料为碳钢，碳钢许用应力的=100~120Mpa。本次取=1108则：6101104.1343784d=0.0040m所以活塞直径按下表取d=10mm，满足强度要求。表4—5活塞杆直径系列（GB/T2348-93）1012141618202225283232364045505663708090100110125140160180（2）活塞杆的稳定性校核最小导向长度：H≥220Dl2402030035当括塞杆L15d时，一般应进行稳定性校核。稳定性条件可表示为KKPPN式中KP——临界力（N），可按材料力学有关公式计算。KN——安全系数，=2—4取KN=4五、大柔度杆的临界力KF当1li时，临界力KF为KF=2fEf=78.5N式中为活塞杆的计算柔度（柔度系数），λ=5.23001=120L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）,5.24104dFJiJ为活塞杆截面对中性轴的惯性矩（4m）6410000J156.25E为弹性横量，E=210GPa9为长度折算系数，见表4—6；1为特定的柔度值，1=PE，P为比例极限。KF=5.781201000001.214.314.3*fE1400000＞F，故活塞杆的稳定性满足条件。六、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b375～460aMp(2)缸底厚度1.30.50.5501.46380spDmm计取缸底厚度为5mm。七、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1t，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1t，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0Q为工作载荷Q和预进力`OQ之和。`0ss10式中：413910040016.014.30ZP437NP—驱动力NP—工作压力MpaZ`s—螺钉数目，取4—预紧力N`s=K=1.5×437=655.5N，K=1.5-1.8螺钉的强度条件为：122111.34[]4oQdd合114[]Qd式中：1Q=1.3o,Q1=1.3×437=568.1——计算载荷（N）d1≥43714.3568414Q1.66，螺钉内径取1d=8mm。表3-1螺钉间距1t与压力p的关系工作压力1p（Mpa）螺钉间距1t（mm）0.5—1.51501.5—2.51202.5—5.01005.0—1080抗拉许用应力437(Mpa)1.22.5n，1d——螺纹内径6（mm）表4-7常用螺钉材料的流动极限（Mpa）钢号10A2A3354540crs210220240320360650-900八、回转缸设计与计算111、回转缸驱动力矩的计算手臂回转缸驱动力矩驱M的计算公式为：驱M=惯M+回M+封M(N·m)惯性力矩惯M=0Jt式中0J——臂部回转部件(包括工件)对回转轴线的转动惯量（kg·m2）；——回转缸动片角速度变化量，在启动过程=(rad/s)；t——启动过程的时间(s)；若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为(前面计算得=60mm)，则2c0gGJJ式中cJ——回转零件的重心的转动惯量。cJ=)3(12122Rlm回转部件可以等效为一个长100mm，直径为96mm的圆柱体，质量为30Kg.设置起动角度=180，则起动角速度=0.314rads，起动时间设计为0.1s。cJ=)3(12122Rlm=).103.51(1216022=30.4kg·m22c0gGJJ=30.4+2.80.892200=175kg·m2惯M=0Jt=175.1014.30=550mN为了简便计算，密封处的摩擦阻力矩驱封MM3.00，由于回油背差一般非常的小，故在这里忽略不计，回M=0所以驱M=550+0+0.03驱M驱M=567mN2、回转缸尺寸的确定回转缸油腔内径D计算公式为：1223810dbpMD驱式中P——回转油缸的工作压力；d——输出轴与动片连接处的直径，初步设计按D/d=1.5~2.5；b——动片宽度，可按2b/(D-d)≥2选取。设计回转缸的动片宽b=17