機(jī)械手臂伸縮及回轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)與計(jì)算課程設(shè)計(jì)

機(jī)械系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)

說明書設(shè)計(jì)題目：工業(yè)機(jī)械手手臂及回轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師：洪林設(shè)計(jì)人：張強(qiáng)學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化0901班學(xué)號：20091074一、 機(jī)械手手臂設(shè)計(jì)目的 3二、 手臂的設(shè)計(jì)與計(jì)算 31、 導(dǎo)向裝置的摩擦阻力的計(jì)算2、 密封圈摩擦阻力的計(jì)算3、 背壓阻力的計(jì)算4、 慣性阻力的計(jì)算TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"三、 手臂伸縮油缸結(jié)構(gòu)的確定 6（1） 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸（2） 液壓缸外徑的設(shè)計(jì)\o"CurrentDocument"四、 活塞桿的計(jì)算校核 7（1） 活塞桿的尺寸計(jì)算（2） 活塞桿的穩(wěn)定性校核\o"CurrentDocument"五、 大柔度桿的臨界力 8\o"CurrentDocument"六、 缸筒材料的選擇 9\o"CurrentDocument"七、 油缸端蓋的連接方式及強(qiáng)度計(jì)算 9\o"CurrentDocument"八、 回轉(zhuǎn)缸設(shè)計(jì)與計(jì)算 101、 回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩的計(jì)算2、 回轉(zhuǎn)缸尺寸的確定3、 油缸缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算4、 動片聯(lián)接螺釘?shù)挠?jì)算九、 參考文獻(xiàn) 13一、 課程設(shè)計(jì)目的課程設(shè)計(jì)是一個(gè)極為重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是使學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)過的基本理論、基本知識與基本技能去解決專業(yè)范圍內(nèi)的工程設(shè)計(jì)問題而進(jìn)行的一次基本訓(xùn)練。這對學(xué)生即將從事的相關(guān)技術(shù)工作和未來事業(yè)的開拓都具有一定意義。其主要目的：、培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決本專業(yè)的一般工程技術(shù)問題的獨(dú)立工作能力，拓寬和深化學(xué)生的知識。、培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)構(gòu)思和創(chuàng)新思維，掌握工程設(shè)計(jì)的一般程序規(guī)范和方法。、培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的設(shè)計(jì)思想和使用技術(shù)資料、國家標(biāo)準(zhǔn)等手冊、圖冊工具書進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，數(shù)據(jù)處理，編寫技術(shù)文件等方面的工作能力。、培養(yǎng)學(xué)生進(jìn)行調(diào)查研究，面向?qū)嶋H，面向生產(chǎn)，向工人和技術(shù)人員學(xué)習(xí)的基本工作態(tài)度，工作作風(fēng)和工作方法。二、 手臂伸縮的設(shè)計(jì)計(jì)算手臂是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運(yùn)動。臂部運(yùn)動的目的，一般是把手部送達(dá)空間運(yùn)動范圍內(nèi)的任意點(diǎn)上，從臂部的受力情況看，它在工作中即直接承受著腕部、手部和工件的動、靜載荷，而且自身運(yùn)動又較多，故受力較復(fù)雜。機(jī)械手的精度最終集中在反映在手部的位置精度上。多義性在選擇合適的導(dǎo)向裝置和定位方式就顯得尤其重要了。伸縮液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算求水平伸縮直線運(yùn)動液壓缸的驅(qū)動力根據(jù)液壓缸運(yùn)動時(shí)所需克服的摩擦、回油背壓及慣性等兒個(gè)方面的限力，來確定液壓缸所需的驅(qū)動力。手臂的伸縮速度為250mm/s行程L=300mm抓重50N液壓缸活塞的驅(qū)動力的計(jì)算F=%+%+給+「慣式中F摩一一摩擦阻力。手臂運(yùn)動時(shí)，為運(yùn)動件表面間的摩擦阻力。若是導(dǎo)向裝置，則為活塞和缸壁等處的摩擦阻力。E密一一密封裝置處的康擦阻力；外I一一液壓缸回油腔低壓油掖所造成的阻力；起動或制動時(shí)，活塞桿所受平均慣性力。F摩、％、堤i、七的計(jì)算如下。1、七的計(jì)算不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力不同，要根據(jù)具體情況進(jìn)行估算。粉T5女平粉農(nóng)淺屋覽交力圖圖4-15為雙導(dǎo)向桿導(dǎo)向，其導(dǎo)向桿截面形狀為圓柱面，導(dǎo)向桿對稱配置在伸縮缸的兩側(cè)，啟動時(shí)，導(dǎo)向裝置的摩擦阻力較大，計(jì)算如下：由于導(dǎo)向桿對稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個(gè)導(dǎo)向桿計(jì)算。IX二。G息L=aFb￡x=oG+Fb=F,2L+a\式中％——參與運(yùn)動的零部件所受的總重力（含工件重），估算6總=G[:件+G手+G手腕+G州廣(50+200+350+400)N=1000NL一一手臂參與運(yùn)動的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支承前端的距離(m),L=60mma 導(dǎo)向支承的長度,a=80mm://'一一當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支承的截面形狀有關(guān)。對子圓柱面：A// x//=(1.27-1.57)//取32)//一一摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時(shí):鋼對青銅：取=o.ro.is鋼對鑄鐵：取//=0.18?0.3 取以=0.1, 4=0.15代入己知數(shù)據(jù)得％.二〃'G總=0.代入己知數(shù)據(jù)得％.二〃'G總2、七的計(jì)算同的密封圈其摩擦阻力不同，其計(jì)算公式如下：(1)“0”形密封圈當(dāng)液服缸工作壓力小于lOMpa.活寒桿直徑為液壓缸直徑的一半，活塞與活塞桿處都采用“0”形密封圈時(shí)，液壓缸密封處的總的摩擦力為:品+馬2=。。3尸式中 F一一為驅(qū)動力，=P兀出P——工作壓力(Pa):P<10MPa,//=0.05~0.023,取p=2MPa,//=0.06;d 伸縮油管的直徑,d=7mm;L一一密封的有效長度(mm).為了保證“0”形密封圈裝人密封溝槽，井與配合件接觸后起到嚴(yán)格的密封,在加工密封溝槽時(shí)考慮密封圈的預(yù)壓縮量，如圖4-15所示。2b=Kd°K=0.08~0.14l^dQ42K+K^取J0=12mm,K=0.1,得/q()V2x0JL+0?7=4.7mm

=1）兀出=0.06x2x3.14x7x4.7=17.7N3、 ？的計(jì)算一般背壓阻力較小，可按^=0.05F4、 鳥貫的計(jì)算*AV/gAt=1000X0.25/10X0.025=1000NG總一一參與運(yùn)動的零部件所受的總重力(包括工作重量)(N)g一一重力加速度，取10/W/52△u 由靜止加速到常速的變化量政二0.25m/sAt一一起動過程時(shí)間(s),一般取0.0廣0.5s,對輕載低速運(yùn)動部件取較小值，對重載高速運(yùn)動部件取較大值。取△—0.025s所以所求驅(qū)動力片烏+處+晶+瑋,F=262.5+17.7+0.05F+0.03F+1000,解得F=1391N三、手臂伸縮油缸結(jié)構(gòu)的確定表4-2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50000,礦120000^300002.0、4.05000^100001.5"2.030000^500004.0、5.010000^200002.5'3.050000以上5.0、8.0經(jīng)過上面的計(jì)算，確定了液壓缸的驅(qū)動力F=1391N,根據(jù)表5-1選擇液壓缸的工作壓力P=IMPa；(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5-2所示一》 ——:-一》 ——:-圖4-16雙作用液壓缸示意圖當(dāng)油進(jìn)入無桿腔：『MT學(xué)〃當(dāng)油進(jìn)入有桿腔：F=Pe=P\"（DJ-）液壓缸的有效面積：5=—（mm2）所以液壓缸的有效面積：5=—（mm2）所以（無桿腔）（有桿腔）式中P—一活塞驅(qū)動力（P）;Pi——油缸的工作壓力（MPa）:d一一活塞桿直徑;7］一一油缸機(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)動力F=1391N,p^lMPa,機(jī)械效率〃=0.96將數(shù)據(jù)代入得：D='^-=1.13 =0.038根據(jù)表4-3（JB826-66）,選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列，選擇D=40mm.（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)表4-2（JB1068-67）取外徑選擇60mm.、活塞桿的計(jì)算校核（1）活塞桿的尺寸計(jì)算活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運(yùn)動的要求和強(qiáng)度要求。對于桿長L大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強(qiáng)度計(jì)算：(mm)(mm)設(shè)計(jì)中取活塞桿材料為碳鋼，碳鋼許用應(yīng)力的［b］=100~120Mpa。本次?。踓r］=110則:d>B.UxXo-則:d>B.UxXo-她°04°m所以活塞直徑按下表取d=10mm,滿足強(qiáng)度要求。表4一5活塞桿直徑系列（GB/T2348-93）10121416IS2022252S3232364045505663708090100110125140160180（2）活塞桿的穩(wěn)定性校核最小導(dǎo)向長度：於赤+?=亨+?=35當(dāng)括塞桿L>15d時(shí)，一般應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性校核。穩(wěn)定性條件可表示為P<A式中PK一一臨界力（N）,可按材料力學(xué)有關(guān)公式計(jì)算。也一一安全系數(shù)，=2—4取N=4A五、大柔度桿的臨界力久當(dāng)人=史〉人］時(shí)，臨界力4為f=78.5N式中人為活塞桿的計(jì)算柔度（柔度系數(shù)），x=1^22=1202.5L為活塞桿的計(jì)算長度（m）,油缸支承情況和活塞桿端部支承情況不同，活塞桿計(jì)算長度不同，見表4一6；i為活塞桿橫截面的慣性半徑（m）,J為活塞桿截面對中性軸的慣性矩（〃廣）10000641000064=156.25E為彈性橫量，E=210GPa〃為長度折算系數(shù)，見表4一6；&為特定的柔度值，&二J&為特定的柔度值，&二J為比例極限。教4-6活鑫杯的計(jì)算長度-桿埃支承滑況禍篇固定一般餃支,~端固定兩靖校文液壓皿安裝形式和計(jì)算f律Ff#?第1??k度折算系數(shù),C.50.7I1FqKFxExf=3.14x3.14x2.1x100000x785=1400000>F,故活塞桿的穩(wěn)定2 120性滿足條件。六、缸筒材料的選擇(1)缸底材料：選擇Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，其抗拉強(qiáng)度％=375?460“億(2)缸底厚度5=0.5￡)修=0.5x50 =1.46〃〃〃取缸底厚度為bmmo七、油缸端蓋的連接方式及強(qiáng)度計(jì)算保證連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘?shù)拈g距匕，進(jìn)而決定螺釘?shù)臄?shù)目。缸的一端為缸體與缸蓋鑄造成一體，另一端缸體與缸蓋采用螺釘連接。缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算為保證連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘?shù)拈g距上進(jìn)而決定螺釘?shù)臄?shù)目在這種連接中，每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)剖面上承受的拉力0為工作載荷Q和預(yù)進(jìn)力Qo之和。

式中:3.14x0.00164X139100=437N式中:3.14x0.00164X139100=437NP—驅(qū)動力NP—工作壓力MpaZ￡—螺釘數(shù)目，取4—預(yù)緊力N^,=K5=1.5X437=655.5N,K=l.5-1.8螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為：d>，絲L式中：Q=l.3<5；,Ql=l.3X437=568.1——計(jì)算載荷（N）V加5]dlN」埋=J4x28=].66,螺釘內(nèi)徑取4=8mm。V"3.14x437 1表3T螺釘間距匕與壓力p的關(guān)系工作壓力0(Mpa)螺釘間距＜(mm)0.5—1.5<1501.5—2.5<1202.5—5.0<1005.0—10<80抗拉許用應(yīng)力437(Mpa)77=1.2-2.5,吹——螺紋內(nèi)徑6(mm)表4-7常用螺釘材料的流動極限(Mpo)鋼號10A2A3354540cr210220240320360650-900八、回轉(zhuǎn)缸設(shè)計(jì)與計(jì)算1、回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩的計(jì)算手臂回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩M驅(qū)的計(jì)算公式為："驅(qū)=心慣+心回+肱封（N?m）慣性力矩 M慣=J0—Ar式中Jo一一臂部回轉(zhuǎn)部件（包括工件）對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg-m2）；△刃——回轉(zhuǎn)缸動片角速度變化量，在啟動過程△6y=ty（iad/s）；A/一一啟動過程的時(shí)間（s）；若手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與回轉(zhuǎn)軸的距離為p（前面計(jì)算得p=60nmi），則, ,G2=Jc+—Pg式中 Jc一一回轉(zhuǎn)零件的重心的轉(zhuǎn)動慣量。人=￡閾廠+3龐）回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個(gè)長lOOnmi,直徑為96mm的圓柱體，質(zhì)量為3OKg.設(shè)置起動角度刃=18。，則起動角速度△口=0.314口〃5,起動時(shí)間設(shè)計(jì)為0.1s。人=￡〃?（尸+3R'）=詈（1.5'+3xO.F）=30.4kg-m2Jo=Jc+Qq'=30.4十22°°x0.8'=175kg?m20cg" 9.8 5wT\C0 0.314一ucKTM=Jo =175x =）50N-m、Ar 0.1為了簡便計(jì)算，密封處的摩擦阻力矩歸封=0.03M驅(qū)，由于回油背差一般非常的小，故在這里忽略不計(jì)，M回=0所以 A/驅(qū)=550十0+0.03M驅(qū)A/w=567N?川2、回轉(zhuǎn)缸尺寸的確定回轉(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)M2選取。設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)缸的動片寬b=17mm,工作壓力為6MPa,d=4mmD=J103x-^^-+502=30mmV60x6按標(biāo)準(zhǔn)油缸內(nèi)徑選取內(nèi)徑為30nmio3、油缸缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算nios回轉(zhuǎn)缸的工作壓力為6Mpa,所以螺釘間距t應(yīng)小于80nmio螺釘數(shù)目=X3.14=4.9所以缸蓋螺釘?shù)臄?shù)目選擇4個(gè)。危險(xiǎn)截面 S=勿(R?-一°加~=0.010434所以PSF=—=10400N。ZFqs=KFq=14800X1.5=15600N(K=1.5)所以膈=10400+15600=26000N螺釘材料選擇Q235,貝叮6]=務(wù)=竺=200MR/(n=1.2-2.5)L」n1.2螺釘?shù)闹睆絛-J—-TTS-=00037mmV桐螺釘?shù)闹睆竭x擇d=4mm.選擇M4的開槽盤頭螺釘。經(jīng)過以上的計(jì)算，最終確定的液壓缸的尺寸，內(nèi)徑為30mm,外徑按中等壁厚設(shè)計(jì)，根據(jù)表4-2(JB1068-67)取外徑選擇93mm,輸出軸徑為30mm。4、動片聯(lián)接螺釘?shù)挠?jì)算動片和輸出軸之間的聯(lián)接螺釘一般為偶數(shù)，對稱安裝，并用兩個(gè)定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔檬鞘箘悠洼敵鲚S之間的配合面緊密接觸不留間隙。根據(jù)動片所受力矩的平衡條件有歸驅(qū)=必承

式中fq一一每個(gè)螺釘預(yù)緊力;D一一動片的外徑；f一一被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，鋼對鋼取f=0.15螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為或帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，