機械手臂伸縮及回轉設計與計算課程設計

機械系統(tǒng)課程設計

說明書設計題目：工業(yè)機械手手臂及回轉設計指導教師：洪林設計人：張強學院：機械工程學院專業(yè)：機械設計制造及其自動化0901班學號：20091074一、 機械手手臂設計目的 3二、 手臂的設計與計算 31、 導向裝置的摩擦阻力的計算2、 密封圈摩擦阻力的計算3、 背壓阻力的計算4、 慣性阻力的計算TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"三、 手臂伸縮油缸結構的確定 6（1） 確定液壓缸的結構尺寸（2） 液壓缸外徑的設計\o"CurrentDocument"四、 活塞桿的計算校核 7（1） 活塞桿的尺寸計算（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度計算 9\o"CurrentDocument"八、 回轉缸設計與計算 101、 回轉缸驅動力矩的計算2、 回轉缸尺寸的確定3、 油缸缸蓋螺釘?shù)挠嬎?、 動片聯(lián)接螺釘?shù)挠嬎憔拧?參考文獻 13一、 課程設計目的課程設計是一個極為重要的實踐性教學環(huán)節(jié)，是使學生綜合運用所學過的基本理論、基本知識與基本技能去解決專業(yè)范圍內的工程設計問題而進行的一次基本訓練。這對學生即將從事的相關技術工作和未來事業(yè)的開拓都具有一定意義。其主要目的：、培養(yǎng)學生綜合分析和解決本專業(yè)的一般工程技術問題的獨立工作能力，拓寬和深化學生的知識。、培養(yǎng)學生樹立正確的設計思想，設計構思和創(chuàng)新思維，掌握工程設計的一般程序規(guī)范和方法。、培養(yǎng)學生樹立正確的設計思想和使用技術資料、國家標準等手冊、圖冊工具書進行設計計算，數(shù)據(jù)處理，編寫技術文件等方面的工作能力。、培養(yǎng)學生進行調查研究，面向實際，面向生產(chǎn)，向工人和技術人員學習的基本工作態(tài)度，工作作風和工作方法。二、 手臂伸縮的設計計算手臂是機械手的主要執(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動。臂部運動的目的，一般是把手部送達空間運動范圍內的任意點上，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，而且自身運動又較多，故受力較復雜。機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向裝置和定位方式就顯得尤其重要了。伸縮液壓缸的設計計算求水平伸縮直線運動液壓缸的驅動力根據(jù)液壓缸運動時所需克服的摩擦、回油背壓及慣性等兒個方面的限力，來確定液壓缸所需的驅動力。手臂的伸縮速度為250mm/s行程L=300mm抓重50N液壓缸活塞的驅動力的計算F=%+%+給+「慣式中F摩一一摩擦阻力。手臂運動時，為運動件表面間的摩擦阻力。若是導向裝置，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，活塞桿所受平均慣性力。F摩、％、堤i、七的計算如下。1、七的計算不同的配置和不同的導向截面形狀，其摩擦阻力不同，要根據(jù)具體情況進行估算。粉T5女平粉農(nóng)淺屋覽交力圖圖4-15為雙導向桿導向，其導向桿截面形狀為圓柱面，導向桿對稱配置在伸縮缸的兩側，啟動時，導向裝置的摩擦阻力較大，計算如下：由于導向桿對稱配置，兩導向桿受力均衡，可按一個導向桿計算。IX二。G息L=aFb￡x=oG+Fb=F,2L+a\式中％——參與運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一一手臂參與運動的零部件的總重量的重心到導向支承前端的距離(m),L=60mma 導向支承的長度,a=80mm://'一一當量摩擦系數(shù)，其值與導向支承的截面形狀有關。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: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、七的計算同的密封圈其摩擦阻力不同，其計算公式如下：(1)“0”形密封圈當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，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格的密封,在加工密封溝槽時考慮密封圈的預壓縮量，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、 ？的計算一般背壓阻力較小，可按^=0.05F4、 鳥貫的計算*AV/gAt=1000X0.25/10X0.025=1000NG總一一參與運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一一起動過程時間(s),一般取0.0廣0.5s,對輕載低速運動部件取較小值，對重載高速運動部件取較大值。取△—0.025s所以所求驅動力片烏+處+晶+瑋,F=262.5+17.7+0.05F+0.03F+1000,解得F=1391N三、手臂伸縮油缸結構的確定表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)過上面的計算，確定了液壓缸的驅動力F=1391N,根據(jù)表5-1選擇液壓缸的工作壓力P=IMPa；(1)確定液壓缸的結構尺寸：液壓缸內徑的計算，如圖5-2所示一》 ——:-一》 ——:-圖4-16雙作用液壓缸示意圖當油進入無桿腔：『MT學〃當油進入有桿腔：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］一一油缸機械效率，工程機械中用耐油橡膠可取〃=0.96；由上節(jié)求得驅動力F=1391N,p^lMPa,機械效率〃=0.96將數(shù)據(jù)代入得：D='^-=1.13 =0.038根據(jù)表4-3（JB826-66）,選擇標準液壓缸內徑系列，選擇D=40mm.（2）液壓缸外徑的設計外徑按中等壁厚設計，根據(jù)表4-2（JB1068-67）取外徑選擇60mm.、活塞桿的計算校核（1）活塞桿的尺寸計算活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強度要求。對于桿長L大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強度計算：(mm)(mm)設計中取活塞桿材料為碳鋼，碳鋼許用應力的［b］=100~120Mpa。本次取［cr］=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)定性校核最小導向長度：於赤+?=亨+?=35當括塞桿L>15d時，一般應進行穩(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）,可按材料力學有關公式計算。也一一安全系數(shù)，=2—4取N=4A五、大柔度桿的臨界力久當人=史〉人］時，臨界力4為f=78.5N式中人為活塞桿的計算柔度（柔度系數(shù)），x=1^22=1202.5L為活塞桿的計算長度（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碳素結構鋼，其抗拉強度％=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度計算保證連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘?shù)拈g距匕，進而決定螺釘?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)挠嬎銥楸ＷC連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘?shù)拈g距上進而決定螺釘?shù)臄?shù)目在這種連接中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力0為工作載荷Q和預進力Qo之和。

式中:3.14x0.00164X139100=437N式中:3.14x0.00164X139100=437NP—驅動力NP—工作壓力MpaZ￡—螺釘數(shù)目，取4—預緊力N^,=K5=1.5X437=655.5N,K=l.5-1.8螺釘?shù)膹姸葪l件為：d>，絲L式中：Q=l.3<5；,Ql=l.3X437=568.1——計算載荷（N）V加5]dlN」埋=J4x28=].66,螺釘內徑取4=8mm。V"3.14x437 1表3T螺釘間距匕與壓力p的關系工作壓力0(Mpa)螺釘間距＜(mm)0.5—1.5<1501.5—2.5<1202.5—5.0<1005.0—10<80抗拉許用應力437(Mpa)77=1.2-2.5,吹——螺紋內徑6(mm)表4-7常用螺釘材料的流動極限(Mpo)鋼號10A2A3354540cr210220240320360650-900八、回轉缸設計與計算1、回轉缸驅動力矩的計算手臂回轉缸驅動力矩M驅的計算公式為："驅=心慣+心回+肱封（N?m）慣性力矩 M慣=J0—Ar式中Jo一一臂部回轉部件（包括工件）對回轉軸線的轉動慣量（kg-m2）；△刃——回轉缸動片角速度變化量，在啟動過程△6y=ty（iad/s）；A/一一啟動過程的時間（s）；若手臂回轉零件的重心與回轉軸的距離為p（前面計算得p=60nmi），則, ,G2=Jc+—Pg式中 Jc一一回轉零件的重心的轉動慣量。人=￡閾廠+3龐）回轉部件可以等效為一個長lOOnmi,直徑為96mm的圓柱體，質量為3OKg.設置起動角度刃=18。，則起動角速度△口=0.314口〃5,起動時間設計為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為了簡便計算，密封處的摩擦阻力矩歸封=0.03M驅，由于回油背差一般非常的小，故在這里忽略不計，M回=0所以 A/驅=550十0+0.03M驅A/w=567N?川2、回轉缸尺寸的確定回轉缸油腔內徑D計算公式為:式中P——回轉油缸的工作壓力；d——輸出軸與動片連接處的直徑，初步設計按D/d=1.5?2.5；b—動片寬度，可按2b/(D-d)M2選取。設計回轉缸的動片寬b=17mm,工作壓力為6MPa,d=4mmD=J103x-^^-+502=30mmV60x6按標準油缸內徑選取內徑為30nmio3、油缸缸蓋螺釘?shù)挠嬎鉵ios回轉缸的工作壓力為6Mpa,所以螺釘間距t應小于80nmio螺釘數(shù)目=X3.14=4.9所以缸蓋螺釘?shù)臄?shù)目選擇4個。危險截面 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=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)過以上的計算，最終確定的液壓缸的尺寸，內徑為30mm,外徑按中等壁厚設計，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)挠嬎銊悠洼敵鲚S之間的聯(lián)接螺釘一般為偶數(shù)，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。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=必承

式中fq一一每個螺釘預緊力;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)膹姸葪l件為或帶入有關數(shù)據(jù)，