机械制造的有关机械手手臂伸缩课程设计

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

目录

一、机械手设计任务书 .......................................... 3

1.1课程设计目的 ........................................... 3 1.2设计内容和要求 ......................................... 3 二、手臂的设计 ................................................ 6

2.1、手臂伸缩的设计计算 ................................... 6

2.1.1、

F摩的计算 ....................................... 7

2.1.2、F密的计算 ....................................... 9 2.1.3、F回的计算 ...................................... 10 2.1.4、F惯的计算 ...................................... 10 2.2、确定液压缸的结构尺寸 ................................ 10

2.2.1、液压缸内径的计算 ............................... 10 2.3、活塞杆的计算 ........................................ 14

2.3.1、活塞杆的尺寸 ................................... 14 2.3.2、活塞杆的稳定性校核 ............................. 15 2.3.3、大柔度杆的临界力FK ............................. 15 2.3.4、缸筒材料的选择. ................................ 16 2.3.5、油缸端盖的连接方式及强度计算 ................... 16 2.4、底板的设计计算说明 .................................. 18 2.5、导向杆的结构设计 .................................... 20

2.5.1、导向机构的作用 ................................. 20 2.5.2、导向杆的外型尺寸及材料 ......................... 20

三、液压控制系统设计 ......................................... 20

3.1、系统要求 ............................................ 21 3.2、油缸的选择 .......................................... 21

3.2.1、确定流量 ....................................... 22 3.2.2确定泵的动力 ..................................... 22 3.2.3、选择泵的型号为YBX—25[8]P45-106 ..................... 223.2.4、油泵电机的选择 ................................. 233.2.5、液压元件的选择 ................................. 233.3、辅助元件选择 ........................................ 243.4、系统液压图 .......................................... 253.4.1、确定现场器件的动作顺序 ......................... 253.4.2现场器件及PLC的连线 ............................. 273.4.3、梯形图及程序指令表 ............................. 283.4.3、梯形图及程序指令表 ............................. 29四、设计主要内容 ............................................. 32五、参考文献 ................................................. 33

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、基本知识及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Z 400mm 臂伸缩X 600mm 腕部转动 （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

0d-180d

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

FF摩F密F回F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。 F摩、F密、F回、F惯的计算如下。

2.1.1、

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。

M

A0

G总LaFb

Y0

GFbFa

得

式中G总——参及运动的零部件所受的总重力(含工件重),估算

G总=G工件+G手+G手腕+G手臂=(200+200+400+350)N=1150N

L——手臂参及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，其值及导向支承的截面形状有关。 对子圆柱面:

'4'(1.271.57) 取=1.5 2 ——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=0.1511502100150N=402.5N

1502.1.2、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， 活塞及活塞杆处都采用“O”形密封圈时，液压缸密封处的总的摩擦力为:

F封1F封20.03F

式中 F——为驱动力，

F封3pdl

P——工作压力(Pa); P <10MPa, =0. 05~0.023,取p=2Mpa, =0.06;

d——伸缩的直径,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，井及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。

2Kd0

K=0.08~0.14

ld02KK2 取d0=12mm,K=0.1,得l1020.10.12=4.7mm

得 F封3pdl0.0623.1474.717.7N 2.1.3、F回的计算

一般背压阻力较小，可按F回=0.05F 2.1.4、F惯的计算

G总v11500.25N1150N gt100.025F惯G总一一参及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10m/s2

v一一由静止加速到常速的变化量v=0.25m/s t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=(402.5+0.05F+0.03F+17.7+1150)N，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

PP2P2D2-d24

液压缸的有效面积:

故有 D

4FF17071.131.13mm48mm， p1p110.960查表4-3圆整取D=50mm 式中 F——驱动力〔N);

p1——液压缸的工作压力,取p1=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

作用在活塞上的液压缸工作压力作用在活塞上的液压缸工作压力外力F（N） 〈5000 5000~10000 （Mpa） 0.8~1 1.5~2.0 外力F（N） 20000~30000 30000~50000 （Mpa） 2.0~4.0 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 70 110 25 32 40* 50* 55 63* （65） （105） 250 （75） 80* 125* （85） 90* 160* （95） 100* 180 200* （130） 140* 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3mm 薄壁厚，即时，

1.3D1.3500.325 (4-13) 22100 故壁厚符合要求。

式中 F——液压缸内工作压力Mpa

P1——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

b——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

D160mm,用20号刚。油缸外径D12+D23+5056mm, 根据表4-4，

表4-4标准液压缸径（JB68~67） （mm） 油缸内径 40 50 63 80 90 100 20钢50 60 76 95 108 121 121 110 133 133 125 146 146 140 168 168 180 （15016） 180 0 194 194 180 219 219 200 245 245 P116 45P120 钢50 60 76 95 108 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 15d)活塞杆还必须具有足够的稳定性。取活塞杆直径dD5025mm,

按强度条件决定活塞杆直径d按拉、压强度计算:

1212或 d4F41707mm4.7mm []3.14100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 （6063 ） （7580 ） （8590 ） （95） （6570 ） 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：HlD60050+=+=55mm 202202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

PK——临界力（N），可按材料力学有关公式计算。NK——安全系数，=2

—4取NK=4

2.3.3、大柔度杆的临界力FK 当时，临界力FK为

FK=

3.14252f===531.25N

44d2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（m4）

E为弹性横量，E=210GPa 为长度折算系数，见表4—6；

1为特定的柔度值，1=，P为比例极限。

2E3.1422.11055FK=f=531.25=1.210NP，故活塞杆的稳定性满足条296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b375～460Mpa (2)缸底厚度 0.5D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t1，进而决定螺钉的数目。 缸的一端为缸体及缸盖铸造成一体，另一端缸体及缸盖采用螺钉连接。 (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t1，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Q0为工作载荷Q和预进力QO`之和。

s0s`

p计s0.5501.31.46mm 380D2式中：0PZ3.140.0502P17070044=837N Z4P—驱动力N P—工作压力Mpa Z—螺钉数目，取4 s`—预紧力N

s`=K=1.5837=1255.5N，K=1.5-1.8

螺钉的强度条件为：

合1.3o4Q1[] 22d1d14式中：Q1=1.3o,Q1=1.3837=1088.1N——计算载荷（N）

d1，螺钉内径取d1=8mm。 4Q141088.1=1.29mm[]3.14837

表3-1 螺钉间距t1及压力p的关系

工作压力p1（Mpa） 0.5—1.5 1.5—2.5 2.5—5.0 5.0—10

[]螺钉间距t1（mm） <150 <120 <100 <80 s1255.5n=1.5=837Mpa抗拉许用应力(Mpa)

n1.22.5，d1——螺纹内径（mm）

表4-7常用螺钉材料的流动极限 （Mpa） 钢号 s 10 210 A2 220 A3 240 35 320 45 360 40cr 650-900 (2)缸体螺纹计算

合K1Q0[]22(dD)4 (3.23)

4K1Q1D241.31088.1+502d1==1.76(mm)[]3.14837式中s0s`，，s`KP(1.51.8)P D—油缸内径

K1—考虑螺纹拉应力和扭应力合成作用系数取K1=1.3。

故螺纹内径d1=8mm 符合要求。

2.4、底板的设计计算说明 底板长度600mm，宽150mm

图2-2 底板结构图

底板用螺钉及升降臂滑台连接，对连接螺钉进行计算

伸缩臂夹持器总质量为

(2-1)

v—滑台的运动速度0.2m/s g—9.8m/s

t—起动反映时间0.1-0.5s 取t=0.02s

Fg750N (2-2) 所以使其改变运动状态的惯性力是750N。 根据不滑动定理：

Fa—预紧力 M—结合面数目 C—可靠系数取1.5 F—摩擦系数取0.1 所以预紧力

Fa

1.5750=11250N

10.1取螺钉数为4个，初选M10。

8.8级的螺钉屈服极限s=0MPa， 得螺纹小径d

d141.5Fa41.5401.9=8.53mm

3.1490

所以为保证机构受冲击时的安全性及伸缩臂连接螺栓取M16。

2.5、导向杆的结构设计 2.5.1、导向机构的作用

保证液压缸活塞赶伸出时的方向性，提供机构刚度，保证伸出量的准确性 2.5.2、导向杆的外型尺寸及材料

导向杆采用圆柱行空心长杆，直径为D=20mm,d=10mm，长度为614mm 导向杆的材料为45钢。 导向杆及外界的连接

导向柑外端加工有外螺纹用法兰盘及夹持器的支撑板连接。连接栓为M4

图2-8 导向杆及外界的连接 导向杆支座有两个。

三、液压控制系统设计

A 本次设计的工业机械手属于圆柱坐标式的液压驱动机械手，具有手臂，

手腕回转、手臂升降、伸缩等四个自由度。因此，相应的有手臂，手腕回转机构、手臂升降机构、手臂伸缩机构等组成。每一部分均用液压缸驱动及控制。 3.1、系统要求 对系统要求如下：

（a） 满足工业机械手动作顺序要求。其动作顺序的各步动作均由电控系统发出信号控制相应的电磁铁、（电磁换向阀），按程序依次步进动作而实现。

（b） 手臂伸缩运动采用单出杆双作用缸。手臂伸出时采用单向调速阀度要求，由终点行程开关控制适当提前发出信号切断油路，由活塞及缸筒接触停止。

（c） 手臂回转采用摆动液压缸，正反向采用单向调速进行调速，由于手臂回转时具有很大的动能，在回油路上安装行程节流阀，进行减速缓冲。 （d） 手臂升降运动采用单出双作用液压缸，上升和下降均由单向调速阀回油进行节流，由三位四通阀换向。上升为工作行程时,由行程开关发出适时信号，提前切断油路滑行缓冲定位并在下腔油路上安装有单向顺序阀，用以避免因手臂自重下降，起支撑平衡作用。 3.2、油缸的选择

应实际要求需要，选用YBX型“限压式变量泵”

3.2.1、确定流量

41)夹紧缸：Q1（20210-6）0.0350.659L/min。

(2)手腕回转缸：Q2(3)手腕回转缸：

Q3[b(D2d2)/8]wb(Dd)w822-34310（632-432）10-62=1.074L/min

810010-3（1602-802）10-68442=22.6L/min

(4)手臂升降缸：Q4Vi(t)Di250210-60.07=8.24L/min

(5)手臂仰俯活塞缸：Q5VD20.232210-69.65l/min

443.2.2确定泵的动力

各缸分别为 ① 夹持器液压缸 P14MPa ② 伸缩臂液压缸 P22MPa ③ 升降臂液压缸 P31.8MPa

④ 回转液压缸 P44MPa

PPP3P140.54.5MPa

所以泵的额定压力可取

PP4.5MPa (4-3) 3.2.3、选择泵的型号为YBX—25[8]P45-106

排量 压力 输入功率 额定转速 最低转速 最高转速 YBX-25 25ml/r 6.3Mpa 2.6Kw 1450r/min 600r/min 1500r/min 3.2.4、油泵电机的选择

p—泵的实际最大工作压力 Mpa

Q—泵在p压力下的实际流量 l/min ηt--泵的总效率 0.650.75

6.310636.2510-35.8KW 故选用电机Y-123M1，额定功率 N600.657.5kw。

3.2.5、液压元件的选择 液压元件的选择,如表5.2所示 表5.2 编号 1 2 4 3 5 6 7 10,16 11,17 元件名称 型号 规格 6.3Mpa,32L/min 数量 1 线隙型过滤器 XU-B32X100 电动机 齿轮泵 溢流阀 Y-123M1 YBX-25 Y-D6B 7.5kw ,1450r/min 1 6.3Mpa，1450r/min 1 6.3Mpa，Ф6 14Mpa，Ф6 21Mpa，Ф10 0~10Mpa 14Mpa，Ф6 21Mpa，Ф10 1 1 1 1 2 2 电磁换向阀 22D0-B6CTZ 单向阀 压力表 电磁换向阀 电磁换向阀 DIF-L10H1 Y-60 22D0-B6CTZ 34D0-B10H 8,14 节流阀 L-D10B L-D6B 10Mpa，Ф10 10Mpa，Ф6 2 7 9,15,20,2节流阀 1,25,26,30 12,18 22,27 23,28 31 32 34 35 36 单向顺序阀 电磁换向阀 电磁换向阀 电磁换向阀 液控单向阀 压力继电器 减压阀 压力表开关 X2F-B10C 22D0-B6CTZ 34D0-B6CTZ 23D0-B6CTZ DFY-L10H1 DP-100 YF-L10C YK2-6 14Mpa，Ф10 14Mpa，Ф6 14Mpa，Ф6 14Mpa，Ф6 21Mpa，Ф10 （0.6~10）Mpa 14Mpa，10 10Mpa ，Ф6 2 2 2 1 1 1 1 1 3.3、辅助元件选择

供尺寸参考所接元件接口尺寸选择 用181.5塑料 油箱的选择

UmQP U——油箱有效容积 单位 L M——系数，对中压系统取5min

QP——液压泵流量，单位 L/min

U536.25181.25L

3.4、系统液压图

臂部伸缩臂部升降臂部回转腕部回转夹紧～

3.4.1、确定现场器件的动作顺序

依据机械手动作循环及电磁铁的动作顺序，确定现场器件的动作顺序。

电磁铁动作顺序表 电磁铁序号 动作循环 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 臂 伸出 部 伸出缓冲 伸 缩回 缩 缩回缓冲 臂 上升 部 上升缓冲 升 下降 降 下降缓冲 臂 正转 部 正转缓冲 回 反转 转 反转缓冲 停止 腕 正转 部 正转缓冲 回 反转 转 反转缓冲 停止 夹 夹紧 持 松开 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 原位卸荷 + 3.4.2现场器件及PLC的连线

SB1SB2SB3启动复位X000停止X001X110COM1X002X003X004X005X006X007X010X011X012X013X100X101X102X103X104X105COM2PLCFUCOM3Y000Y001Y002Y003Y004Y005Y006Y007Y010Y011Y012Y013Y014Y015Y016电源HL1 YA2 YA3 YA4 YA5 YA6 YA7 YA8 YA9 YA10YA11YA12YA13YA14YA原位指示灯原位卸荷伸/缩缓冲降/升缓冲臂正/反转缓冲腕正/反转缓冲臂部伸出臂部缩回臂部升臂部降臂部正转臂部反转腕部正转腕部反转夹紧220V臂伸缩原位臂缩缓冲臂伸缓冲臂伸缩限位臂升降原位臂降缓冲臂升缓冲臂升降限位臂回转原位臂反转缓冲臂正转缓冲臂回转限位腕回转原位腕反转缓冲腕正转缓冲腕回转限位~SQ1SQ2SQ3SQ4SQ5SQ6SQ7SQ8SQ9SQ10SQ11SQ12SQ13SQ14SQ15SQ1624V图三—2 现场器件与PLC的实际连线

图

3.4.3、梯形图及程序指令表

依据机械手动作循环“原点-臂伸-臂伸缓-臂升-臂升缓-臂正转-臂转缓-腕正转-腕转缓-夹紧、延时-腕回转-腕转缓-臂反转-臂转缓-臂降-臂降缓-臂缩-臂缩缓-松开/延时-延时/卸荷” 。 程序梯形图：

语句表：

四、设计主要内容

本设计说明书主要对于伸缩臂，液压系统及PLC控制编程进行的设计思想和设计过程。内容主要包括：伸缩臂确定，采用了液压及电动驱动系统，相应的涉及到电机和液压缸的选择计算，总体结构设计、主要部件的受力分析和强度校核。

在设计过程中，本人综合运用了三年来所学到的专业知识，感觉到自己

专业知识中某方面的欠缺，通过再次的复习，明显感觉到了知识的增长，我们从中学到了很多的知识，也体会到了毕业设计的综合性，结合辅导老师的指导及自己的专业知识和生产实践，才能完成此次设计任务。

五、参考文献

[1] 濮良贵,纪名刚主编.机械设计（第七版）.北京:高等教育出版社，2001 [2] 孙恒,陈作模主编.机械原理.高等教育出版社.2000 [3]徐灏主编.机械设计手册.北京:机械工业出版社，1991

[4] 杨曙东，何存兴.液压及气压传动.华中科技大学出版社.2008