液压搬运机械手的设计.doc

济南大学毕业设计

毕业设计

题 目 液压搬运机械手的设计
摘 要
液压搬运机械手是一种被设计用于深孔镗床上下料，可以重复编程、具有多种功能的专用设备，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化。通过文献检索、企业调研，对液压搬运机械手的整机结构、功能特点进行归纳分析，对国内外工业机械手的发展状况进行了总结。本文对液压搬运机械手的主要结构进行了详细的设计，其中对上下料机械手的总体结构，运动过程都做了详细的讨论。同时对机械手的手指夹紧，小手臂伸缩以及大、小手臂俯仰等动作进行了分析、计算，最终确定其尺寸。而后，介绍了搬运机械手液压驱动系统的工作原理及液压元件的选用及设计过程。最后，简要介绍了液压搬运机械手的电气控制系统部分。
通过计算分析校核，液压搬运机械手的设计基本达到了预期的设计要求，实现了机械手承载能力大、运动平稳和任意位置安全自锁等性能要求。

关键词：机械手；液压系统；搬运机构

ABSTRACT
Hydraulic carrying manipulator is designed for a deep hole boring machine loading and unloading, reprogrammable, multifunctional equipment. It can replace human heavy labor to achieve the mechanization and automation of production. Through literature search, business research, I have summarized and analyzed the hydraulic manipulator’s whole structure and function characteristics, summarized domestic and foreign industrial robot’s development. In this paper, the main structure of hydraulic carrying manipulator is designed in detail, in which the overall structure of the loading and unloading robot, motion process is discussed in detail. At the same time, the clamping fingers, small telescopic arm, small and large pitch arm and other activities of the manipulator were analyzed, calculated and its size is ultimately determined. Then, working principle of hydraulic drive system and the selection and design process of hydraulic components of the hydraulic handling manipulator are introduced. Finally, the electrical control system of the hydraulic handling manipulator is descripted in brief.
Through calculation and analysis, the design of hydraulic carrying manipulator has reached the design requirements which is expected, the manipulator carrying capacity, smooth movement and arbitrary position safe self-locking etc performance requirements is realized.

Key words：Manipulator; Hydraulic system; Handling agencies

目 录
摘要…………………………………………………………………………..…….….…….I
ABSTRACT…….……….……………………….……………………..…………….II
1 前言 …………….……….…………………………………………….….……………..1
1.1液压搬运机械手发展方向…..........................………….………….………..1
1.2液压搬运机械手设计目的………………………………………………………..1
1.3 液压搬运机械手设计任务…..........................………….………….………..2
1.3.1 设计方案….......….......………………………….…....……..……2
1.3.2设计要求….......….......………………………….…....……..……2
2液压搬运机械手的机构设计...……..….………………………….…..….………….4
2.1 液压搬运机械手运动简图………………………………….….……………4
2.2液压搬运机械手手部结构设计及计算………………...………………..4
2.2.1 “滑槽杠杆式”手部结构的设计与计算………………….….……………5
2.2.2手指夹紧力计算………………………………………….….……………6
2.2.3手指夹紧缸驱动力计算………………………………….….……………7
2.2.4手指夹紧液压缸的计算…………………………….….…………………7
2.2.5液压缸缸盖联接方式与强度计算………………….….…………………9
2.3液压搬运机械手横移腕部结构设计及计算…………...………………11
2.3.1腕部横移液压缸驱动力计算…………………………….….…………11
2.3.2腕部液压缸的计算……………………………………….….…………13
2.3.3液压缸缸盖联接方式与强度计算……………………….….…………15
2.4液压搬运机械手小臂伸缩缸设计及计算……………...………………15
2.4.1小臂伸缩液压缸驱动力计算…………………………….….…………16
2.4.2小臂伸缩液压缸的计算………………………………….….…………18
2.4.3液压缸缸盖联接方式与强度计算……………………….….…………19
2.5液压搬运机械手小臂俯仰液压缸设计及计算………...………………20
2.5.1小臂俯仰液压缸驱动力矩计算………………………….….…………20
2.5.2小臂俯仰液压缸驱动力的计算………………………….….…………21
2.5.3小臂俯仰液压缸的计算………………………………….….…………22
2.5.4液压缸缸盖联接方式与强度计算……………………….….…………23
2.6液压搬运机械手大臂俯仰液压缸设计及计算………...………………23

2.6.1大臂俯仰液压缸驱动力矩计算………………………….….…………23
2.6.2大臂俯仰液压缸驱动力的计算………………………….….…………25
2.6.3大臂俯仰液压缸的计算………………………………….….…………25
2.6.4液压缸缸盖联接方式与强度计算……………………….….…………26
3液压驱动系统设计….……….…………………………………………….….……27
3.1液压驱动系统传动方案的确定………………………………….….……27
3.2计算和选择液压元件……………………………………….….……………28
3.2.1液压泵及电动机的选择………………………………….….…………28
3.2.2油箱容积的计算………………………………………….….…………29
3.2.3液压元件的选定……………………………………….….……………30
4电气控制系统简介.………………………………………………….….………………32
5 结论......................……….………….……………………..….……...…..….………...34
参考文献......................…………….…………………..….…..……………….………….35
致谢......................………………….……………………..…….…………...…………….37
附录......................……………………………………………………………….………38

- V -
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1 前言
1.1 液压搬运机械手发展方向
机械手是一种被设计用来搬运物体、部件、工具或特定设备的，可以重复编程、具有多种功能的操作器。它通过一系列可变的程控动作来完成各种各样的任务。进入20世纪90年代以来，由于具有一般功能的传统工业机械手的应用趋向饱和，而许多高级生产和特种应用则需要具有各种智能的机械手参与，因而促使智能机械手获得较为迅速的发展。无论从国际或国内的角度来看，复苏和继续发展机器人产业的一条重要途径就是开发具有各种功用的机械手，以求提高机械手的性能，扩大其功能和应用领域。回顾近10多年来国内外机械手技术的发展历程，可归结出下列趋势：
1）传感型机械手发展较快
2）开发新型智能技术
3）采用模块化设计技术
4）机器人工程系统呈上升趋势
5）微型机械手的研究有所突破
6）应用领域向非制造业和服务业扩展
液压机械手在国内外从20世纪60年代开始使用，最近三四十年发展尤为迅速，而且机械手进入了一个快速发展的时期。随着新技术的不断出现，特别是液压技术的应用，给机械手带来了更为广阔的发展空间。液压技术与微电子技术、计算机控制技术以及传感技术的紧密结合大大提高了机械手的自动化程度，从而进一步提高了生产效率，降低了成本，提高了作业舒适性，使其安全性、可靠性、使用寿命和操作性能都更上一层楼。
从整个工业领域来看，对工业机械手的需求越来越大，性能指标越来越高。运动学系统是工业机械手的底层核心部分，对其关键技术，如运动学建模、运动学方程的求解、运动空间插值算法等的研究，将从很大程度上决定着一个机械手系统的基本性能。随着科技的发展，机器人已成为工业的现代化程度的标志。总的来说，对机械手控制及运动系统的研究在理论和应用上都具有重要的意义。
1.2 液压搬运机械手设计目的
在机械制造工业中，工业机械手常用作在单机或自动线上抓取传送工件、刀具、材料等，可以使操作工人从繁重、单调、重复的体力劳动中解放出来。因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门，特别是在高温、危险的作业环境（放射性、有害气体、粉尘、易燃、易爆等）中代替人的部分操作，不仅能大大减轻人的劳动强度，提高产品质量和生产效率而且保证了人生安全。
本次设计的目的有如下几点：
（1）通过液压搬运机械手的设计，把有关课程的中所获得的理论知识在实际中综合的加以运用，使这些知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产密切的结合起来。因此，液压搬运机械手设计是今后走上工作岗位从事专业设计的基础。
（2）通过本次设计，培养自己独立的机械整机设计的能力，树立正确的设计思想，掌握机械产品设计的基础方法和步骤，为今后的设计工作打下良好的基础。
（3）在设计过程中，熟练地应用有关参考资料、计算图表、手册、图册和规范；熟悉有关的国家标准和部颁标准。
1.3 液压搬运机械手设计任务
此次设计的液压搬运机械手是一种用于深孔镗床上下料的专用工业机械手，设计工作主要包括了解上下料机械手的总体结构，运动过程，需对手指夹紧，手臂伸缩，手臂回转以及手臂俯仰等动作进行分析、计算，最终确定其尺寸。
1.3.1 设计方案
此次研究设计的机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。
液压搬运机械手是由执行机构、液压驱动系统和电气控制系统组成，此次设计的重点在于整机和主要零部件的结构设计，同时也要了解上下料机械手的总体结构，运动过程，而且需要对手指夹紧，手臂伸缩以及手臂俯仰等动作进行分析、计算，最终确定这些机构的尺寸。最后要对液压驱动系统和电气控制系统做一些简单的原理性的设计。
1.3.2 设计要求
此次设计的液压搬运机械手是车间生产线上用于深孔镗床上下料的专用机械手，此机械手可以自动抓取工件，从而使操作工人从繁重单调的体力劳动中解放出来。
因此要求设计的液压搬运机械手可以按以下顺序动作：原始位置——卸料动作——装料动作。具体动作顺序：⑴原始位置（大手臂竖立、小手臂伸出并处于水平位置、手腕横移向右、手指松开）——⑵手指夹紧（抓住卡盘上的工件）——⑶手腕横移向左（从卡盘上卸下工件）——⑷小手臂上摆——⑸大手臂下摆——⑹手指松开（将工件放在料架上）——⑺小臂收缩（料架转工位）——⑻小臂伸出——⑼手指夹紧（抓住待加工工件）——⑽大手臂上摆（由料架上取走工件）——⑾小手臂下摆——⑿手腕横移向右（机械手将工件装在深孔镗床的主轴卡盘上）——⒀手指松开（原位）。整个液压系统用一套油源，通过PLC控制系统来控制电磁换向阀，使机械手实现以上动作顺序。
1. 机械手抓取工件的最大重量200kg；
2. 机械手伸缩臂长为1.5m；
3. 机械手最大回转速度0.5rad/s；
4. 机械手最大回转角加速度0.3rad/；
5. 机械手能准确定位、平稳启动并可以在任意位置自锁。

2 液压搬运机械手的机构设计
液压搬运机械手机构的设计通常是先进行粗略的估算,或类比同类结构,根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸,在进行校核计算,修正设计,如此反复数次,绘出最终的结构。
2.1 液压搬运机械手运动简图
在设计与研究液压搬运机械手的主要机构之前，要先画出机械手的传动示意图，以便对现有的机械手进行分析，对新设计的机械手的传动方案进行比较以确定最佳方案，故通常用简单的运动符号表示。
根据设计要求，拟定的液压搬运机械手运动简图如下

图2.1 液压搬运机械手运动简图
2.2 液压搬运机械手手部结构设计及计算
手部是机械手直接用于抓取和紧握工件的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机械手手臂的前端。液压搬运机械手的手部可以完成手指抓紧和手腕横移两个运动。钳爪式手部结构是最常见的一种手部结构，按模仿人手手指的动作，手部结构可分为一支点回转型（图2.2a）、二支点回转型（图2.2b）和移动型（图2.2c），其中以二支点回转型为基本型式。

图2.2 手指运动型式示意图
回转型手指开闭角较小，结构简单 ，形状小巧，夹紧力大，制造容易，应用广泛。考虑到以上因素，故此选用二支点回转型手部结构。
2.2.1 “滑槽杠杆式”手部结构的设计与计算
滑槽杠杆式手部的结构简图如下所示

1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座
图2.3 滑槽杠杆式手部受力分析
图中，F——液压缸拉力
N——手指夹紧力
——两手指的滑槽对销轴的反作用力（O为销轴中心）
根据销轴的平衡条件，即得；得
(2-1)
由点力矩平衡条件得
(2-2)
(2-3)
其中，——手指的回转支点到对称中心线的距离
——工件夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间夹角
故由2-3式知：越大，N越大，但太大会导致拉杆行程过大以及滑槽尺寸增大，因此=。
2.2.2 手指夹紧力计算
手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据。一般来说，夹紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷（惯性力和惯性力矩），以使工件保持可靠地加紧状态。
手指对工件的夹紧力可按下式进行计算：
(2-4)
式中——安全系数，通常取=
——工作情况系数，主要考虑惯性力影响。可按下式近似估算
(2-5)
其中——运载工件时重力方向最大上升加速度
——重力加速度，
(2-6)
式中——运载工件时重力方向最大上升速度
——系统达到最高速度的时间，
——方位系数，由手指与工件形状和它们的位置选定，参见[1]表2-2
——工件重力（N）
由2-4式计算手指夹紧力N
① 选定安全系数=1.6
②由设计要求可估算，运载工件时重力方向最大上升速度，到达的时间可由设计要求推算为
(2-7)
则，取
故 工况系数
③由[1]表2-2查的
=0.5（手指水平放置夹水平放置圆棒）
综上①②③所述，知=1.6，=1.046，=0.5且估算工件重力
手指夹紧力
2.2.3 手指夹紧缸驱动力计算
由液压缸驱动力F与夹紧力N关系式
(2-8)
选定图2.3中的结构参数,b, 如下
=100mm，b=200mm, =
计算液压缸驱动力
(2-9)
手抓的机械效率一般取，故取
(2-10)
2.2.4 手指夹紧液压缸的计算
图2.4所示为手指夹紧液压缸的夹紧装置原理图，如下

图2.4 夹紧装置原理图
如图所示，液压缸的拉力为
(2-11)
选取活塞杆直径d=0.5D，压力油工作压力

根据液压缸内径系列（GB/T2348-1993）选取液压缸内径为，则活塞杆直径为
液压缸壁厚计算，在实际使用中有下列三种公式：
（1）中等壁厚：即16＞＞3.2时
(2-12)
式中 p——液压缸内工作压力
——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）
（2）薄壁：即16时
(2-13)
（3）厚壁：即当3.2时
(2-14)
式中
——材料抗拉强度
n——安全系数,n=3.55
一般常用缸体材料的许用应力:
锻钢=110120MPa
铸铁=60MPa
无缝钢管=100110MPa
选用缸体材料为锻钢=110120MPa，中等壁厚，则手指夹紧缸壁厚计算如下：

由JB1068-67查得标准液压缸外径mm，另根据设计要求和GB/T2349-1980选用活塞杆行程=50mm。
2.2.5 液压缸缸盖联接方式与强度计算

图2.5 液压缸缸盖联接方式与受力简图
缸盖的受力为保证联接的紧密性,必须规定螺钉的间距，然后决定螺钉的数目.每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为工作载荷和预紧力之和
(2-15)
式中
F ——驱动力（N）
Z——螺钉数目
P——工作压力（pa）
——预紧力=K,其中K=1.51.8
D——危险剖面直径(m)
螺钉的强度条件为

(2-16)
式中 ——计算载荷（N）;
=1.3
——工作载荷（N）且=
F——液压缸驱动力
Z——螺钉或螺栓个数
n=1.2~2.5
——抗拉许用应力(MPa)
——螺纹内径
——螺钉材料屈服极限（见表2.1）

表2.1常用螺钉材料的屈服极限
钢 号
10
Q215
Q235
35
45
40Cr
（MPa)
210
220
240
320
360
650~900

根据上表，螺栓或螺钉材料选用Q235，则
取螺栓或螺钉个数Z=4，n=2故 工作载荷=，所以由2-16式计算螺钉或螺栓直径如下
(2-17)
由“液压元件油口螺纹联接尺寸GB/T2878-1993”取M8螺钉
注：由于工作压力P=5MPa，故螺钉间距小于100mm（下同）。
2.3 液压搬运机械手横移腕部结构设计及计算
手腕部件设置于手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。
液压搬运机械手的腕部横移液压缸可以等效为如下简图进行计算：

图2.6 腕部横移液压缸等效受力简图
2.3.1 腕部横移液压缸驱动力计算
液压搬运机械手的腕部横移液压缸可以等效为做水平伸缩直线运动的液压缸进行设计计算。根据液压缸运动时所需要克服的摩擦、回油背压及惯性等几个方面的阻力，来确定液压缸所需的驱动力。
液压缸活塞驱动力计算
(2-18)
式中 ——摩擦阻力
——密封装置处的摩擦阻力
——液压缸回油腔低压油液所造成的阻力
——启动或者制动时，活塞杆所受的平均惯性
（1）的计算
由的计算公式进行计算
(2-19)
其中 ——参加运动的零部件重力（含工件）（N）
——运动部件之间的摩擦系数，钢对铸铁的摩擦系数一般取
根据2-19式，估算=2500 N，另取摩擦系数=0.28，则
N
（2）的计算
此缸采用“o”型密封圈进行密封，且工作压力MPa，d=0.5D，由图2.6知液压缸密封处总的摩擦力为

（3）的计算
一般背压阻力较小，可按=0.05F
（4）的计算
(2-20)
其中 G——参与运动的零部件所受的总重力（包括工件重量）
g——重力加速度，取9.81
——由静止加速到常速的变化量
——起动过程时间。一般取0.01—0.5 s，对轻载低速运动部件取较小值，对重载取较大值
根据2-20式，由设计要求取=0.1 m/s，=0.1 s，G=2500 N，则
N
根据（1）、（2）、（3）、（4）所分析，结合2-18式得：驱动力F

得 0.92F=955 N
N
2.3.2 腕部液压缸的计算

图2.7 双作用液压缸示意图
（1）腕部横移液压缸内径的计算
当油进入无杆腔时：

当油进入有杆腔时：

液压缸的有效面积：

故有：
（无杆腔） (2-21)
（有杆腔） (2-22)
式中 F ——驱动力（N）
——液压缸的工作压力（pa）
——活塞杆的直径（m）
——液压缸的直径（m）
——液压缸的机械效率。
初步设计中取机械效率为=0.85。代入已求得的F=1038 N, 则
无杆腔算得的液压缸内径D=16 mm，有杆腔算得的液压缸内径为D=19.3 mm，故由GB/T 2348-1993 取 D=32 mm。取
活塞杆直径d=0.5D、工作压力p=5 MPa，所以d=16 mm
（2）腕部横移液压缸壁厚及外径的计算：
腕部横移液压缸设计成中等壁厚，中等壁厚：即16＞＞3.2时

式中 p——液压缸内工作压力
——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）
一般常用缸体材料的许用应力:
锻钢=110120MPa
铸铁=60MPa
无缝钢管=100110MPa
选用缸体材料为锻钢=110MPa，中等壁厚，则腕部横移缸壁厚计算如下：

由JB1068-67查得标准液压缸外径mm，另根据设计要求和GB/T2349-1980选用活塞杆行程=80mm。
2.3.3 液压缸缸盖联接方式与强度计算
根据表2.1，螺栓或螺钉材料选用Q235，则，取螺栓或螺钉个数Z=4，MPa。故 由2-16式计算螺钉或螺栓直径如下：

——工作载荷（N）且=
F——液压缸驱动力
将驱动力 N带入上式求得
mm
由“液压元件油口螺纹联接尺寸GB/T2878-1993”取M5螺钉
2.4 液压搬运机械手小臂伸缩缸设计及计算
臂部运动的目的是把手部送到空间运动范围内的任意一点。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既直接承受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动又较多，故手里复杂。因而，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度等直接影响机械手的工作性能。
液压搬运机械手的小臂结构采用双导向杆的手臂伸缩机构，由于手臂伸缩缸安装在两根导向杆之间，由导向管承受弯曲作用，活塞杆均受拉压，故受力简单，传动平稳。
液压搬运机械手的小臂伸缩液压缸可以等效为如下简图进行计算：

图2.8 机械手小臂伸缩液压缸受力等效简图
2.4.1 小臂伸缩液压缸驱动力计算
液压搬运机械手的小臂伸缩液压缸可以等效为做垂直伸缩直线运动的液压缸进行设计计算。根据液压缸运动时所需要克服的摩擦、回油背压及惯性等几个方面的阻力，来确定液压缸所需的驱动力。
液压缸活塞驱动力计算
(2-23)
式中 ——摩擦阻力,。手臂运动时，为运动件表面的摩擦阻力。若是导向装置，则为活塞和缸壁等处的摩擦阻力
——密封装置处的摩擦阻力
——液压缸回油腔低压油液所造成的阻力
——启动或者制动时，活塞杆所受的平均惯性
——零部件及工件所受总重力
（1）的计算
由摩擦阻力的计算公式进行计算
(2-24)
其中 ——摩擦系数，取=0.18
——如图2.8，导向杆与导向套筒间的摩擦阻力。为保证小臂伸缩液压缸不产生卡死现象，则。取=500 N
根据2-24式，计算的为
N
（2）的计算
小臂伸缩液压缸采用“o”型密封圈进行密封，且工作压力MPa，d=0.5D，由图2.8知液压缸密封处总的摩擦力为
(2-25)
又

其中 F——驱动力

式中 ——工作压力，取5 MPa
——摩擦阻力，（取）
——伸缩油管直径（m）
——密封有效长度（m）
根据设计要求，取d=0.04m， =0.00265
N
（3）的计算
一般背压阻力较小，可按=0.05F
（4）的计算
(2-26)
其中 G——参与运动的零部件所受的总重力（包括工件重量）
g——重力加速度，取9.81
——由静止加速到常速的变化量,取=0.2 m/s
——起动过程时间。一般取0.01—0.5 s，对轻载低速运动部件取较小值，对重载取较大值
根据2-26式，由设计要求取=0.2 m/s，=0.2 s，G=3000 N，则
N
根据以上（1）、（2）、（3）、（4）所分析，结合2-23式得：驱动力

N
取液压缸机械效率，则 驱动力 N
2.4.2 小臂伸缩液压缸的计算
（1）小臂伸缩液压缸内径的计算
根据2-21、2-22式，初步设计中取机械效率为=0.85。代入已求得的驱动力F=4400 N, 则
由
得
mm
故由GB/T 2348-1993 取 D=40 mm。取
活塞杆直径d=0.5D、工作压力p=5 MPa，所以d=20 mm
（2）小臂伸缩液压缸壁厚及外径的计算：
小臂伸缩液压缸设计成中等壁厚，中等壁厚：即16＞＞3.2时

式中 p——液压缸内工作压力
——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）
一般常用缸体材料的许用应力:
锻钢=110120MPa
铸铁=60MPa
无缝钢管=100110MPa
选用缸体材料为锻钢=110MPa，中等壁厚，则小臂伸缩液压缸壁厚计算如下：

由JB1068-67查得标准液压缸外径mm，另根据设计要求和GB/T2349-1980选用活塞杆行程=800mm。
2.4.3 液压缸缸盖联接方式与强度计算
根据表2.1，螺栓或螺钉材料选用Q235，则，取螺栓或螺钉个数Z=4，MPa。故 由2-16式计算螺钉或螺栓直径如下：

——工作载荷（N）且=
——液压缸驱动力
将驱动力 N带入上式求得
mm
由“液压元件油口螺纹联接尺寸GB/T2878-1993”取M8螺栓
2.5 液压搬运机械手小臂俯仰液压缸设计及计算
液压搬运机械手小臂俯仰液压缸可以为机械手的小臂作回转运动提供动力，经过分析知液压缸处于初始位置时的受力最大，机械手初始位置模型如下：

图2.9 机械手初始位置模型
2.5.1 小臂俯仰液压缸驱动力矩计算
驱动手臂仰俯的驱动力矩，应克服手臂等部件的重量对回转轴线所产生的偏重力矩和手臂在启动时所产生的惯性力矩以及各回转副处摩擦力矩，即
(2-27)
式中 ——铰接处的摩擦力矩，采用滚动轴承时=0
——手臂等部件重量对回转轴线（转动点A）的偏重力矩（NM）
——手臂做俯仰运动时启动的惯性力矩
(2-28)
式中 ——工件对手臂回转轴线的转动惯量（）
——手臂回转部件对手臂回转轴线转动惯量（）
——手臂回转过程的角速度
——起动过程中所需的时间（s），一般取
故

由设计要求 ，取 s 则

由图2.9模型可计算

根据2-27式，计算得

2.5.2 小臂俯仰液压缸驱动力的计算
根据图2.9知，
N
2.5.3 小臂俯仰液压缸的计算
（1）小臂俯仰液压缸内径的计算
根据2-21、2-22式，初步设计中取机械效率为=0.85。代入已求得的驱动力F=38250 N, 则
由
得
mm
故由GB/T 2348-1993 取 D=100 mm。取
活塞杆直径d=0.5D、工作压力p=5 MPa，所以d=50 mm
（2）小臂俯仰液压缸壁厚及外径的计算：
小臂俯仰液压缸设计成中等壁厚，中等壁厚：即16＞＞3.2时

式中 p——液压缸内工作压力
——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）
一般常用缸体材料的许用应力:
锻钢=110120MPa
铸铁=60MPa
无缝钢管=100110MPa
选用缸体材料为锻钢=110MPa，中等壁厚，则小臂俯仰液压缸壁厚计算如下：

由JB1068-67查得标准液压缸外径mm，另根据设计要求和GB/T2349-1980选用活塞杆行程=1000mm。
2.5.4 液压缸缸盖联接方式与强度计算
根据表2.1，螺栓或螺钉材料选用Q235，则，取螺栓或螺钉个数Z=6，MPa。故 由2-16式计算螺钉或螺栓直径如下：

——工作载荷（N）且=
——液压缸驱动力
将驱动力 N带入上式求得
mm
由“液压元件油口螺纹联接尺寸GB/T2878-1993”取M12螺栓
2.6 液压搬运机械手大臂俯仰液压缸设计及计算
液压搬运机械手大臂俯仰液压缸可以为机械手的大臂（既机身）作回转运动提供动力，经过分析知液压缸处于终止位置时受力最大，机械手终止位置模型如下：

图2.10 机械手终止位置模型
2.6.1 大臂俯仰液压缸驱动力矩计算
驱动手臂仰俯的驱动力矩，应克服手臂等部件的重量对回转轴线所产生的偏重力矩和手臂在启动时所产生的惯性力矩以及各回转副处摩擦力矩，即
(2-29)
式中 ——铰接处的摩擦力矩，采用滚动轴承时0
——手臂等部件重量对回转轴线的偏重力矩（NM）
——手臂做俯仰运动时启动的惯性力矩
(2-30)
式中 ——工件对手臂回转轴线的转动惯量（）
——手臂回转部件对手臂回转轴线转动惯量（）
——手臂回转过程的角速度
——起动过程中所需的时间（s），一般取
故

由设计要求 ，取 s 则

由图2.10模型可计算

根据2-29式，计算得

2.6.2 大臂俯仰液压缸驱动力的计算
根据下图大臂俯仰液压缸受力简图

图2.11 大臂俯仰液压缸受力简图
知，
N
2.6.3 大臂俯仰液压缸的计算
（1）大臂俯仰液压缸内径的计算
根据2-21、2-22式，初步设计中取机械效率为=0.85。代入已求得的驱动力F=30328 N, 则
由
得
mm
故由GB/T 2348-1993 取 D=90 mm。取
活塞杆直径d=0.5D、工作压力p=5 MPa，所以d=45 mm
（2）大臂俯仰液压缸壁厚及外径的计算：
大臂俯仰液压缸设计成中等壁厚，中等壁厚：即16＞＞3.2时

式中 p——液压缸内工作压力
——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）
一般常用缸体材料的许用应力:
锻钢=110120MPa
铸铁=60MPa
无缝钢管=100110MPa
选用缸体材料为锻钢=110MPa，中等壁厚，则大臂俯仰液压缸壁厚计算如下：

由JB1068-67查得标准液压缸外径mm，另根据设计要求和GB/T2349-1980选用活塞杆行程=400mm。
2.6.4 液压缸缸盖联接方式与强度计算
根据表2.1，螺栓或螺钉材料选用Q235，则，取螺栓或螺钉个数Z=6，MPa。故 由2-16式计算螺钉或螺栓直径如下：

——工作载荷（N）且=
——液压缸驱动力
将驱动力 N带入上式求得
mm
由“液压元件油口螺纹联接尺寸GB/T2878-1993”取M10螺栓
3 液压驱动系统设计
液压驱动技术是一种比较成熟的技术,它具有动力大,力(或力矩)惯量比大,快速响应高,易于实现直接驱动等特点,适用于承载能力大的工作场合。考虑到液压系统以上的一些特点，