苏州科技学院本科生毕业设计(论文)
3.1.3 手臂升降缸
设计具体采用方案：
机械手的垂直手臂（大臂）升降运动为直线运动。直线运动的实现一般是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。此机械手手臂的驱动选择液压驱动方式，通过液压缸的直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件。
因为液压系统能提供很大的驱动力，因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实现的，关键是机械手运动的稳定性和刚度的满足。因此手臂液压缸的设计原则是缸的直径取得大一点（在整体结构允许的情况下），再进行强度的较核。
机身升降机构（大臂）的计算：
1、手臂偏重力矩的计算
由机械手机构设计部分得数据如下： （1） G总?G工件?G爪?G臂=75Kg
(2) 计算零件的重心位置，求出重心到回转轴线的距离?：
???工件G工件??爪G爪??臂G臂G总?673mm
所以，回转半径??673mm (3) 计算偏重力矩
M偏?G总?
M偏?G总??75Kg?9.8?0.673m?495N?m
手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算
P?P惯?P摩?P密?P回?G
式中F摩——摩擦阻力，各支承处的摩擦力（N） P摩?4R1f 取f=0.16 G——零件及工件所受的总重。 （1）F惯的计算
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F惯?G总?vg?t
设定速度为?V=0.07m/s;起动或制动的时间差?t=0.02s;G总近似估算为110Kg;将数据带入上面公式有：
P惯?G总?vg?t?110?0.07?385N
0.02（2）P摩的计算
P摩?4R1f
R1?R2?R3?R4?? P摩G总?h?110Kg?9.8N/Kg?673mm?1684.4N
430.72mm?4R1f?4?1684.4?0.16?1078N
（3）液压缸在这里选择O型密封，所以密封摩擦力可以通过近似估算
P密?0.03P
最后通过以上计算
当液压缸向上驱动时，P=(385+1078+110×9.8)/0.97=2620N
当液压缸向下驱动时，P=(385+1078-110×9.8)/0.97=397N
2、油缸结构尺寸的确定
图6 液压缸受力简图
当油进入无杆腔，
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P?P??p11?D24?
当油进入有杆腔中，
??D2?d2?3p?p1??p1???D2?p1
416液压缸的有效面积：
F?P p1故有 D?4PP （无杆腔） ?1.13?p1??p1p3??p1 D?4 （有杆腔）
式中 P----活塞的驱动力(N) P1---供油的工作压力(MPa)
d----活塞杆直径(mm),本案初设d=D/2 D----油缸内径(mm)
η----油缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶可取η=0.95 据上述计算，P=2620N P1=1MPa，按有杆腔进行计算，其结果必然满足无杆腔的力学要求。
将有关数据代入： D?4p3??p1?4?2620?68.4
3???1?0.95根据油缸内径系列（GB/T2348-93），选择标准液压缸内径，D=80mm. 活塞杆直径d=80/2=40mm。 （1） 液压缸外径的设计
本案液压缸考虑铸造结构，考虑到铸造的最小壁厚要求，故最小不小于3mm，而驱动压力又较低，故厚度不超过10mm。按中等壁厚进行计算(0.3>D/δ>0.08)：
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p计D???CO
(2.3[?P]?3PMAX)?式中 ?----强度系数(当为无缝钢管时取值为1，本案为铸造式，取值0.7 C----计入管壁公差及侵蚀的附加厚度 ???----油缸材料的许用应力(MPa)；?????bn，其中?b为油缸材料的
抗拉强度，n为安全系数，一般n=3～12，这里取5，同伸缩缸选择。 一般常用缸体材料的许用应力 ???为：取材料抗拉强度为500MPa，
得铸钢： ???=100MPa
代入数据得：
p计D1.3?1?80?CO??2?2.66 ??(2.3[?P]?3PMAX)?(2.3?100?3?1)?0.7圆整为3mm，即缸体外径86mm。 3、活塞杆的计算校核
①强度校核
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10—15倍以上，按拉、压强度计算：
4pns[?]???2?d 式中 P为液压缸最大推力
ns为安全系数，一般取2~4，这里取4
设计中活塞杆取材料为铸钢，故进行校核：
???=100MPa，活塞直径d=40mm,L=1000mm,现在
??4Pns2620?4?4??8.34Mpa?100Mpa 22?d??40结论： 1.活塞杆的强度足够。
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2.稳定性校核
本案L?（10—15）d，应进行稳定性校核。稳定性条件可表示为 P?式中 Pk----活塞杆弯曲失稳临界力(N)
nk----安全系数，一般为2～4，一般取3.5，在此取最大4。
Pk nkIs?d4/64d??本案中，i?2A?d/44??
?li?0.5?1000?50??1?50，故按大柔度杆计算
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?2E?2?20000025??20?9.5?10N 根据欧拉公式得： Pk?2F?2?50 式中 ?----活塞杆计算柔度
l----活塞杆长度(mm)，本案取值1000mm i----活塞杆横截面的惯性半径，取值为d/4 F----活塞杆截面积
E----活塞杆材料的弹性模量(MPa) E=200000 ?----长度折算系数，本案取值0.5
?1----特定柔度值，本案取50 将Pk值代入：
Pk950000??237500N?P?2620N n4 k故稳定性符合要求。
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