機械手臂部的設(shè)計及有關(guān)計算

機械手臂部的設(shè)計及有關(guān)計算手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。手臂運動應該包括3個運動：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。本章敘述手臂的伸縮運動，手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動設(shè)置在機身處，將在下一章敘述。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部應該具備3個自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運動。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。1.1臂部設(shè)計的基本要求一、臂部應承載能力大、剛度好、自重輕（1）根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離。合理布置作用力的位置和方向。注意簡化結(jié)構(gòu)。提高配合精度。二、臂部運動速度要高，慣性要小機械手手部的運動速度是機械手的主要參數(shù)之一，它反映機械手的生產(chǎn)水平。對于高速度運動的機械手，其最大移動速度設(shè)計在10?15mm/s,最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計在18撲內(nèi)，大部分平均移動速度為10mm,，'s，平均回轉(zhuǎn)角速度在9.,京在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有3個途徑：減少手臂運動件的重量，采用鋁合金材料。減少臂部運動件的輪廓尺寸。減少回轉(zhuǎn)半徑，再安排機械手動作順序時，先縮后回轉(zhuǎn)(或先回轉(zhuǎn)后伸縮)，盡可能在較小的前伸位置下進行回轉(zhuǎn)動作。（4）驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。三、手臂動作應該靈活為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機械手，其傳動件、導向件和定位件布置合理，使手臂運動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件?？偨Y(jié)：以上要求是相互制約的，應該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設(shè)計出完美的、性能良好的機械手。1.2手臂的典型機構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇1.2.1手臂的典型運動機構(gòu)常見的手臂伸縮機構(gòu)有以下幾種：（1）雙導桿手臂伸縮機構(gòu)。（2）手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉(zhuǎn)運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉(zhuǎn)運動組合，兩直線運動的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)。雙活塞桿液壓崗結(jié)構(gòu)?；钊麠U和齒輪齒條機構(gòu)。1.2.2手臂運動機構(gòu)的選擇通過以上，綜合考慮，本設(shè)計選擇雙導桿伸縮機構(gòu)，使用液壓驅(qū)動，液壓缸選取雙作用液壓缸。1.3手臂直線運動的驅(qū)動力計算先進行粗略的估算，或類比同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關(guān)機構(gòu)的主要尺寸，再進行校核計算，修正設(shè)計。如此反復，繪出最終的結(jié)構(gòu)。做水平伸縮直線運動的液壓缸的驅(qū)動力根據(jù)液壓缸運動時所克服的摩擦、慣性等幾個方面的阻力來確定液壓缸所需要的驅(qū)動力。液壓缸活塞的驅(qū)動力的計算。FFFFF摩密回慣(1.1)1.3.1手臂摩擦力的分析與計算分析：摩擦力的計算不同的配置和不同的導向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據(jù)具體情況進行估算。上圖是機械手的手臂示意圖，本設(shè)計是雙導向桿，導向桿對稱配置在伸縮崗兩側(cè)。1690A——0A——TL_L_—回轉(zhuǎn)軸統(tǒng)G總圖1.1機械手臂部受力示意計算如下: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。GLaF總bGLF-總-baFF% b>FF% b>'Fa'Fb'G總2Laa(1.2)式中G——參與運動的零部件所受的總重力（含工件）（N）；L手臂與運動的零部件的總重量的重心到導向支撐的前端的距離（m）,參考上一節(jié)的計算;a導向支撐的長度（m）;'——當量摩擦系數(shù)，其值與導向支撐的截面有關(guān)。對于圓柱面:土?-1.27-1.572 摩擦系數(shù)對于靜摩擦且無潤滑時:鋼對青銅：取0.1?0.15鋼對鑄鐵：取 摩擦系數(shù)對于靜摩擦且無潤滑時:鋼對青銅：取0.1?0.15鋼對鑄鐵：取0.18?0.3計算：導向桿的材料選擇鋼，導向支撐選擇鑄鐵0.201.50.3，G1070N0.201.50.3，Ga設(shè)計為0.016m將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進行計算FG'生10700.321.410.165978.6N摩總a0.161.3.2手臂慣性力的計算本設(shè)計要求手臂平動是V5m『min，在計算慣性力的時候,設(shè)置啟動時間t0.2s，啟動速度VV0.083m；'S，(1.3)F」1070N嘗455N慣9.8NKg0.02S?1.3.3密封裝置的摩擦阻力不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計中，采用O型密封，當液壓缸工作壓力小于10Mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：f0.03F。封經(jīng)過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅(qū)動力:F0.03FFF=6210N摩慣1.4液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定經(jīng)過上面的計算，確定了液壓缸的驅(qū)動力F=6210N,根據(jù)表3.1選擇液壓缸的工作壓力P=2MPa(1)確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸：液壓缸內(nèi)徑的計算，如圖1.2所示圖1.2雙作用液壓缸示意圖當油進入無桿腔，當油進入有桿腔中，D2d2FFp24液壓缸的有效面積:(1.4)DWU4F(無桿腔)4F—d2(1.4)DWU4F(無桿腔)4F—d2p1(1.5)0.95F=6210N,P12106pa，選擇機械效率0.95將有關(guān)數(shù)據(jù)代入：DE1.13土1.1*―6210—0.04460Hp1、：p1\0.952106根據(jù)表4-1(JB826-66),選擇標準液壓缸內(nèi)徑系列，選擇D=45mm.(2)液壓缸外徑的設(shè)計根據(jù)裝配等因素，考慮到液壓缸的壁厚在2.5mm,所以該液壓缸的外徑為50mm.(3)活塞桿的計算校核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:-L一d24活塞直(1.6)活塞直設(shè)計中活塞桿取材料為碳剛，故1?120Mpa，徑d=3