【文章內(nèi)容簡介】 2 21 1 1 4 0 2 2 0 1 0 0 0 . 3 4 1 . 8 13 3 9 . 8J m l N m s????? ? ? ? ? ? ????? 2 2 21 1 1 5 0 1 5 00 . 0 2 5 0 . 4 8 3 . 5 32 9 . 8 9 . 8J N m s? ? ? ? ? ? ? ? 那么 ? ? 21 . 9 6 31 . 8 1 3 . 5 3 6 5 . 50 . 1 5 7M N m? ? ? ? ?慣 合肥工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文集 15 、摩擦阻力矩 M摩 的計(jì)算 ? 驅(qū)摩 (212) 三、偏重力矩 M偏 的計(jì)算 M偏 =0 解得 N m??驅(qū) 根據(jù)表選擇液壓缸內(nèi)徑 60D mm? ，輸出軸直徑為 25d mm? ，動片寬度為50b mm? ，那么回轉(zhuǎn)缸工作壓力為 ? ?222MP b R r? ? (213) 式中 R—— 缸體內(nèi)壁半徑（ m） r—— 輸出軸半徑（ m） b—— 動片寬度（ m） 解得 ? ? ? ?2 2 2 22 2 7 2 . 8 4 . 30 . 0 5 0 . 0 3 0 . 0 1 5MP M p ab R r ?? ? ?? ? ? 基于 PLC 控制的球坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 16 第四章 臂部的設(shè)計(jì)計(jì)算 臂部是機(jī)械手的主要執(zhí)行。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(yùn)動。手臂運(yùn)動應(yīng)該包括 3 個(gè)運(yùn)動：。 臂部運(yùn)動的目的是把手部送到空間運(yùn)動范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài) (方位 )則由腕部的自由度實(shí)現(xiàn)。因而機(jī)械手的臂部一般具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求 :即手部的伸縮 回轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動。臂部的各種運(yùn)動通常用驅(qū)動機(jī)構(gòu)(油缸或氣缸 )和各種傳動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況看，他在工作中既直接承受腕部 手部和工件的靜 動載荷，而且自身運(yùn)動又較 多，因而它的結(jié)構(gòu)和工作范圍靈活性以及抓重大小和定位精度等都直接影響機(jī)械手的工作性能。 臂部設(shè)計(jì)的基本要求 、臂部應(yīng)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。 2提高支撐剛度和合理選擇支撐間的距離。 3合理布置作用力的位置和方向。 4盡可能使結(jié)構(gòu)簡單化 5水平放置的手臂，應(yīng)該增加導(dǎo)向桿的剛度 6提高活塞和缸體內(nèi)徑配合精度，以提高手臂伸縮時(shí)的剛度。 、臂部要運(yùn)動速度高，慣性小 機(jī)械手手部的運(yùn)動速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平。對于高速度 運(yùn)動的機(jī)械手，其最大移動速度設(shè)計(jì)在 1000 ~ 1500mm s,最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計(jì)在 180s? 內(nèi)，在大部分行程上平均移動速度為回轉(zhuǎn)角速度在1000mms 。平均回轉(zhuǎn)速度為 90/s? 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(jī)械手臂部要盡可能的輕。減少慣性沖擊的措施有： 減少臂部運(yùn)動件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料 減少臂部運(yùn)動件的輪廓尺寸 合肥工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文集 17 減少回轉(zhuǎn)半徑 P，在安排機(jī)械手運(yùn)動順序時(shí)，先縮回回轉(zhuǎn) (或先回轉(zhuǎn)后伸 )， 盡可能在較小的前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動作 驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。 、臂部動作應(yīng)靈活 為減少臂部運(yùn)動件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式機(jī)械手，其傳動件、導(dǎo)向件和定位件布置應(yīng)合理，使臂部運(yùn)動盡可能保持平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機(jī)構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必 須計(jì)算使之滿足不自鎖的條件。 四、 位置精度要高。 手臂的典型機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇 、典型的臂部運(yùn)動結(jié)構(gòu) 臂部的典型運(yùn)動的形式有：直線運(yùn)動，如臂部的伸縮，升降和橫向移動；回轉(zhuǎn)運(yùn)動，如臂部的左右擺動，上下擺動；復(fù)合運(yùn)動，如直線運(yùn)動和回轉(zhuǎn)運(yùn)動，兩直線運(yùn)動的組合，兩回轉(zhuǎn)運(yùn)動的組合等。 、部作直線運(yùn)動的結(jié)構(gòu) 雙導(dǎo)向桿手臂伸縮結(jié)構(gòu) 雙層油缸空心活塞桿單桿導(dǎo)向結(jié)構(gòu) 采用花鍵套導(dǎo)向的手臂升降結(jié)構(gòu) 雙活塞伸縮油缸結(jié)構(gòu) 、臂部作直線運(yùn)動的結(jié)構(gòu) 回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之下的機(jī)身結(jié)構(gòu) 。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是能承受較大偏重力矩。其缺點(diǎn)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉(zhuǎn)精度的影響較大 回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的機(jī)身結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)緊湊。但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運(yùn)動部件較大。 活塞桿和齒條齒輪結(jié)構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動是通過齒條齒輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)：齒條的往復(fù)運(yùn)動帶動與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)，從而使手臂左右擺動。 、臂部做俯仰運(yùn)動的結(jié)構(gòu) 基于 PLC 控制的球坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 18 俯仰運(yùn)動大多采用擺動式直線缸驅(qū)動，而回轉(zhuǎn)運(yùn)動大多采用回轉(zhuǎn)缸或齒條缸來實(shí)現(xiàn)。 通過以上，綜合考慮，本設(shè)計(jì)的伸縮運(yùn)動選擇單花鍵軸導(dǎo) 向的伸縮機(jī)構(gòu) ,俯仰運(yùn)動選擇擺動式直線缸驅(qū)動，回轉(zhuǎn)運(yùn)動選擇回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動。 手臂直線運(yùn)動的驅(qū)動力計(jì)算 通常先進(jìn)行粗略的估算，或類比同類型的結(jié)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)動參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸，再進(jìn)行校核計(jì)算，修正設(shè)計(jì)。如此反復(fù)數(shù)次，繪出最終的結(jié)構(gòu)。 根據(jù)液壓缸運(yùn)動時(shí)所克服的負(fù)載、摩擦、慣性等幾個(gè)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(jì)算為 P P P P P? ? ? ?回摩 密 慣 (214) 式中 P摩 —— 摩擦阻力（ N） .臂部運(yùn)動時(shí)，運(yùn)動件表面間的摩擦力。 P密 —— 密封裝置處的摩擦阻力（ N） P回 —— 油缸回油腔低壓油造成的阻力，一般背壓阻力較小，可取?回 P慣 —— 臂部啟動或制動時(shí)活塞桿上受到的平均 慣性力（ N） 、手臂摩擦力的分析與計(jì)算 0 39。sQ Q QF F F?? (215) 計(jì)算如下： 本機(jī)械手采用花鍵軸導(dǎo)向，在活塞桿與花鍵軸接觸處采用花鍵軸套，如圖中所示。 根據(jù)受力平衡，有 0AM ?? bG L R a??總 得 b GLR a? 總 合肥工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文集 19 baG F F??總 (216) 得 a LaRG a???? ????總 39。39。a b a bR R R R R??? ? ? ?摩 摩摩 (217) 39。 2 LaRG a? ????? ????總摩 (218) 式中 G總 — — 參與運(yùn)動的零部件的總重力（包含被 抓去的工件）（ N）； L—— 臂部參與運(yùn)動的零部件的總重心到導(dǎo)向支撐前端的距離（ m） ； a—— 導(dǎo)向支撐的長度（ m） 。 39。? —— 當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面形狀有關(guān)。 對于圓柱面： ? ?39。 4 ~ 1 .2 7 ~ 1 .5 72?? ? ????? ? ????? (219) ? —— 摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時(shí)： 鋼對青銅：取 ~ ?? 鋼對鑄鐵：取 ~ ?? 計(jì)算： 導(dǎo)向桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向支撐選擇青銅 39。 0 .1 2 1 .5 0 .1 8? ? ? ? ， 1450GN?總 ，L=540mm,花鍵軸套 a=60mm 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計(jì)算 39。 2 2 0 . 5 4 0 . 0 61 4 5 0 0 . 1 8 4 9 5 90 . 0 6LaP G Na? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?總摩 (220) 、手臂慣性力的計(jì)算 本設(shè)計(jì)要求手臂平動是 V= /ms,設(shè)置啟動時(shí)間 ?? GvP gt?? ?總慣 (221) 基于 PLC 控制的球坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 20 解得 GvPgt?? ?總慣 1 4 5 0 0 .1 5 / 1859 .8 0 .1 2N m s NN K g s???? 、密封裝置的摩擦阻力 密封圈的形式有 O 型密封圈， Y 型密封圈， V 型密封圈。不同的 密封圈，其摩擦阻力是不同的。在手臂設(shè)計(jì)中，采用 O型密封，當(dāng)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： ?封。 經(jīng)過以上分析計(jì)算最后計(jì)算出液壓缸的驅(qū)動力： =5591NP P P P? ? ?摩 慣 (222) 確定液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu) 經(jīng)過上面的計(jì)算，確定了液壓缸的驅(qū)動力 F=5591N，根據(jù)表 的工作壓力 P=2Mpa,機(jī)械效率 ?? 、確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸 液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算，如下圖所示 圖 41 液壓缸受力示意 當(dāng)油進(jìn)入無桿腔， 211 4DP P p ???? ? ? (223) 當(dāng)油進(jìn)入有桿腔中， 合肥工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文集 21 ? ?2222 4DdP P p ????? ? ? (224) 液壓缸的有效面積： 1PF p? ? ?2mm (225) 故有114 1 .1 3PPD pp? ? ??? （無桿腔） (226) 214PDdp????? （有桿腔） (227) 式中 P—— 活塞的驅(qū)動力（ N） 1p —— 油缸的工作壓力（ Mpa） d—— 活塞桿直徑（ mm） D—— 油缸內(nèi)徑（ mm） ? —— 機(jī)械效率，在工程機(jī)械中用耐用膠可取 ? = F=5591N， 1p = 62 10 pa? ，選擇機(jī)械效率 ? ? 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入： 2214 4 5 5 9 1 7 0 8 6 1 0 9 0 . 50 . 9 6 2PD d m mp? ? ??? ? ? ? ? ?? ? ? (228) 根據(jù)表 31，選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列，選擇 D=100mm. 液壓缸外徑的設(shè)計(jì) 根據(jù)裝配等因素，考慮到液壓缸的臂厚在 15mm，所以該液壓缸的外徑為130mm. 活塞桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 ①按強(qiáng)度條件決定活塞桿直徑 按直桿拉 壓強(qiáng)度計(jì)算： ? ?24Pd????? (229) 基于 PLC 控制的球坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 22 即 ? ?4Pd??? (mm) (230) 式中 P—— 活塞桿所受的總載荷（ N） ,即活塞的驅(qū)動力 ??? —— 活塞桿材料的許用應(yīng)力 (Mpa): ? ? bn?? ?,其中 b? 為活塞桿的抗拉強(qiáng)度， n為安全系數(shù)，一般取 ? ；碳鋼取 ? ? 1 0 0 ~ 1 2 0b MP a? ? 現(xiàn)取 ? ? 100b MPa? ? 計(jì)算解得 4 5 5 9 1 7 1 8 . 4 3100d m m??? ? ?? 由于采用花鍵軸在活塞桿內(nèi)部進(jìn)行導(dǎo)向，會使活塞桿的結(jié)構(gòu)變大，因此根據(jù)實(shí)際情況并參照表 41，選擇活塞桿直徑 d=70mm 表 41 活塞桿直徑系列（ GB/T234893）（ mm） 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 ②活塞桿的計(jì)算校核 活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運(yùn)動的要求和強(qiáng)度要求。對于桿長 L大于直徑 d的 15倍以上，按拉、壓強(qiáng)度計(jì)算： ? ?24Fd????? (231) 因?yàn)榛钊麠U不滿足 15ld? 的條件，所以不必對活塞桿進(jìn)