【文章內(nèi)容簡介】 ① 結(jié)構(gòu)緊湊，重量盡量輕。 ② 轉(zhuǎn)動 靈活，密封性要好。 ③ 注意解決好腕部也手部、臂部的連接，以及各個自由度的位置檢測、管線的布置以及潤滑、維修、調(diào)整等問題 ④ 要適應(yīng)工作環(huán)境的需要。 另外，通往手腕油缸的管道盡量從手臂內(nèi)部通過，以便手腕轉(zhuǎn)動時管路不扭轉(zhuǎn)和不外露，使外形整齊。 腕部的結(jié)構(gòu)形式 本機械手采用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動實現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)運動，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，但密封性差，回轉(zhuǎn)角度為 180176。. 如下圖所示為腕部的結(jié)構(gòu)，定片與后蓋，回轉(zhuǎn)缸體和前蓋均用螺釘和銷子進行連接和定位，動片與手部的夾緊油缸缸體用鍵連接。 夾緊缸體也指座固連成一體。當(dāng)回轉(zhuǎn)油缸的兩腔分別通入壓力油時，驅(qū)動動片連同夾緊油缸缸體和指座一同轉(zhuǎn)動，即為手腕的回轉(zhuǎn)運動。 合肥工業(yè)大學(xué) 機械設(shè)計與自動化一班 15 手腕驅(qū)動力矩的計算 驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動的重心與軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。手腕轉(zhuǎn)動時所需要的驅(qū)動力矩可按下式計算： M 驅(qū) =M 慣 +M 偏 +M 摩 +M 封 （ N178。 m） 式中 M 驅(qū) ——驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩 M 慣 ——慣性力矩 （ N178。 m） M 偏 ——參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸體的動片）對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 （ N178。 m） M 摩 ——手腕轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦力矩 （ N178。 m） M 封 ——腕部回轉(zhuǎn)缸的東片與定片、缸內(nèi)壁、端蓋、等處密封裝置的摩擦阻力距（ N178。 m） 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩 M偏 M 偏 =G1 e （ ） 式中 G1——工件重量（ N） 合肥工業(yè)大學(xué) 機械設(shè)計與自動化一班 16 e——偏心距（即工件重心到碗回轉(zhuǎn)中心線的垂直距離），當(dāng)工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心線重合時， M 偏為零 當(dāng) e=， G1=300N時 M 偏 =6（ Nm） ⑶ 腕部啟動時的慣性阻力矩 M 慣 ① 當(dāng)知道手腕回轉(zhuǎn)角速度 ? 時，可用下式計算 M 慣 M 慣 =（ J+J 工件）t? （ Nm） 式中 ? ——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （ 1/s） T——手腕啟動過程中所用時間（ s），（假定啟動過程中近為加速運動） J——手腕回轉(zhuǎn)部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（ kgm2 ） J 工件 ——工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 （ kgm2 ） 按已知計算得 J=， J 工件 =， ? =,t=2 故 M 慣 = （ Nm） ② 當(dāng)知道啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度 ? 時，也可以用下面的公式計算 M 慣： M 慣 =（ J+J 工件）??22 （ Nm） 式中 ? ——啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度（ rad） 。 ? ——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （ 1/s）。 考慮到驅(qū)動缸密封摩擦損失等因素，一般將 M 取大一些，可取 M =∽ （ M 慣 +M 偏 +M 摩 ） （ ） M = *（ ++） = （ ） 合肥工業(yè)大學(xué) 機械設(shè)計與自動化一班 17 第四章 臂部的結(jié)構(gòu) 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(yīng)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(yīng)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。 臂部設(shè)計的基本要求 一、 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點的距離。 （ 3） 合理布置作用力的位置和方向。 （ 4） 注意簡化結(jié)構(gòu)。 （ 5） 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 100 0 150 0 mm s,最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計在0180s 內(nèi)，大部分平均移動速度為 1000mm s ，平均回轉(zhuǎn)角速度在 090s 。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： （ 1） 減少手臂運動件的重量，采用鋁合金材料。 （ 2） 減少臂部運動件的輪廓尺寸。 （ 3） 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(yīng)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(dǎo)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。 合肥工業(yè)大學(xué) 機械設(shè)計與自動化一班 18 手臂的典型機構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇 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(dǎo)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)。 （ 3） 雙活塞桿液壓崗結(jié)構(gòu)。 （ 4） 活塞桿和齒輪齒條機構(gòu)。 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(dǎo)桿伸縮機構(gòu)，使用液壓驅(qū)動 ,液壓缸選取雙作用液壓缸。 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(fù)，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、密封等幾個方面的阻力，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。 P P P P P? ? ? ?回摩 密 慣 P摩 摩擦阻力 (N)。臂部運動時，運動件表面間的摩擦力，如導(dǎo)向裝置、活塞和缸壁等處的阻力。 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 (N)，一般背壓阻力較小，可取 P回 =。 P慣 臂部起動或制動時活塞桿上受到的平均慣性力 (N)。 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(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據(jù)具合肥工業(yè)大學(xué) 機械設(shè)計與自動化一班 19 體情況進行估算。下圖是機械手的手臂示意圖。 圖 機械手臂部受力示意 計算如下： 不同的配置和不同的導(dǎo)向截 面形狀， P摩是不同的，要根據(jù)具體情況進行估算，本案為圓柱面雙導(dǎo)向桿導(dǎo)向，導(dǎo)向桿對稱配置在油缸兩側(cè)的水平伸縮缸，起動時，導(dǎo)向裝置處的摩擦阻力較大，由于導(dǎo)向桿對稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個導(dǎo)向桿計算。 0AM ?? bG L aP?總 得 b GLP a? 總 0Y?? baG P P??總 得 a LaPG a???? ????總 39。39。a b a bP P P P P??? ? ? ?摩 摩摩 39。 2 LaPG a? ????? ????總摩 式中 G總 — — 參與運動的零部件所受的總重力（含工件）（ N）； 合肥工業(yè)大學(xué) 機械設(shè)計與自動化一班 20 L—— 手臂與運動的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的前端的距離（ 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)向支撐的截面有關(guān)。 對于圓柱面： ? ?39。 4 1 .2 7 1 .5 72?? ? ????? ? ????? ? —— 摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時： 鋼對青銅：取 ? ? 鋼對鑄鐵：取 ? ? 計算： 導(dǎo)向桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向支撐選擇鑄鐵 39。 ? ? ? ? 估算： 250GN?總， L=,導(dǎo)向支撐 a設(shè)計為 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進行計算 39。 2 2 0 . 5 0 . 0 82 5 0 0 . 3 1 0 1 2 . 50 . 0 8LP G Na? ??? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?總摩 手臂慣性力的計算 本設(shè)計要求手臂平動是 V=,在計算 慣性力的時候 ,設(shè)置啟動時間 ?? ，啟動速度 ? V=V=, GvP gt?? ?總慣 GvP gt?? ?總慣 2 5 0 0 .3 / 1 5 .39 .8 0 .5N m s NN K g S???? 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(dāng)液壓缸工作壓力小于 10Mpa，活塞桿直徑為油缸直徑的一半，活塞與活塞桿處都采用 O 形圈密封時，液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為： ?封(因手部軸線與臂部伸縮軸線垂直 ，手部油管不會經(jīng)過臂部，故油管密封不考慮 )。 經(jīng)過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅(qū)動力： 0 .0 3 + 0 .0 5 P= 1 1 1 7 .2 NP P P P? ? ?摩 慣 合肥工業(yè)大學(xué) 機械設(shè)計與自動化一班 21 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 P=，根據(jù)表 選擇液壓缸的工作壓力 P=1MPa （ 1） 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸： 液壓缸內(nèi)徑的計算，如圖 所示 圖 雙作用液壓缸示意圖 當(dāng)油進入無桿腔， 2114DP P p ????? 當(dāng)油進入有桿腔 中， ? ?22 21 1 1 249Dd DP P P P? ?? ? ??? ? ? 液壓缸的有效面積： 1PF p? 故有 114 1 .1 3PPD pp? ? ??? （無桿腔） 192 PD p??? （有桿腔） 式中 P活塞的驅(qū)動力 (N) P1油缸的工作壓力 (MPa) d活塞桿直徑 (mm),本案初設(shè) d=D/3 合肥工業(yè)大學(xué) 機械設(shè)計與自動化一班 22 D油缸內(nèi)徑 (mm) η 油缸機械效率，在工程機械中用耐油橡膠可取η = 據(jù)上述計算，