【導讀】設計題目棒料抓裝機械手的設計

　　

【正文】 支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機構卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件。 23 手臂的典型機構以及結構的選擇 手臂的典型運動機構 常見的手臂伸縮機構有以下幾種： （ 1） 雙導桿手臂伸縮機構。 （ 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，如直線運動和回轉運動組合，兩直線運動的雙層液壓缸空心結構。 （ 3） 雙活塞桿液壓崗結構。 （ 4） 活塞桿和齒輪齒條機構。 手臂運動機構的選擇 通過以上，綜合考慮，本設計選擇雙導桿伸縮機構，使用液壓驅動 ,液壓缸選取雙作用液壓缸。 手臂直線運動的驅動力計算 先進行粗略的估算，或類比同類結構，根據運動參數(shù)初步確定有關機構的主要尺寸，再進行校核計算，修正設計。如此反復，繪出最終的結構。 做水平伸縮直線運動的液壓缸的驅動力根 據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動力。液壓缸活塞的驅動力的計算。 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： 24 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，要根據具體情況進行估算。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向截面形狀， P摩是不同的，要根據具體情況進行估算，本案為圓柱面雙導向桿導向，導向桿對稱配置在油缸兩側的水平伸縮缸，起動時，導向裝置處的摩擦阻力較大，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。 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）； 25 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） a—— 導向支撐的長度（ m） 。 39。? —— 當量摩擦系數(shù)，其值與導向支撐的截面有關。 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： 導向桿的材料選擇鋼，導向支撐選擇鑄鐵 39。 ? ? ? ? 估算： 250GN?總， L=,導向支撐 a設計為 將有關數(shù)據代入進行計算 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 本設計要求手臂平動是 V=,在計算慣性力的時候 ,設置啟動時間 ?? ，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，在手臂設計中，采用 O 型密封，當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，手部油管不會經過臂部，故油管密封不考慮 )。 經過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅動力： 0 . 0 3 + 0 . 0 5 P = 1 1 1 7 . 2 NP P P P? ? ?摩 慣 26 液壓缸工作壓力和結構的確定 經過上面的計算，確定了液壓缸的驅動力 P=，根據表 選擇液壓缸的工作壓力 P=1MPa （ 1） 確定液壓缸的結構尺寸： 液壓缸內徑的計算，如圖 圖 雙作用液壓缸示意圖 當油進入無桿腔， 2114DP P p ????? 當油進入有桿腔中， ? ?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活塞的驅動力 (N) P1油缸的工作壓力 (MPa) d活塞桿直徑 (mm),本案初 設 d=D/3 27 D油缸內徑 (mm) η 油缸機械效率，在工程機械中用耐油橡膠可取η = 據上述計算， P= P1=1MPa，按有桿腔進行計算，其結果必然滿足無桿腔的力學要求。 將有關數(shù)據代入： 19 1 1 1 7 . 23 4 0 . 82 2 1 0 . 9 6PD m mp? ? ?? ? ? ??? 根據表 32油缸內徑系列（ GB/T234893），選擇標準液壓缸內徑， D=50mm. 活塞桿直徑 d=50/3=，圓整為 d=18mm。 （ 2） 液壓缸外徑的設計 本 案液壓缸考慮鑄造結構，考慮到鑄造的最小壁厚要求，故最小不小于 3mm，而驅動壓力又較低，故厚度不超過 10mm。按中等壁厚進行計算 (16D/δ )： ? ?( 2 .3 )PD CP? ?????計 計 式中 ? 強度系數(shù) (當為無縫鋼管時取值為 1，本案為鑄造式，取值 ) C計入管壁公差及侵蝕的附加厚度 ??? 油缸材料的許用應力 (MPa)； ? ? bn?? ? ，其中 b? 為油缸材料的抗拉強度， n為安全系數(shù)，一般 n=3～ 5 一般常用缸體材料的許用應力 ??? 為： 鍛鋼 ??? =110～ 120MPa 鑄鋼 ??? =60MPa 無縫管 ??? =100～ 110MPa 代入數(shù)據： ? ? 1 . 3 1 5 0 2 2 . 7( 2 . 3 ) ( 2 . 3 6 0 1 . 3 1 ) 0 . 7PD C m mP? ?? ??? ? ? ? ?? ? ? ? ?計 計 圓整為 3mm，即缸體外徑 56mm。 （ 3） 活塞桿的計算校核 ①強度校核 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： ? ?24Pd????? 28 設計中活塞桿取材料為碳剛，故 ??? 100 120 Mpa? ，活塞直徑 d=18mm,L=1000mm,現(xiàn)在進行校核。 221 0 7 6 .4 4 .2 3 1 0 01844P M p a M P ad? ??? ? ? ?? 結論： 活塞桿的強度足夠。 ②穩(wěn)定性校核 本案 L15d，應進行穩(wěn)定性校核。穩(wěn)定性條件可表示為 。 kkPP n? 式中 kP 臨界力 (N) kn 安全系數(shù)，一般取 2～ 4 本案中，10 .5 1 0 0 0 1 1 1 .1 1 1 1 0 5184li????? ? ? ? ?，故按大柔度桿計算 22 2210000 9 42 72 011 11k EP F N?? ?? ?? ? ? ? 式中 ? 活塞桿計算柔度 l 活塞桿長度 (mm)，本案取值 1000mm i 活塞桿橫截面的慣性半徑，取值為 d/4 F活塞桿截面積 E彈性模量 (MPa) E=210000 ? 長度折算系數(shù)，本案取值 1? 特定柔度值，本案取 105 將 kP 值代入： 42720 1 0 6 8 0 1 0 7 6 . 44kkP N P Nn ? ? ? 故穩(wěn)定性符合要求。 29 第五章 機身的設計計算 機身是直接支撐和驅動手臂的部件。一般實現(xiàn)手臂的回轉和升降運動，這些運動的傳動機構都安在機身上，或者直接構 成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動越多，機身的機構和受力情況就越復雜。機身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運動。 機身的整體設計 按照設計要求，機械手要實現(xiàn)手臂 2100的回轉運動，實現(xiàn)手臂的回轉運動機構一般設計在機身處。為了設計出合理的運動機構，就要綜合考慮，分析。 機身承載著手臂，做回轉，升降運動，是機械手的重要組成部分。常用的機身結構有以下幾種： （ 1） 回轉缸置于升降之下的結構。這種結構優(yōu)點是能承受較大偏重力矩。其缺點是回轉運動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉精度的影響較大。 （ 2） 回轉缸置于升降之上的結構。這種結構采用單缸活塞桿，內部導向，結構緊湊。但回轉缸與臂部一起升降，運動部件較大。 （ 3） 活塞缸和齒條齒輪機構。手臂的回轉運動是通過齒條齒輪機構來實現(xiàn)：齒條的往復運動帶動與手臂連接的齒輪作往復回轉，從而使手臂左右擺動。 分析： 經過綜合考慮，本設計選用回轉缸置于升降缸之上的結構。本設計機身包括兩個運動，機身的回轉和升降。如圖 所示，回轉機構置于升降缸之上的機身結構。手臂部件與回轉缸的上端蓋連接，回轉缸的動片與缸體連接，由缸體帶動手臂回轉運動?；剞D缸的轉軸與升降缸的活塞桿是一體的?；钊?桿采用空心，內裝一花鍵套與花鍵軸配合，活塞升降由花鍵軸導向?；ㄦI軸與與升降缸的下端蓋用鍵來固定，下短蓋與連接地面的的底座固定。這樣就固定了花鍵軸，也就通過花鍵軸固定了活塞桿。這種結構是導向桿在內部，結構緊湊。具體結構見下圖。 驅動機構是液壓驅動，回轉缸通過兩個油孔，一個進油孔，一個排油孔，分別通向回轉葉片的兩側來實現(xiàn)葉片回轉。回轉角度一般靠機械擋塊來決定，對于本設計就是考慮兩個葉片之間可以轉動的角度，為滿足設計要求，設計中動片和靜片之間可以回轉2100。 30 圖 回轉缸置于升降缸之上的機身結構示 意圖 機身回轉機構的設計計算 （ 1） 回轉缸驅動力矩的計算 手臂回轉缸的回轉驅動力矩 M驅 ，應該與手臂運動時所產生的慣性力矩 M慣及各密封裝置處的摩擦阻力矩 M封 相平衡。 M M M M? ? ?驅 回慣 封 慣性力矩的計算 00M J J t?? ??? ?慣 式中 ?? —— 回轉缸動片角速度變化量（ rads ），在起動過程中 ? ? =? ； ? t—— 起動過程的時間 (s)。 31 0J —— 手臂回轉部件（ 包括工件）對回轉軸線的轉動慣量（ 2kgm? ）。 由于參與回轉的零件形狀、尺寸和重量各不相同，所以計算 0J 比較復雜，為了簡化計算，可將形狀復雜的形體簡化成幾個簡單形體，分別計算，然后將各值相加，即是復雜零件對回轉軸的轉動慣量。 本案中手臂回轉零件的重心與回轉軸不重合，其零件對轉動軸的轉動慣量為 20 c GJJg ??? 式中 cJ —— 回轉零件對過重心軸線的轉動慣量，由于回轉零件的不同， cJ 計算公式不同，針對本案，回轉部件可以等效為一個長 l=，半徑 R= 的圓柱體，重量為 40kg 的圓柱體。 ? 回轉件的重心到回轉軸線的距離。針對本案，估計 ? = G 回轉件的重量，針對本案，估計 G=80kg。 ? ?2 2 2 2 23 1 2 4 0 ( 0 . 8 3 0 . 0 4 ) / 1 2 2