【正文】 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 螺釘?shù)闹睆剑? （ ） = 螺釘?shù)闹睆竭x 用 M10。 動(dòng)片和輸出軸間的連接螺釘 動(dòng)片和輸出軸之間的連接結(jié)構(gòu)見圖 43,連接螺釘一般為偶數(shù)，對(duì)稱安裝，并用兩個(gè)定位 銷定位。連接螺釘?shù)淖饔茫菏箘?dòng)片和輸出軸之間的配合緊密。 于是得 : () D—— 動(dòng)片的外徑； f—— 被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，剛對(duì)銅取 f=。 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件 為 ： () 或 () 帶入有關(guān)數(shù)據(jù)得 ： 螺釘材料選擇 Q235，則 （ n=～ ） 螺釘?shù)闹睆?： = 螺釘?shù)闹睆竭x 用 M10。 本章小結(jié) 本章主要內(nèi)容為腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括：腕部結(jié)構(gòu)的選取和腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算。首先，根據(jù)腕部設(shè)計(jì)的基本要求選擇與本次設(shè)計(jì)相符合的腕部結(jié)構(gòu)；然后，按照給定的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算；最后，確定了腕部回轉(zhuǎn)所需的回轉(zhuǎn)力矩、選用回轉(zhuǎn)缸以及選取各關(guān)鍵部位螺栓的計(jì)算。 胡業(yè)明 07 食工 5 機(jī)器人概論課程說(shuō)明書 25 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 胡業(yè)明 07 食工 5 機(jī)器人概論課程說(shuō)明書 26 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第 5 章 臂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及有關(guān)計(jì)算 手臂部件是機(jī)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(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。手臂運(yùn)動(dòng)應(yīng)該 包括 3 個(gè)運(yùn)動(dòng)：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。本章敘述手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)， 手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)設(shè)置在機(jī)身處，將在下一章祥述。 臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部應(yīng)該具備 3 個(gè)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(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)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(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機(jī)械手的工作性能。 臂部設(shè)計(jì)的基本要求 臂部設(shè)計(jì)首先要實(shí)現(xiàn)所要求的運(yùn)動(dòng)，為此，需要滿足下列各項(xiàng)基本要求： 一、 臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕 對(duì)于機(jī)械手臂部或機(jī)身的承載能力，通常取決于其剛度。以臂部為例，一般結(jié)構(gòu)上較多采用懸臂梁形式（水平或垂直懸伸）。顯然伸縮臂桿的懸伸長(zhǎng)度愈大，則剛度愈差。而且其剛度隨著臂桿的伸縮不斷變化。對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)性能、位置精度和負(fù)荷能力影響很大。為提高剛度，除盡可能縮短臂桿的懸伸長(zhǎng)度外，尚應(yīng)注意以下幾方面。 （ 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(diǎn)的距離； （ 3）合理布 置作用力的位置和方向； （ 4）注意簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)； （ 5）提高配合精度。 二、臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小 機(jī)械手手部的運(yùn)動(dòng)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(duì)于高速度運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，其最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)在最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計(jì)在內(nèi)，大部分平均移動(dòng)速度為，平均回轉(zhuǎn)角速度在。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。減少慣量具體有 4 個(gè)途徑 [8]： （ 1）減 少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金材料； （ 2）減少臂部運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸； （ 3） 減少回轉(zhuǎn)半徑 ρ，再安排機(jī)械手動(dòng)作順序時(shí)，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮）， 胡業(yè)明 07 食工 5 機(jī)器人概論課程說(shuō)明書 27 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 盡可能在較小的前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作； (4）在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)緩沖裝置。 三、手臂動(dòng)作應(yīng)該靈活 為減少手臂運(yùn)動(dòng)之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。對(duì)于懸臂式的機(jī)械手，其傳動(dòng)件、導(dǎo)向件和定位件布置合理，使手臂運(yùn)動(dòng)盡可能平衡，以減少對(duì)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 [9]。 四、 位置精度要求高 一般來(lái)說(shuō)，直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度要求較高；關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置精度最難控制，故精度差；在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測(cè)結(jié)構(gòu)，能較好地控制位置精度，檢測(cè)裝置最好裝在最后的運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)以減少或消除傳動(dòng)、嚙合件間的間隙。 總結(jié) ：除此之外，要求機(jī)械手的通用性要好，能適合多種作業(yè)的要求；工藝性好，便于加工和安裝；用于熱加工的機(jī)械手，還要考慮隔熱、冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機(jī)械手還要設(shè)置防塵裝置等。 以上要求是相互制約的，應(yīng)該綜合考慮這些問 題，只有這樣，才能設(shè)計(jì)出完美的、性能良好的機(jī)械手。 手臂的典型機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇 手臂的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 常見的手臂伸縮機(jī)構(gòu)有以下幾種： （ 1） 雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)； （ 2） 手臂的典型運(yùn)動(dòng)形式有：直線運(yùn)動(dòng)，如手臂的伸縮，升降和橫向移動(dòng)；回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如手臂的左右擺動(dòng)，上下擺動(dòng)；符合運(yùn)動(dòng)，如直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合，兩直線運(yùn)動(dòng)的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)； （ 3） 雙活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)； （ 4） 活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。 手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 通過(guò)以上，綜合考慮，本次設(shè)計(jì)選擇液壓缸伸縮機(jī)構(gòu)，使用液壓驅(qū)動(dòng) ,水平伸縮液壓缸選用伸縮式液 壓缸；豎直伸縮液壓缸選用雙作用活塞缸。 手臂直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 首先進(jìn)行粗略的估算，或類比同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)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)，繪出最終的結(jié)構(gòu)圖。 作水平伸縮直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸的驅(qū)動(dòng)力，應(yīng)根據(jù)液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)所要克服的摩擦力胡業(yè)明 07 食工 5 機(jī)器人概論課程說(shuō)明書 28 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 和慣性力等幾個(gè)方面的阻力進(jìn)行確定。 液壓缸活塞的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算公式可表示為： () 手臂摩擦力的分析與計(jì)算 摩擦力的計(jì)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 體情況進(jìn)行估算。 圖 51 機(jī)械手臂部受力 示意圖 計(jì)算如下 ： 0AM ?? bG L aF?總 得 0Y?? baG F F??總 得 39。39。a b a bF F F F F??? ? ? ?摩 摩摩 39。 2 LaFG a? ????? ????總摩 () 式中 參 與運(yùn)動(dòng)的零部件所受的總重力（含工件）（ N）； L手臂與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的前端的距離（ m） ,參考上一節(jié)的計(jì)算； a導(dǎo)向支撐的長(zhǎng)度（ m）； 當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面有關(guān) ； 胡業(yè)明 07 食工 5 機(jī)器人概論課程說(shuō)明書 29 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 對(duì)于圓柱面： μ摩擦系數(shù)，對(duì)于 靜摩擦且無(wú)潤(rùn)滑時(shí)： 鋼對(duì)青銅：取 μ=～ 鋼對(duì)鑄鐵：取 μ=～ 選?。?， G=500N， L==, 導(dǎo)向支撐 a 設(shè)計(jì)為 。 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計(jì)算： . ??????? ???????????? 、摩 ? 手臂慣性力的計(jì)算 本設(shè)計(jì)要求手臂平動(dòng)是 V=83mm/s；假定：在計(jì)算慣性力的時(shí)候 ,設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間 ，啟動(dòng)速度； GvF gt?? ?總慣 () GvF gt?? ?總慣 1 0 7 0 0 .0 8 3 4 5 .59 .8 0 .0 2NS 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(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：。 經(jīng)過(guò)以上分析計(jì)算最后計(jì)算出液壓缸的驅(qū)動(dòng)力： 液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定 經(jīng)過(guò)上面的計(jì)算，確定了液壓缸的驅(qū)動(dòng)力 F=，根據(jù)表 31 選擇液壓缸的工作壓力 P=2MPa。 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸： 液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算，如圖 52 所示 胡業(yè)明 07 食工 5 機(jī)器人概論課程說(shuō)明書 30 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 圖 52 雙作用液壓缸示意圖 當(dāng)油進(jìn)入無(wú)桿腔： （ ） 當(dāng)油進(jìn)入有桿腔中 ： () 其中：為機(jī)械效率。 液壓缸的有效面積： 故有： （無(wú)桿腔） () （有桿腔） [7] () F=6210N，選擇機(jī)械效率 。 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入： 6114 6 2 1 01 . 1 3 1 . 1 3 0 . 0 6 4 6 00 . 9 5 2 1 0FFDmpp???? ? ? ??? 根據(jù)表 41（ JB82666），選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列，選擇 D=65mm。 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 7mm，所以該液壓缸的外徑為 80mm。 活塞桿的計(jì)算校核 一、 活塞桿強(qiáng)度校核 活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運(yùn)動(dòng)的要求和強(qiáng)度要求。對(duì)于桿長(zhǎng) L 大于直徑 d 的 15 倍以上，