【正文】 液壓缸的工作壓力 aMPP 1? ， 液壓缸內(nèi)徑及活塞桿的設(shè)計(jì)計(jì)算，如圖 所示 21 圖 液壓缸示意圖 Schematic diagram of hydraulic cylinder 液壓缸選 用單桿式，并在機(jī)械手手指張開(kāi)過(guò)程中采用差動(dòng)連接，此時(shí)無(wú)桿腔工作面積為有桿腔工作面積的兩倍，即活塞桿直徑 d 與缸筒直徑的關(guān)系為 d＝ 。39。 ? 39。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為： FFm 39。? —— 當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面有關(guān)。 ??????? ???????????? ?? ? 式中 手部G —— 參與運(yùn)動(dòng)的零部件所受的總重 力（含工件）（ Kg）； 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） a—— 導(dǎo)向支撐的長(zhǎng)度（ m） 。 ? 20 Na aLGF m 39。 ?? ???? ?????? ?? a aLGFm 239。39。39。 GLa 圖 6 手臂受力示意圖 Figure 6 Schematic diagram of the arm forces 2） 手臂所受 摩擦力的計(jì)算 由于導(dǎo)向桿對(duì)稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個(gè)導(dǎo)向桿計(jì)算。 手臂垂直伸縮直線運(yùn)動(dòng)時(shí)需要克服摩擦力和慣性力及 機(jī)械手手部總重力 ，其驅(qū)動(dòng)力可按下式計(jì)算： 手部G??? gm FFF kgf (17) 式中 手部G —— 機(jī)械手手部總重量 mF —— 摩擦阻力包括導(dǎo)軌間的摩擦阻力；活塞與缸壁及密封處的摩擦阻力 gF —— 起動(dòng)過(guò)程的慣性力；其大小按下式估算 gtGFg v? kgf (18) 式中 手部G —— 機(jī)械手升降運(yùn)動(dòng)部分總重量 kgf 19 g —— 重力加速度 2/sm v —— 手臂運(yùn)動(dòng)速度 sm/ t —— 起動(dòng)時(shí)所需的時(shí)間 s ， 一般可取 st ~? （ 2）手臂 Z方向升降運(yùn)動(dòng)摩擦力的分析計(jì)算 1）手臂摩擦力受力分析 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。 手臂 Z 方向升降運(yùn)動(dòng)的受力分析及其計(jì)算 （ 1）手臂 Z方向升降運(yùn)動(dòng) 受力分析 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)。 4) 活塞桿和齒輪齒條機(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)。其結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)手臂的安裝形式、抓取重量和運(yùn)動(dòng)行程等因素來(lái)確定。 (3)重量要輕，慣量要小 由于機(jī)械手在高速情況下經(jīng)常起停和換向，為了減少?zèng)_擊，必須有緩沖裝置。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意下列幾點(diǎn)： (1)剛度要好 手臂的截面形狀選擇要合理，常用鋼管作手臂和導(dǎo)向桿，用工字鋼 18 和槽鋼作支承板，以保證有足夠的剛度。手部在空間的活動(dòng)范圍主要取決于臂部的運(yùn)動(dòng)形式。 180 度 回轉(zhuǎn)時(shí)間： 3 秒 機(jī)械 手腕部驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算及選用 （ 1）驅(qū)動(dòng)腕部回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)知驅(qū)動(dòng)腕部回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力矩可由下式計(jì)算出 ）＋＋）（～（驅(qū)動(dòng) ? (13) 式中 ～ —— 液壓缸密封摩擦損失系數(shù) Mm—— 腕部轉(zhuǎn)動(dòng)支承處摩擦阻力矩 ）＋（ 2211 DNDN2fMm ? (14) f—— 軸承摩擦系數(shù)，滾動(dòng)軸承取 f＝ ，滑動(dòng)軸承取 f＝ 1D 、 2D 軸承直徑 1N 、 2N 軸承處支反力 代入數(shù)據(jù)解得 17 mmN2 3 0501 0 0902 0 2211 ???? ）＝＋（）＝＋（ (15) 式中 Mp—— 克服工件重心偏置的力矩 GeMm? G—— 手部重量 e—— 偏心矩 代入數(shù)據(jù)解得 mm3 0 0 0 N10300GeMm ??? ＝＝ (16) 式中 Mg—— 腕部起動(dòng)的慣性力矩 tJMg ?? J—— 手部轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，將機(jī)械手手部及工件近似看作圓柱體，其半徑 R＝ 120mm，保守估取手部及工件總質(zhì)量 m＝ 80kg，則該部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2222 1 6 0 0 0 0120208021mR21J ?????? ＝＝＝ ω —— 腕部回轉(zhuǎn)角速度，ω＝ t—— 啟動(dòng)所需時(shí)間， t＝ 代入數(shù)據(jù)解得 mN9 7 ??? ＝＝? 代入數(shù)據(jù)解得驅(qū)動(dòng)腕部回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng) 力矩 mN6 4 7 7 3 . ???? ＝）＋＋（）＝＋＋）（～（驅(qū)動(dòng) （ 2）擺動(dòng)液壓缸的選擇 查參考文獻(xiàn)［ 2］中表 3－ 87 選用 UBFZD40－ P03 型擺動(dòng)液壓缸，其每度轉(zhuǎn)角用油，擺動(dòng)速度為 48度每秒，由此可估算出所需流量 L / m in79 / s4800 09 ＝?? 以上數(shù)據(jù)留備后用。本課題要求具有腕部回轉(zhuǎn)這一自由度，可用具有一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度的擺動(dòng)回轉(zhuǎn)液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)所要求動(dòng)作。 手指指部齒輪安裝銷的設(shè)計(jì)計(jì)算 傳動(dòng)齒輪采用銷軸安裝定位，選用 45﹟ 鋼，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)知其彎曲許用應(yīng)力? ? Mpa100＝? ，選取銷軸直徑 d＝ 30mm，取安全系數(shù) ，其銷軸強(qiáng)度計(jì)算校核如下： ? ? . 5 22 《＝＝計(jì)算 ???? ?? 故銷軸強(qiáng)度足夠。為保證對(duì)工作的定位夾緊，手指采用 120 度的 V 形指尖。 3）齒距 mmmp ???? ? 4）齒頂高系數(shù) 1*?anh 5）頂隙系數(shù) *?nc 6）齒輪基圓直徑 mmdd b o s140c o s ???? ?? 7）變位系數(shù) 0?nx 8）齒厚 mmmxs nnn 1 4 1 5 )20t a n022/1 4 1 5 ()t a n22/( ???????? ??? 9）齒頂高 mmxhmh nana 2)01(2)*( ?????? 10）齒根高 mmxchmh nnanf )(2)*( ???????? 11）齒頂圓直徑 mmhdd aa 1 4 4221 4 02 ?????? 12）齒根圓直徑 mmhdd ff 1 3 4 02 ?????? (5)、齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 由以上計(jì)算知大齒輪的齒頂圓直徑小于 160mm，故做成實(shí)心結(jié)構(gòu)的齒輪。于是有 3 6 9 27 3 9 3 8 ??? mdz 取 z＝ 70。 0 14 3 76 5 28 71 ][ ???F SaFa YY ? 7)設(shè)計(jì)計(jì)算 2 ?? ????m 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)小于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，取 m=2,已同時(shí)滿足接觸疲勞強(qiáng)度及齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。 查參考文獻(xiàn)［ 2］中表 10－ 5得 YFa=。 取彎曲疲勞安全系數(shù) S＝ ，則 M P aM P aSK FEFNF 4 2 8 7 3 8 01][ 222 ???? ?? 4）、計(jì)算載荷系數(shù)。 2）、由設(shè)計(jì)手冊(cè)查得齒輪的彎曲疲勞壽命系數(shù) KFN＝ 1。 查參考文獻(xiàn)［ 2］得使用系數(shù) KA＝ 1，動(dòng)載荷系數(shù) Kv＝ 1， KHβ =， KFβ =,KHα =KFα =1。 mmdt 3 221 ??? ????? (9) 10）、計(jì)算圓周速度 。 8）、計(jì)算接觸許用應(yīng)力。. 5)、查手冊(cè)知齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限σ Hlim2＝ 550MPa. 6)、計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。 2）、計(jì)算齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。選齒輪齒數(shù) Z＝ 100。運(yùn)輸機(jī)工作載荷平穩(wěn)，速度不高，選用 7 級(jí)精度。 機(jī)械手手指部的設(shè)計(jì)計(jì)算 齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 此齒輪齒條傳動(dòng)按工作壽命為 10 年（設(shè)每年工作 300 天），兩班制，工況平穩(wěn)來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)算。 因采用差動(dòng)連接，手指張合速度相等，預(yù)設(shè)手指張合所需時(shí)間為 2s 且為勻速，則 m m / s20m m /s240L ＝? (6) 手指張開(kāi)所需流量 12 L / s0 8 0 0 8 0 0 701 0 dDVAq 3322221 ＝＝）－（＝）－（＝ ??? ? 手指閉合所需流量 L / s0 7 6 9 ]4 701 0 1 0 []V4 dD4D[VAAq 322222212 ?????? ）－（）－（－＝）－（ ?? （ 5） 活塞桿的強(qiáng)度計(jì)算校核 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，按拉、壓強(qiáng)度計(jì)算： ? ???? ??24 dF 設(shè)計(jì)中活塞桿取材料為碳剛，故 ? ? aMP120~100?? ，活塞直徑 d=70mm,代入數(shù)據(jù)進(jìn)行校核： ? ????? ?????? aMPdF 44 22 由此可見(jiàn)活塞桿的強(qiáng)度足夠。 查參考文獻(xiàn)［ 3］中表 選活塞桿直徑為 :d＝ 70mm。液壓缸工作過(guò)程中必須具有一定背壓，參考參考文獻(xiàn)中表 9－ 3取 p2＝ 。取 2/ sma? 10 3K —— 方位系數(shù) ，經(jīng)查機(jī)械手冊(cè)選取 43?K G—— 被抓取工件的重量，這里為 50kg 代入數(shù)據(jù)可解得 NGKKKN ?????????? (1) （ 2） 液壓缸驅(qū)動(dòng)力的 計(jì)算 手指張合采用齒輪齒條傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 4所示 . 圖 4 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu) Figure 4: The structure of the Manipulator`s hand 取 R=140mm,b=200mm,由手部的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)知其驅(qū)動(dòng) 力計(jì)算公式為 NNbF 2020R2 ?????計(jì)算 (2) 取機(jī)械效率 ?? NFF ??? ?計(jì)算實(shí)際 (3) （ 3）確定手指張合驅(qū)動(dòng)液壓缸直徑 D 及活塞桿直徑 d，液壓缸受力分析如圖 所示 . 11 圖 5 液壓缸示意圖 Figure 5 Schematic diagram of hydraulic cylinder 由以上計(jì)算知夾緊液壓缸最大工作負(fù)載約為 ，由參考文獻(xiàn) [1]中表 9－ 1選取液壓缸工作壓力 p＝ 1Mpa。 (1)手指對(duì)工件的夾緊力可按下式計(jì)算： GKKKN ???? 321 式中 1K —— 安全系數(shù)，通常取 ，這里取 2K —— 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可按 aK ?? 估算。必須對(duì)大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 選擇手部的類型及夾緊裝置 本設(shè)計(jì)選擇二指式回轉(zhuǎn)型手部，在液壓缸的液壓推力作用下通過(guò)采用齒輪齒條傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手手指張合，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手對(duì)工件的抓放。但回轉(zhuǎn)式手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。顯然本設(shè)計(jì)機(jī)械手不適合使用此方案。手指式又可分為： 1）平移式手指 當(dāng)手指夾持的工件直徑變化時(shí)并不影響工件中心位置的改變，即定位誤差為零。 典型的手部結(jié)構(gòu) 手部主要有以下幾類：手指式、吸盤(pán)式、磁吸式及其他形式。 3）要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊 、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。應(yīng)當(dāng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所需的驅(qū)動(dòng)力大小是不同的。因此，此機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式選擇液壓驅(qū)動(dòng)。根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同 , 工業(yè)機(jī)械手大致可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式和機(jī)械式驅(qū)動(dòng)。 圖 3機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)示意圖 Figure 3:The picture of the Manipulator39。 （ 3)臂部 采用直線液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂的升降。 （ 1)手部 采用一個(gè)直線液壓缸，預(yù)計(jì)通過(guò)齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)