机械手臂部的设计及有关计算.docx

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机械手臂部的设计及有关计算

机械手臂部的设计及有关计算

手臂部件是机械手的主要握持部件。

它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。

手臂运动应该包括3个运动：

伸缩、回转和升降。

本章叙述手臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下一章叙述。

臂部运动的目的：

把手部送到空间运动范围内任意一点。

如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。

因此，一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。

手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。

因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。

1.1臂部设计的基本要求

一、臂部应承载能力大、刚度好、自重轻

（1）根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。

（2）提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。

（3）合理布置作用力的位置和方向。

（4）注意简化结构。

（5）提高配合精度。

二、臂部运动速度要高，惯性要小

机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。

对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在

最大回转角速度设计在

内，大部分平均移动速度为

，平均回转角速度在

。

在速度和回转角速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。

减少惯量具体有3个途径：

（1）减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料。

（2）减少臂部运动件的轮廓尺寸。

（3）减少回转半径

，再安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸缩），尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作。

（4）驱动系统中设有缓冲装置。

三、手臂动作应该灵活

为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。

对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。

为此，必须计算使之满足不自锁的条件。

总结：

以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美的、性能良好的机械手。

1.2手臂的典型机构以及结构的选择

1.2.1手臂的典型运动机构

常见的手臂伸缩机构有以下几种：

（1）双导杆手臂伸缩机构。

（2）手臂的典型运动形式有：

直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构。

（3）双活塞杆液压岗结构。

（4）活塞杆和齿轮齿条机构。

1.2.2手臂运动机构的选择

通过以上，综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用液压驱动,液压缸选取双作用液压缸。

1.3手臂直线运动的驱动力计算

先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。

如此反复，绘出最终的结构。

做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力来确定液压缸所需要的驱动力。

液压缸活塞的驱动力的计算。

（1.1）

1.3.1手臂摩擦力的分析与计算

分析：

摩擦力的计算不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。

上图是机械手的手臂示意图，本设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩岗两侧。

图1.1机械手臂部受力示意

计算如下：

由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。

得

得

（1.2）

式中

参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（N）；

L——手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（m）,参考上一节的计算;

a——导向支撑的长度（m）;

——当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。

对于圆柱面：

——摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：

钢对青铜：

取

钢对铸铁：

取

计算：

导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁

，

，L=1.69-0.028=1.41m,导向支撑a设计为0.016m

将有关数据代入进行计算

1.3.2手臂惯性力的计算

本设计要求手臂平动是

在计算惯性力的时候,设置启动时间

，启动速度

（1.3）

1.3.3密封装置的摩擦阻力

不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用O型密封，当液压缸工作压力小于10Mpa。

液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：

。

经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：

1.4液压缸工作压力和结构的确定

经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力F=6210N，根据表3.1选择液压缸的工作压力P=2MPa

（1）确定液压缸的结构尺寸：

液压缸内径的计算，如图1.2所示

图1.2双作用液压缸示意图

当油进入无杆腔，

当油进入有杆腔中，

液压缸的有效面积：

故有

（无杆腔）（1.4）

（有杆腔）（1.5）

F=6210N，

，选择机械效率

将有关数据代入：

根据表4-1（JB826-66），选择标准液压缸内径系列，选择D=45mm.

（2）液压缸外径的设计

根据装配等因素，考虑到液压缸的壁厚在2.5mm，所以该液压缸的外径为50mm.

（3）活塞杆的计算校核

活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。

对于杆长L大于直径d的15倍以上，按拉、压强度计算：

（1.6）

设计中活塞杆取材料为碳刚，故

，活塞直径d=30mm,L=500mm,现在进行校核。

结论：

活塞杆的强度足够。

1.5本章小结

本章设计了机械手的手臂结构，手臂采用双导杆手臂伸缩机构，对驱动的液压缸的驱动力进行了详细的计算，并对液压缸的基本尺寸进行了设计。