五 臂部的设计计算
（一）臂部的结构
1概述
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、翻转和升降。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。
(二） 手臂的典型机构以及结构的选择
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） 双活塞杆液压缸结构。
（4） 活塞杆和齿轮齿条机构。
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。
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（三）伸缩臂机构结构设计
1手臂直线运动的驱动力计算
计算臂部运动驱动力（包括力矩）时，要把臂部所受的全部负荷考虑进去。机械手工作时，臂部所受的负荷主要有惯性力、摩擦力等。
F?F摩?F密?F惯 (5.1) （1）
F摩的分析
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。 由??A?0，得
G总LG总L?aFb?Fb?
a由?Fy?0，得
G总?Fb?F
由上两式得：Fa?G总(L?a) a而F摩?Fa摩?Fb摩???Fa???Fb，则
F摩???G总[2L?a] (5.2) a式中G总——参与运动的零部件所受的总重力（含工件）；
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； a——导向支撑的长度；
??——当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。对于圆柱面：4????(~)???1.27~1.57??（其中?为摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢
?2对青铜：??0.1~0.15；钢对铸铁：??0.18~0.30）。
导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁???1.5?0.2?0.3，G总?320?，
L?1.40m?0.20m?1.20m，导向支撑a设计为0.1m。
将有关数据代入得：
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F摩???G总[2L?a?2?1.20?0.1?]?0.3?320?????2400? a0.1??（2）
F惯的分析
根据前面所设计数据，手臂平动v?15m?min?1，设置启动时间?t?0.25s，启动速度?v?v?0.25m?s?1。
G总G?va?总 （5.3） gg?tF惯可按下式计算： F惯?故F惯?G总?v320?0.25???32.653? g?t9.8?0.25（3）F密的分析
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：F密?0.03F。 （4）求F
通过以上分析，最后计算出液压缸的驱动力：
F?0.03F?F摩?F惯?F?2507.89?
2伸缩运动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?2507.89?，根据表3-1，选择液压缸的工作压力P=1MPa。 （1）确定液压缸的结构尺寸：
①液压缸内径的计算，如图5-1所示。
图5-1 双作用液压缸示意图
F=F1??p当油进入无杆腔：
?D24? （5.5）
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当油进入有杆腔：F?F2??p液压缸的有效面积：S?故有：D??(D2?d2)4（5.6） ?
F （5.7） p4FF?1.13 （无杆腔） ?p?p?4F?d2 (有杆腔) ?p?D?F?2507.89?，p?1?106Pa，选择机械效率??0.95。
将数据代入得：
D?4FF2507.89?1.13?1.13m?58.059mm 6?p?p?0.95?1?10根据表4-1，选择标准液压缸内径系列，取D?63mm。 ②液压缸外径的设计
根据装配等因素，考虑到液压缸的臂厚在10mm，所以该液压缸的外径为
78mm。
③活塞杆的计算校核
活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动和强度要求。对于杆长L大于直径d的15倍以上的活塞杆还必须具有足够的稳定性。
按拉、压强度计算：
??F?4?[?]d2，也即d?4F （5.8） ?[?]00a，经初步计算取设计中活塞杆取材料为碳钢，故[?]?100~2MPd?16mm，L?1120mm，由于L?15d，所以要进行稳定性校核。
2FK?E稳定性条件为F?，式中FK为临界力，FK?2S（E为活塞杆的弹性
nK?模量，取E=2.1?105MPa；S为活塞杆的截面积；?为活塞杆的柔度系数，由工业机械手设计表4-6取?=85）；nK为安全系数，一般取nK?2~4。
?2E3.142?2.1?1053.14?162???57590.4?，于是 则FK?2S??852423
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