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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