—臂部俯仰缸的设计计算-剖析

1、机械系统设计课程设计机械手手臂的俯仰运动设计（球坐标系）学校：专业班级：姓名：学号：指导老师：洪XX目录1臂部及机身 32臂部设计的基本要求 33驱动机构 44俯仰摆动缸设计计算 54.1、 驱动力矩的计算 54.2、俯仰摆动油缸驱动力的计算 85俯仰摆动油缸的设计计算 95.1活塞杆的计算 95.2油缸内径的计 105.3活塞杆的校核 106液压缸盖螺钉的计算 11参考文献 13一.臂部及机身手臂部件是机械手的主要执行部件。作用是支承腕部和手部（包 括工件或工具），并带动他们作空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内的任意一点。 如果 改变手部的姿态（方位）则用腕部的自由度加以实现

2、。因而，一般来 说臂部具有三个自由度才能满足基本要求：即手部的伸缩，左右回转和升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如油缸或气缸）和各种传动机 构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既直接承受腕部、手 部和工件的静、动载荷，而且自身运动又很多，故受力复杂。因而， 它的结构，工作范围，灵活性以及抓重大小和定位精度等都直接影响 机械手的工作性能。机身是直接支承和传动手臂的部件。一般实现臂部的升降、回转和俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上，或者直接构成 机身的躯干与底座相连。因此臂部的运动愈多，机身的结构和受力情 况就愈复杂。机身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地面

3、或架空轨道运动。二，臂部设计的基本要求臂部设计首先要实现所要求的运动，为此，需满足各项基本要求。（一）臂部应承载能力大，刚度好，重量轻。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，合理选择支撑间的距离。3， 合理布置作用力的位置和方向。4， 设计臂部时，元件越多，间隙越大，刚度越低，因此尽可能使结构简单，要全面分析各尺寸链，在要求高的部位合型确定调 整补偿环节，以减少重要部件的间隙，从而提高了刚度。5， 水平放置的手臂，要增加导向杆的刚度，同时提高其配合精度和相对位置精度，使导向杆承受部分或大部分自重和抓取重量。（二）臂部运动速度要高，惯性要小。（三）手臂动作应灵活。（

4、四）位置精度要高。除上面提到的要求外，还要保证机械手的通用性要好， 能适应在 不同环境作业；工艺性要好，便于安装和加工；用于高温环境作业的 机械手，还要考虑隔热和冷却；用于粉尘大作业区的机械手，还要设 置防尘装置等。三，驱动机构根据动力源不同大致可分为气动、液压、电动和机械传动。根据 课题特点，其中以液压气动用的最多，占 90%以上，电动、机械驱动 用的较少。液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用 油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动，利用摆动油缸、马达与减 速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方

5、便, 并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用 4-6个大气压瞭个别的达到8-10个大气压。它的优点是气源方便， 维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大， 很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气 压系统容易生锈。为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控 制机构或缓冲机构。电气驱动采用的不多。现在都用三相感应电动机作为动力， 用大 减速比减速器来驱动执行机构，直线运动则用电动机带动丝杠螺母机 构，有的采用直线电动机。通用机械手则考虑用步进电机、直流或交 流的伺服电机、变速箱

6、等。电气驱动的优点是动力源简单，维护使用 方便。驱动机构和控制系统可以采用统一形式的动力，出力比较大， 缺点是控制响应速度比较慢。机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动 作。它的优点是动作确实可靠，速度高 瞭成本低，缺点是不易调整。综合考虑，本设计选用液压驱动，因此我这次的机械手手臂的俯仰运动米用摆动式直线缸驱动。四，俯仰摆动缸设计计算4.1、驱动力矩的计算驱动手臂俯仰的驱动力矩，应克服臂部等部件在起动时的重量 对回转轴线所产生的偏重力矩和手臂在起动时所产生的惯性力矩以及各回转副处摩擦力矩，即M驱二M惯- M偏 M摩图A手臂俯仰时的受力示意图一般因手臂座与立柱连接轴在 0处装

7、有滚动轴承，其摩擦力矩较小，在铰链处配合直径较小，相对转角亦小，故M摩0则M驱=M偏+ M惯式中：M偏一手臂等部件重力对回转轴线的偏重力矩（N）M偏二G总*p （P 回转半径）G总=G工+G爪+G腕+G臂+p= （G工X工+G爪X爪+）/ G总=9.8* （8*0.74+10*0.63+20*0.53+150*0.14） /190/9.8=0.231m所以 M 偏=仁429.4 N.m（取 工件 8kg120mm;手爪 10kg100mm手腕 20kg100mm;手臂 150kg880mm.)XiX2图B手臂各部件重心位置图式中M惯手臂做俯仰运动，在起动时的惯性力矩（N m）,M 惯一 J 工

8、件J t *0.01751起J工件 工件对臂部回转轴线的转动惯量（Kg m2）J 手臂回转部分对手臂回转轴线的转动惯量（Kg m2）臂部俯仰过程的角速度（rad/s）t起起动过程所需的时间，一般取0.05 0.3秒惯性力矩M惯的计算：回转部分截面选择“细直杆”，所以J = 1/3ml*匸 m2 ；(取 l=800mn)J = 1/12m(l*l+3R*R)+md*d= =5.1351 kg. m2;(取 l=120mm,d=800mm)设置启动角度为9 ,启动时间t起=0.1s,那么角速度一 1.57rad /s那么 M 惯=0.0175 (5.1351+40.53 ) *1.57/0.1 =

9、 12.546 N.mM 驱=M 偏 + M 惯=429.4+12.546=442N.m4.2、俯仰摆动油缸驱动力的计算如图所示，当臂部与水平位置成 仰角S和俯角匕时，则铰接活塞杆 的驱动力(即俯仰摆动油缸的驱动力)P的作用线与铅垂线的夹角：是 在:1 2范围内变化，而作用在活塞上的驱动力通过连杆机构产生的 驱动力矩M驱与臂部俯仰角1有关。(1)当臂部处于上仰时，M驱二P b cos: 2取 A1B1 =300mm,b=400mm.所以 sin B 仁 A 1B1/b=300/400=0.75B 1=arc sin 0.75=49 度取 b=0.4m,a=0.2m,c=0.5m.因为 Tan

10、a1二AlD/OD二BC/OD.BlC=b*cosj31-a ; O 1D=c+b*si np 1 .1 b cos - ac b sin：b cos丄_i b cos P19 c b sina+解得 a 1=4.45 度.P1=1841.67N式中P俯仰摆动缸产生的驱动力a、b、c机械手的手臂结构尺寸(2)当臂部处于下仰时，M驱二P b cos 2 - 1 2 取 A2B1 =200mm,b=400mm.所以 sin 3 2= A2B1/b=200/400=0.5B 2=arc sin 0.5=30 度因为 Tan a2二A2E/O!E=2E/(O1C-EC)A2E=BC=OB-OC二b*c

11、os 2-a ;O 1C=c ;EC=/2E2=b*sin 3 2.所以丄 _1 b cos P 2 一 a tgc - b sin 卩 2b costg_1 b cos 2 - ac b sin: 22解得a2=26 度.P2=1107.7N选择其中最大值P1=1841.67 N作为俯仰摆动缸设计的驱动力。五，俯仰摆动油缸的设计计算5.1活塞杆的计算根据P=1841.67N和表4-2选择最大工作压力P仁30kgf/c m2.按强度条件决定活塞杆的直径d因为。=4P/ n /d/d J ,碳钢 取【】 =10001200kgf/c m2.所以 d4P/ n / =V4*1842/3.14/10

12、00=1.53m=15.3mm.表7T沽谿耶紐(GB/T2瑚93) (io)101214161820222528 32323&4045505663708090100110125140160180根据表7-1选择活塞杆直径d=20mm.5.2油缸内径的计算因为有杆腔 D= V4 P/ n /P1/ n +d*d.n油缸机械效率，在工程机械中用耐油橡胶，可取n =0.95.所以 D=V4*1842/ n /3/0.95+20*20=35mm.表5-1液斥缸的内栓系列(JB826 66) (mm)203250&56365707680859095100105根据表5-1，取油腔内径40mm .5-2标

13、准液斥亂外袴(.TB108-67) (wn)液压缸内轻405063SO9010011012514015016018020020钢F 莖6 0 jVfpn50607695108121133168L14618019421924545钢50607695108121133168146180194219245根据表5-2 取油缸外径50mm .5.3活塞杆的校核因为活塞杆不满足丨15d的条件，所以不必对活塞杆进行校核。六，液压缸盖螺钉的计算根据表7-2所示，因为回转缸的工作压力为3Mpa所以螺钉间距t 小于 120mm,表7-2tl与T作床力p 1的关系工作乐力pi工作用力pi离 ti0.5-1.515

14、02.5-5100120 a5-10每个螺钉在危险剖面上承受的拉力Qo为工作载荷Q和剩余预紧力QS之和Q（r Q Qs式中Q工作载荷（N）, QJIP缸盖所受的合成液压力，即驱动力（N）Z螺钉数目，ztiDo 螺钉中心所在圆的直径（mmP 工作压力（Mpa）Qs 剩余预紧力，Qs 二 KQ,K = 1.51.8螺钉所在圆的直径D0 =100mm,根据表选择t52mm那么螺钉数目Z二D。二罟 6.038 取为 z=652ti2513 N工作载荷Q二剩余预紧力 Qs，二 KQ = 1.72513 二 4272 N .螺钉材料选择45#，则丨；352176 Mpan为安全系数，n1.22.5,现取为2螺钉的强度条件为1.3 Q螺钉的直径d 1-41.3 Q j(JQj计算载荷,二 1.3cr J许用抗拉强度,螺钉材料的屈服点（Mp3d1螺钉螺纹内径（mm, d d - 1.224 S ,d为螺钉公称直径，S为螺距。Q j = 1.3 Q 二 8821 N解得 d 1 -882163.8= 7.99 mmV n x 176螺钉的直径选择d=10mm的圆柱头螺