机械手臂说明书

二、手臂的设计21、手臂伸缩的设计计算手臂是机械手的主要执行部件。它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。根据液压缸运动时所需克服的摩擦、回油背压及惯性等几个方面的限力，来确定液压缸所需的驱动力。手臂的伸缩速度为250mm/s行程L=300mm液压缸活塞的驱动力的计算阵P+七+P+4式中p一一摩擦阻力。手臂运动时，为运动件表面间的摩擦阻力。若是导向装置，则为活塞和缸壁等处的摩擦阻力。p密一一密封装置处的康擦阻力；p回一一液压缸回油腔低压油掖所造成的阻力；p惯一一起动或制动时，活塞杆所受平均惯性力。p、p密、p、p惯的计算如下。不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力不同，要根据具体情况进行估算。图4-15为双导向杆导向，其导向杆截面形状为圆柱面，导向杆对称配置在伸缩缸的两侧，启动时，导向装置的摩擦阻力较大，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。Z0G总L=aFb•.七=R气式中G总——参与运动的零部件所受的总重力(含工件重)，估算G总二G工牛+G手+G手腕+G手臂=(80+60+60+250)N=450NL——手臂参与运动的零部件的总重量的重心到导向支承前端的距离(m),L=100mma导向支承的长度，a=150mm;R'一一当量摩擦系数，其值与导向支承的截面形状有关。对子圆柱面:(4丸、一—叫=一〜一xp=(1.27〜1.57川取日'=1.5口顷27口一一摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：取口=0.1~0.15钢对铸铁：取口=0.18~0.3取日=0.15,日'=0.18代入已知数据得P=日G(竺^]=0.18x450x22200+100=405N摩总Ia71002.1.2、p的计算密同的密封圈其摩擦阻力不同，其计算公式如下：⑴“O”形密封圈当液服缸工作压力小于10Mpa.活寒杆直径为液压缸直径的一半，活塞与活塞杆处都采用“O”形密封圈时，液压缸密封处的总的摩擦力为:[打+p寸2=0.03F式中F——为驱动力，P——工作压力(Pa);P<10MPa,日=0.05~0.023,取p=2Mpa,日=0.06;d——伸缩油管的直径,d=7mm;L——密封的有效长度(mm).得P密=0.05P2.1.3、p的计算回一般背压阻力较小，可按P=0.05P回2.1.4、罪的计算鳖=竺.02=45Ngt9.810.2G总一一参与运动的零部件所受的总重力（包括工作重量）（N）g——重力加速度，取9.81m/s2Av一一由静止加速到常速的变化量△?=0.2m/sAt——起动过程时间（s），一般取0.01~0.5s，对轻载低速运动部件取较小值，对重载高速运动部件取较大值。取△t=0.02s所以所求驱动力P=P摩+P密+P回+P惯=500N2・2、确定液压缸的结构尺寸2.2.1、液压缸内径的计算如图4一16，当油进入无杆腔P=中=匕岑2门当油进入有杆腔穴G2-d2）P=叩=P24门液压缸的有效面积：故有D==1.13；£=1.13」500mm=25.92mm，兀pnpn\1x0.95111查表4-3圆整取D=32mm式中P——驱动力〔N）;p1——液压缸的工作压力，取p1=1Mpa;d一一活塞杆直径（m）;D—一活塞缸内径〔m）;液压缸机械效率，在工程机被中用耐油橡胶可取n=0.960选择适当的液压缸工作压力很重要。选高了，可以减小液压缸内径及其执行机构的尺寸，使机械手手臂结构紧凑，但要选用价格较贵的高压油泵和阀，井使密封复杂化。选低了，可用价格较低的泵和阀，但使结构庞大，自重增加。一般取2~8Mpa.表4-2推荐了几组数据，可供选择液压缸工作压力时参考。表4一1液压缸工作压力作用在活塞上的外力F（N）液压缸工作压力（Mpa）作用在活塞上的外力F（N）液压缸工作压力（Mpa）〈50000.8~120000~300002.0~4.05000~100001.5~2.030000~500004.0~5.010000~200002.5~3.0〉500005.0~7.0通过计算所选择的液压缸内径，应J尽可能是标准值，液压缸内径系列(JB826-66)如表4-3所示。表4-2液压缸内径系列JB826-66（mm）20253240*50*5563*（65）70（75）80*（85）90*（95）100*（105）110125*（130）140*160*180200*250注：1.内的尺寸尽可能不用。2.*号为（JB1086-67）标准系列液压缸壁厚计算，按中等壁厚进行计算:估取壁厚8=6mm中等壁厚，即3.2<-<16时，8查表得圆整8=查表得圆整8=9mm8=25t^1故壁厚符合要求。式中F——液压缸内工作压力MpaP——强度系数（当为无缝钢管时4=1）1C——计入管壁公差及侵蚀的附加厚度，一般圆整到标准壁厚值;D——液压缸内径（m）ab材料的抗拉强度（Mpa）n安全系数，n=3.5~5一般常用缸体材料的许用应力[a]

锻钢[b]=110~120Mpa,取[b]=120Mpa铸铁[b]=60Mpa无缝钢管[b]=100~110Mpa将计算结果按有关资料选择，如表4-4油缸外径D=2Xb+D=2x3+32=50mm,根据表4-4，D=50mm,用45号刚。表4-4标准液压缸径（JB68~67）（mm）油缸内径4050638090100110125140（150）16018020020钢P<1615060769510812113314616818019421924545钢P<20150607695108121133146168180194219245缸体为无缝钢管。2・3、活塞杆的计算2.3.1、活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度的要求。对于杆长t大于直径d的I5倍（即t〉15刁）活塞杆还必须具有足够的稳定性。按强度条件决定活塞杆直径d按拉、压强度计算:b=v^-[b]兀，d2d>44X500mm=2.6mm3.14x100故活塞杆直径d=14mm符合要求。

d>碳钢取[b]=110~120Mpa，取[b]=100Mpa；n一般不小于1.4,取n=1.4;表4-5活塞杆直径系列（JB826~66）101214161820222528（30）323540455055（60）63（65）70（75）80（85）90（95）注：括号内的尺寸尽可能不用经计算圆整出活塞杆长度l=400mm。2.3.2、活塞杆的稳定性校核当括塞杆L>15d时，一般应进行稳定性校核。稳定性条件可表示为八PP<-kNK式中Pk——临界力（N），可按材料力学有关公式计算。Nk——安全系数，=2—4取N=42.3.3、大柔度杆的临界力fK当『牛>%时，临界力p为f=苧二半二200.96N式中人为活塞杆的计算柔度（柔度系数），人=n，'-E=28.7\bPL为活塞杆的计算长度（m），油缸支承情况和活塞杆端部支承情况不同，活塞杆计算长度不同，见表4—6；i为活塞杆横截面的惯性半径（m）,d14d14=3.2J为活塞杆截面对中性轴的惯性矩（m4）,d4254J———=6464E为弹性横量，E=210GPaR为长度折算系数，见表4—6；七为特定的柔度值为比例极限。七为特定的柔度值为比例极限。活誉籽的甜景隹轩最寞承慵正^压级安装形式和杵并网湍1rrr4海棋±h'JftfiiBX,i'使度折算萩械,土511Pk=学f=314；；64：105*2。。.96=4.9x104N>P，故活塞杆的稳定性满足条件。2.3.5、油缸端盖的连接方式及强度计算保证连接的紧密性，必须规定螺钉的间距「进而决定螺钉的数目。缸的一端为缸体与缸盖铸造成一体，另一端缸体与缸盖采用螺钉连接。(1)缸盖螺钉的计算为保证连接的紧密性，必须规定螺钉的间距「进而决定螺钉的数目在这种连接中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力q为工作载荷q和预进力。。之和。5=80+8、兀D2p

式中：5—p———

0ZZ3.14x0.03224x50000=24.5NP一驱动力NP—工作压力MpaZ一螺钉数目，取兀D2p

式中：5—p———

0ZZ3.14x0.03224x50000=24.5N螺钉的强度条件为:…Q=丛V合兀d2兀d2d>:'迫h式中：Q=1.35,Q=1.3x837=1088.1^——计算载荷(N)1邱[5]1。1d>：°i=：434.15=1.65mm，螺钉内径取d=6mm。1\'K[5]\3.14x24.51表3-1螺钉间距t与压力p的关系1工作压力p1(Mpa)螺钉间距t(mm)10.5—1.5<1501.5—2.5<1202.5—5.0<1005.0—10<80[5]=冬=12555=837Mpa抗拉许用应力(Mpa)n1.5n=1.2-2.5，d螺纹内径(mm)表4-7常用螺钉材料的流动