机械手臂说明书

二、手臂的设计

2.1、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

P P P P P

=+++

回

摩密惯

式中P

摩

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 摩、P

密

、P

回

、P

惯

的计算如下。

2.1.1、P

摩

的计算

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。

0A

M

=∑

b G L aF =总

b G L F =总a

0Y =∑

b a G F F +=

得a L a F G a +??

= ???

总

'2L a P G a μ+??

∴= ???

总摩

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=G 工件+G 手+G 手腕+G 手臂=(80+60+60+250)N=450N

L ——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=100mm

a ——导向支承的长度,a=150mm;

'μ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(1.27 1.57)2πμμμπ??

=?=

???

取'μ=1.5μ μ——摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时: 钢对青铜: 取μ=0.1~0.15

钢对铸铁: 取μ=0.18~0.3 取μ=0.15 , 'μ=0.18

代入已知数据得'L a P G a μ+??

= ???

总摩=22001000.18100?+?450?=405N 2.1.2、P 密的计算

同的密封圈其摩擦阻力不同，其计算公式如下:

(1)“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:

120.03P P F

+=封封 式中 F ——为驱动力，

3P p dl

π=封

P ——工作压力(Pa); P <10MPa, μ=0. 05~0.023,取p=2Mpa, μ=0.06;

d ——伸缩油管的直径,d=7mm; L ——密封的有效长度(mm).

得 0.05P P

=密 2.1.3、P 回的计算

一般背压阻力较小，可按P 回=0.05P

2.1.4、P 惯的计算

4500.2

.459.810.2

G v P N gt =

==总惯 G 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 一一重力加速度，取9.812/m s

v 一一由静止加速到常速的变化量v =0.2m/s

t 一一起动过程时间(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500P P P P P N

=+++=回摩密惯 2.2、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

2

11

4

D P P P πηη==

当油进入有杆腔

()

2222

-4

D d P P P πηη==

液压缸的有效面积

:

故有

25.92D mm =

==，

查表4-3圆整取D=32mm 式中 P ——驱动力〔N);

1p ——液压缸的工作压力,取1p =1Mpa; d 一一活塞杆直径(m); D —一活塞缸内径〔m);

η——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。

(JB826-66 )如表 4-3所示。

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6mm δ=

中等壁厚，即3.216D

δ

<<时，

[]1

1

2.3PD P δσ=

- 查表得圆整9mm δ=

故壁厚符合要求。

式中 F ——液压缸内工作压力Mpa

1P ——强度系数(当为无缝钢管时φ=1)

C ——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 ）

式中

b σ——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[ ]σ

锻钢[ ]σ=110~120Mpa,取[ ]σ=120Mpa 铸铁[ ]σ=60Mpa

无缝钢管[ ]σ=100~110Mpa

将计算结果按有关资料选择，如表4-4

油缸外径12+23+3250mm D D σ=?=?=, 根据表4-4，150D =mm,用45号刚。

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 15d ?)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:

2

[]4F d σσπ=≤

或 2.6d mm ≥

== 故活塞杆直径d=14mm 符合要求。

碳钢取[ ]σ=110~120Mpa ，取[ ]σ=100Mpa ；n 一般不小于1.4，取n=1.4;

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

K

K

P P N ≤

式中

K P ——临界力（N ）

，可按材料力学有关公式计算。K N ——安全系数，=2—4取K N =4

2.3.3、大柔度杆的临界力K F

当1l

i

μλλ=>时，临界力K P 为

K P =2f E πλ

2

2

3.1416===200.9644

d f N π?

式中λ为活塞杆的计算柔度（柔度系数），=λ L 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 ）,

14

==3.244

d i =

= J 为活塞杆截面对中性轴的惯性矩（4m ）

44

25=

6464

d J = E 为弹性横量，E=210GPa

μ为长度折算系数，见表4—6；

1λ为特定的柔度值，1λ

P σ为比例极限。

K P =2254

23.14 2.110f=200.96=4.91028.64

E N P πλ????≥，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1t ，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1t ，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0Q 为工作载荷Q 和预进力`O Q 之和。

`0s s δδδ=+

式中：2

2

0 3.140.0325000044=24.5N 4

D P P

Z

Z πδ??=

== P —驱动力N P —工作压力Mpa Z —螺钉数目，取4 `s δ—预紧力N

`s δ=K =1.824.5=44.15N δ?，K=1.5-1.8

螺钉的强度条件为：

1

22

111.34[]4

o Q d d δδδππ=

=≤合

1d ≥1Q =1.3o δ,1=1.3837=1088.1Q N ?——计算载荷（N ）

1 1.65d mm ≥=，螺钉内径取1d =6mm 。

表3-1 螺钉间距1t 与压力p 的关系

1255.5

[]==8371.5

s Mpa n δδ=

抗拉许用应力(Mpa)

1.2

2.5n =-，1d ——螺纹内径（mm ）

表4-7常用螺钉材料的流动极限 （Mpa ）

10

221[]

()

4

)

K Q d D d mm δδπ=

≤-≥合 (3.23)

式中`

0s s δδδ=+，2

4

D P p π=，`(1.5 1.8)s KP P δ==-?

D —油缸内径

1K —考虑螺纹拉应力和扭应力合成作用系数取1K =1.3。

故螺纹内径d1=4mm 符合要求。