四自由度圓柱坐標機械手(論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 圖 42 缸蓋螺釘間距示意 表 43 螺釘間距 t 與壓力 P 之間的關系 工作壓力 P（ Mpa） 螺釘的間距 t (mm) ~ 小于 150 ~ 小于 120 ~ 小于 100 ~ 小于 80 15 t 為螺釘的間距，間距與工作壓強有關，見表 43，在這種聯結中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力為： 0 39。sQ Q QF F F?? 式中 QF 為工作載荷， 39。FQs 為預緊力 計算： 液壓缸工作壓強為 P=7 Mpa,所以螺釘間距 t 小于 80mm,試選擇 8 個螺釘； π d/4=110π /80=＜ 8，所以選擇螺釘數目合適 Z=8 個 危險截面 4 2222 ???? ??? rR = Q PSF Z?所 以 ，= 8 6?? = s KFF ?‘ (K=~) 取 K=，則 ?QsF = N 0 39。sQ Q QF F F??=16407N 螺釘材料選擇 Q235， ? ? 240 1601 .5s M P an?? ? ? ?則（ n=~） 螺釘的直徑 ? ? 04 ???? ? ? 04 QFd ???? ?? ???= 螺釘的直徑選擇 d=14mm。 4． 3． 4 動片和輸出軸間的連接螺釘 動片和輸出軸間的連接螺釘 連接螺釘一般為偶數，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘的作用：使動片和輸出軸之間的配合緊密，當油腔通高壓油時，動片受油壓作用產生一個合成液壓力矩，克服輸出軸上所受的外載荷力矩。 由 ? ?2282Qb p dD d M F Z f? ? ?摩 得 ? ?224Q bpF D dZfd?? 16 QF —— 單個螺釘的預緊力； D —— 動片外徑； f —— 被連接件配合面間的摩擦系數，鋼對鋼取 f=； d —— 輸出軸與動片連接處的直徑，初步計算可按 D=（ ~） d D=110mm=，則 d=44mm； 螺釘的強度條件為 ? ?214QFd??? ?合 所以 ? ? 04 ???? 帶入有關數據，得 QF = )(4 22 dDZfdbp ? = )( 226 ???? ?? =22234N 螺釘材料選擇 Q235， 則 ? ? ??? 0sn?? 200MPa（ n=~） 螺釘的直徑 ? ? 04 ???? ?? ???= 螺釘的直徑選擇 d=14mm。 5 機械手臂部設計計算 5． 1 機械手臂部設計的基本要求 （ 1）臂部應承載能力大、剛度好、自 重輕 （ 2）臂部運動速度要高，慣性要小 （ 3）手臂動作應該靈活 （ 4）位置精度要高 5． 2 手臂的典型機構以及結構的選擇 17 常見的手臂伸縮機構有以下幾種： （ 1） 雙導桿手臂伸縮機構。 （ 2） 雙層油缸空心活塞桿單桿導向結構 （ 3） 采用花鍵套導向的手臂升降結構 （ 4） 雙活塞伸縮油缸結構 （ 5） 活塞桿和齒輪齒條機構。 綜合考慮，本設計選擇雙導桿伸縮機構，其手臂的伸縮油缸安裝在兩根導向桿之間，由導向桿承擔彎曲作用，活塞桿受拉壓作用，受力簡單，傳動平穩，外形整齊美觀，結構緊湊。使用液壓驅動 ,液壓缸選取雙作用液壓缸。 5． 3 手臂伸縮驅動力計算 先進行粗略的估算 ，或類比同類結構，根據運動參數初步確定有關機構的主要尺寸，再進行校核計算，修正設計。如此反復，繪出最終的結構。 做水平伸縮直線運動的液壓缸的驅動力根據液壓缸運動時所克服的摩擦、慣性等幾個方面的阻力，來確定來確定液壓缸所需要的驅動力。液壓缸活塞的驅動力的計算為 F F F F F? ? ? ?回摩 密 慣 5． 3． 1 手臂摩擦力的分析與計算 由于導向桿對稱配置，兩導向桿受力均衡，可按一個導向桿計算。 0AM ?? bG L aF?總 得 b GLF a? 總 0Y?? baG F F??總 得 a LaFG a???? ????總 18 39。39。a b a bF F F F F??? ? ? ?摩 摩摩 39。 2 LaFG a? ????? ????總摩 式中 G總 —— 參與運動的零部件所受的總重力（含工件）（ N）； L—— 手臂與運動的零部件的總重量的重心到導向支撐的前端的距離（ m） ,參考上一節的計算 。 a—— 導向支撐的長度（ m） 。 39。? —— 當量摩擦系數，其值與導向支撐的截面有關。 對于圓柱面： ? ?????? ~~4 ?????????‘ ? —— 摩擦系數，對于靜摩擦且無潤滑時： 鋼對青銅：取 ~?? 鋼對鑄鐵：取 ~?? 計算：導向桿的材料選擇鋼，導向支撐選擇鑄鐵 . ????? ， N1400?總G ，L=656mm,導向支撐 a 設計為 160mm 將有關數據代入進行計算 ??????? ??? a aLGF 2?總摩 1400 ?????? ???? 160 =3864N 5． 3． 2 手 臂密封處的摩擦阻力的計算 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設計中，采用 O 型密封圈，當液壓缸工作壓力小于 10Mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為： 封F =。 5． 3． 3 手臂慣性力的計算 慣F = tvG ???總 式中 總G —— 參與運動的零件的總重力（包括工件） (N)； 19 v? —— 從靜止加速到工作速度的 變化量 (m/s)； t? —— 啟動時間 (s)，一般取 ~； 設啟動時間為 ， v? 最大為 。 則： 慣F = .20 ?? =163N 由于背壓阻力較小，可取 回F = 所以 F = 摩F + 慣F + 封F + 回F =3864+163++ F =4378N 所以手臂伸縮驅動力為 F =4378N。 5． 4 手臂伸縮油缸結構的確定 表 51 液壓缸的工作壓力 作用在活塞上外力 F（ N） 液壓缸工作壓力 Mpa 作用在活塞上外力 F（ N） 液壓缸工作壓力 Mpa 小于 5000 ~1 20210~30000 ~ 5000~10000 ~ 30000~50000 ~ 10000~20210 ~ 50000 以上 ~ 經過上面的計算，確定了液壓缸的驅動力 F=4378N，根據表 51 選擇液壓缸的工作壓力 P=1MPa； （ 1） 確定液壓缸的結構尺寸： 液壓缸內徑的計算，如圖 52 所示 圖 52 雙作用液壓缸示意圖 當油進入無桿腔： ??? 4 211 DPPF ?? 20 當油進入有桿腔： ???4 )( 2212 dDPPF ??? 液壓缸的有效面積： 1PPS? (mm2 ) 所以 ??? ???? 11 P PP PD （無桿腔） 214 dP PD ??? ?? （有桿腔） 式中 P —— 活塞驅動力 (P)； 1p —— 油缸的工作壓力 (MPa)； d —— 活塞桿直徑； ? —— 油缸機械效率， 工程機械中用耐油橡膠可 取 ? =； 由上節求得驅動力 F=4378N， 1p =1MPa，機械效率 ? = 將數據代入得： ??? ???? 11 P PP PD= ??= 根據表 41（ JB82666），選擇標準液壓缸內徑系列，選擇 D=80mm. （ 2） 液壓缸外徑的設計 外徑按中等壁厚設計，根據表 42（ JB106867） 取外徑選擇 133mm. （ 3） 活塞桿的計算校核 a，活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強度要求。對于桿長 L大于直徑 d 的 15 倍以上，按拉、壓強度計算： ? ??? pd 4? (mm) 設計中取活塞桿材料為碳鋼，碳鋼許用應力的 ??? =100~120Mpa。本次取 ??? =110 則： 437 84 ????d= 所以活塞直徑按下表取 d=20mm，滿足強度要求。 21 表 52 活塞桿直徑系列（ GB/T234893） 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 現在進行穩定性校核，其穩定性條件為 kknpp? 式中 kp —— 臨界力 (N)； kn —— 安全系數， kn =2~4。 按中長桿進行穩定性校核，其臨界力 kp =F( ?ba? ) 式中 F—— 活塞桿截面面積 (mm2 )； a， b—— 常數，與材料性質有關，碳鋼 a=461， b=； ?— — 柔度系數，經計算為 70。 代入數據，臨界力 kp =F( ?ba? )= ）（ 2 ???? = 取 kn =3 kknpp ?? 4378 = MPa 所以活塞桿滿足穩定性要求。 5． 5 油缸端蓋的連接方式及強度計算 (1) 缸體材料選擇無縫鋼管，此時端蓋的連接方式多采用半環鏈接優點是 加工和裝拆方便，缺點是缸體開環槽削弱了強度 (2) 缸蓋螺釘的計算 為保證連接的緊密性，螺釘間距 t1 應適當（如圖 42） ，在這種聯結中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力 0Q 為工作載荷 Q 和剩余預緊力 SQ? 之和 0Q =Q + SQ? 22 式中 Q—— 工作載荷， Q = Z pDZP 42?? ； 0D —— 螺釘中心所在圓的直徑； P—— 驅動力。 Z—— 螺釘數目， Z=10tD? ； SQ? —— 剩余預緊力， SQ? =KQ， K=~； 計算： D=80mm，取 0D =88mm， P=1MPa，間距與工作壓強有關，見表 ，間距應小于 150mm，試選螺釘數為 6 個： 則 Z=10tD? ，代入數據 1t =46150，滿足要求； Q = Z pDZP 42?? =838N； 選擇 K=， SQ? = =1255N。 0Q =Q + SQ? =837+1257=2095N 螺釘直徑按強度條件計算 1d ? ?lJQ??4? 式中 JQ —— 計算載荷， JQ = 0Q ； ??l? —— 許用抗拉應力， ??l? = ns? ； s? —— 螺釘材料的屈服點，材料選擇 45 鋼，則屈服強度為 352MPa； n—— 安全系數， n=，此處取 n=2； 1d —— 螺紋內徑， 1d =， d 為螺釘公稱直徑， S 為螺距。 計算： 23 JQ = 0Q = 2095= 代入數據： 1d ??lJQ??4? =sn4??JQ = ?? ?? = 6 機身設計與計算 機身是直接支撐和驅動手臂的部件。一般實現手臂的回轉和升降運動， 這些運動的傳動機構都安在機身上，或者直接構成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動越多，機身的機構