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1、机械手臂部的设计及有关计算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、回转和升降。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，将在 下一章叙述。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
2、，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。1.1臂部设计的基本要求一、臂部应承载能力大、刚度好、自重轻（1）根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。（2）提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。（3）合理布置作用力的位置和方向。（4）注意简化结构。（5）提高配合精度。二、臂部运动速度要高，惯性要小机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反 映机械手的生产水平。对于高速度运动的机械手，其最大移 动速度设计在10001500mms，最大回转角速度设计在1800s内， 大部分平均移动速度为1000mms，平均回转角速度在900打。在 速度和回转角速度一定的情况下，减小自身重量是
3、减小惯性 的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。 减少惯量具体有3个途径：（1）减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料。（2）减少臂部运动件的轮廓尺寸。（3）减少回转半径，再安排机械手动作顺序时，先缩后回 转（或先回转后伸缩），尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作。（4）驱动系统中设有缓冲装置。三、手臂动作应该灵活为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代 替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定 位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑 轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。 为此，必须计算使之满足不自锁的条件。总结：以上要求是相互制
4、约的，应该综合考虑这些问题， 只有这样，才能设计出完美的、性能良好的机械手。1.2手臂的典型机构以及结构的选择1.2.1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 )双活塞杆液压岗结构。(4) 活塞杆和齿轮齿条机构。1.2.2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。1.3手臂直线运动的驱动力计算先进行粗略的估算，或类比同
5、类结构，根据运动参数初 步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。 如此反复，绘出最终的结构。做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运 动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力来确定液压缸所 需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力的计算。F =摩+密+ % +七贯(1.1)1.3.1手臂摩擦力的分析与计算分析：摩擦力的计算 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。上图是机械手的 手臂示意图，本设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩岗 两侧。1690LA七L 4_ q二 16Q TLG回转轴统图1.1机械手臂部受力示意计算如下:由于导向杆对称配置，两导向
6、杆受力均衡，可按一个导 向杆计算。G 总 L = aFb气+ F广FaF = F +F = |Li F + pi F摩 。摩ab:.F =MG 摩 总q _(1.2)式中G参与运动的零部件所受的总重力(含工件)(N)；总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(ID)，参考上一节的计算；a导向支撑的长度(m);口一一当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。对于圆柱面：H =仔球日=(1.271.57)日兀2J日一一摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：取M =0.1-0.15钢对铸铁：取,=0.18-0.3计算：导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁=0.20x1.5 = 0
7、.3 G =10702, L=l. 690. 028=1. 41m,导向支撑a设计为0.016m将有关数据代入进行计算=1070 x 0.3 x(2 x 1.41 + 0.16、I 0.16)=5978.6N1.3.2手臂惯性力的计算本设计要求手臂平动是y = 5min ,在计算惯性力的时候, 设置启动时间z = 0.2s，启动速度AV = y = 0.083* ,GAvg At(1.3)G Av1070N x 0.083S=总= = 45.5 NgAt9.8N Kg x 0.02S1.3.3密封装置的摩擦阻力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10M
8、pa。液压缸处密封的总 摩擦阻力可以近似为：= 0.03F。经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力:F = 0.03 F + F摩+ % =6210N1.4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=6210N，根 据表3.1选择液压缸的工作压力P=2MPa （1）确定液压缸的结构尺寸:液压缸内径的计算，如图1.2所示图1.2双作用液压缸示意图当油进入无杆腔，当油进入有杆腔中，& 2 - d 2 )F =勺=P4门液压缸的有效面积:故有D =4 F =1.13 冗p门 i(1.4)s = FPi51（无杆腔）八 4 F,D = ；+ d 2兀p门 i（有杆腔）(1.5)
9、F=6210N, P = 2X106pa，选择机械效率门=0.951将有关数据代入：D =:尘门=1.13 = 1.136210= 0.04460mV 兀 P1血 P10.95 X 2 X106根据表4-1（JB826-66），选择标准液压缸内径系列，选择 D=45mm.（2）液压缸外径的设计根据装配等因素，考虑到液压缸的壁厚在2.5mm，所以 该液压缸的外径为50mm.（3）活塞杆的计算校核活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。对于杆长L大于直径d的15倍以上，按拉、压强 度计算:b =- c-d 24(1.6)设计中活塞杆取材料为碳刚，故=100一 120Mpo，活塞直6210径d=30mm,L=500mm,现在进行校核。=19.8 X106Mpa 100x106F c =-d 2-X 0.02244结论：活塞杆的强度足够。1.5本章小结本章设计了机械手的手臂结构，手臂采用双导杆手臂伸缩机 构，对驱动的液压缸的驱动力进行了详细的计算，并对液压 缸的基本尺寸进行了设计。
