—臂部俯仰缸的设计计算 -

1 机械系统设计课程设计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 2 目录目录 1 臂部及机身臂部及机身 3 3 2 2 臂部设计的基本要求臂部设计的基本要求 3 3 3 3 驱动机构驱动机构 4 4 4 4 俯仰摆动缸设计计算俯仰摆动缸设计计算 5 5 4 1 驱动力矩的计算 5 5 4 2 俯仰摆动油缸驱动力的计算 8 8 5 5 俯仰摆动油缸的设计计算俯仰摆动油缸的设计计算 9 9 5 1 活塞杆的计算 9 9 5 2 油缸内径的计 1010 5 3 活塞杆的校核 1010 6 6 液压缸盖螺钉的计算液压缸盖螺钉的计算 1111 参考文献 1313 3 一 臂部及机身一 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 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 地面或架空轨道运动 二 臂部设计的基本要求二 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 4 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 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 5 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 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 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 俯仰运动采用摆动式直线缸驱动 6 四 俯仰摆动缸设计计算四 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 MMM 驱惯偏摩 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 O 处装有滚动轴承 其摩擦力矩 较小 在铰链处配合直径较小 相对转角亦小 故 0M 摩 则 M驱M偏M惯 式中 手臂等部件重力对回转轴线的偏重力矩 N M偏 G总 p p 回转半径 M偏 G总 G工 G爪 G腕 G臂 7 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 190 9 8 0 231 429 4 N m M偏 取 工件 8kg120mm 手爪 10kg100mm 手腕 20kg100mm 手 臂 150kg880mm 图 B 手臂各部件重心位置图 式中 手臂做俯仰运动 在起动时的惯性力矩 N m M惯 0 0175 0 0175 MJJ t 惯工件 起 8 工件对臂部回转轴线的转动惯量 J工件2 Kg m 手臂回转部分对手臂回转轴线的转动惯量 J 2 Kg m 臂部俯仰过程的角速度 rad s 起动过程所需的时间 一般取秒 t起 0 05 0 3 惯性力矩的计算 M惯 回转部分截面选择 细直杆 所以 J J 1 3ml l 1 3 190 0 8 0 8 40 53 kg 取 l 800mm J J 1 12m l l 3R R md d 1 12 8 0 12 0 12 3 0 0525 0 0525 8 0 8 0 8 5 1351 kg 取 l 120mm d 800mm 设置启动角度为 启动时间 0 1s 那么角速度 9 t起 1 57 rad s 那么 0 0175 5 1351 40 53 1 57 0 1 12 546N m M惯 429 4 12 546 442N m M驱M偏M惯 4 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时 则铰接活塞 12 仰角和俯角 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 是在范围内变化 而作用在活塞上的驱动力通过连杆机构产 12 生的驱动力矩与臂部俯仰角有关 M驱 1 当臂部处于上仰时 12 cosMP b 驱 取 A1B1 300mm b 400mm 9 所以 sin 1 A1B1 b 300 400 0 75 1 arc sin 0 75 49度 取b 0 4m a 0 2m c 0 5m 因为Tan a1 A1D O1D B1C O1D B1C b cos 1 a O1D c b sin 1 所以 11 1 1 cos sin ba tg cb 1 1 1 1 cos cos sin M P ba btg cb 驱 解得 a1 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 22 cosMP b 驱 取 A2B1 200mm b 400mm 所以 sin 2 A2B1 b 200 400 0 5 2 arc sin 0 5 30度 因为Tan a2 A2E O1E A2E O1C EC A2E B2C O2B OC b cos 2 a O1C c EC A2B2 b sin 2 所以 1 2 2 2 cos sin ba tg cb 1 2 2 2 cos cos sin M P ba btg cb 驱 10 解得 a2 26 度 P2 1107 7N 选择其中最大值 P1 1841 67N 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 P1 30kgf c 按强度条件决定活塞杆的直径 d 因为 4P d d 碳钢 取 1000 1200 kgf c 所以 d 4P 4 1842 3 14 1000 1 53m 15 3mm 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 4P P1 d d 油缸机械效率 在工程机械中用耐油橡胶 可取 0 95 所以 D 4 1842 3 0 95 20 20 35mm 根据表 5 1 取油腔内径 40mm 11 根据表 5 2 取油缸外径 50mm 5 3 活塞杆的校核 因为活塞杆不满足的条件 所以不必对活塞杆进行15ld 校核 六 液压缸盖螺钉的计算六 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 每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为工作载荷和剩余预 0 QQ 紧力之和 s Q 0s QQQ 式中 工作载荷 N Q 2 4 D p P Q ZZ 12 P 缸盖所受的合成液压力 即驱动力 N Z 螺钉数目 0 1 D Z t 螺钉中心所在圆的直径 mm 0 D 工作压力 Mpa p 剩余预紧力 s Q 1 5 1 8 s QKQ K 螺钉所在圆的直径 根据表选择 0 100Dmm 1 52tmm 那么螺钉数目 取为 0 1 100 6 038 52 D Z t 6Z 工作载荷 22 80 3 44 2513 6 D p QN Z 剩余预紧力 1 725134272 s QKQN 1 7K 螺钉材料选择 45 则 352 176 2 s Mpa n n 为安全系数 现取为 21 2 2 5n 螺钉的强度条件为 0 22 11 41 3 4 j l QQ dd 合 螺钉的直径 1 41 3 j Q d 计算载荷 j Q 0 1 3 j QQ 许用抗拉强度 s l n 螺钉材料的屈服点 Mpa s 螺钉螺纹内径 mm d 为螺钉公称直1 d 1 1 224ddS 径 S 为螺距 0 1 38821 j QQN 13 解得 1 48821 63 87 99 176 dmm 螺钉的直径选择 d 10