多自由度 机械手机电系统设计课程设计

（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。

2.3.2 手臂的典型机构以及结构的选择

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。 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。

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?F摩?F密?F回?F惯4. 手臂摩擦力的分析与计算 分析：

(5.1)

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。

图 5.1 机械手臂部受力示意

计算如下：

由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。

?M得

A?0 ，

G总L?aFb

Fb?G总La ， ?Y?0 ，G总?Fb?Fa

?L?a?Fa?G总?''?F?F?F??F??Fba摩b摩a?a? ，摩得

?2L?a? (5.2) ?F摩??'G总???a?式中

G总——参与运动的零部件所受的总重力（含工件）

（N）；

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（m）,参考上一

节的计算;

a——导向支撑的长度（m）;

'? ——当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。

对于圆柱面：

?'???4?????????1.271.57??2?

?——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

'??0.20?1.5?0.3 ，G总?1070N，导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁

L=1.69-0.028=1.41m,导向支撑a设计为0.016m

将有关数据代入进行计算

?2L??2?1.41?0.16?F摩?G总?'??1070?0.3?????5978.6Na0.16????

5.手臂惯性力的计算

本设计要求手臂平动是V=5mmin,在计算惯性力的时候,设置启动时间?t?0.2s，启动速(5.3)

度

?V=V=

0.083mS,

F惯?G总?v g?tF惯?G总?v1070N?0.083S??45.5N 9.8NKg?0.02Sg?t6. 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10Mpa。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：F封?0.03F。 经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：

F?0.03F?F摩?F惯=6210N

2.3.3 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5.2所示

图5.2 双作用液压缸示意图

当油进入无杆腔：

F?F1??p?D24?

当油进入有杆腔中：

F?F2??p??D2?d2?4?

S?液压缸的有效面积：

Fp1

D?故有

4FF?1.13?p1??p1 （无杆腔） (5.4) 4F?d2?p1? （有杆腔） (5.5)

D?F=6210N，

p1=2?106pa，选择机械效率??0.95

将有关数据代入：

D?

4FF6210??1.13?1.13?0.06460m?p1?p10.95?2?106

根据表4-1（JB826-66），选择标准液压缸内径系列，选择D=65mm. （2） 液压缸外径的设计

根据装配等因素，考虑到液压缸的臂厚在7mm，所以该液压缸的外径为79mm. （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：

??F?4d2???? (5.6)

设计中活塞杆取材料为碳刚，故???=100~120Mpa，活塞直径d=20mm,L=1360mm,现在进

??行校核。

F?4?6210d2?4?19.8?106Mpa?100?106

?0.022结论： 活塞杆的强度足够。

2.4机身的设计计算

机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。 2.4.1 机身的整体设计

按照设计要求，机械手要实现手臂1800的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑，分析。