臂部采用连杆机构的工业机械手设计

第4章 臂部的设计

4.1 连杆机构的选择

根据设计任务书，臂部须采用连杆机构来实现给定的运动轨迹。在连杆机构中，平面四连杆机构是结构最简单、应用最广泛的四杆机构，它具有如下的显著优点：一是两构件之间是面接触，所以单位面积承受的压力小，并且便于润滑，磨损小；二是由于两构件接触面是圆柱或平面，加工制造比较容易，易获得较高精度；三是能较好地实现多种运动规律和运动轨迹的要求。所以对于该课题我们可以选用平面四连杆机构来实现给定的运动轨迹，平面四连杆机构简图如图4.1所示。

其中，AB杆为曲柄，能作整周回转运动，与电动机及减速器相连；CD杆为摇杆，主要起支撑作用，只能在一定范围作往复摆动运动；BC杆通过耳轴与伸缩液压缸成一定角度相连,以使C点可以通过给定的两个位置。

图4.1 曲柄摇杆机构简图

4.2 驱动力的计算

臂部伸缩运动时需要克服摩擦力和惯性力，则查资料《自动上下料装置与工业机械手》可得，其驱动力可按下式计算：

Pq?Fm?F （4.1）

g式中 F——起动过程的惯性力；其大小按下式估算：

g Fg?Gvgt

其中 G——臂部移动部件的总重量,估G?mg?100?9.8?980N

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g——重力加速度，g?9.8ms

2 v——臂部运动速度，v?0.5m/s

t——起动时所用的时间，这里取t?0.2s

——摩擦阻力；包括导轨支撑之间的摩擦阻力；活塞与缸壁及密封处Fm的摩擦阻力。查资料《机械设计手册软件版》常用材料的摩擦因数可得:铸铁与橡胶的

动摩擦因数为??0.5

则可得：F故 Pqm?G???980?0.5?490N

?Fm?Fg?490?980?0.59.8?0.2?740N

4.3 液压缸的计算与选择

4.3.1 确定液压缸的安装形式

根据设计要求，并分析机械手的作业过程，由于液压缸头部要与手部相连并驱动手部水平伸缩，而连杆则需与液压缸中部成120?相连接，故可采用铸造的方法在缸筒中部铸造出耳轴以便与连杆连接。简图如下：

图4.2 缸筒截面简图

4.3.2 确定端盖和缸筒的结构及其连接方式

分析设计的具体要求可得，缸体的两个端盖均用法兰螺钉与缸体连接，而缸体采用铸件，端盖材料选用Q235钢，这样的结构较为简单，易加工，易装卸.

4.3.3 确定液压缸的基本参数

4.3.3.1 计算缸筒内径

由前面计算可得活塞杆的驱动力为P?740N，取整个液压系统的最大压力

pmax?2.5MPa。

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根据公式P?D?4P?4Dpmax， 可求得缸筒内径为：

2?pmax?4?740??2.5?19.41mm （4.2）

根据《机械设计手册》第三版第4卷表19-6-3，从标准缸筒内径系列中选取标准的缸筒内径为：D?50mm 把D?50mm重新代回公式P??4Dpmax，求得：

2p?1.51MPa?pmax?2.5MPa

故缸筒内径D?50mm满足要求，根据《机械设计手册》第三版第4卷表19-6-3，可选取液压缸公称压力p?1.6MPa. 4.3.3.2 计算缸筒壁厚

根据《机械设计手册》第三版第4卷表19-6-12，缸筒壁厚的计算公式为：

???0?c1?c2 （4.3） 式中 ?0——缸筒材料强度要求的最小值 c1——缸筒外径公差余量

c2——腐蚀余量

假设取?=5mm ，由于

?0?pmaxD2.3????3pmax?D?550?0.1?0.08?0.3，则可采用如下实用公式：

（4.4）

由前面计算可得： pmax?1.6MPa D?50mm

查《机械设计手册》第三版第4卷表19-6-11得，缸筒的抗拉强度为：

?b?650N/mm

2进而求得：

?????b/n?650/5?130N/mm2，其中n为安全系数，通常取5.

把以上各值代入公式可得：

?0?pmaxD2.3????3pmax?1.6?0.052.3?130?3?1.6?0.272mm

则可取?0?4mm，另根据经验可取c1?0.5mm，c2?0.5mm

故缸筒壁厚???0?c1?c2?4?0.5?0.5?5mm 4.3.3.3 校核法兰连接螺钉

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由于缸筒与端盖采用法兰螺钉连接，螺钉需要承受一定的拉应力和剪应力，故为了保证液压缸的安全，需校核连接螺钉的强度。在此可采用内六角圆柱头螺钉M4?12，材料为Q235钢，性能等级为8.8级，且表面经氧化处理。

查《机械设计手册》第三版第4卷表19-6-12，螺钉强度计算如下： 螺纹处的拉应力 ??KF?4?10?6N/mm （4.5）

2d1z2式中 F——缸筒端部承受的最大推力，F?740N

K——拧紧螺纹的系数，在K此取1.3 d1——螺纹底径，在此取3mm z——螺钉的数量，在此z=4 故 ??KF?10?6?4?1.3?740d1z2??10?6?34.02 N/mm2

螺纹处的剪应力为： ??4KK1Fd00.2d1z3?0.003?4?10?62?0.475 N/mm （4.6）

2式中 K1——螺纹连接的摩擦系数，平均取K1?0.12

d0——螺纹外径，d0?4mm 其他参数和计算拉应力时的参数一致。 则可求得合成应力为：

?n???3?22?1.3??1.3?34.02?44.23 N/mm

2查资料《材料力学》表2.1得，Q235钢的抗拉强度极限为：

2 ?b?400N/mm

根据《机械设计手册》第三版第4卷表19-6-12，取安全系数为：

n0?1.2 故螺钉的许用应力为： ?????bn0?4001.2?333.33N/mm2

由于合成应力?n?44.23N/mm2

4.3.3.4 计算活塞杆直径并校核 1计算活塞杆直径 ○

根据《机械设计手册》第三版第4卷表19-6-4，由于液压缸公称压力为：

p?1.6MPa?10MPa

故可取速比??1.33.

由《机械设计手册》第三版第4卷表19-6-20得活塞杆直径为：

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