通用工业机器人结构设计

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图4.1 1.工件2.手部3.手腕

手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:

M 驱 ? M 惯 ? M 偏 ? M 摩 ? M 封

式中: M 驱—驱动手腕转动的驱动力矩（N?cm）;

M 惯—惯性力矩（N?cm）;

M 偏—参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转动轴

线所产生的偏重力矩（N?cm）;

M 摩—转动轴与支承孔处产生的摩擦阻力矩（N?cm）;

M 封—手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩

（N?cm）;

下面以图2-1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算:

手腕转动时(1)手腕加速运动时所产生的惯性力矩M悦 若手腕起动过程按等加速运动，

的角速度为 起动过程所用的时间为 ?t ，则 ?，M 惯??J?J1???t?N?cm?

式中: J - 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量 ( N .cm.s 2 ) ;

J1- 工件对手腕转动轴线的转动惯量

2

若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量J1为:

J1?Jc?G12e1 g2

2

式中: Jc—工件对过重心轴线的转动惯量( N .cm.s )

G1— 工件的重量(N)

e1—工件的重心到转动轴线的偏心距(cm)

(2)手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M 偏

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M 偏 ? G1e1+ G3e3 ( N ? cm ) 式中：G3—手腕转动件的重量(N);

e3—手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)

当工件的重心与手腕转动轴线重合时， G1e1=0 (3)手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩M 封 M 封?f?RAd2?RBd1?(N?cm) 2式中: d1 ，d2 - 转动轴的轴颈直径(cm);

f - 摩擦系数，对于滚动轴承f=0.01,对于滑动轴承f=0.1

根据?M（?0得 AF）RBl?G3l3?G2l2?G1l1

RB?G1l1?G2l2?G3l3

l同理根据?M（?0得 BF）RA?G1?l?l1??G2?l?l2??G3?l?l3?

l式中: G2—转动轴的重量(N)

l1,l2,l3,l4— 如图4.1所示的长度尺寸(cm).

(4) 转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类 型有关，应根据具体情况加以分析。 4.2.2 回转气缸的驱动力矩计算

在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是叶片回转气缸，它的原理如图2-2所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体 从孔a进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针 方向回转。单叶气缸的压力P驱动力矩M的关系为:

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图2-2 回转气缸简图

Pb(R2?r2)2MM? 或 P?

2b(R2?r2)式中：M—回转气缸的驱动力矩（N?cm） P—回转气缸的工作压力（Pa）

R—缸体内壁半径（cm） r—输出轴半径（cm） b—动片宽度（cm）

上述驱动力矩和压力的关系式是对于低压腔背压为零的情况下而言的。若低压腔有一定的背压，则上式中的P应为工作压力P1与背压P2之差。 4.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核 1、尺寸设计

气缸长度设计为b?100mm，气缸内径为D1?110mm，半径R?55mm，轴径

D2?26mm,半径r=13mm，气缸运行角速度??90?/s，加速时间?t?0.1s，压强P=0.4MPa，则力矩：

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Pb（R2-r2）M=

2 ?60.4?10?0.（?12220.0?55）0.013

?57.1N2(?m )2、尺寸校核

分析部件的质量分布情况，质量密度等(1)测定参与手腕转动的部件的质量m1?10kg，效分布在一个半径r?50mm的圆盘上，那么转动惯量：

m1r2J?

210?0.052 ?

2 ?0.0125 （kg?m2）l?100mm的棒料上，那么转动惯量 工件的质量为10kg ,质量分布于长

ml2Jc?

1210?0.12 ?

12 ?0.0083(kg?m2)

假如工件中心与转动轴线不重合，对于长l?100mm的棒料来说，最大偏心距

e1?50mm，其转动惯量为：

J?Jc?m1e12 ?0.0083?10?0.052 ?0.0333(kg?m2)

M惯?(J?J1)??t