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六 机械手臂部的设计及参数计算
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、翻转和升降。
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，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。
由于本设计需要，手部、腕部无需设计，只需设计手臂即可。
（一） 臂部设计的基本要求
臂部应承载能力大、刚度好、自重轻：根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸； 提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离；合理布置作用力的位置和方向；注意简化结构；提高配合精度。
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1000～1500mm/s,最大回转角速度设计在180°/s内，大部分平均移动速度为1000mm/s，平均回转角速度在90°/s。在速度和回转角速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。
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。
（二）手臂的典型机构以及结构的选择
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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，两直线运动的双层气压缸空心结构。 （3） 双活塞杆气压缸结构。 （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，使用气压驱动,气压缸选取双作用气压缸。
（三）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气压缸的驱动力根据气压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定来确定气压缸所需要的驱动力。气压压缸活塞的驱动力的计算。
F?F摩?F密?F回?F惯 （6.1）
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。下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缸两侧。
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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。
?MB?0
G总L?aFb Fb?G总La
得
?FY?0
G总?Fb?Fa
?L?a?Fa?G总??a?? 得 （6.2）
F摩?Fa摩?Fb摩??'Fa??'Fb （6.3）
2L?a? ?F摩??'G总? （6.4）
???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（mm） a——导向支撑的长度（mm）;
'? ——当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。 对于圆柱面：
?4??u'??~??u??1.27~1.57?u
??2? ?——摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时： 钢对青铜：取u=0.1～0.15 钢对铸铁：取u=0.18～0.3 计算：
'导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁??0.20?1.5?0.3 ，G总?400N，
L=0.8-0.2=0.6m,导向支撑a设计为0.1m
将有关数据代入进行计算
?2?0.6?0.1?‘?2L?F摩?G总????400????1560N
a0.1???? 24
手臂惯性力的计算
本设计要求手臂平动是??15m/min,在计算惯性力的时候,设置启动时间?t?0.2s，启动速度?V=V=0.083mS, F惯?G总?v （6.5） g?tG总?v400?0.083??16.94N F惯?9.8?0.2g?t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，当气压缸工作压力小于10Mpa。气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气压缸的驱动力：
F=0.03F?F摩?F惯=1700N
（四）气压缸工作压力和结构的确定
经过上面的计算，确定了气压缸的驱动力F=1700N，选择气压缸的工作压力P=0.04MPa
（1） 确定气压缸的结构尺寸：
气压缸内径的计算，如图6.2所示
图6.2 双作用气压缸示意图
当气进入无杆腔，
F?F1??p?D24?
当气进入有杆腔中，
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