機(jī)械臂球鉸鎖緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究
時(shí)間:2022-06-08 11:10:00
導(dǎo)語:機(jī)械臂球鉸鎖緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究一文來源于網(wǎng)友上傳,不代表本站觀點(diǎn),若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師,歡迎參考。
[摘要]針對機(jī)械臂關(guān)節(jié)鎖緊,采用了球鉸結(jié)構(gòu),使用碟形彈簧進(jìn)行預(yù)緊,并建立三維模型。通過合理的條件假設(shè),對球鉸結(jié)構(gòu)中球碗球頭部分進(jìn)行受力分析,根據(jù)球碗、球蓋對球頭的鎖緊力矩須大于小臂所受最大扭矩的要求,且為滿足嚴(yán)苛的使用環(huán)境,對球碗、球蓋、球頭表面噴涂防滑涂料,最后計(jì)算出碟形彈簧需要施加的最小預(yù)緊力。
[關(guān)鍵詞]機(jī)械臂;關(guān)節(jié)鎖緊;球鉸結(jié)構(gòu);碟形彈簧;預(yù)緊力
機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)常常需要保持指定的位姿,其關(guān)節(jié)必須在指定的位置鎖緊,因此,機(jī)械臂關(guān)節(jié)鎖緊是機(jī)械臂設(shè)計(jì)中尤為重要的一環(huán)。北航機(jī)器人研究所主要采用了2種機(jī)械臂關(guān)節(jié)鎖緊結(jié)構(gòu):一種是利用電磁離合器,將其安裝在各個(gè)關(guān)節(jié)處,通過離合器通斷電后的閉合實(shí)現(xiàn)鎖緊,但其初始成本過大,且后期維護(hù)難度也相對較大;另一種是機(jī)械鎖緊,彈簧在關(guān)節(jié)外拉緊摩擦片,使得外圈抱緊摩擦片從而實(shí)現(xiàn)鎖緊,但摩擦片長期使用后,摩擦系數(shù)越來越小,終將導(dǎo)致鎖緊能力下降[1]。北京石油化工學(xué)院郭麗峰[2]等設(shè)計(jì)了一種球鉸快速鎖緊裝置,該結(jié)構(gòu)是利用電磁鐵通斷電使得鎖緊推桿推動(dòng)鎖緊盤,松放球鉸內(nèi)球體實(shí)現(xiàn)鎖緊,但此方法維修比較困難;潘保安[3]設(shè)計(jì)了一種可調(diào)節(jié)鎖緊力的液壓鎖緊缸,但其需要額外的液壓源,同時(shí),還存在泄漏的問題;蘇州大學(xué)匡紹龍[4]等設(shè)計(jì)了一種被動(dòng)機(jī)械臂關(guān)節(jié)鎖緊機(jī)構(gòu),通過螺紋軸套與剎車盤片互相抵緊實(shí)現(xiàn)鎖緊,但其剎車盤片和上述摩擦片相似,長期使用會(huì)使摩擦系數(shù)變小,導(dǎo)致鎖緊能力下降。針對上述鎖緊機(jī)構(gòu)存在的問題,本文設(shè)計(jì)了一種氣壓驅(qū)動(dòng)的球鉸鎖緊機(jī)構(gòu),并對其中的碟形彈簧進(jìn)行預(yù)緊力分析計(jì)算。球鉸結(jié)構(gòu)較其他結(jié)構(gòu)有更快的鎖緊速度,采用氣壓鎖緊雖然難以伺服控制,但能提供較大鎖緊力,且高壓氣體源可以經(jīng)過壓縮后儲(chǔ)存在很小的容器中,可降低機(jī)械臂整體體積。
球鉸鎖緊結(jié)構(gòu)主要由鎖緊機(jī)構(gòu)、解鎖機(jī)構(gòu)、預(yù)緊機(jī)構(gòu)、高壓氣缸、單向閥等組成,如圖1所示。在平常狀態(tài)下,球鉸被彈簧施加的預(yù)緊力壓緊鎖死,需要解鎖時(shí)由高壓氣推動(dòng)活塞釋放球頭。本次采用的是碟形彈簧,它能在小變形量內(nèi)對球頭提供較大的預(yù)緊力。鎖緊機(jī)構(gòu)為球鉸提供正壓力使其鎖緊;解鎖機(jī)構(gòu)利用氣缸活塞受到高壓氣推擠產(chǎn)生位移,導(dǎo)致球窩脫離球頭從而解鎖;預(yù)緊機(jī)構(gòu)用于在安裝過程中擠壓碟形彈簧從而調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)預(yù)緊力,而4個(gè)單向閥分別控制左右臂高壓氣缸的進(jìn)氣排氣。如圖2所示,控制過程如下:左解鎖閥處于閉合狀態(tài),高壓氣體無法進(jìn)入氣缸,左側(cè)球碗受彈簧預(yù)緊力壓緊球頭,右解鎖閥打開高壓氣體進(jìn)入氣缸中,推動(dòng)活塞向左運(yùn)動(dòng),球碗脫離球頭,對球頭的壓緊力消失,球頭可自由活動(dòng);左鎖緊閥被按下,左側(cè)氣壓缸與外界大氣相通,活塞受左側(cè)碟形彈簧預(yù)緊力作用將球碗壓緊在球頭上,右鎖緊閥閉合,高壓氣體被密封在右側(cè)氣缸中,在不考慮氣體泄漏的情況下,右側(cè)活塞持續(xù)受高壓氣體推力,球頭處于解鎖狀態(tài)。
2關(guān)節(jié)預(yù)緊力計(jì)算
球鉸具有3個(gè)自由度,小臂受扭矩、拉力、壓力作用時(shí),可分為在空間3個(gè)平面的受力。小臂在水平面上所受扭矩最大,要保證小臂鎖死,則球碗、球蓋對球頭的摩擦扭矩必須大于水平面內(nèi)所受最大扭矩。球碗、球蓋、球頭三者在接觸時(shí)會(huì)發(fā)生彈性變形,其橫截面如圖3所示,球碗受到力F向上運(yùn)動(dòng)。因球碗不可能為剛體,三者屬于柔性體非線性接觸,其形變量與柔性體形狀、材料、厚度等有關(guān),要精確計(jì)算出球鉸鎖緊時(shí)的摩擦扭矩非常困難,采用近似求解方法也能滿足要求,為了計(jì)算方便引入下列假設(shè):(1)假設(shè)球面處的應(yīng)力密度q按余弦分布以上述假設(shè)為前提,球碗球窩受力簡圖如圖4所示。圖4中:α——球窩球面最大張角;R——球面半徑;O——球心點(diǎn);B——球面上任意一點(diǎn);F——球窩所受的推力。球碗上任意一點(diǎn)B處產(chǎn)生摩擦力f,摩擦力的方向?yàn)锽點(diǎn)的切面與通過B點(diǎn)垂直于z軸且平行于xoy的平面。采用球面坐標(biāo)表示B點(diǎn)[5],則球碗上任意一點(diǎn)B的微面積因此,碟形彈簧施加的預(yù)緊力只要能夠大于1.326kN即能夠滿足球鉸鎖緊需求。
3結(jié)論
本文的氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂關(guān)節(jié)球鉸鎖緊結(jié)構(gòu)使用氣壓驅(qū)動(dòng)可提供較大鎖緊力,且氣體壓縮后可儲(chǔ)存進(jìn)小型容器中,可減小機(jī)械臂整體體積。采用碟形彈簧對關(guān)節(jié)處進(jìn)行預(yù)緊力計(jì)算分析,在球碗、球蓋、球頭表面處噴涂防滑涂料,使其能在嚴(yán)苛的工作環(huán)境下工作。最后,計(jì)算出碟形彈簧需要施加1.326kN的力才能滿足球鉸鎖緊的需求。本文為后續(xù)碟形彈簧受力分析、預(yù)緊機(jī)構(gòu)受力分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及關(guān)節(jié)鎖緊力試驗(yàn)提供了參考。
參考文獻(xiàn)
[1]劉達(dá),唐粲.CT導(dǎo)航微創(chuàng)外科機(jī)器人關(guān)節(jié)液壓鎖緊結(jié)構(gòu)研究[J].機(jī)器人,2008,30(4):298-303.
[2]郭麗峰,黃其剛,韓麗艷,等.球鉸快速鎖緊裝置:CN201620313621.X[P].2016-10-12.
[3]潘保安.鎖緊力可調(diào)的液壓鎖緊缸:CN01262152.8[P].2002-07-10.
[4]匡紹龍,李錦忠,章麗,等.一種被動(dòng)機(jī)械臂關(guān)節(jié)鎖緊機(jī)構(gòu):CN201721923569.0[P].2018-09-14.
[5]同濟(jì)大學(xué)數(shù)學(xué)系.高等數(shù)學(xué)下冊[M].北京:高等教育出版社,2007.
[6]洪偉宏.國外航母甲板防滑涂料技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].艦船科學(xué)技術(shù),2015,37(12):166-169.
作者:鐘志豪 崔建昆 呂嗣孝 單位:上海市上海理工大學(xué)