目 錄 第 1 章 緒論 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 第 1. 1 節 平衡吊的發展工程及優點 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 1. 1 平衡吊的發展過程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 1. 2 平衡吊的優點 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 4 6 . 2節 平衡吊的分類及不足 7如需要圖紙等資料，聯係 研究成果的嚴肅態度以及向讀者提供有關信息的出處， 正文之後一般應列出參考文獻表引文應以原始文獻和手資料為原則。 所有引用別人的觀點或文字， 無論曾否發表， 無論是紙質或電子版， 都必須注明出處或加以注釋。 凡轉引文獻資料， 應如實說明。 對已有學術成果的介紹、評論、 引用和注釋， 應力求客觀、 公允、 準確。 偽注、 偽造、 篡改文獻和數據等， 均屬學術不端行為致謝一項科研成果或技術創新, 往往不是獨自一人可以完成的, 還需要各方麵的人力, 財力, 物力的支持和幫助. 因此, 在許多論文的末尾都列有致謝 1) 著錄參考文獻可以反映論文作者的科學態度和論文具有真實、 廣泛的科學依據， 也反映出該論文的起點和深度。 2) 著錄參考文獻能方便地把論文作者的成果與前人的成果區別開來。 3) 著錄參考文獻能起索引作用。 4) 著錄參考文獻有利於節省論文篇幅。 [01] Brown, H. D. Teaching by Principles: An Interactive Approach to Language Pedagogy[M]. Prentice Hall Regents, 1994. [02] Brown, J Set al. Situated Cognition and the Culture of Learning[J]. Educational Reasercher, 1, 1989. [03] Chris, Dede. The Evolution of Constructivist Learning Envi-ronments: Immersion in Distributed Virtual Worlds[J] . Ed-ucational Technology, Sept-Oct, 1995. 學位申請者如果能通過規定的課程考試， 而論文的審查和答辯合格， 那麽就給予學位。 如果說學位申請者的課程考試通過了， 但論文在答辯時被評為不合格， 那麽就不會授予他學位。 有資格申請學位並為申請學位所寫的那篇畢業論文就稱為學位論文， 學士學位論文。 學士學 位 論 文 既 如 需 要 圖 紙 等 資 料 ， 是學位論文又是畢業論文 聯 係 中華人民共和國國家標準 VDC 001. 81、 CB 7713-87號文件給學術論文的定義為： 學術論文是某一學術課題在實驗性、 理論性或觀測性上具有新的科學研究成果或創新見解的知識和科現象、 製定新理論的一種手段， 舊的科學理論就必然會不斷地為新理論推翻。”（斯蒂芬 梅森） 因此， 沒有創造性， 學術論文就沒有科學價值。 三、 創造性 學術論文在形式上是屬於議論文的， 但它與一般議論文不同， 它必須是有自己的理論係統的，不能隻是材料的羅列， 應對大量的事實、 材料進行分析、 研究， 使感性認識上升到理性認識。一般來說， 學術論文具有論證色彩， 或具有論辯色彩。 論文的內容必須符合曆史唯物主義和唯物辯證法， 符合“實事求是”、“有的放矢”、“既分析又綜合” 的科學研究方法。 一般普通刊物（省級、 ） 審核時間為一周， 高質量的雜誌， 審核時間為14-20天。 核心期刊審核時間一般為4個月， 須經過初審、 複審、 終審三道程序。 3. 期刊的級別問題。 國家沒有對期刊進行級別劃分。 但各單位一般根據期刊的主管單位的級別來對期刊劃為省級期刊和期刊。 省級期刊主管單位是省級單位。 期刊主管單位是國家部門或直屬部門。 如需要圖紙等資料， 聯係 1. 2. 1 平衡吊的分類 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 2. 2 平衡吊的發展存在的不足 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 第 1. 3 節 平衡吊的構造及其原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 3. 1 平衡吊的構造 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1. 3. 2 平衡臂的平衡原理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 9 10 10 15 第 2 章 平衡吊的方案確定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 第 2. 1 節 平衡吊設計及計算方案 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 第 3 章 平衡吊的設計過程 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 第 3. 1 節 原型平衡臂的幾何分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 第 3. 2 節 杆係與立柱的受力分析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. 2. 1 機構簡圖與作業位置編號 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. 2. 2 各杆件及立柱的與強度計算的截麵尺寸確定 . . . . . . . 3. 2. 3 杆係的變形計算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 24 24 29 36 第 3. 3 節 失衡分析及其補償 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. 3. 1 平衡的條件及失衡種類 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. 3. 2 杆係自重失衡及其補償 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. 3. 4 製造安裝誤差失衡 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. 3. 5 電算應用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 第 3. 4 節 起重電機的選擇 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 第 3. 5 節 吊鉤的計算與校核 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. 5. 1 吊鉤的種類和材料 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. 5. 2 吊鉤的計算 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 43 44 52 53 54 56 56 57 第 4 章 平衡吊設計時的注意事項 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 總 結 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 參考文獻 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 英文原文 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 中文譯文 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 致 謝 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 第 1 章 緒論 第 1 .1 節 平衡吊的發展工程及優點 1.1.1 平衡吊的發展過程 當前國內平街吊設計中存在的三大問題是總體設計解析化, 失衡補償及馭動控製。 本文就前麵兩個問題進行論述。 首先, 推導出一套總體設計解析公式, 將總體設計從半經驗階段推進到解析化階段, 為電算應用開辟了道路。 其次, 作者找到的新補償機構完全補償了杆係自重失衡。 第三, 時杆係變形失衡進行了分析, 提出了補償辦法。 後, 襯電算應用作了初步嚐試。 平衡吊是一種新型機械化吊運設備。 它具有結構簡單、 操作靈活、 製造方便、 高效率、 高精度等優點。 六十年代末期它在日本歐美問世以來, 得到了大力發展。 我國從七四年首次設計試製成功台平衡吊以來, 紛紛在各地推廣應用。 足見其強勁的生命力。 平衡吊是一種車間內的新型機械化吊運工具。 對於中小批量多品種` 目 前, 平衡吊在我國鑄造車間內正在開始使用, 國外已大力推廣應用。 多品種、 小批量生產的中等重量物件的搬運工作機械化, 是長期以來存在的困難問題。 過去通常采用吊車和電動葫蘆等搬運設備, 但這種機械難以實現生產線上機械化。 效率低, 不適於高精度操作, 同時動作的方向性受到限製, 所以在很多情況下不能滿足生產的需要。 六十年代末, 國外開發了一種新型的起重工具一一平衡吊。 它是一種能按操作者的意願進行搬運中等重量物件的人機式機械。 它的問世引起了一些工業發達國家的重視, 特別是美國、 日本在平衡吊的研製和創 新方麵有較高的水平, 現在已有完善的係列產品。 它們不但在國內廣泛使用, 而且已經遠銷國外。 我國發展平衡吊比美、 日等國大約晚 5~6 年, 它首先出現在電機行業。 1974 年, 我院在參加華北地區 6 一 9 號電機行業技術改造工作中, 了 解到這類電機的主要零部件重量在幾十公斤到數百公斤之間, 產量在幾萬千瓦到三、 四十萬千瓦之間, 在機械加工中, 機床上下料和工序間搬運工時約占每個工人全日工時的 20%以上。 一個工人每班的搬運量約為 2 一 5 噸。 由於車間現有起重設備不夠靈便, 效率低, 有的工在機床上下料時, 停工待運的工時達力旺工時的 25%。 有的采用人工搬運, 不僅費時不安全, 且有損工人健康。 因此, 在這種多品種小批量的加工生產線上, 工人迫切要求采用通用的機械化設備來代替笨重的手工搬運工作。 為此, 我院和北京電機於 1974 年初聯合研製出了我國代平衡吊。 平衡吊問世才數年。 目前, 在國外已開始大力發展和推廣應用在國內已有起重量分別為 50 公斤、 100 公斤和 300 公斤的電動平衡吊, 並初步形成一個係列。 一九七五年底, 我院與湘潭電機聯合試製成起重力100 公斤的輪式氣動平衡吊, 傳動平穩、 平衡性能比較好, 已有不少工的鑄造車間正在開始試製。 平衡吊的出現, 受到廣大工人的歡迎。 現在, 平衡吊已在全國推廣, 它的用戶除機械工外, 交通運輸、 石化、 輕工等部門也在推廣使用。全國大約有 一 500 個單位在使用平衡吊。他們一般用於機床上下料、裝配流水線、 加工生產線、 成品裝箱、 砂箱合模、 倉庫中的物品裝卸等工作。 去年, 我國向東南亞某國出口小電機製造成套設備中也配了一定數量的平衡吊, 作為加工、 裝配、 試驗等生產線上的吊裝工具。 近年來, 我院在平衡吊的結構形式、 傳動及其控製、 安裝使用等方 麵進行了 許多研究和設計工作, 搞丁係列設計, 發展了 新品種, 並由專業製造進行批量生產。 展望未來, 平衡吊作為難以機械化部門的省力化裝置, 是很有前途的。 1.1.2 平衡吊的優點 1. 操作直觀性好。 平衡吊的手臂部分是按隨遇平衡原理設計的, 同時, 吊鉤處的物件重量（吊重） 不破壞這種平衡狀態當操作者把物件吊起到所需高度後, 就可以在水平麵內用手扶著隨意移動。 移動時僅需克服很小的滾動磨擦阻力即可。 2. 操作平穩。 由於其手臂剛性較好, 被吊起的物件在移動過程中不會像吊車、 電葫蘆等那樣容易擺動。 3. 操作簡單。 使用者隻要用手扶著物件, 按電鈕或轉動手把, 就能使物件按照操作者所要求的方位和速度（變速型平衡吊） 在三維空間內移動。 無重力型平衡吊具有按操作者的意願和手的感覺控製移動物件快慢的性。 4. 操作吊起幾十公斤到幾百公斤的重物, 操作者隻要使出 2 一 4 公斤的力就能像自己的手一樣自由移動。 5. 安全性好。 平衡吊的傳動係統中有過載保護裝置和安全裝置。 在遇到過載和突然停電、 停氣時能防止被吊物件下落。 6. 可附加各種吊具和機動手爪機構, 提高吊裝效率。 7. 結構簡單, 造價低廉, 使用、 維護簡單。 第 1 .2 節 平衡吊的分類及不足 1.2.1 平衡吊的分類 我國的平衡吊已初步形成係列產品。 按搬運荷重分, 有 50、 100、300、 500 公斤平衡吊； 按整機配置結構分, 有高型和矮型兩種結構；按傳動方式分, 有氣動、 液動和電動按安裝方式分, 有地麵固定式、 地上可移式和旋臂式。 目前生產的平衡吊的作業範圍為: 回轉半徑為 2500 一 3040 毫米； 升降行程為 1500 一 2000 毫米； 水平伸縮行程為 2000 一2200 毫米； 回轉角度為 340 一 350 度（SDB 一 200 型液壓隨動臂和YPD 一 300 型液壓平衡吊可無限製旋轉) 。 標準型平衡吊適於固定場地使用。 國外產品的額定負荷從幾十公斤到一噸左右, 國內產品目 前到 500 公斤。 使用頻度大致每小時在20 一 30 次左右（起重量小的動作次數可適當增加）。 另外, 平衡吊也可安裝在一個可繞立柱回轉的旋臂上, 既可公轉又可自轉, 它可使動作範圍擴大一倍。 高型平衡吊, 如 PHD 一 50、 YWP 一 300、 QPD 一 100 型, 期特點是手臂傳動部件一一頭架離地較高, 回轉時不影響地麵的設備布置, 占地麵積較小, 但要求房稍高（平衡吊手臂動作時高度約 4 米）。 矮型平衡吊, 如 PHD 一 50、 YWP 一 100、 YPD 一 100A、 YPD 一 300、YPD 一 500 型等, 由於它的頭架離地較低所以調整和維修較方便, 對房的高度要求可低些, 同時整機重量也減輕很多。 但它在回轉時, 重錘經過的空間不能有障礙物, 所以它的占地麵積要大些。 電動平衡吊一般由交流電動機經減速器帶動絲杠螺母付使手臂作 升降運動, 采用安全離合器等作過載保護, 靠絲掃螺母的自鎖性能可使被吊物件停留在任意位置。 一般為定速傳動, 由臂前（吊鉤附近） 按鈕控製升降和停止。 液壓平衡吊可分為三種： 1. 可調單速傳動型, 即液壓(定速) 速度可調。 其工作速度可根據使用要求任意調整, 但在使用過程中是不能變速的。 升降和停止由臂前按鈕控製. 2. 有級變速傳動型, 即液壓雙級速度(可調) 。 工作時有高低二檔速度, 其速度大小可預調到所需數值。 升降和停止由臂前按鈕控製。 3. 無級變速傳動型, 如 YWP 一 100 型、 型、 YPD 一 100A 型平衡吊。YWP 一 100 型平衡吊由臂前手把的擺動經鋼絲繩機構拉動頭架內的一個手動比例換向閥實現變速和換向。 YPD 一 100A 型和 YPD 一 300 型均為純動油壓比例控製。 前者為單坐標(升降) 控製。 後者為雙坐標升降和水平伸縮控製, 由臂前單手把操作一個手動控製器, 先導油壓控製一個液控比例換向閥, 實現變速和換向。 液壓平衡吊的油流經過液控單向閥後再進入油缸, 所以在突然停電等情況下, 能使被吊起的物件停留在任意位置, 保證操作時的安全。 另外還有一種無級變速型氣動平衡吊, 如 QPD 一 100 型平衡吊。 在上述基本係列的基礎上, 又發展了平衡臂型的操作臂和機械手。SDB 一 200 型隨動臂是一種平衡臂型的操作臂。 液壓傳動, 純（動） 油壓比例控製, 用單手把在臂前進行操作, 可以實現任意方向的無級變速和微小距離的點動, 提高了控製性能。 手部（爪具） 裝置可根據實際使用要求進行更換。 它適於軸類零件的上下料工作。 PBJS 一 120 型通用機械手為平衡臂型機械手, 其額定負荷為公斤, 重複定位精度達士 2 毫米。 它在地麵物直上自動行走, 可為數台機床上下料服務。 該機械手為液壓傳動, 可變程序順控器控製, 多點可調擋鐵定位。 是一種造價低廉的特重負荷工業機器人。 1.2.2 平衡吊的發展存在的不足 由於我國發展平衡吊的時間還不長, 作為產品生產隻有七年的曆史, 所以在某些方麵與美、 日等潑達國家相比還有如下差距： （1） 產品係列還不夠完善 規格和品種較少, 產品結構通用化、 標準化程度低。 目前產品多為地麵固定型, 對於一些特殊用戶還不能滿足。 （2） 傳動控製性能不夠理想 目 前, 我國生產的標準型電動平衡吊的升降速度為定速傳動, 為避免起停時由慣性引起的振動, 速度都較低, 隻能用於一般上下料工作。 氣動和液壓平衡吊可以實現有級或無級變速, 可達到平穩地起動和停止以及較高的移動速度, 但因控製元件性能不夠理想, 故其控製性能有待進一步提高。 YPD 一 300 型液壓平衡吊和 SDB 一 200 型隨動臂為隨動控製, 適於較的吊裝工作, 並可在手部安裝手爪等抓取機構, 但目前能在製造定購到的隻有 YPD 一 300 型一種。 第 1. 3 節 平衡吊的構造及其原理 1.3.1 平衡吊的構造 1） 立柱 立柱用以支承平衡吊回轉部分及額定起吊零件的重量， 所以要求有足夠的剛度。 立柱的結構一般選用大口徑無縫鋼管與連接盤、 加強筋、底盤等連接焊接而成。 焊後要進行退火處理。 規格（公斤） 50 100 300 外徑 D 168 194 245 壁厚 8 10 14 立柱如改用鑄鐵件， 壁厚可取焊接件的 1. 3~1. 5 倍， 材料以 HT30~54灰鑄鐵為宜。 2） 回轉減速箱 回轉減速箱由大皮帶輪、 極限力矩聯軸節、 小軸、 小齒輪、 內齒輪、絲杠、 絲母、 絲母支架、 箱體以及回轉座等零件組成。 回轉減速箱與電動機、 電源控製箱及平衡臂相連接。 在保證彈簧質量的情況下， 為使平衡吊在空載時得到更好的平衡效果， 應在絲母支架的上端裝一個可上下調整的調整塊， 以調節彈簧的拉力。 3） 平衡臂 平衡臂按用途不同， 有 A、 B 兩種結構型式。 （1） A 型平衡臂 A 型平衡臂由大橫臂、 小橫臂、 起重臂、 支撐臂、 滾輪、 手柄支座、吊鉤架和吊鉤等零件組成。 大橫臂和小橫臂用鐵板壓彎後對焊成空心杆件， 其斷麵呈長方形。橫臂的兩端焊有鉸連接頭。 起重臂為一上端大、 下端小、 其斷麵為長方形的空心杆件， 上端與大橫臂、 小橫臂相鉸接， 下端與手柄支座焊成一體。 手柄支座上裝有旋轉手柄開關（用於交流無級調速） 或按鈕開關，支座內有接線板， 導線由起重臂和大橫臂中通過並接入電源控製箱， 手柄支座的下麵有吊鉤架和吊鉤。 吊鉤與吊鉤架連接。 A 型平衡臂於一般場地作起身重量、搬運零件或供機床上下料使用。 (2) B 型平衡臂 B 型平衡臂由大橫臂、 小橫臂、 起重臂、 支承臂、 滾輪、 橫杆、 三角板、 立杆、 連接板、 和手柄支座組成。 箱體上有兩個垂直導向槽和兩個水平導向槽。 垂直導向槽 A 麵承受平衡臂的拉力， 水平導向槽 B 麵承受平衡臂的壓力。 為了使平衡臂在工作中具有良好的性能。 所有對導向槽有如下的要求： (1) 導向槽必須具有一定的強度、 硬度和光潔度； (2) 垂直導向槽和水平導向槽要相互垂直， 不垂直度超過 0. 05 米； (3) 兩個垂直導向槽的 A 麵和兩個水平導向槽的 B 麵分別都應有同一共麵， 其不共麵不超過 0. 025 毫米； (4) 箱體和回轉座組裝後， 箱體上水平導向槽的 B 麵與回轉座底平 麵 C 應相互平行， 其不平行麵不超過 300015. 0毫米。 絲杠和絲母的配合不必要求過高。 平衡臂在工作中使負載通過絲母支架上的滾輪作用在垂直在導向槽的 A 麵上， 應保證不使用絲杠承受任何方向的徑向力， 否則會發出噪音或局部磨損而影響壽命。 為了防止平衡吊超負荷， 在傳動係統中需安裝極限力矩聯軸節。 大皮帶輪， 以動配合裝在小軸上。 摩擦錐體用鍵與小軸連接， 但能在小軸上作軸向移動。 壓力彈簧的壓力大小， 靠調壓螺母來調整。 動力的傳遞是通過壓力彈簧將摩擦錐體壓緊在大皮帶輪的錐麵上， 靠摩擦力矩將動力由大皮帶輪傳遞到小軸上。 當起吊重量超過額定負載時， 摩擦麵就會打滑， 保證平衡吊各零件不致損壞， 起到安全保護作用。 同時也能使平衡吊的起升和停車比較平穩。 但是應該注意， 在使用中不可將壓力彈簧調的過緊， 否則將失去作用。 如果平衡吊與某種專用機床配套使用時， （被加工零件的配料重量不超過平衡吊的額定起吊重量）， 從結構上講， 安全保護裝置可以省略。 車間的電源是經滑環集電器連接電源控製箱的。 滑環集電器的結構。 滑環集電器的滑環固定在不旋轉的回轉座上， 電源導線從立柱的底部引入， 通過回轉座的中心孔接在滑環上。 電刷和電刷支架固定在可作旋轉的箱體上。 電刷用導線接入電源控製箱。 為了防止導線脫落， 在電刷支架上有線夾將導線夾緊。 電刷靠彈簧片的壓力與滑環接觸， 這樣不管平衡臂旋轉到任何位置時， 其電路總是接通的。 4） 彈簧 拉簧是平衡吊的關鍵零件之一。 拉簧的一端固定在絲母支架的調整塊上， 另一端與平衡臂相連接。91看片在线看滾珠 拉簧的作用是在空載情況下使用平衡臂在其作業範圍內的任意一位置時都能保證靜止不動。 拉簧力量大小的確定， 要使平衡臂和手柄等零件本身自重得到平衡為準， 處在被拉簧拉緊的位置， 使平衡臂的之臂垂直向下。 如果拉簧的拉力過小， 拉簧就處在被平衡臂和手柄等重量的拉伸狀態， 使平衡臂的力立臂向立柱方向滑動。 連接板上端分別與起重臂、 立杆相鉸接。 立杆平行於起重臂， 通過三角板與橫杆相連。 橫杆平行於大橫臂， 並與大橫臂、 絲母支架相鉸接，組成兩個平行四邊形， 所以 B 型平衡臂能夠保證起升的零部件與地麵作水平移動。 手柄支座的下平麵可以裝置各種專用夾具。91看片在线看滾珠 夾具能隨手柄支座回轉0350 。 B 型平衡臂用於給機床起身帶有孔或帶有止口而需要入胎加工的零件， 也可以用於產品的組裝。 平 衡 臂 的 鉸 接 點 和 滾 輪 內 都 裝 有 滾 動 軸 承 （ GB276-64 ） 或（GB283-64） 電動機的正、 反轉， 使絲母支架帶動平衡臂起升或下降。如果兩者同時進行， 則合成斜線運動及回轉運動， 所以操作比較靈活。 5） 手柄 手柄起推拉起重臂作用， 使起升的零件能作水平移動。 為了同時能使零件作起升或下降運動， 所以把控製電動機正、 反轉的按鈕和手柄都安裝在手柄支座的麵板上， 使操作者隻需要用一手就可完成上述動作，而另一手隻起掛吊鉤、 使零件擺正方位、 對準止口等輔助作用。 在特殊用途的情況下， 可將手柄接長， 其控製電動機的按鈕則裝在手柄上。 平衡吊的結構示意圖見圖 1 . 1.立柱 2.減速箱 3.橫杆 4.大橫臂 2.5.小橫臂 6.小橫臂 7.夾具 圖 1.1 平衡吊結構示意圖 平衡吊是使掛在其吊鉤上的被搬運物體, 在手的扶助下隨意搬運的一吊運裝置。 在操作時, 手不必克服物體的重力, 一般來說手隻要用幾公斤的力, 便可在水平方向任意搬動數十公斤乃至數百公斤重的被搬運物體, 而在垂直方向是靠手技電鈕或旋轉手把開關操縱電動機實現升降。 杆係自重平衡裝置一般用彈簧或重錘; 驅動裝置用電動、 氣動或液壓傳動。 平衡臂基本上是運用比例放大尺的原理構成的連杆機構。 其主要形式有兩種： 一是如圖 2 所示的由四根必不可少的基本杆係組成的平衡臂, 稱為原型平衡臂； 二是如圖所示的除基本杆係外還加兩根平行連杆及一塊連接板組成附加杆係構成的平衡臂, 稱為通用型平衡臂。 通用型平衡臂中的平行連杆作用是使處於操縱盒下麵的吊重, 不 管臂處於何種傾斜狀態, 都始終保持其與地麵平行移動的性能, 並可使吊重懸吊於 CC杆間及 C1C 產杆延長線的任何一點而不破壞力係的平衡。因此, 必要時可接長手腕, 裝置各種專用夾具, 發展成機械手。 杆係之間都是使用滾珠軸承鉸接。 A、 B 兩點或 A、1A 、 三點分別置於垂直槽和水平槽內運動, 點的吊重跟隨 A、 B 點或 A、1A 、 B 點作垂直升降或水平移動。 由一個人在臂的前端(圖中 C 點) 進行操作。 所謂平衡, 是指杆件的長度按 H/h=L/l=m 的一定比例條件下, 以一定的力 P=mW 加於 A 點, 就與 C 點的吊重 W, 在整個杆係中處於平衡狀態。 在水平槽內的支點跟隨 C 點水平移動時, 達到隨遇平衡。 所以, 欲使吊重作水平移動, 操作者隻需握住操作手把, 用手輕輕推拉即可, 而且沒有重力感覺。 4. 吊重的垂直升降， 是靠 C 點的操縱手柄或按鈕操縱驅動裝置， 帶動平衡臂的一段的 A 點或 A1 點， 在在垂直槽內上下移動而實現的。 整個平衡臂圍繞立柱的回轉運動靠手動。 電機帶動的升降和手的輕推可以同時進行, 合成斜線運動或空間運動。 操作靈活, 直觀性好。 杆係自重的存在, 破壞了力係的平衡, 產生不利的影響。 因此, 必須采取適當措施, 如: 用彈簧或重錘等方法消除杆係自重的影響, 解決杆係自重的平衡問題。 平衡臂的前端可裝置各種形式的吊具或專用夾具。 平衡臂也可安裝在多種形式的支承裝置上, 以適應不同的要求。 1.3.2 平衡臂的平衡原理 1） 原型平衡臂隻能裝置吊鉤而不能接長手腕, 所以隻有特殊受力 狀態。 原型平衡臂的機構簡圖如圖 9 所示 圖 1. 2 原型平衡臂機構簡圖 構件 I 、 II、 III. IV 係杆件, IV 可為滾輪或滑塊, 其彼此鉸接。構件 IV借驅動裝置外力, 可以在垂直導向槽內上下運動; 構件V 在水平外力的作用下, 可在水平導向槽內平移。 研究平衡原理的目的, 在於導求一個平衡條件。 在該條件下, 構件V 在其運動區間內的任意位置上均不致因吊重重力 G 的作用而自行產生平移。 計算證明, 平衡方程不包含變量和， 僅與常量 H、 h、 L、 l 有關。因此, 平衡臂理論上具備隨遇平衡的性質。 所以稱為理論上的隨遇平衡, 是由於在分析的過程中, 采用如下的假設杆件無自重, 各運動副無摩擦, 杆件受力後無變形, 無製造安裝誤差。 這些假設為平衡原理推導所必須, 但又與客觀實際相矛盾, 所以必須逐個解決。 摩擦對平衡性能的影響具有兩重性, 但為使操作輕便, 故要求將各運動副滾動化杆件變 形量在剛度計算中加以控製, 製造安裝時, 確保杆件長度比值相等乃是關鍵至於杆係自重對平衡性能的破壞, 則隻有外加平衡裝置才能消除。 在實際推導中, 不必研究件V , 而是直接將其取為平衡體, 導出LH。由此式得結論平衡方程式表明, 務必使水平擺臂件平衡條件式lhI 、 垂直擺臂件 II 的臂長合比之比值相等, 平衡臂的平衡性能才有保證。 2） 通用型平衡臂在一般受力狀態下的平衡原理 通用型平衡臂的機構簡圖如圖 10 所示。 圖 1. 3 通用型平衡臂機構簡圖 構件VII 除杆 AB 外, 還剛性地接入 C 杆。 重物 G 懸於杆之 C 端點, 其作用線與杆 AB 的交點, 即可能在線段 AB 上, 又可能在 AB 的延長線上。91看片在线看滾珠該受力狀態具有普遍性, 因為諸如將重物 G 直接懸於 AB 杆之 A 點, 或像通常那樣將重物 G 懸於 AB 杆之中點等, 這些僅僅是其中的一些特例。 通用型自由平衡臂既可有特殊受力狀態, 也可有一般受力狀態。 即既可裝置吊鉤, 也可接長手腕裝置各種夾具。 計算證明, 通用型平衡臂的平衡條件與原型平衡臂的平衡條件相同, 即lLhH。 其具體證明過程從略。 第 2 章 平衡吊的方案確定 第 2.1 節 平衡吊設計及計算方案 平衡方程lLhH為平衡臂的根本原理, 試驗與實踐均已證明, 凡臂一長比例違背平衡方程的杆件組合不能成為平衡臂, 這一點應特別注意。 根據初步摸索, 原型平衡吊的關健部分一平衡臂的設計程序大致如下： 1. 首先進行幾何設計, 繪製“ 原型平衡臂總布局圖”； 2. 根據總布局圖提供的參數, 計算鉸鏈受力, 按靜負荷能力選取鉸鏈軸承, 通過結構化, 杆體中心線極限間距, 初步確定接頭和杆體外形尺寸； 將此外形尺寸與1t 和2t 比較, 務使杆件間留有的空隙不小於10 毫米, 否則應重新作幾何設計； 3. 根據初步確定的杆件外形尺寸, 選取相應的型材, 求出斷麵諸參數, 並進行構件強度、 剛度核算； 4. 各杆件確定後, 根據杆、 鉸鏈軸承和接頭等結構, 準確地計算（或實測法稱重） 每一段臂的重心位置和重量通過計算公式（29） 算出折合在杆 II的自重總作用恒力下, 也可直接用實測法測出 F 的大小; 5. 根據自重作用恒力F的大小, 計算出杆係自重平衡所需重錘的重量大小及位置; 如在設計計算過程中, 應用的某些參數, 設計時可根據實際使用條件酌情而定, 下麵提供一些數據供設計時參考: 1. 臂長比值 m 臂長比m=lLhH, 其尺寸H. h. L. l 以便於製造為原則， 故M 不一定取整數。 薦用範圍m=5-10, 取較大值時各臂的受力情況較為不利, 隻宜在輕負荷時采用取較小值時結構尺寸變大, 但受力狀況有所改善, 宜在重負荷時采用。 這一原則能使整體結構勻稱。 2.21,值 21 和。 值增加, 使水平擺臂主杆部分受力狀況有所惡化, 但對水平擺臂的接頭部分及其餘構件的受力狀況卻有顯普改善。。 和。 值隨H. h. L. l 值增加而增加, 所以對剛度計算及總體緊湊性有一定程度的不利影響, 應取適當數值。 特別應該注意的是切忌取過小值, 因為此時函數呈明顯的“ 正切” 狀態, 杆件在某些位置受力狀況將急劇惡化。對於平衡吊宜取03020對用作機械手的平衡臂020 上限不限。 3. 值和 在實用上, 杆件強度往往不是主要矛盾, 一般設計時均能滿足要 求。 許用相對撓度〔入〕 與驅動方式、 杆件結構、 使用要求、 負荷大小等多種因素有關。 太小, 杆件的變形量增加, 甚至會產生變形太大, 而使臂長比變化, 即 lh剛性增大, 從使用性能來看當然是好的, 但會導致杆件變粗, 自重增LH 直接影響杆係的平衡； 值加大, 杆係大, 結構苯重, 影響整個結構設計的合理性。 對於平衡吊 確定後的方案示意圖如 2. 1 所示。 3001對於作機械手的平衡臂 為5001宜。 其 第 3 章 平衡吊的設計過程 第 3. 1 節 原型平衡臂的幾何分析 原型平衡臂的參數確定 L 條件：mhHl (3-1) 水平導向槽移動距離：ms (3-2) 垂直導向槽移動距離1mzz (3-3) 為了 迅速而合理地決定出平衡臂的布局, 可以從若幹不同的出發點進行分析。 如僅以結構緊湊為目的, 可定平衡臂在方框圖的兩個極限位置擺臂夾角等值, 即21 經推導有關係式： 2. 假定以結構緊湊為目的， 必須02145 2ZKZKmmrrSLH 得：2LHrrSmmZZK (3-4) 當 L=H 時， 則有： 2HrrSmmZZK (3-5) 式(3) 、 (4) 表示杆長 H、 L 與值的關係, H、 L 增加, 值也隨之增加。 與此相對應, 夾角1 、2 杆件間距 ,t222111sin1sin1ttt 值均增加。 根據使用要求決定了與作業區方框圖有關的諸參數後, 應預選 H、L 值, 將其代入式(3) 或式(4) 〔求出參數 K。 即可繪製原型平衡臂總布局圖, 該圖提供了鉸接軸承負荷, 杆件強度和剛度計算中所必須的 、 值, 校核構件結構裝配後是否相碰的間短1t 、2t 值, 以及有關標高尺寸等參數。 計算所得的 K 值, 往往不是整數。 此時按偏小的原則, 將其圓整為整數。 對於一個新的方框圖, 在缺乏資料和設計經驗的情況下, 要預選 H、 L 值往往並不容易。 此時, 令 K=0, 將(4) 式變成: 00LH =22222121rrSZmm (3-6) 平衡臂的杠杆比有 1： 5 ， 1: 6, 1: 7. 5 1: 10 . 其中杠杆比 1： 6為標準規格。 如果加大杠杆比， 則作業範圍可擴大， 但起身重量相 應的減少。 選擇杠杆比為標準杠杆比為 m = 6 K = 0 時， Z = 1. 7m , S = 1. 5m , r = 0. 5m . = 22222121rrSZmm (3-7) = 5 . 12225 . 05 . 07 . 1253621 =0. 8367 k s 作業區方框圖大致有三種類型 1 z1. 近似正方形 ZS 即, 這是常見的情形。 此時應采用式(4) , 並取L = H, 便於製造; 2. 扁矩形 ZS 即應采用式(3) , 並取 L H, 以免出現maxmax的情況。 3. 高 矩 形 ZS 即 應 采 用 式 (3) , 並 取 L H, 以 免 出 現 。maxmax情況。 根據計算結果， 作業區近似正方形。 第 3.2 節 杆係與立柱的受力分析 3.2.1 機構簡圖與作業位置編號 圖 3.1 平衡臂的示意圖 1.受力分析 杆係各杆件以及立柱的受力分析是杆係設計計算的基礎， 個杆件及立柱的截麵係依強度條件及穩定條件確定的， 需知個杆件及立柱的的位置及以及受力的大小係統的剛度指標以 F 點撓度來表示， 而想計算Fmax 也應該知道各種杆件及力柱所受到的力。 此外根據以往平衡吊的使用經驗證明係統的變形將對平衡吊在吊重狀態下的平衡產生相當大的影響， 即使機構失去平衡並產生嚴重的滑行。 如果想解決這個問題就應綜合研究係統在整個作業區內在吊重 G 的作用下所產生變形的變化規律， 並采取適當的措施， 以期消除變形對平衡的不良影響， 有這些問題的解決， 以係統在各個位置下的受力分析作為基礎的。 采用圖解法求杆件及立柱所承受的內力， 計算時忽略各自 重的影響， 忽略係統變形對受力的影響。 在圖紙上以適當的比例並根據 F 點在作業區內所處的不同位置繪出機構簡圖。 在 F 點作用吊重 G=300kg 然後用圖解靜力學方法計算個杆件所承受的內力， 現將具體步驟簡述如下： 其計算公式中的符號含義是： 拉（壓） 應力(Mpa) F計算截麵麵積W計算截麵模數J杆件主杆截麵的軸慣性矩P 包括吊具在內吊重名義重量及其慣性力之總和(公斤) 材料拉（壓） 許用應力(Mpa) 22厘米 厘米 2厘米 m杆長合比比值 E材料彈性模數(Gpa) maxY撓度（厘米） max相對撓度（厘米） L,H杆件總長度（厘米） 許用撓度（厘米） L， h杆件分段長度（厘米） ,杆件擺角（度） z計算截麵至參考截麵距離（厘米） Z計算截麵代號。麵代 號。 1） Ⅰ 杆受力分析 Ⅰ 杆為三力構件在 F 點作用由吊重 G； E 點作用有Ⅲ杆對Ⅰ 杆作用力 TE； 在 D 點作用Ⅱ 杆對Ⅰ 杆作用力 TD,因Ⅲ杆為二力杆故 TE 的作用方向已知， 應在 Ee 的延長線上， 根據三力匯交原理可得 G、 TE、TD 三力的匯交點“k”。 連接 kD,則可得 TD 的作用方向。 在 kD、 kE 兩直線之間連接一鉛垂線段 ab， 按照適當的比例使ab=300kg,便可得以力三角形△kab,於是 ka=[TD]， kb=[TE],故可求得 TE與 TD 兩個力。 為了進行強度計算和變形計算， 還應知道杆件所受到的內力。 將 G 往 DEF 直線投影得 Fa 線段， Fa 即為Ⅰ 杆件的 EF 段所承受的拉力 NEF。 即 NEF=Fa。 將 TD 往 DEF 直線投影得 jr,jr 為Ⅰ 杆件 DE 段所承受的拉[壓]力NDE， 即 NDE=jr 測量 E、 F 兩點之間的水平距離 l1,並以 G=300kg 乘之， 得到Ⅰ 杆的 E 點所承受的彎矩 ME， 即 ME=300* l1（kg*cm）。 2） Ⅱ 杆的受力分析 圖 3.2 圖 3.2 受力分析示意圖 Ⅱ 杆為三力構件， 在 D 點作用有Ⅰ 杆對Ⅱ 杆的作用力 TD=-TD； 在 A點作用有螺母對Ⅱ 杆的約束反力 RA， 方向永遠朝下， 且[RA] =（m-1）GDm 為杆係的倍比。（本設計 m=1890/310=6） ; 在 B 點作用有Ⅳ杆對Ⅱ 杆的作用力 TB， 因Ⅳ杆為二力杆故 TB 的作用方向也是已知的， 應在 BC連線上。 根據三力匯交原理， 此三力匯交在“h” 點。 因 RA 的方向也是已知的， 為鉛垂方向， 故 h 點必須在 A 點所做的鉛垂線上。 根據這個道理可利用這個條件來檢驗作圖的準確性。 按照一定的比例在 kDh 與 hBc 兩線kg, 則 可 得 一 力 三 角 形 △ hmn, hn=[TB], km=[T D]=[TD], mn=[RA]。 故 TD 的大小在Ⅰ 杆的受力分析中求得， 在這裏重 複出現， 因而可利用這個條件來檢驗作圖的準確性。 將 mn 往 ABD 直線上投影 kq , kq 即為Ⅱ杆在 AB 段所受的拉力（或壓力） NBD 即 NBD=kq。 測量 AB 兩點之間的水平距離 l2， 並以[RA]=(m-1) G=1500kg 乘之，便的Ⅱ 杆 B 點所承受的彎矩 MB， 即 MB=1500*l2(kgcm) 。 因 AB 兩點之間距離較小， 而 RA 又較大， 故若直接測量 l2 誤差較大， 為此本設計中是采用測量 角的方法來計算 MB。 MB=[RA]*AB*cos =46500 cos （kgcm）。 3） Ⅲ杆的受力分析 Ⅲ杆為二力杆， 其所受到的內力 NEC=-TE 可能是壓力（當 90o時） 也可能是拉力（當 90 4） Ⅳ杆的受力分析 o時）。 Ⅳ杆是二力杆其所受的內力 NBC=-TB， 永遠是壓力。 5） 立柱的受力分析 立柱承受的有軸向力， 軸向力 Nl=G+G 自重，（G 自重杆係的重 量因此力對強度變形影響極小， 故本設計中忽略不計。 立柱還承受有沿整個高度均勻分布的彎矩 Ml=G*（x-a） 由圖 1， x 為 F 到 A 點的水平距離。 a 為 A 點到立柱中心線的水平距離。 Ml 僅於 F 點的水平位置有關， 而與 F 點的垂直位置無關。 Ⅰ 杆、 Ⅱ 杆、 Ⅲ杆、 Ⅳ杆各種內力的計算結果： TD、 TE、 TB、 NEF、NDE、 ME、 MB， 以及角度 ， 具體數值列於副表Ⅰ 中供查閱 Ml 的計算結果單獨列表如下： 表一 彎矩表 單位 kg*cm 3. 2. 2 各杆件及立柱的與強度計算的截麵尺寸確定 1、 Ⅰ Ⅱ 杆截麵的高度比HB的確定。 為了節省材料， 提高剛度， Ⅰ Ⅱ 杆係用變截麵杆的構件方案其截麵高度沿長度方向按照線性規律變化； 而在寬度方向的基本保持不變， 其垂直軸線方向的截麵形狀為一空心矩形。 Ⅰ 杆的 E 點， Ⅱ 杆的 B 點所承受的彎矩， 且軸向力對強度的影響極小， 故先按強度條件確定Ⅰ Ⅱ 杆在此兩點的截麵尺寸， 再按等重量的原則並考慮結構上的需要適當增大彎矩處的截麵高度， 減小彎矩小處的高度而形成一個變截麵的杆件。 首先按的抗彎矩的條件確定截麵的高寬比 K=HB值。 杆件均采用 4 毫米厚的 A3 鋼板焊接， 高度為 H， 寬度為 B， 則其截麵的軸慣性矩 jx 3222()(3 )B622HHHBH 位置 Ml 7.5x1L_1 L_2 L-3 L-4 L-5 L-6 L-7 L-8 04 6.66x104 5.82x104 4.98x104 4014x104 3.30x104 2.46x104 1.62x104 (3 )B32xXJHHWH （3-8） 圖 3. 3 杆件截麵 xJ 杆件截麵對 xx 軸的慣性矩 XW 杆件截麵對 xx 軸的抗彎矩 為保證在材料消耗相同的條件下， 能得到具有的抗彎矩的截麵則應能滿足在截麵周長 不變的情況下 XW的極值條件。 若 為常量， 則2SBH以此條件代入（38） 得 3232SHWxSH （39） Wx 的極值條件為0wxHdd 3242032323wxHdSHSHSHd 則有： 433,,23382888S8SSSH HS BSHSBBKH （310） 利用這個條件， 並已知 =4 毫米， 則有： 8WxH （毫米233） 323FSH（毫米2） （311） 2． Ⅰ 、 Ⅱ 杆截麵的尺寸確定。 Ⅰ 、 Ⅱ 杆是三力構件， 承受拉（壓） 與彎曲的聯合作用， 故其強度條件為： K d[N/F+M/WX][ ] 式中 kd動截係數。 取 kd=1. 1 N杆件危險截麵的軸向力。 M杆件危險截麵的彎矩。 [ ]許用應力， 材料為 A將（74） 式代入（75） 得 Kd（3328H 又將 Kd、 [ ]值代入， 經整理便可獲得一確定截麵的 H 值的代數方程式為： 3， [ ]=14[ ]kg/mm2 NH+ 23M） [ ] 136H解出 H 值得 2NH4M0 HNNM（毫米） （312） 今Ⅰ 杆受力的位置為 01 位置， 在此位置 NEF=225kg ME=31050kgcm=465000kgmm 代入[76]]式得 H9633（mm） B3H=3211（mm） 經圓整後確定： HI=100mm BI=35mm Ⅱ 杆受力的位置為 31 位置， 在此處 NOB=1050kg MB=46500kgcm=465000kgmm 代入（76） 式可得 H12027mm B3H=403mm 經圓整後確定： HⅡ=125mm BⅡ=45mm 如前所選， 在保證杆件重量基本上不變的條件下， 為提高剛度， 可將杆件的截麵高度適當調整一下， 調整後的杆件外形尺寸 Ⅲ Ⅳ杆為二力杆， 且受力較小， 若按壓杆穩定條件確定截麵， 尺寸將很小， 影響到整體剛度和側向剛度。 為此本設計按許用柔度[ ]來確定截麵。 即： Mli （3-14）式中： L杆件長度； M與杆件兩端約束有關的支座係數 兩端鉸接 M=1, i慣性半徑， i=JF 兩端固定 M=0. 5 ， 許用柔度， 許用柔度 取為 60 圖 3. 3 空心矩形 Ⅲ杆也采用 4mm 厚的鋼板焊接， 等截麵杆， 截麵形狀為空心矩形。 此截麵對 xx 軸有 2623BHHJx 令 B=2H， 代入上述兩式得： 3BHHJx 22HHHXJHy （315） 根據Ⅲ杆的約束條件 ， 對於截麵的 xx 軸方向， 兩端為鉸鏈約束， 故MX=1, 對於截麵的 yy 軸方向， 兩端約束本應為固定支座， 但考慮到支座的剛性不足， 因此， 不應等於 1， 而應在 0. 5 與 1 之間， 91看片看片在线取估計值 MX=0. 7， 為保證杆件在軸 xx 與軸 yy 兩個方向的柔度相等; 即yXxyMMll或xXyyMllM 10.7XyuuyXxxyM lM lyl 則：0.7yxii 又：xxJiF yyJiF 則：0.7yxJJFF 兩端麵平方得： FJFJJyyx5 . 07 . 02 或 yxJJ5 . 0 （316）聯立得： 3233180.56262HH 經整理可獲得一個 的三次方程式： 3226310 （317） 此方程的近似正實數根為 =0. 65， 將所求的 值代入， 並令 =4mm，得 2623BHHJx （318） 截麵麵積 2223.313.22 12FBHHH mm 而：320.38913.21550xxJHiH mmFHlmm Mx=1 則： 1 1550600.398xyH 得： H=66. 5 實際取 HⅢ=65mm BⅢ=45mm Ⅳ杆的截麵尺寸由節點結構條件所確定的尺寸很大， 其強度與柔度均不成問題， 故計算從略。 在結構設計中確定： HⅣ=50mm BⅣ=44mm 4 立柱強度驗算： 立柱的結構為一鑄鐵圓管， 尺寸預定為： 外徑 D=200mm 內徑 d=168mm 材料為： HT 20－40 立柱的受力為偏心壓縮， 故其截麵承受壓縮與彎曲的聯合作用，但壓縮應力很小略去不計， 則可按照純彎曲進行計算。 euemkdw We截麵的抗彎矩 254104)21 (01. 0mmDWe 式中：mmkgkdmmkgD1 . 1u/06. 2104105 . 71 . 1/105 . 784. 0200168355 立柱材料為 HT 240wkgmm 安全係數 4019.52.06wnm 3.2.3 杆係的變形計算 1） ...
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