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机械毕业设计1701轴瓦体机械手液压系统设计

轴瓦体机械手液压系统设计

摘要

轴瓦体机械手是模仿人的手部动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置。它特别是在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中,以及笨重、单调、频繁的操作中代替人作业,因此获得日益广泛的应用。机械手一般由执行机构、驱动系统、控制系统及检测装置三大部分组成,智能机械手还具有感觉系统和智能系统。本篇介绍的工业机械手属圆柱坐标式、全液压驱动机械手。本篇根据液压系统设计的一般程序,分四步详细地介绍了工业机械手液压系统设计过程,其中第3步拟定液压系统原理图是重点。

关键词机械手;液压;电气

目录

摘要...... .................................................................................................... I 第1章绪论 (1)

1.1 课题背景 (1)

1.2 机械手的定义与分类 (2)

1.3 机械手应用及组成结构 (3)

1.4 机械手的发展趋势 (4)

1.5 轴瓦体 (5)

第2章机械手的工作特点及基本动作 (6)

2.1 机械手的工况特点及要求 (6)

2.2 轴瓦体传送机械手的基本动作 (6)

2.3 液压系统分析 (9)

第3章液压系统原理设计 (10)

3.1 手部抓取缸 (10)

3.2 腕部摆动液压回路 (11)

3.3 小臂伸缩缸液压回路 (12)

3.4 总体系统图 (13)

第4章抓取机构设计 (15)

4.1 手部设计计算 (15)

4.1.1 对手部设计的要求 (15)

4.1.2 拉紧装置原理 (15)

4.2 腕部设计计算 (17)

4.3 臂伸缩机构计算 (18)

第5章机身机座的机构设计 (21)

5.1 常用的定位方式 (21)

5.2 影响平稳性和定位精度的因素 (21)

5.3 机械手运动的缓冲装置 (22)

第6章机械手的控制 (23)

致谢 (24)

参考文献 (25)

第1章绪论

1.1课题背景

随着现代工业技术的发展,工业自动化技术越来越高,生产工况也有趋于恶劣的态势,这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求,同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化,对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害,如冶金、化工、医药、航空航天等。

在机械制造业中,机械手应用较多,发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业,它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作,有些还具备有传感反馈能力,能应付外界的变化。如果机械手发生某些偏离时,会引起零部件甚至机械本身的损坏,但若有了传感反馈自动,机械手就可以根据反馈自行调整。应用机械手,有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度,从而可以提高劳动生产率,降低生产成本,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域,是一门跨学科综合技术。近些年,随着计算机技术、电子技术以及传感技术等在机械手中越来越多的应用,机械手已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。

借助PLC强大的工业处理能力,很容易实现工业生产的自动化。基于此思路设计的机械手,在实现各种要求的工序前提下,大大提高了工业过程的质量,而且大大解放了生产力,改善了工作环境,减轻了劳动强度,节约了成本,提高了生产效率,具有十分重要的意义。

同时,借助组态软件的辅助作用,大大提高了系统的工作效率。因此,在自动化机床和综合加工自动生产线上,目前几乎都设有机械手,以减少人力和更准确地控制生产的节拍,便于有节奏地进行生产。

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力,在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

综上所述,有效地应用机械手是发展机械工业的必然趋势。

1.2机械手的定义与分类

机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器,它有多个自由度,可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作,如图1-1。

机械毕业设计1701轴瓦体机械手液压系统设计

图1-1

机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识。其一,它能部分代替人工操作;其二,它能按照生产工艺要求,遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的传送和装卸;其三,它能操作必要的机具进行焊接和装配。因此,它能大大地改善工人的劳动条件,显著地提高劳动生产率,加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而,受到各先进工业国家的重视,并投入了大量的物力和财力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合,应用得更为广泛。

机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手,它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序,以完成各项规定工作。它的特点是除具备普通机械的物理性能

外,还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的,称为操作机。它起源于原子、军事工业,先是通过操作机来完成特定的作业,后来发展到用无线电信号操作机械手来进行探测月球、火星等。第三类是专用机械手,主要附属于自动机床或自动线上,用于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”,它是为主机服务的,由主机驱动,除少数外,工作程序一般是固定的,因此是专用的。本项目要求设计的机械手模型可归为第一类,即通用机械手。

1.3机械手应用及组成结构

目前工业机械手主要用于流水线传送、焊接、装配、机床加工、铸造、热处理等方面,无论数量、品种和性能方面都能满足工业生产发展的需要。

在国内主要是发展各方面的机械手,逐步扩大应用范围,以减轻劳动强度,改善作业条件。在应用专用机械手的同时,相应地发展通用机械手,专用条件还要研制示教机械手、组合机械手等。将机械手各运动构件,如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构,以及用于不同类型的夹紧机构,设计成典型的通用机构,以便根据不同的作业要求,选用不同的典型部件,即可组成不同用途的机械手,即便于设计制造,又便于改换工作,扩大了应用的范围。同时要提高速度,减少冲击,正确定位,以更好地发挥机械手的作用。

机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统构成。

执行机构包括手部、手臂和躯干。手部装在手臂前端,可以转动、开闭手指。机械手手部的构造系统模仿人的手指,分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指、四指等,其中以二指用得最多。可根据夾持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头,以适应操作的需要。本设计采用二指的构造。手臂的作用是引导手指准确地抓住工件,并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确地工作,手臂的三个自由度都需要精确地定位。总之,机械手的运动离不开直线移动和转动二种,因此它采用的执行机构主要是直线液压缸、摆动液压缸、电液脉冲马达、伺服液压马达、交流伺服电动机、直流伺服电动机和步进电动机等。躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的机架。

驱动机构主要有四种:液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以电气、气动用得最多,占90%以上,液压、机械驱动用得较少。液压驱动主要是通过液压缸、阀、油箱等实现传动。气压驱动所

采用的元件为气压缸、气马达、气阀等。一般采用4~6个大气压,个别达到8~10个大气压。本设计的手爪部分采用气压驱动。电气驱动时,直线运动可以采用电动机带动丝杠、螺母机构。通用机械手则考虑采用步进电动机、直流或交流的伺服电动机、变速箱等。本设计采用步进电动机驱动手臂运动,直流电动机驱动手爪和机械手的底盘旋转运动。机械驱动只适用于动作固定的场合。

机械手控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速度等。机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种,目前以点位控制为主,占90%以上。

控制系统可以根据动作的要求,设计采用数字顺序控制,它首先要编制程序加以储存,然后再根据规定的程序,控制机械手工作。对动作复杂的机械手则采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。

本设计的控制系统采用小型可编程控制器实现,具有编程简单、修改容易、可靠性高等。

1.4机械手的发展趋势

机械手自二十世纪六十年代初问世以来,经过40多年的发展,现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备。目前,机械手技术有了新的发展:出现了仿人型机械手、微型机械手和微操作系统(如细小工业管道机械手移动探测系统、微型飞行器等)、机械手化机器、智能机械手(不仅可以进行事先设定的动作,还可按照工作状况相应地进行动作,如回避障碍物的移动,作业顺序的规划,有效的动态学习等)。机械手的应用领域正在向非制造业和服务业方向扩展,并且蓬勃发展的军用机械手也将越来越多地装备部队。

国外方面:近几年国外工业机械手领域有如下几个发展趋势。机械手性能不断提高,而单机价格不断下降;机械结构向模块化、可重构化发展;控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展;传感器作用日益重要;虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。

国内方面:目前在一些机种方面,如喷涂机械手、弧焊机械手、点焊机械手、搬运机械手、装配机械手、特种机械手(水下、爬壁、管道、遥控等机械手)基本掌握了机械手操作机的设计制造技术,解决了控制驱动系统的设计和配置,软件的设计和编制等关键技术,还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线及其周边配套设备的全套自动通信、协调控制技术;在基础元件方面,谐波减速器、机械手焊接电源、焊缝自动跟

踪装置也有了突破。从技术方面来说,我国已经具备了独立自主发展中国机械手技术的基础。

1.5轴瓦体

轴瓦是内燃机滑动轴承中的滑动部件,也叫“轴衬”。安装在发动机的内部,曲轴箱的曲轴上,起到润滑与减少摩擦作用。轴瓦形状为瓦状的半圆柱面。轴瓦是滑动轴承和轴接触的部分,非常光滑,一般用青铜、减摩合金等耐磨材料制成,在特殊情况下可以用木材、塑料或橡皮制成。滑动轴承工作时,由于润滑不良,轴瓦与转轴之间存在直接摩擦,温度不断升高,虽然轴瓦是由于特殊的耐高温合金材料制成,但仍然会被烧坏,轴瓦还可能由于负荷过大、温度过高、润滑油存在杂质或黏度异常等因素造成烧瓦使滑动轴承就损坏。

第2章机械手的工作特点及基本动作

2.1机械手的工况特点及要求

轴瓦体传送机械手是轴瓦大修流水线上的一个工件传递装置,用手抓取从百合金熔退设备送来的弧面向下的高温轴瓦体,把轴瓦体翻转180°,使弧面向上,然后送到涂刷助焊剂的设备上,如图2-1所示。对机械手的动作要求有手爪夹紧工件,手臂伸缩、手腕回转180°,手臂水平回转180°等。除手爪的抓、放之外,机械手具有三个自由度,要求机械手具有较高的生产能力。

机械毕业设计1701轴瓦体机械手液压系统设计

图2-1 轴瓦体传送机械手工作情况

手爪必须有足够的夹紧力,以防被抓送的工件松动或脱落。手爪应有自锁性能,以防止在失电或失压使被夹紧的工件脱落,并且要求防止手臂在传送过程中发生振动和冲击。

由上可知,这个机械手只需要实现固定点的点控制便可完成任务。因此,其液压系统是开关控制系统。利用行程控制原件和压力控制原件便可实现其自动工作循环。

2.2轴瓦体传送机械手的基本动作

轴瓦体传送机械手液压系统原理如图2-2所示,其动作顺序如下所示。该机械手所完成的基本动作如下。

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图2-22轴瓦体传送机械手液压系统原理图

1手臂伸出、手爪张开推瓦缸到位后压下行程开关,使电磁铁7DT和9DT,换向阀17和换向阀6的左位接入系统。此时,手爪夹紧缸9的左腔与油箱相通,手爪夹紧缸依靠弹簧力将大腔油推回油箱,手爪张开;与此同时,液压泵1输出的压力油进入手臂伸缩缸的左腔,手臂伸出,其油路为:

进油路液压泵1→单向阀4→换向阀17(左位)→手臂伸缩缸左腔;

回油路手臂伸缩缸右腔→换向阀17(左位)换向阀15(左位)→油箱。

在手臂伸出到位之前压下电气行程开关,使电磁铁5DT得电,换向阀15右位接入系统,切断油路,迫使伸缩缸18的回油必须经过节流阀16回油箱,同时使延时继电器得电开始计时。此时伸缩杆18的活塞减速运行,以缓冲到位冲击。当延时到期后,使电磁铁5DT、7DT和9DT全失电,伸缩缸18到位停止运动。

2手爪夹紧当电磁铁9DT失电后,使换向阀6复位,压力油进入手爪夹紧缸9的左腔,压缩弹簧并夹紧轴瓦体。

3手臂缩回当手爪夹紧轴瓦体后,该油路油压升高,当达到压力继电器10的调定压力时,压力继电器发出信号,使低矮那次体弱6DT 得电,换向阀17的右位接入系统,液压泵1输出的压力油经单向阀4

和换向阀17(右位)进入伸缩缸18的右腔,伸缩缸左腔的油液经换向阀17和换向阀15(左位)回油箱,实现手臂缩回。当手臂缩回到终点之前,压力电气行程开关,使电磁铁5DT得电,换向阀15右位接入系统,同时延时继电器通电开始计时,伸缩缸18减速缓冲。延时到期后,使电磁铁5DT和6DT失电,电磁铁8DT得电,换向阀17切换至中位,手臂停止动作。

4手腕翻转180°(正)当电磁铁8DT得电后,换向阀11右位接入系统,压力油经换向阀11(右位)和单向节流阀13的单向阀进入手腕翻转缸13的一腔,另一腔的油液经单向节流阀12的节流阀和换向阀11回油箱,手腕实现出口节流调速下的翻转运动,其翻转速度由单向节流阀12调节。

5手臂回转180°(正)当手臂翻转到位后,通过行程开关使电磁铁3DT得电,换向阀21右位接入系统,压力油经换向阀21(右位)进入手臂回转缸22的一腔,另一腔的油液经换向阀21的换向阀19(左位)回油箱,实现手臂回转180°(正),当回转到终点前压下行程开关使电磁铁2DT得电,换向阀19右位接入系统,回转缸回油经节流阀20回油箱,实现回油节流缓冲。

6手臂伸出手臂回转180°(正)到位后压下行程开关使电磁铁7DT得电,换向阀17左位接入系统,手臂伸出,其动作过程和油路与动作1手臂伸出动作相同。

7手爪张开手臂伸出到位后使电磁铁9DT得电,换向阀6左位接入系统,手爪夹紧缸9的左腔与油箱相通,手爪夹紧缸依靠弹簧力将大腔油箱推回油箱,手爪张开。

8手腕翻转180°(反)手爪张开将工件放下后是电磁铁8DT失电,换向阀11复位,压力油经换向阀11和单向节流阀12的单向阀进入手腕翻转缸的一腔,手腕翻转缸另一腔的油液经单向节流阀13的节流阀回油箱,手腕翻转,翻转速度由阀13的节流阀调节。

9手臂回转180°(反)手腕翻转到位后,行程开关使电磁铁4DT得电,换向阀21的左位系统接入系统,压力油经换向阀21(左位)进入手臂回转缸22的一腔,;另一腔的油液经换向阀21和换向阀19回油箱,实现手臂回转180°(反),当回转到终点前压下行程开关使电磁铁2DT得电,换向阀19右位接入系统,当回转缸回油经节流阀20回油箱,实现回油节流缓冲。

10原位停留手臂回转到位后使电磁铁1DT得电,换向阀2下位接入系统,溢流阀的控制有口经换向阀2接通油箱,实现液压泵卸荷。

2.3液压系统分析

该系统由定量叶片泵1、溢流阀3和换向阀2、单向阀4组成供油和卸荷回路。系统共有手爪夹紧回路、手臂伸缩回路、手腕翻转回路及手臂回转回路四个油路并联连接构成。该系统基本上是多缸顺序动作回路,其特点如下。

1手爪夹紧回路采用当作用常开式液压缸,依靠弹簧力使手爪总处手张开状态。当压力油进入夹紧缸时,才依靠液压力使手爪夹紧工件。该回路在电磁铁9DT失电时,手爪处于夹紧状态,不存在失电工件脱落的问题。回路中加设的单向阀5,起到夹紧工件后的保压自锁作用,以确保在机构回路失压时工件仍被夹紧而不脱落。这种保压锁紧机构虽然强度不高,当基本能满足要求,可使手爪的夹紧状态不受其他分回路油压动的影响。

手爪分回路中的管路8是可伸缩的刚性油管,它可以避免高温熔炉旁边使用软管。但在手臂伸出、手爪夹紧工件后手臂再缩回时,伸缩油管8同时缩回,油管的容积减小,又有单向阀5封闭管内油液倒流,油压升高,因而设置溢流阀7溢流。

2手腕翻转分回路设置单向节流阀12和13构成手腕翻转缸的双向出口节流调速,使工件翻转平稳。此外,手腕翻转动作小,时间短。

3手臂回转分回路的动作信号用延时继电器是因为前一动作手腕翻转时间很短,又不便安装行程控制元件的缘故。手臂回转和伸缩都具有运动部件质量大、运行路程远的特点,为满足高生产率的要求,运行速度必须高,因此,都设置了双向缓冲回路,系统中换向阀19、节流阀20和换向阀15、节流阀16结合使用即可防止手臂回转和伸缩时发生冲击。

4当机械手处于原位停留状态时,各缸都不工作,为减少能量损失,防止系统过热,系统使1DT得电,换向阀2下位接入系统使液压泵1卸荷。

第3章液压系统原理设计

3.1手部抓取缸

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图3-1 手部抓取缸液压系统原理图

1、手部抓取缸液压原理图如图3-1所示

2、泵的供油压力p取10Mpa,流量q取系统所需最大流量即q=1300ml/s。因此,需装图3.1中所示的调速阀,流量定为7.2L/min,工作压力P=2Mpa。采用:

YF-B10B溢流阀

2FRM5-20/102调速阀

23E1-10B二位三通阀

3.2腕部摆动液压回路

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图3-2 腕部摆动液压回路

1、腕部摆动缸液压原理图如图3-2所示

2、工作压力 P=1Mpa

流量 Q=35ml/s 采用:

2FRM5-20/102调速阀

34E1-10B 换向阀

YF-B10B 溢流阀

3.3小臂伸缩缸液压回路

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图3-3 小臂伸缩缸液压回路

1、小臂伸缩缸液压原理图如图3-3所示

2、工作压力p=0.25M pa

流量q=1000ml/s采用:

YF-B10B 溢流阀

2FRM5-20/102 调速阀

23E1-10B二位三通阀

3.4总体系统图

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图3-4 总体系统图

1、总体系统图如图3-4所示

2、工作过程

小臂伸长→手部抓紧→腕部回转→小臂回转→小臂收缩→手部放松

3、电磁铁动作顺序表

1DT 2DT 3DT 4DT 5DT 元件

动作

小臂伸长-+ + - - 手部抓紧-+ - - - 腕部回转-+ - + - 小臂收缩-- - - - 手部放松-- + - - 卸荷+±±±±

4、确电机规格:

液压泵选取CB-D型液压泵,额定压力P=10Mpa,工作流量在32~70ml/r之间。选取80L/min为额定流量的泵,

因此:传动功率 N=p3q/η(3-1)

式中:η=0.8(经验值)

所以代入公式(3.1)得:

N=1038031033106/6030.8

=16.7KN

选取电动机JQZ-61-2型电动机,额定功率17KW,

转速为2940r/min。

第4章抓取机构设计

4.1手部设计计算

4.1.1对手部设计的要求

1、有适当的夹紧力

手部在工作时,应具有适当的夹紧力,以保证夹持稳定可靠,变形小,且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节,对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。

2、有足够的开闭范围

夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时,一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围,可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关,如工件的形状和尺寸,手指的形状和尺寸,一般来说,如工作环境许可,开闭范围大一些较好。

3、力求结构简单,重量轻,体积小

手部处于腕部的最前端,工作时运动状态多变,其结构,重量和体积直接影响整个机械手的结构,抓重,定位精度,运动速度等性能。因此,在设计手部时,必须力求结构简单,重量轻,体积小。

4、手指应有一定的强度和刚度

5、其它要求

因此送料,夹紧机械手,根据工件的形状,采用最常用的外卡式两指钳爪,夹紧方式用常闭史弹簧夹紧,松开时,用单作用式液压缸。此种结构较为简单,制造方便。

4.1.2拉紧装置原理

如图4-2所示【4】:油缸右腔停止进油时,弹簧力夹紧工件,油缸右腔进油时松开工件。

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1、右腔推力为

F

=(π/4)D2P (4-1)

P

=(π/4)?0.52?25?103

=4908.7N

2、根据钳爪夹持的方位,查出当量夹紧力计算公式为:

F

=(2b/a)?(cosα′)2N′(4-2)

1

其中 N′=4?98N=392N,带入公式4.2得:

=(2b/a)?(cosα′)2N′

F

1

=(2?150/50)?(cos30o)2?392

=1764N

则实际加紧力为 F

实际=PK1K2/η(4-3)

1

=1764?1.5?1.1/0.85=3424N

经圆整F

=3500N

1

3、计算手部活塞杆行程长L,即

L=(D/2)tgψ(4-4)

=253tg30o

=23.1mm

经圆整取l=25mm

4、确定“V”型钳爪的L、β。

取L/Rcp=3(4-5)

式中: Rcp=P/4=200/4=50 (4-6)

由公式(4.5)(4.6)得:L=33Rcp=150

取“V”型钳口的夹角2α=120o,则偏转角β按最佳偏转角来确定,

查表得:

β=22o39′

5、机械运动范围(速度)【1】

=500m m/s

(1)伸缩运动 V

max

=50mm/s

V

min

(2)上升运动 V

=500mm/s

max

=40mm/s

V

min

(3)下降Vmax=800mm/s

Vmin=80mm/s

(4)回转Wmax=90o/s

Wmin=30o/s

所以取手部驱动活塞速度V=60mm/s

6、手部右腔流量

q=sv(4-7)

=60πr2

=60×3.14×252

=1177.5mm3/s

7、手部工作压强

p= F1/S (4-8)

=3500/1962.5=1.78Mpa

4.2腕部设计计算

腕部是联结手部和臂部的部件,腕部运动主要用来改变被夹物体的方位,它动作灵活,转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度,可采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构。

要求:回转±90o

角速度W=45o/s

以最大负荷计算:

当工件处于水平位置时,摆动缸的工件扭矩最大,采用估算法,工件重10kg,长度l=650mm。如图4-3所示。

1、计算扭矩M1〖4〗

设重力集中于离手指中心200mm处,即扭矩M1为:

M1=F3S (4-9)

=1039.830.2=19.6(N2M)

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图4-3 腕部受力简图

2、油缸(伸缩)及其配件的估算扭矩M2〖4〗

F=5kg S=10c m

带入公式2.9得

M2=F3S=539.830.1 =4.9(N2M)