搬运机械手的设计(3)

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2.3驱动机构的选择

驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便，驱动力大等优点。因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。

2.4 机械手的技术参数列表

一、用途：搬运:用于车间搬运 二、设计技术参数:

1、抓重:60Kg (夹持式手部) 2、自由度数:5个自由度 3、座标型式:圆柱座标 4、最大工作半径:1600mm 5、手臂最大中心高:1248mm 6、手臂运动参数 伸缩行程：1200mm 伸缩速度：83mm/s 升降行程：300mm 升降速度：67mm/s 回转范围:0-180° 7、手腕运动参数

回转范围: 0-180°

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3 机械手手部的设计计算

3.1

概述

手部是机械手直接用于抓取和握紧工件或夹持专用工具进行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安装于机械手手臂的前端。机械手结构型式不象人手，它的手指形状也不象人的手指、，它没有手掌，只有自身的运动将物体包住，因此，手部结构及型式根据它的使用场合和被夹持工件的形状，尺寸，重量，材质以及被抓取部位等的不同而设计各种类型的手部结构，它一般可分为钳爪式，气吸式，电磁式和其他型式。钳爪式手部结构由手指和传力机构组成。其传力机构形式比较多，如滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式??等，这里采用滑槽杠杆式。

3.2 设计时应考虑的几个问题

（1） 应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。

（2） 手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度）??，以便于抓取工件。

（3） 要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。 （4） 应保证手抓的夹持精度。

3.3 驱动力的计算

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1.手指 2.销轴 3.拉杆 4.指座

图1 滑槽杠杆式手部受力分析

如图所示为滑槽式手部结构。在拉杆3作用下销轴2向上的拉力为P，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心线OO1和OO2并指向O点，P1和P2的延长线交O1O2于A及B，由于△O1OA和△O2OA均为直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。根据销轴的力平衡条件，即

∑Fx=0,P1=P2;∑Fy=0 P=2P1cosα P1=P/2cosα

销轴对手指的作用力为p1′。手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），假想握力作用在过手指与工件接触面的对称平面内，并设两力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡条件，即∑m01(F)=0得 P1′h=Nb 因 h=a/cosα 所以 P=2b(cosα)2N/a

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式中 a——手指的回转支点到对称中心线的距离（毫米）。

α——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角。

由上式可知，当驱动力P一定时，α角增大则握力N也随之增加，但α角过大会导致拉杆（即活塞）的行程过大，以及手指滑槽尺寸长度增大，使之结构加大，因此，一般取α=30°~40°。这里取角α=30度。

这种手部结构简单，具有动作灵活，手指开闭角大等特点。查《工业机械手设计基础》中表2-1可知，V形手指夹紧圆棒料时，握力的计算公式N=0.5G，综合前面驱动力的计算方法，可求出驱动力的大小。为了考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动以及传力机构效率的影响，其实际的驱动力P实际应按以下公式计算，即： P实际=PK1K2/η

式中 η——手部的机械效率，一般取0.85~0.95； K1——安全系数，一般取1.2~2

K2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，K2可近似按下式估计，K2=1+a/g，其中a为被抓取工件运动时的最大加速度，g为重力加速度。

本机械手的工件只做水平和垂直平移，当它的移动速度为500毫米/秒，移动加速度为1000毫米/秒2，工件重量G为98牛顿，V型钳口的夹角为120°,α=30°时，拉紧油缸的驱动力P和P实际计算如下：

根据钳爪夹持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置的工件的当量夹紧力计算公式

N=0.5G

把已知条件代入得当量夹紧力为 N=49（N）

由滑槽杠杆式结构的驱动力计算公式 P=2b(cosα)N/a 得

2 P=P计算=2*45/27(cos30°)*49=122.5(N) P实际=P计算K1K2/η

取η=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/9810≈1.1

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则 P实际=122.5*1.5*1.1/0.85=238(N)

3.4 两支点回转式钳爪的定位误差的分析

图2 带浮动钳口的钳爪

钳口与钳爪的连接点E为铰链联结,如图示几何关系,若设钳爪对称中心O到工件中心O′的距离为

x,则

x=

l2?(R/sin??b?a)2

当工件直径变化时,x的变化量即为定位误差△,设工件半径R由Rmax变化到Rmin时,其最大定位误差为

△ =∣

l2?(Rmax/sin??b?a)2-

l2?(Rmin/sin??b?a)2∣

其中l=45mm ,b=5mm ,a=27mm ,2?=120° ,Rmin=15mm ,Rmax=30mm 代入公式计算得

最大定位误差△=∣44.2-44.7∣=0.5＜0.8 故符合要求.

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