搬运机械手设计(4)

h?acos? (3-2)

F?bcos2?Fna

(3-3)

式中：a——从对称中心到手指的回转支点的长度（mm），?——工件被夹紧时两回转支点与手指的滑槽方向产生的夹角。

根据计算分析，在驱动力F 不变时，?角增加，则握力 Fn 同时会增加，但?角度太大会产生拉杆行程过大的后果，还将导致手部结构变大，因此最好?=30°~40°。 3.3.3 夹紧力及驱动力的计算

机械手手抓对于工件的夹钳力，是设计机械手手部的重要依据。设计时要对受力的方向、大小以及作用点进行分析和计算。对于一般的机械手手抓来说，手抓抓取工件时需要克服工件自身重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化时惯性力产生的载荷，以保持可靠的工件夹紧状态。

手指对工件的夹紧力可按公式计算：

Fn?K1?K2?K3?G

(3-4)

式中：K1──安全系数，通常去1.2～2.0，K2──工作状况系数，主要是考虑惯性力的作用。K2可近似按式3-5估算：

K2?1?

ag

(3-5)

式中：a──运载工件时向着重力方向上升最大的加速度， g──重力加速度，g≈9.8m/s2；

a?Vmax (3-6) t响vmax

──运载工件时向着重力方向上升最大速度，机械手直线速度常在200～

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300mm/s , t响──系统达到最高速度的时间，根据设计参数选取。K3──方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同 。

假设：a=50mm，b=150mm, ?=30°。机械手打到最高响应时间为0.5s。求夹紧力Fn，驱动力F，驱动气缸尺寸。根据实际情况初定：

（1）所以求出夹紧力为：

K1?1.50.1/0.5?1.029.8∴Fn?1.5?1.02?0.5?（7.89?9.8）?59.2N K2?1?（2）根据驱动力公式：

2?150?cos230 ?59.2=266.4N50

得

F计算=

（3）传动效率取η=0.85

∴F实际=F计算?0.85=226.4N

3.3.4气缸类型的选择

π∵F实际=?（D2?d2）?P

4工作压力P取0.4MPa

气缸计算公式为： D=4F0 πp(3-7)

所以 D=4?226.4=29.11mm 52π?0.4?10?（1-0.3）根据见表3-1以及《机械设计手册》中缸型标准，选取缸径为40mm。

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表3-1 气缸内径选用表

气缸内径（mm）

16 50 20 63

25 80 32 100 40 125 3.3.4气压缸主要尺寸的选择

（1）由《机械设计手册》气压缸外径系列，根据已定内径D=40mm。 气缸缸筒承受压缩空气的压力，其壁厚可按薄壁公式计算：

??

Py?D2[?] (3-8)

式中：?--------缸筒壁厚，Py------实验耐压力，取1.25 x工作压力，[?]------缸筒材料抗压强度，铸钢取[?]=100~110Mpa。

??壁厚取12mm符合要求。 （2）气压缸行程S的计算

1.25?0.4?0.042?100

由《机械设计手册》气压缸行程参数系列，再根据机械手外行设计尺寸的要求选用小手臂伸缩液压缸行程S=25mm。

（3）根据《机械设计手册》气缸活塞杆直径为： d?0.3D，所以设计活塞直径为d=12mm。

3.3.6 手爪的夹持误差分析与计算

机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定的位置，不仅取决于机械手定位精度，而且也与手指的夹持误差大小有关。由于本机械手手部选用的是内撑式垂直上下工作的，所以其手爪的夹持误差可以粗略认为是零，但通常情况下保持它不超过±1mm就可以了。

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4 臂部的设计及有关计算

手臂部分是主要的机械手夹持组件。它的作用是支持的手（包括工件或工具）和手腕，并推动他们同时做空间运动。手臂运动应该包括3个运动：伸缩、回转和升降。本章叙述手臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下一章叙述。

手臂运动的原则：在空间任何一点都能让手部碰到。为完成各种运动的手臂通常使用驱动机制和传输机制来实现，从手臂的受力分析，手腕，手是直接作用力在手臂上的，并且手臂自己也经常需要完成运动。因此，它的结构，工作范围，灵活性和直接影响机械手的工作性能。

4.1伸缩手臂的设计要求

机械手的手臂基本要求应该是拥有较大承受能力，刚性好，重量轻。对于机械手臂或身体的承载能力，通常取决于其僵化程度。以机械手臂部作为一个例子，一般的结构正在越来越多地采用悬臂梁形式，然而伸缩臂悬长度增加，刚度降低并且其伸缩臂的刚度会不断的改变。对机器人的运动性能，定位精度和承载能力影响很大。为了提高刚度，除了尽可能地延长手臂长度缩短，是要注意以下几个方面。

（1）根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸

臂部和机身通常既受弯曲，也受扭转，应选择横截面形状的弯曲和扭转刚度高的。显然，在截面积和单位重量基本相同的情况下，钢，槽钢工字钢和惯性矩是比较大的。因此，作为导杆机械手，无缝钢管、钢或槽钢作为支撑板。这不仅提高了手臂的刚度，同时也大大降低了手臂的重量，并可以用中空的内部装有驱动装置，传动机构通过管道，这样就使结构紧凑，外形整齐。

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（2）提高支承刚度和合理选择支承间的距离

臂杆或机身的变性量不仅与本身刚度有关，而且与支承的刚度和支承间的距离有很大关系，要提高支承刚度，除从支座的结构形状，底板的刚度。以及支座与底板的连接刚度等方面考虑外，特别注意提高配合面间的接触刚度。

（3）合理布置作用力的位置和方向

在结构设计时还应结合具体受力情况，设法使个作用力引起的变形相互抵消。 （4）注意简化结构

在设计臂部时，元件越多，间隙越大，刚性就越低，因此应尽可能使结构简单，要全面分析各尺寸链，在要求高的部位合理确定调整补偿环节，以减少重要部件的间隙，从而提高刚度。

（5）提高配合精度

水平放置的手臂，要增加导向杆的刚度，同时提高其配合精度和相对位置精度，使导向杆承受部分或大部分自重和抓取重量。提高活塞和缸体内径配合精度，以提高手臂前伸时的刚度。

臂部运动速度要高，惯性要小机械手手臂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，一般根据生产节拍和行程范围，就确定了手臂的运行速度。在一般情况下，手臂的移动和回转，俯仰均要求匀速运动，但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求起动时间的加速度和终止前减速度不能太大，否则引起冲击和振动。

手臂动作应灵活。为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，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应合理，使手臂运动过程尽可能平衡，以减少对升降支承轴线的偏心力矩，特别要防止发生卡死的现象。

位置精度要高。一般说来，直角和圆柱坐标式机械手位置精度较高，关节式机械手的位置最难控制，故精度差；在手臂上加设定位装置和检测机构，能较好地控制位置精度，检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动，啮合件的间隙。除此之外，要求机械手通用性好，能适合多种作业的要求，工艺性好，便于加工和安装；用于热加工的机械手，还要考虑隔热，冷却；用于作业区粉尘大的机械手还要设置防尘装置等。

手臂的典型运动的形式有：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；复合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的组合。

在设计计算前，通常是先进行粗略的估算，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。如此反复数次，绘出最终的

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