多用途气动工业机械手设计[下载](3)

第三章 手部结构设计
3.1 夹持式手部结构

    夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。

3.1.1手指的形状和分类

    夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。

3.1.2设计时考虑的几个问题

(一)具有足够的握力(即夹紧力)

    在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。

(二)手指间应具有一定的开闭角

    两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。

(三)保证工件准确定位

    为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。

(四)具有足够的强度和刚度

    手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。

(五)考虑被抓取对象的要求

    根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点， 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附图所示。

3.1.3 手部夹紧气缸的设计

1、手部驱动力计算

    本课题气动机械手的手部结构如图3-1所示：

                                 图3-1齿轮齿条式手部

    其工件重量G=5公斤，

V形手指的角度，,摩擦系数为

(1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:

  

(2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:

所以

(3)实际驱动力:

 

1、因为传力机构为齿轮齿条传动，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取时，则:

所以

所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为。

2、气缸的直径

    本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:

式中:  - 活塞杆上的推力，N

 - 弹簧反作用力，N

- 气缸工作时的总阻力，N

- 气缸工作压力，Pa

弹簧反作用按下式计算:

Gf =

式中:-  弹簧刚度，N/m

- 弹簧预压缩量，m

- 活塞行程，m

- 弹簧钢丝直径，m

- 弹簧平均直径，.

- 弹簧有效圈数.

- 弹簧材料剪切模量，一般取

在设计中，必须考虑负载率的影响，则:

由以上分析得单向作用气缸的直径:

代入有关数据，可得

     

所以:

查有关手册圆整，得

由,可得活塞杆直径:

圆整后，取活塞杆直径校核，按公式

有:

其中，[]，

则:

满足实际设计要求。

3、缸筒壁厚的设计

    缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:

式中:6- 缸筒壁厚，mm

- 气缸内径，mm

- 实验压力，取, Pa

材料为:ZL3,[]=3MPa

代入己知数据，则壁厚为:

取，则缸筒外径为:

第四章  手腕结构设计
4.1 手腕的自由度

    手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油(气)缸，因此我们选用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于，并且要求严格的密封。

4.2 手腕的驱动力矩的计算
4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩

    手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图4-1所示为手腕受力的示意图。

                             1.工件2.手部3.手腕

                               图4-1手碗回转时受力状态

    手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:

 

式中: -  驱动手腕转动的驱动力矩();

-  惯性力矩();

-  参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩().

-  手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力

矩();

    下面以图4-1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算:

1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M悦

若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为，起动过程所用的时间为，则:

 

式中:- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量;

- 工件对手腕转动轴线的转动惯量。

若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量为:

式中: - 工件对过重心轴线的转动惯量:

- 工件的重量(N);

- 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm),

    - 手腕转动时的角速度(弧度/s);

- 起动过程所需的时间(s);

— 起动过程所转过的角度(弧度)。

2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏

 + ()

式中: - 手腕转动件的重量(N);

- 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)

当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则.

3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩

()

式中: ，- 转动轴的轴颈直径(cm);

- 摩擦系数，对于滚动轴承，对于滑动轴承;

,- 处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解，

根据,得:

同理，根据(F),得:

式中:- 的重量(N)

,— 如图4-1所示的长度尺寸(cm).

4、转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。

4.2.2回转气缸的驱动力矩计算

在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸，它的原理如图4-2所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶气缸的压力P驱动力矩M的关系为:

  或 

4.2.3 手腕回转缸的尺寸及其校核

1.尺寸设计

气缸长度设计为,气缸内径为=96mm,半径,轴径=26mm,半径,气缸运行角速度=，加速度时间=0.1s,   压强,

  则力矩：

     

        

2.尺寸校核

（1）测定参与手腕转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况，

质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量：

     

     （）

工件的质量为5,质量分布于长的棒料上，那么转动惯量：

假如工件中心与转动轴线不重合，对于长的棒料来说，最大偏心距

，其转动惯量为:

 

        

（2）手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏，考虑手腕转动件重心

与转动轴线重合，，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线,则：

 + 

      

（3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为，对于滚动轴承，对于滑动轴承=0.1， ，为手腕转动轴的轴颈直径，, , ,为轴颈处的支承反力，粗略估计,,

      

      

4．回转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此处估计为的3倍，

3

       

          

  

           

           

 

  设计尺寸符合使用要求，安全。

第五章  手臂伸缩，升降，回转气缸的尺寸设计与校核
5.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核

5.1.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计

    手臂伸缩气缸采用烟台气动元件厂生产的标准气缸，参看此公司生产的各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际要求，气缸用CTA型气缸，尺寸系列初选内径为100/63，关于此气缸的资料详情请参看烟台气动元件厂公司主页：

5.1.2 尺寸校核

1. 在校核尺寸时，只需校核气缸内径=63mm,半径R=31.5mm的气缸的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强,

  则驱动力：

        

          

2．测定手腕质量为50kg,设计加速度，则惯性力：

 

3.考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数,

     

     总受力

                

          

   所以标准CTA气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。

5.1.3 导向装置

    气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。

    导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。

5.1.4 平衡装置

    在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量和气缸的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。

5.2 手臂升降气缸的尺寸设计与校核

5.2.1 尺寸设计

气缸运行长度设计为=118mm,气缸内径为=110mm,半径R=55mm,气缸运行速度，加速度时间=0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力：

        

        

5.2.2 尺寸校核

1．测定手腕质量为80kg,则重力：

      

2．设计加速度，则惯性力：

    

3.考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数，

          

         总受力

                    

               

           所以设计尺寸符合实际使用要求。

5.3 手臂回转气缸的尺寸设计与校核

5.3.1 尺寸设计

 气缸长度设计为,气缸内径为,半径R=105mm,轴径半径,气缸运行角速度=，加速度时间0.5s,压强,

  则力矩：

           

5.3.2 尺寸校核

1．测定参与手臂转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况，

质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量：

          

          （）

 

              

考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定一摩擦系数,

            

               

总驱动力矩：

            

                

  

      设计尺寸满足使用要求。