机械手设计说明书 - 制造自动化

1.总体方案设计

根据课题设计任务书的要求，确定总体方案：

1. 抓重：10kg

2. 坐标形式：圆柱坐标

3. 自由度：3

4. 手臂运动参数：

运动名称 符号 行程范围 速度

伸缩 X 300mm 小于200mm/s

升降 Z 200mm 小于100mm/s

回转 α 180° 小于90（°）/s

手指夹持范围：棒料，半径40mm～60mm。

定为方式：机械挡块（行程开关）。

驱动方式：液压驱动。

控制方式：PLC（可编程序控制）

定位精度：±2mm。

机械手的工作原理图如图1-1所示

手部1采用夹钳式，具体为单支点回转型夹紧机构。动力采用单作用液压缸2驱动夹紧，反向则由弹簧复位而松开手指。

手臂的伸缩采用双作用液压缸３驱动，伸缩过程采用双导管导向，在导向的同时，亦起到了一定的支撑作用，大大减少活塞杆的受力。夹紧缸的压力油经其中一导管进入缸内，此结构能使油管布置更加紧凑。

手臂的回转采用摆动液压缸４驱动，此摆动缸设计成输出轴固定不动，而使缸体转动从而带动整个手臂回转运动。

双作用液压缸5驱动手臂做升降运动

图1-1 机械手工作原理图

2.手部设计

手部（亦称抓取机构）是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面处理等的不同，则机械手的手部机构是多种多样的，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而设计的（林建龙，王小北，2003）。常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夹持式和吸附式两大类。本设计采用常用的夹钳式手部结构，它是最常见的夹持式结构。

夹钳式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成的，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘和套类零件（殷际英，何广平，2003）。一般情况下多采用两个手指，少数采用三指或多指。本设计中的工件是棒料，所以选择较简单的两指结构。

夹钳式手部设计的基本要求：

1、应具有适当的夹紧力和驱动力 手指握力（夹紧力）大小要合适，力量过大则动力消耗多，结构庞大，不经济，甚至会损坏工件；力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。在确定握力时，除考虑工件总量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，亦保证工件夹持安全可靠（杨永清等，2008）。对于手部的驱动装置来说，应有足够的驱动力。应当指出，由于机构传动力比不同，在一定的夹持力条件下，不同的传动机构所需驱动力的大小是不同的。

2、手指应具有一定的开闭范围 手指应具有足够的开闭角度或开闭距离，以便于抓取或退出工件。

3、应保证工件在手指内的夹持精度 应保证每个被夹持的工件，在手指内都有准确地相对位置。这对一些有方位要求的场合更为重要，如曲拐、凸轮轴一类复杂的工件，在机床上安装的位置要求严格，因此机械手的手部在夹持工件后应保持相对的位置精度。

4、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。

5、应考虑通用性和特殊要求 一般情况下，手部多是专用的，为了扩大它的适用范围，提高它的通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要，通常采取手指可调整的办法，如更换手指甚至更换整个手部。此外，还要考虑能适应工作环境提出的特殊要求，如耐高温、耐腐蚀、能承受锻锤冲击力等。(李允文，1994)

2.1 确定手部结构

根据设计要求设计出的手部结构如图2-1所示：

图2-1 手部结构图 图中NF为手指对工件的夹紧力，F为夹紧缸活塞杆的推力。

2.2 手部受力分析

经分析，手部受力图如图2-2所示

图2-2 机械手手部受力分析图

由图可知，手部结构对称，则 12FF

由0yF 得

'1F＝cos2F 且'1F＝1F

由0)(1FMo 得

1Fh='NFb 且'NF＝NF

由几何关系有 h＝cosc

由上述等式可得：

FN＝Fbc2)cos1(2 即 F= 22cosNbFc

式中 b —手指回转中心到夹紧力作用点之间的距离；

C —手指回转中心到滑槽支点之间的距离；

—工件被夹紧时手指滑槽方向和回转中心在水平方向的夹角。

2.3 手部夹紧力的计算

手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对其大小、方向和作用点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），以使工件保持可靠的夹紧状态。

手指对工件的夹紧力可按下式计算（李允文，1994）：

123NFKKKG＝1.5×1.02×4×98=593N 取FN =600N

式中：K1—安全系数，取K1＝1.5；

K2—工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。取K2＝1.02；

K3—方位系数，根据工件形状以及手指和工件位置不同进行选定，K3＝4

G—被抓工件所受重力（N），G＝mg＝10×9.8＝98N。

则：

222coscos306002250NbFFc理论2100＝＝＝40N

2647FF理论实际2250＝＝＝0.85N

式中 —手指传力效率，取＝0.85。

2.4 手抓夹持误差分析和计算

机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件确定），而且还和手指的夹持误差大小有关。在机械加工中，通常情况要求手抓的夹持误差不超过±1mm就可以了。根据设计要求知棒料半径为40mm～60mm。 则：

工件平均半径：minmax40605022cpRRRmm

取手指LAB为工件平均半径的2倍：LAB＝2×50＝100mm

取V型钳的夹角2120

偏转角按最佳偏转角确定：

1150coscos5444sin100sin60cpooABRL´β=

计算0sincos0sin60cos544450ABRLMmm

max0minRRR 则定位误差为1和2中的较大者。

22maxmax1()2cossin82.46281.6440.818sinsinABABABRRLLLmmΔ

22minmin()2cossin82.46581.6440.821sinsinABABABRRLLLmm2Δ

∴＝2＝0.821mm<1mm

夹持误差满足设计要求。

2.5 手部夹紧缸的设计计算 2.5.1 夹紧缸主要尺寸的计算

由前知，夹紧缸为单作用弹簧复位液压缸，假设夹紧工件时的行程为25mm，时间为0.5s，则所需夹紧力为：

2647FFPP弹弹实际＝

式中： F—活塞杆实际输出力；

P弹—弹簧压缩时的作用力。

其中：

43)4628ZGdPLSNDZ弹＝（

式中： G—弹簧材料的剪切模量，对于钢材，528.110(/)Gkgcm；

D—弹簧的钢丝直径（3mm）；

DZ—弹簧中径（30mm）；

Z—弹簧的有效圈数（18圈）；

L及S—活塞的行程及弹簧的和预缩量，L=25mm, S=20mm。

∴ F=2647+462=3109N<5000N

查表 工作压力取1aMP，考虑到为使液压缸结构尺寸简单紧凑，取工作压力为2aMP。

由公式 24FDP 得：

644310945.73.142100.95FDmmP

式中: D—液压缸内径；

P—液压缸工作压力；

—液压缸工作效率，＝0.95。

由JB826－66标准系列将缸内径圆整为D＝50mm，同理查得活塞杆直径d＝32m，

2.5.2 缸体结构及验算

缸体采用45号钢无缝钢管，由JB1068－67查得可取缸筒外径为60m，则壁厚＝5mm。

（1）液压缸额定工作压力()NPMPa应低于一定极限值，以保证工作安全（李壮云，2008）。

226221221()0.3534010(0.060.05)0.3536.360.06sNDDPMPaD

式中： D—缸筒内径（m）；

D1—缸筒外径（m）； σs—缸筒材料的屈服点，（45号钢为340MPa）。

已知工作压力PN＝2MPa<36.36MPa，故安全。

（2）为避免缸筒在工作时发生塑形变形，液压缸的额定压力PN值应和塑性变形压力有一定的比例范围。

PN≤（0.35～0.42）PPl

式中：PPl－缸筒发生完全塑性变形时的压力（MPa），12.3lgplsDPD。

计算可得：61.92plPaMP

0.3561.9221.67NaPMP

已知实际工作压力PN＝2MPa<21.67MPa,故安全。

（3）缸筒爆裂压力()EaPMP应远远大于耐压试验压力PT。

12.3lgEbDPD

查表知45号钢600baMP，则：62.360010lg1.2109.27EaPMP

TP取1.5NP＝3MPa，可知EP远远大于耐压实验压力TP。

2.5.3 缸筒两端部的计算

（1）缸筒底部厚度的计算

此夹紧缸采用了平行缸底，且底部设有油孔，则底部厚度为（李壮云，2008）：

max6040.050.4330.4330.056.8()120100.038pDhDmmDd

考虑结构要求，取h＝10mm

式中： D—缸筒内径；

Pmax—液压缸最大工作压力，取Pmax＝2PN＝4MPa。

—缸底材料的许用应力（MPa），材料为45号钢，b＝600MPa。则

＝6001205bnMPa，n为安全系数，取n＝5。

（2）缸筒底部联接强度计算

缸筒底部采用外卡环联接，材料为35号钢，联接图如下：