第三章 手部结构设计
为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部:如果有实际需要，还可以换成气压吸盘式结构，
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3-2所示，
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图3-2 齿轮齿条式手部
其工件重量G=5公斤，
V形手指的角度2??120?，b?120mm?R?24mm,摩擦系数为f?0.10 (1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:
2bN p?R(2)根据手指夹持工件的方位，可
N?0.5tg(???)
:
?0.5?5?tg(60??5?42')
?25(N)2bN?245(N) R(3)实际驱动力:
所以p?p实际?pK1K2?
I,因为传力机构为齿轮齿条传动，故取??0.94，并取K1?1.5。若被抓取工件
的最大加
速度取a?3g时，则:K2?1?所以p实际?245?a?4 g1.5?4?1563(N) 0.94所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为1563N。
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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:
F1??D2P4?Ft?Fz
式中: F1 - 活塞杆上的推力，N
Ft - 弹簧反作用力，N Fz- 气缸工作时的总阻力，N
P- 气缸工作压力，Pa
弹簧反作用按下式计算:
Ft?Gf(1?s)
Gf?Gd134D1nGd13
4Gf=
8D1n
式中:Gf- 弹簧刚度，N/m
1- 弹簧预压缩量，m
s- 活塞行程，m d1- 弹簧钢丝直径，m D1- 弹簧平均直径，.
n- 弹簧有效圈数.
G- 弹簧材料剪切模量，一般取G?79.4?109Pa
在设计中，必须考虑负载率?的影响，则:
F1??D2p?4?Ft
由以上分析得单向作用气缸的直径:
D?4(F1?Ft)
?p?Gd1479.4?109?(3.5?10?3)?代入有关数据，可得Gf? 3?338?(30?10)?158D1n
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4
?3677.46(N/m)
Ft?Gf(1?s)
?3677.46?60?10?3
?220.6(N)所以:D?4(F1?Ft)??pn4?(490?220.6) 6??0.5?10?65.23(mm)
查有关手册圆整，得D?65mm
由d/D?0.2?0.3,可得活塞杆直径:d?(0.2?0.3)D?13?19.5mm 圆整后，取活塞杆直径d?18mm校核，按公式F1/(?/4d2)?[?] 有:d?(4F1/?[?])0.5
其中，[?]?120MPa，F1?750N 则:d?(4?490/??120)0.5
?2.28?18
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:
??DPp/2[?]
式中:6- 缸筒壁厚，mm
D- 气缸内径，mm
Pp- 实验压力，取Pp?1.5P, Pa 材料为:ZL3,[?]=3MPa 代入己知数据，则壁厚为:
??DPp/2[?]
?65?6?105/(2?3?106)
?6.5(mm)取??7.5mm，则缸筒外径为:D1?65?7.5?2?80(mm)
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第四章 手腕结构设计
考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。
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360?，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:
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