现代设计方法大作业
第二章 机械手的总体设计方案
本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计，及PLC控制系统设计。在本章中对机械手的座标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。因此，在机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务。
2.1 机械手基本形式的选择
常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种: (1)直角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; ( 3)球坐标(极坐标)型机械手; (4)多关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采用
?11?圆柱坐标型。图2.1 是机械手搬运物品示意图。图中机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B。图2.2为机械手的实物图。
图2.1 机械手基本形式示意
图2.2 机械手实物图
2.2机械手的主要部件及运动
在圆柱坐标式机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有5个自由度。既：手抓张合；手部回转；手臂伸缩；基座回转；机械手上
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下移动。
本设计机械手主要由3个大部件和3个气压缸组成：（1）手部，采用直线气压缸，通过
0机构运动实现手抓的张合。（2） 腕部，采用一个摆动式气压缸实现手部回转180（3）臂部，采用直线缸来实现手臂平动200mm。图2.3为机械手的组成部件图
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气压、气动、电动和机械驱动等四类。采用气压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便等优点。因此，机械手的驱动方案选择气压驱动。
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:4Kg (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:120mm 6、手臂运动参数 伸缩行程： 200mm 升降行程：800mm 升降速度：800mm/s 回转范围:0—1800 7、手腕运动参数 回转范围: 0—1800
2.5 本章小结
本章对机械手的整体部分进行了总体设计，选择了机械手的基本形式以及自由度，确定了本设计采用气压驱动，给出了设计中机械手的一些技术参数。下面的设计计算将依次进行。
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第三章 机械手手部的设计计算
3.1 手部设计基本要求
（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。
3.2 典型的手部结构
（1） 回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。 （2） 移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动。 （3）平面平移型。
3.3机械手手抓的设计计算
3.3.1选择手抓的类型及夹紧装置
本设计是设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：方形工件
40*80*60mm,m=4kg放松动作时两爪间最大距离110~120mm。常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单, 适于夹持平板方料, 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指, 驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。
通过综合考虑，本设计选择连杆杠杆式这种结构方式。 3.3.2 手抓的力学分析
下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆 图3.1（a）为常见的滑槽杠杆式手部结构。
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图3.1连杆杠杆式手部结构
由?Fx?0 得 F1?F2
F 2cos?F1??F1'
'由?M01(F)?0 得 F1?FN?120sin79/(90?sin66)
?Fy?0 得 F1?式中 ?——工件被夹紧时手指的拉杆方向与两回转支点的夹角。
F由分析可知，当驱动力F一定时，?角增大，则握力N也随之增大，但?角过大会导
00致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好?=30?40。 3.3.3 夹紧力及驱动力的计算
手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。
F?K1K2K3G手指对工件的夹紧力可按公式计算： N （3.2） 式中 K1——安全系数，通常1.2?2.0；
b k2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估K2?1?其
av中a，重力方向的最大上升加速度；a?max
t响 vmax——运载时工件最大上升速度
t响——系统达到最高速度的时间，一般选取0.03?0.5s K3——方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。 G——被抓取工件所受重力（N）。
表3-1 气压缸的工作压力 作用在活塞上外力F（N） 小于2000 气压缸工作压力Mpa 作用在活塞上外力F（N） 气压缸工作压力Mpa F?2.138FN （3.1）
0.5?0.8 20000?30000 0.3?0.4 现代设计方法大作业
2000?5000 0.8?1.5 30000?50000 0.4?0.8 50000以上 5000?10000 1.5?2.0 0.8?1.3 计算：设a=100mm,b=50mm, 10????40?;机械手达到最高响应时间为0.5s，求夹紧力
FN和驱动力F和 驱动气压缸的尺寸。 设K1?1.5
bK2?1??1?0.8/?1*9.8??1.08
aK3=5
根据公式，将已知条件带入：
?FN?1.5*1.08*5*4*9.8?317.52N （2）根据驱动力公式得：
F?317.52*2.318?736.01N
（3）取??0.85 F实际?736.01/0.85?865.89N （4）确定气压缸的直径D
选取活塞杆直径d=0.5D,选择气压缸压力油工作压力P=0.8MPa,
?F实际??D?42?d2?p?D=38.4mm
根据表4.1（JB826-66），选取气压缸内径为：D=40mm 则活塞杆内径为:
d=40?0.5=20mm，选取d=20mm
3.4 本章小结
通过本章的设计计算，先对滑槽杠杆式的手部结构进行力学分析，然后分别对滑槽杠杆式手部结构的夹紧力、夹紧用的弹簧、驱动力进行计算。