现代设计方法大作业
第四章 腕部的设计
4.1 腕部设计的基本要求
（1）结构紧凑、重量轻
腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。 （2）结构考虑，合理布局
腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。 （3） 必须考虑工作条件
对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。
4.2 腕部的设计计算
4.2.1 腕部设计考虑的参数
夹取工件重量4Kg，1800。
4.3.2 腕部的驱动力矩计算
（1） 腕部的驱动力矩需要的力矩M惯。 （2） 腕部回转支撑处的摩擦力矩M摩。
夹取棒料直径80mm，长度60mm，重量4Kg，当手部回转1800时，计算力矩：
（1） 手抓、手抓驱动气压缸及回转气压缸转动件等效为一个圆柱体，高为220mm，直径
15mm，其重力估算G=9.8*30=294N （2） 摩擦力矩M摩?0.1m。
（3） 启动过程所转过的角度?启?180=0.314rad，等速转动角速度??2.616s。
?2查取转动惯量公式有：
J工件?2M惯??J?J工件?2?启
J?m?R?R?0.5?0.084375N?m
?m（a?a?b?b）/12?4??0.04?0.04?0.08?0.08?/12?0.002176N?m
代入： M惯?（0.084375?0.002176）*2.616*2.616/?2*0.314??0.9439N?m
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M?M惯?M摩?M惯?0.1M
M?0.9439/0.9?1.049N?m
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（4.1）
4.3.3 腕部驱动力的计算
表4-1 气压缸的内径系列（JB826-66） （mm） 气压缸内径 0.5MP?p?1.0Mpa 20 70 25 75 32 80 40 85 50 90 55 95 63 100 1.0MP?p?3.3Mpa 110 125 130 140 160 180 200 设定腕部的部分尺寸：根据表4-1设缸体内空半径R=110mm，外径根据表3-2选择121mm,这个是气压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，其外径为226mm；动片宽度b=66mm,输出轴r=22.5mm.基本尺寸示如图4.1所示。则回转缸工作压力
2M2?61.11P???0.735Mpa，选择0.8Mpa 2222b?R?r?0.066??0.055?0.0225?图4.1 腕部气压缸剖截面结构示意
气压缸外径 1MP?p?3Mpa 3MP?P?10Mpa
表4.2 标准气压缸外径（JB1068-67） （mm） 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194
4.4 本章小结
本章通过四种基本的手腕结构，选择了具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。并进行的腕部回转力矩的计算。
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第五章 臂部的设计
手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括3个运动：伸缩、回转和升降
手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。本设计选择双导杆伸缩机构，使用气压驱动,气压缸选取双作用气压缸。
5.1 臂部设计的基本要求
（1） 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻 （2） 臂部运动速度要高，惯性要小 （3） 手臂动作应该灵活
5.2 手臂直线运动的驱动力计算
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，绘出最终的结构。
做水平伸缩直线运动的气压缸的驱动力根据气压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定来确定气压缸所需要的驱动力。气压缸活塞的驱动力的计算。
F?F摩?F密?F回?F惯 (5.1) 5.2.1 手臂摩擦力的分析与计算
分析：
摩擦力的计算 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。上图是机械手的手臂示意图，本设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩岗两侧。
图 5.1 机械手臂部受力示意
计算如下：
由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。
?MA?0
G总L?aFb
2
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得 Fb?G总L a?Y?0
G总?Fb?Fa
L?a?得 Fa?G总???
a??F摩?Fa摩?Fb摩??'Fa??'Fb
?2L?a? (5.2)
?F摩??'G总??a??式中 G总——参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（N）；
L——手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（m）,参考上一节的计算;
a——导向支撑的长度（m）;
'? ——当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。 对于圆柱面：
?4???'????????1.27?1.57????2?
?——摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：
钢对青铜：取??0.1?0.15 钢对铸铁：取??0.18?0.3
计算：
'?1.?50.3G总?1070N，导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁??0.20 ，
L=1.69-0.028=1.41m,导向支撑a设计为0.016m
将有关数据代入进行计算
?2L??2?1.41?0.16?F摩?G总?'??1070?0.3?????5978.6N0.16?a???
5.2.2 手臂惯性力的计算
本设计要求手臂平动是V=5mmin,在计算惯性力的时候,设置启动时间?t?0.2s，启
动速度?V=V=0.083mS,
G总?v (5.3) g?tG?v1070N?0.083SF惯?总??45.5N
g?t9.8NKg?0.02SF惯?5.2.3 密封装置的摩擦阻力
不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用O型密封，当气压缸工作压力小
于1Mpa。气压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：F封?0.03F。 经过以上分析计算最后计算出气压缸的驱动力：
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