第3章 手部、臂部和机身结构设计
机械手所抓工件重3kg。
所以：
FN?K1K2K3G
=1.8?2.75?1?3?9.8 ?146 N
3.2 臂部结构设计 3.2.1 臂部设计原则
机械手手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机械手所要求的工作空间内的运动。在进行机械手手臂设计时，要遵循下述原则；
1.应尽可能使机械手手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机械手运动学正逆运算简化，有利于机械手的控制。
2.机械手手臂的结构尺寸应满足机械手工作空间的要求。工作空间的形状和大小与机械手手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。但机械手手臂末端工作空间并没有考虑机械手手腕的空间姿态要求，如果对机械手手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。
3.为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料，通常选用高强度铝合金制造机械手手臂。目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机械手手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的1/4，相当于铝合金的2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机械手手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机械手手臂的重量。
4.机械手各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。
5.机械手的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和提高机械手手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机械手的手臂时，应尽可能利用在机械手上安装的机电元器件与装置的重量来减小机械手手臂的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。
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6.机械手手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。
3.2.2 臂部具体设计方案及计算
（一）具体设计方案
根据机械手实际工作需要，确定机械手的臂部需要实现升降和左右两个相互垂直的直线运动。机械手的臂部由垂直升降手臂（大臂）和左右平移手臂（小臂）组成。
直线运动一般通过液压传动或电机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到本设计机械手所搬运工件的重量适中，仅3KG，属中型重量；同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性，对手臂的刚度有较高的要求。本设计选择液压驱动方式，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，控制简单，易于实现计算机的控制。
具体的设计方案为：机械手的垂直升降手臂（大臂）和左右平移手臂（小臂）的伸缩运动都为直线运动，通过2个相互垂直的液压缸来实现。其中:大臂液压缸活塞杆的伸缩实现了机械手的升降，小臂液压缸活塞的左右往复实现了机械手的左右平移。同时，因为控制和具体工作的要求，若仅仅通过增大液压缸的缸径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的，所以在设计时另外增设了导向装置。
目前常用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆等，在本机械手中采用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。在本机械手中采用的是单导向杆作为导向装置，它可以增加手臂的刚性和导向性。本设计机械手的臂部剖面图如图3-2所示。
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图3-2 臂部剖面图
（二）前后伸缩手臂的设计计算
1、前后伸缩手臂驱动力的计算
手臂作水平伸缩直线运动时所需的驱动力计算公式为:
F=F惯+F摩+F密+F回 （3-2)
式中: F惯——在起动或制动时，活塞杆所受的平均惯性力;
F摩——摩擦阻力。手臂运动时，为运动件表面间的摩擦阻力。若是导向装
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置，则为活塞和缸壁等处得摩擦阻力;
F密——密封装置处的摩擦阻力(N)，用不同形状的密封圈密封，其摩擦阻力
不同；
F回——液压缸回油腔低压油液所造成的阻力；
（1） F惯的计算
F惯=G总?v/(g?t) （3-3）
式中: G总——参与运动的零部件所受的总重力（包括工件重量）；
g——重力加速度，取9.81 m/s2；
?v——由静止加速到常速的变化量（m/s）；
?t——启动过程时间（s）,一般取0.01~0.5s，对轻载低速运动部件取较小
值，对重载高速运动部件取较大值。
所以
F惯=G总?v/(g?t)
?35?9.81?0.35/(9.81?0.1) =122.5 N (2) F摩的计算。
F摩=?'G总 （3-4） 式中 G总——参与运动的零部件所受的总重力（包括工件重量）； ?'——当量摩擦系数，其值与导向支承的截面形状有关。 对于圆柱面：
?'=（1.27～1.57）?
? ——摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时取?=0.18~0.3. 所以
F摩=1.3?G总 =1.3?0.2?35?9.81 ?90N （3）F密的计算
采用“O”形密封圈，简化计算时，可视作
F密=0.03F （3-5）
（4）F回的计算
回油腔与油箱相连，可视为与大气相连，故F回=0
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所以由式（3-2）得驱动力
F=F惯+F摩+F密+F回 =122.5+90+0.03F+0 ?219 N 2、前后伸缩液压缸的内径计算
手臂伸缩运动的驱动力F由双作用单杆活塞油缸提供，活塞杆直径d，油缸
内经D,取d=0.5D,油液压力取1.5?105pa，则油缸内径计算如下：
1F??(D2?d2)p
42 D=4F/(0.75p?) （3-6）
D?4F/?0.75p???4?219/(0.75?1.5?105?3.14)?103?49mm
由上式计算得D=49mm，经查表《工业机械手设计》表4-3，选取液压缸内径D=50mm
3、活塞杆直径d的计算
活塞杆直径d=0.5D=25mm，经查表《工业机械手设计》表4-5，选取活塞杆直径d=30mm。
（三）左右伸缩手臂的设计计算
1、左右伸缩手臂驱动力的计算 （1）F惯的计算
由式（3-3）得：
F惯=G总?v/(g?t)
?25?9.81?0.35/(9.81?0.1) =87.5 N
(2) F摩的计算。
由式（3-4）得：
F摩=?'G总 =1.3?G总
?1.3?0.2?25?9.81 ?64N （3）F密的计算 由式（3-4）得：
F密=0.03F
（4）F回的计算
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