毕业设计说明书
3 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:当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。 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
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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[8]。
(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，其工件重量G=10㎏，“V”形手指的角度2θ =1200，b=120mm，R=24mm,摩擦系数为f=0. 1。
图3.1齿轮齿条式手部
[9]
P（1）根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:
p?2b?NR（2）根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式: 所以： (3)实际驱动力:
N?0.5Gtg(???)?0.5?10?tg(600?5042')?50(N)p?2b?N?490(N)RK1K2P实际?P?第 15 页 共 36 页
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因为传力机构为齿轮齿条传动，故取η=0. 94，并取K1=1. 5 。若被抓取工件的最大加速度取a= g时，则:
所以：
p实际?490?K2?1?a?2g1.5?2?1563?N?0.94所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为1563N。 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?cf?1?S?Gd14Cf?3 8D1n 式中:Cf—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，.
D2—弹簧外径，m n—弹簧有效圈数
D1?D2?d1 G—弹簧材料剪切模量，一般取G=79. 4 X 109Pa 在设计中，必须考虑负载率η的影响，则:
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F1??D2p?4?Ft毕业设计说明书
由以上分析得单向作用气缸的直径: 代入有关数据，可得 所以：
D?4?F1?Ft?D?4?F1?Ft??p?Gd14Cf?8D13n?79.4?109??3.5?10?3?4/??8??30?10?3??15???3677.46?N/m?Ft?Cf?1?S??3677.46?60?10?3?220.6N?p?=[4×(490+220.6)/( π×0.5×106×0.4))? =65.23 (mm)
查有关手册圆整，得D=65 mm
由d/D=0.2—0.3，可得活塞杆直径:d= (0. 2-0. 3) D=13-19. 5 mm圆整后，取活塞杆直径d=18 mm
校核，按公式
F1/??/4d2?????d??4F1/?????=20MPa, F1=750N
12???则:d≥ (4 × 490/π × 120)?=2.28≤18 满足设计要求。 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比小或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算: ??DP?/2???式中:δ—缸筒壁厚， D—气缸内径，
Pρ—实验压力，取Pρ=1.5P, Pa 材料为:ZL3,[ σ]=3MPa
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代入己知数据，则壁厚为:
??DP?/2??? =65×6×105/（2×3×106）×10-3 =6.5㎜
取δ=7. 5㎜，则缸筒外径为:D=65+7. 5 ×2=80 mm。 3.2 气流负压式吸盘
气流负压式吸盘是利用吸盘(即用橡胶或软性塑料制成皮腕)内形成负压将工件吸住。它适用于搬运一些薄片形状的工件，如薄铁片、板材、纸张以及薄壁易碎的玻璃器皿、弧形壳体零件等，尤其是玻璃器皿及非金属薄片，吸附效果更为明显。 气流负压式与钳爪式手部相比较，气流负压式手部具有结构简单，重量轻，表面吸附力分布均匀，但要求所吸附表面平整光滑、无孔和无油。按形成负压(或真空)的方法，气流负压式手部可分为真空式、气流负压式和挤压排气式吸盘。在本机械手中，拟采用喷射式气流负压吸盘。
P0 B2K1 图3.3 喷射气流原理图
喷射式气流负压吸盘的工作原理如图3.3所示，根据流体力学，气体在稳定流动状态下，单位时间内气体经过喷嘴的每一个截面的气体质量均相等。因此，在最简单的情况下，低流速(高压强)截面的喷嘴应当具有大面积，而高流速(低压强)截面的喷嘴应当具有小面积。所以，压缩空气由喷嘴进口处A进入后，喷嘴开始一段由大到小逐渐收缩，而气流速度逐渐增大，当沿气流流动方向截面收缩到最小处K时〔即临界面积)，流速达到临界速度即音速，此时压力近似为喷嘴进口处的压力之半，即PK =0. 528P1。为了使喷嘴出口处的压力P2低于PK 必须在喷嘴临界面
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