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1、总体方案设计根据课题设计任务书的要求，确定总体方案：1. 抓重：10kg2. 坐标形式：圆柱坐标3. 自由度： 34. 手臂运动参数：运动名称符号行程范围速度伸缩X300mm小于 200mm/s升降Z200mm小于 100mm/s回转a180小于 90 () /s手指夹持范围：棒料，半径40mm60mm。 定为方式：机械挡块（行程开关）。驱动方式：液压驱动。控制方式：PLC （可编程序控制） 定位精度：2mm。机械手的工作原理图如图 1-1 所示 手部1采用夹钳式，具体为单支点回转型夹紧机构。动力采用单作用液压缸2 驱动 夹紧，反向则由弹簧复位而松开手指。手臂的伸缩采用双作用液压缸3驱动，伸缩
2、过程采用双导管导向，在导向的同时， 亦起到了一定的支撑作用，大大减少活塞杆的受力。夹紧缸的压力油经其中一导管进入 缸内，此结构能使油管布置更加紧凑。手臂的回转采用摆动液压缸4驱动，此摆动缸设计成输出轴固定不动，而使缸体转 动从而带动整个手臂回转运动。双作用液压缸5驱动手臂做升降运动图 1-1 机械手工作原理图手部设计手部（亦称抓取机构）是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、尺寸 大小、重量、材料性能、表面处理等的不同，则机械手的手部机构是多种多样的，大部 分的手部结构是根据特定的工件要求而设计的（林建龙，王小北，2003）。常用的手部， 按其握持工件的原理，大致可分成夹持式和吸附式两
3、大类。本设计采用常用的夹钳式手 部结构，它是最常见的夹持式结构。夹钳式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成的，它对抓取各种形状的工 件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘和套类零件（殷际英，何广平， 2003）。一般情 况下多采用两个手指，少数采用三指或多指。本设计中的工件是棒料，所以选择较简单 的两指结构。夹钳式手部设计的基本要求：1、应具有适当的夹紧力和驱动力 手指握力（夹紧力）大小要合适，力量过大则 动力消耗多，结构庞大，不经济，甚至会损坏工件；力量过小则夹持不住或产生松动、 脱落。在确定握力时，除考虑工件总量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力 和振动，亦保证工件夹持安全可靠（
4、杨永清等， 2008）。对于手部的驱动装置来说，应 有足够的驱动力。应当指出，由于机构传动力比不同，在一定的夹持力条件下，不同的 传动机构所需驱动力的大小是不同的。2、手指应具有一定的开闭范围 手指应具有足够的开闭角度或开闭距离，以便于 抓取或退出工件。3、应保证工件在手指内的夹持精度 应保证每个被夹持的工件，在手指内都有准 确地相对位置。这对一些有方位要求的场合更为重要，如曲拐、凸轮轴一类复杂的工件， 在机床上安装的位置要求严格，因此机械手的手部在夹持工件后应保持相对的位置精 度。4、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
5、。5、应考虑通用性和特殊要求 一般情况下，手部多是专用的，为了扩大它的适用 范围，提高它的通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要，通常采取手指可 调整的办法，如更换手指甚至更换整个手部。此外，还要考虑能适应工作环境提出的特 殊要求，如耐高温、耐腐蚀、能承受锻锤冲击力等。（李允文，1994）2.1 确定手部结构根据设计要求设计出的手部结构如图 2-1 所示：图2-1 手部结构图图中F为手指对工件的夹紧力，F为夹紧缸活塞杆的推力。N2.2 手部受力分析经分析，手部受力图如图 2-2 所示QF2F2f图 2-2由图可知，手部结构对称，则械手手部受力FF=且 F = F1112 COS a由工
6、M (F)二0得o1F h= F b 且 F = F1 N N N由几何关系有h=COS a由上述等式可得：c12bFn=（）2F 即 F= -COS2 a FN 2b COS acN式中 b 手指回转中心到夹紧力作用点之间的距离；C 手指回转中心到滑槽支点之间的距离；a 工件被夹紧时手指滑槽方向与回转中心在水平方向的夹角。2.3 手部夹紧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。必须对其大小、方向和作用点 进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状 态所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），以使工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按下式计算（李
7、允文，1994）：F KK KG = 1.5 X 1.02 X4X98=593N 取 F =600NN 1 2 3 N式中：K1安全系数，取K = 1.5；K2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。取K2=1.02；K3方位系数，根据工件形状以及手指与工件位置不同进行选定，0=4G被抓工件所受重力（N）, G=mg=10X9.8 = 98N。则：F =色cos2a F =2xlOOcos2 30。x600=2250N理论cN40F2250F =理论=2647 N实际耳0.85式中耳一手指传力效率，取耳=0.85。2.4 手抓夹持误差分析与计算机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于
8、机械手的定位精度（由 臂部和腕部等运动部件确定），而且还与手指的夹持误差大小有关。在机械加工中，通 常情况要求手抓的夹持误差不超过 1mm 就可以了。根据设计要求知棒料半径为 40mm 60mm。贝U：R + R40 + 60工件平均半径：R =fin max = 50 mmcp 2 2取手指 L取 V 型钳AB为工件平均半径的2倍：LAB = 2X 50= 100mm A的夹角29 = 120。偏转角按最佳偏转角确定：50RB = cos-icp=cos-i= 54 o 44L sin0100 x sin 60oAB计算 R = L sin 0 cos B =1 00x sin 60。x c
9、os54 44m= 50 mm0 ABR R Rmax 0 min则定位误差为A和A中的较大者。12RRL 2 + ( max )2 一 2Lmacos B - L sin B = 82.462 - 81.644 = 0.818mmAB sin 0AB sin 0ABRR = ；L 2 + ()2 - 2L cos B - L sin B = 82.465 - 81.644 = 0.821mm2 ABsin 0AB sin 0ABA = A =0.821mmvlmm2 夹持误差满足设计要求。2.5 手部夹紧缸的设计计算2.5.1 夹紧缸主要尺寸的计算由前知，夹紧缸为单作用弹簧复位液压缸，假设夹
10、紧工件时的行程为25mm,时间为0.5s，则所需夹紧力为：F = F + P =2647 + P实际 弹弹式中：F活塞杆实际输出力;其中：P 弹弹簧压缩时的作用力。P单=(L+S )8d3z=462NZ式中：G弹簧材料的剪切模量，对于钢材，G = 8.1x 105（kg/cm2）；D弹簧的钢丝直径（3mm）；D 弹簧中径（30mm）；Z弹簧的有效圈数（18圈）；L及S活塞的行程及弹簧的与预缩量，L=25mm, S=20mm。F=2647+462=3109N5000N查表 工作压力取 1MP ，考虑到为使液压缸结构尺寸简单紧凑，取工作压力为 a2 MP 。 a由公式F = -D2Pq得:44F4
11、x3109D 二二二 45.7mm兀 Pq3.14x 2 x106 x 0.95式中:D液压缸内径；P液压缸工作压力；耳一液压缸工作效率，耳=0.95。由JB826 66标准系列将缸内径圆整为D = 50mm，同理查得活塞杆直径d=32m,2.5.2 缸体结构及验算缸体采用45号钢无缝钢管，由JB1068 67查得可取缸筒外径为60m，则壁厚5 = 5mm。(1) 液压缸额定工作压力P (MPa)应低于一定极限值，以保证工作安全(李壮云,2008)。Nb (D2 -D)20.35x340x106(0.062 -0.05)P 0.35x / 1 二二 36.36MPa0.062ND 21式中：D
12、缸筒内径(m)；D缶工筒外径(m)； 叭一缸筒材料的屈服点，(45号钢为340MPa )。已知工作压力Pn=2MPa 36.36MPa，故安全。(2) 为避免缸筒在工作时发生塑形变形，液压缸的额定压力PN值应与塑性变形压力有 一定的比例范围。PnW(0.350.42) PPlNPl式中：Ppl缸筒发生完全塑性变形时的压力(MPa )，P = 2.3b lg红。Plpls D计算可得：P二61.92 MPplaP = 0. 3X 61.=92 MP67Na已知实际工作压力Pn=2MPa 21.67MPa，故安全。(3) 缸筒爆裂压力P (MP )应远远大于耐压试验压力卩丁 0.433D max
13、= 0.433 x 0.05b(D - d )0考虑结构要求，取h=10mm 式中：D缸筒内径；P 液压缸最大工作压力，取P =2Pn=4MPa。maxmax Nb缸底材料的许用应力(MPa ),材料为45号钢，6 =600MPa。则b2)缸筒底部联接强度计算b=红=600 = 120 MPa , n 为安全系数，取 n=5。 n5hh = l =6 = 5mm ; h = h = 2.5mm1 2 2外卡环a-b侧面上的挤压应力b ( MPa )为: cp D 2max1h(2D - h)14x 106 x (0.06)20.05 x (2 x 0.06 - 0.05)=25.04MPa 310MPa缸筒危险截面A- A上的拉应力b ( MPa )为:=27.43MPa 520MPap D24x106x(0.06)2max1=(D - h)2 - D2(0.06 - 0.05)2 - (0.05)21故知缸筒底部联接安全。3)缸筒端部联接强度计算缸筒端部与手指是用螺钉联接，联接图如下图 2-4 螺钉联接图 螺纹处的拉应力：jrz- t-ta fc =X10 - 6 =上X10-6 = 26.26MPa兀兀d 2Z(0.004134)2 x 44 14螺纹处的剪应力：K KFd+0 X0.2d 3Z10-60.12 x 3 x 470 x 0.005
