机械手的设计

1、摘要：针对机械手的结构形式比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手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，因此本文简要的介绍了机械手手指的形状和分类、对机械手进行了总体方案设计，分别设计了机械手的夹持式手部结构以及吸附式手部结构，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。关键词：机械手，手部夹紧气缸，气流负压式吸盘。目录第一章 绪论1第二章 手部结构设计22.1手指的形状和分类22.2设计时考虑的几个问题22.3手部夹紧气缸的设计32.4气流负压式吸盘7第三章 结束语9参考文献：10第一章 绪论机械手是模仿着人手

2、的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.第二章 手部结构设计2.1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

3、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。2.2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。(

4、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

5、力矩最小为佳。(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.2.3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2.3所示，其工件重量G=10公斤，“V”形手指的角度2=120，b=120mm， R=24mm,摩擦系数为f=0.10 。图2.3 齿轮齿条式手部(1) 根据手部结构的传动示意图，其驱动力为: (2) 根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式: 所以：=490（N）(3) 实际驱动力: 因为传力机构为齿轮齿条传动，故取=0.94 ，并取=1.5.

6、若被抓取工件的最大加速度取a=g 时，则: 所以： 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: 式中: 活塞杆上的推力，N弹簧反作用力，N气缸工作时的总阻力，NP气缸工作 压力，Pa弹簧反作用按下式计算: 式中: 弹簧刚度，N/mL 弹簧预压缩量，mS活塞行程，md弹簧钢丝直径，mD弹簧平均直径，mD弹 簧外径，m n 弹 簧 有效 圈数G 弹簧 材料剪切模量，一般取G=79.4X 1 护Pa在设计中，必须考虑负载率几的影响，则: 由以上分析得单向作

7、用气缸的直径: 代入有关数据，可得： 所以： 查有关手册圆整，得D=65 mm由d/D=O.20.3， 可得活塞杆直径:d=(0.20.3)D=1319.5 mm圆整后，取活塞杆直径d=18 mm校核，按公式有: 其中=120MPa, F=750N则:d (4490/120)=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之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算: 式中: 6 缸筒壁厚 mmD气缸内 径 ，咖P实验压力，取P=1.5PPa材料为 : ZL3, =3MPa代入己知数据，则壁厚为: = =6.5 mm取=7.5

8、 mm，则缸筒外径为:D=65+7.52 =80 mm。2.4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。图 2.4 .1 喷 射 气 流 原 理 图喷射式气流负压吸盘

9、的工作原理如图2.4.1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X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= 0.52 8P,。为了使喷嘴出口处的压力 P2低于Pk，必须在喷嘴临界面以后再加一段渐扩段，这样可以在喷嘴出口处获得比音速还要大的流速即超音速，并在该处建立低压区域，

10、使C处的气体不断的被高速流体卷带走，如C处形成密封空腔，就可使腔内压力下降而形成负压。当在C处连接橡胶皮腕吸盘，即可吸住工件。图 2.4.2所示为可调的喷射式负压吸盘结构图。为了使喷嘴更有效地工作，喷嘴口与喷嘴套之间应当有适当的间隙，以便将被抽气体带走。当间隙太小时，喷射气流和被抽气体将由于与套壁的摩擦而使速度降低，因而降低了抽气速率;当间隙太大时，离喷射气体越远的气体被带着向前运动的速度就越低，同时间隙过大，从喷嘴套出口处反流回来的气体就越多，这就使抽气速率大大的降低。因此，间隙要适宜，最好使喷嘴与喷嘴套之间的间隙可以调节， 以便喷嘴有效地工作。在图2.4.2中，喷嘴5与喷嘴套6的相对位置是

11、可以调节的，以便改变间隙的大小。1. 株胶吸盘2.吸盘芯子3.通气坏打4.吸盘体5.喷嘴6.喷嘴套图 2.4.2可 调喷 射 式 负 压 吸 盘 结构下面计算吸盘的直径.吸盘吸力的计算公式为: P= 式中:P吸盘吸力(N)，本机械手的吸盘吸力为50N，故P=50N;D吸盘直径 (cm).N分吸盘数量，本机械手吸盘数量为1;吸盘吸附工件在起动时的安全系数，可取K,月2-2，在此取=1.5;工作情况系数。若板料间有油膜存在则要求吸附力大些;若装有分料器 ， 则 吸附力就可小些。另外工件从模具取出时，也有摩擦力的作用， 同 时 还应考虑吸盘在运动过程中由于加速运动而产生的惯性力影响。 因 此 ，应根

12、据工作条件的不同，选取工作情况系数，一般可在(13)的范围内选取。在此，取=2 :方位系数，吸盘垂直吸附时，则=1/f，f为摩擦系数，橡胶吸盘吸附金属材料时，取户0.50.8;当吸盘水平吸附时，取=l。 取=5.代入数据得: = =16.92 （cm）第三章 结束语1、 本次设计的是气动通用机械手，相对于专用机械手，通用机械手的自由度可变，控制程序可调，因此适用面更广。2、该机械手可以选择配置普通的夹持手指，以抓取一般工件;也可更换喷射式气流负压吸盘，以吸附玻璃、墙地砖等板料及光盘、磁盘等薄型不透气工件，使机械手的用途更多，使用范围更广。另外，该机械手既可以用于搬运小型零件，也可供教学、实验使

13、用。3、 采用气压传动，动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制。工作环境适应性好，不会因环境变化影响传动及控制性能。阻力损失和泄漏较小，不会污染环境。同时成本低廉。参考文献：1 吴宗泽,罗圣国.机械设计课程设计手册第二版M.北京:高等教育出版社,1999.2廖念钊,莫雨松,李硕根,杨兴骏.互换性与技术测量第四版M.北京:中国计量出版社,2000.3陈锦昌,刘就女,刘林.计算机工程制图M.广州:华南理工大学出版社,1999.4冯辛安,黄玉美,杜君文.机械制造装备设计M.北京:机械工业出版社,2004.5周伯英.工业机器人设计M.北京:机械工业出版社,1995.6濮良贵，纪名刚.机械设计M.北京:高等教育出版社,1995.7龚振帮.机器人机械设计M.北京:电子工业出版社,1995.8 何立民.单片机高级教程:应