机电一体化课程设计-三自由度机械手设计

1、摘 要本次设计实验用三自由度机械手为实验用专用机械手，主要由手爪、手臂、机身、机座等组成，具备上料、搬运等多种功能，本机械手机身采用机座式，实验对象围绕机座布置，其坐标形式为关节式，具有水平旋转、手臂竖直摆动等3个自由度；驱动方式为电机驱动，利用电机带动减速机，减速机减速后带动旋转轴实现各个回转运动。电动驱动的优点是控制精度高，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好。本次设计的机械手能对不同物体完成多种动作。采用单片机控制系统，最终实现关节的伺服控制和制动、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的在线修改程序、设置参考点和回参考点。关键词：机械手；电机驱动；伺服

2、。目 录摘 要 . . I Abstract . . 错误！未定义书签。第1章 绪论 . . 11.1 题目提出的意义 . 11.2 国内外发展现状 . 1第2章 方案的确定与比较分析 . 32.1 机械手机械系统的比较与选择 . 42.2 机械手驱动系统的比较与选择 . 6第3章 驱动源的选择与设计计算 . 93.1 主要技术参数的确定 . 93.2 各关节电机的选择计算 . 103.2.1 大臂旋转电机的选择 . 113.2.2 小臂旋转电机的选择 . 123.2.3 腰部旋转电机的选择 . 13第4章 手部结构设计 . 154.1 夹持式手部结构 . 154.1.1 手指的形状和分类 .

3、 154.1.2 设计时考虑的几个问题 . 154.2 手部夹紧气缸的设计 . 164.2.1 弹簧的设计计算 . 164.2.2 对于压缩弹簧稳定性的验算 . 174.2.3 疲劳强度和应力强度的验算。 . 174.2.4 手部驱动力计算 . 184.2.5 气缸直径的设计计算 . 194.2.6 缸筒壁厚的设计 . 214.2.7 活塞杆运动行程的计算 . 21第5章 各机械部件的设计选择与校核 . 235.1 轴的设计与校核 . 235.1.1 大臂旋转轴的设计 . 235.1.2 大臂轴的强度校核 . 245.2 键的选择与强度的校核 . 275.3 轴承寿命的校核 . 305.4 联

4、轴器的选择与圆锥销的校核 . 315.4.1 联轴器的选择. . 315.4.2 联轴器圆锥销的校核 . 32第6章 控制系统设计 . 336.1 单片机最小系统 . 336.1.1 8051单片机介绍 . 346.2.2 复位电路 . 366.1.3 振荡电路 . 366.2 串行接口电路 . 376.3 传感器 . 386.3.1 传感器的选型 . 386.3.2 硬件电路的设计 . 396.4 电动机的控制 . 406.4.1 L298N 电机驱动芯片简介 . 406.4.2 硬件电路图 . 41结 论 . . 42致 谢 . . 43参 考 文 献 . . 44CONTENTSAbst

5、ract . . 错误！未定义书签。 Chapter 1 Introduction . 错误！未定义书签。1.1 Significance of proposed topics . 错误！未定义书签。1.2 Development of domestic and foreign . 错误！未定义书签。Chapter 2 Determination and comparative analysis of the program错误！未定义书签2.1 Comparison of robotic mechanical systems and choice错误！未定义书签。2.2 Robot driv

6、e system comparison and selection . 6Chapter 3 The driving source of the selection and design calculations . 93.1 Main Technical Parameters . 错误！未定义书签。3.2 The selection and calculation of the joint motor . 103.2.1 Choice of arm rotating motor . 错误！未定义书签。3.2.2 Choice of arm rotating motor . 错误！未定义书签。

7、3.2.3 The choice of rotating electrical waist . 错误！未定义书签。Chapter 4 Hand structure design . . 错误！未定义书签。4.1 The structure of the hand clamp . 错误！未定义书签。4.1.1 The shape of the fingers and classification 错误！未定义书签。4.1.2 Issues to consider when designing . 错误！未定义书签。4.2 The design of the hand clamp cylinder

8、. 错误！未定义书签。4.2.1 Design and calculation of the spring . 错误！未定义书签。4.2.2 Checking for the stability of compression spring错误！未定义书签。4.2.3 Fatigue strength and stress intensity of checking.错误！未定义书签。4.2.4 Calculation of driving force of the hand. 错误！未定义书签。4.2.5 The diameter of the cylinder design calculat

9、ion . . 194.2.6 Design of cylinder wall thickness . . 错误！未定义书签。4.2.7 Calculation of grasping gripping range . 错误！未定义书签。Chapter 5 Of the mechanical components of the design choices and Verification . . 错误！未定义书签。5.1 Design and Verification of Shaft . 错误！未定义书签。5.1.1 Design of the axis of rotation of ar

10、m . . 错误！未定义书签。5.1.2 Arm strength check of shafts . . 错误！未定义书签。 5.2 The key to check the strength of selection . 错误！未定义书签。5.3 Check of bearing life . 错误！未定义书签。5.4 Selection and cone coupling pin check . 错误！未定义书签。5.4.1 Coupling choice. . . 错误！未定义书签。5.4.2 Checking the coupling pin cone . 错误！未定义书签。 Cha

11、pter 6 Control System Design . 错误！未定义书签。6.1 Minimum System microcontroller. 错误！未定义书签。6.1.1 Introduction 8051 . 错误！未定义书签。6.2.2 Reset Circuit . 错误！未定义书签。6.1.3 Oscillation Circuit . 错误！未定义书签。 6.2 Serial interface circuit . 错误！未定义书签。6.3 Sensor . 错误！未定义书签。6.3.1 Sensor Selection . 错误！未定义书签。6.3.2 Point det

12、ecting circuit . . 错误！未定义书签。6.4.1 L298N motor drive chip profile . 40 6.4.1 L298N motor drive chip profile . 错误！未定义书签。6.4.2 Hardware Circuit . 错误！未定义书签。 Conclusions . 错误！未定义书签。 Thanks . . 错误！未定义书签。 References . 错误！未定义书签。第1章 绪论1.1 题目提出的意义本次设计的目的是为了解决本科教学中理论与实践操作融合性不强等问题，使学生在学习理论知识的基础上能得到较好的实际操作，通过不同程

13、序的输入使学生真实的观察到机械手的运动轨迹与运动方式，进一步强化大学生学习与就业能力。1.2 国内外发展现状机械手的迅速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识；其一、它能部分代替人工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工作的传送和装卸；其三，它能操作必要的机具进行焊接和装配。从而大大的改善工人的劳动条件，显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到各先进工业国家的重视，投入大量的人工物力加以研究和应用。尤其在高温、高压、粉压、噪音以及带有放射性的污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业

14、和铁路工业部门的重视1。1. 国外发展现状专用机械手经过几十年的发展，如今已进入了以通用机械手为标志的时代。机械手可以应用于更加多的场合，从而节约了不少的开发以及设计的成本。由于机械手的发展，进而促进了智能机器人的研制。机械手涉及的内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用了一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学等，因此它是一项综合性较强的技术。目前国外对发展这一技术很重视。几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断的修改，品种在不断的增加，应用领域在不断的扩大。目前国外的发展趋势是2：(1 研制有更多自由度的机械手，这样机械手就可以变得更加

15、的灵活，从而完成更加多的动作。(2 研制带有行走机构的机械手，这种机械手可以从一个工作地点移动到另一个工作地点。(3 研制维修维护方便的机械手。(4 研制能自动编制和自动改变程序的机械手。(5 研制具有一定感触和一定智力的智能机械手。这种机械手具有各种传感装置，并配有计算机。根据仿生学的理论，用计算机充当其大脑，使它进行思考和记忆。用听筒和声敏元件作为耳朵能听，用扬声器作为嘴能说话进行应答，用热电偶和电阻应变仪作为触觉和感触。用滚轮或者双足式机构脚来实现自动移位。这样的智能机械手可以由人的特殊语言对其下达命令，布置任务，使自动化生产线成为智能化生产线。(6 机械手的外观达到美观的要求，尽量用最

16、简单的结构和设备能完成更加多的动作。(7 研制具有柔性系统的机械手2 国内发展状况目前，在国内广泛应用的再现式机械手，虽然一般也都有记忆装置，但其程序都是预先编好的，或由人在工作之前领动一次，而后机械手可以按领动的工作内容正确进行再现动作。如果把这种再现式机械手称为第二代机械手的话，那么现在处于研制阶段的智能机械手就是第三代了。现在研究的机械手正在朝着一种可以存储大量的程序的并且可以改变并重新写入程序的方向发展，而且机械手具有比原来的更多的自由度3,4。虽然在这方面相对于发达国家还有点落后，但是国内现在也越来越感觉到机械手的重要性，国家大力支持相关的设计及产品的开发。在机器人的发展以及机械手的

17、设计上也取得了一定的成果，国内每年都将举行机器人大赛，以增加研发单位的交流与合作5。现在国内具有越来越强的自主研发的单位，我相信在不久的将来，我国一定能够赶上并将且超越发达国家在机械手乃至整个机械方面处于领先地位6。第2章 方案的确定与比较分析本毕业设计的机械手，要求有较高的定位精度和较高的耐用度，其结构形式方案一般有一下几种7,8：表2-1 机械手结构选型表 续表 2.1 机械手机械系统的比较与选择1. 直角坐标型机械手直角坐标式机械手是适用于工作位置成行排列或与传送带配合使用的一种机械手。它的手臂可作伸缩，左右和上下移动，按直角坐标形式X 、Y 、Z 三个方向的直线进行运动。结构简图见表2

18、-1。其工作范围可以使一个直线运动；二个直线运动或三个直线运动。如在X 、Y 、Z 三个直线运动方向上各具有A 、B 、C 三个回转运动，即构成六个自由度。但在实际上是很少有的。缺点是这种机械手作业范围较小，占空比大，灵活性差。2. 圆柱坐标型机械手圆柱坐标式机械手适用于搬运和测量工作。 具有直观性好，结构简单，而动作范围较大等优点。圆柱坐标式机械手由X 、Z 、三个运动组成。它的工作范围可分为：一个旋转运动，一个直线运动，加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动；二个直线运动加一个旋转运动。结构简图见表2-1.圆柱坐标式机械手有五个基本动作：(1 手臂水平回转；(2 手臂伸缩；(3 手臂上下；

19、(4 手臂回转动作；(5 手爪夹紧动作。圆柱坐标式机械手的特征是在垂直导柱上装有滑动套筒、手臂装在滑动套筒上，手臂可作上下直线运动（Z ）和在水平面内做圆弧状的左右摆动（）。 圆柱坐标式机械手的缺点是结构庞大，两个移动轴的设计比较复杂，难于其他设备协调工作。3 球坐标型机械手球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广的机械手。它是由X 、三个方向的运动组成。结构简图见表2-1。球坐标式机械手的工作范围包括：一个旋转运动；二个旋转运动；二个旋转运动加一个直线运动。球坐标式机械手可实现以下八个动作：(1 手臂上下动作，即俯仰动作；(2 手臂左右动作，即回转动作；(3 手臂前后动作，即伸缩动作；(4

20、手腕上下弯曲；(5 手腕左右摆动；(6 手腕旋转运动；(7 手爪夹紧动作；(8 机械手整体移动。球坐标式机械手的特征是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内做圆弧状上下俯仰运动，它的臂可作伸缩，横向水平摆动，工作范围和人手的动作类似。它的特点是能自动选择最合理的动作路线。所以工效高。另外由于上下摆动，它的相对体积小，动作范围大。其缺点是壁障性差，有平衡问题，位置误差与臂长成正比，控制难度大。4 关节型机械手又称回转坐标型，分为垂直关节坐标和平面（水平）关节坐标，机械手由立柱和大小臂组成，立柱与大臂通过肩关节相连接，立柱绕z 轴旋转，形成腰关节，大臂与小臂形成肘关节，可使大臂作回转和

21、俯仰，小臂作俯仰。机械手工作空间范围大，动作灵活，避障性好，能抓取靠近机座的物体，其缺点是位置精度较低，控制耦合比较复杂，目前应用越来越多10。本次设计的是实验用三自由度机械手，要求体积小，重量轻，灵活性强，对精度要求不高，抓取重量较轻，上述4种类型机械手中关节式械手结构最为紧凑，占空比最小，适合中小负载，能够达到设计要求且结构不复杂，所以本次设计选择关节式机械手。2.2 机械手驱动系统的比较与选择工业机械手的驱动可分为液压，气动和电动三种基本类型。1 液压驱动液压传动机械手有很大的抓取能力，抓取力可高达上百公斤，液压力可达7Mpa ，液压传动平稳，动作灵敏，但对密封性要求高，不宜在高或低温现

22、场工作，需配备一套液压系统，整体结构庞大。液压驱动有以下特点：(1 输出功率很大，压力范围为50-140N/cm2。(2 控制性能较强，利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制。(3 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大。(4 液压系统可实现自我润滑，过载保护方便，使用寿命长。液压驱动需配置液压系统，易产生泄漏而影响运动精度。系统易发热，出现故障后较难找出原因。(5 适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机械手、点焊机械手和托运机械手。2 气压驱动气压传动机械手结构简单，动作迅速

23、，价格低廉，由于空气可压缩，所以工作速度稳定性差，气压一般为0.7Mpa ，因而抓取力小，只有几十牛到百牛力。气压驱动具有以下特点：(1 输出功率不大，压力范围为48-60N/cm2，最高可达100N/cm2(2 可控性不强，气体压缩性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速高精度的连续轨迹控制。(3 执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题比液压小。(4 适用于中小负载驱动，精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机械手本体的气动平衡和及装配机械手气动夹具11。3 电力驱动这种驱动是目前在机器手中用的最多的一种。早期多采用步进电动机

24、（SM ）驱动，后来发展了直流伺服电动机（DC ），现在交流伺服电动机（AC ）驱动也开始广泛应用。上述驱动单元有的直接驱动机构运动，有的通过减速器装置来减速，结构简单紧凑。电动驱动的控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂。适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机械手，如AC 伺服喷涂机械手、点焊机械手、弧焊机械手、装配机械手等。电力驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。各种电机驱动的特点：(1 普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用

25、于中型或重型机械手。(2 直流伺服电动机：直流伺服电动机具有良好的启动、制动和调速特性，可很方便地在较宽范围内实现平滑的无级调速，动态响应特性和稳定性好，可适应频繁启动、反向、制动等工作状况。直流伺服电动机按励磁方式不同，有永磁式和电磁式之分；按转速高低及转子的转动惯量大小，有高速、小惯量（小惯量直流伺服电动机有多种：无槽电枢直流伺服电动机，绕组铁芯细长，故转动惯量小，其功率较大；空心杯转子直流伺服电动机，转动惯量很小，灵敏度更高，功率较小；印制绕组直流伺服电动机，可承受频繁的起动、换向，切率中等。这类电动机的转子转动惯量小，电感小，故换向性能好，动态响应快，快速性能好，低速无爬行。）和低速、

26、大惯量（大惯量直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种，其中永磁式用得较多，它的低速性能好，输出转矩大，调速范围宽，转子惯量大，受负载影响小，故可与丝杠直接连接，承受过载、重载能力强。）之分。(3 交流伺服电动机：交流伺服电动机几乎具有直流伺服电动机的所有优点，且结构简单，制造、维护简单，具有调速范围宽、稳速精度高，动态响应特性更好等技术特点，可达到更大的功率和更高的转速。(4 步进电动机：步进电动机是由电脉冲信号控制的，它可将电脉冲信号转换成相应的角位移或直线位移，有回转式和直线式两种。步进电动机结构简单、控制简便、价格较低，但易失步，具有转子惯量低、反应灵敏、能提供较大的低速转矩、无漂移、无积累

27、定位误差等优良性能，其控制线路简单，不需反馈编码器和相应的电子线路。步进电动机输出转角与输入脉冲个数成严格正比关系，转子速度主要取决于脉冲频率，故控制简便。步进电动机系统主要由步进控制器、功率放大器及步进电动机组成。纯硬件的步进电动机控制器由脉冲发生器、环形分配器、控制逻辑等组成，它的作用就是把脉冲串分配给步进电动机的各个绕组，使步进电动机按既定的方向和速度旋转。若采用微机技术，用软件与硬件相结合，则控制器不仅可在硬件上简化线路，降低成本，而且又提高可靠性12,13。综上所述，由于本次设计机械手负载较小，对体积有一定要求，又考虑到机械手的特点和各驱动方式的优缺点，直流伺服电机体积小，控制精度高

28、，与传动系统配合结构最为紧凑，故机械手关节处选择直流伺服电机驱动，手部采用气动驱动。第3章 驱动源的选择与设计计算3.1 主要技术参数的确定 图3-1 机械手手臂重量分布图 图3-2 开口盘重量分布图如图3-1所示，设计机械手大臂与小臂的尺寸和重量如下：1. 大臂的第一和第二关节轴之间的距离为397mm ，质量为M1(6kg左右 ，重心在距离第一关节轴220mm 处，L1=220mm。2. 小臂的第二关节轴和手爪前部之间的距离为435mm ，质量为M 2(7kg左右 ，重心在距第二关节轴280mm 处，L 2=397+280=677mm。如图3-2所示，设计机械手开口盘质量和尺寸如下：旋转轴与

29、转盘中心距离为160mm ，转盘质量为15Kg 。本次设计机械手的基本设计参数如下：负载1kg ；大臂回转：090，60/s ；小臂回转：0±60，60/s ； 腰部旋转：0±360，600/s；手爪夹持半径45m m 95mm 。3.2 各关节电机的选择计算当机械手手臂旋转时，当臂伸开呈一条直线时转动惯量最大，所以在旋转开始时可产生电机的转矩不足。如图3-1所示，设两臂绕各自重心轴的转动惯量分别为J G1、J G2，根据平行轴定理可得绕大臂轴的转动惯量为14：J 1=JG1+M1L 12+JG2+M2L 22 （3-1）其中：M 1，M 2，分别为6Kg ，7Kg ；L

30、1，L 2，分别为220mm ，677mm 。J G1M 1L 12、J G2M 2L 22，故可忽略不计，所以绕大臂轴的转动惯量为：J 1= M1L 12+M2L 22 (3-2=6×0.22+7×0.6772=3.45kg . m 2同理可得小臂绕小臂关节轴的转动惯量：M 2=7Kg ，L 4=280mm 。J 2=M2L 42 (3-3=7×0.282=0.5488kg.m 2腰关节旋转轴的转动惯量为开口盘绕腰关节旋转轴的转动惯量加上大臂与小臂绕腰关节旋转轴的转动惯量之和。设开口盘绕腰关节旋转轴的转动惯量为J 3，所以同理可得腰关节旋转转轴的转动惯量：M 3

31、=15Kg ，L 5=160mm 。J 0=J 1+J 3=J 1+M 3L 5=3.45+150.162=3.834Kg m 2 （3-4）3.2.1 大臂旋转电机的选择设大臂速度为1=60/s ，则旋转开始时的转矩可表示如下：T =J （3-5）式中：T 旋转开始时转矩，N.m 。J 转动惯量，kg.m 2。角加速度，rad/s。设机械手大臂从0=0到1=60/s 所需的时间为：t =0.2s ，由式（3-5）有：T 1=J 11=J 11-0t =3.4530.2=18.1N . m若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，取安全系数为2，则减速机输出轴所需输出的最小转矩为：

32、T 01=2T =218.1=36.2N . m选择减速机：型号：APEX-AE235 （同轴式行星减速机）额定输出转矩：40N.m减速比：i 1=100谐波减速器的的传递效率为：=90%，步进电机应输出力矩为：T 36.2T out 1=0.402N . m (3-6 i 1000.9选择小型直流伺服电机：型号：MAXON-EC118896额定转矩：0.7N.m额定电压：24V额定电流：1.5A额定转速：1000rpm最高转速：1200rpm额定功率：40w电机尺寸：L=93mm D=46mm3.2.2 小臂旋转电机的选择原理同上，设小臂转速2=60/s ，设角速度从0加到2所需加速时间t

33、=0. 2s ，则旋转开始时的转矩可表示如下：T =J （3-7）式中：T 旋转开始时转矩，N.m 。J 转动惯量，kg.m2。角加速度，rad/s2。由式（3-7）有：T 2=J 2=J 22-0t =0.548830.1=10.47N . m若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，取安全系数为2，则减速机输出轴所需输出的最小转矩为：T 02=2T 2=210.47=20.94N . m （3-8选择减速机：型号：APEX-AE235 （同轴式行星减速机）额定输出转矩：40N.m减速比：i 2=100谐波减速器的的传递效率为：=90%，步进电机应输出力矩为：T 20.94T o

34、ut 2=02=0.233N . m (3-9 i 1000.9选择小型直流伺服电机：型号：MAXON-EC118896额定转矩：0.7N.m额定电压：24V额定电流：1.5A额定转速：1000rpm最高转速：1200rpm额定功率：40w电机尺寸：L=93mm D=46mm3.2.3 腰部旋转电机的选择设旋转盘旋转速度为3=60/s ，则旋转开始时的转矩可表示如下：T =J （3-10）式中：T 旋转开始时转矩，N.m 。J 转动惯量，kg.m 2。角加速度，rad/s。设机械手大臂从0=0到3=60/s 所需的时间为：t =0.2s 则：T 0=J 0=J 0-0t =3.83430.2=

35、20.07N . m若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，取安全系数为2，则减速机输出轴所需输出的最小转矩为：T 00=2T 0=220.7=41.4N . m (3-11选择减速机：型号：APEX-AE238 （同轴式行星减速机）额定输出转矩：50N.m减速比：i 3=100设谐波减速器的的传递效率为：=90%，步进电机应输出力矩为：T 41.4T out 0=0.46N . m (3-12 i 1000.9选择小型直流伺服电机型号：MAXON-EC137489额定转矩：0.9N.m额定电压：24V额定电流：2A额定转速：1000rpm最高转速：1200rpm额定功率：60w

36、电机尺寸：L=124mm D=64mm第4章 手部结构设计4.1 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。4.1.1 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

37、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。4.1.2 设计时考虑的几个问题1. 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。2. 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。3. 保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保

38、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。4. 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，以使手腕的扭转力矩最小为佳。5. 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。16。4.2 手部夹紧气缸的设计4.2.1 弹簧的设计计算选择弹簧是压缩条件，选择圆

39、柱压缩弹簧。如图4-1所示： 图4-1 圆柱压缩弹簧图4-1中，D 为弹簧中心线到弹簧丝中心的距离；D 1为弹簧中心线到弹簧丝内圈的距离；D 2为弹簧中心线到弹簧丝外圈的距离；d 为弹簧丝直径；H 0为弹簧长度，本次设计弹簧具体尺寸参数如下：D=20mm；d=7mm ；D 1=D -d=16.5mm ；D 2=D +d=27mm；H 0=50mm ; n =5164.2.2 对于压缩弹簧稳定性的验算对于压缩弹簧如果长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。为了避免这种现象本次使用的压缩弹簧的长细比H 50b =0=2.5，本设计弹簧是2端自由，根据下列选取：D 20当两端固定时

40、，b 5.3, 当一端固定；一端自由时，b 3.7；当两端自由转动时，b 2.6。本设计弹簧b =2.52.6，因此弹簧稳定性合适。4.2.3 疲劳强度和应力强度的验算。对于循环次数多、在变应力下工作的弹簧，还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应力强度进行验算（如果变载荷的作用次数N 103，或者载荷变化幅度不大时，可只进行静应力强度验算）。现在由于本设计是在恒定载荷情况下，所以只进行静应力强度验算。计算公式：S S ca =式中：SS Smax(4-1）S s 选取1.3到1.7之间（力学性精确能高）K 取1.2 F 取1620N8KDF 81.20.020max =1621=288975135

41、d 33.140.0073S S cas 800106pa =2.768S S max 288975135pa17结论：经过校核，弹簧适应。4.2.4 手部驱动力计算本次设计的机械手手部结构示意图如下图4-2所示 :图4-2 齿轮齿条式手部其工件重量G=1公斤，V 形手指的角度2=120 ，b =100mm >R =40mm , 摩擦系数为f =0. 10 (1 根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:2bN （4-2）p = R(2 根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:N =0.5Gtg =0.510tg60=8.66（N ）（4-3） 取8.7N所以2bN =43.5(N p =R(3 实际驱动力:18p 实际pK 1K 2（4-4）因为传力机构为齿轮齿条传动，故取=0. 94，并取K 1=1. 5。若被抓取a工件的最大加速度取a =3g 时，则:K 2=1+=4g1.54=277.65(N 取280（N 0.94所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为280N 。所以p 实际=43.54.2.5 气缸直径的设计计算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