正式機(jī)械手夾持器

1、 1 夾持器1.1夾持器設(shè)計(jì)的基本要求（1）應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力；（2）手指應(yīng)具有一定的開(kāi)閉范圍；（3）應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度；（4）要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高；設(shè)計(jì)參數(shù)及要求（1）采用手指式夾持器，執(zhí)行動(dòng)作為抓緊放松；（2）所要抓緊的工件直徑為80mm 放松時(shí)的兩抓的最大距離為110-120mm/s ， 1s抓緊,夾持速度20mm/s；（3）工件的材質(zhì)為5kg，材質(zhì)為45#鋼；（4）夾持器有足夠的夾持力；（5）夾持器靠法蘭聯(lián)接在手臂上。由液壓缸提供動(dòng)力。1.2.夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1.2.1夾緊裝置設(shè)計(jì). 1.2.1.1夾緊力計(jì)算 一般來(lái)說(shuō)，加緊力必須克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷（

2、慣性力或慣性力矩）以使工件保持可靠的加緊狀態(tài)。手指對(duì)工件的夾緊力可按下列公式計(jì)算： 2-1式中：安全系數(shù)，由機(jī)械手的工藝及設(shè)計(jì)要求確定,通常取1.22.0，取1.5；工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， 計(jì)算最大加速度，得出工作情況系數(shù), ，a為機(jī)器人搬運(yùn)工件過(guò)程的加速度或減速度的絕對(duì)值（m/s）；方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選定，手指與工件位置：手指水平放置 工件垂直放置；手指與工件形狀：型指端夾持圓柱型工件，為摩擦系數(shù)，為型手指半角，此處粗略計(jì)算,求得夾緊力 ，取整為177N。 1.2.1.2驅(qū)動(dòng)力力計(jì)算根據(jù)驅(qū)動(dòng)力和夾緊力之間的關(guān)系式：式中：c滾子至銷(xiāo)軸之間的距離

3、；b爪至銷(xiāo)軸之間的距離；楔塊的傾斜角可得，得出為理論計(jì)算值，實(shí)際采取的液壓缸驅(qū)動(dòng)力要大于理論計(jì)算值，考慮手爪的機(jī)械效率，一般取0.80.9，此處取0.88，則： ，取 1.2.1.3液壓缸驅(qū)動(dòng)力計(jì)算設(shè)計(jì)方案中壓縮彈簧使爪牙張開(kāi)，故為常開(kāi)式夾緊裝置，液壓缸為單作用缸，提供推力：式中 活塞直徑 活塞桿直徑 驅(qū)動(dòng)壓力，,已知液壓缸驅(qū)動(dòng)力，且由于，故選工作壓力P=1MPa 據(jù)公式計(jì)算可得液壓缸內(nèi)徑：根據(jù)液壓設(shè)計(jì)手冊(cè),見(jiàn)表1.1，圓整后取D=32mm?；钊麠U直徑 d=0.5D=0.5×40mm=16mm活塞厚 B=(0.61.0)D 取B=0.8d=0.7×32mm=22.4mm,取

4、23mm.缸筒長(zhǎng)度 L(2030)D 取L為123mm活塞行程，當(dāng)抓取80mm工件時(shí)，即手爪從張開(kāi)120mm減小到80mm，楔快向前移動(dòng)大約40mm。取液壓缸行程S=40mm。液壓缸流量計(jì)算：放松時(shí)流量夾緊時(shí)流量 1.2.1.4選用夾持器液壓缸溫州中冶液壓氣動(dòng)有限公司所生產(chǎn)的輕型拉桿液壓缸 型號(hào)為：MOB-B-32-83-FB，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，外形尺寸及技術(shù)參數(shù)如下：表1.2夾持器液壓缸技術(shù)參數(shù)工作壓力使用溫度范圍允許最大速度效率傳動(dòng)介質(zhì)缸徑受壓面積()速度比無(wú)桿腔有桿腔1MPa+300 m/s90%常規(guī)礦物液壓油32mm12.58.61.451.2.2手爪的夾持誤差及分析 在機(jī)械加工中，通常情況使

5、手爪的夾持誤差不超過(guò)，手部的最終誤差取決與手部裝置加工精度和控制系統(tǒng)補(bǔ)償能力。工件直徑為80mm，尺寸偏差，則，。 本設(shè)計(jì)為楔塊杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器，屬于兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指夾持，若把工件軸心位置C到手爪兩支點(diǎn)連線的垂直距離CD以X表示，根據(jù)幾何關(guān)系有：1.2.3楔塊等尺寸的確定楔塊進(jìn)入杠桿手指時(shí)的力分析如下：滾子與斜楔面間當(dāng)量摩擦角，為滾子與轉(zhuǎn)軸間的摩擦角，為轉(zhuǎn)軸直徑，為滾子外徑，為滾子與轉(zhuǎn)軸間摩擦系數(shù); 支點(diǎn)至斜面垂線與杠桿的夾角；杠桿驅(qū)動(dòng)端桿長(zhǎng)；杠桿夾緊端桿長(zhǎng)；杠桿傳動(dòng)機(jī)械效率1.2.3.1斜楔的傳動(dòng)效率 斜楔的傳動(dòng)效率可由下式表示：杠桿傳動(dòng)機(jī)械效率取0.834，取0.1，取0.5，則可得=,

6、 ，取整得=。1.2.3.2動(dòng)作范圍分析陰影部分杠桿手指的動(dòng)作范圍，即，如果，則楔面對(duì)杠桿作用力沿桿身方向，夾緊力為零，且為不穩(wěn)定狀態(tài)，所以必須大于。此外，當(dāng)時(shí)，杠桿與斜面平行，呈直線接觸，且與回轉(zhuǎn)支點(diǎn)在結(jié)構(gòu)上干涉，即為手指動(dòng)作的理論極限位置。1.2.3.3斜楔驅(qū)動(dòng)行程與手指開(kāi)閉范圍當(dāng)斜楔從松開(kāi)位置向下移動(dòng)至夾緊位置時(shí)，沿兩斜面對(duì)稱(chēng)中心線方向的驅(qū)動(dòng)行程為L(zhǎng)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的杠桿手指由位置轉(zhuǎn)到位置，其驅(qū)動(dòng)行程可用下式表示：杠桿手指夾緊端沿夾緊力方向的位移為：通常狀態(tài)下，在左右范圍內(nèi)，則由手指需要的開(kāi)閉范圍來(lái)確定。由給定條件可知最大為55-60mm,最小設(shè)定為30mm.即。已知，可得，可知：楔塊下邊為6

7、0mm，支點(diǎn)O距中心線30mm，且有，解得：與的確定斜楔傳動(dòng)比可由下式表示：可知一定時(shí)，愈大，愈大，且杠桿手指的轉(zhuǎn)角在范圍內(nèi)增大時(shí)，傳動(dòng)比減小，即斜楔等速前進(jìn)，杠桿手指轉(zhuǎn)速逐漸減小，則由分配距離為：，。確定由前式得：，取。確定為沿斜面對(duì)稱(chēng)中心線方向的驅(qū)動(dòng)行程， ，取，則楔塊上邊長(zhǎng)為18.686，取19mm.1.2.4材料及連接件選擇V型指與夾持器連接選用圓柱銷(xiāo)，d=8mm, 需使用2個(gè)杠桿手指中間與外殼連接選用圓柱銷(xiāo)，d=8mm, 需使用2個(gè)滾子與手指連接選用圓柱銷(xiāo)，d=6mm, 需使用2個(gè)以上材料均為鋼，無(wú)淬火和表面處理楔塊與活塞桿采用螺紋連接，基本尺寸為公稱(chēng)直徑12mm，螺距p=1，旋合長(zhǎng)

8、度為10mm。 2 腕部2.1腕部設(shè)計(jì)的基本要求（1）力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕；（2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局；（3）必須考慮工作條件2.2具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的典型腕部結(jié)構(gòu)采用一個(gè)回轉(zhuǎn)液壓缸，實(shí)現(xiàn)腕部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。從AA剖視圖上可以看到，回轉(zhuǎn)葉片（簡(jiǎn)稱(chēng)動(dòng)片）用螺釘，銷(xiāo)釘和轉(zhuǎn)軸10連接在一起，定片8則和缸體9連接。壓力油分別由油孔5.7進(jìn)出油腔，實(shí)現(xiàn)手部12的旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角的極限值由動(dòng)，靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來(lái)決定（一般小于），圖中缸可回轉(zhuǎn)。腕部旋轉(zhuǎn)位置控制問(wèn)題，可采用機(jī)械擋塊定位。當(dāng)要求任意點(diǎn)定位時(shí)，可采饋控制。2.3腕部結(jié)構(gòu)計(jì)算2.3.1腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算腕部回轉(zhuǎn)時(shí)，需要克服的阻力有：（1）腕部回

9、轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩（2）克服由于工件重心偏置所需的力矩（3）克服啟動(dòng)慣性所需的力矩啟動(dòng)過(guò)程近似等加速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角速度及啟動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)過(guò)的角度按下式計(jì)算：手抓、手抓驅(qū)動(dòng)液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動(dòng)件等效為一個(gè)圓柱體，高為200mm，直徑90mm，其重力估算： ,取98N.等效圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：工件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，已知圓柱體工件，要求工件在0.5s內(nèi)旋轉(zhuǎn)90度, 取平均角速度，即=，代入得：解可得： =0.80832.3.2回轉(zhuǎn)液壓缸所驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算回轉(zhuǎn)液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩必須大于總的阻力矩定片1與缸體2固連，動(dòng)片3與轉(zhuǎn)軸5固連，當(dāng)a, b口分別進(jìn)出油時(shí)，動(dòng)片帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，達(dá)到手腕回轉(zhuǎn)的目的?；剞D(zhuǎn)液壓

10、缸的進(jìn)油腔壓力油液，作用在動(dòng)片上的合成液壓力矩即驅(qū)動(dòng)力矩。 或 式中 手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的總的阻力矩 回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力（Pa） 缸體內(nèi)孔半徑（m） 輸出軸半徑（m），設(shè)計(jì)時(shí)按選取 動(dòng)片寬度（m）上述動(dòng)力距與壓力的關(guān)系是設(shè)定為低壓腔背壓力等于零。2.3.3回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑D計(jì)算由 ，得：， 為減少動(dòng)片與輸出軸的連接螺釘所受的載荷及動(dòng)片的懸伸長(zhǎng)度，選擇動(dòng)片寬度時(shí)，選用：綜合考慮，取值計(jì)算如下：r=16mm，R=40mm，b=50mm，取值為1Mpa。2.3.4液壓缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 連接中，每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)截面上承受的拉力為：，即工作拉力與殘余預(yù)緊力之和計(jì)算如下：液壓缸工作壓強(qiáng)為P=1Mpa,所以螺釘間距小于15

11、0mm,試選擇2個(gè)螺釘，所以選擇螺釘數(shù)目合適Z=2個(gè) 受力截面，此處連接要求有密封性，故k?。?.5-1.8），取K=1.6。 所以 螺釘材料選擇Q235，安全系數(shù)n取1.5（1.5-2.2）螺釘?shù)闹睆接上率降贸?，F(xiàn)為總拉力即 螺釘?shù)闹睆竭x擇d=8mm.2.3.5靜片和輸出軸間的連接螺釘動(dòng)片和輸出軸之間的連接結(jié)構(gòu)見(jiàn)上圖。連接螺釘一般為偶數(shù)。螺釘由于油液沖擊產(chǎn)生橫向載荷，由于預(yù)緊力的作用，將在接合面處產(chǎn)生摩擦力以抵抗工作載荷，預(yù)緊力的大小，以接合面不產(chǎn)生滑移的條件確定，故有以下等式： 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為： 帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得：螺釘材料選擇Q235，則（安全系數(shù)）螺釘?shù)闹睆?，d值極小，取。螺釘選擇

12、M6的開(kāi)槽盤(pán)頭螺釘， 。 2.3.6腕部軸承選擇 腕部材料選擇HT200，估計(jì)軸承所受徑向載荷為50N,軸向載荷較小，忽略。兩處均選用深溝球軸承。現(xiàn)校核較小軸徑處軸承。6005軸承基本數(shù)據(jù)如下：，當(dāng)量動(dòng)載荷，載荷系數(shù)取1，則，由公式：N為轉(zhuǎn)速，由0.5s完成回轉(zhuǎn)，計(jì)算得：，球軸承代入得：，遠(yuǎn)大于軸承額定壽命。選用軸承為深溝球軸承6005，6008。 3 伸縮臂設(shè)計(jì)3.1伸縮臂設(shè)計(jì)基本要求 設(shè)計(jì)機(jī)械手伸縮臂，底板固定在大臂上，前端法蘭安裝機(jī)械手，完成直線伸縮動(dòng)作。（1）功能性的要求：伸縮要平穩(wěn)靈活，動(dòng)作快捷，定位準(zhǔn)確，工作協(xié)調(diào)。（2）適應(yīng)性的要求：要求設(shè)置可調(diào)式定位機(jī)構(gòu)；動(dòng)力的大小要能與負(fù)載相適

13、應(yīng)。（3）可靠性的要求：要求機(jī)械手工作必須可靠。設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行可靠性分析。（4）壽命的要求：設(shè)計(jì)中要考慮采取減少摩擦和磨損的措施（5）經(jīng)濟(jì)的要求（6）人機(jī)工程學(xué)的要求（7）安全保護(hù)和自動(dòng)報(bào)警的要求 3.2伸縮臂機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.2.1伸縮臂液壓缸參數(shù)計(jì)算3.2.1.1工作負(fù)載R液壓缸的工作負(fù)載R是指工作機(jī)構(gòu)在滿負(fù)荷情況下，以一定加速度啟動(dòng)時(shí)對(duì)液壓缸產(chǎn)生的總阻力，即：式中：-工作機(jī)構(gòu)的荷重及自重對(duì)液壓缸產(chǎn)生的作用力；-工作機(jī)構(gòu)滿載啟動(dòng)時(shí)的慣性力。(1)的確定 工件的質(zhì)量m=5.9 (kg) 夾持器的質(zhì)量 15kg(已知)伸縮臂的質(zhì)量 50kg(估計(jì))其他部件的質(zhì)量 15kg(估計(jì))工作機(jī)構(gòu)荷重： R

14、i=(5.9+15+50+15)*10=859(N) 取Ri=860N(2) 的確定 Rm= (N) (3) 的確定 Rg=(N) 式中：為啟動(dòng)時(shí)間，其加速時(shí)間約為0.10.5s=0.1s , =0.2s總負(fù)載 R=Ri+Rg+Rm=860+172+172=1204(N) 取實(shí)際負(fù)載為 =1200 3.2.1.2液壓缸缸筒內(nèi)徑D的確定D= 式中：R=1000 <5000 , p可取0.8, =取液壓缸缸筒內(nèi)徑為40mm。3.2.1.3活塞桿設(shè)計(jì)參數(shù)及校核(1)活塞桿材料：選擇45號(hào)調(diào)質(zhì)鋼，其抗拉強(qiáng)度=570(2)活塞桿的直徑：查液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)得，當(dāng)壓力小于10Mpa時(shí)，速比=1.33。

15、則可選取活塞桿直徑為20mm系列，且缸筒的厚度為5mm。 最小導(dǎo)向長(zhǎng)度：mm (3)活塞桿強(qiáng)度及壓桿穩(wěn)定性的計(jì)算 油缸穩(wěn)定性的計(jì)算因?yàn)橛透椎墓ぷ餍谐梯^大，則在油缸活塞桿全部伸出時(shí)，計(jì)算油缸受最大作用力壓縮時(shí)油缸的穩(wěn)定性。假設(shè)油缸的活塞桿的推理為P，油缸穩(wěn)定的極限應(yīng)力為Pk，則油缸穩(wěn)定性的條件為P<Pk。Pk按下式得到： 式中：可按液壓傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)得到； 式中：為活塞桿直徑為缸體外徑。D為缸體內(nèi)徑。所以， 所以 、為長(zhǎng)度、上的斷面慣性矩。 查時(shí)極限力的計(jì)算圖，可由且查得所以：。所油缸的穩(wěn)定性是滿足條件的。 活塞桿強(qiáng)度的計(jì)算（E：材料的彈性模量）剛的彈性模量為E200Mpa。液壓傳動(dòng)與控制查

16、得： 所以活塞桿強(qiáng)度是滿足條件的。 3.2.1.4缸筒設(shè)計(jì)參數(shù)及校核(1)缸筒材料：選擇ZG310-570鑄鋼,其抗拉強(qiáng)度=570(2)缸筒壁厚及校核：取壁厚=5mm 因此屬于普通壁厚缸筒壁厚的校核 式中：-缸筒內(nèi)最高工作壓力；=7-材料的許用應(yīng)力 -材料的安全系數(shù)=5校核符合要求(3)缸筒外徑： 3.2.1.5缸底設(shè)計(jì)參數(shù)及校核(1)缸底材料：選擇Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，其抗拉強(qiáng)度375460(2)缸底厚度 mm 取缸底厚度為5mm3.2.1.6油缸零件的連接計(jì)算首先確定油缸缸筒與缸蓋采用螺紋連接;缸筒與缸底的連接此處選用焊接方式，此種方式能夠使液壓缸緊湊牢固。（1）缸筒螺紋處的強(qiáng)度計(jì)算：螺紋處

17、的拉應(yīng)力： 螺紋處的剪應(yīng)力： 合成應(yīng)力： 許用應(yīng)力： 式中：P:油缸的最大推力kgf; D:油缸內(nèi)徑cm; ：螺紋直徑cm；：螺紋內(nèi)徑，當(dāng)采用普通螺紋時(shí)（GB196-63）時(shí)，可近似按下式（t螺距cm）;K:螺紋預(yù)緊力系數(shù)，去K1.251.5；：螺紋那摩擦系數(shù)（0.070.2），一般取0.12；：缸筒材料的屈服極限。n: 安全系數(shù)，取n=1.2-2.5,一般取n=1.75.由前面計(jì)算可得：D=40mm=4cm，則查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)，采用普通螺紋基本尺寸（GB/T196-2003）公稱(chēng)直徑第二系列 4.8，可得螺距t=0.4cm; =4.8cm .所以，。 K取1.5，n:取1.75。所以：

18、,滿足強(qiáng)度條件。（2）缸筒與缸底的焊接強(qiáng)度計(jì)算P:油缸推力kgf:焊縫效率，可取0.7：焊條材料得抗拉強(qiáng)度3.2.1.7液壓油缸其他零件結(jié)構(gòu)尺寸得確定由于液壓缸的工作負(fù)載較小，所以選定液壓缸的工作壓力為低壓。取額定工作壓力為2.0。（1）活塞與活塞桿得連接結(jié)構(gòu)：油缸在一般工作條件下，活塞與活塞桿采用螺紋連接。其形式如圖所示（2）活塞桿導(dǎo)向套：做成一個(gè)套筒，壓入缸筒，靠缸蓋與缸筒得連接壓緊固定，材料選用鑄鐵材料。（3）活塞與缸體得密封。采用O型密封圈密封。選用36.5內(nèi)徑，截面直徑為3.55mm.3.2.2導(dǎo)向桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3.2.2.1導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用是保證液壓缸活塞桿伸出時(shí)的方向性，提供機(jī)構(gòu)剛度，保證伸縮量的準(zhǔn)確性。3.2.2.2導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的外形尺寸及材料導(dǎo)向選擇矩形導(dǎo)軌導(dǎo)向，導(dǎo)軌為伸縮臂基座上得一部分，經(jīng)加工而成；滑臺(tái)則在其上滑動(dòng)且滑臺(tái)得端部靠法蘭安裝夾持器部分。材料選擇為45號(hào)鋼1為滑臺(tái)，2為伸縮臂基座，3為矩形導(dǎo)軌的壓板。此處矩形導(dǎo)軌是直接在基座上加工出來(lái)的，滑臺(tái)在導(dǎo)軌面上滑動(dòng)，靠壓板來(lái)固定調(diào)節(jié)?；酆駷?0mm.。3