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某气动机械手手部的结构设计案例

1.1夹持式手部结构

夹持式手部是通过传力机构来带动手部进行工作的，传力机构分为滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等

1.1.1手指的形状和分类

人们常用的夹持式手指的类型有两指式、多指式和双手双指式；按照被夹持工件的部位又可以分为内卡式和外夹式；按照手指仿生运动形式又可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型，其中二支点回转型是最基本的型式。二支点和一支点以及移动型之间是可以相互转换的，当二支点两点间的距离无线缩小直至重合时，就变成了一支点。当二支点手指的长度变得无穷长时，就变成了移动型。回转型相对于移动型来说，结构简单、便于操作，因此应用广泛。而移动型则是应用相对较少，其机械结构也相对于回转型的机械结构更加复杂和庞大，因此当使用移动型的手指在夹持直径发生变化不定的工件时，不会严重地影响到轴心的高低和位置，因此也可以很好地适应各种直径的工件。

1.1.2在设计时所需考虑的几个问题

(一)具有足够的夹紧力

在设计上确定了手夹紧力的同时，不但需要充分地考虑得到被夹紧工件的承载重量，还需要充分地考虑到被夹紧工件在传输时的惯性力和机械振动对其产生的影响，这样才有可能地保证被夹紧工件在制造的过程中不至于发生机械松动或者是脱落等现象。

(二)手指间应具有一定程度的开闭角

开闭角简单来说就是手指张开最大程度时和闭合时中间形成的角度。手指的开合角度应能使工件顺利进入或脱离。如果要夹持一些需要考虑直径的工件时，一律按最大直径考虑，如果要夹持一些需要移动的工件时，只需要考虑开闭角的大小即可。

(三)确保工件的精准定位

要设计的机械手手指需要和被抓取工件之间无空隙，这就需要考虑被抓取工件的形状了，例如，一个圆柱型零件上安装有v形表面的手指，以便于自动进行定心。

(四)保证足够的强度和刚度

由于手指除了会受到被夹持物体的反向作用力，还能够承受到各种惯性力跟振动的作用力影响，所以该机械手本身必须具备足够的刚性以防止弯曲或者是变形，在设计中要尽量选择简单轻巧的，同时要使手的中心点位于手腕的旋转轴上，以达到使手腕的扭转和力矩最小化的最佳效果。

(五)考虑被抓取工件的要求

考虑到被抓取工件多为圆柱形的情况，该机械手手指设计为“V”型，“如图3-1所示”。

1.1.3手部夹紧气缸的设计

1、手部驱动力的计算

图3-1齿轮齿条式手部

工件的重量为：G=5kg,

“v”型手指可张开的最大角度为2θ=120°,b=120mmR=24mm,摩擦力系数公式为：f=0.10

(1)根据手臂结构中的传动路线示意图，可知它的驱动力公式为：

(3-1)

(2)在了解了手指夹持工件的位置后，可知夹紧力计算公式：

N=0.5tg(θ-φ)

(3-2)=0.5×5×tg(60°-5°42)=25(N)

(3-2)

得

(N)

(3)其实际的驱动力为：

1、由于该机构是齿轮齿条式机构，故可以取η=0.94,且可以取K?=1.5。设被

抓取工件的最高加速度为α=3g时，则：

(3-3)

最后得到所需的夹紧气缸的驱动力是1563n。

2、气缸的直径

由于该气缸本身是单个方向作用的气缸，所以根据平衡原理，单向作用气缸推力杆向上的力必须大于气缸中弹簧的反作用力和活塞杆作用时产生的阻力的总和，公式为：

(3-4)

式中：F?:活塞杆上的推力，N

F?:弹簧的反作用力N

F?:气缸工作的总阻力，N

P:气缸的工作压力，Pa

弹簧的反作用力按下式计算：

F?=Gf(1+s)(3-5)

(3-6)

(3-7)

式中：Gr:弹簧刚度，N/m

1:弹簧预压缩量m

s:活塞行程m

d?:弹簧钢丝直径，m

D1:弹簧平均直径，m

n:弹簧有效圈数.

G:弹簧材料剪切模量，通常取G=79.4×10?Pa考虑负载率η的影响后，得到的公式为：

(3-8)

由上式可以得到的单向作用气缸的直径公式为：

(3-9)

代入相关的数据，可得：

=3677.46(N/m)

F?=Gf(1+s)

=3677.46×60×10-3=220.6(N)

(3-10)

通过查阅相关的手册，得D=65mm

由d/D=0.2-0.3可知活塞杆的直径：d=(0.2-0.3)D=13-19