液压机械手手部设计计算

第5章机械手手部的设计计算
5.1 手部设计基本要求
（1）应具有适当的夹紧力和驱动力。

应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。

（2）手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度）∆γ，以便于抓取工件。

（3）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。

（4）应保证手抓的夹持精度。

5.2 典型的手部结构
（1）回转型包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。

（2）移动型移动型即两手指相对支座作往复运动。

（3）平面平移型。

5.3机械手手抓的设计计算
5.3.1选择手抓的类型及夹紧装置
60，本设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角γ∆=0
夹取重量为0.5Kg。

常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。

吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。

本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。

平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单, 适于夹持平板方料, 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差零。

若采用典型的平移型手指, 驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。

显然是不合适的，因此不选择这种类型。

通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。

夹紧装置选择常开式夹紧装置。

5.3.2 手抓的力学分析
下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆 图3.1（a ）为常见的滑槽杠杆式手部结构。

(a) (b) 图5.1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析
1——手指 2——销轴 3——杠杆
在杠杆3的作用下，销轴[GB/T882-2000]2向上的拉力为F ，并通过销轴中心O 点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F 1和F 2，其力的方向垂直于滑槽的中心线1oo 和2oo 并指向o 点，交1F 和2F 的延长线于A 及B 。

由x F ∑=0 得 12F F = y F ∑=0 得
12cos F
F α
=
'11F F =- 由1o ∑()F =0 得b F h F N ⋅=⋅'1
cos a
h α=
N F a
b
F ⋅=α2cos 2 （3.1）
式中 a ——手指的回转支点到对称中心的距离（mm ）.
α——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。

由分析可知，当驱动力F 一定时，α角增大，则握力N F 也随之增大，但α角
过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好α=0
30
040。

5.3.3 夹紧力及驱动力的计算
手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。

必须对大小、方向和作用点进行分析计算。

一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。

手指对工件的夹紧力可按公式计算123N F K K K G ≥
（3.2）
式中 1K ——安全系数，通常1.2-2.0；
2k ——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。

可近似按下式估
21b K a =+其中a ，重力方向的最大上升加速度；max v
a t =响
max v ——运载时工件最大上升速度 t
响——系统达到最高速度的时间，一般选取0.03-0.5s 3K ——方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。

G ——被抓取工件所受重力（N ）。

表3-1 液压缸的工作压力
0.81 30000
4.0 10000 2.0 50000
5.0 1000020000
2.5
3.0
以上
8.0
计算：设a=100mm,b=50mm,010<α<0
40;机械手达到最高响应时间为0.5s ，求夹紧力N F 和驱动力F 和 驱动液压缸的尺寸。

(1)设1 1.5K =
21b K a =+ =0.10.519.8+
=1.02 30.5K = 根据公式，将已知条件带入：
∴ N F N 825.355.002.15.1=⨯⨯⨯=
（2）根据驱动力公式得：
()
N F 87.2825.330cos 100
50
22
=⨯⨯=︒
计算
（3）取0.85η= N F F 38.385
.087
.2==
=
η
计算
实际 （4）确定液压缸的直径D ()2
24
F D d p π
=
-实际
选取活塞杆直径d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力P=0.8-1MPa, ∴
()
0085.075
.0108.038
.345.01452=⨯⨯⨯⨯=
-ππp F 实际
根据表4.1（JB826-66），选取液压缸内径为：D=10mm,但为了扩大机械手的工作范围，选取液压缸内径D=16mm
则活塞杆内径为:
D=16⨯0.5=8mm ，选取d=8mm
5.3.4 手爪夹持范围计算
为了保证手抓张开角为0
60，活塞杆运动长度为34mm 。

手抓夹持范围，手指夹持有效长度为100mm,当手抓没有张开角的时候，如图3.2（a ）所示，根据机构
设计，它的最小夹持半径1R 40=，当张开0
60时，如图3.2（b ）所示，最大夹持半径2R 计算如下：
10492.10330cos /40301002=≈︒+︒⨯=tg R
∴机械手的夹持半径从mm mm 104~40
（a） (b)
图5.2 手抓张开示意图
5.4 机械手手爪夹持精度的分析计算
机械手的精度设计要求工件定位准确,抓取精度高,重复定位精度和运动稳定
力。

性好,并有足够的抓取能[]12
机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手夹持误差大小有关。

特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一
定进行机械手的夹持误差。

该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。

机械手的夹持范围为mm mm 208~80。

一般夹持误差不超过1mm,分析如下：
工件的平均半径：mm R cp 722
104
40=+=
手指长100l mm =,取V 型夹角0
2120θ=
偏转角β按最佳偏转角确定：
︒︒
--=⨯=⋅=75.3360
sin 10072
cos sin cos
1
1
θ
βl R cp
计算 0sin cos 100R l θβ==⨯︒︒75.33cos 60sin =72.14 当0R MAX MIN R R ≥≥S 时带入有：
=
-⎪⎭
⎫
⎝⎛+---⎪⎭⎫ ⎝⎛⋅+=
βθθαβθθcos sin 2sin cos sin 2sin 2min 2
max 22max 2
max 2R l R l R l R l
2
0.678l ⎛=
+= ⎝
夹持误差满足设计要求。

5.5 手指夹紧液压缸的尺寸参数的确定
根据夹紧力和驱动力的计算，初步确定了液压缸的内径为16mm ，行程为34mm ；下面要确定液压缸的缸筒长度L 。

缸筒长度L 由最大工作行程长度加上各种结构需要来确定，即：
L=l+B+A+M+C
式中：l 为活塞的最大工作行程；B 为活塞宽度，一般为(0.6-1)D;A 为活塞杆导向长度，取(0.6-1.5)D;M 为活塞杆密封长度，由密封方式定；C 为其他长度，在此由于定位方式为定位块式，需要保留一定的缸体冗余长度作为缓冲，以免在运动过程中损伤到缸体，所以C 取32.8mm 。

一般缸筒的长度最好不超过内径的20倍。

另外，液压缸的结构尺寸还有最小导向长度H 。

所以：L=34+0.8D+D+0.9D+C=120mm
液压缸缸底厚度计算，本液压缸选用平行缸底，且缸底无油孔时
[]
σφy
p D
h 433.0=，其中h 为缸底厚度；D φ为液压缸内径；y p 为实验压力；[]σ为
缸底材料的许用应力，液压缸选用缸体材料为45号钢，[]MPa 100=σ。

[]m p D h y
3
6
6101.110
100105.2016.0433.0433.0-⨯=⨯⨯⨯⨯==σφ， 所以选取厚度mm h 5=。

5.6 本章小结
通过本章的设计计算，先对滑槽杠杆式的手部结构进行力学分析，然后分别对滑槽杠杆式手部结构的夹紧力、夹紧用的弹簧、驱动力进行计算，在满足基本要求后，对手部的夹持精度进行分析计算。

不过由于手指的设计工作载荷只有5N ，所以手指零部件的载荷导致的应力都能达到设计要求，故校核可以省略。