气动机械手-设计说明书

一、设计要求
为卸码垛机械手臂配制造附件，即夹持工件的手指机构。

机构应根据工件的形状、尺寸、工件质量大小、表面性质等因素专门设计。

本设计拟搬运宽度尺寸90～110mm、质量为5kg以内的六菱柱形钢质工件，手指机构带水平转盘。

设计手指机构的机械结构，机构自身重量控制在10kg以内，手指的动力驱动方式自选。

二、具体设计方案
本次机械手的主要设计构思来源于实验室的机械手模型，通过对实验室机械手的一系列观察研究，开始了如下方案的设计。

首先，我们选择了气动的方式来驱动机械手的运动，而对于气缸的选择，因为在这方面的学习还不够，而且对于我们所设计的机械手结构在气缸方面的要求不高，故在此不作进一步研究。

根据实验室的机械手模型，我们仿照其结构把机械手设计为平行式夹持手爪，接下来是对一些重要尺寸的确定做一较为详细的介绍。

2.1机械手手爪伸缩运动的设计
通过查阅相关资料，对于夹持型手爪进行受力分析如图所示，两个手指总夹持力2µF必须大于夹持工件的重力mg
故应满足2µF>mg，即F>mg/2µ式中µ为摩擦系数，本次设计的手指夹持处设有辅助件，材料取为硬质橡胶，一般令µ=0.65；
另外已知m为5kg；
由此可得F>mg/2µ=5×9.8/(2×0.65)=38N
机械手的结构图如下：
此部分为机械手的夹持部分，由图中可知，此结构主要是以齿轮齿条的啮合运动来实现手指的夹紧与放松，而通过两个类似于单缸气缸的腔体充气和放气产生推动力。

因此根据公式可得：
D=（4F/（πPη））½
其中η为负载率,一般取0.4。

代入相关数据可得：D=0.017m
又知腔体中受压缩气体作用的面积为一圆环，即
s=π*（R²-r²）=π*D²/4 （其中R为腔体外半径，r为轴半径）
只要圆环面积s大于π*D²/4即可，现取D=0.02m=20mm r=10mm R=20mm 则s的面积足够大，能提供足够的推力来满足运动。

之后根据所夹持件尺寸的要求是90至110mm，则按照90mm来计算（最小的工件尺寸），若能夹到的话，则110mm的也一定能夹到，然后通过一系列的尺寸推导运算（该部分是通过先初步设计尺寸，然后在建模过程中不断修改所得），即可设计出如上所示的机械手结构。

其中最主要的就是齿轮齿条的行程大小确定，它是根据所要夹持工件的尺寸要求来设计的。

另外对于该如何夹持六边形工件的设计方法作如下简单说明：
现由图来说明，我们在两根手指上各设计了一块可转动的夹板（材料为硬质橡胶），通过这两块夹板可绕手指纵向做旋转运动的好处来实现此功能。

2.2机械手手爪旋转运动的设计
通过上面对手爪伸缩运动的设计，我们有了一定的启发，为了尊重现实模型的实际性，以及对结构设计的简化，我们取用了与上述结构十分相似的模型来实现旋转运动。

加上上述伸缩运动的结构后，其总观图如下：
由图中显而易见通过两个腔体的充放气带动齿条运动，而齿条又带动齿轮轴的旋转，从而实现手爪的旋转运动。

2.3机械手手爪其余设计
为了提高机械手的运动速度与控制精度，应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。

力求选用高强度的轻质材料，故该处选用高强度铝合金制造机械手手臂。

其密度通过查阅相关资料可得大概为3g/cm³，而整个机械手的大概体积是2700mm³，则重量为8kg左右，满足要求。

另外对于轴承的选择，伸缩结构部分主要实现齿轮齿条的运动传递与种类改变（从直线到旋转再到直线）对轴承的力学性能要求不高，故选用深沟球轴承，旋转部分因为要支撑下半部的伸缩结构，故选用推力球轴承。

具体尺寸查阅相关资料可得。

以上就是本次机械手设计的主要结构确定方法，以及一些相关零件的确定，望能得到老师点评。

三、总结与反思
本次机械手的设计中，本人负责的主要是设计与计算部分，对于该机械手在设计过程中存在的问题在此需要重点说明几点；
1、对于手指结构处附加的两块夹板，其主要目的是为了适应六边形的工件在夹取时的方便，另外其材料选为硬质橡胶是为了在夹取时增大与工件间的摩擦力，还有一个好处就是，若机械手长期在一些恶劣环境下工作，必定会让夹板处的磨损加快，此时可换用一副新的夹板来夹持工件，这样可减少成本的损失，一举两得。

2、齿条轴的设计是本次机械手设计中的重中之重，对于其结构的加工有两种方法，一种是在轴上直接生成齿条，另外一种是先在轴上生成一凹槽，然后把齿条安装在凹槽上。

对比这两种方法，我们选择了后者，考虑到几个因素：1）加工上会比直接生成齿条轴简单。

2）当齿条长期工作，磨损厉害时可拆卸下来安装新的齿条，这样可减少成本。

3）对于定位的要求，或者在加工过程中的定位技术要求会降低，因为若齿条宽度足够的话，就可以确保与齿轮的啮合程度足
够，无需考虑到直接生成时啮合不足的问题。

4）通过改变齿条上的齿数，或者同时改变齿轮齿条的模数齿数，即可满足不同行程的需求。

综上所述，选用第二种方法是有其好处的，这样更加有其合理性，人性化的一面。

3、在润滑方面，因为考虑到结构的密封性要求，选用脂润滑，因为机械手的运动速度不高，其轴承、活塞处的磨损、发热等消耗都不会很高，只需要定期给予润滑即可。

4、另外一点就是模数、齿数的确定是根据以往机械课程设计的经验去选取的，在此也没有进行校核，不过在选取齿条、齿轮时可根据相关力学性能来选取，同时也可通过试装，初步测试其合理性的方法来最终决定选取怎样的模数、齿数。

因为本次机械手设计的重点是在结构上，故对于该部分的校核选取工作量有所减少。