机械手,夹持器.docx

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1、机械手,夹持器2.2.1.1夹紧力计算 手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向、作用点进行分析、计算。一般来说，加紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷以使工件保持可靠的加紧状态。 手指对工件的夹紧力可按下列公式计算： FNK1K2K3G式中： 2-1 K1安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取1.22.0，取1.5； K2工件情况系数，主要考虑惯性力的影响， 计算最大加速度，得出工作情况系数K2, K2=1+绝对值； a0.02/1=1+=1.002，a为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的g9.8K3方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定，

2、 手指与工件位置：手指水平放置 工件垂直放置； 手指与工件形状：V型指端夹持圆柱型工件， K3=0.5sinq，f为摩擦系数，q为V型手指半角，此处粗略计算K34,如图2.1 f图2.1 G被抓取工件的重量 求得夹紧力FN ，FN=K1K2K3Mg=1.51.002439.8=176.75N，取整为177N。 2.2.1.2驱动力力计算 根据驱动力和夹紧力之间的关系式： FN=式中： c滚子至销轴之间的距离； b爪至销轴之间的距离； a楔块的倾斜角 Fc2bsina2FNbsina177286sin16=195.15N，可得F=得出F为理论计c34算值，实际采取的液压缸驱动力F要大于理论计算值

3、，考虑手爪的机械效率h，一般取0.80.9，此处取0.88，则： F=Fh=195.15=221.7N62 ，取F=500N 0.882.2.1.3液压缸驱动力计算 设计方案中压缩弹簧使爪牙张开，故为常开式夹紧装置，液压缸为单作用缸，提供推力： F推=式中 D活塞直径 d活塞杆直径 p驱动压力， p4D2p F=500N10KN F,已知液压缸驱动力，且F推=F由于F10KN，故选工作压力P=1MPa 据公式计算可得液压缸内径： 4F4500D=mm=25.231mmpp3.141 根据液压设计手册,见表2.1，圆整后取D=32mm。 表2.1 液压缸的内径系列 225 32 40 50 55

4、 63 65 0 70 110 活塞杆直径 d=0.5D=0.540mm=16mm 活塞厚 B=(0.61.0)D 取B=0.8d=0.732mm=22.4mm,取23mm. 缸筒长度 L(2030)D 取L为123mm 活塞行程，当抓取80mm工件时，即手爪从张开120mm减小到80mm，楔快向前移动大约40mm。取液压缸行程S=40mm。 液压缸流量计算： 放松时流量 Q=75 125 80 130 85 140 90 160 95 180 100 200 105 250 p4(D2-d2)St 40.L72/min qV1=A2V1=夹紧时流量 qV1=AV11=p42-6(32-126

5、)206010=p4D2St=p4322206010-6=0.965L/min 2.2.1.4选用夹持器液压缸 温州中冶液压气动有限公司所生产的轻型拉杆液压缸 型号为：MOB-B-32-83-FB，结构简图，外形尺寸及技术参数如下： 表2.2夹持器液压缸技术参数 工作使用温允许最效压力 度范围 大速度 率 传动介缸径 质 常规矿32 物液压mm 油 受压面积(cm) 无杆腔 12.5 有杆腔 8.6 1.45 2速度比 1MPa -10300 m/s 90% +80 图2.2 结构简图 图2.3 外形尺寸 2.2.3楔块等尺寸的确定 楔块进入杠杆手指时的力分析如下： 图 2.7 上图2.7中

6、q斜楔角，q30时有增力作用； f2滚子与斜楔面间当量摩擦角，tanf2=(dD)tanf2，f2为滚子与转轴间的摩擦角，d为转轴直径，D为滚子外径，tanf2=f2，f2为滚子与转轴间摩擦系数; g支点O至斜面垂线与杠杆的夹角； l杠杆驱动端杆长； l杠杆夹紧端杆长； h杠杆传动机械效率 2.2.3.1斜楔的传动效率 斜楔的传动效率h可由下式表示： h=sinqsin(q+f2) tanf2=dtanf2 D杠杆传动机械效率h取0.834，tanf2取0.1，dD取0.5，则可得q=14.036, f2g90，取整得q=14。 2.2.3.3斜楔驱动行程与手指开闭范围 当斜楔从松开位置向下移

7、动至夹紧位置时，沿两斜面对称中心线方向的驱动行程为L，此时对应的杠杆手指由g1位置转到g2位置，其驱动行程可用下式表示： L=lcosg1-lcosg2l=(cosg1-cosg2) sinqsinq杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为： Ds=lcos(g1+q)-cos(g2+q) 通常状态下，g2在90-q左右范围内，g1则由手指需要的开闭范围来确定。由给定条件可知最大Ds为55-60mm,最小设定为30mm.即30Ds(50-60)。已知q=14，可得g2=90-q=76，有图关系： 图2.9 可知：楔块下边为60mm，支点O距中心线30mm，且有2.2.3.4l与l的确定 斜楔传动比i

8、可由下式表示： Dllsinqi= Llsing30=tgq，l+l=120 解得：(l+l)可知q一定时，ll愈大，i愈大，且杠杆手指的转角g在g90范围内增大时，传动比减小，即斜楔等速前进，杠杆手指转速逐渐减小，则由l+l=120分配距离为：l=50，l=70。 2.2.3.5g1确定 由前式得： Ds=(60-30)=30 Ds=30=70cos(g1+14)-cos(76+14)，g1=50.623，取g1=50。 2.2.3.6L确定 L为沿斜面对称中心线方向的驱动行程，有下图中关系 图2.10 L=50取L=83，则楔块上边长为18.686，取19mm. (cos50-cos76)

9、=82.850，sin142.2.4材料及连接件选择 V型指与夹持器连接选用圆柱销GB/T119.1，d=8mm, 需使用2个 杠杆手指中间与外壳连接选用圆柱销GB/T119.1，d=8mm, 需使用2个 滚子与手指连接选用圆柱销GB/T119.1，d=6mm, 需使用2个 以上材料均为钢，无淬火和表面处理 楔块与活塞杆采用螺纹连接，基本尺寸为公称直径12mm，螺距p=1，旋合长度为10mm。第三章 腕部 3.1腕部设计的基本要求 手腕部件设置在手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。手腕部件具

10、有独立的自由度，此设计中要求有绕中轴的回转运动。 力求结构紧凑、重量轻 腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。 结构考虑，合理布局 腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。 必须考虑工作条件 对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。 3.2具有

11、一个自由度的回转缸驱动的典型腕部结构 如图3.1所示，采用一个回转液压缸，实现腕部的旋转运动。从AA剖视图上可以看到，回转叶片用螺钉，销钉和转轴10连接在一起，定片8则和缸体9连接。压力油分别由油孔5.7进出油腔，实现手部12的旋转。旋转角的极限值由动，静片之间允许回转的角度来决定，图中缸可回转90。腕部旋转位置控制问题，可采用机械挡块定位。当要求任意点定位时，可采用位置检测元件对所需位置进行检测并加以反馈控制。 图3.1 图示手部的开闭动作采用单作用液压缸，只需一个油管。通向手部驱动液压缸的油管是从回转中心通过，腕部回转时，油路认可保证畅通，这种布置可使油管既不外露，又不受扭转。腕部用来和臂

12、部连接，三根油管由手臂内通过并经腕架分别进入回转液压缸和手部驱动液压缸。本设计要求手腕回0180转，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动，参考上图典型结构。 3.3腕部结构计算 3.3.1腕部回转力矩的计算 腕部回转时，需要克服的阻力有： 腕部回转支承处的摩擦力矩M摩=M摩f(FR1D1+FR2D2)2 式中 FR1，FR2轴承处支反力，可由静力平衡方程求得; D1D2,轴承的直径； f轴承的摩擦系数，对于滚动轴承f=0.01-0.02；对于滑动轴承f=0.1。 为简化计算，取部重量，G3M摩=0.1M总阻力矩，如图3.1所示，其中，G1为工

13、件重量，G2为手为手腕转动件重量。 图3.1 克服由于工件重心偏置所需的力矩M偏M偏=G1e式中 e工件重心到手腕回转轴线的垂直距离(m)，已知e=10mm. 则 M偏=G=39.80.N01m=1e0.2N94m克服启动惯性所需的力矩M惯启动过程近似等加速运动，根据手腕回转的角速度w及启动过程转过的角度式计算： M惯=t启f启按下w式中 J工件2(Nms)； 工件对手腕回转轴线的转动惯量2(Nms)； J 手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量w手腕回转过程的角速度(1s)； t启启动过程所需的时间(s)，一般取0.05-0.3s,此处取0.1s.。 手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效

14、为一个圆柱体，高为200mm，直径90mm，其重力估算： G=p0.04520.27800Kgm39.8NKg=97.26N,取98N. 等效圆柱体的转动惯量： J=11G2MR=22g2R=19820.045=0.010129.8 工件的转动惯量，已知圆柱体工件R=40mm，l=100mm J工件=m122(3R+l2)=3(30.0+4121220.=1)0.0037要求工件在0.5s内旋转90度, 代入得： w取平均角速度，即w=p， pM惯=(0.0101+0.0037)Nm=0.4335Nmt启0.1wM总阻力矩=M摩+M偏+M惯=0.1M总阻力矩+0.294+0.4335Nm解可得

15、： M总阻力矩=0.8083Nm 3.3.2回转液压缸所驱动力矩计算 回转液压缸所产生的驱动力矩必须大于总的阻力矩M总如图3.3，定片1与缸体2固连，动片3与转轴5固连，当a, b口分别进出油时，动片带动转轴回转，达到手腕回转的目的。 图3.3 图3.4 图3.4为回转液压缸的进油腔压力油液，作用在动片上的合成液压力矩即驱动力矩M。 M=Rr2M总pb(R2-r2)ppbrdr=M总22b(R-r) 2 或 式中 M总手腕回转时的总的阻力矩(Nm) p回转液压缸的工作压力 R缸体内孔半径 D=1.5-2.5dr 输出轴半径，设计时按选取 b动片宽度 上述动力距与压力的关系是设定为低压腔背压力等

16、于零。 3.3.3回转缸内径D计算 由 MM总阻力矩，得： 2Mpb(R2-r2)R+r2M总pb2， 为减少动片与输出轴的连接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选择动片宽度时，选用： b2R-r 综合考虑，取值计算如下： r=16mm，R=40mm，b=50mm，P取值为1Mpa，即如下图： 图3.5 3.3.4液压缸盖螺钉的计算 图3.6缸盖螺钉间距示意 表3.3 螺钉间距t与压力P之间的关系 工作压力P 螺钉的间距t(mm) 小于150 小于120 小于100 小于80 0.51.5 1.52.5 2.55.0 5.010.0 上图中表示的连接中，每个螺钉在危险截面上承受的拉力为： F总=

17、F+F预计算如下： ，即工作拉力与残余预紧力之和 液压缸工作压强为P=1Mpa,所以螺钉间距t小于150mm,试选择2个螺钉，pD4=p0.082=0.1256m=125.6mm150mm，所以选择螺钉数目合适Z=2个 80mm2-32mm2S=pR-pr=p=0.003436116m24受力截面 22PS1060.003436116所以，F=2267.84NZ2 F预=KF，此处连接要求有密封性，故k取，取K=1.6。 F预=KF=1.62267.84N=3628.54N所以 F总=F+F=2267.8+43628.N54=58N9预螺钉材料选择Q235， 则s=ssn=240=160MPa

18、1.5，安全系数n取1.5 螺钉的直径由下式得出 d41.F3dpsps=，F为总拉力即F=F总41.3F41.35896.38=7.81mm3.14160106螺钉的直径选择d=8mm. 3.3.7材料及连接件，密封件选择 右端轴承端盖与腕部回转缸连接选用六角头螺栓，全螺纹，GB/T5783，M516,需用4个。 右缸盖与缸体连接选用六角头螺栓，全螺纹，GB/T5783，M516,需用4个。 左缸盖与缸体及法兰盘连接选用六角头螺栓，全螺纹，GB/T5783，M531,需用4个。 选用垫圈防松，GB/T848，公称尺寸为5。 右端轴承端盖与腕部回转缸连接选用六角头螺栓，全螺纹，GB/T5783，M516,需用4个。 为定位作用，轴左侧增加一个套筒，材料为HT200，尺寸如下： 图3.8 动片与输出轴连接选用六角头螺栓 全螺纹， GB/T5783 ，M516 需用2个。 密封件选择： 全部选用毡圈油环密封，材料为半粗羊毛毡。 右端盖d=40mm, 左右缸盖 d=25mm。河北工程大学毕业设计