正式机械手夹持器

1

№1

夹持器

1.1夹持器设计的基本要求

（1）应具有适当的夹紧力和驱动力；（2）手指应具有一定的开闭范围； （3）应保证工件在手指内的夹持精度；（4）要求结构紧凑，重量轻，效率高； 设计参数及要求

（1）采用手指式夹持器，执行动作为抓紧—放松； （2）所要抓紧的工件直径为80mm 放松时的两抓的最大距离为110-120mm/s ， 1s抓紧,夹持速度20mm/s；

（3）工件的材质为5kg，材质为45#钢；（4）夹持器有足够的夹持力； （5）夹持器靠法兰联接在手臂上。由液压缸提供动力。 1.2.夹持器结构设计 1.2.1夹紧装置设计. 1.2.1.1夹紧力计算

一般来说，加紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）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：

FN≥K1K2K3G

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1.2——2.0，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+

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绝对值（m/s）

g9.8

K3—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，

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=

0.5sinθ

，f为摩擦系数，θ为V型手指半角，此处粗略计算K3≈4, f

求得夹紧力

FN

，

FN=K1K2K3Mg=1.5⨯1.002⨯4⨯3⨯9.8=176.75N

，取整为177N。

1.2.1.2驱动力力计算

根据驱动力和夹紧力之间的关系式：

沈阳理工大学

2沈阳理工大学

3沈阳理工大学

l—杠杆驱动端杆长； l'—杠杆夹紧端杆长；

№4

η—杠杆传动机械效率

1.2.3.1斜楔的传动效率

斜楔的传动效率η可由下式表示：

η=

sinθsin(θ+φ2')

tanφ2'=

d

tanφ2 D

'

杠杆传动机械效率η取0.834，tanφ2取0.1，dD取0.5，则可得θ=14.036, φ2

阴影部分杠杆手指的动作范围，即φ2

当斜楔从松开位置向下移动至夹紧位置时，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γ1位置转到γ2位置，其驱动行程可用下式表示：

'

' '

L=

lcosγ1-lcosγ2l

=(cosγ1-cosγ2)

sinθsinθ

'

杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为：

∆s=l[cos(γ1+θ)-cos(γ2+θ)]

通常状态下，γ2在90-θ左右范围内，γ1则由手指需要的开闭范围来确定。由给定条件可知最大∆s为55-60mm,最小设定为30mm.即30

γ2=90-θ=7 6，可知：楔块下边为60mm，支点O距中心线30mm，且有

30

=tgθ，(l+l')

l+l'=120

1.2.3.4与l的确定

斜楔传动比i可由下式表示：

沈阳理工大学

l

'

∆⋅l'l'sinθi==

Llsinγ

可知θ一定时，l愈大，i愈大，且杠杆手指的转角γ在γ

由前式得：

'

'

'

№5

∆s=(60-30)=30

∆s=30=70[cos(γ1+14 )-cos(76 +14 )，γ1=50.623 ，取γ1=50 。

1.2.3.6L确定

L为沿斜面对称中心线方向的驱动行程，

50

L=(cos50-cos76)=82.850，取L=83，则楔块上边长为18.686，取

sin14

19mm.

1.2.4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。

2 腕部

2.1腕部设计的基本要求

（1）力求结构紧凑、重量轻；（2）结构考虑，合理布局；（3）必须考虑工作条件 2.2具有一个自由度的回转缸驱动的典型腕部结构

采用一个回转液压缸，实现腕部的旋转运动。从A—A剖视图上可以看到，回转叶片（简称动片）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（一般小于270），图中缸可回转。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，

沈阳理工大学

2.3腕部结构计算 2.3.1腕部回转力矩的计算

腕部回转时，需要克服的阻力有： （1）腕部回转支承处的摩擦力矩

№6

M摩

M摩=

f

(FR1D1+FR2D2)2

M偏

（2）克服由于工件重心偏置所需的力矩

M偏=G1e

（3）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ω及启动过程转过的角度

φ启

按下式计算：

M惯=（J+J工件t启

ω

手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为200mm，直径90mm，其重力估算：

G=π⨯0.0452⨯0.2⨯7800Kgm3⨯9.8NKg=97.26N,取98N.

等效圆柱体的转动惯量：

J=

11G2198MR2=R=⋅⋅0.0452=0.010122g29.8

工件的转动惯量，已知圆柱体工件R=40mm，l=100mm

J工件=

m1

(3R2+l2)=⋅3⋅(3⨯0.042+0.12)=0.00371212

要求工件在0.5s内旋转90度, 代入得：

ω取平均角速度，即ω=π，

π

M惯=（J+J工件=(0.0101+0.0037)N⋅m=0.4335N⋅mt启0.1

ω

M总阻力矩=M摩+M偏+M惯=0.1M总阻力矩+0.294+0.4335N⋅m

解可得：

M总阻力矩

=0.8083N⋅m

2.3.2回转液压缸所驱动力矩计算

沈阳理工大学

7沈阳理工大学

8沈阳理工大学

9沈阳理工大学

Rg-工作机构满载启动时的惯性力。

(1)Ri的确定 ① 工件的质量m

№10

⎛0.8⎫

=7.85⨯3.14⨯ ⎪⨯1.5m=ρv=ρ⋅πr2h2⎝⎭=5.9 (kg)

②夹持器的质量 15kg(已知)

③伸缩臂的质量 50kg(估计) ④其他部件的质量 15kg(估计)

工作机构荷重： Ri=(5.9+15+50+15)*10=859(N) 取Ri=860N (2)

2

Rm

的确定 Rm=μ⋅Ri=860⨯0.2=172 (N)

G⋅∆V860⨯0.2

==172

Rg10⨯0.1(3) 的确定 Rg=g⋅∆t(N)

式中：∆t为启动时间，其加速时间约为0.1～0.5s

∆t=0.1s , ∆υ=0.2s

总负载 R=Ri+Rg+Rm=860+172+172=1204(N) 取实际负载为 R =1200N 3.2.1.2液压缸缸筒内径D的确定

4R

=πpD=4⨯1200

=39mm

3.14⨯1Mpa

1Mpa1Mpa

式中：R=1000 N

取液压缸缸筒内径为40mm。 3.2.1.3活塞杆设计参数及校核

(1)活塞杆材料：选择45号调质钢，其抗拉强度

σb=570Mpa

(2)活塞杆的直径：查《液压传动设计手册》得，当压力小于10Mpa时，速比ϕ=1.33。

则可选取活塞杆直径为20mm系列，且缸筒的厚度为5mm。

H≥

最小导向长度：

lD30040

+=+=35202202mm

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(3)活塞杆强度及压杆稳定性的计算 ① 油缸稳定性的计算

因为油缸的工作行程较大，则在油缸活塞杆全部伸出时，计算油缸受最大作用力压缩时油缸的稳定性。假设油缸的活塞杆的推理为P，油缸稳定的极限应力为Pk，则油缸稳定性的条件为P

№11

pk=(

Pk按下式得到：

pk2

)J1(kgf)J1

式中：

pkJ1

可按《液压传动设计手册》得到

J1=

πd14

64；

J2=

π(D14-D4)

64

式中：d1为活塞杆直径D1为缸体外径。D为缸体内径。

所以，

J1=

π⨯202

64

=19.625

所以

J244.15625==1.5J119.625

J2 、J1为长度l2、l1上的断面惯性矩。

查所以：

J2

=1.6J1

l1

=1l时极限力的计算图，可由2且l1=300mm查得

。

pk

=90J1

pk=902⨯19.625kgf=1.6⨯106N

p〈pk

所油缸的稳定性是满足条件的。

② 活塞杆强度的计算（E：材料的弹性模量）刚的弹性模量为E＝200Mpa。

d≥

《液压传动与控制》查得：条件的。

3.2.1.4缸筒设计参数及校核

4R

πσS

=

4⨯1200

=3.57

1.4 所以活塞杆强度是满足

(1)缸筒材料：选择ZG310-570铸钢,其抗拉强度(2)缸筒壁厚δ及校核：取壁厚δ=5mm

σb=570Mpa

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12沈阳理工大学

[σ]=

许用应力：

№13

σs

n

[kgf/cm2]

式中：P:油缸的最大推力[kgf]; D:油缸内径[cm];

d0

：螺纹直径[cm]；

d1：螺纹内径，当采用普通螺纹时（GB196-63）时，可近似按下式d1=d0-1.224t（t螺距

[cm]）;

K:螺纹预紧力系数，去K＝1.25～1.5；

k1：螺纹那摩擦系数（0.07～0.2），一般取k1＝0.12；

σs：缸筒材料的屈服极限。

n: 安全系数，取n=1.2-2.5,一般取n=1.75.

由前面计算可得：D=40mm=4cm，则查《机械设计课程设计手册》，采用普通螺纹基本尺寸（GB/T196-2003）公称直径第二系列 4.8，可得螺距t=0.4cm;

所以，d1=4.8-1.224⨯0.4=4.31cm。 K取1.5，

d0

=4.8cm .

k1=0.12，

σs=235Mpa=2350[kgf/cm2]

n:取1.75。 所以：

σ=

kp

π/4(d12-D2)

=

1.5⨯100

=74.138[kgf/cm2]22

π/4⨯(4.31-4)

[σ]=

235Mpa23.5

=kgf/cm2=1342.9[kgf/cm2]n1.75

,满足强度条件。

∴σn

（2）缸筒与缸底的焊接强度计算

σ=

p

4

=

100

2(D1-d2)η

2

4

=120.3[kgf/cm2]

(52-4.52)⨯0.7

P:油缸推力[kgf]

η:焊缝效率，可取η＝0.7

σb：焊条材料得抗拉强度[kgf/cm2]

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3.2.1.7液压油缸其他零件结构尺寸得确定

由于液压缸的工作负载较小，所以选定液压缸的工作压力为低压。取额定工作压力为2.0

№14

Mpa

（1）活塞与活塞杆得连接结构：

油缸在一般工作条件下，活塞与活塞杆采用螺纹连接。其形式如图所示

（2）活塞杆导向套：做成一个套筒，压入缸筒，靠缸盖与缸筒得连接压紧固定，材料选用铸铁材料。

（3）活塞与缸体得密封。

采用O型密封圈密封。选用36.5内径，截面直径为3.2.2导向杆机构设计 3.2.2.1导向机构的作用

3.2.2.2导向机构的外形尺寸及材料

导向选择矩形导轨导向，导轨为伸缩臂基座上得一部分，经加工而成；滑台则在其上滑动且滑台得端部靠法兰安装夹持器部分。材料选择为45号钢

1为滑台，2为伸缩臂基座，3为矩形导轨的压板。

此处矩形导轨是直接在基座上加工出来的，滑台在导轨面上滑动，靠压板来固定调节。 基座臂厚为10mm.。 3.3.2.3矩形导轨的弯曲强度及挠度的校核

+3.55-

0.10mm.

σmax=

(1)导轨的弯曲应力

M

Wz

M=pl=0.5⨯300=150N⋅m

bh20.04⨯0.0252

WZ===4.17⨯10-6

66

σmax=

M150==35.97Mpa-6WZ4.17⨯10

σmax

因为只计算了一边得矩形导轨，由结构可知还有另外一边得导轨支撑，故满足条件。

(2)杆的挠度

此杆为一悬臂梁，根据简单载荷作用下梁的挠度和转角公式：

pl2pl3

θ=f=

2EI，3EI

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沈阳理工大学课程设计专用纸

№15

bh2I==2.08⨯10-6

12式中：EI是截面抗弯刚度

300⨯0.53

fB==0.03-6

3⨯200⨯2.08⨯10

本式计算是完全把载荷加在导轨上，实际是载荷由导轨和活塞杆共同承受，所以导向杆的挠度

会更小，符合设计要求。

pl2300⨯0.52

θ===0.06rad -6

2EI2⨯200⨯2.08⨯10转角 =3.4 符合要求。

(3)导轨的表面处理及润滑

①导轨表面淬火，可以提高表面硬度增加导向杆的耐磨性，也可以保证导向杆的韧性，同时需要精加工以提高导轨的精度要求；

②导轨的润滑可采用润滑脂润滑，或是采用润滑油润滑。此处采用润滑脂润滑。

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