机械手说明书
机械系统设计课程设计
说明书
设计课题：工业机械手手爪和手腕设计指导教师：洪林教授
设计者：周炜晨
班级：机械设计制造及其自动化1001
学号：20101335
一、设计概述
工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。液压传动机械手是以压缩液体的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，液压动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
二、设计要求
对机械手的手部、腕部进行结构设计，相关设计计算，校核计算。要求机械手能够夹持圆柱形铁质工件（工件轴线与水平面垂直）。铁质工件重12kg，直径120mm。
三、滑槽杠杆式手部结构设计
（一）工件高度计算
由密度公式=，推知工件高度h==13.60cm
式中m=12kg=12000g，=7.8g/cm3，r=60mm=6cm
（二）夹紧力的计算
手指对工件的夹紧力可按下式计算：
N≥K1K2K3G (kgf)
1）K1——安全系数，这里取K1=1.5
2）K2——工件情况系数，主要考虑惯性力的影响，近似估算为：K2=1+≈3.04（不妨设抓取工件最大加速度a=20m/s2，重力加速度g≈9.8 m/s2）
3）K3——方位系数，由于工件轴线与水平面垂直，故取K3≈4
4）G——被抓取工件重量，已知G=12kg
N≥K1K2K3G (kgf)=1.5x3.04x4x12=218.88(kgf)
（三）夹紧缸驱动力计算
1）由于设计选取夹持式手爪，故得驱动力公式：P=
其中设计c=48mm，b=170mm，=30o，则
P==1162.80(kgf)
2）取 =0.85
P实际===1368(kgf)
（四）液压缸相关尺寸设计
1）设计油缸直径D：
由于P实际=(D2-d2)P油
选取活塞杆直径d=0.5D，压力油工作压力P
油
=40kgf/cm2 D==8.79cm
则活塞杆直径为：d=90X0.5=45mm
2）活塞杆直径校核
依公式≤[],其中[]=120MPa，F
实际=P
实际
X9.8N=13406.40N，得到：
=34.57Mpa120Mpa，满足强度要求。
3）缸筒壁厚的设计
缸筒直接承受压缩空液压力，须有一定厚度。一般液压缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算：
——缸筒壁厚，mm
D——液压缸内径，mm
P P——实验压力，取P P=1.5P油=6x105Pa
材料为：45#钢，[]=116 MPa
代入己知数据，则壁厚为：=2.33mm
取，即可满足。则缸筒外径为：D
外
=90+6x2=102mm
四、机械手腕部结构设计
（一）腕部回转力矩计算
手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩。
回转油缸所产生的驱动力矩必须大于总阻力矩M
总
。
1）腕部在回转时需要克服以下三种阻力：
1 .腕部回转支承处的摩擦力矩M摩
为简化计算，一般取M
摩=0.1M
总
2 .克服由于工件重心偏置，所需的力矩M偏
M偏=G1e(kgfm)
3 .克服起动惯性，所需的力矩M惯
起动过程近似等于加速运动，根据手腕回转的角速度及起动时间t
起
，按下式计算：
M惯=0.0175(J+J工件)(kgfm)
式中，J
工件
——工件对手腕回转轴线的转动惯量(kgms2)
J——手腕回转部分对手腕回转轴线的转动惯量(kgms2)
——手腕回转过程的角速度()
t起——起动过剩中所需时间(s)，一般取0.05-0.3秒，这里取0.1秒
手腕回转所需的驱动力矩相当于上述三项之和：
M总=M摩+M偏+M惯
2）假设手爪、手爪驱动油缸、回转油缸传动件等为一个等效圆柱体，其高为350mm，直径为110mm，其重量G2=26kgf；等速转动角速度=150/s。
1 .求M惯=0.0175(J+J工件)(kgfm)
查表有J=mR2==0.016(kgms2)
J工件===0.006(kgms2) 代入
M 惯=0.0175(0.016+0.006)
=0.58(kgfm)
2 .不妨设手爪夹持在工件中间位置，所以工件重心到手腕回转轴线的垂直距离e=0，所以M 偏 =G 1e=0
3 .M 总=M 摩+M 偏+M 惯=0.1M 总+0+0.58 M 总=0.64(kgfm)
（二）腕部重要尺寸设计计算
1）液压缸相关尺寸设计 由一、（四）中油缸内径系列（JB826-66）表，选择缸体内径d=160mm ，动片宽度b=40mm ，输出轴半径r=25mm 。
P P
1 .回转油缸工作压力计算
可以由此转换为
式中，M 阻——手腕回转总阻力矩 p ——回转油缸工作压力 R ——缸体内经半径 r ——输出轴半径 b ——动片宽度 得到，
=5541pa ，取P=1Mpa
2 . 螺钉数量设计
t 为螺钉间距，间距跟工作压力有关，每个螺钉在危险界面上承受的拉
力为：
F QS =F Q +F’QS
式中，F Q 为工作载荷，F’QS 为预紧力
液压缸工作压力为P=1Mpa，所以螺钉间距t小于150mm，因此，选择8个螺钉。
3 . 螺钉直径计算
危险截面面积：
S=(R2-r2)=3.14x(0.082-0.0252)=0.0181m2
F Q===2262.5N
F’QS=KF Q(K=1.5~1.8，取K=1.5)，则F’QS=KF Q=1.5x2262.5=3393.75N
所以F QS =F Q+F’QS=5656.25N
螺钉的强度条件为：
=
式中，R——光体内孔半径（mm）
——螺钉材料的许用拉应力（MPa）
d1——螺钉螺纹内径（mm）
螺钉材料选择Q235，取=235MPa，则[]===156.67MPa(n=1.2~2.4，取n=1.5)
即d1=0.00773m，取d1=8mm
3）动片和输出轴间联接螺钉计算
动片和输出轴间联接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位，联接钉的作用是使动片和输出轴之间的配合紧密，当油腔通高压油时。动片受油压用产生一个合成液压力矩，克服输出轴上所受的外在合力矩。
由= F’QS Zf
得F’QS===3850N
式中，f——被联接件配合面间的摩擦系数，钢对铜取f=0.15
D——缸体内径
d——动片与输出轴配合处直径
F’QS——动片和输出轴间联接螺钉的预紧力
b——动片宽度
P——回转油缸工作压力
螺钉的强度条件为：=
螺钉材料选择Q235，取=235MPa，则[]===156.67MPa(n=1.2~2.4，取n=1.5)
即d1=0.0059m，取d1=6mm
参考文献：
1.张建民.工业机器人.北京:北京理工大学出版社，1988
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4.王雄耀.近代液压机器人(液压机械手)的发展及应用.液压液压与密封，1999.5
5.严学高，孟正大.机器人原理.南京:东南大学出版社，1992
6.机械设计师手册.北京:机械工业出版社，1986
7.黄锡恺，郑文伟.机械原理.北京:人民教育出版社，1981
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