夹持器

楔块尺寸的确定

楔块进入杠杆手指时的力分析如下：

图 1

上图1中

θ—斜楔角，θ＜30时有增力作用；

'2φ—滚子与斜楔面间当量摩擦角，'22tan ()tan d D φφ=，2φ为滚子与转轴间的摩擦

角，d 为转轴直径，D 为滚子外径，22tan f φ=，2f 为滚子与转轴间摩擦系数;

γ—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；

η—杠杆传动机械效率

斜楔的传动效率

根据传动效率的定义可知：=

η理想驱动力

实际驱动力

夹持器的驱动力公为： 2b

=

tan N c

θP 所以，斜楔的传动效率为：()

'

2tan tan θ

ηθφ=

+ 因为 '

22tan tan d

D

φφ=

杠杆传动机械效率η取0.834，2tan φ取0.1，d D 取0.5，则可得θ=15.32°，

取整得θ＝16°。 手指动作范围分析

阴影部分为杠杆手指的动作范围，并且'

290φγ〈〈︒，见图2

图2

如果'

2γφ=，则楔面对杠杆的作用力沿杆身方向，此时，夹紧力为零，且为不稳定状

态，所以γ必须大于'

2φ。此外，当90γ=时，杠杆与斜面平行，呈直线接触，且与回转支点在结构上干涉，图2为手指动作的理论极限位置。

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1γ位置转到2γ位置，其驱动行程可用下式表示：

1212cos cos (cos cos )sin sin l l l

L γγγγθθ

-=

=-

杠杆手指夹紧端沿夹紧力方向的位移为：

'

12[cos()cos()]s l γθγθ∆=+-+

根据手指转轴安装的极限位置，如图3所示。可知2γ最大值为90θ︒-，即

290901674γθ=︒-=︒-︒=︒，而1γ需要手指开闭范围确定。假设夹持的工件半径为，

3050mm R mm 〈〈，则取s 最大值为60mm ，最小值为20mm ，即2060s 〈〈。

图 3 指点O 距中心线35mm ，有

()

'

35tan l l θ=+，解得'

125l l +≈ l 与'l 的确定

斜楔的行程比为 's i n s l i l l

θ=≈，θ为确定值，则行程比与'l l 之比有关，获得适当的行程比，分配距离为'

40,85l l ==。

根据 '

12[cos()cos()]s l γθγθ∆=+-+ 代入相关数据，解得1145.92,=46γγ=︒︒则取。

1212cos cos (cos cos )sin sin l l l

L γγγγθθ

-=

=-代入数据的68.4L =，取整为70。

手指误差的分析

机械手手指的夹持误差对整个机械手的定位精度影响很大, 而且误差按1: 1 直接复现。而夹持误差大小与工件尺寸变化范围以及手指的几何尺寸直接有关, 因此, 在工件夹持尺寸范围一定的情况下, 应合理地设计手指的结构尺寸, 使夹持误差控制在允许范围内。 本设计为楔块杠杆式回转型夹持器，属于两支点回转型手指夹持，如图4。

图4

若把工件轴心位置C 到手爪两支点连线的垂直距离CD 以X 表示，根据几何关系有：

X =简化为：

()()

2

2

22222sin cos 1sin sin sin AB AB AB R l X l a l a θββθβ--=--

它是双曲线方程。对应其中一支曲线的极值点坐标为：

0sin cos AB R l θβ=

0X =显然，对于一定结构尺寸的手指，当夹持工件的尺寸相对于0R 对称改变时，对应的夹持误差最小。或者说，若根据夹持工件的尺寸范围12~R R R =来设计手指各结构尺寸，只要0R 取为夹持工件半径的平均值，则误差最小，此时有:

0arccos

arccos

sin sin AB AB R R

l l βθθ

== 式中，12

2

R R R +=

代入数据求的 57.08β=︒

0sin cos 85sin 60cos57.0840.01AB R l mm θβ==⨯︒⨯︒= 当min 0max R R R 〈〈时，取定位误差为

1

∆和

2

∆中的最大值，为：

2

1AB l =+

2∆=

代入数据解得

1

21.07, 1.06mm mm ==

1.07 1.5mm mm =〈，夹持器手指误差满足要求。

夹紧力的计算

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（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：

123N F K K K G

≥

式中：

1K —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；

2K —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2K ，通常情况下21a

K g

=+

，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 ），通常搬运速度不高，假定1/a m s =，则21

1 1.1029.8

K =+

=； 3K —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，

30.5sin K f

θ

=

，f 为摩擦系数，θ为V 型手指半角，此处粗略计算34K ≈,如图5