机械手设计说明书

指导老师：

设计合作成员：

一、设计项目名称

机械手臂手指机构2

二、设计目的

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。手指的动力驱动方式为液压传动。液压传动的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。

三、设计要求

(1)机械手为专用机械手，适用于夹六菱柱形钢质工件。

(2)选取机械手的座标型式和自由度。

(3)主要设计出机械手的手部机构。

(4)液压传动系统液压缸的选用

四、设计方案

4.1 机械手基本形式的选择

机械手的典型结构一般可分为：回转型（包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种）、移动型（移动型即两手指相对支座作往复运动）和平面平移型。本设计采用二指回转型手抓。

4.2 机械手的主要部件及运动

本机械手的部件有齿轮、齿条、连杆和液压缸等。主要的运动有直动液压缸驱动齿条的平动、齿轮和齿条的啮合运动、连杆的转动和手抓的平行移动。

4.3 驱动方式的选择

本机械手的驱动方案采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。

4.4 机械手的技术参数列表

用途：卸码垛机械手臂

抓重：5kg

抓取的物体的几何形状：宽度为90～110mm六菱柱形钢质工件

机械手自重：小于等于10kg

4.5 机械工作原理

机械手的夹工件的工作原理框图如图1所示。

图1. 机械手夹工件的工作原理框图

该机械手采用了液压驱动方式来实现其工作的要求，工作要求就是机械手能适应六菱柱形钢质工件不同面的夹持，故带有水平转盘手臂的回转运动。

传动机构采用齿条与齿轮啮合。本机械通过液压驱动传递动力推动齿条平动，齿条与齿轮啮合将液压缸传来的水平运动转化为齿轮连杆的回转运动。而齿条与齿轮啮合驱动四连杆转动，四连杆机构使夹板水平移动，完成对工件的夹紧松开。机械手的整体结构图如图2、图3所示。手爪部分特点如下表述：

1. 机械手手部由手爪（即夹板）和传力机构所构成。机械手爪能夹宽度尺寸为90～110mm 的工件，由于所夹工件是六菱柱形钢质工件，故在竖直方面上夹持会比较方便设计和简化机构，手爪部分可以做成平面夹板，而机构本身应带水平转盘机构以适应不同角度的夹持。

2. 传力机构型式连杆杠杆式，夹板是与工件直接接触的构件，在竖直方向上夹持工件，夹板表面始终保持与工件侧表面平行，通过夹板产生夹紧力来完成夹放物件的任务。

驱动系统 （液压传动）

执行机构 齿条齿轮传动 四连杆

手爪夹持工件

图2.机械手整体结构图3.机械手除去端盖部件正视图

4.6结构说明

本机械手从上至下主要部件分别是水平转盘、液压缸、齿条齿轮、四连杆、夹板。

4.6.1手爪结构设计及夹持范围计算（如图4）

a.齿轮设计：

综合考虑避免齿轮根切、加工方便、机械手结构尽量小和简单等因素，齿轮模数M=1，分度圆半径为20mm。同时连杆1和齿轮做成一体能大大简化机械结构。

b.考虑到刚度和夹紧的需要确定L3=19

c.确定D

因为机械手要夹紧的工件的范围是90～110mm，所以D<=90mm.而且D越大，机械手的体积越大。再结合已经确定的齿轮的参数，故选D=40。

d.确定L2

因为机械手要夹紧的工件的范围是90～110mm，故L2=(110+19*2-40)/2=54.留下一定的设计余量，选L2=60。

图4.手爪结构

e.夹紧力和驱动力的计算

手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。

手指对工件的加紧力可按公式计算：G K K K 321N K ≥ （3.2） 式中K 1——安全系数，通常1.2--2.0；

K 2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估算K 2 =1+a/g （其中a 为重力方向的最大上升加速度a=V max /t 响 ；

V max ——运载时工件最大上升速度

t 响——系统达到最高速度的时间，一般选取0.03--0.5s

K 3——方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择

G ——被抓取工件所受重力（N ）

本设计采用的参数值如下：

K 1=1.6；K 2 =1+a/g=1+（0.1/0.5）/10=1.02 ；K 3=1.5；G=50

故得：

F N >=1.6×1.02×1.5×50=122.4 N 计算驱动力：

F 计算= F N （（h+L 2COS α）-kb ）=122.4×（（47.5+80×cos18）-0.15×18.11）/20

=739N 实际驱动力：

取η=0.95得 F 实际= F 计算/η=739/0.95=778 N 4.6.2液压缸的直径D

()2

24

F D d p π

=

-实际

选取活塞杆直径d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力P=0.8~1MPa,

表1.液压缸的缸筒内径尺寸系列表2. 液压缸活塞杆外径尺寸系列

表3. 液压缸活塞行程系列（GB/T 2349-1980）

根据表1，选取液压缸内径为：D=16mm

根据表2，则活塞杆内径为:

D=16⨯0.5=8mm，选取d=8mm

行程选择：

当夹住工件为90mm时，到达最小极限位置，则夹板应能夹住小于90，取a=40（图4），即齿轮转过角度要为

齿条与齿轮配合，即齿条要走过L=20⨯=2.67mm