第3章 机械机构设计
3.1 手部设计计算
3.1.1 对手部设计的要求
1、有适当的夹紧力
手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。
2、有足够的开闭范围
夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好，如图3.1所示。
图3-1 机械手开闭示例简图
(3) 力求结构简单，重量轻，体积小
手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。
(4) 手指应有一定的强度和刚度
(5)其它要求
因此送料，夹紧机械手，根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭史弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。
3.1.2 抓紧装置原理及各参数计算
如图3.2所示：油缸右腔停止进油时，弹簧力夹紧工件，油缸右腔进油时松开工件。
图3-2 油缸示意图
1、右腔推力为
FP =（π／4）D²P （3-1）
=（π／4）
0.5²2510³
=4908.7N
2、根据钳爪夹持的方位，查出当量夹紧力计算公式为：
F1=（2b／a）（cosα′）²N′ （3-2）
其中 N′=498N=392N，带入公式2.2得：
F1=（2b／a）（cosα′）²N′
=(2150/50)（cos30º）²392
=1764N
则实际加紧力为 F1实际=PK1K2/η （3-3）
=17641.51.1/0.85=3424N
经圆整F1=3500N
3、计算手部活塞杆行程长L,即
L=（D/2）tgψ （3-4）
=25×tg30º
=23.1mm
经圆整取l=25mm
4、确定“V”型钳爪的L、β。
取L/Rcp=3 （3-5）
式中： Rcp=P/4=200/4=50 （3-6）
由公式（2.5）（2.6）得：L=3×Rcp=150
取“V”型钳口的夹角2α=120º，则偏转角β按最佳偏转角来确定，
查表得：
β=22º39′
5、机械运动范围（速度）
（1） 伸缩运动
=500mm/s
=50mm/s
（2） 上升运动=500mm/s
=40mm/s
（3） 下降=800mm/s
=80mm/s
（4） 回转
=90º/s
=30º/s
所以取手部驱动活塞速度V=60mm/s
6、手部右腔流量
Q=sv （3-7）
=60πr²
=60×3.14×25²
=1177.5mm³/s
7、手部工作压强
P= F1/S （3-8）
=3500/1962.5=1.78Mpa
3.2 腕部设计计算
3.2.1 具有一个自由度的回转驱动的腕部结构
直接用回转液压(气)缸驱动实现脆部的回转运动，因具有结构紧凑、灵活等优点而被广泛采用。图3.3所示的脆部结构，果用一个回转液压缸，实现腕部的旋转运动。从A—A剖视图上可以看出，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进出油腔，实现手部12的旋转。旋转角的极限值由动片、定片之间允许因转的角度来决定(一般小于270。)，图示液压虹可以回转±90。。肮部旋转位置控制问题，可采用机械档块定位。当要求任意点定位时，可采用位置检测元件(如本例为电位器，其轴安装在件l左端面的小孔)对所需位置进行检测并加以反馈控制．
1—手部驱动液压缸 2—回转液压缸 3—通向手部的油管 4—腕架 5—左进油孔 6—通向摆动缸油管 7—右进油孔 8—固定叶片 9—缸体 10—回转轴 11—回转叶片 12—手部
图3-3 用一个回转液压缸实现腕部旋转的结构
要求：回转±90º
角速度W=45º/s
以最大负荷计算：
当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，长度l=650mm。如图2.3所示。
3.2.2 各参数计算
1、计算扭矩
设重力集中于离手指中心200mm处，即扭矩
：
=F×S
=10×9.8×0.2=19.6（N·M）
（1） 油缸（伸缩）及其配件的估算扭矩
F=5kg S=10cm
带入公式2.9得
=F×S=5×9.8×0.1 =4.9（N·M）
（2） 摆动缸的摩擦力矩
=300（N）（估算值）
S=20mm （估算值）
=×S=6（N·M）
（3） 摆动缸的总驱动矩M
驱动手部回转的力矩
应该与起动时所产生的惯性力矩及各密封装置处的摩擦力矩
相平衡
=++ （3-9）
式中：
———密封装置处的摩擦力矩（N﹒m）;
=
（3-10）
(其中：
——回转缸动片的角速度变化量(rad/s)，在起动过程中=
；
——起动过程中的时间（S）；
——手臂回转部件(包括工件)对回转轴线的转动惯量(N．m﹒
),
若手臂回转零件的重心与回转釉的距离为
，则
=
（3-11）
为回转零件对重心轴线的转动惯量；
——回转液压缸回油腔的背压反力矩。
=
（3-12）
所以 =++
=30.5（N·M）
（4）由公式
=P×b（D²-d²）×106/8 （3-13）
其中：b—叶片密度，这里取b=3cm；
D—摆动缸内径, 这里取D=10cm；
d—转轴直径, 这里取d=3cm。
所以代入（3-13）公式
P=8/b（D²-d²）×106
=8×30.5/0.03×（0.1²-0.03²）×106
=0.89Mpa
又因为
=8Q/（D²-d²）b
所以
Q=（D1²-d²）b/8
=（π/4）（0.1²-0.03²）×0.03/8
=0.27×10-4m³/s
=27ml/s
