单片机控制三自由度圆柱坐标机械手设计

I宁XX大学毕业设计(论文)单片机控制三自由度圆柱坐标机械手设计专业：班级：姓名：学号：指导教师：年月II摘要近代的工业机械手是由目标机械本体、控制器系统、传感装置系统、控制系统和伺服动力器系统组成，是一种模仿人的操作、自动化控制、可多次编程、能在立体空间完成各式各样作业的Mechatronics设备。工业机械手对于提高和确保产品质量，提升生产的效率，改善工人的工作条件和快速更新产品起着非常重要的作用。工业机械手技术结合了多们学科的知识。包含机构学、计算机、控制论、信息和传感技术、人工智能、仿生学等。它是当代十分活跃，应用非常广泛的领域。机械手具有很多人类所不具有的能力，包括快速分析环境能力；抗干扰能力强，能长时间工作和工作精度高。可以说机械手是工业进步的产物，它也发挥了在当今工业的至关重要的作用。如今，机械手工业已成为世界各国备受关注的产业。随着机械手技术的快速发展，工业机械手的应用范围正在不断扩大，提出了新要求，为提高机械手教学教育的水平，我们研制出一套以实验教学为目的的机械手演示系统。本文阐述了机械手的发展历史，国内外的应用状况，及其巨大的优越性，提出了具体的机械手设计要求和进行了总体方案设计和各自由度的具体结构设计、计算。关键词：机械手；工业；传动；强度IIIAbstractFromtheindustrialrobotmanipulator(Mechanical),controller,servodrivesystemandsensingdevice,ahumanoidoperation,automaticcontrol,canrepeatprogramming,three-dimensionalspacecanbecompletedinthevariousoperationsoftheelectromechanicalintegrationautomaticproductionagency.Ittostabilize,improvetheproductquality,improveproductionefficiency,playsaveryimportantroleinimprovingtherapidworkingconditionsandproduct.Industrialrobottechnologyisahigh-techintegratedcomputer,controltheory,mechanism,informationandsensortechnology,artificialintelligence,bionicsmultidisciplinaryandform,isthecontemporaryresearchisveryactive,moreandmorewidelyappliedinthefield.Therobotisontheenvironmentofrapidresponseandtheanalysisjudgmentability,andthemachinecanworkcontinuouslyforlongtime,highprecision,resistancetoharshenvironmentcapacity,inthesensethatitistheproductoftheevolutionofthemachine,itisanimportantproductionandindustrialandnon-industrialsector,serviceequipment,automationequipmentisindispensablethefieldofadvancedmanufacturingtechnology.Today,theroboticsindustryhasbecometheworldtheconcernoftheindustry.Withtherapiddevelopmentofrobottechnology,theapplicationfieldofindustrialrobotisconstantlyexpanding,putsforwardnewrequirements,inordertoimprovetherobotteachinglevel,wedevelopedasetofexperimentalteachingforthepurposeofdemonstrationoftherobotsystem.Thisassaydescribesthedevelopmentprocessoftherobot,theapplicationstatusathomeandabroad,robotbasedonthespecificdesignrequirements,theoveralldesignofthedegreeoffreedom,theconcretestructuredesignandcalculation;KeyWords:robot;industrial;transmission;strengthIV目录摘要.IIAbstract.III目录.IV第1章绪论.11.1机械手概念.11.2课题研究的背景和意义.11.3国内机械手的研究.11.4机械手的应用.2第2章总体方案机构设计.32.1设计概念.32.2设计原理.3第3章X向结构及传动设计.43.1X向滚珠丝杆副的选择.53.1.1导程确定.53.1.2确定丝杆的等效转速.53.1.3估计工作台质量及负重.53.1.4确定丝杆的等效负载.53.1.5确定丝杆所受的最大动载荷.63.1.6精度的选择.73.1.7选择滚珠丝杆型号.73.2校核.73.2.1临界压缩负荷验证.83.2.2临界转速验证.93.2.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率.93.3电机的选择.103.3.1电机轴的转动惯量.103.3.2电机扭矩计算.11V第4章Y向结构设计.124.1滚珠丝杠计算、选择.124.2步进电机惯性负载的计算.154.3步进电机的选用.16第5章手指的相关设计与计算.185.1手指的相关设计与计算.185.2机械手手抓夹持精度的分析计算.215.3手爪扇形齿轮与齿条强度校核.225.4机身与基座.23第6章单片机电气控制系统设计.296.1微机数控系统的设计.296.1.1硬件电路设计.296.1.2软件电路设计.316.28031单片机及其扩展.316.2.18031单片机的简介.316.2.28031单片机的系统扩展.326.2.3存储器扩展.346.2.4I/O口的扩展.366.2.5步进电机驱动电路.376.2.6脉冲分配器（环行分配器）.386.2.7光电隔离电路.386.2.8功率放大器.386.2.9其他辅助电路.39总结.41参考文献.42致谢.431第1章绪论1.1机械手概念机械手（Robot）是自动执行工作的机器装置。它是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。机械手是近50年才迅速发展起来的一种有代表性的、机械和电子控制系统组成的、自动化程度高的生产工具。在生产制造业中，机械手技术得到广泛的应用。它自动化程度高，对改善劳动条件，确保产品质量和提升工作效率，起到非常重要的作用。可以说他是现代工业的一种技术革命。1.2课题研究的背景和意义由于现代科技的发展，无论是在工业生产中还是人类日常生活，机械手技术都得到广泛的应用。研究智能类人机械手是近年科学家一致致力于的方向。类人机械手是以人类模型的，它能仿照人类各种动作和具有人类的外部特征。未来机械手管家将不是梦。按机械手结构的不同，机械手又可以分很多种。轮式移动机械手、履带机械手、机器手、步行机械手等等。值得一提的是步行机械手，他是近年来类人机器研究的重要成果。它的移动方式跟大多数动物一样甚至可以跟人类一下。这是一种很复杂的自动化程度很高的运动。相对于传统的轮式和履带机械手，他对环境的适应性更强。能在很小的空间作业，在不平的道路上如履平地，上下楼梯等等。将来不久，这项技术会得到非常广泛应用。在机械手研究、制作中，运用电脑对设计出来的机械手进行仿真是一项非常重要的过程。机械手仿真包含零件建模，零件装配，最后进行运动仿真。通过仿真，设计员可以很直观的观察到各个机构的运动状况，知道有没有出现干涉；可以清楚知道各个部件的受力情况，得出各种模拟数据。这种方法大大节约了研制时间和成本。1.3国内机械手的研究机械手在日本应用的历史非常悠久。在七十年代时机械手首先得到应用，然后经过十年的发展，在八十年代的时候机械手已经得到普及。相应的他们工业年产值也得到了快速提高。1980年达到一千亿日元，到1990年提高到六千亿日元。在2004年时已达到2了一万八千五百亿日元。可见机械手在提高生产效益方面的重要性。在国际方面，各个国家已经意识到机械手的重要性。所以机械手的订单急速上升。在2003年的订单量相对于2002年增长了百分之10。此后机械手的需求量仍然不断上升。从2001年到2006年全球订单增长多达90000多台。平均年增长为7%。国际机械手的发展方向:机械手涉及到非常多学科的知识和领域。包括：计算机、电子、控制、人工智能、传感器、通讯与网络、控制、机械等等。机械手的发展离不开上述学科的发展。正是由于各个学科的相互影响和综合集成，才能制造出自动化程度高的及其人。随着科学技术的进步，机械手在应用得范围越来越广泛；技术也越来越得到调高，功能更加强大。现在很对机械手的研究都往小型化发展。机械手将会更多的进入到人们的日常生活中去。总体的发展趋势是模块化、标准化、更加智能化。机械手的广泛应用，对提升产品的质量与产能、保障人员安全，改善劳动环境，降低劳动的强度，提高生产效率，节约原材料消耗以及降低生产成本，起着一个十分重要的作用。机械手的广泛应用体现以人为本的原则，它的出现让人们的生活更加便利和美好。1.4机械手的应用机械手产业是在计算机、继汽车之后出现的又一种新的大型高技术产业。现代，机械手产业市场前景发展很好。从二十世纪起，世界机械手产业一直稳步增长。到了二十世纪九十年代，机械手产品发展快速增长，年增长率平均在百分之十上下。2004年创记录达到百分之二十。在亚洲机械手需求量更多，年增长率高达百分之四十三。经历40多年的发展，机械手应用到很多领域中去了。机械手在制造业中应用的最广泛。如在焊接、热处理、表面涂覆、机械加工、装配、检测和仓库堆垛毛、坯制造(冲压、压铸、锻造等)等等作业中，机械手替代了人工作业，并使得生产效益大大提高。3第2章总体方案机构设计2.1设计概念机械手类型三自由度圆柱坐标型定位精度1mm工件尺寸直径约23cm，圆柱形，材料是铁质自由度3个（Y轴手臂升降，X轴手臂伸缩，机身旋转）X轴小臂伸缩范围25cm（最大速度10cm/s），步进电机驱动，单片机控制Y轴小臂升降范围10cm（最大速度10cm/s），步进电机驱动，单片机控制Y轴大臂升降范围20cm（最大速度10cm/s），步进电机驱动，单片机控制末端执行器开合角度60（最大速度60度每秒）,液压缸驱动基座旋转范围180，步进电机驱动，单片机控制机构简图2.2设计原理为了使工件保持准确的相对位置，必须根据要去选择合适的定位机构。再者就是要有足够的强度和刚度除了受到工件、工具的重量，还要受到本身的重量，还受到在运动过程中产生的惯性力和振动的影响，没有足够的强度和刚度可能会发生折断或者弯曲变形，所以对于受力较大的进行强度、刚度计算是非常必要的。最后要尽可能做到具有一定的通用性如果可以，应考虑到产品零件变换的问题。为适应不同形状和尺寸的4零件，为满足这些要求，可将制成组合式结构，迅速更换不同的部件及附件来扩大机构的使用范围。Y轴和X轴采用丝杠传动：电动机联轴器滚珠丝杠第3章X向结构及传动设计表3-1滚珠丝杆副支承支承方式简图特点一端固定一端自由结构简单，丝杆的压杆的稳定性和临界转速都较低设计时尽量使丝杆受拉伸。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度底，仅仅适用于短丝杆。一端固定一端游动需保证螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难，丝杆的轴向刚度与两端相同，压杆稳定性和临界转速比同长度的较高，丝杆有膨胀余地，这种安装方式一般用在丝杆较长，转速较高的场合，在受力较大时还得增加角接触球轴承的数量，转速不高时多用更经济的推力球轴承代替角接触球轴承。两端固定只有轴承无间隙，丝杆的轴向刚度为一端固定的四倍。一般情况下，丝杆不会受压，不存在压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高。可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杆自重的下垂和热膨胀的问题，结构和工艺都比较5困难，这种装置适用于对刚度和位移精度要求较高的场合。3.1X向滚珠丝杆副的选择滚珠丝杆副就是由丝杆、螺母和滚珠组成的一个机构。他的作用就是把旋转运动转和直线运动进行相互转换。丝杆和螺母之间用滚珠做滚动体，丝杠转动时带动滚珠滚动。X轴小臂伸缩距离：25cm（最大速度10cm/s）（100mm/s）(6m/min)设X向最大行程为250mm,最快进给速度为100mm/s,大概质量为50kg,假设工作台大概质量为80kg,移动部件大概质量为30kg，工作台最大行程为250mm。3.1.1导程确定电机与丝杆通过联轴器连接，故其传动比i=1,选择电机Y系列异步电动机的最高转速，则丝杠的导程为cmkgfMrn.2min,/150maxmax最大转矩取Ph=12mmVPH4150/6/a3.1.2确定丝杆的等效转速基本公式in)/(rPnh=最大进给速度是丝杆的转速min)/(5012/6maxarV最小进给速度是丝杆的转速83./inih=丝杆的等效转速式中i)/(/)(212i1axrttt+=取故21t=min)/(03.)/(212min1axrttnm+3.1.3估计工作台质量及负重工作台重量NXgG784.902=移动部件重量2333.1.4确定丝杆的等效负载工作负载是指工作时，实际作用在滚珠丝杆上的轴向压力，他的数值用进给牵引力6的实验公式计算。选定导轨为滑动导轨，取摩擦系数为0.03，K为颠覆力矩影响系数，一般取1.11.5，本课题中取1.3，则丝杆所受的力为NGFGFGfKFZx215-)2(03.3.12-)2(3y12yma=+=+=）（）（）（0in其等效载荷按下式计算（式中取，）21t=1nNtnFFm49)(321mi3ax+=3.1.5确定丝杆所受的最大动载荷316mhkahtwm10)nT(ffCarfw-负载性质系数，（查表：取fw=1.2）ft-温度系数（查表：取ft=1）fh-硬度系数（查表：取fh=1）fa-精度系数（查表：取fa=1）fk-可靠性系数（查表：取fk=1）Fm-等效负载nz-等效转速Th-工作寿命，取丝杆的工作寿命为15000h由上式计算得Car=17300N表3-1-1各类机械预期工作时间Lh7表3-1-2精度系数fa表3-1-3可靠性系数fk表3-1-4负载性质系数fw3.1.6精度的选择滚珠丝杠副的精度对电气的定位精度会有影响，在滚珠丝杠精度参数中，导程误差对定位精度是最明显的。一般在初步设计时设定丝杠的任意300行程变动量应小m30V于目标设定定位精度值的1/31/2,在最后精度验算中确定。，选用滚珠丝杠的精度等级X轴为13级（1级精度最高），Z轴为25级，考虑到本设计的定位精度要求及其经济性，选择X轴Y轴精度等级为3级，Z轴为4级。3.1.7选择滚珠丝杆型号计算得出Ca=Car=17.3KN,则Coa=(23)Fm=（34.651.9）KN公称直径Ph=12mm则选择FFZD型内循环浮动返向器，双螺母垫片预紧滚珠丝杆副，丝杆的型号为FFZD40103。8公称直径d0=30mm丝杆外径d1=29.5mm钢球直径dw=7.144mm丝杆底径d2=24.3mm圈数=3圈Ca=30KNCoa=66.3KN刚度kc=973N/m3.2校核滚珠丝杆副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压震动固有频率，其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杆副的拉压系统刚度KO有丝杆本身的拉压刚度KS，丝杆副内滚道的接触刚度KC，轴承的接触刚度Ka，螺母座的刚度Kn，按不同支撑组合方式计算而定。3.2.1临界压缩负荷验证丝杆的支撑方式对丝杆的刚度影响很大，采用一端固定一端支撑的方式。临界压缩负荷按下列计算：NFKLEIfFcrmax201e=式中E-材料的弹性模量E钢=2.1X1011（N/m2）LO-最大受压长度（m）K1-安全系数，取K1=1.3Fmax-最大轴向工作负荷（N）f1-丝杆支撑方式系数：f1=15.1I=丝杆最小截面惯性距（m4）42)2.1_(6woddI=式中do-是丝杆公称直径（mm）dw-滚珠直径（mm），丝杆螺纹不封闭长度Lu=工作台最大行程+螺母长度+两端余量9Lu=300+148+20X2=488mm支撑距离LO应该大于丝杆螺纹部分长度Lu，选取LO=620mm代入上式计算得出Fca=5.8X108N可见FcaFmax，临界压缩负荷满足要求。3.2.2临界转速验证滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠的最crn高转速：2230KPAEILfnCZcr=式中：A-丝杆最小截面：A=24-6-22m10*9.3.414=d-丝杠内径，单位；2dmP-材料密度p=7.85*103(Kg/m)-临界转速计算长度，单位为，本设计中该值为cL=148/2+300+(620-488)/2=440mmc-安全系数，可取=0.82K2KfZ-丝杠支承系数，双推-简支方式时取18.9经过计算，得出=6.3*104，该值大于丝杠临界转速，所以满足要求。crnmin/r3.2.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率丝杠系统的轴向拉压系统刚度Ke的计算公式LAEs/maxin=式中A丝杠最小横截面，；2()4dm螺母座刚度KH=1000N/m。10当导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L植分别为750mm和100mm。经计算得：min/1/2/1/sCHeKK+=sradmWB/k式中Ke滚珠丝杠副的拉压系统刚度(N/m)；KH螺母座的刚度(N/m)；KH=1000N/mKc丝杠副内滚道的接触刚度(N/m)；KS丝杠本身的拉压刚度(N/m)；KB轴承的接触刚度(N/m)。经计算得丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min，能满足要求。3.3电机的选择步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲的频率。步进电机具有惯量低、定位精度高、无累计误差、控制简单等优点，所以广泛用于机电一体化产品中。选择步进电动机时首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率，再者还要考虑转动惯量、负载转矩和工作环境等因素。3.3.1电机轴的转动惯量a、回转运动件的转动惯量328md4LJR上式中：d直径,丝杆外径d=29.5mmL长度=1mP钢的密度=78002kg/m11经计算得2m0.kg=RJb、X向直线运动件向丝杆折算的惯量2PMJL上式中：M质量X向直线运动件M=160kgP丝杆螺距（m）P=0.001m经计算得2-810*4.9kgJL=c、联轴器的转动惯量查表得204kg/.mJW=因此28-m0.8kg4.10*9.=+LR3.3.2电机扭矩计算a、折算至电机轴上的最大加速力矩atJnT602mxax=上式中：in/15rJ=0.0028kg/m2ta加速时间KS系统增量，取15s-1,则ta=0.2s3ta=经计算得mNT2.mxb、折算至电机轴上的摩擦力矩IPF20f=上式中：F0导轨摩擦力，F0=Mf，而f=摩擦系数为0.02，F0=Mgf=32NP丝杆螺距（m）P=0.001m12传动效率，=0.90I传动比，I=1经计算得mNTf=75.0c、折算至电机轴上的由丝杆预紧引起的附加摩擦力矩i2)-1(2000PT=上式中P0滚珠丝杆预加载荷1500N0滚珠丝杆未预紧时的传动效率为0.9经计算的T0=0.05NM则快速空载启动时所需的最大扭矩mNf=+=82.0max根据以上计算的扭矩及转动惯量，选择电机型号为SIEMENS的IFT5066，其额定转矩为6.7。N:13第4章Y向结构设计4.1滚珠丝杠计算、选择初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC5860，导程：l0=5mm强度计算丝杠轴向力：(N)(,maxyxzyxWFfKF其中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.0030005；在车床车削外圆时：Fx=(0.10.6)Fz，Fy=(0.150.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。取f=0.004,则:40ZmaxXF0.5.2161.(67.58)104.6042YZNN寿命值：，其中丝杠转速(r/min)61nTL0maxlvnmax065240/i13ThvnrlL最大动载荷：FfLQWH式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.21.5；fH为硬度系数，HRC58时为1.0。查表得中等冲击时则:1.2,ff360.4568709.5.4XYNQ根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为:CM系列滚珠丝杆副，其型号为：CM2005-5。其基本参数如下:14其额定动载荷为14205N足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双yQ螺母螺纹预紧形式.滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表名称计算公式结果公称直径0d20mm螺距tmm接触角045钢球直径bd3.175mm螺纹滚道法向半径R0.52bd1.651mm偏心距e()sine0.04489mm螺纹升角0tarcgd043螺杆外径d0(.25)bd19.365mm15螺杆内径1d102deR16.788mm螺杆接触直径22cosb17.755mm螺母螺纹外径D0e23.212mm螺母内径（外循环）1(.5)bdd20.7mm（1）传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为：)(tg式中：=10，为摩擦角；为丝杠螺旋升角。043()(1)0.96ggttt（2）稳定性验算丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。（3）刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：(cm)ESFll01Y向所受牵引力大,故用Y向参数计算6062221.5615.80.241.5.(/)3.40FNlcmECMSRL丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差为E级精064110.5.2.102.lum度丝杠允许的螺距误差=15m/m。4.2步进电机惯性负载的计算根据等效转动惯量的计算公式，有：（1）等效转动惯量的计算折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：221013()()180pqbzJJJM16式中：为折算到电机轴上的惯性负载；为步进电机轴的转动惯量；为齿轮的qJ0J1J转动惯量；为齿轮的转动惯量；为滚珠丝杠的转动惯量；为移动部件的质量。23J对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算：340.781JDL式中为圆柱零件直径，为圆柱零件的长度。D所以有：34221234223.2.56.710.0780.3.4.Jkgcm电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有：2222240.16.4710()16.537.4)10()0.793.3458dJkgcm4.3步进电机的选用(）步进电机启动力矩的计算设步进电机的等效负载力矩为，负载力为，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系：TPs式中为电机转角，为移动部件的相应位移，为机械传动的效率。若取，b则，且。所以：p()szPGP36()2pszbGPT式中：为移动部件负载（N），G为移动部件质量（N），为与重力方向一致的作用sPz在移动部件上的负载力（N），为导轨摩擦系数，为步进电机的步距角（rad）,Tb为电机轴负载力矩（N.cm）。取=0.3（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），.8，=279.23。考虑sPH到重力影响，向电机负载较大，因此1200，所以有：17360.125.80.3(20180)3145.65.2.Tncm考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩：0.35QT取系数为.，则：65.216.24qTncm对于工作方式为三相拍的步进电机：max163.20.808.36qTjnc(）步进电机的最高工作频率axax176.pvf为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率,同时电机最大静转矩要足maxf够大,查表选择两个90BF001型三相反应式步进电机.电机有关参数如下:主要技术参数型号相数步距角电压(V)相电流(A)最大静转矩maxjT(n.m)空载启动频率空载运行频率分配方式90BF00140.98073.92200080004相8拍外形尺寸(mm)外直径长度轴直径重量kg转子转动惯量Kg.m9014594.5176418第5章手指的相关设计与计算5.1手指的相关设计与计算设计手部时除了要满足抓取要求外，还应满足以下几点要求：（1）、手指握力的大小要适宜确定手指的握力（即夹紧力）时，应考虑工件的重量以及传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落，但握力太大又会造成浪费并可能损坏工件。（2）、应保证工件能顺利地进入或脱开手指开合式手指应具有足够大的张开角度来适应较大的直径范围，保证有足够的夹紧距离以方便抓取和松开工件。移动式钳爪要有足够大的移动范围。（3）、应具有足够的强度和刚度，并且自身重量轻因受到被夹工件的反作用力和运动过程中的惯性力、振动等的影响，要求机械手具有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，但结构要简单紧凑、自重轻，并使手部的重心在手腕的回转轴线上，使手腕的扭转力矩最小。（4）、动作迅速、灵活、准确，通用机械手还要求更换手部方便根据用途手部可分为夹持式手部、吸附式手部和专用工具（喷枪、扳手、焊接工具）三类。经过分析和比较此设计采用夹持式手部。手部是机械手直接抓取和握紧（或吸附）物件或夹持专用工具执行作业任务的部件，因此手部的结构和尺寸应依据作业任务要求来设计，从而形成了多种的结构型式。它安装在手臂的前端，可以模仿人手动作。一、夹持式手部夹持式手部对抓取工件的形状具有较大的适应性，故应用较广。它的动作与钢丝钳或虎钳相似。二、结构夹持式手部是有驱动装置、传动机构和手指（或手爪）等组成。驱动装置多半用活塞缸。传动机构常用连杆机构、滑槽机构、齿轮齿条机构等。手指常用两指，也有多指等形式。指端是手指上直接与被夹工件接触的部位，它的结构形状取决于工件的形状。手部结构按模仿人手手指的动作，可分为回转型、移动型等形式。经分析和比较此设计选择移动式的齿轮齿条手部。19工件尺寸：直径约23cm，圆柱形，材料是铁质。机械手最大抓重：2kg根据所夹取的零件半径（20-30的圆柱形棒料）经分析取扇型齿轮的齿顶模数mm=2，=23。齿条齿数取=23。1Z2Z1手指夹紧力的计算：公式：(3-1)N1K230G为抓取的工件重量最大为2Kg，为安全系数取1.22,暂取5，为工作情况系0G12K数，可按=1.12.5此取=2，为方位系数，即为当爪子处在不同位置夹取工件223不同放置位置是的系数，根据查取的公式：=0.5tan，粗略计算3K/(1tan)f约等于0.91.1此处取1。3K3K根据公式（3-1）计算得:1.52129.8NN=58.8N因为此设计采用移动型齿轮齿条手部结构，查资料知其夹紧力为驱动力的一半，即:NFN=0.5(3-2)NFP此处考虑其他因素取100N。P图3-1机械手手部简图(c)计算手部活塞杆行程长L,即tgDL2/（3.4）=25tg30=23.1mm经圆整取l=25mm(d)确定“V”型钳爪的L、3。20取L/Rcp=3（3.5）式中：Rcp=P/4=200/4=50（3.6）由公式（3.5）（3.6）得：L=3Rcp=150取“V”型钳口的夹角2=120，则偏转角按最佳偏转角来确定，查表得：=2239计算：设a=100mm,b=50mm,;机械手达到最高响应时间为0.5s，求夹紧力和驱动力0104NF和驱动液压缸的尺寸。F(1)设1.5K=1.022ba0.15983.根据公式，将已知条件带入：=1.5NF1.025849.N（2）根据驱动力公式得：=1378N20cos3.8计算（3）取0.85178620.5FN计算实际（4）确定液压缸的直径D24dp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=0.81MPa,:524160.870.8.10.5Fp实际根据表4.1（JB826-66），选取液压缸内径为：D=63mm则活塞杆内径为:D=630.5=31.5mm，选取d=32mm为了保证手抓张开角为，活塞杆运动长度为34mm。06手抓夹持范围，手指长100mm,当手抓没有张开角的时候，如图3.2（a）所示，根据机构设计，它的最小夹持半径，当张开时，如图3.2（b）所示，最1R4大夹持半径计算如下：221002134cos9Rtg机械手的夹持半径从20-30mm（a）(b)手抓张开示意图5.2机械手手抓夹持精度的分析计算机械手的精度设计要求工件定位准确,抓取精度高,重复定位精度和运动稳定性好,并有足够的抓取能。12力机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也于机械手夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，一定进行机械手的夹持误差。图3.3手抓夹持误差分析示意图该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持范围为80mm180mm。:一般夹持误差不超过1mm,分析如下：工件的平均半径：9042cpR65m手指长,取V型夹角10lm01偏转角按最佳偏转角确定：221106coscos4in0inCPRl计算0sin0Rl064.5当S时带入有：MAXIN2222maxmincoscos0.678sinisinMAXMAXRRllll:夹持误差满足设计要求。5.3手爪扇形齿轮与齿条强度校核1、材料：齿轮：40渗碳淬火硬度5862Cr:HRC齿条：40渗碳淬火硬度48552、因所受的力不大硬齿面扇形齿轮与齿条按接触疲劳强度校核12HEHKTuZb