【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 式是最常見的一種。其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式。按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式 (或內(nèi)漲式 )和外夾式兩種；按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型 (或稱直進(jìn) 型 )，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指；同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件 [5]。 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題 （ 1） 具有足夠的握力 (即夾緊力 ) 在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工 件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。 （ 2） 手指間應(yīng)具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開閉幅度的要求。 （ 3） 保證工件準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相基于步進(jìn)電機(jī)的四自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)與控制（單片機(jī)控制 ） 9 應(yīng)的手指形狀。 （ 4） 具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng) 盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。 （ 5） 考慮被抓取對(duì)象的要求 根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn)， 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成 V 型。 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算 本課題氣動(dòng)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖 31 所示： 手部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算： 其工件重量 G=1 公斤， V 形手指的角度 ?1202 ?? ， 30 m m 12 .5 m mbR? ? ?，摩擦系數(shù)為 ? 。 （ 1） 根據(jù)手爪類別 ,計(jì)算夾緊力。 圖 32 手爪 如圖 32 所示，采用摩擦鎖緊方式，故受力分析得： () s in ( )2G m g aF S N???? ? ?? (31) 式中： m 工件質(zhì)量， kg ； g 重力加速度， 2/sm ； a 動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的加速度， 2/sm ； S 安全系數(shù)； 基于步進(jìn)電機(jī)的四自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)與控制（單片機(jī)控制 ） 10 ? V 型手爪張開的角度， ? ； ? 氣爪夾頭與工件的摩擦因素；由于 手爪 與工件材料都采用 45 鋼，查表得?? 所以： )(s i n2 )( NSagmF G ??? ?? ?? = ?? ? ?? ? N45? （ 2） 根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖 31，其驅(qū)動(dòng)力為 : NRbF 2? (32) 所以： RbF 2? N )( 302 N???? （ 3） 實(shí)際驅(qū)動(dòng)力 : ? 21KKFF ?實(shí)際 (33) 因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取 ?? ，并取 ?K 。若被抓取工件的為勻速取 0?a 時(shí)，則 : 112 ??? gaK )(345)( NNF ?????實(shí)際 所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為 345N。 主要尺寸的確定 （ 1） 氣缸工作壓力的確定 由《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表 31 取氣缸工作壓力 MPap ? 表 31 氣壓負(fù)載常用的工作壓力 負(fù)載 F/N 5000 5000 ～10000 10000 ～20200 20200 ～30000 30000 ～50000 50000 工作壓力 p/MPa ～ 1 ～ 2 ～ 3 3～ 4 4～ 5 5～ 7 基于步進(jìn)電機(jī)的四自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)與控制（單片機(jī)控制 ） 11 （ 2） 氣缸內(nèi)徑 D 和活塞桿直徑 d 的確定 本課題設(shè)計(jì)的氣缸屬于雙向作用氣缸。 單活塞桿雙作用氣缸是使用最為廣泛的一種普通氣缸。因其只在活塞一側(cè)有活塞桿，所以壓縮空氣作用在活塞兩側(cè)的有效面積不等。活塞左行時(shí)活塞桿產(chǎn)生推力 1F ，活塞右行時(shí)活塞桿產(chǎn)生拉力 2F 。 zFpDF ?? 421 ? (34) zFpdDF ??? 4 )(222 ? (35) 式中： 1F 活塞桿上的推力， N； 2F 活塞桿的拉力， N； zF 氣缸工作時(shí)的總阻力， N； p 氣缸工作壓力， Pa； D 活塞直徑， m； d 活塞桿直徑， m； 氣缸工作時(shí)的總阻力 zF 與眾多因素有關(guān)，如運(yùn)動(dòng)部件慣性力、背壓阻力、密封處摩擦力等。以上因素可以載荷率 ? 的形式計(jì)入公式，如要求氣缸的靜推力 1F 和靜拉力2F，則在計(jì)入載 荷率后： ?? ?? 421 pDF (36) ?? ??? 4 )( 222 pdDF (37) 計(jì)入載荷率就能保證氣缸工作時(shí)的動(dòng)態(tài)特性。若氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求較高；且工作頻率高，其載荷率一般取 ~?? ，速度高時(shí)取小值，速度低時(shí)取大值。若氣缸動(dòng)態(tài)參數(shù)要求一般，且工作頻率低，基本是勻速運(yùn)動(dòng)，其載荷率可取 ~?? 。 由以上分析得雙向作用氣缸的直徑 : 基于步進(jìn)電機(jī)的四自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)與控制（單片機(jī)控制 ） 12 ??pFD 14? (38) 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 ?D ??pF14 ? 34546 ??? ?? ( )mm? 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)圓整， 得 D=40mm 由 ??Dd ,可得活塞桿直徑 : mmDd 12~8)~( ?? 圓整后，取活塞桿直徑 d=12mm （ 3） 缸筒壁厚和外徑的設(shè)計(jì) 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于 1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算 : ][2/ ?? pDP? (39) 式中： ? 缸筒壁厚， mm； D 氣缸內(nèi)徑， mm； pP 氣缸試驗(yàn)壓力，一般取 pPp ? （ Pa）； p 氣缸工作壓力 （ Pa）； ][? 缸筒材料許用應(yīng)力（ Pa）； 本課題手爪夾緊氣缸缸筒材料采用為 :鋁合金 ZL106,[? ]=3MPa 將 己知數(shù)據(jù)代入 式 (39)，則壁厚為 : ][2/ ?? pDP? )(4 )1032/(65mm? ?????? 取 mm4?? ，則缸筒外徑為 : 1 40 4 2 48 ( )D m m? ? ? ? （ 4） 手部活塞桿行程長(zhǎng) L 計(jì)算 活塞桿的位移量 為： S mmR ??? ??? (310) 氣缸（活塞）行程與其使用場(chǎng)合及工作機(jī)構(gòu)的行程比有關(guān)。多數(shù)情況下不應(yīng)使用滿基于步進(jìn)電機(jī)的四自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)與控制（單片機(jī)控制 ） 13 行程，以免活塞與缸蓋相碰撞，尤其用于夾緊等機(jī)構(gòu)。為保證夾緊效果，必須按計(jì)算行程多加 1020mm 的行程余量。 mmL ??? (311) 故查有關(guān)手冊(cè)圓整為 mml 27? （ 5） 校核 A. 活塞桿穩(wěn)定性的驗(yàn)算： 當(dāng)活塞桿的長(zhǎng)度 L 較小時(shí) ）（ dL 10? ， 可以只按強(qiáng)度條件校核計(jì)算活塞桿直徑 d 有 : ])[/14( ??Fd ? (312) 其中， [? ] MPa120? ， NF 3451 ? 則 : )120/3454( ??? ?d ?? 所以滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。 B. 氣缸推力驗(yàn)算： ?? ?? 421 pDF = 62 ???? = )(427N ）（ N345? 由以上計(jì)算可知?dú)鈮焊啄墚a(chǎn)生的推力 NF 4271 ? 大于夾緊工件所需的推力NF 345?實(shí)際 。所以該氣缸滿足要求。 （ 6） 耗氣量的計(jì)算 氣缸的耗氣量與缸徑、行程、工作頻率和從換向閥到氣缸的連接管路容積（死容積）有關(guān)，氣缸每分鐘消耗的壓縮空氣流量 Q 為： 2 2 3( 2 ) ( / m in )4sQ n D d m??? (313) 式中： D 氣缸缸徑， m； d 活塞桿直徑， m； s 活塞行程， m； 基于步進(jìn)電機(jī)的四自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)與控制（單片機(jī)控制 ） 14 n 氣缸活塞每分鐘往復(fù)次數(shù)； 此公式未考慮 氣缸內(nèi)的死容積，因此計(jì)算值比實(shí)際值偏小，設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)具體情況加以修正。 m i n/4 322 mQ ??????? ）（ (314) （ 7） 氣缸進(jìn)排口的計(jì)算 氣缸的進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑的大小與氣缸的耗氣量有關(guān)，除特殊情況外，一般氣缸的進(jìn)氣口、排氣口尺寸相同。氣缸進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑 0d 用下式計(jì)算： )(20 mQd ??? (315) 式中： Q 工作壓力下氣缸的耗氣量， sm/3 ； ? 空氣流經(jīng)進(jìn)排氣口的速度，一般取 sm /15~10?? ； 把計(jì)算出來的氣缸進(jìn)排氣口當(dāng)量直徑進(jìn)行圓 整后，按照 GB/T 14038—93氣缸氣口螺紋 選擇合適的氣口螺紋 [7]。故， md ? （ 8） 手爪 部分總質(zhì)量估算 零件氣缸手爪 mmmm ??? (316) 其中：手爪部分和活塞桿材料采用 45 鋼，缸筒和端蓋連接材料采用鋁合金 ZL106 查相關(guān)手冊(cè)， 45 號(hào)鋼密度為 33 /10 mkg? ZL106 的密度為 33 /10 mkg? 手爪 部分總質(zhì)量約為 2 . 3 6 8 2 k g11 . 1 1 9 10 . 2 4 9 1m ???? 氣缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （ 1） 缸筒和缸蓋的連接 缸筒與缸蓋的連接形式主要有拉桿式螺栓連接、螺釘式、鋼筒螺紋、卡環(huán)等，對(duì)于雙頭螺栓和螺栓連接，一般是四根螺栓，但 是對(duì)于工作壓力高于 MPa1 時(shí)，一定要校核螺栓強(qiáng)度，必要時(shí)增加螺栓數(shù)量，例如 6 根 [8]。 查閱機(jī)械手冊(cè)，選擇拉桿式螺栓連接，采用 4 根螺栓。該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，易于裝卸。由于工作壓力小于 MPa1 ，故無須校核螺栓強(qiáng)度。 基于步進(jìn)電機(jī)的四自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)與控制（單片機(jī)控制 ） 15 （ 2） 活塞桿與活塞的連接結(jié)構(gòu) 活塞桿與活塞的常用連接形式分整體結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)。組合式結(jié)構(gòu)又分為螺紋連接、半環(huán)連接和錐銷連接 [6]。 該氣缸選擇螺紋連接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝 卸方便，應(yīng)用較多。 （ 3） 密封 氣缸密封的好壞，直接影響氣缸的性能和使用壽命，正確設(shè)計(jì)、選擇和使用密封裝置，對(duì)保證氣缸的正常工作非常重要。 對(duì)密封元件的要求如下： A. 密封性好，耐磨損，使用壽命長(zhǎng)。 B. 穩(wěn)定性好，不易膨脹和收縮，難于溶解，不易老化