气动机械手的设计

图2.2工作流程

其升降运动通过升降气缸、垂直导柱、滑动导柱、垂直导轨及升降位置微动开关相互配合完成，升降工作行程为0~1500mm。转动是通过摆动气缸、轴向止推轴承、摆动臂及摆动位置微动开关协调完成，转动工作行程为0~180°。手部是通过气缸、弹簧的作用来夹持物品，夹持力是靠调节弹簧的预压缩量来调整。

2.2 伸缩手臂的设计

伸缩手臂为机械手执行水平伸缩运动的机构，它是连接机械手末端执行器和竖直升降手臂的部件，它的基本作用是完成末端执行器的伸出和缩回运动。由于伸缩手臂主要承受末端执行器和夹持物件的重力，在完全伸出时将承受较大弯矩，对伸缩手臂的设计应该保证手臂的正确方向及承受由于工件的重量所产生的弯曲和扭转力矩。

伸缩手臂在进行运动时，为防止手臂沿伸缩方向轴线转动、加大承载能力，以及提高运动精度，必须设有导向装置。伸缩手臂的导向装置需根据伸缩手臂的安装形式、结构及负荷等条件来确定。常用的有单导向杆和双导向杆。

为使设计的标准化和简便化，在本设计中，伸缩手臂采用新薄型带导杆气缸（如图3-4）。该气缸体积小、轻巧，耐横向负载能力强，耐扭矩能力强，不回转精度高，导向杆的轴承可选择滑动轴承或球轴承，安装方便，二面接管位置可供选择。

图2-2 新薄型带导杆气缸

根据本机械手的设计技术参数，伸缩手臂的行程为200mm，气爪抓重约为1Kg，加上气爪和升降气缸的重量，总质量约为3Kg，由此，伸缩手臂的最大横向负载F=mg=339.8=29.4N。

根据表3-2的数据，初步选定为缸径为20mm型号为MGPL20—200的气缸作为机械手的伸缩手臂。

图2-3 伸缩手臂受力图

表2-1

伸缩手臂作水平直线运动时，主要克服的是摩擦阻力和惯性力，因此，气缸所需要的驱动力应由摩擦阻力和惯性力来确定。

FF

摩

需驱?F摩?F惯

式中

—摩擦阻力，应包括手臂与伸缩导轨间的摩擦阻力，活塞与密封装置处

的摩擦阻力；

G总??V F总?g??t

其中G总—手臂移动部件的重量（牛顿）； g—重力加速度（9.8米/秒2）；

； ?V—启动或制动前后的速度差（米/秒）

?t—启动或制动所需的时间（秒）。

F

惯

—手臂在启动过程的惯性力。

摩擦力的计算：不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。图2-4是机械手的伸缩手臂受力示意图，本设计是双导向杆，导向杆对称配置在伸缩缸两侧。

图2-4 伸缩手臂受力示意图

由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。 在垂直方向，可近似认为 FN=G总=29.4N。

导杆所受到的水平方向的摩擦力 F摩=μFN 其中 μ—摩擦系数，气缸导向杆的材料为钢，取μ=0.2。 将有关数据代入进行计算

F摩=μFN =0.2329.4=5.98N

??VF惯?G总g??t惯性力的计算：本设计要求手臂平动时V=200mm/s，

在计算惯性力的时候，设置启动时间?t=0.1s，启动速度

?V=V=200mm/s。

F总?G总??V=29.4?0.2=6 N

g??t9.8?0.1

气缸所需的驱动力 F驱= F摩+ F惯=5.98+6=11.98N

2气缸的理论驱动力 F?? 4?d?p其中 d—气缸活塞杆的直径（米）； p—气缸的工作压力（帕）。 根据设计技术参数 d=10mm，p=0.5MPa

代入数据进行计算得

2 F??=39.3 N 4?d?p由计算的结果可知 F>F需驱

即气缸提供的理论驱动力大于气缸实际所需的驱动力，因此，伸缩手臂的设计符合设计要求。

2.3 升降手臂的设计

机械手升降手臂是实现机械手的竖直升降运动。按照设计要求，机械手要实现竖直方向300mm的升降运动。本设计之中机械手手臂设计方案有以下两种。

将升降气缸安置在机器人机身主体立柱上。这种方案由于所有的重量都由升降气缸承受，气缸需承受很大的弯矩（图2-5）。

图2-5

将升降气缸安排在靠经手臂部位，这种方式弯矩主要由摆动气缸承受，但整个机械手执行机构可以更加灵活（图2-6）。

图2-6