气动机械手的设计

经过综合考虑，本设计选用方案（2），现在就方案（2）进行详细的设计计算

初步选定升降气缸为SMC公司的CJ2系列气缸。气缸具体参数为缸径D=10mm，最大行程L=200mm，速度范围为50~750mm/s.

气缸的提升力 F提=pi/4(D2-d2)p=3.14/4[(10-2)2-(5*10-3)2]=29.45N 其中p为气压系统提供气压，其大小为p=0.5Mpa 被夹持物体重 G物=10N 气爪重约为 G爪=10N

比较 F提=29.45N>G物+G爪=20N 所以，所选气缸满足设计要求。

2.4 气动手爪的设计和计算

对于气动手爪，可以根据需要设计特殊的手爪，也可以根据设计要求从已有的标准手爪中选取。由于设计满足特殊要求的气动手爪需要大量的时间和精力，在这里为了简化设计，我们选择从已有的标准气动手爪中选取。

初步选定直线导轨MHZ2系列为末端执行手爪。该系列结构简单，型号齐全（各种尺寸，各种行程都有；手指开宽、闭宽类型多），夹持力大，重复精度高，工作压力适中，带防尘罩，能适应恶劣的工业环境。

具体的，我们选择的型号为: 大小16mm;

手指开宽为12.6，闭宽为6.6mm; 行程为6mm; 手爪受力如图，

Ff?f1?f2?2?FN

其中Ff为手爪所受的总的摩擦力，f1、f2分别为手爪两侧的摩擦力，f1?f2，FN为夹持力。G物为工件重力。?为手爪与工件之间的摩擦系数，?取0.3。

Ff?2μFN?2?0.3?45?27N Ff?27N?G物?15N

所以选定的手爪满足要求。

1.2 2.4 回转臂的设计

回转臂位于机械手结构的最底端，它承担着机械手的全部重量，因此对回转臂的承载能力要求较高。又由于回转臂要带动整个机械手转动，因此要求在回转时要保证其平稳性。按照设计要求，机械手要实现180°范围内的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处和底座固定。

在本设计中的回转臂直接选用摆台（齿轮齿条式）MSQA系列，如图3-8所示。此类型的回转气缸使用高精度滚珠轴承，故垂直及水平位置精度提高到±0.01mm；回转台型，工件安装方便；滚动轴承设计，负载比CRQ系列大3至4倍；摆动顺滑、准确；中空轴可用于引入电线或气管；标准带角度调整装置，调节角度范围大(0～190°)；内置磁环，可安装磁性开关。

图3-8 摆台（齿轮齿条式）MSQ系列

对摆台进行受力分析如图3-9所示，摆台要承受以上部件对它的轴向负载F和偏心负载G总对它的产生的弯矩M。

图3-9 摆台受力计算图

当机械手竖直向下运动时，摆台受到的轴向负载最大，它的大小由摆台以上部件的总重力和惯性力决定，即

F=F重+F惯

式中 F重—摆台所要支撑的重力之和； F惯—机械手在下降过程的惯性力。

摆台支撑的部件包括竖直升降气缸、水平伸缩气缸、气爪、夹持重物以及连接各个气缸的连接板。气爪、夹持重物以及气爪和水平伸缩气缸之间的连接板，总质量约为m≈3Kg。

水平伸缩气缸的质量 M伸缩≈3Kg， 竖直升降气缸的质量 M升降≈2Kg， 连接板的质量 M板≈1Kg，

摆台所要支撑的质量总和

M总=M物+M伸缩+M升降+2M板=1+3+2+231=8Kg， 摆台所要支撑的重力之和F重=M总g=839.8=76.4N。

机械手在下降过程中惯性力的计算：本设计要求手臂升降时V=100mm/s，在计算惯性力的时候，设置启动时间?t=0.05s，启动速度?V=V=100mm/s。

其大小可按以下公式计算：

F惯?(M升降?M物)?V ?t 其中 M升为升降气缸的质量； M物为夹持物体质量；

； ?V—手臂升降时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）。

代入计算数据求得

F惯?(M升降?M物)?V0.1=(2?1)?=6N ?t0.05综上所述：摆台应承受的轴向负载

F=F重+F惯=76.4+6=82.4N

由于机械手承受重物的偏心负载，必然会对摆台产生一个弯矩，在选择摆台时需保证摆台所能承受的弯矩M不能超过许用弯矩，否则可能会造成摆台的变形损坏，影响机械手的运动平稳性和运动精度。

摆台所要承受的弯矩M=G总2L，G总=（M物+M升降+M伸缩）×g。根据前文的设计计算，知G总=76.4N，L=250mm。

代入数据求得M=G总2L=76.430.25=19.1N2m

摆台有基本型和高精度型两种类型，基本型的成本较低，运动精度能满足本设计要求，因此选择基本型即可。根据轴向负载和弯矩的计算值，在选型时还需考虑一定的裕量，根据表3-3，选择的摆台型号为MSQ200。

表3-3