卧式加工中心换刀机械手的设计

P1′h=Nb； 又因 h=a/cosα ； 所以 P=2b(cosα)2N/a；

式中 a——手指回转的支点到对称中心线的距离（mm）。

α——工件被夹紧时手指滑槽方向与两回转的支点连线间的夹角。

由上式可得，当驱动力P一定时，α角增大时则握力N也随之增加，但α角过大则会导致拉杆的行程过大，及手指滑槽尺寸长度增大，使其结构增大，所以，一般取α=30°~40°。在这里取角α=30。 这种手部的结构比较简单，且具有动作灵活，手指饿开闭角大等特点。查《工业机械手设计基础》中表2-1可知，V形手指在夹紧圆棒料时，握力的计算公式N=0.5G，综合前面的驱动力计算方法，可以求出驱动力的大小。考虑工件在传送过程中产生的惯性力、振动及传力机构的效率的影响，实际的驱动力P应按以下公式计算，即： P实际=PK1K2/η；

式中 η——手部机械效率，一般取0.85~0.95； K1——安全系数，一般取1.2~2；

K2——工作情况的系数，主要考虑惯性力影响，K2可以近似的按下式去估计，K2=1+a/g，其中a为被抓取工件在运动时的最大加速度，g为重力加速度。

此次设计的机械手的工件只需要做水平和垂直平移，当它移动速度为500毫米/秒时，移动的加速度为1000毫米/秒2，工件的重量G为98牛顿，V型钳口夹角为120°,α=30°时，拉紧油缸驱动力P和P实际计算如下：

根据钳爪夹的持工件的方位，由水平放置钳爪夹持水平放置工件的当量夹紧力计算公式 N=0.5G；

把已知的条件代入公式得当量夹紧力为 N=49（N）；

由滑槽杠杆式的结构的驱动力计算公式 P=2b(cosα)N/a 得；

P=P计算=2*45/27(cos30°)*49=122.5(N)； P实际=P计算K1K2/η；

取η=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/9810≈1.1； 则 P实际=122.5*1.5*1.1/0.85=238(N)；

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3 腕部结构

3.1 概述

腕部是连接手部与臂部的构件，主要起支承手部的作用。设计腕部的时候要注意以下几点：

① 结构要紧凑，重量要尽量轻。 ② 转动需灵活，密封性要好。

③ 注意解决好腕部与手部、臂部的连接，及各个自由度的位置检测、管线的布置，润滑、

维修，调整等各方面的问题

④ 要适应工作环境需要。

另外，通往手腕油缸的管道应尽量从手臂的内部通过，方便便手腕转动的时候管路不扭转和不

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外露，防止管路损坏。 3.2 腕部结构形式

本机械手时采用回转油缸驱动实现腕部的回转运动，结构紧凑、体积小，但密封性较差，回 转角度为±115°；

如下图所示为腕部结构，定片与后盖，回转缸体和前盖，均用螺钉和销子进行连接和定位，动片与手部的夹紧油缸的缸体用键连接。夹紧缸体固连成一体。当回转油缸两腔分别通入压力时，驱动动片连同夹紧油缸的缸体和指座一同转动，为手腕回转运动。

图3 机械手的腕部结构

3.3手腕的驱动力矩计算

驱动手腕回转时驱动力矩必须克服手腕起动所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处摩擦阻力矩，定片、动片与缸径、定片、端盖等密封装置的摩擦阻力矩及由转动的重心与轴线不重合所产生的偏重力矩。手腕转动时所需要驱动力矩可以按下式计算： M驱=M惯+M偏+M摩 （N.m）；

式中 M驱——驱动手腕转动的驱动力矩； M惯——惯性力矩 （N.m）；

M偏——参与转动零部件的重量（包括工件、手部、手腕回转缸体的动片）对转动轴线产生的偏重力矩 （N.m）；

M摩——手腕转动轴与支承孔处摩擦力矩

（N.m） ；

⑴ 摩擦的阻力矩M摩

M摩 =（N1D1+N2D2） （N.m）； 式中 f——轴承的摩擦系数，滚动轴承取f=0.02，滑动轴承取f=0.1； N1 、N2 ——轴承的支承反力 （N）； D1 、D2 ——轴承的直径（m）

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由设计得D1=0.035m， D2=0.054m， N1=800N， N2=200N， G1=98N ，

e=0.020时

M摩 =0.1*（200*0.035+800*0.054）/2； 得 M摩 =2.51（N.m）；

⑵ 工件的重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏；

M偏 =G1 e （N.m）；

式中 G1——工件的重量（N）；

e——偏心距（即工件重心到碗回转中心线垂直距离），当工件重心与手腕回转的中心线重

合时，M偏为0

当e=0.0200，G1=98N时；

M偏 =1.96 （N·m）； ⑶ 腕部启动时惯性阻力矩M惯 ① 当知道手腕回转角的速度?时，可按下式计算M惯；

M惯 =（J+J工件）

? （N·m）； t 式中 ?——手腕回转角的速度 （1/s）

T——手腕启动饿过程中所用时间（s），

J——手腕回转部件对回转轴线转动惯量（kg·m）；

2 J工件——工件对手腕回转轴线转动惯量 （kg·m） ；

2 按已知计算可得J=2.4 J工件 =6.24 ?=0.25m/ m t=2

2 故 M惯 = 1.4（N·m） ；

② 当知道启动的过程所转过角度?时，也可用下面公式计算M惯：

?2 M惯=（J+J工件） （N·m） ；

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式中 ?——启动过程所转过的角度（rad）； ?——手腕回转角速度 （1/s）；

考虑到驱动缸密封摩擦的损失等因素，一般需要将M取大一些，可取

M =1.1∽1.2

（M惯+M偏+M摩 ） （N.m） ；

M = 1.2*（2.5+1.96+1.3） =6.9 （N.m）；

4 臂部结构

4.1 概述

臂部是机械手主要的执行部件，它的作用是支承手部和腕部，并且将被抓取的工件传送到指定的位置和方位上，一般机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右的回转和升降的运动。手臂的回转和升降的运动是通过立柱来实现的，立柱横向移动为手臂的横向移动。手臂各种运动通常由驱动机构以及各种传动机构实现，所以，它不仅仅承受被抓取的工件的重量，而且承受手部，手腕，和手臂自身的重量。手臂结构、工作的范围、灵活性及臂力和定位精度等都会直接影响到机械手的工作性能，所以，必须要根据机械手抓取重量、自由度数、运动形式、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂结构型式。同时，设计时必须要考虑到手臂受力情况、油缸及导向装置的布置、内部管路与手腕连接形式等个方面因素。因此一般要注意下述要求：

① 刚度要大 ， 为了防止臂部在运动的过程中产生过大变形，手臂的截面的形状选择要合理。弓字形截面弯曲刚度一般比圆截面要大，空心管的弯曲刚度和扭曲刚度都比实心轴大。所以常用钢管作臂杆以及导向杆，用工字钢和槽钢来作支承板。

② 导向性能要好 为了防止手臂在直线移动的过程中，沿运动轴线发生相对运动，或着设置导向装置，或设计方形、花键等形式臂杆。

③ 偏重力矩要小 所谓偏重力矩就是指臂部重量对其支承回转轴所产生的静力矩。为了提高机器人的运动速度，需要尽量减少臂部运动部分的重量，以此来减少偏重力矩和整个手臂对回转轴的转动惯量。

④ 运动要平稳，定位精度要高 应为臂部运动速度越高、重量越大，惯性力引起的定位前的冲击越大，运动即不平稳，定位精度也不会太高。所以应尽量减少小臂部运动部分的重量，使结构紧凑、重量轻，同时需要采取一定的缓冲措施。 4.2手臂直线运动机构

机械手手臂的伸缩、升降及横向移动都属于直线运动，而实现手臂往复的直线运动机构形式比较多，常用的主要有活塞油（气）缸、活塞缸和齿轮齿条机构、丝杆螺母机构以及活塞缸和连杆机构。

4.2.1手臂的伸缩运动

这里实现直线的往复运动是采用液压驱的活塞油缸。由于活塞油缸体积小、重量较轻，因而在机械手手臂的机构中应用的比较多。本机械手采用双导向杆手臂的伸缩结构。如图5手臂和手腕是通过连接板安装在升降油缸上端，当双作用油缸两腔分别通入压力油时，则推动活塞杆（即手臂）作往复的直线运动。导向杆在导向套内部移动，防止手臂伸缩时的转动（并兼做手腕回转缸及手部夹紧油缸的输油管道）。由手臂的伸缩油缸安装在两导向杆之间，导向杆承受弯曲的作用，活塞杆受拉压作用，所以受力简单，传动平稳，外形美观，结构紧凑。可用于抓重量大、行程长的场合。

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