第四章 手腕结构设计
考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。
4.1 手腕的自由度
手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油(气)缸，因此我们选用回转气缸。它的结构紧凑，但回转角度小于360?，并且要求严格的密封。
4. 2手腕的驱动力矩的计算
4.2.1手腕转动时所需的驱动力矩 手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图4-1所示为手腕受力的示意图。
1.工件2.手部3.手腕
图4-1手碗回转时受力状态
手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:
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M驱?M惯?M偏?M摩?M封
式中: M驱- 驱动手腕转动的驱动力矩(N?cm);
M惯- 惯性力矩(N?cm);
M偏- 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转缸的动片)对转动轴线所产生的偏重力矩(N?cm).,
; M封- 手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的摩擦阻力 矩(N?cm);
下面以图4-1所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算: 1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M悦
若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为?，起动过程所用的时间为?t，则:
?M惯?（J?J1）(N.cm)
?t
式中:J- 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量(N.cm.s2);
J1- 工件对手腕转动轴线的转动惯量(N.cm.s2)`。 若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量J1为:
J1?Jc?G12e1 g式中: Jc- 工件对过重心轴线的转动惯量(N.cm.s2):
G1- 工件的重量(N);
e1- 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm), ?- 手腕转动时的角速度(弧度/s);
?t- 起动过程所需的时间(s);
??— 起动过程所转过的角度(弧度)。
2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏
M偏?G1e1 +G3e3 (N?cm) 式中: G3- 手腕转动件的重量(N);
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e3- 手腕转动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)
当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则G1e1?0. 3、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩M封
M封?f(RAd2?RBd1)(N?cm) 2式中:d1 ，d2- 转动轴的轴颈直径(cm);
f- 摩擦系数，对于滚动轴承f?0.01，对于滑动轴承f?0.1;
RA,RB- 处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解， 根据?M（?0,得: AF）RBl?G3l3?G2l2?G1l RB?G1l1?G2l2?G3l3
l同理，根据?MB(F)?0,得:
RA?G1(l?l1)?G2(l?l2)?G3(l?l3)
l式中:G2- 的重量(N)
l,l1,l2,l3,— 如图4-1所示的长度尺寸(cm).
4、转缸的动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。 4.2.2回转气缸的驱动力矩计算
在机械手的手腕回转运动中所采用的回转缸是单叶片回转气缸，它的原理如图4-2所示，定片1与缸体2固连，动片3与回转轴5固连。动片封圈4把气腔分隔成两个.当压缩气体从孔a进入时，推动输出轴作逆时4回转，则低压腔的气从b孔排出。反之，输出轴作顺时针方向回转。单叶气缸的压力P驱动力矩M的关系为:
pb(R2?r2)2MM?, 或p? 222b(R?r) 17
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第五章 手臂伸缩、升降、回转气缸的尺寸设计与校核
5.1手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核
5.1.1 手臂伸缩气缸的尺寸设计
手臂伸缩气缸采用标准气缸，参看各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际要求，气缸用CTA型气缸，尺寸系列初选内径为?100/63： 5.1.2 尺寸校核
1.在校核尺寸时，只需校核气缸内径D1=63mm,半径R=31.5mm的气缸的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强P?0.4MPa, 则驱动力： F?P??R2
?0.4?106?3.14?0.03152
?1246(N) 测定手腕质量为50kg,设计加速度a?10(m/s)，则惯性力
F1?ma
?50?10 ?500(N)2.考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数k?0.2,
Fm?k.F1
?0.2?500
?100(N) ? 总受力F0?F1?Fm
?500?100
?600(N) F0?F
所以标准CTA气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求要求。
5.1.3.导向装置
气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，
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机电系机械设计与制造专业毕业论文[1]
