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较，在相同的工作条件下，机体占体积小，而运动范围大。

3.2 机器人的运动过程分析

工业机器人的运动过程中各动作如表3-1所示。

表3-1工业机器人的运动过程中各动作

机械手开机，处于A位 旋转至B位 手臂下降 手臂伸出 夹紧工件 手臂收缩 手臂上升 旋转至A位 手臂下降 放松工件 手臂上升 工步一 工步二 工步三 工步四 工步五 工步六 工步七 工步八 工步九 工步十 工步十一 实现运动过程中的各工步是由机械手的控制系统和各种检测原件来实现的，这里尤其要强调的是机械手对工件的定位夹紧的准确性。

[8]

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4 机械手手部结构设计及计算

4.1 手部结构

本课题中采用夹持式手部结构，由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等，课题中采用齿轮齿条式的传力机构。 4.1.1 手指的形状和分类

夹持式是最常见的一种。其中常用的有两指式、多指式和双手双指式。按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种；按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指；同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件[9]。

4.1.2 设计时考虑的几个问题 （1）具有足够的握力(即夹紧力)

在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 （2）手指间应具有一定的开闭角

两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。 （3）保证工件准确定位

为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。 （4）具有足够的强度和刚度

手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。 （5）考虑被抓取对象的要求

根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点， 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型。

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4.2 手部结构设计及计算

本课题气动机械手的手部结构设计[10]如图4-1所示：

图4-1齿轮齿条式手部

手部驱动力的计算：

其工件重量G=1公斤，V形手指的角度2??120?，b?30mm?R?12.5mm，摩擦系数为f?0.25。

（1）根据手爪类别,计算夹紧力。

图4-2 手爪受力分析图

如图4-2所示，采用摩擦锁紧方式，故受力分析得：

FG?m(g?a)?sin??S(N) （4-1）

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式中，

m-工件质量，kg；

g-重力加速度，m/s2；

a-动态运动时产生的加速度，m/s2；

S-安全系数；

?-V型手爪张开的角度，?；

?-气爪夹头与工件的摩擦因素；由于手抓与工件材料都采用45钢，查表得?=0.25 所以

FG?m(g?a)?sin??S(N)

2??sin60??2.5 ?2?0.25=1?9.8?42.43N?45N

（2）根据手部结构的传动示意图4-1，其驱动力为: 2bF?N (4-2)

R所以

2b2?30N?F??45?216(N) R12.5（3）实际驱动力:

F实际?FK1K2? (4-3)

因为传力机构为齿轮齿条传动，故取??0.94，并取K1?1.5。若被抓取工件的为匀速取a?0时，则:K2?1?a?1 g1.5?1?344.68(N)?345(N) 0.94所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为345N。

F实际?216?基于PLC控制的三自由度气动机械手设计 16

4.3 夹紧气缸的设计

4.3.1 主要尺寸的确定 1.气缸工作压力的确定

由《液压传动与气压传动》表4-1取气缸工作压力p?0.4MPa

表4-1 气压负载常用的工作压力

负载F/N <5000 5000～10000 10000～20000 2.5～3 20000～30000 3～4 30000～50000 4～5 >50000 工作压力p/MPa <0.8～1 1.5～2 2.气缸内径D和活塞杆直径d的确定

>5～7 本课题设计的气缸属于双向作用气缸。

单活塞杆双作用气缸是使用最为广泛的一种普通气缸。因其只在活塞一侧有活塞杆，所以压缩空气作用在活塞两侧的有效面积不等。活塞左行时活塞杆产生推力F1，活塞右行时活塞杆产生拉力F2。

F1??D2p4?Fz （4-4）

F2??(D2?d2)p4?Fz （4-5）

式中，

F1 - 活塞杆上的推力，N

F2 -活塞杆的拉力，N

Fz- 气缸工作时的总阻力，N

p- 气缸工作压力，Pa D-活塞直径，m

d-活塞杆直径，m

气缸工作时的总阻力Fz与众多因素有关，如运动部件惯性力、背压阻力、密封处摩擦力等。以上因素可以载荷率?的形式计入公式，如要求气缸的静推力F1和静拉力F2，则在计入载荷率后：

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