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5 机械手手臂机构的设计

5.1 手臂的设计要求

（1）手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求。

（2）根据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料。 （3）尽量减小手臂重量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏重力矩，以减小驱动装置的负荷；减少运动的动载荷与冲击，提高手臂运动的响应速度。

（4）要设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精确性和运动刚度。采用缓冲和限位装置提高定位精度[14]。

本设计中手臂由气缸驱动实现上下运动，结构简单，装拆方便，还设计有两根导柱导向，以防止手臂在活塞杆上转动，确保手臂随机座一起转动。它的结构如图5-1所示。

1.横梁 2.导向柱 3.活塞杆 4.螺母 5.垫片 6.气压缸 7.支撑架

图5-1 手臂结构图

选用轴向脚架型气压缸，活塞杆末端为外螺纹结构，手臂与末端执行器连同活塞杆一起转动。

5.2 伸缩气压缸的设计

5.2.1 气缸主要尺寸的确定 1．气缸内径和活塞杆直径的确定

根据设计要求，结合末端执行器的尺寸，采用单活塞杆双作用气缸，初定内径为

?50。

由d/D?0.2?0.3,可得活塞杆直径:d?(0.2~0.5)D?10~25mm

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圆整后，取活塞杆直径d?18mm

由《液压传动与气压传动》手册表4-1气压负载常用工作压力，取气缸工作压力

p?0.4MPa

由公式（4-4）、（4-5）：

F1??D2p4??

F2??(D2?d2)p4??

计入载荷率就能保证气缸工作时的动态特性。若气缸动态参数要求较高；且工作频率高，其载荷率一般取??0.3~0.5，速度高时取小值，速度低时取大值。若气缸动态参数要求一般，且工作频率低，基本是匀速运动，其载荷率可取??0.7~0.85。 得 F1?667N，F2?580N。 2．缸筒壁厚和外径的设计

缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚按薄壁筒公式（4-9）计算:

??DPp/2[?]

设计的伸缩气缸缸筒材料为:铝合金ZL106, [?]=3MPa 代入己知数据，则壁厚为:

??DPp/2[?]

?50?1.5?4?105/(2?3?106)

?5(mm)取??7mm，则缸筒外径为:D1?50?7?2?64(mm)。 3．手部活塞杆行程长l确定

按设计要求，X轴小臂伸缩距离为10cm，即100mm。为防止活塞与缸壁碰撞，活塞行程留有一定的余量。

故行程查有关手册圆整为l?120mm。 4．活塞杆稳定性的计算：

当活塞杆的长度L?10d时，一般按压杆稳定性来计算活塞杆直径。

当气缸承受的轴向负载Fpu达到极限值Fk后，极微小的干扰力都会使活塞杆产生弯

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曲变形，出现不稳定现象，导致气缸不能正常工作。

活塞杆稳定性条件是：

Fpu?Fk （5-1） nk式中,

Fpu-气缸承受的轴向负载，即气缸的理论输出推力，N Fk?气缸的压杆稳定极限力，N

nk-气缸的压杆稳定性安全系数，一般取nk?2~6

气缸的压杆稳定极限力与缸的安装形式、活塞杆直径及行程有关[15]。当长细比LK?85m时，

Fk?m?2??/L2 当长细比LK?85m时，

Ff?1k?1?a n(L2K)式中，

L? 活塞杆计算长度 (m) K?活塞杆横截面回转半径，

实心杆K????d 14 空心杆K?d2?d20/4 ??活塞杆断面惯性矩

实心杆???d464 空心杆???(d4?d40)/64 d0?空心活塞杆内孔直径(m) ?1?活塞杆截面积

实心杆?1??d24 （5-2）

（5-3）

5-4） 5-5）

5-6）

5-7）

5-8）

（（（（（基于PLC控制的三自由度气动机械手设计 25

空心杆?1??4(d2?d02) （5-9）

m?系数，查下表

??材料弹性模量，对钢取??2.1?1011pa

f?材料强度实验值，对钢取f?49?107pa

a?系数，对钢取a?15000

查阅机械手册气缸设计章[16]由表得安装方式为固定-自由式 取m?代入公式（5-4）至（5-9）：

实心杆K?dLK4?4.5

1 4?1784.5?39.56

85m?85?1?42.5

4由于 L用公式（5-3）：

Fk?f?1

aL21?()nKK?85m

49?107???4?0.0182

41??39.5625000?55389(N)

Fk55389??9231.5?Fpu?F1?667(N) nk6所以该活塞杆满足稳定性条件。 5．驱动力校核

kg，估算为3kg，设计加速度a?10m/s，则惯测定手爪与手爪气缸质量为2.3682性力：

F惯?ma （5-10）

?3?10?30N

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考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数k?0.2,

Fm?k.F惯

?0.2?30?6(N)

总受力F0?F惯?Fm

?30?6?36(N)

F0?F1

所以该气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求。 6．耗气量的计算：

气缸的耗气量与缸径、行程、工作频率和从换向阀到气缸的连接管路容积（死容积）有关，气缸每分钟消耗的压缩空气流量Q为：

Q??s4n(2D2?d2)(m3/min)

式中，

D-气缸缸径，m

d-活塞杆直径，m

s-活塞行程，m

n-气缸活塞每分钟往复次数

此公式未考虑气缸内的死容积，因此计算值比实际值偏小，设计时要根据具体情况加以修正。

3.14?0.1?30?（2?0.052?0.0182）?0.011m3/min 47．气缸进排口的计算

Q?气缸的进排气口当量直径的大小与气缸的耗气量有关，除特殊情况外，一般气缸的进气口、排气口尺寸相同。气缸进排气口当量直径d0用下式计算：

d0?2式中，

Q??(m)

Q-工作压力下气缸的耗气量，m3/s

?-空气流经进排气口的速度，一般取??10~15m/s

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