第二章夾持器
2.1夾持器設計的基本要求
（1）應具有適當的夾緊力和驅動力；
（2）手指應具有一定的開閉範圍；
（3）應保證工件在手指內的夾持精度；
（4）要求結構緊湊，重量輕，效率高；
（5）應考慮通用性和特殊要求。
設計引數及要求
（1）採用手指式夾持器，執行動作為抓緊—放鬆；
（2）所要抓緊的工件直徑為80mm 放鬆時的兩抓的最大距離為110-120mm/s ， 1s抓緊,夾持速度20mm/s；
（3）工件的材質為5kg，材質為45#鋼；
（4）夾持器有足夠的夾持力；
（5）夾持器靠法蘭聯接在手臂上。由液壓缸提供動力。
2.2夾持器結構設計
2.2.1夾緊裝置設計.
2.2.1.1夾緊力計算
手指加在工件上的夾緊力是設計手部的主要依據，必須對其大小、方向、作用點進行分析、計算。一般來說，加緊力必須克服工件的重力所產生的靜載荷（慣性力或慣性力矩）以使工件保持可靠的加緊狀態。
手指對工件的夾緊力可按下列公式計算：
2-1式中：
—安全係數，由機械手的工藝及設計要求確定,通常取1.2——2.0，取1.5；
—工件情況係數，主要考慮慣性力的影響， 計算最大加速度，得出工作情況係數,，a為機械人搬運工件過程的加速度或減速度的絕對值（m/s）；
—方位係數，根據手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進行選定，
手指與工件位置：手指水平放置工件垂直放置；
手指與工件形狀：型指端夾持圓柱型工件，
，為摩擦係數，為型手指半形，此處粗略計算,如圖2.1
圖2.1
—被抓取工件的重量
求得夾緊力 ，，取整為177n。
2.2.1.2驅動力力計算
根據驅動力和夾緊力之間的關係式：
式中：c—滾子至銷軸之間的距離；
b—爪至銷軸之間的距離；
—楔塊的傾斜角
可得，得出為理論計算值，實際採取的液壓缸驅動力要大於理論計算值，考慮手爪的機械效率，一般取0.8～0.9，此處取0.88，則：
取2.2.1.3液壓缸驅動力計算
設計方案中壓縮彈簧使爪牙張開，故為常開式夾緊裝置，液壓缸為單作用缸，提供推力：
式中 ——活塞直徑
——活塞桿直徑
——驅動壓力，
,已知液壓缸驅動力，且
由於，故選工作壓力p=1mpa
據公式計算可得液壓缸內徑：
根據液壓設計手冊,見表2.1，圓整後取d=32mm。
表2.1 液壓缸的內徑系列（jb826-66）（mm）
活塞桿直徑 d=0.5d=0.5×40mm=16mm
活塞厚 b=(0.6～1.0)d 取b=0.8d=0.7×32mm=22.4mm,取23mm.
缸筒長度 l≤(20～30)d 取l為123mm
活塞行程，當抓取80mm工件時，即手爪從張開120mm減小到80mm，楔快向前移動大約40mm。取液壓缸行程s=40mm。
液壓缸流量計算：
放鬆時流量
夾緊時流量
2.2.1.4選用夾持器液壓缸
溫州中冶液壓氣動****所生產的輕型拉桿液壓缸
型號為：mob-b-32-83-fb，結構簡圖，外形尺寸及技術引數如下：
表2.2夾持器液壓缸技術引數
圖2.2 結構簡圖
圖2.3 外形尺寸
2.2.2手爪的夾持誤差及分析
機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決與機械手定位精度（由臂部和腕部等運動部件確定），而且也與手指的夾持誤差大小有關。特別是在多品種的中、小批量生產中，為了適應工件尺寸在一定範圍內變化，避免產生手指夾持的定位誤差，需要注意選用合理的手部結構引數，見圖2-4，從而使夾持誤差控制在較小的範圍內。在機械加工中，通常情況使手爪的夾持誤差不超過，手部的最終誤差取決與手部裝置加工精度和控制系統補償能力。
圖 2.4
工件直徑為80mm，尺寸偏差，則，，。
本設計為楔塊槓桿式回轉型夾持器，屬於兩支點回轉型手指夾持，如圖2.5。
圖2.5
若把工件軸心位置c到手爪兩支點連線的垂直距離cd以x表示，根據幾何關係有：
簡化為該方程為雙曲線方程，如圖2.6：
圖2.6 工件半徑與夾持誤差關係曲線
由上圖得，當工件半徑為時，x取最小值，又從上式可以求出：
，通常取
若工件的半徑變化到時，x值的最大變化量，即為夾持誤差，用表示。
在設計中，希望按給定的和來確定手爪各部分尺寸，為了減少夾持誤差，一方面可加長手指長度，但手指過長，使其結構增大；另一方面可選取合適的偏轉角，使夾持誤差最小，這時的偏轉角稱為最佳偏轉角。只有當工件的平均半徑取為時，夾持誤差最小。此時最佳偏轉角的選擇對於兩支點回轉型手爪（尤其當a值較大時），偏轉角的大小不易按夾持誤差最小的條件確定，主要考慮這樣極易出現在抓取半徑較小時，兩手爪的和邊平行，抓不著工件。
為避免上述情況，通常按手爪抓取工件的平均半徑，以為條件確定兩支點回轉型手爪的偏轉角，即下式：
其中,,型鉗的夾角
代入得出：
則 則，此時定位誤差為和中的最大值。
分別代入得：
，所以，，夾持誤差滿足設計要求。
由以上各值可得：
取值為。
2.2.3楔塊等尺寸的確定
楔塊進入槓桿手指時的力分析如下：
圖 2.7
上圖2.7中
—斜楔角，＜時有增力作用；
—滾子與斜楔面間當量摩擦角，，為滾子與轉軸間的摩擦角，為轉軸直徑，為滾子外徑，，為滾子與轉軸間摩擦係數;
—支點至斜面垂線與槓桿的夾角；
—槓桿驅動端桿長；
—槓桿夾緊端桿長；
—槓桿傳動機械效率
2.2.3.1斜楔的傳動效率
斜楔的傳動效率可由下式表示：
槓桿傳動機械效率取0.834，取0.1，取0.5，則可得=,，取整得=。
2.2.3.2動作範圍分析
陰影部分槓桿手指的動作範圍，即，見圖 2.8
圖 2.8
如果，則楔面對槓桿作用力沿桿身方向，夾緊力為零，且為不穩定狀態，所以必須大於。此外，當時，槓桿與斜面平行，呈直線接觸，且與迴轉支點在結構上干涉，即為手指動作的理論極限位置。
2.2.3.3斜楔驅動行程與手指開閉範圍
當斜楔從鬆開位置向下移動至夾緊位置時，沿兩斜面對稱中心線方向的驅動行程為l，此時對應的槓桿手指由位置轉到位置，其驅動行程可用下式表示：
槓桿手指夾緊端沿夾緊力方向的位移為：
通常狀態下，在左右範圍內，則由手指需要的開閉範圍來確定。由給定條件可知最大為55-60mm,最小設定為30mm.即。已知，可得，有圖關係：
圖2.9
可知：楔塊下邊為60mm，支點o距中心線30mm，且有，解得：
2.2.3.4與的確定
斜楔傳動比可由下式表示：
可知一定時，愈大，愈大，且槓桿手指的轉角在範圍內增大時，傳動比減小，即斜楔等速前進，槓桿手指轉速逐漸減小，則由分配距離為：，。
2.2.3.5確定
由前式得：
，，取。
2.2.3.6確定
為沿斜面對稱中心線方向的驅動行程，有下圖中關係
圖2.10
，取，則楔塊上邊長為18.686，取19mm.
2.2.4材料及連線件選擇
v型指與夾持器連線選用圓柱銷，d=8mm, 需使用2個
槓桿手指中間與外殼連線選用圓柱銷，d=8mm, 需使用2個
滾子與手指連線選用圓柱銷，d=6mm, 需使用2個
以上材料均為鋼，無淬火和表面處理
楔塊與活塞桿採用螺紋連線，基本尺寸為公稱直徑12mm，螺距p=1，旋合長度為10mm。
第三章腕部
3.1腕部設計的基本要求
手腕部件設定在手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運動的基礎上進一步改變或調整手部在空間的方位，以擴大機械手的動作範圍，並使機械手變得更靈巧，適應性更強。手腕部件具有獨立的自由度，此設計中要求有繞中軸的迴轉運動。
（1）力求結構緊湊、重量輕
腕部處於手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔。顯然，腕部的結構、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉效能。因此，在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。
（2）結構考慮，合理布局
腕部作為機械手的執行機構，又承擔連線和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連線。
（3）必須考慮工作條件
對於本設計，機械手的工作條件是在工作場合中搬運加工的棒料，因此不太受環境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質中，所以對機械手的腕部沒有太多不利因素。
3.2具有乙個自由度的迴轉缸驅動的典型腕部結構
如圖3.1所示，採用乙個迴轉液壓缸，實現腕部的旋轉運動。從a—a剖檢視上可以看到，迴轉葉片（簡稱動片）用螺釘，銷釘和轉軸10連線在一起，定片8則和缸體9連線。
壓力油分別由油孔5.7進出油腔，實現手部12的旋轉。旋轉角的極限值由動，靜片之間允許迴轉的角度來決定（一般小於），圖中缸可迴轉。
腕部旋轉位置控制問題，可採用機械擋塊定位。當要求任意點定位時，可採用位置檢測元件（如本例為電位器，其軸安裝在件1左端麵的小孔）對所需位置進行檢測並加以反饋控制。
圖3.1
圖示手部的開閉動作採用單作用液壓缸，只需乙個油管。通向手部驅動液壓缸的油管是從迴轉中心通過，腕部迴轉時，油路認可保證暢通，這種布置可使油管既不外露，又不受扭轉。腕部用來和臂部連線，三根油管（一根供手部油管，兩根供腕部迴轉液壓缸）由手臂內通過並經腕架分別進入迴轉液壓缸和手部驅動液壓缸。
本設計要求手腕迴轉，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結構選擇具有乙個自由度的迴轉驅動腕部結構，採用液壓驅動，參考上圖典型結構。
3.3腕部結構計算
3.3.1腕部迴轉力矩的計算
腕部迴轉時，需要克服的阻力有：
（1）腕部迴轉支承處的摩擦力矩
式中 ，—軸承處支反力（n），可由靜力平衡方程求得;
,—軸承的直徑（m）；
—軸承的摩擦係數，對於滾動軸承=0.01-0.02；對於滑動軸承=0.1。
為簡化計算，取，如圖3.1所示，其中，為工件重量，為手部重量，為手腕轉動件重量。
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