哈尔滨工业大学成人高等教育本科生毕业设计（论文）
图4-1 机械手机构简图
如图4-1所示，本设计所采取的结构中，机械手工作时，首先机械手手臂伸长，手爪从料台夹紧工件后，手臂上仰，然后机身逆时针旋转180°，将工件送入数控机床夹具上夹紧，手臂缩回后俯下到料台高度完成上料过程，此时数控机床
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哈尔滨工业大学成人高等教育本科生毕业设计（论文） 开始对工件进行加工。当机床加工完工件后，机械手手臂开始上仰一定角度后，手臂伸出到机床主轴中心线的高度，然后手爪夹紧工件，机床夹具松开后，机械手顺时针旋转180°后，手臂俯下到料台高度并将工件放在料台上，手臂缩回，机械手回到原始位置，从而完成下料过程。上下料过程循环进行，实现工件的连续加工。
从上述运动过程可以看出，机械手需要三个自由度：机身回转、手臂俯仰和伸缩。具体的分析过程如下：从上一章的数控机床有关参数以及确定的机械手和机床之间的位置关系可以知道，料台高800mm而机床主轴中心线高为1100mm，因此机械手爪的升降高度应为300mm（这一动作是由升降缸升降28 mm，带动手臂俯仰一定角度实现的）。机械手位于数控机床和料台的中间位置，而机床主轴与料台之间间隔为1800mm，所以机械手手臂伸长之后应为947mm，这样才能在旋转180°后准确地将工件放入机床夹具内或放在料台上。
一台单臂机械手同时承担工件的上下料运动，比采用两台单臂机械手的优点在于，结构简单、紧凑，定位精度高，维修方便。在本设计中，驱动系统为机床夹具和机械手提供运动的动力，是动力源。驱动系统按驱动介质的不同，可以分为液压驱动、气压驱动、电机驱动、机械传动，也可以采用几种方式联合驱动。
经过分析比较，本设计采用气压驱动控制机床夹具和机械手。同其他驱动方式相比，气压驱动具有以下优点：动力源为压缩空气，成本低，而且维护保养容易，无污染等。
电控线路辅助气压回路控制机械手自动完成工件的上下料。机械手的电控系统有多种类型，除专用机械手外，大多数要专门进行电控系统地设计。根据控制程序的不同，电控方式分为固定程序，包括继电器线路，半导体逻辑线路；可编程序，包括顺序控制器，示教再现式计算机。
在本设计中，因为是专用机械手，考虑到实际的生产情况，要求设备的使用寿命高，工作可靠，成本低，经过分析比较，采用半导体逻辑线路控制机械手和机床夹具，在工作精度一定的前提下，半导体逻辑不仅能满足生产的实际需要，而且价格较低，并且在必要时可以改换成PC单片机控制。
综上所述，启动工作后，机械手臂伸长，手爪抓取坯料，手臂上仰一定角度，逆时针旋转180°，将工件送入夹具夹紧后，手爪松开，手臂缩回、落下后完成上料动作；机床加工完工件后，机械手臂再次上仰后伸长，手爪夹紧工件，夹具松开，机械手顺时针旋转180°后，手臂俯下相同角度后，将工件放在料台上，手臂缩回到初始位置，从而完成下料动作。
4.2 结构设计
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哈尔滨工业大学成人高等教育本科生毕业设计（论文） 4.2.1 手部设计 4.2.1.1 概述
手爪应具有一定的通用性，其主要功能是：抓住工件，握持工件和释放工件。 手爪按夹持原理可以分为机械类，磁力类和真空类三种。机械类手爪有靠摩擦力夹持和吊钩承重两类，前者是有指手爪，后者是无指手爪。产生夹紧力的驱动源可以有气动、液动、电动和电磁四种。磁力类手爪主要是磁力吸盘，有电磁吸盘和永磁吸盘两类。真空类手爪是真空式吸盘，根据形成真空的原理可以分为真空吸盘、气流负压吸盘、挤气负压吸盘三种。磁力手爪及真空手爪是无指手爪。机械手爪按手指数目分为二指手爪和多指手爪，按手指关节分为单关节手指手爪和多关节手指手爪。手爪按智能化分为普通式手爪（手爪不具备传感器）和智能化手爪（手爪具备一种或多种传感器，如力传感器、触觉传感器、滑觉传感器等）。
手爪设计和选用最主要的是满足功能上的要求，由于本课题中的套类零件尺寸很小，自身的重量很轻，设计中决定采用二指机械式手爪夹持工件的外圆柱表面。
4.2.1.2 机械式手爪设计
（1）驱动 机械式手爪通常采用气动、液动、电动和电磁来驱动手指的开合。其中，气动手爪有许多突出优点：结构简单、成本低、容易维修、而且开合迅速，重量轻。故气动手爪目前应用广泛。设计中决定采用气动手爪。
（2）传动 驱动源的驱动力通过传动机构驱使爪钳开合并产生夹紧力。传动机构有多种形式，如平行连杆式、齿轮齿条式、拨杆杠杆式、滑槽式等等。本设计中的机械手爪采用双支点连杆杠杆式的，驱动杆末端与连杆有铰销铰接，当驱动杆作直线往复运动时，则通过连杆推动两杆手指各绕支点作回转运动，从而使手指松开或闭合。
（3）爪钳 爪钳是与工件直接接触的部分，它们的形状和材料对夹紧力有很大的影响。夹紧工件的接触点越多，所要求的夹紧力越小，对夹紧工件来说更显得安全。所设计的手爪爪钳具有V形表面，有四条折线与工件相接触，形成力封闭形式的夹持状态，安全可靠。
4.2.1.3 夹紧气缸的设计计算
（1）工件质量m1??4（2）当工件被竖直夹持时，手指握住工件时所需要的夹紧力最大，工件质量
(802?302)?10?6?0.15?7.82?103?5kg
为5kg，则夹紧力为 ：N=mg=5×9.8=49N
（3）手部的驱动力计算
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图4-２ 手爪受
力分析简图
如图4-2所示 ，Q为活塞杆推力，N为手指夹紧工件的夹紧力，则由力矩平衡，知
1Qbtg??Nc2
（4—1）
其中，b=5mm,c=75mm,α=80°，代入数值得 活塞杆推力Q?2Nc2?49?75??259.2Nbtg?5?tg80?
（4）根据机械设计手册，由预算确定的所需气缸轴向输出力—推力Q=259.2N得：
活塞式气缸内径
D?（4—2）
4QQ259.2?1.26?1.26??26.19mm6?p?p0.6?10
根据标准化气缸系列的数值进行圆整，得D=32mm。 （5）活塞杆直径的确定与验算
取活塞杆直径d=10mm，按下式进行验算：
d?4pp?????1.13???21