气动机械手－设计说明书
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一、设计要求
为卸码垛机械手臂配制造附件,即夹持工件的手指机构。机构应根据工件的形状、尺寸、工件质量大小、表面性质等因素专门设计。本设计拟搬运宽度尺寸9０～11０mｍ、质量为5kg以内的六菱柱形钢质工件，手指机构带水平转盘。设计手指机构的机械结构，机构自身重量控制在10ｋg以内,手指的动力驱动方式自选。
二、具体设计方案
本次机械手的主要设计构思来源于实验室的机械手模型,通过对实验室机械手的一系列观察研究，开始了如下方案的设计。
首先，我们选择了气动的方式来驱动机械手的运动,而对于气缸的选择，因为在这方面的学习还不够,而且对于我们所设计的机械手结构在气缸方面的要求不高,故在此不作进一步研究。
根据实验室的机械手模型,我们仿照其结构把机械手设计为平行式夹持手爪,接下来是对一些重要尺寸的确定做一较为详细的介绍。
2．1机械手手爪伸缩运动的设计
通过查阅相关资料,对于夹持型手爪进行受力分析如图所示,两个手指总夹持力2µＦ必须大于夹持工件的重力ｍg
故应满足2µF>mg，即F>mg/２µ 式中µ为摩擦系数,本次设计的手指夹持处设有辅助件，材料取为硬质橡胶，一般令µ=0.65；
另外已知m为5kg；
由此可得 F>ｍg／2µ=5×9．8/(2×0.６5)＝38N
机械手的结构图如下：
此部分为机械手的夹持部分,由图中可知，此结构主要是以齿轮齿条的啮合运动来实现手指的夹紧与放松,而通过两个类似于单缸气缸的腔体充气和放气产生推动力。因此根据公式可得:
Ｄ=(4F／(πPη)）½
其中η为负载率,一般取0．4。代入相关数据可得：D=0．017m
又知腔体中受压缩气体作用的面积为一圆环，即
ｓ=π*（R²-r²)=π*D²/4 (其中Ｒ为腔体外半径，r为轴半径) 只要圆环面积s大于π*D²/4即可,现取Ｄ=0.02m=20mｍ r=10mm R＝20mm 则s的面积足够大,能提供足够的推力来满足运动。
之后根据所夹持件尺寸的要求是9０至11０mm,则按照90mm来计算(最小的工件尺寸），若能夹到的话,则110ｍm的也一定能夹到,然后通过一系列的尺寸推导运算(该部分是通过先初步设计尺寸，然后在建模过程中不断修改所得），即可设计出如上所示的机械手结构。其中最主要的就是齿轮齿条的行程大小确定，它是根据所要夹持工件的尺寸要求来设计的。
另外对于该如何夹持六边形工件的设计方法作如下简单说明:
现由图来说明,我们在两根手指上各设计了一块可转动的夹板（材料为硬质橡胶），通过这两块夹板可绕手指纵向做旋转运动的好处来实现此功能。
2.2机械手手爪旋转运动的设计
通过上面对手爪伸缩运动的设计,我们有了一定的启发，为了尊重现实模型的实际性,以及对结构设计的简化,我们取用了与上述结构十分相似的模型来实现旋转运动。加上上述伸缩运动的结构后,其总观图如下：
由图中显而易见通过两个腔体的充放气带动齿条运动,而齿条又带动齿轮轴的旋转，从而实现手爪的旋转运动。
2.3机械手手爪其余设计
为了提高机械手的运动速度与控制精度,应在保证机械手手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。力求选用高强度的轻质材料,故该处选用高强度铝合金制造机械手手臂。其密度通过查阅相关资料可得大概为3g/cm³,而整个机械手的大概体积是２70０ｍm³，则重量为8ｋg左右，满足要求。
另外对于轴承的选择,伸缩结构部分主要实现齿轮齿条的运动传递与种类改变（从直线到旋转再到直线）对轴承的力学性能要求不高,故选用深沟球轴承，旋转部分因为要支撑下半部的伸缩结构，故选用推力球轴承。具体尺寸查阅相关资料可得。
以上就是本次机械手设计的主要结构确定方法,以及一些相关零件的确定,望能得到老师点评。
三、总结与反思
本次机械手的设计中，本人负责的主要是设计与计算部分，对于该机械手在设计过程中存在的问题在此需要重点说明几点;
1、对于手指结构处附加的两块夹板,其主要目的是为了适应六边形的工件在夹取时的方便，另外其材料选为硬质橡胶是为了在夹取时增大与工件间的摩擦力，还有一个好处就是,若机械手长期在一些恶劣环境下工作，必定会让夹板处的磨损加快，此时可换用一副新的夹板来夹持工件,这样可减少成本的损失,一举两得。
2、齿条轴的设计是本次机械手设计中的重中之重,对于其结构的加工有两种方法,一种是在轴上直接生成齿条，另外一种是先在轴上生成一凹槽,然后把齿条安装在凹槽上。对比这两种方法,我们选择了后者,考虑到几个因素：１）加工上会比直接生成齿条轴简单。２）当齿条长期工作,磨损厉害时可拆卸下来安装新的齿条,这样可减少成本。3）对于定位的要求,或者在加工过程中的定位技术要求会降低,因为若齿条宽度足够的话,就可以确保与齿轮的啮合程度足够,无需
考虑到直接生成时啮合不足的问题。4）通过改变齿条上的齿数,或者同时改变齿轮齿条的模数齿数,即可满足不同行程的需求。
综上所述，选用第二种方法是有其好处的，这样更加有其合理性，人性化的一面。
3、在润滑方面，因为考虑到结构的密封性要求，选用脂润滑，因为机械手的运动速度不高，其轴承、活塞处的磨损、发热等消耗都不会很高，只需要定期给予润滑即可。
4、另外一点就是模数、齿数的确定是根据以往机械课程设计的经验去选取的,在此也没有进行校核,不过在选取齿条、齿轮时可根据相关力学性能来选取，同时也可通过试装,初步测试其合理性的方法来最终决定选取怎样的模数、齿数。因为本次机械手设计的重点是在结构上，故对于该部分的校核选取工作量有所减少。
