机械手夹持器机械设计

本科毕业设计（论文） 题 目：机械手夹持器的设计 _ 英文题目：The design of mec hanical hand gripper 学 院：_专 业：_姓 名：_学 号：_指导教师：_2015年11月12日 毕业设计（论文）独创性声明该毕业设计（论文）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。作者签名： 日期： 年 月 日 毕业设计（论文）使用授权声明本人完全了解XX学院有关保留、使用毕业设计（论文）的规定，即：学校有权保留送交毕业设计（论文）的复印件，允许被查阅和借阅；学校可以公布全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存该毕业设计（论文）。保密的毕业设计（论文）在解密后遵守此规定。作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 摘要 本次的设计来源于机械手夹持器设备更新换代基础之上，通过设计出机械手夹持器，从而来满足当今机械手组成部件之一的机械手夹持器各方面性能不足的缺陷。本毕业设计课题来自于企业的生产实际，通过设计出新型机械手夹持器，从而来掌握机械手夹持器的整个设计生产流程，培养工程意识。 我国生产的机械手夹持器从仿制开始起步，近期产品的质量较早期有所提高。但受国产配套件质量及设计水平等的影响，我国目前生产的机械手夹持器的总体水平与进口产品及港口用户的要求仍有较大差距，机械手夹持器的生产也是如此，为满足市场需求，开发出一种新型的机械手夹持器势在必行！ 本文运用大学所学的知识，提出了机械手夹持器的结构组成、工作原理以及主要零部件的设计中所必须的理论计算和相关强度校验，构建了机械手夹持器总的指导思想，从而得出了该机械手夹持器的优点是高效，经济，并且安全系数高，对提高机械手的工作效率，减少人工投入，增强夹持质量等等起到了很大的作用的结论。关键词：机械手夹持器机；高效；人工投入；结论 AbstractThis paper mainly introduces the current situation and development prospect of automotive beauty decoration industry, car beauty industry is experiencinga hitherto unknown development opportunity, there are good prospects for development. But due to the current situation of enterprise development disorder, not standardized, quality of personnel is low, which seriously restrict the development of the industry. that car decoration and beauty will be the century of Chinas most promising gold industry, known as the automotive industry second gold, isa sunshine industry.China attaches great importance to the status of the degreeis not enough, and the baby chair to drive innovation design, to achieve a chair, to improve the above situation.Therefore, this paper carries on research on scheme selection. Through the professional knowledge of the designer to master the relevantinformation on the Internet, as well as the current situation at home and abroad, the design scheme, after a detailed investigation, this graduation design is to design a set of practical multifunctional baby chair.This design is begins with the argument, introduces in detail the scheme analysis, design process and calculating process.Key words：Machine manufacture;Crankshaft;Processing craft;Fixture; 目 录摘要IAbstractII1 绪论1 1.1课题的来源与研究的目的和意义1 1.2机械手的组成2 1.2.1机械手的组成3 1.3国内外发展状况52 机械手的设计方案6 2.1座标型式与自由度的设计8 2.2手部结构方案的设计10 2.3手腕结构方案的设计14 2.4手臂结构方案的设计163 机械手夹持器结构的设计18 3.1夹持式手部结构19 3.1.1手指的形状和分类20 3.1.2设计时考虑的几个问题20 3.1.3手部夹紧气缸的设计21 3.2 气缸驱动力矩的计算22 3.3 气缸驱动力矩的计算校核234 机械手夹持器中关键零部件的强度计算与校核23 4.1 齿轮的强度计算与校核24 4.2 轴的强度计算与校核25结论26致谢27参考文献28 XX学院机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文）1 绪论1.1 课题的来源与研究的目的和意义当今社会，过度的专业知识分割，使视野狭隘，可以多多参加技术交流，和参加科研项目，缩小范围，提升新技术的进步和整个块的技术，提高外部条件变化的适应能力。封闭的专业知识的太狭隘，考虑的问题太特殊，在工作中协调困难，不利于自我提高。因此，自上世纪第二十年代末，出现了一体化的趋势。人们越来越重视基础理论，拓宽领域，对专业合并的分化。机械工程可以增加产量，提高劳动生产率，提高生产的经济效益为目标，并研制和发展新的机械产品。在未来，新产品的开发，降低资源消耗，清洁的可再生能源，成本的控制，减少或消除环境污染作为一个超级经济目标和任务。机器能完成人的手和脚，耳朵和眼睛等等器官完全不能直接完成的任务。现代机械工程机械和机械设备创造出更多、更精美的越来越复杂，很多幻想成为过去的现实。人类现在能成为天空的上游和宇宙，潜入海洋，数十亿光年的密切观察，细胞和分子。电子计算机硬件和软件，人类的新兴科学已经开始加强，并部分代替人脑科学，这是人工智能。这一新的发展已经显示出巨大的作用，但在未来几年还将继续创造出不可思议的奇迹。人类智慧的增长并没有减少手的效果，而是要求越来越精致，手工制作，更复杂的工作，从而促进手功能。又一方面实践促进人脑智力。在人类的进化过程中，以及在每个人的成长过程中，大脑和手是互相促进和平行进化。1987年，日本Subaru把装备机械手夹持器的机械人投放市场，获得成功。欧洲的Ford和Fi机械手夹持器也将新开发的机械手夹持器装配在机械手上。当前，全世界各大机械人厂商为了提高产品的竞争力，都大力进行机械手夹持器的研发工作。现在国外等著名机械人品牌中，都有配备机械手夹持器的销售，全世界机械手夹持器的应用越来越广泛。有一点值得注意的是，装备有机械手夹持器的机械人市场，由最初的日本，欧洲，已经渗透到北美市场，因此机械手夹持器是当今机械人比配的装置已经成为主要趋势。1.2 机械手的组成1.2.1 机械手的组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。图2-1 机械手组成方框图(一)执行机构 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。1、手部即与物件接触的部件，这是机械手夹持器的核心部件之一，手部结构设计的好与坏与机械手夹持器的功用性能的好坏有直接的关系。2、手腕 起到连接手部和手臂部分的组件就是手腕，常规的手腕有多种形式，视具体情况而定。1.3 国内外发展状况 在日本，工业机械手从开始普及到现在已然30年。工业机械手对全球制造业发展提供了很多的帮助，像战胜了困难的，污浊的，无法掌握的应用情况，供应了优秀的产品品质，补充了贫乏的现场人力。能理解，在将来数年，由于老龄化加剧，现场人力数目缩小，会发生很多的用人贫乏。因此，产业机械手的希冀变得更多。产业机械手在全新范畴的施行（像食物，药剂以及消费物的研发，建设以及制造范围）亦然有很好的远景。特别是在医学范畴，试剂以及样品分析前处理，可能获得类似于高度精准的技术实验数据。人力也能够防止于在危急境况下作业，如病毒和细菌。另一面来说，怎么去教依旧是产业机械手的很大问题。利用口令进行示范，必须锻炼的非常好，方能娴熟的操纵各式各样产业机械手。在当下的机械手体系里，多臂互相配合链接操纵的境况下，操纵要用去巨额的工夫。早前的机械手体系愈来愈艰巨，是让教授更易学的一个大难点。在将来的时间里边，达成不必讲授成了终极的目的。更由于这样，智能的机械手会成为不可或缺的。我们需求各式各类的研发成效，联合科研院所的协助。由于全球都迈进了衰老型社会，想让老弱病残幼在存活和环境容纳中获得援手。估计机械手会给以充分的反馈，好比讯号的供应以及撑持，帮助那些居家讨生活的人，向组建社团给以帮助，缩小休养之包袱，给身体功能施以帮助，以及增加商业设施。这会能使得老人以及残疾人觉得就是貌似孩子们、孙子们和他们呆在一块儿似的。历经实践，这是愈来愈明朗，在以后，服务型机械手的成长会加快环境容纳度，我们会使得延续康健的时期愈来愈长，用自帮自助的存在方法，有目的地工作和参与社会。所以有，它可以变成构建更好环境以及衰老境况乃至世界上生长的能量。如果我们必须领会服务机械手体系的运作方法，就得懂得实际情况、顾客还有产品中的悬殊，包括领导大批机械手还给以帮助。不只是增添了很多额外花费，以及能否赚钱的疑惑。诚然我们可以建造出来服务机械手体系，若是服务的回报无法回本更无盈利，就更不能扩大利用了。假如一个多服务系统机械手可以建造出来，可给他人用的崭新的帮助方式已初露锋芒，制造者才敢去想走到了这一步，得到的回报能否顺利地抵消甚至超出用去的本金。所以，现在极大的障碍是创造出一个体系，这体系会渗透进帮助型机械手的发展范畴，也更容易渗透进IT行业。 在日本，那样的向来肩负着本国对外竞争力的研发科技、生产制造人员却是在急剧锐减，现在，他们加快应对着居民衰老化，真正境况是，依托相应调研报告，眼下的事实却是，日本群众用在高端科技的精力以及会意程度非常明显的愈来愈少了。即使如此，机械手和机械手应用工程课堂展示教学也收获了重视，是一种很好的锻炼制造员工以及淡化对科学害怕的技术措施。机械手活动比赛被承办在各式各样的地区，传统刊物也录用了兴趣者们的作品，还有机械手知识亦然在人民里边传播开来。 电机把持，传感器科学和计算机应用，机构零部件和别的技术归纳在一块，是为机械手技术。于是，途径PBL源自困难的进修以及同等的要领，激发了察觉麻烦的本领以及处理的技巧，相当顺应思维培养的组合，其也可增强优化多组件科技以及提升归纳体系的优点。要实现此方针，不妨面向基础教育的同学达成科学培养，使培养方式和手段得以普遍使用，还有方针即是开始于小学和初中止于科技培养部门工程师。何人最先取得此项专利已无可知晓，只了解到外国科学家在十九世纪末建造出了一部类似于骡马，整体部分是用齿轮以及连接杆件机构组装，人可以骑在上面用脚蹬踏板推动运行的机械手，但是却没有做出实物来加以佐证.20世纪初又有人运用齿轮以及连接杆件体系制造出类似的机械手，然而相关资料中并没有找到对这个作品的介绍，所以那个时候有关机械手的研究还仅能思索腿的组成以及运动起来的行程路径。20世纪中期Shigley已然放进步态研究的思维制造出来在每一条腿上都用成组的连接杆件体系拼装而且安装两个摇杆体系结构以操纵机械手的步伐轨迹，已然加入步态设计的思路。同期，又有两位发明家麦吉以及弗兰科创作了首部彻底用计算机操纵的行走机械手。接下来几年有关此机器的设计被充分的融入了运行操纵理论。1979年席罗思在行进机械手里加入了操纵水平行走的仪器，同样在腿上加入了保持和校对偏向的装置。20世纪末布朗、罗布特以及莎普恩斯研究了加入了液压部件和直流电机的相应机械手。这都意味着人类对四杆动力体系的认识已从简单的考虑迈入了整体操纵、计算机和高新科技的相互融汇贯通的康庄大道。2 机械手的设计方案2.1 座标型式与自由度的设计 机械手的坐标形式一般分为圆柱坐标，球坐标等等形式，自由度一般有1到5个自由度。其具体参考图如下图所示： 2.2 手部结构方案的设计 当需要夹持的工件是棒材状的物料的时候，手部应该设计成开合型的，当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。2.3 手腕结构方案的设计 一般为了设计合理，具有通用性，一般情况下，手腕部的设计都是采用回转气缸的形式，这样可以实现机械手手腕部的旋转和伸缩，具有多种功效。2.4 手臂结构方案的设计 根据人体工程学原理，机械手手臂的各种运动由气缸来实现。3 机械手夹持器结构的设计本次设计的机械手夹持器具体的方案结构图如下图3.1所示：图3.1 机械手夹持器结构方案图3.1 夹持式手部结构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。3.1.1 手指的形状和分类夹持式是最常见的一种，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。3.1.2 设计时考虑的几个问题(一)具有足够的握力(即夹紧力)(二)手指间应具有一定的开闭角(三)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。(四)具有足够的强度和刚度(五)考虑被抓取对象的要求3.1.3 手部夹紧气缸的设计1、手部驱动力计算 本次设计的机械手夹持器结构原理如图3-2所示：图3-2 齿轮齿条式手部其工件重量G=5公斤，V形手指的角度，,摩擦系数为 其驱动力为:握力计算公式:所以 (3)实际驱动力: I,因为传力机构为齿轮齿条传动，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取时，则:所以 2、气缸的直径本气缸属于单向作用气缸。其公式为:式中: - 活塞杆上的推力，N - 弹簧反作用力，N- 气缸工作时的总阻力，N- 气缸工作压力，Pa弹簧反作用按下式计算:Gf = 式中:- 弹簧刚度，N/m- 弹簧预压缩量，m- 活塞行程，m- 弹簧钢丝直径，m- 弹簧平均直径，.- 弹簧有效圈数.- 弹簧材料剪切模量，一般取则:气缸的直径:代入有关数据，可得 所以:查有关手册圆整，得由,可得活塞杆直径:有:其中，则:满足实际设计要求。3,缸筒壁厚的设计式中:6- 缸筒壁厚，mm- 气缸内径，mm- 实验压力，取, Pa材料为:ZL3,=3MPa代入己知数据，则壁厚为:取，则缸筒外径为:3.2 回转气缸的驱动力矩计算单叶气缸的压力P驱动力矩M的关系为:, 或 3.3 手腕回转缸的尺寸及其校核 1.尺寸设计气缸长度,气缸内径=96mm,半径,轴径=26mm,半径,气缸运行角速度=，加速度时间=0.1s, 压强, 则力矩 2.尺寸校核1测定参与手腕转动的部件的质量,分析部件的质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径的圆盘上，那么转动惯量： （）已知整个工件的重量为5千克，5,质量分布于长的棒料上，那么转动惯量。假如工件中心与转动轴线不重合，对于长的棒料来说，最大偏心距，其转动惯量为: 2、与转动轴线重合，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线,则 + 3、 手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为 4、在此处估计为的3倍，3 设计尺寸符合使用要求，安全。4 机械手夹持器中关键零部件的强度计算与校核4.1 齿轮的强度计算与校核 由于机械手夹持器的主动齿轮和从动齿轮材料均选用45,调质处理。查得：则：查机械设计基础图，得：(1)验算齿面接触疲劳强度载荷系数，取K=1.5 查得： 接触应力为：(2)验算齿根弯曲疲劳强度取 K=1.5查表：许用弯曲应力：弯曲疲劳强度的最小安全系数，取则：由上述计算可知，均满足要求。4.2 轴的强度计算与校核按弯扭合成应力校核轴的强度轴的计算应力 MPa （3.43）选定轴的材料为45钢，调质处理，MPa。因此，故安全。（7）精确校核轴的疲劳强度判断危险截面从应力集中对轴的疲劳强度的影响来看，截面IV和V引起的应力集中最严重，而V受的弯矩较大；从受载的情况来看，截面C的应力最大，但应力集中不大，故C面不用校核。只需校核截面V。截面V左侧抗弯截面系数 mm （3.44）抗扭截面系数 mm （3.45）截面V左侧的弯矩M为 Mpa （3.46）截面V上的扭矩T为 MPa 截面上的弯曲应 Mpa （3.47） 截面上的扭转切应力MPa （3.48）轴的材料为45钢，调质处理。由文献1表可知，MPa，MPa，MPa。用插入法求出 ，轴按精车加工，表面质量系数为： 轴未经表面强化处理，固得综合系数为 （3.49） 由文献1 ，可知，碳钢的特性系数 取 取所以轴在截面V左侧的安全系数为 （3.50） （3.51） （3.52）故该轴在截面V左侧的强度是足够的。截面V右侧抗弯截面系数 mm抗扭截面系数 mm截面V左侧的弯矩M为 MPa截面V上的扭矩T为 MPa 截面上的弯曲应力 MPa截面上的扭转切应力 MPa截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数及按附表查取。因， ，又由文献1附图可得轴的材料的敏感系数为 ，故有效应力集中系数按文献1，附为 （3.53） 轴的截面形状系数为轴的材料的敏感扭转剪切尺寸系数为综合系数为 所以轴在截面V左侧的安全系数为 故该轴在截面V左侧的强度是足够的。结 论通过本次毕业设计，使我们充分把握的设计方法和步骤，不仅复习所学的知识，而且还获得新的经验与启示，在各种软件的使用找到的资料或图纸设计，会遇到不清楚的作业，老师和学生都能给予及时的指导，确保设计进度，本文所设计的是机械手夹持器的设计，通过初期的方案的制定，查资料和开始正式做毕设，让我系统地了解到了所学知识的重要性，从而让我更加深刻地体会到做一门学问不易，需要不断钻研，不断进取才可要做的好，总之，本设计完成了老师和同学的帮助下，在大学研究的最感谢帮助过我的老师和同学，是大家的帮助才使我的论文得以通过。致 谢 直到今天，论文总算完成了，我的心里感到特别高兴和激动，在这里，我打心里向我的导师和同学们表示衷心的感谢！因为有了老师的谆谆教导，才让我学到了很多知识和做人的道理，由衷地感谢我亲爱的老师，您不仅在学术上对我精心指导，在生活上面也给予我无微不至的关怀支持和理解，在我的生命中给予的灵感，所以我才能顺利地完成大学阶段的学业，也学到了很多有用的知识，同时我的生活中的也有了一个明确的目标。知道想要什么，不再是过去的那个爱玩的我了。导师严谨的治学态度，创新的学术风格，认真负责，无私奉献，宽容豁达的教学态度都是我们应该学习和提倡的。通过近半年的设计计算，查找各类机械手夹持器的相关资料，论文终于完成了，我感到非常兴奋和高兴。虽然它是不完美的，是不是最好的，但在我心中，它是我最珍惜的，因为我是怎么想的，这是我付出的汗水获得的成果，是我在大学四年的知识和反映。四年的学习和生活，不仅丰富了我的知识，而且锻炼了我的个人能力，更重要的是来自老师和同学的潜移默化让我学到很多有用的知识，在这里，谢谢老师以及所有关心我和帮助我的人，谢谢大家。参考文献1张福学编著.机械手夹持器技术及其应用.北京：电子工业出版社，2000。2何发昌著，邵远编著.机械手夹持器的原理及应用.北京：高等教育出版社，1996。3张利平著. 破碎机实用技术速查手册. 北京：化学工业出版社，2006.12。4李宝仁著. 气动技术低成本综合自动化. 北京：机械工业出版社，1999.9。5宋学义著. 机械手夹持器速查手册. 北京：机械工业出版社，1995.3。6陈奎生著. 气与气压传动. 武汉：武汉理工大学出版社，2008.5。7SMC（中国）有限公司. 机械手夹持器实用技术. 北京：机械工业出版社，2003.108徐文灿著. 机械手夹持器系统设计. 北京：机械工业出版社，1995。9曾孔庚.机械手夹持器的发展趋势. 机械手技术与应用论坛。10寿庆丰.一种多指多关节机器手爪. 机械设计1999年第3期，第3卷。11高微,杨中平,赵荣飞等.机械手夹持器结构优化设计. 机械设计与制造2006.1。12孙兵,赵斌,施永辉.机械手夹持器的研制. 中国期刊全文数据库。13马光,申桂英.工业机械手的现状及发展趋势. 中国期刊全文数据库2002年。14李如松.机械手夹持器的应用现状与展望. 中国期刊全文数据库1994年第4期。15李明.机械手夹持器设计.制造技术与机床2005年第7期。16李杜莉，武洪恩，刘志海.机械手夹持器的运动学分析. 煤矿机械2007年2月17Hirohiko Arai, Kazuo Tanie, and Susumu Tachi. 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