机械创新设计——机械手夹持器

基于方案比对的机械手夹持器创新设计卢伟杰100203035福建农林大学金山学院一、前言随着社会的进步与发展，工业机器人正逐步在人类社会中大显身手。它主要由类似人的手和臂组成以代替人的繁重劳动，从而实现生产的机械化和自动化。而机械手手部是用来抓持工件（或工具）的部件，有多种结构形式，比如如夹持型、托持型和吸附型等。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。基于方案比对的机械手夹持器创新设计基于方案比对的机械手夹持器创新设计1.1研究的目的与意义在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：一、以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装夹、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。二、以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。基于方案比对的机械手夹持器创新设计1.2国内外现状和发展趋势工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术都很重视，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域也在不断地扩大。早在40年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟关节式的第一代机械手。50～60年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。如尤尼曼特(Unimate)机械手即属于这种类型。基于方案比对的机械手夹持器创新设计60～70年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。80-90年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。90年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。90年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展。总之，目前机械手的主要经历分为三代：第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是将低成本和提高精度；第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能；第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统FMS(FlexibleManufacturingSystem)和柔性制造单元FMC(FlexibleManufacturingCell)中重要一环。基于方案比对的机械手夹持器创新设计基于方案比对的机械手夹持器创新设计目前的国内的几种机械手夹持器基于方案比对的机械手夹持器创新设计二、夹持器设计的基本要求现根据物块（工件）的大小、形状及重量等具体要求，提出三种设计方案。通过对比分析，选择一种合适的类型，进行详细的计算和设计，并完成效果图和机构的装配图。2.1功能方面a)应具有适当的夹紧力和驱动力；b)手指应具有一定的开闭范围；c)应保证工件在手指内的夹持精度；d)应考虑通用性和特殊要求。2.2结构方面a)结构新颖；b)结构简单、紧凑，重量轻，效率高。基于方案比对的机械手夹持器创新设计2.3材料方面a)材料耐磨性好；b)价格便宜。2.4设计参数及要求a)采用手指式夹持器，执行动作为抓紧—放松；b)所要抓紧的工件最大直径为80mm，质量3kg。基于方案比对的机械手夹持器创新设计三、夹持器方案选择3.1夹持器原理方案设想（1）单（多）铰链杆（2）连杆机构（3）杠杆机构基于方案比对的机械手夹持器创新设计（4）螺杆机构（5）齿轮齿条机构基于方案比对的机械手夹持器创新设计3.2夹持器动力源形式a)液压；b)气压；c)电力机械（螺杆传动、齿轮传动）;各动力源优点如下：a.液压传动的优点：结构紧凑，重量轻，调速度性能好，运转平稳、可靠，功率密度大，能自行润滑，易实现复杂控制。b.气压传动的优点：结构简单，维护使用方便，成本低，工作寿命长，工作介质（压缩空气）的传输简单，且易获得。c.电力机械的优点：使用和控制方便；工作效率高，无烟尘、气味，噪声小；运行可靠，价格低廉，结构牢固。基于方案比对的机械手夹持器创新设计3.3筛选出三种方案根据工件要求，被夹持物体体积较小，重量较轻，选择电机驱动足够提供夹持力。而液压和气动虽然可提供较大动力源，但是没有电机驱动简单、方便。而且电机拆装方便，价格低廉。因此，综上所述，动力源选择电机驱动。然后根据不同的夹持动作原理，选出三种方案，如下所述：基于方案比对的机械手夹持器创新设计方案一如上图所示，该夹持设计采用连杆机构，前后两滑块通过丝杆连接，有电机驱动。当电机轴旋转时带动丝杆旋转，使左边的滑块能够向前（或向后）运动，使得夹持手收缩（或张开）。基于方案比对的机械手夹持器创新设计方案二如上图所示，该夹持器采用锲块的前后运动，带动夹持手指的上下张合。同样锲块的运动也是由电机传动控制。基于方案比对的机械手夹持器创新设计方案三如左图所示，该夹持器采用齿轮啮合原理，通过电机驱动齿轮轴使两啮合齿轮转动，从而带动夹持手指作张合运动。基于方案比对的机械手夹持器创新设计四、夹持器装置设计以上三种方案，由于齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大等优点，又最能符合功能、结构和设计上的要求，最终选择方案三作为设计方案。4.1夹紧力计算手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向、作用点进行分析、计算。一般来说，加紧力必须克服工件的重力所产生的静载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的加紧状态。基于方案比对的机械手夹持器创新设计手指对工件的夹紧力可按下列公式计算：𝐹𝑁≥𝐾1𝐾2𝐾3𝐺式中：𝐾1——安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取1.5。𝐾2——工件情况系数，主要考虑惯性力的影响，计算最大加速度，得出工作情况系数𝐾2,𝐾2=1+𝑎𝑔=1+0.0219.8=1.002a为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值（m/s）；基于方案比对的机械手夹持器创新设计𝐾3——方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定，手指与工件位置：手指水平放置工件垂直放置；手指与工件形状：V型指端夹持圆柱型工件，𝐾3=0.5sin𝜃𝑓，𝑓为摩擦系数，𝜃为V型手指半角，此处粗略计算𝐾3≈4,如图G—被抓取工件的重量基于方案比对的机械手夹持器创新设计求得夹紧力FN，FN=k1k2k3Mg=1.5×1.002×4×3×9.8=176.5N，取整为FN=177N4.2驱动力计算根据驱动力和夹紧力之间的关系式：𝐹𝑁=𝐹𝑐2𝑏sin𝑎可得F=2FNbsinac=177×2×86×sin16∘34=195.15N得出为理论计算值𝐹，实际采取的电机驱动力𝐹′要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率𝜂，一般取0.8～0.9，此处取0.88，则：𝐹′=𝐹𝜂=195.150.88=221.762𝑁取𝐹′=250𝑁基于方案比对的机械手夹持器创新设计4.3电机的选取根据所需驱动力大小，以及估算电机转速大小，应选用高扭矩低转速的电机。这里选取扭矩为15Nm，转速为10r/min的电机。4.4齿轮的计算4..4.1选择齿轮材料传动无特殊要求，采用软齿面，由教材表6-5齿轮选用40MnB钢调制，241~286HBS。4.4.2按齿面接触疲劳强度设计一对钢制外啮合齿轮设计公式𝑑1≥671𝜎𝐻2𝑖±1𝑖𝐾𝑇1𝜓𝑑3基于方案比对的机械手夹持器创新设计1、计算齿轮传递的转矩T=9.55×106×𝑃1𝑛1=9.55×106×15975=1.47×105（N•mm）2、选择齿轮齿数𝑧1=303、转速不高，功率不大，选择齿轮精度为8级4、齿宽系数已知，𝜓𝑑=1.25、中等冲击，对称布置（表6-9），有教材表6-6，取载荷综合系数K=2.26、确定许用接触应力由教材图6-28查得𝜎𝐻min1=720𝑀𝑝𝑎，𝜎𝐻min2=460𝑀𝑝𝑎基于方案比对的机械手夹持器创新设计由表6-8查得，一般可靠度，取𝑠𝐻min=1，由式（6-33）得：[𝜎𝐻1]=720MPa,[𝜎𝐻2]=460MPa所以,[𝜎𝐻]=[𝜎𝐻2]=460MPa7、计算齿轮分度圆直径𝑑1≥67146022.8+12.82.2×1470001.23=28.0mm8、计算齿轮主要尺寸及圆周速度分度圆直径d=28(mm)；中心距a=30（mm）基于方案比对的机械手夹持器创新设计4.5手爪的夹持误差分析机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决与机械手定位精度（由臂部和腕部等运动部件确定），而且也与手指的夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，避免产生手指夹持的定位误差，需要注意选用合理的手部结构参数，见右图基于方案比对的机械手夹持器创新设计从而使夹持误差控制在较小的范围内。在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过，手部的最终误差取决与手部装置加工精度和控制系统补偿能力。工件直径为80mm，尺寸偏差±5𝑚𝑚,则𝑅max=42.5𝑚𝑚，𝑅min=37.5𝑚𝑚，𝑅𝑒𝑝=40𝑚𝑚本设计属于两支点回转型手指夹持，如图基于方案比对的机械手夹持器创新设计若把工件轴心位置C到手爪两支点连线的垂直距离CD以X表示，根据几何关系有：简化为：𝑋=𝑅−𝑙𝐴𝐵sin𝜃cos𝛽2+(𝑙𝐴𝐵2sin𝛽2−𝑎2sin2𝜃当工件半径为𝑅0时，X取最小值Xmin，又从上式可以求出：𝑅0=𝑙𝐴𝐵sin𝜃cos𝛽,通常取2𝜃=120∘，Xmin=𝑙𝐴𝐵sin𝛽若工件的半径𝑅max变化到𝑅min时，X值的最大变化量，即为夹持误差，用𝛥表示。基于方案比对的机械手夹持器创新设计𝑋=𝑙𝐴𝐵+𝑅sin𝜃2−2𝑙𝐴𝐵𝑅sin𝜃cos𝛽−𝑎2在设计中，希望按给定的𝑅max和𝑅min来确定手爪各部分尺寸，为了减少夹持误差，一方面可加长手指长度，但手指过长，使其结构增大；另一方面可选取合适的偏转角𝛽，使夹持误差最小，这时的偏转角称为最佳偏转角。只有当工件的平均半径𝑅𝑒𝑝取为𝑅0时，夹持误差最小。此时最佳偏