多孔板抓取机械手结构设计.doc

多孔板抓取机械手的机械结构设计 系 别：机电与自动化学院 专 业 班：机械电子工程1104班 姓 名：罗 雄 学 号：20111100139 指导 教师：王 姣 2015年5月多孔板抓取机械手的机械结构设计Porous plate fetching manipulator structure design 摘要 本文以实际项目“细菌鉴定与培养”为背景，设计多孔板抓取机械手，是机械手具有抓取、移动多孔板的功能，能够在细菌实验中完成任务要求，实现实验过程的自动化，从而改善工作人员的工作环境和减轻工作强度，提高了实验结果的效率和精度。 本文分析了多孔板抓取机械手的工作任务以及运动方式，设计出了多孔板抓取机械手的机械结构，完成了机械手的驱动系统和传动系统的选型，根据机械手最大转矩选出了驱动电机类型以及联轴器的类型，根据机械手的运动方式，选出传动系统中的滚珠丝杠的类型。然后，根据细菌培养多孔板的结构形式，设计了合适的机械手末端执行器。完成了机械手的总装配图绘制，使用ug对机械手进行了三维建模，并导出工程图。 本论文完成了细菌实验过程中多孔板抓取机械手的初步研究，为整个实验奠定了重要基础，具有一定的应用价值。关键词：机械手 ，细菌实验 ， 结构设计 Abstract The to the actual project identification of bacteria and culture as the background,design of porous plate manipulator is mechanical hand is grasping, moving porous p-late, can in the experimental bacteria complete mission requirements, realize autom-ation of the experiment process, so as to improve the staff working environment and reduce the work intensity, improve the efficiency and accuracy of the experimental results. This paper analyzes the porous plate manipulator and motion design the mechanical structure of the porous plate manipulator, completed the manipulator drive system and drive system of selection, according to the manipulator maximum torque elected drive motor type and type of shaft coupling device, according to the movement of the mani-pulator, elected the type of ball screw drive system. Then, according to the structure of the porous plate, a suitable manipulator is designed. The total assembly drawing of the manipulator was completed, and the 3D model of the manipulator was modeled by ug, and the engineering chart was deduced. In this thesis, the preliminary study of the porous plate grasping manipulator is accomplished, which lays the important foundation for the whole experiment, and has some application value.Key word：manipulator ，bacteria ，the structure design 目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1机械手的现状及发展趋势11.2机械手的应用21.3课题的选取及主要的工作31.3.1 课题的目的和意义31.3.2 课题的主要工作4第二章 多孔板抓取机械手的总体结构设计52.1 整体方案的确定72.1.1 多孔板抓取机械手基本参数的确定72.1.2 驱动方式的选择92.1.3 传动方式的选择102.1.4 整体结构的设计112.2 结构的设计及选型122.2.1 支架部分结构设计122.2.2 手臂的设计132.2.3 驱动电机的选型142.2.4 联轴器的选型182.3 多孔板抓取机械手总体效果212.4 本章小结21第三章 末端执行器的结构设计223.1 末端执行器介绍223.2 末端执行器的选型233.2.1 夹持器末端执行器选型的基本要求243.2.2 末端执行器结构253.3 夹紧装置263.3.1 夹紧装置的分类273.4 本章小结27致 谢28参 考 文 献29I第一章 绪论1.1机械手的现状及发展趋势机械手是一种能够模仿人手和手臂的某些功能的自动化机械，机械手有执行末端、机械手臂、驱动系统以及传动系统等组成，机械手的执行末端用来完成抓取等作业任务，机械手臂的主要功能是完成机械手到达指定位置的移动或转动，驱动系统主要为机械手的移动或执行末端的抓取动作提供动力，传动系统抓药是用来传递驱动系统传递的动力给执行末端，工业机械手的种类有很多类型，按驱动方式分可分为液压驱动机械手、气压驱动机械手、电机驱动机械手等；按照运动坐标类型可分为直角坐标型机械手、球坐标型机械手、球坐标机械手等，按照通用范围可分为通用机械手和专用机械手。机械手可以按照认为输入的程序完成一系列的指定动作，如抓取货物、搬运物件、焊接等任务，由于机械手的这些功能，机械手可以代替人从事单调、危险、繁重以及简单重复的体力劳动，机械手已被应用于各行各业，实现了工业生产及其它产业的生产自动化过程。 机械手可以实现工业生产过程的自动化，改善人们的工作环境，改善人们的生活方式，机械手在社会生产生活中扮演越来越重要的角色，机械手的动作的准确性、对环境的雾污染性、以及机械手的自动化性能等等变得越来越重要，为了将来机械手更好的应用于社会的生产生活，机械手到达指定位置以及重复到达指定位置的精确程度，这些将会是机械手发展的方向，为了机械手能够更好地应用于生产生活，为了适应精密行业的无污染要求，机械手要实现无给油化，为了适应行业的自动化要求，机械手要实现机电一体化的要求。以上这些都将是机械手未来的发展趋势及方向。1.2机械手的应用手虽然目前还不是很灵活，但它具有能不断重复相同的动作、不知疲倦、不俱危险、抓取力量比人手大机械等特点，可以实现生产的自动化和机械化，因此，机械手已经受到许多部门的重视，并越来越广泛的得到了应用。例如，机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上的使用较为普遍；在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件，以代替人的劳动；它可以在危险的场合下工作，如军用品的装卸、危险品及有害物质的搬运等；还可用于宇宙机海洋的开发及军事工程和生物医学方面的研究和实验等。机械手的组成部分主要有运动机构和手部。其中手部是用来对目标工件进行抓取的一种部件，它的结构形式与被抓持物件的形状、尺寸、重量、工作要求和材料性能有关，可分为托吃型、吸附性和夹持型等。运动机构可以改变被抓持物件的姿势和位置，它通过使手部完成各种移动、转动或复合运动来完成规定的动作。在整个空间内为了使机械手能够抓取空间中任意位置的物体，需有6个自由度。自动化的机械手装置主要由驱动机构、传送机构、抓取机构、控制机构和传感装置、行程检测装置等部分组成。它们之间的相互关系如图1.1所示。抓取机构主要对工件进行抓取和放置，传送机构主要改变工件的方向和位置，驱动部分主要为传送和抓取机构提供动力，行程监测装置主要对机械手各运动进行检测和制，控制部分主要控制工件动作的顺序、位置和时间等，传感装置主要用于检测抓取机构与工件接触情况以及检测工件是否抓稳等。 机械手自 20 世纪 60 年代初期产生以来，历经了近五十年发展，现在已经发展成为了机械制造业生产自动化中十分重要的一种机电设备，并且机械手的种类也在逐渐增加，应用领域也变得越来越广泛。 1.3课题的选取及主要的工作 1.3.1 课题的目的和意义 现在，医学微生物临床实验的自动化程度越来越高，应用于医学微生物临床实验的机械手的发展也越来越受到世人的关注，在当今人们对卫生健康安全的要求越来高，它为人们的生命和生活提供了一层重要的保障。它是自动化技术下的产物，与传统手工进行微生物培养与鉴定比，具有以下的优势（1）缩短了检测周期；（2）准确率；（3）降低了试验劳动强度；（4）促进了生活水平发展等。虽然，应用于医学微生物临床培养、鉴定的机械手具有许多优势，但它的投入及生产成本非常昂贵，对于国内一些小型医药生物公司及医疗场所，它们根本无力购买这种比较先进设备，这就极大影响到了自动微生物机械手的推广，所以在国内微生物自动化培养程度相对不高，国外设备价格昂贵的情况下，极其有必要对多孔板抓取机械手的一些关键技术进行研究改进。在细菌的培养、鉴定等临床实验过程中，细菌培养板作为陈放细菌菌液的装置设备，它从指定位置到恒温孵箱的自动化，是细菌培养鉴定临床实验过程中一个很重要的过程。在国内一些半自动的细菌培养、细菌鉴定仪中，有许多的设备依然用手工的方法对细菌培养板进行加样和进行指定位置的移取，这样不仅很大程度降低了工作效率，浪费了大量的资源、人力，同时也可能导致操作过程中细菌的污染，给培养、鉴定结果带来影响，造成巨大的失，所以对细菌培养多孔板的自动化移取的研究具有很高的实际应用值。本课题根据给定细菌培养多孔板，设计出了一套用于抓取细菌培养多孔板的可实现自动化的机械手装置。从而使全自动细菌培养、鉴定仪能够大众化，更好的推动人们健康生活水平的发展。1.3.2 课题的主要工作 细菌培养多孔板抓取机械手，在本文中简称为多孔板抓取机械手，它是抓取细菌培养板到达指定位置的一种自动化机械设备。本文根据指定的细菌培养多孔板，通过机械手实现多孔板的自动化揭盖、抓取、移动等功能。机械手需要在固定的空间范围内，执行末端器的张开，机械手移动到多孔板的所在的位置，然后通过机械手的执行末端的闭合来完成细菌多孔板的抓取，并通过机械手的移动到达恒温箱指定的位置，从而实现细菌培养多孔板从试验台到达恒温箱的自动化全过程。 本文首先根据多孔板抓取机械手的任务要求以及运动特性与复杂程度，得到了机械后的有关的基本尺寸，并且建立了多孔板细菌培养板抓取机械手的三维模型，其中对机械手的整个外形框架、机械手的大小臂、用来抓取的末端执行器进行了设计，对传动系统、驱动的电机设备进行了相互比较和最后的确定选型；然后设计出了一种非常适合抓取多孔板的末端抓取执行器的结构；同时也考虑了末端执行器驱动机构以及手爪的夹紧，分析了夹持器的一些夹紧力学特性，为细菌鉴定仪其他方面的研究打下基础。第二章 多孔板抓取机械手的总体结构设计多孔板抓取机械手主要完成多孔板的揭盖和抓取与准确移动到恒温箱中准确位置，整个结构的布局示意图如图2.1所示。如图 2.2 所示为细菌培养多孔板的三维立体模型。其料、孔的数量、结构强度等影响到末端夹持执行器的夹紧力大小与末端夹持器的整个机械结构设计，其透光、抗腐蚀的性能又会对整个细菌鉴定实验的结果产生影响。在本课题中多孔板的外部几何尺寸为 128*86*15mm，材料选择是聚苯乙烯，工作体积是50-250ul/孔，整个板面有 96 个微孔，用于陈放细菌培养液。本课题主要任务是设计出自动化机械手，多孔板的揭盖、抓取和到达指定位置，都是通过机械手来自动实现。本课题主要设计出细菌培养多孔板抓取机械手机械结构。本章根据常用的设计方法对多孔板抓取机械手总体结构进行了设计。2.1 整体方案的确定 2.1.1 多孔板抓取机械手基本参数的确定 在整个设计工作开展之前，需要对多孔板抓取机械手的工作环境以及工作要求进行分析，根据分析过程，确定多孔板抓取机械手的自由度的数目、结构类型以及运动方式等基本参数。（1）确定机械手自由度数目 如图 2.4 所示，大臂要带动小臂、末端执行器进行平移和升降运动，所以大臂受到的力矩是最大的，所以在选择大臂驱动电机型号的过程中要特别注意电动机的驱动力矩是否满足驱动要求。小臂驱动电机固定在小臂上，通过滚珠丝杠带动末端夹持器的运动。以及灵活性能会好，但机械手的结构也将变得复杂，机械手的可控性也将会降低。自由度过少，机械手的运动达不到设计要求，使整个机构不能按制定方式运行。本设计针对细菌培养多孔板的抓取要求，确定机械手的自由度为 2 个，可以满足要求。 （2）确定机械手的工作空间 机械手的工作空间必须满足机械手有任务要求而确定的运动过程，机械手在整个空间中要能够在竖直和横向两方向上移动到多孔板的准确位置并完成揭盖和抓取任务完成抓取多孔板到达指定位置的任务。工作空间越大，但设备的体积越大，机械手结构也就大，浪费空间和材料；工作空间较少，机械手达不到运动求。本课题确定机械手两个自由度方向上的行程，从而确定出机械手的工作范围和机械手空间大小。在设计过程中，留出一定的行程余量，用来满足现场环境要求。（3）确定机械手结构类型 根据工业机器人的坐标特性，机械手主要分为球坐标型结构、圆柱坐标型结构、关节型结构以及直角坐标型结构四种。本课题机械手在两个自由度方向上的运动都是直线运动，所以根据划分的结构类型确定直角坐标型结构为机械手的结构类型。 （4）确定机械手运动方式 根据机械手的工作要求以及运动过程确定好机械手在各个方向上的单边行程、各个动作的先后顺序、各个方向的运动时间以及在某个时间点到达的位置，从而确定整个机械手的运动方式。（5）确定机械手合理的夹持力 在课题设计中，细菌培养多孔板的质量轻、强度较差，所以需要计算出用来抓取细菌培养多孔板的机械手的执行末端的合理的夹持力。 根据实际设计要求，结合国外微生物培养、鉴定仪的一些标准，确定本课题机械手的结构类型、运动方式、自由度及工作空间范围等基本参数，本课题将多孔板抓取机械手结构设计成直角坐标型。其机构原理图如图 2.3 所示：2.1.2 驱动方式的选择 目前最常用的机械手的驱动方式主要有气压驱动、液压驱动及电机驱动三种基本类型。液压驱动的优点有控制精度高，反应灵敏，可以实现无级调速，结构紧凑体积小，输出功率达；缺点是容易产生液体泄漏，造成环境污染，密封问题较大；电机驱动的控制精度高、定位准确、反应灵敏而且功率大，机构性能好，噪音低，不存在密封等问题；气压驱动的气体压缩性大，难以实现高精度、高速的连续轨迹控制根据需要，不易控制且结构较大，工作平稳性能差，密封问题较小。在选择机械手的驱动方式的时候可采用其中的一种，或合成其它形式的驱动系统。在做选择的时候，应该根据不同的工作需求，并从使用范围和输出功率、控制方面和结构性能考虑，选择合适的驱动方式。 本课题设计的机械手的工作环境在细菌培养实验室，所以机械手不能对环境有污染，由于多孔板的较轻质量，而且多孔板对承载能力要求较小，但是细菌多孔板的尺寸较小，要实现平稳的抓取多孔板，必须有比较高的控制精度，根据以上液压驱动污染及密封问题，及气压驱动控制精度低的问题，选择电机驱动为机械手的驱动方式。 2.1.3 传动方式的选择 滚珠丝杠传动、齿轮传动、蜗杆传动和链传动以及各种非线性传动部件等是机械手传动系统中常用的传动系统。机械手的传动系统要求具有良好的动态性能及较高的位置精度、准确定位，反映灵敏，使整个机械手设备能够平稳的运行。在选择机械手的传动系统时，应该满足以下要求： （1）机械手的传动系统要具有重量轻、惯量小、体积小、传动比大以及传动结构紧凑等特点。以保证机械手运动时的良好的动态性能及位置精度。（2）要注意传动机构设计的合理性，保证机构的正常运行与驱动系统的正常设置。 （3）选择传动系统时，要减少传动过程中产生的各种误差，确保传动的准确型和精度。 本课题选择直角坐标系类型作为机械手结构类型，电动机驱动作为机械手的驱动方式，选择运动时可以将电机的转动转换为执行部件的直线运动的滚珠丝杆传动作为机械手的传动方式。 滚珠丝杠能将直线运动转化为回转运动，或将回转运动转化为直线运动的一种设备，它是由滚珠、丝杠、螺母等零件组成。滚珠丝杠传动的传动效果和灵敏度都很高；传动过程较平稳、使用寿命长、磨损小；同时可提高轴向刚度，并且消除轴向间隙等。2.1.4 整体结构的设计 多孔板抓取机械手的基本参数以及驱动和传动方式确定以后，接下来需要对机械手的整体结构进行设计。机械手的整体结构，关系到机械手能否实现设计与工作要求，能否按照设计要求进行运动。在整体的结构设计过程中，必须保证驱动和传动机构运动方式正确，机构的重量要轻，强度与刚度要满足设计要求，结构合理，成本低廉，机构的加工工艺性能好。 应用于国外微生物培养、鉴定仪的模型中的机械手，它对空间尺寸有严格的要求，所以本课题设计的机械手必须对它运动过程中的空间尺寸要有严格的要求。由于设计的自由度为2个，机械手可以安装在固定的支架上，在设计实践中可以保证整个支撑结构的稳定性，提高机械手运动精度。因为多孔板由盖子和板座组成，所以在设计过程中要考虑到揭盖这一功能，这个可以通过小臂带动执行器上升一定距离来实现。 本课题的机械手的整体结构设计示意图设如图 2.4 所示。机械手安装在整个支架之上，大臂通过导向杆和滚珠丝杠与支架相连接，保证了机械手结构的平稳性；由大臂丝杠螺母带动小臂、末端执行器进行水平方向移动，满足机械手水平方向运动方面的要求；小臂通过滚珠螺母跟大臂相连接，配合大臂完成机械手在高度要求。 如图 2.4 所示，大臂要带动小臂、末端执行器进行平移和升降运动，所以大臂受到的力矩是最大的，所以在选择大臂驱动电机型号的过程中要特别注意电动机的驱动力矩是否满足驱动要求。小臂驱动电机固定在小臂上，通过滚珠丝杠带动末端夹持器的运动。2.2 结构的设计及选型 2.2.1 支架部分结构设计 微生物实验仪的整个框架，它在整个实验过程中需要支撑机械手的全部重量，并且用来规划机械手的整个工作空间及放置其他的仪器设备，机械手的所有运动都在支架的封闭空间内。本课题采用箱柜的支架结构，四周设计 4 个支撑柱，后背设计的形式为支撑横梁，与机械手的导轨和大臂相连，支撑整个机械手的重量。整个支架要具有很好的刚度和强度，保证在机械手的整个运动过程中不发生变形。支架结构三维图如图 2.5所示。 支架的长宽高为 1200600820mm。2.2.2 手臂的设计 在设计机械手手臂的时候，要根据多孔板的质量，机械手的结构以及驱动电机的位置布置形式等综合考虑，对手臂的要求是重量尽可能的轻，手臂的刚度和强度要好。在本课题的设计过程中，大臂跟小臂的结构形式基本样，都是由驱动电机带动滚珠丝杠进行运动，同时通过导向杆保证机械手的垂直和水平方向的精度，联轴器使驱动电机与滚珠丝杠相连，同时设计好了驱动电机与滚珠丝杠支撑板，保证运动的平稳性。滚珠丝杠选择内循环列，大臂滚珠丝杠外径是 20mm，导程是 5mm；小臂滚珠丝杠外径是16mm，导程是 5mm。导向杆设计成中空的镀铬棒，以减轻 机械手的整体重量。根据测试位置，设置的大臂长460mm；小臂的长度是440mm；设定大臂导向杆外20mm，长度为 460mm；小臂导向杆外径尺寸为12mm，长度440mm。2.2.3 驱动电机的选型 电动机设备的功能是把电能转换为机械能，直流电机、三相异步电机和微特电机是常用的电动机类型，伺服电机和步进电机又是微特电机的两种不同种类。依据机器手的特性，比较常用的驱动电机一般为步进电机跟伺服电机。（1）伺服电动机 伺服电动机的功能是把输入信号变换成为电机轴上输出的角速度或角位移，它是比较常用的一种微特电机，通过改变输入电压信号的大小和方向就可以改变转轴的转速与转向。直流伺服电机和交流伺服电机是伺服电动机的两种不同类型，其主要特点是控制性能好，可根据控制电压信号而自动运行与停止。因此，与其他电动机相比较，伺服电动机具有以下特点： （1）可控性好：可根据信号的变化立刻做出反映； （2）稳定性高：转速随转矩的增加而均匀下降； （3）适应性强：反应快，灵敏度高； （4）可调范围大：电动机的转速随着伺服电动机的电压变化而变化。 伺服电动机的特点与其应用范围如表 2.1 所示。（2）步进电机 步进电机是开环执行元件，它的功能是将脉冲信号转换为轴的线位移或角位移。电机载荷在正常的载荷的条件下，步进电机输入脉冲信号和脉冲数决定了步进电机的的起停位置以及转速大小。 步进电机的控制性能好，所以在机械行业应用的非常广泛。尤其在自动控制领域内，它表现出更大的优势。 步进电机的分类和特点如表 2.2 所示。 通过对上述伺服电动机和步进电动机的特性进行比较，并根据多孔板抓取机械手的控制要求，选取步进电动机作为驱动电机。 在确定多孔板抓取机械手电动机型号之前，我们需要计算出多孔板抓取机械手所需要的最大输出扭矩。根据机械设计以及材料力学常识可以看出，需要承受最大的驱动扭矩的是大臂驱动电机，所以需要先计算出大臂驱动电机所需要承受的最大扭矩。 在进行机械手驱动电机的选型过程中，机械手臂移动过程中的运动速度很低，因此转动惯量也很小，所以有速度产生的转动惯量对驱动电机的作用力可以忽略不计。在选型过程中大臂驱动电机的力矩T 要大于负载转矩Tf，即驱动电机的力矩要大于整个小臂、末端执行器和小臂驱动电机对大臂的重力矩： T Tf=mgl由设计可得小臂的质量为 2kg，末端执行器质量设计成0.8kg。小臂驱动电机和腕关节驱动电机的选型跟大臂驱动电机的选型方法相同。小臂驱动电机选择型号为 57BYG350DL-0601，扭矩 1.5Nm，质量 1.1kg。 求出整个小臂，末端夹持器以及电机对大臂的质心距离，可得出距大臂驱动电机作用线的距离 l=80mm,代入设计数据，得： Tf= 9.8(2+0.8+1.1)80/1000=3.0576Nm 多孔板抓取机械手大臂驱动电机通过驱动滚珠丝杠来带动小臂和末端执行器在水平和竖直方向上移动，根据计算得到的负载转矩Tf= 3. 0576Nm，选型为 86BYG350BH。 86BYG350BH 型步进电动机的技术参数和运行矩频率特性分别如表 2.3和图 2.6 所示。2.2.4 联轴器的选型 联轴器，用来联接机构中不同的两根轴（驱动的轴称为主动轴，被驱动的轴称为从动轴）使其共同旋转以传递驱动轴扭矩的零部件，属于通用机械零部件范畴。联轴器一般用于联接驱动轴跟需要传递扭矩的被驱动轴。 在机械传动过程中，原动机和从动机是通过联轴器相连接的，梅花联轴器，弹簧联轴器，螺旋联轴器，刚性联轴器等联轴器是比较常用的。 绝大多数的联轴器都已经标准化，可以选择合适的联轴器来满足自己的结构设计，本设计按照下面步骤进行选型： （1）选择联轴器的类型跟结构形式 在选型时候要弄清楚联轴器在整个传动系统中需要满足的功能，考虑传动系统设计时候的各种参数、传递载荷的大小、转动时候的位置精度以及设计要求等。 （2）计算联轴器的扭矩 在机械手传动过程中，驱动轴驱动的输出功率要求要能够满足从动轴所需要的最大功率。通过原动机的功率和转速以及计算公式，计算求得机械手系统中速度较高轴处的理论转T ；通过转矩的计算公式： Tc=K TK设定的工况系数；可得到传动过程中传动系统中联轴器的实际转矩Tc 。 由于联轴器的理论转矩T 与转速 n 成反比关系，因此高速端的理论转矩T 小于低速端的理论转矩T 。 （3）初步确定联轴器的型号 由上述计算公式，可得到联轴器的计算转矩Tc，根据联轴器选型的标准，选择与计算得到扭矩Tc比较接近的公称转矩Tn ，联轴器的公称转矩满足关系表达式TnTc。从而初步确定所需要的联轴器型号，从联轴器通用化标准中，查找初选时候的联轴器的一系列相关参数，如许用转速 n 等参数，选型的时候同时要确保满足以下关系式 n n。 （4）根据联轴器轴径大小调整型号 观察第三步中初步确定与联轴器相关的关键尺寸，例如径向直径尺寸d以及轴向长度尺寸 L，它们之间的尺寸应该要求符合主动轴跟从动轴端径通过联轴器联接时的要求，如果不能够满足要求，则需要根据轴径d值重新来选择联轴器的规格。 （5）选择联轴器连接时候的联接形式 根据普通情况，联轴器联接主动轴跟从动轴的形式，多采用键进行联接。 （6）进行必要的校核 如果有需要，要对联轴器中的主要传动部件进行强度校核，看是否能够满足传动过程的强度要求。 （7）选定联轴器型号、种类以及结构形式。 本课题要根据机械手的载荷、移动的速度、工作环境确定联轴器的种类和联轴器的结构形式；通过从联轴器轴孔直径、轴孔长度和转矩等方面，并通过验算校核，最后确定联轴器的型号，从而完成联轴器的整个过程的选型。根据以上选用原则，在本机械手设计中选用的联轴器类BF梅花式联轴器。这种联轴器使用寿命长，结构不复杂，径向尺寸小，可以节省机械手的工作空间。梅花联轴器能够应用于伺服系统，可用于连接步进电机、伺服电机和滚珠丝杠等驱动和传动系统，而在论文设计中，由于工作要求，系统要连续运行，工作时间长，同时考虑到成本等因素，所以选用BF 梅花式联轴器。 表 2.4 为 BF 梅花联轴器的一些基本参数。2.3 多孔板抓取机械手总体效果 在完成了多孔板抓取机械手的支架、大小臂的结构和尺寸设计和驱动系统、传动系统以及联轴器的选型之后，通过以上的设计得出总体结构设计，然后在 ug中绘制机械手的总装配图。机械手整体装配结构图如图 2.7 所示。2.4 本章小结 本章结合多孔板抓取机械手的设计要求和工作环境，对多孔板抓取机械手的支架、大小手臂进行了结构设计以及完成驱动电机和联轴器的选型；并且在Ug 中完成了机械手所有零部件的建模和机械手的整体装配。此次设计的多孔板抓取机械手共具有 2 个自由度，其中大臂在水平方向上移动，小臂在垂直方向上移动；大臂和小臂由步进电机通过联轴器进行驱动，整个结构简单、便于调速；减少驱动电动机的扭矩，为了减轻机械手的重量，在没有特定说明材料类型的地方，都选用材质较轻，刚度较好的铝合金材料。 第三章 末端执行器的结构设计3.1 末端执行器介绍末端夹持器是安装在机械手最前端，通过手腕与机械手臂相连接，可根据设定的控制要求自动运动来完成工作任务的一种装置。在设计末端夹持器之前，应该对设计好的多孔板的结构与抓取方式进行分析，在满足要求的大前提下，尽可能的节省材料，减轻末端夹持器的重量。本课题中末端执行器要抓取多孔板到达指定位置，并且完成揭盖功能，所以末端执行器的空间运动只需要一个自由度就可以确定。抓取多孔板的时候，末端执行器按设计要求到达多孔板所在的位置，然后抓取多孔板，上升、移动多孔板到达达指定位置上方，下降放置多孔板、揭盖，从而完成整个任务。 末端执行器的主要设计要素、多孔板的特征以及操作参数之间的关系图如下 3.1 所示。3.2 末端执行器的选型 工业机器人中应用的末端执行器有很多种类型。按手爪的按驱动方式可以分为：（1） 液压驱动末端执行器；（2） 电机驱动末端执行器；（3）气压驱动末端执行器。按手爪个数可分为：（1） 多指型末端执行器；（2） 双指型末端执行器。按运动方式可分为：（1） 平移型末端执行器；（2） 回转型末端执行器（可细分为但指点和双指点）。按夹持方式可以分为：（1） 内撑式末端执行器；（2） 外夹式末端执行器。本文根据机械手的任务要求和现有的末端执行器为参照，设计一种适合抓取多孔板的机械式夹持器。 机械式夹持器由手指、传动机构和驱动机构三大部分组成。在本论文设计中，设计两指形式，从控制和结构上讲，两指结构便于控制且比较简单。 回转型和平移型为机械式夹持器的两种不同的类型结构。回转型夹持器手抓是围绕手指根部做张开和闭合的回转运动。根据传枢轴支点个数，细分为单支点和双支点回转型。平移型夹持器手指做平移运动来完成张开和闭合，在夹持过程中，工件直径的变化将不会影响其轴心的位置，适合夹持方形、夹板的物体。机械式夹持器类型如图 3.2 所示。3.2.1 夹持器末端执行器选型的基本要求（1）要有适当的夹紧力和驱动力 机械手的末端执行器的夹持器夹紧多孔板，并将多孔板移动到指定位置。由于多孔板本身的重量以及夹持器在夹持的过程中产生的惯性力和夹紧力，机械手的手爪必须要有一定的夹持力，防止多孔板在抓取夹紧过程中掉落。但是机械手的手爪夹紧力必须有合适的大小，手爪的夹持力过大的话会使多孔板破裂，对鉴定过程及结果产生很大的影响。末端执行器的驱动系统还必须要提供足够的驱动力，一般情下，机械手手爪抓取工件时的夹紧力是所抓取工件驱动力的 23 倍。根据合适的夹紧力选择合适的驱动装置。 （2）手指张开跟闭合范围要适合 机械手末端执行器的手指在抓取多孔板的运动过程中手指要有适合的运动角度，以便能顺利抓取多孔板。 （3）机械手末端执行器的结构应该根据多孔板的外形设计合适的手部结构，以保证机械手在抓取时的精度。 （4）考虑末端执行器的通用性 可以根据调整手指的方法，提高末端执行器的通用性，设计一个通用化的专用末端执行器。3.2.2 末端执行器结构 工业机器人连杆杠杆式回转型夹持器。如图 3.3 所示。工作原理：当驱动电机通过联轴器、滚珠丝杠推动杆 1 向上运动时，由杆 1、连杆 2、摆动的钳爪 3 和夹持体构成四杆机构，迫使手指完成松开动作，使机械手做好抓取多孔板的准备；反之，当