《悬挂式助力机械手设计》12000字（论文）

悬挂式助力机械手设计摘要：目前助力搬运机械手应用非常广泛，本文通过分析助力搬运机械手在智能搬运实际应用过程中的发展情况，助力搬运机械手目前的发展情况以及具体的应用情况及其具体的分类进行了具体的分析与阐述，为后续所设计的助力搬运机械手的的方案设计提供了一定的理论依据。然后根据设计要求，对所设计的助力搬运机械手的回转机构、夹持机构、末端操作机构等整体结构以及机械手进行了具体的方案分析。最后根据任务书给定的基本参数，针对本次所设计的助力搬运机械手驱动装置、传动机构、传动轴等重要零部件进行了具体的参数计算与校核，对其进行了受力、结构、承载等多方面的计算。最后助力搬运机械手结构进行了工程图绘制。关键词：机械手；结构设计；助力搬运；悬挂式目录TOC\o"1-3"\h\u27132摘要 III第一章绪论1.1研究背景本次助力搬运机械手的设计主要用于搬运货物中，货物搬运过程中非常耗时耗力，在工厂货物搬运或工件加工的工序中，把输入输送装置输送来的货物或者待加工的工件传递到指定的位置，劳动强度较高、环境恶劣。若在货物或者工件的整个工序中全部采用人工完成，在效益上难以满足生产要求，而且长此以往处于这种环境中，对工人身心健康会带来一定的危害，这样的生产模式注定是要被科技社会淘汰的。随着技术的不断更新、工业的高速发展，传统的劳动密集型工业生产已经无法满足市场的需求，并随着劳动力成本的上升，迫使企业不得不面临企业转型，向技术密集型转化，传统的生产方式不仅耗费大量劳动力而且生产效率低，质量无法得到稳定保障。机械手作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，已经在工业生产中得到了广泛的应用[1]。机械手的出现使传统的人工搬运变成了自动化搬运，使劳动力在工业生产中得到解放，提高了工业生产的可操作性。1.2国外研究现状机械手在日本应用的历史非常悠久。在七十年代时机械手首先得到应用，然后经过十年的发展，在八十年代的时候机械手已经得到普及。相应的他们工业年产值也得到了快速提高。1980年达到一千亿日元，到1990年提高到六千亿日元。在2004年时已达到了一万八千五百亿日元。可见机械手在提高生产效益方面的重要性。在国际方面，各个国家已经意识到机械手的重要性。所以机械手的订单急速上升。在2003年的订单量相对于2002年增长了百分之10。此后机械手的需求量仍然不断上升。从2001年到2006年全球订单增长多达90000多台。平均年增长为7%。机械手涉及到非常多学科的知识和领域。包括：计算机、电子、控制、人工智能、传感器、通讯与网络、控制、机械等等。机械手的发展离不开上述学科的发展。正是由于各个学科的相互影响和综合集成，才能制造出自动化程度高的及其人。随着科学技术的进步，机械手在应用得范围越来越广泛；技术也越来越得到调高，功能更加强大。现在很对机械手的研究都往小型化发展。机械手将会更多的进入到人们的日常生活中去。总体的发展趋势是模块化、标准化、更加智能化。机械手的广泛应用，对提升产品的质量与产能、保障人员安全，改善劳动环境，降低劳动的强度，提高生产效率，节约原材料消耗以及降低生产成本，起着一个十分重要的作用。机械手的广泛应用体现以人为本的原则，它的出现让人们的生活更加便利和美好。1.3国内发展概况机械装备制造业已经有了与以前不同的趋势，机器精密度大幅的提高，适应面也不断的增加，一些机器的体积也是大的惊人。这类高精密机器在不同的制造业已经开始比较广泛的推广了，这就比较清晰的展示出了机器自动化时代的发展趋势。中国作为发展中国家中的制造大国。更要牢牢的把握住这样趋势。洞察机械装备发展的方向，奋力直追，努力弥补与国外机械装备的差距。因此，悬挂式助力搬运机械手机械结构的研制，就成为了未来高精密机械研制的方向之一，而且为机械装备重要组件之一的搬运机器人，既要承载工件重量、还要有部分夹具的功能，所以它的设计非常重要，也不容忽视。如下图1.1所示为吸盘式物料分拣机械手结构示意图，主要应用于生产线的物料分拣，分别通过气缸和电机实现整个机械手的运动控制，对于整个抓举工业机器人的升降过程采用电机驱动实现，对于整个抓举工业机器人的抓举过程采用气缸驱动实现。如下图1.2所示为搬运机械手结构示意图，主要通过液压缸或者气缸实现工作台的抓举动作，通过电机带动中间传动装置的运动实现工作台的旋转运动。如下图1.3所示为可移动式吸盘机械手结构示意图，分别通过液压缸或者气缸和电机实现整个抓举工业机器人的运动控制，对于整个抓举工业机器人的升降过程采用液压缸驱动实现，对于整个抓举工业机器人的旋转过程采用电机驱动中间传动装置的方式实现。此布局方式将电机和液压缸均至于整个工作台的底部，从而一定程度上提高了传动精度，增强了稳定性。图1.1吸盘式物料分拣机械手结构示意图图1.2辅助搬运机械手结构示意图图1.3可移动式吸盘机械手结构示意图1.4课题的主要内容研究目标：针对助力搬运机械手总体方案以及机械结构进行设计，可以使用电机等驱动对应的旋转装置、移动装置完成机械手及手爪抓紧机构的位置变化，并完成整个机械手上端搬运货物的工作要求，为了适应更多的工作环境，我们采用电机驱动方式进行整个助力搬运机械手的运动进行机械手的伸缩动作、以及行走机构行走轮的运动控制。主要内容是：研究助力搬运机械手现状和发展趋势，研究助力搬运机械手总体方案设计以及各个部位的工作原理，分析现有各类助力搬运机械手的功能、结构，针对助力搬运机械手的具体应用实际现场情况，设计一种助力搬运机械手。主要设计内容：主要完成助力搬运机械手总体方案设计、主要结构设计、参数计算并绘制工程图纸。在本次助力搬运机械手设计过程中将做以下工作：对助力搬运机械手的底座进行设计计算；对助力搬运机械手的机械手伸缩机构进行设计计算；对助力搬运机械手的驱动机构进行设计计算；对助力搬运机械手的升降机构进行设计计算；对助力搬运机械手的夹持机构进行设计计算。第二章传动方案设计2.1夹持机构方案设计为将货物或者工件夹起来并放到指定位置中，可通过如图2-1所示的三种方案实现，接下来对这三种方案进行对比。ABC图2.1夹紧机构传动方案简图方案A:工作原理：如图2-1A所示，结构为剪刀式取料手，采用液压缸为动力元件，当液压缸向外输出力时，利用杠杆原理，取料手前段向内收拢，紧紧抱住工件，反之则松开工件。优点：自定心精度高，反应迅速，液压输入力量大。缺点：对液压缸的安装要求技术较高，横置液压缸会使结构体积较大，在操作末端不易采用，夹紧力不易控制，对液压元件要求较高。方案B工作原理：如图2-1B所示，在气缸的作用下，向上推动滑槽，推杆末端的分力作用在对称杠杆上，使取料手向外张开，松开货物或者工件。当气缸往回运动时，手指收拢，抱紧货物或者工件优点：气体易获取，反应迅速敏捷，对环境污染小，能耗小。结构较小，所需安装精度较低。缺点：滑槽磨损后定位精度会发生微小变化。方案C工作原理：如图2-1C所示，将手指与涡轮固接在一起，对称布置，用蜗杆同时驱动连个涡轮旋转从而带动手指向内收拢或者向外张开。优点：涡轮蜗杆有自锁能力缺点：蜗轮蜗杆制作及安装精度要求较高，需采用伺服电机精确运作，实现成本较高。通过以上三种方案的对比，综合考虑体积、重量、维护成本、技术要求等因素，采用B方案。A方案采用液压传力，其可以满足对力的要求，但是横置的液压缸不易安装；对于C方案，由于电机所产生的转矩较小，对称的涡轮蜗杆必然会加大体积、增重质量，除此之外，涡轮蜗杆需要较高的安装精度，需要使用伺服电机来控制，增加了成本；采用方案B是因为其结构及安装较为简单，易于控制，体积小，且成本相对较低。2.2底座传动方案设计底座作为机械手的基体，需承受机械手的全部质量，要具很高的刚度和抗冲击性，工件的左右移动通过底座的旋转来实现，所以底座除了抵抗手臂和工件的倾覆力矩外还要承受机械手整体旋转的扭矩。在了解底座的作用的基础下，提出了如图2-2所示的两种传动方案。AB图2.2底座传动方案简图方案A工作原理：如图2-2A所示，底座要实现旋转机体的转动功能是通过一对齿轮作为减速系统来放大扭矩，电机和小齿轮利用弹性联轴器连接，弹性联轴器的作用是吸收冲击能量，对电机有一定的保护作用。在底座连接盘上安装机械手机体，包括动力臂、动力臂驱动电机及减速器，其机体的全部质量由最上面的一副推力轴承承担，在中心轴两端分别布置两对深沟球轴承，承受机体对底座的倾覆力矩。当电机转动时，经过齿轮放大扭矩带动中心轴转动，从而带动与底座连接盘上安装的机体，通过底座的旋转实现货物或者工件的左右平移搬运。优点：力矩放大，同时齿轮能吸收一部分载荷冲击，对电机的选择要求降低。不足：空间体积较大，对齿轮的加工及安装精度要求较高，齿轮的传动误差不利于工件搬运的较高精确定位。方案B工作原理：如图2-2B所示，电机通过弹性联轴器直接与中心轴连接，中心轴的齿轮布置与方案A相同，同样的，机体的重力由推力轴承承受，中心轴上下两端的深沟球轴承承受机体的倾覆力矩，电机直接带动心轴转动。优点：结构较为简单，电机与心轴直连削弱了中间连接件的功率及扭矩损失，消除了如齿轮传动带来的齿隙误差，提高了定位精度。不足：负载冲击直接对电机造成影响，对电机的性能要求较高。通过以上两种方案的对比，在传动精度方面，方案A通过一对齿轮来放大电机的驱动力矩，降低了对电机性能的要求，但是齿轮的加工及安装降低了定位精度，而方案B则是电机直接通过联轴器与中心轴连接，没有像方案A那样的齿轮间隙误差及齿轮安装误差，所以方案B的定位精度高于方案A。两种方案的受力情况相同，在结构方面，方案A的结构较为复杂，保证齿轮安装的高精度提高了底座的工艺要求，而方案B相对而言结构简单了许多，加工精度上易于实现。通过比较，选择工艺上较易实现，定位精度较高的方案B。2.3机械手机构设计根据实际工作要求，机械手需要对货物或者工件进行搬运，如下图2.3所示采用常见的单臂机械手和如图2.4所示双臂平行四边形结构的机械手实现货物或者工件搬运。单臂机械手其：优点是结构简单，制造的技术要求及零部件加工精度容易保证，且结构较为轻量化，适用于多自由度的加工要求，比如焊接机器人。双臂平行四边形结构的机械手：其优点就是强度及刚度大，末端操作器可一直保持水平状态，适用于平移搬运工件、高负载工作情况。对比以上所述两种结构，单臂机械手可满足大部分低负荷工作情况，但是需要配置控制水平较高的电气控制元件和具有先进的计算机技术及编程水平；平行四边形手臂虽然结构较为复杂一些，整备质量略重一些，其始终保持末端操作器水平，所需控制技术水平相对于第一种较低，制造成本也相对较低。对于本次研究课题--车轮货物或者工件的搬运而言，货物或者工件质量较重，加工中只需机械手参与平移即可，没有翻转或者角度位移，所以结合实际工作情况，考虑技术要求、结构及制造成本采用平行四边形结构。图2.3单臂机械手外形图图2.4平行四边形手臂结构简图2.4机械手驱动方案选择对于手臂的驱动，可采用液压缸驱动及伺服电机、步进电机驱动。液压驱动的优点有驱动力大，响应速度快，维护简单，但是高压对液压元件要求较高，还有其定位精度低，不易用于对加工精度要求较高的场合；电机驱动的优点是可实现精度较高的定位，但工作力矩相对于液压较小，需要使用减速器放大力矩。本研究课题的实际工作情况需要将机械手定位在三个不同的位置点上，所以液压缸不宜采用，选择伺服电机作为机械手臂的动力元件。

第三章主要零件结构设计3.1夹持手指结构设计夹持手指作为机械手的末端操作器，其作用就是夹紧货物或者工件，保持货物或者工件处于稳定的水平状态、不能对货物或者工件造成破坏，而且具有较高的定位精度。在第二章第一节中采用方案B的夹紧方案，手指中间有一个支点，在结构设计中，利用销作为夹持支点，手指末端加工为滑槽。具体结构如下图所示：材料：45钢，经过正火处理、屈服强度355MPa成型方法：铸造+机加工图3-1一体化手指图3-2组合活动手指图3-3手指躯干截面图如上图所示，初步设计了两种不同机构的夹持手指，悬臂部分横截面相同（如图3-3所示），图3-1所示架构较为简单，整个夹持手指为一个整体。图3-2所示接触部分为活动圆弧面，与图3-1所比较，其具有较高的定位精度和可适用于大范围半径的货物或者工件，比较以上两种不同结构，结合实际工作要求，所搬运的货物或者工件的直径范围为400-600mm，变化较小，要求结构轻量化，所以采用如图3-1的结构。3.2手指座结构设计手指座作为夹持手指、气缸安装的基体，手指在手指座上的安装如图3-4所示，需要承受手指对工件的加紧反力和气缸的推力和拉力，需具有一定的强度，手指座的机构要求简单，轻量化，便于加工，容易实现工艺要求。根据机械手对末端操作器的要求，对手指座进行了如图3-5所示的设计，对手指座前端加工了两个孔，用于安装夹持手指，手指座中间位置加工了一个大圆孔和4个螺栓孔，用于与旋转电机的定位连接，并且该区域进行了上凸处理（高度大于螺母厚度），这样使得手指座的空间得到扩大，给手指的安装带来了很大的便利。在手指座的后端焊接了一个气缸安装座，用以安装夹持气缸。除此之外，对手指座进行了挖空，去除多余的材料，以至于减轻质量，提高末端操作器的灵活度，达到结构轻量化的要求。材料：铸铝，抗拉强度600MPa，屈服强度355MPa（见[6]表2-17）。成型方法：铸造+焊接+机加工。图3-4手指座部分零件安装示意图图3-5手指座外形图3.3小臂固定板结构设计小臂固定板用以末端操作器（夹持手指）和小动力臂的连接，同时也作为末端旋转电机的安装基体，轴承与轴及机体的安装，结合实际设计，旋转轴和轴承与小臂固定板的安装如图3-6所示，在机械手运作中始终保持水平状态，以保证货物或者工件的水平，具体结构设计如图3-7所示,形状类似于套杯，对其内表面加工成阶梯孔，用以安装推力球轴及深沟球轴承，套杯的两侧相切焊接两块平行的钢板，对板进行精加工，用以与小动力臂连接，平行座顶部凸出的圆盘，在上面加工4个螺栓孔，用于安装旋转电机。材料：45钢，抗拉强度600MPa，屈服强度355MPa。成型方法：铸造+焊接+机加工。图3-6小臂固定板零部件安装剖面图图3-7小臂固定板外形图3.4手臂连接座结构设计手臂连接座位于机械手的中间部分，属于机械手重要关节，手臂座用于大动力臂与小动力臂的连接，除了连接两手臂之外，还需在上面安装小手臂的驱动电机及减速器，具体结构如图3-8所示，手臂座的左端用于和大动力臂及大动力臂小杆连接，其孔中心距与底座的旋转盘（安装大动力臂及小杆）上的孔中心距一致，使得两臂平行；右半部分用以安装减速器（含电机）和安装小动力臂及小动力臂小杆，同左半部分一样，右半部分的两臂安装孔中心距与小臂固定板的左端的孔中心距一致，使得连接杆平行，形成平行四边形。材料：45钢，抗拉强度600MPa屈服强度355MPa。成型方法：铸造+机加工。图3-8手臂连接座外形图3.5底座连接盘结构设计底座连接盘的作用是安装大动力臂及驱动电机和动力臂及大动力臂小杆，同时与底座旋转中心轴相连接，具体结构如图3-9和图3-10所示，连接盘上方焊接两块钢板，内侧板厚度大于前侧，内侧板加工了8个螺栓孔，用以安装减速器，两块钢板上同轴的孔用以安装大动臂及小杆；圆盘上加工了8个直径为21的螺栓孔，用于和底座旋转轴相连接，在底座下表面做了挖槽处理，使得下表面加工面积变小，同时连接盘上的所有孔都进行了凸台或者沉孔的处理，改善了加工工艺，提高了连接的可靠性。材料：45钢，抗拉强度600MPa，屈服强度355MPa。成型方法：焊接+机加工。图3-9底座连接盘剖面图图3-10底座连接盘外形图3.6底座结构设计底座作为机械手的基体，需承受机械手的全部质量，要具很高的刚度和抗冲击性，工件的左右移动通过底座的旋转来实现，所以底座除了抵抗手臂和工件的倾覆力矩外还要承受机械手整体旋转的扭矩。在了解底座的作用的基础下，提出了以下如图3-11和图3-12所示的两种设计方案，下面对这两种结构从受力情况、工艺上进行比较。图3-11内外双轴承底座图3-12套杯式底座图3-11内外双轴承底座方案A：工作原理：如图3-11所示，对底座的内外表面进行加工，将手臂连接座设计为套筒式并对其内表面加工，在底座和套筒式手臂连接座之间安装深沟球轴承用以承受机体对底座的弯矩（倾覆力矩），在手臂连接座的底下安置推力轴承用以承受机体重量，中心轴通过键与手臂连接座连接，底座下方放置伺服电机，通过柔性联轴器与中心轴连接。优点：机体的倾覆力矩由底座来承受，改善了中心轴的受力。不足：同时对底座的内外表面进行加工，二次加工不易保证内外同轴度，使安装存在很大的难度。方案B：工作原理：如图3-2所示，手臂连接座与中心轴通过螺栓固连，旋转中心轴与底座通过套杯来间接连接，同样的使用推力轴承承受机体重力，电机和中心轴间通过柔性联轴器连接。优点：套杯作为中心轴与底座的中介，可以单独加工，保证了套杯的精度即保证了整个旋转底座的安装精度，同时对底座的加工要求变低，只需精加工与套杯配合的圆周面。不足：心轴承受较大的弯矩（倾覆力矩）。通过对以上两个方案的对比，A方案改善了心轴的受力情况，将机体对底座的倾覆力矩转移到了底座上，但在对底座的加工方面来说，底座的内外表面进行精加工，难以保证内外的同轴度，对加工技术和装配技术要求较高；B方案存在的问题就是心轴同时承受弯矩和扭矩，但是在对加工工艺技术和装配技术要求较低，套杯作为一个可分离的零件，其加工精度可得到保证，同时使底座的加工变得简单；方案B的加工工艺性优于方案A，可行性较高，所以选择方案B。具体结构说明：底座由上、下两个部分组成，上下两个部分通过圆柱面定位，螺栓固连，底座的下部分用于安装底座旋转电机，如图3-13所示。在底座下部分加工电机定位孔及螺栓连接孔，在下表面凸台加工8个地脚螺栓孔；底座上半部分用于安装轴承套杯，需对其上表面和与套杯的接触面进行加工，套杯与底座上半部分的安装精度直接关系到转动心轴与电机轴的同轴度误差，所以需对底座下部分电机定位孔和底座上部分套杯定位孔进行转配精加工以保证较高同轴度。套杯通过螺栓与上半部分连接，底座中心轴与底座连接盘两连接，从而带动机械手本体旋转。在底座上下两个表面分别开散热孔，改善电机的运行环境和便于电机及其他零部件的安装，如图3-14所示。材料：HT200，抗拉强度200MPa。成型方法：铸造+机加工。3-14底座三维图图3-13底座部件安装图

第四章动力源选型计算与中心轴校核3-14底座三维图图3-13底座部件安装图4.1气缸的选型计算表4-1货物或者工件原始数据长度直径中心孔直径货物或者工件重量350～500mm400～600mm100～200mm不大于50公斤手指对货物或者工件面的支持力按公式（4-1）进行计算公式（4-1)式中FN1为垂直于货物或者工件面的支持力，N；为支持力与重力的夹角,°；G为货物或者工件重力（G=m·g），N。所以手指需要对轮壁面施加731N的垂直于轮壁的支持力。通过公式（4-2）计算手指对货物或者工件面施加731N的支持力时需要水平方向的压力的大小公式（4-2）式中FNL为手指与货物或者工件面的支持力的水平分力，N；为水平压力与货物或者工件面支持力的矢量角，°。由上述计算的FN1=731N,由图4-2得到，所以有。所以要产生731牛的支持力需要水平方向施加778N的力。图4-2货物或者工件受力分析图采用加紧机构方案B进行力的分析，根据杠杆原理按照公式（4-3）计算滑槽与销钉接触面的压力公式(4-3）式中为支持力作用点到支点的距离，mm；为气缸力到支点的距离,mm；为手指滑槽与销钉接触的压力,N。由图4-3得到=330mm，=124mm，带入公式（4-3）得到应用公式（4-2）计算气缸拉力，由图4-3得=，带入计算得：所以气缸所需拉力为4380N。选用FESTO公司的DNC-KP系列气缸，气缸参数为：工作压力：6bar气缸直径：100mm工作行程：80mm理论推力：4718N图4-3夹持手指结构示意图理论返力：4418N图4-3夹持手指结构示意图静态保持力：5000N4.2夹持机构电机选型计算计算电机轴的负载:①.手指座对电机轴的转动惯量指定手指座的材料为45钢（密度为7.85），利用solidworks软件对零件进行质量属性分析得到手指座的质量m为8.23kg，对其质心的转动惯量为=0.098，其质心到电机轴的距离h为26.5mm。公式（4-4）式中为物体对指定轴的转动惯量，；为物体对质心的转动惯量，；m为物体的质量，kg；h为物体质心到指定轴的垂直距离，m。将以上相对应的已知量代入公式（4-4）计算得手指座对夹持机构旋转电机的转动惯量为：②.夹持手指对电机轴的转动惯量指定手指材料为45钢，正火，利用软件对其进行质量属性分析得到质量m为3.8kg，对其质心转动惯量为0.18，质心到电机轴的距离h为247.5mm，利用公式（4-4）该零件对电机轴的转动惯量：将以上相对应的已知量代入公式（4-4）计算得手指座对夹持机构旋转电机的转动惯量为：③气缸对电机轴的转动惯量由FESTO公司DNC标准气缸技术参数得其重量m为4635g，对其质心转动惯量为0.015，其质心到电机轴的距离h为231.9mm，利用公式（4-4）该零件对电机轴的转动惯量：④手指座连接盘及转动心轴的转动惯量指定连接盘和转动心轴的材料为45钢，正火，利用软件进行转动惯量分析得其对质心转动惯量分别为=0.0004、0.007所以0.0074⑤货物或者工件对电机轴的转动惯量将货物或者工件视作为质量分布均匀的圆柱体，应用[2]附录A圆柱体的质心转动惯量公式公式（4-5）式中Jcz为圆柱体质心转动惯量，；m为圆柱体质量，kg；r为圆柱体半径，m。由货物或者工件原始数据得到m=50kg，r=0.3m，代入公式（4-5）计算得到货物或者工件对其质心的转动惯量为：利用CAD软件测量货物或者工件中心轴到夹持机构旋转中心轴的垂直距离h为387.5mm，应用公式（4-4）计算货物或者工件对夹持机构旋转中心轴的转动惯量为：综上得到电机轴的负载惯量为：根据工作要求，手指旋转角度初步定为150°，完成一个工作行程的时间为2秒，预设旋转加速时间为0.5s，可做出时间-速度关系图，如图4-4所示。所以得旋转加速度为，转数为：。图4-4v-t关系图图4-4v-t关系图计算负载转矩公式（4-6）式中为负载转矩，N·m；J为负载总惯量，；为转动加速度，。通过以上计算得到J=11.2，=3.5，代入公式（4-6）计算得负载转矩为：加载在伺服电机输出端的力矩与加载在减速器输出端的力矩的关系计算电机转矩公式（4-7）式中为电机输出力矩，N·m；为减速器减速比（电机和旋转中心轴为直连，=1）为减速器效率（电机和旋转中心轴为直连，无减速器=1）将已知数据代入公式（4-7）得到所需的电机输出转矩为：选用130系列步进电机，步矩角为1.2°，转速为30转每分钟时的转矩为44，保持转矩为50，额定电流8.5A，电机重量22kg，转子惯量为，适配驱动器型号HBQ30722A，所选电机满足工作要求。4.3夹持机构中心轴校核夹持机构中心轴的材料为45钢，调质处理。由第四章第一节得该心轴所受的最大扭矩为39.2N·m，货物或者工件到轴心距离为387.5mm，计算货物或者工件对其所产生的弯矩为：M=mg·s=50x10x0.3875=19.375N·m夹持机构中心轴的受力简图、弯矩、扭矩如图4-5所示图4-5夹持机构中心轴受力分析图计算轴的支持力、弯矩公式（4-8）公式（4-9）式中为y方向的各个力的大小，N；为力所在平面的各个力矩，N·m。代入数值计算得出F1=F2=372.60N。计算当量弯矩公式（4-10）式中为当量弯矩，N·m；M为轴承受的弯矩，N·m；T为轴承受的扭矩，N·m；为折合系数，取=0.6。将图4-5中对应的参数代入上述公式得轴的计算当量转矩为。计算轴的计算应力公式（4-11）式中为轴的计算应力，MPa；M为轴所受弯矩，N·m；T为轴所受扭矩，N·m；W为轴的抗弯截面系数，；为轴的许用弯曲应力，MPa，取=60MPa。公式（4-12）式中：d为轴的直径，mm；b为键槽宽度，mm；t为轴的键槽深度，mm。将具体数据代入公式计算得到轴的抗弯截面系数:将以上计算数据代入公式计算轴的计算应力：所以夹紧机构中心轴的设计满足应用。4.4底座旋转中心轴校核底座中心轴材料为45钢、调质处理。已知底座中心所受的最大扭矩为1044.68·N·m，借助solidworks软件分析机械手本体对底座旋转中心轴所产生的弯矩为216.51N·m。底座中心轴的受力简图、弯矩、扭矩如图4-6所示。图4-6底座中心轴受力分析将数值代入公式计算出轴承对轴的支持力分别为F1=F2=1443.4N。将数值代入公式计算轴的计算当量转矩为：。由[4]表15-4查得空心轴的抗弯截面系数公式公式（4-13）式中W为轴的抗弯截面系数，；d为轴外径，mm；d1为孔直径，mm。代入具体数值计算得到对于当量弯矩最大处，应用公式计算得到轴的计算应力为：对于轴径最小处，只存在扭转切应力，计算转的扭转应力公式（4-14）式中为轴的扭转切应力，MPa；T为轴所受扭矩，N·m；为轴的抗扭截面系数，；为许用扭转切应力，MPa，取=40MPa。可得公式（5-15）式中d为轴的直径，mm；b为轴上键槽的宽度，mm；t为轴上键槽深度，mm。代入具体数值计算得到，进而有所以夹紧机构中心轴的设计满足应用。第五章Solidworks仿真5.1机械手与solidworks在现代的工业生产中，生产过程的自动化与机械化程度，直接决定了一个生产企业能否在激烈的史称竞争中取得优势地位。然而，在自动化与机械化生产过程中，机械手起到了至关重要的作用，其在工业生产中，不仅可以帮助企业提高生产效率，而且可以降低工人的劳动强度，甚至直接代替劳动工人在一些危险的劳动环境中进行作业。故而，对于机械手爪的设计与研究便显得极其重要。本设计是基于Solidworks软件进行，使得设计成果与实际要求相结合。本次设计的是针对目前发展非常迅速的货物搬运过程中所需要的助力机械手进行的，在如今生产中，助力搬运机械手应用可谓随处可见，其可以按照事先预定的轨迹进行工件的搬运和安置，对实现企业生产的自动化需求，推动工业生产的发展有着极为重要的作用。5.2Solidworks介绍Solidworks有着许多可用组件，其软件的功能也十分的强大，可以对实体零件进行建模并生成相应的仿真动画，具有容易学习、容易使用、功能强大等特点，在机械设计者方面，为了提高设计方案的质量，通过Solidworks仿真便可以有效降低在设计过程中存在的错误以及零件之间的误差。在SolidWorks的使用中，因为其具有非常详细的零件实体模型，并且可以由次生成动画方面的工作机构制作。然而助力机械手最直观的表现方法就是动态仿真，因为动态仿真是一种可以传递工作过程中各组成零件动作情况的良好载体，它的特点就在于形象和直观。Animator插件作为一个动画制作软件插件，其可以将其Solidworks的三维模型实现动态的可视化，并且实时录制构件的模拟装配过程以及模拟工作过程，将构件的工作情况得到更好地表达，提高了人们对设计内容的直观感受。5.3机械手仿真动画的建立本次设计的目的是将设计好的的机械手可以按照预期轨迹进行夹取移动。其难点是对于机械爪的动作进行控制，使其到达到达一个指定的位置，完成预期动作。首先，启动SolidWorks，并选择“文件”，将提前设计好的机械手装配图打开，再工具栏中找到Animator组件并单击进行打开，其次建立一个新的动画制作界面，设定气动杆来对机械手传力。然后将机械手气动杆移动到初始位置并将时间滑杆拖到结束时间之后将机械手气动杆移动到最终位置从而完成动画的时间设定。用于机械手示教的过程，相当于先模拟机械手的动作达到所需要的要求，再在动画里面实现这个动作。刚开始做的时候，将想要动作的角度进行固定。测量出所需要的各个机械臂的角度，到达目的地后回退到之前状态，再使其通过配合改变的的方式使其返回到之前的位置。当旋转角度为90°，之后测出到达目的地时候的角度，角度的改变实现最终的动作，将机械手气动杆移动到初始位置，将时间滑杆拖到结束时间，将机械手气动杆移动到最终位置。完成动画的时间设定；其运动轨迹如图5.1、图5.2、图5.3。在仿真动画制作中同时进行拉伸和夹爪的幅度，夹爪的角度，夹爪夹具的开合，从而实现移动的动作，其的配合是可以改变的，改变的过程有运动的相互行，然后选择插值模式，有线性、捕捉、渐入渐出等对运动过程的速度进行控制。图5-1图5-2图5-35.4本章小结本文对机械手机构进行设计研究，运用SolidWorks对其结构建模设计，手指夹取物体时的仿真动画，充分利用了计算机辅助设计，基于SolidWorks的机械手仿真动画很好地实现预期运动,对系统设计起到很好的效果，提高了设计效率。总结本次完成了“助力搬运机械手”，主要对机械手、传动机构、及其它辅助机构进行了详细的结构设计与计算，分析了助力搬运机械手结构的方案原理。首先，在选型方面根据实际要求，不盲目的追求多功能、高精度等问题，采用那些性价比低的设备元件，造成资源上的浪费，甚至与实际问题冲突的情况，例如夹持机构中采用气缸推动、机械手臂采用平行四边形机构等。其次，本次设计中对驱动方式、机械结构等方面进行了对比选型，即与实际生产相吻合，友保证了机械手的工作效率。论文从助力搬运机械手的特点及组成形式开始，并对机械手的设计方案进行了分析，最后对机械手的传动方案、结构设计、以及具体的参数计算和校核，设计出了符合设计要求的助力搬运机械手。并根据机械手性能的要求设计了满足条件的气缸传动装置，对传动装置、机械手的参数计算与校核、传动轴的参数计算与校核、夹持机构的参数计算、驱动装置进行了具体的参数计算与校核，为工程图的绘制提供了一定的理论基础。然后设计底座，并从底座的传动方案、具体的零部件设计与选型、参数计算方面展开设计。

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