毕业设计（论文）-一种桁架式三轴机械手结构设计

机械手夹持器的设计4.1夹紧力计算机械手爪的夹紧力是机械手爪对工件进行抓取、固定时所施加的力。手爪的大小和形状会影响夹紧力的大小和作用点。正常情况下，为了保证工件能稳定夹取，手爪的夹紧力必须能克服其工作负载所产生的引力（惯性力和惯性力矩）。因此手爪的夹紧力计算公式如下：式中：—安全系数，由机械手工艺和设计要求确定为1.2～2.0，一般取1.5；—最大加速度派生系数，为了免受惯性力的影响，，其中a为机械手在工件搬运过程中的加速度或减速度的绝对值（m/s）；—取向系数，根据手指的形状大小和工件的大小位置来选择。手指的形状选用V型指端，工件的形状是圆柱形的，手爪和工件之间是相互垂直的，故，其中为摩擦系数，为型手指半角，粗略计算可得，—被抓取工件的重量,工件选用普通钢材，质量约为2.21Kg将上述各参数代入可求得夹紧力：，取整为130N。4.2驱动力计算驱动力和夹紧力之间的关系式：式中：c—滚子至销轴之间的距离；b—爪至销轴之间的距离；a—楔块的倾斜角可得上面得出的为理论值，实际运行中气缸的驱动力要大于理论值，即：取上式中：为手爪的机械效率，一般在0.8～0.9之间，此处取0.84.3气缸驱动力计算由于手爪设计中用压缩弹簧使使爪牙张开，是常开式夹紧装置，所以气缸为单作用缸，只提供推力：式中—活塞直径—活塞杆直径—驱动压力，工作压力据公式计算可得气缸内径：根据气动设计手册，圆整后取。活塞行程即气缸行程，因为手爪抓取的工件直径为60mm，而手爪张开时为80mm，从张开到抓紧，即从80mm减小到60mm，楔快须向前移动大约40mm。4.4选用夹持器气缸经查阅资料得知，中国台湾亚德客有限公司所生产的MBL系列气缸刚好满足条件，故选取这个气缸，它的安装尺寸见下表。表4-1MBL气缸尺寸缸径行程Φ2020mmΦ2025mmΦ2030mmΦ2035mmΦ2040mmΦ2045mm4.5手爪的夹持误差及分析机械系统夹持精度受多重因素制约，除本体定位精度外，末端执行机构的夹持偏差尤为关键。特别是在多品种中小批量生产场景中，执行机构需具备适应工件尺寸波动的能力。通过优化手部结构参数（图4-1），可有效抑制因工件公差导致的夹持定位偏差，将尺寸容差控制在±1mm技术指标内。需特别指出，最终定位精度不仅取决于机械加工精度等级，更与伺服系统闭环补偿算法性能密切相关。R1，R2工件半径图4-1夹持误差图工件直径为60mm，尺寸偏差，则，，本设计为楔块杠杆式回转型夹持器，属于双支点回转型手指夹持，如图4-2图4-2楔块杠杆式夹持器若把工件轴心位置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：该方程为双曲线方程，如图4-3：图4-3工件半径与夹持误差关系曲线由上图可知，当工件半径为时，X取最小值，又从上式可以求出：，通常取，夹持误差，即为当工件的半径从变化到时，X值的最大变化量。在设计中，一般使用给定的和来确定手爪各部分的尺寸。但是为了减小夹持误差，我们还需选取一个最佳的偏转角，使得夹持误差最小，除此之外也可以加长手指，但手指变长，会增大其结构。从理论上讲，当工件的平均半径为时，夹持误差最小，但是对于两支点回转型手爪来说，极易出现由于抓取半径较小，两手爪的BE和B'E'边平行，抓不着工件的现象。因此，最佳偏转角的选择通常按手爪抓取工件的平均半径来定，以∠BCD=90º为条件确定两支点回转型手爪的偏转角，即下式：其中，，型钳的夹角代入得出：则则，此时定位误差为和中的最大值。分别代入得：所以，，夹持误差满足设计要求。由以上各值可得：取值为4.6材料及连接件选择V型指与夹持器连接选用圆柱销，，需使用2个。杠杆手指中间与外壳连接选用圆柱销，，需使用2个。滚子与手指连接选用圆柱销，，需使用2个。以上材料均为钢，无淬火和表面处理销两端均打直径1.2mm的圆孔，用的开口销连接。4.7手指部分有限元分析Solidworks是一款可靠的3D设计软件，这个软件可以帮助概念化，创建，验证，并将想法转化为伟大的外观产品设计。通过solidworks，我们可以创造出复杂而精确的设计，这种设计超越了任何可以想象的东西，包括最详细的零件和装配的3d模型和2d图纸。其中还包括一些制造成本估算工具，制造工艺检查等等。此外，附加的solidworks仿真技术可以让我们在真实世界的条件下测试自己的设计。同时我们也可以通过云端设计，让我们的团队可以在世界的任何地方进行同一个项目，并通过基于浏览器的设计应用程序进行远程连接。同时也可以邀请我们利益合作的相关者，获得实时反馈和设计评审。下一代的工程师和设计师必须有能力巧妙而有效地解决问题，以应对未来的严峻挑战，而Solidworks为学生、教育工作者和研究人员提供专业软件、本地支持，以及与大量用户社区的联系，以帮助他们取得成功。本次设计手爪中手指部位为主要受力部件，现使用有限元仿真工具SolidworksSimulation对此进行有限元分析仿真。根据上文我们可以得知，手指主要承受夹紧力，其大小为T=130N.m，此次设计的主轴材料为45#钢材，根据此信息按有限元分析步骤进行分析。在SW软件中先对主轴进行材料设置，安装固定，施加载荷以及网格划分，如图4-4所示：图4-4有限元分析设置将相关参数设置后，运行结果，得出有限元分析云图如4-5、4-6所示：图4-5手指应力分布云图图4-5手指位移分布云图根据运行结果可得出，手爪最大应力小于其材料屈服力，故采用碳钢材料符合此次设计需求；手爪最大变形区域为安装带轮边缘处，最大位移量为0.02mm，变形在可接受范围内。结论在本次三轴桁架机械手的设计过程中，从项目需求出发，经过方案制定、结构设计、运动计算等多个阶段，最终完成了该设计工作和预期的设计目标。在方案制定阶段，首先对三轴桁架机械手的工作原理进行了深入研究，明确了其基本运动方式：通过三个相互垂直的直线轴（X、Y、Z轴）的协同运动，实现末端手爪在空间内的定位与操作。根据项目需求，=确定了机械手的主要技术参数，包括工作范围、负载能力、定位精度等，并制定了设计方案，选择了合适的驱动方式和传动机构，为后续的详细设计奠定了基础。结构设计是本次设计的核心环节。本次采用模块化设计理念，将机械手分为机架、X轴、Y轴、Z轴和末端执行手爪等主要部件，分别进行详细设计。在设计过程中，充分考虑了结构的强度、刚度和稳定性，通过合理选择材料和优化结构形状，确保机械手在运行过程中能够承受一定的负载，并保持较高的定位精度。同时，为了便于安装与维护，在结构设计中预留了足够的空间用于安装传感器、电缆等部件，并设计了方便拆卸的连接方式。此次设计还缺少一些力学方面的相关分析，比如未对机架、X轴、Y轴、Z轴以及手爪的结构进行相应的有限元受力分析，这和我自身的能力有一定关系，在后期，我会通过相关有限元分析资料学习，如SW的有限元分析模块或ANSYS等专业软件的学习后对其进行受力分析，提升设计的合理性。通过本次三轴桁架机械手的设计项目，我不仅积累了宝贵的实践经验，还对机械设计、自动化控制等专业知识有了更深入的理解。在后续的工作中，我将继续优化机械手的设计，提高其性能和可靠性，同时积极探索其在更多领域的应用可能性。参考文献[1]黄清远,机械设计学[M]——机械工业出版社.2000.02[2]朱龙根黄雨华，机械系统的设计[M],——机械工业出版社.1996.05[3]成大先主编,机械设计手册之液压气动[M],——化学业出版社.2004.01[4]成大先主编,机械设计手册第五版[M]——化学工业出版社.2008.03[5]《工业机械手图册》编写组,工业机械手图册[M]——机械工业出版社.1978.09[6]沈阳机床工业公司七·二一大学，工业机械手[M]——辽宁人民出版社.1979.02[7]田绿竹王新主编,机械制图[M]——冶金工业出版社,0007.08[8]MaGang.工业机器人常用手部典型结构分析[J].RobotTechniqueandApplication,2001.[9]唐鹏.一种工业机器人用机械手结构:,CN111482983A[P].2020.[10]王月芹.基于PLC的机械手控制系统设计[J].液压与气动,2011,000(009):41-43.[11]杨云鹏.流水线自动抓送料机械手控制系统设计[J].自动化技术与应用,2021,40(7):4.[12]任晓力.钻机机械手自动换杆装置的设计[J].煤炭技术,2020,39(5):3.[13]PaschKA.Onthedrivesystemsforhigh-performancemachines[J].Mechanisms,Transmissions，AutomationDesign,1995,106(1):20-24[14]SlinkardKaren,SINGLETONVernonL.Totalphenolanalysis:automationandcomparisonwithmanualmethods[J].AmericanJournalofEnologyandViticultur华中科技大学63e,1977,28(1):49-55.[15]宋才飞.中国压铸产业的发展特征与规律[J].世界有色金属,2006,7.[16]Krenzer,T.J.,1990,“Face-MillingorFaceHobbing”.AG-MA,TechnicalPaper,90FTM13.[16]Stadtfeld,H.J.2000,AdvancedBevelGearTechnology.TheGleason