电机驱动夹爪装置的研究与设计

摘要近年来，随着工业自动化水平的不断提高，工厂对高性能电动夹爪的需求越来越大。随着科技技术的日益发展，随之而来的是生产力的急速扩大，机械化生产逐渐替代人工生产。因其拥有着可靠性高，故障率低，长期成本较为低廉等特点。作为工业自动控制系统中重要的终端执行元件，电动夹爪对工业自动化生产的安全运行、控制品质以及可靠性具有很大的影响。这必将促进电动夹爪的不断研究与开发。本文简要介绍了电动夹爪的概念，夹爪各个部件的整体设计，技术的特点。并在分析国内外电动夹爪控制系统的研究现状和重点后，根据实际需求，设计了一种基于plc控制的电动夹爪。该机械夹爪主要由夹爪体、夹爪臂、夹爪齿、夹爪轴和夹紧装置等组成。选取了合适的夹爪材料以及主要部件的型号，计算出了电动夹爪所需的驱动力矩和夹紧力，确定了夹爪的技术参数。绘制了电机驱动的夹爪装置工作原理图，并对电动夹爪的主要零部件进行建模，画出了机械手的装配图，并对电动夹爪进行了模拟仿真。关键词：电机驱动，夹爪装置，电动机，传动机构AbstractInrecentyears,withthecontinuousimprovementofindustrialautomation,thedemandforhigh-performanceelectricgrippersinfactoriesisincreasing.Withtheincreasingdevelopmentofscienceandtechnology,followedbytherapidexpansionofproductivity,mechanizedproductiongraduallyreplacedmanualproduction.Becauseithasthecharacteristicsofhighreliability,lowfailurerateandlowlong-termcost.Asanimportantterminalactuatorinindustrialautomaticcontrolsystem,electricgripperhasagreatimpactonthesafeoperation,controlqualityandreliabilityofindustrialautomationproduction.Thiswillsurelypromotethecontinuousresearchanddevelopmentofelectricgrippers.Thisarticlebrieflyintroducestheconceptofelectro-gripper,theoveralldesignofeachcomponentofthegripper,andthecharacteristicsoftechnology.Afteranalyzingtheresearchstatusandfocusofelectricgrippercontrolsystemathomeandabroad,anelectricgripperbasedonPLCcontrolwasdesignedaccordingtoactualneeds.Themechanicalgripperismainlycomposedofgripperbody,gripperarm,grippertooth,jawshaftandclampingdevice.Theappropriategrippermaterialandthemodelofthemaincomponentswereselected,thedrivingtorqueandclampingforcerequiredbytheelectricgripperwerecalculated,andthetechnicalparametersofthegripperweredetermined.Theworkingprinciplediagramofthemotor-drivenjawgripperdevicewasdrawn,themaincomponentsoftheelectricgripperweremodeled,theassemblydrawingofthemanipulatorwasdrawn,andtheelectricgripperwassimulated.KEYWORDS:motordrive,clampdevice,Electricmotor,transmissionmechanism目录TOC\o"1-3"\h\u第一章绪论 11.1研究的背景与意义 11.2电机驱动的夹爪装置的研究应用现状 11.2.1国外的研究发展现状 31.2.2国内的研究发展现状 31.3本次设计研究的主要内容与成果 61.4本章小结 6第二章电机驱动夹爪装置方案设计 72.1电动夹爪总体方案设计 72.1.1夹爪装置的原理分析 72.1.2总体方案设计 82.2夹爪装置的机械部分方案设计 92.2.1夹爪设计的基本要求 92.2.2夹爪的结构设计 92.2.3电动夹爪装置传动方式的设计 102.3夹爪装置的电动控制方案设计 112.3.1电动夹爪的控制部分方案设计 112.3.2控制器型号的选择 132.3.3驱动电机的选型的考虑因素 132.3.4伺服电机的参数设计 142.4本章小结 17第三章电动夹爪装置的分析与校验 183.1夹爪的夹持误差计算 183.2夹紧力计算 213.3驱动力力计算 223.5本章小结 22第四章电机驱动夹爪装置主要零件的建模与仿真 234.1主要零部件的建模 234.1.1安装扣的建模 234.1.2爪子齿轮的建模 234.1.3手爪的建模 244.1.4横杆的建模 244.2电动夹爪的装配设计 254.3夹爪的UG仿真 26第五章全文总结 30参考文献 31致谢 33毕业设计小结 35第一章绪论1.1研究的背景与意义随着机电一体化技术的飞速发展，各种机械夹爪的运用显得尤其重要。夹爪装置是一种用于抓取、固定或移动物体的装置，通常由电机、传动系统、夹爪和控制系统等组成。本文将详细介绍如何设计一个电机驱动的夹爪装置，包括夹爪的设计、电机的选择、传动系统的设计、控制系统的设计等方面。利用灵活且多自由度的机械夹爪是实现物料高效搬运的可靠保证。在现有的技术中，采用气动或者电动驱动夹爪夹取物料是目前常见的设计模式；电动驱动稳定性可靠、工作寿命长和定位精度高的优良特性，目前国内市场上的气动和电动末端执行器大多是工程选用或集成商定制的，夹持方式单一，行程非常有限，夹持力不可调。气动方案对现场气源和附件要求较高，只能应用于单工位和工作现场。即使在许多现有的方案中，通过添加快换装置来替换不同的夹具以适应不同的对象，夹具的数量、成本、设计和现场编程仍然受到挑战。总的来说，还不足以满足工业生产日益增长的多样化、柔性化和智能化的需求。本研究旨在设计一款电机驱动夹爪装置，该夹爪结构紧凑、功能完备，适应多种不同轴径的轴类零件的抓取，为后续其他夹爪优化设计提供了参考依据。并通过对电动夹爪装置的设计对所学知识进行系统熟练的运用。1.2电机驱动的夹爪装置的研究应用现状电动夹爪是一种机械夹臂的末端工具，它是由电机、减速器、传动系统和夹爪组成的。电动夹爪可以通过电动控制实现夹持和松开物品的动作。在现代工业生产中，电动夹爪广泛应用于自动化生产线和机器人等领域，可以实现高效、快速、准确的物料夹取和放置操作，提高了生产效率和质量。电动夹爪的工作原理主要是通过驱动电机带动减速器和传动系统的运动，从而使夹爪进行夹持或松开物品的动作。其中，电机是电动夹爪的核心部件，它提供了动力源，通过控制电机的转速和方向，可以实现夹爪的开合、旋转等多种动作。减速器则起到减速和转向的作用，传动系统将电机和夹爪连接起来，使其能够协同工作。电动夹爪的夹爪形状和尺寸可以根据需要进行设计和定制。常见的夹爪形状有平行夹爪、角度夹爪、三爪夹爪等。夹爪的材质也有多种选择，如钢、铝、塑料等。在实际应用中，夹爪的选择要根据所夹物品的特点和要求进行选择，确保夹持效果和稳定性。电动夹爪的应用场景非常广泛，可以用于各种物品的夹持和放置操作。下面简要介绍一下电动夹爪的几种主要应用场景。1.自动化生产线自动化生产线是电动夹爪的主要应用领域之一。在自动化生产线上，电动夹爪可以实现物料的夹取、放置和转移等操作，大大提高了生产效率和质量。例如，在汽车生产线上，电动夹爪可以用来夹取汽车零部件，将其放置在指定位置上，实现自动化生产。2.机器人机器人是另一个重要的应用场景。在机器人中，电动夹爪可以用来夹取和放置物品，实现机器人的自动化操作。例如，在工业机器人中，电动夹爪可以用来夹取金属零件，将其放置在设定的位置上，完成工件的组装。3.物流仓储电动夹爪在物流仓储中也有广泛的应用。在物流仓储中，电动夹爪可以用来夹取货物，将其放置在指定位置上，实现货物的自动化存储和搬运。例如，在快递分拣中心中，电动夹爪可以用来夹取快递包裹，将其放置在指定的分拣区域中，实现快递的自动化分拣。4.医疗器械电动夹爪在医疗器械中也有应用。例如，在夹术机器人中，电动夹爪可以用来夹取夹术器械，将其放置在夹术部位上，实现夹术的自动化操作。另外，在医疗设备的生产中，电动夹爪也可以用来夹取和放置器械零件，实现自动化生产。电动夹爪是一种高效、快速、准确的机械夹臂末端工具，广泛应用于自动化生产线和机器人等领域。电动夹爪的工作原理主要是通过驱动电机带动减速器和传动系统的运动，实现夹爪的开合、旋转等多种动作。电动夹爪的应用场景非常广泛，可以用于各种物品的夹持和放置操作，如自动化生产线、机器人、物流仓储和医疗器械等领域。1.2.1国外的研究发展现状受益于工业机器人的发展带动，作为末端执行器的夹爪市场逐渐被外界关注，过去很长的一段时间内，气动夹爪一直是工业自动化行业的“必需品”该领域诞生了众多的国际巨头厂商，如SMC、SCHUNK、Festo、Parker等，经过测算，全球制造业每年消耗掉模块化夹爪数量超过3000万个，其中气动夹爪市场规模已经达到百亿元的级别，但需要承认的是，在气动夹爪领域，国产与外资相比差距甚大，国产品牌的销量占比不足10%。可以说在气动夹爪领域，外资占据绝对主导地位。相比于气动夹爪，电动夹爪起步较晚。电动夹爪的兴起很大程度是受到以协作机器人为代表的柔性化生产工具发展的带动，经过数年的发展，电动夹爪的应用边界逐渐扩展，从机器人逐步延伸到工业自动化领域，新进厂商逐年增加。从目前的市场结构看来，气动夹爪依就占据绝大部分市场份额，中国市场标准化气动夹爪占比超过80%，电动夹爪占比仅为3.5%左右；海外市场标准化气动夹爪占比超过70%，电动夹爪占比18.2%。1.2.2国内的研究发展现状相比之下，国内电动夹爪的市场空间更加广阔。一方面，以各种机器人为代表的增量市场持续放量，将对电动夹爪形成较强的需求拉力；另一方面，以新能源、半导体、3C电子、生物制造等为代表的制造业市场，众多场景开始衍生出电动夹爪替代气动夹爪的新机会。此外，近年来，受疫情影响衍生出新的需求场景，以医疗、食品、零售等为代表的非工业领域对电动夹爪有一定的增量需求拉动。近年来，在夹爪领域“电换气”越来越多被提及，虽然气动夹爪依然占据绝大部分的市场，但随着电动夹爪技术的持续提升，加上新进厂商的逐年增加，产业链日趋完善，成本亦得到了大幅的降低。同时，众多应用场景对于夹爪的精密控制要求越来越高，电动夹爪以精密化的运动控制、模块化的产品设计，可满足不同行业与场景的应用需求，真正给客户带来应用上的价值。从市场规模及增速来看，2021年，受益于下游制造业及医疗领域的需求带动，中国电动夹爪市场迎来高增长，高工机器人产业研究所（GGII）数据显示，2021年中国电动夹爪市场销量为3.1万台，同比增长77.14%，市场规模3.35亿元，同比增长59.52%。图1-12021-2030年中国电动夹爪市场销量及预测（单位：万台）对于电动夹爪销量，GGII认为，未来5年中国电动夹爪整体销量年均复合增速将超过60%，未来十年中国电动夹爪整体销量年均复合增速将超过45%。预计到2025年，国内电动夹爪销量将突破20万台，到2030年，国内电动夹爪销量将突破100万台。随着市场认知的逐渐提升，电动夹爪市场开始迎来持续高增长，各厂商均在细分领域获得突破，同时顺应市场需求的变化积极开发布局新产品和新应用。GGII判断，智能制造的大趋势下，对于精密力控和柔性化生产的需求越来越被重视，作为机电软一体的典型产品，电动夹爪有望顺应这一需求趋势迎来持续性高增长。其中对于厂商的考验更多体现在技术创新、产品迭代、市场布局以及生态打造等方面。2021年中国电动夹爪市场销量的快速增长，很大程度上要归功于下游需求的带动。电动夹爪主要通过两种方式实现设备智能化、产线智能化的目的，分别为：集成于生产设备中实现抓取功能，例如应用于生命科学领域的试管抓取环节。以及与协作机器人、SCARA机器人，小六轴机器人相结合，使机械臂能够更好地完成分拣、抓取、上下料等工作。随着工业机器人对于周边配件的兼容性不断提高，电动夹爪在协作机器人、SCARA机器人，小六轴机器人上的应用也逐渐增多。2021年工业机器人厂商在体量上提升明显，尤其是国产头部厂商，同比增速超过100%。从终端应用行业来看，电动夹爪主要应用于3C电子、生命科学、汽车以及新零售等行业中产品或工件体积相对较小，物体重量相对较轻的抓取、分拣、上下料、松紧环节。图1-22021年中国电动夹爪下游市场分布情况（%）随着下游需求不断向高精化、柔性化、智能化发展，电动夹爪也在逐渐向多样化的终端应用领域渗透，在此过程中也衍生出了不同类型的电动夹爪。目前已出现能够负载50KG的重型电动夹爪，可以应用于黑色金属吸取的电磁电动夹爪，以及适用于物流行业的电动吸盘夹爪等。预计随着未来电动夹爪的性能不断被完善和优化，品类逐渐增多，其在存量市场中将实现对气动夹爪的替换，同时在新增市场中电爪的应用量将会不断提高，并逐渐渗透于各个行业中。国内对电动夹爪的研制起步相对晚于国外，2014年以前，虽然国内对电动夹爪的研究开发已经有一定的积累，但是还没有一家国内企业能够真正研发生产出高性能的电动夹爪。2014年以后，随着中国机器人产业的快速发展，工业自动化的需求日益提升，对于高性能、高性价比电动夹爪的需求开始持续增加。随后入局电动夹爪领域的企业开始快速增加如慧灵科技等国内企业均诞生于该时期。2016年以后，国内众多创新型电动夹爪产品开始涌现，借着协作机器人发展的东风，国内外厂商开始在机器人市场同台竞技。可以说，该时期协作机器人的发展很大程度上拉动了电动夹爪行业的进步，同时也催生了众多创新的电爪产品和技术，以慧灵科技为代表的电动夹爪厂商开始提出“电换气”的主题与方向。2018年以后，电动夹爪的应用面快速扩大，从机器人市场开始向更多的工业自动化领域渗透延伸，国内电动夹爪的性价比持续提升，同时资本对电动夹爪的关注度快速上升，多家国内厂商相继获得资本加持。2020年以后，受疫情影响，医疗及生物制药领域的需求呈爆发式增长，电动夹爪开始大量应用于医疗及生物制药领域，真正为抗疫输出科技力量。然而，随着疫情的放开，电动夹爪在核酸检测领域中的应用将大幅缩减。GGII认为，2023年电动夹爪在工业领域的应用将占据主要份额。关于电动夹爪发展趋势，正向着模块化、数字化以及智能化的方向发展，同时也将伴随着控制精度、性能的不断提高以及成本的持续降低。1.3本次设计研究的主要内容与成果本次研究的主要内容是设计一款简单的夹爪装置，该装置使用驱动电机为动力源，由电动机、传动机构、夹爪移动机构、夹爪架、夹爪本体构成。该夹爪结构紧凑、功能完备，适应多种不同轴径的轴类零件的抓取，可以完成简单的零件夹取等实用性功能。为后续其他夹爪优化设计提供了参考依据。故本次设计研究的主要内容在于夹爪装置的设计。本次设计成果应包括：设计论文一份（按规范格式，不少于1.5万字），设计图纸一套（包括装配图和全部非标准零件图，鼓励用三维软件建模和装配并生成二维图纸）；另外还应翻译与课题有关的外文资料，译文字数不少于3000字。1.4本章小结本章着重介绍了本次毕业设计的背景与意义，并简单的介绍了夹爪装置的组成与基本原理。回顾了电动夹爪的发展历程和发展现状，确定了电机驱动夹爪装置研究与设计的目的和基本的设计方向。第二章电机驱动夹爪装置方案设计2.1电动夹爪总体方案设计2.1.1夹爪装置的原理分析机械夹爪是一种常见的夹持工具，用于夹持工件或零件。其原理是通过机械结构使夹爪的两个夹持部分分别向内移动，使其夹持住工件。机械夹爪的夹持力来自于夹持部分的摩擦力和机械结构的力学原理。机械夹爪通常由夹爪本体、夹爪架、夹爪移动机构、夹爪夹持机构等部分组成。夹爪移动机构可以使夹爪的两个夹持部分相对移动，从而实现夹持和释放工件的操作。夹爪夹持机构通常采用螺旋或齿轮传动，通过旋转夹爪本体上的夹柄或电机，使夹爪夹持部分向内移动，夹持住工件。机械夹爪的优点是结构简单、夹持力大、可靠性高、使用寿命长等。但其夹持范围有限，只能夹持形状规则的工件。在工业生产中，机械夹爪常用于机床、装配线等设备中，用于夹持和定位工件。常见的夹爪结构有以下几种①楔块杠杆式夹爪利用楔块与杠杆来实现夹爪的松、开，来实现抓取工件。②滑槽式夹爪当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动夹爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，夹爪松开。这种夹爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。③连杆杠杆式夹爪这种夹爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使夹爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种夹爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。④齿轮齿条式夹爪这种夹爪通过活塞推动齿条运动，由齿条带动齿轮旋转，产生夹爪的夹紧与松开动作。⑤平行杠杆式夹爪采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证夹爪的两夹指保持平行运动，比带有导轨的平行移动夹爪的摩擦力要小很多。2.1.2总体方案设计夹爪的总体设计如下图2-1，通过电机驱动爪子齿轮从而带动手爪，手爪被横杆和爪子齿轮固定。图2-1总体设计图本次设计的电动夹爪相关数据如下表2-1所示参数总行程55.2mm夹持力177N传动方式齿轮传动电机类型伺服电机夹指数量2额定功率14W额定电压28V夹爪尺寸112mm*53.5mm*40mm表2-1夹爪的相关参数本次的所有设计皆按照以上方案进行2.2夹爪装置的机械部分方案设计2.2.1夹爪设计的基本要求（一）具有足够的握力（即夹紧力）在确定夹爪的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，且夹爪的夹紧力应根据所需夹取物体的重量和摩擦系数进行选择。夹爪的夹紧力过小会导致夹取物体不牢固，夹爪的夹紧力过大会导致夹取物体变形或损坏。（二）夹爪间应具有一定的开闭角两夹爪张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为夹爪的开闭角。夹爪的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型夹爪只有开闭幅度的要求。（三）保证工件准确定位为使夹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，选择相应的夹指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的夹指，以便自动定心。（四）具有足够的强度和刚度夹指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械夹在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻。（五）考虑被抓取对象的要求根据机械夹爪的工作需要，通过比较，我们采用的机械夹爪的夹持部分部结构是一支点，两指回转型，由于工件多为圆柱形，故夹指形状设计成V型（六）夹爪的尺寸设计夹爪的尺寸设计应根据所需夹取物体的大小、形状、重量等因素进行选择。夹爪的长度、宽度、高度、夹爪齿的长度、宽度、高度等尺寸应满足夹取物体的尺寸要求。夹爪的重量应尽量轻，以减小电机的负载。2.2.2夹爪的结构设计机械夹爪主要由夹爪体、夹爪臂、夹爪齿、夹爪轴和夹紧装置等组成。夹爪体是夹爪的主体部分，通常由铝合金、钢板等材料制成。夹爪臂是夹爪的支撑部分，通常由铝合金、碳纤维等材料制成。夹爪齿是夹住物体的部分，通常由硬质合金、钢材等材料制成。夹爪轴是夹爪的转动部分，通常由钢材制成。表2-2夹爪材料的属性Table2-1Materialpropertyofcla材料杨氏模量泊松比屈服强度密度普通碳钢2.1E+05MPa0.3230MPa7.9E-09g/cm^3本次设计采用齿轮传动设计，相关设计尺寸如图2-2所示图2-2夹爪的部分尺寸参数2.2.3电动夹爪装置传动方式的设计由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。对机器人的传动机构的一般要求有：（1）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻；（2）传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动；（3）回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度；（4）寿命长、价格低。本文所选用的电机都采用了电机和齿轮轮系一体化的设计，结构紧凑，具有很强的带负载能力，但是不能通过电机直接驱动各个连杆的运动。为减小机构运行过程的冲击和振动，并且不降低控制精度，采用了齿轮传动。齿轮的传动比计算公式为 （2-1）齿轮的平均速度为 （2-2）2.3夹爪装置的电动控制方案设计2.3.1电动夹爪的控制部分方案设计由于微型计算机具有体积小，可靠性高，灵活性强，易于配置，功能丰富及价格便宜等特点，采用微型计算机对工业机器人进行控制，已经成为当今控制技术研究和发展的主流。夹爪的控制系统，原则上可分为点位控制与连续轨迹控制两大类。点位控制只要求按规定精度从起始点到达预定点，而对移动路径不做要求。连续轨迹不仅与运动的起点与终点有关，还必须保证运动轨迹与设计轨迹一致。因此，在连续轨迹控制中要进行轨迹设计，并对任意运动轨迹进行补插（补间）运算。为了实现对电动夹爪的夹放控制，实现对电动夹爪动作的实时控制和监测。本设计采用plc装置控制电动夹爪运动。图为电动夹爪控制系统整体架构图。图2-4电动夹爪控制系统整体架构图微型计算机种类很多，一般均由以下三部分组成。A.中央处理器CPU，或称微处理器MPU。B.内存储器，即主记忆装置ROM及RAM。C.输入输出装置I/O，或称接口装置，联系这些装置的为三条总线，即数据总线DB，地址总线AB及控制总线CB。不同型号的微型计算机主要是中央处理器CPU的内容的功能不同，因而有不同的指令系统和汇编语言。由于外部设备之不同以及是否用于实时控制，其I/O接口装置因而很大差异。RAM和ROM的存储量大小直接影响计算机的应用范围。但一般微型计算机都可以在原有存储量的基础上加以扩充。夹爪的控制系统的组织结构如图2-5。它由主CPU板、I/O板、控制面板、示教盒、伺服板、和稳压电源板等组成。主CPU板是本控制器的核心，其上有CPU、存储器、多级中断控制电路、脉冲分配电路、读位置电路以及串行通讯电路等，完成系统的管理、控制运算、伺服系统控制和仿置检测等控制功能以及与示教盒、控制板的通讯。I/O接口板主要负责输入输出和监测各种故障报警的输入信号。伺服板负责电流环的伺服控制。2.3.2控制器型号的选择本次设计CPU采用STM32F407微处理器地址译码器内存RAM和EPROM以及锁存器组成。数据存储器采用6264（8K×8），一共采用3块6264，故RAM为24K，除了作为系统参数工作区，标志单元外，主要用作用户程序存储区，为了保存RAM的内容，一旦断电，保证RAM中的用户程序不会丢失，故采用电池利用CE2引脚的掉电保护装置在此也得到了应用。锁存器采用74LS373：它的作用是把输入信号锁存起来，一直保持到选通信号来取出信息。其工作原理：当锁存允许端为高电平时，Q端跟随D端变化；当锁存允许由高变低时，将此变化前一瞬时输入锁存，此后输入（D）不会影响输出（Q）直至锁存允许为高电平，E是读选通脉冲。应当注意在读期间锁存允许不能变化。锁存允许信号通常取自译码器和R/W线，地址译码有时需3到15级门延迟，来防止读锁存。2.3.3驱动电机的选型的考虑因素1、负载能力伺服电动夹爪的负载能力是选型的重要因素之一，通常用额定负载的重量来表示。在选择伺服电动夹爪时，需要考虑应用场景中被夹持物体的重量和尺寸，以及物体的稳定性和形状。如果被夹持物体的重量较重，则需要选择负载能力更高的伺服电动夹持器。同时，夹持器的形状和结构也会影响其负载能力。不同的夹持器结构可以适应不同的夹持形状和尺寸，以满足不同的应用需求。2、速度要求伺服电动夹爪的速度是指夹爪的张合速度，通常用张开速度和合拢速度来表示。在选择伺服电动夹爪时，需要根据应用场景中的速度要求来选择合适的伺服电动夹爪。例如高速流水线生产线的应用，需要选择开合速度快、响应速度快的伺服电动夹具，以满足生产线的高速运行要求。3、精度要求伺服电动夹持器的精度是指夹持器的定位精度和重复定位精度。选择伺服电动夹持器时，需要考虑应用场景中的精度要求，如机械加工、精密装配等领域需要高精度的伺服电动夹持器。如果被夹物的位置精度要求高，则需要选择定位精度更高的伺服电动夹持器；如果需要对物体进行多次夹持和放置操作，则需要选择重复定位精度更高的伺服电动夹持器。4、电气参数伺服电动夹具的电气参数包括额定电压、额定电流、功率、扭矩等，在选择伺服电动夹具时，需要根据应用场景中的电气参数要求选择合适的伺服电动夹具。例如，对于更大的负载，需要选择额定电流和功率更高的伺服电动夹持器，以保证其稳定性。5、机械接口伺服电动夹具的机械接口是指其与机械设备连接的方式和接口类型。选择伺服电动夹具时，需要考虑其机械接口与应用场景中设备的匹配程度。常见的机械接口类型有钳口直径、钳口长度、安装螺纹等，需要选择与设备接口相匹配的伺服电动夹爪，以保证其正常工作。6、通讯协议伺服电动夹爪的通讯协议是指与控制系统通讯的协议类型，如Modbus、CANopen、EtherCAT等。在选择伺服电动夹爪时，需要考虑其通讯协议与控制的匹配程度。应用场景中的系统。如果控制系统采用特定的通讯协议，则需要选择支持该通讯协议的伺服电爪，以保证其与控制系统的正常通讯。7、其他因素除了上述因素外，选择伺服电动夹爪还需要考虑其他因素，如可靠性、维护成本、环境适应性等。可靠性是指伺服电动夹爪的寿命和稳定性，需要选择经过长期使用验证的品牌和型号。维修费用是指伺服电动夹具的维修更换费用，需要选择维修方便的机型。环境适应性是指伺服电动夹爪的工作环境和耐受性。在应用场景中需要选择适应工作环境的机型。综上所述，选择伺服电动夹持器需要考虑多重因素，包括负载能力、速度要求、精度要求、电气参数、机械接口和通讯协议等，通过合理选型，满足应用场景中的夹持和定位要求能满足，提高生产效率和产品质量。2.3.4伺服电机的参数设计（1）电机的最高转速电机选择首先依据机械夹爪快速行程速度。快速行程的电机转速应严格控制在电机的额定转速之内。 （2-3）式中，为电机的额定转速（rpm）；为快速行程时电机的转速（rpm）；Vmax惯量匹配问题及计算负载惯量为了保证足够的角加速度使系统反应灵敏和满足系统的稳定性要求，负载惯量应限制在2.5倍电机惯量之内 JL=j=1Mωj惯量JL应限制在2.5倍电机惯量JM之内，即J1<2.5jm。式中，Jj为各转动件的转动惯量kg.m2；wj为各转动件角速度rad/min；mj（3）空载加速转矩空载加速转矩发生在执行部件从静止以阶跃指令加速到快速时。一般应限定在变频驱动系统最大输出转矩的80%以内。 Tmax=2πnj式中，为与电机匹配的变频驱动系统的最大输出转矩（N.m）；为空载时加速转矩（N.m）；为快速行程时转换到电机轴上的载荷转矩（N.m）；为快速行程时加减速时间常数（ms）。（4）切削负载转矩在正常工作状态下，切削负载转矩Tms不超过电机额定转矩TMs的80%。 （2-6）（5）连续过载时间连续过载时间应限制在电机规定过载时间之内。伺服电机启动力矩的计算设伺服电机的等效负载力矩为，负载力为，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系： （2-7）式中为电机转角，为移动部件的相应位移，为机械传动的效率。若取，则，且。所以： （2-8）式中：为移动部件负载（N），为移动部件质量（N），为与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力（N），为导轨摩擦系数，为伺服电机的步距角（rad），为电机轴负载力矩（N.cm）。取（摩擦系数），，。考虑到重力影响，向电机负载较大，因此，所以有： （2-9）考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩：系数为0.3，则：对于工作方式为三相6拍的伺服电机： （2-10）（2）伺服电机的最高工作频率 （2-11）为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率，同时电机最大静转矩要足够大，查表选择90BF001型三相反应式伺服电机。电机有关参数如下：表1-1型号主要技术参数相数步距角电压（V）相电流（A）最大静转矩（n.m）空载启动频率空载运行频率分配方式90BF00140.98073.92200080004相8拍外形尺寸（mm）重量kg转子转动惯量Kg.m外直径长度轴直径90145951764图2-22.4本章小结根据本章关于驱动电机和夹爪的介绍我们了解了驱动电机与夹爪的相关知识，通过本章的计算与设计，并出初步计算出电机与夹爪的相关数据如夹爪的夹紧力和电机的驱动力等，并根据计算出的数据选用了符合标准的电机型号，并确定了设计方案。第三章电动夹爪装置的分析与校验3.1夹爪的夹持误差计算夹爪是否能准确的夹持工件，并把工件运送到指定的位置，主要取决于夹爪的夹持误差大小。特别是在多种不同品种的工件的中、小批量生产中，为了适应不同的工件尺寸，夹爪会在一定范围内变化，避免产生夹爪夹持的定位误差，需要注意选用合理的夹爪结构参数，见图3-1，从而使夹持误差控制在较小的范围内。在机械加工中，通常情况使夹爪的夹持误差不超过，夹爪的最终误差取决与夹爪装置加工精度和控制系统补偿能力。图3-1夹持不同直径工件时的夹持误差——工件半径工件直径为80mm，尺寸偏差，则，，。本设计属于两支点回转型夹爪夹持，如图3-2。图3-2若把工件轴心位置到夹爪两支点连线的垂直距离以表示，根据几何关系有： （3-1）简化为： （3-2）该方程为双曲线方程，如图3-3：图3-3工件半径与夹持误差关系曲线由上图得，当工件半径为时，取最小值，又从上式可以求出：，通常取 （3-3）若工件的半径变化到时，值的最大变化量，即为夹持误差，用表示。在设计中，我们一般会按给定的和来设计夹爪的各个部分的尺寸，为了减少夹持误差，我们一方面可以增加夹爪结构的长度，但是如果夹爪结构过长，会导致使其结构增大；另一方面我们也可也选取合适的偏转角，使夹爪的夹持误差最小，这时使夹爪夹持误差最小的偏转角便被称为最佳偏转角。因为只有当工件的平均半径取为时，夹爪的夹持误差最小。所以这时最佳偏转角的选择对于两支点回转型夹爪（尤其当值较大时），偏转角的大小不易按夹持误差最小的条件确定，主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时，两夹爪的和边平行，抓不着工件。为避免上述情况，通常按夹爪抓取工件的平均半径，以为条件确定两支点回转型夹爪的偏转角，即下式： （3-4）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。 （3-5） （3-6）分别代入得： ， （3-7）所以，，夹持误差满足设计要求。3.2夹紧力计算夹爪加在工件上的夹紧力是设计夹爪的主要依据，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。夹爪对工件的夹紧力可按下列公式计算： （3-8）式中：—安全系数，由夹爪的工艺及设计要求确定,通常取1.2——2.0，取1.5；—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，，为夹爪搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值（m/s）；—方位系数，根据夹爪与工件形状以及夹爪与工件位置不同进行选定，夹爪与工件位置：夹爪水平放置，工件垂直放置；夹爪与工件形状：型指端夹持圆柱型工件，，为摩擦系数，为型夹爪半角，此处粗略计算，如图3-4图3-4—被抓取工件的重量求得夹紧力，，取整为177N。3.3驱动力力计算根据驱动力和夹紧力之间的关系式： （3-9）式中：表示滚子至销轴之间的距离；表示爪至销轴之间的距离；表示倾斜角可得，得出为理论计算值，实际采取的电机驱动力要大于理论计算值，考虑夹爪的机械效率，一般取0.8～0.9，此处取0.88，则：3.5本章小结本章主要通过计算得出了夹爪装置的准确数据，并对夹爪进行了误差校核，确定了本次设计的合理性。

第四章电机驱动夹爪装置主要零件的建模与仿真4.1主要零部件的建模4.1.1安装扣的建模①新建一个零件，点击“确认”。②选择前视基准面进行草绘。③二维草图绘制完成之后退出草图选择拉伸凸台基体，两侧对称并输入厚度尺寸点击确定。④再次选择前视基准面进行草绘，选择基准直线转换应用实体。画好之后进行尺寸标注之后选择剪裁。⑤退出草图，拉伸切除。图4-1安装扣的建模4.1.2爪子齿轮的建模新建一个零件，点击“确认”。选择前视基准面进行草绘。选择直线绘制轮廓模型并标注尺寸。退出草图选择拉伸凸台基体。选择前视基准面绘制圆形标注尺寸，选择拉伸切除选择完全贯穿。爪子齿轮模型绘制完成如图所示：图4-2爪子齿轮的建模4.1.3手爪的建模新建一个零件，点击“确认”。选择前视基准面进行草绘。选择直线绘制轮廓模型并标注尺寸。退出草图选择拉伸凸台基体。选择前视基准面绘制圆形标注尺寸，选择拉伸切除选择完全贯穿。手爪模型绘制完成如图所示：图4-3手爪的建模4.1.4横杆的建模新建一个零件，点击“确认”。选择前视基准面进行草绘。选择直线绘制轮廓模型并标注尺寸。退出草图选择拉伸凸台基体。选择前视基准面绘制圆形标注尺寸，选择拉伸切除选择完全贯穿。横杆模型绘制完成如图所示：图4-4横杆的建模4.2电动夹爪的装配设计装配就是把每个零件组织到一张图里，以机架为主体将其他零件通过各种配合命令实现组合的目的，也可以建立爆炸视图以及绘制装配工程图。装配就是通过对一开始设计的离散零件，通过同心、接触、平行等命令来进行组合，实现由零到整，同时，装配的零件图可以建立爆炸视图和装配工程图。装配能过清楚的表达出各个零件之间的相互关系，对后续整个部件做运动仿真或者有限元分析提供了一个好的基础。机械手爪的装配：新建一个装配体点击“确定”。点击“浏览”导入之前画好的图纸。点击“过滤”首先导入壳体模型。点击“眼睛”按钮找到“坐标”按钮，让装配体坐标和壳体坐标重合。点击“插入零部件”、“浏览”选中其它零件点击“打开”。关闭坐标，用鼠标拖动零件，用配合里面的高级配合，选择“宽度”，选择需要配合的两个面。点击标准配合里面的“配合”将两个面重和到一起。选中需要配合的两个圆柱体表面，选择“同心”进行配合，如果模型颠倒可在左下角选取栏里面拖到最后点击相反即可。重复以上步骤在夹爪与壳体，壳体与销钉上添加配合。图4-5夹爪部分装配图重复以上步骤在夹爪与电机，电机与销钉上添加配合，最后得到总体装配图如下图4-6总体装配图4.3夹爪的UG仿真UGNX10.0做运动仿真，主要是通过对装配图各个组成零件进行命名，包括选择它的运动方式，设置驱动参数，驱动部件等，每个动作都可以发生改变，以及最后的解算方案的算法，对时间和速度的控制等等，通过仿真计算，实现机构运动仿真。UG的部件运动仿真，主要是对装配部件进行一系列的参数设置，包括实现部件的移动或者转动等，若出现齿轮等复杂部件时，还应考虑做齿轮副或者3D接触等，研究速度、位移等运动方式，得出结论。根据操作的无限可能性，最终经过反复测试实验，得出分析运动仿真模型，在个人设计的装配主模型中可以得到直接的反映。首先打开UG软件打开模型软件，在结算方案中单击新建仿真系统会弹出对话框如图，名字采用默认即可，单击确认按钮，此时系统会弹出对话框如图，勾选基于组件的仿真，取消勾选运动副向导。单击确定即可完成在机构中点击连杆对话框如图，将机械手外壳全部选中进行固定，勾选无运动副连杆点击确定点击运动导航器，取消勾选连杆可将外壳进行隐藏重复以上步骤为各个零件添加连杆和齿轮。完成后为零件添加运动副。图4-17新建运动副对话框在类型里面选择具体的运动副点击驱动菜单下拉选择多项式弹出对话框之后即可输入具体的运动参数如图，设置完成后点击确定。图4-8运动参数输入对话框重复以上步骤为所有的运动连杆添加完成运动副之后回到主页面在运动导航器对话框即可得到点击解算方案，弹出对话框之后设定时间为20s，步数为400，点击方向使其竖直向下。单击确定即可完成系统求解完成后会弹出对话框关闭后在结果中点击播放即可查看，点击完成即可退出在运动导航器里面可以找到006和007，为手爪和复进杠杆。点击即可显示其运动参数以及坐标图。位移图如图4-9。图4-9位移参数图速度图如图4-10图4-40速度参数图最后导出ug仿真运动图如图所示4-114-11仿真运动图第五章全文总结本次设计课题是一个电机驱动的夹爪装置机构设计。电动夹爪装置在工业机器人等工业生产中起到极其重要的作用。机器人的广泛应用，离不开夹爪装置的创新与发展，电动夹爪的应用极大提高了劳动生产率，提高了产品质量，降低了成本，还极大的减轻了人的