機械創(chuàng)新設(shè)計-機械手夾持器

基于方案比對的機械手夾持器創(chuàng)新設(shè)計

盧偉杰100203035福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院一、前言隨著社會的進步與發(fā)展，工業(yè)機器人正逐步在人類社會中大顯身手。它主要由類似人的手和臂組成以代替人的繁重勞動，從而實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化。而機械手手部是用來抓持工件（或工具）的部件，有多種結(jié)構(gòu)形式，比如如夾持型、托持型和吸附型等。機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。基于方案比對的機械手夾持器創(chuàng)新設(shè)計基于方案比對的機械手夾持器創(chuàng)新設(shè)計1.1研究的目的與意義在機械工業(yè)中，應(yīng)用機械手的意義可以概括如下：一、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度應(yīng)用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝夾、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。二、以改善勞動條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應(yīng)用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)。綜上所述，有效的應(yīng)用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢?；诜桨副葘Φ臋C械手夾持器創(chuàng)新設(shè)計1.2國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新的技術(shù)，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。工業(yè)機械手是提高生產(chǎn)過程自動化、改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。

專用機械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進入以通用機械手為標志的時代。由于通用機械手的應(yīng)用和發(fā)展，進而促進了智能機器人的研制。智能機器人涉及的知識內(nèi)容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎(chǔ)知識，

而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)和假肢工藝等，因此它是一項綜合性較強的新技術(shù)。目前國內(nèi)外對發(fā)展這一新技術(shù)都很重視，幾十年來，這項技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計在不斷地修改，品種在不斷地增加，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地擴大。

早在40年代，隨著原子能工業(yè)的發(fā)展，已出現(xiàn)了模擬關(guān)節(jié)式的第一代機械手。50～60年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。這種機械手也稱第二代機械手。如尤尼曼特(Unimate)機械手即屬于這種類型?；诜桨副葘Φ臋C械手夾持器創(chuàng)新設(shè)計60～70年代，又相繼把通用機械手用于汽車車身的點焊和沖壓生產(chǎn)自動線上，亦即是第二代機械手這一新技術(shù)進入了應(yīng)用階段。80-90年代，裝配機械手處于鼎盛時期，尤其是日本。90年代機械手在特殊用途上有較大的發(fā)展，除了在工業(yè)上廣泛應(yīng)用外，農(nóng)、林、礦業(yè)、航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)、軍事領(lǐng)域上有較大的應(yīng)用。90年代以后，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機械手技術(shù)也得到飛速的多元化發(fā)展。

總之，目前機械手的主要經(jīng)歷分為三代：

第一代機械手主要是靠人工進行控制，控制方式為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是將低成本和提高精度；

第二代機械手設(shè)有電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反饋，使機械手具有感覺機能；

第三代機械手能獨立完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng)FMS(FlexibleManufacturingSystem)和柔性制造單元FMC(FlexibleManufacturingCell)中重要一環(huán)?；诜桨副葘Φ臋C械手夾持器創(chuàng)新設(shè)計基于方案比對的機械手夾持器創(chuàng)新設(shè)計目前的國內(nèi)的幾種機械手夾持器基于方案比比對的機械械手夾持器器創(chuàng)新設(shè)計計二、夾持器設(shè)計的的基本要求求現(xiàn)根據(jù)物塊（（工件）的的大小、形形狀及重量量等具體要要求，提出出三種設(shè)計方案。。通過對比分析，，選擇一種種合適的類類型，進行行詳細的計計算和設(shè)計計，并完成成效果圖和和機構(gòu)的裝配圖。2.1功能方面應(yīng)具有適當?shù)牡膴A緊力和和驅(qū)動力；手指應(yīng)具有一定定的開閉范范圍；應(yīng)保證工件在在手指內(nèi)的的夾持精度度；應(yīng)考慮通用性性和特殊要要求。2.2結(jié)構(gòu)方面結(jié)構(gòu)新穎；結(jié)構(gòu)簡單、緊湊湊，重量輕輕，效率高高?；诜桨副缺葘Φ臋C械械手夾持器器創(chuàng)新設(shè)計計2.3材料方面材料耐磨性性好；價格便宜。2.4設(shè)計參數(shù)及要求采用手指式式夾持器，，執(zhí)行動作作為抓緊——放松；所要抓緊的工工件最大直直徑為80mm，質(zhì)量3kg。基于方案比比對的機械械手夾持器器創(chuàng)新設(shè)計計三、夾持器器方案選擇擇3.1夾持器原理方方案設(shè)想（1）單（多））鉸鏈桿（2）連桿機構(gòu)構(gòu)（3）杠桿機構(gòu)構(gòu)基于方案比比對的機械械手夾持器器創(chuàng)新設(shè)計計（4）螺桿機構(gòu)構(gòu)（5）齒輪齒條機機構(gòu)基于方案比比對的機械械手夾持器器創(chuàng)新設(shè)計計3.2夾持器動力力源形式液壓；氣壓；電力機械（螺桿桿傳動、齒齒輪傳動）;各動力源優(yōu)點點如下：a.液壓傳動的的優(yōu)點：結(jié)結(jié)構(gòu)緊湊，，重量輕，，調(diào)速度性性能好，運運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、、可靠，功功率密度大大，能自行行潤滑，易易實現(xiàn)復(fù)雜雜控制。b.氣壓傳動的的優(yōu)點：結(jié)結(jié)構(gòu)簡單，，維護使用用方便，成成本低，工工作壽命長長，工作介介質(zhì)（壓縮縮空氣）的的傳輸簡單單，且易獲獲得。c.電力機械的的優(yōu)點：使使用和控制制方便；工工作效率高高，無煙塵塵、氣味，，噪聲小；；運行可靠靠，價格低低廉，結(jié)構(gòu)構(gòu)牢固?；诜桨副缺葘Φ臋C械械手夾持器器創(chuàng)新設(shè)計計3.3篩選出三種種方案根據(jù)工件要求，，被夾持物物體體積較較小，重量量較輕，選選擇電機驅(qū)驅(qū)動足夠提提供夾持力力。而液壓壓和氣動雖雖然可提供供較大動力力源，但是是沒有電機機驅(qū)動簡單單、方便。。而且電機機拆裝方便便，價格低低廉。因此此，綜上所所述，動力力源選擇電電機驅(qū)動。。然后根據(jù)不同的的夾持動作作原理，選選出三種方方案，如下下所述：基于方案比比對的機械械手夾持器器創(chuàng)新設(shè)計計方案一如上圖所示，該該夾持設(shè)計計采用連桿桿機構(gòu)，前前后兩滑塊塊通過絲桿桿連接，有有電機驅(qū)動動。當電機機軸旋轉(zhuǎn)時時帶動絲桿桿旋轉(zhuǎn)，使使左邊的滑滑塊能夠向向前（或向向后）運動動，使得夾夾持手收縮縮（或張開開）?；诜桨副缺葘Φ臋C械械手夾持器器創(chuàng)新設(shè)計計方案二如上圖所示，該該夾持器采采用鍥塊的的前后運動動，帶動夾夾持手指的的上下張合合。同樣鍥鍥塊的運動動也是由電電機傳動控控制?；诜桨副缺葘Φ臋C械械手夾持器器創(chuàng)新設(shè)計計方案三如左圖所示，該夾夾持器采用用齒輪嚙合合原理，通通過電機驅(qū)驅(qū)動齒輪軸軸使兩嚙合合齒輪轉(zhuǎn)動動，從而帶帶動夾持手手指作張合合運動。基于方案比比對的機械械手夾持器器創(chuàng)新設(shè)計計四、夾持持器器裝裝置置設(shè)設(shè)計計以上上三種種方方案案，，由由于于齒齒輪輪傳傳動動平平穩(wěn)穩(wěn)，，傳傳動動比比精精確確，，工工作作可可靠靠、、效效率率高高、、壽壽命命長長，，使使用用的的功功率率、、速速度度和和尺尺寸寸范范圍圍大大等等優(yōu)優(yōu)點點，，又又最最能能符符合合功功能能、、結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)和和設(shè)設(shè)計計上上的的要要求求，，最最終終選選擇擇方方案案三三作作為為設(shè)設(shè)計計方方案案。。4.1夾緊緊力力計算算手指指加加在在工工件件上上的的夾夾緊緊力力是是設(shè)設(shè)計計手手部部的的主主要要依依據(jù)據(jù)，，必必須須對對其其大大小小、、方方向向、、作作用用點點進進行行分分析析、、計計算算。。一一般般來來說說，，加加緊緊力力必必須須克克服服工工件件的的重重力力所所產(chǎn)產(chǎn)生生的的靜靜載載荷荷（（慣慣性性力力或或慣慣性性力力矩矩））以以使使工工件件保保持持可可靠靠的的加加緊緊狀狀態(tài)態(tài)。?；谟诜椒桨赴副缺葘Φ牡臋C機械械手手夾夾持持器器創(chuàng)創(chuàng)新新設(shè)設(shè)計計基于于方方案案比比對對的的機機械械手手夾夾持持器器創(chuàng)創(chuàng)新新設(shè)設(shè)計計基于于方方案案比比對對的的機機械械手手夾夾持持器器創(chuàng)創(chuàng)新新設(shè)設(shè)計計基于于方方案案比比對對的的機機械械手手夾夾持持器器創(chuàng)創(chuàng)新新設(shè)設(shè)計計基于于方方案案比比對對的的機機械械手手夾夾持持器器創(chuàng)創(chuàng)新新設(shè)設(shè)計計基于于方方案案比比對對的的機機械械手手夾夾持持器器創(chuàng)創(chuàng)新新設(shè)設(shè)計計基于于方方案案比比對對的的機機械械手手夾夾持持器器創(chuàng)創(chuàng)新新設(shè)設(shè)計計4.5手爪爪的的夾夾持持誤差差分分析析機械械手手能否否準準確確夾夾持持工工件件，，把把工工件件送送到到指指定定位位置置，，不不僅僅取取決決與與機機械械手手定定位位精精度度（（由由臂臂部部和和腕腕部部等等運運動動部部件件確確定定）），，而而且且也也與與手手指指的的夾夾持持誤誤差差大大小小有有關(guān)關(guān)。。特特別別是是在在多多品品種種的的中中、、小小批批量量生生產(chǎn)產(chǎn)中中，，為為了了適適應(yīng)應(yīng)工工件件尺尺寸寸在在一一定定范范圍圍內(nèi)內(nèi)變變化化，，避避免免產(chǎn)產(chǎn)生生手手指指夾夾持持的的定定位位誤誤差差，，需需要要注注意意選選用用合合理理的的手手部部結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)參參數(shù)數(shù)，，見右圖基于于方方案案比比對對的的機機械械手手夾夾持持器器創(chuàng)創(chuàng)新新設(shè)設(shè)計計基于于方方案案比比對對的的機機械械手手夾夾持持器器創(chuàng)創(chuàng)新新設(shè)設(shè)計計基于于方方案案比比對對的的機機械械手手夾夾持持器器創(chuàng)創(chuàng)新新設(shè)設(shè)計計基于于方方案案比比對對的的機機械械手手夾夾持持器器創(chuàng)創(chuàng)新新設(shè)設(shè)計計基于于方方案案比比對對的的機機械械手手夾夾持持器器創(chuàng)創(chuàng)新新設(shè)設(shè)計計基于于方方案案比比對對的的機機械械手手夾夾持持器器創(chuàng)創(chuàng)新新設(shè)設(shè)計計五、夾持持器器三三維維造造型型截截圖圖基于于方方案案比比對對的的機機械械手手夾夾持持器器創(chuàng)創(chuàng)新新設(shè)設(shè)計計六、、小小結(jié)結(jié)經(jīng)過過四周時間間對對機機械械手手夾夾持持器器進進行行