机电一体化机械创新设计说明书

作品名称：夹持器设计组员：

指导老师：

目录

一、前言--------------------------------------------------------------（2）

二、夹持器设计的基本要求--------------------------------------（2）

三、夹持器方案选择--------------------------------（3）

四、夹持器装置设计--------------------------------（7）

五、小结------------------------------------------（12）

六、夹持器三维造型截图----------------------------（13）

七、参考文献--------------------------------------（14）

机械手夹持器设计

摘要：机械手是能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。本文着重描述了夹持型机械手的设计，包括总体要求的分析、结构的设计、驱动方式的选择，通过三种设计方案的比对，最终确定一种符合要求的方案，写出详细的设计、计算过程。

关键词：机械手抓持结构设计驱动方式夹持器

一、前言

随着社会的进步与发展，工业机器人正逐步在人类社会中大显身手。它主要由类似人的手和臂组成以代替人的繁重劳动，从而实现生产的机械化和自动化。而机械手手部是用来抓持工件（或工具）的部件，有多种结构形式，比如如夹持型、托持型和吸附型等。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。本人经历了第八届机械设计大赛，其中运用到机械手夹持，因此此次创新设计就是针对物块夹持器进行研究设计。现根据物块（工件）的大小、形状及重量等具体要求，提出三种设计方案。通过对比分析，选择一种合适的类型，进行详细的计算和设计，并完成效果图和机构的装配图以及零件图。

二、夹持器设计的基本要求

1、功能方面：

（1）应具有适当的夹紧力和驱动力；

（2）手指应具有一定的开闭范围；

（3）应保证工件在手指内的夹持精度；

（4）应考虑通用性和特殊要求。

2、结构方面：

（1）结构新颖；

（2）结构简单、紧凑，重量轻，效率高。

3、材料方面：

（1）材料耐磨性好；

（2）价格便宜。

4、设计参数及要求：

（1）采用手指式夹持器，执行动作为抓紧—放松；

（2）所要抓紧的工件最大直径为80mm，质量3kg。

三、夹持器方案选择

1、夹持器原理方案设想：

（1）单（多）铰链杆（2）连杆机构（3）杠杆机构

（4）螺杆机构（6）齿轮齿条机构

2、夹持器动力源形式：

(1）液压；（2）气压；（3）电力机械（螺杆传动、齿轮传动）。

各动力源优点如下：

a.液压传动的优点：结构紧凑，重量轻，调速度性能好，运转平稳、可靠，功率密度大，能自行润滑，易实现复杂控制。

b.气压传动的优点：结构简单，维护使用方便，成本低，工作寿命长，工作介质（压缩空气）的传输简单，且易获得。

C.电力机械的优点：使用和控制方便；工作效率高，无烟尘、气味，噪声小；运行可靠，价格低廉，结构牢固。

3、筛选出三种方案

根据工件要求，被夹持物体体积较小，重量较轻，选择电机驱动足够提供夹持力。而液压和气动虽然可提供较大动力源，但是没有电机驱动简单、方便。而且电机拆装方便，价格低廉。因此，综上所述，动力源选择电机驱动。

然后根据不同的夹持动作原理，选出三种方案，如下所述：

如上图所示，该夹持设计采用连杆机构，前后两滑块通过丝杆连接，有电机驱动。当电机轴旋转时带动丝杆旋转，使左边的滑块能够向前（或向后）运动，使得夹持手收缩（或张开）。

方案2

如上图所示，该夹持器采用锲块的前后运动，带动夹持手指的上下张合。同样锲块的运动也是由电机传动控制。

如上图所示，该夹持器采用齿轮啮合原理，通过电机驱动齿轮轴使两啮合齿轮转动，从而带动夹持手指作张合运动。

以上三种方案，由于齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸范围大等优点，又最能符合功能、结构和设计上的要求，最终选择方案三作为设计方案。

四、夹持器装置设计 1、夹紧力计算

手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，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。

手指对工件的夹紧力可按下列公式计算：

123N F K K K G

≥

式中：

1K —安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取1.2-2.0，

取1.5。

2K —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2K , 2

0.02/111 1.0029.8

a K g

=+

=+

=，a 为机器人搬运工

件过程的加速度或减速度的绝对值（m/s ）；

3K —方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行

选定，手指与工件位置：手指水平放置 工件垂直放置；手指与工件形状：V 型指端夹持圆柱型工件，30.5sin K f

θ

=

，f 为摩擦系数，θ为V

型手指半角，此处粗略计算34K ≈,如图1.1

图1.1

G —被抓取工件的重量

求得夹紧力N F ，123 1.5 1.002439.8176.75N F K K K M g N

==????=，取整为

177N 。 2、驱动力计算

根据驱动力和夹紧力之间的关系式：

2s i n N F c F b a

=

可得2sin 177286sin 16

195.1534

N F b a

F N c

???=

=

=

，得出F

为理论计算值，实际采取的电机驱动力'

F 要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率η，一般取0.8～0.9，此处取0.88，则：

'

195.15221.7620.88

F

F N η

=

=

= ，取'

500F N =

3、电机的选取

根据所需驱动力大小，以及估算电机转速大小，应选用高扭矩低转速的电机。这里选取扭矩为15Nm ，转速为10r/min 的电机。 4、齿轮的计算 4.1选择齿轮材料

传动无特殊要求，采用软齿面，由教材表6-5 齿轮选用40MnB 钢调制，241~286HBS 。 4.2按齿面接触强度设计

一对钢制外啮合齿轮设计公式用教材中式（6-32）

d 1≥3

1

2

)1()

]

[671(d

H

KT i

i ψ

σ

±mm

○

1计算齿轮传递的转矩 T 1=9.55×106

×

1

1n P =9.55×106

×

975

15=1.47×105

（Nmm ）

○2选择齿轮齿数z 1

=30 ○

3转速不高，功率不大，选择齿轮精度为8级 ○4齿宽系数已知，ψd

=1.2 ○5中等冲击，对称布置（表6-9），有教材表6-6，取载荷综合系数K=2.2

○

6确定许用接触应力 由教材图6-28查得1min H σ=720MPa ，2min H σ=460MPa ， 由表6-8查得，一般可靠度，取S min H =1，由式（6-33）得： [1H σ]=720MPa, [2H σ]=460MPa,所以[H σ]=[2H σ]=460MPa

○

7计算齿轮分度圆直径 d 1≥3

2

2

.11470002.28

.2)18.2()

460

671(

?+=28.0（mm ）

○

8计算齿轮主要尺寸及圆周速度 分度圆直径d=28(mm )； 中心距a=30（mm ） 5、手爪的夹持误差及分析

机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决与机械手定位精度（由臂部和腕部等运动部件确定），而且也与手指的夹持误差大小有关。特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺寸在一定范围内变化，避免产生手指夹持的定位误差，需要注意选用合理的手部结构参数，见图1-2，从而使夹持误差控制在较小的

范围内。在机械加工中，通常情况使手爪的夹持误差不超过1m m ±，手部的最终误差取决与手部装置加工精度和控制系统补偿能力。

图1-2 工件直径为80mm ，尺寸偏差5m m ±，则m ax

42.5R m m

=，min

37.5R m m

=，

40ep R m m

=。本设计属于两支点回转型手指夹持，如图1-3

图1-3

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：

2

2

(

)2cos sin sin AB AB

R R X l l a

βθ

θ

=

+--

简化为：

2

22

2

2

1(s i n c o s

)(

s i n )

s i n A B A B X R l l a

θββθ

=

-+-

当工件半径为0R 时，X 取最小值min X ，又从上式可以求出：

0sin cos AB R l θβ

=，通常取2120

θ

=

m in

sin AB X l β

=

若工件的半径m ax R 变化到m in R 时，X 值的最大变化量，即为夹持误差，用?表示。

在设计中，希望按给定的m ax R 和m in R 来确定手爪各部分尺寸，为了减少夹持误差，一方面可加长手指长度，但手指过长，使其结构增大；另一方面可选取合适的偏转角β，使夹持误差最小，这时的偏转角称为最佳偏转角。只有当工件的平均半径ep

R 取为0R 时，夹持误差最小。

此时最佳偏转角的选择对于两支点回转型手爪（尤其当a 值较大时），偏转角β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，两手爪的B E 和'

'

B E 边平行，抓不着工件。为避免上述情况，通常按手爪抓取工件的平均半径

ep

R ，以90BCD ∠=

为

条件确定两支点回转型手爪的偏转角β，即下式：

1

1cos [(

)

]

sin ep AB

R a l βθ

-=-

其中290a m m =,86AB

l m m

=,V 型钳的夹角2120

θ

=

代入得出： 1

801cos [(

45)

]56.57

sin 60

86

β-=-=

则

0sin cos 86sin 60

cos 56.5741.02AB R l m m

θβ==??=

则m in

0m ax

R R R <<，此时定位误差为1?和2?中的最大值。

2

2

2

222

m ax m in 1(

)2cos sin sin sin AB AB

AB R R l l a l a

ββθθ?=+---

-

2

2

2

22

2

min min 2(

)2cos sin sin sin AB AB

AB R R l l a l a

ββθ

θ

?=+---

-

分别代入得：

10.0256m m

?=，2

0.1482m m

?=

所以，0.14821m m m m ?=<，夹持误差满足设计要求。 由以上各值可得：

2222

2

1(sin cos )(sin )55.9254sin AB AB X R l l a m m

θββθ

=

-+-=

取值为56X m m

=。

五、小结

经过两周时间对机械手夹持器进行设计分析以及计算，运用到了很多机械设计方面的知识。而且还查阅了很多资料，包括上网和图书馆，收益颇丰。另外过程中还提高了识图、制图、运算和编写技术文件的基本技能。因此，可以说本次创新设计为毕业后走向社会从事相关技术工作打下良好的基础。 六、参考文献

（1）张春林 《机械创新设计》 （2）郭洪江 《工业机器人技术》 （3）宗光华 《机器人创意设计与实践》 （4）刘杰 《机电一体化技术基础与产品设计》 （5）王兰美 《机械制图》 （6）陈秀宁 《机械设计》