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It is a new device which is developed in the process of mechanization and automation. Mechanical hand can replace human to complete dangerous, repetitive and boring work, reduce human labor intensity, improve labor productivity. This design first, survey the research and development of industrial robot manipulator, and then, analyze the existing mechanism and design requirements of the overall structure scheme; secondly, design and select the main components; and then use the Pro/E three dimensional design software for virtual design and simulation analysis. At last, the assembly drawing and part drawing of the manipulator are drawn by AutoCAD. Through this design, we have consolidated the professional knowledge of University, such as mechanical principle, mechanical design, material mechanics, tolerance and exchange theory, mechanical drawing, air pressure and control technology, etc., master the design method of common mechanical products and can skillfully use AutoCAD, Pro/E software, which has great significance to the future work and life. Key words: Mechanical hand, Two fingers, Structure, Air pressure 目 錄 摘 要 I Abstract II 第一章 緒論 1 1.1選題背景及意義 1 1.2機(jī)械手概述 1 1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢(shì) 2 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 4 2.1工業(yè)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)類型 4 2.2驅(qū)動(dòng)方式的選擇 4 2.3機(jī)械手結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 6 第三章 主要零部件的設(shè)計(jì)與校核 7 3.1手指卡鉗的設(shè)計(jì)與校核 7 3.1.1設(shè)計(jì)要求 7 3.1.2結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 7 3.1.3強(qiáng)度校核 8 3.2夾持氣缸的設(shè)計(jì) 8 3.2.1氣缸結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 8 3.2.2氣缸工作壓力計(jì)算 9 3.2.3氣缸主要參數(shù)的選擇 10 3.2.4氣缸強(qiáng)度的較核 10 3.3連接板的設(shè)計(jì)與校核 11 3.3.1結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 11 3.1.2強(qiáng)度校核 11 3.4連接法蘭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12 3.5螺栓的選定與校核 12 3.5.1螺栓類型選擇 12 3.5.2螺栓組的布置 12 3.5.3螺栓的受力分析 13 3.5.4螺栓組傾覆力矩校核 13 第四章 基于Pro/E的三維設(shè)計(jì)與仿真 16 4.1軟件概述 16 4.2三維設(shè)計(jì)與裝配 17 4.2.1零件三維設(shè)計(jì) 17 4.2.2虛擬裝配 18 4.3仿真分析 20 4.3.1 Pro/E仿真介紹 20 4.3.2仿真過程 20 總 結(jié) 23 參考文獻(xiàn) 24 致 謝 25 26 工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真 第一章 緒論 1.1選題背景及意義 機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置，它是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。機(jī)械手能代替人類完成危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力。機(jī)械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下： （1）以提高生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化程度 應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化的程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。 （2）以改善勞動(dòng)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(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。在一些簡(jiǎn)單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 （3）可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床的綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都沒有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。 綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢(shì)。 1.2機(jī)械手概述 工業(yè)機(jī)械手由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作，自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 機(jī)械手技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。 機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手”。生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率：可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用。 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡(jiǎn)單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。 1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和趨勢(shì) （1）國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀 工業(yè)機(jī)械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。工業(yè)機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的 手足和大腦功能，它可替代人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高溫等惡劣環(huán)境中工作：代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應(yīng)用與制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機(jī)械手與數(shù)控加工中心，自動(dòng)搬運(yùn)小車與自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。 我國(guó)的工業(yè)機(jī)械手發(fā)展主要是逐步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。在應(yīng)用專業(yè)機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，研制出示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等?？梢詫C(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型機(jī)構(gòu)，組裝成各種用途的機(jī)械手，即便于設(shè)計(jì)制造，又便于跟換工件，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。目前國(guó)內(nèi)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鍛造。所以，在國(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專業(yè)機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。 （2）國(guó)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外機(jī)械手在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如 發(fā)生少許偏差時(shí)候，即能更正并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定的成績(jī)。 （3）發(fā)展趨勢(shì) 目前世界高端工業(yè)機(jī)械手均具有高精化，高速化，多軸化，輕量化等的發(fā)展趨勢(shì)。定位精度可以滿足微米及亞微米級(jí)要求，運(yùn)行速度可以達(dá)到3M/S，良新產(chǎn)品可以達(dá)到6軸，負(fù)載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100KG。更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相互結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時(shí)，隨著機(jī)械手的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)突破傳統(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域，從而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 2.1工業(yè)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)類型 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下： （1）直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互升降的直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1. a。由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度（μm級(jí)）。 （2）圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.b。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。 （3）球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.c。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。 （4）關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1.d。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對(duì)機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。 圖2-1四種機(jī)械手坐標(biāo)形式 本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是配合三菱六自由度關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人使用的。 2.2驅(qū)動(dòng)方式的選擇 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，按動(dòng)力源分為氣壓、氣動(dòng)和電動(dòng)三大類。根據(jù)需要也可這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下： （1）氣壓驅(qū)動(dòng) 由于氣壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動(dòng)力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機(jī)器人。但是，氣壓系統(tǒng)需要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換成氣壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低，氣壓系統(tǒng)的液體泄露會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。 （2）氣動(dòng)驅(qū)動(dòng) 具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便、價(jià)格低等特點(diǎn)。適用于中、小負(fù)荷的機(jī)器人中采用。但是因難于實(shí)現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機(jī)器人中，如在上、下料和沖壓機(jī)器人中應(yīng)用較多。 （3）電動(dòng)驅(qū)動(dòng) 由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機(jī)及其配套的伺服驅(qū)動(dòng)器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）的廣泛采用，這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)器人中被大量采用。這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。直流有刷電機(jī)不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高。但因?yàn)檫@類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)比較突出，因此在機(jī)器人中被廣泛的使用。 工業(yè)機(jī)械手使用最多的一種驅(qū)動(dòng)方式是電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這類機(jī)械手的特點(diǎn)是控制精度高，驅(qū)動(dòng)力較大，響應(yīng)快，信號(hào)檢測(cè)、傳遞、處理方便，并可以采用多種靈活的控制方案。但是由于這類機(jī)械手價(jià)格昂貴，限制了在一些場(chǎng)合的廣泛應(yīng)用。 氣動(dòng)機(jī)械手與其它控制方式的機(jī)械手相比，具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率體積比高、無污染及抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，表2.1給出了各種控制方式的比較。 表2.1 各種控制方式的比較 項(xiàng)目 氣壓傳動(dòng) 氣壓傳動(dòng) 電氣傳動(dòng) 機(jī)械傳動(dòng) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單 復(fù)雜 復(fù)雜 較復(fù)雜 安裝自由度 大 大 中 小 輸出力 稍大 大 小 不太大 定位精度 一般 一般 很高 高 動(dòng)作速度 大 稍大 大 小 響應(yīng)速度 慢 快 快 中 清潔度 清潔 可能污染 清潔 較清潔 維護(hù) 簡(jiǎn)單 比氣動(dòng)復(fù)雜 需要專門技術(shù) 簡(jiǎn)單 價(jià)格 一般 稍高 高 一般 技術(shù)要求 較低 較高 最高 較低 控制自由度 大 大 中 小 危險(xiǎn)性 幾乎沒問題 注意火 一般無問題 無特殊問題 基于氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的以上這些優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手只需滿足夾持送料的功能，因此，本次設(shè)計(jì)采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)。 2.3機(jī)械手結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手為配合三菱六自由度機(jī)器人用的上下料機(jī)械手，其只需按照固定的程序重復(fù)：夾持→松開→夾持的動(dòng)作。 根據(jù)這些要求本次設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手由氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)兩手爪實(shí)現(xiàn)抓夾動(dòng)作，總體結(jié)構(gòu)方案如下圖2-1，其由手指、氣缸、連接法蘭、氣動(dòng)系統(tǒng)等組成。 圖2-1 兩指機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖 第三章 主要零部件的設(shè)計(jì)與校核 3.1手指卡鉗的設(shè)計(jì)與校核 3.1.1設(shè)計(jì)要求 機(jī)械手的手指是用來抓持工件的部件，將直接影響到工業(yè)機(jī)械手的工作性能，它是工業(yè)機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。設(shè)計(jì)時(shí)要注意的問題： （1）結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （2）手指應(yīng)有一定的開閉范圍。它的大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且應(yīng)注意手部接近工件的運(yùn)動(dòng)路線及其方位的影響。 （3）手指應(yīng)有足夠的夾緊力，除考慮夾持工件的重力外，還應(yīng)考慮工件在傳送過程中的動(dòng)載荷 3.1.2結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) （1）參數(shù)選擇 選擇待抓取工件參數(shù)選定如下： 尺寸為：200mm×200mm×50mm； 重量為：10KG （2）尺寸選擇 根據(jù)工件尺寸選擇手指活動(dòng)范圍為：140~240mm 選定手指卡鉗寬度為：60mm；厚度為：20mm 根據(jù)后面章節(jié)對(duì)其他零件的設(shè)計(jì)匹配后手指卡鉗的詳細(xì)結(jié)構(gòu)尺寸如下： 圖3-1 手指卡鉗 3.1.3強(qiáng)度校核 手指卡鉗因在夾持工件時(shí)只受到彎矩，因此在強(qiáng)度校核時(shí)只需校核彎曲強(qiáng)度即可。 由于抓取工件時(shí)抓取緊力應(yīng)滿足： 故卡鉗受到的推力應(yīng)滿足： 式中：f—手爪與工件的靜摩擦系數(shù)，工件材料為40號(hào)鋼，手爪為鋁型材，查表得f=0.13 所以，取 最危險(xiǎn)的截面即為最窄且離末端最遠(yuǎn)的截面處，其彎矩為： 抗彎截面系數(shù) 截面上的彎曲應(yīng)力 卡鉗的材料為Al。由表15-1查得 則有：，故滿足強(qiáng)度要求。 3.2夾持氣缸的設(shè)計(jì) 3.2.1氣缸結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 為了確保手指夾持時(shí)卡鉗不會(huì)轉(zhuǎn)且夾持穩(wěn)定，本次采用左右卡鉗均為雙活塞式夾持氣缸，氣結(jié)構(gòu)方案如下圖示。 圖3-2 夾持氣缸結(jié)構(gòu)方案 3.2.2氣缸工作壓力計(jì)算 手爪要能抓起工件必須滿足： 式中，-----為所需夾持力； -----安全系數(shù)，通常取1.2~2； -----為動(dòng)載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按估算，為機(jī)械手在搬運(yùn)工件過程的加速度，，為重力加速度； -----方位系數(shù)，查表選取； -----被抓持工件的重量 10； 帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得： ； 理論驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算： 式中，----為氣缸所需理論驅(qū)動(dòng)力； ----為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的升降距離； -----為扇形齒輪分度圓半徑； -----為手指夾緊力； ---傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，此處選為0.92； 其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得 計(jì)算驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式為： 式中，-----為計(jì)算驅(qū)動(dòng)力； ---安全系數(shù)，此處選1.2； ---工作條件系數(shù)，此處選1.1； 其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得： 而氣缸的工作驅(qū)動(dòng)力是由缸內(nèi)氣壓提供的，故有 式中，---為氣缸工作氣壓； ----為柱塞截面積； 經(jīng)計(jì)算，所需的氣壓約為： 3.2.3氣缸主要參數(shù)的選擇 氣缸的工作壓力和缸的工作速度，放在氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，通過外部的氣壓回路、采用合適的調(diào)速回路和元件來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過仔細(xì)分析，綜合考慮各方面的因素，初步確定各氣缸的基本參數(shù)如下： 表3-2夾持氣缸主要參數(shù) 缸內(nèi)徑 壁厚 直徑 行程 工作壓力 32 12 16 50 0.8 注：氣缸工作壓力由系統(tǒng)壓力閥調(diào)定。 在夾持氣缸的設(shè)計(jì)上，一是增大其抗彎能力，二是通過合理的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)，使其具有盡量大的剛度。為了達(dá)到這個(gè)目的，設(shè)計(jì)中采用了兩個(gè)導(dǎo)向桿，以滿足長(zhǎng)行程活塞桿的穩(wěn)定性和導(dǎo)向問題。作為氣壓執(zhí)行元件，滿足此處的驅(qū)動(dòng)力要求是輕而易舉的，要解決的關(guān)鍵問題仍然是它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能否有足夠的剛度來抗傾覆。 3.2.4氣缸強(qiáng)度的較核 （1）缸筒壁厚的較核 當(dāng) D/時(shí)，氣缸壁厚的較核公式如下： 式中，----為缸筒內(nèi)徑； ----為缸筒試驗(yàn)壓力，當(dāng)缸的額定壓力時(shí)，取為； ----為缸筒材料的許用應(yīng)力，，為材料抗拉強(qiáng)度，經(jīng)查相關(guān)資料取為350，為安全系數(shù)，此處??； 代入數(shù)據(jù)計(jì)算，上式成立。因此氣缸壁厚強(qiáng)度滿足要求。 （2）活塞桿直徑的較核 活塞桿直徑的較核公式為 式中， -----為活塞桿上作用力； -----為活塞桿材料的許用應(yīng)力，此處； 代入數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算較核得上式成立，因此活塞桿的強(qiáng)度能滿足工作要求。 3.3連接板的設(shè)計(jì)與校核 3.3.1結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 根據(jù)卡鉗及氣缸尺寸設(shè)計(jì)匹配后連接板的詳細(xì)結(jié)構(gòu)尺寸如下： 圖3-3 連接板 3.1.2強(qiáng)度校核 手指卡鉗因在夾持工件時(shí)只受到彎矩，連接板與之相同，因此在強(qiáng)度校核時(shí)只需校核彎曲強(qiáng)度即可。 連接板受到的推力與卡鉗相等，故： 最危險(xiǎn)的截面即為最窄且離末端最遠(yuǎn)的截面處，其彎矩為： 抗彎截面系數(shù) 截面上的彎曲應(yīng)力： 卡鉗的材料為Al。由表15-1查得 則有：，故滿足強(qiáng)度要求。 3.4連接法蘭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 采用CAD設(shè)計(jì)配匹得到連接法蘭的結(jié)構(gòu)尺寸如下，由于整個(gè)機(jī)械手重量并不大因此不需進(jìn)行強(qiáng)度校核： 圖3-4 連接法蘭 3.5螺栓的選定與校核 設(shè)計(jì)螺紋連接，一般首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)需要連接固定零件的形狀、尺寸、所受載荷及其他工作要求，確定所用螺紋緊固件的類型、布置和尺寸等。本次螺栓的選定計(jì)算以卡鉗螺栓為例，其他處螺栓與其類似。 3.5.1螺栓類型選擇 由于用于連接兩個(gè)較薄的零件。在被連接件上開有通孔，插人螺栓后在螺栓的另一端擰上螺母。采用普通螺栓的釘桿與孔之間有間隙，通孔的加工要求較低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝拆方便，應(yīng)用廣泛。 3.5.2螺栓組的布置 布置螺栓組包括確定螺栓組中的螺栓數(shù)目并給出每個(gè)螺栓的位置。 1）接合面處的零件形狀應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，最好是方形、圓形或矩形、同一圓周上的螺栓數(shù)目應(yīng)采用 4、6、8、12 等，以便于加工時(shí)分度。示例如下： 圖3-5 螺栓布置圖 2）受力矩的螺栓組，螺栓應(yīng)遠(yuǎn)離對(duì)稱軸，以減小螺栓受力。 3）受橫向力的螺栓組，沿受力方向布置的螺栓不宜超過 6—8 個(gè)，以免各螺栓受力嚴(yán)重不均勻。 4）同一螺栓組所用的緊固件的形狀、尺寸、材料等應(yīng)一致，以便于加工和裝配。螺栓間的距離可參考表3-1如下： 表3-1螺栓間距參考值 5）為裝配螺紋連接時(shí)，工具應(yīng)有足夠的操作空間，應(yīng)保證一定的扳手空間尺寸。 3.5.3螺栓的受力分析 進(jìn)行螺栓組連接受力分析的目的是，根據(jù)連接的結(jié)構(gòu)和受載情況，求出受力最大的螺栓及其所受的力，以便進(jìn)行螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算。 螺栓組連接主要受橫向載荷和傾覆力矩的復(fù)合作用，現(xiàn)在為了校核的方便，先校核受橫向載荷的連接。應(yīng)該保證連接預(yù)緊后，接合面間所產(chǎn)生的最大摩擦力必須大于或等于橫向載荷。 根據(jù)前面的計(jì)算，螺栓組所受橫向載荷=98N，假設(shè)各螺栓所需要的預(yù)緊力為，螺栓數(shù)目為2，M16螺栓性能等級(jí)為8.8 ，取安全系數(shù)s=1.5。 則其平衡的條件為≥ 由此得預(yù)緊力≥== 424N 此時(shí)螺栓的所受的應(yīng)力===1.36Mpa＜ 3.5.4螺栓組傾覆力矩校核 傾覆力矩M作用在通過×—×軸并垂直于連接接合面的對(duì)稱平面內(nèi)。底板承受傾覆力矩前，由于螺栓已擰緊，螺栓受預(yù)緊力F。有均勻的伸長(zhǎng)；地基在各螺栓的F 。作用下，有均勻的壓縮，如下圖所示。當(dāng)?shù)装迨艿絻A覆力矩作用后，它繞軸線O一口傾轉(zhuǎn)一個(gè)角度，假定仍保持為平面。此時(shí)，在軸線 O一。左側(cè)，地基被放松，螺栓被進(jìn)一步拉伸；在右側(cè)，螺栓被放松，地基被進(jìn)一步壓縮。底板的受力情況如圖3-6所示： 圖3-6 傾覆力矩 上述過程，可用單個(gè)螺栓一地基的受力變形圖來表示，見圖3-7。 圖3-7 單個(gè)螺栓-地基的受力變形圖 為簡(jiǎn)便起見，地基與底板的互相作用力以作用在各螺栓中心的集中力代表。如圖所示，斜線氏A表示螺栓的受力變形線，斜線o滬表示地基的受力變形線。在傾覆力矩M作用以前，螺栓和地基的工作點(diǎn)都處于A點(diǎn)。底板上受到的合力為零。當(dāng)?shù)装迳鲜艿酵饧拥膬A覆力矩M后情況），在傾轉(zhuǎn)軸線o—o左側(cè)，螺栓與地基的工作點(diǎn)分別移至盡與馬點(diǎn)，兩者作用到底板上的合力的大小等于螺栓的工作載荷F ，方向向下。在o—o右側(cè)，螺栓與地基的工作點(diǎn)分別移至移至與點(diǎn)，兩者作用到底板上的合力等于載荷，其大小等于工作載荷F，但方向向上（注意右側(cè)螺栓的工作載荷為零）。作用在o—o兩側(cè)底板上的兩個(gè)總合力，對(duì)o—o形成個(gè)力矩，這個(gè)力矩應(yīng)與外加的傾覆力矩M平衡， 即 M= 又因 = 于是螺栓所受的最大工作載荷為：==18.5N 其產(chǎn)生附加的應(yīng)力===0.3Mpa，螺栓遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足我們的要求。 第四章 基于Pro/E的三維設(shè)計(jì)與仿真 4.1軟件概述 Pro/Engineer操作軟件是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位。Pro/Engineer作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣，是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。 Pro/E第一個(gè)提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫(kù)來解決特征的相關(guān)性問題。Pro/E的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)至生產(chǎn)全過程集成到一起，實(shí)現(xiàn)并行工程設(shè)計(jì)。Pro/E采用了模塊方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。 （1）參數(shù)化設(shè)計(jì) 相對(duì)于產(chǎn)品而言，我們可以把它看成幾何模型，而無論多么復(fù)雜的幾何模型，都可以分解成有限數(shù)量的構(gòu)成特征，而每一種構(gòu)成特征，都可以用有限的參數(shù)完全約束，這就是參數(shù)化的基本概念。 （2）基于特征建模 Pro/E是基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計(jì)人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。 （3）單一數(shù)據(jù)庫(kù) Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫(kù)上，不像一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)上。所謂單一數(shù)據(jù)庫(kù)，就是工程中的資料全部來自一個(gè)庫(kù)，使得每一個(gè)獨(dú)立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個(gè)部門的。換言之，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程的任何一處發(fā)生改動(dòng)，亦可以前后反應(yīng)在整個(gè)設(shè)計(jì)過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。這種獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計(jì)的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)合起來。這一優(yōu)點(diǎn)，使得設(shè)計(jì)更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場(chǎng)，價(jià)格也更便宜。 Pro/Engineer功能如下： （1）特征驅(qū)動(dòng)（例如：凸臺(tái)、槽、倒角、腔、殼等）； （2）參數(shù)化（參數(shù)=尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等）； （3）通過零件的特征值之間，載荷/邊界條件與特征參數(shù)之間（如表面積等）的關(guān)系來進(jìn)行設(shè)計(jì)； （4）支持大型、復(fù)雜組合件的設(shè)計(jì)（規(guī)則排列的系列組件，交替排列，Pro/PROGRAM的各種能用零件設(shè)計(jì)的程序化方法等）。 （5）貫穿所有應(yīng)用的完全相關(guān)性（任何一個(gè)地方的變動(dòng)都將引起與之有關(guān)的每個(gè)地方變動(dòng)）。其它輔助模塊將進(jìn)一步提高擴(kuò)展 Pro/ENGINEER的基本功能。 4.2三維設(shè)計(jì)與裝配 4.2.1零件三維設(shè)計(jì) 在Pro/E零件設(shè)計(jì)模塊對(duì)各零件進(jìn)行三維建模，主要零件的建模結(jié)果如下： （1）卡鉗 圖4-1 卡鉗 （2）連接塊 圖4-2 連接塊 （3）連接法蘭 圖4-3 連接法蘭 （4）氣缸體 圖4-4 氣缸體 （5）氣缸蓋 圖4-5 氣缸蓋 （6）活塞 圖4-6 活塞 4.2.2虛擬裝配 虛擬裝配時(shí)采用模塊化裝配模式，即先對(duì)手指、手腕進(jìn)行裝配，再把手指與手腕進(jìn)行裝配得到最終的總成。 （1）手指裝配 圖4-7 卡鉗虛擬裝配 （2）氣缸裝配 圖4-8 氣缸虛擬裝配 （3）總成裝配 圖4-9 機(jī)械手總成虛擬裝配 4.3仿真分析 4.3.1 Pro/E仿真介紹 在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造過程中，首先是概念設(shè)計(jì)和方案論證，然后進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì),為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，通常要制造樣機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)，有時(shí)這些試驗(yàn)是破壞性的。當(dāng)通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷時(shí)，又要重新修改設(shè)計(jì)，并用樣機(jī)重新驗(yàn)證。只有通過周而復(fù)始的“設(shè)計(jì)－試驗(yàn)—設(shè)計(jì)”過程，產(chǎn)品才能達(dá)到要求的性能。這一過程是冗長(zhǎng)的，尤其對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)思路其設(shè)計(jì)周期無法縮短，更談不上市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)高速發(fā)展的今天，Pro/ENGINEER（以下簡(jiǎn)稱Pro/E）為之提供了一套行之有效的運(yùn)動(dòng)仿真解決方案，即Pro/E的運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)是利用Pro/E建立模擬系統(tǒng)的三維實(shí)體模型和力學(xué)模型，在計(jì)算機(jī)上建造出產(chǎn)品的整體模型，并針對(duì)該產(chǎn)品在投入使用后的各種情況進(jìn)行仿真分析，預(yù)測(cè)產(chǎn)品的整體性能，進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品性能的先進(jìn)技術(shù)，其目的是為物理機(jī)樣的設(shè)計(jì)和制造提供依據(jù)。 運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)是從分析解決產(chǎn)品整體性能及其相關(guān)問題的角度出發(fā)，解決傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造過程弊端的高新技術(shù)。工程設(shè)計(jì)人員可以直接利用Pro/E系統(tǒng)所提供的各零部件的物理信息及幾何信息，在運(yùn)動(dòng)仿真內(nèi)定義零部件間的連接關(guān)系并進(jìn)行虛擬裝配，從而獲得機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，在各種虛擬環(huán)境中真實(shí)地模擬系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，并對(duì)其在各種工況下的運(yùn)動(dòng)和受力情況進(jìn)行仿真分析，仿真試驗(yàn)不同的設(shè)計(jì)方案，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行不斷改進(jìn)，直至獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，再做物理樣機(jī)。這樣做的意義在于減少了甚至免除了制作物理樣機(jī)的經(jīng)費(fèi)，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 4.3.2仿真過程 （1）機(jī)構(gòu)仿真 (a)打開裝配圖，點(diǎn)擊“機(jī)構(gòu)”命令 圖4-10點(diǎn)擊“機(jī)構(gòu)” (b)建立伺服電動(dòng) 圖4-11建立電動(dòng)機(jī) (c)點(diǎn)擊“機(jī)構(gòu)分析”，彈出界面 圖4-12機(jī)構(gòu)分析 (d)點(diǎn)擊運(yùn)行 （2）仿真動(dòng)畫獲取，(a)點(diǎn)擊“回放”-右鍵選擇“播放” 圖4-13啟動(dòng)動(dòng)畫 (b)點(diǎn)擊 “動(dòng)畫”中“捕獲”命令 圖4-14動(dòng)畫 (c)設(shè)置“捕獲”命令參數(shù) 設(shè)置“捕獲”中動(dòng)畫放置目錄、圖像大小等參數(shù)后，點(diǎn)擊“確定”等待計(jì)算機(jī)運(yùn)行捕獲即可得到仿真動(dòng)畫。 圖4-15捕獲 總 結(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實(shí)際相結(jié)合的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，通過這次對(duì)變電站巡檢全向移動(dòng)小車?yán)碚撝R(shí)和實(shí)際設(shè)計(jì)的相結(jié)合，鍛煉了我的綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)，解決實(shí)際工程問題的能力，同時(shí)也提高了我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)規(guī)范能力以及其他專業(yè)知識(shí)水平，而且通過對(duì)整體的掌控，對(duì)局部的取舍，以及對(duì)細(xì)節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗(yàn)得到了豐富，并且意志品質(zhì)力，抗壓能力以及耐力也都得到了不同程度的提升。 這是我們都希望看到的也正是我們進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的所在，提高是有限的但卻是全面的，正是這一次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我積累了許多實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，使我的頭腦更好的被知識(shí)武裝起來，也必然讓我在未來的工作學(xué)習(xí)中表現(xiàn)出更高的應(yīng)變能力，更強(qiáng)的溝通力和理解力。 順利如期的完成本此畢業(yè)設(shè)計(jì)給了我很大的信心，讓我了解專業(yè)知識(shí)的同時(shí)也對(duì)本專業(yè)的發(fā)展前景充滿信心，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了自己的許多不足與欠缺，留下了些許遺憾，不過不足與遺憾不會(huì)給我打擊只會(huì)更好的鞭策我前行，今后我更會(huì)關(guān)注新科技新設(shè)備新工藝的出現(xiàn)，并爭(zhēng)取盡快的掌握這些先進(jìn)知識(shí)，更好的為祖國(guó)的四化服務(wù)。 參考文獻(xiàn) [1] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第5版）[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008. 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The Utah/MIT hand: Works in progress [J].International Journal of Robotics Research.1986,4(3):221-250. 致 謝 在本文即將結(jié)束之際，請(qǐng)?jiān)试S我對(duì)在這四年的大學(xué)生活學(xué)習(xí)中給予我支持和鼓勵(lì)的各位老師和同學(xué)致以深深的感謝。 首先，我要感謝我的指導(dǎo)老師，感謝他在我的研究和學(xué)習(xí)過程中給予我的指導(dǎo)和幫助。老師深厚的理論素養(yǎng)，淵博的學(xué)識(shí)和誨人不倦的精神使我受益非淺，更重要的是，老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)范和對(duì)學(xué)術(shù)問題的概括與抽象能力在潛移默化中影響著我，教育著我。在大學(xué)生活中，老師對(duì)我的言傳身教以及給予我許多無私的關(guān)心和幫助，所有這些不僅是我得以順利地完成本文，而且更是使我終身受益。我還要感謝系里的各位老師，他們?yōu)槲业漠厴I(yè)設(shè)計(jì)提出諸多良好的建議以及努力方向，使我得以較快地完成設(shè)計(jì)。 其次，我還要特別感謝我的母校，為我提供了一個(gè)先進(jìn)的學(xué)習(xí)、工作環(huán)境，能讓我順利完成自學(xué)考試的各個(gè)課程。 最后，請(qǐng)讓我將這篇學(xué)士學(xué)位論文獻(xiàn)給我的父母親，感謝他們的養(yǎng)育之恩，感謝他們使我成為一個(gè)對(duì)社會(huì)有用的人，他們的關(guān)懷、支持和鼓勵(lì)是我所有信念的力量源泉。