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本科畢業(yè)設計（論文）
題 目：工業(yè)機器人夾持器的設計
________________________
英文題目：The design of mec
hanical hand gripper
學 院：________________________
專 業(yè)：________________________
姓 名：________________________
學 號：________________________
指導教師：________________________
2015年11月12日
畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明
該畢業(yè)設計（論文）是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。文中除了特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或其他機構已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。其他同志對本研究的啟發(fā)和所做的貢獻均已在論文中作了明確的聲明并表示了謝意。
作者簽名：
日期： 年 月 日
畢業(yè)設計（論文）使用授權聲明
本人完全了解XX學院有關保留、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：學校有權保留送交畢業(yè)設計（論文）的復印件，允許被查閱和借閱；學?？梢怨既炕虿糠謨热?，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存該畢業(yè)設計（論文）。保密的畢業(yè)設計（論文）在解密后遵守此規(guī)定。
作者簽名： 導師簽名： 日期： 年 月 日
摘要
本次的設計來源于工業(yè)機器人夾持器設備更新?lián)Q代基礎之上，通過設計出工業(yè)機器人夾持器，從而來滿足當今機械手組成部件之一的工業(yè)機器人夾持器各方面性能不足的缺陷。本畢業(yè)設計課題來自于企業(yè)的生產(chǎn)實際，通過設計出新型工業(yè)機器人夾持器，從而來掌握工業(yè)機器人夾持器的整個設計生產(chǎn)流程，培養(yǎng)工程意識。
我國生產(chǎn)的工業(yè)機器人夾持器從仿制開始起步，近期產(chǎn)品的質量較早期有所提高。但受國產(chǎn)配套件質量及設計水平等的影響，我國目前生產(chǎn)的工業(yè)機器人夾持器的總體水平與進口產(chǎn)品及港口用戶的要求仍有較大差距，工業(yè)機器人夾持器的生產(chǎn)也是如此，為滿足市場需求，開發(fā)出一種新型的工業(yè)機器人夾持器勢在必行！
本文運用大學所學的知識，提出了工業(yè)機器人夾持器的結構組成、工作原理以及主要零部件的設計中所必須的理論計算和相關強度校驗，構建了工業(yè)機器人夾持器總的指導思想，從而得出了該工業(yè)機器人夾持器的優(yōu)點是高效，經(jīng)濟，并且安全系數(shù)高，對提高機械手的工作效率，減少人工投入，增強夾持質量等等起到了很大的作用的結論。
關鍵詞：工業(yè)機器人夾持器機；高效；人工投入；結論
Abstract
This paper mainly introduces the current situation and development prospect of automotive beauty decoration industry, car beauty industry is experiencinga hitherto unknown development opportunity, there are good prospects for development. But due to the current situation of enterprise development disorder, not standardized, quality of personnel is low, which seriously restrict the development of the industry.
that car decoration and beauty will be the century of China's most promising gold industry, known as the automotive industry "second gold", isa sunshine industry.China attaches great importance to the status of the degreeis not enough, and the baby chair to drive innovation design, to achieve a "chair", to improve the above situation.Therefore, this paper carries on research on scheme selection.
Through the professional knowledge of the designer to master the relevantinformation on the Internet, as well as the current situation at home and abroad, the design scheme, after a detailed investigation, this graduation design is to design a set of practical multifunctional baby chair.This design is begins with the argument, introduces in detail the scheme analysis, design process and calculating process.
Key words：Machine manufacture;Crankshaft;Processing craft;Fixture;
目 錄
摘要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1課題的來源與研究的目的和意義 1
1.2機械手的組成 2
1.2.1機械手的組成 3
1.3國內外發(fā)展狀況 5
2 機械手的設計方案 6
2.1座標型式與自由度的設計 8
2.2手部結構方案的設計 10
2.3手腕結構方案的設計 14
2.4手臂結構方案的設計 16
3 工業(yè)機器人夾持器結構的設計 18
3.1夾持式手部結構 19
3.1.1手指的形狀和分類 20
3.1.2設計時考慮的幾個問題 20
3.1.3手部夾緊氣缸的設計 21
3.2 氣缸驅動力矩的計算 22
3.3 氣缸驅動力矩的計算校核 23
4 工業(yè)機器人夾持器中關鍵零部件的強度計算與校核 23
4.1 齒輪的強度計算與校核 24
4.2 軸的強度計算與校核 25
結論 26
致謝 27
參考文獻 28
XX學院機械設計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)設計（論文）
1 緒論
1.1 課題的來源與研究的目的和意義
當今社會，過度的專業(yè)知識分割，使視野狹隘，可以多多參加技術交流，和參加科研項目，縮小范圍，提升新技術的進步和整個塊的技術，提高外部條件變化的適應能力。封閉的專業(yè)知識的太狹隘，考慮的問題太特殊，在工作中協(xié)調困難，不利于自我提高。因此，自上世紀第二十年代末，出現(xiàn)了一體化的趨勢。人們越來越重視基礎理論，拓寬領域，對專業(yè)合并的分化。機械工程可以增加產(chǎn)量，提高勞動生產(chǎn)率，提高生產(chǎn)的經(jīng)濟效益為目標，并研制和發(fā)展新的機械產(chǎn)品。在未來，新產(chǎn)品的開發(fā)，降低資源消耗，清潔的可再生能源，成本的控制，減少或消除環(huán)境污染作為一個超級經(jīng)濟目標和任務。機器能完成人的手和腳，耳朵和眼睛等等器官完全不能直接完成的任務?，F(xiàn)代機械工程機械和機械設備創(chuàng)造出更多、更精美的越來越復雜，很多幻想成為過去的現(xiàn)實。人類現(xiàn)在能成為天空的上游和宇宙，潛入海洋，數(shù)十億光年的密切觀察，細胞和分子。電子計算機硬件和軟件，人類的新興科學已經(jīng)開始加強，并部分代替人腦科學，這是人工智能。這一新的發(fā)展已經(jīng)顯示出巨大的作用，但在未來幾年還將繼續(xù)創(chuàng)造出不可思議的奇跡。人類智慧的增長并沒有減少手的效果，而是要求越來越精致，手工制作，更復雜的工作，從而促進手功能。又一方面實踐促進人腦智力。在人類的進化過程中，以及在每個人的成長過程中，大腦和手是互相促進和平行進化。
1987年，日本Subaru把裝備工業(yè)機器人夾持器的機械人投放市場，獲得成功。歐洲的Ford和Fi工業(yè)機器人夾持器也將新開發(fā)的工業(yè)機器人夾持器裝配在機械手上。當前，全世界各大機械人廠商為了提高產(chǎn)品的競爭力，都大力進行工業(yè)機器人夾持器的研發(fā)工作?，F(xiàn)在國外等著名機械人品牌中，都有配備工業(yè)機器人夾持器的銷售，全世界工業(yè)機器人夾持器的應用越來越廣泛。有一點值得注意的是，裝備有工業(yè)機器人夾持器的機械人市場，由最初的日本，歐洲，已經(jīng)滲透到北美市場，因此工業(yè)機器人夾持器是當今機械人比配的裝置已經(jīng)成為主要趨勢。
1.2 機械手的組成
1.2.1 機械手的組成
機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖2-1所示。
圖2-1 機械手組成方框圖
(一)執(zhí)行機構
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。
1、手部
即與物件接觸的部件，這是工業(yè)機器人夾持器的核心部件之一，手部結構設計的好與壞與工業(yè)機器人夾持器的功用性能的好壞有直接的關系。
2、手腕
起到連接手部和手臂部分的組件就是手腕，常規(guī)的手腕有多種形式，視具體情況而定。
1.3 國內外發(fā)展狀況
在日本，工業(yè)機械手從開始普及到現(xiàn)在已然30年。工業(yè)機械手對全球制造業(yè)發(fā)展提供了很多的幫助，像戰(zhàn)勝了困難的，污濁的，無法掌握的應用情況，供應了優(yōu)秀的產(chǎn)品品質，補充了貧乏的現(xiàn)場人力。能理解，在將來數(shù)年，由于老齡化加劇，現(xiàn)場人力數(shù)目縮小，會發(fā)生很多的用人貧乏。因此，產(chǎn)業(yè)機械手的希冀變得更多。產(chǎn)業(yè)機械手在全新范疇的施行（像食物，藥劑以及消費物的研發(fā)，建設以及制造范圍）亦然有很好的遠景。特別是在醫(yī)學范疇，試劑以及樣品分析前處理，可能獲得類似于高度精準的技術實驗數(shù)據(jù)。人力也能夠防止于在危急境況下作業(yè)，如病毒和細菌。
另一面來說，怎么去教依舊是產(chǎn)業(yè)機械手的很大問題。利用口令進行示范，必須鍛煉的非常好，方能嫻熟的操縱各式各樣產(chǎn)業(yè)機械手。在當下的機械手體系里，多臂互相配合鏈接操縱的境況下，操縱要用去巨額的工夫。早前的機械手體系愈來愈艱巨，是讓教授更易學的一個大難點。在將來的時間里邊，達成不必講授成了終極的目的。更由于這樣，智能的機械手會成為不可或缺的。我們需求各式各類的研發(fā)成效，聯(lián)合科研院所的協(xié)助。
由于全球都邁進了衰老型社會，想讓老弱病殘幼在存活和環(huán)境容納中獲得援手。估計機械手會給以充分的反饋，好比訊號的供應以及撐持，幫助那些居家討生活的人，向組建社團給以幫助，縮小休養(yǎng)之包袱，給身體功能施以幫助，以及增加商業(yè)設施。這會能使得老人以及殘疾人覺得就是貌似孩子們、孫子們和他們呆在一塊兒似的。歷經(jīng)實踐，這是愈來愈明朗，在以后，服務型機械手的成長會加快環(huán)境容納度，我們會使得延續(xù)康健的時期愈來愈長，用自幫自助的存在方法，有目的地工作和參與社會。所以有，它可以變成構建更好環(huán)境以及衰老境況乃至世界上生長的能量。
如果我們必須領會服務機械手體系的運作方法，就得懂得實際情況、顧客還有產(chǎn)品中的懸殊，包括領導大批機械手還給以幫助。不只是增添了很多額外花費，以及能否賺錢的疑惑。誠然我們可以建造出來服務機械手體系，若是服務的回報無法回本更無盈利，就更不能擴大利用了。假如一個多服務系統(tǒng)機械手可以建造出來，可給他人用的嶄新的幫助方式已初露鋒芒，制造者才敢去想走到了這一步，得到的回報能否順利地抵消甚至超出用去的本金。所以，現(xiàn)在極大的障礙是創(chuàng)造出一個體系，這體系會滲透進幫助型機械手的發(fā)展范疇，也更容易滲透進IT行業(yè)。
在日本，那樣的向來肩負著本國對外競爭力的研發(fā)科技、生產(chǎn)制造人員卻是在急劇銳減，現(xiàn)在，他們加快應對著居民衰老化，真正境況是，依托相應調研報告，眼下的事實卻是，日本群眾用在高端科技的精力以及會意程度非常明顯的愈來愈少了。即使如此，機械手和機械手應用工程課堂展示教學也收獲了重視，是一種很好的鍛煉制造員工以及淡化對科學害怕的技術措施。機械手活動比賽被承辦在各式各樣的地區(qū)，傳統(tǒng)刊物也錄用了興趣者們的作品，還有機械手知識亦然在人民里邊傳播開來。
電機把持，傳感器科學和計算機應用，機構零部件和別的技術歸納在一塊，是為機械手技術。于是，途徑PBL——源自困難的進修以及同等的要領，激發(fā)了察覺麻煩的本領以及處理的技巧，相當順應思維培養(yǎng)的組合，其也可增強優(yōu)化多組件科技以及提升歸納體系的優(yōu)點。要實現(xiàn)此方針，不妨面向基礎教育的同學達成科學培養(yǎng)，使培養(yǎng)方式和手段得以普遍使用，還有方針即是開始于小學和初中止于科技培養(yǎng)部門工程師。
何人最先取得此項專利已無可知曉，只了解到外國科學家在十九世紀末建造出了一部類似于騾馬，整體部分是用齒輪以及連接桿件機構組裝，人可以騎在上面用腳蹬踏板推動運行的機械手，但是卻沒有做出實物來加以佐證.20世紀初又有人運用齒輪以及連接桿件體系制造出類似的機械手，然而相關資料中并沒有找到對這個作品的介紹，所以那個時候有關機械手的研究還僅能思索腿的組成以及運動起來的行程路徑。20世紀中期Shigley已然放進步態(tài)研究的思維制造出來在每一條腿上都用成組的連接桿件體系拼裝而且安裝兩個搖桿體系結構以操縱機械手的步伐軌跡，已然加入步態(tài)設計的思路。同期，又有兩位發(fā)明家麥吉以及弗蘭科創(chuàng)作了首部徹底用計算機操縱的行走機械手。接下來幾年有關此機器的設計被充分的融入了運行操縱理論。1979年席羅思在行進機械手里加入了操縱水平行走的儀器，同樣在腿上加入了保持和校對偏向的裝置。20世紀末布朗、羅布特以及莎普恩斯研究了加入了液壓部件和直流電機的相應機械手。這都意味著人類對四桿動力體系的認識已從簡單的考慮邁入了整體操縱、計算機和高新科技的相互融匯貫通的康莊大道。
2 機械手的設計方案
2.1 座標型式與自由度的設計
機械手的坐標形式一般分為圓柱坐標，球坐標等等形式，自由度一般有1到5個自由度。其具體參考圖如下圖所示：
2.2 手部結構方案的設計
當需要夾持的工件是棒材狀的物料的時候，手部應該設計成開合型的，當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。
2.3 手腕結構方案的設計
一般為了設計合理，具有通用性，一般情況下，手腕部的設計都是采用回轉氣缸的形式，這樣可以實現(xiàn)機械手手腕部的旋轉和伸縮，具有多種功效。
2.4 手臂結構方案的設計
根據(jù)人體工程學原理，機械手手臂的各種運動由氣缸來實現(xiàn)。
3 工業(yè)機器人夾持器結構的設計
本次設計的工業(yè)機器人夾持器具體的方案結構圖如下圖3.1所示：
圖3.1 工業(yè)機器人夾持器結構方案圖
3.1 夾持式手部結構
夾持式手部結構由手指(或手爪)和傳力機構所組成。其傳力結構形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。
3.1.1 手指的形狀和分類
夾持式是最常見的一種，其中以二支點回轉型為基本型式。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手指;同理。
3.1.2 設計時考慮的幾個問題
(一)具有足夠的握力(即夾緊力)
(二)手指間應具有一定的開閉角
(三)保證工件準確定位
為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。
(四)具有足夠的強度和剛度
(五)考慮被抓取對象的要求
3.1.3 手部夾緊氣缸的設計
1、手部驅動力計算
本次設計的工業(yè)機器人夾持器結構原理如圖3-2所示：
圖3-2 齒輪齒條式手部
其工件重量G=5公斤，
V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為
其驅動力為:
握力計算公式:
所以
(3)實際驅動力:
I,因為傳力機構為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取時，則:
所以
2、氣缸的直徑
本氣缸屬于單向作用氣缸。其公式為:
式中: - 活塞桿上的推力，N
- 彈簧反作用力，N
- 氣缸工作時的總阻力，N
- 氣缸工作壓力，Pa
彈簧反作用按下式計算:
Gf =
式中:- 彈簧剛度，N/m
- 彈簧預壓縮量，m
- 活塞行程，m
- 彈簧鋼絲直徑，m
- 彈簧平均直徑，.
- 彈簧有效圈數(shù).
- 彈簧材料剪切模量，一般取
則:
氣缸的直徑:
代入有關數(shù)據(jù)，可得
所以:
查有關手冊圓整，得
由,可得活塞桿直徑:
有:
其中，[]，
則:
滿足實際設計要求。
3,缸筒壁厚的設計
式中:6- 缸筒壁厚，mm
- 氣缸內徑，mm
- 實驗壓力，取, Pa
材料為:ZL3,[]=3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
取，則缸筒外徑為:
3.2 回轉氣缸的驅動力矩計算
單葉氣缸的壓力P驅動力矩M的關系為:
, 或
3.3 手腕回轉缸的尺寸及其校核
1.尺寸設計
氣缸長度,氣缸內徑=96mm,半徑,軸徑=26mm,半徑,氣缸運行角速度=，加速度時間=0.1s, 壓強,
則力矩
2.尺寸校核
1．測定參與手腕轉動的部件的質量,分析部件的質量分布情況，
質量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉動慣量：
（）
已知整個工件的重量為5千克，5,質量分布于長的棒料上，那么轉動慣量
。
假如工件中心與轉動軸線不重合，對于長的棒料來說，最大偏心距
，其轉動慣量為:
2、與轉動軸線重合，，夾持工件一端時工件重心偏離轉動軸線,則
+
3、 手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為
4、在此處估計為的3倍，
3
設計尺寸符合使用要求，安全。
4 工業(yè)機器人夾持器中關鍵零部件的強度計算與校核
4.1 齒輪的強度計算與校核
由于工業(yè)機器人夾持器的主動齒輪和從動齒輪材料均選用45,調質處理。
查得：
則：
查《機械設計基礎》圖，得：
(1)驗算齒面接觸疲勞強度
載荷系數(shù)，取K=1.5
查得： 接觸應力為：
(2)驗算齒根彎曲疲勞強度
取 K=1.5
查表：許用彎曲應力：
彎曲疲勞強度的最小安全系數(shù)，取
則：
由上述計算可知，均滿足要求。
4.2 軸的強度計算與校核
按彎扭合成應力校核軸的強度
軸的計算應力
MPa （3.43）
選定軸的材料為45鋼，調質處理，MPa。因此，，故安全。
（7）精確校核軸的疲勞強度
①判斷危險截面
從應力集中對軸的疲勞強度的影響來看，截面IV和V引起的應力集中最嚴重，而V受的彎矩較大；從受載的情況來看，截面C的應力最大，但應力集中不大，故C面不用校核。只需校核截面V。
②截面V左側
抗彎截面系數(shù) mm （3.44）
抗扭截面系數(shù) mm （3.45）
截面V左側的彎矩M為
Mpa （3.46）
截面V上的扭矩T為 MPa
截面上的彎曲應 Mpa （3.47）
截面上的扭轉切應力MPa （3.48）
軸的材料為45鋼，調質處理。由文獻[1]表可知，MPa，MPa，MPa。
用插入法求出
，
軸按精車加工，表面質量系數(shù)為：
軸未經(jīng)表面強化處理，
固得綜合系數(shù)為
（3.49）
由文獻[1] §，§可知，碳鋼的特性系數(shù)
取
取
所以軸在截面V左側的安全系數(shù)為
（3.50）
（3.51）
（3.52）
故該軸在截面V左側的強度是足夠的。
③截面V右側
抗彎截面系數(shù) mm
抗扭截面系數(shù) mm
截面V左側的彎矩M為
MPa
截面V上的扭矩T為 MPa
截面上的彎曲應力 MPa
截面上的扭轉切應力 MPa
截面上由于軸肩而形成的理論應力集中系數(shù)及按附表查取。因，，
，
又由文獻[1]附圖可得軸的材料的敏感系數(shù)為
，
故有效應力集中系數(shù)按文獻[1，附]為
（3.53）
軸的截面形狀系數(shù)為
軸的材料的敏感扭轉剪切尺寸系數(shù)為
綜合系數(shù)為
所以軸在截面V左側的安全系數(shù)為
故該軸在截面V左側的強度是足夠的。
結 論
通過本次畢業(yè)設計，使我們充分把握的設計方法和步驟，不僅復習所學的知識，而且還獲得新的經(jīng)驗與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙設計，會遇到不清楚的作業(yè)，老師和學生都能給予及時的指導，確保設計進度，本文所設計的是工業(yè)機器人夾持器的設計，通過初期的方案的制定，查資料和開始正式做畢設，讓我系統(tǒng)地了解到了所學知識的重要性，從而讓我更加深刻地體會到做一門學問不易，需要不斷鉆研，不斷進取才可要做的好，總之，本設計完成了老師和同學的幫助下，在大學研究的最感謝幫助過我的老師和同學，是大家的幫助才使我的論文得以通過。
致 謝
直到今天，論文總算完成了，我的心里感到特別高興和激動，在這里，我打心里向我的導師和同學們表示衷心的感謝！因為有了老師的諄諄教導，才讓我學到了很多知識和做人的道理，由衷地感謝我親愛的老師，您不僅在學術上對我精心指導，在生活上面也給予我無微不至的關懷支持和理解，在我的生命中給予的靈感，所以我才能順利地完成大學階段的學業(yè)，也學到了很多有用的知識，同時我的生活中的也有了一個明確的目標。知道想要什么，不再是過去的那個愛玩的我了。導師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，創(chuàng)新的學術風格，認真負責，無私奉獻，寬容豁達的教學態(tài)度都是我們應該學習和提倡的。通過近半年的設計計算，查找各類工業(yè)機器人夾持器的相關資料，論文終于完成了，我感到非常興奮和高興。雖然它是不完美的，是不是最好的，但在我心中，它是我最珍惜的，因為我是怎么想的，這是我付出的汗水獲得的成果，是我在大學四年的知識和反映。四年的學習和生活，不僅豐富了我的知識，而且鍛煉了我的個人能力，更重要的是來自老師和同學的潛移默化讓我學到很多有用的知識，在這里，謝謝老師以及所有關心我和幫助我的人，謝謝大家。
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