机械创新设计——机械手夹持器

基于方案比对的机械手夹持器 创新设计

卢伟杰 100203035 福建农林大学金山学院

基于方案比对的机械手夹持器创新设计

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。

基于方案比对的机械手夹持器创新设计

1.1 研究的目的与意义在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下： 一、以提高生产过程中的自动化程度 应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装夹、刀 具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提 高劳动生产率和降低生产成本。 二、以改善劳动条件，避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、 有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中， 用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手 即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以 改善。

在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械 手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成 的人身事故。 三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产 应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一 个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少 人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动 线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控 制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。 综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必 然趋势。

基于方案比对的机械手夹持器创新设计

1.2 国内外现状和发展趋势工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技 术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物， 并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。 工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高 产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、 粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广 泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效 果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。专用机械手经过几十年的发展，如今已进入以通用机 械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发

展，进而 促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内 容， 不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，

而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计 算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一 项 综合性较强的新技术。目前国内外对发展这一新技术 都很重视，几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活 跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域 也在不断地扩大。 早在40年代，随着原子能工业的发展，已出现了模拟 关节式的第一代机械手。 50~60年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和 数控示教再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手。 如尤尼曼特(Unimate)机械手即属于这种类型。

基于方案比对的机械手夹持器创新设计

60~70年代，又相继把通用机械手用于汽车车身的点 焊和冲压生产自动线上，亦即是第二代机械手这一新技术 进入了应用阶段。 80-90年代，装配机械手处于鼎盛时期，尤其是日本。 90年代机械手在特殊用途上有较大的发展，除了在工 业上广泛应用外，农、林、矿业、航天、海洋、文娱、体 育、医疗、服务业、军事领域上有较大的应用。 90年代以后，随着计算机技术、微电子技术、网络技 术等的快速发展，机械手技术也得到飞速的多元化发展。

总之，目前机械手的主要经历分为三代： 第一代机械手主要是靠人工进行控制，控制方式为开 环式，没有识别能力；改进的方向主要是将低成本和提高 精度； 第二代机械手设有电子计算机控制系统，具有视觉、 触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把 接收到的信息反馈，使机械手具有感觉机能； 第三代机械手能独立完成工作过程中的任务。它与电 子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性系统 FMS(Flexible Manufacturing System)和柔性制造单元 FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。

基于方案比对的机械手夹持器创新设计

基于方案比对的机械手夹持器创新设计目前的国内的几种机械手夹持器

基于方案比对的机械手夹持器创新设计

基于方案比对的机械手夹持器创新设计

二、夹持器设计的基本要求现根据物块(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。

2.1 功能方面a) 应具有适当的夹紧力和驱动力； b) 手指应具有一定的开闭范围； c) 应保证工件在手指内的夹持精度； d) 应考虑通用性和特殊要求。

2.2 结构方面a) 结构新颖； b) 结构简单、紧凑，重量轻，效率高。

基于方案比

对的机械手夹持器创新设计

2.3 材料方面a) 材料耐磨性好； b) 价格便宜。

2.4 设计参数及要求a) 采用手指式夹持器，执行动作为抓紧—放松； b) 所要抓紧的工件最大直径为80mm,质量3kg。

基于方案比对的机械手夹持器创新设计

三、夹持器方案选择3.1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

基于方案比对的机械手夹持器创新设计

(4)螺杆机构

(5)齿轮齿条机构

基于方案比对的机械手夹持器创新设计

3.2夹持器动力源形式a) 液压； b) 气压； c) 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。

基于方案比对的机械手夹持器创新设计

3.3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：

基于方案比对的机械手夹持器创新设计

方案一

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)。

基于方案比对的机械手夹持器创新设计

方案二

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。

基于方案比对的机械手夹持器创新设计

方案三

如左图所示，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。

基于方案比对的机械手夹持器创新设计

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4.1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。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/afp4.html