气动上下料机械手手部结构的设计与分析flgl.docx

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1、气动上下下料机械械手手部部结构的的设计与与分析StruuctuureDDesiignAAndAAnallysiisOffTheeFinngerrOfPPneuumatticMManiipullatoor 摘要：以以炮弹径径长自动动检测生生产线上上搬运炮炮弹机械械手的手手部结构构为研究究对象，采采用单片片机对其其气压驱驱动装置置进行顺顺序控制制，为保保证结构构设计的的合理性性，在论论述系统统组成、机机械手运运动、坐坐标形式式及运动动范围的的基础上上，运用用有限元元分析方方法对手手部结构构进行分分析和优优化改进进，结构构设计满满足验算算结果要要求。关关键词：机械手手；手部部结构；结构设设计；有有限

2、元分分析 在在炮弹径径长自动动检测生生产线上上，要检检测不同同长度炮炮弹的外外径值是是否都在在规定的的尺寸公公差内，如如果在这这个范围围内，此此炮弹合合格；反反之，炮炮弹就成成为需要要修复的的产品或或是废品品。该工工作过程程受检测测进程的的限制，工工人劳动动强度大大，且不不易确保保炮弹在在检测平平台上的的位置。为为了解决决上述问问题，本本文设计计一套采采用单片片机控制制的带有有摩擦轮轮压紧装装置的气气动上下下料机械械手。机机械手手手部结构构的设计计将影响响炮弹的的表面质质量及其其在检测测平台上上的位置置，进而而影响检检测结果果，因此此运用有有限元分分析方法法对所设设计的结结构进行行应力分分析、

3、位位移分析析，并对对结构进进行优化化设计。 1 系统组成整个系统分为控制系统、驱动系统和执行系统三大部分1，系统组成如图1所示。1.1控制系统 控制系统包括主控制柜、控制面板（状态显示、按钮）和位置检测装置2。位置检测装置主要由行程开关组成，用来检测机械手的工作是否到位，并把相关信号传递给控制中心以便进行下一步的动作。在整个过程中，主要控制：（1）气动系统电磁阀的得电、失电；（2）步进电机、交流电机的启动、停止；（3）键盘显示、指示灯。 11.2驱驱动系统统整个系系统需处处于洁净净的环境境中，以以确保检检测的准准确可靠靠，因此此采用气气压驱动动3，即保保证了环环境的清清洁，又又满足了了机械手手

4、运动快快速性的的要求。 1.3执行系统执行系统分为上下料系统和检测系统两部分。上下料系统包括机械手手爪的夹紧与张开、摩擦轮和机械手手臂的上升与下降、机械手手臂的移动；检测系统包括炮弹旋转、测头移动和顶炮弹用活塞杆的伸出和收回。 22 机械械手手部部结构设设计与分分析 2.1机械械手概述述1)、坐坐标形式式。所设设计的机机械手具具有两个个自由度度，摩擦擦轮具有有一个自自由度，故故采用直直角坐标标形式。如如图2所示，机机械手的的两个自自由度分分别是手手臂的水水平移动动和手臂臂的伸缩缩运动，即即沿x轴方向向的移动动和沿zz轴的伸伸缩；摩摩擦轮的的自由度度即沿zz轴的伸伸缩运动动。2)、工作作过程。对

5、对于上下下料机械械手来说说，其工工作是在在最短的的时间内内抓取、抬抬升、移移动、放放炮弹至至检测平平台，经经检测后后，再迅迅速的抓抓取、抬抬升、移移动、放放炮弹至至存放处处，然后后回到原原位，重重新执行行下一次次操作。3)、工作范围。机械手手臂在水平方向移动的总行程为600mm，在垂直方向的伸缩行程是125mm，由于在手臂伸出时，摩擦轮与工件的距离为35mm，所以，摩擦轮的伸缩行程为160mm。图2 机机械手的的坐标形形式 22.2机机械手手手部结构构设计机械手的的手部是是机械手手上承担担抓取工工件的机机构，由由于被抓抓取物件件（炮弹弹）的形形状近似似于圆台台，所以以，其手手爪采用特特殊的VV

6、字型结结构，即即手爪的的内表面面设计成成与圆台台斜度相相同的斜斜面，即即保证了了抓取的的稳定又又不会因因“线接触触”而影响响炮弹的的表面质质量。机机械手手手部的驱驱动装置置采用齿齿轮齿条条杠杆式式结构，因因为其结结构简单单，安装装方便，齿齿轮、齿齿条相对对容易加加工，并并且传动动可靠，特特别是采采用无关关节的手手指形式式，使抓抓取误差差更小，定定心精度度更高。具具体结构构见图33示，其其中，机机械手外外罩通过过螺母紧紧固在气气缸缸体体上，活活塞杆利利用自身身的螺纹纹与齿条条联接，手手爪通过过螺钉与与扇形齿齿轮联接接，扇形形齿轮通通过圆柱柱销与外外罩联接接，即通通过活塞塞杆的往往复运动动实现了了

7、手爪的的张开与与闭合。由由于销与与扇形齿齿轮的联联接属于于间隙配配合，所所以它们们之间存存在剪切切危险，经经过校核核，其剪剪切应力力满足要要求。图3 机机械手手手部结构构图1-手爪 22-手指指 3-齿条 44-扇形形齿轮 5-销销 6-螺钉7-螺母 88-外罩罩 9-气缸 2.3机械械手手部部结构分分析为了了加工方方便、使使手指的的通用性性更强，采用对称式钳爪手部结构，为保证抓取的可靠性和结构设计的合理性，采用ANSRS大型有限元分析软件，对机械手的变形和应力情况进行仿真分析。 2.3.1有限元模型建立机械手有限元模型的关键在于受力结构的简化及等效边界条件的确定。由于机械手采用左右对称结构，

8、所以，把有限元模型简化为只对一半手部结构进行分析。机械手有限元模型建立如图4所示（1) 确定手指的支持力和齿轮啮合处的作用力：假设手指所受水平方向上的夹紧力为零，即炮弹的自重完全由手爪的下表面来克服，通过受力分析确定手指的支持力；由于齿轮齿条之间相互啮合，然存在相互作用，且活塞杆与齿条相联，所以，根据活塞杆的推力即可得出齿轮的受力情况。图图4 机械械手有限限元模型型 （2）确定定等效边边界条件件：由于于机械手手的张开开和闭合合是通过过扇形齿齿轮与齿齿条之间间的啮合合实现，其其回转中中心即为为销轴处处，所以以，应在在销轴的的位置增增加约束束。 22.3.2有限限元分析析 机械械手以钢钢为材料料，

9、其密密度78000/3，弹性性模量EE=2002GPPa；按按分析的的条件增增加约束束，对受受力部位位进行加加载。有有限元分分析后，应应力分析析结果如如图5示，由由图5可得，在在炮弹的的自重和和齿轮的的作用力力下，机机械手手手部的最最大应力力出现在在齿轮与与齿条相相啮合部部位的齿齿根部，其其最大应应力为00.47751107PPa，满满足许用用应力要要求，最最大应力力出现位位置的放放大视图图如图66示；有有限元分分析后，位位移分析析结果如如图7示，由由图7可得，在在炮弹的的自重作作用下，机机械手手手部的最最大位移移出现在在手爪的的末端，即即图7最左边边，其大大小为00.855100-6mm，满

10、足足许用位位移要求求。图5 应应力云图图图6 应应力集中中放大视视图图7 位位移云图图2.4机机械手手手部结构构优化通通过对机机械手有有限元分分析结果果的研究究，虽然然其产生生的最大大应力、最最大位移移均满足足许用要要求，但但从结构构优化的的角度考考虑应进进行如下下优化：（1）由于于最大应应力出现现在齿轮轮的齿根根处，所所以，为为了减小小应力给给齿轮寿寿命带来来的影响响，应采采用热处处理方法法增强齿齿根强度度。（2）由于于最大变变形出现现在手爪爪受压的的地方，长长期使用用定会加加剧磨损损，从而而间接影影响炮弹弹在检测测平台上上的位置置。因此此，对于于下半部部分手爪爪结构进进行热处处理，以以增强其其耐磨性性和强度度结束语语通过过采用机机械手代代替人进进行重复复的取放放工作，不仅可减轻工人的劳动强度，也提高了生产自动化水平和劳动生产率；通过对机械手手部结构进行有限元分析，肯定了结构设计方针的正确性，为结构的优化改进提供了依据。由此可知，所设计的机械手手部结构不但满足在夹紧力为零情况下的夹紧要求，而且可以有效抑制因重复夹取工件而使手指产生的磨损。