基于抓取圆柱形棒料的多关节型机械手结构研究.docxVIP

基于抓取圆柱形棒料的多关节型机械手结构研究

摘要：针对装配车间中传统人工抓取与搬运圆柱形棒料所面临的效率低下、

劳动强度大、易出错等问题，本研究设计了一种专门用于抓取圆柱形棒料的多关节型机械手装置。该装置实现了圆柱形棒料的自动化搬运与精准抓取，显著提升了工作效率，并有效降低了搬运成本。装置采用减速电机与谐波减速器的传动方式，确保机械手的运动平稳且精准。对机械手的夹紧装置、手臂抓取装置、腕部结构及手爪进行了详尽的设计与优化，使机械手结构紧凑、轻巧且高效。最后，利用

SolidWorks进行了建模仿真与整体装配设计，验证了各部件之间的配合与运动关系，确保了机械手在实际应用中的可靠性和稳定性。

关键词：多关节机械手自动化抓取Solidworks建模仿真

随着工业4.0时代的到来，企业正面临前所未有的提高生产效率的压力。传统制造业中，大量依赖人工的重复性劳动如物料搬运、焊接作业等，不仅效率低下，

还占用了大量的人力资源。多关节型机械手不仅可以快速地提高工厂的生产力水平，还可以减少劳力资源和时间的损耗，大大提高了工业生产的效益。同时，对于工人无法涉及或条件受限制的领域，比如空间狭隘、温度极端、杂物较多的地方，机械手能完成预定任务。本文通过分析机械手执行动作功能要求，确定了手臂结构、末端执行器结构以及驱动方式，设计了一种用于抓取圆柱形棒料的多关节型机械手。

1机械手的整体结构设计

本文设计的多关节型机械手主要用于夹取小型圆柱形棒料的工件，质量在2kg以内，适用于轻至中等负荷的物料搬运和精密装配作业。要求实现机械手在腰部的旋转、大臂的升降与伸缩、小臂的升降、手爪的开合等功能，并与物料台的自动送料相配合，在水平面能够实现定点取物、定点放物的功能。总体设计要求如下：

(1)抓重：2kg。

(2)自由度数：4个自由度。

(3)坐标型式：垂直多关节型。

(4)手臂参数：大臂为480mm,小臂为532mm,回转速度为6°/s。

(5)手指夹持范围：70mm圆柱状。

(6)驱动方式：电机驱动。

(7)控制方式：PLC(FX2n-系列)。

根据设计要求，所设计出的机械手总体三维结构如图1所示。

整体结构设计设置了4个自由度，分别是：底座的旋转，大臂的回转，小臂的回转，腕部的俯仰。

底座：采用了直流伺服电机与一级齿轮减速实现底座的旋转360°旋转。

大臂：采用伺服减速电机实现了大臂的±90°回转。

小臂：采用伺服减速电机实现了小臂的±90°回转。

腕部：采用伺服减速电机和齿轮组的结合机构实现了腕部的±90°回转。

手爪：采用了气缸，通过活塞和拉杆的运动来实现手爪的张开和闭合。

1.1基座部分设计

基座部分由伺服电机、齿轮、轴、轴承、联轴器等所组成。具体如图2所示。

1.1.1伺服电机

伺服电机选用选110S-CZK01直流宽调速伺服电机，额定功率：0.166kw,额定转矩：1.05—17.6N.m,额定转速1500r/min。

1.1.2齿轮

考虑到传递功率不大，且对结构尺寸无严格要求，齿轮材料选用45钢，齿轮为8级精度。小齿轮调质处理，小齿轮齿面硬度217～255HBS,大齿轮正火处理，齿面硬度162～217HBS;小齿轮齿数Z1=25,大齿轮Z2=125。

1.1.3轴

轴的材料为45号钢，经调质处理后表面硬度220～250HBW。具体尺寸如图3所示。

1.2臂部设计

手臂是机械手的重要部件，主要是辅助腕部还有手爪(包括抓取工件),并能与腕部一起在规定的范围内运动。臂部包括小臂和大臂，采用伺服减速电机驱动实现回转运动。如图4所示。

大臂电机选用：安川SGMJV—04AH1减速电机，减速后额定转速为10n/min,额定输出扭矩为25N.m,减速比为160,减速后的转速为10n/min。

小臂电机选用：安川SGMJV—A5AAH1减速电机，减速电机额定转速为

600n/min,效率n=80%。根据所需转矩，选择region-detail-titleXB3偏平式谐

波减速器，机型为25,额定输出扭矩为5.5N.m,减速比为160,减速后的转速为10n/min。

1.3腕部设计

由于腕部的电机装在小臂上，考虑到整体的结构以及运动性能，选择型号为80imagel50-C-Z-25G10减速电机。该减速电机机相关技术参数如下：额定转矩为

2.1N.m,减速比为1:75,减速后的额定转速为20r/min。如图5所示。

1.4手爪设计

机器人的末端操作器是机器人直接用于抓取、握紧、吸附专用工具(如喷枪、扳手、焊具、喷头等)进行操作的部件，它能够模仿人手的动作，是最重要的执行机构，安装于机器人手臂