【文章內容簡介】 圖 2 夾持器的結構簡圖 由圖 2可知，其主要工作原理是將多功能機械手臂放進管道 —— 通過圖像采集尋找到目標 —— 調整抓取位置 —— 旋轉搖臂螺紋上升，夾取器夾緊，回復彈簧被壓緊， 同 時螺紋 自鎖 — 待移除完畢后，打開 止回 棘 爪 —— 夾取器受彈簧恢復力作用而松開 —— 抓取完畢。 北方民族大學 2021屆 本科生畢業(yè)論文 6 第 2 章 機械設計 夾持器的設計 夾持器是機械手臂的核心部分，其自由度決定了動力的數量。下面是夾持器的結構簡圖： 圖 21 夾持器工作簡圖 計算自由度 1725323 ???????? phplnF (21) 故只用提供一個原動力就可以了實現抓取工作了。 機構設計 連桿機構的設計方法有解析法，幾何作圖法和實驗法，而本設計采用較直觀的幾何作 圖法。這是因為本設計是機械控制而非程序控制，故不要求過高精度，為了方便設計采用幾何作圖法。注：幾何作圖法實現的個尺寸設計均由作圖軟件CAD 輔助設計得出。 基本位置確定 由于蹲便器的排污口的尺寸一般為 6298mm，以及也要求在其它狹小空間，故要求夾持器的尺寸盡量小一些。故設圓管的直徑為 25mm 壁厚取 1mm 為了是結構設計得可靠、合理，還應考慮幾何條件和動力條件等。 取口子最大的張口是 100mm 爪子張開時，其深度為 =。假設爪子張開時，爪子處于最大張角狀態(tài)。如下圖 22： 北方民族大學 2021屆 本科生畢業(yè)論文 7 圖 22爪子最大張角狀態(tài)圖 取擺桿和連桿的鉸接位置在擺桿的 1/3 處，測得擺桿長 ，又測得鉸接點到管軸的距離為 ,取為 25mm,保證最大的傳動角同時避開死點。測得搖桿擺角為 48186。，初始位置與水平位置夾角為 127186。，連桿與擺桿的夾角為 43186。，在夾緊極限位置時，該夾角為 30186。連桿鉸接點的豎直行程為 。 機構的運動分析 該機構為曲柄滑塊機構，利用瞬心法來分析擺桿、連桿、和滑塊的速度 ,下面圖 23 是機構運動簡圖（由于結構對稱有可以分開運動，故只取一半作為研究對象并對其 做一定的簡化）： 圖 23機構運動簡圖 北方民族大學 2021屆 本科生畢業(yè)論文 8 此機構共有 122 )14(4 ????K 個瞬心，由觀察知 P1 P1 P2 P34（曲柄滑塊機構在無窮遠處）為瞬心。由三心定理知 P24 必然在 P1 P14 和 P2 P34的交點處，同時也可以找出 P13。求得： 2324223 ppwvv pc ?? （ 22） 121411224212 ppwppwvv pB ??? （ 23） 1224121412 / ppppww ? （ 24） 受力分析 （ 1）夾持器夾緊力計算 夾緊力是設計夾持器的重要依據，故必須對其大小、方向、作用點進行分析和計算。一般地，夾緊力必須克服工件本身的重力所產生的慣性力和慣性力矩來使工件保持穩(wěn)定狀態(tài)。 夾緊力計算公式： GKKKFN 321? （ 25） 1K —— 安全系數，由機械手的工藝及設計要求確定，一般取 ~，本設計取 1K =。 2K —— 工件情況系數，主要慣性力影響，一般取 ~，本設計取2K =。 3K —— 方位系數，可根據手指與工件位置及工件的形狀不同而進行選定，本設計采用二指夾持，夾指尖，使受力面積小有四個接處點， 粗略估算并暫取3K =3。 G—— 工件重量，本設計抓取對象重量最大為 500g. 故得： NGKKKF N ??????? （ 26） 取 NF =34N. 北方民族大學 2021屆 本科生畢業(yè)論文 9 (2)驅動力的分析 此處所說的驅動力是指爪子的牽引力。因為在其緊閉于軸線一點時傳動角最小，故假設夾持器抓取 500g 的物體，并且處于最小傳動角狀態(tài)，受力情況如下圖 24（擺桿為為研究對象）： 圖 24爪子受力情 況圖 由平衡條件知 F F2到支點的力矩平衡，故有： 242141 LFLF x? （ 27） NFF?1 （ 28） N/LLFF Nx 10233424142 ???? （ 29） NFF x 20460c os22 ?? （ 210） 對于連桿若不考慮自重，可視為二力桿，則滑塊受力如下： 北方民族大學 2021屆 本科生畢業(yè)論文 10 圖 25滑塊受力圖 其中， Fa 為驅動牽引力， 239。F 為連桿對滑塊的作用力，大小為 倍的 F2. fF 為 復 位 彈 簧 的 恢 復 力 由 下 面 彈 簧 設 計 可 知 fF =, 故得 2a 2 39。 6 0 .6 0 6 2 0 4 c o s 1 9 2 5 3 .4 9 NfyF F F? ? ? ? ? （ 211） （ 3）恢復彈簧的設計 因為各桿 的安裝位置和引動已知，故可知當爪子長得最大到閉得最小時，滑塊沿著圓管的位置移動 S=，可取 S=16mm。此處選擇圓柱螺旋壓縮彈簧。 選材：由于使用環(huán)境是含有酸堿腐蝕的，而且是小彈簧。選擇不銹鋼絲 d=。 計算：由于彈簧作用僅用于回復 ,不需要產生過大的反彈力，從而要在滿足反彈作用時 ,反彈力盡量小一些 ,從而減少牽引力的的大小，減少驅動負擔。 選擇 d=, D=，其單圈剛度是 39。dP =螺旋角 a,一般 a= a=8186。 則： arctanta D?? ?節(jié)距 t ta n 8 18 ta n 8 m m?? ? ? ? ? 北方民族大學 2021屆 本科生畢業(yè)論文 11 ?a=8186。 彈簧并緊磨平，兩端支撐圈各一圈。 一般壓縮量為 30%80%，取總壓縮量為 65%，而預緊量為 10%，則： 行程 S=(65%10%)(td)n=16mm (n 為有效圈數 ) ? 16 4 . 5 95 5 % ( ) 5 5 % ( 7 . 4 9 1 . 6 )sn td? ? ???, 查表取 n=5圈，則： ?總圈數 1 27nn???圈 實際 16 7 . 8 25 5 % ( ) 5 5 % ( 5 1 . 6 )st m mnd? ? ??? ?剛度 39。 1 1 .139。 2 .2 2 /5dpp N m mn? ? ? 自由高度 1 .5 5 7 .9 4 1 .5 1 .6 4 2 .1OtH n d m m? ? ? ? ? ? ?, 查取 OH =42mm. 故：最小工作載荷 1010% 39。 42 2 2p H p N? ? ? ? ? ?,此 4 2 1 0 % 4 .2OH m m? ? ? 最大工作載荷 065% 42 6np H N? ? ? ? ? 故 ? . 結構尺寸的確定 本設計用作圖 法來確定機構尺寸 ，初步 確定尺寸后，通過強度校核來 驗證 所設尺寸的 正確性 和合理性。 （ 1） 支撐片的設計 因為管壁比較薄，不宜直接在閉上開孔支撐爪子，故此設計需焊接兩個支撐片于壁上。安裝位置如下圖 26： 北方民族大學 2021屆 本科生畢業(yè)論文 12 圖 26爪子安裝位置圖 考慮到支撐片的穩(wěn)定性，采用一半焊接在壁上。支撐片的尺寸初步如下所示： 圖 27支撐片的尺寸圖 （ 2） 爪子的結構尺寸設計 為了減輕質量，而且體積小，爪子厚度不要過厚，各尺寸暫時設計如下圖所示： 北方民族大學 2021屆 本科生畢業(yè)論文