虚拟样机的机器人末端液压夹持器的设计与研究
摘 要本课题依据我国实施中国制造2025机器人产业大发展的需求，以工业机器人广泛使用的双手指末端夹持器为对象，按照任务书提出的要求，依据机械设计及相关理论，采用数字化设计技术进行了设计与研究，主要包括四方面工作一是利用机械学相关理论，进行了末端夹持器的机构设计、动力学和运动学分析，完成了手指、腕部的结构设计；二是利用液压传动及控制理论，设计了末端夹持器的液压驱动系统，进行了参数计算和元件选型；三是利用SolidWorks设计软件，形成了末端夹持器的虚拟样机，完成了末端夹持器的三维实体造型和运动仿真；四是利用结构分析软件，对末端夹持器工作中的应力分布和变形情况进行了有限元分析。完成了机器人末端夹持器开发设计的完整过程，形成了开发设计的系统方法，提高了自己综合运用理论知识和现代化设计能力。
目 录
第一章 引言 1
1.1 选题背景及意义 1
1.1.1课题选题背景 1
1.1.2 课题选题意义 1
1.2 课题要求及内容 1
1.2.1 课题要求 1
1.2.2 工作内容 2
第二章 夹持器的机械设计 2
2.1夹持器的机构设计 2
2.1.1 工业机器人的简要介绍 2
2.1.2 末端夹持器的机构分析 3
2.2夹持器的手指设计 5
2.2.1 手指夹持力分析计算 5
2.2.2手指驱动力分析计算 5
2.2.3 手指部分的结构设计 5
2.2.4手指夹持的误差分析 8
2.3夹持器的腕部设计 10
2.3.1腕部设计的基本要求 10
2.3.2 典型腕部结构分析 10
2.3.3 腕部回转力矩分析 11
2.3.4 腕部尺寸参数及连接强度计算 13
2.4夹持器的手臂设计 16
2.4.1 手臂设计的基本要求 16
2.4.2手臂的驱动方案设计 17
第三章 夹持器的液压系统设计 25
3.1 液压驱动系统设计 25
3.1.1 驱动系统的要求 25
3.1.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
2液压系统设计 25
3.1.2系统设计设计 26
3.2 液压系统的控制 28
第四章夹持器的虚拟样机仿真 30
4.1 夹持器三维建模 30
4.1.1 三维建模软件选择 30
4.1.2 零部件的建模方法 30
4.2 夹持器的工作仿真视频制作 52
第五章 夹持器结构的有限元分析 57
5.1图形数据的导入 57
5.2 夹持器网格划分 57
5.3夹持器约束施加 58
5.4有限元分析结果 59
结束语 61
致 谢 62
第一章 引言
1.1 选题背景及意义
1.1.1课题选题背景
目前，在我国人口红利减弱的背景下，工业机器人的应用将日益广泛。尤其是“十三五”期间以及更长时间，我国将大力实施中国制造2025发展战略，重在发展高端装备制造，实施绿色制造、智能制造等科技产业化工程，其中研发智能化、模块化的机器人单元产品等关键技术，对于适应制造业规模化生产，提升我国制造业的国际竞争力意义重大。有专家预测，中国工业机器人几年内或将迎来井喷式发展，而非简单的线性增长，到2017年将成为全球最大的工业机器人消费国，市场需求量将占全球总量的16.9%，成为规模最大的机器人市场。江苏省的工业机器人产业经过多年培育，已在研发、生产、集成、应用等方面已经具备一定基础并形成了较为完整产业链。目前，江苏机器人研制企业已经超过50家，部分关键部件已经能够实现自主研发生产，南京、常州、苏州等地区集聚效应已经初步显现，近3年来产业销售收入年均增长速度超过20%，2014年达到450亿元，急需大量工业机器人产业类研究、开发、制维护类人才。
1.1.2 课题选题意义
本课题之所以工业机器人末端夹持器作为设计与研究对象，其意义体现在以下两个方面：
一是有利于工业机器人的开发研究。工业机器人一般由支柱、手臂、手腕、手指组成。支柱用于抬高或降低手臂。手臂支撑在支柱上，靠手臂伸缩接近被抓取的工件。手腕连接手指和手臂，进行各种回转动作。手指用于抓取工件或松开工件。其中手指和手腕构成的末端夹持器是工业机器人的执行机构，具有直接性、多样性特征，其工作的好坏对机器人的总体性能具有举足轻重的影响，其设计开发具有普遍意义。
二是有利于自身综合应用能力的培养。是定位于应用型人才培养的本科高校，要适应现代产业技术交叉融合、快速变化的需求，其培养的人才应当具有较强的综合能用能力和现代设计能力。本课题以工业机器人末端夹持器为研究对象，其研究内容涉及到机械设计理论、驱动控制技术，其研究方法涉及到理论研究、工程仿真等多个方面，其开发技术需要三维建模、虚拟样机等现代数字设计，通过本毕业设计选题，有助于我们综合应用四年所学基本理论和相关技术，培养工程应用及应用创新能力，完成走上工作岗位前的真实的、系统的实战训练，尽快缩短毕业生和机械工程师的距离。
1.2 课题要求及内容
1.2.1 课题要求
本课题要求设计一台工业机器人末端夹持器，设计要求为：
①末端夹持器由手指、腕部、伸缩臂三部分构成。
②手指为双手指。
③夹持的工件直径50cm，重量为8KG，材质为45号钢。
1.2.2 工作内容
本课题的工作内容包括四大部分：一是夹持器的机械设计。含机构设计、手指设计、腕部设计、伸缩臂设计等。二是夹持器的液压系统设计。包括液压系统设计、参数计算以及液压元件选型。三是虚拟样机仿真。主要内容是选择适当计算机软件，建立末端夹持器的零件三维模型，组装成虚拟样机并进行运动仿真，检验其运动是否干涉。四是适当选择有限元分析软件，对末端夹持器的结构件进行有限元分析，检验其应力分布的均匀性。
第二章 夹持器的机械设计
2.1夹持器的机构设计
2.1.1 工业机器人的简要介绍
工业机器人系统由三大部分六个子系统组成。三大部分是：机械部分、传感部分、控制部分。六个子系统分别是：
（1）机械系统。由骨骼(杆件)和连接它们的关节(运动副)构成，具有多个自由度，主要包括手部、腕部、臂部、机身等部件。
（2）驱动系统。驱动系统可以是液压传动、气动传动、电动传动，或者把它们结合起来应用的综合系统。可以直接驱动或者通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。
目 录
第一章 引言 1
1.1 选题背景及意义 1
1.1.1课题选题背景 1
1.1.2 课题选题意义 1
1.2 课题要求及内容 1
1.2.1 课题要求 1
1.2.2 工作内容 2
第二章 夹持器的机械设计 2
2.1夹持器的机构设计 2
2.1.1 工业机器人的简要介绍 2
2.1.2 末端夹持器的机构分析 3
2.2夹持器的手指设计 5
2.2.1 手指夹持力分析计算 5
2.2.2手指驱动力分析计算 5
2.2.3 手指部分的结构设计 5
2.2.4手指夹持的误差分析 8
2.3夹持器的腕部设计 10
2.3.1腕部设计的基本要求 10
2.3.2 典型腕部结构分析 10
2.3.3 腕部回转力矩分析 11
2.3.4 腕部尺寸参数及连接强度计算 13
2.4夹持器的手臂设计 16
2.4.1 手臂设计的基本要求 16
2.4.2手臂的驱动方案设计 17
第三章 夹持器的液压系统设计 25
3.1 液压驱动系统设计 25
3.1.1 驱动系统的要求 25
3.1.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
2液压系统设计 25
3.1.2系统设计设计 26
3.2 液压系统的控制 28
第四章夹持器的虚拟样机仿真 30
4.1 夹持器三维建模 30
4.1.1 三维建模软件选择 30
4.1.2 零部件的建模方法 30
4.2 夹持器的工作仿真视频制作 52
第五章 夹持器结构的有限元分析 57
5.1图形数据的导入 57
5.2 夹持器网格划分 57
5.3夹持器约束施加 58
5.4有限元分析结果 59
结束语 61
致 谢 62
第一章 引言
1.1 选题背景及意义
1.1.1课题选题背景
目前，在我国人口红利减弱的背景下，工业机器人的应用将日益广泛。尤其是“十三五”期间以及更长时间，我国将大力实施中国制造2025发展战略，重在发展高端装备制造，实施绿色制造、智能制造等科技产业化工程，其中研发智能化、模块化的机器人单元产品等关键技术，对于适应制造业规模化生产，提升我国制造业的国际竞争力意义重大。有专家预测，中国工业机器人几年内或将迎来井喷式发展，而非简单的线性增长，到2017年将成为全球最大的工业机器人消费国，市场需求量将占全球总量的16.9%，成为规模最大的机器人市场。江苏省的工业机器人产业经过多年培育，已在研发、生产、集成、应用等方面已经具备一定基础并形成了较为完整产业链。目前，江苏机器人研制企业已经超过50家，部分关键部件已经能够实现自主研发生产，南京、常州、苏州等地区集聚效应已经初步显现，近3年来产业销售收入年均增长速度超过20%，2014年达到450亿元，急需大量工业机器人产业类研究、开发、制维护类人才。
1.1.2 课题选题意义
本课题之所以工业机器人末端夹持器作为设计与研究对象，其意义体现在以下两个方面：
一是有利于工业机器人的开发研究。工业机器人一般由支柱、手臂、手腕、手指组成。支柱用于抬高或降低手臂。手臂支撑在支柱上，靠手臂伸缩接近被抓取的工件。手腕连接手指和手臂，进行各种回转动作。手指用于抓取工件或松开工件。其中手指和手腕构成的末端夹持器是工业机器人的执行机构，具有直接性、多样性特征，其工作的好坏对机器人的总体性能具有举足轻重的影响，其设计开发具有普遍意义。
二是有利于自身综合应用能力的培养。是定位于应用型人才培养的本科高校，要适应现代产业技术交叉融合、快速变化的需求，其培养的人才应当具有较强的综合能用能力和现代设计能力。本课题以工业机器人末端夹持器为研究对象，其研究内容涉及到机械设计理论、驱动控制技术，其研究方法涉及到理论研究、工程仿真等多个方面，其开发技术需要三维建模、虚拟样机等现代数字设计，通过本毕业设计选题，有助于我们综合应用四年所学基本理论和相关技术，培养工程应用及应用创新能力，完成走上工作岗位前的真实的、系统的实战训练，尽快缩短毕业生和机械工程师的距离。
1.2 课题要求及内容
1.2.1 课题要求
本课题要求设计一台工业机器人末端夹持器，设计要求为：
①末端夹持器由手指、腕部、伸缩臂三部分构成。
②手指为双手指。
③夹持的工件直径50cm，重量为8KG，材质为45号钢。
1.2.2 工作内容
本课题的工作内容包括四大部分：一是夹持器的机械设计。含机构设计、手指设计、腕部设计、伸缩臂设计等。二是夹持器的液压系统设计。包括液压系统设计、参数计算以及液压元件选型。三是虚拟样机仿真。主要内容是选择适当计算机软件，建立末端夹持器的零件三维模型，组装成虚拟样机并进行运动仿真，检验其运动是否干涉。四是适当选择有限元分析软件，对末端夹持器的结构件进行有限元分析，检验其应力分布的均匀性。
第二章 夹持器的机械设计
2.1夹持器的机构设计
2.1.1 工业机器人的简要介绍
工业机器人系统由三大部分六个子系统组成。三大部分是：机械部分、传感部分、控制部分。六个子系统分别是：
（1）机械系统。由骨骼(杆件)和连接它们的关节(运动副)构成，具有多个自由度，主要包括手部、腕部、臂部、机身等部件。
（2）驱动系统。驱动系统可以是液压传动、气动传动、电动传动，或者把它们结合起来应用的综合系统。可以直接驱动或者通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。
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