畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-藥房取藥機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)VIP

青島黃海學(xué)院××××屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）藥品抓手機(jī)架剛度分析5.1藥品抓手機(jī)架有限元模型建立藥品抓手機(jī)架其對(duì)稱分布的特點(diǎn)使得我們得以采取獨(dú)特的策略，即通過提取主體的二維剖面，用這種平面網(wǎng)格系統(tǒng)替代復(fù)雜的三維立體網(wǎng)格。這種方法使得我們可以便捷地賦予各部分獨(dú)特的壁厚屬性，從而為后續(xù)的樣本選擇和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。對(duì)于這種結(jié)構(gòu)的有限元仿真分析，其步驟清晰有序：首先，從三維實(shí)體模型出發(fā)；接著，執(zhí)行剖面抽取操作；隨后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，精細(xì)構(gòu)建模擬框架；緊接著，建立連接，確保各部分間的交互作用得以體現(xiàn)；接著設(shè)定適當(dāng)?shù)募s束條件；施加負(fù)載，啟動(dòng)模擬過程；運(yùn)行仿真分析后，細(xì)致評(píng)估結(jié)果；最后，進(jìn)行必要的后處理，提煉關(guān)鍵信息。這樣的流程確保了分析的準(zhǔn)確性和效率。5.1.1模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化在設(shè)計(jì)中，我們運(yùn)用專業(yè)的CAD軟件，即Solidworks，構(gòu)建了新型一體化藥品抓手機(jī)架模型。該框架的核心承載結(jié)構(gòu)通過螺栓固定相互連接。為了優(yōu)化計(jì)算效率并簡(jiǎn)化網(wǎng)格處理，對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的幾何優(yōu)化和特征簡(jiǎn)化處理。具體步驟包括精細(xì)校準(zhǔn)導(dǎo)入模型，剔除那些對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性無實(shí)質(zhì)性影響的小型圓角細(xì)節(jié)。此外，我們還對(duì)部件的壁厚進(jìn)行了統(tǒng)一調(diào)整，確保其均勻性，以便于后續(xù)的中層平面提取操作的順利進(jìn)行。這樣的設(shè)計(jì)旨在提升精度和工作效率。5.1.2單元類型選擇及網(wǎng)格劃分在我們的研究中，我們決定采用10毫米的精細(xì)網(wǎng)格來構(gòu)建藥品抓手機(jī)架的詳細(xì)模型。為了確保網(wǎng)格劃分的精確性和有效性，我們?cè)诒?.1中詳盡記錄了二維單元的質(zhì)量特性及其驗(yàn)證準(zhǔn)則。這些標(biāo)準(zhǔn)旨在通過Hypermesh中的ElementCheck功能進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑u(píng)估，嚴(yán)格按照列出的參數(shù)進(jìn)行細(xì)致的校準(zhǔn)。圖5.1機(jī)架網(wǎng)格劃分局部截圖表5.1網(wǎng)格質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)單元質(zhì)量參數(shù)檢查標(biāo)準(zhǔn)縱橫比(aspect)翹曲角度(skew)翹曲角(warpage)雅克比(jacobian)邊長(zhǎng)(length)四邊形內(nèi)角(angleforquads)三角形內(nèi)角(anglefortrias)弦差(chorddev)最大三角形單元比例(percentoftrias小于5小于60°小于5°大于0.77.5mm～20mm45°~135°20°~120°大于0.1小于10%在對(duì)藥品抓手機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)剖析時(shí)，我們逐一分解各個(gè)組件，采用網(wǎng)格劃分技術(shù)?？傆?jì)劃分出的單元數(shù)量達(dá)到了14310個(gè)，對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)數(shù)則為29425個(gè)，這些數(shù)值均處于可接受的精細(xì)度范圍內(nèi)?；谶@些數(shù)據(jù)，我們對(duì)網(wǎng)格劃分的精確度進(jìn)行了全面評(píng)估，結(jié)果表明其質(zhì)量?jī)?yōu)良，足以支持接下來的有限元分析。對(duì)于機(jī)體模型的材質(zhì)設(shè)定，我們主要采用了鋁合金6066，其具體的力學(xué)性能參數(shù)詳列于表5.2之中，這將為后續(xù)的力學(xué)模擬提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。表5.2結(jié)構(gòu)鋼材料屬性材料類型密度kg/mm3泊松比彈性模量MPa屈服強(qiáng)度MPa5.1.3部件連接關(guān)系模擬具體操作中，我們針對(duì)兩個(gè)待連接部件，分別選取了相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)集合，然后智能地生成了主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了部件間無縫的焊接關(guān)聯(lián)。如圖5.2所示，這種焊接關(guān)系清晰而精準(zhǔn)，展示了各部件間的緊密聯(lián)系。對(duì)于某些特定區(qū)域，比如安裝孔，我們采取了螺栓連接策略來強(qiáng)化部件間的連接，這種方法以直觀的圖形形式呈現(xiàn)，如圖5.2所示，它展示了螺栓如何作為關(guān)鍵連接點(diǎn)，增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。圖5.2螺栓位置示意圖5.2彎曲工況下機(jī)架剛度分析5.2.1彎曲工況下機(jī)架剛度計(jì)算方法機(jī)架的抗彎強(qiáng)度定義為它抵制由垂于地平線的負(fù)荷引發(fā)形變的能力，這一特性可通過單位跨度內(nèi)最大撓度值來衡量。在有限元模擬分析中，我們將機(jī)架視作一個(gè)整體，其行為類似一整段具有恒定彎曲剛性的簡(jiǎn)支梁，特別針對(duì)中心受力點(diǎn)進(jìn)行設(shè)定。我們將其視為微小撓度條件下的問題，運(yùn)用經(jīng)典材料力學(xué)原理來求解其彎曲剛度。簡(jiǎn)化后的計(jì)算流程在圖5.3中有直觀展示。圖5.3彎曲剛度計(jì)算示意圖機(jī)架剛度計(jì)算公式見式7.1。 （5.1）式中：EI-彎曲工況下的剛度大??；F-外部施加的集中載荷；x-測(cè)量點(diǎn)到左支點(diǎn)的距離；a-加載點(diǎn)到左支點(diǎn)的距離；b-加載點(diǎn)到右支點(diǎn)的距離；D-前后懸架固定支撐點(diǎn)縱向距離；H-豎直方向撓度。在現(xiàn)實(shí)的工程評(píng)估中，應(yīng)用該公式進(jìn)行機(jī)架彎曲剛度檢驗(yàn)往往顯得繁瑣。常規(guī)的做法是在主梁的核心區(qū)域?qū)嵤┒c(diǎn)的集中力加載，同時(shí)精確記錄下受力點(diǎn)沿縱軸方向的垂直位移。為了簡(jiǎn)化處理，我們傾向于通過匹配集中力的強(qiáng)度與引發(fā)的最大垂直位移來估算，盡管它在實(shí)踐中被廣泛采用，但仍尋求更為簡(jiǎn)便的計(jì)算策略。 （5.2）式中：F-彎曲工況下集中力載荷；-施力節(jié)點(diǎn)最大垂直位移。5.2.2機(jī)架彎曲剛度仿真分析在對(duì)機(jī)架的彎曲剛度進(jìn)行評(píng)估時(shí)，研究忽略了電池箱、駕駛員及儲(chǔ)物箱等附加重量的影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，我們特地在機(jī)架的左右主縱梁的中心定位點(diǎn)各自施加了恒定的負(fù)載，具體數(shù)值為100牛頓，這個(gè)力線垂直于地面并向下。加載設(shè)定的細(xì)節(jié)如下：左前方懸掛支架僅限制在Y軸方向的位移；右前方則同時(shí)控制Y和Z軸的移動(dòng)；左后方支架則需鎖定在Y和X軸的雙重約束；至于右后方，所有X、Y、Z三個(gè)維度的位移均被嚴(yán)格限定。加載和約束條件的實(shí)施清晰地體現(xiàn)在圖5.4中，展示了實(shí)驗(yàn)操作的精確性。圖5.4機(jī)架彎曲剛度有限元分析模型在構(gòu)建并劃分了精細(xì)網(wǎng)格之后，我們接著實(shí)施了精確的邊界條件設(shè)定和負(fù)載分配。緊接著，我們?cè)贖yperworks的Optistruct專業(yè)求解器中啟動(dòng)了解算流程。經(jīng)過系統(tǒng)的計(jì)算處理，我們得到了機(jī)架在承受彎曲載荷情況下的形變動(dòng)態(tài)視覺呈現(xiàn)，如圖5.5所示。從解析結(jié)果顯示，當(dāng)力量作用于特定節(jié)點(diǎn)時(shí)，機(jī)架在垂直方向的最大位移達(dá)到了2.126毫米，這個(gè)數(shù)據(jù)成為了我們后續(xù)深化優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù)。圖5.5彎曲工況下機(jī)架變形云圖5.3扭轉(zhuǎn)工況下機(jī)架剛度分析5.3.1扭轉(zhuǎn)工況下機(jī)架剛度計(jì)算方法抓藥裝置在工作過程中藥品抓手承受不同方向的力，為了模擬這種復(fù)雜情境，設(shè)計(jì)了一種實(shí)驗(yàn)方法：將機(jī)架的對(duì)角配置為浮動(dòng)狀態(tài)，施加特定的負(fù)荷，而另一對(duì)對(duì)角則作為穩(wěn)定支點(diǎn)，模擬運(yùn)行狀態(tài)?？紤]到作業(yè)時(shí)的速度特性，我們選擇采用靜態(tài)載荷分析來研究機(jī)架在扭轉(zhuǎn)狀態(tài)下的力學(xué)性能。這種策略有助于深入理解并優(yōu)化機(jī)架的設(shè)計(jì)，以確保其在苛刻工作條件下仍能保持高效且耐用。扭轉(zhuǎn)剛度可以按照式4.3進(jìn)行計(jì)算。 （5.3）式中：T-扭轉(zhuǎn)力；L-固定點(diǎn)橫向距離； -相對(duì)扭轉(zhuǎn)角；GJ-扭轉(zhuǎn)剛度。相對(duì)扭轉(zhuǎn)角表示方法如圖5.6所示，可以用公式5.4進(jìn)行計(jì)算。圖5.6相對(duì)扭轉(zhuǎn)角示意圖 （5.4）式中：Z1-左邊縱梁測(cè)量點(diǎn)撓度；Z2-右邊縱梁測(cè)量點(diǎn)撓度；D-左、右縱梁測(cè)量點(diǎn)橫向距離。與彎曲工況下機(jī)架剛度有限元分析類似，添加扭轉(zhuǎn)力，限制對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的自由度，分析機(jī)架扭轉(zhuǎn)剛度。5.3.2機(jī)架扭轉(zhuǎn)剛度仿真分析在模擬實(shí)驗(yàn)中，我們選擇性地忽略了左前懸掛支架的所有潛在運(yùn)動(dòng)自由度，以模擬其實(shí)際的懸掛離地狀態(tài)。同時(shí)，我們對(duì)位于對(duì)角線另一端的右后懸掛支架實(shí)施了嚴(yán)格的約束，僅允許節(jié)點(diǎn)X、Y、Z三個(gè)軸向的微小移動(dòng)。對(duì)于右前方懸掛支架，我們?cè)O(shè)置了特定的約束條件，限定了其在Y方向的位移，以及左后方懸掛的Y和Z軸向位移。為了實(shí)現(xiàn)這種精細(xì)控制，我們構(gòu)建了一個(gè)復(fù)雜的力學(xué)模型，通過RBE2單元將左前方懸掛支架頂部一周的節(jié)點(diǎn)連接成一個(gè)主節(jié)點(diǎn)。這個(gè)主節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)確保了施加在其上的100N垂直向下集中力能夠均勻傳遞至所有從屬節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)承載著懸掛組件的力學(xué)響應(yīng)。通過這種方式，我們成功地構(gòu)建了一種扭轉(zhuǎn)工況下的剛度分析框架，如圖7.7所示。在進(jìn)行應(yīng)力分析后，我們發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)的屈服強(qiáng)度達(dá)到了220MPa，且最大應(yīng)變值為142.3MPa，均符合預(yù)設(shè)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，顯示出了良好的性能和穩(wěn)定性。圖5.7機(jī)架扭轉(zhuǎn)剛度有限元分析結(jié)論針對(duì)藥房取藥機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械手的結(jié)構(gòu)應(yīng)該緊湊且穩(wěn)固，可以有效地抓取和放置藥品；其次，機(jī)械手應(yīng)該具有高精度和靈活性，以確保準(zhǔn)確取出需要的藥品，并適應(yīng)不同規(guī)格、形狀的藥品；最后，機(jī)械手應(yīng)具有良好的自動(dòng)化程度，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，提高工作效率。以提高藥房工作效率和準(zhǔn)確性。通過分析藥房取藥過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，確定了機(jī)械手需要具備的功能和性能。然后，根據(jù)功能需求，運(yùn)用現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)分析。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，考慮了機(jī)械手的機(jī)械臂長(zhǎng)度、關(guān)節(jié)數(shù)量和位置等因素，以增加其工作范圍和靈活性。本論文設(shè)計(jì)了一種藥房取藥機(jī)械手結(jié)構(gòu)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。該機(jī)械手能夠滿足藥房取藥過程中的需求，提高取藥效率，減少錯(cuò)誤。展望未來，隨著科技的不斷發(fā)展，我們可以進(jìn)一步優(yōu)化藥房取藥機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，引入更先進(jìn)的傳感器和控制系統(tǒng)，提高機(jī)械手的智能化水平，使其能夠更好地適應(yīng)日益多樣化的藥品種類和規(guī)格。同時(shí)，我們也可以探索將虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于藥房取藥機(jī)械手中，提高操作人員的工作效率和準(zhǔn)確性?？偟膩碚f，未來藥房取藥機(jī)械手的設(shè)計(jì)將朝著更加智能化、高效化的方向不斷發(fā)展，并為藥房工作人員提供更好的工作體驗(yàn)和服務(wù)質(zhì)量。參考文獻(xiàn)[1]李泊，李成群.取藥機(jī)械手的設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)分析與仿真[J].機(jī)床與液壓，2019，5(17):71-75[2]李泊，李成群.自動(dòng)化藥房取藥機(jī)械手爪的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2018，3(02):173-174+176[3]周露露，丁原，馬海濤.抓取微流血型檢測(cè)卡機(jī)械手的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].自動(dòng)化與儀表，2020，4(06):62-64+79[4]劉凱，姜?jiǎng)P.氣吸式袋裝中藥配方顆粒自動(dòng)取藥機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng)，2020，(06):109-112.[5]陳劍宏，趙洪照，項(xiàng)啟生等.醫(yī)療取藥三自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)及電氣控制設(shè)計(jì)[J].江蘇科技信息，2020，37(06):42-46.[6]李泊，李成群.取藥機(jī)械手的設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)分析與仿真[J].機(jī)床與液壓，2019，47(17):71-75.[7]程堂燦.基于雙目視覺的藥房取藥機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].青島大學(xué)，2019.DOI:10.27262/ki.gqdau.2019.000725.[8]程堂燦，張鳳生，王敬.藥房取藥機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)分析[J].機(jī)電技術(shù)，2019，(02):2-6.DOI:10.19508/ki.1672-4801.2019.02.001.[9]李泊.自動(dòng)化藥房取藥機(jī)械手設(shè)計(jì)與研究[D].華北理工大學(xué)，2019.[10]李俊，鄧靜，何建科等.中藥材自動(dòng)稱量取藥機(jī)設(shè)計(jì)[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2018，17(10):85-86.[11]李泊，李成群.自動(dòng)化藥房取藥機(jī)械手爪的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2018，(02):173-174+176.[12]邱廣萍，林峻光，符展培.醫(yī)院自動(dòng)取藥機(jī)器人與樣機(jī)制作[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，32(03):36-37.DOI:10.13398/ki.issn1673-260x.2016.03.014.[13]王翔.基于多軸運(yùn)動(dòng)控制器的顆粒中藥取藥系統(tǒng)的研究[J].機(jī)電工程技術(shù)，2006，(03):57-59.[14]LiuF，SongZ，MaJ.Modelingandanalysisofacable-drivenserial-parallelmanipulator[J].ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers，PartC:JournalofMechanicalEngineeringScience，2024，238(4):1012-1028.[15]劉邦彥.取藥機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其夾取機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究[D].青島大學(xué)，2022.DOI:10.27262/ki.gqdau.2022.001931.[16]丘繼星,曹丹潤(rùn).一種小型零件裝配機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].科技與創(chuàng)新,2024,(05):78-80.DOI:10.15913/ki.kjycx.2024.05.020.[17]陳修龍,張昊,田潤(rùn)洲等.六自由度搬運(yùn)機(jī)械手實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與仿真分析[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué),2024,27(01):6-11.[18]I.SL,N.DK,A.PG,etal.DevelopmentofaDesignandaMethodforCalculatingtheVolumeandMassoftheStructuralMaterialofaTubularElectrobaromembraneApparatusforCleaningIndustrialSolutionsofMachine-BuildingandChemicalIndustries[J].RussianEngineeringResearch,2024,43(12):1489-1493.[19]ObadaOD,AkinpeluBS,AboladeAS,etal.Lead-FreeDoublePerovskites:AReviewoftheStructural,Optoelectronic,Mechanical,andThermoelectricPropertiesDerivedfromFirst-PrinciplesCalculations,andMaterialsDesignApplicableforPedagogicalPurposes[J].Crystals,2024,14(1):[20]ShutaoW,ShikunW,YangY,etal.ThestructuredesignandkinematicsanalysisofthemanipulatorfortheupperportremotemaintenanceinDEMO[J].FusionEngineeringandDesign,2024,199114145-.[21]張千彧,薛召,劉偉軍等.無人機(jī)自主抓取仿生機(jī)械手的設(shè)計(jì)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2023,44(11):34-38.DOI:10.19745/j.1003-8868.2023225.[22]薛紀(jì)闊.輕量化設(shè)計(jì)與復(fù)合材料在機(jī)械結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].建筑工程與設(shè)計(jì),2023,2(8):[23]顧一丁.智能感知機(jī)械手柔性觸覺傳感器的研究[D