完整：平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手設(shè)計(jì)

1、摘 要 平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手采用兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)；兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后左右運(yùn)動(dòng)，而移動(dòng)關(guān)節(jié)則實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，其工作空間如工作空間圖，它的縱截面為矩形的回轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動(dòng)關(guān)節(jié)的行程長(zhǎng)，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體截面的大小、形狀。關(guān)鍵詞： 機(jī)械手 軸承 汽缸目 錄1 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)11.1 主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1-112 手指設(shè)計(jì)22.1 設(shè)計(jì)時(shí)要注意的問(wèn)題：22.2 零件的計(jì)算22.3 緊力的計(jì)算：32.3.1 關(guān)于 計(jì)算32.3.2 活塞手抓重量的估算42.3.3 汽缸的設(shè)計(jì)43 移動(dòng)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算53.1驅(qū)動(dòng)方式的比較54 小臂的設(shè)計(jì)84.1 設(shè)計(jì)時(shí)注意的問(wèn)題84.2 小臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2、84.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算94.4 軸承的選擇104.5 軸承的校核104.6 軸承摩擦力矩的計(jì)算114.7 驅(qū)動(dòng)選擇115 大臂的設(shè)計(jì)計(jì)算135.1 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)135.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算145.3 軸承的選擇145.4 軸承摩擦力矩的計(jì)算155.5 伺服系統(tǒng)的選擇166 機(jī)身的設(shè)計(jì)176.1 設(shè)計(jì)時(shí)注意的問(wèn)題176.2 設(shè)計(jì)的效果17總結(jié)18致謝詞19參考文獻(xiàn)201 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)械手是一種模仿人手部分動(dòng)作，按照預(yù)先設(shè)定的程序，軌跡或其他要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件或操作工具的自動(dòng)化裝置。它在二十世紀(jì)五十年代就已用于生產(chǎn)，是在自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種機(jī)械裝置，開(kāi)始主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下

3、料和搬運(yùn)工件，完成單機(jī)自動(dòng)化和生產(chǎn)線自動(dòng)化，隨著應(yīng)用范圍的不段擴(kuò)大，現(xiàn)在用來(lái)夾持工具和完成一定的作業(yè)。實(shí)踐證明它可以代替人手的繁重勞動(dòng)，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人又稱scara型裝配機(jī)器人，是selective compliance assembly robot arm的縮寫，意思是具有選擇柔順性的裝配機(jī)器人手臂。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)零件的插接、裝配中應(yīng)用廣泛?？傮w設(shè)計(jì)的任務(wù)：包括進(jìn)行機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，確定主要工作參數(shù)，選擇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，整體結(jié)

4、構(gòu)設(shè)計(jì)，最后繪出方案草圖。1.1 主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1-1表1-1機(jī)械手類型平面關(guān)節(jié)型抓取重量2.2kg自由度3個(gè)（2個(gè)回轉(zhuǎn)1個(gè)移動(dòng)）大臂長(zhǎng)700mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)角240，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 單片機(jī)控制小臂長(zhǎng)600mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)角240，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 單片機(jī)控制移動(dòng)關(guān)節(jié)氣缸驅(qū)動(dòng) 行程開(kāi)關(guān)控制手指氣缸驅(qū)動(dòng) 行程開(kāi)關(guān)控制2 手指設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)械手的手部是用來(lái)抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、準(zhǔn)確和牢靠程度都將直接影響到工業(yè)機(jī)械手的工作性能，它是工業(yè)機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。2.1 設(shè)計(jì)時(shí)要注意的問(wèn)題：(1) 手指應(yīng)有足夠的夾緊力，為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮夾持工件的重力外，還應(yīng)考慮工件在傳送

5、過(guò)程中的動(dòng)載荷。(2) 手指應(yīng)有一定的開(kāi)閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且應(yīng)注意手部接近工件的運(yùn)動(dòng)路線及其方位的影響。(3) 應(yīng)能保證工件在手指內(nèi)準(zhǔn)確定位。(4) 結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。(5) 根據(jù)應(yīng)用條件考慮通用性。2.2 零件的計(jì)算其中g(shù)取10取g=23（n）2.3 緊力的計(jì)算：2.3.1 關(guān)于 計(jì)算 f為手指與工件的靜摩擦系數(shù)，工件材料為40號(hào)鋼，手指為鋼材，查機(jī)械零件手冊(cè) 表2-5 f=0.15所以 取n=40（n）驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算為斜面傾角，為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，這里為平摩擦傳動(dòng)，查機(jī)械零件手冊(cè)表2-2 這里取 0.85所以 取p=55(n)2.3.2 活塞手

6、抓重量的估算 r為桿的半徑，h為長(zhǎng)度，g取102.3.3 汽缸的設(shè)計(jì) 因?yàn)闅鈮汗ぷ鲏毫^低，對(duì)氣動(dòng)組件的材質(zhì)和精度要求較液壓底，無(wú)污染，動(dòng)作迅速反映快，維護(hù)簡(jiǎn)單，使用安全。而且此處作用力不大，所以選氣壓傳動(dòng)。汽缸內(nèi)型選擇，由于行程短，選單作用活塞汽缸，借彈簧復(fù)位。汽缸的計(jì)算氣壓缸內(nèi)徑d的計(jì)算按液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)公式 13-1 d為汽缸的內(nèi)徑(m)，p為工作壓力（pa）,為負(fù)載率，負(fù)載率與汽缸工作壓力有關(guān)，取，查液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)表13-2 由于汽缸垂直安裝，所以取p=0.3。按液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)表13-3圓整取32mm.活塞桿直徑d的計(jì)算一般，此選0.2mm按液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)表13-4 圓整

7、取8mm汽缸壁厚的計(jì)算按液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)表13-5查得彈簧力的f的計(jì)算 3 移動(dòng)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算3.1驅(qū)動(dòng)方式的比較機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓驅(qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，和機(jī)械傳動(dòng)四種。一臺(tái)機(jī)械手可以只用一種驅(qū)動(dòng)，也可以用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，各種驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)見(jiàn)表3-1。3.2汽缸的設(shè)計(jì)因?yàn)闅鈮汗ぷ鲏毫^低，對(duì)氣動(dòng)組件的材質(zhì)和精度要求較液壓底，無(wú)污染，動(dòng)作迅速反映快，維護(hù)簡(jiǎn)單，使用安全。而且此處作用力不大，所以選氣壓傳動(dòng)。汽缸內(nèi)型選擇：因?yàn)榛钊谐梯^長(zhǎng)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以選雙作用單活塞汽缸，利用壓縮空氣使活塞向兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。初選活塞桿直徑d=12mm，估算其重量取5n取80n表3-1比較內(nèi) 容驅(qū)動(dòng)方式機(jī)械傳動(dòng)

8、電機(jī) 驅(qū)動(dòng)氣壓傳動(dòng)液壓傳動(dòng)異步電機(jī)，直流電機(jī)步進(jìn)或伺服電機(jī)輸出力矩輸出力矩較大輸出力可較大輸出力矩較小氣體壓力小，輸出力矩小，如需輸出力矩較大，結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大液體壓力高，可以獲得較大的輸出力控制性能速度可高，速度和加速度均由機(jī)構(gòu)控制，定位精度高，可與主機(jī)嚴(yán)格同步控制性能較差，慣性大，步易精確定位控制性能好，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜可高速，氣體壓縮性大，阻力效果差，沖擊較嚴(yán)重，精確定位較困難，低速步易控制油液壓縮性小，壓力流量均容易控制，可無(wú)級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制體積當(dāng)自由度多時(shí)，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，體積液較大要油減速裝置，體積較大體積較小體積較大在輸出力相同的條件下體積小維修使用維修使用方

9、便維修使用方便維修使用較復(fù)雜維修簡(jiǎn)單，能在高溫，粉塵等惡劣環(huán)境種使用，泄漏影響小維修方便，液體對(duì)溫度變化敏感，油液泄漏易著火應(yīng)用范圍適用于自由度少的專用機(jī)械手，高速低速均能適用適用于抓取重量大和速度低的專用機(jī)械手可用于程序復(fù)雜和運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手中小型專用通用機(jī)械手都有中小型專用通用機(jī)械手都有，特別時(shí)重型機(jī)械手多用成本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，一般工廠可以自己制造成本低成本較高結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能源方便，成本低液壓元件成本較高，油路也較復(fù)雜氣壓缸內(nèi)徑d的計(jì)算按液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)公式 13-1 d為汽缸的內(nèi)徑(m)，p為工作壓力（pa）,為負(fù)載率，負(fù)載率與汽缸工作壓力有關(guān)，取，查液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)

10、表13-2 由于汽缸垂直安裝，所以取p=0.3。一般，此選0.3按液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)表13-3圓整取40mm.一般，此選0.3mm汽缸壁厚的計(jì)算按液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)表13-5查得汽缸重量的計(jì)算其中：r為汽缸外徑，r為汽缸內(nèi)徑，h為汽缸長(zhǎng)度，g取10，為汽缸材料密度取25n4 小臂的設(shè)計(jì)臂部是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支撐手部和腕部，主要用來(lái)改變工件的位置。手部在空間的活動(dòng)范圍主要取決于臂部的運(yùn)動(dòng)形式。4.1 設(shè)計(jì)時(shí)注意的問(wèn)題(1) 剛度要好，要合理選擇臂部的截面形狀和輪廓尺寸，空心桿比實(shí)心桿剛度大的多，常用鋼管做臂部和導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼左支撐板，以保證有足夠的剛度。(2) 偏重力矩要小

11、，偏重力矩時(shí)指臂部的總重量對(duì)其支撐或回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的力矩。(3) 重量要輕，慣量要小，為了減輕運(yùn)動(dòng)時(shí)的沖擊，除采取緩沖外，力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以減少慣性力。(4) 導(dǎo)向性要好。4.2 小臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 把小臂的截面設(shè)計(jì)成工字鋼形式，這樣抗彎系數(shù)大，使截面面積小，從而減輕小臂重量，使其經(jīng)濟(jì)、輕巧。 選10號(hào)工字鋼。理論重,小臂長(zhǎng)為600mm。較核：（n）取75n其受力如下圖:f=75+105=180（n）按材料力學(xué)公式5.11 其中h為工字鋼的高度，b為工字鋼的腰寬，q為所受的力。所以所以選10號(hào)工字鋼合適。4.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算大軸的直徑取20mm，材料為45號(hào)鋼。受力如下圖:驗(yàn)算： f=180n

12、 所以合適4.4 軸承的選擇因?yàn)樯陷S承只受徑向，下軸承受軸向力和徑向力，所以選用圓錐滾子軸承，按機(jī)械零件手冊(cè)表9-61（gb 297-84）選7304e，d=20mm e=0.34.5 軸承的校核因?yàn)榇颂庉S承做低速的擺動(dòng)，所以其失效形式是，接觸應(yīng)力過(guò)大，產(chǎn)生永久性的過(guò)大的凹坑（即材料發(fā)生了不允許的永久變形），按軸承靜載能力選擇的公式為：機(jī)械設(shè)計(jì)13-17 其中為當(dāng)量靜載荷，為軸承靜強(qiáng)度安全系數(shù)，取決于軸承的使用條件。按機(jī)械設(shè)計(jì)表3-8 作擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)軸承,沖擊及不均勻載荷,此處1.5.上軸承受純徑向載荷,所以因此軸承合適.下軸承受徑向和軸向載荷,r為徑向載荷a為軸向載荷x y分別為徑向軸向載荷系數(shù)

13、，其值按機(jī)械設(shè)計(jì)表135查取因?yàn)?所以 所以因此軸承合適 小軸承受力很小，所以不用教核4.6 軸承摩擦力矩的計(jì)算如果 （c為基本額定動(dòng)載荷，p為所受當(dāng)量動(dòng)載荷），可按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第二版 (16.1-13)公式: 估算其中:為滾動(dòng)軸承摩擦因數(shù)，f為軸承載荷，d為軸承內(nèi)徑。 查表機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第二版 表16.1-29得，所以也可以用此公式估算所以 查表機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第二版 表16.1-29得，所以也可以用此公式估算所以 取0.14.7 驅(qū)動(dòng)選擇因?yàn)樗栩?qū)動(dòng)力小，精度要求不很高，所以選擇控制方便，輸出轉(zhuǎn)角無(wú)長(zhǎng)期積累誤差的步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)的選擇：步距角要小，要滿足最大靜轉(zhuǎn)矩，因?yàn)檗D(zhuǎn)速低不考慮矩頻特性，

14、按機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)表2-11 bf反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)表查取，選45bf005，其主要參數(shù)如下： 步矩角1.5度，電壓27伏，最大靜轉(zhuǎn)矩0.196n.m，質(zhì)量0.4kg,外徑45mm,長(zhǎng)度58mm,軸徑4mm。精度驗(yàn)證:能夠滿足精度要求，為了提高精度，采用一級(jí)齒輪傳動(dòng).5的齒數(shù)為20，的齒數(shù)為70。按機(jī)械原理表8-2標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列表（gb1357-87）取m=1，取則齒輪寬度計(jì)算：按機(jī)械設(shè)計(jì)表10-7 圓柱齒輪的齒寬度系數(shù)兩支承相對(duì)小齒輪作對(duì)稱布置取0.91.4,此處取1則為了防止兩齒輪因裝配后軸向稍有錯(cuò)位而導(dǎo)致嚙合齒寬減少，要適當(dāng)加寬，所以取24mm。5 大臂的設(shè)計(jì)計(jì)算5.1 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)把

15、大臂的截面設(shè)計(jì)成工字鋼形式，這樣抗彎系數(shù)大，使截面面積小，從而減輕小臂重量，使其經(jīng)濟(jì)、輕巧。 選14號(hào)工字鋼。理論重,小臂長(zhǎng)為700mm。較核：（n）取140n其受力如圖:f=75+105+140=320（n）按材料力學(xué)公式5.11 其中h為工字鋼的高度，b為工字鋼的腰寬，q為所受的力。所以所以選10號(hào)工字鋼合適。5.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算軸的直徑取20mm，材料為45號(hào)鋼。其受力如下圖: 驗(yàn)算： f=320n所以合適5.3軸承的選擇大軸軸承的選擇：因?yàn)樯陷S承只受徑向，下軸承受軸向力和徑向力，所以選用圓錐滾子軸承，按機(jī)械零件手冊(cè)表9-61（gb 297-84）選7304e，d=20mm e=0.3軸

16、承的校核因?yàn)榇颂庉S承做低速的擺動(dòng)，所以其失效形式是，接觸應(yīng)力過(guò)大，產(chǎn)生永久性的過(guò)大的凹坑（即材料發(fā)生了不允許的永久變形），按軸承靜載能力選擇的公式為：機(jī)械設(shè)計(jì)13-17 其中為當(dāng)量靜載荷，為軸承靜強(qiáng)度安全系數(shù)，取決于軸承的使用條件。按機(jī)械設(shè)計(jì)表3-8 作擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)軸承,沖擊及不均勻載荷,此處1.5.上軸承受純徑向載荷, 所以因此軸承合適.下軸承受徑向和軸向載荷, r為徑向載荷a為軸向載荷x y分別為徑向軸向載荷系數(shù)，其值按機(jī)械設(shè)計(jì)表135查取因?yàn)?所以 所以因此軸承合適 小軸承受力很小，所以不用教核5.4 軸承摩擦力矩的計(jì)算如果 （c為基本額定動(dòng)載荷，p為所受當(dāng)量動(dòng)載荷），可按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第二版

17、 (16.1-13)公式: 估算其中:為滾動(dòng)軸承摩擦因數(shù)，f為軸承載荷，d為軸承內(nèi)徑。查表機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第二版 表16.1-29得，所以也可以用此公式估算所以查表機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第二版 表16.1-29得，所以也可以用此公式估算所以 取0.15.5 伺服系統(tǒng)的選擇 因?yàn)樗栩?qū)動(dòng)力小，精度要求不很高，所以選擇控制方便，輸出轉(zhuǎn)角無(wú)長(zhǎng)期積累誤差的步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)的選擇：步距角要小，要滿足最大靜轉(zhuǎn)矩，因?yàn)檗D(zhuǎn)速低不考慮矩頻特性，按機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)表2-11 bf反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)表查取，選45bf005，其主要參數(shù)如下： 步矩角1.5度，電壓27伏，最大靜轉(zhuǎn)矩0.196n.m，質(zhì)量0.4kg,外徑4

18、5mm,長(zhǎng)度58mm,軸徑4mm。精度驗(yàn)證:所以不能滿足精度要求,不能直接傳動(dòng),要變速機(jī)構(gòu)在此選用直齒圓柱齒輪為了提高精度，采用一級(jí)齒輪傳動(dòng).5的齒數(shù)為20，的齒數(shù)為70。按機(jī)械原理表8-2標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列表（gb1357-87）取m=1，取則齒輪寬度計(jì)算：按機(jī)械設(shè)計(jì)表10-7 圓柱齒輪的齒寬度系數(shù)兩支承相對(duì)小齒輪作對(duì)稱布置取0.91.4,此處取1則為了防止兩齒輪因裝配后軸向稍有錯(cuò)位而導(dǎo)致嚙合齒寬減少，要適當(dāng)加寬，所以取24mm。6 機(jī)身的設(shè)計(jì)機(jī)身是支承臂部的部件，升降，回轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等都可以裝在機(jī)身上。6.1 設(shè)計(jì)時(shí)注意的問(wèn)題(1) 要有足夠的剛度和穩(wěn)定性。(2) 運(yùn)動(dòng)要靈活，升降運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)套長(zhǎng)度不宜過(guò)短，否則可能產(chǎn)生卡死現(xiàn)象；一般要有導(dǎo)向裝置。(3)結(jié)構(gòu)布置要合理，便于裝修。6.2 設(shè)計(jì)的效果由于此設(shè)計(jì)要求為三個(gè)自由度，所以此處無(wú)運(yùn)動(dòng)要求，只用來(lái)支承。只要?jiǎng)偠饶軡M足就行了，高度可根據(jù)自動(dòng)線的高低確定?？偨Y(jié)畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生綜合學(xué)習(xí)的一個(gè)難得的機(jī)會(huì)，同時(shí)它也是檢驗(yàn)這幾年學(xué)習(xí)水平的一個(gè)機(jī)會(huì)。在設(shè)計(jì)中涉及到的知識(shí)面很廣，它需要我們查閱大量的資料，從中吸取對(duì)設(shè)計(jì)有幫助的東西來(lái)達(dá)到一個(gè)優(yōu)化的目的。在設(shè)計(jì)過(guò)程中肯定有我們以前沒(méi)有學(xué)習(xí)過(guò)的新知識(shí)需要我們自學(xué)，這就需要耐心，需要刻苦的鉆研和推敲，特別是對(duì)于各部分的銜接是經(jīng)過(guò)論證后得出的。通過(guò)畢業(yè)