平面關節(jié)型機械手設計畢業(yè)設計

1、平面關節(jié)型機械手設計目錄第1章緒論1第2章機械手整體方案設計22.1 整體方案分析22.2 整體結構分析3第3章機械手整體結構設計6機械手手部設計6移動關節(jié)的設計9小臂的設計11大臂的設計16機身的設計18終止語21參考文獻22平面關節(jié)型機械手設計第一章緒論隨著我國工業(yè)生產的飛躍進展，自動化程度的迅速提高，實現(xiàn)工件的裝卸、轉向、輸送或籌劃焊槍、噴槍、扳手等工具進行加工、裝配等作業(yè)的自動化，已愈來愈引發(fā)人們的重視。機械手是仿照著人手的部份動作，給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產中應用實現(xiàn)平安生產；尤其在高溫、高壓、低溫、

2、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處置、電鍍、噴漆、裝配和輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面取得愈來愈普遍的應用。機械手的結構形式開始比較簡單，專業(yè)性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術的進展，制成了能夠獨立的按程序操縱實現(xiàn)重復操作，利用范圍比較廣的“程序操縱通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能專門快地改變工作程序，適應性較強，因此它不斷變換生產品種的中小批量生產中取得普遍的應用。本次課程設計的平面關節(jié)型機械手是應用于上下料、搬運環(huán)類零件，從內孔夾持工件，代替人手的繁

3、重勞動，減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產率。本次課程設計是通過設計平面關節(jié)型機械手，培育綜合運用所學知識，分析問題和解決問題的能力。第二章平面關節(jié)型機械手整體方案設計平面關節(jié)型機械手又稱SCARA型裝配機械手，是SelectiveComplianceAssemblyRobotArm的縮寫，意思是具有選擇柔順性的裝配機械人手臂。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結構簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，專門適合小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)零件的插接、裝配中應用普遍。平面關節(jié)型機械手整體方案分析設計任務本次課程設計整體設計的任務是：上下料搬運機械手，3個自由度，平面關節(jié)

4、型；需要搬運的工件：環(huán)類零件，內孔直徑50mm；高150mm，厚10mm,（只能從內孔夾持工件），材料40鋼，將工件從一條輸送線搬運到與之平行的另一條輸送線上，（兩輸送線距離為，高度差）。本次課程設計的要緊技術參數(shù)見表表機械手類型平向美節(jié)型抓取最大重量自由度3個（2個回轉1個移動）大臂長658mm回轉運動，回轉角240,步進電機驅動單片機控制小臂長564mm回轉運動，回轉角240,步進電機驅動單片機控制移動關節(jié)氣缸驅動行程開關控制手指氣缸驅動行程開關控制方案選擇依照設計設計要分析出，抓取和轉動是最要緊的功能。這兩項功能實現(xiàn)的技術基礎是精致的機械結構設計和良好的伺服操縱驅動。本次設計確實是在這一

5、思維下展開的。依照設計內容和需求確信圓柱坐標型三自由度機械人，利用步進電機驅動和齒輪減速傳動來實現(xiàn)大臂的旋轉運動；利用另一臺步進電機驅動小臂旋轉，從而使小臂與移動關節(jié)連在一路實現(xiàn)上下運動；考慮到本設計中的機械人工作范圍不大，故利用氣缸驅動實現(xiàn)手臂的伸縮運動；結尾夾持器那么采納內撐式夾持器，用小型氣缸驅動夾緊。平面關節(jié)型機械手整體結構分析結構特點分析依照設計要求和參數(shù)表分析得出，機械手分為機身、大臂、小臂、上下移動關節(jié)、手指部五部份組成，其中機身與大臂、大臂與小臂連接處安置電機，小臂連接移動關節(jié)帶動手指上下搬運環(huán)類工件，結構特點實體圖如下“圖2-1”所示。圖2-1結構實體圖依如實體圖觀看及設計要

6、求描述，繪制機構簡圖，91為大臂回轉角，由電動機驅動，82為小臂回轉角，移動關節(jié)上下移動，共三個自由度，簡圖如圖“2-2所示。由“圖2-1”及設計要求分析，大臂和小臂可回轉240度，在兩條輸送帶問工作，將工件從一條輸送線搬運到與之平行的另一條輸送線上，分析出工作空間如以下圖“圖2-3”所示工作原理分析本次設計的機械手大臂通過轉動關節(jié)與機身連接，關節(jié)處安放驅動裝置，由電動機驅動，為提高精度采納一級齒輪聯(lián)接減速，帶動大臂轉動，速度、頻率又單片機操縱；大臂與小臂亦通過轉動關節(jié)連接，關節(jié)處轉配驅動裝置，結構與大臂關節(jié)處相同；移動關節(jié)與小臂固定連接，移動關節(jié)利用氣缸或液壓缸，活塞桿連接手指上下移動；手指

7、通過氣缸驅動操縱夾具指，使夾具體從內部抓取環(huán)類工件。傳動原理圖如以下圖“圖2-4”所示。圖2-3工作空間圖圖2-4傳動原理圖第三章平面關節(jié)型機械手整體結構設計此處省略扣扣：九七一九二零八零零另提供全套機械畢業(yè)設計下載！該論文已經通過答辯機械手手部設計工業(yè)機械手的手部是用來抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、準確和牢靠程度都將直接阻礙到工業(yè)機械手的工作性能，它是工業(yè)機械手的關鍵部件之一。設計時要注意的問題(1)手指應有足夠的夾緊力，為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮夾持工件的重力外，還應考慮工件在傳送進程中的動載荷。(2)手指應有必然的開閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關，而且應注意手部接近工

8、件的運動線路及其方位的阻礙。(3)應能保證工件在手指內準確信位。(4)結構盡可能緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結構設計。(5)依照應用條件考慮通用性。工件重量的計算V(R2r2)h223.14(352252)1503282600(mm)mv-282600Gmgvg780091022.0428(kg)10其中g取10m/s2取G=22(N)手指夾緊力的計算4fNG(3-1)f為手指與工件的靜摩擦系數(shù)，工件材料為40號鋼，手指為鋼材，查機械零件手冊表2-5,f=。因此N2338.334f40.15取N=40(N)驅動力的計算：_1P4tgN-(3-2)圖3-1為斜面傾角，15°,為傳動機

9、構的效率，那個地址為平摩擦傳動，查機械零件手冊表2-20.850.92那個地址取,因此1P4tg1504050.440.85取p=50(N)活塞手抓重量的估算_2_2_G1rhg3.142515078001023(N)r為桿的半徑，h為長度，g取10m/s2氣缸的設計因為氣壓工作壓力較低，對氣動組件的材質和精度要求較液壓底，無污染，動作迅速反映快，保護簡單，利用平安。而且此處作使勁不大，因此選氣壓傳動。氣缸內型選擇：由于行程短，選單作用活塞氣缸，借彈簧復位。氣缸的計算：氣壓缸內徑D的計算：按液壓傳動與氣壓傳動公式13-1。D2FP(3-3)4D為氣缸的內徑(m),P為工作壓力(Pa),為負載率

10、，負載率與氣缸工作壓力有關，取P0.40,查液壓傳動與氣壓傳動表13-2P0.300.65由于氣缸垂直安裝，因此取P-4FP455,3.140.40.31060.02416(m)24.16(mm)按液壓傳動與氣壓傳動表13-3選取32mm.活塞桿直徑d的計算：一樣%0.20.3,此選d0.2D0.2326.4mm按液壓傳動與氣壓傳動表13-4選取8mm氣缸壁厚的計算按液壓傳動與氣壓傳動表13-5查得4彈簧力的F的估算:FGi23(N)因此選擇FGi23(N)的彈簧件。移動關節(jié)的設計驅動方式的比較機械手的驅動系統(tǒng)有液壓驅動，氣壓驅動，電機驅動，和機械傳動四種。臺機械手能夠只用一種驅動，也能夠用幾

11、種方式聯(lián)合驅動，各類驅動的特點見表“3-1表3-1較容比內驅動方式機械傳動電機驅動氣壓傳動液壓傳動異步電機，直流電機步進或伺服電機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，結構尺寸過大液體壓力高，可以獲得較大的輸出力制匕匕控性速度可圖，速度和加速度均由機構控制，定位精度局，可與主機嚴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)復雜川圖速，氣體壓縮性大，阻力果差，沖擊較嚴重，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，可無級調速，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制體積當自由度多時，機構復雜，體積液較大要油減速裝

12、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便維修使用方便維修使用較復雜維修簡單，能在圖溫，粉塵維修方便，液體對溫度變化敏等惡劣環(huán)境種使用，泄漏影響小感，油液泄漏易著火應用范圍適用于自由度少的專用機械手，高速低速均能適用適用于抓取重量大和速度低的專用機械手可用于程序復雜和運動軌跡要求嚴格的小型通用機械手中小型專用通用機械手都有中小型專用通用機械手都有，特別時重型機械手多用成本結構簡單，成本低，一®D可以自己制造成本低成本較局結構簡單，能源方便，成本低液壓元件成本較高，油路也較復雜氣缸的設計因為氣壓工作壓力較低，對氣動組件的材質和精度要求較液壓底，無污染，動

13、作迅速反映快，保護簡單，利用平安。而且此處作使勁不大，因此選氣壓傳動。氣缸內型選擇：因為活塞行程較長，往復運動，因此選雙作用單活塞氣缸，利用緊縮空氣使活塞向兩個方向運動。初選活塞桿直徑d=12mm估算其重量d900129G2(-)2hg3.14()20.557800104.85(N)取為5NFGG1G22223550取為80N氣壓缸內徑D的計算按液壓傳動與氣壓傳動公式13-1,_2.2、F)P(3-4)4D為氣缸的內徑(m),P為工作壓力(Pa),為負載率，負載率與氣缸工作壓力有關，取P0.40,查液壓傳動與氣壓傳動表13-2P0.300.65由于氣缸垂直安裝，因此取P=o一樣%0.20.3,

14、此選4F480八，、一，、660.03054(m)30.54(mm)P0.911063.140.40.30.91106按液壓傳動與氣壓傳動表13-3選取40mm一樣%0.20.3,此選d0.3D0.34012mm氣缸壁厚的計算：按液壓傳動與氣壓傳動表13-5查得4。氣缸重量的計算：G3(R2r2)hg3.14(0.02420.0202)0.5578001023.7(N)其中：R為氣缸外徑，r為氣缸內徑，h為氣缸長度，g取10,為氣缸材料密度，G3取25M小臂的設計臂部是機械手的要緊執(zhí)行部件，其作用是支撐手部和腕部，要緊用來改變工件的位置。手部在空間的活動范圍要緊取決于臂部的運動形式。設計時注意

15、的問題(1)剛度要好，要合理選擇臂部的截面形狀和輪廓尺寸，空心桿比實心桿剛度大的多，經常使用鋼管做臂部和導向桿，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，偏重力矩時指臂部的總重量對其支撐或回轉軸所產生的力矩。(3)重量要輕，慣量要小，為了減輕運動時的沖擊，除采取緩沖外，力求結構緊湊，重量輕，以減少慣性力(4)導向性要好。小臂結構的設計把小臂的截面設計成工字鋼形式，如此抗彎系數(shù)大，使截面面積小，從而減輕小臂重量，使其經濟、輕巧。初選10號工字鋼。理論重11.261kg/m,Wy9.72cm3,h100mm,d4.5mm,小臂長為564mm較核：G小臂mg11.2610.61

16、067.57(N)取75No其受力如以下圖：FiIu小將圖3-2F=75+105=180(N)MFiLG小臂L1050.6750.392.625(N.m)M92.625廠39.53MPa100MPaWy9.72(102)3按材料力學公式Qhb其中h為工字鋼的高度，b為工字鋼的腰寬，Q為所受的力。依照Q警30.4MPa60MPahb100104.510因此選10號工字鋼適合。(3-5)軸的設計計算大軸的直徑取25mm材料為45號鋼。受力如以下圖：驗算:F1F292.625_212.510962.25圖3-3741(N)F=180N_323.14(12.510)1.96MPa60MPa因此適合。軸

17、承的選擇因為上軸承只受徑向，下軸經受軸向力和徑向力，因此選用圓錐滾子軸承,按機械零件手冊表9-61(GB297-84)選7304E,d=25mmc31.5KNc017.2KNe=。軸承的校核:因為此處軸承做低速的擺動，因此其失效形式是，接觸應力過大，產生永久性的過大的凹坑(即材料發(fā)生了不許諾的永久變形)，按軸承靜載能力選擇的公式為：機械設計13-17C0S0P0其中Po為當量靜載荷，S。為軸承靜強度平安系數(shù)，取決于軸承的利用條件。按機械設計表3-8作擺動運動軸承，沖擊及不均勻載荷，So11.5此處取。上軸經受純徑向載荷，PoFi741(N)因此S0P07411.51111.5(N)C017.2

18、(KN)因此軸承適合下軸經受徑向和軸向載荷，PoX0RY°A；R為徑向載荷；A為軸向載荷；XY別離為徑向軸向載荷系數(shù)，其值按機械設計表13-5查取因為ar1807410.243e0.3因此X。1丫00P0X0RY0AR741N因此S0P07411.51111.5(N)C017.2(KN)因此軸承適合，小軸經受力很小，因此不用校核。軸承摩擦力矩的計算：若是C10(C為大體額定動載荷，P為所受當量動載荷)，可按機械P設計手冊第二版公式：T0.5Fd估算其中：為轉動軸承摩擦因數(shù)，F(xiàn)為軸承載荷，d為軸承內徑查表機械設計手冊第二版表得0.0011C17200P926.2518.5610,因此也

19、能夠用此公式估算因此T10.5Fd0.50.0011962.250.020.010189(Nm)查表機械設計手冊第二版表得0.0013,C27000P18015010,因此也能夠用此公式估算因此T20.5Fd0.50.00131800.020.00234(Nm)T總T1T20.0101890.002340.0125(Nm)因為摩擦力矩小于，因此忽略不計。驅動選擇因為所需驅動力小，精度要求不很高，因此選擇操縱方便，輸出轉角無長期積存誤差的步進電機。步進電機的選擇：步距角要小，要知足最大靜轉矩，因為轉速低不考慮矩頻特性，按機電綜合設計指導表2-11BF反映式步進電動機技術參數(shù)表查取，選45BF00

20、5,其要緊參數(shù)如下：步矩角度，電壓27伏，最大靜轉矩，質量，外徑45mm長度58mm$由徑4mm0精度驗證：600sin()7.86(mm)10(mm)能夠知足精度要求，2為了提高精度，采納一級齒輪傳動i至3.5。乙Z1的齒數(shù)為20,Z2的齒數(shù)為70。按機械原理表8-2標準模數(shù)系列表(GB1357-87)取m=1取20°則1z1m20120(mm)d2z2m70170(mm)*haham111(mm)*hf(hac)m(10.25)11.25齒輪寬度計算：按機械設計表10-7圓柱齒輪的齒寬度系數(shù)d,兩支承相對小齒輪作對稱布置取一，此處取1。則b1d1d20120mm為了避免兩齒輪因裝

21、配后軸向稍有錯位而致使嚙合齒寬減少，要適當加寬，因此取24mm大臂的設計結構的設計把大臂的截面設計成工字鋼形式,輕小臂重量，使其經濟、輕巧。如此抗彎系數(shù)大，使截面面積小，從而減選14號工字鋼。理論重16.890kg/m,Wy16.1cm3,h140mm,d5.5mm,小臂長為658mm較核：G小臂mg16.8900.710126.675(N)取140N其受力如圖：圖3-4F=75+105+140=320(NJ)Fo(LiL2)G小臂L2)G大臂L22105(0.60.7)75盧0.7)2280.125(N.m)MWy280.125_2316.1(102)317.4MPa100MPa按材料力學公

22、式(3-6)Qhb其中h為工字鋼的高度，b為工字鋼的腰寬，Q為所受的力Q320_依照Q泮0.42MPa60MPahb1401035.5103因此選10號工字鋼適合。軸的設計計算軸的直徑取25mm材料為45號鋼其受力如以下圖：驗算:FiF2280.12514102圖3-52001(N)F=320NF1-2r2001323.14(12.510)4.08MPa60MPa因此適合。軸承的選擇大軸軸承的選擇：因為上軸承只受徑向，下軸經受軸向力和徑向力，因此選用圓錐滾子軸承，按機械零件手冊表9-6-1(GB297-84)選7304E,d=25mmc31.5kNc017.2kNe=。軸承的校核因為此處軸承做

23、低速的擺動，因此其失效形式是，接觸應力過大，產生永久性的過大的凹坑(即材料發(fā)生了不許諾的永久變形)，按軸承靜載能力選擇的公式為：機械設計13-17C0S0P0其中Po為當量靜載荷，S。為軸承靜強度平安系數(shù)，取決于軸承的利用條件。按機械設計表3-8作擺動運動軸承，沖擊及不均勻載荷，S011.5此上軸經受純徑向載荷，PoF12001(N)因此S0Po20011.53001.5(N)C017.2(KN)因此軸承適合。下軸經受徑向和軸向載荷，P°X°RY°A；R為徑向載荷；A為軸向載荷；XY別離為徑向軸向載荷系數(shù)，其值按機械設計表13-5查取因為%32%nni0.159e

24、。臺；R2001因止匕X。1Y00P0X0RY0AR2001N因此S0Po20011.53001.5(N)C017.2(KN)因此軸承適合，小軸經受力很小，因此不用校核。軸承摩擦力矩的計算若是C10(C為大體額定動載荷，P為所受當量動載荷)，可按機械P設計手冊第二版公式：T0.5Fd估算其中：為轉動軸承摩擦因數(shù)，F(xiàn)為軸承載荷，d為軸承內徑查表機械設計手冊第二版表得0.0011,C29200P200114.5910,因此也能夠用此公式估算因此T10.5Fd0.50.001120010.020.022011(Nm)查表機械設計手冊第二版表得0.0013,2700032084.310,因此也能夠用此

25、公式估算因此T20.5Fd0.50.00133200.020.00416(Nm)T總T1T20.0220110.004060.026071(Nm)此處摩擦力矩亦小于，忽略不計伺服系統(tǒng)的選擇因為所需驅動力小，精度要求不很高，因此選擇操縱方便，輸出轉角無長期積存誤差的步進電機。步進電機的選擇：步距角要小，要知足最大靜轉矩，因為轉速低不考慮矩頻特性，按機電綜合設計指導表2-11BF反映式步進電動機技術參數(shù)表查取，選45BF005,其要緊參數(shù)如下：步矩角度，電壓27伏，最大靜轉矩，質量，外徑45mm長度58mm$由徑4mm一人150、,、一，精度驗證:1400sin()18.0325(mm)10(mm)2因此不能知足精度要求，不能直接傳動，要變速機構在此選用直齒圓柱齒輪為了提高精度，采納一級齒輪傳動i至3.5。乙Z1的齒數(shù)為20,Z2的齒數(shù)為70。按機械原理表8-2標準模數(shù)系列表(GB1357-87)