平面關(guān)節(jié)型機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

平面關(guān)節(jié)型機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

平面關(guān)節(jié)型機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計摘要機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，目前平面關(guān)節(jié)型機械手被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中。平面關(guān)節(jié)型機械手采用兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)；兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后左右運動，而移動關(guān)節(jié)則實現(xiàn)上下運動。文章中介紹了平面關(guān)節(jié)型機械手的設(shè)計理論與方法，在力學(xué)計算的基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)分析，詳盡的討論了平面關(guān)節(jié)型機械手的手部、腕部、手臂以與機身等主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。關(guān)鍵詞：機械手平面關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)設(shè)計PlanejointtypemanipulatorstructuredesignAbstractManipulatorisasortofautomationdevicewhichhasthefunctionofgraspandtransferworkpiecesduringtheautomatedproduction.Todayhydraulicmanipulatoriswidelyusedinindustryfield.Planararticulatedrobotwithtworotaryjointsandaprismaticjoint;tworotaryjointsaround,movementcontrol,andmoveupanddownmovementjointisachieved.Thisarticlesystemelaborationindustrymanipulator'sdesigntheoryandmethod.Mechanicalcalculationsonthebasisofthestructuralanalysis.ThecomprehensiveexhaustivediscussionhasPlanararticulatedmanipulator'shand,thewrist,thearm,thefuselageandsoon,whichthemajorstructuraldesigncomputation.Keywords:manipulator;Planejointtype;structuraldesign目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1緒論 7機械手的組成 1執(zhí)行機構(gòu) 1驅(qū)動機構(gòu) 2控制系統(tǒng)分類 2機械手的分類 2\o"CurrentDocument"機械手總體設(shè)計 4主要技術(shù)參數(shù) 4\o"CurrentDocument"手部設(shè)計 5確定手部結(jié)構(gòu) 6手部受力分析 6手部夾緊力的計算 7手部夾緊缸的設(shè)計計算 8夾緊缸主要尺寸的計算 8缸體結(jié)構(gòu)與驗算 9活塞桿的設(shè)計計算 9\o"CurrentDocument"移動關(guān)節(jié)的設(shè)計計算 114.1驅(qū)動方式的比較 114.2上下移動升降缸的設(shè)計 12\o"CurrentDocument"小臂的設(shè)計 14設(shè)計時注意的問題 14小臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計 13軸的設(shè)計計算 155.4軸承的選擇 錯誤!未定義書簽。5.5軸承的校核 錯誤!未定義書簽。5.6伺服系統(tǒng)的選擇 錯誤!未定義書簽。機身回轉(zhuǎn)電機 17齒輪傳動的計算 1116大臂的設(shè)計計算 錯誤!未定義書簽。6.1結(jié)構(gòu)的設(shè)計 錯誤!未定義書簽。6.2軸的設(shè)計計算 錯誤!未定義書簽。TOC\o"1-5"\h\z軸承的選擇 206.4伺服系統(tǒng)的選擇 21\o"CurrentDocument"7機身的設(shè)計 23設(shè)計時注意的問題 23設(shè)計的效果 26\o"CurrentDocument"8機械手的定位與平穩(wěn)性 24常用的定位方式 248.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素 24\o"CurrentDocument"結(jié)論 26致謝詞 27參考文獻 錯誤!未定義書簽。緒論機械手是一種模仿人手部分動作，按照預(yù)先設(shè)定的程序，軌跡或其他要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操作工具的自動化裝置。它在二十世紀五十年代就已用于生產(chǎn)，是在自動上下料機構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種機械裝置，開始主要用來實現(xiàn)自動上下料和搬運工件，完成單機自動化和生產(chǎn)線自動化，隨著應(yīng)用范圍的不段擴大，現(xiàn)在用來夾持工具和完成一定的作業(yè)。實踐證明它可以代替人手的繁重勞動，減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率。平面關(guān)節(jié)型機器人又稱SCARA型裝配機器人，是SelectiveComplianceAssemblyRobotArm的縮寫，意思是具有選擇柔順性的裝配機器人手臂。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)簡單，動作靈活，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。機械手的組成工業(yè)機械手由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)三部分組成。執(zhí)行機構(gòu)（1） 手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。傳力機構(gòu)形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。（2） 腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉(zhuǎn)運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運動驅(qū)動手部搬運工件。目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮?700）,并且要求嚴格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以與輪系結(jié)構(gòu)。（3）臂部手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運動。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以與抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。（4） 行走機構(gòu)有的工業(yè)機械手帶有行走機構(gòu)，我國的正處于仿真階段。驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動機構(gòu)是工業(yè)機械手的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同,工業(yè)機械手的驅(qū)動機構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅(qū)動等四類。采用液壓機構(gòu)驅(qū)動機械手,結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便?？刂茩C構(gòu)在機械手的控制上，有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進行點位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。1.2機械手分類根據(jù)所承擔(dān)的作業(yè)的特點，工業(yè)機械手可分為以下三類：承擔(dān)搬運工作的機械手：這種機械手在主要工藝設(shè)備運行時，用來完成輔助作業(yè)，如裝卸毛坯、工件和工夾具。生產(chǎn)工業(yè)用機械手：可用于完成工藝過程中的主要作業(yè)，如裝配、焊接、涂漆、彎曲、切斷等。通用工業(yè)機械手：其用途廣泛，可以完成各種工藝作業(yè)。按功能分類專用機械手：它是附屬于主機的具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。專用機械手具有動作少，工作對象單一，結(jié)構(gòu)簡單，實用可靠和造價低等特點，適用于大批大量的自動化生產(chǎn)，如自動機床，自動線的上、下料機械手和“加工中心”附屬的自動換刀機械手。通用機械手：又稱工業(yè)機器人。它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。具有程序可變、工作范圍大、定位精度高、通用性強的特點，適用于不斷變換品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。示教再現(xiàn)機械手：采用示教法編程的通用機械手。所謂示教，即由人通過手動控制，“拎著”機械手做一遍操作示范，完成全部動作后，其儲存裝置即能記憶下來。機械手可按示范操作的程序行程進行重復(fù)的再現(xiàn)工作。按驅(qū)動方式分液壓傳動機械手氣壓傳動機械手機械傳動機械手按控制方式分①固定程序機械手：控制系統(tǒng)是一個固定程序的控制器。程序簡單，

程序數(shù)少，而且是固定的，行程可調(diào)但不能任意點定位。②可編程序機械手：控制系統(tǒng)是一個可變程序控制器。其程序可按需要編排，行程能很方便改變。機械手總體設(shè)計總體設(shè)計的任務(wù)：包括進行機械手的運動設(shè)計，確定主要工作參數(shù)，選擇驅(qū)動系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后繪出方案草圖。主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)見表2-1表2-1機械手主要技術(shù)參數(shù)機械手類型平面關(guān)節(jié)型自由度4個（2個回轉(zhuǎn)1個移動1個手部活動）大臂長300mm，回轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)角210，直流電機驅(qū)動小臂長200mm，回轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)角240，直流電機驅(qū)動移動關(guān)節(jié)液壓缸驅(qū)動手指液壓缸驅(qū)動，最大開距80mm，夾持力100N手部設(shè)計手部（亦稱抓取機構(gòu)）是用來直接握持工件的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面處理等的不同，則機械手的手部機構(gòu)是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件要求而設(shè)計的。常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夾持式和吸附式兩大類。本設(shè)計采用常用的夾鉗式手部結(jié)構(gòu)，它是最常見的夾持式結(jié)構(gòu)。夾鉗式手部是由手指、傳動機構(gòu)和驅(qū)動裝置三部分組成的，它對抓取各種形狀的工件具有較大的適應(yīng)性，可以抓取軸、盤和套類零件。一般情況下多采用兩個手指，少數(shù)采用三指或多指。本設(shè)計中選擇較簡單的兩指結(jié)構(gòu)。夾鉗式手部設(shè)計的基本要求：1、應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力手指握力（夾緊力）大小要合適，力量過大則動力消耗多，結(jié)構(gòu)龐大，不經(jīng)濟，甚至?xí)p壞工件；力量過小則夾持不住或產(chǎn)生松動、脫落。在確定握力時，除考慮工件總量外，還應(yīng)考慮傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，亦保證工件夾持安全可靠。對于手部的驅(qū)動裝置來說，應(yīng)有足夠的驅(qū)動力。應(yīng)當(dāng)指出，由于機構(gòu)傳動力比不同，在一定的夾持力條件下，不同的傳動機構(gòu)所需驅(qū)動力的大小是不同的。2、手指應(yīng)具有一定的開閉范圍手指應(yīng)具有足夠的開閉角度或開閉距離，以便于抓取或退出工件。3、應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度應(yīng)保證每個被夾持的工件，在手指內(nèi)都有準(zhǔn)確地相對位置。這對一些有方位要求的場合更為重要，如曲拐、凸輪軸一類復(fù)雜的工件，在機床上安裝的位置要求嚴格，因此機械手的手部在夾持工件后應(yīng)保持相對的位置精度。4、要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。5、應(yīng)考慮通用性和特殊要求一般情況下，手部多是專用的，為了擴大它的適用范圍，提高它的通用化程度，以適應(yīng)夾持不同尺寸和形狀的工件需要，通常采取手指可調(diào)整的辦法，如更換手指甚至更換整個手部。此外，還要考慮能適應(yīng)工作環(huán)境提出的特殊要求，如耐高溫、耐腐蝕、能承受鍛錘沖擊力等。

確定手部結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計要求設(shè)計出的手部結(jié)構(gòu)如圖3-1所示圖3-1手部結(jié)構(gòu)圖圖中F為手指對工件的夾緊力，F(xiàn)為夾緊缸活塞桿的推力。N手部受力分析經(jīng)分析，手部受力圖如圖3-2所示圖3-2機械手手部受力分析圖由圖可知，手部結(jié)構(gòu)對稱，則F二F12由YF=0得yF=且F=F111由ZM（F）二0得o1Fh=F'b且F'=F1NNN由幾何關(guān)系有h=由上述等式可得：F=即F=N式中b—手指回轉(zhuǎn)中心到夾緊力作用點之間的距離；C—手指回轉(zhuǎn)中心到滑槽支點之間的距離；?—工件被夾緊時手指滑槽方向與回轉(zhuǎn)中心在水平方向的夾角。手部夾緊力的計算手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計手部的主要依據(jù)。必須對其大小、方向和作用點進行分析、計算。一般來說，夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以與工件運動狀態(tài)所產(chǎn)生的載荷（慣性力或慣性力矩），以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。手指對工件的夾緊力可按下式計算：=1.5X1.02X4XG=100N因為F=100N得G=16.3NN式中：K—安全系數(shù)，取K=1.5；11K—工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。取K=1.02；22K—方位系數(shù)，根據(jù)工件形狀以與手指與工件位置不同進行選定，K=433G—被抓工件所受重力（N）,所以m=1.66kg。貝V：F=—cos2aF=2xlOOgs230。x600=22NO理論c N40F=F理論=245N=2647

實際耳0.85

式中n—手指傳力效率，取耳=0.85。手部夾緊缸的設(shè)計計算夾緊缸主要尺寸的計算由前知，夾緊缸為單作用彈簧復(fù)位液壓缸，假設(shè)夾緊工件時的行程為25mm,時間為0?5s，則所需夾緊力為：F=F+P=442+46P=904N實際 彈彈式中：F—活塞桿實際輸出力；P—彈簧壓縮時的作用力。彈其中：P=(L+S)Gd4-—462N彈 8D3Z式中：G—彈簧材料的剪切模量，對于鋼材，G=8.1x105（kg/cm2）；D一彈簧的鋼絲直徑（3mm）；D一彈簧中徑（30mm）；ZZ—彈簧的有效圈數(shù)（18圈）；L與S—活塞的行程與彈簧的與預(yù)縮量，L=25mm,S=20mm。??? F=904N<1000N查表工作壓力取1MP，考慮到為使液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸簡單緊湊，取工作壓力a為2MP。a由公式得：~4F 4x3109D= =245rnm =45.7mm兀Pql23：r4x2x106x0.95式中：D—液壓缸內(nèi)徑；P—液壓缸工作壓力；q—液壓缸工作效率，q=0.95。由JB826—66標(biāo)準(zhǔn)系列將缸內(nèi)徑圓整為D=30mm，同理查得活塞桿直徑d=22m，缸體結(jié)構(gòu)與驗算缸體采用45號鋼無縫鋼管，由JB1068—67查得可取缸筒外徑為38m，則壁厚5=4mm。（1）液壓缸額定工作壓力P（MPa）應(yīng)低于一定極限值，以保證工作安全NPN匕住十沖叫嚴叫“1式中：D—缸筒內(nèi)徑（m）；D—缸筒外徑（m）；1。一缸筒材料的屈服點，（45號鋼為340MPa）。s已知工作壓力P=2MPa<36.36MPa，故安全。N（2）為避免缸筒在工作時發(fā)生塑形變形，液壓缸的額定壓力P值應(yīng)與塑性變形N壓力有一定的比例范圍。P<（0.35?0.42）PN Pl式中：P—缸筒發(fā)生完全塑性變形時的壓力（MPa），Pl計算可得：P二61.92MPpl aP=0.35x61.9b21.67MPNa已知實際工作壓力P=2MPa<21.67MPa，故安全。N活塞桿的設(shè)計計算活塞桿設(shè)計活塞一端用螺紋與活塞相連接，另一端也采用外螺紋與手指連接（如圖）圖3-3活塞桿外端部結(jié)構(gòu)圖活塞桿直徑d=22mm，故取A=40mm（螺紋長短型）活塞桿結(jié)構(gòu)（如圖）采用實心桿

圖3-4圖3-4活塞桿結(jié)構(gòu)圖桿體材料采用35號鋼，加工后調(diào)質(zhì)到硬度為229?285HBS，必要時，再經(jīng)高頻淬火，硬度達45?55HRC。活塞桿直徑d的圓柱度公差值，應(yīng)按8級精度加工，其圓度公差值，應(yīng)按9、10級精度加工；端面T的垂直度公差值應(yīng)加工成7級精度；外圓表面粗糙度應(yīng)處于0.4?0.8卩m之間。驗算活塞桿的強度取活塞桿的計算長度為150mm，活塞桿已知32mm則，屬于短行程活塞桿,主要驗算抗拉強度。4663.5<3=4.1mm兀X310x4663.5<3=4.1mm兀X310x106=7.5mmd>2 s=2x<兀Gs已知d=22mm，故安全。式中：F—液壓缸最大推力，F(xiàn)取1.5X904=1356；D—活塞桿直徑，n—安全系數(shù)，一般取n=3；ssg—活塞桿材料屈服極限（MPa），查資料知35號鋼為310MPas移動關(guān)節(jié)的設(shè)計計算

驅(qū)動方式的比較機械手的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動，電機驅(qū)動，和機械傳動四種。一臺機械手可以只用一種驅(qū)動，也可以用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動，各種驅(qū)動的特點見表4-1。表4-1各種驅(qū)動的特點比較比較內(nèi)容驅(qū)動方式機械傳動電機驅(qū)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(jié)構(gòu)尺寸過大液體壓力高，可以獲得較大的輸出力控制性能速度可咼，速度和加速度均由機構(gòu)控制，定位精度高，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(fù)雜可高速，氣體壓縮性大，阻力效果差，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(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制體積當(dāng)自由度多時，機構(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便維修使用方便維修使用較復(fù)雜維修簡單，能在高溫，粉塵等惡劣維修方便，液體對溫度變化敏感，油液泄漏易

環(huán)境種使用著火應(yīng)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(fù)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(jié)構(gòu)簡單，成本低，一般工廠可以自己制造成本低成本較咼結(jié)構(gòu)簡單，能源方便，成本低液壓兀件成本較咼，油路也較復(fù)雜4.2上下移動升降缸的設(shè)計活塞手抓重量的估算兀pG=r2hg=3.14x252x150x7800x10?23(N)r為桿的半徑，h為長度，g取10因為液壓工作壓力較低，對組件的材質(zhì)和精度要求較液壓底，無污染，動作迅速反映快，維護簡單，使用安全，所以選液壓傳動。液壓缸內(nèi)型選擇：因為活塞行程較長，往復(fù)運動，所以選雙作用單活塞液壓缸，利用液壓油使活塞向兩個方向運動。初選活塞桿直徑d=22mm，估算其重量G=作|)2hp=3.14x(0.；12)2X0.55x7800x10=4.85(N)0.024=3.14x(一)2x0.55x7800x10=19.39N取20N2F二G+G+G二17+23+20二60取80N12液壓缸內(nèi)徑D的計算

按《液壓傳動與氣壓傳動》(何存興，2001)公式兀(D2一d2)F= Pq4D為汽缸的內(nèi)徑(m),P為工作壓力(Pa), “為負載率，負載率與汽缸工作壓力有關(guān)，取P=°-40，查《液壓傳動與氣壓傳動》表13-2P=0.30--0.65由于汽d/=°2°3缸垂直安裝，所以取P=0.3。一般「D ? ?，此選0.3???D???D； 4x80\：3.14x0.4x0.3x0.91x1°6=0.03054(m)=30.54(mm)按《液壓傳動與氣壓傳動》表圓整取40mm.一般dD=0.2一一0'3，此選0.3?d=0.3D=0.3x40=12mm汽缸壁厚5的計算按《液壓傳動與氣壓傳動》查得5=4汽缸重量的計算 卩G=(R2-r2)hg=3.14(0.0242-0.0202)x0.55x7800x10=23.7(N)3其中：R為汽缸外徑，r為汽缸內(nèi)徑，h為汽缸長度，g取10，P為汽缸材料密度G3取25N且F=80+25=1051小臂的設(shè)計臂部是機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并將被抓取的工件傳送到給定位置和方位上，因而一般機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的。；立柱的橫向移動即為手臂的橫向移動。手臂的各種運動通常由驅(qū)動機構(gòu)和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，因此，它不僅僅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以與抓重大小(即臂力)和定位精度等都直接影響機械手的工作性能，所以必須根據(jù)機械手的抓取重量、運動形式、自由度數(shù)、運動速度與其定位精度的要求來設(shè)計手臂的結(jié)構(gòu)型式。設(shè)計時注意的問題剛度要好，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，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。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(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的力矩。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(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以減少慣性力。導(dǎo)向性要好。小臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計把小臂的截面設(shè)計成工字鋼形式，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、輕巧。選10號工字鋼。理論重選10號工字鋼。理論重11.261kg/m，Wy=9.72cm3,h=100mm,d=4.5mmr,小臂長為200mm。較核：G=mg=11.261x0.2x10=22.522(N)小臂取25N其受力如下圖:17/3317/33圖5-1小臂受力圖M=FxL+Gx—=105x0.2+25x0.1=23.51小臂2F二25+105二130(N)§二M二匹二2.42<\^]=100MPaW9.72(10-2)3y按《材料力學(xué)》(李壯云，2008)QT二hb其中h為工字鋼的高度，b為工字鋼的腰寬，Q為所受的力。t=Q= 旦 沁0.29MPa<TL60hb100x10-3x4.5x10-3所以選10號工字鋼合適。軸的設(shè)計計算大軸的直徑取20mm，材料為45號鋼。受力如下圖:Fl圖5-2小臂傳動軸的受力圖驗算：M23.5F=F=一= =235(N) F=180N1 2l 10x10-2T= = 235 =0.75MPa<IT]=60mpa兀T2 3.14x(10x10-3)2所以合適軸承的選擇因為上軸承只受徑向，下軸承受軸向力和徑向力，所以選用圓錐滾子軸承按《機械零件手冊》選7304E，d=20mmc=31.5kNcO=17.2kN e=0.3軸承的校核因為此處軸承做低速的擺動，所以其失效形式是，接觸應(yīng)力過大，產(chǎn)生永久性的過大的凹坑(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：《機械設(shè)計》(王少懷，2003)C>SP000其中P0為當(dāng)量靜載荷，S0為軸承靜強度安全系數(shù)，取決于軸承的使用條件。作擺動運動軸承,沖擊與不均勻載荷，S0=1__1-5此處1.5.上軸承受純徑向載荷p二F二235(N)01所以sp二235x1.5二352.5(N)<C二17.2(KN)000因此軸承合適.下軸承受徑向和軸向載荷P=XR+YA000R為徑向載荷A為軸向載荷XY分別為徑向軸向載荷系數(shù)，其值按《機械設(shè)計》表查取X=1Y=0P=XR+YA=R=962.500000所以sp二235x1.5二352.5(N)<C二17.2(KN)因此軸承合適000小軸承受力很小，所以不用教核伺服系統(tǒng)的選擇臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩應(yīng)根據(jù)啟動時產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩來計算。由于啟動過程一般不是等加速度運動，故最大驅(qū)動力矩要比理論平均值大一些。機身部使用了兩個電機，其一是帶動大臂的回轉(zhuǎn)運動；其二是帶動小臂的回轉(zhuǎn)運動。機身回轉(zhuǎn)電機初選轉(zhuǎn)速W=60°/sn=l/6轉(zhuǎn)/秒=10轉(zhuǎn)/分由于齒輪i=3.5減速器i=30所以n=10X3X30=900轉(zhuǎn)/分選擇Y90L-6型籠型異步直流電動機電動機采用B級絕緣。外殼防護等級為IP44，冷卻方式為I(014)即全封閉自扇冷卻，額定功率為50HZ。其主要參數(shù)為：步矩角1.5度，電壓27伏，最大靜轉(zhuǎn)矩0.196N.M，質(zhì)量0.5kg,外徑55mm,長度68mm,軸徑5mm。見表5.6Y90S-6電動機技術(shù)數(shù)據(jù)所示：表5.6Y90L-6電動機技術(shù)數(shù)據(jù)型號額定功率KW滿載時堵轉(zhuǎn)電流堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩RT-J/i-最轉(zhuǎn)電流轉(zhuǎn)違z/inin效率%功率因素額定電流轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩Y90L-61.13.291073.50.726.02.02.05.6.2齒輪傳動的計算因為所需驅(qū)動力小，精度要求不很高，所以選擇控制方便，輸出轉(zhuǎn)角無長期積累誤差的步進電機。為了提高精度，采用一級齒輪傳動z1的齒數(shù)為20，z2的齒數(shù)為70。按《機械原理》標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列表(GB1357-87)取m=1，取a=200貝yd=zm=20x1=20(mm)d=zm=70x1=70(mm)22h=h*m=1x1=1(mm)aah=(h*+c*)m=(1+0.25)x1=1.25fa齒輪寬度計算：按《機械設(shè)計》表10-7圓柱齒輪的齒寬度系數(shù)①d兩支承相對小齒輪作對稱布置取0.9—1.4,此處取1則yb=d①=20x1=20mm為了防止兩齒輪因裝配后軸向稍有錯位而導(dǎo)致嚙合齒寬減少，要適當(dāng)加寬所以取24mm。大臂的設(shè)計計算結(jié)構(gòu)的設(shè)計把大臂的截面設(shè)計成工字鋼形式，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、輕巧。選14號工字鋼理論重16.890kg/m，W=16.1cm3,h=140mm,d=5.5mm大臂長為300mm。=mg=16.890x0.3x10=50.67n取60N其受力如圖:圖6-1大臂受力圖F=105+25+60=190（N）M=Fx（L+L）+Gx（土+L）+G0 1 2小臂2 2大臂20.2 0.3=105x（0.2+0.3）+25x（ +0.3）+60x =71.5（N.m）2 2M71.58= = =4.5MPa<l5」=100MPaW 16.1(10-2)3y按《材料力學(xué)》公式QT二hb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t=Q= 190 沁0.27MPa<T」=60MPahb140x10-3x5.5x10-3所以選10號工字鋼合適。軸的設(shè)計計算軸的直徑取20mm，材料為45號鋼。其受力如下圖:F：圖6-2小臂傳動軸的受力圖驗算：M71.5F=F= = =511(N) F=190N1 2L14x10-2p二旦二511二1.63MPa<t]=60MPa冊2 3.14x(10x10-3)2所以合適軸承的選擇大軸軸承的選擇：因為上軸承只受徑向，下軸承受軸向力和徑向力，所以選用圓錐滾子軸承，按《機械零件手冊》(GB297-84)選7304E,d=20mmc=31.5KNc0=17.2KNe=0.4軸承的校核因為此處軸承做低速的擺動，所以其失效形式是，接觸應(yīng)力過大，產(chǎn)生永久性的過大的凹坑(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：C>SP000其中Po為當(dāng)量靜載荷，So為軸承靜強度安全系數(shù)，取決于軸承的使用條件。按《機械設(shè)計》作擺動運動軸承,沖擊與不均勻載荷，s0=1—1.5此處1.5.上軸承受純徑向載荷，P二F二511(N)01所以SP二511x1.5二766.5(N)<C二17.2(KN)因此軸承合適.000下軸承受徑向和軸向載荷，Po=XoR+YoAR為徑向載荷A為軸向載荷

XY分別為徑向軸向載荷系數(shù)，其值按《機械設(shè)計》查取因為AR=1905l1=0.37<e=0.4所以XoP=XR+YA=R=2001所以Xo000所以SP=511x1.5二767(N)<C二17.2(KN)000因此軸承合適小軸承受力很小，所以不用教核伺服系統(tǒng)的選擇因為所需驅(qū)動力小，精度要求不很高，所以選擇控制方便，輸出轉(zhuǎn)角無長期積累誤差的步進電機。步進電機的選擇：步距角要小，要滿足最大靜轉(zhuǎn)矩，因為轉(zhuǎn)速低不考慮矩頻特性，按《機電綜合設(shè)計指導(dǎo)》(何存興，2008)表2-11BF反應(yīng)式步進電動機技術(shù)參數(shù)表查取，選45BF005n，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,長度58mm,軸徑4mm。精度驗證1400X1400X沁耳)=18.0325(mm)>10(mm)所以不能滿足精度要求,不能直接傳動,要變速機構(gòu)在此選用直齒圓柱齒輪為了提高精度，采用一級齒輪傳動i=z1/z2=3.5z1的齒數(shù)為20，z2的齒數(shù)為70。按《機械設(shè)計基礎(chǔ)》(楊可楨，2005)表8-2標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列表取m=1，取a=200貝yd=zm=20x1=20(mm)d=zm=70x1=70(mm)22h=h*m=1x1=1(mm)aah=(h*+c*)m=(1+0.25)x1=1.25fa齒輪寬度計算：圓柱齒輪的齒寬度系數(shù)①d兩支承相對小齒輪作對稱布置取0.9—1.4,此處取1則yb=d①=20x1=20mm為了防止兩齒輪因裝配后軸向稍有錯位而導(dǎo)致嚙合齒寬減少，要適當(dāng)加寬所以取24mm。機身的設(shè)計機身是支承臂部的部件，升降，回轉(zhuǎn)和俯仰運動機構(gòu)等都可以裝在機身上設(shè)計時注意的問題要有足夠的剛度和穩(wěn)定性。運動要靈活，升降運動的導(dǎo)套長度不宜過短，否則可能產(chǎn)生卡死現(xiàn)象；一般要有導(dǎo)向裝置。結(jié)構(gòu)布置要合理，便于裝修。設(shè)計的效果由于此設(shè)計要求為三個自由度，所以此處無運動要求，只用來支承。只要剛度能滿足就行了，高度可根據(jù)自動線的高低確定。機械手的定位與平穩(wěn)性8.1常用的定位方式機械擋塊定位是在行程終點設(shè)置機械擋塊。當(dāng)機械手經(jīng)減速運行到終點時，緊靠擋塊而定位。若定位前已減速，定位時驅(qū)動壓力未撤除，在這種情況下，機械擋塊定位能達到較高的重復(fù)精度。一般可高于±0.5mm，若定位時關(guān)閉驅(qū)動油路而去掉工作壓力，這時機械手可能被擋塊碰回一個微小距離，因而定位精度變低。影響平穩(wěn)性和定位精度的因素機械手能否準(zhǔn)確地工作，實際上是一個三維空間的定位問題，是若干線量和角量定位的組合。在許多較簡單情況下，單個量值可能是主要的。影響單個線量或角量定位誤差的因素如下：（1） 定位方式不同的定位方式影響因素不同。如機械擋塊定位時，定位精度與擋塊的剛度和碰接擋塊時的速度等因素有關(guān)。（2） 定位速度定位速度對定位精度影響很大。這是因為定位速度不同時，必須耗散的運動部件的能量不同。通常，為減小定位誤差應(yīng)合理控制定位速度，如提高緩沖裝置的緩沖性能和緩沖效率，控制驅(qū)動系統(tǒng)使運動部件適時減速。（3） 精度機械手的制造精度和安裝調(diào)速精度對定位精度有直接影響。（4） 剛度機械手本身的結(jié)構(gòu)剛度和接觸剛度低時，易產(chǎn)生振動，定位精度一般較低。（5） 運動件的重量運動件的重量包括機械手本身的重量和被抓物的重量。運動件重量的變化對定位精度影響較大。通常，運動件重量增加時，定位精度降低。因此，設(shè)計時不僅要減小運動部件本身的重量，而且要考慮工作時抓重變化的影響。（6） 驅(qū)動源液壓、氣壓的壓力波動與電壓、油溫、氣溫的波動都會影響機械手的重復(fù)定位精度。因此，采用必要的穩(wěn)壓與調(diào)節(jié)油溫措施。如用蓄能器穩(wěn)定油壓，用加熱器或冷卻器控制油溫，低速時，用溫度、壓力補償流量控制閥控制。（7）控制系統(tǒng)開關(guān)控制、電液比例控制和伺服控制的位置控制精度是個不相同的。這不僅是因為各種控制元件的精度和靈敏度不同，而且也與位置反饋裝置的有無有關(guān)。本課題所采用的定位精度為機械擋塊定位結(jié)論通過此次畢業(yè)