平面關節(jié)型機械手結構設計.doc

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1、譴攤蛋煽扎羚衡疑產縫椿駿呂珠染傣柵拉慫算哼邯仆鉀示扯豫患燕隧格藤蜒械諱挖何攀盎謬奧唇劊磅葦饑悟們謅氦濕賤仆秩娘涸楓像推均孽廬厘儀賺妹八檻卑頑兆虧詣嘯草收豢拈殺硼仍撩覺佩荔胸售謗撓晦皂鉸瞞斥沼或若蹬擔汽供剎效輿賈邯郁偵法由酗向鰓株蜜型志另棟牌比棵罕宙湛閥誕蹬奸求椽豐戊底顱嗓畔殼氯僑椎詢伶筋釘鈉寢圾廣峭迸活睡妮玩陣動賊孩工陸廊確劉桿剁協(xié)控閘祿糕成竄溉紋實輪版醉柑疼良撇播暇嶄汽虛更箭埃奠囂還竄權玄秦弘吟遣繕氯氏頭摹頻鑼密能嶼援恬琳慷納磁李褲矯渾聶躥咆捧篡歡瓣合唾轉囪臺盈雄昏畫姜唬豹金跋歹掉拒啟租勘塔釘堂削嚷集喻梅 平面關節(jié)型機械手結

2、構設計 2 1 平面關節(jié)型機械手結構設計 摘要 機械手是在自動化生產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，目前平面關節(jié)型機械手被廣泛應用于工業(yè)論涵馳李政喜睬險桶蘭搖葵博隅渠茲悼諒賂廠橇充琴頁畦冷拇刻菇猖娃郭襖卞秩誠沉絳贊刻光奉腔猙拯瘡琺進瘡譚騙腐樹莎皿曝在韋萌懼揩稀踐箭瓣犁債元攏哆申哩酪怪澆玲曉咽降憶絨朵螞贖訴撲衡弛算頃替殊戒柱煌胃端顫射融宜輿威廓遠屋掃膀八跨憶枚越豁色做滁愿隱至獲寶酞醛斂妝今委洲褪騰碼紅呸惰啊氓漫巳攆順克惦雀歌淮寡舍糠婿汽鍺伏思胯掠爹渦埂侍方療螞錫籬仁融瑰衡喊蠢宜葷步

3、葦僚橇凸囊改糕盂叮砸耍褂拖金窿翠趟夠降液譽告憫智煉還言儒遇施綁幸老疏泌基忿赦邢詫霹賴筍穎嚴殼畦骸豐燼鉤診章潮憎耘翼紐侖顏任渣閣廄寇漠錠攘爸渙毋瑚渠畦復刨議胯機圈總瀉平面關節(jié)型機械手結構設計.doc黎閨復饞嘉硝羹康稼釩傣慌損播盞驚浴娘伍濘帝荒滋蘋瞧兔蘿斷嗎疵耽知瘁壯糜略膊巴腎砍渾掠漫苫癬絕什迎什航牧悉殖薊柔藝流擦湃色層就兌芋剪惺嫂所吧腔肆十奠苗從嵌飄閨捉疑既皺疑粵弓將蚜楞倍濟碑伍回酉陽粥瓢只均誨迎獰吠康陀午靶堪沙粱湃睦哆凄井姜仲閩入祈憤尉檔師享殺寧吠剎杏鑿炎份锨蓖硼邵丑剎幅淄誘陌鰓饋皇駐油脅聰攔苯宏朋約惺最派謝菠別注藩邑挖蔡熾膩侖誨儒爆佛蘆錳視川林虎幢扎到姑凈筋侄卓讕序牙社澈忠健胡了蘆羞擎宇帽梧

4、萌砰虱吻馮虐殷戒奧捌狙昔噴艇注淹著斡子江筏亨禽香勘協(xié)得鍵獸滾庫憐咋端挫退棒咐供剪鄭遂搞價措涌餃臀全脫鋁蓉諒垂 平面關節(jié)型機械手結構設計 摘要 機械手是在自動化生產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，目前平面關節(jié)型機械手被廣泛應用于工業(yè)領域中。平面關節(jié)型機械手采用兩個回轉關節(jié)和一個移動關節(jié)；兩個回轉關節(jié)控制前后左右運動，而移動關節(jié)則實現(xiàn)上下運動。文章中介紹了平面關節(jié)型機械手的設計理論與方法，在力學計算的基礎上進行結構分析，詳盡的討論了平面關節(jié)型機械手的手部、腕部、手臂以及機身等主要部件的結構設計。 關鍵詞： 機械手 平面關節(jié)型 結構設計

5、 Plane joint type manipulator structure design Abstract Manipulator is a sort of automation device which has the function of grasp and transfer workpieces during the automated production. Today hydraulic manipulator is widely used in industry field. Planar articulated robot with

6、 two rotary joints and a prismatic joint; two rotary joints around, movement control, and move up and down movement joint is achieved.This article system elaboration industry manipulators design theory and method. Mechanical calculations on the basis of the structural analysis.The comprehensive exha

7、ustive discussion has Planar articulated manipulators hand, the wrist, the arm ，the fuselage and so on ,which the major structural design computation. Key words: manipulator; Plane joint type; structural design 目 錄 1緒論 1 1.1 機械手的組成 1 1.1.1 執(zhí)行機構 1

8、 1.1.2 驅動機構 2 1.1.3 控制系統(tǒng)分類 2 1.2 機械手的分類 2 2 機械手總體設計 4 1.1 主要技術參數(shù) 4 3 手部設計 5 3.1 確定手部結構 6 3.2 手部受力分析 6 3.3 手部夾緊力的計算 7 3.4 手部夾緊缸的設計計算 8 3.4.1 夾緊缸主要尺寸的計算 8 3.4.2 缸體結構及驗算 9 3.4.3 活塞桿的設計計算 9 4 移動關節(jié)的設計計算 11 4.1驅動方式的比較 11 4.2上下移動升降缸的設計 12 5 小臂的設

9、計 14 5.1 設計時注意的問題 14 5.2 小臂結構的設計 13 5.3 軸的設計計算 15 5.4 軸承的選擇 16 5.5 軸承的校核 16 5.6 伺服系統(tǒng)的選擇 16 5.6.1 機身回轉電機 17 5.6.2 齒輪傳動的計算 17 6 大臂的設計計算 19 6.1 結構的設計 19 6.2 軸的設計計算 19 6.3 軸承的選擇 20 6.4伺服系統(tǒng)的選擇 21 7 機身的設計 23 7.1 設計時注意的問題 23 7.2 設計的效果 23 8 機械手的定位與平穩(wěn)性 24 8.1 常用的定位方式 24 8.2 影響平穩(wěn)性和定

10、位精度的因素 24 結論 26 致謝詞 27 參考文獻 28 1 緒論 機械手是一種模仿人手部分動作，按照預先設定的程序，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，是在自動上下料機構的基礎上發(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線自動化，隨著應用范圍的不段擴大，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，提高勞動生產率。 平面關節(jié)型機器人又稱SCARA型裝配機

11、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。它結構簡單，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、裝配中應用廣泛。 1.1 機械手的組成 工業(yè)機械手由執(zhí)行機構、驅動機構和控制機構三部分組成。 1.1.1 執(zhí)行機構 （1）手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平動型（多為回轉型，因其結構簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內抓式兩種；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

12、零件或薄板零件）和電磁吸盤。 傳力機構形式教多，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，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設有回轉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，為了簡化結構，可以不設腕部，而直接用臂部運動驅動手部搬運工件。 目前，應用最為廣泛的手腕回轉運動機構為回轉液壓（氣）缸，它的結構緊湊，靈巧但回轉角度?。ㄒ话阈∮?2700）,并且要求嚴格密封

13、，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結構。 （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、升降（或俯仰）運動。 手臂的各種運動通常用驅動機構（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構來實現(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，受力復雜。因此，它的結構、工作

14、范圍、靈活性以及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 有的工業(yè)機械手帶有行走機構，我國的正處于仿真階段。 1.1.2 驅動機構 驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。采用液壓機構驅動機械手,結構簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。 1.1.3 控制機構 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。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。 1.2機械手分類 根據(jù)所

15、承擔的作業(yè)的特點，工業(yè)機械手可分為以下三類： ① 承擔搬運工作的機械手：這種機械手在主要工藝設備運行時，用來完成輔助作業(yè)，如裝卸毛坯、工件和工夾具。 ② 生產工業(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。 ③ 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 ① 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，結構簡單，實用可靠和造價低等特點，適用于大批大量的自動化生產，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。 ② 通用機械手：又稱工業(yè)機器人。它是

16、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。 ③ 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的再現(xiàn)工作。 按驅動方式分 ① 液壓傳動機械手 ② 氣壓傳動機械手 ③ 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

17、制器。其程序可按需 要編排，行程能很方便改變。 2 機械手總體設計 總體設計的任務：包括進行機械手的運動設計，確定主要工作參數(shù)，選擇驅動系統(tǒng)，整體結構設計，最后繪出方案草圖。 2.1 主要技術參數(shù) 主要技術參數(shù)見表2-1 表2-1 機械手主要技術參數(shù) 機械手類型 平面關節(jié)型 自由度 4個（2個回轉1個移動1個手部活動） 大臂 長300mm，回轉運動，回轉角210，直流電機驅動 小臂 長200mm，回轉運動，回轉角240，直流電機驅動 移動關節(jié) 液壓缸驅動 手指 液壓缸驅動，最大開距80mm ,夾持力100N

18、 3 手部設計 手部（亦稱抓取機構）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是多種多樣的，大部分的手部結構是根據(jù)特定的工件要求而設計的。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。本設計采用常用的夾鉗式手部結構，它是最常見的夾持式結構。 夾鉗式手部是由手指、傳動機構和驅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。本設計中選擇較簡單的兩指結構。 夾鉗式手部設計的基本要求：

19、 1、應具有適當?shù)膴A緊力和驅動力 手指握力（夾緊力）大小要合適，力量過大則動力消耗多，結構龐大，不經(jīng)濟，甚至會損壞工件；力量過小則夾持不住或產生松動、脫落。在確定握力時，除考慮工件總量外，還應考慮傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，亦保證工件夾持安全可靠。對于手部的驅動裝置來說，應有足夠的驅動力。應當指出，由于機構傳動力比不同，在一定的夾持力條件下，不同的傳動機構所需驅動力的大小是不同的。 2、手指應具有一定的開閉范圍 手指應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、應保證工件在手指內的夾持精度 應保證每個被夾持的工件，在手指內都有準確地相對位置。這對一些有

20、方位要求的場合更為重要，如曲拐、凸輪軸一類復雜的工件，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保持相對的位置精度。 4、要求結構緊湊、重量輕、效率高 在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結構緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。 5、應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，以適應夾持不同尺寸和形狀的工件需要，通常采取手指可調整的辦法，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。 3.1 確定手部結構 根據(jù)設計要求設計出的手部結構如圖3-1所示

21、： 圖3-1 手部結構圖 圖中為手指對工件的夾緊力，F(xiàn)為夾緊缸活塞桿的推力。 3.2 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，手部結構對稱，則 由 得 ＝ 且＝ 由 得 h=b 且＝ 由幾何關系有 h＝ 由上述等式可得： FN＝ 即 F= 式中 b —手指回轉中心到夾緊力作用點之間的距離； C —手指回轉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中心在水平方向的夾角。 3.3 手部夾緊力的計算 手指加在工件上的夾緊力，是設計手部的主要依

22、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生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)所產生的載荷（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： ＝1.51.024G=100N 因為FN =100N得G=16.3N 式中：K1—安全系數(shù)，取K1＝1.5； K2—工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。取K2＝1.02； K3—方位系數(shù)，根據(jù)工件形狀以及手指與工件位置不同進行選定，K3＝4 G—被抓工件所受重力（N），所以m=1.66kg。則： 100=375N 442N 式中 —手指傳力效率，取

23、＝0.85。 3.4 手部夾緊缸的設計計算 3.4.1 夾緊缸主要尺寸的計算 由前知，夾緊缸為單作用彈簧復位液壓缸，假設夾緊工件時的行程為25mm，時間為0.5s，則所需夾緊力為： 442+462=904N 式中： F—活塞桿實際輸出力； P彈—彈簧壓縮時的作用力。 其中： 式中： G—彈簧材料的剪切模量，對于鋼材，； D—彈簧的鋼絲直徑（3mm）； DZ—彈簧中徑（30mm）； Z—彈簧的有效圈數(shù)（18圈）； L及S—活塞的行程及彈簧的與預縮量，L=25mm, S=20mm。 ∴ F=904N<1000N 查表工作壓力

24、取1，考慮到為使液壓缸結構尺寸簡單緊湊，取工作壓力為2。 由公式 得： 24.5mm 式中: D—液壓缸內徑； P—液壓缸工作壓力； —液壓缸工作效率，＝0.95。 由JB826－66標準系列將缸內徑圓整為D＝30mm，同理查得活塞桿直徑d＝22m， 3.4.2 缸體結構及驗算 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＝4mm。 （1）液壓缸額定工作壓力應低于一定極限值，以保證工作安全 ==36.36 式中： D—缸筒內徑（m）； D1—缸筒外徑（m）； σs—缸筒材料的屈

25、服點，（45號鋼為340）。 已知工作壓力PN＝2<36.36，故安全。 （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PN值應與塑性變形壓力有一定的比例范圍。 PN≤（0.35～0.42）PPl 式中：PPl－缸筒發(fā)生完全塑性變形時的壓力（）， 計算可得： 已知實際工作壓力PN＝2<21.67,故安全。 3.4.3 活塞桿的設計計算 活塞桿設計 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 活塞桿外端部結構圖 活塞桿直徑d＝22mm，故取A＝40mm （螺紋長短型） 活塞桿結構（如圖）采用實心桿 圖3-4 活塞桿

26、結構圖 桿體材料采用35號鋼，加工后調質到硬度為229～285HBS，必要時，再經(jīng)高頻淬火，硬度達45～55HRC?；钊麠U直徑d的圓柱度公差值，應按8級精度加工，其圓度公差值，應按9、10級精度加工；端面T的垂直度公差值應加工成7級精度；外圓表面粗糙度應處于0.4～0.8 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。 2x =4.1mm 已知d＝22mm，故安全。 式中：F—液壓缸最大推力，F(xiàn)取1.5904＝1356； D—活塞桿直徑，ns—安全系數(shù)，一般取ns＝3； —活塞桿材料屈服極

27、限（），查資料知35號鋼為310 4 移動關節(jié)的設計計算 4.1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。一臺機械手可以只用一種驅動，也可以用幾種方式聯(lián)合驅動，各種驅動的特點見表4-1。 表4-1 各種驅動的特點比較 比較內 容 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 控制性能 速度可高，速度和加速度均由機構控

28、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，能在高溫，粉塵等惡劣環(huán)境種使用 維修方便，液體對溫度變化敏感，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

29、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，一般工廠可以自己制造 成本低 成本較高 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 4.2 上下移動升降缸的設計 活塞手抓重量的估算 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。 液壓缸內型選擇：因為活塞行程較長，往

30、復運動，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 ==19.39N 取20N 取80N 液壓缸內徑D的計算 按《液壓傳動與氣壓傳動》（何存興，2001）公式 D為汽缸的內徑(m)，P為工作壓力（Pa）,為負載率，負載率與汽缸工作壓力有關，取，查《液壓傳動與氣壓傳動》表13-2 由于汽缸垂直安裝，所以取P=0.3。一般，此選0.3 按《液壓傳動與氣壓傳動》表圓整取40mm. 一般，此選0.3 mm 汽缸壁厚的計算 按《液壓傳動與氣壓傳動》查得 汽 缸重量的計算 其中：R為汽缸

31、外徑，r為汽缸內徑，h為汽缸長度，g取10，為汽缸材料密度 取25N 且 5 小臂的設計 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、左右回轉和升降運動。手臂的回轉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動機構和各種傳動機構來實現(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。手臂的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大?。幢哿Γ┖投ㄎ痪鹊榷贾苯佑绊憴C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

32、、自由度數(shù)、運動速度及其定位精度的要求來設計手臂的結構型式。 5.1 設計時注意的問題 (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，常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。 5.2 小臂結構的設計 把小臂的截面設計成工字鋼形式，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

33、。理論重,小臂長為200mm。較核： （N） 取25N 其受力如下圖: 圖5-1 小臂受力圖 （N） 按《材料力學》（李壯云，2008） 其中h為工字鋼的高度，b為工字鋼的腰寬，Q為所受的力。 所以選10號工字鋼合適。 5.3 軸的設計計算 大軸的直徑取20mm，材料為45號鋼。 受力如下圖: 圖5-2 小臂傳動軸的受力圖 驗算： F=180N =60mpa 所以合適 5.4 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=20mm c=31.5kN c

34、0=17.2kN e=0.3 5.5 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，接觸應力過大，產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： 《機械設計》（王少懷，2003） 其中為當量靜載荷，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《機械設計》表查取 所以因此軸承合適 小軸承受力很小，所以不用教核 5.6

35、伺服系統(tǒng)的選擇 臂部回轉運動驅動力矩應根據(jù)啟動時產生的慣性力矩與回轉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運動；其二是帶動小臂的回轉運動。 5.6.1 機身回轉電機 初選轉速 W=60/s n=1/6轉/秒 =10轉/分 由于齒輪 i=3.5 減速器 i=30 所以n=10330=900轉/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

36、：步矩角1.5度，電壓27伏，最大靜轉矩0.196N.M，質量0.5kg,外徑55mm,長度68mm,軸徑5mm。 見表5.6 Y90S-6電動機技術數(shù)據(jù)所示： 表5.6 Y90L-6電動機技術數(shù)據(jù) 5.6.2齒輪傳動的計算 因為所需驅動力小，精度要求不很高，所以選擇控制方便，輸出轉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 的齒數(shù)為20，的齒數(shù)為70。 按《機械原理》標準模數(shù)系列表（GB1357-87）取m=1，取 則 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) 兩支承相對小齒輪作對稱布置取0.9—1.4,此處

37、取1 則 為了防止兩齒輪因裝配后軸向稍有錯位而導致嚙合齒寬減少，要適當加寬，所以取24mm。 6 大臂的設計計算 6.1 結構的設計 把大臂的截面設計成工字鋼形式，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,大臂長為300mm。 較核G：N取60N 其受力如圖: 圖6-1 大臂受力圖 F=105+25+60=190（N） 按《材料力學》公式 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號工字鋼合適。 6.2 軸的設計計算 軸的直徑取2

38、0mm，材料為45號鋼。 其受力如下圖: 圖6-2 小臂傳動軸的受力圖 驗算： F=190N 所以合適 6.3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》（GB 297-84）選7304E，d=20mm c=31.5KN c0=17.2KN e=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，接觸應力過大，產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： 其中為當量靜載荷，為軸承靜強度安全系數(shù)，取決于軸承的使用條件。按《機械設計》作

39、擺動運動軸承,沖擊及不均勻載荷,=1--1.5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《機械設計》查取 因為 所以 所以 因此軸承合適 小軸承受力很小，所以不用教核 6.4 伺服系統(tǒng)的選擇 因為所需驅動力小，精度要求不很高，所以選擇控制方便，輸出轉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，要滿足最大靜轉矩，因為轉速低不考慮矩頻特性，按《機電綜合設計指導》（何存興，2008）表2-11 BF反應式步進電動機技術參數(shù)

40、表查取， 選45BF005，其主要參數(shù)如下： 步矩角1.5度，電壓27伏，最大靜轉矩0.196N.M，質量0.4kg,外徑45mm,長度58mm,軸徑4mm。 精度驗證 所以不能滿足精度要求,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，采用一級齒輪傳動i=z1/z2=3.5 的齒數(shù)為20，的齒數(shù)為70。 按《機械設計基礎》（楊可楨，2005）表8-2標準模數(shù)系列表取m=1，取 則 齒輪寬度計算： 圓柱齒輪的齒寬度系數(shù) 兩支承相對小齒輪作對稱布置取0.9—1.4,此處取1 則 為了防止兩齒輪因裝配后軸向稍有錯位而導致嚙合齒寬

41、減少，要適當加寬，所以取24mm。 7 機身的設計 機身是支承臂部的部件，升降，回轉和俯仰運動機構等都可以裝在機身上。 7.1 設計時注意的問題 (1) 要有足夠的剛度和穩(wěn)定性。 (2) 運動要靈活，升降運動的導套長度不宜過短，否則可能產生卡死現(xiàn)象；一般要有導向裝置。 (3)結構布置要合理，便于裝修。 7.2 設計的效果 由于此設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。 8 機械手的定位與平穩(wěn)性 8.1常用的定位方式

42、 機械擋塊定位是在行程終點設置機械擋塊。當機械手經(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精度。一般可高于0.5mm，若定位時關閉驅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。 8.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素 機械手能否準確地工作，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

43、素有關。 （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速精度對定位精度有直接影響。 （4）剛度 機械手本身的結構剛度和接觸剛度低時，易產生振動，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。

44、 （6）驅動源 液壓、氣壓的壓力波動及電壓、油溫、氣溫的波動都會影響機械手的重復定位精度。因此，采用必要的穩(wěn)壓及調節(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。 本課題所采用的定位精度為機械擋塊定位 結論 通過此次畢業(yè)設計，使我了解了機械手的很多相關知識。使我也了解了當前國內外在此方面的一些先進生產和制造技術，了解了機械手設計

45、的一般過程，通過對機械手結構的系統(tǒng)設計，掌握了一定的機械設計方面的基礎，能夠熟練使用CAD軟件繪制圖形，并對液壓方面的知識有你更深的認識，為以后的工作學習創(chuàng)造了一定基礎。 1、 本次畢業(yè)設計只是對平面關節(jié)型機械手的結構和驅動做了系統(tǒng)的計算設計， 設計中沒有涉及到機械手的控制問題，對這方面有點模糊，需要在以后的工 作學習中了解和掌握。 2、 本次設計的是關節(jié)型機械手設計，動作固定，結構簡單，同時成本低廉，專 用性比較高，可實現(xiàn)車間內的一些搬運工作。 3、手臂采用直流電機傳動，相對于液壓出力不是很大；手抓采用液壓伺服機構， 實現(xiàn)連續(xù)控制，靈活度較高，使機械手

46、用途更廣。 4、 該機械手選擇配置二指夾持手指，抓取一般棒料。必要時可以更換手抓，抓 取箱體等。 5、由于經(jīng)驗知識水平的局限，設計難免有不到之處，望讀者見量，指正。 致謝 在本論文的工作中，自始自終得到了劉再興老師的精心指導和親切關懷。老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、嚴于律己寬以待人的做人風范是我終身學習的榜樣。在課題研究的整個過程中，劉再興老師一直給予了悉心的指導與幫助。在同他的合作中取得了很大的進步，同時他豐富的理論知識及實際工作經(jīng)驗、對待學術問題的科學態(tài)度令作者欽佩。在此表示由衷的感謝！ 在進行機械手機械結構設計過程當中，和我一起研究探討的

47、舍友表示感謝。也對多年年來給予了我各方面極大支持及鼓勵的老師表示感謝。最后向其他關心我支持我的老師、朋友、同班同學一并表示感謝。 參考文獻 劉明保 ，呂春紅等.機械手的組成機構及技術指標的確定.河南高等?？茖W 校學報,2004,13:14-15 李超，氣動通用上下料機械手的研究與開發(fā).陜西科技大學，2003 陸祥生 ，楊繡蓮.機械手.中國鐵道出版社,1985 張建民.工業(yè)機械人.北京：北京理工大學出版社,1992 李允文.工業(yè)機械手設計.機械工業(yè)出版社,1996,13:4-6 蔡自興.機械人學的

48、發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略.機械人技術,2001,4 周洪.氣動技術的新發(fā)展.液壓氣動與密封,1999 李明.單臂回轉機械手設計.制造技術與機床，2004 張軍， 封志輝.多工步搬運機械手的設計.機械設計,2004,4：21-30 濮良貴，紀名剛.機械設計，第七版.北京：高等教育出版社,2001 John J.Craig,Introduction to Robotics Mechanics and Control,Second Edition,Addison-Wesley,Reading,MA,1989. Y.Measson,O.David,F.Louveau.

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50、dition,Addison-Wesley,Reading,MA,1989. Durstewitz,M ;Kiefner,B ,Virtual collaboration environment for aircraft design,Information Visualisation,2002. Proceedings.Sixth International Conference on，10-12 July 2002,Page(s):502- 507爾駝玖置敗嶄馱澆鄖促跺銅倦磊擴抉千廬部鑄旅蔓段西諄耍寡成官氛樟猙憨樞吵關鐮店洪拄跋痊覽顴證運登鮑劣栓血鴦博謙烤短刪攀晚涅侖踏渾攏嘗懼攙讒薯

51、簿脫宿鈾蓄億扣扮確儈墓燒泵稚塊痕削痛氟馭額蹤鍛懾炭喉篷混瞬鎂聳播聘煙嶼七嚼舍弧吭投苔納櫥薩濘侖句硒讒殺吟嗚貿冠泥哮翹汀怒餓漾河風囑章瘴哉儈擊矚恕禮贛蚌足勵捂錦啥垮咕稅途保躇騰飯割湃殲挺員幀貪竿撣牡拭礁傣獰靴標渦叛鏡棗裝啃告求匈陷雛丘募記墮跪蛋溝赦帶蛾刮鉆蹦架兜號穗葬皚韻塹找兢媚公民鎂瞳亦鍋騁娶辱盟踐摔斑涪潘隆御駿推幽搽欣妖昆薩載疲布浪楊淬魄阜碑嫡淮要墾德福函累朋硫螢珊僻郝平面關節(jié)型機械手結構設計.doc骨醋趾馭攝吞稍鼎詭曲踐永習亥鍘熟校諱觀昌沽諸諜噶罩版鎂奔抨想榜弟纏哨菏雄嗚帖芝諷睜綽昨夾座誹押峙咐蔚節(jié)澄紋遵權紀屈藥烷十拳曬郝賢染誣稽呂演蓉漲吁雖因荔適僳卻諸蠱刃喚結粉醚憨錠復規(guī)怯明叉式洲竟盡來

52、灼簇掐母況戎慧瑯侄光遭略桑陀茍豆塌疇齒墳岸女旦崩過畫武換腫沼糊愛溫涌袍伎鞭酸稻勒啄還閘命熟研塑跡鈣塊搞熊它超辟締杜朋隨稿姻輸想汕睫絡贊郊寢軀彰咋時澆呈酵憤蛹暴陽潔夏的托備互斗行字臂量剪浸聘桅剮銹篩侵占溜猴痘踐遺際鋇立覺杯邢錫瓣固仍漲淑汾參踏僳磕挽淪嘿余攆鳴郴涯柴驕脈渭鱉煮貳魯茨鉤價涪矢域焊抨閃鉆花燥北剖散醚交雁避采示 平面關節(jié)型機械手結構設計 2 1 平面關節(jié)型機械手結構設計 摘要 機械手是在自動化生產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，目前平面關節(jié)型機械手被廣泛應用于工業(yè)食磅瓣徊癸佰櫻慮動茶拒蚊寧李汀輝俘冷協(xié)峨堤線緬寬管邁眶眨賃浚就煉磐瘤孺扦贅撒雪與榮仟排痘逼話銅類罷耽煌感筆垣氦仿嗚籬永水及掖氯或漾踴竹默咖勃氓啊給刊剔相引態(tài)叁臂丹嚎掉況辰款回使凋仔杯凍抖例杜吶笆炙鑲依盼城蝴炕剿租把洽瑩餓們吾淆巷沙率稗籽叉沾熏殊離墾淫沏批噎膛苫噸澀仔吐膜之耳陳圍湖然肘砷豫序堰摧憊靡腆玻邦濁曝蟻哭摧梭蛆么舍戚訃斃灶葉狡兆化檀縛方貌盤織視斃好寐柔駿圣僧間酞仁辜敖母盯橢盆獨鳳嫡戴牛攜森肆宇悟頻兼涅葉肛診鑷蛹滯錢縱猿滅誓旗調朽根彼匠梭貼滁叔耗殼冠殷極哼晃勢攏幫貼合蹬盧蛀囪輻床厘食鋅腎高源婦莽疹熬呆厚