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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(chǎn)的飛躍發(fā)展，自動化程度的迅速提高，實現(xiàn)工件的裝卸、轉向、輸送或操持焊槍、噴槍、扳手等工具進行加工、裝配等作業(yè)的自動化，已愈來愈引起人們的重視。
機械手是模仿著人手的部分動作，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(chǎn)中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應用實現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、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、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的應用。
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)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，使用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快地改變工作程序，適應性較強，所以它不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的應用。
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。
本次課程設計是通過設計平面關節(jié)型機械手，培養(yǎng)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)型機械手總體方案設計
平面關節(jié)型機器手又稱SCARA型裝配機器手，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。
2.1 平面關節(jié)型機械手總體方案分析
2.1.1 設計任務
本次課程設計總體設計的任務是：上下料搬運機械手，3個自由度，平面關節(jié)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2.4m,高度差0.4m）。
本次課程設計的主要技術參數(shù)見表2.1
表2.1
機械手類型
平面關節(jié)型
抓取最大重量
2.2Kg
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
2.1.2 方案選擇
根據(jù)設計設計要分析出，抓取和轉動是最主要的功能。這兩項功能實現(xiàn)的技術基礎是精巧的機械結構設計和良好的伺服控制驅動。本次設計就是在這一思維下展開的。根據(jù)設計內容和需求確定圓柱坐標型三自由度機器人，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)連在一起實現(xiàn)上下運動；考慮到本設計中的機器人工作范圍不大，故利用氣缸驅動實現(xiàn)手臂的伸縮運動；末端夾持器則采用內撐式夾持器，用小型氣缸驅動夾緊。
2.2 平面關節(jié)型機械手總體結構分析
2.2.1 結構特點分析
根據(jù)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)、手指部五部分構成，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
根據(jù)實體圖觀察及設計要求描述，繪制機構簡圖，θ1為大臂回轉角，由電動機驅動，θ2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，在兩條輸送帶間工作，將工件從一條輸送線搬運到與之平行的另一條輸送線上，分析出工作空間如下圖“圖2-3”所示。
圖 2-2 機構簡圖
2.2.2 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，為提高精度采用一級齒輪聯(lián)接減速，帶動大臂轉動，速度、頻率又單片機控制；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)使用氣缸或液壓缸，活塞桿連接手指上下移動；手指通過氣缸驅動控制夾具指，使夾具體從內部抓取環(huán)類工件。傳動原理圖如下圖“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)型機械手總體結構設計
3.1 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影響到工業(yè)機械手的工作性能，它是工業(yè)機械手的關鍵部件之一。
3.1.1 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過程中的動載荷。
(2) 手指應有一定的開閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關，而且應注意手部接近工件的運動路線及其方位的影響。
(3) 應能保證工件在手指內準確定位。
(4) 結構盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結構設計。
(5) 根據(jù)應用條件考慮通用性。
3.1.2 工件重量的計算
其中g取10m/s2
取G=22（N）
3.1.3 手指夾緊力的計算
（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=0.15 。
所以
取N=40（N）
驅動力的計算:
（3-2）
圖3-1
為斜面傾角，，為傳動機構的效率，這里為平摩擦傳動，查《機械零件手冊》表2-2 這里取 0.85，所以
取p=50(N)
活塞手抓重量的估算:
r為桿的半徑，h為長度，g取10m/s2
3.1.4 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，維護簡單，使用安全。而且此處作用力不大，所以選氣壓傳動。
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。
(3-3)
D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，查《液壓傳動與氣壓傳動》表13-2 由于氣缸垂直安裝，所以取P=0.3。
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:
一般，此選0.2
mm
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
彈簧力的F的估算:
所以選擇的彈簧件。
3.2 移動關節(jié)的設計
3.2.1 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“3-1”。
表3-1
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，泄漏影響小
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
3.2.2 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，維護簡單，使用安全。而且此處作用力不大，所以選氣壓傳動。
氣缸內型選擇：因為活塞行程較長，往復運動，所以選雙作用單活塞氣缸，利用壓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
取為5N
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
（3-4）
D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，查《液壓傳動與氣壓傳動》表13-2 由于氣缸垂直安裝，所以取P=0.3。一般，此選0.3
按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-3選取40mm。
一般，此選0.3
mm
氣缸壁厚的計算：
按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-5查得。
氣缸重量的計算：
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，取25N。
3.3 小臂的設計
臂部是機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支撐手部和腕部，主要用來改變工件的位置。手部在空間的活動范圍主要取決于臂部的運動形式。
3.3.1 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(chǎn)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。
3.3.3 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。
初選10號工字鋼。理論重,小臂長為564mm。
較核：（N）取75N。其受力如下圖:
圖3-2
F=75+105=180（N）
按《材料力學》公式5.11
（3-5）
其中h為工字鋼的高度，b為工字鋼的腰寬，Q為所受的力。
根據(jù)
所以選10號工字鋼合適。
3.3.4 軸的設計計算
大軸的直徑取25mm，材料為45號鋼。
受力如下圖:
圖3-3
驗算：
F=180N
所以合適。
3.3.5 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》表9-6－1（GB 297-84）選7304E，d=25mm， 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：《機械設計》13-17
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》表3-8 作擺動運動軸承,沖擊及不均勻載荷,此處取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13－5查取
因為
所以
所以
因此軸承合適，小軸承受力很小，所以不用校核。
3.3.6 軸承摩擦力矩的計算：
如果 （C為基本額定動載荷，P為所受當量動載荷），可按《機械設計手冊》第二版 (16.1-13)公式:
估算
其中:為滾動軸承摩擦因數(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16.1-29得。
，所以也可以用此公式估算。
所以
查表《機械設計手冊》第二版 表16.1-29得，
，所以也可以用此公式估算
所以
因為摩擦力矩小于0.1，所以忽略不計。
3.3.7 驅動選擇
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》表2-11 BF反應式步進電動機技術參數(shù)表查取，
選45BF005，其主要參數(shù)如下：
步矩角1.5度，電壓27伏，最大靜轉矩0.196N.M，質量0.4kg,外徑45mm,長度58mm,軸徑4mm。
精度驗證:能夠滿足精度要求，
為了提高精度，采用一級齒輪傳動.5。
的齒數(shù)為20，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
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。
3.4 大臂的設計
3.4.1 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,小臂長為658mm。
較核：（N）
取140N
其受力如圖:
圖3-4
F=75+105+140=320（N）
按《材料力學》公式5.11
（3-6）
其中h為工字鋼的高度，b為工字鋼的腰寬，Q為所受的力。
根據(jù)
所以選10號工字鋼合適。
3.4.2 軸的設計計算
軸的直徑取25mm，材料為45號鋼。
其受力如下圖:
圖3-5
驗算：
F=320N
所以合適。
3.4.3 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》表9-6－1（GB 297-84）選7304E，d=25mm 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：
《機械設計》13-17
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》表3-8 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13－5查取
因為 ；
所以
所以
因此軸承合適，小軸承受力很小，所以不用校核。
3.4.4 軸承摩擦力矩的計算
如果 （C為基本額定動載荷，P為所受當量動載荷），可按《機械設計手冊》第二版 (16.1-13)公式:
估算
其中:為滾動軸承摩擦因數(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16.1-29得，
，所以也可以用此公式估算
所以
查表《機械設計手冊》第二版 表16.1-29得，
，所以也可以用此公式估算
所以
此處摩擦力矩亦小于0.1，忽略不計。
3.4.5 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》表2-11 BF反應式步進電動機技術參數(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.5。
的齒數(shù)為20，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
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。
3.5 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。
3.5.1 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(chǎn)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。
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。
結束語
在這次畢業(yè)設計中，我有很多收獲，首先把我?guī)啄陙硭鶎W的知識做了一次系統(tǒng)的復習，更深一步了解了所學的知識，培養(yǎng)了我綜合運用所學知識，獨立分析問題和解決問題的能力，也使我學會怎樣更好的利用圖書館，網(wǎng)絡查找資料和運用資料，還使我學會如何與同學共同討論問題。同時也遇到很多問題，如設計綜合考慮不夠周全。但這對我以后的工作有很大的幫助,今后我會在工作中不斷的學習,努力的提高自己的水平。
最后感謝學校、學院各位老師幾年來給我的教育和培養(yǎng)，特別感謝我的指導師給我精心的指導。
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