平面关节型机械手设计毕业设计论文.doc

江苏城市职业学院毕业设计（论文）（ 2011 届）设计（论文）题目 平面关节型机械手设计 办 学 点 （系） 张家港办学点（工程系） 专 业 机械设计与制造 班级 11机械（普） 学号 110404350532 学生姓名 邵强 指导教师 杜微娜 职称 助教 摘要3一、概论41、机械手的工作原理及设计思想42、机械手应用及应用中容易出现的误区53、机械手的发展及发展前景6二、机械手的总体设计7 三、手指设计91、设计时应注意的问题102、零件的计算103、手指夹紧力的计算11四、移动关节的设计计算12 1、驱动方式的比较122、汽缸的设计13五、小臂的设计141、结构的设计142、轴的设计计算15 3、轴承摩擦力矩的计算154、驱动的选择16六、大臂的设计16 1、结构的设计172、轴的设计计算173、轴承摩擦力矩的计算184、伺服系统的选择18七、机身的设计171、设计时应注意的问题172、设计的效果说明18结论20致谢21参考文献22平面关节型机械手设计摘要平面关节型机械手采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后左右运动，而移动关节则实现上下运动，其工作空间如工作空间图，它的纵截面为矩形的回转体，纵截面高为移动关节的行程长，两回转关节转角的大小决定回转体截面的大小、形状。关键词:机械手轴承汽缸abstractselectivecomplianceassemblyrobotarmhavetwoslewjointsandonemovejoints,twoslewjointscontrolthemovingofthefrontandbackleftandright.themovejointscontrolthemovingofupanddown.theworkroomasworkroomdrawing.theverticalsectionisarectangleslew.thehighoftheverticalsectionismovejointsjourney,themoveangleofthetwoslewjointsdecidethebigandsmallandfigureoftheverticalsection.keywords:manipulatoraxletreecylinder一、机械手概论 工业机械手是一种模仿人手部分动作，按照预先设定的程序，轨迹或其他要求，实现抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置。它在二十世纪五十年代就已用于生产，是在自动上下料机构的基础上发展起来的一种机械装置，开始主要用来实现自动上下料和搬运工件，完成单机自动化和生产线自动化，随着应用范围的不段扩大，现在用来夹持工具和完成一定的作业。实践证明它可以代替人手的繁重劳动，减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率。平面关节型机器人又称scara型装配机器人，是selectivecomplianceassemblyrobotarm的缩写，意思是具有选择柔顺性的装配机器人手臂。在水平方向有柔顺性，在垂直方向有较大的刚性。它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配，如在电子工业零件的插接、装配中应用广泛。 1、机械手工作原理及设设计思想本文设计的平面关节型机械手，其主要包括三个旋转关节（分别控制机械大臂和小臂旋转以及手抓张合）和一个移动关节（控制手腕伸缩），各关节均采用直流电机作为驱动装置，在机械大臂和小臂的旋转关节上还装配有增量式光电编码器，提供半闭环控制所需的反馈信号。直流电机的运动控制采用自行开发的基于lm629和pic16f877构成的多关节控制卡，并编制了能满足运动控制要求的软件，实现对机械手的速度、位置以及关节联动控制。对机械手驱动装置的一般要求如下：（1）、.动装置的重量尽可能要轻，单位重量的输出功率(即功率/重量比)要高，效率也要高；（2）、反应速度要快，即要求力/重量比和力矩/惯量比要大；（3）、动作平滑，不产生冲击；（4）、控制尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；（5）、安全可靠； （6）、操作和维护方便；（7）、对环境无污染，噪声要小；（8）、经济上合理，尤其是要尽量减少面积。组成：机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。（1）执行机构（手部）手部安装在手臂的前端。手臂的内孔装有传动轴，可把动作传给手腕，以传动、伸屈手腕、开闭手指。机械手手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种，手指的数量又可分为二指、三指、四指等，其中以一指用得最多。可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作的需要。所谓没有手指的手部，一般指真空吸盘或磁吸盘。（2）执行机构（手臂）手臂有无关节手臂和有关节手臂之分。目前采用的手臂几乎都是无关节手臂。多关节臂还处在研究阶段。手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确地工作，手臂的三个自由度都需要确地定位。2、 机械手应用及应用中出现的误区（1） 、机械手的应用机械手主要应用于建造旋转体零件,吸轴类、实现单机自动，化方面、铸,锻,焊,热处理等热加工方面。第一、建造旋转体零件吸轴类、 盘类、环类零件自动线,一般都采用机械手在机床之间传送工件。国内已建成的这类自动线很多，如沈阳水泵厂的深井泵、轴承体加工自动线环类、大连电机厂的号和号电机自动线轴类、上海拖拉机齿轮厂的齿坯加工自动线盘类等。第2、 在实现单机自动化方面，各类半自动机床包括普通机床改造的，有自行夹紧、进刀、切削、退刀和松开机能，但仍需人工上下料袋上机械手，可实现全自动生产，一人看管多台机床。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是吨以上冲床用机械手的较多，如上海人民电机厂吨龙门冲床转子片上料机械手，尚未在生产中正式应用，沈阳低压开关厂吨冲床磁力起动器壳体下料机械手，另配有上料机构和天津拖拉机厂吨冲床的下料机械手等。二是用于多工位冲床， 用作冲压件工位间步进，如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手，生产线中有两台多工位冲床和天津二轻局技术研究所制作的屯和吨多工位冲床机械手等。第3、 铸、锻、焊、热处理等热加工方面。机械手在热加工其他方面的应用有：上海跃进电机厂电机轴中频热套机械手，上海汽车配件厂散热器浸锡机械手，长春第一汽车厂吨垂直分模平锻机上下料机械手，大连工矿车辆厂铸件清砂喷丸机械手尚在调试中等等。总的来说还比较少，有待进一步的发展。 （2）、机械手应用过程中容易出现以下十个误区：1) 低估有效载荷和惯量要求2) 赋予机械手的任务过重3) 低估了电缆管理问题4) 在选购机械手系统前，对所有应用因素考虑欠周5) 误解精度与重复精度之间的关系6) 只根据控制系统来选购机械手系统7) 不能接受机械手技术8) 忽视机械手附件选项或周边设备的必要性9) 低估或高估机械手控制系统的能力10) 没有考虑使用机械手技术 3、 机械手的发展及发展前景（1） 、机械手的发展概况在二十世纪四十年代，随着原子能工业的发展己出现了模拟关节式的第一代机械手。五十六十年代即制成了传送和装卸工件的通用机械手和数控示数再现型机械手。这种机械手也称第二代机械手，如尤尼曼特(unimate)机械手，即属这种类型。 一九六八一一九七o年，又相继把通用机械手用于汽车车身的点焊和冲压生产自动线上，即使第二代机械手这一新技术进入了应用阶段。七十年代机械手可以说是处于技术发展阶段。 专用机械手经过几十年的发展，如今己进入以通用机械手为标志的时代。由于通用机械手的应用和发展，进而促进了智能机器人的研制。智能机器人涉及的知识内容，不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识，而且还应用一些电子技术、电视技术、通用技术、计算技术、无线电控制、仿生学和假肢工艺等，因此它是一项综合性较强的新技术。目前国内外发展这一新技术都很重视。几十年来，这项技术的研究和发展一直比较活跃，设计在不断地修改，品种在不断地增加，应用领域在不断地扩大。 机械上业中，应用机械手的主要目的：一是解决生产过程自动化，二是改善劳动条件，降低劳动强度，提高劳动生产率和降低成本。因此要求机械手成本低，品种多样化，零件、部件系列化、通用化、标准化、性能稳定可靠。对机械手的一般要求： (1) 、降低机械手的成本：为了扩大机械手的使用范围，必须降低机械手的成本。 (2) 、品种多样化：为了适应不同工作需要，应使机械手的品种多样化，用机械手代替更多的人的手工劳动，进而实现生产过程的自动化，特别是那此工作比较单一、重复性很大而工作条件又较差和劳动量较大的1_种(如热加工)，更应该注意设计和使用各种类型的机械手。 (3) 、零件部件系列化、通用化、标准化：为了加速扩大机械手的应用领域，应尽量缩短其设计和制造的周期。这样，就要求机械手的某种零件(如手指的指型等)、部件如手部、臂部等)系列化、通用化、标准化。然后，即可根据具体工作的需要，将这些零件、部件(或相应地增加一些其它零件部件)进行组合，组成所需要的机械手。当然，这样的机械手还应保证组合方便，一旦工作变更时，就能迅速而顺利地重新组合。 (4) 、产品性能应准确可靠：机械手的重要技术指标之一，就是其性能稳定可靠为此，要求设计合理、元件稳定、制造精确。（2） 机械手的发展前景 (1)、研制有更多自由度的机械手。 (2)、研制带有行走机构的机械手。这种机械手可以从一个工作地点移动到另一个工作地点。 (3)、研制能自动编程和自动改变程序的机械手。研制具有一定“感触”和“智力”的智能机器人。这种机器人，具有各种传感装置，并配有计算机。这样的智能机器人，可以山人用特殊的语台(计算机语言甚至厂语)对其下达命令、布置任务。受令后的智能机器人，即可根据现场环境的各种条件或信息，独立地“分析”和“判断”并自编或自变程序地进行工作;能够自找(选择)物件的方位，自调握力的大小，自找传送路线以避开障碍物。因此，它将成为“无人化”系统的重要组成环节之一。2、 机械手的总体设计本机械手共有6 个关节动作和1 个抓手动作(见图1) ,使用6 台步进电机分别控制6 个关节的动作。机械手整机可分为机身、大臂、小臂(含手腕) 、手部4 个部分(见图1) 。机身与大臂、大臂与小臂、小臂与手腕有3 个旋转关节,以保证达到工作空间的任意位置,手腕中又有3个旋转关节:腕转、腕曲、腕摆,以实现末端操作器的任意空间姿态。手部安装在手臂的前端。手臂的内孔装有传动轴，可把动作传给手腕，以传动、伸屈手腕、开闭手指。手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确地工作，手臂的三个自由度都需要精确地定位。总体设计的任务：包括进行机械手的运动设计，确定主要工作参数，选择驱动系统和电控系统，整体结构设计，最后绘出方案草图。见表1-1表1-1机械手结构设计机械手类型平面关节型抓取重量2.2kg自由度3个（2个回转，1个移动）大臂长700mm，回转运动，回转角240，步进电机驱动 单片机控制小臂长600mm，回转运动，回转角240，步进电机驱动 单片机控制移动关节气缸驱动 行程开关控制手指气缸驱动 行程开关控制结构特点如下图所示：三、手指设计工业机械手的手部是用来抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到工业机械手的工作性能，它是工业机械手的关键部件之一1、设计时要注意的问题：(1)手指应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑夹持工件的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷。(2)手指应有一定的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。(3)应能保证工件在手指内准确定位。(4)结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。(5)根据应用条件考虑通用性。2、 零件的计算r为外圆半径，r为内圆半径 =282600（） ，其中g取10 取g=23（n） 3、手指夹紧力的计算 （1）根据公式： 为手指与工件的静摩擦系数，工件材料为40号钢，手指为钢材，查机械零件手册 表2-5 f=0.15 所以， 取n=40（n） 驱动力的计算 为斜面倾角，=15度，为传动机构的效率，这里为平摩擦传动， 查机械零件手册 表2-2 ，这里取0.85 所以， 取p=55（n） （2）活塞手抓重量的估算r为杆的半径，h为长度，g取10 （3）汽缸的设计 因为气压工作压力较低，对气动组件的材质和精度要求较液压底，无污染，动作迅速反映快，维护简单，使用安全。而且此处作用力不大，所以选气压传动。 汽缸内型选择，由于行程短，选单作用活塞汽缸，借弹簧复位。 汽缸的计算 气压缸内径d的计算 按液压传动与气压传动公式 13-1 d为汽缸的内径（m），p为工作压力（pa），为负载率，负载率与汽缸工作压力有关，取p=0.40，查液压传动与气压传动表13-2，p=0.30-0.65，由于汽缸垂直安装，所以取p=0.3所以，按液压传动与气压传动表13-3圆整取32mm.活塞杆直径d的计算 一般d/d=0.2-0.3，此处选0.2所以，按液压传动与气压传动表13-4圆整取8mm.汽缸壁厚的计算按液压传动与气压传动表13-5查得弹簧力f的计算 （n）四、移动关节的设计计算 1、驱动方式的比较 机械手的驱动系统有液压驱动，气压驱动，电机驱动，和机械传动四种。一台机械手可以只用一种驱动，也可以用几种方式联合驱动，各种驱动的特点见表3-1表3-1比较内容/驱动方式机械传动异步电机，直流电机步进或伺服电机气压传动液压传动输出力矩输出力矩大输出力矩较大输出力矩较小气体压力小，输出力矩小，如需输出力矩较大，结构尺寸过大液体压力高，可以获得较大的输出力控制性能速度可高，速度和加速度均由机构控制，定位精度高，可与主机严格同步控制性能较差，惯性大，步易精确定位控制性能好，可精确定位，但控制系统复杂控制性能好，可精确定位，但控制系统复杂可无级调 速，反应灵敏，可实现连续轨迹 控制体积当自由度多时，机构复杂，体积液较大要有减速装置，体积较大体积较小体积较大在输出力相同的条件下体积小维修使用维修使用方便维修使用方便维修使用较复杂维修简单，能在高温，粉尘等恶劣环境中使用，泄漏影响小维修方便，液体对温度变化敏感，油液泄漏易 着火应用范围适用于自由度少的专用机械手，高速低速均能适用适用于抓取重量大和速度低的专用机械手可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手中小型专用通用机械手都有中小型专用通用机械手都有，特别时重型机械手 多用成本结构简单，成本低，一般工厂可以自己制造成本低成本较高结构简单，能源方便，成本低液压元件成本较高，油路也较复 杂 2、汽缸的设计 因为气压工作压力较低，对气动组件的材质和精度要求较液压底，无污染，动作迅速反映快，维护简单，使用安全。而且此处作用力不大，所以选气压传动。 汽缸类型选择：因为活塞行程较长，往复运动，所以选双作用单活塞汽缸，利用压缩空气使活塞向两个方向运动。初选活塞杆直径d=12mm，估算其重量取5nf=g+g1+g2=23+23+5=51取80n气压缸内径d的计算按液压传动与气压传动公式 13-1d为汽缸的内径（m），p为工作压力（pa），为负载率，负载率与汽缸工作压力有关，取p=0.40，查液压传动与气压传动表13-2，p=0.30-0.65，由于汽缸垂直安装，所以取p=0.3所以，按液压传动与气压传动表13-3圆整取40mm.一般d/d=0.2-0.3，此处选0.3所以，汽缸壁厚的计算按液压传动与气压传动表13-5查得汽缸重量的计算其中：r为汽缸外径，r为汽缸内径，h为汽缸长度，g取10，为汽缸材料密度g3取25n五、小臂的设计臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并将被抓取的工件传送到给定位置和方位上，因而一般机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小（即臂力）和定位精度等都直接影响机械手的工作性能，所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂的结构型式。1、小臂结构的设计把小臂的截面设计成工字钢形式，这样抗弯系数大，使截面面积小，从而减轻小臂重量，使其经济、轻巧。选10号工字钢。理论重11.261kg/m，wy=9.72cm3，h=100mm，d=4.5mm，小臂长为600mm。校核：g小臂=mg=，取75nf=75+105=180（n）+g小臂+按材料力学公式5.11其中h为工字钢的高度，b为工字钢的腰宽，q为所受的力。所以，所以选10号工字钢合适。2、 轴的设计计算大轴的直径取20mm，材料为45号钢。 f=180n所以，合适。3、 轴承摩擦力矩的计算如果（c为基本额定动载荷，p为所受当量动载荷），可按机械 设计手册第二版(16.1-13)公式:估算，其中:m为滚动轴承摩擦因数，f为轴承载荷，d为轴承内径。查表机械设计手册第二版表16.1-29得=0.0011，所以也可用此公式估算，所以，（n.m）查表机械设计手册第二版表16.1-29得=0.0013，,所以也可用此公式估算，所以，所以，t总=t1+t2=0.010189+0.002340.0125(n.m)取0.14、 驱动的选择 因为所需驱动力小，精度要求不很高，所以选择控制方便，输出转角无长期积累误差的步进电机。 步进电机的选择：步距角要小，要满足最大静转矩，因为转速低不考虑矩频特性，按机电综合设计指导表2-11bf反应式步进电动机技术参数表查取，选45bf005，其主要参数如下： 步矩角1.5度，电压27伏，最大静转矩0.196n.m，质量0.4kg,外径45mm,长度58mm,轴径4mm。精度验证：600xsin（）=7.86（mm）10(mm)能够满足精度要求，为了提高精度，采用以及齿轮传动i=3.5z1的齿数为20，z2的齿数为70。按机械原理表8-2标准模数系列表（gb1357-87）取m=1，取齿轮宽度计算： 按机械设计表10-7圆柱齿轮的齿宽度系数两支承相对小齿轮作对称布置取0.91.4,此处取1则为了防止两齿轮因装配后轴向稍有错位而导致啮合齿宽减少，要适当加宽，所以取24mm。六、大臂的设计1、大臂结构的设计把大臂的截面设计成工字钢形式，这样抗弯系数大，使截面面积小，从而减轻小臂重量，使其经济、轻巧。选14号工字钢。理论重16.890kg/m，wy=16.1cm3，h=140mm，d=5.5mm，小臂长为700mm。较核：g小臂（n）取140n按材料力学公式 5.11 其中h为工字钢的高度，b为工字钢的腰宽，q为所受的力。所以，所以选10号工字钢合适。2、 轴的设计计算轴的直径取20mm，材料为45号钢。验算：所以合适。3、 轴承摩擦力矩的计算 如果（c为基本额定动载荷，p为所受当量动载荷），可按机械 设计手册第二版(16.1-13)公式:估算，其中:m为滚动轴承摩擦因数，f为轴承载荷，d为轴承内径。查表机械设计手册第二版表16.1-29得=0.0011，所以也可用此公式估算，所以，查表机械设计手册第二版表16.1-29得=0.0013，所以也可以用此公式估算，所以，所以，t总取0.14、 伺服系统的选择 因为所需驱动力小，精度要求不很高，所以选择控制方便，输出转角无长期积累误差的步进电机。 步进电机的选择：步距角要小，要满足最大静转矩，因为转速低不考虑矩频特性，按机电综合设计指导表2-11bf反应式步进电动机技术参数表查取，选45bf005，其主要参数如下： 步矩角1.5度，电压27伏，最大静转矩0.196n.m，质量0.4kg,外径45mm,长度58mm,轴径4mm。大小臂总长1400mm。精度验证：所以不能满足精度要求，不能直接传动，要变速机构，在此选用直齿圆柱齿轮。为了提高精度，采用以及齿轮传动i=3.5z1的齿数为20，z2的齿数为70。按机械原理表8-2标准模数系列表（gb1357-87）取m=1，取齿轮宽度计算： 按机械设计表10-7圆柱齿轮的齿宽度系数两支承相对小齿轮