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机械手
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目 录设计任务书 1引 言 2第 1章 机械手总体设计 41.1 主要技术参数见表 1-1 61.2 结构特点如下图 6 第 2章 手指设计 72.1 设计时要注意的问题 72.2 零件的计算 82.3 手指抓紧力的计算 82.3.1 活塞手抓重量的估算 92.3.2 汽缸的设计 10第 3章 移动关节设计 103.1驱动方式的比较 103.2汽缸的设计 11第 4章 小臂设计 134.1 设计时注意的问题 134.2 小臂结构的设计 144.3 轴的设计计算 144.4 轴承的选择 154.5 轴承摩擦力矩的计算 164.6 驱动选择 16 第 5章 大臂设计 175.1 大臂结构的设计 185.2 轴的设计计算 185.3轴承的选择 195.4 轴承摩擦力矩的计算 205.5 伺服系统的选择 21第 6章 机身设计 226.1 设计时注意的问题 226.2 三个自由度 22参考文献 23鸣 谢 24平面关节型机械手设计- 1 -设计任务书一、 通过设计平面关节型机械手，培养综合运用所学知识，分析问题和解决问题的能力。有关资料：上下料搬运机械手，3 个自由度，平面关节型；需要搬运的工件：环类零件，内孔直径 50mm；高 150mm,厚 10mm,（只能从内孔夹持工件） ，材料 40 钢，将工件从一条输送线搬运到与之平行的另一条输送线上， （两输送线距离为 2.5m,高度差 0.4m） 。要求：设计方案和计算正确，叙述清楚，图纸符合规范。二、 图纸：1.机械手机构简图2.工作空间投影图3.机械手传动原理图4.机械手装配图5.零件图三、 实习：1.本校机械实验室组装各类机械手模型。2.学习工业机械人设计方面知识。五、 进度：3 月 20 日到 4 月 21 日 实习，拟订设计方案4 月 22 日到 5 月 12 日 机械手传动原理图4 月 13 日到 5 月 5 日 机械手装配图5 月 6 日到 5 月 15 日 零件图5 月 16 日到 5 月 24 日 写说明书平面关节型机械手设计- 2 -引 言平面关节型机械手是应用最广泛的机械手类型之一，既可以用于实际生产，又可以用于教学实验和科学研究。用于实际生产，它能够满足装配作业内容改变频繁的要求；用于教学实验，它能够使人直观地了解机器人结构组成、动作原理等，所以开发设计和研究平面关节型机械手具有最广泛的实际意义和应用前景。其中比较突出的 LM629 是美国国家半导体公司生产的可编程全数字运动控制芯片，它具有 32 位的位置、速度和加速度寄存器，内置 PID 算法，其参数可以修改；支持实时读取和设定速度、加速度以及位置等运动参数，内置的梯形图发生器能够自动生成速度曲线，平稳地加速、减速；支持增量式光电码盘的 4 倍频输入；芯片的主频为 6MHz 和 8MHz。一 机械手结构本文设计的平面关节型机械手的实物照片如图 1 所示，其主要包括两个旋转关节（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） ，图 2 为机械手简化模型。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 3 关节联动控制。由于机械手 3 个关节电机的控制系统基本类似，因此在下文中，笔者将以单个关节电机为例向读者介绍平面关节型机械手的控制系统设计过程。平面关节型机械手设计- 3 -图 1 机械手实物照片注：1机身；2大臂电机；3光电编码器；4大臂；5小臂电机 6同步带；7光电编码器；8小臂；9手腕升降 电机；10手抓电机；11手抓。平面关节型机械手设计- 4 -图 2 机械手简化模型二 控制系统设计2.1 控制系统的工作原理基于 LM629 芯片和 PIC16F877 单片机构成的单个关节直流电机伺服驱动系统如图 3 所示。图 3 控制系统原理图运动芯片 LM629 通过 8 位数据线和 6 根控制线与单片机 PIC16F877 的 I/O口相连。单片机通过数据线向 LM629 发送位置或速度命令、设定 PID 调节参数，并从 LM629 中读取速度、加速度等数值。LM629 输出的脉宽调制幅度信号和方向信号直接驱动 L298N，经过功率放大后驱动直流电机。增量式光电编码器提供半闭环控制所需的反馈信号(A、B、IN),梯形图发生器计算出位置或速度模式下所需控制的运动轨迹。PIC16F877 为 LM629 提供加速度、速度和目标位置量,在每个采样周期用这些值来计算出新的命令和位置给定值,将其作为指令值。由增量式光电编码器检测电机的实际位置,其输出信号经过 LM629 四倍频后进行解码,形成位置反馈值。指令值与反馈值的差值作为数字 PID 校正环节的输入。通过数字调节器 PID 计算，LM629 输出脉宽调制信号 PWMM 和方向信号 PWMS 用于控制功率芯片 L298N,进而驱动电机运动到指定的位置。LM629在进行位置控制的同时，还对速度进行控制。LM629 在接受到主机送来的位置信号后，按梯形图生成加速、匀速、减速的速度曲线，曲线与坐标横轴所包围的面积就是指定的位置。PID 算法中的比例、积分和微分系数有时需要进行修平面关节型机械手设计- 5 -改，因此将它们存储在单片机的 E2PROM 中。单片机和 PC 机通过无线发射和接收模块进行串行通信。平面关节型机械手设计班级 学号： 姓名：指导教师 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Abstract Selective Compliance Assembly Robot Arm have two slew joints and one move joints , two slew joints control the moving of the front and back left and right . the move joints control the moving of up and down . the work room as work room drawing . the vertical section is a rectangle slew . the high of the vertical section is move joints journey ,the move angle of the two slew joints decide the big and small and figure of the vertical section .Key words: manipulator axletree cylinder 第 1 章 机械手总体设计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。平面关节型机械手设计- 6 -平面关节型机器人又称 SCARA 型装配机器人，是 Selective Compliance Assembly Robot Arm 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。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。1.1 主要技术参数见表 1-1表 1-11.2 结构特点如下图：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 行程开关控制平面关节型机械手设计- 7 -平面关节型机械手设计- 8 -图 3.工作空间图第 2 章 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一2.1 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。平面关节型机械手设计- 9 -图 4.机构简图2.2 零件的计算 )(0428.102867)(286050314. 922 kgvgmGhrRV其中 g 取 10 取 G=23（N） （环型零件图）2.3 手指抓紧力的计算：GfN4f 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 3.815.042f取 N=40（N）驱动力的计算 NtgP平面关节型机械手设计- 10 -（抓取零件图）为斜面倾角， ， 为传动机构的效率，这里为平摩擦o15传动，查机械零件手册表 2-2 这里取 0.8592.08所以4.5.01450tgP取 p=55(N)2.3.1 活塞手抓重量的估算)(2310785214.321 NghrGr 为杆的半径，h 为长度，g 取 102.3.2 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。汽缸的计算平面关节型机械手设计- 11 -气压缸内径 D 的计算按液压传动与气压传动公式 13-1 PF42D 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 ，查液压传动与气压传动表 13-2 由0. 65.03.P于汽缸垂直安装，所以取 P=0.3。 )(16.24)(0.13.041.3546 mPF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 ，此选 0.23.02.Dmm4.6.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 4弹簧力的 F 的计算)(231NG第 3 章 移动关节的设计计算3.1 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。3.2 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，平面关节型机械手设计- 12 -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 )(85.41075.0)21.(4.3)2( NghdG取 5N21F取 80N表 3-1驱动方式电 机 驱 动比较内 容机械传动 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 矩输出力矩较大输出力可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，但控制系统复杂可高速，气体压缩性大，阻力效果差，冲击较严重，精确定位较困难，低速步易控制油液压缩性小，压力流量均容易控制，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，高速低速适用于抓取重量大和速度低可用于程序复杂和运动轨迹要求严中小型专用通用机械手都有中小型专用通用机械手都有，特别时重型机械手平面关节型机械手设计- 13 -均能适用 的专用机械手格的小型通用机械手多用成 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，油路也较复杂气压缸内径 D 的计算按液压传动与气压传动公式 13-1 PdF4)(2D 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 ，查液压传动与气压传动表 13-2 由于0. 65.03.P汽缸垂直安装，所以取 P=0.3。一般 ，此选 0.33.02.Dd )(54.30)(.109.34.0138091.466 mPFD 按液压传动与气压传动表 13-3 圆整取 40mm.一般 ，此选 0.33.02.dmm14.D汽缸壁厚 的计算按液压传动与气压传动表 13-5 查得 4汽缸重量的计算 )(7.2310785.0)2.04.(13)(23 NghrRG 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 ， 取 25N3第 4 章 小臂的设计平面关节型机械手设计- 14 -臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支撑手部和腕部，主要用来改变工件的位置。手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式。4.1 设计时注意的问题(1) 刚度要好，要合理选择臂部的截面形状和轮廓尺寸，空心杆比实心杆刚度大的多，常用钢管做臂部和导向杆，用工字钢和槽钢左支撑板，以保证有足够的刚度。(2) 偏重力矩要小，偏重力矩时指臂部的总重量对其支撑或回转轴所产生的力矩。(3) 重量要轻，惯量要小，为了减轻运动时的冲击，除采取缓冲外，力求结构紧凑，重量轻，以减少惯性力。(4) 导向性要好。图 5.机械手传动原理4.2 小臂结构的设计平面关节型机械手设计- 15 -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 ,小mdhcmWy 5.4,10,72.9,1.26kg/3臂长为 600mm。较核： （N）1.0.大mgG取 75N其受力如下图:F=75+105=180（N） ).(625.93.0756.102大1 mNLGFMMPaPaWy 53.9)0(72.96按材料力学公式 5.11 hbQ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 Paa604.015.401833 所以选 10 号工字钢合适。4.3 轴的设计计算大轴的直径取 20mm，材料为 45 号钢。受力如下图:平面关节型机械手设计- 16 -验算：F=180N )(25.9610.221 NlMF MPaar 60.)(4.3.232 所以合适4.4 轴承的选择因为上轴承只受径向，下轴承受轴向力和径向力，所以选用圆锥滚子轴承，按机械零件手册表 9-61（GB 297-84）选 7304E，d=20mm e=0.3kN2.7c 31.5c0轴承的校核因为此处轴承做低速的摆动，所以其失效形式是，接触应力过大，产生永久性的过大的凹坑（即材料发生了不允许的永久变形） ，按轴承静载能力选择的公式为：机械设计13-17 0PSC其中 为当量静载荷， 为轴承静强度安全系数，取决于轴承的使用条 0P件。按机械设计表 3-8 作摆动运动轴承,冲击及不均匀载荷,此处 1.5.5.10S上轴承受纯径向载荷, )(25.9610NFP所以 )(2.173785.29600 KCS 平面关节型机械手设计- 17 -因此轴承合适.下轴承受径向和轴向载荷, AYRXP00R 为径向载荷A 为轴向载荷X Y 分别为径向轴向载荷系数，其值按机械设计表 135 查取因为 3.0187.5962180eR所以 0 NRAYXP.9620所以 )(17)(.4. 0KCS因此轴承合适小轴承受力很小，所以不用校核4.5 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10设计手册第二版 (16.1-13)公式:估算FdT5.其中: 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 01.，所以也可以用此公式估算1056.82.9170PC所以 ).(89.2.596.1 MNFdT查表机械设计手册第二版 表 16.1-29 得 ，013，所以也可以用此公式估算0518270PC所以 ).(24.0183.2 NFdT)5241891 M（总 取 0.14.6 驱动选择平面关节型机械手设计- 18 -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 2-11 BF 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: 能够满足精度要求，)(10)(86.7)25.1sin(600m为了提高精度，采用一级齿轮传动 .5312zi的齿数为 20， 的齿数为 70。1z2z按机械原理表 8-2 标准模数系列表（GB1357-87）取 m=1，取 02则 )(011mzd72)(*ha 25.1.01)(cf齿轮宽度计算：按机械设计表 10-7 圆柱齿轮的齿宽度系数 d两支承相对小齿轮作对称布置取 0.91.4,此处取 1则 mdb2011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。第 5 章 大臂的设计计算平面关节型机械手设计- 19 -5.1 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 ,小臂mdhcmWy 5.,140,.6,16.890kg/3长为 700mm。较核： （N）75.27.大mgG取 140N其受力如图:F=75+105+140=320（N） ).(125.807.14).026(75).06(15大2大21 mNLGLLFMMPaPaWy 4.)(.283按材料力学公式 5.11 hbQ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 Paa6042.015.014323 所以选 10 号工字钢合适。5.2 轴的设计计算轴的直径取 20mm，材料为 45 号钢。其受力如下图:平面关节型机械手设计- 20 -验算：F=320N)(201145.821 NlMF MPaar 6037.6)(.3232 所以合适5.3 轴承的选择大轴轴承的选择：因为上轴承只受径向，下轴承受轴向力和径向力，所以选用圆锥滚子轴承，按机械零件手册表 9-61（GB 297-84）选7304E，d=20mm e=0.3kN2.17c 3.5c0轴承的校核因为此处轴承做低速的摆动，所以其失效形式是，接触应力过大，产生永久性的过大的凹坑（即材料发生了不允许的永久变形） ，按轴承静载能力选择的公式为：机械设计13-17 0PSC其中 为当量静载荷， 为轴承静强度安全系数，取决于轴承的使用条0P件。按机械设计表 3-8 作摆动运动轴承,冲击及不均匀载荷,此处 1.5.5.10S上轴承受纯径向载荷, )(2010NFP所以 )(2.75.3.120 KCS平面关节型机械手设计- 21 -因此轴承合适.下轴承受径向和轴向载荷, AYRXP00R 为径向载荷A 为轴向载荷X Y 分别为径向轴向载荷系数，其值按机械设计表 135 查取因为 3.0159.203eR所以 10 NRAYXP21所以 )(.7)(.0KCS因此轴承合适小轴承受力很小，所以不用教核5.4 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10械设计手册第二版 (16.1-13)公式:估算FdT5.其中: 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 ，01.，所以也可以用此公式估算1059.420PC所以 ).(2.021.1 MNFdT查表机械设计手册第二版 表 16.1-29 得 ，013，所以也可以用此公式估算103.84270PC所以 ).(46.2.03.5. NFdT714621 M（总 取 0.15.5 伺服系统的选择平面关节型机械手设计- 22 -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 2-11 BF 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: )(10)(0325.18).sin(140m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，采用一级齿轮传动 .5312
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