【JQ039】平面关节型机械手设计【气动】【机械专业毕业设计论文】【优秀】【通过答辩】
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- 内容简介：
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湛江海洋大学 毕业设计（论文）书 设计题目： 平面关节型机械手设计 专 业： 机械设计制造及其自动 班 级： 99 机制（ 5）班 学生姓名： 刘 祖 涛 指导教师： 李作全 职称 副教授 设计起讫日期： 2003年 3月 25日至 6 月 1日 设计地点： 湛 江 海 洋 大 学 2003 年 6 月 1 日 湛江海洋大学毕业设计（论文）成绩评定表 指导教师评语： 指导教师签名： 200 年 月 日 评阅教师评语： 评语教师签名： 200 年 月 日 答辩小组评语 答辩组长签名： 200 年 月 日 毕业设计成绩： 系主任签名： 审批单位（盖章） 200 年 月 日 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 rm of of up as is a of is of of 目录 设计要求 1 摘要 2 第 1 章 总体设计 2 第 2 章 手指设计 4 第 3 章 移动关节设计 6 第 4 章 小臂设计 8 第 5 章 大臂设计 12 第 6 章 机身设计 16 翻译 17 鸣谢 22 参考文献 22 成绩评定 23 平面关节型机械手设计 - 1 - 设计要求 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 50 150 10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，（度差 要求：设计方案和计算正确，叙述清楚，图纸符合规范。翻译一篇有关外文资料。 二、 图纸： 三、 实习： 四、 参考书： 1. 工业机器人设计 周伯英 机械工业出版社 1995 2. 机器人机械设计 龚振帮 电子工业出版社 1995 3. 机构设计 （日）藤森洋三 机械工业出版社 1990 4. 机械手图册（日）加藤一郎 上海科技出版社 1989 5. 机械设计图册（ 5）成大先 化学工业出版社 1999 五、 进度： 3月 24 日到 4月 25 日 实习，拟订设计方案 4月 264 日到 5 月 3 日 机 械手传动原理图 5月 4日到 5月 17 日 机械手装配图 5月 18 日到 5月 24 日 零件图 5月 25 日到 6月 1 日 写说明书 平面关节型机械手设计 - 2 - 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 rm of of up as is a of is of of 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。 平面关节型机器人又称 装配机器人，是 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。 平面关节型机械手设计 - 3 - 要技术参数见表 1 1械手类型 平面关节型 抓取重量 由度 3个（ 2 个回转 1个移动） 大臂 长 700转运动，回转角 240，步进电机驱动 单片机控制 小臂 长 600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 构特点如下图： 第 2 章 手指设计 平面关节型机械手设计 - 4 - 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。 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。 零件的计算 )( 2 6 0 07800)(2 8 2 6 0 0150)2535(932222其中 g 取 10 取 G=23（ N） 力的计算： 4 f 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 2f=以 34 =40（ N） 驱动力的计算 14 平面关节型机械手设计 - 5 - 为斜面倾角， ， 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 这里取 以 40154 0 p=55(N) 塞手抓重量的估算 )(21 0 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 按液压传动与气压传动公式 13 2 D 为汽缸的内径 (m)， , 为负载率，负载率与汽缸工作压力平面关节型机械手设计 - 6 - 有关，取 ，查液压传动与气压传动表 13P 由于汽缸垂直安装，所以取 P= )(544 6 D 按液压传动与气压传动表 132活塞杆直径 一般 此选 Dd 液压传动与气压传动表 13整取 8缸壁厚 的计算 按液压传动与气压传动表 13得 4 弹簧力的 )(231 第 3 章 移动关节的设计计算 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 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：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=12算其重量 )( 222 取 5N 515232321 取 80N 平面关节型机械手设计 - 7 - 表 3较内 容 驱动方式 机械传动 电机 驱动 气压传动 液压传动 异步电机，直流电机 步进或伺服电机 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 要油减速装置，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 环境种使用，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 气压缸内径 D 的计算 按液压传动与气压传动公式 13平面关节型机械手设计 - 8 - )( 22 D 为汽缸的内径 (m)， , 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 13P 由于汽缸垂直安装，所以取 P=般 此选 ( 66 D 按液压传动与气压传动表 130一般 此选 Dd 缸壁厚 的计算 按液压传动与气压传动表 13得 4 汽 缸重量的计算 )( 22223 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 35N 第 4 章 小臂的设计 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。 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。 平面关节型机械手设计 - 9 - (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。 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 00, 1 . 2 6 1 k g / m 3 ,小臂长为 600 较核： N） 取 75N 其受力如下图 : F=75+105=180（ N） ).( M 0(2 按材料力学公式 其中 Q 为所受的力。 所以 MP 080 33 所以选 10 号工字钢合适。 3 3 轴的设计计算 大轴的直径取 20料为 45 号钢。 受力如下图 : 平面关节型机械手设计 - 10 - 验算： )(21 F=180N M P 0010(32 所以合适 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 91（ 97 7304E， d=20mm 3 1 .5 k e=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 13 000 其中0 决于轴承的使用条件。按机械设计表 3摆动运动轴承 ,冲击及不均匀载荷 , 上轴承受纯径向载荷 , )(所以 )(因此轴承合适 . 下轴承受径向和轴向载荷 , 00 R 为径向载荷 平面关节型机械手设计 - 11 - 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 13 5查取 因为 0 2000 所以 )(因此轴承合适 小轴承受力很小，所以不用教核 承摩擦力矩的计算： 如果 10C 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 (式 : 估算 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 2 0 0 所以也可以用此公式估算 所以 ).( 查表机械设计手册第二版 表 ， 1015018027000 所以也可以用此公式估算 所以 ).( ) 0 1 8 总 取 动选择 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 2F 反应式步进电动机技术参数表查取， 平面关节型机械手设计 - 12 - 选 45，其主要参数如下： 步矩角 ，电压 27伏，最大静转矩 量 径 45度 58径 4 精度验证 : )(10)(6000 能够满足精度要求， 为了提高精度，采用一级齿轮传动 312 z 的齿数为 20， 2z 的齿数为 70。 按机械原理表 8 m=1，取 020 则 )(2012011 )(7017022 )(111* ( * 齿轮宽度计算： 按机械设计表 10柱齿轮的齿宽度系数d两支承相对小齿轮作对称布置取 处取 1 则 012011 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 24 5 章 大臂的设计计算 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 40, 6 . 8 9 0 k g / m 3 ,小臂长为 700 较核： N） 平面关节型机械手设计 - 13 - 取 140N 其受力如图 : F=75+105+140=320（ N） ).(75)052)2()( 2大臂21小臂210 M 0(2 按材料力学公式 其中 Q 为所受的力。 所以 MP 020 33 所以选 10 号工字钢合适。 轴的设计计算 轴的直径取 20料为 45 号钢。 其受力如下图 : 验算： )(20011014 21 F=320N M 0010(001 2321 平面关节型机械手设计 - 14 - 所以合适 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 91（ 97 7304E， d=20mm 3 1 .5 k e=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 13 000 其中0决于轴承的使用条件。按机械设计表 3摆动运动轴承 ,冲击及不均 匀载荷 , 上轴承受纯径向载荷 , )(200110 所以 )(因此轴承合适 . 下轴承受径向和轴向载荷 , 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 13 5查取 因为 所以 10 001000 所以 )(因此轴承合适 小轴承受力很小，所以不用教核 平面关节型机械手设计 - 15 - 承摩擦力矩的计算 如果 10C 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 (式 : 估算 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 ， 2 0 0 所以也可以用此公式估算 所以 ).(0 2 2 0 1 查表机械设计手册第二版 表 ， 02 7 0 0 0 所以也可以用此公式估算 所以 ).(0 0 4 1 ) 6 0 7 4 0 2 0 1 总 取 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 2F 反应式步进电动机技术参数表查取， 选 45，其主要参数如下： 步矩角 ，电压 27伏，最大静转矩 量 径 45度 58径 4 精度验证 : )(10)(14000 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 平面关节型机械手设计 - 16 - 为了提高精度，采用一级齿轮传动 312 0，20。 按机械原理表 8 m=1，取 020 则 )(2012011 )(7017022 )(111* ( * 齿轮宽度计算： 按机械设计表 10柱齿轮的齿宽度系数d两支承相对小齿轮作对称布置取 处取 1 则 012011 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 24 6 章 机身的设计 机身是支承臂部的部件，升降，回转和俯仰运动机构等都可以装在机身上。 计时注意的问题 (1) 要 有足够的刚度和稳定性。 (2) 运动要灵活，升降运动的导套长度不宜过短，否则可能产生卡死现象；一般要有导向装置。 (3)结构布置要合理，便于装修。 于此设计要求为三个自由度，所以此处无运动要求，只用来支承。只要刚度能满足就行了，高度可根据自动线的高低确定。 平面关节型机械手设计 - 17 - 翻译 . of so or as in to is of of to O2 of 5% by 008 to 995, in in a of DI of of by of or of of to of in in 2. T T 面关节型机械手设计 - 18 - in of MT in of on s of an is as be in by an is of in of to a in an of is a a VT is by is is a of 面关节型机械手设计 - 19 - to 3. . . . is . . . . of of is to of in or . . of . . is to as a or . in . a by as 平面关节型机械手设计 - 20 - 目前的传动系概念 1 发动机的发展 汽油和柴油发动机是目前主要的驱动元件，混合驱动和燃料电池仍处于设计开发阶段尚未占领市场。新型的喷射技术，如共轨泵喷射，通常被应用于柴油发动机。它大幅度降低了油耗并由于提高了发动机的转矩和性能改善了动态传动特性。 目前多点直接喷射广泛应用于汽油发动机。为了满足苛刻的排放法 规，欧洲议会和欧洲汽车工业协会要求在 2008年将新注册的轿车的 995年水平上降低 25%，这需要在近几年内明显降低车辆的能耗和排放，这导致了汽油发动机用传动系的多样化。直接喷射系统将通过减少排量，发动机增压、机电一体化或机械式阀门配气机构系统及他们的组合占领部分市场。采用分层进气或容积效率控制的汽油机多气门技术和是发动机工作在高效率区的负荷循环换挡概念将是全分离节气门汽油发动机今后几十年的两大主要技术。 小型化和发动机增压技术在未来几年内将明显提高发动机最大转矩的水平。 2 变速器类型 手动变 速器（ 自动变速器（ 目前变速器市场的主要产品，几年前市场上开始出现机械自动变速器（ 无级变速器（ 但它们仅占有极小的市场份额。 手动变速器便宜，体积较小、并且圆柱齿轮组的效率很高，能耗主要取决于驾驶员的换挡技术和车辆形式。 自动变速器的舒适性体现在自动换挡和离合器的自动工作上，教多的挡位及相应增加的间距也改善了舒适性，效率高、重量合适和成本底是该类变速器生存的要点。 换挡时存在的牵引力中断现象对舒适性有影响，将来的 通过采用优化换挡措施减少之。有两根对立变速器 输入轴的双离合器动力换挡变速器是 一个发展方向，它在变速器的无负荷部分进行预换挡，通过控制第一和第二离合器平面关节型机械手设计 - 21 - 上的转矩转移实现所挂挡位的加载过程。 自动变速器经过这些年的不断发展，已变得更舒适、更轻和更经济。新型的齿轮组和更多的挡位将继续是其发展趋势。但是他们非常高的舒适性导致了复杂的设计相对较大的质量和有限的效率。 从理论上讲， 有很高的换挡舒适性。其加速度与牵引力的
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