平面关节型机械手设计

1、平面关节型机械手设计目录第 1 章 绪论 1第 2 章 机械手总体方案设计 22.1 总体方案分析 22.2 总体结构分析 3第 3 章 机械手总体结构设计 63.1 机械手手部设计 63.2 移动关节的设计 93.3 小臂的设计 113.4 大臂的设计 163.5 机身的设计 18结束语 21参考文献 22平面关节型机械手设计第一章 绪 论随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、 转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已 愈来愈引起人们的重视。 矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。机械手是模仿着人手的部分动作，给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、 搬运

2、或操作的自动机械装置。 在工业生产中应用的机械手被称为 “工业机械手”。 生产中应用实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒 气体和放射性等恶劣环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此， 在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交 通运输业等方面得到越来越广泛的应用。 聞創沟燴鐺險爱氇谴净。机械手的结构形式开始比较简单，专业性较强，仅为某台机床的上下料装 置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按 程序控制实现重复操作，使用范围比较广的“程序控制通用机械手” ，简称通用 机械手。由于通用机械手能很快地改变工作

3、程序，适应性较强，所以它不断变换 生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。本次课程设计的平面关节型机械手是应用于上下料、搬运环类零件，从内 孔夹持工件，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。 酽锕极額閉镇桧猪訣锥。本次课程设计是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。第二章 平面关节型机械手总体方案设计平面关节型机器手又称 SCARA型装配机器手，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，

4、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。 彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。2.1 平面关节型机械手总体方案分析2.1.1 设计任务本次课程设计总体设计的任务是：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 2.4m,高度差 0.4m）。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。本次课程设计的主要技术参数见表 2.1 表 2.1机械手类型平

5、面关节型抓取最大重量2.2Kg自由度3 个（2 个回转 1 个移动）大臂长 658mm，回转运动，回转角 240，步进电机驱动 单片机控制小臂长 564mm，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2.1.2 方案选择 根据设计设计要分析出，抓取和转动是最主要的功能。这两项功能实现的 技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。 本次设计就是在这一思 维下展开的。 根据设计内容和需求确定圆柱坐标型三自由度机器人， 利用步进电 机驱动和齿轮减速传动来实现大臂的旋转运动； 利用另一台步进电机驱动小臂旋 转，从而使小臂与移动关节

6、连在一起实现上下运动； 考虑到本设计中的机器人工 作范围不大， 故利用气缸驱动实现手臂的伸缩运动； 末端夹持器则采用内撑式夹 持器，用小型气缸驱动夹紧。 厦礴恳蹒骈時盡继價骚。2.2 平面关节型机械手总体结构分析2.2.1 结构特点分析根据设计要求和参数表分析得出，机械手分为机身、大臂、小臂、上下移 动关节、手指部五部分构成，其中机身与大臂、大臂与小臂连接处安置电机，小 臂连接移动关节带动手指上下搬运环类工件，结构特点实体图如下“图 2-1 ”所 示。 茕桢广鳓鯡选块网羈泪。根据实体图观察及设计要求描述，绘制机构简图， 1 为大臂回转角，由电 动机驱动，2为小臂回转角，移动关节上下移动， 共三

7、个自由度，简图如图“2-2 所示。 鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。由“图 2-1 ”及设计要求分析，大臂和小臂可回转 240 度，在两条输送带间工作，将工件从一条输送线搬运到与之平行的另一条输送线上， 分析出工作空间 如下图“图 2-3”所示。 籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。图 2-2 机构简图2.2.2 工作原理分析 本次设计的机械手大臂通过转动关节与机身连接，关节处安放驱动装置， 由电动机驱动，为提高精度采用一级齿轮联接减速，带动大臂转动，速度、频率 又单片机控制；大臂与小臂亦通过转动关节连接， 关节处转配驱动装置，结构与 大臂关节处相同；移动关节与小臂固定连接，移动关节使用气缸或液压缸，活塞 杆连接手指

8、上下移动； 手指通过气缸驱动控制夹具指， 使夹具体从内部抓取环类 工件。传动原理图如下图“图 2-4 ”所示。 預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。图 2-3 工作空间图图 2-4 传动原理图第三章 平面关节型机械手总体结构设计此处省略 NNNNNNNNNN字NN。如需要完整说明书和设计图 纸等. 请联系 扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计 下载！该论文已经通过答辩 渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。3.1 机械手手部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。 铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。3.1.

9、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。 擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。(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。 贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。(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。3.1.2 工件重量的计算22V(R2 r 2)h3.14 (352 252) 1503282600(mm3)mv282600G mg vg 7800 9 10 22.0428(kg

10、)1092其中 g 取 10m/s2取 G=22（ N）3.1.3 手指夹紧力的计算4fN G（3-1 ）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 2-5 ， f=0.15 。 坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。所以 N G 23 38.334f 4 0.15取 N=40（ N）驱动力的计算 :1P 4tg N（3-2 ）图 3-1为斜面倾角，15o ， 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 0.85 0.92 这里取 0.85 ，所以 蜡變黲癟報伥铉锚 鈰赘。1P 4 tg150 40 50.440.85取 p=50(N)活塞手抓

11、重量的估算22G1 r 2h g 3.14 252 150 7800 10 23(N)r为杆的半径， h 为长度， g 取 10m/s23.1.4 气缸的设计 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。 買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。气缸内型选择： 由于行程短，选单作用活塞气缸，借弹簧复位。气缸的计算 :气压缸内径 D的计算 : 按液压传动与气压传动公式 13-1 。D2F P (3-3)4D为气缸的内径 (m) ，P为工作压力( Pa), 为负载率，负载率与气缸工作 压力有关，取 P 0.40，查

12、液压传动与气压传动表 13-2 P 0.30 0.65由 于气缸垂直安装，所以取 P=0.3。 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。4F 4 55D 6 0.02416(m) 24.16(mm) P 3.14 0.4 0.3 106按液压传动与气压传动表 13-3 选取 32mm.活塞杆直径 d 的计算 :一般 d D 0.2 0.3 ，此选 0.2 d 0.2D 0.2 32 6.4mm按液压传动与气压传动表 13-4 选取 8mm气缸壁厚 的计算按液压传动与气压传动表 13-5 查得 4弹簧力的 F的估算 :F G1 23(N)所以选择 F G1 23(N) 的弹簧件。3.2 移动关节的设计3.2.1

13、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 ”。驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。表 3-1较容 比内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

14、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，体积要 油减 速 装 置， 体体积较小体积较大在输出力相同的条件下体积小液较大积较大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

15、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3.2.2 气缸的设计 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 猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。气缸内型选择：因为活塞行程较长，往复运动，所以选双作用单活塞气缸， 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d 2 0

16、.012 2G2 ( )2 h g 3.14 ()2 0.55 7800 10 4.85(N)22取为 5NF G G1 G2 22 23 5 50 取为 80N 气压缸内径 D 的计算按液压传动与气压传动公式 13-1 223-4)F(D2 d2) PD为气缸的内径 (m) ，P为工作压力( Pa), 为负载率，负载率与气缸工作压力 有关，取 P 0.40，查液压传动与气压传动表 13-2 P 0.30 0.65 由于气 缸垂直安装，所以取 P=0.3。一般 d D 0.2 0.3 ，此选 0.3 锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。D 4F 6 4 80 6 0.03054(m) 30.54(mm) P

17、 0.91 1063.14 0.4 0.3 0.91 106按液压传动与气压传动表 13-3 选取 40mm。一般 d D 0.2 0.3 ，此选 0.3d 0.3D 0.3 40 12mm气缸壁厚 的计算： 按液压传动与气压传动表 13-5 查得 4 。气缸重量的计算：G3 (R2 r 2 )h g 3.14(0.0242 0.0202) 0.55 7800 10 23.7(N)其中： R为气缸外径， r 为气缸内径， h为气缸长度， g取 10， 为气缸材料密 度，G3取 25N。3.3 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

18、间的活动范围主要取决于臂部的运动形式。 構氽頑黉碩饨荠龈话骛。3.3.1 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。 輒峄陽檉簖疖網儂號泶。(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(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。3.3.3 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。初选 1

19、0 号工字钢。理论重 11.261kg/m,Wy 9.72cm3, h 100mm,d 4.5mm, 小臂长为 564mm。较核： G小臂 mg 11.261 0.6 10 67.57 (N)取 75N。其受力如下图 :图 3-2F=75+105=180(N)M F1 L G小臂 L 105 0.6 75 0.3 92.625( N.m)2M92.6252 3 9.53MPa 100MPaWy 9.72(10 2 )3按材料力学公式 5.113-5)Qhb其中 h 为工字钢的高度， b 为工字钢的腰宽， Q为所受的力。根据 Q13803 0.4MPa 60MPahb 100 10 3 4.5

20、10 3所以选 10 号工字钢合适。3.3.4 轴的设计计算大轴的直径取 25mm，材料为 45 号钢受力如下图 :图 3-3验算：F1F2M92.625212.5 10 2741( N )F=180N1.96MPa 60MPa962.25323.14 (12.5 10 3)2所以合适。3.3.5 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 9-6 1(GB 297-84 ) 选 7304E， d=25mm，c 31.5KN c0 17.2KN e=0.3 。尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。轴承的校核：因为此处轴承做低速的摆动， 所以其失效

21、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 C0 S0P0 识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。其中 P0 为当量静载荷， S0 为轴承静强度安全系数，取决于轴承的使用条件。 按机械设计表 3-8 作摆动运动轴承 ,冲击及不均匀载荷 , S0 1 1.5此处取 1.5 。 凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。上轴承受纯径向载荷 , P0 F1 741( N )所以 S0P0 741 1.5 1111.5(N) C0 17.2(KN)因此轴承合适。下轴承受径向和轴向载荷 , P0 X0 R Y0 A ；R为径向载荷；A为轴向载荷；X

22、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 AR 180741 0.243 e 0.3所以 X 0 1 Y0 0 P0 X 0R Y0A R 741N所以 S0P0 741 1.5 1111.5( N ) C0 17.2( KN ) 因此轴承合适，小轴承受力很小，所以不用校核。3.3.6 轴承摩擦力矩的计算 ：如果 C 10 (C 为基本额定动载荷， P 为所受当量动载荷) ，可按机械 P设计手册第二版 (16.1-13) 公式 : 恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。T 0.5 Fd 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 16.1

23、-29 得 0.0011C 17200P 926.2518.56 10 ，所以也可以用此公式估算所以 T1 0.5 Fd 0.5 0.0011 962.25 0.02 0.010189( Nm)查表机械设计手册第二版 表 16.1-29 得 0.0013 ，C 27000P 180150 10 ，所以也可以用此公式估算所以 T2 0.5 Fd 0.5 0.0013 180 0.02 0.00234(Nm)T总 T1 T2 0.010189 0.00234 0.012(5 Nm) 因为摩擦力矩小于 0.1 ，所以忽略不计3.3.7 驱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

24、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， 鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。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。硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。1.50精度验证 : 600 sin(1.5 ) 7.86(mm) 10(mm) 能够满足精度要求，2为了提高精度，采用一级齿轮传动 i z2 3.5 。z1z1 的齿数为 20， z2 的齿数为 70

25、。按机械原理表 8-2 标准模数系列表( GB1357-87)取 m=1，取200则 d1 z1m 20 1 20(mm)d2 z2m 70 1 70(mm)*ha ha* m 1 1 1(mm)hf (ha* c* )m (1 0.25) 1 1.25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 0.9 1.4, 此处取 1。阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。则 b1 d1 d 20 1 20mm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。3.4 大臂的设计3.4.1 结构的设计 把大臂的截面设计成工字钢形式，

26、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 658mm。较核： G小臂 mg 16.890 0.7 10 126.675 (N)取 140N其受力如图 :图 3-4F=75+105+140=320(N)L1L2M F0 (L1 L2 ) G小臂 ( 1 L2 ) G大臂222105 (0.6 0.7) 75 (0.6 0.7) 140 0.7 280.125(N.m)22M 280.1252 3 17.4MPa 100MPaWy 16.1(10 2

27、 )3按材料力学公式 5.11Q(3-6 )hb其中 h 为工字钢的高度， b 为工字钢的腰宽， Q为所受的力。Q 320根据 330.42MPa 60MPahb14010 3 5.510 3所以选 10 号工字钢合适。3.4.2 轴的设计计算轴的直径取 25mm，材料为 45 号钢 其受力如下图 :验算：图 3-5F1 F2280.1252001( N )F=320NF12001r 3.14 (12.5 10 14 10 2)24.08MPa 60MPa所以合适。3.4.3 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-

28、6 1(GB2 97-84)选 7304E，d=25mm c 31.5kN c0 17.2kN e=0.3 。氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。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： 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。机械设计 13-17 C0 S0P0其中 P0 为当量静载荷， S0为轴承静强度安全系数，取决于轴承的使用条件。按机械设计表 3-8 作摆动运动轴承 ,冲击及不均匀载荷 , S0 1 1.5此 处 1.5 。怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。上轴承受纯径向载荷 , P0 F1 2001(N)所以

29、 S0P0 2001 1.5 3001.5( N ) C0 17.2(KN ) 因此轴承合适。下轴承受径向和轴向载荷 , P0 X0 R Y0 A ；R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 AR 320 2001 0.159 e 0.3 ；所以 X 0 1 Y0 0 P0 X 0R Y0A R 2001N 所以 S0P0 2001 1.5 3001.5( N ) C0 17.2(KN ) 因此轴承合适，小轴承受力很小，所以不用校核。3.4.4 轴承摩擦力矩的计算如果 C 10 (C 为基本额定动载荷， P 为所受当量动载荷) ，可按机械

30、P设计手册第二版 (16.1-13) 公式 : 谚辞調担鈧谄动禪泻類。T 0.5 Fd 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 16.1-29 得 0.0011 ，C 29200P 200114.59 10 ，所以也可以用此公式估算所以 T1 0.5 Fd 0.5 0.0011 2001 0.02 0.022011( Nm)查表机械设计手册第二版 表 16.1-29 得 0.0013 ，C 2700084.3 10 ，所以也可以用此公式估算P 320所以 T2 0.5 Fd 0.5 0.0013 320 0.02 0.00416( Nm)T总

31、 T1 T2 0.022011 0.00406 0.02607(1 Nm) 此处摩擦力矩亦小于 0.1 ，忽略不计。3.4.5 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 2-11 BF 反应式步进电动机技术参数表查取， 嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。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。熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。1.50精度验证 :1400 sin( ) 18.0325(mm) 10(mm)2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 i z