平面关节型机械手设计毕业设计

1、平面关节型机械手设计目录第1章绪论1第2章机械手整体方案设计22.1 整体方案分析22.2 整体结构分析3第3章机械手整体结构设计6机械手手部设计6移动关节的设计9小臂的设计11大臂的设计16机身的设计18终止语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进展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或筹划焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已愈来愈引发人们的重视。机械手是仿照着人手的部份动作，给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运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”。生产中应用实现平安生产；尤其在高温、高压、低温、

2、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、热处置、电镀、喷漆、装配和轻工业、交通运输业等方面取得愈来愈普遍的应用。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。随着工业技术的进展，制成了能够独立的按程序操纵实现重复操作，利用范围比较广的“程序操纵通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能专门快地改变工作程序，适应性较强，因此它不断变换生产品种的中小批量生产中取得普遍的应用。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

3、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。本次课程设计是通过设计平面关节型机械手，培育综合运用所学知识，分析问题和解决问题的能力。第二章平面关节型机械手整体方案设计平面关节型机械手又称SCARA型装配机械手，是SelectiveComplianceAssemblyRobotArm的缩写，意思是具有选择柔顺性的装配机械人手臂。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，专门适合小规格零件的插接装配，如在电子工业零件的插接、装配中应用普遍。平面关节型机械手整体方案分析设计任务本次课程设计整体设计的任务是：上下料搬运机械手，3个自由度，平面关节

4、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，高度差）。本次课程设计的要紧技术参数见表表机械手类型平向美节型抓取最大重量自由度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方案选择依照设计设计要分析出，抓取和转动是最要紧的功能。这两项功能实现的技术基础是精致的机械结构设计和良好的伺服操纵驱动。本次设计确实是在这一

5、思维下展开的。依照设计内容和需求确信圆柱坐标型三自由度机械人，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连在一路实现上下运动；考虑到本设计中的机械人工作范围不大，故利用气缸驱动实现手臂的伸缩运动；结尾夹持器那么采纳内撑式夹持器，用小型气缸驱动夹紧。平面关节型机械手整体结构分析结构特点分析依照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、手指部五部份组成，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。图2-1结构实体图依如实体图观看及设计要

6、求描述，绘制机构简图，91为大臂回转角，由电动机驱动，82为小臂回转角，移动关节上下移动，共三个自由度，简图如图“2-2所示。由“图2-1”及设计要求分析，大臂和小臂可回转240度，在两条输送带问工作，将工件从一条输送线搬运到与之平行的另一条输送线上，分析出工作空间如以下图“图2-3”所示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，为提高精度采纳一级齿轮联接减速，带动大臂转动，速度、频率又单片机操纵；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，移动关节利用气缸或液压缸，活塞杆连接手指上下移动；手指

7、通过气缸驱动操纵夹具指，使夹具体从内部抓取环类工件。传动原理图如以下图“图2-4”所示。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整体结构设计此处省略扣扣：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阻碍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。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进程中的动载荷。(2)手指应有必然的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意手部接近工

8、件的运动线路及其方位的阻碍。(3)应能保证工件在手指内准确信位。(4)结构尽可能紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。(5)依照应用条件考虑通用性。工件重量的计算V(R2r2)h223.14(352252)1503282600(mm)mv-282600Gmgvg780091022.0428(kg)10其中g取10m/s2取G=22(N)手指夹紧力的计算4fNG(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=。因此N2338.334f40.15取N=40(N)驱动力的计算：_1P4tgN-(3-2)图3-1为斜面倾角，15°,为传动机

9、构的效率，那个地址为平摩擦传动，查机械零件手册表2-20.850.92那个地址取,因此1P4tg1504050.440.85取p=50(N)活塞手抓重量的估算_2_2_G1rhg3.142515078001023(N)r为杆的半径，h为长度，g取10m/s2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，保护简单，利用平安。而且此处作使劲不大，因此选气压传动。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。D2FP(3-3)4D为气缸的内径(m),P为工作压力(Pa),为负载率

10、，负载率与气缸工作压力有关，取P0.40,查液压传动与气压传动表13-2P0.300.65由于气缸垂直安装，因此取P-4FP455,3.140.40.31060.02416(m)24.16(mm)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：一样%0.20.3,此选d0.2D0.2326.4mm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:FGi23(N)因此选择FGi23(N)的弹簧件。移动关节的设计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。台机械手能够只用一种驱动，也能够用几

11、种方式联合驱动，各类驱动的特点见表“3-1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制匕匕控性速度可图，速度和加速度均由机构控制，定位精度局，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，但控制系统复杂川图速，气体压缩性大，阻力果差，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

12、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，能在图温，粉尘维修方便，液体对温度变化敏等恶劣环境种使用，泄漏影响小感，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®D可以自己制造成本低成本较局结构简单，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

13、作迅速反映快，保护简单，利用平安。而且此处作使劲不大，因此选气压传动。气缸内型选择：因为活塞行程较长，往复运动，因此选双作用单活塞气缸，利用紧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d900129G2(-)2hg3.14()20.557800104.85(N)取为5NFGG1G22223550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,_2.2、F)P(3-4)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P0.40,查液压传动与气压传动表13-2P0.300.65由于气缸垂直安装，因此取P=o一样%0.20.3,

14、此选4F480八，、一，、660.03054(m)30.54(mm)P0.911063.140.40.30.91106按液压传动与气压传动表13-3选取40mm一样%0.20.3,此选d0.3D0.34012mm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(R2r2)hg3.14(0.02420.0202)0.5578001023.7(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25M小臂的设计臂部是机械手的要紧执行部件，其作用是支撑手部和腕部，要紧用来改变工件的位置。手部在空间的活动范围要紧取决于臂部的运动形式。设计时注意

15、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，经常使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。小臂结构的设计把小臂的截面设计成工字钢形式，如此抗弯系数大，使截面面积小，从而减轻小臂重量，使其经济、轻巧。初选10号工字钢。理论重11.261kg/m,Wy9.72cm3,h100mm,d4.5mm,小臂长为564mm较核：G小臂mg11.2610.61

16、067.57(N)取75No其受力如以下图：FiIu小将图3-2F=75+105=180(N)MFiLG小臂L1050.6750.392.625(N.m)M92.625厂39.53MPa100MPaWy9.72(102)3按材料力学公式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。依照Q警30.4MPa60MPahb100104.510因此选10号工字钢适合。(3-5)轴的设计计算大轴的直径取25mm材料为45号钢。受力如以下图：验算:F1F292.625_212.510962.25图3-3741(N)F=180N_323.14(12.510)1.96MPa60MPa因此适合。轴

17、承的选择因为上轴承只受径向，下轴经受轴向力和径向力，因此选用圆锥滚子轴承,按机械零件手册表9-61(GB297-84)选7304E,d=25mmc31.5KNc017.2KNe=。轴承的校核:因为此处轴承做低速的摆动，因此其失效形式是，接触应力过大，产生永久性的过大的凹坑(即材料发生了不许诺的永久变形)，按轴承静载能力选择的公式为：机械设计13-17C0S0P0其中Po为当量静载荷，S。为轴承静强度平安系数，取决于轴承的利用条件。按机械设计表3-8作摆动运动轴承，冲击及不均匀载荷，So11.5此处取。上轴经受纯径向载荷，PoFi741(N)因此S0P07411.51111.5(N)C017.2

18、(KN)因此轴承适合下轴经受径向和轴向载荷，PoX0RY°A；R为径向载荷；A为轴向载荷；XY别离为径向轴向载荷系数，其值按机械设计表13-5查取因为ar1807410.243e0.3因此X。1丫00P0X0RY0AR741N因此S0P07411.51111.5(N)C017.2(KN)因此轴承适合，小轴经受力很小，因此不用校核。轴承摩擦力矩的计算：若是C10(C为大体额定动载荷，P为所受当量动载荷)，可按机械P设计手册第二版公式：T0.5Fd估算其中：为转动轴承摩擦因数，F为轴承载荷，d为轴承内径查表机械设计手册第二版表得0.0011C17200P926.2518.5610,因此也

19、能够用此公式估算因此T10.5Fd0.50.0011962.250.020.010189(Nm)查表机械设计手册第二版表得0.0013,C27000P18015010,因此也能够用此公式估算因此T20.5Fd0.50.00131800.020.00234(Nm)T总T1T20.0101890.002340.0125(Nm)因为摩擦力矩小于，因此忽略不计。驱动选择因为所需驱动力小，精度要求不很高，因此选择操纵方便，输出转角无长期积存误差的步进电机。步进电机的选择：步距角要小，要知足最大静转矩，因为转速低不考虑矩频特性，按机电综合设计指导表2-11BF反映式步进电动机技术参数表查取，选45BF00

20、5,其要紧参数如下：步矩角度，电压27伏，最大静转矩，质量，外径45mm长度58mm$由径4mm0精度验证：600sin()7.86(mm)10(mm)能够知足精度要求，2为了提高精度，采纳一级齿轮传动i至3.5。乙Z1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20°则1z1m20120(mm)d2z2m70170(mm)*haham111(mm)*hf(hac)m(10.25)11.25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一，此处取1。则b1d1d20120mm为了避免两齿轮因装

21、配后轴向稍有错位而致使啮合齿宽减少，要适当加宽，因此取24mm大臂的设计结构的设计把大臂的截面设计成工字钢形式,轻小臂重量，使其经济、轻巧。如此抗弯系数大，使截面面积小，从而减选14号工字钢。理论重16.890kg/m,Wy16.1cm3,h140mm,d5.5mm,小臂长为658mm较核：G小臂mg16.8900.710126.675(N)取140N其受力如图：图3-4F=75+105+140=320(NJ)Fo(LiL2)G小臂L2)G大臂L22105(0.60.7)75卢0.7)2280.125(N.m)MWy280.125_2316.1(102)317.4MPa100MPa按材料力学公

22、式(3-6)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Q320_依照Q泮0.42MPa60MPahb1401035.5103因此选10号工字钢适合。轴的设计计算轴的直径取25mm材料为45号钢其受力如以下图：验算:FiF2280.12514102图3-52001(N)F=320NF1-2r2001323.14(12.510)4.08MPa60MPa因此适合。轴承的选择大轴轴承的选择：因为上轴承只受径向，下轴经受轴向力和径向力，因此选用圆锥滚子轴承，按机械零件手册表9-6-1(GB297-84)选7304E,d=25mmc31.5kNc017.2kNe=。轴承的校核因为此处轴承做

23、低速的摆动，因此其失效形式是，接触应力过大，产生永久性的过大的凹坑(即材料发生了不许诺的永久变形)，按轴承静载能力选择的公式为：机械设计13-17C0S0P0其中Po为当量静载荷，S。为轴承静强度平安系数，取决于轴承的利用条件。按机械设计表3-8作摆动运动轴承，冲击及不均匀载荷，S011.5此上轴经受纯径向载荷，PoF12001(N)因此S0Po20011.53001.5(N)C017.2(KN)因此轴承适合。下轴经受径向和轴向载荷，P°X°RY°A；R为径向载荷；A为轴向载荷；XY别离为径向轴向载荷系数，其值按机械设计表13-5查取因为%32%nni0.159e

24、。台；R2001因止匕X。1Y00P0X0RY0AR2001N因此S0Po20011.53001.5(N)C017.2(KN)因此轴承适合，小轴经受力很小，因此不用校核。轴承摩擦力矩的计算若是C10(C为大体额定动载荷，P为所受当量动载荷)，可按机械P设计手册第二版公式：T0.5Fd估算其中：为转动轴承摩擦因数，F为轴承载荷，d为轴承内径查表机械设计手册第二版表得0.0011,C29200P200114.5910,因此也能够用此公式估算因此T10.5Fd0.50.001120010.020.022011(Nm)查表机械设计手册第二版表得0.0013,2700032084.310,因此也能够用此

25、公式估算因此T20.5Fd0.50.00133200.020.00416(Nm)T总T1T20.0220110.004060.026071(Nm)此处摩擦力矩亦小于，忽略不计伺服系统的选择因为所需驱动力小，精度要求不很高，因此选择操纵方便，输出转角无长期积存误差的步进电机。步进电机的选择：步距角要小，要知足最大静转矩，因为转速低不考虑矩频特性，按机电综合设计指导表2-11BF反映式步进电动机技术参数表查取，选45BF005,其要紧参数如下：步矩角度，电压27伏，最大静转矩，质量，外径45mm长度58mm$由径4mm一人150、,、一，精度验证:1400sin()18.0325(mm)10(mm)2因此不能知足精度要求，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，采纳一级齿轮传动i至3.5。乙Z1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)