平面关节型机械手设计-毕设论文.doc

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 …………………… 2
2.1 总体方案分析 …………………………… 2
2.2 总体结构分析 …………………………… 3
第3章 机械手总体结构设计 …………………… 6
3.1 机械手手部设计…………………………… 6
3.2 移动关节的设计…………………………… 9
3.3 小臂的设计 ……………………………… 11
3.4 大臂的设计 ……………………………… 16
3.5 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。
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。
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。
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。
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，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。

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）。

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。

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。

图 2-1 结构实体图
根据实体图观察及设计要求描述，绘制机构简图，θ1为大臂回转角，由电动机驱动，θ2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。

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。

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 NNNNNNNNNNNN字。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

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。

3.1.1 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。

3.1.2 工件重量的计算

其中g取10m/s2
取G=22（N）

3.1.3 手指夹紧力的计算
（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 。
所以
取N=40（N）
驱动力的计算:
（3-2）

图3-1
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2-2 这里取 0.85，所以

取p=50(N)
活塞手抓重量的估算:

r为杆的半径，h为长度，g取10m/s2
3.1.4 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。
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。
(3-3)
D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，查《液压传动与气压传动》表13-2 由于气缸垂直安装，所以取P=0.3。

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，此选0.2
mm
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
弹簧力的F的估算:

所以选择的弹簧件。

3.2 移动关节的设计

3.2.1 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
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

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。
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

取为5N

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
（3-4）
D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，查《液压传动与气压传动》表13-2 由于气缸垂直安装，所以取P=0.3。一般，此选0.3

按《液压传动与气压传动》表13-3选取40mm。
一般，此选0.3
mm
气缸壁厚的计算：
按《液压传动与气压传动》表13-5查得。
气缸重量的计算：

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，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。手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式。

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。
(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。

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10号工字钢。理论重,小臂长为564mm。
较核：（N）取75N。其受力如下图:

图3-2

F=75+105=180（N）

按《材料力学》公式5.11
（3-5）
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
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：
F=180N

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， e=0.3。
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
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,此处取1.5。
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,；
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13－5查取
因为
所以
所以
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: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。
，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16.1-29得，
，所以也可以用此公式估算
所以

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，
为了提高精度，采用一级齿轮传动.5。
的齿数为20，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
则

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0.9—1.4, 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。

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，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,小臂长为658mm。
较核：（N）
取140N
其受力如图:

图3-4
F=75+105+140=320（N）

按《材料力学》公式5.11
（3-6）
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
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:

图3-5
验算：
F=320N

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9-6－1（GB 297-84）选7304E，d=25mm e=0.3。
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
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。
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,；
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13－5查取
因为 ；
所以
所以
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: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，
，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16.1-29得，
，所以也可以用此公式估算
所以

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，
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:
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.5。
的齿数为20，的齿数为70。
按《机械原理》表8-2标准模数系列表（GB1357-87）取m1，取
则

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0.9—1.4,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。

3.5 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。

3.5.1 设计时注意的问题
(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。
由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。

结束语

在这次毕业设计中，我有很多收获，首先把我几年来所学的知识做了一次系统的复习，更深一步了解了所学的知识，培养了我综合运用所学知识，独立分析问题和解决问题的能力，也使我学会怎样更好的利用图书馆，网络查找资料和运用资料，还使我学会如何与同学共同讨论问题。同时也遇到很多问题，如设计综合考虑不够周全。但这对我以后的工作有很大的帮助,今后我会在工作中不断的学习,努力的提高自己的水平。
最后感谢学校、学院各位老师几年来给我的教育和培养，特别感谢我的指导师给我精心的指导

参考文献

[1] 周伯英.工业机器人设计.北京:机械工业出版社，1995
[2] 龚振帮.机器人机械设计.武汉:电子工业出版社，1995
[3]（日）藤森洋三. 机构设计.北京:机械工业出版社，1990
[4]（日）加藤一郎. 机械手图册.上海:上海科技出版社，1989
[5] 成大先.机械设计图册（五）.成都:化学工业出版社，1999
[6] 刘鸿文. 材料力学.北京:高等教育出版社，1999
[7] 濮良贵 纪名刚.机械设计.北京:高等教育出版社，2000
[8] 周开勤.机械零件手册.北京:高等教育出版社，1993
[9] 吴振彪.工业机器人.武汉:华中理工出版社，1998