平面关节型机械手设计Word格式文档下载.docx

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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

[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]SelectiveComplianceAssemblyRobotArmhavetwoslewjointsandonemovejoints,twoslewjointscontrolthemovingofthefrontandbackleftandright.themovejointscontrolthemovingofupanddown.theworkroomasworkroomdrawing.theverticalsectionisarectangleslew.thehighoftheverticalsectionismovejoints’journey,themoveangleofthetwoslewjointsdecidethebigandsmallandfigureoftheverticalsection.

Keywords:

manipulatoraxletreecylinder

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SCARA型装配机器人，是SelectiveComplianceAssemblyRobotArm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1-1

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

1.2结构特点如下图：

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。

2.2零件的计算

其中g取10

取G=23（N）

2.3紧力的计算：

2.3.1

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2-5f=0.15

所以

取N=40（N）

驱动力的计算

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=55（N）

2.3.2活塞手抓重量的估算

r为杆的半径，h为长度，g取10

2.3.3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

气压缸内径D的计算

按《液压传动与气压传动》公式13-1

D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由于汽缸垂直安装，所以取P=0.3。

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0.2

mm

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

弹簧力的F的计算

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，动作迅速反映快，维护简单，使用安全。

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=12mm，估算其重量

取5N

取80N

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

一般，此选0.3

按《液压传动与气压传动》表13-3圆整取40mm.

汽

缸重量的计算

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25N

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。

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。

4.2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。

选10号工字钢。

理论重,小臂长为600mm。

较核：

（N）

取75N

其受力如下图:

F=75+105=180（N）

按《材料力学》公式5.11

其中h为工字钢的高度，b为工字钢的腰宽，Q为所受的力。

所以选10号工字钢合适。

3．3轴的设计计算

大轴的直径取20mm，材料为45号钢。

受力如下图:

验算：

F=180N

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9-6－1（GB297-84）选7304E，d=20mme=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

XY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

因此轴承合适

小轴承受力很小，所以不用教核

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