平面关节型机械手设计

-PAGE1-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[Abstract]SelectiveComplianceAssemblyRobotArmhavetwoslewjointsandonemovejoints,twoslewjointscontrolthemovingofthefrontandbackleftandright.themovejointscontrolthemovingofupanddown.theworkroomasworkroomdrawing.theverticalsectionisarectangleslew.thehighoftheverticalsectionismovejoints’journey,themoveangleofthetwoslewjointsdecidethebigandsmallandfigureoftheverticalsection.Keywords:manipulatoraxletreecylinder

目录目录 2设计要求 3第1章机械手总体设计 41.1 主要技术参数 41.2 结构特点 4第2章手指设计 62.1设计时要注意的问题 62.2零件的计算 6第3章移动关节的设计计算 93.1驱动方式的比较 93.2汽缸的设计 9第4章小臂的设计 124.1设计时注意的问题 124.2小臂结构的设计 124.3轴的设计计算 134.4轴承的选择 134.5轴承摩擦力矩的计算 144.6驱动选择 15第5章大臂的设计计算 175.1结构的设计 175.2轴的设计计算 175.3轴承的选择 185.4轴承摩擦力矩的计算 195.5伺服系统的选择 20第6章机身的设计 216.1设计时注意的问题 216.2设计方案确定 21翻译 22鸣谢 27参考文献 28

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2.5m,高度差0.4m）。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：1.本校机械实验室组装各类机械手模型。2.学习工业机械人设计方面知识。四、参考书：1.《工业机器人设计》周伯英机械工业出版社19952.《机器人机械设计》龚振帮电子工业出版社19953.《机构设计》（日）藤森洋三机械工业出版社19904.《机械手图册》（日）加藤一郎上海科技出版社19895.《机械设计图册》（5）成大先化学工业出版社1999

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。主要技术参数主要技术参数见表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气缸驱动行程开关控制结构特点结构特点如下图：

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：2.3.1f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102.3.3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13-1D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0.2mm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。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=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13-1D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。一般，此选0.3按《液压传动与气压传动》表13-3圆整取40mm.一般，此选0.3mm汽缸壁厚的计算按《液压传动与气压传动》表13-5查得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。所以所以选10号工字钢合适。4.3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，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取0.14.6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2-11BF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

第5章大臂的设计计算5.1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700mm。较核：（N）取140N其受力如图:F=75+105+140=320（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。所以所以选10号工字钢合适。5.2轴的设计计算轴的直径取20mm，材料为45号钢。其受力如下图:验算：F=320N所以合适5.3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（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查取因为所以所以因此轴承合适小轴承受力很小，所以不用教核5.4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取0.15.5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2-11BF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

第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。6.1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。6.2设计方案确定由于此设计为三个自由度，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。

翻译Currentdrivelineconcepts1.EnginedevelopmentsGasolineandDieselenginesarethedominantdriveunitsoftoday.Hybridconceptsandfuelcellshavesofaronlyconqueredmarketnichesorhavenotyetdevelopedbeyondthedesignstage.Newinjectiontechnologies,suchaspumpnozzleandcommonrail,arenowcommonforDieselengines.Thisresultedinsignificantfuelsavingsandimproveddrivingdynamicsduetoraisedtorqueandperformance.Presently,multi-pointinjectionisthedominantmethodforgasengineconcepts.Increasinglystringentemissionlaws,therequirementsoftheEuropeanParliamentandthevoluntarycommitmentoftheEuropeanautomobileindustrytoreducetheaverageCO2emissionofnewlyregisteredpassengercarsby25%bytheyear2008comparedtotheyear1995,willrequiresignificantreductionsinfleetconsumptionandemissionswithinthenextfewyears.thiswillresultinadiversificationofdriveconceptsforgasengines.DIversionswillsharethemarketwithdisplacementreduced,superchargedengines,electromechanicalandmechanicalvalve-gearsystemsandtheircombinations.Thefuture-orientedconceptsofcompletede-throttlingofthegasenginebymeansofchargestratificationorvolumetricefficiencycontrolandshiftingoftheloadcycleintotheefficiency-optimalrangeoftheenginegraphwilldecisivelycontributetothetechnologyofthegasengineinthecomingdecades.Downsizingandsuperchargingwillsignificantlyraisespecificmaximumenginetorquelevelsinthenextfewyears.2.TransmissiontypesTheManualTransmission/MTandtheAutomaticTransmission/ATarethetransmissionspresentlyfirmlyestablishedinthemarket.ForsomeyearsthemarkethasseentheappearanceoftheAutomatedManualTransmission/AMTandtheContinuouslyVariableTransmission/CVT,whosesharesinthemarketarestillverysmall.Manualtransmissionsarecheap,ofrelativelysmallsize,andtheirspurgearsprovidegoodefficiency,Consumptionlargelydependsonthedriver’sshiftingstyleandthevehicleconcept.Thecomfortofanautomatictransmissionisapproachedthroughautomatedshiftingandcluthing.Moregearssndtheconcomitantenhancedspacingalsoincreasecomfort.Highefficiency,favorableweightandlowcostarefactorsthatateretained.Tractioninterruption,associatedwithautomatedshiftingandregardedasimpairingcomfort,willbereducedinfutureAMTsbyanoptimizedgearshiftprocess.Thepowershiftingdouble-clutchtransmissionwithtwoseparatetransmissioninputshaftsispartofthisdevelopment.Gearsarepreselectedintheload-freesectionofthetransmission,gearstepsatechangedunderfullloadthroughcontrolledtrolledtorquetransferfromthefirsttothesecondclutch.Atshaveundergoneacontinuousdevelopmentprocessinrecentyearsanhavebecomeevenmorecomfortable,lighterandeconomical.Newgearsetcomfortable,lighterandeconomical.Newgearsetconceptsandmoregearstepswillcontinuethistrend.Theirveryhighlevelofcomfort,however,isassociatedwithacomplexdesignandarelativelyhighweightandlimitedefficiency.ComfortableshiftingwiththeCVTisprinciplerelated.Accelerationideallyfollowsthetractionhyperbola,Theinitialenginespeedincreasefllowedbycomtinuostransmissionratiovariation,however,isnew.Thereisadelaybetweentheinitiationofaccelerationandthefollowingresponse.Thehydraulicallyproducedfrictionalconnectioninthevariator,whichtransfersthetorquetotheoutput,suggestsincreasedconsumption.Widespacing,however,lowersthisforvehicleswithmanualtransmissions.3.StartingcomponentsToday,therebasicconceptsareavailableforshiftingandstarting:.thedryclutch;.thewetclutch;.thetorqueconverter;Thedryclutchisknownfor.itsverygoodefficiency;.itsgoodcontrollability;.itsdragtorque–freefeature:.itsrelativelysmallmassmomentofinertia.Theverygoodefficiencyofthenormally-closeddryclutchisduetotheabsenceofauxiliarypower.Othersolutionsalwaysneedpressureandthusadditionalpowerinthebridgedorclosedcondition.Wetclutchadvantageare:.littlemass;.verysmallmassmomentofinertia;.verygoodcontrollability;.highpowerdensityandgreattorquecapacity.Thewetclutchisthereforeoptimallysuitedforvehicleswithsmallinstallationspaceandveryhightorquelevels.Duetoitsfunctionasahydrodynamichydraulictransmission,thetorqueconverterwithorwithoutslip-controlledlockupclutchandtorsionalvibrationdamperoffers..efficiencyadvantagesinthenon-bridgedconditionand.andatorquetranslatedbythehydraulictransmissionaswellas.overloadprotection

目前的传动系概念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