平面關節(jié)型機械手設計說明書

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　設計要求…………………………………………………1</p><p>　　摘要………………………………………………………2</p><p>　　第1章 總體設計……………………………………… 2</p><p>　　第2章 手指設計………………………………………

2、 4</p><p>　　第3章 移動關節(jié)設計………………………………… 6</p><p>　　第4章 小臂設計……………………………………… 8</p><p>　　第5章 大臂設計………………………………………12</p><p>　　第6章 機身設計………………………………………16</p><p>　　翻譯…

3、………………………………………………… 17</p><p>　　鳴謝…………………………………………………… 22</p><p>　　參考文獻……………………………………………… 22</p><p>　　成績評定……………………………………………… 23</p><p><b>　　設計要求</b></p&g

4、t;<p>　　一、 通過設計平面關節(jié)型機械手，培養(yǎng)綜合運用所學知識，分析問題和解決問題的能力。</p><p>　　有關資料：上下料搬運機械手，3個自由度，平面關節(jié)型；需要搬運的工件：環(huán)類零件，內(nèi)孔直徑50mm；高150mm,厚10mm,（只能從內(nèi)孔夾持工件），材料40鋼，將工件從一條輸送線搬運到與之平行的另一條輸送線上，（兩輸送線距離為2.5m,高度差0.4m）。</p><

5、p>　　要求：設計方案和計算正確，敘述清楚，圖紙符合規(guī)范。翻譯一篇有關外文資料。</p><p><b>　　二、 圖紙：</b></p><p><b>　　1.機械手機構簡圖</b></p><p><b>　　2.工作空間投影圖</b></p><p>　　3.機械

6、手傳動原理圖</p><p><b>　　4.機械手裝配圖</b></p><p><b>　　5.零件圖</b></p><p><b>　　三、 實習：</b></p><p>　　1.本校機械實驗室組裝各類機械手模型。</p><p>　　2.學習

7、工業(yè)機械人設計方面知識。</p><p><b>　　四、 參考書：</b></p><p>　　1. 《工業(yè)機器人設計》 周伯英 機械工業(yè)出版社 1995</p><p>　　2. 《機器人機械設計》 龔振幫 電子工業(yè)出版社 1995</p><p>　　3. 《機構設計》 （日）藤森洋三 機械工業(yè)出版社 1990&l

8、t;/p><p>　　4. 《機械手圖冊》（日）加藤一郎 上?？萍汲霭嫔?1989</p><p>　　5. 《機械設計圖冊》（5）成大先 化學工業(yè)出版社 1999</p><p><b>　　五、 進度：</b></p><p>　　3月24日到4月25日 實習，擬訂設計方案</p><p>　　

9、4月264日到5月3日 機械手傳動原理圖</p><p>　　5月4日到5月17日 機械手裝配圖</p><p>　　5月18日到5月24日 零件圖</p><p>　　5月25日到6月1日 寫說明書</p><p>　　平面關節(jié)型機械手設計</p><p>　　[摘要] 平面關節(jié)型機械手采用兩個回轉關節(jié)和一個

10、移動關節(jié)；兩個回轉關節(jié)控制前后左右運動，而移動關節(jié)則實現(xiàn)上下運動，其工作空間如工作空間圖，它的縱截面為矩形的回轉體，縱截面高為移動關節(jié)的行程長，兩回轉關節(jié)轉角的大小決定回轉體截面的大小、形狀。</p><p>　　關鍵詞: 機械手 軸承 汽缸</p><p>　　[Abstract] Selective Compliance Assembly Robot Arm have two slew

11、 joints and one move joints , two slew joints control the moving of the front and back left and right . the move joints control the moving of up and down . the work room as work room drawing . the vertical section is a r

12、ectangle slew . the high of the vertical section is move joints’ journey ,the move angle of the two slew joints decide the big and small and figure of the vertical section .</p><p>　　Key words: manipulator a

13、xletree cylinder </p><p>　　第1章 機械手總體設計</p><p>　　工業(yè)機械手是一種模仿人手部分動作，按照預先設定的程序，軌跡或其他要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操作工具的自動化裝置。它在二十世紀五十年代就已用于生產(chǎn)，是在自動上下料機構的基礎上發(fā)展起來的一種機械裝置，開始主要用來實現(xiàn)自動上下料和搬運工件，完成單機自動化和生產(chǎn)線自動化，隨著應用范圍的不段擴大，現(xiàn)在

14、用來夾持工具和完成一定的作業(yè)。實踐證明它可以代替人手的繁重勞動，減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率。</p><p>　　平面關節(jié)型機器人又稱SCARA型裝配機器人，是Selective Compliance Assembly Robot Arm的縮寫，意思是具有選擇柔順性的裝配機器人手臂。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結構簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝

15、配，如在電子工業(yè)零件的插接、裝配中應用廣泛。</p><p>　　總體設計的任務：包括進行機械手的運動設計，確定主要工作參數(shù)，選擇驅動系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，整體結構設計，最后繪出方案草圖。</p><p>　　1.1 主要技術參數(shù)見表1-1</p><p><b>　　表1-1</b></p><p>　　1.2 結構特點如下

16、圖：</p><p><b>　　第2章 手指設計</b></p><p>　　工業(yè)機械手的手部是用來抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、準確和牢靠程度都將直接影響到工業(yè)機械手的工作性能，它是工業(yè)機械手的關鍵部件之一。</p><p>　　2.1 設計時要注意的問題：</p><p>　　(1) 手指應有足夠的夾緊

17、力，為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮夾持工件的重力外，還應考慮工件在傳送過程中的動載荷。</p><p>　　(2) 手指應有一定的開閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關，而且應注意手部接近工件的運動路線及其方位的影響。</p><p>　　(3) 應能保證工件在手指內(nèi)準確定位。</p><p>　　(4) 結構盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結構設計。</p&

18、gt;<p>　　(5) 根據(jù)應用條件考慮通用性。</p><p>　　2.2 零件的計算</p><p><b>　　其中g取10</b></p><p><b>　　取G=23（N）</b></p><p>　　2.3 緊力的計算：</p><p><

19、;b>　　2.3.1 </b></p><p>　　f為手指與工件的靜摩擦系數(shù)，工件材料為40號鋼，手指為鋼材，查《機械零件手冊》 表2-5 f=0.15</p><p><b>　　所以 </b></p><p><b>　　取N=40（N）</b></p><p>&l

20、t;b>　　驅動力的計算</b></p><p>　　為斜面傾角，，為傳動機構的效率，這里為平摩擦傳動，</p><p>　　查《機械零件手冊》表2-2 這里取 0.85</p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　　取p=55(N)</b></p

21、><p>　　2.3.2 活塞手抓重量的估算</p><p>　　r為桿的半徑，h為長度，g取10</p><p>　　2.3.3 汽缸的設計</p><p>　　因為氣壓工作壓力較低，對氣動組件的材質和精度要求較液壓底，無污染，動作迅速反映快，維護簡單，使用安全。而且此處作用力不大，所以選氣壓傳動。</p><p>　　

22、汽缸內(nèi)型選擇，由于行程短，選單作用活塞汽缸，借彈簧復位。</p><p><b>　　汽缸的計算</b></p><p><b>　　氣壓缸內(nèi)徑D的計算</b></p><p>　　按《液壓傳動與氣壓傳動》公式 13-1 </p><p>　　D為汽缸的內(nèi)徑(m)，P為工作壓力（Pa）,為負載率，負

23、載率與汽缸工作壓力有關，取，查《液壓傳動與氣壓傳動》表13-2 由于汽缸垂直安裝，所以取P=0.3。</p><p>　　按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-3圓整取32mm.</p><p><b>　　活塞桿直徑d的計算</b></p><p><b>　　一般，此選0.2</b></p><p>

24、<b>　　mm</b></p><p>　　按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-4 圓整取8mm</p><p><b>　　汽缸壁厚的計算</b></p><p>　　按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-5查得</p><p><b>　　彈簧力的F的計算</b></p>

25、;<p>　　第3章 移動關節(jié)的設計計算</p><p>　　3.1驅動方式的比較</p><p>　　機械手的驅動系統(tǒng)有液壓驅動，氣壓驅動，電機驅動，和機械傳動四種。一臺機械手可以只用一種驅動，也可以用幾種方式聯(lián)合驅動，各種驅動的特點見表3-1。</p><p><b>　　3.2汽缸的設計</b></p><

26、;p>　　因為氣壓工作壓力較低，對氣動組件的材質和精度要求較液壓底，無污染，動作迅速反映快，維護簡單，使用安全。而且此處作用力不大，所以選氣壓傳動。</p><p>　　汽缸內(nèi)型選擇：因為活塞行程較長，往復運動，所以選雙作用單活塞汽缸，利用壓縮空氣使活塞向兩個方向運動。</p><p>　　初選活塞桿直徑d=12mm，估算其重量</p><p><b&g

27、t;　　取5N</b></p><p><b>　　取80N</b></p><p><b>　　表3-1</b></p><p><b>　　氣壓缸內(nèi)徑D的計算</b></p><p>　　按《液壓傳動與氣壓傳動》公式 13-1 </p><p

28、>　　D為汽缸的內(nèi)徑(m)，P為工作壓力（Pa）,為負載率，負載率與汽缸工作壓力有關，取，查《液壓傳動與氣壓傳動》表13-2 由于汽缸垂直安裝，所以取P=0.3。一般，此選0.3</p><p>　　按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-3圓整取40mm.</p><p><b>　　一般，此選0.3</b></p><p><b>

29、　　mm</b></p><p><b>　　汽缸壁厚的計算</b></p><p>　　按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-5查得</p><p><b>　　汽</b></p><p><b>　　缸重量的計算</b></p><p>　　其

30、中：R為汽缸外徑，r為汽缸內(nèi)徑，h為汽缸長度，g取10，為汽缸材料密度</p><p><b>　　取25N</b></p><p><b>　　第4章 小臂的設計</b></p><p>　　臂部是機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支撐手部和腕部，主要用來改變工件的位置。手部在空間的活動范圍主要取決于臂部的運動形式。<

31、/p><p>　　4.1 設計時注意的問題</p><p>　　(1) 剛度要好，要合理選擇臂部的截面形狀和輪廓尺寸，空心桿比實心桿剛度大的多，常用鋼管做臂部和導向桿，用工字鋼和槽鋼左支撐板，以保證有足夠的剛度。</p><p>　　(2) 偏重力矩要小，偏重力矩時指臂部的總重量對其支撐或回轉軸所產(chǎn)生的力矩。</p><p>　　(3) 重量要輕

32、，慣量要小，為了減輕運動時的沖擊，除采取緩沖外，力求結構緊湊，重量輕，以減少慣性力。</p><p>　　(4) 導向性要好。</p><p>　　4.2 小臂結構的設計</p><p>　　把小臂的截面設計成工字鋼形式，這樣抗彎系數(shù)大，使截面面積小，從而減輕小臂重量，使其經(jīng)濟、輕巧。</p><p>　　選10號工字鋼。理論重,小臂長為60

33、0mm。</p><p><b>　　較核：（N）</b></p><p><b>　　取75N</b></p><p><b>　　其受力如下圖:</b></p><p>　　F=75+105=180（N）</p><p>　　按《材料力學》公式5.1

34、1 </p><p>　　其中h為工字鋼的高度，b為工字鋼的腰寬，Q為所受的力。</p><p><b>　　所以</b></p><p>　　所以選10號工字鋼合適。</p><p><b>　　3 軸的設計計算</b></p><p>　　大軸的直徑取20mm，材料為4

35、5號鋼。</p><p><b>　　受力如下圖:</b></p><p><b>　　驗算：</b></p><p><b>　　F=180N </b></p><p><b>　　所以合適</b></p><p><b&g

36、t;　　4.4 軸承的選擇</b></p><p>　　因為上軸承只受徑向，下軸承受軸向力和徑向力，所以選用圓錐滾子軸承，按《機械零件手冊》表9-6－1（GB 297-84）選7304E，d=20mm e=0.3</p><p><b>　　軸承的校核</b></p><p>　　因為此處軸承做低速的擺動，所以其失效形式是，接觸應

37、力過大，產(chǎn)生永久性的過大的凹坑（即材料發(fā)生了不允許的永久變形），按軸承靜載能力選擇的公式為：</p><p>　　《機械設計》13-17 </p><p>　　其中為當量靜載荷，為軸承靜強度安全系數(shù)，取決于軸承的使用條件。按《機械設計》表3-8 作擺動運動軸承,沖擊及不均勻載荷,此處1.5.</p><p>　　上軸承受純徑向載荷,</p>

38、<p><b>　　所以</b></p><p><b>　　因此軸承合適.</b></p><p>　　下軸承受徑向和軸向載荷,</p><p><b>　　R為徑向載荷</b></p><p><b>　　A為軸向載荷</b></p&g

39、t;<p>　　X Y分別為徑向軸向載荷系數(shù)，其值按《機械設計》表13－5查取</p><p><b>　　因為 </b></p><p><b>　　所以 </b></p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　　因此軸承合適&

40、lt;/b></p><p>　　小軸承受力很小，所以不用教核</p><p>　　4.5 軸承摩擦力矩的計算：</p><p>　　如果 （C為基本額定動載荷，P為所受當量動載荷），可按《機械設計手冊》第二版 (16.1-13)公式:</p><p><b>　　估算</b></p><p&

41、gt;　　其中:為滾動軸承摩擦因數(shù)，F(xiàn)為軸承載荷，d為軸承內(nèi)徑。</p><p>　　查表《機械設計手冊》第二版 表16.1-29得</p><p>　　，所以也可以用此公式估算</p><p><b>　　所以</b></p><p>　　查表《機械設計手冊》第二版 表16.1-29得，</p><

42、p>　　，所以也可以用此公式估算</p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　　取0.1</b></p><p><b>　　4.6 驅動選擇</b></p><p>　　因為所需驅動力小，精度要求不很高，所以選擇控制方便，輸出轉角無長期積累誤差的

43、步進電機。</p><p>　　步進電機的選擇：步距角要小，要滿足最大靜轉矩，因為轉速低不考慮矩頻特性，按《機電綜合設計指導》表2-11 BF反應式步進電動機技術參數(shù)表查取，</p><p>　　選45BF005，其主要參數(shù)如下：</p><p>　　步矩角1.5度，電壓27伏，最大靜轉矩0.196N.M，質量0.4kg,外徑45mm,長度58mm,軸徑4mm。&l

44、t;/p><p>　　精度驗證:能夠滿足精度要求，</p><p>　　為了提高精度，采用一級齒輪傳動.5</p><p>　　的齒數(shù)為20，的齒數(shù)為70。</p><p>　　按《機械原理》表8-2標準模數(shù)系列表（GB1357-87）取m=1，取</p><p><b>　　則</b></p&

45、gt;<p><b>　　齒輪寬度計算：</b></p><p>　　按《機械設計》表10-7 圓柱齒輪的齒寬度系數(shù)</p><p>　　兩支承相對小齒輪作對稱布置取0.9—1.4,此處取1</p><p><b>　　則</b></p><p>　　為了防止兩齒輪因裝配后軸向稍有錯位

46、而導致嚙合齒寬減少，要適當加寬，所以取24mm</p><p>　　第5章 大臂的設計計算</p><p><b>　　5.1 結構的設計</b></p><p>　　把大臂的截面設計成工字鋼形式，這樣抗彎系數(shù)大，使截面面積小，從而減輕小臂重量，使其經(jīng)濟、輕巧。</p><p>　　選14號工字鋼。理論重,小臂長為700

47、mm。</p><p><b>　　較核：（N）</b></p><p><b>　　取140N</b></p><p><b>　　其受力如圖:</b></p><p>　　F=75+105+140=320（N）</p><p>　　按《材料力學》公式

48、5.11 </p><p>　　其中h為工字鋼的高度，b為工字鋼的腰寬，Q為所受的力。</p><p><b>　　所以</b></p><p>　　所以選10號工字鋼合適。</p><p>　　5.2 軸的設計計算</p><p>　　軸的直徑取20mm，材料為45號鋼。</p>

49、<p><b>　　其受力如下圖:</b></p><p><b>　　驗算：</b></p><p><b>　　F=320N</b></p><p><b>　　所以合適</b></p><p><b>　　5.3軸承的選擇&l

50、t;/b></p><p>　　大軸軸承的選擇：因為上軸承只受徑向，下軸承受軸向力和徑向力，所以選用圓錐滾子軸承，按《機械零件手冊》表9-6－1（GB 297-84）選7304E，d=20mm e=0.3</p><p><b>　　軸承的校核</b></p><p>　　因為此處軸承做低速的擺動，所以其失效形式是，接觸應力過大，產(chǎn)生永

51、久性的過大的凹坑（即材料發(fā)生了不允許的永久變形），按軸承靜載能力選擇的公式為：</p><p>　　《機械設計》13-17 </p><p>　　其中為當量靜載荷，為軸承靜強度安全系數(shù)，取決于軸承的使用條件。按《機械設計》表3-8 作擺動運動軸承,沖擊及不均勻載荷,此處1.5.</p><p>　　上軸承受純徑向載荷,</p><p&g

52、t;<b>　　所以</b></p><p><b>　　因此軸承合適.</b></p><p>　　下軸承受徑向和軸向載荷,</p><p><b>　　R為徑向載荷</b></p><p><b>　　A為軸向載荷</b></p><

53、;p>　　X Y分別為徑向軸向載荷系數(shù)，其值按《機械設計》表13－5查取</p><p><b>　　因為 </b></p><p><b>　　所以 </b></p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　　因此軸承合適</b&g

54、t;</p><p>　　小軸承受力很小，所以不用教核</p><p>　　5.4 軸承摩擦力矩的計算</p><p>　　如果 （C為基本額定動載荷，P為所受當量動載荷），可按《機械設計手冊》第二版 (16.1-13)公式:</p><p><b>　　估算</b></p><p>　　其中:

55、為滾動軸承摩擦因數(shù)，F(xiàn)為軸承載荷，d為軸承內(nèi)徑。</p><p>　　查表《機械設計手冊》第二版 表16.1-29得，</p><p>　　，所以也可以用此公式估算</p><p><b>　　所以</b></p><p>　　查表《機械設計手冊》第二版 表16.1-29得，</p><p>　　

56、，所以也可以用此公式估算</p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　　取0.1</b></p><p>　　5.5 伺服系統(tǒng)的選擇</p><p>　　因為所需驅動力小，精度要求不很高，所以選擇控制方便，輸出轉角無長期積累誤差的步進電機。</p><p&

57、gt;　　步進電機的選擇：步距角要小，要滿足最大靜轉矩，因為轉速低不考慮矩頻特性，按《機電綜合設計指導》表2-11 BF反應式步進電動機技術參數(shù)表查取，</p><p>　　選45BF005，其主要參數(shù)如下：</p><p>　　步矩角1.5度，電壓27伏，最大靜轉矩0.196N.M，質量0.4kg,外徑45mm,長度58mm,軸徑4mm。</p><p><

58、b>　　精度驗證:</b></p><p>　　所以不能滿足精度要求,不能直接傳動,要變速機構</p><p>　　在此選用直齒圓柱齒輪</p><p>　　為了提高精度，采用一級齒輪傳動.5</p><p>　　的齒數(shù)為20，的齒數(shù)為70。</p><p>　　按《機械原理》表8-2標準模數(shù)系列表（

59、GB1357-87）取m=1，取</p><p><b>　　則</b></p><p><b>　　齒輪寬度計算：</b></p><p>　　按《機械設計》表10-7 圓柱齒輪的齒寬度系數(shù)</p><p>　　兩支承相對小齒輪作對稱布置取0.9—1.4,此處取1</p><p

60、><b>　　則</b></p><p>　　為了防止兩齒輪因裝配后軸向稍有錯位而導致嚙合齒寬減少，要適當加寬，所以取24mm</p><p><b>　　第6章 機身的設計</b></p><p>　　機身是支承臂部的部件，升降，回轉和俯仰運動機構等都可以裝在機身上。</p><p>　　6

61、.1 設計時注意的問題</p><p>　　(1) 要有足夠的剛度和穩(wěn)定性。</p><p>　　(2) 運動要靈活，升降運動的導套長度不宜過短，否則可能產(chǎn)生卡死現(xiàn)象；一般要有導向裝置。</p><p>　　(3)結構布置要合理，便于裝修。</p><p>　　6.2 由于此設計要求為三個自由度，所以此處無運動要求，只用來支承。只要剛度能滿足

62、就行了，高度可根據(jù)自動線的高低確定。</p><p><b>　　鳴謝</b></p><p>　　在這次畢業(yè)設計中，我有很多收獲，首先把我?guī)啄陙硭鶎W的知識做了一次系統(tǒng)的復習，更深一步了解了所學的知識，培養(yǎng)了我綜合運用所學知識，獨立分析問題和解決問題的能力，也使我學會怎樣更好的利用圖書館，網(wǎng)絡查找資料和運用資料，還使我學會如何與同學共同討論問題。同時也遇到很多問題，如

63、設計綜合考慮不夠周全。但這對我以后的工作有很大的幫助,今后我會在工作中不斷的學習,努力的提高自己的水平。最后感謝學校、學院各位老師4年來給我的教育和培養(yǎng)，特別感謝我的導師給我精心的指導。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1. 《工業(yè)機器人設計》 周伯英 機械工業(yè)出版社 1995</p><p>　　2. 《機器

64、人機械設計》 龔振幫 電子工業(yè)出版社 1995</p><p>　　3. 《機構設計》 （日）藤森洋三 機械工業(yè)出版社 1990</p><p>　　4. 《機械手圖冊》（日）加藤一郎 上?？萍汲霭嫔?1989</p><p>　　5. 《機械設計圖冊》（5）成大先 化學工業(yè)出版社 1999</p><p>　　6. 《材料力學》