平面关节型机械手设计二

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1、 平面关节型机械手设计平面关节型机械手设计 第一章第一章 绪绪 论论 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

2、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。 第二章第二章 平面关节型平面

3、关节型机械手总体机械手总体方案方案设计设计 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 2.1.1 平面关节型机械手平面关节型机械手总体方案总体方案分析分析 2.1.1 2.1.1 设计任务设计任务 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

4、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 2.1.22.1.2 方案选择方案选择 根据设计设计要

5、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。 2.2.2 2 平面关节型机械手平面关节型机械手总体总体结构结构分析分析 2.2.12.2.1 结构特点分析结构特点分析 根据设计要求和参数表分析得出，机械手分为机身、

6、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，1为大臂回转角，由电动机驱动， 2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 2.2.2 工作原理分析工作原理分析 本次

7、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 第三章第三章 平面关节型平面关节型机械机械手总体结构设计手总体结构设计 3.13.1 机械手手部设计机械手手部设计 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

8、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 3.1.1 设计时要注意的问题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 3.1.2 工件重量工件重量的的计算计算 )(0428.221010282

9、6007800)(282600150)2535(14. 3)(932222kgvgmgGvmmmhrRV其中 g 取 10m/s2 取 G=22（N） 3.1.33.1.3 手指夹手指夹紧力的计算紧力的计算 GfN 4 （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 33.3815. 0423 4fGN 取 N=40（N） 驱动力的计算: 14NtgP （3-2） 图 3-1 为斜面倾角，o15，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 92. 085. 0 这里取 0.85，所以 44.5

10、085. 01401540tgP 取 p=50(N) 活塞手抓重量的估算: )(231078001502514. 322 1NghrG r 为杆的半径，h 为长度，g 取 10m/s2 3.1.43.1.4 气气缸的设计缸的设计 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。 PDF42 (3-3) D 为气缸的内径(m)，P 为工作压力（Pa）,为负载率，负

11、载率与气缸工作压力有关，取40. 0P，查液压传动与气压传动表 13-2 65. 030. 0P由于气缸垂直安装，所以取 P=0.3。 )(16.24)(02416. 0103 . 04 . 014. 355446mmmPFD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3 . 02 . 0Dd，此选 0.2 4 . 6322 . 02 . 0Ddmm 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: )(231NGF 所以选择)(231NGF的弹簧件。 3.23.2 移动关节的

12、设计移动关节的设计 3.2.1 3.2.1 驱动方式的比较驱动方式的比较 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

13、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

14、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 3.2.2 .2.2 气气缸的设计缸的设计 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

15、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 )(85. 410780055. 0)2012. 0(14. 3)2(22 2NghdG 取为 5N 505232221GGGF 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 PdDF4)(22 （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40. 0P，查液压传动与气压传动表 13-2 65. 030. 0P由于气缸垂直安装，所以取 P=0.3。一般3 . 02 . 0Dd，此选 0.3 )(54.30)(03054. 01091. 03 . 04 . 014. 3804 1091. 0466mmmPFD按液压传动与气压传动表 13-3 选取 40mm。 一般3 . 02 . 0Dd，此选 0.3 12403 . 03 . 0Ddmm 气缸壁厚的计算： 按