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1、机械手总体设计机械手类型三自由度圆柱坐标型定位精度土 1mm工件尺寸直径约23cm，圆柱形，材料是铁质自由度3个（Y轴手臂升降，X轴手臂伸缩，机身旋转）X轴小臂伸缩范围25cm （最大速度10cm/s）,步进电机驱动，单片机控制Y轴小臂升降范围10cm （最大速度10cm/s）,步进电机驱动，单片机控制Y轴大臂升降范围20cm （最大速度10cm/s），步进电机驱动，单片机控制末端执行器开合角度60 （最大速度60度每秒），液压缸驱动基座旋转范围180，步进电机驱动，单片机控制机构简图机械手机械部分设计1执行机构设计机械手的手部，一般称为末端执行器，主要分为，夹钳式取料手、吸 附式取料手以及专
2、用操作器和转换器等。在本次的设计中采用的手部 结构为夹钳式取料手，手部由手指和驱动机构、传动机构及连接与支 承元件组成。其中，传动机构有多种，常见的几种分别是斜楔杠杆式、 滑槽式杠杆回转型、齿条齿轮杠杆式、四连杆机构平移型等。在本课 题中采用齿条齿轮杠杆式，其机构图所示：1 驱动杆 2 秃体 扇齿轮4中间齿轮 手措沪工件齿条齿轮杠杆式手抓2手部结构设计及计算机械手的手爪采用小型气压缸驱动手爪的驱动力计算如下:图：手爪V形手指的角度，摩擦系数f二0.10根据工业机器人设计，可得工件的加紧力计算公式为:式中 安全系数，通常取1.22.0，此次设计中取；工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似估算
3、为(4-3)式中a-运载工件时重力方向的最大上升加速度;g重力加速度，g2取 a=g 时，因此 k2=1+1=2;K3-方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同选取在此设计中手爪为水平放置，夹取垂直放置的物体根据工业机器人设计表 2-2，即所以，取根据工业机器人设计手册表 2-1，齿轮齿条手爪的驱动力与加紧力满足下式：变换可得驱动力即考虑到机械手的实际工作情况，选取手爪的机械效率则气缸内径即活塞杆直径由液压传动与气压传动表4-2 取气缸工作压力负载F/N5000010000200003000050000工作压力0.8 1.5 22.5 3344557p/MPa1气压负载常用的工作压力
4、在本次的设计要求中，由于并未对末端执行器抓取工件的速度做出明确的要求，同时也是出于降低末端执行器重量及设计难度的考 虑，选用单作用气缸。而单做用气缸具有一下几个特点：（1）气缸都是尾部进气，不用调速阀，用于按动开关按钮（2）单作用气缸只利用在一个方向上的推力,活塞杆的回缩依靠装入气缸内的弹簧力（3）单作用气缸用于压紧 .印字等场所,它的空气耗气量低于相当大小的双作用气缸（4）缸内安装弹簧、膜片等，一般行程较短；与相同体积的双 作用气缸相比，有效行程小一些。在单做用气缸工作时，气缸复位弹簧、膜片的张力均随变形大小 变化，因而活塞杆的输出力在行进过程中是变化的。根据力的平衡， 单向作用气缸活塞杆上
5、的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞 杆工作时的阻力，其计算公式为：式中：F -活塞杆上的推力，单位：N1F - 弹簧反作用力，单位： NtF - 气缸工作时的总阻力，单位： NzP - 气缸工作压力，单位： Pa弹簧反作用力计算公式如下：F = G （1 + s）tf式中：g二 叫 -弹簧刚度，单位：N/mf 8D 3n1l-弹簧预压缩量，单位：ms - 活塞行程，单位： m弹簧钢丝直径，单位：m,在本次设计中取m-弹簧平均直径，单位：m,在本次设计中取mn 弹簧有效圈数,在本次设计中 n=15G-弹簧材料剪切模量，通常取G二79.4x 109Pa在设计中，考虑负载率耳的影响。若气缸动态参
6、数要求较高；且 工作频率高，其载荷率一般取耳二0.30.5。气缸动态参数要求一般, 且工作频率低，基本为匀速运动，其载荷率取耳二0.7 0.85。贝I：兀D 2 pq4_由以上分析得单作用气缸的直径4( F + F)兀pq代入有关数据，可得所以: 查机械设计手册圆整，得 D=40mm 由d / D = 0.2 - 0.3，可得活塞杆直径： 圆整后，取活塞杆直径 d=12mm缸筒壁厚的设计缸筒直接承受压缩空气压力，要有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于 1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算：式中:-缸筒壁厚，单位：mmD- 气缸内径，单位： mm-气缸实验压力，取p -1.5p , P
7、ap-缸筒材料许用应力,Pa在此次设计中气缸缸体及活塞杆材料选用:铝合金 ZL106， =3MPa取，则缸筒外径为：末端执行器（含工件）总质量估重其中：根据设计要求可知，最大零件质量为2Kg齿轮齿条型手爪的材料为 45 号钢，估算质量约为 0.3Kg。活塞杆是气缸中最重要的受力零件，因此使用不锈钢，以防腐蚀。气缸缸体考虑到重量及活塞的往返运动，选用铝合金 ZL106查机械设计手册可得：45 号钢密度为 x103 kg/m3，ZL106 的密度为 x103kg/m3综上，末端执行器（含工件）的总质量约为Y 小臂步进电机选型在此设计中Y小臂拟采用滚珠丝杆，以此带动手爪 实现上下的升降，滚珠丝杆具有
8、结构简单，拆装方便等特点。为 了防止手爪在上升的过程中发生旋转，因此，在丝杆的旁边设置一根 导向杆辅助手爪的升降各种驱动方式比较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速度可咼，速控制性控制性能可咼速，气油液压缩性性能度和加速度能较差，好，可精体压缩性小,压力流量均由机构控惯性大，确定位，大，阻力效均容易控制，制,定位精度步易精但控制系果差，冲击可无级调速，咼，可与主机确定位统复杂较严重，精反应灵敏，可严格同步确
9、定位较困实现连续轨迹难，低速步控制易控制应用适用于自由适用于可用于程中小型专用中小型专用通范围度少的专用抓取重序复杂和通用机械手用机械手都机械手，高速量大和运动轨迹都有有，特别时重低速均能适速度低要求严格型机械手多用用的专用的小型通机械手用机械手在本设计中选用步进电机作为驱动力，有上表可知，步进电机相 比异步电机，其控制性能好，可精确定位，可用于程序负复杂和要求 严格的小型机械手，恰好符合本次设计的目的。考虑到Y轴小臂的重量，及手臂的实用性，Y轴小臂选用直线步进电机，初选步进电机型号为20BYGH30-0506A,由上海四宏电机有限公司生产，电机参数如下表：型号电电电电最大静力矩引重量机身压流
10、阻感线长单出轴VAmHOz-inkg-cKgmmm20BYGH30-0506306A表丝杆规格丝杆直径mm导程mm丝杆头数r H 步长1丝杆直导程丝杆头r H 步长径mm数mmmm44根据厂商提供的电机材料，选用外部驱动式，丝杆长度按照设计要求长度定制为10cm。承受的重量为3.3kg。外部驱动式直线电机X小臂X小臂主要执行Y轴方向的升降，及X方向的伸缩，Y轴方向的 升降主要由机身部分的步进电机以及丝杆完成，X方向的伸缩同样由 丝杆配合步进电机完成，此部分的设计具体如下。1滚珠丝杆的计算与选型m估算Fm= 800 N ,丝杆有效行程250 mm ,转速n二1000 r/min ,使用 寿命取工
11、作温度低于100，可靠度95%，精度为3级精度。Q计算载荷最大动载荷Fq计算载荷计算公式如下： 式中 滚珠丝杠副的寿命，单位为106r。=60nT/1（其中T为使用 寿命，【普通机械取T=500010000h，数控机床及一般机电设备取 T=15000h；n 为丝杠每分钟转速）载荷系数，查机电一体化系统设计课程设计表 3-30 得硬度系数，（，取1.11；时，取1.35；等于50HRC时，取1.56；等于45HRC时，取2.40）滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为N 代入数值，计算可得=9431初选滚珠丝杠副的规格时，应使此外，当滚珠丝刚副在低速（10r/min）或者静止状态下时，还 应使额定静载
12、荷 综合上述两中情况，查机电一体化系统设计课程设计表 3-31 得 滚珠丝杠副规格代号为 3205-3滚珠丝杠副的传动效率一般在0.80.9之间，可有下式计算：式中丝杠的螺旋升角，由算得；摩擦角，一般取10经计算可得 滚珠丝杠副的轴向变形将引起丝杠导程发生变化，从而影响定位精度 和运动平稳性。轴向变形主要包括丝杠的拉伸或压缩变形、丝杠与螺 母之间轨道的接触变形等。（1）丝杠的拉伸或压缩变形量 在总变形量中占得比重较大，可按下式计算：式中丝杠的最大工作载荷，单位为N丝杠两端支撑间的距离，单位为mm 丝杠材料的弹性模量，钢的丝杠按底径确定的截面积，单位为mm2 转矩，单位为 Nmm丝杠按底径确定的
13、截面惯性矩（），单位为 mm4其中“+”号用于拉伸，“”号用于压缩。由于转矩 M 一般较小， 式中第二项在计算是可酌情或略。在此阶段的设计过程中 M 较小， 所以第二项或略不计。代入数值得：拉伸时：压缩时：（2）滚珠与螺纹轨道间的接触变形量 可从产品型号中查出，或由下式计算：无预紧力时：有预紧力时： 式中：滚珠直径，单位 mm；滚珠总数量，二Z；Z单圈滚珠数，Z=；预紧力，单位为 N。当滚珠丝杠有预紧力时 ，且预紧力达轴向工作载荷的1/3 时，值可减 小一般左右。代入相应数值可得：（2）刚度验算 丝杠的总变形量。一般总变形量不超过机床规定的定位精度的一半； 也可有丝杆的定位精度等级（参见机电一体化系统设计课程设计 表 3-26 与表 3-27）=1.93312故，刚度满足要求。滚珠丝杠属于受轴向力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失 稳的现象。失稳时的临界载荷 Fk 应满足：式中：临界载荷，单位为 N； 丝杠支撑系数，如下表；K压杆安全稳定系数，一般取2.54,垂直安装时去最小值，在本设计中，Xzhou小臂属于水平安装，故取K=4a
