平面关节型机械手结构设计

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1、平面关节型机械手结构设计平面关节型机械手结构设计摘要 机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功 能的自动化装置，目前平面关节型机械手被广泛应用于工业领域中。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。文章中介绍了平面关节型机械手的设计理论与方法， 在力学计算的基础上进行结构分析，详尽的讨论了平面关节型机械手的手部、腕 部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。关键词： 机械手 平面关节型 结构设计Plane joint type manipulator structure designAbstract Manipula

2、tor is a sort of automation device which has the function of grasp and tra nsfer workpieces duri ng the automated producti on. Today hydraulic man ipulator is widely used in in dustry field. Pla nar articulated robot with two rotary joints and a prismatic joint; two rotary joints aro und, moveme nt

3、con trol, and move up and dow n moveme nt jo int is achieved.This article system elaboration industry manipulators design theory and method. Mechanical calculations on the basis of the structural analysis.The comprehe nsive exhaustive discussi on has Pla nar articulated mani pulators hand, the wrist

4、, the arm , the fuselage and so on ,which the major structural design computation.Key words: manipulator; Plane joint type; structural design目录1绪论 71.1 机械手的组成 11.1.1 执行机构 11.1.2 驱动机构 21.1.3 控制系统分类 21.2 机械手的分类 22 机械手总体设计 41.1 主要技术参数 43 手部设计 53.1 确定手部结构 63.2 手部受力分析 63.3 手部夹紧力的计算 73.4 手部夹紧缸的设计计算 83.4.1

5、 夹紧缸主要尺寸的计算 83.4.2 缸体结构及验算 93.4.3 活塞杆的设计计算 94 移动关节的设计计算 114.1驱动方式的比较 114.2上下移动升降缸的设计 125 小臂的设计 145.1 设计时注意的问题 145.2 小臂结构的设计 135.3 轴的设计计算 155.4 轴承的选择错误!未定义书签。5.5 轴承的校核错误!未定义书签。5.6 伺服系统的选择错误!未定义书签。5.6.1 机身回转电机 175.6.2 齿轮传动的计算 1126 大臂的设计计算错误!未定义书签。6.1 结构的设计错误!未定义书签。6.2 轴的设计计算错误!未定义书签。6.3 轴承的选择 206.4伺服系

6、统的选择 217 机身的设计 237.1 设计时注意的问题 237.2 设计的效果 268 机械手的定位与平稳性 248.1 常用的定位方式 248.2 影响平稳性和定位精度的因素 24结论 26致谢词 27参考文献错误!未定义书签。1 绪论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

7、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Selec tive 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。1.1 机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。1.1.1 执行机构（1）手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转 型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需

8、要分为外抓式和内抓式 两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件 或薄板零件）和电磁吸盘。传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿 轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。（2）腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以 扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自 由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上 下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可 以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压

9、（气）缸，它的结构紧 凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳 定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系 结构。（3）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手 部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿 态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度 才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实 现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受

10、腕部、手部和工件的静、动载荷， 而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重 大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。（4）行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。1.1.2 驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的 驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机 械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。1.1.3 控制机构在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行 点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁 带、穿孔卡等记录程序。主

11、要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。 1.2机械手分类 根据所承担的作业的特点，工业机械手可分为以下三类： 承担搬运工作的机械手：这种机械手在主要工艺设备运行时，用来完成 辅助作业，如装卸毛坯、工件和工夹具。 生产工业用机械手：可用于完成工艺过程中的主要作业，如装配、焊接、 涂漆、弯曲、切断等。 通用工业机械手：其用途广泛，可以完成各种工艺作业。按功能分类 专用机械手：它是附属于主机的具有固定程序而无独立控制系统的机 械装置。专用机械手具有动作少，工作对象单一，结构简单，实用可 靠和造价低等特点，适用于大批大量的自动化生产，如自动机床，自 动线的上、下料机械手和“加工中心”附属的自动换刀机

12、械手。 通用机械手：又称工业机器人。它是一种具有独立控制系统的机械装 置。具有程序可变、工作范围大、定位精度高、通用性强的特点，适 用于不断变换品种的中小批量自动化的生产。 示教再现机械手：采用示教法编程的通用机械手。所谓示教，即由人 通过手动控制，“拎着”机械手做一遍操作示范，完成全部动作后，其 储存装置即能记忆下来。机械手可按示范操作的程序行程进行重复的 再现工作。按驱动方式分 液压传动机械手 气压传动机械手 机械传动机械手按控制方式分 固定程序机械手：控制系统是一个固定程序的控制器。程序简单，程序数少，而且是固定的，行程可调但不能任意点定位。 可编程序机械手：控制系统是一个可变程序控制器

13、。其程序可按需 要编排，行程能很方便改变。2 机械手总体设计总体设计的任务：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，整体结构设计，最后绘出方案草图。2.1 主要技术参数主要技术参数见表2-1表2-1 机械手主要技术参数机械手类型平面关节型自由度4个（2个回转1个移动1个手部活动）大臂长300mm，回转运动，回转角210，直流电机驱动小臂长200mm，回转运动，回转角240，直流电机驱动移动关节液压缸驱动手指液压缸驱动，最大开距80mm，夹持力100N3 手部设计手部（亦称抓取机构）是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、 尺寸大小、重量、材料性能、表面处理等的不同，则

14、机械手的手部机构是多种多 样的，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而设计的。常用的手部，按其握 持工件的原理，大致可分成夹持式和吸附式两大类。本设计采用常用的夹钳式手 部结构，它是最常见的夹持式结构。夹钳式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成的，它对抓取各种形 状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘和套类零件。一般情况下多采用两 个手指，少数采用三指或多指。本设计中选择较简单的两指结构。夹钳式手部设计的基本要求：1、应具有适当的夹紧力和驱动力 手指握力（夹紧力）大小要合适，力量 过大则动力消耗多，结构庞大，不经济，甚至会损坏工件；力量过小则夹持不住 或产生松动、脱落。在确定握力时，除

15、考虑工件总量外，还应考虑传送或操作过 程中所产生的惯性力和振动，亦保证工件夹持安全可靠。对于手部的驱动装置来 说，应有足够的驱动力。应当指出，由于机构传动力比不同，在一定的夹持力条 件下，不同的传动机构所需驱动力的大小是不同的。2、手指应具有一定的开闭范围 手指应具有足够的开闭角度或开闭距离， 以便于抓取或退出工件。3、应保证工件在手指内的夹持精度 应保证每个被夹持的工件，在手指内 都有准确地相对位置。这对一些有方位要求的场合更为重要，如曲拐、凸轮轴一 类复杂的工件，在机床上安装的位置要求严格，因此机械手的手部在夹持工件后 应保持相对的位置精度。4、要求结构紧凑、重量轻、效率高 在保证本身刚度、强度的前提下，尽 可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。5、应考虑通用性和特殊要求 一般情况下，手部多是专用的，为了扩大它 的适用范围，提高它的通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要，通 常采取手指可调整的办法，如更换手指甚至更换整个手部。此外，还要考虑能适 应工作环境提出的特殊要求，如耐高温、耐腐蚀、能承受锻锤冲击力等。3.1 确定手部结构根据设计要求设计出的手部结构如图 3-1 所示：图 3-1 手