平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、 平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘要 機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置，目前平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域中。平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手采用兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)；兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后左右運(yùn)動(dòng)，而移動(dòng)關(guān)節(jié)則實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)。文章中介紹了平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手的設(shè)計(jì)理論與方法，在力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，詳盡的討論了平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手的手部、腕部、手臂以及機(jī)身等主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞： 機(jī)

2、械手 平面關(guān)節(jié)型 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) Plane joint type manipulator structure design Abstract Manipulator is a sort of automation device which has the function of grasp and transfer workpieces during the automated production. Today hydraulic manipulator is widely used in industry field. Pla

3、nar articulated robot with two rotary joints and a prismatic joint; two rotary joints around, movement control, and move up and down movement joint is achieved.This article system elaboration industry manipulators design theory and method. Mechanical calculations on the basis of the structural analy

4、sis.The comprehensive exhaustive discussion has Planar articulated manipulators hand, the wrist, the arm ，the fuselage and so on ,which the major structural design computation. Key words: manipulator; Plane joint type; structural design 目 錄 1緒論 1 1.1 機(jī)

5、械手的組成 1 1.1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 1 1.1.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 2 1.1.3 控制系統(tǒng)分類(lèi) 2 1.2 機(jī)械手的分類(lèi) 2 2 機(jī)械手總體設(shè)計(jì) 4 1.1 主要技術(shù)參數(shù) 4 3 手部設(shè)計(jì) 5 3.1 確定手部結(jié)構(gòu) 6 3.2 手部受力分析 6 3.3 手部夾緊力的計(jì)算 7 3.4 手部夾緊缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 8 3.4.1 夾緊缸主要尺寸的計(jì)算 8 3.4.2 缸體結(jié)構(gòu)及驗(yàn)算 9 3.4.3 活塞桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 9 4 移動(dòng)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算 11 4.1驅(qū)動(dòng)方式的比較 11

6、 4.2上下移動(dòng)升降缸的設(shè)計(jì) 12 5 小臂的設(shè)計(jì) 14 5.1 設(shè)計(jì)時(shí)注意的問(wèn)題 14 5.2 小臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 13 5.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 15 5.4 軸承的選擇 16 5.5 軸承的校核 16 5.6 伺服系統(tǒng)的選擇 16 5.6.1 機(jī)身回轉(zhuǎn)電機(jī) 17 5.6.2 齒輪傳動(dòng)的計(jì)算 17 6 大臂的設(shè)計(jì)計(jì)算 19 6.1 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 19 6.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 19 6.3 軸承的選擇 20 6.4伺服系統(tǒng)的選擇 21 7 機(jī)身的設(shè)計(jì) 23 7.1 設(shè)計(jì)時(shí)注意的問(wèn)題 23 7.2 設(shè)計(jì)的效果 23 8 機(jī)械手的定位與平穩(wěn)性 24 8

7、.1 常用的定位方式 24 8.2 影響平穩(wěn)性和定位精度的因素 24 結(jié)論 26 致謝詞 27 參考文獻(xiàn) 28 1 緒論 機(jī)械手是一種模仿人手部分動(dòng)作，按照預(yù)先設(shè)定的程序，軌跡或其他要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件或操作工具的自動(dòng)化裝置。它在二十世紀(jì)五十年代就已用于生產(chǎn)，是在自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種機(jī)械裝置，開(kāi)始主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料和搬運(yùn)工件，完成單機(jī)自動(dòng)化和生產(chǎn)線自動(dòng)化，隨著應(yīng)用范圍的不段擴(kuò)大，現(xiàn)在用來(lái)夾持工具和完成一定的作業(yè)。實(shí)踐證明它可以代替人手的繁重勞動(dòng)，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高勞

8、動(dòng)生產(chǎn)率。 平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人又稱(chēng)SCARA型裝配機(jī)器人，是Selective Compliance Assembly Robot Arm的縮寫(xiě)，意思是具有選擇柔順性的裝配機(jī)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配，如在電子工業(yè)零件的插接、裝配中應(yīng)用廣泛。 1.1 機(jī)械手的組成 工業(yè)機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。 1.1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) （1）手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用

9、負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤(pán)（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤(pán)。 傳力機(jī)構(gòu)形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。 （2） 腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來(lái)調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求，有些動(dòng)作較為簡(jiǎn)單的專(zhuān)用機(jī)械手，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。 目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧

10、但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮?2700）,并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。 （3）臂部 手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。 臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。 手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷

11、，而且自身運(yùn)動(dòng)較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。 （4） 行走機(jī)構(gòu) 有的工業(yè)機(jī)械手帶有行走機(jī)構(gòu)，我國(guó)的正處于仿真階段。 1.1.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分。根據(jù)動(dòng)力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類(lèi)。采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。 1.1.3 控制機(jī)構(gòu) 在機(jī)械手的控制上，有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷(xiāo)板進(jìn)行點(diǎn)位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)控制，采用凸輪、磁盤(pán)磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置

12、，并注意其加速度特性。 1.2機(jī)械手分類(lèi) 根據(jù)所承擔(dān)的作業(yè)的特點(diǎn)，工業(yè)機(jī)械手可分為以下三類(lèi)： ① 承擔(dān)搬運(yùn)工作的機(jī)械手：這種機(jī)械手在主要工藝設(shè)備運(yùn)行時(shí)，用來(lái)完成輔助作業(yè)，如裝卸毛坯、工件和工夾具。 ② 生產(chǎn)工業(yè)用機(jī)械手：可用于完成工藝過(guò)程中的主要作業(yè)，如裝配、焊接、涂漆、彎曲、切斷等。 ③ 通用工業(yè)機(jī)械手：其用途廣泛，可以完成各種工藝作業(yè)。 按功能分類(lèi) ① 專(zhuān)用機(jī)械手：它是附屬于主機(jī)的具有固定程序而無(wú)獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專(zhuān)用機(jī)械手具有動(dòng)作少，工作對(duì)象單一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于大批大量的自動(dòng)化生產(chǎn)，如自動(dòng)機(jī)床，自動(dòng)線的上、下料機(jī)械手和“加工中心”附屬的自動(dòng)

13、換刀機(jī)械手。 ② 通用機(jī)械手：又稱(chēng)工業(yè)機(jī)器人。它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。具有程序可變、工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于不斷變換品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。 ③ 示教再現(xiàn)機(jī)械手：采用示教法編程的通用機(jī)械手。所謂示教，即由人通過(guò)手動(dòng)控制，“拎著”機(jī)械手做一遍操作示范，完成全部動(dòng)作后，其儲(chǔ)存裝置即能記憶下來(lái)。機(jī)械手可按示范操作的程序行程進(jìn)行重復(fù)的再現(xiàn)工作。 按驅(qū)動(dòng)方式分 ① 液壓傳動(dòng)機(jī)械手 ② 氣壓傳動(dòng)機(jī)械手 ③ 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手 按控制方式分 ① 固定程序機(jī)械手：控制系統(tǒng)是一個(gè)固定程序的控制器。程序簡(jiǎn)單， 程序數(shù)少，而且是固定的，行程可調(diào)但不能任意點(diǎn)定

14、位。 ② 可編程序機(jī)械手：控制系統(tǒng)是一個(gè)可變程序控制器。其程序可按需 要編排，行程能很方便改變。 2 機(jī)械手總體設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì)的任務(wù)：包括進(jìn)行機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，確定主要工作參數(shù)，選擇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后繪出方案草圖。 2.1 主要技術(shù)參數(shù) 主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2-1 表2-1 機(jī)械手主要技術(shù)參數(shù) 機(jī)械手類(lèi)型 平面關(guān)節(jié)型 自由度 4個(gè)（2個(gè)回轉(zhuǎn)1個(gè)移動(dòng)1個(gè)手部活動(dòng)） 大臂 長(zhǎng)300mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)角210，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) 小臂 長(zhǎng)200mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)角240，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng) 移動(dòng)關(guān)節(jié) 液壓缸驅(qū)動(dòng) 手指 液壓缸

15、驅(qū)動(dòng)，最大開(kāi)距80mm ,夾持力100N 3 手部設(shè)計(jì) 手部（亦稱(chēng)抓取機(jī)構(gòu)）是用來(lái)直接握持工件的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面處理等的不同，則機(jī)械手的手部機(jī)構(gòu)是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件要求而設(shè)計(jì)的。常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夾持式和吸附式兩大類(lèi)。本設(shè)計(jì)采用常用的夾鉗式手部結(jié)構(gòu)，它是最常見(jiàn)的夾持式結(jié)構(gòu)。 夾鉗式手部是由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置三部分組成的，它對(duì)抓取各種形狀的工件具有較大的適應(yīng)性，可以抓取軸、盤(pán)和套類(lèi)零件。一般情況下多采用兩個(gè)手指，少數(shù)采用三指或多指。本設(shè)計(jì)中

16、選擇較簡(jiǎn)單的兩指結(jié)構(gòu)。 夾鉗式手部設(shè)計(jì)的基本要求： 1、應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力 手指握力（夾緊力）大小要合適，力量過(guò)大則動(dòng)力消耗多，結(jié)構(gòu)龐大，不經(jīng)濟(jì)，甚至?xí)p壞工件；力量過(guò)小則夾持不住或產(chǎn)生松動(dòng)、脫落。在確定握力時(shí)，除考慮工件總量外，還應(yīng)考慮傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，亦保證工件夾持安全可靠。對(duì)于手部的驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)說(shuō)，應(yīng)有足夠的驅(qū)動(dòng)力。應(yīng)當(dāng)指出，由于機(jī)構(gòu)傳動(dòng)力比不同，在一定的夾持力條件下，不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所需驅(qū)動(dòng)力的大小是不同的。 2、手指應(yīng)具有一定的開(kāi)閉范圍 手指應(yīng)具有足夠的開(kāi)閉角度或開(kāi)閉距離，以便于抓取或退出工件。 3、應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度 應(yīng)保證每個(gè)

17、被夾持的工件，在手指內(nèi)都有準(zhǔn)確地相對(duì)位置。這對(duì)一些有方位要求的場(chǎng)合更為重要，如曲拐、凸輪軸一類(lèi)復(fù)雜的工件，在機(jī)床上安裝的位置要求嚴(yán)格，因此機(jī)械手的手部在夾持工件后應(yīng)保持相對(duì)的位置精度。 4、要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高 在保證本身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。 5、應(yīng)考慮通用性和特殊要求 一般情況下，手部多是專(zhuān)用的，為了擴(kuò)大它的適用范圍，提高它的通用化程度，以適應(yīng)夾持不同尺寸和形狀的工件需要，通常采取手指可調(diào)整的辦法，如更換手指甚至更換整個(gè)手部。此外，還要考慮能適應(yīng)工作環(huán)境提出的特殊要求，如耐高溫、耐腐蝕、能承受鍛錘沖擊力等。 3.1 確定手

18、部結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)出的手部結(jié)構(gòu)如圖3-1所示： 圖3-1 手部結(jié)構(gòu)圖 圖中為手指對(duì)工件的夾緊力，F(xiàn)為夾緊缸活塞桿的推力。 3.2 手部受力分析 經(jīng)分析，手部受力圖如圖3-2所示 圖3-2 機(jī)械手手部受力分析圖 由圖可知，手部結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，則 由 得 ＝ 且＝ 由 得 h=b 且＝ 由幾何關(guān)系有 h＝ 由上述等式可得： FN＝ 即 F= 式中 b —手指回轉(zhuǎn)中心到夾緊力作用點(diǎn)之間的距離； C —手指回轉(zhuǎn)中心到滑槽支點(diǎn)之間的距離； —工件被夾緊時(shí)手指滑槽方向與回轉(zhuǎn)中心在水平方向的夾角。 3.3 手部夾緊力

19、的計(jì)算 手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)。必須對(duì)其大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析、計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所產(chǎn)生的載荷（慣性力或慣性力矩），以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對(duì)工件的夾緊力可按下式計(jì)算： ＝1.51.024G=100N 因?yàn)镕N =100N得G=16.3N 式中：K1—安全系數(shù)，取K1＝1.5； K2—工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。取K2＝1.02； K3—方位系數(shù)，根據(jù)工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選定，K3＝4 G—被抓工件所受重力（N），所以m=1.66kg。則： 10

20、0=375N 442N 式中 —手指?jìng)髁π?，?。?.85。 3.4 手部夾緊缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.4.1 夾緊缸主要尺寸的計(jì)算 由前知，夾緊缸為單作用彈簧復(fù)位液壓缸，假設(shè)夾緊工件時(shí)的行程為25mm，時(shí)間為0.5s，則所需夾緊力為： 442+462=904N 式中： F—活塞桿實(shí)際輸出力； P彈—彈簧壓縮時(shí)的作用力。 其中： 式中： G—彈簧材料的剪切模量，對(duì)于鋼材，； D—彈簧的鋼絲直徑（3mm）； DZ—彈簧中徑（30mm）； Z—彈簧的有效圈數(shù)（18圈）； L及S—活塞的行程及彈簧的與預(yù)縮量，L=25mm, S=20mm

21、。 ∴ F=904N<1000N 查表工作壓力取1，考慮到為使液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸簡(jiǎn)單緊湊，取工作壓力為2。 由公式 得： 24.5mm 式中: D—液壓缸內(nèi)徑； P—液壓缸工作壓力； —液壓缸工作效率，＝0.95。 由JB826－66標(biāo)準(zhǔn)系列將缸內(nèi)徑圓整為D＝30mm，同理查得活塞桿直徑d＝22m， 3.4.2 缸體結(jié)構(gòu)及驗(yàn)算 缸體采用45號(hào)鋼無(wú)縫鋼管，由JB1068－67查得可取缸筒外徑為38m，則壁厚＝4mm。 （1）液壓缸額定工作壓力應(yīng)低于一定極限值，以保證工作安全 ==36.36 式中： D—缸筒內(nèi)徑（m）； D1—缸筒

22、外徑（m）； σs—缸筒材料的屈服點(diǎn)，（45號(hào)鋼為340）。 已知工作壓力PN＝2<36.36，故安全。 （2）為避免缸筒在工作時(shí)發(fā)生塑形變形，液壓缸的額定壓力PN值應(yīng)與塑性變形壓力有一定的比例范圍。 PN≤（0.35～0.42）PPl 式中：PPl－缸筒發(fā)生完全塑性變形時(shí)的壓力（）， 計(jì)算可得： 已知實(shí)際工作壓力PN＝2<21.67,故安全。 3.4.3 活塞桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 活塞桿設(shè)計(jì) 活塞一端用螺紋與活塞相連接，另一端也采用外螺紋與手指連接（如圖） 圖3-3 活塞桿外端部結(jié)構(gòu)圖 活塞桿直徑d＝22mm，故取A＝40mm （螺紋長(zhǎng)短型）

23、活塞桿結(jié)構(gòu)（如圖）采用實(shí)心桿 圖3-4 活塞桿結(jié)構(gòu)圖 桿體材料采用35號(hào)鋼，加工后調(diào)質(zhì)到硬度為229～285HBS，必要時(shí)，再經(jīng)高頻淬火，硬度達(dá)45～55HRC?；钊麠U直徑d的圓柱度公差值，應(yīng)按8級(jí)精度加工，其圓度公差值，應(yīng)按9、10級(jí)精度加工；端面T的垂直度公差值應(yīng)加工成7級(jí)精度；外圓表面粗糙度應(yīng)處于0.4～0.8 之間。 驗(yàn)算活塞桿的強(qiáng)度 取活塞桿的計(jì)算長(zhǎng)度為150mm，活塞桿已知32mm 則 ，屬于短行程活塞桿，主要驗(yàn)算抗拉強(qiáng)度。 2x =4.1mm 已知d＝22mm，故安全。 式中：F—液壓缸最大推力，F(xiàn)取1.5904＝1356； D—活塞桿直徑，ns—

24、安全系數(shù)，一般取ns＝3； —活塞桿材料屈服極限（），查資料知35號(hào)鋼為310 4 移動(dòng)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算 4.1驅(qū)動(dòng)方式的比較 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓驅(qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，和機(jī)械傳動(dòng)四種。一臺(tái)機(jī)械手可以只用一種驅(qū)動(dòng)，也可以用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，各種驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)見(jiàn)表4-1。 表4-1 各種驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)比較 比較內(nèi) 容 驅(qū)動(dòng)方式 機(jī)械傳動(dòng) 電機(jī) 驅(qū)動(dòng) 氣壓傳動(dòng) 液壓傳動(dòng) 異步電機(jī)，直流電機(jī) 步進(jìn)或伺服電機(jī) 輸出力矩 輸出力矩較大 輸出力可較大 輸出力矩較小 氣體壓力小，輸出力矩小，如需輸出力矩較大，結(jié)構(gòu)尺寸過(guò)大 液體壓力高，可以獲得較大的輸

25、出力 控制性能 速度可高，速度和加速度均由機(jī)構(gòu)控制，定位精度高，可與主機(jī)嚴(yán)格同步 控制性能較差，慣性大，步易精確定位 控制性能好，可精確定位，但控制系統(tǒng)復(fù)雜 可高速，氣體壓縮性大，阻力效果差，沖擊較嚴(yán)重，精確定位較困難，低速步易控制 油液壓縮性小，壓力流量均容易控制，可無(wú)級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 體積 當(dāng)自由度多時(shí)，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，體積液較大 要油減速裝置，體積較大 體積較小 體積較大 在輸出力相同的條件下體積小 維修使用 維修使用方便 維修使用方便 維修使用較復(fù)雜 維修簡(jiǎn)單，能在高溫，粉塵等惡劣環(huán)境種使用 維修方便，液體對(duì)溫度變化敏感，油液泄漏易著火

26、 應(yīng)用范圍 適用于自由度少的專(zhuān)用機(jī)械手，高速低速均能適用 適用于抓取重量大和速度低的專(zhuān)用機(jī)械手 可用于程序復(fù)雜和運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手 中小型專(zhuān)用通用機(jī)械手都有 中小型專(zhuān)用通用機(jī)械手都有，特別時(shí)重型機(jī)械手多用 成本 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，一般工廠可以自己制造 成本低 成本較高 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能源方便，成本低 液壓元件成本較高，油路也較復(fù)雜 4.2 上下移動(dòng)升降缸的設(shè)計(jì) 活塞手抓重量的估算 r為桿的半徑，h為長(zhǎng)度，g取10 因?yàn)橐簤汗ぷ鲏毫^低，對(duì)組件的材質(zhì)和精度要求較液壓底，無(wú)污染，動(dòng)作迅速反映快，維護(hù)簡(jiǎn)單，使用安全，所以

27、選液壓傳動(dòng)。 液壓缸內(nèi)型選擇：因?yàn)榛钊谐梯^長(zhǎng)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所以選雙作用單活塞液壓缸，利用液壓油使活塞向兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。 初選活塞桿直徑d=22mm，估算其重量 ==19.39N 取20N 取80N 液壓缸內(nèi)徑D的計(jì)算 按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》（何存興，2001）公式 D為汽缸的內(nèi)徑(m)，P為工作壓力（Pa）,為負(fù)載率，負(fù)載率與汽缸工作壓力有關(guān)，取，查《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表13-2 由于汽缸垂直安裝，所以取P=0.3。一般，此選0.3 按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表圓整取40mm. 一般，此選0.3 mm 汽缸壁厚的計(jì)算 按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳

28、動(dòng)》查得 汽 缸重量的計(jì)算 其中：R為汽缸外徑，r為汽缸內(nèi)徑，h為汽缸長(zhǎng)度，g取10，為汽缸材料密度 取25N 且 5 小臂的設(shè)計(jì) 臂部是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并將被抓取的工件傳送到給定位置和方位上，因而一般機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的。；立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫向移動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，它不僅僅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大?。幢哿Γ┖投ㄎ痪鹊榷贾苯佑绊憴C(jī)械

29、手的工作性能，所以必須根據(jù)機(jī)械手的抓取重量、運(yùn)動(dòng)形式、自由度數(shù)、運(yùn)動(dòng)速度及其定位精度的要求來(lái)設(shè)計(jì)手臂的結(jié)構(gòu)型式。 5.1 設(shè)計(jì)時(shí)注意的問(wèn)題 (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(shí)心桿剛度大的多，常用鋼管做臂部和導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼左支撐板，以保證有足夠的剛度。 (2) 偏重力矩要小，偏重力矩時(shí)指臂部的總重量對(duì)其支撐或回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的力矩。 (3) 重量要輕，慣量要小，為了減輕運(yùn)動(dòng)時(shí)的沖擊，除采取緩沖外，力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以減少慣性力。 (4) 導(dǎo)向性要好。 5.2 小臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 把小臂的截面設(shè)計(jì)成工字鋼形式，這樣抗彎系數(shù)大，使截面面積小，從而

30、減輕小臂重量，使其經(jīng)濟(jì)、輕巧。 選10號(hào)工字鋼。理論重,小臂長(zhǎng)為200mm。較核： （N） 取25N 其受力如下圖: 圖5-1 小臂受力圖 （N） 按《材料力學(xué)》（李壯云，2008） 其中h為工字鋼的高度，b為工字鋼的腰寬，Q為所受的力。 所以選10號(hào)工字鋼合適。 5.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 大軸的直徑取20mm，材料為45號(hào)鋼。 受力如下圖: 圖5-2 小臂傳動(dòng)軸的受力圖 驗(yàn)算： F=180N =60mpa 所以合適 5.4 軸承的選擇 因?yàn)樯陷S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(jī)械零件手冊(cè)》

31、選7304E，d=20mm c=31.5kN c0=17.2kN e=0.3 5.5 軸承的校核 因?yàn)榇颂庉S承做低速的擺動(dòng)，所以其失效形式是，接觸應(yīng)力過(guò)大，產(chǎn)生永久性的過(guò)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： 《機(jī)械設(shè)計(jì)》（王少懷，2003） 其中為當(dāng)量靜載荷，為軸承靜強(qiáng)度安全系數(shù)，取決于軸承的使用條件。作擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)軸承,沖擊及不均勻載荷,此處1.5. 上軸承受純徑向載荷 所以 因此軸承合適. 下軸承受徑向和軸向載荷 R為徑向載荷 A為軸向載荷 X Y分別為徑向軸向載荷系數(shù)，其值按《機(jī)械設(shè)計(jì)》表查取 所以因此軸

32、承合適 小軸承受力很小，所以不用教核 5.6伺服系統(tǒng)的選擇 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)根據(jù)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩來(lái)計(jì)算。由于啟動(dòng)過(guò)程一般不是等加速度運(yùn)動(dòng)，故最大驅(qū)動(dòng)力矩要比理論平均值大一些。 機(jī)身部使用了兩個(gè)電機(jī)，其一是帶動(dòng)大臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；其二是帶動(dòng)小臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 5.6.1 機(jī)身回轉(zhuǎn)電機(jī) 初選轉(zhuǎn)速 W=60/s n=1/6轉(zhuǎn)/秒 =10轉(zhuǎn)/分 由于齒輪 i=3.5 減速器 i=30 所以n=10330=900轉(zhuǎn)/分 選擇Y90L-6型籠型異步直流電動(dòng)機(jī) 電動(dòng)機(jī)采用B級(jí)絕緣。外殼防護(hù)等級(jí)為IP44，冷卻方式為I（014

33、）即全封閉自扇冷卻，額定功率為50HZ。其主要參數(shù)為：步矩角1.5度，電壓27伏，最大靜轉(zhuǎn)矩0.196N.M，質(zhì)量0.5kg,外徑55mm,長(zhǎng)度68mm,軸徑5mm。 見(jiàn)表5.6 Y90S-6電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)所示： 表5.6 Y90L-6電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù) 5.6.2齒輪傳動(dòng)的計(jì)算 因?yàn)樗栩?qū)動(dòng)力小，精度要求不很高，所以選擇控制方便，輸出轉(zhuǎn)角無(wú)長(zhǎng)期積累誤差的步進(jìn)電機(jī)。 為了提高精度，采用一級(jí)齒輪傳動(dòng) 的齒數(shù)為20，的齒數(shù)為70。 按《機(jī)械原理》標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列表（GB1357-87）取m=1，取 則 齒輪寬度計(jì)算： 按《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-7 圓柱齒輪的齒寬度系數(shù)

34、 兩支承相對(duì)小齒輪作對(duì)稱(chēng)布置取0.9—1.4,此處取1 則 為了防止兩齒輪因裝配后軸向稍有錯(cuò)位而導(dǎo)致嚙合齒寬減少，要適當(dāng)加寬，所以取24mm。 6 大臂的設(shè)計(jì)計(jì)算 6.1 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 把大臂的截面設(shè)計(jì)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(jì)、輕巧。 選14號(hào)工字鋼。理論重,大臂長(zhǎng)為300mm。 較核G：N取60N 其受力如圖: 圖6-1 大臂受力圖 F=105+25+60=190（N） 按《材料力學(xué)》公式 其中h為工字鋼的高度，b為工字鋼的腰寬，Q為所受的力。所以 所以選10號(hào)工

35、字鋼合適。 6.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 軸的直徑取20mm，材料為45號(hào)鋼。 其受力如下圖: 圖6-2 小臂傳動(dòng)軸的受力圖 驗(yàn)算： F=190N 所以合適 6.3軸承的選擇 大軸軸承的選擇：因?yàn)樯陷S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(jī)械零件手冊(cè)》（GB 297-84）選7304E，d=20mm c=31.5KN c0=17.2KN e=0.4 軸承的校核 因?yàn)榇颂庉S承做低速的擺動(dòng)，所以其失效形式是，接觸應(yīng)力過(guò)大，產(chǎn)生永久性的過(guò)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： 其中為當(dāng)量靜載荷，為軸承靜

36、強(qiáng)度安全系數(shù)，取決于軸承的使用條件。按《機(jī)械設(shè)計(jì)》作擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)軸承,沖擊及不均勻載荷,=1--1.5此處1.5. 上軸承受純徑向載荷, 所以因此軸承合適. 下軸承受徑向和軸向載荷, R為徑向載荷 A為軸向載荷 X Y分別為徑向軸向載荷系數(shù)，其值按《機(jī)械設(shè)計(jì)》查取 因?yàn)? 所以 所以 因此軸承合適 小軸承受力很小，所以不用教核 6.4 伺服系統(tǒng)的選擇 因?yàn)樗栩?qū)動(dòng)力小，精度要求不很高，所以選擇控制方便，輸出轉(zhuǎn)角無(wú)長(zhǎng)期積累誤差的步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)的選擇：步距角要小，要滿足最大靜轉(zhuǎn)矩，因?yàn)檗D(zhuǎn)速低不考慮矩頻特性，按《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》（何存興

37、，2008）表2-11 BF反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)表查取， 選45BF005，其主要參數(shù)如下： 步矩角1.5度，電壓27伏，最大靜轉(zhuǎn)矩0.196N.M，質(zhì)量0.4kg,外徑45mm,長(zhǎng)度58mm,軸徑4mm。 精度驗(yàn)證 所以不能滿足精度要求,不能直接傳動(dòng),要變速機(jī)構(gòu) 在此選用直齒圓柱齒輪 為了提高精度，采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)i=z1/z2=3.5 的齒數(shù)為20，的齒數(shù)為70。 按《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》（楊可楨，2005）表8-2標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列表取m=1，取 則 齒輪寬度計(jì)算： 圓柱齒輪的齒寬度系數(shù) 兩支承相對(duì)小齒輪作對(duì)稱(chēng)布置取0.9—1.4,此處取1 則

38、 為了防止兩齒輪因裝配后軸向稍有錯(cuò)位而導(dǎo)致嚙合齒寬減少，要適當(dāng)加寬，所以取24mm。 7 機(jī)身的設(shè)計(jì) 機(jī)身是支承臂部的部件，升降，回轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等都可以裝在機(jī)身上。 7.1 設(shè)計(jì)時(shí)注意的問(wèn)題 (1) 要有足夠的剛度和穩(wěn)定性。 (2) 運(yùn)動(dòng)要靈活，升降運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)套長(zhǎng)度不宜過(guò)短，否則可能產(chǎn)生卡死現(xiàn)象；一般要有導(dǎo)向裝置。 (3)結(jié)構(gòu)布置要合理，便于裝修。 7.2 設(shè)計(jì)的效果 由于此設(shè)計(jì)要求為三個(gè)自由度，所以此處無(wú)運(yùn)動(dòng)要求，只用來(lái)支承。只要?jiǎng)偠饶軡M足就行了，高度可根據(jù)自動(dòng)線的高低確定。 8

39、 機(jī)械手的定位與平穩(wěn)性 8.1常用的定位方式 機(jī)械擋塊定位是在行程終點(diǎn)設(shè)置機(jī)械擋塊。當(dāng)機(jī)械手經(jīng)減速運(yùn)行到終點(diǎn)時(shí)，緊靠擋塊而定位。 若定位前已減速，定位時(shí)驅(qū)動(dòng)壓力未撤除，在這種情況下，機(jī)械擋塊定位能達(dá)到較高的重復(fù)精度。一般可高于0.5mm，若定位時(shí)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)油路而去掉工作壓力，這時(shí)機(jī)械手可能被擋塊碰回一個(gè)微小距離，因而定位精度變低。 8.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素 機(jī)械手能否準(zhǔn)確地工作，實(shí)際上是一個(gè)三維空間的定位問(wèn)題，是若干線量和角量定位的組合。在許多較簡(jiǎn)單情況下，單個(gè)量值可能是主要的。影響單個(gè)線量或角量定位誤差的因素如下： （1）定位方式 不同的定位方式影響因素不同。如機(jī)械擋

40、塊定位時(shí)，定位精度與擋塊的剛度和碰接擋塊時(shí)的速度等因素有關(guān)。 （2）定位速度 定位速度對(duì)定位精度影響很大。這是因?yàn)槎ㄎ凰俣炔煌瑫r(shí)，必須耗散的運(yùn)動(dòng)部件的能量不同。通常，為減小定位誤差應(yīng)合理控制定位速度，如提高緩沖裝置的緩沖性能和緩沖效率，控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使運(yùn)動(dòng)部件適時(shí)減速。 （3）精度 機(jī)械手的制造精度和安裝調(diào)速精度對(duì)定位精度有直接影響。 （4）剛度 機(jī)械手本身的結(jié)構(gòu)剛度和接觸剛度低時(shí)，易產(chǎn)生振動(dòng)，定位精度一般較低。 （5）運(yùn)動(dòng)件的重量 運(yùn)動(dòng)件的重量包括機(jī)械手本身的重量和被抓物的重量。 運(yùn)動(dòng)件重量的變化對(duì)定位精度影響較大。通常，運(yùn)動(dòng)件重量增加時(shí)，定位精度降低。因此，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要減小

41、運(yùn)動(dòng)部件本身的重量，而且要考慮工作時(shí)抓重變化的影響。 （6）驅(qū)動(dòng)源 液壓、氣壓的壓力波動(dòng)及電壓、油溫、氣溫的波動(dòng)都會(huì)影響機(jī)械手的重復(fù)定位精度。因此，采用必要的穩(wěn)壓及調(diào)節(jié)油溫措施。如用蓄能器穩(wěn)定油壓，用加熱器或冷卻器控制油溫，低速時(shí)，用溫度、壓力補(bǔ)償流量控制閥控制。 （7）控制系統(tǒng) 開(kāi)關(guān)控制、電液比例控制和伺服控制的位置控制精度是個(gè)不相同的。這不僅是因?yàn)楦鞣N控制元件的精度和靈敏度不同，而且也與位置反饋裝置的有無(wú)有關(guān)。 本課題所采用的定位精度為機(jī)械擋塊定位 結(jié)論 通過(guò)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我了解了機(jī)械手的很多相關(guān)知識(shí)。使我也了解了當(dāng)前國(guó)內(nèi)

42、外在此方面的一些先進(jìn)生產(chǎn)和制造技術(shù)，了解了機(jī)械手設(shè)計(jì)的一般過(guò)程，通過(guò)對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，掌握了一定的機(jī)械設(shè)計(jì)方面的基礎(chǔ)，能夠熟練使用CAD軟件繪制圖形，并對(duì)液壓方面的知識(shí)有你更深的認(rèn)識(shí)，為以后的工作學(xué)習(xí)創(chuàng)造了一定基礎(chǔ)。 1、 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)只是對(duì)平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)做了系統(tǒng)的計(jì)算設(shè)計(jì)， 設(shè)計(jì)中沒(méi)有涉及到機(jī)械手的控制問(wèn)題，對(duì)這方面有點(diǎn)模糊，需要在以后的工 作學(xué)習(xí)中了解和掌握。 2、 本次設(shè)計(jì)的是關(guān)節(jié)型機(jī)械手設(shè)計(jì)，動(dòng)作固定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)成本低廉，專(zhuān) 用性比較高，可實(shí)現(xiàn)車(chē)間內(nèi)的一些搬運(yùn)工作。 3、手臂采用直流電機(jī)傳動(dòng)，相對(duì)于液壓出力不是很大；手抓采用液壓伺

43、服機(jī)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，靈活度較高，使機(jī)械手用途更廣。 4、 該機(jī)械手選擇配置二指夾持手指，抓取一般棒料。必要時(shí)可以更換手抓，抓 取箱體等。 5、由于經(jīng)驗(yàn)知識(shí)水平的局限，設(shè)計(jì)難免有不到之處，望讀者見(jiàn)量，指正。 致謝 在本論文的工作中，自始自終得到了劉再興老師的精心指導(dǎo)和親切關(guān)懷。老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、嚴(yán)于律己寬以待人的做人風(fēng)范是我終身學(xué)習(xí)的榜樣。在課題研究的整個(gè)過(guò)程中，劉再興老師一直給予了悉心的指導(dǎo)與幫助。在同他的合作中取得了很大的進(jìn)步，同時(shí)他豐富的理論知識(shí)及實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)、對(duì)待學(xué)術(shù)問(wèn)題的科學(xué)態(tài)度令作者欽佩。在此表示由衷的感謝！

44、在進(jìn)行機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，和我一起研究探討的舍友表示感謝。也對(duì)多年年來(lái)給予了我各方面極大支持及鼓勵(lì)的老師表示感謝。最后向其他關(guān)心我支持我的老師、朋友、同班同學(xué)一并表示感謝。 參考文獻(xiàn) 劉明保 ，呂春紅等.機(jī)械手的組成機(jī)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)的確定.河南高等專(zhuān)科學(xué) 校學(xué)報(bào),2004,13:14-15 李超，氣動(dòng)通用上下料機(jī)械手的研究與開(kāi)發(fā).陜西科技大學(xué)，2003 陸祥生 ，楊繡蓮.機(jī)械手.中國(guó)鐵道出版社,1985 張建民.工業(yè)機(jī)械人.北京：北京理工大學(xué)出版社,1992 李允文.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版

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