1464-平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手設(shè)計(jì)(一)
1464-平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手設(shè)計(jì)(一),平面,關(guān)節(jié),機(jī)械手,設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)已經(jīng)通過(guò)答辯，如果需要圖紙請(qǐng)聯(lián)系 QQ 251133408 另專業(yè)團(tuán)隊(duì)代做畢業(yè)設(shè)計(jì)，質(zhì)量速度有保證。 平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手設(shè)計(jì)第一章 緒 論隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，自動(dòng)化程度的迅速提高，實(shí)現(xiàn)工件的裝卸、轉(zhuǎn)向、輸送或操持焊槍、噴槍、扳手等工具進(jìn)行加工、裝配等作業(yè)的自動(dòng)化，已愈來(lái)愈引起人們的重視。機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手” 。生產(chǎn)中應(yīng)用實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡(jiǎn)單，專業(yè)性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，使用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手” ，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快地改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的應(yīng)用。本次課程設(shè)計(jì)的平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手是應(yīng)用于上下料、搬運(yùn)環(huán)類零件，從內(nèi)孔夾持工件，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，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。本次課程設(shè)計(jì)是通過(guò)設(shè)計(jì)平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手，培養(yǎng)綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。第二章 平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)平面關(guān)節(jié)型機(jī)器手又稱 SCARA 型裝配機(jī)器手，是 Selective Compliance Assembly Robot Arm 的縮寫，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。2.1 平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手總體方案分析2.1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)本次課程設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)的任務(wù)是：上下料搬運(yùn)機(jī)械手，3 個(gè)自由度，平面關(guān)節(jié)型；需要搬運(yùn)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(yùn)到與之平行的另一條輸送線上， （兩輸送線距離為 2.4m,高度差 0.4m） 。本次課程設(shè)計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)見表 2.1表 2.1機(jī)械手類型 平面關(guān)節(jié)型抓取最大重量 2.2Kg自由度 3 個(gè)（2 個(gè)回轉(zhuǎn) 1 個(gè)移動(dòng)）大臂 長(zhǎng) 658mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)角 240，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 單片機(jī)控制小臂 長(zhǎng) 564mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)角 240，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 單片機(jī)控制移動(dòng)關(guān)節(jié) 氣缸驅(qū)動(dòng) 行程開關(guān)控制手指 氣缸驅(qū)動(dòng) 行程開關(guān)控制2.1.2 方案選擇根據(jù)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要分析出，抓取和轉(zhuǎn)動(dòng)是最主要的功能。這兩項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和良好的伺服控制驅(qū)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)就是在這一思維下展開的。根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容和需求確定圓柱坐標(biāo)型三自由度機(jī)器人，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和齒輪減速傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)大臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；利用另一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)小臂旋轉(zhuǎn)，從而使小臂與移動(dòng)關(guān)節(jié)連在一起實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)；考慮到本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人工作范圍不大，故利用氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)；末端夾持器則采用內(nèi)撐式夾持器，用小型氣缸驅(qū)動(dòng)夾緊。2.2 平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)分析2.2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析根據(jù)設(shè)計(jì)要求和參數(shù)表分析得出，機(jī)械手分為機(jī)身、大臂、小臂、上下移動(dòng)關(guān)節(jié)、手指部五部分構(gòu)成，其中機(jī)身與大臂、大臂與小臂連接處安置電機(jī)，小臂連接移動(dòng)關(guān)節(jié)帶動(dòng)手指上下搬運(yùn)環(huán)類工件，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)實(shí)體圖如下“圖 2-1”所示。 圖 2-1 結(jié)構(gòu)實(shí)體圖根據(jù)實(shí)體圖觀察及設(shè)計(jì)要求描述，繪制機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，θ 1 為大臂回轉(zhuǎn)角，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，θ 2 為小臂回轉(zhuǎn)角，移動(dòng)關(guān)節(jié)上下移動(dòng)，共三個(gè)自由度，簡(jiǎn)圖如圖“2-2”所示。由“圖 2-1”及設(shè)計(jì)要求分析，大臂和小臂可回轉(zhuǎn) 240 度，在兩條輸送帶間工作，將工件從一條輸送線搬運(yùn)到與之平行的另一條輸送線上，分析出工作空間如下圖“圖 2-3”所示。 圖 2-2 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.2.2 工作原理分析本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手大臂通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)與機(jī)身連接，關(guān)節(jié)處安放驅(qū)動(dòng)裝置，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，為提高精度采用一級(jí)齒輪聯(lián)接減速，帶動(dòng)大臂轉(zhuǎn)動(dòng)，速度、頻率又單片機(jī)控制；大臂與小臂亦通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)連接，關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)配驅(qū)動(dòng)裝置，結(jié)構(gòu)與大臂關(guān)節(jié)處相同；移動(dòng)關(guān)節(jié)與小臂固定連接，移動(dòng)關(guān)節(jié)使用氣缸或液壓缸，活塞桿連接手指上下移動(dòng)；手指通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)控制夾具指，使夾具體從內(nèi)部抓取環(huán)類工件。傳動(dòng)原理圖如下圖“圖 2-4”所示。圖 2-3 工作空間圖圖 2-4 傳動(dòng)原理圖第三章 平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 機(jī)械手手部設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)械手的手部是用來(lái)抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、準(zhǔn)確和牢靠程度都將直接影響到工業(yè)機(jī)械手的工作性能，它是工業(yè)機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。3.1.1 設(shè)計(jì)時(shí)要注意的問(wèn)題(1) 手指應(yīng)有足夠的夾緊力，為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮夾持工件的重力外，還應(yīng)考慮工件在傳送過(guò)程中的動(dòng)載荷。(2) 手指應(yīng)有一定的開閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且應(yīng)注意手部接近工件的運(yùn)動(dòng)路線及其方位的影響。(3) 應(yīng)能保證工件在手指內(nèi)準(zhǔn)確定位。(4) 結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。(5) 根據(jù)應(yīng)用條件考慮通用性。3.1.2 工件重量的計(jì)算 )(0428.102867)(286050314. 922 kgvgmGhrRV????????其中 g 取 10m/s2取 G=22（N）3.1.3 手指夾緊力的計(jì)算（3-Gf?41）f 為手指與工件的靜摩擦系數(shù)，工件材料為 40 號(hào)鋼，手指為鋼材，查《機(jī)械零件手冊(cè)》 表 2-5 ，f=0.15 。所以 3.815.042????fGN取 N=40（N）驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算:（3-??14tgP?2）圖 3-1為斜面傾角， ， 為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，這里為平摩擦?o15???傳動(dòng)，查《機(jī)械零件手冊(cè)》表 2-2 這里取 0.85，所以92.08?45.40??tgP取 p=50(N)活塞手抓重量的估算: )(2310785214.321 NghrG??????r 為桿的半徑，h 為長(zhǎng)度，g 取 10m/s23.1.4 氣缸的設(shè)計(jì)因?yàn)闅鈮汗ぷ鲏毫^低，對(duì)氣動(dòng)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。而且此處作用力不大，所以選氣壓傳動(dòng)。氣缸內(nèi)型選擇：由于行程短，選單作用活塞氣缸，借彈簧復(fù)位。氣缸的計(jì)算:氣壓缸內(nèi)徑 D 的計(jì)算:按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》公式 13-1。(3-3)??PF42?D 為氣缸的內(nèi)徑(m)，P 為工作壓力（Pa）, 為負(fù)載率，負(fù)載率與氣缸工?作壓力有關(guān)，取 ，查《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表 13-2 0.由于氣缸垂直安裝，所以取 P=0.3。65.30.?? )(16.24)(0.13.041.3546 mPF??????按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表 13-3 選取 32mm.活塞桿直徑 d 的計(jì)算:一般 ，此選 0.23.02.??Dmm4.6..??按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表 13-4 選取 8mm氣缸壁厚 的計(jì)算?按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表 13-5 查得 4??彈簧力的 F 的估算: )(231NGF?所以選擇 的彈簧件。)(231N??3.2 移動(dòng)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)3.2.1 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)見表“3-1” 。表 3-1驅(qū)動(dòng)方式電機(jī) 驅(qū)動(dòng)比較內(nèi) 容 機(jī)械傳動(dòng)異步電機(jī)，直流電機(jī)步進(jìn)或伺服電機(jī)氣壓傳動(dòng) 液壓傳動(dòng)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，泄漏影響小維修方便，液體對(duì)溫度變化敏感，油液泄漏易著火應(yīng)用范圍適用于自由度少的專用機(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)械手中小型專用通用機(jī)械手都有中小型專用通用機(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3.2.2 氣缸的設(shè)計(jì)因?yàn)闅鈮汗ぷ鲏毫^低，對(duì)氣動(dòng)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。而且此處作用力不大，所以選氣壓傳動(dòng)。氣缸內(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氣缸，利用壓縮空氣使活塞向兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。初選活塞桿直徑 d=12mm，估算其重量 )(85.41075.0)21.(4.3)2( NghdG??????取為 5N21???F取為 80N氣壓缸內(nèi)徑 D 的計(jì)算按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》公式 13-1 （3-??PdF4)(2??4）D 為氣缸的內(nèi)徑(m)，P 為工作壓力（Pa）, 為負(fù)載率，負(fù)載率與氣缸工作壓力有關(guān)，取 ，查《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表 13-2 由于40.? 65.03.??P氣缸垂直安裝，所以取 P=0.3。一般 ，此選 0.33.02.??Dd )(54.30)(.19.4.138091.466 mPFD ????????按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表 13-3 選取 40mm。一般 ，此選 0.33.02.??dmm14..??D氣缸壁厚 的計(jì)算：?按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表 13-5 查得 。4??氣缸重量的計(jì)算： )(7.2310785.0)2.04.(13)(23 NghrRG ????????其中：R 為氣缸外徑，r 為氣缸內(nèi)徑，h 為氣缸長(zhǎng)度，g 取 10， 為氣缸材料密?度， 取 25N。33.3 小臂的設(shè)計(jì)臂部是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支撐手部和腕部，主要用來(lái)改變工件的位置。手部在空間的活動(dòng)范圍主要取決于臂部的運(yùn)動(dòng)形式。3.3.1 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。3.3.3 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，從而減輕小臂重量，使其經(jīng)濟(jì)、輕巧。初選 10 號(hào)工字鋼。理論重 ,mdhcmWy 5.4,10,72.9,1.26kg/3??小臂長(zhǎng)為 564mm。較核： （N）取 75N。其受力如下圖:5.0..大??mgG圖 3-2F=75+105=180（N） ).(625.93.0756.102大1 mNLGFM???????MPaPaWy 1][3.9)(7.965????按《材料力學(xué)》公式 5.11 （3-hbQ??5）其中 h 為工字鋼的高度，b 為工字鋼的腰寬，Q 為所受的力。根據(jù) MPaa60][4.015.401833 ??????? ??所以選 10 號(hào)工字鋼合適。3.3.4 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算大軸的直徑取 25mm，材料為 45 號(hào)鋼。受力如下圖:圖 3-3驗(yàn)算：F=180N )(74105.1269221 NlMF???? MPaar 60][96.).(4.3232 ?????所以合適。3.3.5 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)》表 9-6－1（GB 297-84）選 7304E，d=25mm， e=0.3。KN2.7c 31.5c0?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)》13-17 0PSC?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。0P0按《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 3-8 作擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)軸承,沖擊及不均勻載荷, 此處取5.1~0?S1.5。上軸承受純徑向載荷, )(7410NFP??所以 2.)(5.1.7400 KCPS???因此軸承合適。下軸承受徑向和軸向載荷, ；AYRXP00??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 13－5 查取因?yàn)?3.024.7180???eR所以 0 NRAYXP7410?所以 )(2.)(5..0KCS?因此軸承合適，小軸承受力很小，所以不用校核。3.3.6 軸承摩擦力矩的計(jì)算：如果 （C 為基本額定動(dòng)載荷，P 為所受當(dāng)量動(dòng)載荷） ，可按《機(jī)械10?設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版 (16.1-13)公式:估算FdT?5.其中: 為滾動(dòng)軸承摩擦因數(shù)，F(xiàn) 為軸承載荷，d 為軸承內(nèi)徑。查表《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版 表 16.1-29 得 。01.??，所以也可以用此公式估算。1056.82.9170??PC所以 )(89.2.596.1 NmFdT???查表《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版 表 16.1-29 得 ，013??，所以也可以用此公式估算10518270??PC所以 )(24..0183..2 NmFdT??)52491 （總 ????因?yàn)槟Σ亮匦∮?0.1，所以忽略不計(jì)。3.3.7 驅(qū)動(dòng)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)》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: 能夠滿足精度要求，)(10)(86.7)25.1sin(600m???為了提高精度，采用一級(jí)齒輪傳動(dòng) .5。312?zi的齒數(shù)為 20， 的齒數(shù)為 70。1z2z按《機(jī)械原理》表 8-2 標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列表（GB1357-87）取 m=1，取 02??則 )(011mzd??72)(*ha 25.1.01)(????cf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) ，兩支承相對(duì)小齒輪d?作對(duì)稱布置取 0.9—1.4, 此處取 1。則 mdb201????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。3.4 大臂的設(shè)計(jì)3.4.1 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 ,小臂mdhcmWy 5.,140,.6,16.890kg/3??長(zhǎng)為 658mm。較核： （N）75.27..大??mgG取 140N其受力如圖:圖 3-4F=75+105+140=320（N） ).(125.807.14).026(75).06(15大2大21 mNLGLLFM??????? MPaPaWy ][.)(.1283?????按《材料力學(xué)》公式 5.11 （3-6）hbQ??其中 h 為工字鋼的高度，b 為工字鋼的腰寬，Q 為所受的力。根據(jù) MPaa60][42.015.014323?????? ?所以選 10 號(hào)工字鋼合適。3.4.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算軸的直徑取 25mm，材料為 45 號(hào)鋼。其受力如下圖:圖 3-5驗(yàn)算：F=320N)(201145.821 NlMF???? MPaar 60][8.4).(.3232 ?????所以合適。3.4.3 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)》表 9-6－1（GB 297-84）選7304E，d=25mm e=0.3。kN2.17c 3.5c0?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)》13-17 0PSC?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0P件。按《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 3-8 作擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)軸承,沖擊及不均勻載荷,此處 1.5。5.10??S上軸承受純徑向載荷, )(2010NFP??所以 .7)(5.3.120KCP???因此軸承合適。下軸承受徑向和軸向載荷, ；AYRXP00??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 13－5 查取因?yàn)? ；3.0159.203???eR所以 10 NRAYXP21?所以 )(.7)(..0KCS?因此軸承合適，小軸承受力很小，所以不用校核。3.4.4 軸承摩擦力矩的計(jì)算如果 （C 為基本額定動(dòng)載荷，P 為所受當(dāng)量動(dòng)載荷） ，可按《機(jī)械10?設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版 (16.1-13)公式:估算FdT?5.其中: 為滾動(dòng)軸承摩擦因數(shù)，F(xiàn) 為軸承載荷，d 為軸承內(nèi)徑。查表《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版 表 16.1-29 得 ，01.??，所以也可以用此公式估算1059.420??PC所以 )(2..021..1 NmFdT???查表《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版 表 16.1-29 得 ，013??，所以也可以用此公式估算103.84270??PC所以 )(0416.2.301.5.02 NmFdT?????7462.1 （總 ????此處摩擦力矩亦小于 0.1，忽略不計(jì)。3.4.5 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)》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: )(10)(0325.18).sin(140m???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) .5。312?zi的齒數(shù)為 20， 的齒數(shù)為 70。1z2z按《機(jī)械原理》表 8-2 標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列表（GB1357-87）取 m=1，取 02??則 )(011mzd??72)(*ha 25.1.01)(????cf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) 。d?兩支承相對(duì)小齒輪作對(duì)稱布置取 0.9—1.4,此處取 1。則 。mdb2011????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。3.5 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。3.5.1 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。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。結(jié)束語(yǔ)在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我有很多收獲，首先把我?guī)啄陙?lái)所學(xué)的知識(shí)做了一次系統(tǒng)的復(fù)習(xí)，更深一步了解了所學(xué)的知識(shí)，培養(yǎng)了我綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，也使我學(xué)會(huì)怎樣更好的利用圖書館，網(wǎng)絡(luò)查找資料和運(yùn)用資料，還使我學(xué)會(huì)如何與同學(xué)共同討論問(wèn)題。同時(shí)也遇到很多問(wèn)題，如設(shè)計(jì)綜合考慮不夠周全。但這對(duì)我以后的工作有很大的幫助,今后我會(huì)在工作中不斷的學(xué)習(xí),努力的提高自己的水平。最后感謝學(xué)校、學(xué)院各位老師幾年來(lái)給我的教育和培養(yǎng)，特別感謝我的指導(dǎo)師給我精心的指導(dǎo)。參考文獻(xiàn)[1] 周伯英.工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995[2] 龔振幫.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì).武漢:電子工業(yè)出版社，1995[3]（日）藤森洋三. 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990[4]（日）加藤一郎. 機(jī)械手圖冊(cè).上海:上?？萍汲霭嫔?，1989[5] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊(cè)（五）.成都:化學(xué)工業(yè)出版社，1999[6] 劉鴻文. 材料力學(xué).北京:高等教育出版社，1999[7] 濮良貴 紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì).北京:高等教育出版社，2000[8] 周開勤.機(jī)械零件手冊(cè).北京:高等教育出版社，1993[9] 吳振彪.工業(yè)機(jī)器人.武漢:華中理工出版社，1998目錄第 1 章 緒論…………………………………………1第 2 章 機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) …………………… 22.1 總體方案分析 …………………………… 22.2 總體結(jié)構(gòu)分析 …………………………… 3第 3 章 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) …………………… 63.1 機(jī)械手手部設(shè)計(jì)…………………………… 63.2 移動(dòng)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)…………………………… 93.3 小臂的設(shè)計(jì) ……………………………… 11 3.4 大臂的設(shè)計(jì) ……………………………… 163.5 機(jī)身的設(shè)計(jì) ……………………………… 18結(jié)束語(yǔ) ………………………………………… 21參考文獻(xiàn) ………………………………………… 22本設(shè)計(jì)已經(jīng)通過(guò)答辯，如果需要圖紙請(qǐng)聯(lián)系 QQ 251133408 另專業(yè)團(tuán)隊(duì)代做畢業(yè)設(shè)計(jì)，質(zhì)量速度有保證。 平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手設(shè)計(jì)第一章 緒 論隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，自動(dòng)化程度的迅速提高，實(shí)現(xiàn)工件的裝卸、轉(zhuǎn)向、輸送或操持焊槍、噴槍、扳手等工具進(jìn)行加工、裝配等作業(yè)的自動(dòng)化，已愈來(lái)愈引起人們的重視。機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為“工業(yè)機(jī)械手” 。生產(chǎn)中應(yīng)用實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡(jiǎn)單，專業(yè)性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，使用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手” ，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快地改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的應(yīng)用。本次課程設(shè)計(jì)的平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手是應(yīng)用于上下料、搬運(yùn)環(huán)類零件，從內(nèi)孔夾持工件，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，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。本次課程設(shè)計(jì)是通過(guò)設(shè)計(jì)平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手，培養(yǎng)綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。第二章 平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)平面關(guān)節(jié)型機(jī)器手又稱 SCARA 型裝配機(jī)器手，是 Selective Compliance Assembly Robot Arm 的縮寫，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。2.1 平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手總體方案分析2.1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)本次課程設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)的任務(wù)是：上下料搬運(yùn)機(jī)械手，3 個(gè)自由度，平面關(guān)節(jié)型；需要搬運(yùn)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(yùn)到與之平行的另一條輸送線上， （兩輸送線距離為 2.4m,高度差 0.4m） 。本次課程設(shè)計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)見表 2.1表 2.1機(jī)械手類型 平面關(guān)節(jié)型抓取最大重量 2.2Kg自由度 3 個(gè)（2 個(gè)回轉(zhuǎn) 1 個(gè)移動(dòng)）大臂 長(zhǎng) 658mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)角 240，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 單片機(jī)控制小臂 長(zhǎng) 564mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)角 240，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 單片機(jī)控制移動(dòng)關(guān)節(jié) 氣缸驅(qū)動(dòng) 行程開關(guān)控制手指 氣缸驅(qū)動(dòng) 行程開關(guān)控制2.1.2 方案選擇根據(jù)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要分析出，抓取和轉(zhuǎn)動(dòng)是最主要的功能。這兩項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和良好的伺服控制驅(qū)動(dòng)。本次設(shè)計(jì)就是在這一思維下展開的。根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容和需求確定圓柱坐標(biāo)型三自由度機(jī)器人，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和齒輪減速傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)大臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；利用另一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)小臂旋轉(zhuǎn)，從而使小臂與移動(dòng)關(guān)節(jié)連在一起實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)；考慮到本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人工作范圍不大，故利用氣缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)；末端夾持器則采用內(nèi)撐式夾持器，用小型氣缸驅(qū)動(dòng)夾緊。2.2 平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)分析2.2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析根據(jù)設(shè)計(jì)要求和參數(shù)表分析得出，機(jī)械手分為機(jī)身、大臂、小臂、上下移動(dòng)關(guān)節(jié)、手指部五部分構(gòu)成，其中機(jī)身與大臂、大臂與小臂連接處安置電機(jī)，小臂連接移動(dòng)關(guān)節(jié)帶動(dòng)手指上下搬運(yùn)環(huán)類工件，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)實(shí)體圖如下“圖 2-1”所示。 圖 2-1 結(jié)構(gòu)實(shí)體圖根據(jù)實(shí)體圖觀察及設(shè)計(jì)要求描述，繪制機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，θ 1 為大臂回轉(zhuǎn)角，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，θ 2 為小臂回轉(zhuǎn)角，移動(dòng)關(guān)節(jié)上下移動(dòng)，共三個(gè)自由度，簡(jiǎn)圖如圖“2-2”所示。由“圖 2-1”及設(shè)計(jì)要求分析，大臂和小臂可回轉(zhuǎn) 240 度，在兩條輸送帶間工作，將工件從一條輸送線搬運(yùn)到與之平行的另一條輸送線上，分析出工作空間如下圖“圖 2-3”所示。 圖 2-2 機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.2.2 工作原理分析本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手大臂通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)與機(jī)身連接，關(guān)節(jié)處安放驅(qū)動(dòng)裝置，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，為提高精度采用一級(jí)齒輪聯(lián)接減速，帶動(dòng)大臂轉(zhuǎn)動(dòng)，速度、頻率又單片機(jī)控制；大臂與小臂亦通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)連接，關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)配驅(qū)動(dòng)裝置，結(jié)構(gòu)與大臂關(guān)節(jié)處相同；移動(dòng)關(guān)節(jié)與小臂固定連接，移動(dòng)關(guān)節(jié)使用氣缸或液壓缸，活塞桿連接手指上下移動(dòng)；手指通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)控制夾具指，使夾具體從內(nèi)部抓取環(huán)類工件。傳動(dòng)原理圖如下圖“圖 2-4”所示。圖 2-3 工作空間圖圖 2-4 傳動(dòng)原理圖第三章 平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 機(jī)械手手部設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)械手的手部是用來(lái)抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、準(zhǔn)確和牢靠程度都將直接影響到工業(yè)機(jī)械手的工作性能，它是工業(yè)機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。3.1.1 設(shè)計(jì)時(shí)要注意的問(wèn)題(1) 手指應(yīng)有足夠的夾緊力，為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮夾持工件的重力外，還應(yīng)考慮工件在傳送過(guò)程中的動(dòng)載荷。(2) 手指應(yīng)有一定的開閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且應(yīng)注意手部接近工件的運(yùn)動(dòng)路線及其方位的影響。(3) 應(yīng)能保證工件在手指內(nèi)準(zhǔn)確定位。(4) 結(jié)構(gòu)盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。(5) 根據(jù)應(yīng)用條件考慮通用性。3.1.2 工件重量的計(jì)算 )(0428.102867)(286050314. 922 kgvgmGhrRV????????其中 g 取 10m/s2取 G=22（N）3.1.3 手指夾緊力的計(jì)算（3-Gf?41）f 為手指與工件的靜摩擦系數(shù)，工件材料為 40 號(hào)鋼，手指為鋼材，查《機(jī)械零件手冊(cè)》 表 2-5 ，f=0.15 。所以 3.815.042????fGN取 N=40（N）驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算:（3-??14tgP?2）圖 3-1為斜面傾角， ， 為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，這里為平摩擦?o15???傳動(dòng)，查《機(jī)械零件手冊(cè)》表 2-2 這里取 0.85，所以92.08?45.40??tgP取 p=50(N)活塞手抓重量的估算: )(2310785214.321 NghrG??????r 為桿的半徑，h 為長(zhǎng)度，g 取 10m/s23.1.4 氣缸的設(shè)計(jì)因?yàn)闅鈮汗ぷ鲏毫^低，對(duì)氣動(dòng)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。而且此處作用力不大，所以選氣壓傳動(dòng)。氣缸內(nèi)型選擇：由于行程短，選單作用活塞氣缸，借彈簧復(fù)位。氣缸的計(jì)算:氣壓缸內(nèi)徑 D 的計(jì)算:按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》公式 13-1。(3-3)??PF42?D 為氣缸的內(nèi)徑(m)，P 為工作壓力（Pa）, 為負(fù)載率，負(fù)載率與氣缸工?作壓力有關(guān)，取 ，查《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表 13-2 0.由于氣缸垂直安裝，所以取 P=0.3。65.30.?? )(16.24)(0.13.041.3546 mPF??????按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表 13-3 選取 32mm.活塞桿直徑 d 的計(jì)算:一般 ，此選 0.23.02.??Dmm4.6..??按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表 13-4 選取 8mm氣缸壁厚 的計(jì)算?按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表 13-5 查得 4??彈簧力的 F 的估算: )(231NGF?所以選擇 的彈簧件。)(231N??3.2 移動(dòng)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)3.2.1 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)見表“3-1” 。表 3-1驅(qū)動(dòng)方式電機(jī) 驅(qū)動(dòng)比較內(nèi) 容 機(jī)械傳動(dòng)異步電機(jī)，直流電機(jī)步進(jìn)或伺服電機(jī)氣壓傳動(dòng) 液壓傳動(dòng)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，泄漏影響小維修方便，液體對(duì)溫度變化敏感，油液泄漏易著火應(yīng)用范圍適用于自由度少的專用機(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)械手中小型專用通用機(jī)械手都有中小型專用通用機(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3.2.2 氣缸的設(shè)計(jì)因?yàn)闅鈮汗ぷ鲏毫^低，對(duì)氣動(dòng)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。而且此處作用力不大，所以選氣壓傳動(dòng)。氣缸內(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氣缸，利用壓縮空氣使活塞向兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。初選活塞桿直徑 d=12mm，估算其重量 )(85.41075.0)21.(4.3)2( NghdG??????取為 5N21???F取為 80N氣壓缸內(nèi)徑 D 的計(jì)算按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》公式 13-1 （3-??PdF4)(2??4）D 為氣缸的內(nèi)徑(m)，P 為工作壓力（Pa）, 為負(fù)載率，負(fù)載率與氣缸工作壓力有關(guān)，取 ，查《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表 13-2 由于40.? 65.03.??P氣缸垂直安裝，所以取 P=0.3。一般 ，此選 0.33.02.??Dd )(54.30)(.19.4.138091.466 mPFD ????????按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表 13-3 選取 40mm。一般 ，此選 0.33.02.??dmm14..??D氣缸壁厚 的計(jì)算：?按《液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)》表 13-5 查得 。4??氣缸重量的計(jì)算： )(7.2310785.0)2.04.(13)(23 NghrRG ????????其中：R 為氣缸外徑，r 為氣缸內(nèi)徑，h 為氣缸長(zhǎng)度，g 取 10， 為氣缸材料密?度， 取 25N。33.3 小臂的設(shè)計(jì)臂部是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支撐手部和腕部，主要用來(lái)改變工件的位置。手部在空間的活動(dòng)范圍主要取決于臂部的運(yùn)動(dòng)形式。3.3.1 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。3.3.3 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，從而減輕小臂重量，使其經(jīng)濟(jì)、輕巧。初選 10 號(hào)工字鋼。理論重 ,mdhcmWy 5.4,10,72.9,1.26kg/3??小臂長(zhǎng)為 564mm。較核： （N）取 75N。其受力如下圖:5.0..大??mgG圖 3-2F=75+105=180（N） ).(625.93.0756.102大1 mNLGFM???????MPaPaWy 1][3.9)(7.965????按《材料力學(xué)》公式 5.11 （3-hbQ??5）其中 h 為工字鋼的高度，b 為工字鋼的腰寬，Q 為所受的力。根據(jù) MPaa60][4.015.401833 ??????? ??所以選 10 號(hào)工字鋼合適。3.3.4 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算大軸的直徑取 25mm，材料為 45 號(hào)鋼。受力如下圖:圖 3-3驗(yàn)算：F=180N )(74105.1269221 NlMF???? MPaar 60][96.).(4.3232 ?????所以合適。3.3.5 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)》表 9-6－1（GB 297-84）選 7304E，d=25mm， e=0.3。KN2.7c 31.5c0?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)》13-17 0PSC?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。0P0按《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 3-8 作擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)軸承,沖擊及不均勻載荷, 此處取5.1~0?S1.5。上軸承受純徑向載荷, )(7410NFP??所以 2.)(5.1.7400 KCPS???因此軸承合適。下軸承受徑向和軸向載荷, ；AYRXP00??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 13－5 查取因?yàn)?3.024.7180???eR所以 0 NRAYXP7410?所以 )(2.)(5..0KCS?因此軸承合適，小軸承受力很小，所以不用校核。3.3.6 軸承摩擦力矩的計(jì)算：如果 （C 為基本額定動(dòng)載荷，P 為所受當(dāng)量動(dòng)載荷） ，可按《機(jī)械10?設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版 (16.1-13)公式:估算FdT?5.其中: 為滾動(dòng)軸承摩擦因數(shù)，F(xiàn) 為軸承載荷，d 為軸承內(nèi)徑。查表《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版 表 16.1-29 得 。01.??，所以也可以用此公式估算。1056.82.9170??PC所以 )(89.2.596.1 NmFdT???查表《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版 表 16.1-29 得 ，013??，所以也可以用此公式估算10518270??PC所以 )(24..0183..2 NmFdT??)52491 （總 ????因?yàn)槟Σ亮匦∮?0.1，所以忽略不計(jì)。3.3.7 驅(qū)動(dòng)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)》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: 能夠滿足精度要求，)(10)(86.7)25.1sin(600m???為了提高精度，采用一級(jí)齒輪傳動(dòng) .5。312?zi的齒數(shù)為 20， 的齒數(shù)為 70。1z2z按《機(jī)械原理》表 8-2 標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列表（GB1357-87）取 m=1，取 02??則 )(011mzd??72)(*ha 25.1.01)(????cf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) ，兩支承相對(duì)小齒輪d?作對(duì)稱布置取 0.9—1.4, 此處取 1。則 mdb201????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。3.4 大臂的設(shè)計(jì)3.4.1 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 ,小臂mdhcmWy 5.,140,.6,16.890kg/3??長(zhǎng)為 658mm。較核： （N）75.27..大??mgG取 140N其受力如圖:圖 3-4F=75+105+140=320（N） ).(125.807.14).026(75).06(15大2大21 mNLGLLFM??????? MPaPaWy ][.)(.1283?????按《材料力學(xué)》公式 5.11 （3-6）hbQ??其中 h 為工字鋼的高度，b 為工字鋼的腰寬，Q 為所受的力。根據(jù) MPaa60][42.015.014323?????? ?所以選 10 號(hào)工字鋼合適。3.4.2 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算軸的直徑取 25mm，材料為 45 號(hào)鋼。其受力如下圖:圖 3-5驗(yàn)算：F=320N)(201145.821 NlMF???? MPaar 60][8.4).(.3232 ?????所以合適。3.4.3 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)》表 9-6－1（GB 297-84）選7304E，d=25mm e=0.3。kN2.17c 3.5c0?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)》13-17 0PSC?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0P件。按《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 3-8 作擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)軸承,沖擊及不均勻載荷,此處 1.5。5.10??S上軸承受純徑向載荷, )(2010NFP??所以 .7)(5.3.120KCP???因此軸承合適。下軸承受徑向和軸向載荷, ；AYRXP00??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 13－5 查取因?yàn)? ；3.0159.203???eR所以 10 NRAYXP21?所以 )(.7)(..0KCS?因此軸承合適，小軸承受力很小，所以不用校核。3.4.4 軸承摩擦力矩的計(jì)算如果 （C 為基本額定動(dòng)載荷，P 為所受當(dāng)量動(dòng)載荷） ，可按《機(jī)械10?設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版 (16.1-13)公式:估算FdT?5.其中: 為滾動(dòng)軸承摩擦因數(shù)，F(xiàn) 為軸承載荷，d 為軸承內(nèi)徑。查表《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版 表 16.1-29 得 ，01.??，所以也可以用此公式估算1059.420??PC所以 )(2..021..1 NmFdT???查表《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版 表 16.1-29 得 ，013??，所以也可以用此公式估算103.84270??PC所以 )(0416.2.301.5.02 NmFdT?????7462.1 （總 ????此處摩擦力矩亦小于 0.1，忽略不計(jì)。3.4.5 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)》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: )(10)(0325.18).sin(140m???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) .5。312?zi的齒數(shù)為 20， 的齒數(shù)為 70。1z2z按《機(jī)械原理》表 8-2 標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列表（GB1357-87）取 m=1，取 02??則 )(011mzd??72)(*ha 25.1.01)(????cf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) 。d?兩支承相對(duì)小齒輪作對(duì)稱布置取 0.9—1.4,此處取 1。則 。mdb2011????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。3.5 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。3.5.1 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。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。結(jié)束語(yǔ)在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我有很多收獲，首先把我?guī)啄陙?lái)所學(xué)的知識(shí)做了一次系統(tǒng)的復(fù)習(xí)，更深一步了解了所學(xué)的知識(shí)，培養(yǎng)了我綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，也使我學(xué)會(huì)怎樣更好的利用圖書館，網(wǎng)絡(luò)查找資料和運(yùn)用資料，還使我學(xué)會(huì)如何與同學(xué)共同討論問(wèn)題。同時(shí)也遇到很多問(wèn)題，如設(shè)計(jì)綜合考慮不夠周全。但這對(duì)我以后的工作有很大的幫助,今后我會(huì)在工作中不斷的學(xué)習(xí),努力的提高自己的水平。最后感謝學(xué)校、學(xué)院各位老師幾年來(lái)給我的教育和培養(yǎng)，特別感謝我的指導(dǎo)師給我精心的指導(dǎo)。參考文獻(xiàn)[1] 周伯英.工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995[2] 龔振幫.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì).武漢:電子工業(yè)出版社，1995[3]（日）藤森洋三. 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990[4]（日）加藤一郎. 機(jī)械手圖冊(cè).上海:上海科技出版社，1989[5] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)圖冊(cè)（五）.成都:化學(xué)工業(yè)出版社，1999[6] 劉鴻文. 材料力學(xué).北京:高等教育出版社，1999[7] 濮良貴 紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì).北京:高等教育出版社，2000[8] 周開勤.機(jī)械零件手冊(cè).北京:高等教育出版社，1993[9] 吳振彪.工業(yè)機(jī)器人.武漢:華中理工出版社，1998
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