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平面關(guān)節(jié)型機械手設(shè)計
第一章 緒 論
隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，自動化程度的迅速提高，實現(xiàn)工件的裝卸、轉(zhuǎn)向、輸送或操持焊槍、噴槍、扳手等工具進行加工、裝配等作業(yè)的自動化，已愈來愈引起人們的重視。
機械手是模仿著人手的部分動作，給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”。生產(chǎn)中應用實現(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，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的應用。
機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專業(yè)性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，使用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快地改變工作程序，適應性較強，所以它不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的應用。
本次課程設(shè)計的平面關(guān)節(jié)型機械手是應用于上下料、搬運環(huán)類零件，從內(nèi)孔夾持工件，代替人手的繁重勞動，減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率。
本次課程設(shè)計是通過設(shè)計平面關(guān)節(jié)型機械手，培養(yǎng)綜合運用所學知識，分析問題和解決問題的能力。
第二章 平面關(guān)節(jié)型機械手總體方案設(shè)計
平面關(guān)節(jié)型機器手又稱SCARA型裝配機器手，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)簡單，動作靈活，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、裝配中應用廣泛。
2.1 平面關(guān)節(jié)型機械手總體方案分析
2.1.1 設(shè)計任務
本次課程設(shè)計總體設(shè)計的任務是：上下料搬運機械手，3個自由度，平面關(guān)節(jié)型；需要搬運的工件：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)計的主要技術(shù)參數(shù)見表2.1
表2.1
機械手類型
平面關(guān)節(jié)型
抓取最大重量
2.2Kg
自由度
3個（2個回轉(zhuǎn)1個移動）
大臂
長658mm，回轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)角240，步進電機驅(qū)動 單片機控制
小臂
長564mm，回轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)角240，步進電機驅(qū)動 單片機控制
移動關(guān)節(jié)
氣缸驅(qū)動 行程開關(guān)控制
手指
氣缸驅(qū)動 行程開關(guān)控制
2.1.2 方案選擇
根據(jù)設(shè)計設(shè)計要分析出，抓取和轉(zhuǎn)動是最主要的功能。這兩項功能實現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是精巧的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和良好的伺服控制驅(qū)動。本次設(shè)計就是在這一思維下展開的。根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和需求確定圓柱坐標型三自由度機器人，利用步進電機驅(qū)動和齒輪減速傳動來實現(xiàn)大臂的旋轉(zhuǎn)運動；利用另一臺步進電機驅(qū)動小臂旋轉(zhuǎn)，從而使小臂與移動關(guān)節(jié)連在一起實現(xiàn)上下運動；考慮到本設(shè)計中的機器人工作范圍不大，故利用氣缸驅(qū)動實現(xiàn)手臂的伸縮運動；末端夾持器則采用內(nèi)撐式夾持器，用小型氣缸驅(qū)動夾緊。
2.2 平面關(guān)節(jié)型機械手總體結(jié)構(gòu)分析
2.2.1 結(jié)構(gòu)特點分析
根據(jù)設(shè)計要求和參數(shù)表分析得出，機械手分為機身、大臂、小臂、上下移動關(guān)節(jié)、手指部五部分構(gòu)成，其中機身與大臂、大臂與小臂連接處安置電機，小臂連接移動關(guān)節(jié)帶動手指上下搬運環(huán)類工件，結(jié)構(gòu)特點實體圖如下“圖2-1”所示。
圖 2-1 結(jié)構(gòu)實體圖
根據(jù)實體圖觀察及設(shè)計要求描述，繪制機構(gòu)簡圖，θ1為大臂回轉(zhuǎn)角，由電動機驅(qū)動，θ2為小臂回轉(zhuǎn)角，移動關(guān)節(jié)上下移動，共三個自由度，簡圖如圖“2-2”所示。
由“圖2-1”及設(shè)計要求分析，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 機構(gòu)簡圖
2.2.2 工作原理分析
本次設(shè)計的機械手大臂通過轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)與機身連接，關(guān)節(jié)處安放驅(qū)動裝置，由電動機驅(qū)動，為提高精度采用一級齒輪聯(lián)接減速，帶動大臂轉(zhuǎn)動，速度、頻率又單片機控制；大臂與小臂亦通過轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)連接，關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)配驅(qū)動裝置，結(jié)構(gòu)與大臂關(guān)節(jié)處相同；移動關(guān)節(jié)與小臂固定連接，移動關(guān)節(jié)使用氣缸或液壓缸，活塞桿連接手指上下移動；手指通過氣缸驅(qū)動控制夾具指，使夾具體從內(nèi)部抓取環(huán)類工件。傳動原理圖如下圖“圖2-4”所示。
圖 2-3 工作空間圖
圖2-4 傳動原理圖
第三章 平面關(guān)節(jié)型機械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 機械手手部設(shè)計
工業(yè)機械手的手部是用來抓持工件或工具的部件。手部抓持工件的迅速、準確和牢靠程度都將直接影響到工業(yè)機械手的工作性能，它是工業(yè)機械手的關(guān)鍵部件之一。
3.1.1 設(shè)計時要注意的問題
(1) 手指應有足夠的夾緊力，為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮夾持工件的重力外，還應考慮工件在傳送過程中的動載荷。
(2) 手指應有一定的開閉范圍。其大小不僅與工件的尺寸有關(guān)，而且應注意手部接近工件的運動路線及其方位的影響。
(3) 應能保證工件在手指內(nèi)準確定位。
(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。
(5) 根據(jù)應用條件考慮通用性。
3.1.2 工件重量的計算
其中g(shù)取10m/s2
取G=22（N）
3.1.3 手指夾緊力的計算
（3-1）
f為手指與工件的靜摩擦系數(shù)，工件材料為40號鋼，手指為鋼材，查《機械零件手冊》 表2-5 ，f=0.15 。
所以
取N=40（N）
驅(qū)動力的計算:
（3-2）
圖3-1
為斜面傾角，，為傳動機構(gòu)的效率，這里為平摩擦傳動，查《機械零件手冊》表2-2 這里取 0.85，所以
取p=50(N)
活塞手抓重量的估算:
r為桿的半徑，h為長度，g取10m/s2
3.1.4 氣缸的設(shè)計
因為氣壓工作壓力較低，對氣動組件的材質(zhì)和精度要求較液壓底，無污染，動作迅速反映快，維護簡單，使用安全。而且此處作用力不大，所以選氣壓傳動。
氣缸內(nèi)型選擇：
由于行程短，選單作用活塞氣缸，借彈簧復位。
氣缸的計算:
氣壓缸內(nèi)徑D的計算:
按《液壓傳動與氣壓傳動》公式 13-1。
(3-3)
D為氣缸的內(nèi)徑(m)，P為工作壓力（Pa）,為負載率，負載率與氣缸工作壓力有關(guān)，取，查《液壓傳動與氣壓傳動》表13-2 由于氣缸垂直安裝，所以取P=0.3。
按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-3選取32mm.
活塞桿直徑d的計算:
一般，此選0.2
mm
按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-4 選取8mm
氣缸壁厚的計算
按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-5查得
彈簧力的F的估算:
所以選擇的彈簧件。
3.2 移動關(guān)節(jié)的設(shè)計
3.2.1 驅(qū)動方式的比較
機械手的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動，電機驅(qū)動，和機械傳動四種。一臺機械手可以只用一種驅(qū)動，也可以用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動，各種驅(qū)動的特點見表“3-1”。
表3-1
比較內(nèi) 容
驅(qū)動方式
機械傳動
電機 驅(qū)動
氣壓傳動
液壓傳動
異步電機，直流電機
步進或伺服電機
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構(gòu)控制，定位精度高，可與主機嚴格同步
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)復雜
可高速，氣體壓縮性大，阻力效果差，沖擊較嚴重，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，可無級調(diào)速，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制
體積
當自由度多時，機構(gòu)復雜，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
維修使用較復雜
維修簡單，能在高溫，粉塵等惡劣環(huán)境種使用，泄漏影響小
維修方便，液體對溫度變化敏感，油液泄漏易著火
應用范圍
適用于自由度少的專用機械手，高速低速均能適用
適用于抓取重量大和速度低的專用機械手
可用于程序復雜和運動軌跡要求嚴格的小型通用機械手
中小型專用通用機械手都有
中小型專用通用機械手都有，特別時重型機械手多用
成本
結(jié)構(gòu)簡單，成本低，一般工廠可以自己制造
成本低
成本較高
結(jié)構(gòu)簡單，能源方便，成本低
液壓元件成本較高，油路也較復雜
3.2.2 氣缸的設(shè)計
因為氣壓工作壓力較低，對氣動組件的材質(zhì)和精度要求較液壓底，無污染，動作迅速反映快，維護簡單，使用安全。而且此處作用力不大，所以選氣壓傳動。
氣缸內(nèi)型選擇：因為活塞行程較長，往復運動，所以選雙作用單活塞氣缸，利用壓縮空氣使活塞向兩個方向運動。
初選活塞桿直徑d=12mm，估算其重量
取為5N
取為80N
氣壓缸內(nèi)徑D的計算
按《液壓傳動與氣壓傳動》公式 13-1
（3-4）
D為氣缸的內(nèi)徑(m)，P為工作壓力（Pa）,為負載率，負載率與氣缸工作壓力有關(guān)，取，查《液壓傳動與氣壓傳動》表13-2 由于氣缸垂直安裝，所以取P=0.3。一般，此選0.3
按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-3選取40mm。
一般，此選0.3
mm
氣缸壁厚的計算：
按《液壓傳動與氣壓傳動》表13-5查得。
氣缸重量的計算：
其中：R為氣缸外徑，r為氣缸內(nèi)徑，h為氣缸長度，g取10，為氣缸材料密度，取25N。
3.3 小臂的設(shè)計
臂部是機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支撐手部和腕部，主要用來改變工件的位置。手部在空間的活動范圍主要取決于臂部的運動形式。
3.3.1 設(shè)計時注意的問題
(1) 剛度要好，要合理選擇臂部的截面形狀和輪廓尺寸，空心桿比實心桿剛度大的多，常用鋼管做臂部和導向桿，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，偏重力矩時指臂部的總重量對其支撐或回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的力矩。
(3) 重量要輕，慣量要小，為了減輕運動時的沖擊，除采取緩沖外，力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以減少慣性力。
(4) 導向性要好。
3.3.3 小臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計
把小臂的截面設(shè)計成工字鋼形式，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、輕巧。
初選10號工字鋼。理論重,小臂長為564mm。
較核：（N）取75N。其受力如下圖:
圖3-2
F=75+105=180（N）
按《材料力學》公式5.11
（3-5）
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)
所以選10號工字鋼合適。
3.3.4 軸的設(shè)計計算
大軸的直徑取25mm，材料為45號鋼。
受力如下圖:
圖3-3
驗算：
F=180N
所以合適。
3.3.5 軸承的選擇
因為上軸承只受徑向，下軸承受軸向力和徑向力，所以選用圓錐滾子軸承，按《機械零件手冊》表9-6－1（GB 297-84）選7304E，d=25mm， e=0.3。
軸承的校核：
因為此處軸承做低速的擺動，所以其失效形式是，接觸應力過大，產(chǎn)生永久性的過大的凹坑（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：《機械設(shè)計》13-17
其中為當量靜載荷，為軸承靜強度安全系數(shù)，取決于軸承的使用條件。按《機械設(shè)計》表3-8 作擺動運動軸承,沖擊及不均勻載荷,此處取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《機械設(shè)計》表13－5查取
因為
所以
所以
因此軸承合適，小軸承受力很小，所以不用校核。
3.3.6 軸承摩擦力矩的計算：
如果 （C為基本額定動載荷，P為所受當量動載荷），可按《機械設(shè)計手冊》第二版 (16.1-13)公式:
估算
其中:為滾動軸承摩擦因數(shù)，F(xiàn)為軸承載荷，d為軸承內(nèi)徑。
查表《機械設(shè)計手冊》第二版 表16.1-29得。
，所以也可以用此公式估算。
所以
查表《機械設(shè)計手冊》第二版 表16.1-29得，
，所以也可以用此公式估算
所以
因為摩擦力矩小于0.1，所以忽略不計。
3.3.7 驅(qū)動選擇
因為所需驅(qū)動力小，精度要求不很高，所以選擇控制方便，輸出轉(zhuǎn)角無長期
積累誤差的步進電機。
步進電機的選擇：步距角要小，要滿足最大靜轉(zhuǎn)矩，因為轉(zhuǎn)速低不考慮矩頻特性，按《機電綜合設(shè)計指導》表2-11 BF反應式步進電動機技術(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,長度58mm,軸徑4mm。
精度驗證:能夠滿足精度要求，
為了提高精度，采用一級齒輪傳動.5。
的齒數(shù)為20，的齒數(shù)為70。
按《機械原理》表8-2標準模數(shù)系列表（GB1357-87）取m=1，取
則
齒輪寬度計算：
按《機械設(shè)計》表10-7 圓柱齒輪的齒寬度系數(shù)，兩支承相對小齒輪作對稱布置取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位而導致嚙合齒寬減少，要適當加寬，所以取24mm。
3.4 大臂的設(shè)計
3.4.1 結(jié)構(gòu)的設(shè)計
把大臂的截面設(shè)計成工字鋼形式，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、輕巧。
選14號工字鋼。理論重,小臂長為658mm。
較核：（N）
取140N
其受力如圖:
圖3-4
F=75+105+140=320（N）
按《材料力學》公式5.11
（3-6）
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)
所以選10號工字鋼合適。
3.4.2 軸的設(shè)計計算
軸的直徑取25mm，材料為45號鋼。
其受力如下圖:
圖3-5
驗算：
F=320N
所以合適。
3.4.3 軸承的選擇
大軸軸承的選擇：因為上軸承只受徑向，下軸承受軸向力和徑向力，所以選用圓錐滾子軸承，按《機械零件手冊》表9-6－1（GB 297-84）選7304E，d=25mm e=0.3。
軸承的校核
因為此處軸承做低速的擺動，所以其失效形式是，接觸應力過大，產(chǎn)生永久性的過大的凹坑（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：
《機械設(shè)計》13-17
其中為當量靜載荷，為軸承靜強度安全系數(shù)，取決于軸承的使用條件。按《機械設(shè)計》表3-8 作擺動運動軸承,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《機械設(shè)計》表13－5查取
因為 ；
所以
所以
因此軸承合適，小軸承受力很小，所以不用校核。
3.4.4 軸承摩擦力矩的計算
如果 （C為基本額定動載荷，P為所受當量動載荷），可按《機械設(shè)計手冊》第二版 (16.1-13)公式:
估算
其中:為滾動軸承摩擦因數(shù)，F(xiàn)為軸承載荷，d為軸承內(nèi)徑。
查表《機械設(shè)計手冊》第二版 表16.1-29得，
，所以也可以用此公式估算
所以
查表《機械設(shè)計手冊》第二版 表16.1-29得，
，所以也可以用此公式估算
所以
此處摩擦力矩亦小于0.1，忽略不計。
3.4.5 伺服系統(tǒng)的選擇
因為所需驅(qū)動力小，精度要求不很高，所以選擇控制方便，輸出轉(zhuǎn)角無長期積累誤差的步進電機。
步進電機的選擇：步距角要小，要滿足最大靜轉(zhuǎn)矩，因為轉(zhuǎn)速低不考慮矩頻特性，按《機電綜合設(shè)計指導》表2-11 BF反應式步進電動機技術(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,長度58mm,軸徑4mm。
精度驗證:
所以不能滿足精度要求,不能直接傳動,要變速機構(gòu)
在此選用直齒圓柱齒輪
為了提高精度，采用一級齒輪傳動.5。
的齒數(shù)為20，的齒數(shù)為70。
按《機械原理》表8-2標準模數(shù)系列表（GB1357-87）取m=1，取
則
齒輪寬度計算：
按《機械設(shè)計》表10-7 圓柱齒輪的齒寬度系數(shù)。
兩支承相對小齒輪作對稱布置取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位而導致嚙合齒寬減少，要適當加寬，所以取24mm。
3.5 機身的設(shè)計
機身是支承臂部的部件，升降，回轉(zhuǎn)和俯仰運動機構(gòu)等都可以裝在機身上。
3.5.1 設(shè)計時注意的問題
(1) 要有足夠的剛度和穩(wěn)定性。
(2) 運動要靈活，升降運動的導套長度不宜過短，否則可能產(chǎn)生卡死現(xiàn)象；一般要有導向裝置。
(3)結(jié)構(gòu)布置要合理，便于裝修。
由于此設(shè)計要求為三個自由度，所以此處無運動要求，只用來支承。只要剛度能滿足就行了，高度可根據(jù)自動線的高低確定。
結(jié)束語
在這次畢業(yè)設(shè)計中，我有很多收獲，首先把我?guī)啄陙硭鶎W的知識做了一次系統(tǒng)的復習，更深一步了解了所學的知識，培養(yǎng)了我綜合運用所學知識，獨立分析問題和解決問題的能力，也使我學會怎樣更好的利用圖書館，網(wǎng)絡(luò)查找資料和運用資料，還使我學會如何與同學共同討論問題。同時也遇到很多問題，如設(shè)計綜合考慮不夠周全。但這對我以后的工作有很大的幫助,今后我會在工作中不斷的學習,努力的提高自己的水平。
最后感謝學校、學院各位老師幾年來給我的教育和培養(yǎng)，特別感謝我的指導師給我精心的指導。
參考文獻
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