3251 平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手設(shè)計
3251 平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手設(shè)計,平面,關(guān)節(jié),機(jī)械手,設(shè)計
- 1 -平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手設(shè)計設(shè)計任務(wù)書一、 通過設(shè)計平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手，培養(yǎng)綜合運(yùn)用所學(xué)知識，分析問題和解決問題的能力。有關(guān)資料：上下料搬運(yùn)機(jī)械手，3 個自由度，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 2.5m,高度差 0.4m） 。要求：設(shè)計方案和計算正確，敘述清楚，圖紙符合規(guī)范。二、 圖紙：1.機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡圖2.工作空間投影圖3.機(jī)械手傳動原理圖4.機(jī)械手裝配圖5.零件圖三、 實(shí)習(xí)：1.本校機(jī)械實(shí)驗室組裝各類機(jī)械手模型。2.學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)械人設(shè)計方面知識。五、 進(jìn)度：3 月 20 日到 4 月 21 日 實(shí)習(xí)，擬訂設(shè)計方案4 月 22 日到 5 月 12 日 機(jī)械手傳動原理圖- 2 -4 月 13 日到 5 月 5 日 機(jī)械手裝配圖5 月 6 日到 5 月 15 日 零件圖5 月 16 日到 5 月 24 日 寫說明書引 言平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手是應(yīng)用最廣泛的機(jī)械手類型之一，既可以用于實(shí)際生產(chǎn)，又可以用于教學(xué)實(shí)驗和科學(xué)研究。用于實(shí)際生產(chǎn)，它能夠滿足裝配作業(yè)內(nèi)容改變頻繁的要求；用于教學(xué)實(shí)驗，它能夠使人直觀地了解機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成、動作原理等，所以開發(fā)設(shè)計和研究平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手具有最廣泛的實(shí)際意義和應(yīng)用前景。其中比較突出的 LM629 是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的可編程全數(shù)字運(yùn)動控制芯片，它具有 32 位的位置、速度和加速度寄存器，內(nèi)置 PID 算法，其參數(shù)可以修改；支持實(shí)時讀取和設(shè)定速度、加速度以及位置等運(yùn)動參數(shù)，內(nèi)置的梯形圖發(fā)生器能夠自動生成速度曲線，平穩(wěn)地加速、減速；支持增量式光電碼盤的 4 倍頻輸入；芯片的主頻為 6MHz 和 8MHz。一 機(jī)械手結(jié)構(gòu)本文設(shè)計的平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手的實(shí)物照片如圖 1 所示，其主要包括兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（分別控制機(jī)械大臂和小臂旋轉(zhuǎn)以及手抓張合）和一個移動關(guān)節(jié)（控制手腕伸縮） ，圖 2 為機(jī)械手簡化模型。各關(guān)節(jié)均采用直流電機(jī)作為驅(qū)動裝置，在機(jī)械大臂和小臂的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上還裝配有增量式光電編碼器，提供半閉環(huán)控制所需的反饋信號。直流電機(jī)的運(yùn)動控制采用自行開發(fā)的基于 LM629 和 PIC16F877構(gòu)成的多關(guān)節(jié)控制卡，并編制了能滿足運(yùn)動控制要求的軟件，實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手的速度、位置以及 3 關(guān)節(jié)聯(lián)動控制。由于機(jī)械手 3 個關(guān)節(jié)電機(jī)的控制系統(tǒng)基本類似，因此在下文中，筆者將以單個關(guān)節(jié)電機(jī)為例向讀者介紹平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計過程。- 3 -圖 1 機(jī)械手實(shí)物照片注：1—機(jī)身；2—大臂電機(jī)；3—光電編碼器；4—大臂；5—小臂電機(jī) 6—同步帶；7—光電編碼器；8—小臂；9—手腕升降 電機(jī)；10—手抓電機(jī)；11—手抓。- 4 -圖 2 機(jī)械手簡化模型二 控制系統(tǒng)設(shè)計2.1 控制系統(tǒng)的工作原理基于 LM629 芯片和 PIC16F877 單片機(jī)構(gòu)成的單個關(guān)節(jié)直流電機(jī)伺服驅(qū)動系統(tǒng)如圖 3 所示。圖 3 控制系統(tǒng)原理圖運(yùn)動芯片 LM629 通過 8 位數(shù)據(jù)線和 6 根控制線與單片機(jī) PIC16F877 的 I/O口相連。單片機(jī)通過數(shù)據(jù)線向 LM629 發(fā)送位置或速度命令、設(shè)定 PID 調(diào)節(jié)參數(shù)，并從 LM629 中讀取速度、加速度等數(shù)值。LM629 輸出的脈寬調(diào)制幅度信號和方向信號直接驅(qū)動 L298N，經(jīng)過功率放大后驅(qū)動直流電機(jī)。增量式光電編碼器提供半閉環(huán)控制所需的反饋信號(A、B、IN),梯形圖發(fā)生器計算出位置或速度模式下所需控制的運(yùn)動軌跡。PIC16F877 為 LM629 提供加速度、速度和目標(biāo)位置量,在每個采樣周期用這些值來計算出新的命令和位置給定值,將其作為指令值。由增量式光電編碼器檢測電機(jī)的實(shí)際位置,其輸出信號經(jīng)過 LM629 四倍頻后進(jìn)行解碼,形成位置反饋值。指令值與反饋值的差值作為數(shù)字 PID 校正環(huán)節(jié)的輸入。通過數(shù)字調(diào)節(jié)器 PID 計算，LM629 輸出脈寬調(diào)制信號 PWMM 和方向信號 PWMS 用于控制功率芯片 L298N,進(jìn)而驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動到指定的位置。LM629在進(jìn)行位置控制的同時，還對速度進(jìn)行控制。LM629 在接受到主機(jī)送來的位置信號后，按梯形圖生成加速、勻速、減速的速度曲線，曲線與坐標(biāo)橫軸所包圍的面積就是指定的位置。PID 算法中的比例、積分和微分系數(shù)有時需要進(jìn)行修- 5 -改，因此將它們存儲在單片機(jī)的 E2PROM 中。單片機(jī)和 PC 機(jī)通過無線發(fā)射和接收模塊進(jìn)行串行通信。平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手設(shè)計班級 學(xué)號： 姓名：指導(dǎo)教師 [摘要] 平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手采用兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)；兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后左右運(yùn)動，而移動關(guān)節(jié)則實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動，其工作空間如工作空間圖，它的縱截面為矩形的回轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動關(guān)節(jié)的行程長，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體截面的大小、形狀。關(guān)鍵詞: 機(jī)械手 軸承 汽缸[Abstract] Selective Compliance Assembly Robot Arm have two slew joints and one move joints , two slew joints control the moving of the front and back left and right . the move joints control the moving of up and down . the work room as work room drawing . the vertical section is a rectangle slew . the high of the vertical section is move joints’ journey ,the move angle of the two slew joints decide the big and small and figure of the vertical section .Key words: manipulator axletree cylinder 第 1 章 機(jī)械手總體設(shè)計工業(yè)機(jī)械手是一種模仿人手部分動作，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)，是在自動上下料機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種機(jī)械裝置，開始主要用來實(shí)現(xiàn)自動上下料和搬運(yùn)工件，完成單機(jī)自動化和生產(chǎn)線自動化，隨著應(yīng)用范圍的不段擴(kuò)大，現(xiàn)在用來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，減輕工人的勞動強(qiáng)度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率。- 6 -平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人又稱 SCARA 型裝配機(jī)器人，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(yīng)用廣泛?？傮w設(shè)計的任務(wù)：包括進(jìn)行機(jī)械手的運(yùn)動設(shè)計，確定主要工作參數(shù)，選擇驅(qū)動系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后繪出方案草圖。1.1 主要技術(shù)參數(shù)見表 1-1表 1-11.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下圖：機(jī)械手類型 平面關(guān)節(jié)型抓取重量 2.2Kg自由度 3 個（2 個回轉(zhuǎn) 1 個移動）大臂 長 700mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動，回轉(zhuǎn)角 240，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動 單片機(jī)控制小臂 長 600mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動，回轉(zhuǎn)角 240，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動 單片機(jī)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- 7 -- 8 -圖 3.工作空間圖第 2 章 手指設(shè)計工業(yè)機(jī)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(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)鍵部件之一2.1 設(shè)計時要注意的問題：(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)考慮工件在傳送過程中的動載荷。(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。(5) 根據(jù)應(yīng)用條件考慮通用性。- 9 -圖 4.機(jī)構(gòu)簡圖2.2 零件的計算 )(0428.102867)(286050314. 922 kgvgmGhrRV????????其中 g 取 10 取 G=23（N） （環(huán)型零件圖）2.3 手指抓緊力的計算：GfN?4f 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(jī)械零件手冊》 表 2-5 f=0.15所以 3.815.042????f取 N=40（N）驅(qū)動力的計算 ??NtgP?- 10 -（抓取零件圖）為斜面傾角， ， 為傳動機(jī)構(gòu)的效率，這里為平摩擦?o15???傳動，查《機(jī)械零件手冊》表 2-2 這里取 0.8592.08?所以4.5.01450???tgP取 p=55(N)2.3.1 活塞手抓重量的估算)(2310785214.321 NghrG??????r 為桿的半徑，h 為長度，g 取 102.3.2 汽缸的設(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(hù)簡單，使用安全。而且此處作用力不大，所以選氣壓傳動。汽缸內(nèi)型選擇，由于行程短，選單作用活塞汽缸，借彈簧復(fù)位。汽缸的計算- 11 -氣壓缸內(nèi)徑 D 的計算按《液壓傳動與氣壓傳動》公式 13-1 ??PF42?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《液壓傳動與氣壓傳動》表 13-2 由0. 65.03.??P于汽缸垂直安裝，所以取 P=0.3。 )(16.24)(0.13.041.3546 mPF??????按《液壓傳動與氣壓傳動》表 13-3 圓整取 32mm.活塞桿直徑 d 的計算一般 ，此選 0.23.02.??Dmm4.6..??按《液壓傳動與氣壓傳動》表 13-4 圓整取 8mm汽缸壁厚 的計算?按《液壓傳動與氣壓傳動》表 13-5 查得 4??彈簧力的 F 的計算)(231NG??第 3 章 移動關(guān)節(jié)的設(shè)計計算3.1 驅(qū)動方式的比較機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動，電機(jī)驅(qū)動，和機(jī)械傳動四種。一臺機(jī)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(diǎn)見表 3-1。3.2 汽缸的設(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，- 12 -動作迅速反映快，維護(hù)簡單，使用安全。而且此處作用力不大，所以選氣壓傳動。汽缸類型選擇：因為活塞行程較長，往復(fù)運(yùn)動，所以選雙作用單活塞汽缸，利用壓縮空氣使活塞向兩個方向運(yùn)動。初選活塞桿直徑 d=12mm，估算其重量 )(85.41075.0)21.(4.3)2( NghdG??????取 5N21??F取 80N表 3-1驅(qū)動方式電 機(jī) 驅(qū) 動比較內(nèi) 容機(jī)械傳動 異步電機(jī)，直流電機(jī)步進(jìn)或伺服電機(jī)氣壓傳動液壓傳動輸出力 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(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，可無級調(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，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，體積液較大要有減速裝置，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)雜維修簡單，能在高溫，粉塵等惡劣環(huán)境中使用，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(yīng)用范 圍適用于自由度少的專用機(jī)械手，高速低速適用于抓取重量大和速度低可用于程序復(fù)雜和運(yùn)動軌跡要求嚴(yán)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，特別時重型機(jī)械手- 13 -均能適用 的專用機(jī)械手格的小型通用機(jī)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(fù)雜氣壓缸內(nèi)徑 D 的計算按《液壓傳動與氣壓傳動》公式 13-1 ??PdF4)(2??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《液壓傳動與氣壓傳動》表 13-2 由于0. 65.03.??P汽缸垂直安裝，所以取 P=0.3。一般 ，此選 0.33.02.??Dd )(54.30)(.109.34.0138091.466 mPFD ????????按《液壓傳動與氣壓傳動》表 13-3 圓整取 40mm.一般 ，此選 0.33.02.??dmm14..??D汽缸壁厚 的計算?按《液壓傳動與氣壓傳動》表 13-5 查得 4??汽缸重量的計算 )(7.2310785.0)2.04.(13)(23 NghrRG ???????其中：R 為汽缸外徑，r 為汽缸內(nèi)徑，h 為汽缸長度，g 取 10， 為汽缸材料?密 度 ， 取 25N3第 4 章 小臂的設(shè)計- 14 -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(yùn)動形式。4.1 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(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(yùn)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(dǎo)向性要好。圖 5.機(jī)械手傳動原理4.2 小臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計- 15 -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(jì)、輕巧。選 10 號工字鋼。理論重 ,小mdhcmWy 5.4,10,72.9,1.26kg/3??臂長為 600mm。較核： （N）1.0..大??mgG取 75N其受力如下圖:F=75+105=180（N） ).(625.93.0756.102大1 mNLGFM???????MPaPaWy ][53.9)0(72.96????按《材料力學(xué)》公式 5.11 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。所以 Paa60][4.015.401833 ??????? ??所以選 10 號工字鋼合適。4.3 軸的設(shè)計計算大軸的直徑取 20mm，材料為 45 號鋼。受力如下圖:- 16 -驗算：F=180N )(25.9610.221 NlMF???? MPaar 60][.)(4.3.232 ?????所以合適4.4 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(jī)械零件手冊》表 9-6－1（GB 297-84）選 7304E，d=20mm e=0.3kN2.7c 31.5c0?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(yīng)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(jī)械設(shè)計》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》表 3-8 作擺動運(yùn)動軸承,沖擊及不均勻載荷,此處 1.5.5.10??S上軸承受純徑向載荷, )(25.9610NFP??所以 )(2.173785.29600 KCS ????- 17 -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》表 13－5 查取因為 3.0187.5962180???eR所以 0 NRAYXP.9620?所以 )(17)(.4. 0KCS?因此軸承合適小軸承受力很小，所以不用校核4.5 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(dāng)量動載荷） ，可按《機(jī)械10?設(shè)計手冊》第二版 (16.1-13)公式:估算FdT?5.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(jī)械設(shè)計手冊》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 MNFdT???查表《機(jī)械設(shè)計手冊》第二版 表 16.1-29 得 ，013??，所以也可以用此公式估算0518270??PC所以 ).(24..0183..2 NFdT??)5241891 M（總 ????取 0.14.6 驅(qū)動選擇- 18 -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(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，因為轉(zhuǎn)速低不考慮矩頻特性，按《機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表 2-11 BF 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(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,長度 58mm,軸徑 4mm。精度驗證: 能夠滿足精度要求，)(10)(86.7)25.1sin(600m???為了提高精度，采用一級齒輪傳動 .5312zi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齒輪寬度計算：按《機(jī)械設(shè)計》表 10-7 圓柱齒輪的齒寬度系數(shù) d?兩支承相對小齒輪作對稱布置取 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位而導(dǎo)致嚙合齒寬減少，要適當(dāng)加寬，所以取 24mm。第 5 章 大臂的設(shè)計計算- 19 -5.1 大臂結(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(jì)、輕巧。選 14 號工字鋼。理論重 ,小臂mdhcmWy 5.,140,.6,16.890kg/3??長為 700mm。較核： （N）75.27..大??mgG取 140N其受力如圖:F=75+105+140=320（N） ).(125.807.14).026(75).06(15大2大21 mNLGLLFM???????MPaPaWy ][4.)(.283?????按《材料力學(xué)》公式 5.11 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。所以 Paa60][42.015.014323??????? ??所以選 10 號工字鋼合適。5.2 軸的設(shè)計計算軸的直徑取 20mm，材料為 45 號鋼。其受力如下圖:- 20 -驗算：F=320N)(201145.821 NlMF???? MPaar 60][37.6)(.3232 ?????所以合適5.3 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(jī)械零件手冊》表 9-6－1（GB 297-84）選7304E，d=20mm e=0.3kN2.17c 3.5c0?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(yīng)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(jī)械設(shè)計》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》表 3-8 作擺動運(yùn)動軸承,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 )(2.75.3.120 KCS???- 21 -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》表 13－5 查取因為 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，所以不用教核5.4 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(dāng)量動載荷） ，可按《機(jī)10?械設(shè)計手冊》第二版 (16.1-13)公式:估算FdT?5.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(jī)械設(shè)計手冊》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 MNFdT???查表《機(jī)械設(shè)計手冊》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 ).(46.2.03.5. NFdT???714621 M（總 ????取 0.15.5 伺服系統(tǒng)的選擇- 22 -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(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，因為轉(zhuǎn)速低不考慮矩頻特性，按《機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表 2-11 BF 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(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,長度 58mm,軸徑 4mm。精度驗證: )(10)(0325.18).sin(140m???所以不能滿足精度要求,不能直接傳動,要變速機(jī)構(gòu)在此選用直齒圓柱齒輪為了提高精度，采用一級齒輪傳動 .5312?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齒輪寬度計算：按《機(jī)械設(shè)計》表 10-7 圓柱齒輪的齒寬度系數(shù) d?兩支承相對小齒輪作對稱布置取 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位而導(dǎo)致嚙合齒寬減少，要適當(dāng)加寬，所以取 24mm- 23 -第 6 章 機(jī)身的設(shè)計機(jī)身是支承臂部的部件，升降，回轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動機(jī)構(gòu)等都可以裝在機(jī)身上。6.1 設(shè)計時注意的問題(1) 要有足夠的剛度和穩(wěn)定性。(2) 運(yùn)動要靈活，升降運(yùn)動的導(dǎo)套長度不宜過短，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。6.2 三個自由度:由于此設(shè)計要求為三個自由度，所以此處無運(yùn)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。- 24 -參考文獻(xiàn)1. 《工業(yè)機(jī)器人設(shè)計》 周伯英 機(jī)械工業(yè)出版社 19952. 《機(jī)器人機(jī)械設(shè)計》 龔振幫 電子工業(yè)出版社 19953. 《機(jī)構(gòu)設(shè)計》 （日）藤森洋三 機(jī)械工業(yè)出版社 19904. 《機(jī)械手圖冊》 （日）加藤一郎 上?？萍汲霭嫔? 19895. 《機(jī)械設(shè)計圖冊》 （ 5）成大先 化學(xué)工業(yè)出版社 19996. 《材料力學(xué)》 劉鴻文 高等教育出版社 19917. 《機(jī)械設(shè)計》 濮良貴 紀(jì)名剛 高等教育出版社 19958. 《機(jī)械零件手冊》 周開勤 高等教育出版社 19939. 《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊第二版 》吳宗澤 高等教育出版 199910.《互換性與技術(shù)測量》廖念釗,莫雨松 中國計量出版社 200011.《計算機(jī)工程制圖》 陳錦昌 華南理工大學(xué)出版社 199912.《機(jī)械制造裝備設(shè)計》 馮辛安 機(jī)械工業(yè)出版社 2004- 25 -鳴 謝在這次畢業(yè)設(shè)計中，令我受益匪淺，首先把我?guī)啄陙硭鶎W(xué)的知識做了一次系統(tǒng)的復(fù)習(xí)，使我更深一步了解了所學(xué)的專業(yè)知識，培養(yǎng)了我綜合運(yùn)用所學(xué)知識，獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，也使我學(xué)會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)會如何與同學(xué)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(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 3 年來給我的悉心教育和培養(yǎng)，特別感謝我的導(dǎo)師王雪芳老師給我精心的指導(dǎo)！ 目 錄設(shè)計任務(wù)書 ……………………………………………………………………………1引 言 ………………………………………………………………………………2第 1章 機(jī)械手總體設(shè)計 …………………………………………………………41.1 主要技術(shù)參數(shù)見表 1-1 ……………………………………………………… 61.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下圖 …………………………………………………………………6 第 2章 手指設(shè)計 ……………………………………………………………………72.1 設(shè)計時要注意的問題 ………………………………………………………… 72.2 零件的計算 ………………………………………………………………… 82.3 手指抓緊力的計算 ………………………………………………………………82.3.1 活塞手抓重量的估算 ………………………………………………………92.3.2 汽缸的設(shè)計 …………………………………………………………………10第 3章 移動關(guān)節(jié)設(shè)計 ………………………………………………………… 103.1驅(qū)動方式的比較 ……………………………………………………………… 103.2汽缸的設(shè)計 …………………………………………………………………… 11第 4章 小臂設(shè)計 ………………………………………………………………… 134.1 設(shè)計時注意的問題 …………………………………………………………… 134.2 小臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計 ……………………………………………………………… 144.3 軸的設(shè)計計算 ………………………………………………………………… 144.4 軸承的選擇 ……………………………………………………………………154.5 軸承摩擦力矩的計算 …………………………………………………………164.6 驅(qū)動選擇 …………………………………………………………………… 16 第 5章 大臂設(shè)計…………………………………………………………………… 175.1 大臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計 …………………………………………………………………185.2 軸的設(shè)計計算 ……………………………………………………………… 185.3軸承的選擇 …………………………………………………………………… 195.4 軸承摩擦力矩的計算 ………………………………………………………… 205.5 伺服系統(tǒng)的選擇 ……………………………………………………………… 21第 6章 機(jī)身設(shè)計 ………………………………………………………………… 226.1 設(shè)計時注意的問題 …………………………………………………………… 226.2 三個自由度 …………………………………………………………………… 22參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………… 23鳴 謝 ………………………………………………………………………………24- 1 -平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手設(shè)計設(shè)計任務(wù)書一、 通過設(shè)計平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手，培養(yǎng)綜合運(yùn)用所學(xué)知識，分析問題和解決問題的能力。有關(guān)資料：上下料搬運(yùn)機(jī)械手，3 個自由度，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 2.5m,高度差 0.4m） 。要求：設(shè)計方案和計算正確，敘述清楚，圖紙符合規(guī)范。二、 圖紙：1.機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡圖2.工作空間投影圖3.機(jī)械手傳動原理圖4.機(jī)械手裝配圖5.零件圖三、 實(shí)習(xí)：1.本校機(jī)械實(shí)驗室組裝各類機(jī)械手模型。2.學(xué)習(xí)工業(yè)機(jī)械人設(shè)計方面知識。五、 進(jìn)度：3 月 20 日到 4 月 21 日 實(shí)習(xí)，擬訂設(shè)計方案4 月 22 日到 5 月 12 日 機(jī)械手傳動原理圖- 2 -4 月 13 日到 5 月 5 日 機(jī)械手裝配圖5 月 6 日到 5 月 15 日 零件圖5 月 16 日到 5 月 24 日 寫說明書引 言平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手是應(yīng)用最廣泛的機(jī)械手類型之一，既可以用于實(shí)際生產(chǎn)，又可以用于教學(xué)實(shí)驗和科學(xué)研究。用于實(shí)際生產(chǎn)，它能夠滿足裝配作業(yè)內(nèi)容改變頻繁的要求；用于教學(xué)實(shí)驗，它能夠使人直觀地了解機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成、動作原理等，所以開發(fā)設(shè)計和研究平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手具有最廣泛的實(shí)際意義和應(yīng)用前景。其中比較突出的 LM629 是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的可編程全數(shù)字運(yùn)動控制芯片，它具有 32 位的位置、速度和加速度寄存器，內(nèi)置 PID 算法，其參數(shù)可以修改；支持實(shí)時讀取和設(shè)定速度、加速度以及位置等運(yùn)動參數(shù)，內(nèi)置的梯形圖發(fā)生器能夠自動生成速度曲線，平穩(wěn)地加速、減速；支持增量式光電碼盤的 4 倍頻輸入；芯片的主頻為 6MHz 和 8MHz。一 機(jī)械手結(jié)構(gòu)本文設(shè)計的平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手的實(shí)物照片如圖 1 所示，其主要包括兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（分別控制機(jī)械大臂和小臂旋轉(zhuǎn)以及手抓張合）和一個移動關(guān)節(jié)（控制手腕伸縮） ，圖 2 為機(jī)械手簡化模型。各關(guān)節(jié)均采用直流電機(jī)作為驅(qū)動裝置，在機(jī)械大臂和小臂的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上還裝配有增量式光電編碼器，提供半閉環(huán)控制所需的反饋信號。直流電機(jī)的運(yùn)動控制采用自行開發(fā)的基于 LM629 和 PIC16F877構(gòu)成的多關(guān)節(jié)控制卡，并編制了能滿足運(yùn)動控制要求的軟件，實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手的速度、位置以及 3 關(guān)節(jié)聯(lián)動控制。由于機(jī)械手 3 個關(guān)節(jié)電機(jī)的控制系統(tǒng)基本類似，因此在下文中，筆者將以單個關(guān)節(jié)電機(jī)為例向讀者介紹平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計過程。- 3 -圖 1 機(jī)械手實(shí)物照片注：1—機(jī)身；2—大臂電機(jī)；3—光電編碼器；4—大臂；5—小臂電機(jī) 6—同步帶；7—光電編碼器；8—小臂；9—手腕升降 電機(jī)；10—手抓電機(jī)；11—手抓。- 4 -圖 2 機(jī)械手簡化模型二 控制系統(tǒng)設(shè)計2.1 控制系統(tǒng)的工作原理基于 LM629 芯片和 PIC16F877 單片機(jī)構(gòu)成的單個關(guān)節(jié)直流電機(jī)伺服驅(qū)動系統(tǒng)如圖 3 所示。圖 3 控制系統(tǒng)原理圖運(yùn)動芯片 LM629 通過 8 位數(shù)據(jù)線和 6 根控制線與單片機(jī) PIC16F877 的 I/O口相連。單片機(jī)通過數(shù)據(jù)線向 LM629 發(fā)送位置或速度命令、設(shè)定 PID 調(diào)節(jié)參數(shù)，并從 LM629 中讀取速度、加速度等數(shù)值。LM629 輸出的脈寬調(diào)制幅度信號和方向信號直接驅(qū)動 L298N，經(jīng)過功率放大后驅(qū)動直流電機(jī)。增量式光電編碼器提供半閉環(huán)控制所需的反饋信號(A、B、IN),梯形圖發(fā)生器計算出位置或速度模式下所需控制的運(yùn)動軌跡。PIC16F877 為 LM629 提供加速度、速度和目標(biāo)位置量,在每個采樣周期用這些值來計算出新的命令和位置給定值,將其作為指令值。由增量式光電編碼器檢測電機(jī)的實(shí)際位置,其輸出信號經(jīng)過 LM629 四倍頻后進(jìn)行解碼,形成位置反饋值。指令值與反饋值的差值作為數(shù)字 PID 校正環(huán)節(jié)的輸入。通過數(shù)字調(diào)節(jié)器 PID 計算，LM629 輸出脈寬調(diào)制信號 PWMM 和方向信號 PWMS 用于控制功率芯片 L298N,進(jìn)而驅(qū)動電機(jī)運(yùn)動到指定的位置。LM629在進(jìn)行位置控制的同時，還對速度進(jìn)行控制。LM629 在接受到主機(jī)送來的位置信號后，按梯形圖生成加速、勻速、減速的速度曲線，曲線與坐標(biāo)橫軸所包圍的面積就是指定的位置。PID 算法中的比例、積分和微分系數(shù)有時需要進(jìn)行修- 5 -改，因此將它們存儲在單片機(jī)的 E2PROM 中。單片機(jī)和 PC 機(jī)通過無線發(fā)射和接收模塊進(jìn)行串行通信。平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手設(shè)計班級 學(xué)號： 姓名：指導(dǎo)教師 [摘要] 平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手采用兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)；兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后左右運(yùn)動，而移動關(guān)節(jié)則實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動，其工作空間如工作空間圖，它的縱截面為矩形的回轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動關(guān)節(jié)的行程長，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體截面的大小、形狀。關(guān)鍵詞: 機(jī)械手 軸承 汽缸[Abstract] Selective Compliance Assembly Robot Arm have two slew joints and one move joints , two slew joints control the moving of the front and back left and right . the move joints control the moving of up and down . the work room as work room drawing . the vertical section is a rectangle slew . the high of the vertical section is move joints’ journey ,the move angle of the two slew joints decide the big and small and figure of the vertical section .Key words: manipulator axletree cylinder 第 1 章 機(jī)械手總體設(shè)計工業(yè)機(jī)械手是一種模仿人手部分動作，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)，是在自動上下料機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種機(jī)械裝置，開始主要用來實(shí)現(xiàn)自動上下料和搬運(yùn)工件，完成單機(jī)自動化和生產(chǎn)線自動化，隨著應(yīng)用范圍的不段擴(kuò)大，現(xiàn)在用來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，減輕工人的勞動強(qiáng)度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率。- 6 -平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人又稱 SCARA 型裝配機(jī)器人，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(yīng)用廣泛?？傮w設(shè)計的任務(wù)：包括進(jìn)行機(jī)械手的運(yùn)動設(shè)計，確定主要工作參數(shù)，選擇驅(qū)動系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后繪出方案草圖。1.1 主要技術(shù)參數(shù)見表 1-1表 1-11.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下圖：機(jī)械手類型 平面關(guān)節(jié)型抓取重量 2.2Kg自由度 3 個（2 個回轉(zhuǎn) 1 個移動）大臂 長 700mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動，回轉(zhuǎn)角 240，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動 單片機(jī)控制小臂 長 600mm，回轉(zhuǎn)運(yùn)動，回轉(zhuǎn)角 240，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動 單片機(jī)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- 7 -- 8 -圖 3.工作空間圖第 2 章 手指設(shè)計工業(yè)機(jī)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(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)鍵部件之一2.1 設(shè)計時要注意的問題：(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)考慮工件在傳送過程中的動載荷。(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。(5) 根據(jù)應(yīng)用條件考慮通用性。- 9 -圖 4.機(jī)構(gòu)簡圖2.2 零件的計算 )(0428.102867)(286050314. 922 kgvgmGhrRV????????其中 g 取 10 取 G=23（N） （環(huán)型零件圖）2.3 手指抓緊力的計算：GfN?4f 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(jī)械零件手冊》 表 2-5 f=0.15所以 3.815.042????f取 N=40（N）驅(qū)動力的計算 ??NtgP?- 10 -（抓取零件圖）為斜面傾角， ， 為傳動機(jī)構(gòu)的效率，這里為平摩擦?o15???傳動，查《機(jī)械零件手冊》表 2-2 這里取 0.8592.08?所以4.5.01450???tgP取 p=55(N)2.3.1 活塞手抓重量的估算)(2310785214.321 NghrG??????r 為桿的半徑，h 為長度，g 取 102.3.2 汽缸的設(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(hù)簡單，使用安全。而且此處作用力不大，所以選氣壓傳動。汽缸內(nèi)型選擇，由于行程短，選單作用活塞汽缸，借彈簧復(fù)位。汽缸的計算- 11 -氣壓缸內(nèi)徑 D 的計算按《液壓傳動與氣壓傳動》公式 13-1 ??PF42?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《液壓傳動與氣壓傳動》表 13-2 由0. 65.03.??P于汽缸垂直安裝，所以取 P=0.3。 )(16.24)(0.13.041.3546 mPF??????按《液壓傳動與氣壓傳動》表 13-3 圓整取 32mm.活塞桿直徑 d 的計算一般 ，此選 0.23.02.??Dmm4.6..??按《液壓傳動與氣壓傳動》表 13-4 圓整取 8mm汽缸壁厚 的計算?按《液壓傳動與氣壓傳動》表 13-5 查得 4??彈簧力的 F 的計算)(231NG??第 3 章 移動關(guān)節(jié)的設(shè)計計算3.1 驅(qū)動方式的比較機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動，電機(jī)驅(qū)動，和機(jī)械傳動四種。一臺機(jī)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(diǎn)見表 3-1。3.2 汽缸的設(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，- 12 -動作迅速反映快，維護(hù)簡單，使用安全。而且此處作用力不大，所以選氣壓傳動。汽缸類型選擇：因為活塞行程較長，往復(fù)運(yùn)動，所以選雙作用單活塞汽缸，利用壓縮空氣使活塞向兩個方向運(yùn)動。初選活塞桿直徑 d=12mm，估算其重量 )(85.41075.0)21.(4.3)2( NghdG??????取 5N21??F取 80N表 3-1驅(qū)動方式電 機(jī) 驅(qū) 動比較內(nèi) 容機(jī)械傳動 異步電機(jī)，直流電機(jī)步進(jìn)或伺服電機(jī)氣壓傳動液壓傳動輸出力 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(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，可無級調(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，機(jī)構(gòu)復(fù)雜，體積液較大要有減速裝置，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)雜維修簡單，能在高溫，粉塵等惡劣環(huán)境中使用，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(yīng)用范 圍適用于自由度少的專用機(jī)械手，高速低速適用于抓取重量大和速度低可用于程序復(fù)雜和運(yùn)動軌跡要求嚴(yán)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，特別時重型機(jī)械手- 13 -均能適用 的專用機(jī)械手格的小型通用機(jī)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(fù)雜氣壓缸內(nèi)徑 D 的計算按《液壓傳動與氣壓傳動》公式 13-1 ??PdF4)(2??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《液壓傳動與氣壓傳動》表 13-2 由于0. 65.03.??P汽缸垂直安裝，所以取 P=0.3。一般 ，此選 0.33.02.??Dd )(54.30)(.109.34.0138091.466 mPFD ????????按《液壓傳動與氣壓傳動》表 13-3 圓整取 40mm.一般 ，此選 0.33.02.??dmm14..??D汽缸壁厚 的計算?按《液壓傳動與氣壓傳動》表 13-5 查得 4??汽缸重量的計算 )(7.2310785.0)2.04.(13)(23 NghrRG ???????其中：R 為汽缸外徑，r 為汽缸內(nèi)徑，h 為汽缸長度，g 取 10， 為汽缸材料?密 度 ， 取 25N3第 4 章 小臂的設(shè)計- 14 -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(yùn)動形式。4.1 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(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(yùn)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(dǎo)向性要好。圖 5.機(jī)械手傳動原理4.2 小臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計- 15 -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(jì)、輕巧。選 10 號工字鋼。理論重 ,小mdhcmWy 5.4,10,72.9,1.26kg/3??臂長為 600mm。較核： （N）1.0..大??mgG取 75N其受力如下圖:F=75+105=180（N） ).(625.93.0756.102大1 mNLGFM???????MPaPaWy ][53.9)0(72.96????按《材料力學(xué)》公式 5.11 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。所以 Paa60][4.015.401833 ??????? ??所以選 10 號工字鋼合適。4.3 軸的設(shè)計計算大軸的直徑取 20mm，材料為 45 號鋼。受力如下圖:- 16 -驗算：F=180N )(25.9610.221 NlMF???? MPaar 60][.)(4.3.232 ?????所以合適4.4 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(jī)械零件手冊》表 9-6－1（GB 297-84）選 7304E，d=20mm e=0.3kN2.7c 31.5c0?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(yīng)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(jī)械設(shè)計》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》表 3-8 作擺動運(yùn)動軸承,沖擊及不均勻載荷,此處 1.5.5.10??S上軸承受純徑向載荷, )(25.9610NFP??所以 )(2.173785.29600 KCS ????- 17 -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》表 13－5 查取因為 3.0187.5962180???eR所以 0 NRAYXP.9620?所以 )(17)(.4. 0KCS?因此軸承合適小軸承受力很小，所以不用校核4.5 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(dāng)量動載荷） ，可按《機(jī)械10?設(shè)計手冊》第二版 (16.1-13)公式:估算FdT?5.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(jī)械設(shè)計手冊》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 MNFdT???查表《機(jī)械設(shè)計手冊》第二版 表 16.1-29 得 ，013??，所以也可以用此公式估算0518270??PC所以 ).(24..0183..2 NFdT??)5241891 M（總 ????取 0.14.6 驅(qū)動選擇- 18 -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(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，因為轉(zhuǎn)速低不考慮矩頻特性，按《機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表 2-11 BF 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(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,長度 58mm,軸徑 4mm。精度驗證: 能夠滿足精度要求，)(10)(86.7)25.1sin(600m???為了提高精度，采用一級齒輪傳動 .5312zi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齒輪寬度計算：按《機(jī)械設(shè)計》表 10-7 圓柱齒輪的齒寬度系數(shù) d?兩支承相對小齒輪作對稱布置取 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位而導(dǎo)致嚙合齒寬減少，要適當(dāng)加寬，所以取 24mm。第 5 章 大臂的設(shè)計計算- 19 -5.1 大臂結(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(jì)、輕巧。選 14 號工字鋼。理論重 ,小臂mdhcmWy 5.,140,.6,16.890kg/3??長為 700mm。較核： （N）75.27..大??mgG取 140N其受力如圖:F=75+105+140=320（N） ).(125.807.14).026(75).06(15大2大21 mNLGLLFM???????MPaPaWy ][4.)(.283?????按《材料力學(xué)》公式 5.11 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。所以 Paa60][42.015.014323??????? ??所以選 10 號工字鋼合適。5.2 軸的設(shè)計計算軸的直徑取 20mm，材料為 45 號鋼。其受力如下圖:- 20 -驗算：F=320N)(201145.821 NlMF???? MPaar 60][37.6)(.3232 ?????所以合適5.3 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(jī)械零件手冊》表 9-6－1（GB 297-84）選7304E，d=20mm e=0.3kN2.17c 3.5c0?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(yīng)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(jī)械設(shè)計》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》表 3-8 作擺動運(yùn)動軸承,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 )(2.75.3.120 KCS???- 21 -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》表 13－5 查取因為 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，所以不用教核5.4 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(dāng)量動載荷） ，可按《機(jī)10?械設(shè)計手冊》第二版 (16.1-13)公式:估算FdT?5.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(jī)械設(shè)計手冊》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 MNFdT???查表《機(jī)械設(shè)計手冊》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 ).(46.2.03.5. NFdT???714621 M（總 ????取 0.15.5 伺服系統(tǒng)的選擇- 22 -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(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，因為轉(zhuǎn)速低不考慮矩頻特性，按《機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)》表 2-11 BF 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(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,長度 58mm,軸徑 4mm。精度驗證: )(10)(0325.18).sin(140m???所以不能滿足精度要求,不能直接傳動,要變速機(jī)構(gòu)在此選用直齒圓柱齒輪為了提高精度，采用一級齒輪傳動 .5312?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齒輪寬度計算：按《機(jī)械設(shè)計》表 10-7 圓柱齒輪的齒寬度系數(shù) d?兩支承相對小齒輪作對稱布置取 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位而導(dǎo)致嚙合齒寬減少，要適當(dāng)加寬，所以取 24mm- 23 -第 6 章 機(jī)身的設(shè)計機(jī)身是支承臂部的部件，升降，回轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動機(jī)構(gòu)等都可以裝在機(jī)身上。6.1 設(shè)計時注意的問題(1) 要有足夠的剛度和穩(wěn)定性。(2) 運(yùn)動要靈活，升降運(yùn)動的導(dǎo)套長度不宜過短，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。6.2 三個自由度:由于此設(shè)計要求為三個自由度，所以此處無運(yùn)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。- 24 -參考文獻(xiàn)1. 《工業(yè)機(jī)器人設(shè)計》 周伯英 機(jī)械工業(yè)出版社 19952. 《機(jī)器人機(jī)械設(shè)計》 龔振幫 電子工業(yè)出版社 19953. 《機(jī)構(gòu)設(shè)計》 （日）藤森洋三 機(jī)械工業(yè)出版社 19904. 《機(jī)械手圖冊》 （日）加藤一郎 上?？萍汲霭嫔? 19895. 《機(jī)械設(shè)計圖冊》 （ 5）成大先 化學(xué)工業(yè)出版社 19996. 《材料力學(xué)》 劉鴻文 高等教育出版社 19917. 《機(jī)械設(shè)計》 濮良貴 紀(jì)名剛 高等教育出版社 19958. 《機(jī)械零件手冊》 周開勤 高等教育出版社 19939. 《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計手冊第二版 》吳宗澤 高等教育出版 199910.《互換性與技術(shù)測量》廖念釗,莫雨松 中國計量出版社 200011.《計算機(jī)工程制圖》 陳錦昌 華南理工大學(xué)出版社 199912.《機(jī)械制造裝備設(shè)計》 馮辛安 機(jī)械工業(yè)出版社 2004- 25 -鳴 謝在這次畢業(yè)設(shè)計中，令我受益匪淺，首先把我?guī)啄陙硭鶎W(xué)的知識做了一次系統(tǒng)的復(fù)習(xí)，使我更深一步了解了所學(xué)的專業(yè)知識，培養(yǎng)了我綜合運(yùn)用所學(xué)知識，獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，也使我學(xué)會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)會如何與同學(xué)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(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 3 年來給我的悉心教育和培養(yǎng)，特別感謝我的導(dǎo)師王雪芳老師給我精心的指導(dǎo)！
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