平面關(guān)節(jié)型機械手設(shè)計說明書

1、畢業(yè)設(shè)計說明書 平面關(guān)節(jié)型機械手設(shè)計 學(xué)生姓名 學(xué) 號 系 別 專業(yè)班級 指導(dǎo)教師 填寫日期 平面關(guān)節(jié)型機械手設(shè)計 摘 要 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化，自動化已經(jīng)成為突出主題。在機械工業(yè)中，加工、裝配等環(huán)節(jié)中運用的機械手已經(jīng)越來越普遍。它可降低工人的勞動強度，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。平面關(guān)節(jié)型機械手采用兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)；兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后左右運動，而移動關(guān)節(jié)則實現(xiàn)上下運動，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。 工業(yè)機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，實現(xiàn)抓取、搬運

2、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)，是在自動上下料機構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種機械裝置，開始主要用來實現(xiàn)自動上下料和搬運工件，完成單機自動化和生產(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)。實踐證明它可以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。 關(guān)鍵字：機械手；軸承；氣缸 目 錄 摘 要I前言1第一章 概論2第一節(jié) 機械手簡史2第二節(jié) 機械手發(fā)展概況2第三節(jié) 機械手的發(fā)展趨勢3第四節(jié) 機械手的組成、分類及型式4上部分 機械手的組成4 下部分 機械手的分類及型式4第五節(jié) 機械手的應(yīng)用及應(yīng)用誤區(qū)8 上部分 機械手的應(yīng)用8

3、下部分 機械手應(yīng)用誤區(qū)9第二章 機械手工作原理及設(shè)計思想11第三章 機械手設(shè)計12第一節(jié) 手指設(shè)計13第二節(jié) 設(shè)計時要注意的問題13第三節(jié) 零件的設(shè)計13第四節(jié) 移動關(guān)節(jié)的設(shè)計16第五節(jié) 驅(qū)動方式的比較16第六節(jié) 氣缸的設(shè)計17第四章 機械手臂部的設(shè)計及有關(guān)計算計18第一節(jié) 小臂的設(shè)計18第二節(jié) 設(shè)計時注意的問題18第三節(jié) 小臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計18第四節(jié) 軸的設(shè)計19第五節(jié) 軸承的選擇19第六節(jié) 軸承摩擦力矩的設(shè)計20第七節(jié) 驅(qū)動選擇21第二部分 大臂的設(shè)計計算22第一節(jié) 結(jié)構(gòu)的設(shè)計22第二節(jié) 軸的設(shè)計計算22第三節(jié) 軸承的選擇23第四節(jié) 軸承摩擦力矩的計算24第五節(jié) 伺服系統(tǒng)的選擇24第五章 機身

4、的設(shè)計26小結(jié)27參考文獻(xiàn)28致 謝29前言第一章 概論第一節(jié) 機械手簡史進(jìn)入信息時代，科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，特別是傳統(tǒng)的機械加工_行業(yè)面臨著一場嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。它要生存要發(fā)展就必須要進(jìn)行一場深刻的變革。機械加工自動化技術(shù)就越來越受到各方面的關(guān)在 機械加工中提高自動化程度幾乎成了有識之士的共識。近幾年它 在機械加工中的應(yīng)用出現(xiàn)了日新月異的可喜局面，它將對提高注來產(chǎn)品質(zhì)量、提高工作效率、節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本、減少消耗、增加企業(yè)的競爭力，縮小同發(fā)達(dá)國家的差距等都將起到重要的作用。機械加工自動化是機械加工行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。實現(xiàn)機械加工自動化的程度代表著該行業(yè)的技術(shù)發(fā)展水平和先進(jìn)的檔次。它

5、將在機械加工行業(yè)引起一場革命，使該行業(yè)駛?cè)肟燔嚨蓝该桶l(fā)展，因為它不再為人工操作的諸多不便而困擾。機械加工自動化的實質(zhì)就是利用機械裝置來代替人，來完成人的工作(勞動)。把人從繁重、單調(diào)、惡劣的環(huán)境中解放出來。它能長時間、不知疲倦地按人們的意愿工作。機械加工自動化的重要環(huán)節(jié)一一機械手己被人們研究了幾十年，也應(yīng)用了幾十年，并得到了飛速的發(fā)展，它己經(jīng)被應(yīng)用到人類生活的各個方面，它已經(jīng)成了人類的好朋友，伴隨它的發(fā)展，它將對人類的生產(chǎn)、生活做出更大的貢獻(xiàn)。第二節(jié) 機械手發(fā)展概況在二十世紀(jì)四十年代，隨著原子能工業(yè)的發(fā)展己出現(xiàn)了模擬關(guān)節(jié)式的第一代機械手。五十六十年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機械手和數(shù)控示

6、數(shù)再現(xiàn)型機械手。這種機械手也稱第二代機械手,如尤尼曼特(Unimate)機械手，即屬這種類型。一九六八 一一 九七O年，又相繼把通用機械手用于汽車車身的點焊和沖壓生產(chǎn)自動線上，即使第二代機械手這一新技術(shù)進(jìn)入了應(yīng)用階段。七十年代機械手可以說是處于技術(shù)發(fā)展階段。專用機械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今己進(jìn)入以通用機械手為標(biāo)志的時代。由于通用機械手的應(yīng)用和發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機器人的研制。智能機器人涉及的知識內(nèi)容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎(chǔ)知識，而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通用技術(shù)、計算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)和假肢工藝等，因此它是一項綜合性較強的新技術(shù)。目前國內(nèi)外發(fā)展這一新技術(shù)都很重視。幾

7、十年來，這項技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計在不斷地修改，品種在不斷地增加，應(yīng)用領(lǐng)域在不斷地擴(kuò)大。國外自一九七O年以來，己召開過數(shù)次國際機械手會議(幾乎每年召開一次)。有的國家(如日本)還成立了機器人協(xié)會。對機械手的一般要求：機械上業(yè)中，應(yīng)用機械手的主要目的，一是解決生產(chǎn)過程自動化，二是改善勞動條件，降低勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率和降低成本。因此要求機械手成本低，品種多樣化，零件、部件系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、性能穩(wěn)定可靠。一、降低機械手的成本：為了擴(kuò)大機械手的使用范圍，必須降低機械手的成本。二、品種多樣化：為了適應(yīng)不同工作需要，應(yīng)使機械手的品種多樣化，用機械手代替更多的人的手工勞動，進(jìn)而實現(xiàn)生

8、產(chǎn)過程的自動化，特別是那此工作比較單一、重復(fù)性很大而工作條件又較差和勞動量較大的1_種(如熱加工)，更應(yīng)該注意設(shè)計和使用各種類型的機械手。三、零件部件系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化：為了加速擴(kuò)大機械手的應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)盡量縮短其設(shè)計和制造的周期。這樣，就要求機械手的某種零件(如手指的指型等)、部件如手部、臂部等)系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化。然后，即可根據(jù)具體工作的需要，將這些零件、部件(或相應(yīng)地增加一些其它零件部件)進(jìn)行組合，組成所需要的機械手。當(dāng)然，這樣的機械手還應(yīng)保證組合方便，一旦工作變更時，就能迅速而順利地重新組合。四、產(chǎn)品性能應(yīng)準(zhǔn)確可靠：機械手的重要技術(shù)指標(biāo)之一，就是其性能穩(wěn)定可靠為此，要求設(shè)計合理、

9、元件穩(wěn)定、制造精確。第三節(jié) 機械手的發(fā)展趨勢一、研制有更多自由度的機械手。二、研制帶有行走機構(gòu)的機械手。這種機械手可以從一個工作地點移動到另一個工作地點。三、研制能自動編程和自動改變程序的機械手。四、研制具有一定“感觸”和“智力”的智能機器人。這種機器人，具有各種傳感裝置，并配備有計算機。根據(jù)仿生學(xué)的理論，用計算機充當(dāng)其“大腦”，使它能“思考”、能“分析”、能“記憶”用電視攝像機、測距儀、纖維光學(xué)傳感器、導(dǎo)光管或其它光敏元件作為“眼睛”，在其視野范圍內(nèi)能“看”。用聽筒和聲敏元件等作“耳朵”能“聽”。用揚聲器等作“嘴”能“說話”進(jìn)行“應(yīng)答”。用熱電偶和電阻應(yīng)變儀等作“觸覺”能感觸。用滾輪或雙足式

10、的行走機械作“腳”來實現(xiàn)自動移位。這樣的智能機器人，可以山人用特殊的語臺(計算機語言甚至廠語)對其下達(dá)命令、布置任務(wù)。受令后的智能機器人， 即可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的各種條件或信息， 獨立地“分析” 和“判斷”并自編或自變程序地進(jìn)行工作;能夠自找(選擇)物件的方位， 自調(diào)握力的大小， 自找傳送路線以避開障礙物。因此，它將成為“無人化” 系統(tǒng)的重要組成環(huán)節(jié)之一。第四節(jié) 機械手的組成、分類及型式上部分 機械手的組成機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。執(zhí)行機構(gòu)（手部）手部安裝在手臂的前端。手臂的內(nèi)孔裝有傳動軸，可把動作傳給手腕， 以傳動、伸屈手腕、開閉手指。機械 手 手 部的構(gòu)造系模仿人的

11、手指，分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種，手指的數(shù)量又可分為二指、三指、四指等， 其中以一指用得最多。可根據(jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作的需要。所謂沒有手指的手部，一般指真空吸盤或磁吸盤。執(zhí)行機構(gòu)（手臂）手臂有無關(guān)節(jié)手臂和有關(guān)節(jié)手臂之分。目前采用的手臂1L乎都是無關(guān)節(jié)手臂。多關(guān)節(jié)臂還處在研究階段。手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確地抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠正確地工作，手臂的三個自由度都需要精確地定位。下部分 機械手的分類及型式一、 按用途分類專用機械手：專用機械手是專為一定設(shè)備服務(wù)的，簡單、實用，目前在生產(chǎn)中運用比較廣泛。它一般只能完成一、二種特定作

12、業(yè)，如用來抓取和傳送工件。它的工作程序是固定的，也可根據(jù)需要編制程序控制。以獲得多種工作程序，適應(yīng)多種作業(yè)的需要。通用機械手：通用機械手是在專用機械手的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它能對不同物件完成多種動作，具有相當(dāng)?shù)耐ㄓ眯浴Ｋ且环N能獨立工作的自動化裝置。它的動作程序可以按照工作需要來改變，大都采用順序控制系統(tǒng)，如插銷板、插件板、穿孔帶、穿孔卡、凸輪轉(zhuǎn)鼓、磁芯和磁鼓等。通用機械手又分簡易型、示數(shù)再現(xiàn)型和智能機械手、操縱式機械手等幾種。(1)、簡易型通用機械手是目前國內(nèi)外應(yīng)用最多的一種，固定程序采用凸輪轉(zhuǎn)鼓:可變程序則采用插銷板或插件板進(jìn)行控制。(2)、示數(shù)再現(xiàn)型通用機械手，先由人操縱機械手完成必要的動

13、作，由磁帶或磁鼓加以記錄存貯，然后根據(jù)存貯的信息進(jìn)行動作。故又稱之為重復(fù)型機械手。(3)、智能機械手具有較高的判斷能力，它以光敏元件模擬人的“眼睛”，以聲敏元件模擬人的“耳朵”，以熱電偶和電阻應(yīng)變儀模擬人的“皮膚”的冷熱感覺和觸覺，以電子計算機模擬人的“大腦”。具有 “視覺”、“聽覺”、“觸覺”以及能思考的智能機械手(機械人)， 目前正處在研究試制階段，個別己達(dá)到實用階段。(4)、操縱式機械手在人的操縱之下完成多種復(fù)雜動作，其內(nèi)容可根據(jù)需要隨時改變。操縱式機械手可以近距離直接操縱，也可以遠(yuǎn)距離操縱。其特點是適合于人不宜進(jìn)入的環(huán)境中工作， 如海底資源開發(fā)，護(hù)宙空間探索， 以及危險的工作地區(qū)。其缺

14、點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。二、按控制型式分類1、點位控制型機械手：點位控制型機械手的運動軌跡是空間二個點之間的聯(lián)接。控制點數(shù)越多性能越好。點位控制型機械手基本能滿足于各種要求，結(jié)構(gòu)簡單，絕大部分機械手是點位控制型。2、連續(xù)軌跡控制型機械手：這種機械的運動軌跡是空間任意連續(xù)曲線，它能在三維空間中作極其復(fù)雜的動作，工作性能完美，但控制部分比較復(fù)雜。三、按坐標(biāo)形式分類機械手型式較多，按手臂的坐標(biāo)型式而言，主要有四種基本型式一一直角坐標(biāo)式，圓柱坐標(biāo)式，球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。1、直角坐標(biāo)式機械手直角坐標(biāo)式機械手是適合于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種機械手。它的手臂可以伸縮，左右和上下移動，按直角坐標(biāo)形

15、式X, Y, Z三個方向的直線運動。其工作范圍可以是一個直線運動;二個直線運動或三個直線運動。如在 X,Y,Z 三個直線運動方向上各具有A, B, C三個回轉(zhuǎn)運動，即構(gòu)成六個自由度。但在實際上很少有的。直角坐標(biāo)式機械手的優(yōu)點是:1、產(chǎn)量大，節(jié)拍短，能滿足高速的要求。2、容易與生產(chǎn)線上的傳送帶和加工裝配機械相結(jié)合。3、適于裝箱類，多工序復(fù)雜的工作，定位容易變更。4、定位精度高，可達(dá)到0.5毫米以下，載重發(fā)生變化時不會影響精度。5、易實行數(shù)控，可與開環(huán)或閉環(huán)數(shù)控機械配合使用。缺點是這種機械手作業(yè)范圍較小。2、圓柱坐標(biāo)式機械手圓杜坐標(biāo)式機械手是應(yīng)用最多的一種型式，它適用于搬運和測量工件。具有直觀性好

16、，結(jié)構(gòu)簡單，本體占用的空間較小，而動作范圍較大等優(yōu)點。圓柱坐標(biāo)式機械手由X, Z,中三個運動組成。它的工作范圍可分為:一個旋轉(zhuǎn)運動，一個直線運動，加一個不在直線運動所在平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動;二個直線運動加一個旋轉(zhuǎn)運動。圓柱坐標(biāo)式機械手有五個基本動作:(1)、手臂水平回轉(zhuǎn)：(2)、手臂伸縮:(3)、手臂上下:(4)、手臂回轉(zhuǎn)動作：(5)、手爪夾緊動作：圓柱坐標(biāo)式機械手的特征是在垂直導(dǎo)柱上裝有滑動套筒，手臂裝在滑動套筒上，手臂可做上下直線運動(Z)和水平面內(nèi)做圓弧狀的左右擺動。據(jù)國外140種機械手的統(tǒng)計，圓柱坐標(biāo)式機械手就有86種，其中76種是具有X, Y,Z三個運動，而具有六個自由度的機械手則僅有六

17、種。3、球坐標(biāo)式機械手球坐標(biāo)式機械手是一種自由度較多，用途較廣的機械手。它是由X ,Y ,Z三個方面的運動組成。球坐標(biāo)式機械手的工作范圍包括:一個旋轉(zhuǎn)運動。二個旋轉(zhuǎn)運動。三個旋轉(zhuǎn)運動加一個直線運動。球坐標(biāo)式機械手可實現(xiàn)以下八個動作:(1)、手臂上下動作，即俯仰動作。(2)、手臂左右動作，即回轉(zhuǎn)動作。(3)、手臂前后動作，即伸縮動作。(4)、手腕上下彎曲。(5)、手腕左右擺動。(6)、手腕旋轉(zhuǎn)運動。(7)、手爪夾緊動作。(8)、機械手整體移動。球坐標(biāo)式機械手的特征是手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面內(nèi)作圓弧狀卜下俯仰運動，它的臂可以伸縮，橫向水平擺動還可以上下擺動，工作范圍和人手的動

18、作類似。它的特點是能自動選擇最合理的動作線路。所以工效高。另外由于上下擺動，它的相對體積小，而動作范圍大。如以行程為203毫米工作氣缸為例，其手臂的上下移動距離就能達(dá)到2450毫米，若采用圓柱坐標(biāo)式則其高度就要達(dá)到2450毫米。球坐標(biāo)式機械手作業(yè)范圍可達(dá)到9立方米，較其它型式大三至五倍。4、關(guān)節(jié)式機械手關(guān)節(jié)式機械手是一種適用于靠近機體操作的傳動型式。它像人手一樣有肘關(guān)節(jié)，可實現(xiàn)多個自由度，動作比較靈活，適用于狹窄空間工作。關(guān)節(jié)式機械手，早在二十世紀(jì)四十年代就在原子能工業(yè)中得到應(yīng)用，隨后在開發(fā)海洋中應(yīng)用，有一定的發(fā)展前途。關(guān)節(jié)式機械手具有上肢結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)近似于人手操作機能。為具有近似人手操作的機

19、能，需要研制最合適的結(jié)構(gòu)。關(guān) 節(jié) 式 機械手采用齒輪、齒條式和擺動式，傳動機構(gòu)采用哪一種型式， 毛要根據(jù)工件的輕重來決定。若按擺動式扭矩來設(shè)計，則油缸將加大，而裝載油缸的機架也將隨之加大。特別是靠近關(guān)節(jié)式前端關(guān)節(jié)部分的重量對肩部影響很大。傳動機構(gòu)在承受負(fù)荷的同時必須承受自重。因此， 傳動效率很低。如需大的傳動角， 則宜采用擺動油缸。這次設(shè)計系機械工程學(xué)院2008年畢業(yè)設(shè)計, 其目的在于：培養(yǎng)學(xué)生綜合運用已學(xué)過的知識，獨立的分析和解決問題的能力；根據(jù)課題,充分發(fā)揮自己的想象力,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力；培養(yǎng)學(xué)生熟悉和運用有關(guān)手冊、規(guī)范、圖表等技術(shù)資料能力；進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的機械制度、分析計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、

20、編寫技術(shù)文件等的基本技能；為今后的工作打下良好的基礎(chǔ)。第五節(jié) 機械手的應(yīng)用及應(yīng)用誤區(qū)上部分 機械手的應(yīng)用機械手主要應(yīng)用于建造旋轉(zhuǎn)體零件,吸軸類、實現(xiàn)單機自動，化方面、鑄 ,鍛 ,焊,熱處理等熱加工方面一 、建造旋轉(zhuǎn)體零件 吸軸類、盤類、 環(huán)類零件 自動線,一般都采用機械手在機床之間傳送工件。國內(nèi)已建成的這類自動線很多,如沈陽水泵廠的深井泵 軸承體加工自動線 環(huán)類 、大連電機廠的 號和 號電機自動線 軸類 、上海拖拉機齒輪廠的齒坯加工 自動線 盤類 等。加工箱體類零件的組合機床自動線 ,一般采用隨行夾具傳送工件,也有個別采用了機械手,如上海動力機廠的氣缸蓋自動線轉(zhuǎn)位機械手。二、在實現(xiàn)單機 自動化

21、方面各類半自動機床 包括普通機床改造的 ,有 自行 夾緊、進(jìn)刀、切削、退刀和松開機能,但仍需人工上下料 袋上機械手,可實現(xiàn)全 自動生產(chǎn) ,一人看管多臺機床。目前 ,機械手在這些方面應(yīng)用最多。上海柴油機廠的曲拐自動車床和座 圈自動車床機械手,大連第二機床廠 的 自動循環(huán)液壓仿形車床機械手,沈陽第三機床廠的 滾齒機機械手 ,青海第二機床廠 的滾銑花鍵軸機床機械手等等。由于這方面使用已有較成熟的經(jīng)驗 ,國內(nèi)一些機宋廠已準(zhǔn)備在這類機床產(chǎn)品出廠時就附上機械手,或為用戶 自行安裝機械手提供條件。注塑機有加料 、合模、成型、分模等 自動工作循環(huán) ,裝上機械手 自 動 取料 ,可實現(xiàn)全 自動生產(chǎn)。上海電器塑料

22、廠十五臺 克立式注塑機已全部裝上了 簡 易 數(shù) 控機械手。上 海立新 電器廠 、上海無線電九廠等的注塑機也采用了機械手。沖床有 自動上下沖壓循環(huán),裝上機械手上下料,可實現(xiàn)沖壓生產(chǎn) 自 動 化。目前機械手在沖床上應(yīng)用有兩個方面 一是 噸 以上沖床用機械手的較多,如上海人民電機廠 噸龍門沖床轉(zhuǎn)子片上料機械手 尚未在生產(chǎn)中正式應(yīng)用 ,沈陽低壓開關(guān)廠噸沖床磁力起動器殼體下料機械手 另配有上料機構(gòu) 和天津拖拉機廠 噸沖床的下料機械手等 二是用于多工位沖床,用作沖壓件工位間步進(jìn) ,如上海第二汽車配件廠的燈殼沖壓生產(chǎn)線機械手 生產(chǎn)線中有兩臺多工位沖床 和天津二輕局技術(shù)研究所制作的屯和 噸多工位沖床機械手等。

23、三、鑄 、鍛 、焊、熱處理等熱加工方面在模鍛方面,國內(nèi)大批量生產(chǎn)的 3噸 、5噸 、10噸模鍛錘,其所配的轉(zhuǎn)底爐,用兩只機械手成一定角度布置在爐前,實現(xiàn)進(jìn)出料自動化,上海柴油機廠 ,北京內(nèi)燃機廠、洛陽拖拉機廠等己有較成熟經(jīng)驗。機械手在熱加 工其他方面的應(yīng)用有 上海躍進(jìn)電機廠電機軸中頻熱套機械手 ,上海汽車配件廠散熱器浸錫機械手,長春第一汽車廠 噸垂直分模平鍛機上下料機械手,大連工礦車輛廠鑄件清砂噴丸機械手 尚在調(diào)試中 等等?？偟膩碚f ,機械手在熱加工方面的應(yīng)用還比較少 ,在壓鑄、焊接 、電鍍 、噴漆等方面 ,還沒有應(yīng)用 ,有待進(jìn)一步發(fā)展下部分 機械手應(yīng)用誤區(qū)機械手應(yīng)用過程中容易出現(xiàn)以下十個誤區(qū)

24、一低估有效載荷和慣量要求二賦予機械手的任務(wù)過重三低估了電纜管理問題四在選購機械手系統(tǒng)前，對所有應(yīng)用因素考慮欠周五誤解精度與重復(fù)精度之間的關(guān)系六只根據(jù)控制系統(tǒng)來選購機械手系統(tǒng)七不能接受機械手技術(shù)八忽視機械手附件選項或周邊設(shè)備的必要性九低估或高估機械手控制系統(tǒng)的能力十沒有考慮使用機械手技術(shù)第二章 機械手工作原理及設(shè)計思想本文設(shè)計的平面關(guān)節(jié)型機械手，其主要包括三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（分別控制機械大臂和小臂旋轉(zhuǎn)以及手抓張合）和一個移動關(guān)節(jié)（控制手腕伸縮），各關(guān)節(jié)均采用直流電機作為驅(qū)動裝置，在機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。直流電機的運動控制采用自行開發(fā)的基于LM

25、629和PIC16F877構(gòu)成的多關(guān)節(jié)控制卡，并編制了能滿足運動控制要求的軟件，實現(xiàn)對機械手的速度、位置以及關(guān)節(jié)聯(lián)動控制。對機械手驅(qū)動裝置的一般要求如下：1.動裝置的重量盡可能要輕，單位重量的輸出功率 (即功率/重量比)要高，效率也要高；2.反應(yīng)速度要快，即要求力/重量比和力矩/慣量比要大；3.動作平滑，不產(chǎn)生沖擊；4.控制盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??；5.安全可靠；6.操作和維護(hù)方便；7.對環(huán)境無污染，噪聲要小；8.經(jīng)濟(jì)上合理，尤其是要盡量減少面積。組成：機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。.執(zhí)行機構(gòu)（手部）手部安裝在手臂的前端。手臂的內(nèi)孔裝有傳動軸，可把動作傳給手腕

26、， 以傳動、伸屈手腕、開閉手指。機械 手 手 部的構(gòu)造系模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種，手指的數(shù)量又可分為二指、三指、四指等， 其中以一指用得最多。可根據(jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作的需要。所謂沒有手指的手部，一般指真空吸盤或磁吸盤。二執(zhí)行機構(gòu)（手臂）手臂有無關(guān)節(jié)手臂和有關(guān)節(jié)手臂之分。目前采用的手臂幾乎都是無關(guān)節(jié)手臂。多關(guān)節(jié)臂還處在研究階段。手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確地抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠正確地工作，手臂的三個自由度都需要確地定位。第三章 機械手設(shè)計工業(yè)機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

27、現(xiàn)抓取、搬運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)，是在自動上下料機構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種機械裝置，開始主要用來實現(xiàn)自動上下料和搬運工件，完成單機自動化和生產(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)。實踐證明它可以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。平面關(guān)節(jié)型機器人又稱SCARA型裝配機器人，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)

28、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)行機械手的運動設(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。主要技術(shù)參數(shù)見表3-1表3-1 平面關(guān)節(jié)機械手設(shè)計主要技術(shù)參數(shù)機械手類型平面關(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)運動，回轉(zhuǎn)角240，步進(jìn)電機驅(qū)動 單片機控制小臂長600mm，回轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)角240，步進(jìn)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)控制結(jié)構(gòu)特點如下圖所示： 圖1 結(jié)構(gòu)特點圖第一節(jié) 手指設(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

29、件的迅速、準(zhǔn)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。第二節(jié) 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動路線及其方位的影響。(3) 應(yīng)能保證工件在指內(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。第三節(jié) 零件的設(shè)計R為外圓半徑,r為內(nèi)圓半徑其中g(shù)取10取G=23（N）（一） 緊力的計算：根據(jù)公式： 圖2.零件f為手指與工件的靜摩擦系數(shù)

30、，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 圖3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=55(N)（二） 活塞手抓重量的估算 r為桿的半徑，h為長度，g取10（三） 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)和精度要求較液壓低，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。汽缸的計算氣壓缸內(nèi)徑D的計算按液壓傳動與氣壓傳動公式 13-1 D為汽缸的內(nèi)徑(m)，P為工作壓力（Pa

31、）,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 由于汽缸垂直安裝，所以取P=0.3。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0.2mm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查得彈簧力的F的計算 第四節(jié) 移動關(guān)節(jié)的設(shè)計第五節(jié) 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3-2。表3-2驅(qū)動的特點表比較內(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(jìn)或伺服電機輸

32、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(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，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制體積當(dāng)自由度多時，機構(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)雜維修簡單，能在高溫，粉塵等惡劣環(huán)

33、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(yīng)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(fù)雜和運動軌跡要求嚴(yán)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(fù)雜第六節(jié) 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(hù)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(fù)運動，所以選雙作用單活塞汽

34、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5N取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 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，查液壓傳動與氣壓傳動表13-2 由于汽缸垂直安裝，所以取P=0.3。一般，此選0.3按液壓傳動與氣壓傳動表13-3圓整取40mm.一般，此選0.3mm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第四章 機械手臂部的設(shè)計及有關(guān)計算計第一節(jié) 小臂的設(shè)計臂部是機械手的主要執(zhí)行部件

35、，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。第二節(jié) 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(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼做支撐板，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(dǎo)向性要好。第三節(jié) 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(jì)、輕巧。 選10號工字鋼。

36、理論重,小臂長為600mm。較核：（N）取75N其受力如下圖: 圖4F=75+105=180（N）按材料力學(xué)公式5.11 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號工字鋼合適。第四節(jié) 軸的設(shè)計大軸的直徑取20mm，材料為45號鋼。受力如下圖:圖5驗算： F=180N 所以合適第五節(jié) 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9-61（GB 297-84）選7304E，d=20mm 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(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

37、承靜載能力選擇的公式為：機械設(shè)計13-17 其中為當(dāng)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135查取因為 所以 所以因此軸承合適 小軸承受力很小，所以不用教核第六節(jié) 軸承摩擦力矩的設(shè)計如果 （C為基本額定動載荷，P為所受當(dāng)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

38、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 取0.1第七節(jié) 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(jìn)電機。 步進(jìn)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(dǎo)表2-11 BF反應(yīng)式步進(jìn)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, 大臂長度600mm.精度驗證:能夠滿足精度要求，為了提高精度，采用一級齒輪傳動的齒數(shù)為20，的齒

39、數(shù)為70。按機械原理表8-2標(biāo)準(zhǔn)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0.91.4,此處取1則為了防止兩齒輪因裝配后軸向稍有錯位而導(dǎo)致嚙合齒寬減少，要適當(dāng)加寬，所以取24mm第二部分 大臂的設(shè)計計算第一節(jié) 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,小臂長為700mm。較核：（N）取140N其受力如圖: 圖6F=75+105+140=320（N）按材料力學(xué)公式5.11 其中h為工字鋼的高度，b為工字鋼的腰寬，Q為所受的

40、力。所以所以選10號工字鋼合適。第二節(jié) 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: 圖7驗算： F=320N所以合適第三節(jié) 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9-61（GB 297-84），選7304E，d=20mm 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(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：機械設(shè)計13-17 其中為當(dāng)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

41、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135查取因為 所以 所以因此軸承合適 小軸承受力很小，所以不用教核第四節(jié) 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 取0.1第五節(jié) 伺服系統(tǒng)的選擇因為所需驅(qū)動力小，

42、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。步進(jìn)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(dǎo)表2-11 BF反應(yīng)式步進(jìn)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,大臂小臂總長1400.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，采用一級齒輪傳動的齒數(shù)為20，的齒數(shù)為70。按機械原理表8-2標(biāo)準(zhǔn)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0.91.4,此處取1則為了防止兩齒輪因裝配后軸向稍有錯位而導(dǎo)致嚙合齒寬減少，要適當(dāng)加寬，所以取24mm 第五章 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。設(shè)計時注意的問題：(1) 要有足夠的剛度