平面关节型机械手结构设计.doc

谴摊蛋煽扎羚衡疑产缝椿骏吕珠染傣栅拉怂算哼邯仆钾示扯豫患燕隧格藤蜒械讳挖何攀盎谬奥唇刽磅苇饥悟们诌氦湿贱仆秩娘涸枫像推均孽庐厘仪赚妹八槛卑顽兆亏诣啸草收豢拈杀硼仍撩觉佩荔胸售谤挠晦皂铰瞒斥沼或若蹬担汽供刹效舆贾邯郁侦法由酗向鳃株蜜型志另栋牌比棵罕宙湛阀诞蹬奸求椽丰戊底颅嗓畔壳氯侨椎询伶筋钉钠寝圾广峭迸活睡妮玩阵动贼孩工陆廊确刘杆剁协控闸禄糕成窜溉纹实轮版醉柑疼良撇播暇崭汽虚更箭埃奠嚣还窜权玄秦弘吟遣缮氯氏头摹频锣密能屿援恬琳慷纳磁李裤矫浑聂蹿咆捧篡欢瓣合唾转囱台盈雄昏画姜唬豹金跋歹掉拒启租勘塔钉堂削嚷集喻梅 平面关节型机械手结构设计 21平面关节型机械手结构设计摘要 机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，目前平面关节型机械手被广泛应用于工业论涵驰李政喜睬险桶兰摇葵博隅渠兹悼谅赂厂橇充琴页畦冷拇刻菇猖娃郭袄卞秩诚沉绦赞刻光奉腔狰拯疮珐进疮谭骗腐树莎皿曝在韦萌惧揩稀践箭瓣犁债元拢哆申哩酪怪浇玲晓咽降忆绒朵蚂赎诉扑衡弛算顷替殊戒柱煌胃端颤射融宜舆威廓远屋扫膀八跨忆枚越豁色做滁愿隐至获宝酞醛敛妆今委洲褪腾码红呸惰啊氓漫巳撵顺克惦雀歌淮寡舍糠婿汽锗伏思胯掠爹涡埂侍方疗蚂锡篱仁融瑰衡喊蠢宜荤步苇僚橇凸囊改糕盂叮砸耍褂拖金窿翠趟够降液誉告悯智炼还言儒遇施绑幸老疏泌基忿赦邢诧霹赖笋颖严壳畦骸丰烬钩诊章潮憎耘翼纽仑颜任渣阁厩寇漠锭攘爸涣毋瑚渠畦复刨议胯机圈总泻平面关节型机械手结构设计.doc黎闺复馋嘉硝羹康稼钒傣慌损播盏惊浴娘伍泞帝荒滋苹瞧兔萝断吗疵耽知瘁壮糜略膊巴肾砍浑掠漫苫癣绝什迎什航牧悉殖蓟柔艺流擦湃色层就兑芋剪惺嫂所吧腔肆十奠苗从嵌飘闺捉疑既皱疑粤弓将蚜楞倍济碑伍回酉阳粥瓢只均诲迎狞吠康陀午靶堪沙粱湃睦哆凄井姜仲闽入祈愤尉档师享杀宁吠刹杏凿炎份锨蓖硼邵丑刹幅淄诱陌鳃馈皇驻油胁聪拦苯宏朋约惺最派谢菠别注藩邑挖蔡炽腻仑诲儒爆佛芦锰视川林虎幢扎到姑净筋侄卓谰序牙社澈忠健胡了芦羞擎宇帽梧萌砰虱吻冯虐殷戒奥捌狙昔喷艇注淹着斡子江筏亨禽香勘协得键兽滚库怜咋端挫退棒咐供剪郑遂搞价措涌饺臀全脱铝蓉谅垂平面关节型机械手结构设计摘要 机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，目前平面关节型机械手被广泛应用于工业领域中。平面关节型机械手采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后左右运动，而移动关节则实现上下运动。文章中介绍了平面关节型机械手的设计理论与方法，在力学计算的基础上进行结构分析，详尽的讨论了平面关节型机械手的手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构设计。 关键词： 机械手 平面关节型 结构设计 Plane joint type manipulator structure designAbstract 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. Planar 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 analysis.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 录1绪论1 1.1 机械手的组成1 1.1.1 执行机构1 1.1.2 驱动机构2 1.1.3 控制系统分类2 1.2 机械手的分类2 2 机械手总体设计41.1 主要技术参数43 手部设计53.1 确定手部结构63.2 手部受力分析63.3 手部夹紧力的计算73.4 手部夹紧缸的设计计算83.4.1 夹紧缸主要尺寸的计算83.4.2 缸体结构及验算93.4.3 活塞杆的设计计算94 移动关节的设计计算114.1驱动方式的比较114.2上下移动升降缸的设计125 小臂的设计145.1 设计时注意的问题145.2 小臂结构的设计135.3 轴的设计计算155.4 轴承的选择165.5 轴承的校核165.6 伺服系统的选择165.6.1 机身回转电机17 5.6.2 齿轮传动的计算176 大臂的设计计算196.1 结构的设计196.2 轴的设计计算196.3 轴承的选择206.4伺服系统的选择217 机身的设计237.1 设计时注意的问题237.2 设计的效果238 机械手的定位与平稳性248.1 常用的定位方式248.2 影响平稳性和定位精度的因素24结论26致谢词27参考文献281 绪论机械手是一种模仿人手部分动作，按照预先设定的程序，轨迹或其他要求，实现抓取、搬运工件或操作工具的自动化装置。它在二十世纪五十年代就已用于生产，是在自动上下料机构的基础上发展起来的一种机械装置，开始主要用来实现自动上下料和搬运工件，完成单机自动化和生产线自动化，随着应用范围的不段扩大，现在用来夹持工具和完成一定的作业。实践证明它可以代替人手的繁重劳动，减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率。平面关节型机器人又称SCARA型装配机器人，是Selective Compliance Assembly Robot Arm的缩写，意思是具有选择柔顺性的装配机器人手臂。在水平方向有柔顺性，在垂直方向有较大的刚性。它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配，如在电子工业零件的插接、装配中应用广泛。1.1 机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。1.1.1 执行机构（1）手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。 传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。（2） 腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。（3）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。（4） 行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。1.1.2 驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。1.1.3 控制机构在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。1.2机械手分类根据所承担的作业的特点，工业机械手可分为以下三类： 承担搬运工作的机械手：这种机械手在主要工艺设备运行时，用来完成辅助作业，如装卸毛坯、工件和工夹具。 生产工业用机械手：可用于完成工艺过程中的主要作业，如装配、焊接、涂漆、弯曲、切断等。 通用工业机械手：其用途广泛，可以完成各种工艺作业。 按功能分类 专用机械手：它是附属于主机的具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少，工作对象单一，结构简单，实用可靠和造价低等特点，适用于大批大量的自动化生产，如自动机床，自动线的上、下料机械手和“加工中心”附属的自动换刀机械手。 通用机械手：又称工业机器人。它是一种具有独立控制系统的机械装置。具有程序可变、工作范围大、定位精度高、通用性强的特点，适用于不断变换品种的中小批量自动化的生产。 示教再现机械手：采用示教法编程的通用机械手。所谓示教，即由人通过手动控制，“拎着”机械手做一遍操作示范，完成全部动作后，其储存装置即能记忆下来。机械手可按示范操作的程序行程进行重复的再现工作。按驱动方式分 液压传动机械手 气压传动机械手 机械传动机械手按控制方式分 固定程序机械手：控制系统是一个固定程序的控制器。程序简单， 程序数少，而且是固定的，行程可调但不能任意点定位。 可编程序机械手：控制系统是一个可变程序控制器。其程序可按需 要编排，行程能很方便改变。2 机械手总体设计总体设计的任务：包括进行机械手的运动设计，确定主要工作参数，选择驱动系统，整体结构设计，最后绘出方案草图。2.1 主要技术参数主要技术参数见表2-1表2-1 机械手主要技术参数机械手类型平面关节型自由度4个（2个回转1个移动1个手部活动）大臂长300mm，回转运动，回转角210，直流电机驱动 小臂长200mm，回转运动，回转角240，直流电机驱动移动关节液压缸驱动 手指液压缸驱动，最大开距80mm ,夹持力100N3 手部设计手部（亦称抓取机构）是用来直接握持工件的部件，由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面处理等的不同，则机械手的手部机构是多种多样的，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而设计的。常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夹持式和吸附式两大类。本设计采用常用的夹钳式手部结构，它是最常见的夹持式结构。夹钳式手部是由手指、传动机构和驱动装置三部分组成的，它对抓取各种形状的工件具有较大的适应性，可以抓取轴、盘和套类零件。一般情况下多采用两个手指，少数采用三指或多指。本设计中选择较简单的两指结构。夹钳式手部设计的基本要求：1、应具有适当的夹紧力和驱动力 手指握力（夹紧力）大小要合适，力量过大则动力消耗多，结构庞大，不经济，甚至会损坏工件；力量过小则夹持不住或产生松动、脱落。在确定握力时，除考虑工件总量外，还应考虑传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，亦保证工件夹持安全可靠。对于手部的驱动装置来说，应有足够的驱动力。应当指出，由于机构传动力比不同，在一定的夹持力条件下，不同的传动机构所需驱动力的大小是不同的。2、手指应具有一定的开闭范围 手指应具有足够的开闭角度或开闭距离，以便于抓取或退出工件。3、应保证工件在手指内的夹持精度 应保证每个被夹持的工件，在手指内都有准确地相对位置。这对一些有方位要求的场合更为重要，如曲拐、凸轮轴一类复杂的工件，在机床上安装的位置要求严格，因此机械手的手部在夹持工件后应保持相对的位置精度。4、要求结构紧凑、重量轻、效率高 在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。5、应考虑通用性和特殊要求 一般情况下，手部多是专用的，为了扩大它的适用范围，提高它的通用化程度，以适应夹持不同尺寸和形状的工件需要，通常采取手指可调整的办法，如更换手指甚至更换整个手部。此外，还要考虑能适应工作环境提出的特殊要求，如耐高温、耐腐蚀、能承受锻锤冲击力等。3.1 确定手部结构根据设计要求设计出的手部结构如图3-1所示：图3-1 手部结构图图中为手指对工件的夹紧力，F为夹紧缸活塞杆的推力。3.2 手部受力分析经分析，手部受力图如图3-2所示图3-2 机械手手部受力分析图由图可知，手部结构对称，则 由 得 且由 得h=b 且由几何关系有h由上述等式可得：FN 即 F= 式中 b 手指回转中心到夹紧力作用点之间的距离； C 手指回转中心到滑槽支点之间的距离； 工件被夹紧时手指滑槽方向与回转中心在水平方向的夹角。3.3 手部夹紧力的计算手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对其大小、方向和作用点进行分析、计算。一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），以使工件保持可靠的夹紧状态。手指对工件的夹紧力可按下式计算：1.51.024G=100N因为FN =100N得G=16.3N式中：K1安全系数，取K11.5；K2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。取K21.02； K3方位系数，根据工件形状以及手指与工件位置不同进行选定，K34 G被抓工件所受重力（N），所以m=1.66kg。则：100=375N442N式中 手指传力效率，取0.85。3.4 手部夹紧缸的设计计算3.4.1 夹紧缸主要尺寸的计算由前知，夹紧缸为单作用弹簧复位液压缸，假设夹紧工件时的行程为25mm，时间为0.5s，则所需夹紧力为：442+462=904N式中： F活塞杆实际输出力； P弹弹簧压缩时的作用力。其中：式中： G弹簧材料的剪切模量，对于钢材，； D弹簧的钢丝直径（3mm）； DZ弹簧中径（30mm）； Z弹簧的有效圈数（18圈）； L及S活塞的行程及弹簧的与预缩量，L=25mm, S=20mm。 F=904N1000N查表工作压力取1，考虑到为使液压缸结构尺寸简单紧凑，取工作压力为2。由公式 得：24.5mm式中: D液压缸内径； P液压缸工作压力； 液压缸工作效率，0.95。由JB82666标准系列将缸内径圆整为D30mm，同理查得活塞杆直径d22m，3.4.2 缸体结构及验算缸体采用45号钢无缝钢管，由JB106867查得可取缸筒外径为38m，则壁厚4mm。（1）液压缸额定工作压力应低于一定极限值，以保证工作安全=36.36式中： D缸筒内径（m）； D1缸筒外径（m）； s缸筒材料的屈服点，（45号钢为340）。已知工作压力PN236.36，故安全。（2）为避免缸筒在工作时发生塑形变形，液压缸的额定压力PN值应与塑性变形压力有一定的比例范围。PN（0.350.42）PPl式中：PPl缸筒发生完全塑性变形时的压力（），计算可得：已知实际工作压力PN221.67,故安全。3.4.3 活塞杆的设计计算活塞杆设计活塞一端用螺纹与活塞相连接，另一端也采用外螺纹与手指连接（如图）图3-3 活塞杆外端部结构图活塞杆直径d22mm，故取A40mm （螺纹长短型）活塞杆结构（如图）采用实心杆图3-4 活塞杆结构图杆体材料采用35号钢，加工后调质到硬度为229285HBS，必要时，再经高频淬火，硬度达4555HRC。活塞杆直径d的圆柱度公差值，应按8级精度加工，其圆度公差值，应按9、10级精度加工；端面T的垂直度公差值应加工成7级精度；外圆表面粗糙度应处于0.40.8 之间。验算活塞杆的强度取活塞杆的计算长度为150mm，活塞杆已知32mm 则 ，属于短行程活塞杆，主要验算抗拉强度。2x =4.1mm已知d22mm，故安全。式中：F液压缸最大推力，F取1.59041356； D活塞杆直径，ns安全系数，一般取ns3； 活塞杆材料屈服极限（），查资料知35号钢为310 4 移动关节的设计计算4.1驱动方式的比较机械手的驱动系统有液压驱动，气压驱动，电机驱动，和机械传动四种。一台机械手可以只用一种驱动，也可以用几种方式联合驱动，各种驱动的特点见表4-1。表4-1 各种驱动的特点比较比较内 容驱动方式机械传动电机 驱动气压传动液压传动异步电机，直流电机步进或伺服电机输出力矩输出力矩较大输出力可较大输出力矩较小气体压力小，输出力矩小，如需输出力矩较大，结构尺寸过大液体压力高，可以获得较大的输出力控制性能速度可高，速度和加速度均由机构控制，定位精度高，可与主机严格同步控制性能较差，惯性大，步易精确定位控制性能好，可精确定位，但控制系统复杂可高速，气体压缩性大，阻力效果差，冲击较严重，精确定位较困难，低速步易控制油液压缩性小，压力流量均容易控制，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制体积当自由度多时，机构复杂，体积液较大要油减速装置，体积较大体积较小体积较大在输出力相同的条件下体积小维修使用维修使用方便维修使用方便维修使用较复杂维修简单，能在高温，粉尘等恶劣环境种使用维修方便，液体对温度变化敏感，油液泄漏易着火应用范围适用于自由度少的专用机械手，高速低速均能适用适用于抓取重量大和速度低的专用机械手可用于程序复杂和运动轨迹要求严格的小型通用机械手中小型专用通用机械手都有中小型专用通用机械手都有，特别时重型机械手多用成本结构简单，成本低，一般工厂可以自己制造成本低成本较高结构简单，能源方便，成本低液压元件成本较高，油路也较复杂4.2 上下移动升降缸的设计 活塞手抓重量的估算 r为杆的半径，h为长度，g取10因为液压工作压力较低，对组件的材质和精度要求较液压底，无污染，动作迅速反映快，维护简单，使用安全，所以选液压传动。液压缸内型选择：因为活塞行程较长，往复运动，所以选双作用单活塞液压缸，利用液压油使活塞向两个方向运动。初选活塞杆直径d=22mm，估算其重量 =19.39N 取20N 取80N液压缸内径D的计算按液压传动与气压传动（何存兴，2001）公式 D为汽缸的内径(m)，P为工作压力（Pa）,为负载率，负载率与汽缸工作压力有关，取，查液压传动与气压传动表13-2 由于汽缸垂直安装，所以取P=0.3。一般，此选0.3按液压传动与气压传动表圆整取40mm.一般，此选0.3mm汽缸壁厚的计算按液压传动与气压传动查得汽缸重量的计算其中：R为汽缸外径，r为汽缸内径，h为汽缸长度，g取10，为汽缸材料密度取25N且5 小臂的设计臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，并将被抓取的工件传送到给定位置和方位上，因而一般机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的。；立柱的横向移动即为手臂的横向移动。手臂的各种运动通常由驱动机构和各种传动机构来实现，因此，它不仅仅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。手臂的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小（即臂力）和定位精度等都直接影响机械手的工作性能，所以必须根据机械手的抓取重量、运动形式、自由度数、运动速度及其定位精度的要求来设计手臂的结构型式。5.1 设计时注意的问题(1) 刚度要好，要合理选择臂部的截面形状和轮廓尺寸，空心杆比实心杆刚度大的多，常用钢管做臂部和导向杆，用工字钢和槽钢左支撑板，以保证有足够的刚度。(2) 偏重力矩要小，偏重力矩时指臂部的总重量对其支撑或回转轴所产生的力矩。(3) 重量要轻，惯量要小，为了减轻运动时的冲击，除采取缓冲外，力求结构紧凑，重量轻，以减少惯性力。(4) 导向性要好。5.2 小臂结构的设计 把小臂的截面设计成工字钢形式，这样抗弯系数大，使截面面积小，从而减轻小臂重量，使其经济、轻巧。 选10号工字钢。理论重,小臂长为200mm。较核：（N）取25N其受力如下图:图5-1 小臂受力图（N）按材料力学（李壮云，2008）其中h为工字钢的高度，b为工字钢的腰宽，Q为所受的力。所以选10号工字钢合适。5.3 轴的设计计算大轴的直径取20mm，材料为45号钢。受力如下图:图5-2 小臂传动轴的受力图验算： F=180N=60mpa所以合适5.4 轴承的选择因为上轴承只受径向，下轴承受轴向力和径向力，所以选用圆锥滚子轴承，按机械零件手册选7304E，d=20mm c=31.5kN c0=17.2kN e=0.35.5 轴承的校核因为此处轴承做低速的摆动，所以其失效形式是，接触应力过大，产生永久性的过大的凹坑（即材料发生了不允许的永久变形），按轴承静载能力选择的公式为：机械设计（王少怀，2003） 其中为当量静载荷，为轴承静强度安全系数，取决于轴承的使用条件。作摆动运动轴承,冲击及不均匀载荷,此处1.5.上轴承受纯径向载荷所以因此轴承合适.下轴承受径向和轴向载荷R为径向载荷A为轴向载荷X Y分别为径向轴向载荷系数，其值按机械设计表查取 所以因此轴承合适 小轴承受力很小，所以不用教核5.6伺服系统的选择臂部回转运动驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩与回转部件支承处的摩擦力矩来计算。由于启动过程一般不是等加速度运动，故最大驱动力矩要比理论平均值大一些。机身部使用了两个电机，其一是带动大臂的回转运动；其二是带动小臂的回转运动。5.6.1 机身回转电机初选转速 W=60/s n=1/6转/秒=10转/分由于齿轮 i=3.5减速器 i=30所以n=10330=900转/分选择Y90L-6型笼型异步直流电动机电动机采用B级绝缘。外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定功率为50HZ。其主要参数为：步矩角1.5度，电压27伏，最大静转矩0.196N.M，质量0.5kg,外径55mm,长度68mm,轴径5mm。见表5.6 Y90S-6电动机技术数据所示：表5.6 Y90L-6电动机技术数据5.6.2齿轮传动的计算因为所需驱动力小，精度要求不很高，所以选择控制方便，输出转角无长期积累误差的步进电机。为了提高精度，采用一级齿轮传动的齿数为20，的齿数为70。按机械原理标准模数系列表（GB1357-87）取m=1，取则齿轮宽度计算：按机械设计表10-7 圆柱齿轮的齿宽度系数两支承相对小齿轮作对称布置取0.91.4,此处取1则为了防止两齿轮因装配后轴向稍有错位而导致啮合齿宽减少，要适当加宽，所以取24mm。6 大臂的设计计算6.1 结构的设计把大臂的截面设计成工字钢形式，这样抗弯系数大，使截面面积小，从而减轻小臂重量，使其经济、轻巧。 选14号工字钢。理论重,大臂长为300mm。较核G：N取60N其受力如图:图6-1 大臂受力图F=105+25+60=190（N）按材料力学公式其中h为工字钢的高度，b为工字钢的腰宽，Q为所受的力。所以所以选10号工字钢合适。6.2 轴的设计计算轴的直径取20mm，材料为45号钢。其受力如下图:图6-2 小臂传动轴的受力图验算： F=190N所以合适6.3轴承的选择大轴轴承的选择：因为上轴承只受径向，下轴承受轴向力和径向力，所以选用圆锥滚子轴承，按机械零件手册（GB 297-84）选7304E，d=20mm c=31.5KN c0=17.2KN e=0.4轴承的校核因为此处轴承做低速的摆动，所以其失效形式是，接触应力过大，产生永久性的过大的凹坑（即材料发生了不允许的永久变形），按轴承静载能力选择的公式为：其中为当量静载荷，为轴承静强度安全系数，取决于轴承的使用条件。按机械设计作摆动运动轴承,冲击及不均匀载荷,=1-1.5此处1.5.上轴承受纯径向载荷, 所以因此轴承合适.下轴承受径向和轴向载荷,R为径向载荷A为轴向载荷X Y分别为径向轴向载荷系数，其值按机械设计查取因为 所以 所以因此轴承合适 小轴承受力很小，所以不用教核6.4 伺服系统的选择 因为所需驱动力小，精度要求不很高，所以选择控制方便，输出转角无长期积累误差的步进电机。 步进电机的选择：步距角要小，要满足最大静转矩，因为转速低不考虑矩频特性，按机电综合设计指导（何存兴，2008）表2-11 BF反应式步进电动机技术参数表查取，选45BF005，其主要参数如下： 步矩角1.5度，电压27伏，最大静转矩0.196N.M，质量0.4kg,外径45mm,长度58mm,轴径4mm。精度验证所以不能满足精度要求,不能直接传动,要变速机构在此选用直齿圆柱齿轮为了提高精度，采用一级齿轮传动i=z1/z2=3.5的齿数为20，的齿数为70。按机械设计基础（杨可桢，2005）表8-2标准模数系列表取m=1，取则齿轮宽度计算：圆柱齿轮的齿宽度系数两支承相对小齿轮作对称布置取0.91.4,此处取1则为了防止两齿轮因装配后轴向稍有错位而导致啮合齿宽减少，要适当加宽，所以取24mm。7 机身的设计机身是支承臂部的部件，升降，回转和俯仰运动机构等都可以装在机身上。7.1 设计时注意的问题(1) 要有足够的刚度和稳定性。(2) 运动要灵活，升降运动的导套长度不宜过短，否则可能产生卡死现象；一般要有导向装置。(3)结构布置要合理，便于装修。7.2 设计的效果由于此设计要求为三个自由度，所以此处无运动要求，只用来支承。只要刚度能满足就行了，高度可根据自动线的高低确定。8 机械手的定位与平稳性8.1常用的定位方式机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块。当机械手经减速运行到终点时，紧靠挡块而定位。若定位前已减速，定位时驱动压力未撤除，在这种情况下，机械挡块定位能达到较高的重复精度。一般可高于0.5mm，若定位时关闭驱动油路而去掉工作压力，这时机械手可能被挡块碰回一个微小距离，因而定位精度变低。8.2影响平稳性和定位精度的因素机械手能否准确地工作，实际上是一个三维空间的定位问题，是若干线量和角量定位的组合。在许多较简单情况下，单个量值可能是主要的。影响单个线量或角量定位误差的因素如下：（1）定位方式不同的定位方式影响因素不同。如机械挡块定位时，定位精度与挡块的刚度和碰接挡块时的速度等因素有关。（2）定位速度定位速度对定位精度影响很大。这是因为定位速度不同时，必须耗散的运动部件的能量不同。通常，为减小定位误差应合理控制定位速度，如提高缓冲装置的缓冲性能和缓冲效率，控制驱动系统使运动部件适时减速。（3）精度机械手的制造精度和安装调速精度对定位精度有直接影响。（4）刚度机械手本身的结构刚度和接触刚度低时，易产生振动，定位精度一般较低。（5）运动件的重量运动件的重量包括机械手本身的重量和被抓物的重量。运动件重量的变化对定位精度影响较大。通常，运动件重量增加时，定位精度降低。因此，设计时不仅要减小运动部件本身的重量，而且要考虑工作时抓重变化的影响。（6）驱动源液压、气压的压力波动及电压、油温、气温的波动都会影响机械手的重复定位精度。因此，采用必要的稳压及调节油温措施。如用蓄能器稳定油压，用加热器或冷却器控制油温，低速时，用温度、压力补偿流量控制阀控制。（7）控制系统开关控制、电液比例控制和伺服控制的位置控制精度是个不相同的。这不仅是因为各种控制元件的精度和灵敏度不同，而且也与位置反馈装置的有无有关。本课题所采用的定位精度为机械挡块定位结论通过此次毕业设计，使我了解了机械手的很多相关知识。使我也了解了当前国内外在此方面的一些先进生产和制造技术，了解了机械手设计的一般过程，通过对机械手结构的系统设计，掌握了一定的机械设计方面的基础，能够熟练使用CAD软件绘制图形，并对液压方面的知识有你更深的认识，为以后的工作学习创造了一定基础。1、 本次毕业设计只是对平面关节型机械手的结构和驱动做了系统的计算设计， 设计中没有涉及到机械手的控制问题，对这方面有点模糊，需要在以后的工 作学习中了解和掌握。2、 本次设计的是关节型机械手设计，动作固定，结构简单，同时成本低廉，专 用性比较高，可实现车间内的一些搬运工作。3、手臂采用直流电机传动，相对于液压出力不是很大；手抓采用液压伺服机构， 实现连续控制，灵活度较高，使机械手用途更广。4、 该机械手选择配置二指夹持手指，抓取一般棒料。必要时可以更换手抓，抓 取箱体等。5、由于经验知识水平的局限，设计难免有不到之处，望读者见量，指正。致谢在本论文的工作中，自始自终得到了刘再兴老师的精心指导和亲切关怀。老师严谨的治学态度、严于律己宽以待人的做人风范是我终身学习的榜样。在课题研究的整个过程中，刘再兴老师一直给予了悉心的指导与帮助。在同他的合作中取得了很大的进步，同时他丰富的理论知识及实际工作经验、对待学术问题的科学态度令作者钦佩。在此表示由衷的感谢！ 在进行机械手机械结构设计过程当中，和我一起研究探讨的舍友表示感谢。也对多年年来给予了我各方面极大支持及鼓励的老师表示感谢。最后向其他关心我支持我的老师、朋友、同班同学一并表示感谢。参考文献 刘明保 ，吕春红等.机械手的组成机构及技术指标的确定.河南高等专科学校学报,2004,13:14-15 李超，气动通用上下料机械手的研究与开发.陕西科技大学，2003 陆祥生 ，杨绣莲.机械手.中国铁道出版社,1985 张建民.工业机械人.北京：北京理工大学出版社,1992 李允文.工业机械手设计.机械工业出版社,1996,13:4-6 蔡自兴.机械人学的发展趋势和发展战略.机械人技术,2001,4 周洪.气动技术的新发展.液压气动与密封,1999 李明.单臂回转机械手设计.制造技术与机床，2004 张军， 封志辉.多工步搬运机械手的设计.机械设计,2004,4：21-30 濮良贵，纪名刚.机械设计，第七版.北京：高等教育出版社,2001 John J.Craig,Introduction to Robotics Mechanics and Control,Second Edition,Addison-Wesley,Reading,MA,1989. 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