畢業(yè)設計（論文）平面關節(jié)型機械手設計

1、畢業(yè)設計說明書畢業(yè)設計說明書 平面關節(jié)型機械手設計平面關節(jié)型機械手設計 學生姓名學生姓名 學學 號號 系系 別別 專業(yè)班級專業(yè)班級 指導教師指導教師 填寫日期填寫日期 平面關節(jié)型機械手設計平面關節(jié)型機械手設計 摘 要 在現代工業(yè)中，生產過程的機械化，自動化已經成為突出主題。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越來越普遍。它可降低工人的勞 動強度，提高生產效率和質量。平面關節(jié)型機械手采用兩個回轉關節(jié)和一個移 動關節(jié)；兩個回轉關節(jié)控制前后左右運動，而移動關節(jié)則實現上下運動，其工 作空間如工作空間圖，它的縱截面為矩形的回轉體，縱截面高為移動關節(jié)的行 程長，兩回轉關節(jié)轉角的大小決定回轉體

2、截面的大小、形狀。 工業(yè)機械手是一種模仿人手部分動作，按照預先設定的程序，軌跡或其他 要求，實現抓取、搬運工件或操作工具的自動化裝置。它在二十世紀五十年代 就已用于生產，是在自動上下料機構的基礎上發(fā)展起來的一種機械裝置，開始 主要用來實現自動上下料和搬運工件，完成單機自動化和生產線自動化，隨著 應用范圍的不段擴大，現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，提高勞動生產率。 關鍵字關鍵字：機械手；軸承；氣缸 目目 錄錄 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、.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) 機械手的應用及應用誤區(qū).8 上部分 機械手的應用.8 下部分 機械手應用誤區(qū).9 第二章 機械手工作原理及設計思想.11 第三章 機械手設計.12 第一節(jié) 手指設計 .13 第二節(jié) 設計時要注意的問題.13 第三節(jié) 零件的設計.13 第四節(jié) 移動關節(jié)的設計.16 第五節(jié) 驅動方式的比較.16 第六節(jié) 氣缸的設計.17 第四章 機械手臂部的設計及有關計算計.18 第一節(jié) 小臂的設計.18 第二節(jié) 設計時注意的問題.18 第三節(jié) 小臂結構的設計.18 第四節(jié) 軸的設計.19 第五節(jié) 軸承的

4、選擇.19 第六節(jié) 軸承摩擦力矩的設計.20 第七節(jié) 驅動選擇.21 第二部分 大臂的設計計算.22 第一節(jié) 結構的設計.22 第二節(jié) 軸的設計計算.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 機身的設計.26 小結.27 參考文獻.28 致 謝.29 前言 用于再現人手的的功能的技術裝置稱為。機械手是模仿著人手的部分動作， 按給定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè) 生產中應用的機械手被稱為。 機械手是近代自動控制領域中出現的一項新技術，并已成為現代機械制造 生產系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術發(fā)展很快

5、，逐漸成為一門新興的 學科機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術、自動控制 技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產設備。工業(yè)機械手也是 工業(yè)機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)， 在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現在人的智能和適應性。機 械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟領域有著廣泛的發(fā)展 空間。 機械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分 的代替人工操作；其二、它能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和 位置來完成工件的傳送和

6、裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配， 從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產率，加快實現工業(yè) 生產機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物 力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的 場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果， 受到機械工業(yè)的。 機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自 由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。 機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強。 隨著工業(yè)技術的發(fā)展， 制成了能夠獨立的按程序控制實現重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用 機

7、械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較 強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。 第一章 概論 第一節(jié) 機械手簡史 進入信息時代，科學技術高速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)產業(yè)，特別是傳統(tǒng)的機械加 工_行業(yè)面臨著一場嚴峻的挑戰(zhàn)。它要生存要發(fā)展就必須要進行一場深刻的變革。 機械加工自動化技術就越來越受到各方面的關在 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 在機械加工中的應用出現了日新月異的可喜 局面，它將對提高注來產品質量、提高工作效率、節(jié)約能源、降低生產成本、 減少消耗、增加企業(yè)的競爭力，縮小同發(fā)達國家的差距等都將起到重要的作用。 機械加

8、工自動化是機械加工行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。實現機械加工自動化的 程度代表著該行業(yè)的技術發(fā)展水平和先進的檔次。它將在機械加工行業(yè)引起一 場革命，使該行業(yè)駛入快車道而迅猛發(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、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，也應用了 幾十年，并得到了飛速的發(fā)展，它己經被應用到人類生活的各個方面，它已經 成了人類的好朋友，伴隨它的發(fā)展，它將對人類的生產、生活做出更大的貢獻。 第二節(jié) 機械手發(fā)展概況 在

9、二十世紀四十年代，隨著原子能工業(yè)的發(fā)展己出現了模擬關節(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控示 數再現型機械手。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 生產自動線上，即使第二代機械手這一新技術進入了應用階段。七十年代機械 手可以說是處于技術發(fā)展階段。 專用機械手經過幾十年的發(fā)展，如今己進入以通用機械手為標志的時代。 由于通用機械手的應用和發(fā)展，進而促進了智能機器人的研制。智能機器人涉 及的知識內容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎知識，而且還應用

10、一 些電子技術、電視技術、通用技術、計算技術、無線電控制、仿生學和假肢工 藝等，因此它是一項綜合性較強的新技術。目前國內外發(fā)展這一新技術都很重 視。幾十年來，這項技術的研究和發(fā)展一直比較活躍，設計在不斷地修改，品 種在不斷地增加，應用領域在不斷地擴大。 國外自一九七o年以來，己召開過數次國際機械手會議(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，應用機械手的主要目的，一是解決生 產過程自動化，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、標準 化、性能穩(wěn)定可靠。 一、降低

11、機械手的成本：為了擴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：為了適應不同工作需要，應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，進而實現生產過程的自動化，特別是那此工 作比較單一、重復性很大而工作條件又較差和勞動量較大的1_種(如熱加工)， 更應該注意設計和使用各種類型的機械手。 三、零件部件系列化、通用化、標準化：為了加速擴大機械手的應用領域， 應盡量縮短其設計和制造的周期。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、標準化。然后，即可根據具 體工作的需要，將這些零件、部件(或相應地增加一些其它零件部件)進行組合，

12、組成所需要的機械手。當然，這樣的機械手還應保證組合方便，一旦工作變更 時，就能迅速而順利地重新組合。 四、產品性能應準確可靠：機械手的重要技術指標之一，就是其性能穩(wěn)定 可靠為此，要求設計合理、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。根據仿生學的理論，用計算機充當其“大腦” ，使它能“思考”、能“分析”、能“記憶”用電視攝像機、測距儀

13、、纖維光 學傳感器、導光管或其它光敏元件作為“眼睛”，在其視野范圍內能“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 行“應答”。用熱電偶和電阻應變儀等作“觸覺”能感觸。用滾輪或雙足式的 行走機械作“腳”來實現自動移位。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)對其下達命令、布置任務。受令后的智能機器人， 即可根據現場環(huán)境的各種條件或信息， 獨立地“分析” 和“判斷”并自編或 自變程序地進行工作;能夠自找(選擇)物件的方位， 自調握力的大小， 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

14、、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、驅動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。 執(zhí)行機構（手部） 手部安裝在手臂的前端。手臂的內孔裝有傳動軸，可把動作傳給手腕， 以 傳動、伸屈手腕、開閉手指。機械 手 手 部的構造系模仿人的手指，分為無關 節(jié)、固定關節(jié)和自由關節(jié)三種，手指的數量又可分為二指、三指、四指等， 其 中以一指用得最多?？筛鶕A持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭， 以適應操作的需要。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（手臂） 手臂有無關節(jié)手臂和有關節(jié)手臂之分。目前采用的手臂1l乎都是無關節(jié)手 臂。多關節(jié)臂還處在研究階段。手臂的作用是引導手指準確地

15、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備服務的，簡單、實用，目前在生 產中運用比較廣泛。它一般只能完成一、二種特定作業(yè)，如用來抓取和傳送工 件。它的工作程序是固定的，也可根據需要編制程序控制。以獲得多種工作程 序，適應多種作業(yè)的需要。 通用機械手：通用機械手是在專用機械手的基礎上發(fā)展起來的。它能對不 同物件完成多種動作，具有相當的通用性。它是一種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

16、帶、穿孔卡、凸輪轉鼓、磁芯和磁鼓等。 通用機械手又分簡易型、示數再現型和智能機械手、操縱式機械手等幾種。 (1)、簡易型通用機械手是目前國內外應用最多的一種，固定程序采用凸輪 轉鼓:可變程序則采用插銷板或插件板進行控制。 (2)、示數再現型通用機械手，先由人操縱機械手完成必要的動作，由磁帶 或磁鼓加以記錄存貯，然后根據存貯的信息進行動作。故又稱之為重復型機械 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

17、智能機械手(機械人)， 目前正處在研究試制階段，個別 己達到實用階段。 (4)、操縱式機械手在人的操縱之下完成多種復雜動作，其內容可根據需要 隨時改變。操縱式機械手可以近距離直接操縱，也可以遠距離操縱。其特點是 適合于人不宜進入的環(huán)境中工作， 如海底資源開發(fā)，護宙空間探索， 以及危 險的工作地區(qū)。其缺點是結構復雜，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 聯接。控制點數越多性能越好。點位控制型機械手基本能滿足于各種要求，結 構簡單，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

18、間中作極其復雜的動作，工作性能完美，但控制部分比較復雜。 三、按坐標形式分類 機械手型式較多，按手臂的坐標型 式而言，主要有四種基本型式一一直角坐標式，圓柱坐標式，球坐標式和 關節(jié)式。 1、直角坐標式機械手 直角坐標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，按直角坐標形式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三個回轉運動，即構成六 個自由度。但在實際上很少有的。 直角坐標式機械手的優(yōu)點是: 1、產量大，節(jié)拍短，能滿足高速的

19、要求。 2、容易與生產線上的傳送帶和加工裝配機械相結合。 3、適于裝箱類，多工序復雜的工作，定位容易變更。 4、定位精度高，可達到0.5毫米以下，載重發(fā)生變化時不會影響精度。 5、易實行數控，可與開環(huán)或閉環(huán)數控機械配合使用。 缺點是這種機械手作業(yè)范圍較小。 2、圓柱坐標式機械手 圓杜坐標式機械手是應用最多的一種型式，它適用于搬運和測量工件。具 有直觀性好，結構簡單，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 轉運動，一個直線運動，加一個不在直線運動所在平面內的旋轉運動;二個直線 運動加一個旋轉運動。 圓柱坐標式機械手有五個

20、基本動作: (1)、手臂水平回轉： (2)、手臂伸縮: (3)、手臂上下: (4)、手臂回轉動作： (5)、手爪夾緊動作： 圓柱坐標式機械手的特征是在垂直導柱上裝有滑動套筒，手臂裝在滑動套 筒上，手臂可做上下直線運動(z)和水平面內做圓弧狀的左右擺動。 據國外140種機械手的統(tǒng)計，圓柱坐標式機械手就有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種。 3、球坐標式機械手 球坐標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。 球坐標式機械手的工作范圍包括: 一個旋轉運動。 二個旋轉運動。 三個旋轉運動加一個直線運動。 球坐

21、標式機械手可實現以下八個動作: (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)、手腕旋轉運動。 (7)、手爪夾緊動作。 (8)、機械手整體移動。 球坐標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到2450

22、毫米，若采用圓 柱坐標式則其高度就要達到2450毫米。球坐標式機械手作業(yè)范圍可達到9立方米， 較其它型式大三至五倍。 4、關節(jié)式機械手 關節(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 關節(jié)，可實現多個自由度，動作比較靈活，適用于狹窄空間工作。關節(jié)式機械 手，早在二十世紀四十年代就在原子能工業(yè)中得到應用，隨后在開發(fā)海洋中應 用，有一定的發(fā)展前途。 關節(jié)式機械手具有上肢結構，可實現近似于人手操作機能。為具有近似人 手操作的機能，需要研制最合適的結構。關 節(jié) 式 機械手采用齒輪、齒條式和 擺動式，傳動機構采用哪一種型式， 毛要根據工件的輕重來決定。若按擺動式 扭矩來設計，則油缸將加

23、大，而裝載油缸的機架也將隨之加大。特別是靠近關 節(jié)式前端關節(jié)部分的重量對肩部影響很大。傳動機構在承受負荷的同時必須承 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。 這次設計系機械工程學院 2008 年畢業(yè)設計, 其目的在于：培養(yǎng)學生綜合運 用已學過的知識，獨立的分析和解決問題的能力；根據課題,充分發(fā)揮自己的想 象力,培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力；培養(yǎng)學生熟悉和運用有關手冊、規(guī)范、圖表等技術 資料能力；進一步培養(yǎng)學生的機械制度、分析計算、結構設計、編寫技術文件 等的基本技能；為今后的工作打下良好的基礎。 第五節(jié) 機械手的應用及應用誤區(qū) 上部分 機械手的應用 機械手主要應用于建造旋轉體

24、零件,吸軸類、實現單機自動，化方面、鑄 ,鍛 , 焊,熱處理等熱加工方面 一 、建造旋轉體零件 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位機械手。 二、在實現單機 自動化方面 各類半自動機床 包括普通機床改造的 ,有 自行 夾緊、進刀、切削、退刀和松 開機能, 但仍需人工上下料 袋

25、上機械手,可實現全 自動生產 ,一人看管多臺機床。目 前 ,機械手在這些方面應用最多。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驗 ,國內一些機宋廠已準備在這類機床產品出廠時就附 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 實現全 自動生產。上海電器塑料廠十五臺 克立式注塑機已全部裝上了 簡 易 數 控機械手。上 海立新 電器廠 、上海無線電九

26、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,可實現沖壓生產 自 動 化。目 前機械手在沖床上應用有兩個方面 一是 噸 以上沖床用機械手的較多,如上海 人民電機廠 噸龍門沖床轉子片上料機械手 尚未在生產中正式應用 ,沈陽低壓 開關廠噸沖床磁力起動器殼體下料機械手 另配有上料機構 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 ,如上海第二汽車配件廠的燈殼沖壓生產線機械手 生產 線中有兩臺多工位沖床 和天津二輕局技術研究所制作的屯和 噸多工位沖床機 械手等。 三、鑄 、鍛 、焊、熱處理等熱加工方面 在模鍛方面,國內大批量生產的 3

27、噸 、5噸 、10噸模鍛錘,其所配的轉底爐, 用兩只機械手成一定角度布置在爐前,實現進出料自動化,上海柴油機廠 ,北京 內燃機廠、洛陽拖拉機廠等己有較成熟經驗。 機械手在熱加 工其他方面的應用有 上海躍進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 尚在調試中 等等?？偟膩碚f ,機 械手在熱加工方面的應用還比較少 ,在壓鑄、焊接 、電鍍 、噴漆等方面 ,還 沒有應用 ,有待進一步發(fā)展 下部分 機械手應用誤區(qū) 機械手應用過程中容易出現以下十個誤區(qū) 一低估有效載荷和慣量要求 二賦予機械手的任務過重

28、三低估了電纜管理問題 四在選購機械手系統(tǒng)前，對所有應用因素考慮欠周 五誤解精度與重復精度之間的關系 六只根據控制系統(tǒng)來選購機械手系統(tǒng) 七不能接受機械手技術 八忽視機械手附件選項或周邊設備的必要性 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 第二章 機械手工作原理及設計思想 本文設計的平面關節(jié)型機械手，其主要包括三個旋轉關節(jié)（分別控制機械 大臂和小臂旋轉以及手抓張合）和一個移動關節(jié)（控制手腕伸縮） ，各關節(jié)均采 用直流電機作為驅動裝置，在機械大臂和小臂的旋轉關節(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 lm629 和 pi

29、c16f877 構成的多關節(jié)控制卡，并編制了能滿足運動控制 要求的軟件，實現對機械手的速度、位置以及關節(jié)聯動控制。 對機械手驅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，不產生沖擊； 4.控制盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要小； 5.安全可靠； 6.操作和維護方便； 7.對環(huán)境無污染，噪聲要?。?8.經濟上合理，尤其是要盡量減少面積。 組成：機械手主要由執(zhí)行機構、驅動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。 .執(zhí)行機構（手部） 手部安裝在手臂的前端。手臂的內孔裝有傳動軸

30、，可把動作傳給手腕， 以 傳動、伸屈手腕、開閉手指。機械 手 手 部的構造系模仿人的手指，分為無關 節(jié)、固定關節(jié)和自由關節(jié)三種，手指的數量又可分為二指、三指、四指等， 其 中以一指用得最多?？筛鶕A持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭， 以適應操作的需要。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（手臂） 手臂有無關節(jié)手臂和有關節(jié)手臂之分。目前采用的手臂幾乎都是無關節(jié)手臂。多關節(jié) 臂還處在研究階段。手臂的作用是引導手指準確地抓住工件，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 機械手設計 工業(yè)機械手是一種模仿人手部分動作，

31、按照預先設定的程序，軌跡或其他 要求，實現抓取、搬運工件或操作工具的自動化裝置。它在二十世紀五十年代 就已用于生產，是在自動上下料機構的基礎上發(fā)展起來的一種機械裝置，開始 主要用來實現自動上下料和搬運工件，完成單機自動化和生產線自動化，隨著 應用范圍的不段擴大，現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，提高勞動生產率。 平面關節(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

32、的剛性。它結構簡單，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。 總體設計的任務：包括進行機械手的運動設計，確定主要工作參數，選擇 驅動系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，整體結構設計，最后繪出方案草圖。 主要技術參數見表 3-1 表表 3-13-1 平面關節(jié)機械手設計主要技術參數平面關節(jié)機械手設計主要技術參數 機械手類型平面關節(jié)型 抓取重量 2.2kg 自由度3 個（2 個回轉 1 個移動） 大臂長 700mm，回轉運動，回轉角 240，步進電機驅動 單片機控制 小臂長 600mm，回轉運動，回轉角 240，步進電機驅動 單片機控制 移動關節(jié)氣缸驅動 行

33、程開關控制 手指氣缸驅動 行程開關控制 結構特點如下圖所示： 圖圖 1 1 結構特點圖結構特點圖 第一節(jié) 手指設計 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 關鍵部件之一。 第二節(jié) 設計時要注意的問題 (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，而且應 注意手部接近工件的運動路線及其方位的影響。 (3) 應能保證工件在指內準確定位。 (4) 結構盡量緊湊重量輕，以利于腕部和

34、臂部的結構設計。 (5) 根據應用條件考慮通用性。 第三節(jié) 零件的設計 r 為外圓半徑,r 為內圓半徑 )(0428.2210 10 282600 7800 )(282600 150)2535(14 . 3 )( 9 3 22 22 kgvgmgg vm mm hrrv 其中 g 取 10 取 g=23（n） （一） 緊力的計算： 根據公式： 圖圖 2.零件零件gfn 4 f 為手指與工件的靜摩擦系數，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 33.38 15 . 0 4 23 4 f g n 取 n=40（n） 驅動力的計算 1 4ntgp 圖圖

35、3 3 為斜面傾角，為傳動機構的效率，這里為平摩擦 o 15 傳動， 查機械零件手冊表 2-2 這里取 0.8592 . 0 85 . 0 所以 44.50 85 . 0 1 40154 0 tgp 取 p=55(n) （二） 活塞手抓重量的估算 )(231078001502514 . 3 22 1 nghrg r 為桿的半徑，h 為長度，g 取 10 （三） 汽缸的設計 因為氣壓工作壓力較低，對氣動組件的材質和精度要求較液壓低，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。 汽缸內型選擇，由于行程短，選單作用活塞汽缸，借彈簧復位。 汽缸的計算 氣壓缸內徑

36、 d 的計算 按液壓傳動與氣壓傳動公式 13-1 p d f 4 2 d 為汽缸的內徑(m)，p 為工作壓力（pa）,為負載率，負載率與汽缸工作壓 力有關，取，查液壓傳動與氣壓傳動表 13-2 由于40 . 0 p65 . 0 30 . 0 p 汽缸垂直安裝，所以取 p=0.3。 )(16.24)(02416 . 0 103 . 04 . 014 . 3 5544 6 mmm p f d 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 . 0 d d mm4 . 6322 . 02 . 0dd 按液壓傳動與氣壓傳動表 13-4 圓整

37、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 )(23 1 ngf 第四節(jié) 移動關節(jié)的設計 第五節(jié) 驅動方式的比較 機械手的驅動系統(tǒng)有液壓驅動，氣壓驅動，電機驅動，和機械傳動四種。 一臺機械手可以只用一種驅動，也可以用幾種方式聯合驅動，各種驅動的特點 見表 3-2。 表表 3-23-2 驅動的特點表驅動的特點表 驅動方式 電機 驅動 比較內 容機械傳動 異步電機， 直流電機 步進或伺服電 機 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， 結構尺寸過大 液體壓力高，可以獲 得較大

38、的輸出力 控制性 能 速度可高，速度 和加速度均由機構 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 無級調速，反應靈敏， 可實現連續(xù)軌跡控制 體積當自由度多時，機 構復雜，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

39、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 結構簡單，成本低， 一般工廠可以自己 制造 成本低 成本較高 結構簡單，能源 方便，成本低 液壓元件成本較高， 油路也較復雜 第六節(jié) 氣缸的設計 因為氣壓工作壓力較低，對氣動組件的材質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。 氣缸內型選擇：因為活塞行程

40、較長，往復運動，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動。 初選活塞桿直徑 d=12mm，估算其重量 )(85 . 4 10780055 . 0 ) 2 012 . 0 (14 . 3 ) 2 ( 22 2 ngh d g 取 5n 5152323 21 gggf 取 80n 氣壓缸內徑 d 的計算 按液壓傳動與氣壓傳動公式 13-1 p dd f 4 )( 22 d 為氣缸的內徑(m)，p 為工作壓力（pa）,為負載率，負載率與氣缸工作壓 力有關，取，查液壓傳動與氣壓傳動表 13-2 由于40 . 0 p65 . 0 30 . 0 p 汽缸垂直安裝，所以取 p=0.3。一般

41、，此選 0.33 . 02 . 0 d d )(54.30)(03054 . 0 1091 . 0 3 . 04 . 014 . 3 804 1091 . 0 4 66 mmm p f d 按液壓傳動與氣壓傳動表 13-3 圓整取 40mm. 一般，此選 0.33 . 02 . 0 d d mm12403 . 03 . 0dd 氣缸壁厚的計算 按液壓傳動與氣壓傳動表 13-5 查得4 氣缸重量的計算 )( 7 . 2310780055 . 0 )020 . 0 024 . 0 (14 . 3 )( 2222 3 nghrrg 其中：r 為氣缸外徑，r 為氣缸內徑，h 為氣缸長度，g 取 10，

42、為氣缸材料密 度 取 25n 3 g 第四章 機械手臂部的設計及有關計算計 第一節(jié) 小臂的設計 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。 第二節(jié) 設計時注意的問題 (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軸所產生的 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 構緊湊，重量輕，以減少慣性力。 (4) 導向性

43、要好。 第三節(jié) 小臂結構的設計 把小臂的截面設計成工字鋼形式，這樣抗彎系數大，使截面面積小，從而減 輕小臂重量，使其經濟、輕巧。 選 10 號工字鋼。理論重,小臂mmdmmhcmwy5 . 4,100,72 . 9 ,11.261kg/m 3 長為 600mm。 較核：（n）19.73106 . 0261.11 大大 mgg 取 75n 其受力如下圖: 圖圖 4 4 f=75+105=180（n） ).(625.923 . 0756 . 0105 2 大大1 mn l glfm mpampa w m y 10053 . 9 )10(72. 9 625.92 32 按材料力學公式 5.11 hb

44、 q 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mpampa hb q 604 . 0 105 . 410100 180 33 所以選 10 號工字鋼合適。 第四節(jié) 軸的設計 大軸的直徑取 20mm，材料為 45 號鋼。 受力如下圖: 圖圖 5 5 驗 算： )(25.926 1010 625.92 2 21 n l m ff f=180n mpampa r f 6095 . 2 )1010(14 . 3 25.962 232 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 297-8

45、4）選 7304e，d=20mm e=0.3kn 2 . 17c 31.5knc 0 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： 機械設計13-17 000 psc 其中為當量靜載荷，為軸承靜強度安全系數，取決于軸承的使用條 0 p 0 s 件。按機械設計表 3-8 作擺動運動軸承,沖擊及不均勻載荷, 此處 1.5.5 . 11 0 s 上軸承受純徑向載荷,)(25.926 10 nfp 所以)( 2 . 17)(375.13895 . 125.926 000 kncnps 因

46、此軸承合適. 下軸承受徑向和軸向載荷,ayrxp 000 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，其值按機械設計表 135 查取 因為 3 . 0187 . 0 5 . 962 180 e r a 所以 1 0 x0 0 ynrayrxp 5 . 962 000 所以)( 2 . 17)(75.14435 . 1 5 . 962 000 kncnps 因此軸承合適 小軸承受力很小，所以不用教核 第六節(jié) 軸承摩擦力矩的設計 如果 （c 為基本額定動載荷，p 為所受當量動載荷） ，可按機械10 p c 設計手冊第二版 (16.1-13)公式: 估算fdt5 . 0 其中:為

47、滾動軸承摩擦因數，f 為軸承載荷，d 為軸承內徑。 查表機械設計手冊第二版 表 16.1-29 得0011 . 0 ，所以也可以用此公式估算1056.18 25.926 17200 p c 所以).(010189 . 0 02 . 0 25.9620011 . 0 5 . 05 . 0 1 mnfdt 查表機械設計手冊第二版 表 16.1-29 得，0013 . 0 ，所以也可以用此公式估算10150 180 27000 p c 所以).(00234 . 0 02 . 0 1800013 . 0 5 . 05 . 0 2 mnfdt ).0125 . 0 00234 . 0 010189 .

48、0 21 mnttt（ 總 取 0.1 第七節(jié) 驅動選擇 因為所需驅動力小，精度要求不很高，所以選擇控制方便，輸出轉角無長 期積累誤差的步進電機。 步進電機的選擇：步距角要小，要滿足最大靜轉矩，因為轉速低不考慮矩頻 特性，按機電綜合設計指導表 2-11 bf 反應式步進電動機技術參數表查取， 選 45bf005，其主要參數如下： 步矩角 1.5 度，電壓 27 伏，最大靜轉矩 0.196n.m，質量 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，)(10)(86 . 7 ) 2 5 . 1 sin(600 0 mmmm 為了提

49、高精度，采用一級齒輪傳動3 1 2 z z i 的齒數為 20，的齒數為 70。 1 z 2 z 按機械原理表 8-2 標準模數系列表（gb1357-87）取 m=1，取 0 20 則)(20120 11 mmmzd )(70170 22 mmmzd )( 111 * mmmhh aa 25 . 1 1)25 . 0 1 ()( * mchh af 齒輪寬度計算： 按機械設計表 10-7 圓柱齒輪的齒寬度系數 d 兩支承相對小齒輪作對稱布置取 0.91.4,此處取 1 則mmdb d 20120 11 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 第二部

50、分 大臂的設計計算 第一節(jié) 結構的設計 把大臂的截面設計成工字鋼形式，這樣抗彎系數大，使截面面積小，從而 減輕小臂重量，使其經濟、輕巧。 選 14 號工字鋼。理論重,小臂mmdmmhcmwy5 . 5,140, 1 . 16,16.890kg/m 3 長為 700mm。 較核：（n）675.126107 . 0890.16 大大 mgg 取 140n 其受力如圖: 圖圖 6 6 f=75+105+140=320（n） ).(125.280 2 7 . 0 140)7 . 0 2 6 . 0 (75)7 . 06 . 0(105 2 ) 2 ()( 2 大大2 1 大大210 mn l gl l

51、 gllfm mpampa w m y 100 4 . 17 )10( 1 .16 125.280 32 按材料力學公式 5.11 hb q 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mpampa hb q 6042 . 0 105 . 510140 320 33 所以選 10 號工字鋼合適。 第二節(jié) 軸的設計計算 軸的直徑取 20mm，材料為 45 號鋼。 其受力如下圖: 圖圖 7 7 驗算： f=320n)(2001 1014 125.280 2 21 n l m ff mpampa r f 6037 . 6 )1010(14 . 3 2001 232 1 所以合

52、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=0.3kn 2 . 17c 31.5knc 0 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： 機械設計13-17 000 psc 其中為當量靜載荷，為軸承靜強度安全系數，取決于軸承的使用條 0 p 0 s 件。按機械設計表 3-8 作擺動運動軸承,沖擊及不均勻載荷, 此處 1.5.5 .

53、11 0 s 上軸承受純徑向載荷,)(2001 10 nfp 所以)( 2 . 17)( 5 . 30015 . 12001 000 kncnps 因此軸承合適. 下軸承受徑向和軸向載荷,ayrxp 000 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，其值按機械設計表 135 查取 因為 3 . 0159 . 0 2001 320 e r a 所以 1 0 x0 0 ynrayrxp2001 000 所以)( 2 . 17)( 5 . 30015 . 12001 000 kncnps 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

54、額定動載荷，p 為所受當量動載荷） ，可按機械設計10 p c 手冊第二版 (16.1-13)公式: 估算fdt5 . 0 其中:為滾動軸承摩擦因數，f 為軸承載荷，d 為軸承內徑。 查表機械設計手冊第二版 表 16.1-29 得，0011 . 0 ，所以也可以用此公式估算1059.14 2001 29200 p c 所以).(022011 . 0 02 . 0 20010011 . 0 5 . 05 . 0 1 mnfdt 查表機械設計手冊第二版 表 16.1-29 得，0013 . 0 ，所以也可以用此公式估算103 .84 320 27000 p c 所以).(00416 . 0 02.

55、 03200013 . 0 5 . 05 . 0 2 mnfdt ).026071 . 0 00406 . 0 022011 . 0 21 mnttt（ 總 取 0.1 第五節(jié) 伺服系統(tǒng)的選擇 因為所需驅動力小，精度要求不很高，所以選擇控制方便，輸出轉角無長 期積累誤差的步進電機。 步進電機的選擇：步距角要小，要滿足最大靜轉矩，因為轉速低不考慮矩 頻特性，按機電綜合設計指導表 2-11 bf 反應式步進電動機技術參數表查 取， 選 45bf005，其主要參數如下： 步矩角 1.5 度，電壓 27 伏，最大靜轉矩 0.196n.m，質量 0.4kg,外徑 45mm,長 度 58mm,軸徑 4mm

56、,大臂小臂總長 1400. 精度驗證:)(10)(0325.18) 2 5 . 1 sin(1400 0 mmmm 所以不能滿足精度要求,不能直接傳動,要變速機構 在此選用直齒圓柱齒輪 為了提高精度，采用一級齒輪傳動3 1 2 z z i 的齒數為 20，的齒數為 70。 1 z 2 z 按機械原理表 8-2 標準模數系列表（gb1357-87）取 m=1，取 0 20 則)(20120 11 mmmzd )(70170 22 mmmzd )( 111 * mmmhh aa 25 . 1 1)25 . 0 1 ()( * mchh af 齒輪寬度計算： 按機械設計表 10-7 圓柱齒輪的齒寬度系數 d 兩支承相對小齒輪作對稱布置取 0.91.4,此處取 1 則mmdb d 20120 11 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