平面關節(jié)型機械手設計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上設計要求一、 通過設計平面關節(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。有關資料：上下料搬運機械手，3個自由度，平面關節(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2.5m,高度差0.4m）。要求：設計方案和計算正確，敘述清楚，圖紙符合規(guī)范。翻譯一篇有關外文資料。二、 圖紙：1.機械手機構簡圖2.工作空間投影圖3.機械手傳動原理圖4.機械手裝配圖5.零件圖三、 實習：1.本校機械實驗室組裝各類機械手模型。2.學習工業(yè)機械人

2、設計方面知識。四、 參考書：1. 工業(yè)機器人設計 周伯英 機械工業(yè)出版社 19952. 機器人機械設計 龔振幫 電子工業(yè)出版社 19953. 機構設計 （日）藤森洋三 機械工業(yè)出版社 19904. 機械手圖冊（日）加藤一郎 上?？萍汲霭嫔?19895. 機械設計圖冊（5）成大先 化學工業(yè)出版社 1999五、 進度：3月24日到4月25日 實習，擬訂設計方案4月264日到5月3日 機械手傳動原理圖5月4日到5月17日 機械手裝配圖5月18日到5月24日 零件圖5月25日到6月1日 寫說明書平面關節(jié)型機械手設計摘要 平面關節(jié)型機械手采用兩個回轉(zhuǎn)關節(jié)和一個移動關節(jié)；兩個回轉(zhuǎn)關節(jié)控制前后左右運動，而移

3、動關節(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，縱截面高為移動關節(jié)的行程長，兩回轉(zhuǎn)關節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體截面的大小、形狀。關鍵詞: 機械手 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 d

4、own . 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 機械手總體設計工業(yè)機械手是

5、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(xiàn)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(chǎn)，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(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，隨著應用范圍的不段擴大，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

6、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?？傮w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(shù)，選擇驅(qū)動系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，整體結構設計，最后繪出方案草圖。1.1 主要技術參數(shù)見表1-1表1-1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(zhuǎn)1個移動）大臂長700mm，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600mm，回轉(zhuǎn)運動，回轉(zhuǎn)角240，步進電機驅(qū)動 單片機控制移動關節(jié)氣缸驅(qū)動 行程開關控制手指氣缸驅(qū)動 行程開關控制1.2 結構特點如下圖：第2章 手指設計工業(yè)機械手的手部是用來抓持工件或

7、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。2.1 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) 應能保證工件在手指內(nèi)準確定位。(4) 結構盡量緊湊重量輕，以利于腕部和臂部的結構設計。(5) 根據(jù)應用條件考慮通用性。2.2 零件的計算其中g取10取G=23（N）2.3 緊力的計算：2.3.1 f為手指與工件的靜摩擦系數(shù)，工件材料

8、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)動力的計算為斜面傾角，為傳動機構的效率，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)2.3.2 活塞手抓重量的估算 r為桿的半徑，h為長度，g取102.3.3 汽缸的設計 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。汽缸內(nèi)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(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）,為負

9、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3章 移動關節(jié)的設計計算3.1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。3.2汽缸的設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

10、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：因為活塞行程較長，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，估算其重量取5N取80N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，結構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

11、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構簡單，成本低，一般工廠可以自己制造

12、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）,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汽缸壁厚的計算按液壓傳動與氣壓傳動表13-5查得汽缸重量的計算其中：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25N第4章 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

13、空間的活動范圍主要取決于臂部的運動形式。4.1 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，力求結構緊湊，重量輕，以減少慣性力。(4) 導向性要好。4.2 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(shù)大，使截面面積小，從而減輕小臂重量，使其經(jīng)濟、輕巧。 選10號工字鋼。理論重,小臂長為600mm。較核：（N）取75N其受力如

14、下圖:F=75+105=180（N）按材料力學公式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。3 3 軸的設計計算大軸的直徑取20mm，材料為45號鋼。受力如下圖:驗算： F=180N 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：機械設計13-17 其中為當量靜載荷，

15、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為所受當量動載荷），可按機械設計手冊第二版 (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 查表機械設計手冊第二版 表1

16、6.1-29得，所以也可以用此公式估算所以 取0.14.6 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，按機電綜合設計指導表2-11 BF反應式步進電動機技術參數(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

17、齒輪寬度計算：按機械設計表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致嚙合齒寬減少，要適當加寬，所以取24mm第5章 大臂的設計計算5.1 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(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700mm。較核：（N）取140N其受力如圖:F=75+105+140=320（N）按材料力學公式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。5.2 軸的設計計算軸的直徑取20mm，材料為45號鋼

18、。其受力如下圖: 驗算： F=320N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

19、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為所受當量動載荷），可按機械設計手冊第二版 (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0.15.5 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

20、要小，要滿足最大靜轉(zhuǎn)矩，因為轉(zhuǎn)速低不考慮矩頻特性，按機電綜合設計指導表2-11 BF反應式步進電動機技術參數(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

21、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6章 機身的設計機身是支承臂部的部件，升降，回轉(zhuǎn)和俯仰運動機構等都可以裝在機身上。6.1 設計時注意的問題(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)結構布置要合理，便于裝修。6.2 由于此設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。翻譯Current driveline concepts1. Engine developmentsGasoline and Diesel engines are

22、the dominant drive units of today. Hybrid concepts and fuel cells have so far only conquered market niches or have not yet developed beyond the design stage.New injection technologies, such as pump nozzle and common rail, are now common for Diesel engines. This resulted in significant fuel savings a

23、nd improved driving dynamics due to raised torque and performance.Presently, multi-point injection is the dominant method for gas engine concepts. Increasingly stringent emission laws, the requirements of the European Parliament and the voluntary commitment of the European automobile industry to red

24、uce the average CO2 emission of newly registered passenger cars by 25% by the year 2008 compared to the year 1995, will require significant reductions in fleet consumption and emissions within the next few years. this will result in a diversification of drive concepts for gas engines .DI versions wi

25、ll share the market with displacementreduced, supercharged engines , electromechanical and mechanical valve-gear systems and their combinations .The future-oriented concepts of complete de-throttling of the gas engine by means of charge stratification or volumetric efficiency control and shifting of

26、 the load cycle into the efficiency-optimal range of the engine graph will decisively contribute to the technology of the gas engine in the coming decades .Downsizing and supercharging will significantly raise specific maximum engine torque levels in the next few years.2. Transmission types The Manu

27、al Transmission/MT and the Automatic Transmission/AT are the transmissions presently firmly established in the market . For some years the market has seen the appearance of the Automated Manual Transmission/AMT and the Continuously Variable Transmission/CVT, whose shares in the market are still very

28、 small.Manual transmissions are cheap , of relatively small size ,and their spur gears provide good efficiency , Consumption largely depends on the drivers shifting style and the vehicle concept.The comfort of an automatic transmission is approached through automated shifting and cluthing . More gea

29、rs snd the concomitant enhanced spacing also increase comfort . High efficiency ,favorable weight and low cost are factors that ate retained.Traction interruption , associated with automated shifting and regarded as impairing comfort , will be reduced in future AMTs by an optimized gearshift process

30、 . The powershifting double-clutch transmission with two separate transmission input shafts is part of this development . Gears are preselected in the load-free section of the transmission ,gear steps ate changed under full load through controlled trolled torque transfer from the first to the second

31、 clutch.Ats have undergone a continuous development process in recent years an have become even more comfortable ,lighter and economical . New gear set comfortable , lighter and economical .New gear set concepts and more gear steps will continue this trend . Their very high level of comfort ,how eve

32、r , is associated with a complex design and a relatively high weight and limited efficiency .Comfortable shifting with the CVT is principlerelated . Acceleration ideally follows the traction hyperbola , The initial engine speed increase fllowed by comtinuos transmission ratio variation , how ever ,i

33、s new .There is a delay between the initiation of acceleration and the following response . The hydraulically produced frictional connection in the variator , which transfers the torque to the output ,suggests increased consumption . Wide spacing , however ,lowers this for vehicles with manual trans

34、missions.3. Starting components Today ,there basic concepts are available for shifting and starting :. the dry clutch ;. the wet clutch ;. the torque converter;The dry clutch is known for . its very good efficiency;. its good controllability;. its drag torque free feature:. its relatively small mass

35、 moment of inertia . The very good efficiency of the normally-closed dry clutch is due to the absence of auxiliary power .Other solutions always need pressure and thus additional power in the bridged or closed condition .Wet clutch advantage are :. little mass ;. very small mass moment of inertia;.

36、very good controllability;. high power density and great torque capacity.The wet clutch is therefore optimally suited for vehicles with small installation space and very high torque levels.Due to its function as a hydrodynamic hydraulic transmission ,the torque converter with or without slip-control

37、led lockup clutch and torsionalvibration damper offers . efficiency advantages in the non-bridged condition and . and a torque translated by the hydraulic transmission as well as. over load protection 目前的傳動系概念1 發(fā)動機的發(fā)展 汽油和柴油發(fā)動機是目前主要的驅(qū)動元件，混合驅(qū)動和燃料電池仍處于設計開發(fā)階段尚未占領市場。新型的噴射技術，如共軌泵噴射，通常被應用于柴油發(fā)動機。它大幅度降低了油耗并由

38、于提高了發(fā)動機的轉(zhuǎn)矩和性能改善了動態(tài)傳動特性。 目前多點直接噴射廣泛應用于汽油發(fā)動機。為了滿足苛刻的排放法規(guī)，歐洲議會和歐洲汽車工業(yè)協(xié)會要求在2008年將新注冊的轎車的CO2排放量在1995年水平上降低25%，這需要在近幾年內(nèi)明顯降低車輛的能耗和排放，這導致了汽油發(fā)動機用傳動系的多樣化。直接噴射系統(tǒng)將通過減少排量，發(fā)動機增壓、機電一體化或機械式閥門配氣機構系統(tǒng)及他們的組合占領部分市場。采用分層進氣或容積效率控制的汽油機多氣門技術和是發(fā)動機工作在高效率區(qū)的負荷循環(huán)換擋概念將是全分離節(jié)氣門汽油發(fā)動機今后幾十年的兩大主要技術。 小型化和發(fā)動機增壓技術在未來幾年內(nèi)將明顯提高發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩的水平。2 變速器類型手動變速器（MT）和自動變速器（AT）是目前變速器