平面关节型机械手设计(共23页).doc

《平面关节型机械手设计(共23页).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《平面关节型机械手设计(共23页).doc（23页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、精选优质文档-倾情为你奉上设计要求一、 通过设计平面关节型机械手，培养综合运用所学知识，分析问题和解决问题的能力。有关资料：上下料搬运机械手，3个自由度，平面关节型；需要搬运的工件：环类零件，内孔直径50mm；高150mm,厚10mm,（只能从内孔夹持工件），材料40钢，将工件从一条输送线搬运到与之平行的另一条输送线上，（两输送线距离为2.5m,高度差0.4m）。要求：设计方案和计算正确，叙述清楚，图纸符合规范。翻译一篇有关外文资料。二、 图纸：1.机械手机构简图2.工作空间投影图3.机械手传动原理图4.机械手装配图5.零件图三、 实习：1.本校机械实验室组装各类机械手模型。2.学习工业机械人

2、设计方面知识。四、 参考书：1. 工业机器人设计 周伯英 机械工业出版社 19952. 机器人机械设计 龚振帮 电子工业出版社 19953. 机构设计 （日）藤森洋三 机械工业出版社 19904. 机械手图册（日）加藤一郎 上海科技出版社 19895. 机械设计图册（5）成大先 化学工业出版社 1999五、 进度：3月24日到4月25日 实习，拟订设计方案4月264日到5月3日 机械手传动原理图5月4日到5月17日 机械手装配图5月18日到5月24日 零件图5月25日到6月1日 写说明书平面关节型机械手设计摘要 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

3、动关节则实现上下运动，其工作空间如工作空间图，它的纵截面为矩形的回转体，纵截面高为移动关节的行程长，两回转关节转角的大小决定回转体截面的大小、形状。关键词: 机械手 轴承 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 机械手总体设计工业机械手是

5、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

6、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。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，选择驱动系统和电控系统，整体结构设计，最后绘出方案草图。1.1 主要技术参数见表1-1表1-1机械手类型平面关节型抓取重量2.2Kg自由度3个（2个回转1个移动）大臂长700mm，回转运动，回转角240，步进电机驱动 单片机控制小臂长600mm，回转运动，回转角240，步进电机驱动 单片机控制移动关节气缸驱动 行程开关控制手指气缸驱动 行程开关控制1.2 结构特点如下图：第2章 手指设计工业机械手的手部是用来抓持工件或

7、工具的部件。手部抓持工件的迅速、准确和牢靠程度都将直接影响到工业机械手的工作性能，它是工业机械手的关键部件之一。2.1 设计时要注意的问题：(1) 手指应有足够的夹紧力，为使手指牢靠的夹紧工件，除考虑夹持工件的重力外，还应考虑工件在传送过程中的动载荷。(2) 手指应有一定的开闭范围。其大小不仅与工件的尺寸有关，而且应注意手部接近工件的运动路线及其方位的影响。(3) 应能保证工件在手指内准确定位。(4) 结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。(5) 根据应用条件考虑通用性。2.2 零件的计算其中g取10取G=23（N）2.3 紧力的计算：2.3.1 f为手指与工件的静摩擦系数，工件材料

8、为40号钢，手指为钢材，查机械零件手册 表2-5 f=0.15所以 取N=40（N）驱动力的计算为斜面倾角，为传动机构的效率，这里为平摩擦传动，查机械零件手册表2-2 这里取 0.85所以 取p=55(N)2.3.2 活塞手抓重量的估算 r为杆的半径，h为长度，g取102.3.3 汽缸的设计 因为气压工作压力较低，对气动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。而且此处作用力不大，所以选气压传动。汽缸内型选择，由于行程短，选单作用活塞汽缸，借弹簧复位。汽缸的计算气压缸内径D的计算按液压传动与气压传动公式 13-1 D为汽缸的内径(m)，P为工作压力（Pa）,为负

9、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。按液压传动与气压传动表13-3圆整取32mm.活塞杆直径d的计算一般，此选0.2mm按液压传动与气压传动表13-4 圆整取8mm汽缸壁厚的计算按液压传动与气压传动表13-5查得弹簧力的F的计算 第3章 移动关节的设计计算3.1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3-1。3.2汽缸的设计因为气压工作压力较低，对气动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

10、安全。而且此处作用力不大，所以选气压传动。汽缸内型选择：因为活塞行程较长，往复运动，所以选双作用单活塞汽缸，利用压缩空气使活塞向两个方向运动。初选活塞杆直径d=12mm，估算其重量取5N取80N表3-1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

11、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，泄漏影响小维修方便，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

12、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，油路也较复杂气压缸内径D的计算按液压传动与气压传动公式 13-1 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13-3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表13-5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第4章 小臂的设计臂部是机械手的主要执行部件，其作用是支撑手部和腕部，主要用来改变工件的位置。手部在

13、空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式。4.1 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。4.2 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600mm。较核：（N）取75N其受力如

14、下图:F=75+105=180（N）按材料力学公式5.11 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。3 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:验算： F=180N 所以合适4.4 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，按机械零件手册表9-61（GB 297-84）选7304E，d=20mm e=0.3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13-17 其中为当量静载荷，

15、为轴承静强度安全系数，取决于轴承的使用条件。按机械设计表3-8 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135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4.5 轴承摩擦力矩的计算：如果 （C为基本额定动载荷，P为所受当量动载荷），可按机械设计手册第二版 (16.1-13)公式: 估算其中:为滚动轴承摩擦因数，F为轴承载荷，d为轴承内径。 查表机械设计手册第二版 表16.1-29得，所以也可以用此公式估算所以 查表机械设计手册第二版 表1

16、6.1-29得，所以也可以用此公式估算所以 取0.14.6 驱动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:能够满足精度要求，为了提高精度，采用一级齿轮传动.5的齿数为20，的齿数为70。按机械原理表8-2标准模数系列表（GB1357-87）取m=1，取则

17、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第5章 大臂的设计计算5.1 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,小臂长为700mm。较核：（N）取140N其受力如图:F=75+105+140=320（N）按材料力学公式5.11 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。5.2 轴的设计计算轴的直径取20mm，材料为45号钢

18、。其受力如下图: 验算： F=320N所以合适5.3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，按机械零件手册表9-61（GB 297-84）选7304E，d=20mm e=0.3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13-17 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。按机械设计表3-8 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

19、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135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5.4 轴承摩擦力矩的计算如果 （C为基本额定动载荷，P为所受当量动载荷），可按机械设计手册第二版 (16.1-13)公式: 估算其中:为滚动轴承摩擦因数，F为轴承载荷，d为轴承内径。查表机械设计手册第二版 表16.1-29得，所以也可以用此公式估算所以查表机械设计手册第二版 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

20、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.5的齿数为20，的齿数为70。按机械原理表8-2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

21、轴向稍有错位而导致啮合齿宽减少，要适当加宽，所以取24mm第6章 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。6.1 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。6.2 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。翻译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 目前的传动系概念1 发动机的发展 汽油和柴油发动机是目前主要的驱动元件，混合驱动和燃料电池仍处于设计开发阶段尚未占领市场。新型的喷射技术，如共轨泵喷射，通常被应用于柴油发动机。它大幅度降低了油耗并由

38、于提高了发动机的转矩和性能改善了动态传动特性。 目前多点直接喷射广泛应用于汽油发动机。为了满足苛刻的排放法规，欧洲议会和欧洲汽车工业协会要求在2008年将新注册的轿车的CO2排放量在1995年水平上降低25%，这需要在近几年内明显降低车辆的能耗和排放，这导致了汽油发动机用传动系的多样化。直接喷射系统将通过减少排量，发动机增压、机电一体化或机械式阀门配气机构系统及他们的组合占领部分市场。采用分层进气或容积效率控制的汽油机多气门技术和是发动机工作在高效率区的负荷循环换挡概念将是全分离节气门汽油发动机今后几十年的两大主要技术。 小型化和发动机增压技术在未来几年内将明显提高发动机最大转矩的水平。2 变

39、速器类型手动变速器（MT）和自动变速器（AT）是目前变速器市场的主要产品，几年前市场上开始出现机械自动变速器（AMT）和无级变速器（CVT），但它们仅占有极小的市场份额。 手动变速器便宜，体积较小、并且圆柱齿轮组的效率很高，能耗主要取决于驾驶员的换挡技术和车辆形式。 自动变速器的舒适性体现在自动换挡和离合器的自动工作上，教多的挡位及相应增加的间距也改善了舒适性，效率高、重量合适和成本底是该类变速器生存的要点。 换挡时存在的牵引力中断现象对舒适性有影响，将来的AMT可通过采用优化换挡措施减少之。有两根对立变速器输入轴的双离合器动力换挡变速器是AMT的一个发展方向，它在变速器的无负荷部分进行预换挡

40、，通过控制第一和第二离合器上的转矩转移实现所挂挡位的加载过程。自动变速器经过这些年的不断发展，已变得更舒适、更轻和更经济。新型的齿轮组和更多的挡位将继续是其发展趋势。但是他们非常高的舒适性导致了复杂的设计相对较大的质量和有限的效率。从理论上讲，CVT具有很高的换挡舒适性。其加速度与牵引力的双曲线非常吻合。然而新问题是发动机起始转速的增加与无级变速器速比变化有关。这里存在一个起始加速度和其响应之间的滞后，将转矩传递至输出端时液力产生的摩擦连接会增加能耗。同时较宽的距离降低了它在手动变速器的车辆上的应用。3 起动元件 目前有三种不同的换挡和起动形式： 干式离合器 湿式离合器 变矩器干式离合器具有如

41、下特性：非常高的效率良好的控制性能转矩过载保护特性转动惯量相对较小 常闭干式离合器的高效率是由于不需要辅助动力的缘故。其他结构的解决方法常常要在结合或闭合时压力因而辅助动力。湿式离合器的优点是：质量小非常小的转动惯量非常优秀的控制性能高的功率密度和大的传扭能力 因此湿式离合器可很好的适用于那些安装空间小并需传递大传递大转矩的车辆。 变矩器的功能可看成一流体动力的液力变速器，带或不带滑差控制锁止离合器和扭转减振器的变矩器具有如下功能：未结合时功效好转矩通过液力变速器传递过载保护鸣谢在这次毕业设计中，我有很多收获，首先把我几年来所学的知识做了一次系统的复习，更深一步了解了所学的知识，培养了我综合运

42、用所学知识，独立分析问题和解决问题的能力，也使我学会怎样更好的利用图书馆，网络查找资料和运用资料，还使我学会如何与同学共同讨论问题。同时也遇到很多问题，如设计综合考虑不够周全。但这对我以后的工作有很大的帮助,今后我会在工作中不断的学习,努力的提高自己的水平。最后感谢学校、学院各位老师4年来给我的教育和培养，特别感谢我的导师给我精心的指导。参考文献1. 工业机器人设计 周伯英 机械工业出版社 19952. 机器人机械设计 龚振帮 电子工业出版社 19953. 机构设计 （日）藤森洋三 机械工业出版社 19904. 机械手图册（日）加藤一郎 上海科技出版社 19895. 机械设计图册（5）成大先 化学工业出版社 19996. 材料力学 刘鸿文 高等教育出版社 19917. 机械设计 濮良贵 纪名刚 高等教育出版社 19958. 机械零件手册 周开勤 高等教育出版社 1993专心-专注-专业