平面关节型机械手设计二
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d 0.012 2 G2 ( ) 2 hg 3.14 ( ) 0.55 7800 10 4.85( N ) 2 2
取为 5N
F G G1 G2 22 23 5 50
取为 80N 气压缸内径 D 的计算 按《液压传动与气压传动》公式 13-1
2.1.2 方案选择 根据设计设计要分析出，抓取和转动是最主要的功能。这两项功能实现的 技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。 本次设计就是在这一思 维下展开的。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型三自由度机器人，利用步进电 机驱动和齿轮减速传动来实现大臂的旋转运动； 利用另一台步进电机驱动小臂旋 转，从而使小臂与移动关节连在一起实现上下运动；考虑到本设计中的机器人工 作范围不大，故利用气缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用内撑式夹 持器，用小型气缸驱动夹紧。
F
D 2
4
P
(3-3)
D 为气缸的内径(m)，P 为工作压力（Pa）, 为负载率，负载率与气缸工作 压力有关，取 P 0.40 ，查《液压传动与气压传动》表 13-2 P 0.30 0.65 由 于气缸垂直安装，所以取 P=0.3。
D
4F 4 55 0.02416(m) 24.16(mm) P 3.14 0.4 0.3 10 6
F G1 23( N )
所以选择 F G1 23( N ) 的弹簧件。
3.2 移动关节的设计
3.2.1 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” 。
表 3-1
按《液压传动与气压传动》表 13-3 选取 32mm. 活塞杆直径 d 的计算: 一般 d
D
0.2 0.3 ，此选 0.2
d 0.2D 0.2 32 6.4 mm
按《液压传动与气压传动》表 13-4 选取 8mm 气缸壁厚 的计算 按《液压传动与气压传动》表 13-5 查得 4 弹簧力的 F 的估算:
第二章 平面关节型机械手总体方案设计
平面关节型机器手又称 SCARA 型装配机器手，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。
2.2 平面关节型机械手总体结构分析
2.2.1 结构特点分析 根据设计要求和参数表分析得出，机械手分为机身、大臂、小臂、上下移 动关节、手指部五部分构成，其中机身与大臂、大臂与小臂连接处安置电机，小 臂连接移动关节带动手指上下搬运环类工件，结构特点实体图如下“图 2-1”所 示。
图 2-1 结构实体图
3.3 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。手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式。
根据实体图观察及设计要求描述，绘制机构简图，θ
1
为大臂回转角，由电
动机驱动， θ 2 为小臂回转角， 移动关节上下移动， 共三个自由度， 简图如图 “2-2” 所示。 由“图 2-1”及设计要求分析，大臂和小臂可回转 240 度，在两条输送带间 工作，将工件从一条输送线搬运到与之平行的另一条输送线上，分析出工作空间 如下图“图 2-3”所示。
平面关节型机械手设计
第一章 绪 论
随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、 转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已 愈来愈引起人们的重视。 机械手是模仿着人手的部分动作，给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、 搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手” 。 生产中应用实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒 气体和放射性等恶劣环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此， 在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交 通运输业等方面得到越来越广泛的应用。 机械手的结构形式开始比较简单，专业性较强，仅为某台机床的上下料装 置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按 程序控制实现重复操作，使用范围比较广的“程序控制通用机械手” ，简称通用 机械手。由于通用机械手能很快地改变工作程序，适应性较强，所以它不断变换 生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。 本次课程设计的平面关节型机械手是应用于上下料、搬运环类零件，从内 孔夹持工件，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。 本次课程设计是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。
r 为杆的半径，h 为长度，g 取 10m/s 3.1.4 气缸的设计
2
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。 气缸内型选择： 由于行程短，选单作用活塞气缸，借弹簧复位。 气缸的计算: 气压缸内径 D 的计算: 按《液压传动与气压传动》公式 13-1。
图 3-1
为斜面倾角， 15o ， 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 0.85 0.92 这里取 0.85，所以
P 4 tg15 0 40 1 50.44 0.85
取 p=50(N) 活塞手抓重量的估算:
G1 r 2 hg 3.14 252 150 7800 10 23( N )
3.1.3 手指夹紧力的计算
4 fN 百度文库G
（3-1）
f 为手指与工件的静摩擦系数，工件材料为 40 号钢，手指为钢材，查《机 械零件手册》 表 2-5 ，f=0.15 。 所以 N
G 23 38.33 4 f 4 0.15
取 N=40（N） 驱动力的计算:
P 4tgN
1
（3-2）
比 较 驱动方式 内 容 机械传动
电机 驱动 异 步 电 机，直流 电机 输出力可 较大 步进或伺服 电机
气压传动
液压传动
输 出 输出力矩较大 力矩
控 制 速度可高， 速度 性能 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
体积
当自由度多时， 机构复杂， 体积 液较大 维 修 维修使用方便 使用
成本
结构简单， 成本 成本低 低， 一般工厂可 以自己制造
成本较高
结构简单，能 液压元件成本较 源方便，成本 高，油路也较复 低 杂
3.2.2 气缸的设计 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。 气缸内型选择：因为活塞行程较长，往复运动，所以选双作用单活塞气缸， 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
3.1.2 工件重量的计算
V ( R 2 r 2 )h 3.14 (35 2 25 2 ) 150 282600(mm3 ) m v G mg vg 7800 282600 10 22.0428(kg) 10 9
其中 g 取 10m/s2 取 G=22（N）
输出力矩较 气体压力小， 液体压力高，可 小 输出力矩小， 以获得较大的输 如 需 输 出 力 出力 矩较大，结构 尺寸过大 控 制 性 能 可高速，气体 油液压缩性小， 好，可精确 压缩性大，阻 压力流量均容易 定位，但控 力效果差，冲 控制，可无级调 制系统复杂 击较严重，精 速，反应灵敏， 确 定 位 较 困 可实现连续轨迹 难，低速步易 控制 控制 体积较小 体积较大 在输出力相同的 条件下体积小 维修方便，液体 对温度变化敏 感，油液泄漏易 着火 中小型专用通用 机械手都有，特 别时重型机械手 多用
F
(D 2 d 2 )
4
P
（3-4）
D 为气缸的内径(m)，P 为工作压力（Pa）, 为负载率，负载率与气缸工作压力 有关，取 P 0.40 ，查《液压传动与气压传动》表 13-2 P 0.30 0.65 由于气 缸垂直安装，所以取 P=0.3。一般 d
D
0.2 0.3 ，此选 0.3
2.1 平面关节型机械手总体方案分析
2.1.1 设计任务 本次课程设计总体设计的任务是：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 2.4m,高度差 0.4m） 。
D
4F 4 80 0.03054(m) 30.54(mm) 6 P 0.91 10 3.14 0.4 0.3 0.91 10 6
按《液压传动与气压传动》表 13-3 选取 40mm。 一般 d
D
0.2 0.3 ，此选 0.3
d 0.3D 0.3 40 12 mm
气缸壁厚 的计算： 按《液压传动与气压传动》表 13-5 查得 4 。 气缸重量的计算：
G3 ( R 2 r 2 )hg 3.14(0.024 2 0.020 2 ) 0.55 7800 10 23.7( N )
其中：R 为气缸外径，r 为气缸内径，h 为气缸长度，g 取 10， 为气缸材料密 度， G3 取 25N。
图 2-2 机构简图
2.2.2 工作原理分析 本次设计的机械手大臂通过转动关节与机身连接，关节处安放驱动装置， 由电动机驱动，为提高精度采用一级齿轮联接减速，带动大臂转动，速度、频率 又单片机控制；大臂与小臂亦通过转动关节连接，关节处转配驱动装置，结构与 大臂关节处相同；移动关节与小臂固定连接，移动关节使用气缸或液压缸，活塞 杆连接手指上下移动；手指通过气缸驱动控制夹具指，使夹具体从内部抓取环类 工件。传动原理图如下图“图 2-4”所示。
图 2-3 工作空间图
图 2-4 传动原理图
第三章 平面关节型机械手总体结构设计
3.1 机械手手部设计
工业机械手的手部是用来抓持工件或工具的部件。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。
3.1.1 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。
本次课程设计的主要技术参数见表 2.1
表 2.1
机械手类型 抓取最大重量 自由度 大臂 小臂 移动关节 手指
平面关节型 2.2Kg 3 个（2 个回转 1 个移动） 长 658mm，回转运动，回转角 240，步进电机驱动 单片机控制 长 564mm，回转运动，回转角 240，步进电机驱动 单片机控制 气缸驱动 行程开关控制 气缸驱动 行程开关控制
要油减速 装置，体 积较大 维 修 使 用 维修使用较 维修简单，能 方便 复杂 在高温，粉尘 等恶劣环境 种使用，泄漏 影响小 应 用 适 用 于 自 由 度 适 用 于 抓 可用于程序 中 小 型 专 用 范围 少 的 专 用 机 械 取 重 量 大 复杂和运动 通 用 机 械 手 手， 高速低速均 和 速 度 低 轨迹要求严 都有 能适用 的 专 用 机 格的小型通 械手 用机械手
取为 5N
F G G1 G2 22 23 5 50
取为 80N 气压缸内径 D 的计算 按《液压传动与气压传动》公式 13-1
2.1.2 方案选择 根据设计设计要分析出，抓取和转动是最主要的功能。这两项功能实现的 技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。 本次设计就是在这一思 维下展开的。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型三自由度机器人，利用步进电 机驱动和齿轮减速传动来实现大臂的旋转运动； 利用另一台步进电机驱动小臂旋 转，从而使小臂与移动关节连在一起实现上下运动；考虑到本设计中的机器人工 作范围不大，故利用气缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用内撑式夹 持器，用小型气缸驱动夹紧。
F
D 2
4
P
(3-3)
D 为气缸的内径(m)，P 为工作压力（Pa）, 为负载率，负载率与气缸工作 压力有关，取 P 0.40 ，查《液压传动与气压传动》表 13-2 P 0.30 0.65 由 于气缸垂直安装，所以取 P=0.3。
D
4F 4 55 0.02416(m) 24.16(mm) P 3.14 0.4 0.3 10 6
F G1 23( N )
所以选择 F G1 23( N ) 的弹簧件。
3.2 移动关节的设计
3.2.1 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” 。
表 3-1
按《液压传动与气压传动》表 13-3 选取 32mm. 活塞杆直径 d 的计算: 一般 d
D
0.2 0.3 ，此选 0.2
d 0.2D 0.2 32 6.4 mm
按《液压传动与气压传动》表 13-4 选取 8mm 气缸壁厚 的计算 按《液压传动与气压传动》表 13-5 查得 4 弹簧力的 F 的估算:
第二章 平面关节型机械手总体方案设计
平面关节型机器手又称 SCARA 型装配机器手，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。
2.2 平面关节型机械手总体结构分析
2.2.1 结构特点分析 根据设计要求和参数表分析得出，机械手分为机身、大臂、小臂、上下移 动关节、手指部五部分构成，其中机身与大臂、大臂与小臂连接处安置电机，小 臂连接移动关节带动手指上下搬运环类工件，结构特点实体图如下“图 2-1”所 示。
图 2-1 结构实体图
3.3 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。手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式。
根据实体图观察及设计要求描述，绘制机构简图，θ
1
为大臂回转角，由电
动机驱动， θ 2 为小臂回转角， 移动关节上下移动， 共三个自由度， 简图如图 “2-2” 所示。 由“图 2-1”及设计要求分析，大臂和小臂可回转 240 度，在两条输送带间 工作，将工件从一条输送线搬运到与之平行的另一条输送线上，分析出工作空间 如下图“图 2-3”所示。
平面关节型机械手设计
第一章 绪 论
随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、 转向、输送或操持焊枪、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业的自动化，已 愈来愈引起人们的重视。 机械手是模仿着人手的部分动作，给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、 搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手” 。 生产中应用实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒 气体和放射性等恶劣环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此， 在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交 通运输业等方面得到越来越广泛的应用。 机械手的结构形式开始比较简单，专业性较强，仅为某台机床的上下料装 置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按 程序控制实现重复操作，使用范围比较广的“程序控制通用机械手” ，简称通用 机械手。由于通用机械手能很快地改变工作程序，适应性较强，所以它不断变换 生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。 本次课程设计的平面关节型机械手是应用于上下料、搬运环类零件，从内 孔夹持工件，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。 本次课程设计是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。
r 为杆的半径，h 为长度，g 取 10m/s 3.1.4 气缸的设计
2
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。 气缸内型选择： 由于行程短，选单作用活塞气缸，借弹簧复位。 气缸的计算: 气压缸内径 D 的计算: 按《液压传动与气压传动》公式 13-1。
图 3-1
为斜面倾角， 15o ， 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 0.85 0.92 这里取 0.85，所以
P 4 tg15 0 40 1 50.44 0.85
取 p=50(N) 活塞手抓重量的估算:
G1 r 2 hg 3.14 252 150 7800 10 23( N )
3.1.3 手指夹紧力的计算
4 fN 百度文库G
（3-1）
f 为手指与工件的静摩擦系数，工件材料为 40 号钢，手指为钢材，查《机 械零件手册》 表 2-5 ，f=0.15 。 所以 N
G 23 38.33 4 f 4 0.15
取 N=40（N） 驱动力的计算:
P 4tgN
1
（3-2）
比 较 驱动方式 内 容 机械传动
电机 驱动 异 步 电 机，直流 电机 输出力可 较大 步进或伺服 电机
气压传动
液压传动
输 出 输出力矩较大 力矩
控 制 速度可高， 速度 性能 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
体积
当自由度多时， 机构复杂， 体积 液较大 维 修 维修使用方便 使用
成本
结构简单， 成本 成本低 低， 一般工厂可 以自己制造
成本较高
结构简单，能 液压元件成本较 源方便，成本 高，油路也较复 低 杂
3.2.2 气缸的设计 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。 气缸内型选择：因为活塞行程较长，往复运动，所以选双作用单活塞气缸， 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
3.1.2 工件重量的计算
V ( R 2 r 2 )h 3.14 (35 2 25 2 ) 150 282600(mm3 ) m v G mg vg 7800 282600 10 22.0428(kg) 10 9
其中 g 取 10m/s2 取 G=22（N）
输出力矩较 气体压力小， 液体压力高，可 小 输出力矩小， 以获得较大的输 如 需 输 出 力 出力 矩较大，结构 尺寸过大 控 制 性 能 可高速，气体 油液压缩性小， 好，可精确 压缩性大，阻 压力流量均容易 定位，但控 力效果差，冲 控制，可无级调 制系统复杂 击较严重，精 速，反应灵敏， 确 定 位 较 困 可实现连续轨迹 难，低速步易 控制 控制 体积较小 体积较大 在输出力相同的 条件下体积小 维修方便，液体 对温度变化敏 感，油液泄漏易 着火 中小型专用通用 机械手都有，特 别时重型机械手 多用
F
(D 2 d 2 )
4
P
（3-4）
D 为气缸的内径(m)，P 为工作压力（Pa）, 为负载率，负载率与气缸工作压力 有关，取 P 0.40 ，查《液压传动与气压传动》表 13-2 P 0.30 0.65 由于气 缸垂直安装，所以取 P=0.3。一般 d
D
0.2 0.3 ，此选 0.3
2.1 平面关节型机械手总体方案分析
2.1.1 设计任务 本次课程设计总体设计的任务是：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 2.4m,高度差 0.4m） 。
D
4F 4 80 0.03054(m) 30.54(mm) 6 P 0.91 10 3.14 0.4 0.3 0.91 10 6
按《液压传动与气压传动》表 13-3 选取 40mm。 一般 d
D
0.2 0.3 ，此选 0.3
d 0.3D 0.3 40 12 mm
气缸壁厚 的计算： 按《液压传动与气压传动》表 13-5 查得 4 。 气缸重量的计算：
G3 ( R 2 r 2 )hg 3.14(0.024 2 0.020 2 ) 0.55 7800 10 23.7( N )
其中：R 为气缸外径，r 为气缸内径，h 为气缸长度，g 取 10， 为气缸材料密 度， G3 取 25N。
图 2-2 机构简图
2.2.2 工作原理分析 本次设计的机械手大臂通过转动关节与机身连接，关节处安放驱动装置， 由电动机驱动，为提高精度采用一级齿轮联接减速，带动大臂转动，速度、频率 又单片机控制；大臂与小臂亦通过转动关节连接，关节处转配驱动装置，结构与 大臂关节处相同；移动关节与小臂固定连接，移动关节使用气缸或液压缸，活塞 杆连接手指上下移动；手指通过气缸驱动控制夹具指，使夹具体从内部抓取环类 工件。传动原理图如下图“图 2-4”所示。
图 2-3 工作空间图
图 2-4 传动原理图
第三章 平面关节型机械手总体结构设计
3.1 机械手手部设计
工业机械手的手部是用来抓持工件或工具的部件。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。
3.1.1 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。
本次课程设计的主要技术参数见表 2.1
表 2.1
机械手类型 抓取最大重量 自由度 大臂 小臂 移动关节 手指
平面关节型 2.2Kg 3 个（2 个回转 1 个移动） 长 658mm，回转运动，回转角 240，步进电机驱动 单片机控制 长 564mm，回转运动，回转角 240，步进电机驱动 单片机控制 气缸驱动 行程开关控制 气缸驱动 行程开关控制
要油减速 装置，体 积较大 维 修 使 用 维修使用较 维修简单，能 方便 复杂 在高温，粉尘 等恶劣环境 种使用，泄漏 影响小 应 用 适 用 于 自 由 度 适 用 于 抓 可用于程序 中 小 型 专 用 范围 少 的 专 用 机 械 取 重 量 大 复杂和运动 通 用 机 械 手 手， 高速低速均 和 速 度 低 轨迹要求严 都有 能适用 的 专 用 机 格的小型通 械手 用机械手