机械手总体设计

机械手总体设计
机械手类型三自由度圆柱坐标型
定位精度±1mm
工件尺寸直径约2～3cm，圆柱形，材料是铁质
自由度3个（Y轴手臂升降，X轴手臂伸缩，机身旋转）
X轴小臂伸缩范围25cm（最大速度10cm/s），步进电机驱动，单片机控制
Y轴小臂升降范围10cm（最大速度10cm/s），步进电机驱动，单片机控制
Y轴大臂升降范围20cm（最大速度10cm/s），步进电机驱动，单片机控制
末端执行器开合角度60（最大速度60度每秒）,液压缸驱动
基座旋转范围180°，步进电机驱动，单片机控制
机构简图
机械手机械部分设计
1执行机构设计
机械手的手部，一般称为末端执行器，主要分为，夹钳式取料手、吸附式取料手以及专用操作器和转换器等。

在本次的设计中采用的手部结构为夹钳式取料手，手部由手指和驱动机构、传动机构及连接与支承元件组成。

其中，传动机构有多种，常见的几种分别是斜楔杠杆式、滑槽式杠杆回转型、齿条齿轮杠杆式、四连杆机构平移型等。

在本课题中采用齿条齿轮杠杆式，其机构图所示：
齿条齿轮杠杆式手抓
2手部结构设计及计算
机械手的手爪采用小型气压缸驱动
手爪的驱动力计算如下：
图：手爪
V 形手指的角度,摩擦系数10.0=f
根据工业机器人设计，可得工件的加紧力计算公式为:
式中 ——安全系数，通常取1.2~2.0，此次设计中取； ——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。

可近似估算为
g
a 21 K += (4-3)
式中 a---运载工件时重力方向的最大上升加速度； g---重力加速度，g ≈2
取a=g 时，因此k 2=1+1=2;
K 3---方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位
置不同选取在此设计中手爪为水平放置，夹取垂直放置的物体根据工
业机器人设计表2-2，
即
所以，
取
根据工业机器人设计手册表2-1，齿轮齿条手爪的驱动力与加紧力满足下式：
变换可得驱动力
即
考虑到机械手的实际工作情况，选取手爪的机械效率
则
气缸内径即活塞杆直径
由《液压传动与气压传动》表4-2取气缸工作压力
气压负载常用的工作压力
在本次的设计要求中，由于并未对末端执行器抓取工件的速度做出明确的要求，同时也是出于降低末端执行器重量及设计难度的考虑，选用单作用气缸。

而单做用气缸具有一下几个特点：
（1） 气缸都是尾部进气，不用调速阀，用于按动开关按钮 （2） 单作用气缸只利用在一个方向上的推力,活塞杆的回缩依靠
装入气缸内的弹簧力
（3） 单作用气缸用于压紧.印字等场所,它的空气耗气量低于相
当大小的双作用气缸
（4）缸内安装弹簧、膜片等，一般行程较短；与相同体积的双作用气缸相比，有效行程小一些。

在单做用气缸工作时，气缸复位弹簧、膜片的张力均随变形大小变化，因而活塞杆的输出力在行进过程中是变化的。

根据力的平衡，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的阻力，其计算公式为：
式中: 1F - 活塞杆上的推力，单位：N
t F - 弹簧反作用力，单位：N
z F - 气缸工作时的总阻力，单位：N
P - 气缸工作压力，单位：Pa
弹簧反作用力计算公式如下：
)(s l G F f t +=
式中: 4
1318f Gd G D n
= - 弹簧刚度，单位：N/m
l - 弹簧预压缩量，单位：m
s - 活塞行程，单位：m
弹簧钢丝直径，单位：m ，在本次设计中取m -弹簧平均直径，单位：m, 在本次设计中取m n 弹簧有效圈数,在本次设计中n=15 G-弹簧材料剪切模量，通常取Pa G 9104.79⨯=
在设计中，考虑负载率η的影响。

若气缸动态参数要求较高；且工作频率高，其载荷率一般取5.0~3.0=η。

气缸动态参数要求一般，且工作频率低，基本为匀速运动，其载荷率取85.0~7.0=η。

则：
t F p D F -=
4
21η
π
由以上分析得单作用气缸的直径
D =
代入有关数据，可得
所以:
查《机械设计手册》圆整，得D=40mm 由3.02.0/-=D d ,可得活塞杆直径: 圆整后，取活塞杆直径d=12mm 缸筒壁厚的设计
缸筒直接承受压缩空气压力，要有一定厚度。

一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算：
式中:-缸筒壁厚，单位：mm
D- 气缸内径，单位：mm -气缸实验压力，取P P p 5.1=，Pa -缸筒材料许用应力,Pa
在此次设计中气缸缸体及活塞杆材料选用:铝合金ZL 106，=3MPa
取，则缸筒外径为：
末端执行器（含工件）总质量估重
其中：根据设计要求可知，最大零件质量为2Kg
齿轮齿条型手爪的材料为45号钢，估算质量约为0.3Kg 。

活塞杆是气缸中最重要的受力零件，因此使用不锈钢，以防腐蚀。

气缸缸体考虑到重量及活塞的往返运动，选用铝合金ZL 106 查《机械设计手册》可得：
45号钢密度为33/10m kg ⨯， ZL106的密度为33/10m kg ⨯
综上，末端执行器（含工件）的总质量约为
Y小臂
步进电机选型
在此设计中Y小臂拟采用滚珠丝杆，以此带动
手爪
实现上下的升降，滚珠丝杆具有结构简单，拆装方便等特点。

为了防止手爪在上升的过程中发生旋转，因此，在丝杆的旁边设置一根导向杆辅助手爪的升降
各种驱动方式比较
在本设计中选用步进电机作为驱动力，有上表可知，步进电机相比异步电机，其控制性能好，可精确定位，可用于程序负复杂和要求严格的小型机械手，恰好符合本次设计的目的。

考虑到Y轴小臂的重量，及手臂的实用性，Y轴小臂选用直线步进电机，
初选步进电机型号为20BYGH30-0506A，由上海四宏电机有限公司生产，电机参数如下表：
表
丝杆规格
根据厂商提供的电机材料，选用外部驱动式，丝杆长度按照设计要求长度定制为10cm。

承受的重量为3.3kg。

外部驱动式直线电机
X小臂
X小臂主要执行Y轴方向的升降，及X方向的伸缩，Y轴方向的升降主要由机身部分的步进电机以及丝杆完成，X方向的伸缩同样由丝杆配合步进电机完成，此部分的设计具体如下。

1滚珠丝杆的计算与选型
m
估算F m= 800 N , 丝杆有效行程250 mm , 转速n = 1000 r/min , 使用寿命取工作温度低于100℃，可靠度95%，精度为3级精度。

Q计算载荷
最大动载荷F Q计算载荷计算公式如下：
式中——滚珠丝杠副的寿命，单位为106r。

=60nT/106(其中T为使用寿命，【普通机械取T=5000~10000h，数控机床及一般机电设备取T=15000h；n为丝杠每分钟转速)
——载荷系数，查《机电一体化系统设计课程设计》表3-30得——硬度系数，（，取1.11；时，取1.35；等于50HRC时，取1.56；等于45HRC时，取2.40）
——滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为N
代入数值，计算可得
=9431
初选滚珠丝杠副的规格时，应使
此外，当滚珠丝刚副在低速（<10r/min）或者静止状态下时，还应使额定静载荷
综合上述两中情况，查《机电一体化系统设计课程设计》表3-31得滚珠丝杠副规格代号为3205-3
滚珠丝杠副的传动效率一般在0.8~0.9之间，可有下式计算：
式中——丝杠的螺旋升角，由算得；
——摩擦角，一般取10’
经计算可得
滚珠丝杠副的轴向变形将引起丝杠导程发生变化，从而影响定位精度和运动平稳性。

轴向变形主要包括丝杠的拉伸或压缩变形、丝杠与螺母之间轨道的接触变形等。

（1）丝杠的拉伸或压缩变形量
在总变形量中占得比重较大，可按下式计算：
式中丝杠的最大工作载荷，单位为N
——丝杠两端支撑间的距离，单位为mm
——丝杠材料的弹性模量，钢的
——丝杠按底径确定的截面积，单位为mm2
——转矩，单位为Nmm
——丝杠按底径确定的截面惯性矩（），单位为mm4
其中“+”号用于拉伸，“—”号用于压缩。

由于转矩M一般较小，式中第二项在计算是可酌情或略。

在此阶段的设计过程中M较小，所以第二项或略不计。

代入数值得：
拉伸时：
压缩时：
（２）滚珠与螺纹轨道间的接触变形量
可从产品型号中查出，或由下式计算：
无预紧力时：
有预紧力时：
式中：——滚珠直径，单位mm；
——滚珠总数量，=Z；
Z——单圈滚珠数，Z=；
——预紧力，单位为N。

当滚珠丝杠有预紧力时，且预紧力达轴向工作载荷的1/3时，值可减小一般左右。

代入相应数值可得：
（2）刚度验算
丝杠的总变形量。

一般总变形量不超过机床规定的定位精度的一半；也可有丝杆的定位精度等级（参见《机电一体化系统设计课程设计》表3-26与表3-27）
=1.933<12
故，刚度满足要求。

滚珠丝杠属于受轴向力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳的现象。

失稳时的临界载荷F k应满足：
式中：——临界载荷，单位为N；
丝杠支撑系数，如下表；
K——压杆安全稳定系数，一般取2.5~4，垂直安装时去最小值，在本
设计中，Xzhou小臂属于水平安装，故取K=4
a——滚珠丝杠两端支撑间的距离，单位为mm
表：丝杠支承系数
代入数值得
故丝杠满足稳定性要求。

2步进电机的选择
首先，由表可知步进电机所具有的优点，因此初选电机为BF反应式步进电机，型号为5BF003.，查《机电综合设计指导》表2-11的技术参数如下：
55BF003步进电机技术参数
机身与基座
通过安装在支座上的步进电机和谐波齿轮直接驱动转动机座转动，从而实现机器人的旋转运动，通过安装在顶部的步进电机和联轴器带动滚珠丝杠转动实现手臂的上下移动。

采用了双导柱导向，以防止手臂在滚珠丝杠上转动，确保手臂随机座一起转动。

支撑梁采用槽钢，以减轻重量和节省材料，它的结构如图
该种设计采用了环形轴承的机器人支承结构。

它由电动机2直接驱动一杯形柔轮谐波减速器。

这种谐波减速器只有刚轮9、柔轮7和谐波发生器8三大件，而无单独的外壳（这种结构有利于传动系统的小型化、轻型化）。

由柔轮7输出低速的回转运动带动与之固联的机座回转壳体5实现手臂的回转运动。

齿形皮带传动4和位置传感器6作为机座用来检测手臂机座的角位移。

1——支座，2——电机，3——减速箱，4——转动机座5——支承冷拔管，6——滚珠丝杠，7——导向柱，8——锥环无键联
轴器
基座结构图
1——支座，2——电机，3——轴承，4——带传动，5——壳体6——位置传感器，7——柔轮，8——波发生器，9——刚轮
图3-11 环形轴承的机器人机座
滚珠丝杆的计算与选型
1最大工作载荷F m
估算F m=1000N , 丝杆有效行程200 mm , 转速n = 1500 r/min , 使用寿命取工作温度低于100℃，可靠度95%，精度为3级精度。

2最大动载荷F Q计算载荷
最大动载荷F Q计算载荷计算公式如下：式中——滚珠丝杠副的寿命，单位为106r。

=60nT/106(其中T为使用寿命，（普通机械取T=5000~10000h，数控机床及一般机电设备取T=15000h；n为丝杠每分钟转速)
——载荷系数，查《机电一体化系统设计课程设计》表3-30得——硬度系数，（，取1.11；时，取1.35；等于50HRC时，取1.56；等于45HRC时，取2.40）
——滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为N
代入数值，计算可得
=13495N
3规格型号的初选
初选滚珠丝杠副的规格时，应使
此外，当滚珠丝刚副在低速（<10r/min）或者静止状态下时，还应使额定静载荷
综合上述两中情况，查《机电一体化系统设计课程设计》表3-31得滚珠丝杠副规格代号为3206-3
4传动效率的计算
滚珠丝杠副的传动效率一般在0.8~0.9之间，可有下式计算：
式中——丝杠的螺旋升角，由算得；
——摩擦角，一般取10’
经计算可得
5刚度验算
滚珠丝杠副的轴向变形将引起丝杠导程发生变化，从而影响定位精度和运动平稳性。

轴向变形主要包括丝杠的拉伸或压缩变形、丝杠与螺母之间轨道的接触变形等。

（3）丝杠的拉伸或压缩变形量
在总变形量中占得比重较大，可按下式计算：
式中丝杠的最大工作载荷，单位为N
——丝杠两端支撑间的距离，单位为mm
——丝杠材料的弹性模量，钢的
——丝杠按底径确定的截面积，单位为mm2
——转矩，单位为Nmm
——丝杠按底径确定的截面惯性矩（），单位为mm4
其中“+”号用于拉伸，“—”号用于压缩。

由于转矩M一般较小，
式中第二项在计算是可酌情或略。

在此阶段的设计过程中M较小，所以第二项或略不计。

代入数值得：
拉伸时：
压缩时：
（２）滚珠与螺纹轨道间的接触变形量
可从产品型号中查出，或由下式计算：
无预紧力时：
有预紧力时：
式中：——滚珠直径，单位mm；
——滚珠总数量，=Z；
Z——单圈滚珠数，Z=；
——预紧力，单位为N。

当滚珠丝杠有预紧力时，且预紧力达轴向工作载荷的1/3时，值可减小一般左右。

代入相应数值可得：
（4）刚度验算
丝杠的总变形量。

一般总变形量不超过机床规定的定位精度的一半；也可有丝杆的定位精度等级（参见《机电一体化系统设计课程设计》表3-26与表3-27）
=1.1919<12
故，刚度满足要求。

6稳定性验算
滚珠丝杠属于受轴向力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳的现象。

失稳时的临界载荷F k应满足：
式中：——临界载荷，单位为N；
丝杠支撑系数，如下表；
K——
a——滚珠丝杠两端支撑间的距离，单位为mm
表：丝杠支承系数
代入数值得
=356N
故丝杠满足稳定性要求。