平面关节型机械手设计

平面关节型机械手设计
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。

第1章机械手总体设计
工业机械手是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
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
)(0428.221010282600
7800)(282600150)2535(14.3)(9
32222kg vg mg G v
m mm h r R V =⨯⨯
=====⨯-⨯=-=ρρπ
其中g 取10
取G=23（N ） 2.3 紧力的计算：
2.3.1 G fN ≥4
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 33.3815
.04234≈⨯=≥
f G N 取N=40（N ）
驱动力的计算 η
α1
4N
tg P =
α 为斜面倾角，o 15=α，η
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 92.085.0-=η 这里取 0.85 所以
44.5085
.01
401540=⨯⨯⨯=tg P 取p=55(N)
2.3.2 活塞手抓重量的估算
)(231078001502514.3221N g h r G ≈⨯⨯⨯⨯==ρπ r 为杆的半径，h 为长度，g 取10
2.3.3 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
ηπP D F 4
2
=
D 为汽缸的内径(m)，P 为工作压力（Pa ）,η为负载率，负载率与汽缸工作压力有关，取40.0=P ，查《液压传动与气压传动》表13-2 65.030.0--=P 由于汽缸垂直安装，所以取P=0.3。

)(16.24)(02416.0103.04.014.355
446
mm m P F D ==⨯⨯⨯⨯==
∴ηπ 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3.02.0--=D
d
，此选0.2
4.6322.02.0=⨯==∴D d mm
按《液压传动与气压传动》表13-4 圆整取8mm
汽缸壁厚δ的计算
按《液压传动与气压传动》表13-5查得4=δ 弹簧力的F 的计算
)(231N G F =>
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
)(85.410780055.0)2
012.0(14.3)2(2
22N g h d G =⨯⨯⨯⨯==ρπ
取5N
515232321=++=++=G G G F
取80N
表3-1
气压缸内径D 的计算
按《液压传动与气压传动》公式 13-1
ηπP d D F 4
)
(22-=
D 为汽缸的内径(m)，P 为工作压力（Pa ）,η为负载率，负载率与汽缸工作压力有关，取40.0=P ，查《液压传动与气压传动》表13-2 65.030.0--=P 由于汽缸垂直安装，所以取P=0.3。

一般3.02.0--=D
d ，此选0.3
)(54.30)(03054.010
91.03.04.014.380
41091.046
6mm m P F D ==⨯⨯⨯⨯⨯=⨯=
∴ηπ
按《液压传动与气压传动》表13-3圆整取40mm. 一般3.02.0--=D
d
，此选0.3
12403.03.0=⨯==∴D d mm 汽缸壁厚δ的计算
按《液压传动与气压传动》表13-5查得4=δ 汽
缸重量的计算
)(7.2310780055.0)020.0024.0(14.3)(22223N g h r R G =⨯⨯⨯-=-=ρπ
其中：R 为汽缸外径，r 为汽缸内径，h 为汽缸长度，g 取10，ρ为汽缸材料密度
3G 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mm d mm h cm W y 5.4,100,72.9,11.261kg/m 3===,小臂
长为600mm 。

较核：19.73106.0261.11小臂=⨯⨯==mg G （N ）
取75N
其受力如下图:
F=75+105=180（N ）
).(625.923.0756.01052
小臂1m N L
G L F M =⨯+⨯=⨯
+⨯= MPa MPa W M y 100][53.9)
10(72.9625.9232=≤===
-δδ 按《材料力学》公式5.11 hb
Q
=
τ 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MPa MPa hb Q 60][4.010
5.41010018033=≤≈⨯⨯⨯==
--ττ 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：
)(25.9261010625.922
21N l M F F =⨯==
=- F=180N。