平面关节型机械手.docx
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平面关节型机械手
平面关节型机械手
江苏城市职业技术学院
毕业论文
课题名称平面关节型机械手
姓名王如鹏
学号0733010221
专业机电一体化
班级07职机电
（2）
指导老师朱云开
2011年12月
引言3
摘要6
第一章机械手总体设计7
1.1主要技术参数7
1.2结构特点图8
第二章手指设计9
2.1设计是要注意的问题9
2.2零件的计算10
2.3手指抓紧力的计算10
第三章移动关节的设计计算12
驱动方式的比较12
汽缸的设计12
第四章小臂的设计14
设计时注意的问题14
小臂结构的设计15
轴的设计计算16
轴承的选择17
轴承摩擦力矩的计算18
驱动选择18
第五章大臂的设计计算19
19
大臂结构的设计
5.2轴的设计计算
20
5.3轴承的选择
21
5.4轴承摩擦力矩的计算22
5.5伺服系统的选择22
第六章机身的设计23
设计时注意的问题23
三个自由度24
毕业设计总结25
参考文献26
引言
平面关节型机械手是应用最广泛的机械手类型之一，既可以用于实际生产，又可以用于教学实验和科学研究。
用于实际生产，它能够满足装配作业内容改变频繁的要求；用于教学实验，它能够使人直观地了解机器人结构组成、动作原理等，所以开发设计和研究平面关节型机械手具有最广泛的实际意义和应用前景。
其中比较突出的LM629是美国国家半导体公司生产的可编程全数字运动控制芯片，它具有32位的位置、速度和加速度寄存器，内置PID算法，其参数可以修改；支持实时读取和设定速度、加速度以及位置等运动参数，内置的梯形图发生器能够自动生成速度曲线，平稳地加速、减速；支持增量式光电码盘的4倍频输入；芯片的主频为6MHz和8MHz。
一机械手结构
本文设计的平面关节型机械手的实物照片如图1所示，其主要包括两个旋转关节（分别控制机械大臂和小臂旋转以及手抓张合）和一个移动关节（控制手腕伸缩），图2为机械手简化模型。
各关节均采用直流电机作为驱动装置，在机械大臂和小臂的旋转关节上还装配有增量式光电编码器，提供半闭环控制所需的反馈信号。
直流电机的运动控制采用自行开发的基于LM629和PIC16F877构成的多关节控制卡，并编制了能满足运动控制要求的软件，实现对机械手的速度、位置以及3关节联动控制。
由于机械手3个关节电机的控制系统基本类似，因此在下文中，笔者将以单个关节电机为例向读者介绍平面关节型机械手的控制系统设计过程。
图1机械手实物照片
注：
1—机身；2—大臂电机；3—光电编码器；4—大臂；5—小臂电机6—同步带；7—光电编码器；8—小臂；9—手腕升降电机；10—手抓电机；11—手抓。
图2机械手简化模型
控制系统设计
2.1控制系统的工作原理
LM629N
基于LM629芯片和PIC16F877单片机构成的单个关节直流电机伺服驱动系统如图3所示。
无线通信
糟量式光电编码器小
—__Q
图3控制系统原理图
运动芯片LM629通过8位数据线和6根控制线与单片机PIC16F877的I/O口相连。
单片机通过数据线向LM629发送位置或速度命令、设定PID调节参数，并从LM629中读取速度、加速度等数值。
LM629输出的脉宽调制幅度信号和方向信号直接驱动L298N，经过功率放大后驱动直流电机。
增量式光电编码器提供半闭环控制所需的反馈信号（A、B、IN）,梯形图发生器计算出位置或速度模式下所需控制的运动轨迹。
PIC16F877为LM629提供加速度、速度和目标位置量,在每个采样周期用这些值来计算出新的命令和位置给定值，将其作为指令值。
由
增量式光电编码器检测电机的实际位置，其输出信号经过LM629四倍频后进行解码，形成位置反馈值。
指令值与反馈值的差值作为数字PID校正环节的输入。
通过数字调节器PID计算，LM629输出脉宽调制信号PWMM和方向信号PWMS用于控制功率芯片L298N,进而驱动电机运动到指定的位置。
LM629在进行位置控制的同时，还对速度进行控制。
LM629在接受到主机送来的位置信
号后，按梯形图生成加速、匀速、减速的速度曲线，曲线与坐标横轴所包围的面积就是指定的位置。
PID算法中的比例、积分和微分系数有时需要进行修改，因此将它们存储在单片机的E2PROM中。
单片机和PC机通过无线发射和接收
模块进行串行
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]SelectiveComplianceAssemblyRobotArmhavetwoslewjoints
andonemovejoints,twoslewjointscontrolthemovingofthefrontandbackleftandright.themovejointscontrolthemovingofupanddown.theworkroomasworkroomdrawing.theverticalsectionisarectangleslew.thehighoftheverticalsectionismovejoints'journey,themoveangleofthetwoslewjointsdecidethebigandsmallandfigureoftheverticalsection.
Keywords:
manipulatoraxletreecylinder
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SelectiveComplianeeAssemblyRobotArm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
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：
9
图3.工作空间图
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：
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。
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。
应能保证工件在手指内准确定位。
结构尽量紧凑重量轻，以利于腕部和臂部的结构设计。
根据应用条件考虑通用性。
图4.机构简图
（环型零件图）
2.2零件的计算
V（R2r2）h
3.14（352252）150
3
282600（mm）
mv282600
Gmgvg780091022.0428（kg）
10
其中g取10
取G=2（N）
2.3手指抓紧力的计算：
4fNG
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2-5f=0.15
所以
NG2338.33
4f40.15
取N=40（N）
1
驱动力的计算P4tgN丄
（抓取零件图）
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
2-20.850.92这里取0.85
所以
P4tg15040-
1
50.44
0.85
取p=55（N）
2.3.1活塞手抓重量的估算
G1r2hg3.1425215078001023（N）
r为杆的半径，h为长度，g取10
2.3.2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，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
D2
4
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P0.40，查《液压传动与气压传动》表13-2P0.300.65由
于汽缸垂直安装，所以取P=0.3。
0.02416（m）24.16（mm）
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dD0.20.3，此选0.2
d0.2D0.2326.4mm
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4弹簧力的F的计算
FGi23（N）
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3-1o
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。
汽缸类型选择：
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
G2（d）2hg3.14（°0^）20.557800104.85（N）
取5N
FGG1G22323551
取80N
表3-1
较容比内
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
制能控性
速度可咼，速度和加速度均由
机构控制，定位精度咼，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
可咼速，气体压缩性大，阻力效果差，冲击较严重，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
要有减速装置，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，能在咼温，粉尘等恶劣环境中使用，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
成本低
成本较咼
结构简单，能源方便，成本低
液压兀件成本较高，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
22
F（Dd）p
4
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P0.40，查《液压传动与气压传动》表13-2P0.300.65由于
汽缸垂直安装，所以取P=0.3。
一般dD0.20.3，此选0.3
按《液压传动与气压传动》表13-3圆整取40mm.
一般dD0.20.3，此选0.3
d0.3D0.34012mm
汽缸壁厚的计算
按《液压传动与气压传动》表13-5查得4
汽缸重量的计算
G3（R2r2）hg3.14（0.02420.0202）0.5578001023.7（N）
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Ga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）
的力矩。
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
（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。
图5.机械手传动原理
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11.261kg/m,Wy9.72cm3,h100mm,d4.5mm,小臂长为600mm
较核：
G小臂mg11.2610.61073.19（N）
取75N
其受力如下图：
F=75+105=180（N）
Fi
92.625
23
9.72（10）
按《材料力学》公式5.11
hb
其中h为工字钢的高度，b为工字钢的腰宽，Q为所受的力
0.4MPa[]60MPa
所以选10号工字钢合适。
4.3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:
926.25（N）
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9-6—1（GB297-84）选7304E,d=20mm
c31.5kNco17.2kNe=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》13-17CoSoPo
其中Po为当量静载荷，So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,So11.5此
处1.5.
上轴承受纯径向载荷,PoF1926.25（N）
所以S0P0926.251.51389.375（N）Co17.2（KN）
因此轴承合适.
下轴承受径向和轴向载荷，P。
X°RY°A
R为径向载荷
A为轴向载荷
X丫分别为径向轴向载荷系数，其值按《机械设计》表13—5查取
因为AR180962.50'187e°3
所以Xo1Yo0PoX0RY0AR962.5N
所以SoPo962.51.51443.75（N）Co17.2（KN）
因此轴承合适
小轴承受力很小，所以不用校核
4.5轴承摩擦力矩的计算：
如果C10（C为基本额定动载荷，P为所受当量动载荷），可按《机械
P
设计手册》第二版（16.1-13）公式：
T0.5Fd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。
躍18・5610,所以也可以用此公式估算
0.010189（N.M）
所以T10.5Fd0.50.0011962.250.02
27000
180
15010,所以也可以用此公式估算
0.0101890.002340.0125（N.M）
取0.1
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2-11BF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
15
精度验证：
600sin（—）7.86（mm）10（mm）能够满足精度要求，2
为了提高精度，采用一级齿轮传动i三3.5
Zi
Zi的齿数为20，Z2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20°
则d1z1m20120（mm）
d2Z2m70170（mm）
hah；m111（mm）
hf（h；c*）m（10.25）11.25
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0.9—1.4,此处取1
则b1d1d20120mm
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大臂结构的设计
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16.890kg/m,Wy16.1cm3,h140mm,d5.5mm,小臂
长为700mm
较核：
G小臂mg16.8900.710126.675（N）
取140N
其受力如图：
F=75+105+140=320（N）
5.2轴的设计计算
轴的直径取20mm材料为45号钢
其受力如下图：
Fi
验算:
M
280.125厂—
F1F2l
141022001（N）F=320N
^-26.37MPa
3.14（1010）
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9-6-1（GB297-84）选7304E,d=20mm
c31.5kNC017.2kNe=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》13-17C。
S0P0
其中Po为当量静载荷，So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,So11.5此
处1.5.
上轴承受纯径向载荷,PoF12001（N）
所以S0P020011.53001.5（N）C017.2（KN）
因此轴承合适.
下轴承受径向和轴向载荷，P。
X°RY°A
R为径向载荷
A为轴向载荷
X丫分别为径向轴向载荷系数，其值按《机械设计》表13—5查取
因为ar32020010.159e0.3
所以X01Y00P0X0RY0AR2001N
所以S0P020011.53001.5（N）C017.2（KN）
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C10（C为基本额定动载荷，P为所受当量动载荷），可按《机械
P
设计手册》第二版（16.1-13）公式：
T0.5Fd估算
其中：
为滚动轴承摩擦因数,
查表《机械设计手册》第二版
F为轴承载荷，d为轴承内径
表16.1-29得0.0011，
29200
2001
所以T10.5Fd0.50.001120010.020.022011（N.M）
查表《机械设计手册》第二版表16.1-29得0.0013，
所以T20.5Fd0.50.00133200.020.00416（N.M）
T总T1T20.0220110.004060.026071（N.M）
取0.1
5.5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2-11BF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
15精度验证：
1400sin（竺）18.0325（mm）10（mm）
2
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i三3.5
Zi
Zi的齿数为20，Z2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200
则d1z1m20120（mm）
d2z2m70170（mm）
*
haham111（mm）
hf（h；c*）m（10.25）11.25
齿轮宽度计算：
按《机械设计》表10-7圆柱齿轮的齿宽度系数d
两支承相对小齿轮作对称布置取0.9—1.4,此处取1
则dd1d20120mm
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
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