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 down . 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)(0428.2210102826007800)(282600150)2535(14.3)(932222kg vg mg G vm 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 ≥4f 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 ηα14Ntg 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44.5085.01401540=⨯⨯⨯=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 13-1ηπP D F 42=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)(02416.0103.04.014.355446mm 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--=Dd，此选0.24.6322.02.0=⨯==∴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)2012.0(14.3)2(222N g h d G =⨯⨯⨯⨯==ρπ取5N515232321=++=++=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 13-1ηπP 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--=Dd ，此选0.3)(54.30)(03054.01091.03.04.014.38041091.0466mm 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--=Dd，此选0.312403.03.0=⨯==∴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 LG 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 hbQ=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][4.0105.41010018033=≤≈⨯⨯⨯==--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：)(25.9261010625.92221N l M F F =⨯===- F=180N MPa MPa r F 60][95.2)1010(14.325.962232=≤=⨯⨯==-τπτ 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（GB 297-84）选7304E ，d=20mm kN 2.17c 31.5kN c 0== 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 000P S C ≥其中0P 为当量静载荷，0S 为轴承静强度安全系数，取决于轴承的使用条件。