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1、摘要在机械制造业中，机械手已被广泛应用，从而大大的改善了工人的劳动条件， 显著的提高劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐，本设计通过 对机械手各主要组成部分（手部、手腕、手臂和机身等）分析，从而确定各主要 组成部分的结构，在此基础上对机械手进行设计计算，从而确定装配总图。通过 此次机械手设计，掌握相关机械手设计的主要步骤，对于CAD/CAM软件应用方 面有了进一步的提高。关键词：机械手，设计，手部，手腕，手臂，机身，结构The Design of Industry ManipulatorAbstractIn the mechanical manufacturing industry
2、, the manipulator has been widely applied, thus the big improvement workers work condition, the remarkable enhancement labor productivity, sped up realizes the industrial production mechanization and the automated step, this design through to the manipulator each main constituent (hand, skill, arm a
3、nd fuselage and so on) analyzes, thus determined each main constituent the structure, carries on the design calculation in this foundation to the manipulator, thus determination assembly assembly drawing.Designs through this manipulator, the grasping correlation manipulator designs the main step, ha
4、d the further enhancement regarding the CAD/CAM software application aspect.Keywords: Manipulator, design, hand, skill, arm, fuselage, structure1绪论12机械手设计要求13机械手总体设计方案13.1机械手的组成13.1.1执行机构13.1. 2驱动机构23.1.3控制机构23.2机械手在生产中的应用 23.3机械手的主要特点23.4机械手的技术发展方向 33.5机械手坐标形式与自由度选择43.5.1机械手坐标形式选择43.5.2机械手自由度选择 43.
5、6机械手的规格参数43.7机械手手部设计计算53.7.1手部设计基本要求 53.7.2手部力学分析 53.7.3夹紧力与驱动力的计算 73.7.4手抓夹持范围计算 93.7.5手抓夹持精度的分析计算 93.8机械手腕部设计计算103.8.1腕部设计基本要求103.8.2腕部的结构选择 103.8.3腕部回转力矩计算 113.8.4腕部工作压力计算 133.8.5液压缸盖螺钉计算 143.8.6动片和输出轴联接螺钉计算 153.9机械手臂部设计计算153.9.1臂部设计基本要求153.9.2臂部的结构选择 163.9.3手臂伸缩驱动力计算 163.9.4手臂伸缩液压缸参数计算 183.10机身升
6、降机构计算193.10.1手臂偏重力矩计算193.10.2升降导向立柱不自锁条件213.10.3手臂升降驱动力计算213.10.4手臂升降液压缸参数计算223.11机身回转机构计算 233.11.1手臂回转液压缸驱动力矩计算233.11.2手臂回转液压缸参数计算243.11.3液压缸盖螺钉计算243.11.4动片和输出轴间联接螺钉计算254机械手装配总图265结论27致谢27参考文献281绪论工业机械手设计是机械制造、机械设计等方面的一个重要的教学环节，是学 完技术基础课及有关专业课以后的一次综合设计，通过这一环节把有关课程中所 获得的理论知识在实际中综合的加以应用，使这些知识能够得到巩固和发
7、展，并 使理论知识和生产密切的结合起来，通过设计培养学生独立思考能力，树立正确 的设计思想，掌握机械产品设计的基本方法和步骤，为自动机械设计打下良好的 基础。2机械手设计要求要求本设计能鲜明体现设计构思，并在规定的时间内完成以下工作：1）拟定机械手的整体设计方案，特别是机械手各主要组成部分的方案。2）根据给定的自由度和技术参数选择合适的手部、腕部、臂部和机身的结 构。3）各主要部件（手部、腕部、臂部）的设计计算。4）工业机械手装配图的绘制。5）编写设计计算说明书。3机械手总体设计方案3.1机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。3.1.1执行机构1）手部即直接与工件接触
8、的部分，一般是回转型或平移型，（多为回转型， 因其结构简单），手部多为二指（也由多指），根据需要分为外抓式和内抓式两种， 也可以用负压式或真空式的空气吸盘和电磁吸盘。传力机构形式也很多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、齿轮齿条式、 丝杠螺母式、弹簧式、重力式。2）腕部是联接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓物体的方位，以扩大 机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压缸，它的结构紧凑、灵 巧，但回转角度小，并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。3）手臂是支撑被抓物体手部、腕部的重要部件，并带动它们做空间运动， 它的主要作用是带动
9、手指去抓取工件，并按预定要求将其搬运到给定的位置，一 般手臂需要三个给定自由度才能满足要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降运动。4）行走机构有的工业机械手带有行走机构，我国正处于仿真阶段。3.1.2驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分，根据动力源的不同大致可分为气 动、液压、电动和机械式四种。采用液压机构速度快，结构简单，成本低，臂力 大，尺寸紧凑，控制方便。3.1.3控制机构在机械手控制上，有点动控制和连续控制两种，大多数用插销板进行点动 控制，也有用PLC进行控制，主要控制的是坐标位置。3.2机械手在生产中的作用机械手在工业生产中的应用极为广泛，可以归纳为以下几个方面：1）建造旋转体零
10、件（轴类、盘类、环类）自动线。2）在实现单机自动化方面：a各类半自动车床，有自动夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，仍需 人工上下料，装上机械手，可实现自动生产，一人看管多台机床。b注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手自动装 卸工件，可实现自动生产。c冲床有自动上下料冲压循环，装上机械手上下料，可实现冲压生产自动 化。3.3机械手的主要特点1）对环境的适应性强，能代替人从事危险、有害的操作，在长时间工作对 人类有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理设计，选择适当 的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、 放射线作用下，以及冲压、灭
11、火等危险环境中胜任工作。2）机械手能持久、耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩 大和延伸人的功能。3）由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可避 免人为的操作错误。4）机械手通用性、灵活性好，能较好的适应产品品种的不断变化，以满足 柔性生产的需要。5）采用机械手能明显的提高劳动生产率和降低成本。3.4机械手的技术发展方向国内外使用的实际上是定位控制机械手，没有“视觉”和“触角”反馈。目 前，世界各国正积极研制带有“视觉”和“触角”的工业机械手，使它能对所抓 取的工件进行分辨，选取所需要的工件，并正确的夹持工件，进而精确的在机器 中定位、定向。为使机械手有“眼睛”
12、去处理方位变化的工件和分辨形状不同的零件，它由 视觉传感器输入三个视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是否 是所要抓取的工件。为防止握力过大引起物件损坏或握力过小引起物件滑落下来，一般采用两种 方法：一种是检测把握物体手臂的变形，以选择适当的握力，另一种是直接检测 指部与物件的滑落位移，来修正握力。因此这种机械手具有以下几方面的性能：1）能准确的抓住方位变化的物体。2）能判断对象的重量。3）能自动避开障碍物。4）抓空或抓力不足时能检测出来。这种具有感知能力并能对感知的信息做出反应的工业机械手称为智能机械 手，它是有发展前途的。现在工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人
13、力，代替人 从事繁重、危险的工作，在恶劣环境下尤其明显，至于在汽车工业和电子工业之 类的费工的工业部门，机械手的应用情况不能说是很好的，其原因之一是，工业 机械手的性能还不能满足这些工业部门的要求，适合机械手工作的范围很狭小， 另外经济性问题也很重要，利用机械手节约人力从经济上看不一定总是合算的。 然而利用机械手实现生产合理化的要求，今后还会持续增长，只要技术方面和价 格方面存在的问题获得解决，机械手的应用必将飞跃发展。3.5机械手坐标形式与自由度的选择3.5.1机械手坐标形式选择机械手一般包括圆柱坐标式、球坐标式、直角坐标式、多关节式。直角坐标式机械手，占用空间大，工作范围小，惯性大，一般不
14、多用，只有在自由度较少 时才考虑用。圆柱坐标式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性大，结构简单。多关节式机械手，占用空间小，工作范围大，惯性小，能抓取底面物体，但多关 节式结构复杂，所以也不多用。球坐标式机械手，占用空间小，工作范围大，惯 性小，所需动力小，能抓取底面物体。由以上叙述可以看出圆柱坐标式和球坐标式比较适合，但由于圆柱坐标式比 球坐标式在结构方面简单一些，所以最后决定选择圆柱坐标式机械手。图1圆柱坐标机械手的机构运动简图3.5.2机械手自由度选择由圆柱坐标式机械手结构简图选择四自由度机械手。3.6机械手的规格参数抓重：300N自由度：4个坐标形式：圆柱坐标式手臂运动参数：伸缩行程（
15、X）： 400mm伸缩速度： 250mm/s升降行程（Z）： 400mm升降速度： 70mm / s回转范围：0。210。回转速度： 90（。）/ s手腕运动参数：回转范围：0。180。回转速度： K1 K 2 K G式中 K 1安全系数，通常1.22.0 ；K 2工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按K 2 =1 + a，其中a是重力方向的最大上升加速度，a =匕昨，g是重力加速度，g = 9.8m/s2。t响V运载时工件最大上升速度；maxt响 系统达到最高速度的时间，一般选取0.030.5 ；K 3方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择；G被抓取工件所受重力；表1驱动力与液压缸工作压
16、力关系图作用在活塞上外力F(N)液压缸工作压力MPa作用在活塞上外力F(N)液压缸工作压力MPa500005.08.0设a = 40mm,b = 80mm,a = 30。，机械手达到最高响应时间为0.5s，求夹紧力， 驱动力F和驱动液压缸的尺寸。(1) 设 K1 = 1.6设 V = 70mm / st 向=0.5s因此所以a = Vma. = 007t 响 0.5=0.14m / s 2K = 1 + 014 = 1.014329.8设K 3 = 0.5根据以上公式得:Fn = 1.6 x 1.0143 x 0.5 x 300 = 243.4N(2) 根据驱动力公式得:2b cos2 a2
17、x 80 x cos2 30尸计算=Fn =ox 243.4 = 730.2N由于实际所采取的液压缸驱动力要大于计算，考虑手爪的机械效率门，一般取门=0.85 0.9。(3) 取n = 0.85F= F计算=7302 = 859.06N艮口 F = 859.06N实际 n 0.85驱(4) 确定液压缸的直径D因为f实际= (D2 -d2)P选取活塞杆直径d = 0.5D，选择液压缸工作压力P = 0.81MPa。所以D =.，:4 F.实际一 =0.0427mt 兀P(1 -0.52)3.14x0.8x 106 x (1 -0.52)4 x 859.06根据液压缸内径系列(JB826-66)，
18、选取液压缸的内径为：D = 50mm 则活塞杆直径为：d = 0.5D = 0.5 x50 = 25mm .所以手部夹紧液压缸的主要参数为：液压缸内径D活塞杆直径d工作压力P驱动力F50mm25mm0.8MPa859.06N3.7.4手抓夹持范围计算为了保证手抓张开角为120。，设手抓长为100mm，当手抓没有张开角的时 候，根据机构设计，它的最小夹持半径夫min= 40mm，当张开角为120。时，根据双 支点回转型手抓的误差分析，取最大夹持半径火皿饮=60mm。所以机械手的夹持半径为4060mm。3.7.5手抓夹持精度的分析计算机械手的精度设计要求工件定位准确，抓取精度高，重复定位精度和运动
19、稳 定性好，并有足够的抓取能力。机械手能否准确夹持工件，把工件送到指定位置，不仅取决于机械手的定位精度（由臂部和腕部等运动部件来决定），而且也与机 械手夹持误差大小有关，特别是在多品种的中、小批量生产中，为了适应工件尺 寸在一定范围内的变化，一定要进行机械手的夹持误差分析。图3手抓夹持误差分析示意图以棒料来分析机械手的夹持误差精度。机械手的夹持半径为40 60mm，一般夹持误差不超过1mm ,分析如下:工件的平均半径：夫平均=4。； 6。= 50mm手抓长L = 100mm，取V型夹角20 =120。50偏转角P按最佳偏转角确定：p = cos T 平均=cos -1=54.7。L sin 0
20、100 x sin60。计算得 R = Lsin0 cos P = 100x sin60x cos54.7 = 50mm式中 R 0理论平均半径因为ax R0 RminA = L2 + (一 max )2 2L max cos P a 2 . L2 sin P 2 a 21sin 0 sin 0=.1002 + ( 40 )2 - 2x 100 40 cos54.7。- a2 *1002 sin54.72 402sin60。sin 60o=0.939所以 = 0.939 M总力矩式中M总力矩手腕回转时的总的阻力矩（N m）P回转液压缸工作压力（MPa）R缸体内孔半径（ mm）r输出轴半径（ m
21、m）b动片宽度（mm）所以P 2M总力矩 b(R2 一 r2)2 X13.10.066 x (0.0552 - 0.02252)=0.16Mpa取 P = 1Mpa所以腕部回转液压缸主要参数为:工作压力P缸体内径R输出轴半径r回转力矩M动片宽度b1MPa110mm22.5mm13.1N - m66mm3.8.5液压缸盖螺钉计算表4螺钉间距t与压力P之间的关系工作压力P（MPa）螺钉的间距t（mm）0.51.51501.52.51202.55.01005.010.080,为螺钉的间距，间距跟工作压力有关，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力为: ,、七f七为工作载荷，为预紧力液压缸工作压力为 P =
22、1MPa ,所以螺钉间距t小于150mm，试选择8个螺钉业 =2X14*0.055*103 = 43.18 150mm，所以选择螺钉数目合适Z = 8个, 88危险截面面积0-112 0-0452S =冗R2 -nr2 = 3.14x= 0.007908875m24Fq=等=O.007908875 X1X106 =988.6$ 、一 Fq = KF(K = 1.5 1.8)取 K = 1.5 则 Fq = KFq = 1.5x988.61 = 1482.92N 所以 Fq = Fq + Fq = 988.61 +1482.92 = 2471.53N螺钉的强度条件为：b = 1.3 X b 合n
23、d214式中R 缸体内孔半径(mm)b 螺钉材料的许用拉应力(MPa)d螺钉螺纹内径(mm)螺钉材料选择 Q235 ,取 b$ = 240MPa ,则b = 1 =翌= 160MPa( = 1.2 2.5)d Z ：!3： = 4X技X2471.53 = 0.00516m1nb 3.14x 160x106回转液压缸盖螺钉的直径选择d = 6mm3.8.6动片和输出轴间联接螺钉计算动片和输出轴间联接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位，联接螺 钉的作用是使动片和输出轴之间的配合紧密，当油腔通高压油时，动片受油压作 用产生一个合成液压力矩，克服输出轴上所受的外载荷力矩。竺(D2 -d2)
24、= F Zfd8Qs 2她(D2 -d2)= 0.066X106(0.112 -0.0452) = 3078.47N4 Zfd4 x 8 x 0.15 x 0.045式中被联接件配合面间的摩擦系数，钢对铜取f = 0.15缸体内径(mm)d动片与输出轴配合处直径(mm) ,FQ动片和输出轴间联接螺钉的预紧力(N)b动片宽度(mm)P回转液压缸工作压力(Pa)，螺钉的强度条件为：。=.x Qs 15d）的活塞杆，还必须具有足够的稳定性。按强度条件决定活塞杆直径d 按拉压强度计算：b =_驱 F + F= 2 F2 = 2FrJ取f = 0.16即 G 2幺总已 f也即 h 0.32p 0.32x
25、 1222.5 = 391mm总 hFR2G总hP800 x 1222.5 = 2501.3N391因此在设计中必须考虑到立柱导套长度大于391mm。式中f摩擦系数h立柱导套的长度3.10.3手臂升降驱动力的计算由手臂升降驱动力的公式得：%=。+ ）回+上土。总（1）F摩的计算F摩=2Fr2f取 f = 0.16 又因为 Fr2 = 2501.3N所以 F摩=2Fr2f = 2x2501.3x0.16 = 800.4N(2) F惯的计算经计算F = g总段惯 gAt式中Av由静止加速到常速的变化量(mm/s)。At启动过程时间(t)，一般取0.01s0.5s。手臂启动速度Av = 83mm/s
26、，启动时间At = 0.02s，g = 9.8N/kg，带入数据得:G Av 800 x 0.083gAt9.8 x 0.02=338.8N(3) F密的计算不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用O型密封圈，当液压缸工作压力小于10MPa时，液压缸密封处的总的摩擦阻力为：F密 = 0.03F驱(4) F回的计算一般背压阻力较小，为了计算方便，将其省略。经过以上分析计算，液压缸的驱动力为：F = F + F + F + F + G = 800.4 + 0.03F + 338.8 土 800驱 摩 密 回 惯 总驱所以 当液压缸向上驱动时 F驱=1999.2N当液压缸向下驱动时 F驱=349.7 N3.10.4手臂升降液压缸参数计算经过上面计算，确定了液压缸的驱动力F驱，因此选择液压缸的工作压力P = 1MPa，为了满足要求，此时取F驱=1999.2N进行计算。(1)液压缸内径计算：当油进入无杆腔：尸驱=中=p1哗门当油进入油杆腔：F = Fn= P (D2 d2)门
