毕业论文-工业机械手设计论文1.docx
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河南科技学院
2009届本科毕业论文（设计）
论文题目：
工业机械手设计
学生姓名：
王凯
所在院系：
机电学院
所学专业：
机电技术教育
导师姓名：
王振宁
完成时间：
2009年5月20日
9
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
TheDesignofIndustryManipulator
Abstract
Inthemechanicalmanufacturingindustry,themanipulatorhasbeenwidely
applied,
thus
the
big
improvement
worker's
work
condition,
the
remarkable
enhancement
labor
productivity,
sped
up
realizes
the
industrial
production
mechanizationandtheautomatedstep,thisdesignthroughtothemanipulatoreach
mainconstituent（hand,skill,armandfuselageandsoon）analyzes,thusdetermined
eachmainconstituentthestructure,carriesonthedesigncalculationinthisfoundation
tothemanipulator,thusdeterminationassemblyassemblydrawing.Designsthrough
thismanipulator,thegraspingcorrelationmanipulatordesignsthemainstep,hadthe
furtherenhancementregardingtheCAD/CAMsoftwareapplicationaspect.
Keywords:
Manipulator,design,hand,skill,arm,fuselage,structure
目 录
1绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
2机械手设计要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
3机械手总体设计方案．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
3.1机械手的组成．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
3.1.1 执行机构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
3.1.2 驱动机构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
3.1.3 控制机构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
3.2机械手在生产中的应用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
3.3机械手的主要特点．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2
3.4机械手的技术发展方向．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
3.5机械手坐标形式与自由度选择．．．．．．．．．．．．．．．．．4
3.5.1 机械手坐标形式选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
3.5.2 机械手自由度选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
3.6机械手的规格参数．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
3.7机械手手部设计计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
3.7.1 手部设计基本要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
3.7.2 手部力学分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
3.7.3 夹紧力与驱动力的计算．．．．．．．．．．．．．．．．．7
3.7.4 手抓夹持范围计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
3.7.5 手抓夹持精度的分析计算．．．．．．．．．．．．．．．．9
3.8机械手腕部设计计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
3.8.1 腕部设计基本要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
3.8.2 腕部的结构选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
3.8.3 腕部回转力矩计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
3.8.4 腕部工作压力计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
3.8.5 液压缸盖螺钉计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14
3.8.6 动片和输出轴联接螺钉计算．．．．．．．．．．．．．．．15
3.9机械手臂部设计计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
3.9.1 臂部设计基本要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
3.9.2 臂部的结构选择．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
3.9.3 手臂伸缩驱动力计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
3.9.4 手臂伸缩液压缸参数计算．．．．．．．．．．．．．．．．18
3.10机身升降机构计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19
3.10.1 手臂偏重力矩计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19
3.10.2 升降导向立柱不自锁条件．．．．．．．．．．．．．．．．21
3.10.3 手臂升降驱动力计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
3.10.4 手臂升降液压缸参数计算．．．．．．．．．．．．．．．．22
3.11机身回转机构计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
3.11.1 手臂回转液压缸驱动力矩计算．．．．．．．．．．．．．．23
3.11.2 手臂回转液压缸参数计算．．．．．．．．．．．．．．．．24
3.11.3 液压缸盖螺钉计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24
3.11.4 动片和输出轴间联接螺钉计算．．．．．．．．．．．．．．25
4机械手装配总图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26
5结论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27
致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28
1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手指去抓取工件，并按预定要求将其搬运到给定的位臵，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臵。
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”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（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：
<90（°）/s
位臵检测：
用电位器反馈式
重复定位精度：
3mm
驱动方式：
液压驱动（中、低压系统）
控制方式：
可编程控制
3.7机械手手部设计计算
3.7.1手部设计基本要求
1）应具有适当的夹紧力和驱动力，应考虑到在一定的夹紧力下，不同的传
动机构所需的驱动力大小是不同的。
2）手指应具有一定的张开范围，以便于抓取工件。
3）在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于
减轻手臂负载。
4）应保证手抓的夹持精度。
3.7.2手部力学分析
通过综合考虑，本设计选择二指双支点回转型手抓，采用滑槽杠杆式，夹紧
装臵采用常开式夹紧装臵，它在弹簧的作用下手抓闭合，在压力油作用下，弹簧
被压缩，从而手抓张开。
下面对其结构进行力学分析：
在杠杆3的作用下，销轴2向上的拉力为F，并通过销轴中心O点，两手指
的滑槽对销轴的反作用力为F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心线OO1和OO2
并指向O点，交F1和F2的延长线于A和B。
åFx=0
F F
1 1
=-
¢
得F=
1
F
2cosa
由
得F1=F2
åFy=0
由åMol（F）=0
得
F¢h=Fb
1
N
19
又因为
h= a
cosa
所以
F=
2bcos2a
a
FN
a———手指的回转支点到对称中心线的距离（mm）
a———工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角
（a）
（b）
图2滑槽杠杆式手部结构原理图
1——手指
2——销轴
3——杠杆
由分析可知，当驱动力F一定时，a角增大，则握力FN也随之增大，但a角过
大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好a=30°~40°。
3.7.3夹紧力与驱动力的计算
手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向与
作用点进行分析、计算。
一般来说，夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以
及工件运动状态变化所产生动的载荷，以使工件保持可靠的加紧状态。
手指对工件的夹紧力可按下式计算：
表1驱动力与液压缸工作压力关系图
10000～20000
2.5～3.0
>50000
5.0～8.0
FN³K1K2K3G
式中
K1——安全系数，通常1.2~2.0；
K——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按K=1+a,其中a是
2
2
g
重力方向的最大上升加速度，a=Vmax，g是重力加速度，g=9.8m/s2。
t响
Vmax———
运载时工件最大上升速度；
t响——
系统达到最高速度的时间，一般选取0.03~0.5；
K3——方位系数，根据手指与工件位臵不同进行选择；
G——被抓取工件所受重力；
作用在活塞上外力
液压缸工作压力MPa
作用在活塞上外力
液压缸工作压力MPa
F（N）
F（N）
<5000
0.8～1
20000～30000
2.0～4.0
5000～10000
1.5～2.0
30000～50000
4.0～5.0
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FN，
驱动力F和驱动液压缸的尺寸。
（1）设K1=1.6
K
2
=1+a
g
设Vmax=70mm/s
t响=0.5s
因此
a=Vmax=0.07=0.14m/s2
t响 0.5
所以
K=1+0.14=1.0143
2
9.8
设
K3=0.5
根据以上公式得：
FN
=1.6´1.0143´0.5´300=243.4N
所以手部夹紧液压缸的主要参数为：
（2）根据驱动力公式得：
F计算=
2bcos2a
a
FN=
2´80´cos230
40
´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
h，一般取
h=0.85~0.9。
（3）取
h=0.85
F
F
实际
=
h
计算=
730.2
0.85=859.06N
即
F驱=859.06N
（4）确定液压缸的直径D
因为
F实际
=
p（D2-d2）P
4
选取活塞杆直径d=0.5D，选择液压缸工作压力P=0.8~1MPa。
所以
D=
4F
实际
4859.06
´
pP（1-0.52） 3.14´0.8´106´（1-0.52）
=
=0.0427m
根据液压缸内径系列（JB826-66），选取液压缸的内径为：
D=50mm
则活塞杆直径为：
d=0.5D=0.5´50=25mm.
液压缸内径D
活塞杆直径d
工作压力P
驱动力F
50mm
25mm
0.8MPa
859.06N
3.7.4
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Rmin=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Rmax=60mm。
所以机械手的夹持半径为40~60mm。
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，把工件送到指定位臵，
R
平均
=40+60=50mm
2
取V型夹角2q=120°
工件的平均半径：
手抓长L=100mm，
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：
偏转角b按最佳偏转角确定：
b=cos-1R平均
Lsinq
=cos-1
50
100´sin60°
=54.7°
计算得
R0=Lsinqcosb=100´sin60°´cos54.7°=50mm
式中
R0———理论平均半径
因为
Rmax>R0>Rmin
D=
1
L2+（Rmax）2-2LRmaxcosb-a2-L2sinb2-a2
sinq
sinq
=1002+（
60
sin60°
）2-2´100
60
sin60°
cos54.7°-402-1002sin54.72-402
=0.923
D=
2
L2+（Rmin）2-2LRmincosb-a2-L2sinb2-a2
sinq
sinq
=1002+（
40
sin60°
）2-2´100
40
sin60°
cos54.7°-a2-1002sin54.72-402
=0.939
所以
D=0.939<1
夹持误差满足设计要求。
3.8
机械手腕部设计计算
3.8.1腕部设计的基本要求
1）力求结构紧凑、重量轻
腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担，显然，腕
部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能，因此，
在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。
2）结构考虑，合理布局
腕部作为机械手的执行机构，又承担联接和支撑作用，除保证力和
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