龙门式机械手结构设计

XX大学

毕业设计(论文)

龙门式机械手结构设计

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摘 要

近代的工业机械手是由目标机械本体、控制器系统、传感装置系统、控制系统和伺服动力器系统组成，是一种模仿人的操作、自动化控制、可多次编程、能在立体空间完成各式各样作业的Mechatronics设备。工业机械手对于提高和确保产品质量，提升生产的效率，改善工人的工作条件和快速更新产品起着非常重要的作用。工业机械手技术结合了多们学科的知识。包含机构学、计算机、控制论、信息和传感技术、人工智能、仿生学等。它是当代十分活跃，应用非常广泛的领域。

机械手具有很多人类所不具有的能力，包括快速分析环境能力；抗干扰能力强，能长时间工作和工作精度高。可以说机械手是工业进步的产物，它也发挥了在当今工业的至关重要的作用。如今，机械手工业已成为世界各国备受关注的产业。

本课题模拟了实际工业生产系统，课题将设计一个龙门机械手，将用于工作人员出入，使断开输送带上的零件通过机械手进行运输，需完成对工件的安全抓紧和释放，并将零件从输送带的一端送到指定位置的另一端生产线输送带上。

本文阐述了机械手的发展历史，国内外的应用状况，及其巨大的优越性，提出了具体的机械手设计要求和进行了总体方案设计和各自由度的具体结构设计、计算。

关键词：机械手；工业；传动；强度

Abstract

Industrial manipulator is composed of target of modern mechanical body, control system, sensor system, control system and servo actuator system, operation, automatic control, a kind of imitation of human multiple programming, to complete the work of every kind of Mechatronics device in three-dimensional space. Industrial machinery hand to enhance and ensure the quality of products, improve production efficiency, plays a very important role in improving the working conditions of workers and the rapid updating of product. Industrial machinery hand technique combined with multi discipline knowledge. Including mechanism, computer, control theory, information and sensor technology, artificial intelligence, bionics and so on. It is the very active, very wide application areas.

The manipulator has many human beings do not have, including the rapid analysis of environmental capacity; strong anti-interference ability, can work for a long time and high precision work. Can be said that the manipulator is a product of the progress of industry, it also plays a vital role in the modern industry. Nowadays, industrial robot has become the concern of the industry all over the world.

This subject comes from the Yalong YL-221 automation to flexible production system, the machine independent innovation training system to simulate the actual industrial production system, according to the different stages of production machine is provided with a plurality of workstation: automatic access overhead warehouse, handling robot station, line conveyor, conveyor station station 90 degree turn, mechanical processing station, station, the station code heap.

We design a robot will be used in Longmen, staff entry, disconnected to the conveyor belt parts are transported by mechanical hand, to the completion of the work of safety grip and release, and the parts from one end to the other end of the conveyor belt production line position specified on the conveyor belt.

This paper expounds the development history of the manipulator, the application status at home and abroad, and its great superiority, puts forward the design requirements of the manipulator specific and detail structure design, overall design and various degrees of freedom.

Key Words: robot; industrial; transmission; strength

目 录

摘 要....................................................................................................................................... II Abstract ....................................................................................................................................III 目 录..................................................................................................................................... IV

第1章 绪论..............................................................................................................................2

1.1 机械手概念..................................................................................................................2

1.2 课题研究的背景和意义..............................................................................................2

1.3 国内机械手的研究......................................................................................................2

1.4机械手的应用...............................................................................................................3

第2章 总体方案机构设计......................................................................................................4

2.1课题的技术要求...........................................................................................................4

2.2设计原理.......................................................................................................................4

第3章 Z向结构及传动设计 ..................................................................................................5

3.1滚珠丝杆副的选择.......................................................................................................5

3.1.1导程确定............................................................................................................ 6

3.1.2确定丝杆的等效转速........................................................................................ 6

3.1.4确定丝杆的等效负载........................................................................................ 6

3.1.5确定丝杆所受的最大动载荷............................................................................ 6

3.1.6精度的选择........................................................................................................ 8

3.1.7选择滚珠丝杆型号............................................................................................ 8

3.2校核...............................................................................................................................8

3.2.1 临界压缩负荷验证........................................................................................... 8

3.2.2临界转速验证.................................................................................................... 9

3.2.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率.......................................................... 10

3.3电机的选择.................................................................................................................10

3.3.1电机轴的转动惯量...........................................................................................11

3.3.2电机扭矩计算.................................................................................................. 12

第4章 X轴水平移动传动设计 ............................................................................................14

4.1 同步带计算选型..................................................................... 错误！未定义书签。

4.2 同步带的主要参数（结构部分）......................................... 错误！未定义书签。

4.3 同步带的设计......................................................................... 错误！未定义书签。

4.4 同步带轮的设计..................................................................... 错误！未定义书签。

4.5 轴的校核................................................................................. 错误！未定义书签。

4.6 键的校核................................................................................. 错误！未定义书签。

4.7 轴承的校核............................................................................. 错误！未定义书签。

第5章 手指的相关设计与计算............................................................................................20

5.1 手指的相关设计与计算............................................................................................20

5.2 手爪结构设计与校核................................................................................................21

5.3 机械手手爪设计计算...............................................................................................22

5.3.1 手爪的力学分析........................................................................................... 22

5.3.2 夹紧力及驱动力的计算............................................................................... 23

5.4 夹紧气缸的设计.......................................................................................................24

5.4.1 主要尺寸的确定........................................................................................... 24

5.5 手爪夹持范围计算...................................................................................................25

5.6 机械手手爪夹持精度的分析计算...........................................................................26

5.7 弹簧的设计计算.......................................................................................................27

5.8 本章小结...................................................................................................................29

总 结........................................................................................................................................30

参考文献..................................................................................................................................31

致 谢........................................................................................................................................32

第1章 绪论

1.1 机械手概念

机械手（Robot）是自动执行工作的机器装置。它是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。

机械手是近50年才迅速发展起来的一种有代表性的、机械和电子控制系统组成的、自动化程度高的生产工具。在生产制造业中，机械手技术得到广泛的应用。它自动化程度高，对改善劳动条件，确保产品质量和提升工作效率，起到非常重要的作用。可以说他是现代工业的一种技术革命。

1.2 课题研究的背景和意义

本课题将设计一个龙门机械手，将用于工作人员出入，使断开输送带上的零件通过机械手进行运输，需完成对工件的安全抓紧和释放，并将零件从输送带的一端送到指定位置的另一端生产线输送带上。通过本课题的研究，学生不仅可以了解自动生产线的工作过程，还可以深入了解其组成部分的内部结构设计。希望学生通过本课题设计，能充分运用已学习的基础知识和专业知识，设计出可行、优化的装置，并完成机械装配图，重要零件的加工图，在毕业设计说明书中，选用合理的动力元件，计算设计零件的合理尺寸，体现合理的设计思路，综合应用机械原理和设计、工程制图，以及现代制造理念。

1.3 国内机械手的研究

机械手在日本应用的历史非常悠久。在七十年代时机械手首先得到应用，然后经过十年的发展，在八十年代的时候机械手已经得到普及。相应的他们工业年产值也得到了快速提高。1980年达到一千亿日元，到1990年提高到六千亿日元。在2004年时已达到了一万八千五百亿日元。可见机械手在提高生产效益方面的重要性。

在国际方面，各个国家已经意识到机械手的重要性。所以机械手的订单急速上升。在2003年的订单量相对于2002年增长了百分之10。此后机械手的需求量仍然不断上升。从2001年到2006年全球订单增长多达90000多台。平均年增长为7%。

国际机械手的发展方向:

机械手涉及到非常多学科的知识和领域。包括：计算机、电子、控制、人工智能、

传感器、通讯与网络、控制、机械等等。机械手的发展离不开上述学科的发展。正是由于各个学科的相互影响和综合集成，才能制造出自动化程度高的及其人。随着科学技术的进步，机械手在应用得范围越来越广泛；技术也越来越得到调高，功能更加强大。现在很对机械手的研究都往小型化发展。机械手将会更多的进入到人们的日常生活中去。总体的发展趋势是模块化、标准化、更加智能化。

机械手的广泛应用，对提升产品的质量与产能、保障人员安全，改善劳动环境，降低劳动的强度，提高生产效率，节约原材料消耗以及降低生产成本，起着一个十分重要的作用。机械手的广泛应用体现以人为本的原则，它的出现让人们的生活更加便利和美好。

1.4机械手的应用

机械手产业是在计算机、继汽车之后出现的又一种新的大型高技术产业。现代，机械手产业市场前景发展很好。从二十世纪起，世界机械手产业一直稳步增长。到了二十世纪九十年代，机械手产品发展快速增长，年增长率平均在百分之十上下。2004年创记录达到百分之二十。在亚洲机械手需求量更多，年增长率高达百分之四十三。经历40多年的发展，机械手应用到很多领域中去了。机械手在制造业中应用的最广泛。如在焊接、热处理、表面涂覆、机械加工、装配、检测和仓库堆垛毛、坯制造(冲压、压铸、锻造等)等等作业中，机械手替代了人工作业，并使得生产效益大大提高。

第2章 总体方案机构设计

2.1课题的技术要求

1．工作范围：长度：800mm ；高度：500mm；高度200mm；

2．各轴工作速度进给速度：400mm /min ；

3. X、Z方向快速移动速度：1500mm/min ；

4. 夹持部件旋转角度：180° ；

5. 送料重量：1000g

2.2设计原理

为了使工件保持准确的相对位置，必须根据要去选择合适的定位机构。再者就是要有足够的强度和刚度 除了受到工件、工具的重量，还要受到本身的重量，还受到在运动过程中产生的惯性力和振动的影响，没有足够的强度和刚度可能会发生折断或者弯曲变形，所以对于受力较大的进行强度、刚度计算是非常必要的。最后要尽可能做到具有一定的通用性 如果可以，应考虑到产品零件变换的问题。为适应不同形状和尺寸的零件，为满足这些要求，可将制成组合式结构，迅速更换不同的部件及附件来扩大机构的使用范围。

Z轴采用丝杠传动：电动机—联轴器—滚珠丝杠

X轴采用丝杠传动：电动机—联轴器—滚珠丝杠

第3章 Z向结构及传动设计

3.1滚珠丝杆副的选择

滚珠丝杆副就是由丝杆、螺母和滚珠组成的一个机构。他的作用就是把旋转运动转和直线运动进行相互转换。丝杆和螺母之间用滚珠做滚动体，丝杠转动时带动滚珠滚动。

设Z向最大行程为200mm,最快进给速度为1500mm/min, 送料重量：1000g 3.1.1导程确定

电机与丝杆通过联轴器连接，故其传动比i=1, 选择电机Y系列异步电动机的最高转

r/min,最大转矩Mmax2.2kgf.cm，则丝杠的导程为 速nmax1500

PHVmax/nmax6000/15004mm 取Ph=12mm

3.1.2确定丝杆的等效转速

基本公式 nV/Ph(r/min)

最大进给速度是丝杆的转速 nmaxVmax/Ph6000/12500(r/min)

(r/min) 最小进给速度是丝杆的转速 nminVmin/Ph1/120.083

丝杆的等效转速

取t12t2故

nm(nmaxt1nmint2)/(t1t2)(r/min) 式中

nm(nmaxt1nmint2)/(t1t2)1000.03(r/min)

3.1.4确定丝杆的等效负载

工作负载是指工作时，实际作用在滚珠丝杆上的轴向压力，他的数值用进给牵引力的实验公式计算。选定导轨为滑动导轨，取摩擦系数为0.03，K为颠覆力矩影响系数，一般取1.1~1.5，本课题中取1.3，则丝杆所受的力为

FmaxKFxf(Fmin0

2222

GFZ)（-FyG3）1.（3G2G3）0.03(G3G1)（-FyG3）2155N2222

其等效载荷按下式计算（式中取t1t2，n22n1）

FntFminn2t2Fm(max11)1494N

n1t1n2t2

3.1.5确定丝杆所受的最大动载荷

Fmfw60Thnm

() 6

ftfhfafk10

33

Car

fw-------负载性质系数，（查表：取fw=1.2） ft--------温度系数（查表：取ft=1） fh-------硬度系数（查表：取fh =1） fa-------精度系数（查表：取fa =1） fk-------可靠性系数（（查表：取fk =1） Fm------等效负载 nz-------等效转速

Th ----------工作寿命，取丝杆的工作寿命为15000h 由上式计算得Car=17300N

表3-1-1各类机械预期工作时间

Lh

表3-1-2精度系数

fa

表3-1-3可靠性系数

fk

表3-1-4负载性质系数

fw

3.1.6精度的选择

滚珠丝杠副的精度对电气的定位精度会有影响，在滚珠丝杠精度参数中，导程误差对定位精度是最明显的。一般在初步设计时设定丝杠的任意300mm行程变动量V300应小于目标设定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度验算中确定。，选用滚珠丝杠的精度等级X轴为1～3级（1级精度最高），Z轴为2～5级，考虑到本设计的定位精度要求及其经济性，选择X轴Y轴精度等级为3级，Z轴为4级。 3.1.7选择滚珠丝杆型号 计算得出Ca=Car=17.3KN,

则Coa=(2~3)Fm=（34.6~51.9）KN

公称直径Ph=12mm

则选择FFZD型内循环浮动返向器，双螺母垫片预紧滚珠丝杆副，丝杆的型号为FFZD4010—3。

公称直径 d0=30mm 丝杆外径d1=29.5mm 钢球直径dw=7.144mm 丝杆底径d2=24.3mm 圈数=3圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 刚度kc=973N/μm 3.2校核

滚珠丝杆副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压震动固有频率，其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杆副的拉压系统刚度KO有丝杆本身的拉压刚度KS，丝杆副内滚道的接触刚度KC，轴承的接触刚度Ka，螺母座的刚度Kn，按不同支撑组合方式计算而定。 3.2.1 临界压缩负荷验证

丝杆的支撑方式对丝杆的刚度影响很大，采用一端固定一端支撑的方式。临界压缩负荷按下列计算：

Fcr

f12EIL0

2

K1FmaxN

式中E------材料的弹性模量E钢=2.1X1011（N/m2） LO-------最大受压长度（m）

K1-------安全系数，取K1=1.3 Fmax-------最大轴向工作负荷（N） f1-------丝杆支撑方式系数：f1=15.1 I=丝杆最小截面惯性距（m4）

I

4d2(do_1.2dw)4 6464

式中do--------是丝杆公称直径（mm） dw------------滚珠直径（mm），

丝杆螺纹不封闭长度Lu=工作台最大行程+螺母长度+两端余量

Lu=300+148+20X2=488mm

支撑距离LO应该大于丝杆螺纹部分长度Lu，选取LO=620mm 代入上式计算得出Fca=5.8X108N 可见Fca＞Fmax，临界压缩负荷满足要求。 3.2.2临界转速验证

滚珠丝杠副高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速ncr，要求丝杠的最高转速：

ncr

2

30fZLC

2

EI

K2 PA

23.14d234.32*10-69.2*10-4m2 44

式中：A------丝杆最小截面：A=

d2-------丝杠内径，单位mm； P--------材料密度p=7.85*103(Kg/m)

Lc--------临界转速计算长度，单位为mm，本设计中该值为

Lc=148/2+300+(620-488)/2=440mm

K2----------安全系数，可取K2=0.8

fZ----------丝杠支承系数，双推-简支方式时取18.9

经过计算，得出ncr= 6.3*104r/min，该值大于丝杠临界转速，所以满足要求。 3.2.3丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率

丝杠系统的轴向拉压系统刚度Ke的计算公式

KsminAE/LKsmaxAE/L

式中 A——丝杠最小横截面，A



4

2d2(mm2)；

螺母座刚度KH=1000N/μm。

当导轨运动到两极位置时，有最大和最小拉压刚度，其中，L植分别为750mm和100mm。 经计算得：

1/Ke1/2KH1/KC1/Ksmin

WB

ke

rad/s m

式中 Ke ——滚珠丝杠副的拉压系统刚度(N/μm)；

KH——螺母座的刚度(N/μm)；KH=1000 N/μm Kc——丝杠副内滚道的接触刚度(N/μm)； KS——丝杠本身的拉压刚度(N/μm)； KB——轴承的接触刚度(N/μm)。

经计算得丝杠的扭转振动的固有频率远大于1500r/min，能满足要求。 3.3电机的选择

步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每

输入一个脉冲电机转轴步进一个距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲的频率。步进电机具有惯量低、定位精度高、无累计误差、控制简单等优点，所以广泛用于机电一体化产品中。选择步进电动机时首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率，再者还要考虑转动惯量、负载转矩和工作环境等因素。

3.3.1电机轴的转动惯量

a、回转运动件的转动惯量

md2d4LJR

832

上式中：d—直径,丝杆外径d=29.5mm

L—长度=1m

P—钢的密度=7800kg/m2

经计算得JR0.002kgm2

b、X向直线运动件向丝杆折算的惯量

P

JLM

2

2

上式中：M—质量 X向直线运动件M=160kg

P—丝杆螺距（m）P=0.001m

经计算得JL4.09*10-8kgm2

c、联轴器的转动惯量

查表得 JW0.0004kg/m2

m 因此JJRJLJW0.0024.09*100.00040.0028kg

-82

3.3.2电机扭矩计算

a、折算至电机轴上的最大加速力矩

2nmaxJ

60ta

r/min 上式中：nmax1500Tmax

J=0.0028kg/m

2

ta—加速时间 ta

3

KS—系统增量，取15s-1,则ta=0.2s KS

经计算得Tmax2.2Nm

b、折算至电机轴上的摩擦力矩

TfF0

P2I

上式中：F0—导轨摩擦力，F0=Mf，而f=摩擦系数为0.02，F0=Mgf=32N

P—丝杆螺距（m）P=0.001m η—传动效率，η=0.90 I—传动比，I=1 经计算得Tf0.57Nm

c、折算至电机轴上的由丝杆预紧引起的附加摩擦力矩

P0P(1-0)T0

2i

上式中P0—滚珠丝杆预加载荷≈1500N η0—滚珠丝杆未预紧时的传动效率为0.9 经计算的T0=0.05N·M 则快速空载启动时所需的最大扭矩

2

TTmaxTfT02.82Nm

根据以上计算的扭矩及转动惯量，选择电机型号为SIEMENS的IFT5066，其额定转矩为6.7Nm。

第4章 X轴水平移动传动设计

第4章 Y向结构设计

4.1 滚珠丝杠计算、选择

初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC58~60，导程：l0=5mm 强度计算 丝杠轴向力：

FmaxKFx,yf(FzWx,y)

(N)

其中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.003~0005；在车床车削外圆时：Fx=(0.1~0.6)Fz，Fy=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。 取f=0.004,FZ400则:

FX0.5FZ0.520001000NFY0.6FZ0.620001200N

FXmax1.1510000.004(2000671.58)1045.686NFYmax1.1512000.004(2000655.2)1252.621N

vmax

60nTnL

l0(r/min) 106，其中丝杠转速寿命值：

T15000hnL

vmax2000

400r/minl056040015000

360

106

最大动载荷：QLfHfWF

式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.2~1.5；fH为硬度系数，HRC≥58时为1.0。 查表得中等冲击时fW1.2,fH1则

:

QX1.211045.6867079.58NQY1.211252.62110686.54N

根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为: CM系列滚珠丝杆副，其型号为：CM2005-5。 其基本参数如下:

其额定动载荷为14205N> Qy足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式.

滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表

（1） 传动效率计算

tg

tg()

式中：φ=10’，为摩擦角；γ为丝杠螺旋升角。

丝杠螺母副的传动效率为：

tg4033'



tgtg()



tg(43310)

0''

0.96

（2） 稳定性验算

丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。 （3） 刚度验算

滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：l1Y向所受牵引力大,故用Y向参数计算

Fl0

(cm) ES

FY1252.621Nl00.5cm

E20.6106(N/CM2)SR3.14(

2

1.65122

)2.14CM

2

61251.820.5

L120.66.1210CM6

102.14

丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差Δ为

64

L16.121012.241012.24um[]E级精度0丝杠允许的螺距误差[ Δ]=15μm/m。 4.2 步进电机惯性负载的计算

根据等效转动惯量的计算公式，有： （1）等效转动惯量的计算

折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：

p2z12

JqJ0J1()(J2J3)M()

z2

b180

式中：Jq为折算到电机轴上的惯性负载；J0为步进电机轴的转动惯量；J1为齿轮１的转动惯量；

J2为齿轮２的转动惯量；J3为滚珠丝杠的转动惯量；Ｍ为移动部件的质量。 对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算：

J0.78103D4L

式中D为圆柱零件直径，L为圆柱零件的长度。 所以有：

J10.781032.442.56.47102kg.cm2J20.781035.043.0146.25102kg.cm2J30.781032.043037.44102kg.cm2

电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有：

Jd6.47102(

2420.012

)(146.2537.44)102200()0.7793kg.cm2

3.14501.5180

4.3步进电机的选用

(１）步进电机启动力矩的计算

设步进电机的等效负载力矩为Ｔ，负载力为Ｐ，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系：

TPs

式中为电机转角，Ｓ为移动部件的相应位移，则Ｓ＝p，且PPs(GPz)。所以：

为机械传动的效率。若取b，

T

36p[Ps(GPz)]

2b

式中：P，G为移动部件质量（N），Ps为移动部件负载（N）z为与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力（N），为导轨摩擦系数，b为步进电机的步距角（rad）,T为电机轴负载力矩（N.cm）。

取=0.3（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），

＝０.8，Ps=PH=279.23Ｎ。考虑到

重力影响，Ｙ向电机负载较大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有：

T

360.01[1251.820.03(20001800)]

23.141.50.8

65.25n.cm

考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩：

TQ

T

0.3~0.5

65.25

163.12n.cm 取系数为０.３，则： Tq

0.4

对于工作方式为三相６拍的步进电机：

Tq0.866

Tjmax

fmax

163.120.866188.36n.cm

(２） 步进电机的最高工作频率

vmax10001667 60p600.01

为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率fmax,同时电机最大静转矩要足够大,查表选择两个90BF001型三相反应式步进电机.

第5章 手指的相关设计与计算

5.1 手指的相关设计与计算

设计手部时除了要满足抓取要求外，还应满足以下几点要求： （1）、手指握力的大小要适宜

确定手指的握力（即夹紧力）时，应考虑工件的重量以及传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落，但握力太大又会造成浪费并可能损坏工件。

（2）、应保证工件能顺利地进入或脱开手指

开合式手指应具有足够大的张开角度来适应较大的直径范围，保证有足够的夹紧距离以方便抓取和松开工件。移动式钳爪要有足够大的移动范围。

（3）、应具有足够的强度和刚度，并且自身重量轻

因受到被夹工件的反作用力和运动过程中的惯性力、振动等的影响，要求机械手具有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，但结构要简单紧凑、自重轻，并使手部的重心在手腕的回转轴线上，使手腕的扭转力矩最小。

（4）、动作迅速、灵活、准确，通用机械手还要求更换手部方便

根据用途手部可分为夹持式手部、吸附式手部和专用工具（喷枪、扳手、焊接工具）三类。

经过分析和比较此设计采用夹持式手部。手部是机械手直接抓取和握紧（或吸附）物件或夹持专用工具执行作业任务的部件，因此手部的结构和尺寸应依据作业任务要求来设计，从而形成了多种的结构型式。它安装在手臂的前端，可以模仿人手动作。 一 、夹持式手部

夹持式手部对抓取工件的形状具有较大的适应性，故应用较广。它的动作与钢丝钳或虎钳相似。 二 、结构

夹持式手部是有驱动装置、传动机构和手指（或手爪）等组成。驱动装置多半用活塞缸。传动机构常用连杆机构、滑槽机构、齿轮齿条机构等。手指常用两指，也有多指等形式。指端是手指上直接与被夹工件接触的部位，它的结构形状取决于工件的形状。手部结构按模仿人手手指的动作，可分为回转型、移动型等形式。经分析和比较此设计

选择移动式的齿轮齿条手部。 5.2 手爪结构设计与校核

手爪种类

1.连杆杠杆式手爪

这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。

2.楔块杠杆式手爪

利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。 3.齿轮齿条式手爪

这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。 4.滑槽式手爪

当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。

5.平行杠杆式手爪

不 需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动采用平行四边形机构，因此，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多

结合具体的工作情况，采用连杆杠杆式手爪。驱动活塞 往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条 使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工 工件的直径来调定。本设计按照所要捆绑的重物最大使用 的钢丝绳直径为50mm来设计。

a．有适当的夹紧力

手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。

b．有足够的开闭范围

工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。可用开闭角和手指夹紧端长度表示。于回转型手部手指开闭范围，手指开闭范围的要求与许多因素有关

c．力求结构简单，重量轻，体积小

作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个液压机械手的结构，抓重，

定位精度，运动速度等性能。手部处于腕部的最前端，工因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。

d．手指应有一定的强度和刚度

因此送料，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭式弹簧夹紧，夹紧液压机械手，根据工件的形状，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。

液压缸右腔停止进油时，液压缸右腔进油时松开工件。 5.3 机械手手爪设计计算

5.3.1 手爪的力学分析

下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆，如图3-1为常见的滑槽杠杆式手部结构。

式中： FP——驱动力；

FN——夹紧力；

图3-1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析

1——手指 2——销轴 3——杠杆

2b

FP=cos2FN （3-1）

a

a——手指的回转支点到对称中心的距离；

b——手指长度；

——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点的夹角。

由分析可知，当驱动力FP一定时，角增大，则夹紧力FN也随之增大，但角过大会导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好=30~40。

5.3.2 夹紧力及驱动力的计算

手指加在工件上的夹紧力，是设计手部的主要依据。必须对大小、方向和作用点进行分析计算。一般来说，需要克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化的惯性力产生的载荷，以便工件保持可靠的夹紧状态。

（1）手指对工件的夹紧力可按公式计算：

kPXsin2

a

（3-2）

FN

式中: K——安全系数，通常1.2~2.0； Px——轴向力；

a——V形手抓的开合角；

——工件和手抓间的摩擦系数；

计算：设a=10mm,b=30mm, =350，求夹紧力FN和驱动力FP 。 设K=1.5，Pxmg，0.3 根据公式，将已知条件带入得：

2.519.8sin60

35.36N40N FN

0.6

（2）根据驱动力公式得：

FN2bcos240230cos235

161.04N Fp

a10

由于实际采用的气压缸驱动力大于计算，把手抓的机械效率考虑在内，一般取

0.88~0.9。

（3）取0.9

F实

Fp





161.04

178.9180N （3-3） 0.9

5.4 夹紧气缸的设计 5.4.1 主要尺寸的确定 （1）气缸工作压力的确定 由表3-1取气缸工作压力

表3-1 气压负载常用的工作压力

p0.4MPa

可由下式推算出气压缸的内径D：



F实际D2d2p （3-4）

4

D



0.0276 预设活塞杆直径d=0.5D,气缸工作压力P=0.4MPa,根据机械设计手册气压传动分册P22-125，选取气压缸内径为：D=32mm。

可以得出活塞杆内径为:

d=0.5D=320.5=16mm，选取d=14mm。 （3）缸筒壁厚和外径的设计

缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:

式中，

—— 缸筒壁厚，(mm)； D—— 气缸内径，(mm)；

； Pp—— 气缸试验压力，一般取Pp1.5p（Pa）

p——气缸工作压力 （Pa）；

DPp/2[]

（3-5）

[]——缸筒材料许用应力（Pa）。

本设计手爪夹紧气缸缸筒材料采用为:铝合金ZL1060,[]=3MPa

代入己知数据，则壁厚为:

DPp/2[]

321031.50.4106/(23106)2.4(mm)

取3mm，则缸筒外径为:D1323238(mm) （4）手部活塞杆行程长L计算 活塞杆的位移量S可推得：

S10tg3510tg56.127mm （3-6）

气缸的活塞行程与其使用场合及工作机构的行程比有关。多数情况下不应使用满行程，以免活塞与缸盖相碰撞，尤其用于夹紧等机构。为保证夹紧效果，必须按计算行程多加10~20mm的行程余量[11]。

l6.12026.1mm （3-7）

故气压传动手册圆整为l27mm。 （5）手爪部分总质量估算：

mm手爪m气缸m零件 （3-8） 其中：手爪部分和活塞杆材料采用45钢，缸筒和端盖连接材料采用铝合金ZL106 查相关手册可得， 45号钢密度为 7.85103kg/m3； ZL1060的密度为 2.73103kg/m3。 手爪部分总质量约为 ：

m0.03141.212.2314kg

5.5 手爪夹持范围计算

为了保证手爪张开角为60，活塞杆运动长度为27mm。

（a）手爪最小夹持半径 （b）手爪最大夹持半径

图3-2 手爪张开示意图

手爪夹持范围的计算，手指长30mm，当手抓没有张开角的时候，如图3-2（a）所示，根据机构设计，它的最小夹持半径R1=10，当张开60时，如图3-2（b）[12]所示，最大夹

持半径R2计算如下： 0

R230tg30010cos30026mm

机械手的夹持半径从10~26mm。

5.6 机械手手爪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），而且也于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变化，一定要进行机械手的夹持误差计算。

机械手的夹持范围为10mm~26mm。

一般夹持误差不超过1mm,分析如下：

101512.5mm （3-9）工件的平均半径：Rcp 2

0手指长l30mm,取V型夹角2120

偏转角按最佳偏转角确定：

cos1RCP12.5cos1610 （3-10） 0lsin30sin60

计算 ： R0lsincos30sin600cos61012.5 （3-11） 当RMAXR0RMIN时带入有：

0.17450.5 所以夹持误差满足设计要求。

5.7 弹簧的设计计算

[13]如下。

图3-4 圆柱螺旋弹簧的几何参数

（1）选择硅锰弹簧钢，查取许用切应力800MPa

（2）选择旋绕比C=8，则

4C10.615 （3-12） K4C46

K4C10.6154810.6151.183 4C464846

（3）根据安装空间选择弹簧中径D=22mm，估算弹簧丝直径

D22 d2.753mm C8

（4）试算弹簧丝直径

d'（3-13）

d

'2.3mm 取3mm。

（5）根据变形情况确定弹簧圈的有效圈数：

nGdMAX （3-14） 8FMAXC3

nGd3.5 3MAX8FMAXC

选择标准为n3，弹簧的总圈数n1n1.53.51.55圈

（6） 最后确定：

D22mm，d3mm，D1Dd22319mm，D2Dd22325mm

（7） 对于压缩弹簧稳定性的验算

对于压缩弹簧如果长度较大时，则受力后容易失去稳定性，这在工作中是不允许的。

H74为了避免这种现象压缩弹簧的长细比b01.76，本设计弹簧是2端自由，根据D12

下列选取：

当两端固定时，b5.3,当一端固定；一端自由时，b3.7；当两端自由转动时，

b2.6。

弹簧b1.762.6，因此弹簧稳定性合适。

（8） 疲劳强度和应力强度的验算。

对于循环次数多、在变应力下工作的弹簧，还应该进一步对弹簧的疲劳强度和静应

力强度进行验算（如果变载荷的作用次数N10，或者载荷变化幅度不大时，可只进行3

静应力强度验算）。

现在由于本设计是在恒定载荷情况下，所以只进行静应力强度验算。计算公式：

SScaSSSmax （3-15）

Ss选取1.3~1.7（力学性精确能高）

max8KDF （3-16） 3d

max

SSca81.1840.0228KD180442428874 F3.140.0033d3s800106pa1.8 max442428874pa

经过上式校核，弹簧满足要求。

5.8 本章小结

本章对机械手的手部和手爪进行了设计，并且对夹紧气缸进行了选取计算，对夹持范围和夹持精度进行了计算，最后对弹簧强度进行了校核，符合使用要求。

总 结

本文完成了机械手的毕业设计，中间遇到很多困难，多谢老师指导。当我们不理解，不会做的时候，指导老师及时给予我们知识的补充；显然那时的我们更像是一种知识的灌入状态，而毕业设计的过程则更注重的是自我的锻炼。我想倘若大学四年没有多次课程设计打下的坚实基础，可能我们要完成此次毕业设计就变成困难至极了。因此我在此对大学四年带过我课程设计的所有指导老师诚挚的道声谢谢！

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致 谢

写到这，代表了我的论文也将来接近尾声了。是的大学四年最后一个课程—毕业设计，在此将要接受老师们和同学们的检阅，无论做得好与不好，这个过程也是必须要经历的。首先对所有评阅的老师们表示感谢，我诚意接受你们的教导，也希望能得到你们对我努力的肯定。

如果说课程设计是一种体验，那毕业设计可以称得上是一种锻炼。记得课程设计的时候，指导老师们都是手把手的带着我们，每天我们会在指导老师的指导下在课室里完成任务。当我们不理解，不会做的时候，指导老师及时给予我们知识的补充；显然那时的我们更像是一种知识的灌入状态，而毕业设计的过程则更注重的是自我的锻炼。我想倘若大学四年没有多次课程设计打下的坚实基础，可能我们要完成此次毕业设计就变成困难至极了。因此我在此对大学四年带过我课程设计的所有指导老师诚挚的道声谢谢！

此次毕业设计，历时半年有余，我翻阅了大量的文献资料，查阅了大量的相关书籍；从没有头绪到渐渐发现思路，从不知如何下手到大胆尝试，从请教指导老师到自己独立思考，最终完成了我们这个课题的设计。

我能够完成除了自身努力外，还得到了指导老师唐可洪老师的细心指导，刘国光老师总会在关键的时候出现，并会及时督促我们的工作，严格要求我们，对我们每段时期的工作任务都认真把关；我想真心感谢给予我指导的XX老师。