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“