机械手说明书

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近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术

领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现

与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工

作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多

部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。例如：在机床加工，装配作业，劳动条件差，单调

重复易于疲劳的工作环境以及在危险场合下工作等。

随着工业技术的发展，工业机器人与机械手的应用范围不断扩大，其技术性能也在不断

提高。在国内，应用于生产实际的工业机器人特别是示教再现性机器人不断增多，而且计算机

控制的也有所应用。在国外应用于生产实际的工业机器人多为示教再现型机器人，而且计算机

控制的工业机器人占有相当比例。带有''触觉〃，''视觉〃等感觉的''智能机器人〃正处于研制开发

阶段。带有一定智能的工业机器人是工业机器人技术的发展方向。

第1章液压机械手总体方案设计

1.1机械手总体设计方案拟定

机械手是能够模仿人手的部分动作，按照给定的程序，轨迹和要求，实现自动抓取、

搬运或操作动作的自动化机械装置。在工业中应用的机械手称为“工业机械手”。能够配

合主机完成辅助性的工作，随着工业技术的发展，机械手能够独立地按照程序，自动重复

操作。

根据课题的要求，机械手需具备上料，翻转和转位等功能，并按照自动线的统一生产

节拍和生产纲领完成以上动作。设计可参考以下多种设计方案：

1.1.1采用直角坐标式，自动线呈直线布置，机械手在空中行走，按照顺序完成上料、翻

转、转位等功能c这种方案结构简单，自由度少，易于配线，但需要架空行走，

油液站不能固定，使得设计复杂程度增加，运动质量增大。

7777777

图1.1.1直角坐标式布局示意图

1.1.2机身采用立柱式，机械手侧面行走，按照顺序完成上料、翻转、转位的功能，自动

线仍成直线布置。这种方案可以集中设计液压站，易于实现电气，油路定点连接，

但是占地面积大，手臂悬伸量较大。

//'z/z/'/z

图1.1.2立柱式机械手布局示意图

1.1.3机身采用机座式，自动线围绕机座布置，顺序完成上料、翻转、转位等功能。这种

方案具有电液集中、占地面积小、可从地面抓取工件等优点。

图1.1.3机座式机械手布局示意图

1.2总体方案选定

抓取机构采用夹钳式。，送放机构将被抓取的物体送放到目的地，由手臂、手腕、等

装置组成。整个机构选用空间球体坐标系，有五个自由度。采用屈伸式布置…手腕作抓取

运动和回转运动，手爪采用平面指型结构，通过液后缸通油，推动活塞带动杠杆机构合拢

将工件加紧。

腕部用销轴将机械手定位在手臂上，并用螺母将其锁死，同时利用较链连接，一端与

液压伸缩缸的活塞杆相连，通过活塞的直线运动，带动腕部使其能够绕着回转销轴转动。

回转运动通过叶片式回转油缸的运动来实现。

手臂相对于机身可作回转运动，能有效地利用空间，并能绕过障碍物夹持和送放工件。

手臂采用液压直动缸驱动，作俯仰运动，具有体积小、可集中控制、反向运动灵活等优点。

回转工作台用齿轮传动机构，用电动机驱动，可以利用挡块定位，旦定位误差在

0.5~lmm。具有结构简单、传递扭矩大、传动效率高等特点。

图1.21液压机械手

本设计的液压机械手有五个自由度，包括机械手的抓取、回转，手臂的拉伸、俯仰和回转

工匕台的回转五个动作。其中将机械手抓取和回转运动的液压传动集成设计，既能使得设计紧

凑，又能使液压油路集中控制。便于安装及维护，而且编排和改变控制程序容易，使用方便。

液压机械手主要参数设计：

液压机械手的主要参数可分为基本参数、（用于说明机械手主要性能的参数）、规格参数（标

牌上标注的参数）、液压参数（液压系统设计参数）。

基本参数：

1.抓重

机械手的抓重是手臂所能抓取的物件的最大重量，而该液压机械手是用于R175柴油机机

体生产自动线上，主要的加工对象是柴油机机体，根据柴油机的外形参数250X170X140mm而

柴油机机体选用的材料是铸铁，密度为O.Olg/mm?

柴油机机体的壁厚一般为15~25mm所以，可算出机体本身的质量为12Kg,机械手应该有

流量为4.5L/min

P\=p+^i=1.2+0.3=1.5MPa

qP=/p(7=l.lx4.5=4.95如吊

符合设计的要求。

因此拟定的液压系统方案中，油压参数定位1.6MPa0

第2章执行机构的设计

2.1抓取机构的设计

抓取机构的工作原理

工业机械手的抓取机构又称手部，是用来直接抓取工件或握持工件的部件。

本设计采用的是夹钳式机械手，通过液压缸内活塞的直线运动带动杠杆机构和手爪，紧紧的包

络，用包络力和摩擦力对工件施加完全约束，使得工件相对于手爪固定，完成抓取任务。

2.L1夹持力的计算

当机械手水平夹持工件时

图2.11水平夹持物体受力图

根据手指受力分析，可得:

H

v“4nNb=R、(b——)

ZA/rtl(F)=06

H

ZM02(F)=0Nb=R也+&3+—)

联立可解得:

、,3L1「

N=(——+一)G

H2

N夹紧工件所需的力；G工件的重力；L,H尺寸。

根据任务书的要求，代入G=15Kg,并取L=50mm,H=80mm.

N=(巴亚+!)150=356.25

可得：802N

因工件在传输的过程中会产生惯性力，震动等影响，故实际力

〃机械效率，〃=0.85~0.95取"=0.9

治安全系数，&=i.2~2取6二1.5

（工作情况系数，yi+a/g

位356.25x3方

890

0.9

N

2.1.2液压缸驱动力的设计计算

D

图2.12液压缸驱动手爪受力图

P=2Rsina

Rh=MRi

因为/?=lBCCOSa=lBCCOS(\^-p-y+a)=lBCCOS(p+/-«)

R=N实cos0

八i.2/sinacos。

户=2Rsina=------------•Nxr

所以/co«£+7—a)

Z=36

由结构设计可得a=l°"=50"=120°,/cD=130mm,^mm。

2x130sin10cos50

P=x890a763

36xcos160N

a=10"=5(T，7=12(r,/e=130mm,L=36mm。

2.1.3夹紧液压缸主要尺寸的确定

P驱动力,Pi系统工作压力取Pi=16N/mm2,以机械效率取心=0.9

Z)=1.13J763=25.95

V1.6x0.9

按照JR-826-66的标准，取D=30mm,d=10mm

液压缸壁厚的确定

根据2㈤

P。试验压力，Pp=L3xL6=2.08Mpa

［可许用应力选取30钢为液压缸材料，可得［可=200MPa

,2.08x30…

o=------------=0.15

将数据代入：2x200mm

根据工艺的要求，取8=10mm

液压缸外径及长度的确定：

D。=D+26=50mm

长度”（2。~3。）。0取/=60mm

2.1.4液压活塞缸的设计

已知：1.活塞液压缸D=30mm,d=10mm,=Z=60mm

选用30钢材料。

2.活塞杆选用45钢，活塞直径的d计算与校核：

cr

查机械材料手册可以得到：b=355MPa/°-s=600MPa；

4F4x890

心］万x253.6

根据GB/T2348-1993选定的活塞杆：D=1°mm

r14F4X890IN.

CT=——7=------r=10.5

所以："»xl0~mm

［。］<<生活塞杆的强度符合设计要求

3.活塞：选用20钢材料。考虑到密封和紧固，将活塞设计成如下

图2.1.4.1活塞

密封件采用标准件，所以活塞上开槽的尺寸就可以确定了。

活塞的密封采用Y型密封圈，Y型密封圈是一种密封性、稳定性和耐压性较好，摩擦力小、

寿令较长的密封圈。它能用于往复运动的密封，特别是动密封处。当受到油压作用时，Y型密

封圈的二唇边就紧紧地贴压到缸筒和活塞壁上而起到密封的作用。

活塞与活塞杆的连接采用活塞杆的轴肩定位，并用调整垫片调节松紧程度。利用开槽圆螺

母将其锁紧，

圆螺母的选择：由于活塞杆的直径己确定为①1°,轴肩的高度为1mm,可以采用公称直径为

M8的圆螺母。查标准GB/T6179-1986可得：

图2.1.4.2开槽圆螺用

同时，查GB/T91-2000与其相配合使用的是开口销2x16。材料为Q215或Q235。

图2.1.4.3开口销

4.本设计采用弹簧使抓取液压缸夏位。根据弹簧设计计算公式:

图2.1.4.4弹簧受力图

根据弹簧的强度条件选择弹簧钢丝的直径：

因弹簧在一般载荷条件下工作，可以按照第三类弹簧来考虑，现选用弹簧钢丝为C级，并

根据°2一°428-25=3估计弹簧的直径为3mm,查表可得％=1570“pa,可以算得

[r]=0.8x0.5xo-fl=628Mpa

选取旋绕比C=6则由：

“4C-10.6154x6-10.615…

K=-------+-------=----------+-------n1.25

4C-4C4x6-46

1久/800X1.25X6,.

d>1.6;=1.6x.----------------=3.9Q2

V[r]V628

选取d'=4mm,查得&不变，故团不变，取O=25mm

C=—=6.25

则4

计算得K=1.26

F,KC।,800x1.26x6.25,

d'>\.6『F=L6x--------------------=3.oooo

lr\628

与原值相近，所以取d'=4mm

弹簧的大径2=25+4=29mm

800-180=678

r4-417-7.5

取G=82000MPa

GdA82000x3.24),

n=--------=----------------=4.6

则8。法尸8x25,x16.8

取〃二5

弹簧校核：根据：笈二6—.

综合上述两式可得：°。=106.48<150例外

符合设计的要求。

极限工作应力：取吟im=0・56%

rIn=0.56、15700=879.2A74

片=也显=585

极限工作载荷：8DKMPa

查标准GB/T1239.6-1992选取弹簧的截面直径为4mm,中径为28mm,自由高度为11mm。

有效圈数为5圈。选用弹簧的材料为65Mn,弹簧硬度要达到45~50HRC.

图2.L4.5弹簧

5.抓取液压缸端盖:

图2.L4.6液压缸端前

。型密封圈具有结构简单，截面尺寸小，密封性能好，摩擦系数小，容易制造等特点，可

用于静密封和滑动密封。其结构简单紧凑，摩擦力比其他密封圈小，安装方便，价格便宜，可

在-40~120。C温度范围内工作，使用的速度范围是O.OO5~O.3m/s。适用于本设计，因此采用O

型圈密封。聚四氟乙烯是一种新型塑性材料，摩擦系数极小，耐磨性好，并且能在干性和油性

的环境下工作。所以添加了聚四氟乙烯制成的密封导向环，不仅能够阻隔各种杂物，还能起到

密封的效果。

端盖采用的是法兰式的连接，这种结构简单，加工方便，连接可靠。缸筒端部可用铸造。

管道尺寸的计算和确定：

油管的内径是根据管内允许的流速和所通过的流量来确定的：

d=叵

即：口。

式中：4一一通过油管的流量；%一—油管中允许的流速。

而压力管道内的流速取%=5m/s。计算所得根据GB/T1047-1995可得到管径为

v=3

omm

6.管接头的选择：

扩口式管接头适用于薄壁钢管，接头采用55°密封管螺纹，由内外螺纹的配合能够具有密

封性。gGB/T3747.1-1983可得:

图2.1.4.7管接头

回转缸设计

本设计采用单叶片式回转缸，它由定子块，缸体，叶片，回转轴组成，其中定子块固定在

缸体上，叶片和回转轴固定在一起。当液压油从一个入口进入缸体的时候，叶片被推动并带动

回转轴转动，同理，从相反的入口进入能使其逆向转动。单叶片式回转缸结构紧凑，输出的扭

矩大，能够用于中低压的系统作往复运动。

考虑到摆动缸的容积效率瞑和机械效率以叫叶片式摆动缸轴输出扭矩7

Zb(D、d]

式中：Z——叶片数;

b叶片宽度;

D-----缸体内孔直径;

d-----叶片轴直径:

Pi.........缸的进口压力;

P1-----缸的出口压力;

q—缸的输入量。

该设计选用1.6MPa的油月,而出口的回油压力约为0.2MPac为了方便固定叶片,叶片轴

的直径初步定为"=25mm

图2.1.4.8回转缸剖面图

叶片与叶片轴之间采用销进行定位，为了方便拆装和维修，选用内螺纹圆锥销，底部的螺

纹孔可起到拔销的作用。查GB/T118-2000选取A型内螺纹圆锥销，GB/T1186X24

图2.149内螺纹圆锌销

本设计采用伸缩缸和回转缸复合，回转缸的回转轴是由活塞缸的后端部构成的，这种设计

结构紧凑，操作方便，特别是对于液压系统能够集中控制。

图2.1.4.10机械手抓取机构

如图所示，液压叶片回转缸的回转轴与液压活塞缸做成一个整体，使得结构非常紧凑，轴

向尺寸小，液压系统的油路布置清晰，密封的环节可以集中处理，便于检修和维护。

2.2机械手手腕部设计:

图2.2.1机械手腕部外观图

液压机械手的腕部利用销轴较接在机械手臂上，使其能够绕着销轴转动。为了保证销轴回

转精度和延长使用寿命，在销轴与手臂之间设一个耐磨的青铜轴套，轴套与机械手臂之间的配

H1

合采用基孔制标，而轴套与轴之间回转的过程中会产生热量，引起销轴的变形，因此，选用

“8

/7的配合。

腕部采用液压活塞缸驱动，固定在腕部的连杆与液压活塞缸的活塞杆相连接，通过活塞杆

的直线运动来驱动机械手腕部转动。

伸缩缸选择：考虑到该设计手腕部所需的回转扭矩较小，拟选用YY_CA_B32-100-0.0001液

压缸

活塞杆外端形式选择:

图222活塞杆接头

安装的结构为校制接头，孔径为020mm,活塞杆的直径为020mm。

液压缸用双耳环支座安装：

25

58

图2.2.3液压缸安装支座

双耳环支座的参数如图所示。

2.3机械手臂设计

俯仰运动时驱动力的计算

图2.3.1手臂受力图

M=Pbcos(%+4)

4。_BC

tanal=

~oj5~~oJ5

B、C=bcos/7]-a0]D=c+bsin/3}

bcos^-a

a=arctan1

}c+hsin0、

一zzbcos/?,-a.

M=Pbcos(arctan------------+j

c+hsinI

而P作用于活塞上的卵动力:

P液压缸的工作力；

D活塞缸的内径；

P封密封装置的摩擦阻力

P被非工作缸的油压(背压)

当手臂处在俯角屋的位置时，驱动力矩为:

M=Pbcos(%/2)

A^E

tan%-

~OJE~O.C-EC

A2E-B2C-OB2-OC-bcos/?2-<7

O}C=c

EC=A2B2=bsin/72

bcos。、-a

a、=arctan------------

c-bs\nP2

-z,bcos/?-,-ac、

M=Pbcos(arctan-------------fl2)

c-hs\nPz~

当手臂处在水平位置时，£=°,驱动力矩为

-e/b一。、

M=Pbcos(arctan------)

c

手臂俯仰时的驱动力矩，应克服手臂部件及工件的重量对回转轴线所产生的偏重力矩、手

臂启动时的惯性力矩以及各回转副的摩擦力矩，即

材偏手臂作俯仰运动时的偏心力矩，手臂上仰为正，下俯为负；

M惯手臂做俯仰运动的惯性力矩；

M摩手臂作俯仰运动时，各运动副的摩擦力矩；

可以初步确定机械手臂的尺寸。

图2.3.2手臂

对手臂受力进行计算

Fh+Fx+T=0

同理，在竖直方向上的力平衡：Zy二°

N+Fy-G-Fv=O

手臂上的所有力对于0点力矩平衡：EM二°

Fvx0.476-Fhx0.392+ATx0.241+7x0.291=0

FV=353N

…3N

2.4机械手底座机身设计

底座机身设计有安装耳环，液压缸的耳环与机身底座通过销轴较接，用螺栓锁死。既能够

满足液压缸在机身上的定位要求，又能够保证液压缸在回转和直线运动中不会偏转。机身的设

计如图所示：

0

图2.4.1机械手底座

具体设“机身底座的参数如下:

图2.4.2底座

2.5回转工作台设计

回转工作台安装：

回转工作台的箱体设计有光孔，并安底座。因此机械手的底座可以安放在工作台上或支

架平台上。箱体材料为I1T200中等强度的灰铸铁，需时效处理。

定位方式：该设计采用行程开关与机械挡块相结合进行定位。当机械手臂回转到设定的角

度时，碰上挡铁，压下行程开关，通过压力继电器发出信号给时间继电器，使得机械手停留一

段时间再开始下一个的动作。停留的时间由时间继电器来调定的。挡铁的设置主要是保证回转

角度的精度。

齿轮传动：

图251圆锥直齿轮传动

用轴交角=90。的一对圆锥直齿轮将扭矩由沿水平方向转换成竖直方向。

选取齿轮材料为45钢，经调质处理后表面淬火，硬度达到40~50HRC。

采用直尺锥齿轮，它具有齿形简单，制造容易，成本较低等特点。

齿轮的轴向定位

要保证正确啮合，齿轮在轴上的位置应该可靠，空套齿轮和固定在轴上的齿轮的轴

向定位可采用隔套定位。利用齿轮压板将齿轮进行轴向定位和紧固。

图2.5.2齿轮轴向定位

轴：传动轴除应满足强度要求外，还应满足刚度要求。强度要求保证轴在反复载荷和扭转

载荷作用下不发生疲劳破坏。回转台的主传动系统精度要求不高，允许有少量的变形，因

此，疲劳强度一般不是主要矛盾，除载荷很大的情况下，可以不必验算轴的强度。刚度要

求保证轴在载荷下不致产生过大的变形(弯曲，失稳，转角)。若刚度不足，轴上的零件

如齿轮，轴承等将由于轴的变形过大而不能正常工作，或产生振动和噪声，发热，过早磨

损而失效。因此，必须保证轴有足够的刚度。可以先扭转刚度估算轴的直径，再根据受力

情况，结构布置和有关尺寸，验算弯曲刚度。

轴选用的材料为45钢，通过调质处理，使硬度达到200~240HBs

d……计算剖面处轴的直径(mm)

团-一轴的许用应力(MPa)

轴传递的额定扭矩(N・mm2)

查表得：T】=35MPaT=9550000

d*任〉3,5x9550000

计算可得轴的直径加］一V35000=18mm

取安全系数［q=1.5

所以d=27mm将轴径进行圆整，取d=30mm

按许用弯曲应力来校核该轴：

JM2+(aT)2.

d3

o.....计算面上的工作应力

M.....计算截而上的合成弯矩

T-----轴计算面上的转矩

a-----根据转应力变化的校正系数

。"----许用疲劳应力

根据0=尸〃=5.5x0.97=5.3.

“3=/?1x-J-=58

1r/min

对于轴的受力情况，在轴向受到

转应力为脉动循环，因此取a-=0.7

查手册可得0'尸。7-=9550000%

I。j4073502+(0.7x9550『

70，=19.8"&<60MPa

按照刚度校核轴：

轴的弯曲变形的条件和允许值

机床的主传动轴的弯曲刚度验算，主要验算轴上装齿轮和轴承出的挠度y和倾角6。各类

轴的挠度y,装齿轮和轴承处的倾角/应小于弯曲刚度的许用值加和网，即

”网

轴的弯曲变形的允许值:

轴的类型允许挠度变形部位允许倾向

一般传动轴(0.0003-0.0005)装轴承处，装齿0.00250.0001

轮处

刚度要求较高的0.00021装单列圆锥滚子0.0006

轴轴承

安装齿轮的轴(0.01-0.03)装滑动轴承处0.001

该设计的回转工作台要求的同转精度不高，通过挡铁定位，对于运动的平稳性要求也不高，且

转速不高。因此，设计结构简单，定位可靠，轴上不需要开槽、估孔和切制螺纹，因此不影响

轴的疲劳强度，而且结构重量轻。

图2.5.3^fl|

对于回转台回转所需的扭矩较大，轴上采用花键来传递扭矩。本设计选用矩形花键，以其承载

能力高、定心性及导向性好。

矩形花键轴：平均直径4=(D+d)/2

4(647

当量直径办=兀

-/+6z(。-d)(0+d)2

惯性矩：I=64

花键的校核：

花键的受力是在侧面，因此，其主要的失效形式是表面被压溃，花键的连接强度为：

_27x103

*(p2hldm

根据GB/T1144-2001选取轻系列的8X32X36X6;8X42X46X8二种类型的花键。为了避免齿轮在

花键上滑移而影响定位精度，可在轴上开螺纹孔，通过螺栓将齿轮固定在花键上。

滚动轴承计算与选择

a,寿命计算公式：

滚动轴承的寿命计算公式如下：

呜’

式中：L一额定寿命(xlO6)转

c一额定动载荷（Kgf）

P一当量负载荷（Kgf）

£一一寿命指数，对球轴承£=3对滚子轴承£=10/3

在实际计算中，一般采用工作小时数表示轴承的额定寿命，这时上试可变为:

4=[60"

式中：人一额定寿命（h）

n-轴承的计算转速（r/min）

当量动载荷P=X乙+Y工

式中：'一径向负荷（Kgf）

入一轴向负荷（Kgf）

X一径向系数

Y一轴向系数

（2）按照负载荷选择轴承

按额定静负载选择轴承的基本公式如下：

式中：《一当量静负荷（Kgf）按下列两式计算，取大值

%=篦+乂£Po=E.

°。一额定静负荷（kgf）

邑一安全系数

电机选择：电动机一般由专业工厂按标准系列成批大量生产.在机械设计中，根据工作载荷、

工传要求、工作环境、安装要求及尺寸、重量有无特殊限制等条件从产品目录中选择电动机的

类型和结构型式、容量和转速、并确定其具体型号.

一般将电动机的选择分三个步骤

1.选择电动机的类型和结构型式。

2.选择电动机的容量。

3.确定电动机的转速。

1）步进电机的工作原理：

步进电机有转子、定子和定子绕组。定子绕组分若干相，每相的磁极上有极齿，转子在

轴向上有若干个齿。当每相定子绕组通以直流电激磁以后便能够吸引转子的齿与定子上的极齿

对齐，因此它是按照电磁体的作用原理进行工作的。

步距角。=360/mzQ其中m为相绕组，z为转子齿数，k为通电方式系数。

2）步进电机的工作特点：

A、步进电机受脉冲电流的控制，其转子的角位移和角速度严格地与输入脉冲的数量和脉冲频

率成正比，改变通电顺序可以改变步进电机的旋转方向；

B、维持控制绕组的电流不变，电机便停在某个位置上不动，即步进电机有自整的能力，不需

要机械制动；

C、有一定的步距精度，没有累积误差；

D、其缺点是效率低、拖动负载的能力不变、脉冲当量（步距角）不能够太小、调速范围不大、

最高输入频率一般不超过18000HZo

步进电机选择

a、计算步进电机的负载转矩图

T=36—

'"-2M4例・cm）

式中：5P--------脉冲当量（mm/step）；

Fm-------进给牵引力（N）；

4------------步距角，初选双拍制为0.75°；

〃--------电机—丝杠的传动效率，为齿轮、轴承、丝杠效率之积，分别为0.98,0.99,

0.99和0.94o

T二36b〃£,二36x0.01x1799.134

152.307

2汨“7-2^x0.75x0.98x0.99x0.99x0.94

N•cm

b、估算步进电机的起动转矩4

品=*二而69'

*cm

C、计算最大静转矩%max

查表取五相十拍，则

2号鬻”

N•cm

d、计算步进电机运行频率'和最高起