碼垛機械手二維及三維圖紙設計+說明書
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目錄
摘 要 1
ABSTRACT 1
第一章 緒 論 1
1.1 前言 1
1.2 機械手的簡史 1
1.3 工業機械手在生產中的應用 2
1.4 機械手的組成 3
1.4.1 執行機構 3
1.4.2 驅動機構 4
1.4.3 控制系統分類 4
1.5 機械手的發展趨勢 4
1.5.1 國外機械手領域發展趨勢： 4
1.5.2 我國機械手領域的現狀及發展: 4
1.6碼垛機械手 5
1.7本章小結 5
第二章 機械手的總體設計方案 6
2.1 機械手基本形式的選擇 6
2.2 機械手的主要部件及運動 7
2.3 驅動機構的選擇 7
2.4 機械手的技術參數列表 7
2.5 手臂的配置形式 7
2.6 位置檢測裝置的選擇 8
2.7 本章小結 8
第三章 機械手手部的設計計算 10
3.1 概述 10
3.2 設計時應考慮的幾個問題 10
3.3 手部設計基本要求 10
3.4 典型的手部結構 11
3.5 機械手手抓的設計計算 11
3.5.1 選擇手抓的類型及夾緊裝置 11
3.5.2 手抓的力學分析 11
3.5.3 夾緊力及驅動力的計算 13
3.5本章小結 14
第四章 腕部的設計計算 15
4.1 腕部設計的基本要求 15
4.2 腕部的設計計算 15
4.2.1 腕部設計考慮的參數 15
4.2.2 腕部的驅動力矩計算 15
4.3 本章小結 16
第五章 臂部的設計及有關計算 17
5.1 臂部設計的基本要求 17
5.1.1手臂動作應該靈活 17
5.2 手臂的典型機構以及結構的選擇 18
5.2.1 手臂的典型運動機構 18
5.2.2 手臂運動機構的選擇 18
5.3 手臂直線運動的驅動力計算 18
5.3.1 手臂摩擦力的分析與計算 18
5.3.2密封裝置的摩擦阻力 19
5.4本章小結 19
第六章 機身的設計計算 20
6.1 機身的整體設計 20
6.2 機身回轉機構的設計計算 21
6.3 機身升降機構的計算 21
6.3.1 手臂偏重力矩的計算 21
6.3.2 手臂做升降運動驅動力的計算 23
6.4 軸承的選擇分析 23
6.5 齒輪的選型 24
6.6 本章小結 25
第七章 絲桿設計 26
7.1滾珠絲杠副的設計計算 26
7.2電機的選擇 27
7.2. 1電機的選型條件 27
7. 2. 2電機的選擇 27
第八章 結論 28
摘要
在現代工業中，生產過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業的自動化水平越來越高，現代化加工車間，常配有機械手，以提高生產效率，完成工人難以完成的或者危險工作 。
隨著工業自動化發展的需要，機械手在工業應用中越來越重要。用于再現人手的的功能 的技術裝置稱為機械手。機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現自 動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業生產中應用的機械手被稱為工業機械手。文章 主要敘述了機械手的設計計算過程 。
首先，本文介紹碼垛機械手的作用，碼垛機械手的組成和分類，說明了自由度和機械手 整體座標的形式。同時，本文給出了這臺機械手的主要性能規格參量。
文章中介紹了碼垛機械手的設計理論與方法。全面詳盡的討論了碼垛機械手的手部、腕 部、手臂以及機身等主要部件的結構設計。
關鍵詞：碼垛機械手，電機，絲桿螺母傳動。
28
ABSTRACT
In modern industry, the automation of the production process has become a prominent theme.Increasingly high level of automation in all walks of life, modern processing plant, often with a mechanical hand in order to improve production efficiency, to complete it hard for workers to complete the work or risk
With the development needs of industrial automation, mechanical hand more and more important in industrial applications.Used to reproduce the function of the technical staff of the device is called robot.Robot is modeled on the part of staffing action, according to a given program, automatically track and requirements capture, handling or operation of the automatic mechanical devices.Application in industrial production is known as industrial robot manipulator.This paper mainly describes the design of the manipulator calculation.
First, the article describes the role of robot palletizing, robotic palletizing composition and classification, indicating the degree of freedom and the coordinates in the form of the whole manipulator.Meanwhile, this paper, the machinery of the main performance specifications of hand parameters.
Article describes the robot palletizer design theory and methods.Comprehensive and detailed discussion of the palletizing robot's hand, wrist, arm and body and other major components of the structural design.
Key words: Palletizer robot, motor, screw nut transmission.
第一章 緒 論
1.1 前言
用于再現人手的的功能的技術裝置稱為機械手。機械手是模仿著人手的部分動作，按給 定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業生產中應用的機械 手被稱為工業機器手。
工業機械手是近代自動控制領域中出現的一項新技術，并已成為現代機械制造生產系統 中的一個重要組成部分，這種新技術發展很快，逐漸成為一門新興的學科——機械手工程。 機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科 學領域，是一門跨學科綜合技術。
工業機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動生產設備。工業機械手也是工業機器 人的一個重要分支。它的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業，在構造和性能上兼有 人和機器各自的優點，尤其體現在人的智能和適應性。機械手作業的準確性和環境中完成作 業的能力，在國民經濟領域有著廣泛的發展空間。
機械手的發展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操 作；其二、它能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝 卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著 的提高了勞動生產率，加快實現工業生產機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重 視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性 和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發展，并且取得一定的效果，受 到機械工業的重視。
機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可以搬 運物體以完成在不同環境中的工作。
機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強。 隨著工業技術的發展，制成了能夠獨 立的按程序控制實現重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械 手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中 小批量生產中獲得廣泛的引用。
1.2 機械手的簡史
現代工業機械手起源于 20 世紀 50 年代初，是基于示教再現和主從控制方式、能適應產 品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產品。
機械手首先是從美國開始研制的。1958 年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手。他的 結構是：機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統是示教型的。 1962 年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎之上又試制成一臺數控示教再現型機械手。商 名為 Unimate(即萬能自動)。運動系統仿造坦克炮塔，臂回轉、俯仰，用液壓驅動；控制系
統用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標式通用機械手就是在這個基礎上發展起來的。同年該公司 和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產工業機械手。
1962 年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫 Versatran 機械手，原意是靈活搬運。該機 械手的中央立柱可以回轉，臂可以回轉、升降、伸縮、采用液壓驅動，控制系統也是示教再 現型。雖然這兩種機械手出現在六十年代初，但都是國外工業機械手發展的基礎。
1978 年美國 Unimate 公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯合研制一種 Unimate-Vic-arm 型工業機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業，定位誤差可小于±1 毫米。美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結構，降低成本。如 Unimate 公司建立了 8 年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指 一臺設備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由 400 小時提高到1500 小時，精度可提高到±0.1 毫米。
德國機器制造業是從 1970 年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下 料等作業。德國 KnKa 公司還生產一種點焊機械手，采用關節式結構和程序控制。
瑞士 RETAB 公司生產一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。 瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。 日本是工業機械手發展最快、應用最多的國家。自 1969 年從美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據報道，1979 年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位 多達 50 多個。1976 年個大學和國家研究部門用在機械手的研究費用 42%。1979 年日本機械 手的產值達 443 億日元，產量為 14535 臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達 222 億日元，是 1978 年的二倍。具有記憶功能的機械手產值約為 67 億日元，比 1978 年增長 50%。智能機械手約為 17 億日元，為 1978 年的 6 倍。截止 1979 年，機械手累計產量達 56900 臺。 在數量上已占世界首位，約占 70%，并以每年 50%～60%的速度增長。使用機械手最多的是汽 車工業，其次是電機、電器。預計到 1990 年將有 55 萬機器人在工作。
第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統，具有視覺、觸覺能力， 甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。 目前國外已經出現了觸覺和視覺機械手。
第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設 備保持聯系。并逐步發展成為柔性制造系統 FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制 造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環。
隨著工業機器手（機械人）研究制造和應用的擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐 美各國和其他國家學術交流活動開展很多。
1.3 工業機械手在生產中的應用
機械手是工業自動控制領域中經常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作， 如搬物、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛廣泛。
在現代工業中，生產過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業的自動化水平越來越 高，現代化加工車間，常配有機械手，以提高生產效率，完成工人難以完成的或者危險的工 作?？稍跈C械工業中，加工、裝配等生產很大程度上不是連續的。據資料介紹，美國生產的 全部工業零件中，有 75%是小批量生產；金屬加工生產批量中有四分之三在 50 件以下，零件 真正在機床上加工的時間僅占零件生產時間的 5%。從這里可以看出，裝卸、搬運等工序機械 化的迫切性，工業機械手就是為實現這些工序的自動化而產生的。目前在我國機械手常用于 完成的工作有：注塑工業中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個生產工序；機械手 加工行業中用于取料、送料；澆鑄行業中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠實現這類工作 的搬運機械手為研究對象。下面具體說明機械手在工業方面的應用。
1.4 機械手的組成
工業機械手由執行機構、驅動機構和控制機構三部分組成
1.4.1 執行機構
1）手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平動型（多為回轉型，因其結構簡 單）。手部多為兩指（也有多指）；根據需要分為外抓式和內抓式兩種；也可以用負壓式或真 空式的空氣吸盤（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。
傳力機構形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、 絲杠螺母式、彈簧式和重力式。
2）腕部 可用來調節被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈 巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設有 回轉運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡 化結構，可以不設腕部
目前，應用最為廣泛的手腕回轉運動機構為回轉液壓（氣）缸，它的結構緊湊，靈巧但 回轉角度?。ㄒ话阈∮?2700）,并且要求嚴格密封，否則就難保證穩定的輸出扭距。因此在 要求較大回轉角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結構。
3）臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或 夾具），并帶動他們做空間運動。
臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態（方位）， 則用腕部的自由度加以實現。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手 臂的伸縮、左右旋轉、升降（或俯仰）運動。
手臂的各種運動通常用驅動機構（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構來實現，從臂部 的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動較為多， 受力復雜。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的 工作性能。
4）立柱 立柱式支承手臂的部件，立柱野可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降
運動均與立柱有密切的聯系。機械手的立柱通常為固定不動的，但因工作需要，有時也可作 橫向移動，即稱為可移式立柱。
5） 機座 機座是機械手的基礎部分，機械手執行機構的各部件和驅動系統均安裝于機 座上，故起支撐和連接的作用
1.4.2 驅動機構
驅動機構是工業機械手的重要組成部分。根據動力源的不同, 工業機械手的驅動機構大 致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。采用液壓機構驅動機械手,結構簡單、尺寸 緊湊、重量輕、控制方便。
1.4.3 控制系統分類
在機械手的控制上，有點動控制和連續控制兩種方式。大多數用插銷板進行點位控制， 也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。 主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。
1.5 機械手的發展趨勢
1.5.1 國外機械手領域發展趨勢：
目前國外已經出現了觸覺和視覺機械手。第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算 機控制系統，具有視覺觸覺能力，甚至聽想的能力。研究安裝各種傳感器，能把感覺到的信 息反饋，使機械手具有感覺機能。 國外也出現了第三代機械手，它能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設 備保持聯系。并逐步發展成為柔性制造系統FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環。
1.5.2 我國機械手領域的現狀及發展:
1）碼垛機器人的市場需求
目前，在通貨膨脹、人力成本逐漸升高的經濟背景下，從現有國內啤酒、飲料工業的發展趨勢來看，機器人需求量將相當可觀。業界已給出高度的評價和關注。據有關數據顯示，市場每年的需求在 150 臺套以上。每年可為啤酒、飲料包裝行業增加產值 1.5 億元，既可帶
動相關產業鏈同步發展，又對推進社會進步和科技創新具有著深遠的社會意義。 我國啤酒、 飲料行業有數百家生產廠家、數千條 20，000 瓶/小時和數百條 40，000 瓶/小時包裝生產線。 大部分生產線是人工碼垛人庫，工人勞動強度大，工傷事故率高，增加了啤酒、飲料企業的 生產管理成本。近年來，一些大型啤酒、飲料企業，特別是新建工廠，開始購置碼垛設備， 需求量增長幅度較大。
2） 碼垛機械手技術的發展
①寶雞新科機械制造有限公司在熱縮膜包裝機、40/60 型紙箱包裝機上成功地應用了 4-7 軸伺服電機驅動、PLC、人機界面，CAN 總線技術，技術水平已與國際同步，可與機器人配套
使用。 ②機械設計采用目前國際流行的適于精密控制用的行星減速機，減速比 1:192~256， 瞬時輸出扭矩可達到 16,OOONm，額定扭矩 8,OOONm，特別適用于重載機器人。 ③針對每分 鐘碼垛 70 箱，即每小時完成 4,200 箱的生產能力要求，理論上可以碼垛 50,400 瓶/小時，
可以滿足目前國內啤酒飲料 40,000 瓶/小時的啤酒飲料灌裝生產線的需要。 3） 碼垛機械手的發展趨勢
近幾年，啤酒、飲料、乳品等食品行業經歷了前所未有的高速增長，然而隨著原料、包 裝、物流、營銷、人力等成本的不斷上漲，國內外對節能環保要求的提高以及產業集團化、 規模化和國際化進程的加快，啤酒、飲料、乳品等食品企業正面臨著成本控制和產品升級換 代的挑戰。同時消費者對產品質量和多樣化的要求越來越高，生產工藝和設備革新也勢在必 行。 新技術、新設備、新材料不僅可幫助企業根據各自的需求和企業文化開發個性化的產 品和包裝，而且可以降低原材料、設備和生產能耗等成本，增加企業的產品競爭力。
1.6碼垛機械手
碼垛機械手的能力比普通機械式碼垛、人力都還要高。結構非常簡單，所以故障率低，容易保養，維修。主要構成零件少，配件少，所以維持費用很低。碼垛機械手可以設置在狹窄的空間，即可有效的使用。全部控制可在控制柜屏幕上操作即可，操作非常簡單。通用性強：通過更換機械手的抓手即可完成對不同貨物的碼垛及拆垛，相對降低了客戶的購買成本。
本設備適應于化工、飲料、食品、啤酒、塑料等自動生產企業；對各種紙箱、袋裝、罐裝、啤酒箱等各種形狀的包裝都適應。機械手碼垛的程序里所需要定位的只有兩點，1個是抓起點，1個是擺放點，這兩點之間以外的軌道全由電腦來控制，電腦自己會尋找這兩點的最合理的軌道來移動，所以編程方法極為簡單。而其他廠家的機器手從抓起點到擺放點之間必須設定5至6個通過點，機器手必須通過這些點來移動，導致編程方法操作方法復雜、難解。
目前國內已經有了多家的碼垛機械手生產企業，這些企業的出現使得進口產品的價格下降很多，促進了碼垛機械手的廣泛應用，但是這些企業的產品在性能上與進口產品還有一定的差距，同時很多企業的產品的控制系統都是購買國外的，這就受制于國外。
目前國內也有許多做運動控制或者數控系統的企業也看到了這已市場，有個別企業推出了自己的碼垛機械手控制系統，而且在市場取得了一定的成績，比如濟南凌康數控技術有限公司等公司。他們把運動控制和數控技術應用到碼垛機械手的控制上，取代了替代進口系統的作用，同時也比PLC開發的系統性能要好許多。
1.7本章小結
本文研究了國內外機械手發展的現狀，通過學習機械手的工作原理，熟悉了碼垛機械手 的運動機理。在此基礎上，確定了碼垛機械手的基本系統結構，對碼垛機械手的運動進行了 單的力學模型分析，完成了機械手機械方面的設計工作（包括傳動部分、執行部分、驅動 部分）的設計工作。
第二章 機械手的總體設計方案
本課題是碼垛機械手的設計。本設計主要任務是完成機械手的結構方面設計。在本章中對機械手的座標形式、自由度、驅動機構等進行了確定。因此，在機械手的執行機構、驅動機構是本次設計的主要任務，然后通過軟件對碼垛機械手的運行進行簡單的運動仿真。
設計要求：
碼垛機械手應用于包裝機械行業，現在最新型的碼垛機器人結構簡單、體積小、重量輕、速度快、安全、節能美觀，整機功率小比傳統的碼垛機在電能上每年可以節省 10 萬以上。并且可以大大的縮短生產線的長度，減少設備量，簡化工作程序。
2.1 機械手基本形式的選擇
常見的工業機械手根據手臂的動作形態,按坐標形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標型機械手;(2)圓柱坐標型機械手; ( 3)球坐標(極坐標)型機械手; (4)多關節型機機械手。其中圓柱坐標型機械手結構簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設計采用圓柱坐標型。圖1是碼垛機械手圖。
圖1碼垛機械手
2.2 機械手的主要部件及運動
在圓柱坐在圓柱坐標式機械手的基本方案選定后，根據設計任務，為了滿足設計要求， 本設計關于機械手具有4個自由度既：手抓張合；手臂伸縮；手臂回轉；手臂升降4個主要運 動。
本設計機械手主要由3個大部件、2個液壓缸、一個絲桿螺母副組成：（1）手部，采用一個直線液壓缸，通過機構運動實現手抓的張合。（2）臂部，采用直線缸來實現手臂平動（3）機身，采用一個 絲桿螺母副來實現手臂升降和回轉。
2.3 驅動機構的選擇
驅動機構是工業機械手的重要組成部分, 工業機械手的性能價格比在很大程度上取決 于驅動方案及其裝置。根據動力源的不同, 工業機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、 電動和機械驅動等四類。采用氣動機構驅動機械手,結構簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方 便，動作迅捷等優點。因此，機械手的驅動方案選擇氣壓驅動。如圖所示：
2.4 機械手的技術參數列表
1）用途：碼垛箱體
2）設計要求: 機械手裝置總裝配圖一張，若干部件圖和零件圖， 設計計算說明書一本。
3）設計技術參數:
1、抓重: 20-200kg
2、自由度數:4自由度
3、座標型式:圓柱座標
4、最大工作半徑:3m
5、手臂運動參數 伸縮行300mm
6.升降行程：980mm
7.回轉范圍: 0-360°。
2.5 手臂的配置形式
機械手的手臂配置形式基本上反映了它的總體布局。運動要求、操作環境、工作對象的 不同，手臂的配置形式也不盡相同。本機械手采用機座式。機座式結構多為工業機器人所采 用，機座上可以裝上獨立的控制裝置，便于搬運與安放，機座底部也可以安裝行走機構，以擴大其活動范圍，它分為手臂配置在機座頂部與手臂配置在機座立柱上兩種形式，本機械手 采用手臂配置在機座立柱上的形式。手臂配置在機座立柱上的機械手多為圓柱坐標型，它有 升降、伸縮與回轉運動，工作范圍較大。
2.6 位置檢測裝置的選擇
機械手常用的位置檢測方式有三種：行程開關式、模擬式和數字式。本機械手采用行程 開關式。利用行程開關檢測位置，精度低，故一般與機械擋塊聯合應用。在機械手中，用行 程開關與機械擋塊檢測定位既精度高又簡單實用可靠，故應用也是最多的。
2.7 本章小結
本章對機械手的整體部分進行了總體設計，選擇了機械手的基本形式以及自由度，確定 了本設計采用液壓驅動，給出了設計中機械手的一些技術參數。下面的設計計算將以次進行。
第三章 機械手手部的設計計算
3.1 概述
手部是機械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進行操作的部件，它具有模仿人 手的功能，并安裝于機械手手臂的前端。機械手結構型式不象人手，它的手指形狀也不象人 的手指、，它沒有手掌，只有自身的運動將物體包住，因此，手部結構及型式根據它的使用 場合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質以及被抓取部位等的不同而設計各種類型的手 部結構，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。鉗爪式手部結構由手指和傳力 機構組成。
3.2 設計時應考慮的幾個問題
1）應具有足夠的握力（即夾緊力） 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。
2）手指間應有一定的開閉角兩個手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角保 證工件能順利進入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。
3）應保證工件的準確定位 為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶‘V’形面的手指，以便自動定心。
4）應具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產生的慣性力和振動的影響，要求具有足夠的強度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應盡量使結構簡單緊湊， 自重輕。
5）應考慮被抓取對象的要求 應根據抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數量的不同，來設計和確定手指的形狀。
3.3 手部設計基本要求
（1） 應具有適當的夾緊力和驅動力。應當考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機構所需 的驅動力大小是不同的。
（2） 手指應具有一定的張開范圍，手指應該具有足夠的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點所轉過的角度），以便于抓取工件。
（3） 要求結構緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結構緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。
（4） 應保證手抓的夾持精度。
3.4 典型的手部結構
（1） 回轉型：包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。
（2） 移動型：移動型即兩手指相對支座作往復運動。
（3）平面平移型。
3.5 機械手手抓的設計計算
3.5.1 選擇手抓的類型及夾緊裝置
本設計是碼垛機械手的設計，考慮到所要達到的原始參數：碼垛高度最大900mm；碼垛
寬度最大1300mm；抓取重量：20-200kg；碼臺距離3m。常用的工業機械手手部,按握持工件 的原理,分為夾持和吸附兩大類。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體,不 適合用于本方案。本設計機械手采用夾持式手指,夾持式機械手按運動形式可分為回轉型和平移型。
平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動,這種手指結構簡單, 適于夾持平板方料, 且 工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置, 其理論夾持誤差零。
通過綜合考慮，本設計選擇平移型手抓。在壓力油作用下，連桿移位，從使機械手手指 張開與閉合。
3.5.2 手抓的力學分析
下面對其基本結構進行力學分析：
機械手手部受力圖
由I, Fx =0 得
F ＝ F
（3-1）
1 2
I, Fy =0 得
F
F1 ＝ （3-2）
2cos a
1 1
F ＝ 一F '
FN
由I, M 01 ( F ) =0 得 F1 ＝ co s( a ＋ b ) * L2
sin b * L1
(3-3)
F ＝
2 sin a * co s ( a ＋ b ) * L2
FN
sin b * L1
(3-4)
由分析可知，當驅動力 F 一定時，a 角減小，b 角增大，（a+b）角減小，則握力 FN 也隨 之改變，但（a+b）角過大會導致拉桿行程過大，以及手部結構增大，因此最好a ＝ 55。 一 30。 ， a ＋ b ＝ 70。 一 60。 。
3.5.3 夾緊力及驅動力的計算
手指加在工件上的夾緊力，是設計手部的主要依據。必須對大小、方向和作用點進行分 析計算。一般來說，需要克服工件重力所產生的靜載荷以及工件運動狀態變化的慣性力產生 的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態。
手指對工件的夾緊力可按公式計算：
FN 三 K1K2 K3G
(3-5)
式中 K1 ——安全系數，通常 1.2 - 2.0；
2
k2 ——工作情況系數，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦?K
b
＝ 1 +
，
a
重力方向的最大上升加速度； a ＝ vmax
t響
vmax ——運載時工件最大上升度;
(3-6)
t響 ——系統達到最高速度的時間，一般選取0.03-0.5s;
K3 ——方位系數，根據手指與工件位置不同進行選擇; G——被抓取工件所受重力（N）。
表 3-1 氣缸的工作壓力
作用在手指上外力
F（N）
氣缸工 作 壓 力
Mpa
作用在手指上外力
F（N）
氣缸 工 作 壓 力
Mpa
小于 5000
0.8-1
20000-30000
3.0-4.0
5000-10000
1.5-2.0
30000-50000
4.0-5.0
10000-20000
2.5-3.0
50000 以上
5.0-8.0
計算：設 a=1632mm,b=2616mm,
;機械手達到最高響應時間0.5S，求夾緊力FN和驅動力F 和氣缸的寸。
(1)設 K1 ＝ 1.5
0.1
0.5
2
K ＝ 1 ＋ ab =1 ＋ =1.02
K3 ＝ 0.5
根據公式，將已知條件帶入：
9.8
FN ＝ 1.5 *1.02 * 0.5 * 2000 ＝ 1530N
(3-7)
（2）根據驅動力公式得：
（3）取h ＝ 0.85
2 sin 5 5 * co s7 0 * 2 6 1 6
F ＝
*1530＝ 5310
sin15*1632
(3-8)
（4）確定液壓缸的直徑 D
F實際
＝ p (D2 一 d 2 ) p
4
(3-9)
選取活塞桿直徑 d=0.5D,系統液壓缸壓力油工作壓力 P=16MPa,
D=32mm，考慮安全因素選取液壓缸內徑為：D=63mm 則活塞桿內徑為:選取 d=30mm
3.5本章小結
通過本章的設計計算，先對碼垛機械手部結構進行力學分析，然后分別對碼垛機械手手 部結構的夾緊力、驅動力進行計算。
第四章 腕部的設計計算
4.1 腕部設計的基本要求
（1）力求結構緊湊、重量輕 腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔。顯然，腕部的結構、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉性能。因此，在腕部設計時，必須力 求結構緊湊，重量輕。
（2）結構考慮，合理布局 腕部作為機械手的執行機構，又承擔連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。
（3）必須考慮工作條件 對于本設計，機械手的工作條件是在工作場合中搬運加工的棒料，因此不太受環境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質中，所以對機械手的腕部沒有太多不利因素。
4.2 腕部的設計計算
4.2.1 腕部設計考慮的參數
夾取工件重量 200Kg
4.2.2 腕部的驅動力矩計算
M ＝ 200 ′10 ′ 2630 ′ 0.001 ＝ 526000N · m
(4-1)
F1 ＝ F2
F1′ (1/ 3l) ＋ F 2 ′ (1/ 3l ) ＝ M
得：
F ＝ 475KN
（4-2）
（4-3）
t ＝ F 1 ＝ 4 7 5 ′1 0 0 0 ＝ 242MPa ＜ [t ] ＝ 432MPa
（4-4）
A 1 p ′ 0.05 ′ 0.05
4
4.3 本章小結
本章選擇了具有一個簡單可靠的腕部結構，并進行的腕部回轉力矩的計算。
21
第五章 臂部的設計及有關計算
手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具）， 并帶動它們作空間運動。手臂運動應該包括 3 個運動：伸縮、回轉和升降。本章敘述手臂的 伸縮運動，手臂的回轉和升降運動設置在機身處，將在下一章敘述。
臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。。因此，一般來說臂部應該具 備 3 個自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉、和升降運動。手臂的各種運動通 常用驅動機構和各種傳動機構來實現，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受手部、 和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結構、工作范圍、靈活性等直接影響 到機械手的工作性能。
5.1 臂部設計的基本要求
臂部應承載能力大、剛度好、自重輕：
（1） 根據受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。
（2） 提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離。
（3） 合理布置作用力的位置和方向。
（4） 注意簡化結構。
（5） 提高配合精度。
臂部運動速度要高，慣性要?。?
機械手手部的運動速度是機械手的主要參數之一，它反映機械手的生產水平。對于高速
度運動的機械手，其最大移動速度設計在1000-1500mm/s，大回轉角速度設計在360°內，大部分平均移動速度為1000mm / s ，平均回轉角速度在90°/s。在速度和回轉角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有 3 個途徑：
（1） 減少手臂運動件的重量，采用鋁合金材料。
（2） 減少臂部運動件的輪廓尺寸。
（3） 減少回轉半徑 p ，再安排機械手動作順序時，先縮后回轉（或先回轉后伸縮），盡可 能在較小的前伸位置下進行回轉動作。
（4） 驅動系統中設有緩沖裝置。
5.1.1手臂動作應該靈活
為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于機械手的設計要使手臂運動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發生機構卡死（自 鎖現象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件。
總結：以上要求是相互制約的，應該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設計出完美 的、性能良好的機械手。
5.2 手臂的典型機構以及結構的選擇
5.2.1 手臂的典型運動機構
常見的手臂伸縮機構有以下幾種：
（1）雙導桿手臂伸縮機構。
（2）手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉運動組合，兩直線運 動的雙層液壓缸空心結構。
（3） 雙活塞桿液壓崗結構。
（4） 活塞桿和齒輪齒條機構。
5.2.2 手臂運動機構的選擇
通過以上，綜合考慮，本設計選擇伸縮機構，使用氣壓驅動。
5.3 手臂直線運動的驅動力計算
先進行粗略的估算，或類比同類結構，根據運動參數初步確定有關機構的主要尺寸，再 進行校核計算，修正設計。如此反復，繪出最終的結構。
做水平伸縮直線運動的氣壓的驅動力根據氣壓運動時所克服的摩擦、慣性等幾個方面的阻力，來確定來確定氣壓所需要的驅動力。液壓缸活塞的驅動力的計算。
F=F力+F摩+F回+F損 （5-1）
5.3.1 手臂摩擦力的分析與計算
分析：
摩擦力的計算，不同的配置和不同的導向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據具體情況進行估算。
計算如下：
I, Fx ＝ 0
I, Fy ＝ 0
I, M (F) ＝ 0
cos12*F + cos15*F 2 ＝ cos15F1
sin12*F + sin15*F 2 + G1+ G2 ＝ sin15*F1
F *119 ＝ F 2 *138 ＋ 3342G1 ＋ 788G2
（5-2）
（5-3）
（5-4）
F=100334N F1=23930N F2=125298N
5.3.2密封裝置的摩擦阻力
不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設計中，采用 v 型密封，當氣缸工作壓力大于 10Mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：
F封 ＝ 0.03F 。 （5-6）
經過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅動力：
F ＝ 0.03F ＋ F力 ＋ ＋F慣 =123411N （5-7）
5.4本章小結
本章設計了機械手的手臂結構，手臂采用伸縮機構，對驅動的氣缸的驅動力進行了詳細的計算。
第六章 機身的設計計算
機身是直接支撐和驅動手臂的部件。一般實現手臂的回轉和升降運動，這些運動的傳動 機構都安在機身上，或者直接構成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動越多，機身的 機構和受力情況就越復雜。機身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道 運動。
6.1 機身的整體設計
按照設計要求，機械手要實現手臂 3600 的回轉運動，實現手臂的回轉運動機構一般設計 在機身處。為了設計出合理的運動機構，就要綜合考慮，分析。
機身承載著手臂，做回轉，升降運動，是機械手的重要組成部分。常用的機身結構有以 下幾種：
（1） 回轉缸置于升降之下的結構。這種結構優點是能承受較大偏重力矩。其缺點是回轉運 動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉精度的影響較大。
（2） 回轉缸置于升降之上的結構。這種結構采用單缸活塞桿，內部導向，結構緊湊。但回 轉缸與臂部一起升降，運動部件較大。
（3） 絲桿螺母和齒條齒輪機構。手臂的回轉運動是通過齒條齒輪機構來實現：齒條的往復運 動帶動與手臂連接的齒輪作往復回轉，從而使手臂左右擺動。
分析：
經過綜合考慮，本設計選用絲桿螺母和齒條齒輪機構。本設計機身包括兩個運動，機
身的回轉和升降。絲桿螺母和齒條齒輪機構。手臂部件與絲桿螺母連接，齒條齒輪機 構上的輸出齒輪與由絲桿螺母上的齒輪相嚙合，帶動手臂回轉運動。
6.2 機身回轉機構的設計計算
回轉缸驅動力矩的計算：
手臂的回轉驅動力矩 M 驅 ，應該與手臂運動時所產生的慣性力矩 M 慣 及各密封裝置處的 摩擦阻力矩 M阻 相平衡
慣性力矩的計算
M 驅 ＝ M 慣 ＋ M阻 ＋ M回 （6-1）
式中 丘w ——回轉缸動片角速度變化量（ rad s ），在起動過程中 丘 w =w ；
丘 t——起動過程的時間(s);
J0 ——手臂回轉部件（包括工件）對回轉軸線的轉動慣量（ N · m · s2 ）。 若手臂回轉零件的重心與回轉軸的距離為 p ，則
J0 ＝ Jc
＋ G 2
p
g
（6-3）
式中 JW ——回轉零件的重心的轉動慣量。
＝
m
6.3 機身升降機構的計算
6.3.1 手臂偏重力矩的計算
（1） 零件重量G工件 、G爪 、G腕 、G臂 和G配重 ＝ 200Kg 等。
G工件 ＝ 200Kg
現在對機械手手臂做粗略估算：G爪和G腕，G臂總共 ＝ 600Kg
G總 ＝ G工件 ＋ G爪 ＋ G腕 ＋ G臂 ＋ G配重 ＝ 1000Kg
（ 6-5）
(2)計算零件的重心位置，求出重心到回轉軸線的距離 p 。
p 工件 =3556mm
p手和腕 =1802mm
p臂 =400mm
p配重 ＝ 1350mm
所以，回轉半徑 p ＝ 1200mm
(3) 計算偏重力矩
（6-6）
M 偏 ＝ G總
M 偏 ＝ G總 p
＝ 1000 ′ 9.8 ′1.2 ＝ 11760N · m
（6-7）
6.3.2 手臂做升降運動驅動力的計算
F ＝ F慣 ＋ F摩 ＋ F密 ＋ G （6-9）
F摩 ＝ F1f （6-10）
G——零件及工件所受的總重；
式中 F摩 —— 摩擦阻力
取 f=0.16
絲桿螺母向上驅動時，F=14421N ，當絲桿螺母向下驅動，F=5835N
6.4 軸承的選擇分析
對于升降缸的運動，對于機身回轉用的軸承有影響，因此，這里要充分考慮這個問題。 對于本設計，應能承受雙向軸向載荷。
本設計采用一個雙列圓錐滾子軸承和一個單列圓錐滾子軸承，選型分別為
351068
32968
Cr ＝ 1870kN Cr ＝ 1050kN
6.5 齒輪的選型
采用直齒漸開線齒輪傳動齒輪材料為 40Cr（調質） 硬度為 280HBS 選擇齒輪齒數為 75
試選載荷系數 Kt=1.3
由齒輪轉矩 T1=2113 N · m
齒寬系數
中d =1
2
由表查得材料的彈性影響系數 ZE ＝ 189.8MPa
按齒面硬度查得齒輪的疲勞強度極限sH lim 1 ＝ 600MPa
計算應力循環次數 取疲勞壽命系數
N ＝ 60njLh ＝ 60 ′ 26.7 ′1′ (2 ′ 8′ 300 ′15) ＝ 1.15 ′ 10 · 8
KHN ＝ 0.9
（6-11）
H
計算疲勞需用應力
s ＝ K NHs lim ＝ 0.9 ′ 600 ＝ 540MPa s
（6-12）
按設計要求取
d ＝ 600mm
疲勞極限
sFE ＝ 500MPa
疲勞壽命系數
KFN ＝ 0.85
彎曲疲勞需用應力 S=1.4
[sF
] ＝ K FN K FE ＝ 303.57MPa S
（6-13）
齒形系數
YFa ＝ 2.15
齒形校正系數
YSa ＝ 1.28
6.6 本章小結
本章對機械手的機身進行了設計，分別對機身的回轉機構和升降機構進行設計計算，這是機身設計中不可缺少的部分。
第七章 絲桿設計
滾珠絲杠副的優點
滾珠絲杠副與普通絲杠副 相比較有如下幾個方面的優點 ：
1、傳動效率高：滾珠絲杠副的機械效率可達90%以上，比普通梯形絲杠副的高 2-4倍，其驅動轉矩較普通絲副可減少2/3。
2、靈敏度高，傳動平穩：由于滾珠絲杠副是滾動摩擦，動、靜摩擦系數相差極小。因此無論是在靜止時還是在低速、高速傳動時摩擦轉矩幾乎不變。
3、磨損小，壽命長：滾珠絲杠副的主要零件采用優質合金鋼制成，其滾道表面淬火硬度達到60-62HRC，并有較低的表面粗糙度，再者由于滾動摩擦的磨損很小，因而具有良好的耐磨性，可以高速運行。
4、可消除軸向間隙，提高軸向精度：在滾珠絲杠副中可以用預加載荷的方式，使反向時無空行程，還可以用預拉伸絲杠的辦法提高絲杠的系統剛度和減少絲杠 的熱伸長，以提高其軸向剛度。
7.1滾珠絲杠副的設計計算
工作臺行程 XYZ:600 ×400 ×400 mm，工作臺重量為lOOON，工件及卡具重量4000N ，工作臺導軌的動摩擦因數u = 0.1，靜摩擦因數f = 0 .2快速進給速度Vmax = 15m/min，全程定位精度g，重復定位精度6pm，要求壽命20000h（兩 班制十年），可靠度97%。
計算與說明 主要參照 《機械設計手冊》 第五版第三卷
1. 初步確定絲杠導程 （mm )
由于伺服電機與絲杠直接聯接，且νmax =15m / min，ax=1500r/min
2. 確定當量轉速與當量載荷 F
由ν1 = 0.6，ν2= 0.8，ν3＝1，ν4=15可得：
n1=60,n2=80,n3=100,n4=1500。
得： F = 1650 N
3. 當量轉速 n(r/min)
n1= 60,n2=80,n3=100,n4=1500得:n=230 r/min
4 ） 當量載荷 F
由n=230r/min得：F=1129N
4. 確定允許的最小螺紋底徑：
1） 估算絲杠允許的最大軸向變形量。
2） 估算最小螺紋底徑d2。
絲杠要求預拉伸，取兩端固定支撐方式。
5. 確定滾珠絲杠副的規格代號：
1） 選內循環浮動反向法蘭，直筒雙螺母墊片預緊形式，
2） 選擇絲杠型號FFZD4010-3。
6. 確定滾珠絲杠副預緊力
7. 行程補償值 C=19.5μm。
8. 確定滾珠絲杠副支承用的軸承型號規格
1） 軸承所受的最大軸向載荷
2） 軸承類型：兩端固定的支承形式，選擇正面接觸角接觸選 72068 型角球軸承。
3） 軸承內徑d(mm)
9. 根據工作圖確定絲杠全長（工作圖見總裝配圖）
1） 絲杠螺紋長度 Ls
則：Ls = 660 + 80 = 740 mm
2 ） 兩固定端距離L1 = 800 mm
3） 絲杠全長L(mm)L = 1000 mm
4） 行程起點離固定端距離L0 = 30 mm
10. 滾珠絲杠副臨界轉速n的計算
11. 滾珠絲杠壓桿穩定性驗算:因最大軸向載荷小于絲杠預拉伸力，絲杠不會受壓，不用驗算。
12. 最終確定滾珠絲杠副的規定代號
型號為 FFZD4010-3 -P3 ，具體尺寸見裝配圖。
7.2電機的選擇
7.2. 1電機的選型條件
所選伺服電機，應滿足下列條件：
1、在所有進給調速范圍內〈包括快速移動〉，空載荷進給力矩應小于電動機額定轉矩。
2、最大切削力矩小于電機額定轉矩。
3、加速時間應符合所希望的時間常數。
4、快速進給頻率在希望值以內。
7. 2. 2電機的選擇
1、最高轉速的選擇
伺服電機最高轉速應根據進給系統 的快速進給速度絲杠螺距及傳動系統的 減速比來確定。
2、位置反饋編碼器的選擇
位置反饋編碼器的選擇應根據機床所需的最小移動單位 ，絲杠螺距及減速比
為參數確定。
3、負載轉矩計算 實際機床上 ，由于存在傳動效率和摩擦系數因素，滾珠絲杠克服外部載荷。
第八章 結論
通過此次畢業設計，使我了解了機械手的很多相關知識。使我也了解了當前國內外在此 方面的一些先進生產和制造技術，了解了機械手設計的一般過程，通過對機械手的結構設計 作了系統的設計，掌握了一定的機械設計方面的基礎，為以后的工作學習創造了一定基礎。 1、本次畢業設計對碼垛機械手的結構和驅動及機械手的控制做了系統的計算設計，并不完
善，需要在以后的工作學習中進一步了解和掌握。
2、本次設計的是碼垛機械手設計，機械結構設計較為緊湊，相對于通用機械手，因此，動 作固定，結構簡單，同時成本低廉，專用性比較高，可實現車間內的一些搬運工作。
3、采用氣壓傳動，實現連續控制，使機械手用途更廣， 定位精度一般非常高，在1mm內。
4、該機械手將手指夾緊面放在箱體的兩面上，將箱體夾緊.避免工件因受力大而損 壞。同時增加了夾緊工件的
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