说明书-机械手

机 械 系 统 设

计 课 程 设 计

题目：手臂沿X向伸缩及回转运动 指导老师： 洪林 教授 学院： 机械工程学院 班级： 机械1101班 姓名： 南文斌 学号： 20111574

目录

一．课程设计的有关事项...............................................................1-1

1.基本要求 2.机体结构形式 3.技术指标 4.运动空间 5.其他事项

二．机械手手臂部分设计的基本要求...........................................1-2 1.臂部作用

2.臂部设计的基本要求

三．机械手臂臂部典型的运动机构................................................2-2

1.直线运动 2.回转运动 3.俯仰运动

四．手臂的结构方案设计和计算....................................................2-7

1.手臂结构的分析 2.手臂的设计计算

（1）手臂伸缩的计算 （2）手臂回转的计算

五．机械系统设计课程设计课程设计的结论和分析....................7-7

1.本次课程设计的结论 2.对本次课程设计的认识

一．课程设计的有关事项

1.基本要求：结构设计；设计计算、校核计算；草图和CAD图；

2.机体结构形式：三种坐标形式—直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式；设计参数—夹持圆柱型铝制工件（轴线与水平面垂直，工件重5kg，长度200mm）

3.技术指标：Z向上下升降距离500mm，X向伸缩长度300mm，绕Z轴可转动转角＞120。 4.运动空间：根据不同结构相关的结构参数，计算机械手的运动空间，抓取工件重量不同、采取的结构形式不一样，各组设计的机械手结构必然不相同。

5.其他事项：①同一组坐标形式的结构，进行手臂或者升降立柱的设计时需进行受力分析和相应的计算，计算时可根据相应结构预估计相关部件的重量；②结构设计时可参考设计指导书和图册，也可参阅其他相关资料信息。

二．臂部设计的基本要求

1.臂部作用：

臂部是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、液压缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、液压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。 2.臂部设计的基本要求：

（1）应承载能力大、刚度好、自重轻； （2）臂部运动速度要高、惯性要小；

（3）手臂运动应灵活，防止发生“卡死”现象；计算不自锁的条件：

手臂各部分重心的位置

①.计算零件重量，可分解为规则的体形进行计算；

②.计算零件重心位置，求出重心到回转轴线的距离ρ；

③.求出重心位置并计算偏重力臂ρ：

G总G臂G爪G腕G工Gi

i1

n

i

ρ

G工C工G爪C爪G腕C腕G臂C臂

G工G爪G腕G臂



GX

ii1n

n

G

i1

i

④计算偏重力矩M偏：

M偏G总

GX

i

i1

n

i

⑤升降导向立柱不自锁条件：由力的平衡得R1=R2，R1=G总ρ

所谓不自锁条件就是G总>F1+2F2=2R1f，即得

G总

G总2f

h

有h>2ρ·f，取f=0.16，则h>0.32ρ （4）手臂运动位置精度要高（直角和圆柱坐标式机械手较好）。

三．臂部典型的运动机构

（1）直线运动：伸缩升降机构 （2）回转运动：通常由机身部件实现

（3）俯仰运动：大多数采用摆动式直线缸驱动

液压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。

四．手臂的结构方案设计和计算

1. 手臂结构分析：按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由液压缸来实现。为了便于进行液压机械手的设计计算，分别就伸缩油缸、摆动油缸、回转油缸的设计分别展开。

2.手臂的设计计算： 2.1手臂伸缩的计算

（1）作水平伸缩直线运动油缸的驱动力：

根据液压缸运动时所需克服的摩擦、回油背压、密封装置及惯性等几个方面的限力，来确定液压缸所需的驱动力。则驱动力：P驱=P摩+P密+P回+P惯

①由于导向杆相对称布置，受力均衡，可按一个导向杆计算：

0 m（F）

A

G总LaRb，Rb

G总L

， a

La

） a

La

）， a

（Y0，G总RbRa，RaG总

（得：P=Pa摩+Pb摩=υ’Ra+υ”Rb，所以：P摩υ'G总

②密封装置处的摩擦力

O型密封圈：P密=P封1+P封2+P封3，其中P封1+P封2=0.03P驱，P封3=ה2PdL，υ=0.023~0.05 Y型密封圈：P密=υPdL，υ=0.06~0.08 V型密封圈：P密=5υPdL，υ=0.1~0.13

③回油背压P回=0.05P以及惯性力P惯=G总△v/g△t

（2）手臂做升降运动的油缸驱动力： P驱=P惯+P摩+P密+P回±G

其中，P摩=2R1f，取f=0.16，G为零部件及工件的重量，P惯、P回、P密与上相同。 注：必须计算不自锁条件。 （3）确定油缸的结构尺寸： 当油进入无杆腔：P=P1·η=pηD2ה/4 当油进入有杆腔：P=P2·η=pη（D2-d2）ה/4 油缸有效面积：F=P/P1，故有:

D

4PP4P

（无杆腔），D1.d2（有杆腔）

PPP111

P-驱动力，P1-油缸的工作压力，d-活塞杆直径，D-油缸内径，η-油缸机械效率。 （4）油缸壁厚计算：

①中等壁厚，即16

D

P1D3.2时，C

（2.3[]P）1

P1D

2[]

②薄壁，

D



D

16时，

③厚壁，

D[]0.4P1

3.2时， 1）2[]1.3P1

式中[σ]=σb/n，σb材料抗拉强度，n安全系数。

（5）活塞杆的计算：

①按强度条件决定活塞杆直径d，

P

4

[]

d2

②活塞杆的稳定性校核，当活塞杆L>15d时，一般应进行稳定性校核。

P

PK

Pk--临界力，nk=2~4. nk

（6）油缸端盖的连接方式及强度计算

当油缸的材料选用无缝钢管时，它的端盖连接方式多采用半环连接，优点是加工装卸方便，缺点是缸体开环槽消弱了强度。

①缸盖螺钉的计算。

油缸端盖连接方式 缸盖受力简图

D2

P

ss,其中ZZ

'

p,

其中， P-驱动力；Z-螺钉数目；p-工作压力；σs-预紧力，σs=Kσ，K=1.5~1.8 螺钉的强度条件合

4Qj1.3o4Qj

[]，d1，

[]d12d12

4

其中， Qj=1.3Qo，[σ]=σs/n，n=1.2~1.5，d1-螺纹内径。 ②缸体螺纹的计算:合

K1Qo

[] 2

（d1D)

4

其中，Q0=P+Qs'，

P

D2

4

p，QSKP(1.5~1.8)P

'

,

K1考虑螺纹拉应力和扭应力合成作用，取K1=1.3，D-油缸内径。 ③连接半环的计算：

p

pD1[r]， D1L4e

D12

a.剪切强度条件——

其中，L-半环的宽度，p-工作压力，D1半环配合处油缸内径，[σ]许用拉应力。

手臂俯仰时的受力示意图

pD1[]jy b.挤压强度计算条件——c2222

D1（D12h2）4h2D14h2

44

p

D12

2

PD1

半环尺寸一般取h=δ，L=h=2h1=2h2，c[]jy，h-半环的径向高度，

h（2D1h）对于钢材的作用挤压应力[]jy1.7~2.0[]，[σ]-材料拉应力。 2.2手臂回转的计算

（1）手臂回转油缸的驱动力矩：M驱=M惯+M封+M回。 其中密封装置处的摩擦阻力距M封=M封'+M封''=F 'R+2F ''R

=υbb1pR+2υb1pRcp（R-r），

2

Rcp=（R+r）/2，M惯=Joε=Jo△ｗ/△t（Jo=Jc+Gρ/g） 回转油缸油腔背压反力矩M回bp回d（2）回转油缸产生的驱动力矩 M驱bpd（3）回转油缸内径 M驱M驱bpd

D2d2

2

b22

Rr 2





D2d2

pb22

Rr 8





D2d2

8M驱pb22

Rr，即得Dd2 8bp



其中，M驱--作用在动片的外载荷力矩；p--回转油缸的工作压力；D--回转油缸内径； d--输出轴与动片连接处的直径，初步设计时D/d=1.5~2.5，b--动片宽度。

（4）缸盖连接螺钉和动片连接螺钉计算，受力图如下：

依动片所受力矩平衡条件可得：

其中，螺钉强度条件合

bp22dbp

D-dM摩QZf，即得QD2d2 824Zfd



1.3Q

。d1螺钉内径。 d14

Q-每个螺钉的预紧力，b-动片的宽度，p-回转油缸的工作压力，D-动片外径， D-动片与配合轴处的直径，Z-螺钉数目，f-被联接件配合面间的摩擦系数。

五．机械系统设计课程设计课程设计的结论和分析

1.本次课程设计的结论

所做关于工业机械手手臂沿X轴伸缩及回转的设计，考虑到工件不是很重所以伸缩方向采用导向杆的结构。对于本次设计的是液压通用机械手，相对于专用机械手，通用机械手的自由度可变，控制程序可调，因此适用面更广。采用液压传动，动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制。工作环境适应性好，不会因环境变化影响传动及控制性能。阻力损失和泄漏较小，不会污染环境。同时成本低廉。通过对液压传动系统工作原理图的参数化绘制，大大提高了绘图速度，节省了大量时间和避免了不必要的重复劳动，同时做到了图纸的统一规范。

2.对本次课程设计的认识

通过对圆柱坐标式机械手臂的设计，一方面全面认识了解了工业机械手的设计流程和设计的技术要领，特别是对工业机械手动力传动油缸的选择、各种重要参数的设计计算、结构的分析和构思等方面有了较为深刻的认识；另一方面通过这个过程对大学期间重要专业课程，特别是对材料力学、理论力学、机械原理、机械零件、机械制造工艺学、机械制图等几门课程进行了一次全面系统的复习，夯实了以后工作所需要的理论知识。

机 械 系 统 设

计 课 程 设 计

题目：手臂沿X向伸缩及回转运动 指导老师： 洪林 教授 学院： 机械工程学院 班级： 机械1101班 姓名： 南文斌 学号： 20111574

目录

一．课程设计的有关事项...............................................................1-1

1.基本要求 2.机体结构形式 3.技术指标 4.运动空间 5.其他事项

二．机械手手臂部分设计的基本要求...........................................1-2 1.臂部作用

2.臂部设计的基本要求

三．机械手臂臂部典型的运动机构................................................2-2

1.直线运动 2.回转运动 3.俯仰运动

四．手臂的结构方案设计和计算....................................................2-7

1.手臂结构的分析 2.手臂的设计计算

（1）手臂伸缩的计算 （2）手臂回转的计算

五．机械系统设计课程设计课程设计的结论和分析....................7-7

1.本次课程设计的结论 2.对本次课程设计的认识

一．课程设计的有关事项

1.基本要求：结构设计；设计计算、校核计算；草图和CAD图；

2.机体结构形式：三种坐标形式—直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式；设计参数—夹持圆柱型铝制工件（轴线与水平面垂直，工件重5kg，长度200mm）

3.技术指标：Z向上下升降距离500mm，X向伸缩长度300mm，绕Z轴可转动转角＞120。 4.运动空间：根据不同结构相关的结构参数，计算机械手的运动空间，抓取工件重量不同、采取的结构形式不一样，各组设计的机械手结构必然不相同。

5.其他事项：①同一组坐标形式的结构，进行手臂或者升降立柱的设计时需进行受力分析和相应的计算，计算时可根据相应结构预估计相关部件的重量；②结构设计时可参考设计指导书和图册，也可参阅其他相关资料信息。

二．臂部设计的基本要求

1.臂部作用：

臂部是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、液压缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、液压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。 2.臂部设计的基本要求：

（1）应承载能力大、刚度好、自重轻； （2）臂部运动速度要高、惯性要小；

（3）手臂运动应灵活，防止发生“卡死”现象；计算不自锁的条件：

手臂各部分重心的位置

①.计算零件重量，可分解为规则的体形进行计算；

②.计算零件重心位置，求出重心到回转轴线的距离ρ；

③.求出重心位置并计算偏重力臂ρ：

G总G臂G爪G腕G工Gi

i1

n

i

ρ

G工C工G爪C爪G腕C腕G臂C臂

G工G爪G腕G臂



GX

ii1n

n

G

i1

i

④计算偏重力矩M偏：

M偏G总

GX

i

i1

n

i

⑤升降导向立柱不自锁条件：由力的平衡得R1=R2，R1=G总ρ

所谓不自锁条件就是G总>F1+2F2=2R1f，即得

G总

G总2f

h

有h>2ρ·f，取f=0.16，则h>0.32ρ （4）手臂运动位置精度要高（直角和圆柱坐标式机械手较好）。

三．臂部典型的运动机构

（1）直线运动：伸缩升降机构 （2）回转运动：通常由机身部件实现

（3）俯仰运动：大多数采用摆动式直线缸驱动

液压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。

四．手臂的结构方案设计和计算

1. 手臂结构分析：按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由液压缸来实现。为了便于进行液压机械手的设计计算，分别就伸缩油缸、摆动油缸、回转油缸的设计分别展开。

2.手臂的设计计算： 2.1手臂伸缩的计算

（1）作水平伸缩直线运动油缸的驱动力：

根据液压缸运动时所需克服的摩擦、回油背压、密封装置及惯性等几个方面的限力，来确定液压缸所需的驱动力。则驱动力：P驱=P摩+P密+P回+P惯

①由于导向杆相对称布置，受力均衡，可按一个导向杆计算：

0 m（F）

A

G总LaRb，Rb

G总L

， a

La

） a

La

）， a

（Y0，G总RbRa，RaG总

（得：P=Pa摩+Pb摩=υ’Ra+υ”Rb，所以：P摩υ'G总

②密封装置处的摩擦力

O型密封圈：P密=P封1+P封2+P封3，其中P封1+P封2=0.03P驱，P封3=ה2PdL，υ=0.023~0.05 Y型密封圈：P密=υPdL，υ=0.06~0.08 V型密封圈：P密=5υPdL，υ=0.1~0.13

③回油背压P回=0.05P以及惯性力P惯=G总△v/g△t

（2）手臂做升降运动的油缸驱动力： P驱=P惯+P摩+P密+P回±G

其中，P摩=2R1f，取f=0.16，G为零部件及工件的重量，P惯、P回、P密与上相同。 注：必须计算不自锁条件。 （3）确定油缸的结构尺寸： 当油进入无杆腔：P=P1·η=pηD2ה/4 当油进入有杆腔：P=P2·η=pη（D2-d2）ה/4 油缸有效面积：F=P/P1，故有:

D

4PP4P

（无杆腔），D1.d2（有杆腔）

PPP111

P-驱动力，P1-油缸的工作压力，d-活塞杆直径，D-油缸内径，η-油缸机械效率。 （4）油缸壁厚计算：

①中等壁厚，即16

D

P1D3.2时，C

（2.3[]P）1

P1D

2[]

②薄壁，

D



D

16时，

③厚壁，

D[]0.4P1

3.2时， 1）2[]1.3P1

式中[σ]=σb/n，σb材料抗拉强度，n安全系数。

（5）活塞杆的计算：

①按强度条件决定活塞杆直径d，

P

4

[]

d2

②活塞杆的稳定性校核，当活塞杆L>15d时，一般应进行稳定性校核。

P

PK

Pk--临界力，nk=2~4. nk

（6）油缸端盖的连接方式及强度计算

当油缸的材料选用无缝钢管时，它的端盖连接方式多采用半环连接，优点是加工装卸方便，缺点是缸体开环槽消弱了强度。

①缸盖螺钉的计算。

油缸端盖连接方式 缸盖受力简图

D2

P

ss,其中ZZ

'

p,

其中， P-驱动力；Z-螺钉数目；p-工作压力；σs-预紧力，σs=Kσ，K=1.5~1.8 螺钉的强度条件合

4Qj1.3o4Qj

[]，d1，

[]d12d12

4

其中， Qj=1.3Qo，[σ]=σs/n，n=1.2~1.5，d1-螺纹内径。 ②缸体螺纹的计算:合

K1Qo

[] 2

（d1D)

4

其中，Q0=P+Qs'，

P

D2

4

p，QSKP(1.5~1.8)P

'

,

K1考虑螺纹拉应力和扭应力合成作用，取K1=1.3，D-油缸内径。 ③连接半环的计算：

p

pD1[r]， D1L4e

D12

a.剪切强度条件——

其中，L-半环的宽度，p-工作压力，D1半环配合处油缸内径，[σ]许用拉应力。

手臂俯仰时的受力示意图

pD1[]jy b.挤压强度计算条件——c2222

D1（D12h2）4h2D14h2

44

p

D12

2

PD1

半环尺寸一般取h=δ，L=h=2h1=2h2，c[]jy，h-半环的径向高度，

h（2D1h）对于钢材的作用挤压应力[]jy1.7~2.0[]，[σ]-材料拉应力。 2.2手臂回转的计算

（1）手臂回转油缸的驱动力矩：M驱=M惯+M封+M回。 其中密封装置处的摩擦阻力距M封=M封'+M封''=F 'R+2F ''R

=υbb1pR+2υb1pRcp（R-r），

2

Rcp=（R+r）/2，M惯=Joε=Jo△ｗ/△t（Jo=Jc+Gρ/g） 回转油缸油腔背压反力矩M回bp回d（2）回转油缸产生的驱动力矩 M驱bpd（3）回转油缸内径 M驱M驱bpd

D2d2

2

b22

Rr 2





D2d2

pb22

Rr 8





D2d2

8M驱pb22

Rr，即得Dd2 8bp



其中，M驱--作用在动片的外载荷力矩；p--回转油缸的工作压力；D--回转油缸内径； d--输出轴与动片连接处的直径，初步设计时D/d=1.5~2.5，b--动片宽度。

（4）缸盖连接螺钉和动片连接螺钉计算，受力图如下：

依动片所受力矩平衡条件可得：

其中，螺钉强度条件合

bp22dbp

D-dM摩QZf，即得QD2d2 824Zfd



1.3Q

。d1螺钉内径。 d14

Q-每个螺钉的预紧力，b-动片的宽度，p-回转油缸的工作压力，D-动片外径， D-动片与配合轴处的直径，Z-螺钉数目，f-被联接件配合面间的摩擦系数。

五．机械系统设计课程设计课程设计的结论和分析

1.本次课程设计的结论

所做关于工业机械手手臂沿X轴伸缩及回转的设计，考虑到工件不是很重所以伸缩方向采用导向杆的结构。对于本次设计的是液压通用机械手，相对于专用机械手，通用机械手的自由度可变，控制程序可调，因此适用面更广。采用液压传动，动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制。工作环境适应性好，不会因环境变化影响传动及控制性能。阻力损失和泄漏较小，不会污染环境。同时成本低廉。通过对液压传动系统工作原理图的参数化绘制，大大提高了绘图速度，节省了大量时间和避免了不必要的重复劳动，同时做到了图纸的统一规范。

2.对本次课程设计的认识

通过对圆柱坐标式机械手臂的设计，一方面全面认识了解了工业机械手的设计流程和设计的技术要领，特别是对工业机械手动力传动油缸的选择、各种重要参数的设计计算、结构的分析和构思等方面有了较为深刻的认识；另一方面通过这个过程对大学期间重要专业课程，特别是对材料力学、理论力学、机械原理、机械零件、机械制造工艺学、机械制图等几门课程进行了一次全面系统的复习，夯实了以后工作所需要的理论知识。