液压机械手毕业设计说明书

（XXXX届）

本科毕业设计（论文）资料

XXXX大学教务处

Xxxx届

本科毕业设计（论文）资料

第一部分 设计说明书（或毕业论文）

（XXXX届）

本科毕业设计（论文）

组合机床自动上下料液压机械手

20XX 年 X 月

组合机床自动上料液压机械手设计

摘要

随着工业的发展，各种自动化技术的应用也更加广泛，机械手是自动化生产中不

可或缺的设备，他在工业中的应用越来越多。在自动化生产线上自动上下料机械手就

是其中不能缺少的设备。为自动生产线上的组合机床设计了一台能够自动上下料的机

械手。采用液压控制系统以及圆柱形式的坐标机构，并通过PLC控制其整个动作过程。

它的工作周期只有12s，属于高频工作机械手，在手臂伸缩和立柱升降的机构中均采用

了导向杆导向和花键轴导向，以此来保证机械手的运动精度；用定位块来保证机械手

的定位精度。本文主要叙述了机械手的设计计算过程 。

首先，本文介绍机械手的作用，机械手的组成和分类，说明了自由度和机械手整

体座标的形式。同时，本文给出了这台机械手的主要性能规格参量。

文章中介绍了自动上下料液压机械手的设计理论与方法。简略的讨论了自动上下

料机械手的自动控制系统、液压系统、手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构

设计。

关键词：机械手；自动控制；PLC；液压传动；液压缸

I

COMBNATION MACHINE TOOLS AUTOMICS FEEDING

HYDRAULIC DESIGN THE ROBOT

ABSTRACT

With the development of industry, the application of automation technology and

more widely, manipulator is an indispensable equipment in the production of

automation, he has more and more application in industry. In automatic production line

autotransmitting manipulator is one of the indispensable equipment. Automatic production

line for the combination machine tools designed an automatic up-down material to the

manipulator. Adopts hydraulic control system and the form of cylindrical coordinate

institution, and through the whole process of PLC control movement. It's working cycle,

belong to high frequency 12s only work in the arm manipulator, the organization and

expansion and the pillar of the guide stem guide by spline and orientation, so as to ensure

the accuracy; sports manipulator Use orientation block to ensure accuracy of manipulator.

This paper describes the design and calculation of the manipulator.

The first，The paper introduces the function,composing and classification of the

manipulator,tells out the free-degree and the form of coordinate.At the same time,the

paper gives out the primary specification parameter of this manipulator.

Article introduces autotransmitting hydraulic design theory and method of the

manipulator. Briefly discussed autotransmitting manipulator automatic control systems,

hydraulic system, hand and wrist, arm and the fuselage of the main parts of structure

design, etc.

Keywords: manipulator; automatic control； PLC; hydraulic power transmission；

hydraulic cylinder

II

目录

第1章 绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

1.1 前言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

1.2 工业机械手简史„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

1.3 工业机械手在生产中的应用„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4

1.4 机械手的组成„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5

1.5 工业机械手发展趋势„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6

1.6 本文主要研究内容„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7

1.7 本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8

第2章 机械手总体方案设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9

2.1 机械手基本形式的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9

2.2 方案设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9

2.3 机械手运动分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11

2.4 本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12

第3章 机械手的控制系统设计„„„„„„„„„„„„„„„„„13

3.1 机械手电气控制系统的概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13

3.2 机械手电气控制程序„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13

3.3 机械手电气控制系统图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14

3.4 本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17

第4章 机械手液压系统设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„18

3.1 机械手工作原理分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18

3.2 液压系统工作原理图设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18

III

4.3 各液压缸载荷力分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20

4.4 本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21

第5章 机械手手部的设计计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22

5.1 手部设计基本要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22

5.2 典型的手部结构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22

5.3 机械手手爪的设计计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22

5.3.1 选择手爪的类型及夹紧装置„„„„„„„„„„„„„„„„„22

5.3.2 手爪的力学分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23

5.3.3 夹紧力及驱动力的计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24

5.3.4 手爪夹持范围计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25

5.4 机械手手爪夹持精度的分析计算„„„„„„„„„„„„„„„„„26

5.5 机械手手爪夹紧液压缸的尺寸参数确定„„„„„„„„„„„„„„27

5.6 本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„28

第6章 腕部的设计计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„29

6.1 腕部设计基本要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„29

6.2 腕部的结构及选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„29

6.3 腕部的设计计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„30

6.3.1 腕部设计考虑的参数„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„30

6.3.2 腕部的驱动力矩计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„30

6.3.3 腕部驱动力的计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„31

6.3.4 液压缸盖螺钉选用计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„32

6.3.5 东片和输出轴间的连接螺钉„„„„„„„„„„„„„„„„„33

6.4 本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„34

第7章 臂部的设计及有关计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„35

IV

7.1 臂部设计的基本要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„35

7.2 手臂的典型机构及结构的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„36

7.3 手臂直线运动的驱动力计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„36

7.4 液压缸工作压力和结构的确定„„„„„„„„„„„„„„„„„„38

7.5 液压缸尺寸参数的确定„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„40

7.6 本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„41

第8章 机身的设计计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„42

8.1 机身的整体设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„42

8.2 计身回转机构的设计计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„43

8.3 机身升降机构的设计计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„47

8.3.1 手臂偏重力矩的计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„47

8.3.2 升降不自锁条件的分析计算„„„„„„„„„„„„„„„„„48

8.3.3 升降液压缸驱动力的计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„48

8.4 液压缸工作压力和结构的确定„„„„„„„„„„„„„„„„„„49

8.5 轴承的选择分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„51

8.6 本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„51

结论 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„52

致谢 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„53

参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„54

V

主要符号表

FN 手指夹紧力 N

M 转动缸的回转力矩 Nm

 偏重力臂 mm

M偏 偏重力矩

t 螺钉间距 mm

FQ0 螺钉承受的拉力 N

FQ 工作载荷 N

F'

Qs 预紧力 N

启 转动缸起动角  转动缸转动角速度

1 Nm 度 rad

第1章 绪论

1.1前言

用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分动作，1

按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应

用的机械手被称为工业机械手。 2

工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产

系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械

手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计

算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业

机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性

能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和

环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。

机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人

工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的

传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳

动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，

受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、

噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展,

并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。 3

机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可

以搬运物体以完成在不同环境中的工作。

机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。 随着工业技术的发展，制成了能够

独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通

用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产

品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

1.2 工业机械手的简史

现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适

应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。 4

2

机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。

他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示

教型的。

1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机

械手。商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压

驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起

来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械

手。

1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。

该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也

是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基

础。

1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种

Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位

误差可小于±1毫米。

美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立

了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均

时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400

小时提高到1500小时，精度可提高到±0.1毫米。

德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上

下料等作业。德国KuKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。

瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。

瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。

日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械

手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研

究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979

年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一

半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比

1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手

累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增

长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器

人在工作。

第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能

力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感

觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。

第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电

视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)

和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。

随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，

欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。

1.3工业机械手在生产中的应用

机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，

如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛广泛。 5

在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越

来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者

危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，

美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在

50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装

卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。

目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传

诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔

液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工

业方面的应用。

1.3.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线

一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多，如沈阳永泵厂的深

井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的4号和5号电动机加工自动线（轴类），

上海拖拉机厂的齿坯自动线（盘类）等。

加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手

的，如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手。

1.3.2 实现单机自动化方面

各类半自动车床，有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，单仍需人工上下

料；装上机械手，可实现全自动化生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面应

用很多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二车床厂的自

动循环液压仿行车床机械手，沈阳第三机床厂的Y38滚齿机械手，青海第二机床厂的滚

铣花键机床机械手等。由于这方面的使用已有成功的经验，国内一些机床厂已在这类产

品出厂是就附上机械手，或为用户安装机械手提供条件。如上海第二汽车配件厂的灯壳

冲压生产线机械手（生产线中有两台多工位机床）和天津二注塑机有加料、合模、成型、

分模等自动工作循环，装上机械手的自动装卸工件，可实现全自动化生产。目前机械手

在冲床上应用有两个方面：一是160t以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂

200t环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂400t冲床的下料机械手等；

其一是用于多工位冲床，用作冲压件工位间步进轻局技术研究所制作的120t和40t多工

位冲床机械手等。

1.3.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面

模锻方面，国内大批量生产的3t、5t、10t模锻锤，其所配的转底炉，用两只机械

手成一定角度布置早炉前，实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖

拉机厂等已有较成熟的经验。

1.4 机械手的组成

工业的机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成组成。 6

1.4.1 执行机构

（1）手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其

结构简单）。手部多为两指（也有多指）；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（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸

盘。传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、楔块杠杆式、齿轮齿条

平行连杆式、内撑连杆式、右丝杠螺母式、弹簧式和重力式。

（2） 腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，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。手腕有独立的自由度。有回转运

动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要

求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运

动驱动手部搬运工件。

目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵

巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。

因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。

（3）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括

工作或夹具），并带动他们做空间运动。

臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方

位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要

求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。

手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从

臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动

较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接

影响机械手的工作性能。

（4）行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。

1.4.2 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, 工业机械手的驱动机构

大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺

寸紧凑、重量轻、控制方便、可获得较大的输出功率、液体不可压缩，压力、流量易于控

制，反应灵敏、控位精确等优秀特点。

1.4.3 控制系统分类

在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控

制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等

记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。

1.5工业机械手的发展趋势

(1)工业机械手性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单

机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。

(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测

系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装

配机器人产品问市。

(3)工业机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;

器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作

性和可维修性。

(4)机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，

装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、

触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系

统中已有成熟应用。

(5)虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机

器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器

人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人

走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应

用的最著名实例。

(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置

已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年

代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目

前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和

轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等

机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得

规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人

技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用

工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装

的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机

器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种

规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不

稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通

用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划

的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成

果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道

机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，

有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器

人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较

大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和

710产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。

1.6 本文主要研究内容

本文研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了组合机

床自动上料液压机械手的运动机理。在此基础上，确定了组合机床自动上料液压机械手

的基本系统结构，对组合机床自动上料液压机械手的运动进行了简单的力学模型分析，

完成了自动上下料机械手的控制系统、液压系统和机械手机械方面的设计工作（包括传

动部分、执行部分、驱动部分）的设计工作。

1.7 本章小结

本章简要的介绍了机械手的基本概念、发展历程及应用领域。在机械手的组成上，

系统的从执行机构、驱动机构以及控制部分三个方面说明。比较细致的介绍了机械手的

发展趋势，简要的叙述了本文研究的内容。

第2章 机械手的总体方案设计

2.1 机械手基本形式的选择

常见的工业机械手根据手臂的动作形态,

按坐标形式大致可以分为以下4种: (1)直角

坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; ( 3)球坐标(极坐标)型机械手; (4)多关节型机机械

手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采用圆

柱坐标型。图2.1 是机械手搬运物品示意图。图中机械手的任务是将传送带B上的物品11

搬运到传送带A。

图2.1 机械手基本形式示意

2.2、方案设计

（1）、 黑箱结构如图2.1所示

图2.2 设计方案

（2）、 机械手动作分析及运动分析如图2.3所示，工件首先被机械手夹持，然后再随之一

起运动。其周期运动可以表现为（按动作顺序）：大臂下降—夹紧工件—手腕上翻—大臂

上升—大臂回转—手臂延伸—放松工件—手臂收回—手腕下翻—大臂回转—大臂下降。

图2.3 机械手运动图

（3）、 功能原理如图2.3所示

图2.4 机械手功能原理图

（4）、 方案设计

①传动系统如果机械手采用机械传动，则自由度少，难于实现特别复杂的运动。而对

于组合机床自动上下料的机械手，其工件的运动需要多个自由度才能完成，故不宜采用机

械传动方案。如果机械手采取气压传动，由于气控信号比光、电信号慢得多, 且由于空气

的可压缩性，工作时容易产生抖动和爬行，造成执行机构运动速度和定位精度不可靠，效

率也较低。电气传动必须有减速装置和将电机回转运动变成直线运动的装置，结构庞大，

速度不易控制。气液联合控制和电液联合控制则使系统和结构上很复杂。综上所述，我们

选择液压传动方式。

②控制系统本机械手是专用自动机械手，选择智能控制方式中的PLC程序控制方式，

这样可以使机械手的结构更加紧凑和完美。

③执行系统分析本机械手的执行系统是手部机构。手部机构形式多样，但综合其总体

构型，可分为：气吸式、电磁式和钳爪式3种。根据本组合机床加工工件的特征（导卫轮、

精密铸钢件），选择钳爪式手部结构。

④常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种: (1)直

角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; ( 3)球坐标(极坐标)型机械手; (4)多关节型机机

械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，且根据本机械手

坐标形式分析分析本机械手臂的运动形式及其组合情况，采用圆柱坐标形式。因此方案确

定机械手采用液压传动方式，PLC控制，钳爪式手部结构，圆柱坐标形式。

2.3、机械手的运动分析

机械手的动作循环（工件平放）

： 大臂下降300mm—夹紧工件—手腕回转90°—大

臂上升300mm—大臂回转90°—手臂延伸500mm—放松工件—手臂收缩500mm—手腕反转

90°—大臂回转90°—大臂下降300mm。

本机械手的工作频率是5次/min，即12s/ 次，也就是说，要在10s时间内完成上述工

作循环图中的一次循环。若采用分步运动的话，那么上述平均每一个动作必须在1.25s 内

完成，这样必定增加动作的难度和结构的复杂性。因此，我们在整个运动过程中都将采用

协调运动，这样可缓减每个动作的紧迫性。

图2.5 机械手运动流程图

如图2.5所示，从t=0s时开始，机械手大臂下降，用时2s，大臂下降速度：150 mm/s；

t=2s时，机械手做夹紧工件运动；在t=2.5s时开始的还有手腕回转90°，用时1.5s；与此

同时大臂开始以150 mm/s做上升运动，用时2s。在t=4.5s时，大臂开始做回转运动，回转

90°，用时1.5s；在t=6s时，手臂开始做向外延伸500mm的运动，运动速度为250mm/s，用

时2s；在t=8s时，机械手手指开始做放松工件运动，用时0.5s；在t=8.5s时，手腕开始做

下翻90°的运动，用时1.5s；与此同时手臂开始收缩，收缩距离500mm，平均速度250mm/s，

用时2s；在t=10.5s时，手臂做90°回转运动，用时1.5s。上诉运动为一个整周期运动，

完成上述运动共用时12s。运动简图见图2.6所示。

图2.6 机械手运动简图

2.4、本章小结

本章对机械手的整体部分进行了总体设计，选择了机械手的基本形式以及自由度，确

定了本设计采用液压驱动，给出了设计中机械手的一些技术参数。下面的设计计算将以次

进行。

第3章 机械手的电气控制系统设计

3.1 机械手电气控制系统的概述

机械手的定位系统采取定位块定位，在设定位置装置定位块。并为了达到缓冲的目的，在满足工作要求的前提下，设计尽量轻的零部件。比如将某些铸钢件改用铝合金制造，或者将一些实心的零件做成空心的，以此来减轻总质量。采取PLC程序控制，控制系统选择三菱公司的FX1S系列的PLC控制器。另外机械手还可进行但不运行及回零等，其有手动控制方式和全自动控制

自动生产线机械手的主要参数: 臂力5N；自由度数为4；运动形式为圆柱坐标；长度（未伸缩）943mm；高度（未升起）为532mm，手臂伸缩行程范围0—500mm，手臂伸缩速度为250mm/s，手臂升降行程范围0—300mm；手臂升降速度为150mm/s；手腕回转行程范围

0~90，手腕回转速度为135°/s；大臂回转角度范围0~90，大臂回转速度为135°/s；

定位方式为定位块；定位精度为0.1mm；控制方式为点位式、PLC控制；驱动方式为液压系统。

3.2 机械手电气控制程序

附表1 机械手自动控制程序

步序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 13 14

指令 LD ANI ANI OUT OUT AND ANI OUT OUT AND ANI OUT OUT

数据 X400 X401 T450 Y430 T450 K2 T450 T451 Y432 T451 K0.5 T451 T452 Y433 T452

步序号 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

指令 AND ANI OUT OUT AND ANI OUT OUT AND ANI OUT OUT

数据 T453 T454 Y435 T454 K1.5 T454 T455 Y436 T455 K2 T455 T456 Y437 T456 K0.5

步序号 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41

指令 OUT OUT AND ANI OUT OUT AND ANI OUT OUT OUT

数据 K1.5 Y439 T550 K2 T550 T551 Y530 T551 K1.5 X500 T552 Y531 Y532 T552 K3

15 16

OUT OUT

K1.5

Y434 T453 K2

28 29 30

27 AND

ANI OUT OUT

T456

T457 Y438 T457

3.3 机械手电气控制系统图

3.3.1 自动控制系统图

图3.1 机械手自动控制系统图

上图为机械手自控控制系统图，他的指令采用FX1S的专用PLC控制器控制，他的工作顺序是按照上图中大臂下降开始直至最后一次大臂回转为完成一个完整的工作周期，每个工作段所用的时间在上图均已标明，从系统启动到结束程序，除非系统受到X500停车指令，否则系统均通过各个时间控制器来完成精确的控制。

3.3.2 手动控制系统图

图3.2 机械手手动控制系统图

上图为本机械手在进行试运行和系统检查以及手动控制完成所需动作而设计的手动控

制系统，工作流程在上图已经清晰标明。

3.3.3 机械手自动方式状态图

机械手自动方式状态图如图3.3所示，其中S2是自动方式的初始状态。状态转移开始辅

助继电器M8041，原点位置条件辅助继电器M8044的状态都是在初始化程序中设定的，在自动系统程序运行中不再改变。

图3.3 机械手自动方式状态图

3.3.4 机械手独立控制面板设计图

机械手控制独立控制面板如图3.1所示

图3.4 机械手控制面板

面板中的启动和急停按钮与PLC的运行程序无关，这两个按钮是用来接通或断开PLC外 部负载的电源。本机械手食用油手动和自动两种运行状态的控制系统，所以应能根据所设置的运行方式自动进入，这就要求系统应能自动设定与各个运行方式相应的初始状态，其相应的输入设定按钮在图3.4已经标定。

3.4 本章小结

在本章中主要讨论了本文所设计的机械手的电气控制系统的概述及机械手的自动控

制程序，自动控制系统图，手动控制系统图，自动方式状态图和机械手控制面板等。

第4章 机械手液压系统设计

4.1机械手的工作原理分析

液压自动上下料机械手是自动化流水生产线中广泛应用的工件搬运机械设备，它是流水线作业中不可或缺的运输单元。按其工作介质是油还是水（乳化液）

，液压机可分为油压机和水压机两种，以油为介质的液压机械手。液压机械手要求液压系统完成的主要动作是（工件平放）：大臂下降300mm—夹紧工件—手腕上翻90°—大臂上升300mm—大臂回转90°—手臂延伸500mm—放松工件—手臂收缩500mm—手腕下翻90°—大臂回转90°—大臂下降300mm。整个周期要完成所有动作必须由五个液压缸协调动作才能做到 ，其中两个回转液压缸和3各活塞式液压缸。

4.2液压系统控制原理图设计

液压机械手液压系统原理原理如图4.1所示

图4.1 机械手液压系统原理图

1-液压系统油箱 2-过滤器 3、4-双联齿轮液压泵 5-单向阀 6、21-两位二通电磁阀 7-先导型溢流阀 8-三位四通电磁阀 9-二位四通电磁阀 10-节流阀 11-调速阀（带阻尼孔）其余元件已在上图说明。

4.2.1 各缸运动过程分析

1、机械手大臂下降 按下启动按钮。PLC指令控制电磁铁5DT通电吸合。泵3供油经单向阀5，流经图4.1所示从左到右第二个三位四通电磁阀左位，然后流经节流阀和单向阀构成的调速阀，然后直接流向大臂升降液压缸的上腔，从而推动机械手做下降运动。

2、夹紧工件 在整机启动的情况下，泵4供油流经单向阀，然后PLC控制程序指令控制电磁铁3DT通电吸合，此时此二位四通电磁阀处于右位，液压油直接流进机械手手指夹紧液压缸的右腔，从而拉动滑槽杠杆式手部结构夹紧工件。此时电磁换向阀通电不变，直到接到放松工件指令才断电，此时因液压缸保持不动，回路压力升高，到达先导型溢流阀的设定压力时，溢流阀开启，然回路压力保持不变，仍然能够保持夹紧需要。

3、手腕上翻 PLC指令控制电磁铁8DT通电吸合。泵3供油经单向阀5，流经图4.1所示从左到右第四个三位四通电磁阀左位，然后流经节流阀和单向阀构成的调速阀，然后直接流向手腕翻转液压缸，从而推动机械手手腕做上下摆动运动。

4、大臂上升 PLC指令控制电磁铁4DT通电吸合。泵3供油经单向阀5，流经图4.1所示从左到右第二个三位四通电磁阀左位，然后流经节流阀和单向阀构成的调速阀，接着流向减压阀和单向阀构成的复合阀，然后直接流向大臂升降液压缸的下腔，从而推动机械手做上升运动。

5、大臂回转 PLC指令控制电磁铁6DT通电吸合。泵3供油经单向阀5，流经图4.1所示从左到右第一个三位四通电磁阀左位，然后流经节流阀和单向阀构成的调速阀，然后直接流向大臂回转液压缸，从而推动机械手大臂做左右摆动运动。

6、手臂延伸 PLC指令控制电磁铁1DT通电吸合。泵3供油经单向阀5，流经图4.1所示从左到右第三个三位四通电磁阀右位，然后流经节流阀和单向阀构成的调速阀，然后直接流向手臂伸缩液压缸，从而推动机械手手臂做伸缩运动。

7、放松工件 在整机启动的情况下，泵4供油流经单向阀，然后PLC控制程序指令控制电磁铁3DT断电跳开，此时此二位四通电磁阀处于左位，液压油直接流进机械手手指夹紧液压缸的左腔，从而拉动滑槽杠杆式手部结构放松工件。此时PLC指令不变，直到接到夹紧工件指令时3DT才通电，当工件放到A传送带上时，因液压缸保持不动，回路压力升高，到达先导型溢流阀的设定压力时，溢流阀开启，然回路压力保持不变，仍然保持夹手指张开。

8、手臂收缩 PLC指令控制电磁铁2DT通电吸合。泵3供油经单向阀5，流经图4.1所示从左到右第三个三位四通电磁阀左位，然后直接流向手臂伸缩液压缸，从而推动机械手手臂做收缩运动。

9、手腕下翻 PLC指令控制电磁铁9DT通电吸合。泵3供油经单向阀5，流经图

4.1所示从左到右第四个三位四通电磁阀右位，接着液压油流经节流阀和单向阀构成的调速阀，然后直接流向手腕翻转液压缸，从而推动机械手手腕做下翻动运动。

10、大臂回转 PLC指令控制电磁铁7DT通电吸合。泵3供油经单向阀5，流经图4.1所示从左到右第一个三位四通电磁阀左位，接着液压油流经节流阀和单向阀构成的调速阀，然后直接流向大臂回转液压缸，从而推动机械手大臂做左右摆动运动。

至此就完成整个机械手的循环运动，如果此时接到停止的指令，则10DT和11DT同时通电，电磁铁将电磁换向阀到上位，此时液压系统卸压，同时上面的各个电磁铁同时断电回到默认位置，完成卸荷。电磁铁动作顺序表如下：

附表4.1 机械手液压系统电磁铁通电顺序表

4.3 各液压缸的载荷力的分析

1 大臂升降液压缸的载荷力 升降缸在机械手下降过程中受活塞杆自身的重力和在他的上面的一系列机械手组件的重力，以及启动惯性力。

液压缸做上升运动时，除上述各组件的重力外，还克服运动部件的摩擦阻力，而且是重载运动。

液压缸在上升或者下降动作完成时，液压缸停止动作，但依然要克服各组件重力的影响。

2 夹紧液压缸的载荷力 在夹紧工件时，液压缸处于竖直向下状态，此状态是重载运动，他所受的外载荷有机械手手部组件的重力和液压缸活塞杆自身的重力，以及在下降过程中的启动惯性力。

液压缸做放松工件时，此时液压缸及手部组件处于水平位置，，其外载荷主要是其

连动部件的启动惯性力和手部滑槽杆的摩擦力。

机械手手部在手腕上下翻转时，夹紧液压缸此时处于动作的保持状态，其所受外载荷主要是由于摆动所产生的离心力。

3 手臂伸缩液压缸的载荷力 在手臂延伸动作时，其所受的外载荷主要是启动惯性力。

在手臂收缩时，其所受的外载荷主要也是启动惯性力。在上述两个动作完成的情况之外，都是保持动作阶段，外载荷基本没有。

在机械手的工作过程中，立柱升降频繁，为了节省能量，减少系统发热，故选用双联齿轮泵，其中一个为小流量泵，另一个为大流量泵。选择CBZ 型液压泵：大泵的额定流量为125L/min;，额定工作压力)2.5MPa；小泵的额定流量为18L/min;额定工作压力2.5MPa，其消耗功率6.8Kw，转速为1450r/min；电机型号J02-51-4，功率7.5KW，电压380V。液压原理如图4.1所示。

4.4 本章小结

主要对机械手液压系统的原理进行设计，并对机械手液压系统的电磁阀电磁铁电的通断控制顺序进行详细的分析，以及各个活塞液压缸的主要受力进行分析。另外由于设计液压机械手的工作载荷只有5N，非常的小，所以液压系统的工作压力也不大，在系统工作中所产生的发热量也不会太大，所以在液压系统设计中按照惯常思维就省略液压系统性能的一系列验算。

第5章 机械手手部的设计计算

5.1 手部设计基本要求

（1） 应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。

（2） 手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度），以便于抓取工件。

（3） 要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。

（4） 应保证手抓的夹持精度。

5.2 典型的手部结构

（1） 回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。 （2） 移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动。 （3）平面平移型。

5.3机械手手抓的设计计算

5.3.1选择手抓的类型及夹紧装置

本设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角=60，

夹取重量为0.5Kg。常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单, 适于夹持平板方料, 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指, 驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。

通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置。

5.3.2 手抓的力学分析

下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆 图3.1（a）为常见的滑槽杠杆式手部结构。

在杠杆3的作用下，销轴[GB/T882-2000]2向上的拉力为F，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F和F其力的方向垂直于滑槽的中心线oo1和oo2并

1

2，

指向o点，交F1和F2的延长线于A及B。

F

由x=0 得 F1F2

F

y=0 得

F1

F

2cos

F1F1' 由o1

F

=0 得F1'hFNb

a

cos

h

(a) (b)

图5.1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析

1——手指 2——销轴 3——杠杆

F

2b

cos2FN （3.1） a

式中 a——手指的回转支点到对称中心的距离（mm）.

——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F一定时，角增大，则握力FN也随之增大，但角过大会

00

导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好=3040。

5.3.3 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。

手指对工件的夹紧力可按公式计算FNK1K2K3G （3.2） 式中 K1——安全系数，通常1.2-2.0；

k2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估K21

b

其中a

a，重力方向的最大上升加速度；a

vmax

t响

vmax——运载时工件最大上升速度

t

响——系统达到最高速度的时间，一般选取0.03-0.5s K3——方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。 G——被抓取工件所受重力（N）。

表3-1 液压缸的工作压力

计算：设a=100mm,b=50mm,10

(1) 设K11.5

b=1.02 K21 =1

a9.8

K30.5

根据公式，将已知条件带入：

 FN1.51.020.553.825N

（2）根据驱动力公式得：

F计算 （3）取0.85 F实际

250

cos30

100



2

3.8252.87N

F计算





2.87

3.38N 0.85

（4）确定液压缸的直径D F实际



D4

2

d2p

选取活塞杆直径d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力P=0.8-1MPa, 

p10.524F实际



43.38

0.0085 5

0.8100.75

根据表4.1（JB826-66），选取液压缸内径为：D=10mm,但为了扩大机械手的工作范围，选取液压缸内径D=16mm

则活塞杆内径为:

D=160.5=8mm，选取d=8mm

5.3.4 手爪夹持范围计算

为了保证手抓张开角为60，活塞杆运动长度为34mm。手抓夹持范围，手指夹持有效长度为100mm,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R40，当张开60时，如图3.2（b）所示，最大夹持半径R2计算如下：

1

R2100tg3040/cos30103.92104

机械手的夹持半径从40mm~104mm

（a） (b)

图5.2 手抓张开示意图

5.4 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。

12

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，一定进行机械手的夹持误差。

该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。 机械手的夹持范围为80mm~208mm。 一般夹持误差不超过1mm,分析如下： 工件的平均半径：Rcp

40104

72mm 2

手指长l100mm,取V型夹角2120

偏转角按最佳偏转角确定：

cos

1

Rcplsin

cos1

72

33.75

100sin60

计算 R0lsincos100sin60cos33.75=72.14 当R0RMAXRMINS时带入有：

2



RRRR

l2max2lmaxcos2l2max2

lmincos

sinsin

2sinsin

2



0.678

夹持误差满足设计要求。

5.5 手指夹紧液压缸的尺寸参数的确定

根据夹紧力和驱动力的计算，初步确定了液压缸的内径为16mm，行程为34mm；下面要确定液压缸的缸筒长度L。缸筒长度L由最大工作行程长度加上各种结构需要来确定，即：

L=l+B+A+M+C

式中：l为活塞的最大工作行程；B为活塞宽度，一般为(0.6-1)D;A为活塞杆导向长度，取(0.6-1.5)D;M为活塞杆密封长度，由密封方式定；C为其他长度，在此由于定位方式为定位块式，需要保留一定的缸体冗余长度作为缓冲，以免在运动过程中损伤到缸体，所以C取32.8mm。一般缸筒的长度最好不超过内径的20倍。另外，液压缸的结构尺寸还有最小导向长度H。

所以：L=34+0.8D+D+0.9D+C=120mm

液压缸缸底厚度计算，本液压缸选用平行缸底，且缸底无油孔时h0.433D

py

，

其中h为缸底厚度；D为液压缸内径；py为实验压力；为缸底材料的许用应力，液压缸选用缸体材料为45号钢，100MPa。

2.51063

0.4330.0161.110m， h0.433D610010

所以选取厚度h5mm。

py

5.6 本章小结

通过本章的设计计算，先对滑槽杠杆式的手部结构进行力学分析，然后分别对滑槽杠杆式手部结构的夹紧力、夹紧用的弹簧、驱动力进行计算，在满足基本要求后，对手部的夹持精度进行分析计算。不过由于手指的设计工作载荷只有5N，所以手指零部件的载荷导致的应力都能达到设计要求，故校核可以省略。

第6章 腕部的设计计算

6.1 腕部设计的基本要求

（1） 力求结构紧凑、重量轻

腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。 （2）结构考虑，合理布局

腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。 （3） 必须考虑工作条件

对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。

6.2 腕部的结构以及选择

6.2.1典型的腕部结构

(1) 具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部

回转，总力矩M，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于270）。

(2) 齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于270的情况下，可采用齿条活塞驱动

的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。

(3) 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由

度。

(4) 机-液结合的腕部结构。

6.2.2 腕部结构和驱动机构的选择

本设计要求手腕回转90，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有

一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动。

6.3 腕部的设计计算

6.3.1 腕部设计考虑的参数

夹取工件重量

0.5Kg，回90。

6.3.2 腕部的驱动力矩计算

（1） 腕部的驱动力矩需要的力矩（2） 腕部回转支撑处的摩擦力矩

M惯M摩

。 。

夹取棒料直径80mm，长度100mm，重量0.5Kg，当手部回转90时，计算 力矩： （1） 手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为220mm，直径120mm，其重力估算G=3.14

G0.0620.227800Kgm39.8NKg190N

（2） 擦力矩M摩0.1M。

（3） 启动过程所转过的角度启180=0.314rad，等速转动角速度2.616s。

2

2

M惯JJ工件

2启 （4.1） 查取转动惯量公式有：

J

11190N

MR20.062Nms20.0342Nms2 229.8NKg

J工件

1G10.59.82

（l23R2）130.0520.04181125 12g129.8



代入： M摩

2.6162

0.03420.0418112510.9Nm

20.314

MM惯M摩M惯0.1M

M

10.9

12.11Nm 0.9

6.3.3 腕部驱动力的计算

表4-1 液压缸的内径系列（JB826-66） （mm）

设定腕部的部分尺寸：根据表4-1设缸体内径D=100mm，外径根据表4-2选择121mm,这个是液压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，其外径为140mm；动片宽度b=66mm,输出轴d=40mm.基本尺寸示如图4.1所示。则双叶片摆动液压缸工作压力

4M412.11

P0.368MPa，其中m

226226bRrm100.0660.050.020.9510为液压缸机械效率，据《机械设计手册》第五卷查得m0.9~0.99,。为了和系统液压泵的匹配及冗余设计，选择2Mpa

图4.1 腕部液压缸剖截面结构示意

表4.2 标准液压缸外径（JB1068-67） （mm）

6.3.4 液压缸盖螺钉选用的计算

表4.3 螺钉间距t与压力P之间的关系

缸盖螺钉的计算，如图4.2所示，t为螺钉的间距，间距跟工作压强有关，见表4.3，在这种联结中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力

FQ0FQFQs' （4.2）

计算：

液压缸工作压强为P=2Mpa,所以螺钉间距t小于120mm,试选择6个螺钉，

D

6



3.14100

52.33120，所以选择螺钉数目合适Z=6个 6

2

2

0.120.042

0.006594m2 危险截面SRr

4

所以，FQFQ

PS

(4.3) Z

PS

=2198N

Z

FQSKFQ

K1.51.8

FQsKFQ1.521983297N

所以 FQ0FQF

Qs'=2198+3297=5495N 螺钉材料选择Q235，则螺钉的直径 d

s

n



240

160MPa（

n1.22.5） 1.5

（4.4）

d

=

41.35495

0.00754m 6

3.1416010

螺钉的直径选择d=10mm.

6.3.5动片和输出轴间的连接螺钉

（1） 动片和输出轴间的连接螺钉

动片和输出轴之间的连接结构见上图。连接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两

个定位销定位。连接螺钉的作用：使动片和输出轴之间的配合紧密。

bp2d

Dd2M摩FQZf82

FQ

bp

D

2d24Zfd (4.5)

于是得

D——动片的外径；

f——被连接件配合面间的摩擦系数，刚对铜取f=0.15 螺钉的强度条件为

合

1.3FQ

d12

4



(4.6)

d1

或 带入有关数据，得

(4.7)

bp0.066210622

FQDd0.120.0429625N

4Zfd460.150.032



螺钉材料选择Q235，则

螺钉的直径 d

s

n



240

200MPa（n1.22.5） 1.2

41.3FQ0



41.39625

0.0089m

3.14200106

螺钉的直径选择d=9mm.选择M10的开槽盘头螺钉。

6.4 本章小结

本章通过四种基本的手腕结构，选择了具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。并进行的腕部回转力矩的计算，同时也计算了回转缸连接螺钉的直径。但由于本机械手为轻载机械手，故摆动液压缸的固定轴的强度校核省略。

第7章 臂部的设计及有关计算

手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括3个运动：伸缩、回转和升降。本章叙述手臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下一章叙述。

臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。

7.1 臂部设计的基本要求

一、 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻

（1） 根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。 （2） 提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。 （3） 合理布置作用力的位置和方向。 （4） 注意简化结构。 （5） 提高配合精度。

二、 臂部运动速度要高，惯性要小

机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在10001500s,最大回转角速度设

00

计在180s内，大部分平均移动速度为1000mms，平均回转角速度在90s。在速度

和回转角速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。减少惯量具体有3个途径： （1） 减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料。 （2） 减少臂部运动件的轮廓尺寸。

（3） 减少回转半径，再安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸缩），

尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作。 （4） 驱动系统中设有缓冲装置。 三、手臂动作应该灵活

为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对

升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。为此，必须计算使之满足不自锁的条件。

总结：以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美的、性能良好的机械手。

7.2 手臂的典型机构以及结构的选择

7.2.1 手臂的典型运动机构

常见的手臂伸缩机构有以下几种： （1） 双导杆手臂伸缩机构。

（2） 手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转

运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构。 （3） 双活塞杆液压岗结构。 （4） 活塞杆和齿轮齿条机构。

7.2.2 手臂运动机构的选择

通过以上，综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用液压驱动,液压缸选取双作用液压缸。

7.3 手臂直线运动的驱动力计算

先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。

做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力的计算。

FF摩F密F回F惯

(5.1)

7.3.1 手臂摩擦力的分析与计算

分析：

摩擦力的计算 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。上图是机械手的手臂示意图，本设计是双导向杆，导向杆对称

配置在伸缩岗两侧。

图 5.1 机械手臂部受力示意

计算如下：

由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。

M

B

0

G总LaFb

G总LFb

a 得

FY0

G总FbFa

La

FaG总

a 得

F摩Fa摩Fb摩'Fa'Fb

2La (5.2)

F摩'G总

a

式中 G总——参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（N）；

L——手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（m）,参考上一节的计算;

a——导向支撑的长度（m）;

' ——当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。 对于圆柱面：

4

'1.271.57

2

——摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：

钢对青铜：取0.10.15

钢对铸铁：取0.180.3 计算：

'导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁0.201.50.3 ，G总400N，

L=0.8-0.2=0.6m,导向支撑a设计为0.1m

将有关数据代入进行计算

20.60.1‘2LF摩G总4001560N

0.1a

7.3.2 手臂惯性力的计算

本设计要求手臂平动是15m/min,在计算惯性力的时候,设置启动时间

t0.2s，启动速度V=V=0.083mS,

G总v

(5.3) F惯

gtF惯

G总v4000.083

16.94N

9.80.2gt

7.3.3 密封装置的摩擦阻力

不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用O型密封，当液压缸工作压力小于10Mpa。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：F封0.03F。 经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：

F0.03FF摩F惯1625.7N

7.4 液压缸工作压力和结构的确定

经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力F=1625.7N，根据表3.1选择液压缸的工作压力P=2MPa

（1） 确定液压缸的结构尺寸：

液压缸内径的计算，如图5.2所示

图5.2 双作用液压缸示意图

当油进入无杆腔，

F

F1p

D2

4



当油进入有杆腔中，

FF2p



D2d2

4



液压缸的有效面积：

S



Fp1

D

故有 （无杆腔） (5.4)

D

（有杆腔） (5.5)

6

F=1625.7N，p1=210pa，选择机械效率0.95

将有关数据代入： D

4F1625.71.130.02925m 6p10.95210

根据表4-1（JB826-66），选择标准液压缸内径系列及机械的工作范围冗余设计，选择D=40mm.

（2） 液压缸外径的设计

根据装配等因素，考虑到液压缸的臂厚在7mm，所以该液压缸的外径为54mm. （3） 活塞杆的计算校核

活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。对于杆长L大

于直径d的15倍以上，按拉、压强度计算：



F

4

d2



(5.6)

设计中活塞杆取材料为碳刚，故100120Mpa，活塞直径d=20mm,现在进行校核。



F

4



1625.7

d2

4

26.13MPa100106

0.022

结论： 活塞杆的强度足够。

7.5液压缸的尺寸参数的确定

根据夹紧力和驱动力的计算，初步确定了液压缸的内径为16mm，行程为34mm；下面要确定液压缸的缸筒长度L。缸筒长度L由最大工作行程长度加上各种结构需要来确定，即：

L=l+B+A+M+C

式中：l为活塞的最大工作行程；B为活塞宽度，一般为(0.6-1)D;A为活塞杆导向长度，取(0.6-1.5)D;M为活塞杆密封长度，由密封方式定；C为其他长度，在此由于定位方式为定位块式，需要保留一定的缸体冗余长度作为缓冲，以免在运动过程中损伤到缸体，所以C取60mm。一般缸筒的长度最好不超过内径的20倍。另外，液压缸的结构尺寸还有最小导向长度H。

所以：L=500+0.8D+D+0.9D+C=668mm

液压缸缸底厚度计算，本液压缸选用平行缸底，且缸底无油孔时h0.433D

py

，

其中h为缸底厚度；D为液压缸内径；py为实验压力；为缸底材料的许用应力，液压缸选用缸体材料为45号钢，100MPa。

2.51063

0.4330.0161.110m， h0.433D610010

py

所以选取厚度h8mm。

7.5 本章小结

本章设计了机械手的手臂结构，手臂采用双导杆手臂伸缩机构，对驱动的液压缸的驱动力进行了详细的计算，并对液压缸的基本尺寸进行了设计。由于机械手为轻载荷，加之所用的双导杆即能起导向作用又能够起到为手臂伸缩液压缸做承载作用以及机器本省的能力冗余设计，故对活塞杆的校核省略。

第8章 机身的设计计算

机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。

8.1 机身的整体设计

按照设计要求，机械手要实现手臂1800的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑，分析。

机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种：

（1） 回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是

回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。

（2） 回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。

但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。

（3） 活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的

往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。 分析：

经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。如上图所示，回转机构置于升降缸之上的机身结构。手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。活塞杆采用空心，内装一花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导向。花键轴与与升降缸的下端盖用键来固定，下短盖与连接地面的的底座固定。这样就固定了花键轴，也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是导向杆在内部，结构紧凑。具体结构见下图。

驱动机构是液压驱动，回转缸通过四个油孔，两个进油孔，两个排油孔，分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定，对于本设计就是考虑两个叶片之间可以转动的角度，为满足设计要求，设计中动片和静片之间可以回转900。

（XXXX届）

本科毕业设计（论文）资料

XXXX大学教务处

Xxxx届

本科毕业设计（论文）资料

第一部分 设计说明书（或毕业论文）

（XXXX届）

本科毕业设计（论文）

组合机床自动上下料液压机械手

20XX 年 X 月

组合机床自动上料液压机械手设计

摘要

随着工业的发展，各种自动化技术的应用也更加广泛，机械手是自动化生产中不

可或缺的设备，他在工业中的应用越来越多。在自动化生产线上自动上下料机械手就

是其中不能缺少的设备。为自动生产线上的组合机床设计了一台能够自动上下料的机

械手。采用液压控制系统以及圆柱形式的坐标机构，并通过PLC控制其整个动作过程。

它的工作周期只有12s，属于高频工作机械手，在手臂伸缩和立柱升降的机构中均采用

了导向杆导向和花键轴导向，以此来保证机械手的运动精度；用定位块来保证机械手

的定位精度。本文主要叙述了机械手的设计计算过程 。

首先，本文介绍机械手的作用，机械手的组成和分类，说明了自由度和机械手整

体座标的形式。同时，本文给出了这台机械手的主要性能规格参量。

文章中介绍了自动上下料液压机械手的设计理论与方法。简略的讨论了自动上下

料机械手的自动控制系统、液压系统、手部、腕部、手臂以及机身等主要部件的结构

设计。

关键词：机械手；自动控制；PLC；液压传动；液压缸

I

COMBNATION MACHINE TOOLS AUTOMICS FEEDING

HYDRAULIC DESIGN THE ROBOT

ABSTRACT

With the development of industry, the application of automation technology and

more widely, manipulator is an indispensable equipment in the production of

automation, he has more and more application in industry. In automatic production line

autotransmitting manipulator is one of the indispensable equipment. Automatic production

line for the combination machine tools designed an automatic up-down material to the

manipulator. Adopts hydraulic control system and the form of cylindrical coordinate

institution, and through the whole process of PLC control movement. It's working cycle,

belong to high frequency 12s only work in the arm manipulator, the organization and

expansion and the pillar of the guide stem guide by spline and orientation, so as to ensure

the accuracy; sports manipulator Use orientation block to ensure accuracy of manipulator.

This paper describes the design and calculation of the manipulator.

The first，The paper introduces the function,composing and classification of the

manipulator,tells out the free-degree and the form of coordinate.At the same time,the

paper gives out the primary specification parameter of this manipulator.

Article introduces autotransmitting hydraulic design theory and method of the

manipulator. Briefly discussed autotransmitting manipulator automatic control systems,

hydraulic system, hand and wrist, arm and the fuselage of the main parts of structure

design, etc.

Keywords: manipulator; automatic control； PLC; hydraulic power transmission；

hydraulic cylinder

II

目录

第1章 绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

1.1 前言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

1.2 工业机械手简史„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2

1.3 工业机械手在生产中的应用„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4

1.4 机械手的组成„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5

1.5 工业机械手发展趋势„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6

1.6 本文主要研究内容„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7

1.7 本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8

第2章 机械手总体方案设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9

2.1 机械手基本形式的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9

2.2 方案设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9

2.3 机械手运动分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11

2.4 本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12

第3章 机械手的控制系统设计„„„„„„„„„„„„„„„„„13

3.1 机械手电气控制系统的概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13

3.2 机械手电气控制程序„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13

3.3 机械手电气控制系统图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14

3.4 本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„17

第4章 机械手液压系统设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„18

3.1 机械手工作原理分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18

3.2 液压系统工作原理图设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„18

III

4.3 各液压缸载荷力分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20

4.4 本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21

第5章 机械手手部的设计计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22

5.1 手部设计基本要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22

5.2 典型的手部结构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22

5.3 机械手手爪的设计计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„22

5.3.1 选择手爪的类型及夹紧装置„„„„„„„„„„„„„„„„„22

5.3.2 手爪的力学分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„23

5.3.3 夹紧力及驱动力的计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24

5.3.4 手爪夹持范围计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25

5.4 机械手手爪夹持精度的分析计算„„„„„„„„„„„„„„„„„26

5.5 机械手手爪夹紧液压缸的尺寸参数确定„„„„„„„„„„„„„„27

5.6 本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„28

第6章 腕部的设计计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„29

6.1 腕部设计基本要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„29

6.2 腕部的结构及选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„29

6.3 腕部的设计计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„30

6.3.1 腕部设计考虑的参数„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„30

6.3.2 腕部的驱动力矩计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„30

6.3.3 腕部驱动力的计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„31

6.3.4 液压缸盖螺钉选用计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„32

6.3.5 东片和输出轴间的连接螺钉„„„„„„„„„„„„„„„„„33

6.4 本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„34

第7章 臂部的设计及有关计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„35

IV

7.1 臂部设计的基本要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„35

7.2 手臂的典型机构及结构的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„36

7.3 手臂直线运动的驱动力计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„36

7.4 液压缸工作压力和结构的确定„„„„„„„„„„„„„„„„„„38

7.5 液压缸尺寸参数的确定„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„40

7.6 本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„41

第8章 机身的设计计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„42

8.1 机身的整体设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„42

8.2 计身回转机构的设计计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„43

8.3 机身升降机构的设计计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„47

8.3.1 手臂偏重力矩的计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„47

8.3.2 升降不自锁条件的分析计算„„„„„„„„„„„„„„„„„48

8.3.3 升降液压缸驱动力的计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„48

8.4 液压缸工作压力和结构的确定„„„„„„„„„„„„„„„„„„49

8.5 轴承的选择分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„51

8.6 本章小结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„51

结论 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„52

致谢 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„53

参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„54

V

主要符号表

FN 手指夹紧力 N

M 转动缸的回转力矩 Nm

 偏重力臂 mm

M偏 偏重力矩

t 螺钉间距 mm

FQ0 螺钉承受的拉力 N

FQ 工作载荷 N

F'

Qs 预紧力 N

启 转动缸起动角  转动缸转动角速度

1 Nm 度 rad

第1章 绪论

1.1前言

用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分动作，1

按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应

用的机械手被称为工业机械手。 2

工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产

系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械

手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术和计

算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业

机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性

能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和

环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。

机械手的发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：其一、它能部分的代替人

工操作；其二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、时间和位置来完成工件的

传送和装卸；其三、它能操作必要的机具进行焊接和装配，从而大大的改善了工人的劳

动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，

受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、粉尘、

噪音以及带有放射性和污染的场合，应用的更为广泛。在我国近几年也有较快的发展,

并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。 3

机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可

以搬运物体以完成在不同环境中的工作。

机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。 随着工业技术的发展，制成了能够

独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通

用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产

品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

1.2 工业机械手的简史

现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适

应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。 4

2

机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。

他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示

教型的。

1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机

械手。商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压

驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起

来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械

手。

1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。

该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也

是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基

础。

1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种

Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位

误差可小于±1毫米。

美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立

了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均

时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400

小时提高到1500小时，精度可提高到±0.1毫米。

德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上

下料等作业。德国KuKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。

瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。

瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。

日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械

手后，大力研究机械手的研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研

究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979

年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一

半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比

1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手

累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增

长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器

人在工作。

第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能

力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感

觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。

第三代机械手（机械人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电

视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)

和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。

随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，

欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。

1.3工业机械手在生产中的应用

机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，

如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛广泛。 5

在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越

来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者

危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，

美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在

50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装

卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。

目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传

诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔

液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工

业方面的应用。

1.3.1 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线

一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多，如沈阳永泵厂的深

井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的4号和5号电动机加工自动线（轴类），

上海拖拉机厂的齿坯自动线（盘类）等。

加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手

的，如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手。

1.3.2 实现单机自动化方面

各类半自动车床，有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，单仍需人工上下

料；装上机械手，可实现全自动化生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面应

用很多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二车床厂的自

动循环液压仿行车床机械手，沈阳第三机床厂的Y38滚齿机械手，青海第二机床厂的滚

铣花键机床机械手等。由于这方面的使用已有成功的经验，国内一些机床厂已在这类产

品出厂是就附上机械手，或为用户安装机械手提供条件。如上海第二汽车配件厂的灯壳

冲压生产线机械手（生产线中有两台多工位机床）和天津二注塑机有加料、合模、成型、

分模等自动工作循环，装上机械手的自动装卸工件，可实现全自动化生产。目前机械手

在冲床上应用有两个方面：一是160t以上的冲床用机械手的较多。如沈阳低压开关厂

200t环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂400t冲床的下料机械手等；

其一是用于多工位冲床，用作冲压件工位间步进轻局技术研究所制作的120t和40t多工

位冲床机械手等。

1.3.3 铸、锻、焊热处理等热加工方面

模锻方面，国内大批量生产的3t、5t、10t模锻锤，其所配的转底炉，用两只机械

手成一定角度布置早炉前，实现进出料自动化。上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖

拉机厂等已有较成熟的经验。

1.4 机械手的组成

工业的机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成组成。 6

1.4.1 执行机构

（1）手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其

结构简单）。手部多为两指（也有多指）；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（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸

盘。传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、楔块杠杆式、齿轮齿条

平行连杆式、内撑连杆式、右丝杠螺母式、弹簧式和重力式。

（2） 腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，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。手腕有独立的自由度。有回转运

动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要

求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运

动驱动手部搬运工件。

目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧凑，灵

巧但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。

因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。

（3）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括

工作或夹具），并带动他们做空间运动。

臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方

位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要

求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。

手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从

臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动

较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接

影响机械手的工作性能。

（4）行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。

1.4.2 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, 工业机械手的驱动机构

大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺

寸紧凑、重量轻、控制方便、可获得较大的输出功率、液体不可压缩，压力、流量易于控

制，反应灵敏、控位精确等优秀特点。

1.4.3 控制系统分类

在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控

制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等

记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。

1.5工业机械手的发展趋势

(1)工业机械手性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单

机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。

(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测

系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装

配机器人产品问市。

(3)工业机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;

器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作

性和可维修性。

(4)机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，

装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、

触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系

统中已有成熟应用。

(5)虚拟现实技术在机械手中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机

器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。

(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器

人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人

走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应

用的最著名实例。

(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置

已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年

代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目

前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和

轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等

机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得

规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人

技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用

工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装

的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机

器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种

规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不

稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通

用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划

的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成

果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道

机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，

有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器

人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较

大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和

710产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。

1.6 本文主要研究内容

本文研究了国内外机械手发展的现状，通过学习机械手的工作原理，熟悉了组合机

床自动上料液压机械手的运动机理。在此基础上，确定了组合机床自动上料液压机械手

的基本系统结构，对组合机床自动上料液压机械手的运动进行了简单的力学模型分析，

完成了自动上下料机械手的控制系统、液压系统和机械手机械方面的设计工作（包括传

动部分、执行部分、驱动部分）的设计工作。

1.7 本章小结

本章简要的介绍了机械手的基本概念、发展历程及应用领域。在机械手的组成上，

系统的从执行机构、驱动机构以及控制部分三个方面说明。比较细致的介绍了机械手的

发展趋势，简要的叙述了本文研究的内容。

第2章 机械手的总体方案设计

2.1 机械手基本形式的选择

常见的工业机械手根据手臂的动作形态,

按坐标形式大致可以分为以下4种: (1)直角

坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; ( 3)球坐标(极坐标)型机械手; (4)多关节型机机械

手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，因此本设计采用圆

柱坐标型。图2.1 是机械手搬运物品示意图。图中机械手的任务是将传送带B上的物品11

搬运到传送带A。

图2.1 机械手基本形式示意

2.2、方案设计

（1）、 黑箱结构如图2.1所示

图2.2 设计方案

（2）、 机械手动作分析及运动分析如图2.3所示，工件首先被机械手夹持，然后再随之一

起运动。其周期运动可以表现为（按动作顺序）：大臂下降—夹紧工件—手腕上翻—大臂

上升—大臂回转—手臂延伸—放松工件—手臂收回—手腕下翻—大臂回转—大臂下降。

图2.3 机械手运动图

（3）、 功能原理如图2.3所示

图2.4 机械手功能原理图

（4）、 方案设计

①传动系统如果机械手采用机械传动，则自由度少，难于实现特别复杂的运动。而对

于组合机床自动上下料的机械手，其工件的运动需要多个自由度才能完成，故不宜采用机

械传动方案。如果机械手采取气压传动，由于气控信号比光、电信号慢得多, 且由于空气

的可压缩性，工作时容易产生抖动和爬行，造成执行机构运动速度和定位精度不可靠，效

率也较低。电气传动必须有减速装置和将电机回转运动变成直线运动的装置，结构庞大，

速度不易控制。气液联合控制和电液联合控制则使系统和结构上很复杂。综上所述，我们

选择液压传动方式。

②控制系统本机械手是专用自动机械手，选择智能控制方式中的PLC程序控制方式，

这样可以使机械手的结构更加紧凑和完美。

③执行系统分析本机械手的执行系统是手部机构。手部机构形式多样，但综合其总体

构型，可分为：气吸式、电磁式和钳爪式3种。根据本组合机床加工工件的特征（导卫轮、

精密铸钢件），选择钳爪式手部结构。

④常见的工业机械手根据手臂的动作形态,按坐标形式大致可以分为以下4种: (1)直

角坐标型机械手;(2)圆柱坐标型机械手; ( 3)球坐标(极坐标)型机械手; (4)多关节型机机

械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑,定位精度较高,占地面积小，且根据本机械手

坐标形式分析分析本机械手臂的运动形式及其组合情况，采用圆柱坐标形式。因此方案确

定机械手采用液压传动方式，PLC控制，钳爪式手部结构，圆柱坐标形式。

2.3、机械手的运动分析

机械手的动作循环（工件平放）

： 大臂下降300mm—夹紧工件—手腕回转90°—大

臂上升300mm—大臂回转90°—手臂延伸500mm—放松工件—手臂收缩500mm—手腕反转

90°—大臂回转90°—大臂下降300mm。

本机械手的工作频率是5次/min，即12s/ 次，也就是说，要在10s时间内完成上述工

作循环图中的一次循环。若采用分步运动的话，那么上述平均每一个动作必须在1.25s 内

完成，这样必定增加动作的难度和结构的复杂性。因此，我们在整个运动过程中都将采用

协调运动，这样可缓减每个动作的紧迫性。

图2.5 机械手运动流程图

如图2.5所示，从t=0s时开始，机械手大臂下降，用时2s，大臂下降速度：150 mm/s；

t=2s时，机械手做夹紧工件运动；在t=2.5s时开始的还有手腕回转90°，用时1.5s；与此

同时大臂开始以150 mm/s做上升运动，用时2s。在t=4.5s时，大臂开始做回转运动，回转

90°，用时1.5s；在t=6s时，手臂开始做向外延伸500mm的运动，运动速度为250mm/s，用

时2s；在t=8s时，机械手手指开始做放松工件运动，用时0.5s；在t=8.5s时，手腕开始做

下翻90°的运动，用时1.5s；与此同时手臂开始收缩，收缩距离500mm，平均速度250mm/s，

用时2s；在t=10.5s时，手臂做90°回转运动，用时1.5s。上诉运动为一个整周期运动，

完成上述运动共用时12s。运动简图见图2.6所示。

图2.6 机械手运动简图

2.4、本章小结

本章对机械手的整体部分进行了总体设计，选择了机械手的基本形式以及自由度，确

定了本设计采用液压驱动，给出了设计中机械手的一些技术参数。下面的设计计算将以次

进行。

第3章 机械手的电气控制系统设计

3.1 机械手电气控制系统的概述

机械手的定位系统采取定位块定位，在设定位置装置定位块。并为了达到缓冲的目的，在满足工作要求的前提下，设计尽量轻的零部件。比如将某些铸钢件改用铝合金制造，或者将一些实心的零件做成空心的，以此来减轻总质量。采取PLC程序控制，控制系统选择三菱公司的FX1S系列的PLC控制器。另外机械手还可进行但不运行及回零等，其有手动控制方式和全自动控制

自动生产线机械手的主要参数: 臂力5N；自由度数为4；运动形式为圆柱坐标；长度（未伸缩）943mm；高度（未升起）为532mm，手臂伸缩行程范围0—500mm，手臂伸缩速度为250mm/s，手臂升降行程范围0—300mm；手臂升降速度为150mm/s；手腕回转行程范围

0~90，手腕回转速度为135°/s；大臂回转角度范围0~90，大臂回转速度为135°/s；

定位方式为定位块；定位精度为0.1mm；控制方式为点位式、PLC控制；驱动方式为液压系统。

3.2 机械手电气控制程序

附表1 机械手自动控制程序

步序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 13 14

指令 LD ANI ANI OUT OUT AND ANI OUT OUT AND ANI OUT OUT

数据 X400 X401 T450 Y430 T450 K2 T450 T451 Y432 T451 K0.5 T451 T452 Y433 T452

步序号 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

指令 AND ANI OUT OUT AND ANI OUT OUT AND ANI OUT OUT

数据 T453 T454 Y435 T454 K1.5 T454 T455 Y436 T455 K2 T455 T456 Y437 T456 K0.5

步序号 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41

指令 OUT OUT AND ANI OUT OUT AND ANI OUT OUT OUT

数据 K1.5 Y439 T550 K2 T550 T551 Y530 T551 K1.5 X500 T552 Y531 Y532 T552 K3

15 16

OUT OUT

K1.5

Y434 T453 K2

28 29 30

27 AND

ANI OUT OUT

T456

T457 Y438 T457

3.3 机械手电气控制系统图

3.3.1 自动控制系统图

图3.1 机械手自动控制系统图

上图为机械手自控控制系统图，他的指令采用FX1S的专用PLC控制器控制，他的工作顺序是按照上图中大臂下降开始直至最后一次大臂回转为完成一个完整的工作周期，每个工作段所用的时间在上图均已标明，从系统启动到结束程序，除非系统受到X500停车指令，否则系统均通过各个时间控制器来完成精确的控制。

3.3.2 手动控制系统图

图3.2 机械手手动控制系统图

上图为本机械手在进行试运行和系统检查以及手动控制完成所需动作而设计的手动控

制系统，工作流程在上图已经清晰标明。

3.3.3 机械手自动方式状态图

机械手自动方式状态图如图3.3所示，其中S2是自动方式的初始状态。状态转移开始辅

助继电器M8041，原点位置条件辅助继电器M8044的状态都是在初始化程序中设定的，在自动系统程序运行中不再改变。

图3.3 机械手自动方式状态图

3.3.4 机械手独立控制面板设计图

机械手控制独立控制面板如图3.1所示

图3.4 机械手控制面板

面板中的启动和急停按钮与PLC的运行程序无关，这两个按钮是用来接通或断开PLC外 部负载的电源。本机械手食用油手动和自动两种运行状态的控制系统，所以应能根据所设置的运行方式自动进入，这就要求系统应能自动设定与各个运行方式相应的初始状态，其相应的输入设定按钮在图3.4已经标定。

3.4 本章小结

在本章中主要讨论了本文所设计的机械手的电气控制系统的概述及机械手的自动控

制程序，自动控制系统图，手动控制系统图，自动方式状态图和机械手控制面板等。

第4章 机械手液压系统设计

4.1机械手的工作原理分析

液压自动上下料机械手是自动化流水生产线中广泛应用的工件搬运机械设备，它是流水线作业中不可或缺的运输单元。按其工作介质是油还是水（乳化液）

，液压机可分为油压机和水压机两种，以油为介质的液压机械手。液压机械手要求液压系统完成的主要动作是（工件平放）：大臂下降300mm—夹紧工件—手腕上翻90°—大臂上升300mm—大臂回转90°—手臂延伸500mm—放松工件—手臂收缩500mm—手腕下翻90°—大臂回转90°—大臂下降300mm。整个周期要完成所有动作必须由五个液压缸协调动作才能做到 ，其中两个回转液压缸和3各活塞式液压缸。

4.2液压系统控制原理图设计

液压机械手液压系统原理原理如图4.1所示

图4.1 机械手液压系统原理图

1-液压系统油箱 2-过滤器 3、4-双联齿轮液压泵 5-单向阀 6、21-两位二通电磁阀 7-先导型溢流阀 8-三位四通电磁阀 9-二位四通电磁阀 10-节流阀 11-调速阀（带阻尼孔）其余元件已在上图说明。

4.2.1 各缸运动过程分析

1、机械手大臂下降 按下启动按钮。PLC指令控制电磁铁5DT通电吸合。泵3供油经单向阀5，流经图4.1所示从左到右第二个三位四通电磁阀左位，然后流经节流阀和单向阀构成的调速阀，然后直接流向大臂升降液压缸的上腔，从而推动机械手做下降运动。

2、夹紧工件 在整机启动的情况下，泵4供油流经单向阀，然后PLC控制程序指令控制电磁铁3DT通电吸合，此时此二位四通电磁阀处于右位，液压油直接流进机械手手指夹紧液压缸的右腔，从而拉动滑槽杠杆式手部结构夹紧工件。此时电磁换向阀通电不变，直到接到放松工件指令才断电，此时因液压缸保持不动，回路压力升高，到达先导型溢流阀的设定压力时，溢流阀开启，然回路压力保持不变，仍然能够保持夹紧需要。

3、手腕上翻 PLC指令控制电磁铁8DT通电吸合。泵3供油经单向阀5，流经图4.1所示从左到右第四个三位四通电磁阀左位，然后流经节流阀和单向阀构成的调速阀，然后直接流向手腕翻转液压缸，从而推动机械手手腕做上下摆动运动。

4、大臂上升 PLC指令控制电磁铁4DT通电吸合。泵3供油经单向阀5，流经图4.1所示从左到右第二个三位四通电磁阀左位，然后流经节流阀和单向阀构成的调速阀，接着流向减压阀和单向阀构成的复合阀，然后直接流向大臂升降液压缸的下腔，从而推动机械手做上升运动。

5、大臂回转 PLC指令控制电磁铁6DT通电吸合。泵3供油经单向阀5，流经图4.1所示从左到右第一个三位四通电磁阀左位，然后流经节流阀和单向阀构成的调速阀，然后直接流向大臂回转液压缸，从而推动机械手大臂做左右摆动运动。

6、手臂延伸 PLC指令控制电磁铁1DT通电吸合。泵3供油经单向阀5，流经图4.1所示从左到右第三个三位四通电磁阀右位，然后流经节流阀和单向阀构成的调速阀，然后直接流向手臂伸缩液压缸，从而推动机械手手臂做伸缩运动。

7、放松工件 在整机启动的情况下，泵4供油流经单向阀，然后PLC控制程序指令控制电磁铁3DT断电跳开，此时此二位四通电磁阀处于左位，液压油直接流进机械手手指夹紧液压缸的左腔，从而拉动滑槽杠杆式手部结构放松工件。此时PLC指令不变，直到接到夹紧工件指令时3DT才通电，当工件放到A传送带上时，因液压缸保持不动，回路压力升高，到达先导型溢流阀的设定压力时，溢流阀开启，然回路压力保持不变，仍然保持夹手指张开。

8、手臂收缩 PLC指令控制电磁铁2DT通电吸合。泵3供油经单向阀5，流经图4.1所示从左到右第三个三位四通电磁阀左位，然后直接流向手臂伸缩液压缸，从而推动机械手手臂做收缩运动。

9、手腕下翻 PLC指令控制电磁铁9DT通电吸合。泵3供油经单向阀5，流经图

4.1所示从左到右第四个三位四通电磁阀右位，接着液压油流经节流阀和单向阀构成的调速阀，然后直接流向手腕翻转液压缸，从而推动机械手手腕做下翻动运动。

10、大臂回转 PLC指令控制电磁铁7DT通电吸合。泵3供油经单向阀5，流经图4.1所示从左到右第一个三位四通电磁阀左位，接着液压油流经节流阀和单向阀构成的调速阀，然后直接流向大臂回转液压缸，从而推动机械手大臂做左右摆动运动。

至此就完成整个机械手的循环运动，如果此时接到停止的指令，则10DT和11DT同时通电，电磁铁将电磁换向阀到上位，此时液压系统卸压，同时上面的各个电磁铁同时断电回到默认位置，完成卸荷。电磁铁动作顺序表如下：

附表4.1 机械手液压系统电磁铁通电顺序表

4.3 各液压缸的载荷力的分析

1 大臂升降液压缸的载荷力 升降缸在机械手下降过程中受活塞杆自身的重力和在他的上面的一系列机械手组件的重力，以及启动惯性力。

液压缸做上升运动时，除上述各组件的重力外，还克服运动部件的摩擦阻力，而且是重载运动。

液压缸在上升或者下降动作完成时，液压缸停止动作，但依然要克服各组件重力的影响。

2 夹紧液压缸的载荷力 在夹紧工件时，液压缸处于竖直向下状态，此状态是重载运动，他所受的外载荷有机械手手部组件的重力和液压缸活塞杆自身的重力，以及在下降过程中的启动惯性力。

液压缸做放松工件时，此时液压缸及手部组件处于水平位置，，其外载荷主要是其

连动部件的启动惯性力和手部滑槽杆的摩擦力。

机械手手部在手腕上下翻转时，夹紧液压缸此时处于动作的保持状态，其所受外载荷主要是由于摆动所产生的离心力。

3 手臂伸缩液压缸的载荷力 在手臂延伸动作时，其所受的外载荷主要是启动惯性力。

在手臂收缩时，其所受的外载荷主要也是启动惯性力。在上述两个动作完成的情况之外，都是保持动作阶段，外载荷基本没有。

在机械手的工作过程中，立柱升降频繁，为了节省能量，减少系统发热，故选用双联齿轮泵，其中一个为小流量泵，另一个为大流量泵。选择CBZ 型液压泵：大泵的额定流量为125L/min;，额定工作压力)2.5MPa；小泵的额定流量为18L/min;额定工作压力2.5MPa，其消耗功率6.8Kw，转速为1450r/min；电机型号J02-51-4，功率7.5KW，电压380V。液压原理如图4.1所示。

4.4 本章小结

主要对机械手液压系统的原理进行设计，并对机械手液压系统的电磁阀电磁铁电的通断控制顺序进行详细的分析，以及各个活塞液压缸的主要受力进行分析。另外由于设计液压机械手的工作载荷只有5N，非常的小，所以液压系统的工作压力也不大，在系统工作中所产生的发热量也不会太大，所以在液压系统设计中按照惯常思维就省略液压系统性能的一系列验算。

第5章 机械手手部的设计计算

5.1 手部设计基本要求

（1） 应具有适当的夹紧力和驱动力。应当考虑到在一定的夹紧力下，不同的传动机构所需的驱动力大小是不同的。

（2） 手指应具有一定的张开范围，手指应该具有足够的开闭角度（手指从张开到闭合绕支点所转过的角度），以便于抓取工件。

（3） 要求结构紧凑、重量轻、效率高，在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使结构紧凑、重量轻，以利于减轻手臂的负载。

（4） 应保证手抓的夹持精度。

5.2 典型的手部结构

（1） 回转型 包括滑槽杠杆式和连杆杠杆式两种。 （2） 移动型 移动型即两手指相对支座作往复运动。 （3）平面平移型。

5.3机械手手抓的设计计算

5.3.1选择手抓的类型及夹紧装置

本设计平动搬运机械手的设计，考虑到所要达到的原始参数：手抓张合角=60，

夹取重量为0.5Kg。常用的工业机械手手部,按握持工件的原理,分为夹持和吸附两大类。吸附式常用于抓取工件表面平整、面积较大的板状物体,不适合用于本方案。本设计机械手采用夹持式手指,夹持式机械手按运动形式可分为回转型和平移型。平移型手指的张开闭合靠手指的平行移动,这种手指结构简单, 适于夹持平板方料, 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置, 其理论夹持误差零。若采用典型的平移型手指, 驱动力需加在手指移动方向上,这样会使结构变得复杂且体积庞大。显然是不合适的，因此不选择这种类型。

通过综合考虑，本设计选择二指回转型手抓，采用滑槽杠杆这种结构方式。夹紧装置选择常开式夹紧装置。

5.3.2 手抓的力学分析

下面对其基本结构进行力学分析：滑槽杠杆 图3.1（a）为常见的滑槽杠杆式手部结构。

在杠杆3的作用下，销轴[GB/T882-2000]2向上的拉力为F，并通过销轴中心O点，两手指1的滑槽对销轴的反作用力为F和F其力的方向垂直于滑槽的中心线oo1和oo2并

1

2，

指向o点，交F1和F2的延长线于A及B。

F

由x=0 得 F1F2

F

y=0 得

F1

F

2cos

F1F1' 由o1

F

=0 得F1'hFNb

a

cos

h

(a) (b)

图5.1 滑槽杠杆式手部结构、受力分析

1——手指 2——销轴 3——杠杆

F

2b

cos2FN （3.1） a

式中 a——手指的回转支点到对称中心的距离（mm）.

——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F一定时，角增大，则握力FN也随之增大，但角过大会

00

导致拉杆行程过大，以及手部结构增大，因此最好=3040。

5.3.3 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。

手指对工件的夹紧力可按公式计算FNK1K2K3G （3.2） 式中 K1——安全系数，通常1.2-2.0；

k2——工作情况系数，主要考虑惯性力的影响。可近似按下式估K21

b

其中a

a，重力方向的最大上升加速度；a

vmax

t响

vmax——运载时工件最大上升速度

t

响——系统达到最高速度的时间，一般选取0.03-0.5s K3——方位系数，根据手指与工件位置不同进行选择。 G——被抓取工件所受重力（N）。

表3-1 液压缸的工作压力

计算：设a=100mm,b=50mm,10

(1) 设K11.5

b=1.02 K21 =1

a9.8

K30.5

根据公式，将已知条件带入：

 FN1.51.020.553.825N

（2）根据驱动力公式得：

F计算 （3）取0.85 F实际

250

cos30

100



2

3.8252.87N

F计算





2.87

3.38N 0.85

（4）确定液压缸的直径D F实际



D4

2

d2p

选取活塞杆直径d=0.5D,选择液压缸压力油工作压力P=0.8-1MPa, 

p10.524F实际



43.38

0.0085 5

0.8100.75

根据表4.1（JB826-66），选取液压缸内径为：D=10mm,但为了扩大机械手的工作范围，选取液压缸内径D=16mm

则活塞杆内径为:

D=160.5=8mm，选取d=8mm

5.3.4 手爪夹持范围计算

为了保证手抓张开角为60，活塞杆运动长度为34mm。手抓夹持范围，手指夹持有效长度为100mm,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R40，当张开60时，如图3.2（b）所示，最大夹持半径R2计算如下：

1

R2100tg3040/cos30103.92104

机械手的夹持半径从40mm~104mm

（a） (b)

图5.2 手抓张开示意图

5.4 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。

12

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，一定进行机械手的夹持误差。

该设计以棒料来分析机械手的夹持误差精度。 机械手的夹持范围为80mm~208mm。 一般夹持误差不超过1mm,分析如下： 工件的平均半径：Rcp

40104

72mm 2

手指长l100mm,取V型夹角2120

偏转角按最佳偏转角确定：

cos

1

Rcplsin

cos1

72

33.75

100sin60

计算 R0lsincos100sin60cos33.75=72.14 当R0RMAXRMINS时带入有：

2



RRRR

l2max2lmaxcos2l2max2

lmincos

sinsin

2sinsin

2



0.678

夹持误差满足设计要求。

5.5 手指夹紧液压缸的尺寸参数的确定

根据夹紧力和驱动力的计算，初步确定了液压缸的内径为16mm，行程为34mm；下面要确定液压缸的缸筒长度L。缸筒长度L由最大工作行程长度加上各种结构需要来确定，即：

L=l+B+A+M+C

式中：l为活塞的最大工作行程；B为活塞宽度，一般为(0.6-1)D;A为活塞杆导向长度，取(0.6-1.5)D;M为活塞杆密封长度，由密封方式定；C为其他长度，在此由于定位方式为定位块式，需要保留一定的缸体冗余长度作为缓冲，以免在运动过程中损伤到缸体，所以C取32.8mm。一般缸筒的长度最好不超过内径的20倍。另外，液压缸的结构尺寸还有最小导向长度H。

所以：L=34+0.8D+D+0.9D+C=120mm

液压缸缸底厚度计算，本液压缸选用平行缸底，且缸底无油孔时h0.433D

py

，

其中h为缸底厚度；D为液压缸内径；py为实验压力；为缸底材料的许用应力，液压缸选用缸体材料为45号钢，100MPa。

2.51063

0.4330.0161.110m， h0.433D610010

所以选取厚度h5mm。

py

5.6 本章小结

通过本章的设计计算，先对滑槽杠杆式的手部结构进行力学分析，然后分别对滑槽杠杆式手部结构的夹紧力、夹紧用的弹簧、驱动力进行计算，在满足基本要求后，对手部的夹持精度进行分析计算。不过由于手指的设计工作载荷只有5N，所以手指零部件的载荷导致的应力都能达到设计要求，故校核可以省略。

第6章 腕部的设计计算

6.1 腕部设计的基本要求

（1） 力求结构紧凑、重量轻

腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。 （2）结构考虑，合理布局

腕部作为机械手的执行机构，又承担连接和支撑作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。 （3） 必须考虑工作条件

对于本设计，机械手的工作条件是在工作场合中搬运加工的棒料，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对机械手的腕部没有太多不利因素。

6.2 腕部的结构以及选择

6.2.1典型的腕部结构

(1) 具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部

回转，总力矩M，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于270）。

(2) 齿条活塞驱动的腕部结构。在要求回转角大于270的情况下，可采用齿条活塞驱动

的腕部结构。这种结构外形尺寸较大，一般适用于悬挂式臂部。

(3) 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构。它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由

度。

(4) 机-液结合的腕部结构。

6.2.2 腕部结构和驱动机构的选择

本设计要求手腕回转90，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有

一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动。

6.3 腕部的设计计算

6.3.1 腕部设计考虑的参数

夹取工件重量

0.5Kg，回90。

6.3.2 腕部的驱动力矩计算

（1） 腕部的驱动力矩需要的力矩（2） 腕部回转支撑处的摩擦力矩

M惯M摩

。 。

夹取棒料直径80mm，长度100mm，重量0.5Kg，当手部回转90时，计算 力矩： （1） 手抓、手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体，高为220mm，直径120mm，其重力估算G=3.14

G0.0620.227800Kgm39.8NKg190N

（2） 擦力矩M摩0.1M。

（3） 启动过程所转过的角度启180=0.314rad，等速转动角速度2.616s。

2

2

M惯JJ工件

2启 （4.1） 查取转动惯量公式有：

J

11190N

MR20.062Nms20.0342Nms2 229.8NKg

J工件

1G10.59.82

（l23R2）130.0520.04181125 12g129.8



代入： M摩

2.6162

0.03420.0418112510.9Nm

20.314

MM惯M摩M惯0.1M

M

10.9

12.11Nm 0.9

6.3.3 腕部驱动力的计算

表4-1 液压缸的内径系列（JB826-66） （mm）

设定腕部的部分尺寸：根据表4-1设缸体内径D=100mm，外径根据表4-2选择121mm,这个是液压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，其外径为140mm；动片宽度b=66mm,输出轴d=40mm.基本尺寸示如图4.1所示。则双叶片摆动液压缸工作压力

4M412.11

P0.368MPa，其中m

226226bRrm100.0660.050.020.9510为液压缸机械效率，据《机械设计手册》第五卷查得m0.9~0.99,。为了和系统液压泵的匹配及冗余设计，选择2Mpa

图4.1 腕部液压缸剖截面结构示意

表4.2 标准液压缸外径（JB1068-67） （mm）

6.3.4 液压缸盖螺钉选用的计算

表4.3 螺钉间距t与压力P之间的关系

缸盖螺钉的计算，如图4.2所示，t为螺钉的间距，间距跟工作压强有关，见表4.3，在这种联结中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力

FQ0FQFQs' （4.2）

计算：

液压缸工作压强为P=2Mpa,所以螺钉间距t小于120mm,试选择6个螺钉，

D

6



3.14100

52.33120，所以选择螺钉数目合适Z=6个 6

2

2

0.120.042

0.006594m2 危险截面SRr

4

所以，FQFQ

PS

(4.3) Z

PS

=2198N

Z

FQSKFQ

K1.51.8

FQsKFQ1.521983297N

所以 FQ0FQF

Qs'=2198+3297=5495N 螺钉材料选择Q235，则螺钉的直径 d

s

n



240

160MPa（

n1.22.5） 1.5

（4.4）

d

=

41.35495

0.00754m 6

3.1416010

螺钉的直径选择d=10mm.

6.3.5动片和输出轴间的连接螺钉

（1） 动片和输出轴间的连接螺钉

动片和输出轴之间的连接结构见上图。连接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两

个定位销定位。连接螺钉的作用：使动片和输出轴之间的配合紧密。

bp2d

Dd2M摩FQZf82

FQ

bp

D

2d24Zfd (4.5)

于是得

D——动片的外径；

f——被连接件配合面间的摩擦系数，刚对铜取f=0.15 螺钉的强度条件为

合

1.3FQ

d12

4



(4.6)

d1

或 带入有关数据，得

(4.7)

bp0.066210622

FQDd0.120.0429625N

4Zfd460.150.032



螺钉材料选择Q235，则

螺钉的直径 d

s

n



240

200MPa（n1.22.5） 1.2

41.3FQ0



41.39625

0.0089m

3.14200106

螺钉的直径选择d=9mm.选择M10的开槽盘头螺钉。

6.4 本章小结

本章通过四种基本的手腕结构，选择了具有一个自由度的回转驱动的腕部结构。并进行的腕部回转力矩的计算，同时也计算了回转缸连接螺钉的直径。但由于本机械手为轻载机械手，故摆动液压缸的固定轴的强度校核省略。

第7章 臂部的设计及有关计算

手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括3个运动：伸缩、回转和升降。本章叙述手臂的伸缩运动，手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下一章叙述。

臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。

7.1 臂部设计的基本要求

一、 臂部应承载能力大、刚度好、自重轻

（1） 根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸。 （2） 提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离。 （3） 合理布置作用力的位置和方向。 （4） 注意简化结构。 （5） 提高配合精度。

二、 臂部运动速度要高，惯性要小

机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在10001500s,最大回转角速度设

00

计在180s内，大部分平均移动速度为1000mms，平均回转角速度在90s。在速度

和回转角速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。减少惯量具体有3个途径： （1） 减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料。 （2） 减少臂部运动件的轮廓尺寸。

（3） 减少回转半径，再安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸缩），

尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作。 （4） 驱动系统中设有缓冲装置。 三、手臂动作应该灵活

为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对

升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。为此，必须计算使之满足不自锁的条件。

总结：以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美的、性能良好的机械手。

7.2 手臂的典型机构以及结构的选择

7.2.1 手臂的典型运动机构

常见的手臂伸缩机构有以下几种： （1） 双导杆手臂伸缩机构。

（2） 手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转

运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构。 （3） 双活塞杆液压岗结构。 （4） 活塞杆和齿轮齿条机构。

7.2.2 手臂运动机构的选择

通过以上，综合考虑，本设计选择双导杆伸缩机构，使用液压驱动,液压缸选取双作用液压缸。

7.3 手臂直线运动的驱动力计算

先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构。

做水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力根据液压缸运动时所克服的摩擦、惯性等几个方面的阻力，来确定来确定液压缸所需要的驱动力。液压缸活塞的驱动力的计算。

FF摩F密F回F惯

(5.1)

7.3.1 手臂摩擦力的分析与计算

分析：

摩擦力的计算 不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。上图是机械手的手臂示意图，本设计是双导向杆，导向杆对称

配置在伸缩岗两侧。

图 5.1 机械手臂部受力示意

计算如下：

由于导向杆对称配置，两导向杆受力均衡，可按一个导向杆计算。

M

B

0

G总LaFb

G总LFb

a 得

FY0

G总FbFa

La

FaG总

a 得

F摩Fa摩Fb摩'Fa'Fb

2La (5.2)

F摩'G总

a

式中 G总——参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（N）；

L——手臂与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（m）,参考上一节的计算;

a——导向支撑的长度（m）;

' ——当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关。 对于圆柱面：

4

'1.271.57

2

——摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：

钢对青铜：取0.10.15

钢对铸铁：取0.180.3 计算：

'导向杆的材料选择钢，导向支撑选择铸铁0.201.50.3 ，G总400N，

L=0.8-0.2=0.6m,导向支撑a设计为0.1m

将有关数据代入进行计算

20.60.1‘2LF摩G总4001560N

0.1a

7.3.2 手臂惯性力的计算

本设计要求手臂平动是15m/min,在计算惯性力的时候,设置启动时间

t0.2s，启动速度V=V=0.083mS,

G总v

(5.3) F惯

gtF惯

G总v4000.083

16.94N

9.80.2gt

7.3.3 密封装置的摩擦阻力

不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用O型密封，当液压缸工作压力小于10Mpa。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：F封0.03F。 经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：

F0.03FF摩F惯1625.7N

7.4 液压缸工作压力和结构的确定

经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力F=1625.7N，根据表3.1选择液压缸的工作压力P=2MPa

（1） 确定液压缸的结构尺寸：

液压缸内径的计算，如图5.2所示

图5.2 双作用液压缸示意图

当油进入无杆腔，

F

F1p

D2

4



当油进入有杆腔中，

FF2p



D2d2

4



液压缸的有效面积：

S



Fp1

D

故有 （无杆腔） (5.4)

D

（有杆腔） (5.5)

6

F=1625.7N，p1=210pa，选择机械效率0.95

将有关数据代入： D

4F1625.71.130.02925m 6p10.95210

根据表4-1（JB826-66），选择标准液压缸内径系列及机械的工作范围冗余设计，选择D=40mm.

（2） 液压缸外径的设计

根据装配等因素，考虑到液压缸的臂厚在7mm，所以该液压缸的外径为54mm. （3） 活塞杆的计算校核

活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。对于杆长L大

于直径d的15倍以上，按拉、压强度计算：



F

4

d2



(5.6)

设计中活塞杆取材料为碳刚，故100120Mpa，活塞直径d=20mm,现在进行校核。



F

4



1625.7

d2

4

26.13MPa100106

0.022

结论： 活塞杆的强度足够。

7.5液压缸的尺寸参数的确定

根据夹紧力和驱动力的计算，初步确定了液压缸的内径为16mm，行程为34mm；下面要确定液压缸的缸筒长度L。缸筒长度L由最大工作行程长度加上各种结构需要来确定，即：

L=l+B+A+M+C

式中：l为活塞的最大工作行程；B为活塞宽度，一般为(0.6-1)D;A为活塞杆导向长度，取(0.6-1.5)D;M为活塞杆密封长度，由密封方式定；C为其他长度，在此由于定位方式为定位块式，需要保留一定的缸体冗余长度作为缓冲，以免在运动过程中损伤到缸体，所以C取60mm。一般缸筒的长度最好不超过内径的20倍。另外，液压缸的结构尺寸还有最小导向长度H。

所以：L=500+0.8D+D+0.9D+C=668mm

液压缸缸底厚度计算，本液压缸选用平行缸底，且缸底无油孔时h0.433D

py

，

其中h为缸底厚度；D为液压缸内径；py为实验压力；为缸底材料的许用应力，液压缸选用缸体材料为45号钢，100MPa。

2.51063

0.4330.0161.110m， h0.433D610010

py

所以选取厚度h8mm。

7.5 本章小结

本章设计了机械手的手臂结构，手臂采用双导杆手臂伸缩机构，对驱动的液压缸的驱动力进行了详细的计算，并对液压缸的基本尺寸进行了设计。由于机械手为轻载荷，加之所用的双导杆即能起导向作用又能够起到为手臂伸缩液压缸做承载作用以及机器本省的能力冗余设计，故对活塞杆的校核省略。

第8章 机身的设计计算

机身是直接支撑和驱动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。

8.1 机身的整体设计

按照设计要求，机械手要实现手臂1800的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑，分析。

机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种：

（1） 回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是

回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。

（2） 回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。

但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。

（3） 活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的

往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。 分析：

经过综合考虑，本设计选用回转缸置于升降缸之上的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和升降。如上图所示，回转机构置于升降缸之上的机身结构。手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与升降缸的活塞杆是一体的。活塞杆采用空心，内装一花键套与花键轴配合，活塞升降由花键轴导向。花键轴与与升降缸的下端盖用键来固定，下短盖与连接地面的的底座固定。这样就固定了花键轴，也就通过花键轴固定了活塞杆。这种结构是导向杆在内部，结构紧凑。具体结构见下图。

驱动机构是液压驱动，回转缸通过四个油孔，两个进油孔，两个排油孔，分别通向回转叶片的两侧来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定，对于本设计就是考虑两个叶片之间可以转动的角度，为满足设计要求，设计中动片和静片之间可以回转900。