自动上下料机械手毕业设计

自动上下料机械手毕业

设计

Revised as of 23 November 2020

自动上下料机械手直臂与夹持部件的三维设计及主要零部件设计

学生姓名XXX学号XXXXXX

学生专业机械设计制造及其自动化班级机械XX 系机电指导教师XX 副教授

自动上下料机械手直臂与夹持部件的三维设计及主要零部件设计

摘要：机械手能代替人工操作，起到减轻工人的劳动强度，节约加工时间，提高生产效率，降低生产成本的特点。在实用的基础上，对自动上下料机械手直臂与夹持部件进行三维设计，其中分为三个部分，手爪、手腕、直臂。设计手爪为平移型夹持式手爪，传动结构为滑动丝杆。手腕为回转型，转动角度为0-180°，传动结构为蜗轮蜗杆。直臂传动结构为滚珠丝杆。整体机械手为直角坐标型，驱动均为电机驱动，结构简单可靠，精度高。

关键词：机械手；直臂与夹持部件；Pro/e三维设计；CAD二维设计

中图分类号：T

摘要.................................................................. .................................................................... .........................I

目次............................................................................................................................................... .............III

1绪论 (1)

前言和意义 (1)

工业机械手的简史 (1)

国内外研究现状和趋势 (3)

本章小结 (3)

2机械手直臂部分的总体设计 (4)

执行机构的选择 (4)

驱动机构的选择 (4)

传动结构的选择 (5)

机械手的基本形式选择 (6)

机械手直臂部分的主要部件及运动 (7)

机械手的技术参数 (8)

本章小结 (9)

3机械手手爪的三维设计 (10)

手部设计基本要求 (10)

典型的手部结构 (10)

机械手手爪的设计计算 (10)

选择手爪的类型及夹紧装置 (10)

手爪夹持范围计算 (11)

滑动丝杠设计 (12)

直齿轮设计 (14)

电机选型 (15)

机械手手爪的三维出图及其主要零部件出图 (16)

本章小结 (18)

4机械手手腕部分的三维设计 (19)

腕部设计的基本要求 (19)

腕部的结构以及选择 (19)

典型的腕部结构 (19)

腕部结构和驱动机构的选择 (20)

腕部的设计计算 (20)

蜗轮轴的设计计算 (20)

蜗轮齿轮设计 (22)

步进电机选型 (23)

手腕部分出图及主要零部件出图 (24)

本章小结 (30)

5 直臂部分的三维设计 (31)

手臂的结构的选择及其驱动机构 (31)

滚珠丝杠设计 (31)

锥齿轮设计 (34)

电机选型 (36)

机械手直臂部分三维出图及主要零部件出图 (37)

本章小结 (40)

6.总结 (41)

学位论文数据集 (43)

1绪论

前言和意义

机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。目前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，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。

目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。

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，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。

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。

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±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KnKa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。

国内外研究现状和趋势

目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：

1．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。

2．工业机器人控制系统向基于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。

3．机器人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决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。

4．关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；

5．焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。

总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。

本章小结

本章介绍了机械手的基本概念，工业发展简史，发展机械手的重要性及设计的目的，并介绍了机械手的现状和发展方向。

2机械手直臂部分的总体设计

执行机构的选择

（1）手部，是直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型。手部是用来抓取工件的部件，根据被抓取物件的形状、尺寸、重量、材料和抓取要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。其中最常用的抓取类型是吸附型和夹持型，吸附型主要是针对于一些正方形表面光滑、轻质的工件或物料，夹持型主要是针对圆柱形状或者是别的一些比较复杂形状的工件或物料。传力机构形式较多，常用的有：连杆杠杆式、滑槽杠杆式、斜槭杠杆式、丝杠螺母式、齿轮齿条式、重力式和弹簧式。

（2）腕部，即连接手部和臂部的部件，起支撑和改变手部姿态的作用，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、左右摆动、上下摆动。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。

驱动机构的选择

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, 可分为以下四类：（1）气压传动机械手

气压机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其特点为：输出力大、易于保养、动作迅速、结构简单成本低。但是由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差、冲击力大、定位精度一般、抓取力小。

（2）液压传动机械手

是以油液压缩的压力来驱动执行机构运动的机械手。其特点为：输出力大、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏、抓取力大。但是这种机械手对密封性要求很高、不易于保养与维护、受到液体本身的属性影响，不宜在高温或者低温的环境下工作、油的泄漏会导致对其工作性能产生很大的影响、油液过滤要求非常严格，成本高。（3）机械驱动机械手

它是由机械传动机构驱动的机械手，是一种附属于工作主机的专用机械手，动力是由工作机械提供的。其主要特点为：运动精确，动作频率大，定位精度高。但是结构较大，保养需求高。

（4）电气驱动机械手

它是由电机直接驱动执行机构运动的机械手。其特点为：运动速度快，行程长，定位精度高，易于维护、使用方便、节能环保。但是其技术还不够成熟、结构较复杂、成本也较高。

驱动机构是工业机械手的重要组成部分, 工业机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其装置。按照各驱动特点以及机械手的工作环境经讨论我们采用电动驱动。

传动结构的选择

（1）齿轮传动机构

在机器人中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。

（2）谐波齿轮传动

谐波齿轮传动具有结构简单、体积小重量轻，传动比大（几十到几百），传动精度高、回程误差小、噪音低、传动平稳，承载能力强、效率高等一系列优点。故在工业机器人系统中得到广泛的应用。谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相

似，它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力与运动的，故谐波齿轮传动与一般的齿轮传动具有本质上的差别。

（3）螺旋传动

螺旋传动及丝杠螺母，它主要是用来将旋转运动变换为直线运动或将直线运动变换为旋转运动。螺旋传动有传递能量为主的，如螺旋压力机、千斤顶等；有以传递运动为主的，如机床工作台的进给丝杠。

丝杠螺母传动分为普通丝杠（滑动摩擦）和滚珠丝杠（滚动摩擦），前者结构简单、加工方便、制造成本低，具有自锁能力；但是摩擦阻力矩大、传动效率低（30%~40%）。后者虽然结构复杂、制造成本高，但是其最大的优点是摩擦阻力矩小、传动效率高（92%~98%），其运动平稳性好，灵活度高。通过预紧，能消除间隙、提高传动刚度；进给精度和重复定位精度高。使用寿命长；而且同步性好，使用可靠、润滑简单，因此滚珠丝杠在机器人中应用很多。由于滚珠丝杠传动返行程不能自锁；因此在用于垂直方向传动时，须附加自锁机构或制动装置。

（4）同步带传动

同步带传动是综合了普通带传动和链轮链条传动优点的一种新型传动，它在带的工作面及带轮外周上均制有啮合齿，通过带齿与轮齿作啮合传动。为保证带和带轮作无滑动的同步传动，齿形带采用了承载后无弹性变形的高强力材料，无弹性滑动，以保证节距不变。同步带具有传动比准确、传动效率高（可达98%）、节能效果好；能吸振、噪声低、不需要润滑；传动平稳，能高速传动（可达40m/s）、传动比可达10，结构紧凑、维护方便等优点，故在机器人中使用很多。其主要缺点是安装精度要求高、中心距要求严格，同时具有一定的蠕变性。同步带带轮齿形有梯形齿形和圆弧齿形。（5）钢带传动

钢带传动的特点是钢带与带轮间接触面积大，是无间隙传动、摩擦阻力大，无滑动，结构简单紧凑、运行可靠、噪声低，驱动力矩大、寿命长，钢带无蠕变、传动效率高。

（6)链传动

在机器人中链传动多用于腕传动上，为了减轻机器人末端的重量，一般都将腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。由于电机距离被传动的腕关节较远，故采用精密套筒滚子链来传动。

（7)钢丝绳轮传动

钢丝绳轮传动具有结构简单、传动刚度大、结构柔软，成本较低等优点。其缺

点是带轮较大、安装面积大、加速度不宜太高。

机械手的基本形式选择

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。

图机械手基本形式

按照机械手的工作环境采用直角坐标型机械手，其特点是结构简单紧凑，定位精度高，比较满足设计要求。

机械手直臂部分的主要部件及运动

在直角坐标型机械手的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，

关于机械手具有4个自由度即：手爪张合；手腕回转；直臂升降；横臂平移4个主要运动。

机械手主要由3个大部件和4个电机组成：（1）手部，采用丝杆螺母结构，通过电机带动实现手抓的张合。（2）腕部，采用一个步进电机带动蜗轮蜗杆实现手部

回转90°~180°（3）臂部，采用滚珠丝杠，电机带动丝杆使螺母在横臂上移动来实现手臂平动，带动丝杆螺母使丝杆在直臂上移动实现手臂升降。

图机械手直臂与夹持部件总装三维图

图二维示意图

机械手的技术参数

（1）用途：数控机床自动上下料

（2）设计技术参数:

1、抓重:600g (夹持式手部)

2、自由度数:4个自由度

3、坐标型式:直角坐标型

4、横臂手臂长度:2180mm

5、手臂最大高度:

6、手臂运动参数

升降行程：920mm

升降速度：167mm/s

7、手腕运动参数

回转范围: 0-180°

本章小结

本章对机械手的整体部分进行了总体方案设计分析，从中选择了机械手的基本形式以及自由度，确定了本设计采用电机驱动，并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此进行。

3机械手手爪的三维设计

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）?γ，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。

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。

机械手手爪的设计计算

选择手爪的类型及夹紧装置

本设计是设计抓取圆柱形物块的机械手。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, 适于夹持平板和圆柱类材料, 且工件径向尺寸的变化不影响其轴心的位置, 其理论

夹持误差为零。通过综合考虑，本设计选择移动型手爪，采用丝杠螺母这种传动结

构方式。

运行方式为电机带动直齿轮使丝杠转动继而带动手爪接触块移动，从而形成手

爪的张合，当手爪抓到零件时，电机停止，手爪形成自锁，带动零件移动。

图二维手爪结构图

手爪夹持范围计算

加工毛坯尺寸：Φ20-Φ30 长度：100左右

毛坯质量（以钢材的密度计算）：约246g-555g （按最大600g 计算） 装夹深度：约25mm 纵向定位精度： 横向定位精度：1mm

手爪接触块为橡胶，橡胶具有弹性大，定伸强度高，抗撕裂性和电绝缘性优良，耐磨性和耐旱性良好，加工性佳等特点。

图 手爪橡胶

滑动丝杠设计 设计条件： 需自锁

丝杠长度 145mm 最大质量共计约1100g 。

丝杠载荷：丝杠竖直时承受最大轴向力N F a 6.11max =，G=mg (g 取10N/kg)。 设计计算：（计算部分由小组成员张益完成本人参与讨论） （1）牙型、材料和许用应力 采用梯形单头螺纹

螺杆材料选45钢，调制处理，2/360mm N s =σ，由机械手册查表可得 许用拉应力2/72~1205

~3mm N s

p ==

σσ .................................................................（）

手爪部分为轻载，螺母材料选耐磨铸铁。由机械手册查表可得 许用弯曲应力2/60~50mm N bp =σ， 取2/50mm N bp =σ ； 许用剪应力2/40mm N p =τ 由机械手册查表可得

许用压强2/8~6mm N P p =，取2/6mm N P p = （2）按耐磨性计算螺杆中径

由表中公式，p

P F

d ψ8

.02≥， ....................................................................................（） 采用整体螺母式，取2.1=ψ，mm P F d p 02.16

8.16.118.08

.02=?==ψ 由GB/T ，可选10=d ，5.1=P ，922==D d ，5.104=D ，5.73=d ，81=D 的梯形螺纹、中等精度。螺杆左右两端分别采用不同的旋向，螺旋副标记分别为：

e H LH T r 7/7210-?，e H T r 7/7210-?。

螺母高度mm d H 8.1092.12=?==ψ，取mm H 11= 则螺纹圈数62/11/===P H n 圈 （3）自锁性验算

由于单头螺纹，导程mm P S 5.1==，故螺纹升角为

'439

14.35

.1arctan arctan

2?=?==d S πλ ........................................................................（） 由机械手册查表可得钢和耐磨铸铁的12.0~10.0=f ，取11.0=f ，可得

'50615cos 11

.0arctan

2

cos

arctan

'?=?

==α

ρf ...................................................................（）

'ρλ<，故自锁可靠。

（4）螺杆强度校核

由机械手册查表可得，螺纹摩擦力矩

mm N F d M a t ?=?+????=+=

11.9)'506'43tan(6.1192

1

)'tan(2121ρλ， ...................（） 代入以下公式得

p t ca mm N d M d F σπσ<=??+??=+=22

32223323/322.0)5

.72.011.9(3)5.714.36.114()2.0(3)4(

...（） （5）螺母螺纹强度校核

因螺母材料强度低于螺杆，故只需校核螺母螺纹强度即可。 由机械手册查表可得

牙根宽度mm P b 975.05.165.065.0=?==，基本牙高mm P H 75.05.15.05.01=?== 代入以下中的公式得

p mm N bn D F τπτ<=???==

24/060.06

975.05.1014.36

.11 ...........................................（） bp b n b D FH σπσ<=?????==

139.06

975.05.1014.375

.06.11332

241 ................................................（） （6）横向振动校核 对于钢制螺杆min /714151705

.7730.4103.1210

3.122

26

23

216

r l d n c

c c =???=?=μ ...........（） 应满足转速min /571328.0r n n c =≤ （7）效率

由回转运动转化为直线运动时

304.0~292.0)

'506'43tan()

'43tan()99.0~95.0()'tan(tan )

99.0~95.0(=?+??=+=ρλλη .........（）

效率取为297.0=η 直齿轮设计

表 直齿轮参数表

电机选型

计算条件：空行程最长mm l 60=，夹紧时间不超过