前言
工业机械手是近几年来出现的一种技术装备，它能够仿人体上肢的某些动作，在生产中代替人搬运物体或操持工具进行操作。因此，机械手的应用越来越普遍，并有着广泛的发展前途。
为了提高生产的自动化水平和劳动生产率，减轻工人的劳动，并且可保证产品的质量。
在设计机械手之前，我们到工厂进行了实地考察对其结构、运动形式进行研究和分析。回校之后，通过查找有关资料进行机械手的初步设计和计算。
通过这次设计，培养了我们综合运用所学的理论知识掌握了工程设计的一般程序，建立了正确的设计思想，使我们学到了许多在课堂上没有学到的知识，为我们将来的工作奠定了一定的基础。
在设计过程中得到了老师的指导和帮助，在此向您表示感谢。
由于我们的能力有限，在计算和结构中难免会出现缺点错误，真诚期待各位领导和各位老师给予批评指正。
1．机械部分
1-1 确定机械手的结构及拟定工作原理图
一、设计要点
1、130，152大炮药筒压底工序上，下料机械手完成顶料、抓料、提开、转腕、下降、放料。
2、手臂行程分为两个行程：提开和放料：1000mm
3、传动方式：液压传动
4、抓持工件的重量：130、16.15kg ；152、12.48kg
二、传动方案的确定
1、驱动方式的确定：
该机械手采用的是液压传动，它与气压传动相比，能够有如下优点：
1)能得到较大的输出力和力矩。
2)液压传动滞后现象小，反映较灵敏，传动平稳，由于气压传动能得到较
高的速度，但空气粘性比油液低，传动中冲击较大，不利于精确定位。
3)输出力和运动速度控制比较容易，输出力和运动速度在一定的油缸尺寸
下，主要决定于油液的压力和流量，通过调节相应的压力和流量，能比
较方便地控制输出功率。
4)可达到较高的定位精度，抓重较轻时，采用适宜的缓冲措施和定位方式，
但系统的泄漏难以避免，影响工作效率和系统的工作性能。
2、运动路线的确定
根据其工作循环，确定运动路线
传料——下降——抓料——上升——转腕——下降——松指——上升——直腕
三、机械手的基本参数
1)抓重：根据任务所给质量，抓料的质量为16.15kg、12.47kg两种工件。
2)自由度数为两个，手臂的竖直方向向上的直线往复运动，腕部回转油缸的摆
动。
3)工作时间：任务是要求机械手在一分钟内完成两个工作循环，根据其循环时
间可分配如下：
手臂上升时间：5秒
手臂下降时间：4秒
转腕时间：3秒 抓料时间：2秒 放料时间：1秒
4)定位精确：机械手的定位精度是由加工工艺要求决定的，三抓定位精度高，根据本身的结构，抓重工作速度以及驱动方式和缓冲定位方式来确定。本机械手的定位精度为±1mm 。 四、机械手的结构设计
根据任务书的要求和工作地的要求，升降系统设计成双作用单杆活塞式油缸，它完成工件的放料任务。考虑它的体积要求和转矩要求，采用双叶片回转油缸，手部采用双作用单杆式油缸，由滑块来确定手部的夹紧位置。腕部回转45°，采用单导向结构。
1-2 夹紧油缸的设计
一．夹紧油缸的设计 1、夹紧缸的结构设计选择
采用滑头结构，这种形式结构简单、可靠，并在夹紧工作后能自锁。 2、手指选择
根据工作形状结构和工艺要求，采用三指式结构，这样在转腕时比较平稳，三指式120°，对称分布。 3、三指夹紧力的计算
在手指好工件接触处安装橡胶，加橡胶垫的目的是使其夹紧可靠，避免碰伤工件表面。 工件夹紧力的计算：
铜和橡胶的摩擦系数 f =0.2 (查手册) 工件的重力：G =16.15310=161.5（N ）
3N f =G
=
N f G 3=0.2
35
.161?=269（N ） 由于∑=0M ,故
1'L F L N ?=?
20
180)(242220
180
269'11===?==
L L N L NL F
夹紧力传给滑块，滑块通过活塞杆的斜块，将滑块的压力分解为两个方向，一个是对斜块的压力，一个是摩擦力，由受力分析如图示：
图1.1
理论驱动力：p`
N fR F N
F p 37.363707.0342615.045cos 3426707
.02422
45cos `2=??=?=∴===
f 为钢与钢的摩擦系数，取f=0.15
故N F F p 37.2786
242237.363``===+= 实际驱动力P
η
2
1`
K K P P ≥ 1K 安全系数，1.5~2 η——0.85~0.9
所以9
.01
75.137.278521`??≥≥ηk k P P 4.夹紧缸的计算：
1﹚指部夹紧缸的运动形式是直线王府运动，常选用单杆活塞油缸。 2﹚液压缸尺寸的确定
缸的推力：N P 997.5415= 取工作压力:pa 10815?=P
液压缸活塞有效工作体积：
2
45
105.67108997.54151m P P A -?=?==
3）无杆腔：m P P D 0929.010
8997
.541513.1145
=?==
π 4）活塞杆直径的确定
根据上式mm D 100=和速度比Φ确定
由于抓料时间与放料行程相等，所以时间比等于速度比，即
2
2
2
12d D D v v -==φ 2v ：放料所需的速度 1v ：抓料所需的速度
2)/(04.002.004.0)/(02.0204.01
2
2211==
===
===v v s m t l v s m t l v ? 由《工业机械手册设计基础》天津科学技术出版社，差得mm d 70= mm D 100=∴
活塞杆直径的验算：
[]
5
.77058.7120
14.399
.541544≥=??=
≥
mm
P
d δπ 故安全
5.实际液压的计算：
缸的推力：N P 99.5415=
实际压力：pa D A
P P 521
108.6499
.5415`?===π 6．夹紧缸的结构设计
1）液压缸的密封均采用O 型密封圈密封。 2）活塞杆结构设计。
图1.2
材料：选45钢
密封圈外径：D=100mm
沟槽宽度：B=6.4±0.2mm
往复运动距离：H=5.4mm
沟槽外径：D`=100mm 沟槽内径d`=100mm
内因角半径R=0.4mm 外因角半径r=0.2mm
不同轴度E≤0.1mm
7.顶料杆设计
1)材料选35钢
2)杆长的计算，腕部回转45o,根据其结构形式来确定其长度.
图1.3
o为回转缸中心；A为夹紧缸的中心；B为顶料杆的接点；C为顶料杆的位置。由结构可知 AB=95mm OB=198mm OC=630mm
1579225
.0)180cos(9225
.02cos 2.44316cos 6301982630198)45cos(24798.0sin 2
222222==--=??-+==???++=-??++===
γγγααBC
OB OC BC OB m m
OC OB OC OB BC OB
AB
则：?=?+?-?=5229157180δ
即：顶料杆与竖直方向的角度为?52
1-3腕部的计算
1、腕部总重力
腕部选用回转杆，材料查手册《机械设计手册》上册，第一分册第二版，比重选钢对钢
3/8.7cm g r =
1)手指按矩形：a=20，b=3.5 c=3.5
)(2455.35.3202cm c b a V =??=??=
有三个手指)(7.5)(57332458.7331kg g v m ==??=?=γ 2)钩耳：a=5.4cm b=1.4cm c=7.7cm
)(2.587.74.14.52cm c b a V =??=??= 有六个钩耳 )(7.22.585.7662kg v m =??=?=γ 3）气抓体：cm h cm
5.78.7==γ
)(17.1178.14328.7)
(78.14325.78.714.33322kg v m cm h v =?=?==??=?=γπγ
4) 抓料缸体：cm h cm
9.94.9==γ
)
(42.21758.27468.7)
(758.27469.94.914.34322kg v m cm h v =?=?==??=?=γπγ
5）手部缸重：m 5=m 2+m 3+m 4=2.7+11.17+21.42=35.29(kg) 6）工件重：m 6=16.15(kg)
7）紧固板：)
(2.68.71205.58.72.2)4
14.32.45.314.3(m 2
27
kg =??+???-?= 8）回转缸所能达到的总质量：m=m 1+m 5+m 6+m 7=63kg 总重力：)(6301063N g m w =?=?= 2、回转缸的转矩验算
图1.4
设回转缸驱动中心为其几何中心 S 1：连板重心到回转轴的距离
S 1=7mm
S 2：手部缸的重心到回转轴距离
S 2=70mm
S 3：手指重心到回转轴的距离
S 3=180mm
S 4：工件重心到回转轴距离 S 4=800mm S x ：回转缸所能达到的重心 由图可知：
m
N m m N M m m
m m s s s s s s x x ?=?=?=?=∴==?+?+?+?=??+?++=8.163163800260630s w 26.02607
2.670351806.580015.1663m m m m ms x 1
7253146x 实
3、驱动力矩的计算 M=163.8m N ?
4、回转缸内径的计算
0.06m
b )
(119163.8M 821==?=+?=
动片的宽度力矩作用在外动片上的载荷b ：m m m
N M ：d p
b M
D
P 1：回转油缸的工作压力 p 1=203105P a d ：输出轴与动片联接处的直径，初设计时可按5.2~5.1=d
D
选取
2=d
D
，根据《工业机械手册设计基础》天津科学技术出版社查得70mm
d 5.622
D
d 125====取mm mm D
验算转动缸的转矩：
m N r M ?=-??=-=875.1608
)07.0725.0(06.010202)pb(R 22522理
查《工业机械手册设计基础》天津科学技术出版社 P99 3-13 5、回转缸的壁厚可根据腕部结构和工艺性选取 6、选用的轴承
由于此轴主要承受的是径向载荷，也承受一定的轴向载荷，故选用单列向心球轴承，由于结构的限制采用超轻窄系列的轴承，轴承型号7000110 7、回转油缸密封形式的确定
回转油缸的动片和静片均采用截石形状为O 型的矩形密封圈，由于双向受压力故加双向牛皮档圈，其作用：是防止高压油液将O 型密封圈挤入配合间隙，以保证密封性，并延长密封圈的使用寿命。 8、回转缸螺栓的验算
引自《机械零件设计手册》国防工业出版社编。 1）螺栓受力分析：
此螺栓受轴向载荷，载荷作用线与螺栓轴线平行，其合力通过螺栓组的形心，螺栓组受的轴向载荷，查《机械零件设计手册》国防工业出版社编。
)
(2.165038.91684168420
)75.12(4
14.3)(4
221
22N kg P d D P =?==?-=-=
π
每个螺栓受的轴向载荷为：
(N)
9.20628
2.16503==--=
G z P z
p G 螺钉数目
轴向载荷
2）求螺栓工作时总拉伸载荷
5982.4(N)
0.9Ce —Ce 2062.90.9)(22Co —C )(==?+==+=刚性系数预紧系数o Ce Co Gz φ
3）校核螺栓的许用应力
螺栓材料：选45钢
由《机械零件设计手册》国防版查3.1-5.3取a S MP 360=δ，设装配时可控制预紧力，按表3.1-53暂取安全系数S P =2，引自表3.5-56得螺栓的许用应力为：
)(1802
360
MPa S p
s
p ==
=
δδ 4）确定螺栓直径
由表3.1-47得：
4
.7180
4
.598266.166.1=??≥
p
Gz d δ
设计时选用M8的螺栓。 9、花键的强度校核
引自《机械零件设计手册》国防工业出版社 工作面的挤压或磨损 静联接：
故满足强度
]
[)
(7.2941285.188.0163800
2]
[jy jy MPa jy lDm
h z ZT
jy σσσφδ≤∴=?????=
≤???=
式中：T ——转矩N 2mm T=163800N 2mm
φ——各齿间载荷分面均匀系数通常取φ=0.7~0.8 取φ=0.8 Z ——齿数 取Z=8 h ——齿的工作高度 mm d D h 5.125.022
39
432=?--=-=
c~c=0.25倒角尺寸
mm d D Dm 412
34
432=-=+= L ——齿的工作长度 L=28mm MPa jy 100][=δ
1-4手臂缸的设计和计算
1、手臂缸内径的确定
2d
D 108P m
102.575.010814.31297
412974a
511211s 21
=?=?==????=
=-+=-取力作用在活塞杆的工作压作用在活塞杆的总载荷P P N P P d P P
D π
查《工业机械手设计手册》天津科学技术出版社
取D=80mm
mm d d
D 402=∴=
活塞的有效工作面积 2511
1016210812975m P P A S -?=?== 2、油缸的壁厚
Pa
P
Pii Pi Z D
Pi s 5106.91082.1)3.1~2.1(~]
[?=??==+=
δσ D —缸筒内径
[δ]—油缸材料的许用应力[δ]=（1000~1100）3105P a mm 38.010*******.0106.95
5=????=∴
δ
校核：[δ]=
η
σb
油缸材料的抗拉强度-b σ 4~3=-ηη安全系数
Pa
b 551040001041000][?=??=-=∴
η
σδ
只有b σ在（4000~4400）3105之间，才满足条件，∴b σ为40003105
∴满足条件。
3、活塞杆的计算及验算
活塞杆的尺寸要满足活塞运动的要求和强度要求，对于杆长若要大于15d ，则活塞杆还必须考虑是否具有足够的稳定性（即具有保持其轴线不会因工作时所受轴向压力而弯曲的能力）。 1）按强度条件决定活塞杆d
δ=][4
2
δπ≤d p
式中：P-活塞杆上所受的总机横载荷，为1296.5N d-活塞杆直径，为40mm
满足要求
取活塞杆直径40mm d ]
[/32
.1044
14.35
.12962
2
∴≤=?=
∴
σσδ cm N
由于进行稳定性的校核
故验算其稳定性∴?===?15
401600/401/d mm 160015l d ，l
大柔度杆或称为细长杆的临界力Pk 当为式中临界为时k P ，i
l
λμλ??=
λ—活塞杆的计算柔度。 i —活塞杆的横截面的惯性半径 l —活塞杆的计算长度 h —长度计算系数 i=
mm 104
404===d F J 1λ—特定柔度值
1λ=3310
1880101.25
11
=??=p E σ E —活塞杆材料的弹性模量 E=2.131011P a
p δ—活塞杆材料的比例极限
由于λ=
8010
1600
5.0=?=
?i
l
μ λ>1λ
Pa
F
E
：112
11222100.416004
80101.214.3Pk ?=????=?=∴πλ
π采用 k
Pk P η≤
h k —安全系数4~2=k η，取k η为2 P —轴向压力 P 为1297N
活塞杆稳定∴?≤?≤?≤88
1110200012971020002
100.4 P 4、缸盖的设计
1）缸盖的材料选用ZG35，根据其结构可能性参考《机械零件设计手册》冶金工业出版表3-1-56设计的上、下盖由法兰联接，下盖的结构有缓冲装置。 2）密封的结构
（1）均采用O 型密封圈密封
O 型密封圈具有结构简单，密封性良好，动磨擦阻力小，沟槽尺寸小，结构紧凑，制造容易，成本低，安装方便等优点，因此，O 型密封圈应用较广泛。
按化学工业出版社《机械设计手册》 表6-134，6-136，6-137查得
φ80处的静密封为：
断面的直径：mm d o 12.010.01.3+-=
沟槽宽度：mm B 15.04+= 运动的距离：mm H 005.04.2-=
沟槽外径：D 1=80mm 沟槽内径：
mm
H D d 2.754.2280211=?-=-= P 2=0.3mm r=0.1mm 不同轴度：mm E 07.0≤
mm
13.011
.0o 35
d :
40+-=处的动密封φ
B=3.9+0.15mm H=3.3mm D 1=d 2+2H=46.6mm d 1=40mm P 2=0.3mm r=0.1mm E ≤0.07mm
5、活塞的结构设计
1）活塞材料选用45号钢
2）长度由冶金工业出版社编《机械零件设计手册》表31-43查得l=60mm 3）在活塞上开密封槽尺寸，化学工业出版社《机械设计手册》表6-134，6-136查得
φ80处的动密封：
1
.02
.05
.02.692804.54.67.52110.0216
.014.0≤===-=====++-E R m m H D d m m
D m m H m m B m m
d o γ 6、油缸端盖的连接方式及强度计算 油缸材料为45钢
它的端盖联接方式用法兰连接 优点：容易加工和装卸 缺点：外径和重量较大 1）缸盖螺钉的计算：
当缸体与缸盖用法兰连接时，螺钉除了应具有足够的强度之外还要保证联接的紧密性。
查《工业机械手设计基础》天津科学 出版社。 取缸盖螺钉间的距离。 t=150mm
?
??δπ?
σπσ3.1—][44d 130i 1
21o
为计算载荷合
合L i d ≤==
a s p
b s s 103200?为取螺钉材料的流动极限—δ h —安全系数 取h 为1.2~2.5
a L p 55
1016002
103200][?=?=∴
δ
在这种联接中，每个螺钉在危险部石上承受的拉力，?是工作载荷?与剩余锁紧
为1s ?之和。
1
0s p ??+=
P —缸盖受的合成液压力
1
s
?—剩余锁紧力 m
d d N
p N
K K N
N
p
D p s
o s s 315
11
1122
105410160014.347
.3657444.281364.18088.100464.18088.10048.1 1.8
1.8~1.54
8.10048.10044
08.014.34
-?≥???≥
∴
=+=+=∴
=?=?==??==
??φφπ取为
取螺钉直径d 1=10mm
7、液压缸的放置及固定形式
根据工作情况，竖直放置，其固定形式为外，法兰安装与导向板联接。 8、手臂下盖世太保缓冲装置的设计
运动部件的全部机械能E 的计弱。
E=E 液+E 磨+E 动+E+静
式中：P 1—活塞的工作压力取83105P a
F —活塞的有效工作面积 F=
2511016210
81297m p p s -?=?= L —缓冲行程 L=300mm=0.3m
m
8.3883.010*********?=????=??=∴
-N L
F P E 液
2）在缓冲过程中所具有的磨擦能：E 磨 L P E ?-=磨磨
由于E 磨很小，可以忽略不计 3）参与运动的部件所具有的动能：E 动 2
221mv 21V g
G E ==
动 V —运动部件在缓冲下行时，所具有的速度为10m/s G —参与运动的重量，为1297N g —重力加速度 为10m/s 2
m
64851010129721g
2122
?=??==
∴N V G E 动 4）当油缸为非水平位置安装时，作升降运动的部件所具有的重力势能：E 重 m 3893.01297?=?=?=N L G E 重 当油缸在水平方向安置时 E 重=o
N
E 8.7262389
648508.388=+++=∴
9、节流孔直径的确定
E
l
V F f ???=-2313
10
09.1
式中：E —缓冲开始时，运动部件所具有的全部机械能为7262.8N 2m L —缓冲行程，有时即为缓冲柱塞长度为0.3m F —缓冲柱塞的活塞有效面积
2
2222m 003768.0)04.008.0(4
14.3)
(4=-=-=
d D F π
2
6233
103.18
.72623
.0101076.310
09.1m
f ---?=????=∴ f 为调恒节流时C 取固定的2~3倍。
m
tg l tg l f d f f 36
1661109.72052
.03.0052.03.014.3106.2232
2106.2103.122----?=?+
????=
?
=?+
??=?=??==αα
απ
取节流孔直径d=10mm 10、导向套的设计
导向套的选取主要是根据轴的直径以及所设计的结构来选取的。 导向套的配合长度一般选取直径的1.5倍。
引自《机械设计手册》上册，第二分册，化学工业出版社。 11、回转缸轴的确定
1）轴进行校核
轴的材料选用45钢，经调质化处理。 （1）轴疲劳强度校核计算
扭矩：mm N M T ?===819002
1638002 合成弯矩：N W R R 5.64821297
221==
== m N L R M ?=?=?=4.3806.05.648
轴的直径： mm d 70=
抗弯截面的系数：331343003.34mm m W ==
329940mm W = 扭转截面系数： 34.606421mm W p = 3198002mm W p = 弯曲应力幅：W
M
=
αδ a MP 13.134********
1==αδ a MP 913.39940
389002==αδ 弯曲平均应力：m δ
00
2
1
==m m δδ
图1.5