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臂部采用凸轮的工业机械手设计
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第 1 章 绪论
1.1 工业机械手在生产中的应用
[1][2]
工业机械手是一种模仿人手部分动作,按照预先设定的程序、轨迹或者其他
要求,实现抓取、搬运工作或者操纵工具的自动化装置。机械手技术是多学科交
叉融合的前沿高技术，它不仅在制造业领域发挥着重要作用，而且在社会服务、
公共安全等非制造领域也发挥着越来越重要的作用。现代机械手它可代替人的繁
重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因
而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
工业机械手在社会生产中的应用有一下的特点：
1)对环境适应性强，能代替人从事危险、有害的操作，在长时间工作环境对
人体有害的场所，机械手不受影响，只要依据工作环境进行合理设计，选择适当
的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、
放射线作用环境以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。为了谋求操作安全，在
工伤事故多的工种如冲压、压铸、热处理、锻造、喷漆以及有强烈紫外线照射的
电弧深等作业中，机械手应用广泛。
2)机械手能持久、耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大
和延伸人的功能。人在连续工作几小时后，总会感到疲劳或厌倦，而机械手只要
注意维护、检修，即能胜任长时间的单调重复劳动。
3)由于机械手动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可避免人
为误操操作。
4)机械手特别是通用工业机械手的通用性、灵活性好，能较好地适应产品品
种的不断变化，以满足柔性生产的需要。这是因为机械手动作程序和运动位置(或
轨迹)能够灵活快速地予以改变，而其众多的自由度，又提供了迅速改变作业内
容的可能，在中、小批量的自动化生产中，最能发挥其作用。
5)采用机械手能明显地提高劳动生产串和降低成本。
1.2 工业机械手的组成
[1]
1）执行部件
机械手的执行部件由手部和运动机构组成。手部是用来夹持工件（或工具）
的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形
式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，包括腕部、臂部和机身使手部完
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成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位
置和姿势，这样即可实现机械手到达任意位置点。运动机构的升降、伸缩、旋转
等独立运动方式，称为机械手的自由。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，
需有 6 个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活
性越大，通用性越广，其结构也越复杂。
手部:直接作用于工件的部分，一般是回转型或平移那(多为回转型，因其结
构简单)。手指多为两指(也有多指)，根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可用
负压式或真空式的空气吸盘(它主要用于吸取表面光滑的部件或薄板零件)和电
磁吸盘。传动机构形式较多，常用的有：连杆杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、
弹簧式和重力式。
腕部：连接手部和手臂的部件，多可用来调整被抓物体的方位和姿态。特殊
要求手腕还可以有小距离的位移，不过有的机械手也可以没有明显的腕部自由度。
臂部：机械手的主要执行部件，其作用是支承手部和腕部，主要用来改变工
件的位置，手部在空间的活动范围主要取决于臂部的运动形式。
2）驱动机构
有气动、液动、电动和机械式四种形式。气动式速度快，结构简单，成本低。
采用点位控制或机械档块定位时，有较高的重复定位精度，但臂力一般在 300N
以下。液动式的，臂力可达 10000N 以上，可用电液伺服机构，可实现连续控制，
使工业机械手的用达和通用性更广，定位精度较高。电动式常用于小型机械手，
机械式只用于动作简单的场合。目前常用的是气压驱动和液压驱动方式。
3）控制系统
有点动控制和连续控制两种方式。继电器控制、微型计算机数字控制，大多
数用插销板进行点位程序控制，也有采用采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程
序。
1.3 工业机械手的技术发展方向和选题的意义
[3]
国内外实际上使用的定位控制的机械手，没有“视觉”和“触角”反馈。目
前，世界各国正积极研制带有“视角”和“触角”的工业机械手，使它能对所抓
取助工件进行分辨，选则所据需的工件，并正确地夹持工件，进而精确地实现小
定位、定向。为使机械手有“眼睛”去处理方位变化和分辨形状不同的零件，它
由视觉传感器输入工件视图方向的视觉信息，通过计算机进行图形分辨，判别是
否是所要抓取助工件。为防止握力过大引起物件损坏或者加紧力太小使物件落下
来，一般采用两种方法：一是依据物体的形状而使手臂变形，以决定适当的夹持，
另一种是检测部与物件的滑动位移来修正夹紧力。因此，这种机械于就具有以下
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几个方面的性能： 1)能够准确的抓取方位和形状变化的物体。 2)能判断对象的
重量。 3)可以自动避开障碍物。4)抓空或者抓力不足时能够检测出来。这种具
有感知能力并能对感知的信息做出反应的工业机械手称为智能机械手。
现在，工业机械手的使用范围只限于在简单重复的操作方面节省人力，主要
使从事繁重的工作和危险的工作，在恶劣环境下尤其明显。至于在汽车工业和电
子工业之类的工业部门，机械手的应用情况决不能说是很好的。虽然这些工业部
门工时不足的问题很尖锐，但采用机械手只限于部分工序。其原因之一是工业机
械手的性能还不能满足这此部门的要求，适于机械手工作的范围很狭小。另外经
济问题当然也很重要，采用机械手节约人力从经济上看不一定总是合算。然而，
利用机械手或类似机械设备在节省人力和使生产合理化问题上，今后还会持续增
长，只要技术方面价格方面存在的问题获得解决，机械手的应用必将会飞跃发展。
这次选择工业机械手作为设计的题目，在设计过程中巩固和运用大学中所学
的机械原理，机构分析，机械原理等学科的知识，同时培养锻炼自己的设计能力，
掌握应用有关参考资料、计算图表、手册、图册和规范，完善一个工程技术人员
在机械整体设计方面所必须具备的基本能力。
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第 2 章 总体方案的确定
2.1 设计任务分析
自动生产和包装线上的自动装料下料的机械手应用十分广泛，这次设计的题
目就是为实现抓取 5～10kg 玻璃材质的平板状工件，并能对其搬运放置到指定位
置的机械手.这种机械手可以通过改变手部的尺寸来实现对不同工件的作业，用
于较多的自动生产线和自动包装线。
课题拟达到的目的是，机械手抓取工件重量 5～10kg 平板形的，材质为玻璃
的工件，并能将物品运送的指定的位置。通过阅读和比较相关的设计产品，拟设
计为手部实现 90 度回转，臂部可实现速度为 50mm/S 的 150mm 的伸缩。
2.2 总体方案的确定
手部采用液压缸驱动，齿轮齿条传动；臂部采用凸轮机构和弹簧。基本的结
构下图 2.1 所示。
1-油缸 2-齿条 3-齿轮 4、5-凸轮 6-臂部 7-转轴
8、9－挡块 10、11-挡销 12-弹簧 13-手部 14-工件
图 2.3 臂部采用凸轮机构的工业机械手工作原理
其主要的原件及工作原理如图 2.1 所示，齿轮 3 与凸轮 4 固联在一起，凸轮
