机械设计制造及自动化毕业论文

毕业设计论文

课题名称 生产线转位装置设计

学 院 机械学院

专 业

班 级

学 号

姓 名

指导教师

定稿日期： 年 月 日

1

开题报告

1 选题背景及其意义

生产线就是产品生产过程所经过的路线，即从原料进入

生产现场开始，经过加工、运送、装配、检验等一系列生产生产线活动所构成的

路线。生产线是按对象原则组织起来的，完成产品工艺过程的一种生产组织形式，

即按产品专业化原则，配备生产某种产品（零、部件）所需要的各种设备和各工

种的工人，负责完成某种产品（零、部件）的全部制造工作，对相同的劳动对象

进行不同工艺的加工。生产线的种类，按范围大小分为产品生产线和零部件生产

线，按节奏快慢分为流水生产线和非流水生产线，按自动化程度，分为自动化生

产线和非自动化生产线。生产线的主要产品或多数产品的工艺路线和工序劳动量

比例，决定了一条生产线上拥有为完成某几种产品的加工任务所必需的机器设

备，机器设备的排列和工作地的布置等。生产线具有较大的灵活性，能适应多品

种生产的需要；在不能采用流水生产的条件下，组织生产线是一种比较先进的生

产组织形式；在产品品种规格较为复杂，零部件数目较多，每种产品产量不多，

机器设备不足的企业里，采用生产线能取得良好的经济效益。转位装置主要由执

行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。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，使装置完成各种转动（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。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为转

位装置的自由度 。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，转位装置的灵活性越大，通

用性越广，其结构也越复杂。一般专用转位装置有2～3个自由度。控制系统是

通过对转位装置每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反

馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控

制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。

2

2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势）

本机构是一种具有简单动作功能的机械手。随着网络技巧的发展，机械手的

联网操作问题也是以后发展的方向。工业机器人是近几十年发展起来的一种高科

技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可

通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优

点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业

的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生

产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高

技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使

得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然还不如人手那

样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力

量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得

到了应用。我国塑料机械已成为机械制造业发展最快的行业之一，年需求量在不

断的加大。我国塑料机械产业的高速发展主要有以下两个大因素：一是对高技术

含量装备的需求所带来的设备更新及陈旧设备的淘汰;二是海内塑料加工产业的

高速发展，对塑料机械的需求旺盛。

3 研究内容

本课题的研究生产线转位装置的结构、工作原理，在现有工业运用装置的基

础上，设计一款具有转位功能的运用于某生产线的装置。.具体研究内容如下：

1）研究现有设备的结构、生产工艺，提出设计方案；本课题通过参考现有

工厂流水线机械手结构，工作原理里；

2）动力及传动系统确定；

3）驱动方式的选取；

4）重要零部件的设计和选取；

5）完成生产线转位装置的设计和二维装配图与零件图的绘制；

6）整理相关资料，编写说明书。

3

4 研究方案

本课题在熟悉了解现有工厂机械手的基础上，参考和创新性的设计出生产线转

位装置。

目前市面，工厂中很多上产线都有机械手，这是工业先进水平的象征。机械手，

顾名思义，其具有类似于人手的某些功能，在工业领域，主要体现在传动和转动

等方面。本课题与之十分相似，可以说本课题涉及的生产线转位装置就是一款简

单的机械手，所有，可以在现有各种机械手结构，功能方面进行研究。来帮助完

成本次设计。

4.1 动力及驱动系统确定

机械手所用的驱动机构主要有4种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械

驱动。其中以液压驱动、气压驱动用得最多。

1、液压驱动式

液压驱动式机械手通常由液动机（各种油缸、油马达）、伺服阀、油泵、油

箱等组成驱动系统，由驱动机械手执行机构进行工作。通常它的具有很大的抓举

能力（高达几百千克以上），其特点是结构紧凑、动作平稳、耐冲击、耐震动、

防爆性好，但液压元件要求有较高的制造精度和密封性能，否则漏油将污染环境。

2、气压驱动式

其驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机组成，其特点是气源方便、动

作迅速、结构简单、造价较低、维修方便。但难以进行速度控制，气压不可太高，

故抓举能力较低。

3、电气驱动式电力驱动是机械手使用得最多的一种驱动方式。其特点是电

源方便，响应快，驱动力较大（关节型的持重已达400kg），信号检测、传动、

处理方便，并可采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用步进电机，直流伺

4

服电机（AC）为主要的驱动方式。由于电机速度高，通常须采用减速机构（如谐

波传动、RV摆线针轮传动、齿轮传动、螺旋传动和多杆机构等）。有些机械手已

开始采用无减速机构的大转矩、低转速电机进行直接驱动（DD）这既可使机构简

化，又可提高控制精度。

4、机械驱动式

机械驱动只用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构来实现规定的动作。

其特点是动作确实可靠，工作速度高，成本低，但不易于调整。

其他还有采用混合驱动，即液-气或电-液混合驱动。

4.2旋转结构的确定

本设计中要求，转位装置具有两个方向的旋转功能，并且对旋转行程有要求。

在结构中主要考虑如下因素：

1，水平旋转的方案选择与设计

2，翻转的方案设计

3，两者的有机结合

4，旋转角度限位装置的设计

5，零部件工作强度的校核

本设计旋转限位装置初步确认如下方案：

5

改方案中，分别包括驱动部分，旋转部分，限位部分。

5 进度计划

2015年2月~ 2015年3月：收集资料，确定设计系统总体方案，撰写开题

报告及开题报告答辩。

2015年3月~2014年4月：设计计算、图纸绘制、毕业设计论文初稿。

2015年4月~2014年5月：论文修改，图纸修改。

2015年5月~ 2014年6月：准备毕业答辩。

设计目录

1生产线转位装置设计的意义

2 生产线转位装置设计的概况

3 生产线转位装置设计的种类介绍

3.1按功能分

3.2按驱动系统

4 生产线转位装置设计的设计要点介绍

5 生产线转位装置设计的设计计算

5.1传动方式选择分析

5.2轴承的选择

6

5.3 电机的选择计算

5.4传动部件的设计计算

6总结

7参考文献

参考文献

1）《工业机械手设计》 作者:李允文主编 出版社:北京市：机械工业

出版社 出版日期:1996

2）《工业机器人的操作机设计》 作者:马香峰，余达太，许纪倩，刘

鸿飞 页数:215 出版社:北京市：冶金工业出版社 出版日期:1999.10

3）《工业机器人的操作机设计》 作者:马香峰，余达太，许纪倩，刘

鸿飞 页数:215 出版社:北京市：冶金工业出版社 出版日期:1999.10

4）《工业机器人的操作机设计》 作者:马香峰等著 页数:211 出版社:

北京市：冶金工业出版社 出版日期:1996

5）《工业机械手》 作者:重庆市科技局，第一机械工业部第三设计院

编辑 页数:391 出版社:重庆市科技局 第一机械工业部第三设计院

出版日期:1977

6）《工业机械手课程设计》 作者:李允文等编

毕业设计任务书

7

课

题

来

源

来源于企业

在自动生产线中，为了提高生产效率、降底劳动强度、使得工件的装卸、夹

课

紧定位、工件在工序间的输送等均能自动地进行，需要设计专门的生产线转位装

题

的

置。转位装置可以用于工件的转位也可以用于随行夹具的转位。

该课题的主要工作是设计生产线转位装置机械结构和驱动机构，同时也需要

目

的

对整个驱动系统选型及有关参数作计算。该课题涉及到机械原理、机械设计、机

、

械制图、液压与气动伺服技术、机床电器控制技术等各方面的知识，是对学生前

意

义

期所学知识的全面考察，可以培养学生综合运用所学知识解决具体工程项目的能

力。通过本次毕业设计，培养学生调查研究、检索中外文献资料的能力；综合运

用专业理论、知识分析解决实际问题的能力；设计方案的制定、论证与比较的能

力；计算机运用能力与绘图能力；文字（含外文）及语言表达能力等。

课题的主要技术要求：

要

1．承载能力：最大800Kg；

求

2．水平回转：90度；

3．垂直翻转：90度；

4．上下位置变化：500mm；

5．水平位置变化：500mm；

课

题

主

要

内

容

及

进

度

课题主要内容：

收集、研读目前已有的转位装置方面的技术资料，特别是结构设计方面的技

术资料；根据技术要求拟定设计方案，包括整体结构，机械传动方案；设计详细

结构，画出总装配图、部件图并完成相应的设计计算；挑选部分典型零件设计零

件工作图；撰写设计计算说明书。

工作进度：

2014.11 收集、研究资料；

2014.12 开题，拟订总体设计方案；

2015.1-2 修改、完善开题报告；

2015.3.1-2015.3.31 系统有关设计计算，系统设备的选型；

2015.4.1-2015.4.20 绘制总装配图

2015.4.21-2015.5.5 绘制主要零件的零件施工图

2015.5.6-2015.5.20 撰写设计计算说明书

2015.5.21-2015.5.25 修改及准备答辩

摘要

生产线就是产品生产过程所经过的路线，即从原料进入生产现场

开始，经过加工、运送、装配、检验等一系列生产生产线活动所构成

的路线。生产线是按对象原则组织起来的，完成产品工艺过程的一种

生产组织形式，即按产品专业化原则，配备生产某种产品（零、部件）

所需要的各种设备和各工种的工人，负责完成某种产品（零、部件）

的全部制造工作，对相同的劳动对象进行不同工艺的加工。。

生产线的种类，按范围大小分为产品生产线和零部件生产线 ，按节

奏快慢分为流水生产线和非流水生产线，按自动化程度，分为自动化

生产线和非自动化生产线。

生产线的主要产品或多数产品的工艺路线和工序劳动量比例，决

定了一条生产线上拥有为完成某几种产品的加工任务所必需的机器

设备，机器设备的排列和工作地的布置等。生产线具有较大的灵活性，

能适应多品种生产的需要；在不能采用流水生产的条件下，组织生产

线是一种比较先进的生产组织形式；在产品品种规格较为复杂，零部

件数目较多，每种产品产量不多，机器设备不足的企业里，采用生产

线能取得良好的经济效益。

10

Abstract

Through the production line is the product of the production process

route, from raw materials into the production site began, after

processing, transportation, asmbly, testing and other components of a

ries of activities of the line production line. Is the production line

according to the principle of objects organized, complete a kind of

organizational form of production of product process, namely the by

product specialization principle, with the production of a product (zero,

parts) need of various equipment and various types of workers,

responsible for the completion of a certain product (zero, parts) all the

manufacturing work, processing different process for the same labor

object..

Types of production lines, according to the size range is divided into

production line and parts production line, according to the rhythm is

divided into flow line production and non production line, according to

the degree of automation, divided into automated production lines and

non automatic production line.

The proportion of production line is mainly the product or the majority

of products of the process route and process the amount of labor,

determines a production line with necessary to complete the task of

processing certain products machinery and equipment, machinery and

11

equipment arrangement and work arrangement etc.. The production line

has great flexibility, can adapt to the needs of the production of many

varieties; cannot be employed in the production conditions, organization

of production line is an advanced production organization form; in

product variety specification is more complex, the number of parts is

more, the product yield of each kind of not much, lack of machinery and

equipment companies, using the production line can achieve good

economic benefit.

12

目录

摘 要 .................................................................................... 错误!未定义书签。

目 录 ........................................................................................ 错误!未定义书签。

第一章 绪论.............................................................................. 错误!未定义书签。

1.1生产线转位装置设计的意义 ....................................... 错误!未定义书签。

1.2生产线转位装置设计的概况 ....................................... 错误!未定义书签。

1.3生产线转位装置部件设计 ........................................... 错误!未定义书签。

1.3.1悬臂的作用 .......................................................... 错误!未定义书签。

1.3.2悬臂的结构设计 .................................................. 错误!未定义书签。

1.3.3悬臂力学分析 ...................................................... 错误!未定义书签。

1.4生产线转位装置设计的种类介绍 .............................. 错误!未定义书签。

1.4.1按功能分 ............................................................ 错误!未定义书签。

1.4.2按驱动系统 ........................................................ 错误!未定义书签。

1.5 研究的内容 ................................................................. 错误!未定义书签。

第二章生产线转位装置设计的设计要点介绍 ....................... 错误!未定义书签。

2.1 明确技术要求 ............................................................. 错误!未定义书签。

2.2 执行元件的配置确定及动作顺序 ............................. 错误!未定义书签。

2.3 确定液压系统主要参数 ............................................. 错误!未定义书签。

2.3.1 计算和确定液压缸的主要结构尺寸 ............... 错误!未定义书签。

2.3.2 计算液压缸所需流量 ....................................... 错误!未定义书签。

2.4液压系统图的拟定 ...................................................... 错误!未定义书签。

2.4.1制定液压回路方案 ............................................ 错误!未定义书签。

13

2.4.2原理草图的绘制 ................................................ 错误!未定义书签。

2.5 元件的选型与设计 ..................................................... 错误!未定义书签。

2.5.1 液压缸的选择 ................................................... 错误!未定义书签。

2.5.2液压控制阀的选择 ............................................ 错误!未定义书签。

2.5.3液压辅助元件及工作介质的选择 .................... 错误!未定义书签。

2.6轴承的选用和计算 ...................................................... 错误!未定义书签。

2.7电机的选择计算 .......................................................... 错误!未定义书签。

2.8传动部件的设计计算 .................................................. 错误!未定义书签。

2.9轴的设计计算 .............................................................. 错误!未定义书签。

第三章 设计中的不足及要注意的问题 ................................. 错误!未定义书签。

3.1 设计中的不足之处 ..................................................... 错误!未定义书签。

3.2 使用液压系统要注意的问题 ..................................... 错误!未定义书签。

参考文献 .................................................................................... 错误!未定义书签。

设计总结

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第一章 绪论

一,生产线转位装置设计的意义

1.1生产线转位装置设计的意义

生产线就是产品生产过程所经过的路线，即从原料进入生产现场

开始，经过加工、运送、装配、检验等一系列生产生产线活动所构成

的路线。生产线是按对象原则组织起来的，完成产品工艺过程的一种

生产组织形式，即按产品专业化原则，配备生产某种产品（零、部件）

所需要的各种设备和各工种的工人，负责完成某种产品（零、部件）

的全部制造工作，对相同的劳动对象进行不同工艺的加工。生产线的

种类，按范围大小分为产品生产线和零部件生产线，按节奏快慢分为

流水生产线和非流水生产线，按自动化程度，分为自动化生产线和非

自动化生产线。生产线的主要产品或多数产品的工艺路线和工序劳动

量比例，决定了一条生产线上拥有为完成某几种产品的加工任务所必

需的机器设备，机器设备的排列和工作地的布置等。生产线具有较大

的灵活性，能适应多品种生产的需要；在不能采用流水生产的条件下，

组织生产线是一种比较先进的生产组织形式；在产品品种规格较为复

杂，零部件数目较多，每种产品产量不多，机器设备不足的企业里，

采用生产线能取得良好的经济效益。转位装置主要由执行机构、驱动

机构和控制系统三大部分组成。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，使装置完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规

15

定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、

旋转等独立运动方式，称为转位装置的自由度 。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，转位装置的灵活性越大，通用性越广，其结

构也越复杂。一般专用转位装置有2～3个自由度。控制系统是通过

对转位装置每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传

感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单

片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。

1.2,生产线转位装置设计的概况

本机构是一种具有简单动作功能的机械手。随着网络技巧的发

展，机械手的联网操作问题也是以后发展的方向。工业机器人是近几

十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机

器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业

任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智

能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在

国民经济各领域有着广阔的发展前景。

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装

置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械

人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技

术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化

16

和自动化的有机结合。机械手虽然还不如人手那样灵活，但它具有能

不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手

力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地

得到了应用。我国塑料机械已成为机械制造业发展最快的行业之一，

年需求量在不断的加大。我国塑料机械产业的高速发展主要有以下两

个大因素：一是对高技术含量装备的需求所带来的设备更新及陈旧设

备的淘汰;二是海内塑料加工产业的高速发展，对塑料机械的需求旺

盛。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。

工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程

来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优

点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境

中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装

置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械

人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技

术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化

和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具

有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比

人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广

泛地得到了应用

1.3生产线转位装置部件设计

17

自动换刀装置是数控加工中心在工件的一次装夹中实现多道工

序加工不可缺少的装置, 主要由刀库、机械手和驱动装置几部分组

成。机械手和驱动装置是两个关键部分, 根据驱动装置的不同, 自动

换刀装置可分为凸轮式、液压式、齿轮式、连杆式及各种机构复合式,

其中以凸轮式用得较多。发达国家数控加工中心的立式自动换刀机械

手主要采用凸轮式, 我国加工中心技术起步较晚, 对自动换刀机械手

研究较少。进入20 世纪90 年代后, 北京机床研究所、大连组合机

床研究所、济南第一机床厂、青海机床厂以及陕西省的秦川机床厂都

对立式自动换刀机械手进行了研究和开发。迄今为止, 我国制造的加

工中心配置的自动换刀机械手大多数是进口的。其主要原因: 一是国

内生产的换刀机械手质量较差, 成本也不低; 二是进口换刀机械手价

格虽然较高, 但在整个加工中心中所占份额不大。作为加工中心的配

套技术, 自动换刀机械手的研究和开发将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。

1.3.1悬臂的作用

立式换刀机械手和卧式换刀机械手已得到广泛应用20 世纪90

年代以来, 数控加工技术得到迅速的普及和发展, 数控机床在制造业

得到了越来越广泛的应用。带有自动换刀系统的数控加工中心在现代

先进制造业中起着愈来愈重要的作用, 它能缩短产品的制造周期, 提

高产品的加工精度, 适合柔性加工。加工中心是数控机床中较为复杂

的加工设备, 由于其具有多种加工能力而得到广泛的应用, 其强大的

18

加工能力和效率得益于其配置的自动换刀装置(A u2tomat ic Too l

Changer)。

1.3.2悬臂的结构设计

换刀装置作为加工中心的重要组成部分, 其主要作用在于减少

加工过程中的非切削时间, 提高生产率, 降低生产成本, 进而提升机

床乃至整个生产线的生产力。加工中心自动换刀装置是实现多工序连

续加工的重要装置, 其结构设计及其控制是实现加工中心设计制造

的关键。加工中心的换刀过程较为复杂, 动作多, 动作间的相互协调

关系多, 因而自动换刀系统性能的好坏直接影响加工效率的高低

1.3.3悬臂力学分析

军事领域：主要让机器人执行一些自动的侦察与控制任务，尤其

是一些相对较为危险的任务，比如，无人侦察机、拆除炸弹的机器人

及扫雷机器人等。机器人还可以代替士兵去完成那些不太复杂的工程

及后勤任务，从而使战士从繁重的工作中解脱出来，去从事更加重要

的工作。

娱乐领域：机器人在娱乐领域的应用十分广泛，比如，机器人足

球大赛、机器人弹钢琴和机器人宠物等。

医疗领域：机器人主要用来辅助护士进行一些日常的工作，比如，

帮助医生运送用药品及自动监测病房内的空气质量，等等。医用机器

人还可以协助医生完成一些难度较高的手术，例如，眼部手术、脑部

19

手术等。美国还发明了一种可以进入人体血管的微型机器人，帮助医

生在病人的血管内灭杀病毒。

1.4，生产线转位装置设计的种类介绍

1.4.1按功能分

工业制造领域：主要让机器人在机械制造业中代替人完成大批

量、高质量要求的工作，如汽车制造、舰船制造及某些家电产品（电

视机、电冰箱、洗衣机）的制造等。化工等行业自动化生产线中的点

焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装等工作，

也有部分是由机器人完成的。

军事领域：主要让机器人执行一些自动的侦察与控制任务，尤其

是一些相对较为危险的任务，比如，无人侦察机、拆除炸弹的机器人

及扫雷机器人等。机器人还可以代替士兵去完成那些不太复杂的工程

及后勤任务，从而使战士从繁重的工作中解脱出来，去从事更加重要

的工作。

娱乐领域：机器人在娱乐领域的应用十分广泛，比如，机器人足

球大赛、机器人弹钢琴和机器人宠物等。

医疗领域：机器人主要用来辅助护士进行一些日常的工作，比如，

帮助医生运送用药品及自动监测病房内的空气质量，等等。医用机器

20

人还可以协助医生完成一些难度较高的手术，例如，眼部手术、脑部

手术等。美国还发明了一种可以进入人体血管的微型机器人，帮助医

生在病人的血管内灭杀病毒。

1.4.2按驱动系统

按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手

机械手所用的驱动机构主要有4种：液压驱动、气压驱动、电气

驱动和机械驱动。其中以液压驱动、气压驱动用得最多。

1、液压驱动式

液压驱动式机械手通常由液动机（各种油缸、油马达）、伺服阀、

油泵、油箱等组成驱动系统，由驱动机械手执行机构进行工作。通常

它的具有很大的抓举能力（高达几百千克以上），其特点是结构紧凑、

动作平稳、耐冲击、耐震动、防爆性好，但液压元件要求有较高的制

造精度和密封性能，否则漏油将污染环境。

2、气压驱动式

其驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机组成，其特点是气

源方便、动作迅速、结构简单、造价较低、维修方便。但难以进行速

度控制，气压不可太高，故抓举能力较低。

3、电气驱动式电力驱动是机械手使用得最多的一种驱动方式。

其特点是电源方便，响应快，驱动力较大（关节型的持重已达400kg），

21

信号检测、传动、处理方便，并可采用多种灵活的控制方案。驱动电

机一般采用步进电机，直流伺服电机（AC）为主要的驱动方式。由于

电机速度高，通常须采用减速机构（如谐波传动、RV摆线针轮传动、

齿轮传动、螺旋传动和多杆机构等）。有些机械手已开始采用无减速

机构的大转矩、低转速电机进行直接驱动（DD）这既可使机构简化，

又可提高控制精度。

4、机械驱动式

机械驱动只用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构来实现规

定的动作。其特点是动作确实可靠，工作速度高，成本低，但不易于

调整。其他还有采用混合驱动，即液-气或电-液混合驱动。

1.5 研究的内容

本机构是一种具有简单动作功能的机械手。随着网络技巧的发

展，机械手的联网操作问题也是以后发展的方向。工业机器人是近几

十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机

器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业

任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智

能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在

国民经济各领域有着广阔的发展前景。

22

第二章，生产线转位装置设计的设计要点介绍

2.1 明确技术要求

本设计为机加工中棒料传送装置，机构将棒料夹紧，传送至加工区域。

夹紧过程如下。

图中1为活动夹板，2为固定夹板，3和4为电磁铁。

在未通电状态，2由于重力作用，处于张开状态，加上棒料以后，电

磁铁通电，1和2处于闭合状态，从而夹紧棒料，当棒料到达指定位

置，适当翻转以后，断电， 可以释放棒料。

本设计中要求，转位装置具有两个方向的旋转功能，并且对旋转

行程有要求。在结构中主要考虑如下因素：

1，水平旋转的方案选择与设计

23

常用的旋转机构有如下几种：螺旋式旋转机构,凸轮式旋转机

构,曲柄式旋转机构铰链式旋转机构,连杆式旋转机构,四杆机构

本设计旋转结构比较简单，可以使用两岸式旋转，直接由电机带

动转动轴旋转。需要注意旋转轴的强度，和电机支撑轴的强度。

如图所示，1为旋转支架，2为旋转轴，3为电动控制部分，4为

传感器

旋转轴与电机连接，电机转动带动旋转支架旋转，旋转支架头部

有环形槽，槽呈90度状态，在槽的两端装有传感器，如图4. 该传感

器为接触开关式传感器，当旋转支架头部碰到传感器时，传感器处于

触发状态，将电信号传送给主，电路板，电路板控制旋转电机停止工

作，从而控制旋转轴停止转动，旋转支架停止转动。

24

2.2 执行元件的配置确定及动作顺序

翻转方案采用旋转方式，使机构中旋转轴旋转90度，实现翻转

的功能。方案可以参考水平方向的旋转方式。

如图所示，翻转机构采用电机齿轮结合的方式，图中1为齿轮1 ，

2 为齿轮2 ，3为定位架，4为传感器，5为旋转轴

电机带动齿轮旋转，齿轮带动旋转轴旋转，旋转轴与支架之间有

环形连接，支架上90度圆环的端部有定位装置，采用两个接触开关，

当旋转轴上的轴端部分，碰触到接触开关，接触开关将电信号传送给

电路板，电路板控制电机，停止工作，从而齿轮停止转动，旋转周停

止转动，避免发生碰撞。

2.3 确定液压系统主要参数

25

本机构中，需要机构有向前后伸缩的功能，结构中采用液压钢完

成此功能，如下图所示

1为液压缸，2为联轴器，3为旋转轴，4为旋转机构

液压缸被固定在旋转支架上，通气工作以后，液压缸可以，像前

后伸缩途中234部分整体向前移动，也可以整体向后收缩，这样就完

成了，伸缩的功能

旋转角度限位装置的设计

26

如图所示的限位装置是采用接触式开开关，接触开关。

2.3.1 计算和确定液压缸的主要结构尺寸

电感式传感器由三大部分组成：振荡器、开关电路及放大输出电

路。振荡器产生一个交变磁场。当金属目标接近这一磁场，并达到感

应距离时，在金属目标内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。

振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，触

发驱动控制器件，从而达到非接触式之检测目的。

2.3.2 计算液压缸所需流量

27

电容式接近开关的感应面由两个同轴金属电极构成，很象“打开

的”电容器电极，该两个电极构成一个电容，串接在RC振荡回路内。

电源接通时，RC振荡器不振荡，当一目标朝着电容器的电靠近

时，电容器的容量增加，振荡器开始振荡。通过后级电路的处理，将

振和振荡两种信号转换成开关信号，从而起到了检测有无物体存在的

目的。该传感器能检测金属物体，也能检测非金属物体，对金属物体

可以获得最大的动作距离，对非金属物体动作距离决定于材料的介电

常数，材料的介电常数越大，可获得的动作距离越大。

霍尔开关的工作原理磁式开关是接近开关，它（甚至透过非黑色

金属）响应于一个永久的磁场。作用距离大于电感接近开关。响应曲

线与永久磁场的方向有关。当一个目标（永久磁铁或外部磁场）接近

时，线圈铁芯的导磁性（线圈的电感量L是由它决定的）变小，线圈

的电感量也减小，Q值增加。激励振荡器振荡，并使振荡电流增加。

当一个磁性目标靠近时，磁式传感器的电流消耗随之增加。零部件工

作强度的校核

.轴I的强度校合

（1）求作用在齿轮上的力

F3381.30N

t1

2T2138633

1

d82

1

FFtan203381.3tan201230.69N

r1t1

（2）求轴承上的支反力

28

垂直面内：N N

F917

NV1

F314

NV2

水平面内：

F2518NF863N

NH1NH2

（1） 画受力简图与弯矩图

根据第四强度理论且忽略键槽影响



70MPa

M



1

W

29

载荷 水平面H 垂直面V

F917

NV1

N

F314

NV2

N

MF75MF75

VMax1VMax1

Nv1NV1

68775N•mm188850N•mm

MF164MF164

VMax2HMax2

NV2NH2

支反

F2518N

NH1

力F

F863N

NH2

弯矩

M

弯矩

141532N•mm51496N•mm

M

22

5

总弯

MMM2.01N.mm

1Hmaxvmax

10

矩

22

5

MMM1.51N.mm

2

Hmax2Vmax2

10

扭矩T

T=

M0.75

（，）

MT

22

W



d

3

32

W9.2

10

6

M1.93

1010

53



ca1

25.69Mpa70MPa

W9.2

10

6





1

M2.34

1010

53



ca2

20.69Mpa70MPa

W

0.10.045



3





1

所以轴的强度足够

2.校合轴II的强度

（1）求作用在齿轮上的力

FF

t2t1

3381.30N

FF

r2r1

1230.69N

F9967N

t3

2T

Ⅱ

2588023

d118

3

FF99673739N

r3

t

tana

n

tan20

coscos14.6



FFtan9967tan142485N

at



30

水平面内：

F(8511897)F97F(11897)F

NV1r3r2a3

d

3

2

求得162N

F

NV1

F(8511897)F(11885)FF85

NV2r3ar2

d

3

2

求得-2670N

F

NV2

垂直面内：

F(8511897)F(11897)F97

NH1t2t3

求得=5646N

F

NH1

F(8511897)F(85118)F85

NH2t3t2

求得=7700N

F

NH2

画受力简图与弯矩图

(4)按弯扭合成应力校核轴的强度

在两个轴承处弯矩有最大值，所以校核这两处的强度

31



ca

=＜70MP

M



(T)



2

2

W





1a

W



d

3

32

载荷 水平面H 垂直面V

F

NV1

162N-2670N

F

NV2

支反

F

NH1

=5646N

力F

F

NH2

=7700N

弯矩

MF97MF97

NHMax1NH2NVMax1NV2

770097267097

M1

746900N•mm258990N•mm

弯矩

MF85MF85

NHMax2NH1NVMax2NV3

56468516285

M2

479910N•mm13770N•mm

总弯

M8.04N•mm

1

MMM

HMax1VMax1a

222

10

5

矩M1

总弯

M5.41N•mm

2

MMM

HMaxVMaxa

222

10

5

矩M2

扭矩T

T=

W1.25



d

3

32

10

5

2

22



ca1

=62.4Mpa

M



(T)(0.755.88)



WW

22

8.04

2



ca2

=59Mpa

M



(T)0.75(5.88)



2

WW

5.41

2

2.4.1制定液压回路方案

1）判断：危险面为A面与B面

32

2）对截面III

截面III左侧

332

抗弯截面系数

W0.10.112500

d50mm

332

抗扭截面系数

W0.20.225000

d50mm

截面A左侧的弯矩M为

M588023230359N•mm

38

97

截面A左侧的扭矩T为

TT588023N•mm

2

截面A上的弯曲应力



b

18.4MPa

M

W

T

23.52MPa

Wt

截面A上的扭转切应力



b

轴的材料为40Cr，调质处理。

查表15-1得,,



BS1

735Mpa540Mpa355Mpa







1

200Mpa

r2.5D50

0.051.11

由 , ，

d50d45

查得，

, 查得材料的敏性系数为

应力集中系数为

33

查得表面质量系数

查得尺寸系数为 ；查得扭转尺寸系数为

计算得综合系数为

2.4.2原理草图的绘制精确校核轴的疲劳强度

取40Cr的特征系数为

，取

，取

计算安全系数

2.4.1制定液压回路方案

滚动轴承一般是由内圈、外圈、滚动体和保持架组成(图18-1)。通常

内圈随轴颈转动，外圈装在机座或零件的轴承孔内固定不动。内外圈

都制有滚道，当内外圈相对旋转时，滚动体将沿滚道滚动。保持架的

作用是把滚动体沿滚道均匀地隔开，

滚动体与内外圈的材料应具有高的硬度和接触疲劳强度、良好的耐

磨性和冲击韧性。一般用含铬合金钢制造，经热处理后硬度可达

34

HRC61~65，工作表面须经磨削和抛光。保持架一般用低碳钢板冲压

制成，高速轴承多采用有色金属或塑料保持架。

与滑动轴承相比，滚动轴承具有摩擦阻力小，起动灵敏、效率高、

润滑简便和易于互换等优点，所以获得广泛应用。它的缺点是抗冲击

能力较差，高速时出现噪声，工作寿命也不及液体摩擦的滑动轴承。

由于滚动轴承已经标准化，并由轴承厂大批生产，所以，使用者的任

务主要是熟悉标准、正确选用。

给出了不同形状的滚动体，按滚动体形状滚动轴承可分为球轴承和滚

子轴承。滚子又分为长圆柱滚子、短圆柱滚子、螺旋滚子、圆锥滚子、

球面滚子和滚针等。在大多数实际应用中，滚动轴承能够正确安装，

润滑良好，轴承座或支承结构具有足够的刚度，轴承的载荷和转速适

中。在这些条件下，可以对轴承的分析模型进行适当的简化，以便抓

住主要矛盾，解决工程中最为关注的问题。在经典的轴承分析中普遍

采用刚性套圈假设，即假定轴承套圈是一个刚体，滚动体与滚道的接

触只会产生局部的接触变形而不会改变套圈的整体形状和尺寸，这就

为套圈的位移和接触变形分析带来了很大的方便。其次是忽略滚动体

与滚道接触时产生的摩擦力（包括油膜拖动力）以及由于滚动体高速

运转而产生的惯性力（如离心力、陀螺力矩等）。对普通工况下的通

用轴承而言，摩擦力和惯性力与滚动体的接触载荷相比一般要小一个

数量级，因此忽略它们不会对分析结果产生显著影响。本书在进行轴

承分析时也采用了这些假设。

通用轴承的力学分析主要是求解接触力学问题。滚动轴承中的接触问

35

题可以分为两类，一类是单个滚动体与滚道的接触问题，另一类是轴

承整体的接触问题，即确定有多少个滚动体发生了接触以及接触载荷

的整体平衡问题。对前一个问题，早在19世纪80年代初期，Hertz

就完成了点接触（1881年）与线接触（1882年）问题的理论解，它

们分别构成了球轴承和滚子轴承分析的基础。实际上，滚子轴承中，

不论是圆锥滚子还是圆柱滚子，它们的接触模型都不完全符合Hertz

线接触理论，因此滚子轴承分析的理论基础在很长一段时间内是不完

备的。直到20世纪70年代以后，才提出了一些行之有效的数值计算

方法，比较好地解决了有限长柱体与滚道接触的问题。

在复杂受力状态下，滚动轴承的整体平衡问题最后归结为求解一组非

线性方程组。在20世纪60年代之前，受计算工具的限制，求解这些

方程组是比较困难的。因此，人们往往要对计算方法进行简化，例如

将离散的滚动体载荷分布简化为连续分布载荷，不考虑接触角变化，

忽略滚子端部的应力集中，不考虑力矩载荷的影响等。今天，随着计

算机的普及以及数值计算方法的进展，已经完全能够把这些因素考虑

在内，因而分析结果也更加符合工程实际。

2.4.2原理草图的绘制

滚动轴承的额定动载荷是在一定条件下确定的。对向心轴承是指

承受纯径向载荷；对推力轴承是指承受轴向载荷。如果作用在轴承上

的实际载荷与上述条件不一样，必须将实际载荷换算为和上述条件相

同的载荷后，才能和额定动载荷进行比较。换算后的载荷是一种假定

的载荷，称为当量动载荷。径向和轴向载荷分别用R和A表示。

36

对于向心轴承，径向当量动载荷P与实际载荷R、A的关系式为

P=XR+YA （18-5）

式中，X为径向系数、Y为轴向系数，可分别按A/R>e或A/Re两种



情况，由表18-11查出。参数e反映了轴向载荷对轴承承载能力的影

响，其值与轴承类型和A/C0有关，C0是轴承的径向额定静载荷。

径向轴承只承受径向载荷时，其当量动载荷为

P=R （18-6）

推力轴承只能承受轴向载荷，因此其当量动载荷为

P=A （18-7）

2.5 元件的选型与设计

角接触球轴承和圆锥滚子的结构特点是在滚动体和滚道接触处存

在着接触角。当它承受径向载荷R时，作用在承载区内第i个滚动

体上的法向力Qi可分解为径向分力Ri和轴向分力Si。各滚动体上所

受轴向分力的和即为轴承的内部轴向力（S见图18-6a中的S1和S2）。

轴承的内部轴向力可以按表18-12计算。

图18-6圆锥滚子轴承的受力

37

表18-12角接触球轴承和圆锥滚子轴承内部轴向力

轴承类角 接 触 球 轴 承 圆锥滚

型 子轴承

70000C型

(=150)

内部轴

向力S

0.5R 0.7R R/2Y*

70000AC70000B

型(=25) 型(=40)

1.1R

*Y是A/R>e时的轴向系数，参见表18-11。

为了使轴承内部轴向力得到平衡，通常角接触球轴承和圆锥滚子

轴承都是成对使用的。在计算轴承所受轴向力A时，除了考虑外部轴

向力FA的作用外，还应将由径向载荷R产生的内部轴向力S1和S2

考虑进去（见图18-6b）。

首先按表18-12求得轴承内部轴向力S1和S2。如图18-6c所

示，当FA+S1>S2，由于轴不能向右移动，轴承II承受的轴向力显然

是 A2=FA+S1。若如图18-6d所示，S2>FA+S1，则轴承II的轴向力是

A2=S2。因此轴承II的轴向载荷必然是下列两值中的较大者。

AS

22

AFS

2A1

（18-8）

用同样的方法分析，可得轴承I的轴向力是下列两值中的较大者

AS

11

ASF

12A

（18-9）

当轴向外力与图示方向相反时，应取负值，其他计算步骤相

FF

AA

38

同。

2.5.1液压缸的选择

液压缸的单缸最大升起的质量

Mm4500kg

升降平台的最大起升高度:

h1.5m

上升速度等于下降速度:

v0.1m/s

液压平台上升工况的最大负载

F

max

Mg500105kN

液压缸的机械效率:



0.95

液压缸的工作压力由表3-1可知

P1.5MPa

表3-1不同负载条件下的工作压力

负载F/KN <5 5~10 10~20 20~30 30~50 >50

工作压力p/MPa 3~4 4~5 ≥5 <0.8~1 1.5~2 2.5~3

3.4.1液压缸缸筒的设计和计算

1、液压缸内径D的计算

由公式

D

4

F

max



P

（；；；）

F

max

5kN

P1.5Mpa0.95



解得。

D0.066858m

根据表3-2可知，圆整成标准值后，得液压缸内径D=80mm。

表3-2液压缸内径尺寸系列mm（GB/T 2348-93）

8 10 12 16 20 25 32 40 50

63 80 （90） 100 （110） 125 （140） 160 （180）

200 （220） 250 （280） 320 （360） 400 （450） 500

39

2、缸筒壁厚和外径计算

本设计的内径D为80mm,查液压设计手册液压缸的外径D1为95mm,缸壁的厚

度为7.5mm。一般按正规的方法选取液压缸壁厚都能满足其强度，但为安全起见

我们还要进行校核。

由于D=80mm，外径D1=95mm，则，可按第一强度理论，即



D0.0940.25

按照薄壁圆筒的中径公式计算，则有





P

式中 ---缸筒壁厚；



---缸筒内径；

D

---缸筒试验压力，液压缸的额定压力时的

P

max

max

D

2[]



P

n

16Mpa

PPPPP

maxnnmaxn

1.516MPa1.25

，额定压力时的；

---材料许用应力。

[]



为材料的抗拉强度，n为安全系数,,这里取。选用45号



bb

b

n3.55

n5

钢，并且调质，查阅《工程力学》刘静香著可知４５号钢的抗拉强

241285HB

度，现取，故：



530598MPa560MPa



560

[]112MPa





b

n5

由于液压缸的工作压力,故取

P1.5MPa16MPa

PP

maxn

1.52.25MPa

所以



0.0008m0.8mm

P

max

D

2[]2112



2.2580

因为7.5mm>0.8mm，故强度足够。

3.4.2活塞杆的设计与计算

活塞杆是液压缸专递动力的主要零部件，它要承受拉力、压力、弯力和震动

冲击等多种作用，必须有足够的强度和刚度。

1、活塞杆直径的计算

根据活塞杆受力状况来确定，一般为受拉力作用时，d=0.3～0.5D。

受压力作用时：

40

P＜5MPa时，d=0.5～0.55D

5MPa＜P＜7MPa时，d=0.6～0.7D

P>7MPa时，d=0.7D

因为P=1.5MPa，D=0.066858mm，故d=0.036771mm

根据下表可知活塞杆直径d=40mm

表3-3活塞杆直径系列mm（GB/T 2348-93）

4 5 6 8 10 12 14 16 18 20

22 25 28 32 36 40 45 50 56 63

70 80 90 100 110 125 140 160 180 200

220 250 280 320 360 400

2、活塞杆强度校核

（1）按强度条件校核

由公式

d

4F



[]

式中 d---活塞杆的直径；

F---活塞杆上的作用力；

---活塞杆材料许用应力，，为材料的抗拉强度，为









b

n

安全系数，一般取。

n1.4



b

n

560

由45号钢的许用应力，



373MPa



b

F5000N

n1.5

得 ，而，故活塞杆强度符合要求。

d0.00413md40mm

（2）按弯曲稳定性校核

当活塞杆全部伸出后，活塞杆外端到液压缸支撑点之间的距离时，

l10d

应进行稳定性校核。

按材料力学理论，当一根受压直杆的轴向载荷超过临界受压载荷时，

F

F

K

即可能失去原有直线状态的平衡，称为失稳，其稳定条件为

F

F

n

k

k

式中 ---液压缸的最大推力；

F

---液压缸的临界受压载荷；

F

K

41

---稳定安全系数，一般取。

n

k

n

k

24

液压缸临界受压载荷与活塞杆和缸体的材料、长度、刚度以及两端支撑

F

K

状况有关。的相关计算如下：

F

K

由公式

F

k



nEJ



2

2

l

式中 ---活塞杆的计算长度；

l

---端点安装形式系数，两端固定，故；

n

n4

E---材料的弹性模量，钢材的 ；

EPa

2.110

J---活塞杆的横截面转动惯量，实心杆的。

J

11



d

4

64

而，，

J



d

4

64

1.25610

l1.5m

2

7

故，

F

k

46.2kN

nEJ



l

2

而， （当取4时）

F5kN11.55kN

F

n

k

n

k

k

故活塞杆弯曲稳定性符合要求。

2.5.3液压辅助元件及工作介质的选择

332

抗弯截面系数

W0.10.19112.5

d45mm

332

抗扭截面系数

W0.20.218225

d45mm

截面A左侧的弯矩M为

截面A左侧的扭矩T为

截面上的弯曲应力

42

M588023357664N•mm

59

97

TT588023N•mm

2



b

39MPa



b

32MPa

查得,,

M

W

T

Wt

截面上的扭转切应力

轴的材料为45钢，调质处理。

过盈配合处的, 查得=3.48，并取

查得表面质量系数

查得尺寸系数为 ；查得扭转尺寸系数为

计算得综合系数为

取40Cr的特征系数为

，取

，取

计算安全系数

2.6轴承的选用和计算

43

综合以上分析，轴强度合格

轴III的强度校合

（1）求作用在齿轮上的力

由前面计算可知作用在齿轮四上的力的大小等于作用在齿轮三上的

力，即：

FF3739N

r4r3

FF9967N

t4t3

FF2485N

a4a3

(2)求轴承上的支反力

垂直面内：

F(203100)F100F

NV1r4a4

d

4

2

F(203100)FF100

NV2a4r4

d

4

2

求得=1542N =926N

F

NV1

F

NV2

水平面内：

F(203100)F100

NH1t4

F(203100)F203

NH2t4

求得

F3290N

NH1

F6678N

NH1

画受力简图与弯矩图

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2.7电机的选择计算

用的旋转机构有如下几种：螺旋式旋转机构

凸轮式旋转机构

曲柄式旋转机构

铰链式旋转机构

连杆式旋转机构

四杆机构

本设计旋转结构比较简单，可以使用两岸式旋转，直接由电机带

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动转动轴旋转。需要注意旋转轴的强度，和电机支撑轴的强度。

2.8传动部件的设计计算

为限制滚动轴承在过载和冲击载荷下产生的永久变形，应按静载