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“机械手”（Mechanical Hand）：多数是指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置，如自动线、自动线的上、下料，加工中心的自动换刀的自动化装置。实现了自动化生产方式，达到了减少劳动力、节约费用、提高工作效率、增加企业经济效益之目的。
本文设计的机械手手臂前后伸缩机构由电动机、丝杠螺母副、导杆、手臂、连接板等构成。设计过程中，首先，调查了机械手研究现况，在此基础上根据设计技术要求选定了驱动机构及伸缩机构方案；接着，根据选定的结构方案对各主要零部件进行了设计与校核；最后，通过AutoCAD绘图软件绘制了该机械手手臂前后伸缩机构的装配图及主要零部件图。
通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了普通机械产品的设计方法并能够熟练使用AutoCAD软件，本次机械手臂的设计代表了设计的一般过程，对今后的设计工作有一定的参考价值。
关键词：机械手；手臂；伸缩；设计
Abstract
"Robot" (mechanical hand): most of the refers to attach belongs to the host program fixed automatic crawl, operation device, such as automatic assembly line, automatic line, cutting, machining center automatically change knife automatic device. The realization of automatic production, to reduce labor, save costs, improve work efficiency, increase the economic efficiency of the purpose of the enterprise.
In this paper, the manipulator and the front and back telescopic mechanism of the manipulator is composed of a motor, a lead screw nut pair, a guide rod, an arm, a connecting plate, and the like. In the design process, firstly, to investigate the status of the research of manipulator, based on the driving mechanism and the telescopic mechanism scheme is selected according to design requirements; then, based on the selected structure of the main parts were designed and checked. Finally, through the AutoCAD drawing software drawn before and after the manipulator arm telescopic mechanism assembly and major parts of the map.
Through the design, the consolidation of the University of the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerance and interchangeability theories, mechanical drawing, and master the design method of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD software, the design of the mechanical arm represents the general process of design, have certain reference value for the design work in the future.
Key words: manipulator; arm; expansion; design
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状 1
第2章 总体方案设计 3
2.1设计要求 3
2.2方案设计 3
2.2.1驱动机构 3
2.2.2伸缩机构 3
2.2.3总体方案 4
第3章 设计计算 5
3.1手臂伸缩驱动力计算 5
3.1.1 手臂摩擦力的分析与计算 5
3.1.2手臂密封处的摩擦阻力的计算 6
3.1.3手臂惯性力的计算 6
3.2电机的选择 7
3.2.1 扭矩的计算 7
3.2.2 启动矩频特性校核 8
3.3丝杠螺母的选择与计算 8
3.3.1丝杠螺母副支承方式选择 8
3.3.2确定滚珠丝杠副的导程 9
3.3.3强度计算 10
3.3.4螺母选择 12
3.4联轴器的选用 12
3.5轴承及键的选用与校核 13
3.5.1轴承 13
3.5.2键 13
3.6手臂设计与校核 14
3.6.1导向装置 14
3.6.2平衡装置 14
3.6.3尺寸设计 14
3.6.4尺寸校核 15
结 论 16
参考文献 17
致 谢 18
第1章 绪论
1.1研究背景及意义
机械手具有许多人类无法比拟的优点，满足了社会化大生产的需要，其主要优点如下：
（1）能代替人从事危险、有害的操作。只要根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、放射线作用下，以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作。
（2）能长时间工作，不怕疲劳，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。
（3）动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可避免人为的操作错误。
（4）机械手特别是通用机械手的通用性、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。
（5）机械手能明显地提高劳动生产率和降低成本。
由于机械手在工业自动化和信息化中发挥了以上巨大的作用，世界各国都很重视机械手的应用和发展，机械手的应用在我过还属于起步阶段，就显示出了许多的无法替代的优点，展现了广阔的应用前景。近十几年来，机械手的开发不仅越来越优化，而且涵盖了许多领域，应用的范畴十分广阔。
1.2国内外研究现状
机械手（Industral Robot ,简称IR）是1960年由《美国金属市场》报首先使用的，但这个概念是由美国George•C•Pevol在1954年申请的专利“程序控制物料传送装置“时提出来的。在这专利中所记述的机械手，以现在的眼光来看，就是示教再现机器人。根据这一专利，Devol与美国Consolide Control Corp合作，于1959年研制成功采用数字控制程序自动化装置的原型机。
随后，美国的Unimation公司和美国的机械铸造(AMF)公司于1962年分别制造了实用的一号机，并分别取名为Unimate和Ver•satran。Unimate机器人外形类似坦克炮塔，采用极坐标结构，而Versatran机器人采用圆柱坐标结构。
在欧洲第一台机械手是1963年瑞典Kavieldt公司发表的第一台操作机。
日本在六十年代初期就开始研制固定程序控制的机器手，并从其他各国引进了用于不同生产过程的机器人，并获得迅速，很快研制出日本国产华的机械手，技术水平很快赶上了美国并超过了其它国家，目前机械手在日本已得到迅速发展并很快得到普及。
我国虽然开始研制机械手仅比日本晚5~6年，但由于种种原因，机械手的技术发展比较慢。但目前已引起了有关方面的极大关注。除了引进、消化、仿制外，已经具备了一定的独立设计和研制能力。在1958年新自治区成立30年大庆站展览馆展出了由新机械局研制的跳舞机器人《阿依古丽》。在1986年地十六届广交会上，成都电讯工程学院研制的第三代仿人机器人《成蓉小姐》已经用汉语或英语向来宾问好，并能简要的介绍的展览产品及回答简单问话。西北电讯工程学院研制的微机控制示教再现式机器人《西电I号》，也于1985年9月在陕西省科技贸易大会上进行了表演。此外，清华大学自动化系研制的具有视觉手眼系统，北京钢铁学院研制的焊接机器人，均已达到了较高的水平。
近几年来的成就表明，我国机器人技术已经迈出了可喜的一步。相信在不久的将来，我们一定回赶上世界各国前进的步伐。
2
第2章 总体方案设计
2.1设计要求
设计机械手手臂前后伸缩机构，其中机械手参数要求如下：
（1）臂力10公斤；
（2）手臂前后伸缩行程600mm（速度1000mm/s）；
（3）手臂左右转动角度240°（角速度90°/s）；
（4）手臂上下升降行程150mm(速度500mm/s)；
（5）小臂伸缩行程300mm(速度1000mm/s)；
（6）小臂转动角度180°（角速度150°/s）；
（7）手臂最大工作半径1460mm。
2.2方案设计
2.2.1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挡块定位时，有较高的重复定位精度，但臂力一般在300N以下。液动式的出力大，臂力可达 1000N 以上，且可用电液伺服机构，可实现连续控制，使工业机械手的用途和通用性更广，定位精度一般在 1mm 范围内。目前常用的是气动和液动驱动方式。电动式用于小型，机械式只用于动作简单的场合。
根据设计要求，本次采用电动式驱动机构。
2.2.2伸缩机构
常用的平移伸缩机构有以下几种：
（1）齿轮齿条传动
齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，形式很多，应用广泛，传递率可达到数十万千瓦，圆周速度可达200m/s。有以下特点：1）.效率高2）.结构紧凑3）.工作可靠4）.传动比稳定。但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。
（2）涡轮涡杆传动
优点是传动比大，结构尺寸紧凑，但轴向力大、易发热、效率低。
（3）曲柄滑块机构
常用于将曲柄的回转运动变换为滑块的往复直线运动；或者将滑块的往复直线运动转换为曲柄的回转运动。构成低副两元件的几何形状比较简单，加工方便，易于得到较高的制造精度等优点，因而在包括煤矿机械在内的各类机械中得到了广泛的应用，如自动送料机构、冲床、内燃机空气压缩机等。
（4）丝杆螺母副
梯形螺杆、螺母的滑动螺旋传动：梯形螺纹具有牙根强度高，工艺性好，螺纹对中性好但主要缺点是效率低。
滚珠丝杠螺母副是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想产品。它是传统滑动性丝杠的进一步延伸发展。滚珠丝杠螺母副因优良的摩擦特性，并且可以消除方向间隙并施加预载，高精度和高灵敏度使其广泛的运用于各种工业设备。随着科学技术的不断发展，人们对滚珠丝杠副的要求也越来越高，为了使机械产品能实现高的定位精度且能平稳运行，要求滚珠丝杠副的运动平稳，无爬行现象，传动精度高。
综上述分析：本次设计的机械手手臂前后伸缩机构采用滚珠丝杠螺母副。
2.2.3总体方案
结合上述选定的驱动机构和伸缩机构方案得出本次机械手手臂前后伸缩机构方案如下：
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