塑件取件机械手结构及造型设计

上海交通高校本科毕业论文

塑件取件机械手结构及造型设计

StructureandFormDesignofPlasticParts

上海交通高校教化学院

二0一^匕年二月

毕业论文声明

本人慎重声明：

1、此毕业论文是本人在指导老师指导下独立进行探讨取得的成果。除了特

殊加以标注和致谢的地方外，本文不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的

探讨成果。对本文探讨做出重要贡献的个人与集体均已在文中作了明确标明。本

人完全意识到本声明的法律结果由本人担当。

2、本人完全了解学校、学院有关保留、运用学位论文的规定，同意学校与

学院保留并向国家有关部门或机构送交此论文的复印件和电子版，允许此文被查

阅和借阅。本人授权上海交通高校接着教化学院可以将此文的全部或部分内容编

入有关数据库进行检索，可以采纳影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本文。

3、若在上海交通高校接着教化学院毕业论文审查小组复审中，发觉本文有

抄袭，一切后果均由本人担当（包括接受毕业论文成果不及格、缴纳毕.业论文重

新写作费、重新写作毕业论文、不能按时获得毕业证书等），与毕业论文指导老

师无关。

作者签名:口期:

塑件取件机械手结构及制造设计

摘要

从定义上来讲，所谓机械手，也就是仿照人类肢体，帮助人们或者替代人们执行动作的

一种机械设备，并且随着科技以及制造业的飞速发展，机械手得到了越来越多的应用，成

为了制造.业生产大军中不行或缺的一份子。本次设计的是针对于注塑机流水线设备而特地去

设计的一种五自由度机械手，纵观近年来国内从事塑件取件机械手生产的企业，数目特别稀

有，且独创性弱，过分依靠仿制。而大量的产品都来自于他国进口，但是其设计思路都较为

西方化，不适合中国人的操作习惯。因此我们有必要生产出中国化的塑件取件机械手。

关键词：注塑机机械手流水线

StructureandFormDesignofFive-degree-of-freedom

PlasticParts

Abstract

Bydefinition,theso-calledmanipulator,thatis,toimitatethe

humanlimb,tohelppeopleorreplacetheimplementationofamechanical

action,andwiththerapiddevelopmentoftechnologyandmanufacturing,

robothasbeenmoreandmoreapplications,Manufacturingindustry,an

indispensablepartofthearmy.Thisdesignisforinjectionmolding

machineassemblylineequipmentandspecificallytodesignamanipulator

offivedegreesoffreedom,lookatthedomesticplasticpartsinrecent

yearsintheproductionofrobotsoftheenterprise,thenumberisvery

scarce,andtheoriginalityoftheweak,over-relianceonimitation.And

alargenumberofproductsareimportedfromothercountries,butits

designideasaremoreWestern,notsuitablefortheChinesepeople's

operatinghabits.Therefore,weneedtoproducetheChineseplasticparts

pick-uprobot.

Keywords:Injectionmoldingmachine;manipulator;pipeline

目录

1.1机械手的发展及其应用...........................................

1.2机械手的组成...................................................

1.3设计内容.......................................................

2专用机械手结构方案设计..............................................

2.1机械手结构分析.................................................

2.2机械手的设计方案...............................................

3手部结构的设计.......................................................

3.1夹持式手部结构的设计...........................................

3.2气动驱动力计算.................................................

3.3夹紧力计算....................................................

4机械手手腕部分结构设计...............................................

4.1手腕结构设计和三维建模.........................................

4.2手腕驱动力矩计算...............................................

结束语..................................................................

致谢....................................................................

参考文献...............................................................

上海交通高校本科毕业论文（设计）注塑取件机械手结构及制造设计

引言

众所周知，无论对哪个国家而言，机械制造业都属于较为基础的行业，它一方面为国家工业

供应技术与装备，另一方面促进了国民经济的发展。因此它的发展水平是可以有效衡量国家工业

化程度。但是作为机械设计制造及其自动化专业的学生，我们更加应当特别从专业性角度动身，

设计出的确利于民生发展的自动化设备。经过精挑细选、深思熟虑之后我选了应用前景广、设计

较为细化的机械手作为我的论文课题。

塑件取件机械手，顾名思义就是为了使注塑机的流水线生产更加高效化、自动化的一种工业

设备，它作为自动化生产用具，可以代替人们的体力劳动，大大提高了注塑成型机的生产效率，

且其生产环境也是平安的，产品质量较稳定。不仅如此，生产成本和次品率得以大幅度降低、可

以使得注塑机生产企业的竞争力大幅提高。是应用性很强的机械产品。

纵观近年来国内从事塑件取件机械手生产的企业，数目特别稀有，且独创性弱，过分依靠仿

制。而大量的产品都来自于他国进口，但是其设计思路都狡为西方化，不适合中国人的操作习惯。

因此我们有必要生产出中国化的塑件取件机械手。就目前而言，我国开发的注塑机主要存在限制

系统的稳定性问题，这就契合了本课题的目标：开发出一种高效率、低成本、性能稳定的塑件取

件机械手。

上海交通高校本科毕业论文（设计）注塑取件机械手结构及制造设计

1概述

1.1机械手的发展及其应用

从定义上来讲，所谓机械手，也就是仿照人类肢体，帮助人们或者替代人们执行动作的一种

机械设备，并且随着科技以及制造业的飞速发展，机械手得到了越来越多的应用，成为了制造

业生产大军中不行或缺的一份子。经过数十年的发展，并且是快速的发展，机械手（机器人）已

经成为了一门学科。它包含了各种领域，可以说是目前涉及领域最广的一门学科，如今的高科技

机械手一般涉及到人体工程学，工程力学，材料力学，电力工程学，生物学等等几十个领域。机

械手的技术水平也就指的是我国儿卜个专业领域的技术水平，所以可以确定地说，机械手的发展

水平在某种程度上就干脆代表了一个国家科技发展的水平⑴。

从最初的机械手的产生起先，其结构相当的简洁，仅仅涉及到了i两个专业领域，并且有很

大的局限性，专用性这个特点在那个时期可以说是机械手最大的短板。

如今的机械手，在科技发展以及工业急速发展所产生需求的共同催生下，机械手变得越来越

困难，专用性这个特点不再成为机械手的发展劣势，甚至在••些行业，专用性必不行少，不行替

代，因此可以看出，机械手的存在是多么的重要⑵。

我国在二卜世纪末期制定了有关工业机械手的探讨安排，发展至今，我国已经完全驾驭了相

关的技术，能够自主的去研发各种类型的机械手，不管是机械结构还有软硬件都运用自如，如今

工业生产中最为常见的机械手依据功用可以分为：搬运、组装、安排、焊接机械手等等。尽管我

国机械手的应用已经特别的广泛，但是跟国际发达国家相比，差距真的不是一点两点，我国对工

业机械手的探讨起步比较晚，其他附属技术同国外也存在很大差距，这两点是导致我国生产的机

械手与其他国家机械手存在这么大差距的主要因素。我国近些年来才起先对机械手有了更多的重

视，但是目前还未生成一套完善的机械手产业，发展规模以及投资力度将会是我国机械手崛起的

重要依托，同时我国高科技技术的探讨发展也会为我国的机械手发展保驾护航⑶。

机械自动化行业发展的历史并不长，但是目前自动化产业的重要程度不行忽视，自动机械手

的出现显的特别迫切。我国二十世纪末二十一世纪出，起先探讨专用机械手，直到2008年，我国

自主探讨的第一台重量级机械手出现，并且被投入我国国产汽车品牌奇瑞汽车的生产线当中，效

果显著。这是我国的第一代机械手，接着经过了一年时间的改善以及优化，到其次年，二代机械

手也胜利问世，在一些技术水平上达到世界i线水平，但某些方面，还存在很大的差距。因此我

国还须要加快自主:研发的脚步，加大投资力度，引进或者培育专业的技术人员，才能最快速度的

赶上我们与其他国家在机器人技术研发领域之间的距离区。

1.2机械手的组成

机械手跟机器的一样，都是有四个大部分来组成，其依次是：限制机构、执行机构、驱动机

构和感应检测机构。彼此共同组成了•个完整的机械手，他们彼此之间的联系如下图1.1所示。

图Li组成方框

本文所设计的机械手，主要完成的是对其机械结构的设计，也就是四个部分中的执行机构。

1.3设计内容

此次机械手的设计，主要对塑件取件机械手的结构设计，包含各个部分的结构选型，部件

选择，连接部分设计，驱动元件设计，受力计算，三维结构造型等等。

首先介绍一下注塑机，了解注塑机才能更好地完成对专用机械手的设计。注塑机的工作原理

其实并不困难，本文设计的机械手为注塑机专用机械手，所以其结构形式均是为了将其运用于注

塑机流水线所设计。目前模具注塑行业发展前景很广，且当前模具行业已经成为了中国领头行业

之一，注塑行业中，注塑机是不行少的一个重要设备，为了便于更好地理解，可将其比作注射器。

注塑机的工作原理就是聚乙烯溶液（也就是我们常用的塑料制品的材料）经过一个注射管道注射

到•个模型型腔，所须要生产出的制品的模型，然后通过挤压成型并冷却成为塑料制品，最终被

自动地推出到指定的传送带上，这就是注塑机完成一个塑料零件制作的完整流程。我们常见的注

塑机设备如图1.2所示。注塑机工作原理的简洁结构示意完整图如图1.3所示。

图1.2注塑机图1.3原理图

塑件取件机械手所起到的作用是：当一个新的注塑品完成后，会被机器自动推送到传送带上,

经过传送带到达积累区，机械手就是不断地从传送带上捡起塑件，并摆放到指定的塑件堆放区。

本文设计的特点有两大点：通用性较强，专用性也较好，通用性指的是该机械手可以应用于绝大

多少数的注塑机，本文设计之初，本人查阅了大量的注塑机型号，相关的重要尺寸，以便设计出

合理的机械手各部件的运动范围，并且可应用于不同类型的注塑机。另外，该机械手能够随意更

换机械手爪，因为注塑机生产的产品外形千姿百态，一种类型的机械手爪很难全部抓取，所以机

械手以通过可更换式机械手抓来应付各种形态的塑件，本文在正文里介绍的是一种水口夹手爪，

因为它的结构以及尺寸限制，所以该手爪可以便利的抓取如手机克，鼠标壳等带棱边的小型塑件；

虽然该机械手可用于大部分注塑机，但是并不行以用于其他用途，因为其结构尺寸，工作方式均

为为注塑机量身打造的。

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2专用机械手结构方案设计

本文此次设计的机械手是特地针对于注塑机而去设计的，因此机械手的尺寸，运动行程都须

要跟注塑机相匹配。并且在工作上也须要满意注塑机的工作进度，这样才能达到所设计的最终R

的。注塑机的工作节奏比较快，完成一个制品的速度很快，那就须要机械手能够快速并精确地去

抓取塑件，然后依据依次的将塑件放置到对应的位置，同时快速地返回，整个时间要与注塑机出

一个制品的单位时间相比配。注塑机的形态，尺寸，也是设计专用机械手所须要考虑的，一是保

证机械手有足够的运作空间，二是使机械手的设计更具有专用性，更加的有效率。

设计的抓取极限值必需大于注塑的所能够生产出的塑件的最大质量，并且可以依据要求，精

确定位在不同的位置，因为抓取的塑件外形不同，对应的位置也会有所不同，不过专用机械手更

适合应用于单一零件大批量生产的工作环境当中。注塑机的工作环境不是很好，所以设计的机械

手要能够耐脏以及耐腐蚀，能够应付各种较为恶劣的环境，所以对零件结构或者说部件材质都有

设计要求⑹。

2.1机械手结构分析

本次设计主要须要完成的设计如下：

1、设计机械手各运动部分结构。

2、通过计算选择对应的零部件。

3、确定各个自由度的驱动元件。

4、完成对机械手的造型设计，协助机械手的结构设计。

2.2机械手的设计方案

2.2.1坐标型式与自由度选择

目前对于机械手的坐标形式，可以分为四种，分别是，圆柱、直角、圆球、关节型⑺。由于注

塑机的结构及工作形式，本次设计的机械手须要实现上升下降、前后移动、零件松放、手部回转,

但是为了节约空间，减短运动行程并且弥补，于是增加了一个手臂来回摇摆的自由度，依据这五

个自由度，本文确定选择机械手的坐标形式为圆柱坐标。机械手各个自由度的运动简图如图2.1

所示。

图2.1各自由度简图

A-机身自由度B-主臂自由度C-副臂自由度D-手腕自由度E-手部自由度

2.2.2机械手的手部结构方案设计

在进行结构设计的时候，会考虑其具体的用途，在这里就是考虑到塑件的形态，为了能够保

证机械手能够抓取注塑机所生产出的各种质量以及形态的零件，机械手的手部就光靠一种类型是

无法满意要求的，所以就须要依据运用要求不同能够实现更换的功能，所以手部结构除了采纳特

别常见的手爪式结构还有备用一个吸盘式结构手部，这样才能使机械手完全满意其设计需求。由

于一般状况下，均是采纳手爪式（也就是夹持式）手部，所以本文在设计的时候，也就只介绍了

这种类型。此次设计，选择了市面上已有的塑件取件机械手均采纳的手部部件，该手部机构也成

为水口夹，即可用来抓取水口，也可用来抓取塑件。

2.2.3机械手手腕部分方案设计

机械手的手腕可以说是确定须要具有自由度的部分，就跟人的手腕一样，因此本文在进行机

械手结构方案设计的时候，充分考虑到机械手取件以及摆放塑件的敏捷性，于是将手腕部分设计

成为一个运动自由度，运动形式为回转。实现这个自由度则是采纳回转气缸。

224机械手手臂部分方案设计

设计机械手的副臂，就须要充分地去分析机械手实现抓取塑件的一个工作过程，本文把机械

手的主臂与副臂一共设计成了可实现的三个自由度的结构：副臂的前后水平移动、副臂的直线上

下的往复运动以及主臂的来回摇摆运动。并且实现这三个自由度的机构均是直线气缸，也就是气

动传动。

2.2.5机械手的驱动方案设计

正常状况下，选择驱动方案会结合设计出的机械手具体的工作环境，工作的性质要求等来综

合考虑，驱动方案运用最广泛的无非是气动，液压，电动三种，结合运用状况，此次的机械手确

定采纳空气传动作为机械手的驱动方案，并且全部的自由度全部采纳空气传动。市面上，采纳空

气传动的机械手越来越多，因为空气作为传动介质，清洁无污染，无异味、空气传动机构还具有

爱护功能，不过较大的压缩比也导致其有传动不够精确的问题，但是应用于这些机械手上，这个

问题可以完全忽视不计。另外气动元件的价格相对比较便宜，牢靠性也高，修理简洁。

226机械手的限制方案设计

此次设计的机械手将会采纳plc作为限制系统，本文主要是设计机械手的机械结构部分，因

此，限制系统本文中不作设计。

2.2.7机械手的主要参数

本文设计机械手所须要考虑的一个很重要的参数就是机械手的最大抓取重量，该参数干脆影

响到机械手是否符合协助注塑机的设计要求。之前讲过，机械手的手部部分有两种结构形式，所

以在设计过程中须要具体地去分析。依据翻阅各种常见注塑机的功能参数、分析注塑机运用的现

状，本文拟定的注塑机专用机械手的抓取重量极限值是3KG,当抓取的塑件超过500g时，采纳吸

盘式手部，塑件在0至500g时候，采纳水口夹手部。另外除了质量，选择手部时还会依据塑件的

具体状况来划分。注塑机通常用于单一大批次的生产中，手部的更换不会很勤，因此不会对工作

效率造成影响。

结合注塑机特点，以及考虑到实际的运用需求，此次设计将机械手手臂的可伸缩的最大行程

设定为800mm,前期拟定的具体设计参数如下所示（之后的设计均须要围绕这些参数进行，由于

自己无法实际接触到注塑机，故而设定设计参数时，是结合目前已有塑件取件机械手的产品参数,

这些参数时必定通过是对注塑机的运用要求和工作环境等进行过具体的测量以及分析后得出的，

这种状况下，就可以将他们的一些产品参数作为此次机械手设计的已知参数或者说是设计要求）：

机械手手部最大抓取质量（1kg）也就是机械手工作极限值1kg；

机械手手腕回转角度90度：

机械手上下直线升降的最大工作行程：800亳米；

机械手机身以外部分实现的往曳摇接运动，运动极限角度为180度；

机械手副憎实现的在工作平面上前后移动运动：最大工作行程400毫米；

2.2.8机械手运动过程分析

为了能够顺当的抓起塑件并且能够将塑件放到指定的工作平台，塑件取件机械手完成一个工

作来回的具体自由度运动依次可以拆分为11个运动步骤（具体先后步骤、自由度运用度均是可以

依据具体状况进行更改），比照图2-1,步骤如下：（塑件取件机械手安装于注塑机上方）

1.机械手副臂（小臂）向前直线平移（至塑件正上方）：

2.副臂下降至塑件位置处；

3.手部闭合抓住塑件:

4.机械手副臂上升;

5.机械手主臂（框架）回转（正转反转）：

6.机械手副臂（小僧）向后直线平移；

8.副臂伸出至塑件摆放处上方；

9.手部张开，放下塑件；

10.机械手主臂回转〔反转正转）；

11.手臂回原位；

注：塑件的形态不同时，有时候须要用到机械手的手腕回转自由度，该运动步骤放置在手部

抓取塑件之前，手腕转正放置在机械手副臂上升运动之后。

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3手部结构的设计

3.1夹持式手部结构的设计

机械手的手部结构有许多，传动方式也各种各样，木文所设计的手部结构干脆采纳的手爪式,

塑件取件机械手行业中，采纳的最多的手爪形式的手部叫做水口夹，可以用来抓取塑件以及抓取

水口，水口就是注塑冲压成型所产生的边角废料，须要被取出。水口夹的结构原理：水口夹自带

气缸，所以说水口夹也是通过气缸来驱动，水口夹一共由八个部分组成，我们从图3.1中可以看

到，当水口夹须要抓取物体时，气缸进气口进气，推动活塞杆移动，圆锥销向两边顶开滚轮，滚

轮连接着左右两钳板，滚轮滚动干脆限制着钳板的开合，从而抓取塑件，放下型件时，干脆气缸

断气，钳板会在复位弹簧的作用下复位，从而达到放开塑件的目的。

图3.1结构图

1.气缸活塞杆2.缸体3.连接座.4顶杆5.挡板6.圆柱销7.钳板8.圆柱销2

本文选取的水II夹型号为1615s型，该水口夹最大可以实现抓取500g的塑件，如铝3.2所

示。其的装配图如图3.3所示。

图3.2水口夹

图3.3装配图

3.2气动驱动力计算

通过网上杳找该型号水口夹的具体产品参数可知，该水口夹的结构重要尺寸如下：水口夹的

结构部分尺寸为：缸径16nlln：行程15mm如图3.4所示。

圆锥销施加力

图3.4受力图

为了保证水II夹能够实现平稳而牢靠的进行夹取与放卜.的操作，这就须要水II夹的夹持力度

精确，其夹持力气的来源是空气，通过空气压缩机，经过调压阀调压，然后驱动气缸，进行工作,

所以问题的根本就在于如何确定压阀压力值。

确定水口夹的最大抓取物体质量为0.5kg,所以将此数值作为极限值带入计算。

K=mg=0.5x9.8=4.9N（%

通过分析受力图3-4,可以计算出驱动滚轮闭合并夹紧工件的推力F1：

Fx58.3xs/n66

F[=y=12.8N

21xsin76,(3-2)

最终可粗略计算出输入气压的压力值P：（s为活塞杆受力截面）

12.8

P=F/S==O.25M〃

3.14x4x4(3-3)

通过计算得出的结果为0.25兆帕。正常压缩机产生的气压远远超出这个数值。用过杳阅有

关气压调压阀的一些成品数据，选择了通用型的气压阀，因此一般的气压阀就已经能够实现。到

压缩机供应气压的极限值之间来回选择调整了。

3.3夹紧力计算

水口夹在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，必需对其大小、方向、作用点进行分析、

计算。一般来说，夹紧力必需克服工件的重力所产生的静载荷(惯性力或惯性力矩)以使工件保

持牢靠的夹紧状态。

水口夹对工件的夹紧力可按下列公式计算：

FN?K\K2K3G

式中：

(一平安系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取1.2——2.0,取1.5；

K2一工件状况系数，主要考虑惯性力的影响，计算最大加速度，得出工作状况系数K2,

K2=1+9+&祟=1・°似，a为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的确定值(ni/s)；

《一方位系数，依据水口夹与工件形态以及夹爪与工件位置不同进行选定，

夹爪与工件位置：夹爪垂直放置，工件水平放置；

夹爪与工件形态：V型指端夹持圆柱型工件，

马=0・5sm,,f为摩擦系数，夕为V型夹爪半角，此处粗略计算长3、4,

f

G一被抓取工件的重量

求得夹紧力F”£v=K1K2K3Mg=1.5xl.002x4x0.5x9.8=29.5N,取整为30N。

所以夹取手机壳是没有问题的。

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4机械手手腕部分结构设计

4.1手腕结构设计

和人体结构一样，机械手它的手部与机械手手臂之间连接部分同样是手腕，这部分的作用较

大了，手腕敏捷就能起到画龙点睛的作用，手腕一般状况下可以用来变更机械手手部抓取零件的

方向，所以手腕部分也设计了一个自由度，运动形式为何转。正常状况下，注塑机塑件一般都是

水平放置状态，但是塑件的不同，其可抓取的角度并不相同，这就要求机械手的手部可以进行径

向的转动，实现手腕回转可以用过采纳回转气缸来实现，回转气缸体积小，运动高效，协作在手

部与手臂之间，市面上也有与水口夹相配对的回转气缸，也就是说，许多状况下，水口夹与回转

气缸是作为一个组合部件来搭配运用的，机械手的手部也就是水口夹与手腕部分（回转气缸）之

间的协作如图4.2和图4.1所示。

图4.190度回转型气缸

图4.2水口夹I可转气缸组合部件

4.2手腕驱动力矩计算

回转气缸种类许多，由于其体积限制，以及具体的运用要求，本文机械手设计的手腕回转气

缸采纳的是单片式，结构原理图如图4.3所示(1,2,3,4分别为转子，中心轴，定子，外壁)。

回转气缸由五部分组成组成，其驱动原理跟直线气缸基本类似，只是表现形式不同。

针对「回转气缸，有特地的计算公式，压力与驱动力的关系为：

pbd)2M

M=或

~2~b(R--r1)

图4.3结构简图.

式中：M——回转气缸的气动力矩(N)；

P一一回转气缸的工作压力(N)；

R一缸体内壁半径(cm);

r---输出轴半径(cm)；

b---动片宽度(cm)；

留意的是：此公式中，回转气缸的气动力矩U以及回转气缸的工作压力P指的是在低压腔的

背压在0值的时候才适用，不过假如是有背压的存在，那就须要通过计算压力差来计算回转气缸

的工作压力［9-10］。

通过网络查阅资料得知机械手手部（回转气缸的质量在1千克），当采纳手部结构为吸盘时,

其质量也在1kg左右，在计算手腕连接末端部分总质量，就须要考虑所须要抓取塑件的最大质量

值，上文提到，最大质量值为3kg,（螺丝等小部件均忽视不计，也难以加以计算）。因为计算

得出总质量:m=l+3=4Kg,F=ma=（4*量）N=40N。手腕部分单片式回转气缸的运动行程为90度。

已知"摩二°」"。当回转气缸起先运转时，其角度：°启=18°=0.3Mrad,等速转动角速度

2

<y=2.616<O

%=（，+，」:件壕

依据计算公式：

J=-MR2

2

1ION2

5ION/KgxO.(X)~N-ms

=0.0018N//

J=—m(『+3R2)Nins2

工rn件12

J=—.3(12+3XO.O52)

「住12

=0.2519M,〃/

代入计算的：

0A1A2

M憎=(0.0018+0.2519)^——=3Nm

b,2x0.314

惯+M摩=加惯+0.1历

3

M=—=3.33N-M

0.9

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结束语

本文此次设计的机械手是应用于注塑行业注塑机流水线