機械手-液壓機械手,機械手,液壓
近20年來，液壓技術的應用領域迅速拓寬，尤其是在各種自動化生產線上得到廣泛應用。電氣可編程控制技術與液壓技術相結合，使整個系統(tǒng)自動化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠；液壓機械手、柔性自動生產線的迅速發(fā)展，對液壓技術提出了更多更高的要求；微電子技術的引入，促進了電-液壓比例伺服技術的發(fā)展；現代控制理論的發(fā)展，使液壓技術從開關控制進入閉環(huán)比例伺服控制，控制精度不斷提高；由于液壓脈寬調制技術具有結構簡單、抗污染能力強和成本低廉等特點，國內外都在大力開發(fā)研究。隨著微電子技術、PLC技術、計算機技術、傳感技術和現代控制技術的發(fā)展與應用，液壓技術已成為實現現代傳動與控制的關鍵技術之一。從液壓技術及液壓機械手的發(fā)展過程、液壓機械手的應用現狀和發(fā)展前景及方向3個方面闡述了液壓機械手。在液壓技術及液壓機械手部分介紹了液壓機械手的產生、發(fā)展過程和幾種不同的、典型的液壓機械手及它們所用到的核心技術。從它們中間可以看出液壓機械手的應用領域和發(fā)展方向。
機械手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
機械手主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機 械手設計的關 鍵參數。自由 度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。
機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、液壓式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。
機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。
畢業(yè)設計（論文）開題報告
? 課題名稱： 液壓機械手設計
專 業(yè)：
班 級：
姓 名：
學 號：
指導教師：
?
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畢業(yè)設計開題報告
1．課題研究的意義
對實現工業(yè)生產自動化，推動工業(yè)生產的進一步發(fā)展起著重要作用。因而具有強大的生命力受到人們的廣泛重視和歡迎。實踐證明，工業(yè)機械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產率和自動化水平。工業(yè)生產中經常出現的笨重工件的搬運和長期頻繁、單調的操作，采用機械手是有效的。此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染環(huán)境條件下進行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。
2．課題簡介和設計要求
1、簡介
本課題是為普通車床配套而設計的上料機械手。工業(yè)機械手是工業(yè)生產的必然產物，它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預定要求輸送工件或握持工具進行操作的自動化技術設備，對實現工業(yè)生產自動化，推動工業(yè)生產的進一步發(fā)展起著重要作用
2、本設計的具體要求
本課題通過應用AutoCAD 技術對機械手進行結構設計和液壓傳動原理設計，運用Solidworks技術對上料機械手進行三維實體造型，并進行了運動仿真，使其能將基本的運動更具體的展現在人們面前。它能實行自動上料運動；在安裝工件時，將工件送入卡盤中的夾緊運動等。上料機械手的運動速度是按著滿足生產率的要求來設定。
3．課題研究擬采用的手段和工作路線
課程設計方法：
1) 獨立思考，繼承和創(chuàng)新
設計時，要深入設計現場，深入了解現有物料現狀，認真閱讀參考現有的相關技術資料，繼承或借鑒前人的設計經驗和成果，但不能盲目地全盤抄襲，應根據具體的設計條件和要求，獨立思考，大膽地進行改進和創(chuàng)新。只有這樣，才能做出高質量的設計成果。
2) 全面考慮現有機械手零部件地強度、剛度、工藝性、經濟性和維護性等方面要求任何零部件的機構和尺寸，除去考慮它的強度剛度外，還應該綜合考慮零件本身及整個部件的工藝性要求、經濟性要求、使用要求等才能確定。
3) 使用標準和規(guī)范
設計時應盡量使用標準和規(guī)范，這有利于零件的互換性和工藝性，同時也可減少設計工作量、節(jié)省設計時間，對于國家標準或部門規(guī)范，一般都要嚴格遵守和執(zhí)行。設計中采用標準或規(guī)范的多少，是評價設計質量的一項重要指標。因此，在畢業(yè)設計中，凡是有國家標準和企業(yè)標準規(guī)范要求的，應該盡量采用。
工作路線：
1) 設計準備
了解設計任務書，明確設計要求、工作條件、設計內容的步驟；通過查閱有關設計資料，參觀實物征詢操作人員的建議等，了解設計對象的性能、結構及工藝性；準備好設計需要資料、繪圖工具；擬定設計計劃等。
2) 機械手草圖設計
繪制機械手各部件裝配草圖；進行機械手總體結構設計和部件設計。
3) 編寫設計說明書
寫明整個設計的主要計算和一些技術說明。
4．課題研究計劃進程
一、二周：接受畢業(yè)設計課題，根據課題內容了解課題研究的現狀，并進行實地考察，完成開題報告;
三、四周：進行有關的計算。包括：起升架起升裝置的設計計算、機架的設計計算、傳動裝置的計算、電動機的選擇。
五---八周：有關圖紙的繪制。
九 周：對課程設計進行檢查、糾正、整理、綜合；最后打印，交指導老師復查。
5．課題成果。
設計說明書(√) 圖紙（√） 產品或作品（ ） 應用程序（ ）
其它：
指導教師意見：
指導教師（簽名）：
年 月 日
教研室主任意見：
教研室主任（簽名）：
年 月 日
4
目錄
摘要 1
第一章 機械手設計任務書 1
1.1畢業(yè)設計目的 1
1.2本課題的內容和要求 2
第二章 抓取機構設計 4
2.1手部設計計算 4
2.2腕部設計計算 7
2.3臂伸縮機構設計 8
第三章 液壓系統(tǒng)原理設計及草圖 11
3.1手部抓取缸 11
3.2腕部擺動液壓回路 12
3.3小臂伸縮缸液壓回路 13
3.4總體系統(tǒng)圖 14
第四章 機身機座的結構設計 15
4.1電機的選擇 16
4.2減速器的選擇 17
4.3螺柱的設計與校核 17
第五章 機械手的定位與平穩(wěn)性 19
5.1常用的定位方式 19
5.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素 19
5.3機械手運動的緩沖裝置 20
第六章 機械手的控制 21
第七章 機械手的組成與分類 22
7.1機械手組成 22
7.2機械手分類 24
第八章 機械手Solidworks三維造型 25
8.1上手爪造型 26
8.2螺栓的繪制 30
畢業(yè)設計感想 35
參考資料 36
送料機械手設計及Solidworks運動仿真
摘要
本課題是為普通車床配套而設計的上料機械手。工業(yè)機械手是工業(yè)生產的必然產物，它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預定要求輸送工件或握持工具進行操作的自動化技術設備，對實現工業(yè)生產自動化，推動工業(yè)生產的進一步發(fā)展起著重要作用。因而具有強大的生命力受到人們的廣泛重視和歡迎。實踐證明，工業(yè)機械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產率和自動化水平。工業(yè)生產中經常出現的笨重工件的搬運和長期頻繁、單調的操作，采用機械手是有效的。此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染環(huán)境條件下進行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。
本課題通過應用AutoCAD 技術對機械手進行結構設計和液壓傳動原理設計，運用Solidworks技術對上料機械手進行三維實體造型，并進行了運動仿真，使其能將基本的運動更具體的展現在人們面前。它能實行自動上料運動；在安裝工件時，將工件送入卡盤中的夾緊運動等。上料機械手的運動速度是按著滿足生產率的要求來設定。
關鍵字 機械手，AutoCAD，Solidworks 。
第一章 機械手設計任務書
1.1畢業(yè)設計目的
畢業(yè)設計是學生完成本專業(yè)教學計劃的最后一個極為重要的實踐性教學環(huán)節(jié)，是使學生綜合運用所學過的基本理論、基本知識與基本技能去解決專業(yè)范圍內的工程技術問題而進行的一次基本訓練。這對學生即將從事的相關技術工作和未來事業(yè)的開拓都具有一定意義。
其主要目的：
一、 培養(yǎng)學生綜合分析和解決本專業(yè)的一般工程技術問題的獨立工作能力，拓寬和深化學生的知識。
二、 培養(yǎng)學生樹立正確的設計思想，設計構思和創(chuàng)新思維，掌握工程設計的一般程序規(guī)范和方法。
三、 培養(yǎng)學生樹立正確的設計思想和使用技術資料、國家標準等手冊、圖冊工具書進行設計計算，數據處理，編寫技術文件等方面的工作能力。
四、 培養(yǎng)學生進行調查研究，面向實際，面向生產，向工人和技術人員學習的基本工作態(tài)度，工作作風和工作方法。
1.2本課題的內容和要求
（一、）原始數據及資料
（1、）原始數據：
a、 生產綱領：100000件（兩班制生產）
b、 自由度（四個自由度）
臂轉動180o
臂上下運動 500mm
臂伸長（收縮）500mm
手部轉動 ±180o
（2、）設計要求：
a、上料機械手結構設計圖、裝配圖、各主要零件圖（一套）
b、液壓原理圖（一張）
c、機械手三維造型
d、動作模擬仿真
e、設計計算說明書（一份）
（3、）技術要求
主要參數的確定：
a、坐標形式：直角坐標系
b、臂的運動行程：伸縮運動500mm，回轉運動180o。
c、運動速度：使生產率滿足生產綱領的要求即可。
d、控制方式：起止設定位置。
e、定位精度：±0.5mm。
f、手指握力：392N
g、驅動方式：液壓驅動。
目錄
摘要 1
第一章 機械手設計任務書 1
1.1畢業(yè)設計目的 1
1.2本課題的內容和要求 2
第二章 抓取機構設計 4
2.1手部設計計算 4
2.2腕部設計計算 7
2.3臂伸縮機構設計 8
第三章 液壓系統(tǒng)原理設計及草圖 11
3.1手部抓取缸 11
3.2腕部擺動液壓回路 12
3.3小臂伸縮缸液壓回路 13
3.4總體系統(tǒng)圖 14
第四章 機身機座的結構設計 15
4.1電機的選擇 16
4.2減速器的選擇 17
4.3螺柱的設計與校核 17
第五章 機械手的定位與平穩(wěn)性 19
5.1常用的定位方式 19
5.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素 19
5.3機械手運動的緩沖裝置 20
第六章 機械手的控制 21
第七章 機械手的組成與分類 22
7.1機械手組成 22
7.2機械手分類 24
第八章 機械手Solidworks三維造型 25
8.1上手爪造型 26
8.2螺栓的繪制 30
畢業(yè)設計感想 35
參考資料 36
送料機械手設計及Solidworks運動仿真
摘要
本課題是為普通車床配套而設計的上料機械手。工業(yè)機械手是工業(yè)生產的必然產物，它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預定要求輸送工件或握持工具進行操作的自動化技術設備，對實現工業(yè)生產自動化，推動工業(yè)生產的進一步發(fā)展起著重要作用。因而具有強大的生命力受到人們的廣泛重視和歡迎。實踐證明，工業(yè)機械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產率和自動化水平。工業(yè)生產中經常出現的笨重工件的搬運和長期頻繁、單調的操作，采用機械手是有效的。此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染環(huán)境條件下進行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。
本課題通過應用AutoCAD 技術對機械手進行結構設計和液壓傳動原理設計，運用Solidworks技術對上料機械手進行三維實體造型，并進行了運動仿真，使其能將基本的運動更具體的展現在人們面前。它能實行自動上料運動；在安裝工件時，將工件送入卡盤中的夾緊運動等。上料機械手的運動速度是按著滿足生產率的要求來設定。
關鍵字 機械手，AutoCAD，Solidworks 。
第一章 機械手設計任務書
1.1畢業(yè)設計目的
畢業(yè)設計是學生完成本專業(yè)教學計劃的最后一個極為重要的實踐性教學環(huán)節(jié)，是使學生綜合運用所學過的基本理論、基本知識與基本技能去解決專業(yè)范圍內的工程技術問題而進行的一次基本訓練。這對學生即將從事的相關技術工作和未來事業(yè)的開拓都具有一定意義。
其主要目的：
一、 培養(yǎng)學生綜合分析和解決本專業(yè)的一般工程技術問題的獨立工作能力，拓寬和深化學生的知識。
二、 培養(yǎng)學生樹立正確的設計思想，設計構思和創(chuàng)新思維，掌握工程設計的一般程序規(guī)范和方法。
三、 培養(yǎng)學生樹立正確的設計思想和使用技術資料、國家標準等手冊、圖冊工具書進行設計計算，數據處理，編寫技術文件等方面的工作能力。
四、 培養(yǎng)學生進行調查研究，面向實際，面向生產，向工人和技術人員學習的基本工作態(tài)度，工作作風和工作方法。
1.2本課題的內容和要求
（一、）原始數據及資料
（1、）原始數據：
a、 生產綱領：100000件（兩班制生產）
b、 自由度（四個自由度）
臂轉動180o
臂上下運動 500mm
臂伸長（收縮）500mm
手部轉動 ±180o
（2、）設計要求：
a、上料機械手結構設計圖、裝配圖、各主要零件圖（一套）
b、液壓原理圖（一張）
c、機械手三維造型
d、動作模擬仿真
e、設計計算說明書（一份）
（3、）技術要求
主要參數的確定：
a、坐標形式：直角坐標系
b、臂的運動行程：伸縮運動500mm，回轉運動180o。
c、運動速度：使生產率滿足生產綱領的要求即可。
d、控制方式：起止設定位置。
e、定位精度：±0.5mm。
f、手指握力：392N
g、驅動方式：液壓驅動。
（二、）料槽形式及分析動作要求
（ 1、）料槽形式
由于工件的形狀屬于小型回轉體，此種形狀的零件通常采用自重輸送的輸料槽,如圖1.1所示，該裝置結構簡單，不需要其它動力源和特殊裝置，所以本課題采用此種輸料槽。
圖1.1機械手安裝簡易圖
（2、）動作要求分析如圖1.2所示
動作一：送 料
動作二：預夾緊
動作三：手臂上升
動作四：手臂旋轉
動作五：小臂伸長
動作六：手腕旋轉
預夾緊
手臂上升
手臂旋轉
小臂伸長
手腕旋轉
手臂轉回
圖1.2 要求分析
第二章 抓取機構設計
2.1手部設計計算
一、對手部設計的要求
1、有適當的夾緊力
手部在工作時，應具有適當的夾緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對于剛性很差的工件夾緊力大小應該設計得可以調節(jié)，對于笨重的工件應考慮采用自鎖安全裝置。
2、有足夠的開閉范圍
夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置。工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。對于回轉型手部手指開閉范圍，可用開閉角和手指夾緊端長度表示。手指開閉范圍的要求與許多因素有關，如工件的形狀和尺寸，手指的形狀和尺寸，一般來說，如工作環(huán)境許可，開閉范圍大一些較好，如圖2.1所示。
圖2.1 機械手開閉示例簡圖
3、力求結構簡單，重量輕，體積小
手部處于腕部的最前端，工作時運動狀態(tài)多變，其結構，重量和體積直接影響整個機械手的結構，抓重，定位精度，運動速度等性能。因此，在設計手部時，必須力求結構簡單，重量輕，體積小。
4、手指應有一定的強度和剛度
5、其它要求
因此送料，夾緊機械手，根據工件的形狀，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉史彈簧夾緊，松開時，用單作用式液壓缸。此種結構較為簡單，制造方便。
二、拉緊裝置原理
如圖2.2所示【4】：油缸右腔停止進油時，彈簧力夾緊工件，油缸右腔進油時松開工件。
圖2.2 油缸示意圖
1、右腔推力為
FP=（π／4）D2P （2.1）
=（π／4）0.5225103
=4908.7N
2、根據鉗爪夾持的方位，查出當量夾緊力計算公式為：
F1=（2b／a）（cosα′）2N′ （2.2）
其中 N′=498N=392N，帶入公式2.2得：
F1=（2b／a）（cosα′）2N′
=(2150/50)（cos30o）2392
=1764N
則實際加緊力為 F1實際=PK1K2/η （2.3）
=17641.51.1/0.85=3424N
經圓整F1=3500N
3、計算手部活塞桿行程長L,即
L=（D/2）tgψ （2.4）
=25×tg30o
=23.1mm
經圓整取l=25mm
4、確定“V”型鉗爪的L、β。
取L/Rcp=3 （2.5）
式中： Rcp=P/4=200/4=50 （2.6）
由公式（2.5）（2.6）得：L=3×Rcp=150
取“V”型鉗口的夾角2α=120o，則偏轉角β按最佳偏轉角來確定，
查表得：
β=22o39′
5、機械運動范圍（速度）【1】
（1）伸縮運動 Vmax=500mm/s
Vmin=50mm/s
（2）上升運動 Vmax=500mm/s
Vmin=40mm/s
（3）下降Vmax=800mm/s
Vmin=80mm/s
（4）回轉Wmax=90o/s
Wmin=30o/s
所以取手部驅動活塞速度V=60mm/s
6、手部右腔流量
Q=sv （2.7）
=60πr2
=60×3.14×252
=1177.5mm3/s
7、手部工作壓強
P= F1/S （2.8）
=3500/1962.5=1.78Mpa
2.2腕部設計計算
腕部是聯(lián)結手部和臂部的部件，腕部運動主要用來改變被夾物體的方位，它動作靈活，轉動慣性小。本課題腕部具有回轉這一個自由度，可采用具有一個活動度的回轉缸驅動的腕部結構。
要求：回轉±90o
角速度W=45o/s
以最大負荷計算：
當工件處于水平位置時，擺動缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，長度l=650mm。如圖2.3所示。
1、計算扭矩M1〖4〗
設重力集中于離手指中心200mm處，即扭矩M1為：
M1=F×S （2.9）
=10×9.8×0.2=19.6（N·M）
工件
F
S
F
圖2.3 腕部受力簡圖
2、油缸（伸縮）及其配件的估算扭矩M2〖4〗
F=5kg S=10cm
帶入公式2.9得
M2=F×S=5×9.8×0.1 =4.9（N·M）
3、擺動缸的摩擦力矩M摩〖4〗
F摩=300（N）（估算值）
S=20mm （估算值）
M摩=F摩×S=6（N·M）
4、擺動缸的總摩擦力矩M〖4〗
M=M1+M2+M摩 （2.10）
=30.5（N·M）
5.由公式
T=P×b（ΦA12-Φmm2）×106/8 （2.11）
其中： b—葉片密度，這里取b=3cm；
ΦA1—擺動缸內徑, 這里取ΦA1=10cm；
Φmm—轉軸直徑, 這里取Φmm=3cm。
所以代入（2.11）公式
P=8T/b（ΦA12-Φmm2）×106
=8×30.5/0.03×（0.12-0.032）×106
=0.89Mpa
又因為
W=8Q/（ΦA12-Φmm2）b
所以
Q=W（ΦA12-Φmm2）b/8
=（π/4）（0.12-0.032）×0.03/8
=0.27×10-4m3/s
=27ml/s
2.3臂伸縮機構設計
手臂是機械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運動。
臂部運動的目的，一般是把手部送達空間運動范圍內的任意點上，從臂部的受力情況看，它在工作中即直接承受著腕部、手部和工件的動、靜載荷，而且自身運動又較多，故受力較復雜。
機械手的精度最終集中在反映在手部的位置精度上。所以在選擇合適的導向裝置和定位方式就顯得尤其重要了。
手臂的伸縮速度為200m/s
行程L=500mm
1、手臂右腔流量，公式（2.7）得：【4】
Q=sv
=200×π×402
=1004800mm3/s
=0.1/102m3/s
=1000ml/s
2、手臂右腔工作壓力，公式（2.8） 得：〖4〗
P=F/S （2.12）
式中：F——取工件重和手臂活動部件總重，估算 F=10+20=30kg， F摩=1000N。
所以代入公式（2.12）得：
P=（F+ F摩）/S
=（30×9.8+1000）/π×402
=0.26Mpa
3、繪制機構工作參數表如圖2.4所示：
圖2.4機構工作參數表
4、由初步計算選液壓泵〖4〗
所需液壓最高壓力
P=1.78Mpa
所需液壓最大流量
Q=1000ml/s
選取CB-D型液壓泵（齒輪泵）
此泵工作壓力為10Mpa，轉速為1800r/min，工作流量Q在32—70ml/r之間，可以滿足需要。
5、驗算腕部擺動缸：
T=PD（ΦA12-Φmm2）ηm×106/8 （2.13）
W=8θηv/（ΦA12-Φmm2）b （2.14）
式中：Ηm—機械效率?。? 0.85～0.9
Ηv—容積效率?。? 0.7～0.95
所以代入公式（2.13）得：
T=0.89×0.03×（0.12-0.032）×0.85×106/8
=25.8（N·M）
T
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