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畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
? 課題名稱： 液壓機械手設(shè)計
專 業(yè)：
班 級：
姓 名：
學(xué) 號：
指導(dǎo)教師：
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畢業(yè)設(shè)計開題報告
1．課題研究的意義
對實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化，推動工業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)率和自動化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運和長期頻繁、單調(diào)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(shè)計要求
1、簡介
本課題是為普通車床配套而設(shè)計的上料機械手。工業(yè)機械手是工業(yè)生產(chǎn)的必然產(chǎn)物，它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件或握持工具進行操作的自動化技術(shù)設(shè)備，對實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化，推動工業(yè)生產(chǎn)的進一步發(fā)展起著重要作用
2、本設(shè)計的具體要求
本課題通過應(yīng)用AutoCAD 技術(shù)對機械手進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和液壓傳動原理設(shè)計，運用Solidworks技術(shù)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(xiàn)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(chǎn)率的要求來設(shè)定。
3．課題研究擬采用的手段和工作路線
課程設(shè)計方法：
1) 獨立思考，繼承和創(chuàng)新
設(shè)計時，要深入設(shè)計現(xiàn)場，深入了解現(xiàn)有物料現(xiàn)狀，認(rèn)真閱讀參考現(xiàn)有的相關(guān)技術(shù)資料，繼承或借鑒前人的設(shè)計經(jīng)驗和成果，但不能盲目地全盤抄襲，應(yīng)根據(jù)具體的設(shè)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(zhì)量的設(shè)計成果。
2) 全面考慮現(xiàn)有機械手零部件地強度、剛度、工藝性、經(jīng)濟性和維護性等方面要求任何零部件的機構(gòu)和尺寸，除去考慮它的強度剛度外，還應(yīng)該綜合考慮零件本身及整個部件的工藝性要求、經(jīng)濟性要求、使用要求等才能確定。
3) 使用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范
設(shè)計時應(yīng)盡量使用標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計工作量、節(jié)省設(shè)計時間，對于國家標(biāo)準(zhǔn)或部門規(guī)范，一般都要嚴(yán)格遵守和執(zhí)行。設(shè)計中采用標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的多少，是評價設(shè)計質(zhì)量的一項重要指標(biāo)。因此，在畢業(yè)設(shè)計中，凡是有國家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的，應(yīng)該盡量采用。
工作路線：
1) 設(shè)計準(zhǔn)備
了解設(shè)計任務(wù)書，明確設(shè)計要求、工作條件、設(shè)計內(nèi)容的步驟；通過查閱有關(guān)設(shè)計資料，參觀實物征詢操作人員的建議等，了解設(shè)計對象的性能、結(jié)構(gòu)及工藝性；準(zhǔn)備好設(shè)計需要資料、繪圖工具；擬定設(shè)計計劃等。
2) 機械手草圖設(shè)計
繪制機械手各部件裝配草圖；進行機械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和部件設(shè)計。
3) 編寫設(shè)計說明書
寫明整個設(shè)計的主要計算和一些技術(shù)說明。
4．課題研究計劃進程
一、二周：接受畢業(yè)設(shè)計課題，根據(jù)課題內(nèi)容了解課題研究的現(xiàn)狀，并進行實地考察，完成開題報告;
三、四周：進行有關(guān)的計算。包括：起升架起升裝置的設(shè)計計算、機架的設(shè)計計算、傳動裝置的計算、電動機的選擇。
五---八周：有關(guān)圖紙的繪制。
九 周：對課程設(shè)計進行檢查、糾正、整理、綜合；最后打印，交指導(dǎo)老師復(fù)查。
5．課題成果。
設(shè)計說明書(√) 圖紙（√） 產(chǎn)品或作品（ ） 應(yīng)用程序（ ）
其它：
指導(dǎo)教師意見：
指導(dǎo)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
近20年來，液壓技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬，尤其是在各種自動化生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用。電氣可編程控制技術(shù)與液壓技術(shù)相結(jié)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(chǎn)線的迅速發(fā)展，對液壓技術(shù)提出了更多更高的要求；微電子技術(shù)的引入，促進了電-液壓比例伺服技術(shù)的發(fā)展；現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，使液壓技術(shù)從開關(guān)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(diào)制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、抗污染能力強和成本低廉等特點，國內(nèi)外都在大力開發(fā)研究。隨著微電子技術(shù)、PLC技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，液壓技術(shù)已成為實現(xiàn)現(xiàn)代傳動與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。從液壓技術(shù)及液壓機械手的發(fā)展過程、液壓機械手的應(yīng)用現(xiàn)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(shù)及液壓機械手部分介紹了液壓機械手的產(chǎn)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(shù)。從它們中間可以看出液壓機械手的應(yīng)用領(lǐng)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(xiàn)生產(chǎn)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(yīng)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(gòu)組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)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(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)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(shè)計的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機械手有2～3個自由度。
機械手的種類，按驅(qū)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(chǎn)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。
目錄
摘要 1
第一章 機械手設(shè)計任務(wù)書 1
1.1畢業(yè)設(shè)計目的 1
1.2本課題的內(nèi)容和要求 2
第二章 抓取機構(gòu)設(shè)計 4
2.1手部設(shè)計計算 4
2.2腕部設(shè)計計算 7
2.3臂伸縮機構(gòu)設(shè)計 8
第三章 液壓系統(tǒng)原理設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(shè)計感想 35
參考資料 36
送料機械手設(shè)計及Solidworks運動仿真
摘要
本課題是為普通車床配套而設(shè)計的上料機械手。工業(yè)機械手是工業(yè)生產(chǎn)的必然產(chǎn)物，它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件或握持工具進行操作的自動化技術(shù)設(shè)備，對實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化，推動工業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)率和自動化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運和長期頻繁、單調(diào)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(yīng)用AutoCAD 技術(shù)對機械手進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和液壓傳動原理設(shè)計，運用Solidworks技術(shù)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(xiàn)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(chǎn)率的要求來設(shè)定。
關(guān)鍵字 機械手，AutoCAD，Solidworks 。
第一章 機械手設(shè)計任務(wù)書
1.1畢業(yè)設(shè)計目的
畢業(yè)設(shè)計是學(xué)生完成本專業(yè)教學(xué)計劃的最后一個極為重要的實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是使學(xué)生綜合運用所學(xué)過的基本理論、基本知識與基本技能去解決專業(yè)范圍內(nèi)的工程技術(shù)問題而進行的一次基本訓(xùn)練。這對學(xué)生即將從事的相關(guān)技術(shù)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(xué)生綜合分析和解決本專業(yè)的一般工程技術(shù)問題的獨立工作能力，拓寬和深化學(xué)生的知識。
二、 培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的設(shè)計思想，設(shè)計構(gòu)思和創(chuàng)新思維，掌握工程設(shè)計的一般程序規(guī)范和方法。
三、 培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的設(shè)計思想和使用技術(shù)資料、國家標(biāo)準(zhǔn)等手冊、圖冊工具書進行設(shè)計計算，數(shù)據(jù)處理，編寫技術(shù)文件等方面的工作能力。
四、 培養(yǎng)學(xué)生進行調(diào)查研究，面向?qū)嶋H，面向生產(chǎn)，向工人和技術(shù)人員學(xué)習(xí)的基本工作態(tài)度，工作作風(fēng)和工作方法。
1.2本課題的內(nèi)容和要求
（一、）原始數(shù)據(jù)及資料
（1、）原始數(shù)據(jù)：
a、 生產(chǎn)綱領(lǐng)：100000件（兩班制生產(chǎn)）
b、 自由度（四個自由度）
臂轉(zhuǎn)動180o
臂上下運動 500mm
臂伸長（收縮）500mm
手部轉(zhuǎn)動 ±180o
（2、）設(shè)計要求：
a、上料機械手結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計計算說明書（一份）
（3、）技術(shù)要求
主要參數(shù)的確定：
a、坐標(biāo)形式：直角坐標(biāo)系
b、臂的運動行程：伸縮運動500mm，回轉(zhuǎn)運動180o。
c、運動速度：使生產(chǎn)率滿足生產(chǎn)綱領(lǐng)的要求即可。
d、控制方式：起止設(shè)定位置。
e、定位精度：±0.5mm。
f、手指握力：392N
g、驅(qū)動方式：液壓驅(qū)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(yù)夾緊
動作三：手臂上升
動作四：手臂旋轉(zhuǎn)
動作五：小臂伸長
動作六：手腕旋轉(zhuǎn)
預(yù)夾緊
手臂上升
手臂旋轉(zhuǎn)
小臂伸長
手腕旋轉(zhuǎn)
手臂轉(zhuǎn)回
圖1.2 要求分析
第二章 抓取機構(gòu)設(shè)計
2.1手部設(shè)計計算
一、對手部設(shè)計的要求
1、有適當(dāng)?shù)膴A緊力
手部在工作時，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A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(yīng)該設(shè)計得可以調(diào)節(jié)，對于笨重的工件應(yīng)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(zhuǎn)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(guān)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個機械手的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運動速度等性能。因此，在設(shè)計手部時，必須力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小。
4、手指應(yīng)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(jù)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(jié)構(gòu)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(jù)鉗爪夾持的方位，查出當(dāng)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(jīng)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(jīng)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(zhuǎn)角β按最佳偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)Wmax=90o/s
Wmin=30o/s
所以取手部驅(qū)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(shè)計計算
腕部是聯(lián)結(jié)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(zhuǎn)動慣性小。本課題腕部具有回轉(zhuǎn)這一個自由度，可采用具有一個活動度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。
要求：回轉(zhuǎn)±90o
角速度W=45o/s
以最大負(fù)荷計算：
當(dāng)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(shè)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（ΦA(chǔ)12-Φmm2）×106/8 （2.11）
其中： b—葉片密度，這里取b=3cm；
ΦA(chǔ)1—擺動缸內(nèi)徑, 這里取ΦA(chǔ)1=10cm；
Φmm—轉(zhuǎn)軸直徑, 這里取Φmm=3cm。
所以代入（2.11）公式
P=8T/b（ΦA(chǔ)12-Φmm2）×106
=8×30.5/0.03×（0.12-0.032）×106
=0.89Mpa
又因為
W=8Q/（ΦA(chǔ)12-Φmm2）b
所以
Q=W（ΦA(chǔ)12-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(gòu)設(shè)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(dá)空間運動范圍內(nèi)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(fù)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(dǎo)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(gòu)工作參數(shù)表如圖2.4所示：
圖2.4機構(gòu)工作參數(shù)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(zhuǎn)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（ΦA(chǔ)12-Φmm2）ηm×106/8 （2.13）
W=8θηv/（ΦA(chǔ)12-Φmm2）b （2.14）
式中：Ηm—機械效率取： 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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