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摘要 1
第一章 机械手设计任务书 1
1.1毕业设计目的 1
1.2本课题的内容和要求 2
第二章 抓取机构设计 4
2.1手部设计计算 4
2.2腕部设计计算 7
2.3臂伸缩机构设计 8
第三章 液压系统原理设计及草图 11
3.1手部抓取缸 11
3.2腕部摆动液压回路 12
3.3小臂伸缩缸液压回路 13
3.4总体系统图 14
第四章 机身机座的结构设计 15
4.1电机的选择 16
4.2减速器的选择 17
4.3螺柱的设计与校核 17
第五章 机械手的定位与平稳性 19
5.1常用的定位方式 19
5.2影响平稳性和定位精度的因素 19
5.3机械手运动的缓冲装置 20
第六章 机械手的控制 21
第七章 机械手的组成与分类 22
7.1机械手组成 22
7.2机械手分类 24
第八章 机械手Solidworks三维造型 25
8.1上手爪造型 26
8.2螺栓的绘制 30
毕业设计感想 35
参考资料 36
送料机械手设计及Solidworks运动仿真
摘要
本课题是为普通车床配套而设计的上料机械手。工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。
本课题通过应用AutoCAD 技术对机械手进行结构设计和液压传动原理设计，运用Solidworks技术对上料机械手进行三维实体造型，并进行了运动仿真，使其能将基本的运动更具体的展现在人们面前。它能实行自动上料运动；在安装工件时，将工件送入卡盘中的夹紧运动等。上料机械手的运动速度是按着满足生产率的要求来设定。
关键字 机械手，AutoCAD，Solidworks 。
第一章 机械手设计任务书
1.1毕业设计目的
毕业设计是学生完成本专业教学计划的最后一个极为重要的实践性教学环节，是使学生综合运用所学过的基本理论、基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练。这对学生即将从事的相关技术工作和未来事业的开拓都具有一定意义。
其主要目的：
培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学生的知识。
培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握工程设计的一般程序规范和方法。
培养学生树立正确的设计思想和使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。
培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和技术人员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。
1.2本课题的内容和要求
（一、）原始数据及资料
（1、）原始数据：
生产纲领：100000件（两班制生产）
自由度（四个自由度）
臂转动180º
臂上下运动 500mm
臂伸长（收缩）500mm
手部转动 ±180º
（2、）设计要求：
a、上料机械手结构设计图、装配图、各主要零件图（一套）
b、液压原理图（一张）
c、机械手三维造型
d、动作模拟仿真
e、设计计算说明书（一份）
（3、）技术要求
主要参数的确定：
a、坐标形式：直角坐标系
b、臂的运动行程：伸缩运动500mm，回转运动180º。
c、运动速度：使生产率满足生产纲领的要求即可。
d、控制方式：起止设定位置。
e、定位精度：±0.5mm。
f、手指握力：392N
g、驱动方式：液压驱动。
（二、）料槽形式及分析动作要求
（ 1、）料槽形式
由于工件的形状属于小型回转体，此种形状的零件通常采用自重输送的输料槽,如图1.1所示，该装置结构简单，不需要其它动力源和特殊装置，所以本课题采用此种输料槽。
图1.1机械手安装简易图
（2、）动作要求分析如图1.2所示
动作一：送 料
动作二：预夹紧
动作三：手臂上升
动作四：手臂旋转
动作五：小臂伸长
动作六：手腕旋转
预夹紧
手臂上升
手臂旋转
小臂伸长
手腕旋转
手臂转回
图1.2 要求分析
第二章 抓取机构设计
2.1手部设计计算
一、对手部设计的要求
1、有适当的夹紧力
手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。
2、有足够的开闭范围
夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。对于回转型手部手指开闭范围，可用开闭角和手指夹紧端长度表示。手指开闭范围的要求与许多因素有关，如工件的形状和尺寸，手指的形状和尺寸，一般来说，如工作环境许可，开闭范围大一些较好，如图2.1所示。
图2.1 机械手开闭示例简图
3、力求结构简单，重量轻，体积小
手部处于腕部的最前端，工作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。
4、手指应有一定的强度和刚度
5、其它要求
因此送料，夹紧机械手，根据工件的形状，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭史弹簧夹紧，松开时，用单作用式液压缸。此种结构较为简单，制造方便。
二、拉紧装置原理
如图2.2所示【4】：油缸右腔停止进油时，弹簧力夹紧工件，油缸右腔进油时松开工件。
图2.2 油缸示意图
1、右腔推力为
FP=（π／4）D²P （2.1）
=（π／4）0.5²2510³
=4908.7N
2、根据钳爪夹持的方位，查出当量夹紧力计算公式为：
F1=（2b／a）（cosα′）²N′ （2.2）
其中 N′=498N=392N，带入公式2.2得：
F1=（2b／a）（cosα′）²N′
=(2150/50)（cos30º）²392
=1764N
则实际加紧力为 F1实际=PK1K2/η （2.3）
=17641.51.1/0.85=3424N
经圆整F1=3500N
3、计算手部活塞杆行程长L,即
L=（D/2）tgψ （2.4）
=25×tg30º
=23.1mm
经圆整取l=25mm
4、确定“V”型钳爪的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”型钳口的夹角2α=120º，则偏转角β按最佳偏转角来确定，
查表得：
β=22º39′
5、机械运动范围（速度）【1】
（1）伸缩运动 Vmax=500mm/s
Vmin=50mm/s
（2）上升运动 Vmax=500mm/s
Vmin=40mm/s
（3）下降Vmax=800mm/s
Vmin=80mm/s
（4）回转Wmax=90º/s
Wmin=30º/s
所以取手部驱动活塞速度V=60mm/s
6、手部右腔流量
Q=sv （2.7）
=60πr²
=60×3.14×25²
=1177.5mm³/s
7、手部工作压强
P= F1/S （2.8）
=3500/1962.5=1.78Mpa
2.2腕部设计计算
腕部是联结手部和臂部的部件，腕部运动主要用来改变被夹物体的方位，它动作灵活，转动惯性小。本课题腕部具有回转这一个自由度，可采用具有一个活动度的回转缸驱动的腕部结构。
要求：回转±90º
角速度W=45º/s
以最大负荷计算：
当工件处于水平位置时，摆动缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，长度l=650mm。如图2.3所示。
1、计算扭矩M1〖4〗
设重力集中于离手指中心200mm处，即扭矩M1为：
M1=F×S （2.9）
=10×9.8×0.2=19.6（N·M）
F
S
F
图2.3 腕部受力简图
2、油缸（伸缩）及其配件的估算扭矩M2〖4〗
F=5kg S=10cm
带入公式2.9得
M2=F×S=5×9.8×0.1 =4.9（N·M）
3、摆动缸的摩擦力矩M摩〖4〗
F摩=300（N）（估算值）
S=20mm （估算值）
M摩=F摩×S=6（N·M）
4、摆动缸的总摩擦力矩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—叶片密度，这里取b=3cm；
ΦA1—摆动缸内径, 这里取ΦA1=10cm；
Φmm—转轴直径, 这里取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
又因为
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臂伸缩机构设计
手臂是机械手的主要执行部件。它的作用是支撑腕部和手部，并带动它们在空间运动。
臂部运动的目的，一般是把手部送达空间运动范围内的任意点上，从臂部的受力情况看，它在工作中即直接承受着腕部、手部和工件的动、静载荷，而且自身运动又较多，故受力较复杂。
机械手的精度最终集中在反映在手部的位置精度上。所以在选择合适的导向装置和定位方式就显得尤其重要了。
手臂的伸缩速度为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、手臂右腔工作压力，公式（2.8） 得：〖4〗
P=F/S （2.12）
式中：F——取工件重和手臂活动部件总重，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、绘制机构工作参数表如图2.4所示：
图2.4机构工作参数表
4、由初步计算选液压泵〖4〗
所需液压最高压力
P=1.78Mpa
所需液压最大流量
Q=1000ml/s
选取CB-D型液压泵（齿轮泵）
此泵工作压力为10Mpa，转速为1800r/min，工作流量Q在32—70ml/r之间，可以满足需要。
5、验算腕部摆动缸：
T=PD（ΦA1²-Φmm²）ηm×106/8 （2.13）
W=8θηv/（ΦA1²-Φmm²）b （2.14）
式中：Ηm—机械效率取： 0.85～0.9
Ηv—容积效率取： 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<M=30.5（N·M）
代入公式（2.14）得：
W=（8×27×10-6）×0.85/（0.1²-0.03²）×0.03
=0.673rad/s
W<π/4≈0.785rad/s
因此，取腕部回转油缸工作压力 P=1Mpa
流量 Q=35ml/s
圆整其他缸的数值：
手部抓取缸工作压力PⅠ=2Mpa
流量QⅠ=120ml/s
小臂伸缩缸工作压力PⅠ=0.25Mpa
流量QⅠ=1000ml/s
第三章 液压系统原理设计及草图
3.1手部抓取缸
图 3.1手部抓取缸液压原理图〖7〗
1、手部抓取缸液压原理图如图3.1所示
2、泵的供油压力P取10Mpa，流量Q取系统所需最大流量即Q=1300ml/s。
因此，需装图3.1中所示的调速阀，流量定为7.2L/min，工作压力P=2Mpa。
采用：
YF-B10B溢流阀
2FRM5-20/102调速阀
23E1-10B二位三通阀
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