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哈爾濱理工大學(xué)專科生畢業(yè)論文
沖壓機(jī)械手—升降部分機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘要
機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。通過(guò)編程來(lái)完成各種動(dòng)作，它的準(zhǔn)確性和多自由度，保證了機(jī)械手能在各種不同的環(huán)境中工作。機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較多，機(jī)械手的使用能夠顯著提高生產(chǎn)效率，減少人為因素造成的廢次品率。機(jī)械手可以完成很多工作，它在自動(dòng)化車間中用來(lái)運(yùn)送物料，從事多種工藝操作。它的特點(diǎn)是通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器人的部分優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的靈活協(xié)調(diào)和機(jī)器人的精確到位。
機(jī)械手是在機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)中逐步發(fā)展出的一種新型裝置?，F(xiàn)代生產(chǎn)過(guò)程中機(jī)械手被廣泛的應(yīng)用到自動(dòng)生產(chǎn)線中。機(jī)械手目前雖然不如人手的靈活多變，但它具有重復(fù)性，無(wú)疲勞，不懼危險(xiǎn)，有大的抓舉力量，因此越來(lái)越多的被廣泛運(yùn)用。
機(jī)械手技術(shù)涉及機(jī)械學(xué)、力學(xué)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感技術(shù)、電氣液壓技術(shù)，計(jì)算機(jī)可編程技術(shù)等，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)包括升降、回轉(zhuǎn)、伸縮、夾持等動(dòng)作。
本課題主要設(shè)計(jì)機(jī)械手升降部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)，包括機(jī)械手的升降和回轉(zhuǎn)液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞 數(shù)控；自動(dòng)裝卸；機(jī)械手；PLC
目錄
摘要 I
第1章 緒論 - 1 -
1.1 課題背景 - 1 -
1.2 機(jī)械手的發(fā)展 - 2 -
1.3 工業(yè)機(jī)械手的分類 - 2 -
1.4 課題設(shè)計(jì)的目的及意義 - 4 -
第2章 機(jī)械手的概述 - 5 -
2.1 機(jī)械手的組成 - 5 -
2.2 機(jī)械手的主要參數(shù) - 6 -
2.3 應(yīng)用機(jī)械手的意義 - 6 -
2.4 機(jī)械手功能圖示 - 7 -
第3章 任務(wù)分析 - 8 -
3.1 動(dòng)作分析 - 8 -
3.2 動(dòng)作節(jié)拍 - 8 -
3.3 總體方案 - 8 -
3.4 方案比較 - 8 -
第4章 總體設(shè)計(jì) - 9 -
4.1 總體設(shè)計(jì)的思路 - 9 -
4.2 總體方案的確定 - 9 -
4.3 主要研究目標(biāo) - 9 -
第5章 部件設(shè)計(jì) - 10 -
5.1 升降部分的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) - 10 -
5.2 升降部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 11 -
5.3 回轉(zhuǎn)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 13 -
第6章 零件設(shè)計(jì) - 16 -
6.1 手臂液壓缸螺釘?shù)男：?- 16 -
6.2 手臂升降液壓缸筒的壁厚校核 - 17 -
結(jié)論 - 18 -
參考文獻(xiàn) - 19 -
致謝 - 20 -
II
- 21 -
第1章 緒論
1.1 課題背景
隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人民物質(zhì)文化生活水平日益提高，隨著工業(yè)自 動(dòng)化的普及和發(fā)展,控制器的需求量逐年增大。為了改變落后的生產(chǎn)狀態(tài),緩解日趨緊 張的供求關(guān)系,我們就得研究開(kāi)發(fā)機(jī)械手。 新中國(guó)成立特別是改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)取得了舉世矚目的偉大成就。同時(shí)，必須清醒地看到，我國(guó)正處于并將長(zhǎng)期處于社會(huì)主義初級(jí)階段。全面建設(shè)小康社會(huì)，既面臨難得的歷史機(jī)遇，又面臨一系列嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)過(guò)度依賴能源資源消耗，環(huán)境污染嚴(yán)重；經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)不合理，農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)薄弱，高技術(shù)產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)發(fā)展滯后；自主創(chuàng)新能力較弱，企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力不強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)效益有待提高。在擴(kuò)大勞動(dòng)就業(yè)、理順?lè)峙潢P(guān)系、提供健康保障和確保國(guó)家安全等方面，有諸多困難和問(wèn)題亟待解決。從國(guó)際上看，我國(guó)也將長(zhǎng)期面臨發(fā)達(dá)國(guó)家在經(jīng)濟(jì)、科技等方面占有優(yōu)勢(shì)的巨大壓力。為了抓住機(jī)遇、迎接挑戰(zhàn)，我們需要進(jìn)行多方面的努力，包括統(tǒng)籌全局發(fā)展，深化體制改革，健全民主法制，加強(qiáng)社會(huì)管理等。與此同時(shí)，我們比以往任何時(shí)候都更加需要緊緊依靠科技進(jìn)步和創(chuàng)新，帶動(dòng)生產(chǎn)力質(zhì)的飛躍，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)作為一個(gè)發(fā)展中大國(guó)，加快科學(xué)技術(shù)發(fā)展、縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，還需要較長(zhǎng)時(shí)期的艱苦努力，同時(shí)也有著諸多有利條件。中華民族擁有5000 年的文明史，中華文化博大精深、兼容并蓄，更有利于形成獨(dú)特的創(chuàng)新文化。只要我們?cè)鰪?qiáng)民族自信心，貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，深入實(shí)施科教興國(guó)戰(zhàn)略和人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略，奮起直追、迎頭趕上，經(jīng)過(guò)15 年乃至更長(zhǎng)時(shí)間的艱苦奮斗，就一定能夠創(chuàng)造出無(wú)愧于時(shí)代的輝煌科技成就?？萍脊ぷ鞯闹笇?dǎo)方針是：自主創(chuàng)新，重點(diǎn)跨越，支撐發(fā)展，引領(lǐng)未來(lái)。自主創(chuàng)新，就是從增強(qiáng)國(guó)家創(chuàng)新能力出發(fā)，加強(qiáng)原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新。重點(diǎn)跨越，就是堅(jiān)持有所為、有所不為，選擇具有一定基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)、關(guān)系國(guó)計(jì)民生和國(guó)家安全的關(guān)鍵領(lǐng)域，集中力量、重點(diǎn)突破，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。支撐發(fā)展， 就是從現(xiàn)實(shí)的緊迫需求出發(fā)，著力突破重大關(guān)鍵、共性技術(shù)，支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。引領(lǐng)未來(lái)，就是著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)，超前部署前沿技術(shù)和基礎(chǔ)研究，創(chuàng)造新的市場(chǎng)需求，培育新興產(chǎn)業(yè)，引領(lǐng)未來(lái)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。這一方針是我國(guó)半個(gè)多世紀(jì)科技發(fā)展實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的概括總結(jié)，是面向未來(lái)、實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的重要抉擇。要把提高自主創(chuàng)新能力擺在全部科技工作的突出位置。在對(duì)外開(kāi)放條件下推進(jìn)社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)，必須認(rèn)真學(xué)習(xí)和充分借鑒人類一切優(yōu)秀文明成果。改革開(kāi)放 20 多年來(lái)，我國(guó)引進(jìn)了大量技術(shù)和裝備，對(duì)提高產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了重要作用。但是，必須清醒地看到，只引進(jìn)而不注重技術(shù)的消化吸收和再創(chuàng)新，勢(shì)必削弱自主研究開(kāi)發(fā)的能力，拉大與世界先進(jìn)水平的差距?？傊?，必須把提高自主創(chuàng)新能力作為國(guó)家戰(zhàn)略，貫徹到現(xiàn)代化建設(shè)的各個(gè)方面，貫徹到各個(gè)產(chǎn)業(yè)、行業(yè)和地區(qū)，大幅度提高國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力。我國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的總體目標(biāo)是：自主創(chuàng)新能力顯著增強(qiáng)，科技促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和保障國(guó)家安全的能力顯著增強(qiáng)，為全面建設(shè)小康社會(huì)提供強(qiáng)有力的支撐；基礎(chǔ)科學(xué)和前沿技術(shù)研究綜合實(shí)力顯著增強(qiáng)，取得一批在世界具有重大影響的科學(xué)技術(shù)成果，進(jìn)入創(chuàng)新型國(guó)家行列，為在本世紀(jì)中葉成為世界科技強(qiáng)國(guó)奠定基礎(chǔ)，形成比較完善的中國(guó)特色國(guó)家創(chuàng)新體系。
1.2 機(jī)械手的發(fā)展
機(jī)械手一般為三類：一是不需要人工控制的通用型機(jī)械手。它是不屬于其他主機(jī)的獨(dú)立裝置?？梢愿鶕?jù)任務(wù)需要編制獨(dú)立程序完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它的特點(diǎn)是具備不同裝置的性能之外還具備通用機(jī)械及記憶功能的三元型機(jī)械。二是需要人工操作的，起源于原子，軍事工業(yè)。先是通過(guò)操作完成特定工序，后來(lái)逐步發(fā)展到無(wú)線遙控操作。第三類是專用機(jī)械手，通常依附于自動(dòng)生產(chǎn)線上，用于機(jī)床的上下料和裝卸工件。這種機(jī)械手國(guó)外叫做“Mechanical Hand”。它由主機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)服務(wù)，工作程序固定，一半是專用的。
機(jī)械手首先是在美國(guó)開(kāi)始研制。第一臺(tái)機(jī)械手是在1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研究制作出來(lái)的。結(jié)構(gòu)是：主機(jī)安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，長(zhǎng)臂頂端有電磁 抓放機(jī)構(gòu)。
日本在工業(yè)上應(yīng)用機(jī)械手最多，發(fā)展最快的國(guó)家，自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種機(jī)械手后開(kāi)始大力研發(fā)機(jī)械手。
前蘇聯(lián)自六十年代開(kāi)始發(fā)展和應(yīng)用，自1977年，前蘇聯(lián)使用的機(jī)械手一半來(lái)自國(guó)產(chǎn)一半來(lái)自進(jìn)口。
現(xiàn)代工業(yè)中，自動(dòng)化在生產(chǎn)過(guò)程中已日趨突出，機(jī)械手就是在機(jī)械工業(yè)中為實(shí)現(xiàn)加工、裝配、搬運(yùn)等工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，機(jī)械手的出現(xiàn)大大減輕了人類的勞動(dòng)，提高了生產(chǎn)效率。采用機(jī)械手已為目前研究的熱重點(diǎn)。
目前機(jī)械手在工業(yè)上主要用于機(jī)床加工、鑄造，熱處理等方面，但是還不能夠滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求。
1.3 工業(yè)機(jī)械手的分類
現(xiàn)在對(duì)工業(yè)機(jī)械手的分類尚無(wú)明確標(biāo)準(zhǔn)，一般都從規(guī)格和性能兩方面來(lái)分類。
1.按規(guī)格（所搬運(yùn)工件的重量）分類：
(1)微型的—搬運(yùn)重量在1公斤以下；
(2)小型的—搬運(yùn)重量在10公斤以下；
(3)中型的—搬運(yùn)重量在50公斤以下；
(4)大型的—搬運(yùn)重量在50公斤以上。
目前大多數(shù)工業(yè)機(jī)械手能搬運(yùn)的重量為1~30公斤，最小的為0.5公斤，最大的已達(dá)到800公斤。
2.按功能分類：
(1)簡(jiǎn)易型工業(yè)機(jī)械手
有固定程序和可變程序兩種。固定程序有凸輪轂和擋塊轉(zhuǎn)轂控制；可變程序可插銷板或順序轉(zhuǎn)動(dòng)控制來(lái)給定程序。
這種機(jī)械手多為氣動(dòng)或液動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，改變程序比較容易。只使用在在程序較簡(jiǎn)單的點(diǎn)位控制，但作為一般單機(jī)服務(wù)的搬運(yùn)作業(yè)已足夠。所以，目前這種工業(yè)機(jī)械手?jǐn)?shù)量最多。
(2)記憶再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)械手
這種工業(yè)機(jī)械手由人工通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置傳動(dòng)一遍，由磁帶（或磁鼓）把程序記錄下來(lái)，此機(jī)械手就自動(dòng)按記憶的程序重復(fù)進(jìn)行循環(huán)動(dòng)作。
這也是采用較多一種，多為電液伺服驅(qū)動(dòng)，與前者比較有較多的自由度，能進(jìn)行程序較復(fù)雜的作業(yè)，通用性較廣。
(3)計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的工業(yè)機(jī)械手
可通過(guò)更換穿孔帶或其他記憶介質(zhì)來(lái)改變工業(yè)機(jī)械手的動(dòng)作，還可以進(jìn)行多種控制（DNC）。技術(shù)還可以是可編程程序控制或普通的微機(jī)計(jì)算機(jī)。
(4)智能工業(yè)機(jī)械手（機(jī)器人）
由電子計(jì)算機(jī)控制，通過(guò)各種傳感元件等具有視覺(jué)、熱覺(jué)、觸覺(jué)、行走機(jī)構(gòu)等。
3.按用途分：
(1)專用機(jī)械手
附屬于主機(jī)的，具有固定程序而無(wú)獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置，這種工業(yè)機(jī)械工作對(duì)象不變，手動(dòng)比較簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用可靠，適用于大批量生產(chǎn)自動(dòng)線或?qū)C(jī)作為自動(dòng)上、下料用。
(2)通用機(jī)械手
具有獨(dú)立控制系統(tǒng)，程序可變、動(dòng)作靈敏、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。通用機(jī)械手的工作范圍大，定位精度高，通用性強(qiáng)，適用于工件經(jīng)常變換的中、小批量自動(dòng)化生產(chǎn)。
1.4 課題設(shè)計(jì)的目的及意義
自改革開(kāi)放，我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，機(jī)械手早期應(yīng)用在汽車制造業(yè)。當(dāng)面臨人工無(wú)法實(shí)現(xiàn)的工作時(shí)，機(jī)械手成為了替代人工的替代品。機(jī)械手的使用能夠顯著的提高生產(chǎn)效率，減少人為因素造成的廢次品率。機(jī)械手可以完成很多工作，它在自動(dòng)化車間中用來(lái)運(yùn)送物料，從事多種工藝操作。它的特點(diǎn)是通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器人的部分優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的靈活協(xié)調(diào)和機(jī)器人的精確到位。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)機(jī)械手的安全性，可靠性，準(zhǔn)確性有了充分的認(rèn)識(shí)，同時(shí)對(duì)其要求也越來(lái)越高?？删幊炭刂破鲬{其穩(wěn)定性，簡(jiǎn)單性，強(qiáng)大性成為了目前應(yīng)用最廣的工業(yè)自動(dòng)化支柱之一。
第2章 機(jī)械手的概述
2.1 機(jī)械手的組成
機(jī)械手的形式是多樣的，但是其基本的組成都是相似的。一般機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)和輔助裝置組成。
（圖2.1.1 機(jī)械手的組成及相互關(guān)系）
1.執(zhí)行機(jī)構(gòu)
執(zhí)行機(jī)構(gòu)由手、關(guān)節(jié)、手臂和支柱組成，與人體手臂相似。手為抓取機(jī)構(gòu)，用于抓取工件。關(guān)節(jié)是連接手與手臂的關(guān)鍵性原件，具有多方位旋轉(zhuǎn)特性。支柱用來(lái)支撐手臂，可做活動(dòng)支柱方便機(jī)械手多方位移動(dòng)。
·傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。常用的有機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)，電力傳動(dòng)等形式。
2.控制系統(tǒng)
機(jī)械手按照制定的程序，步驟，參數(shù)進(jìn)行動(dòng)作完成該指定工作要依靠控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。簡(jiǎn)易機(jī)械手通常情況下不使用專用的控制系統(tǒng)，只有動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械手采用可編程控制器，微型計(jì)算機(jī)控制進(jìn)行動(dòng)作。
3.輔助裝置
輔助裝置主要是連接機(jī)械手各部分元件的裝置。
2.2 機(jī)械手的主要參數(shù)
傳動(dòng)方式
反應(yīng)速度
尺寸和重量
負(fù)荷能力
控制方式
操控范圍
反應(yīng)速度
定位
自由度
安全性
實(shí)用性
2.3 應(yīng)用機(jī)械手的意義
隨著科技的發(fā)展，機(jī)械手應(yīng)用的越來(lái)越多。在機(jī)械工業(yè)中，機(jī)械手應(yīng)用的意義概括如下：
1.提高生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化程度，增強(qiáng)生產(chǎn)效率。
機(jī)械手方便與材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換等自動(dòng)化過(guò)程，從而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低勞動(dòng)投入，從而降低生產(chǎn)成本。
2.改善勞動(dòng)條件
在車間的勞動(dòng)環(huán)境下，高溫、高壓、噪音、灰塵等污染會(huì)嚴(yán)重影響人的身體健康，人在車間工作不可避免的會(huì)接觸到危險(xiǎn)，而應(yīng)用機(jī)械手可以替代人安全的完成作業(yè)，從而改善勞動(dòng)條件。
在一些簡(jiǎn)單，重復(fù)的工作中以機(jī)械手代替人進(jìn)行工作可以避免因疲勞和疏忽造成的事故。
3.減少人力資源，便于節(jié)奏生產(chǎn)。
機(jī)械手的應(yīng)用增強(qiáng)了自動(dòng)化生產(chǎn)，會(huì)減少人力的使用。機(jī)械手可以長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)性連續(xù)完成工作，這是人工無(wú)法實(shí)現(xiàn)并完成的。生產(chǎn)線增加使用機(jī)械手以減少人力和精準(zhǔn)的生產(chǎn)節(jié)拍，有利于節(jié)奏性的工作生產(chǎn)。
綜上所述，機(jī)械手的合理利用是機(jī)械行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
2.4 機(jī)械手功能圖示
第3章 任務(wù)分析
3.1 動(dòng)作分析
根據(jù)生產(chǎn)條件要求，機(jī)械手須把加工原料從輸送帶上取下，旋轉(zhuǎn)
一定角度后將加工原料放入沖壓機(jī)填料口，然后返回，重復(fù)這一動(dòng)作。
3.2 動(dòng)作節(jié)拍
插銷定位—手臂前伸—手指抓料—手臂上升—手臂縮回—手腕回轉(zhuǎn)—拔定位銷—手臂回轉(zhuǎn)—插定位銷—手臂前伸—手臂下降—手指松開(kāi)—手臂縮回—手腕回轉(zhuǎn)—拔定位銷—手臂回轉(zhuǎn)—插定位銷—手臂伸出。
3.3 總體方案
3.3.1方案一
插銷定位—手臂前伸—手指抓料—手臂上升—手臂縮回—拔定位銷—手腕回轉(zhuǎn)、手臂回轉(zhuǎn)—插定位銷—手臂前伸—手臂下降—手指松開(kāi)、手臂縮回—拔定位銷—手腕回轉(zhuǎn)、手臂回轉(zhuǎn)—插定位銷。
3.3.2方案二
插銷定位—手臂前伸—手指抓料—手臂上升—手臂縮回、手腕回轉(zhuǎn)—拔定位銷—手臂回轉(zhuǎn)—插定位銷—手臂前伸—手臂下降—手指松開(kāi)—手臂縮回—手腕回轉(zhuǎn)—拔定位銷—手臂回轉(zhuǎn)—插定位銷。
3.4 方案比較
按照方案一與方案二的行進(jìn)方式均可完成加工原料的自動(dòng)填充，但是從工作效率與經(jīng)濟(jì)性方面考慮還是應(yīng)采用方案一。原因如下：方案一有效的把不做功行程與做功行程以及空行程之間結(jié)合在了一起，不僅完成了工作要求，而且提高了工作效率，也間接增加了經(jīng)濟(jì)效益。反觀方案二，空行程各自獨(dú)立，浪費(fèi)了時(shí)間，而且在手指抓料的情況下手臂在進(jìn)行縮回，這樣雖然節(jié)省時(shí)間，但是嚴(yán)重影響了機(jī)械手的工作穩(wěn)定性，對(duì)于機(jī)械手的穩(wěn)定運(yùn)行有不利的影響，長(zhǎng)時(shí)間如此會(huì)縮短機(jī)械手的使用壽命。
綜合兩方案的優(yōu)缺點(diǎn)，決定采用效率高、經(jīng)濟(jì)性好、可長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的方案一。
第4章 總體設(shè)計(jì)
4.1 總體設(shè)計(jì)的思路
設(shè)計(jì)機(jī)械手基本上分為以下幾個(gè)階段：
1.系統(tǒng)分析階段
（1）根據(jù)所設(shè)計(jì)的要求首先確定機(jī)械手的目的和任務(wù)；
（2）分析機(jī)械手需要適應(yīng)的工作環(huán)境；
（3）根據(jù)機(jī)械手的工作要求，確定機(jī)械手的基本功能和方案，如機(jī)械手的自由度、所能抓取的重量。
2.技術(shù)設(shè)計(jì)階段
（1）確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類型；
（2）選擇各部件的具體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行機(jī)械手總裝圖的設(shè)計(jì)；
（3） 繪制機(jī)械手的零件圖，并確定尺寸。
4.2 總體方案的確定
提到液壓機(jī)械手總圖方案的確定，我們重復(fù)一下本課題的技術(shù)指標(biāo)。
技術(shù)指標(biāo)如下所示：
1.最大抓取重量：10kg；
2.工件最大尺寸（長(zhǎng)x寬x高）：1000x400x400mm
3.最大操作范圍：提升高度1m，回轉(zhuǎn)角度60，行走范圍<3m；
4.升降速度：60mm/s
5.機(jī)械手的自由度：3—5；
6.定位精度：0.5—1mm；
7.裝料高度：800—1000mm；
8.生產(chǎn)綱領(lǐng)：10萬(wàn)件/年，1—1.5min/件；
9.性能要求：抓取靈活，送放平穩(wěn)，定位可靠，壽命不低于15年；
根據(jù)課題要求，本設(shè)計(jì)采用液壓系統(tǒng)來(lái)控制機(jī)械手。
4.3 主要研究目標(biāo)
1.總體方案設(shè)計(jì)；
2.液壓系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)；
3.手臂部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
4.升降部分的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
第5章 部件設(shè)計(jì)
5.1 升降部分的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
5.1.1常用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其特點(diǎn)
工業(yè)常用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，按動(dòng)力源分為液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)三大類。根據(jù)需要也可將這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：
1.液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
具有動(dòng)力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)、精度高等特點(diǎn)。適合于在承載能力大、慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機(jī)械手。
2.氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修方便。價(jià)格低等特點(diǎn)。適用于中、小負(fù)荷的機(jī)械手中采用。但是因難于實(shí)現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機(jī)械手中。
3.電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
具有使用方便、噪聲較低、控制靈活的特點(diǎn)。這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，但大多數(shù)電機(jī)后需安裝精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
根據(jù)課題要求，該沖壓機(jī)械手采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
5.1.2升降液壓缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
由手臂升降驅(qū)動(dòng)力的公式得：
F驅(qū) =F摩+F慣+F回+F密±G總
1. F摩的計(jì)算
F摩 =2FR ? 取?=0.25 FR=4600N
所以 F摩 =2FR ?=2×4600×0.25 =2300N
2. F慣的計(jì)算
由摩擦力公式 F慣=G總△V/g△t
式中 △V—由靜止加速到常速的變化量（mm/s）
△t—啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間（t），一般取0.01s～0.05s。
手臂啟動(dòng)速度△V=0.025m/s,啟動(dòng)時(shí)間△t=0.02s，g=9.8N/kg,帶入數(shù)據(jù)得：
F慣=G總△V/g△t=293.4N
3. F回的計(jì)算
一般背壓阻力較小，為了計(jì)算方便，將其省略。
4. F密的計(jì)算
不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計(jì)中，采用O型密封圈，當(dāng)液壓缸工作壓力小于10MPa時(shí)，液壓缸密封處的總的摩擦阻力為： F密 =0.03F驅(qū)
經(jīng)過(guò)以上的分析計(jì)算，液壓缸的驅(qū)動(dòng)力為：
F驅(qū) =F摩+F慣+F回+F密±G總 =2300 + 293.4 + 0.03 F驅(qū) ±2300
所以 當(dāng)液壓缸向上驅(qū)動(dòng)時(shí) F驅(qū) =5044.7N
當(dāng)液壓缸向下驅(qū)動(dòng)時(shí) F驅(qū) =302.4N
5.2 升降部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5.2.1升降缸的參數(shù)計(jì)算
經(jīng)過(guò)上面的計(jì)算，確定了液壓缸的驅(qū)動(dòng)力 F驅(qū)，液壓缸的工作壓力由驅(qū)動(dòng)力與液壓缸工作壓力關(guān)系表可得P=0.8MPa，為了滿足要求，此時(shí)取F驅(qū) =1.2×5044.7N=6053.6N進(jìn)行計(jì)算。
驅(qū)動(dòng)力與液壓缸工作壓力關(guān)系表2-1
1. 液壓缸內(nèi)徑D計(jì)算：
當(dāng)油從無(wú)桿腔進(jìn)入：
當(dāng)油從有桿腔進(jìn)入：
液壓缸的有效面積：S=F/P
所以
式中 F驅(qū)—手臂升降液壓缸驅(qū)動(dòng)力（N）
D—液壓缸內(nèi)徑（mm）
d—活塞桿直徑（mm）
η—液壓缸機(jī)械效率，在工程機(jī)械中可用耐油橡膠查表得η=0.90
P—液壓缸的工作壓力（MPa）
帶入數(shù)據(jù)得：D=0.1035m
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列（JB826—66），為了更好的滿足要求，選取液壓缸的內(nèi)徑為：D=160mm
標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列表2-2（JB826—66） 單位mm
2. 活塞桿直徑d計(jì)算
活塞桿直徑d根據(jù)工作壓力選取，當(dāng)液壓缸的往復(fù)速度比λv有要求時(shí)，則：
液壓缸工作壓力與活塞桿直徑表2-3
液壓缸工作壓力P/MPa
≤5
5～7
＞7
推薦活塞桿直d
（0.50～.55）D
（0.6～0.7）D
0.7D
液壓缸往復(fù)速度比推薦值表2-4
工作壓力p/MPa
≤10
10～20
＞20
往復(fù)速度比λv
1.33
1.46～2
2
由液壓缸往復(fù)比推薦值表可知λv=1.33,帶入公式則有：
根據(jù)活塞桿直徑系列（JB826—66），選取活塞桿直徑為：d=80mm
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑系列表選擇，為了盡可能滿足要求，取液壓缸外徑D′=194mm
所以手臂升降液壓缸主要參數(shù)為：
液壓缸內(nèi)徑D
液壓缸外徑Dˊ
工作壓力P
活塞桿直徑d
驅(qū)動(dòng)力F
160mm
194mm
0.8MPa
80mm
6053.6N
手臂升降缸
工作原理：
當(dāng)液壓油從下端油口輸入時(shí)，升降液壓缸將做上升運(yùn)動(dòng)，液壓油從上端油口回油；當(dāng)液壓油從上端油口進(jìn)油時(shí)，液壓缸做下降運(yùn)動(dòng)，液壓油從下端油口回油。
5.3 回轉(zhuǎn)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5.3.1 回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算
手臂回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動(dòng)力矩 M驅(qū) =M慣+M密+M回
1. M慣的計(jì)算
回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個(gè)高1500mm，半徑為60mm的圓柱體，圓柱體重量為G總=1500N,設(shè)啟動(dòng)角速度△t =0.314rad/s,啟動(dòng)時(shí)間△t =0.1s。
所以
2.M密和M回的計(jì)算
為了方便計(jì)算，密封處的摩擦阻力矩M密=0.03 M驅(qū)，由于回油背差一般非常的小，故在這里忽略不計(jì)，即M回=0。
因此 M驅(qū) =M慣+M密+M回=454.5+0.03M驅(qū) +0 即M驅(qū) = 468.6N.m
5.3.2 回轉(zhuǎn)液壓缸主要參數(shù)
粗取b=60mm 液壓缸工作壓力P=4MPa，d=50mm,則由
得 D=0.1346m
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列，為了盡可能滿足要求，取D=140mm
式中 D—液壓缸內(nèi)徑（mm）
P—回轉(zhuǎn)液壓缸工作壓力（MPa）
b—?jiǎng)悠瑢挾龋╩m）
d—輸出軸與動(dòng)片聯(lián)接處的直徑（mm）
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑系列表選擇，為了盡可能滿足要求，取液壓缸外徑D′=194mm
所以手臂回轉(zhuǎn)液壓缸主要參數(shù)為：
工作壓力P
液壓缸內(nèi)徑D
液壓缸外徑D′
動(dòng)片寬度b
輸出軸直徑d
驅(qū)動(dòng)力矩M
4MPa
140mm
194mm
60mm
50mm
468.6N.m
回轉(zhuǎn)液壓缸
回轉(zhuǎn)液壓缸的工作原理：
改回轉(zhuǎn)液壓缸為，軸不轉(zhuǎn)動(dòng)，缸桶轉(zhuǎn)動(dòng)。軸當(dāng)液壓油從B側(cè)進(jìn)入時(shí)，回轉(zhuǎn)液壓缸缸桶逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)液壓油從A側(cè)進(jìn)入時(shí)，回轉(zhuǎn)液壓缸缸桶順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。
第6章 零件設(shè)計(jì)
6.1 手臂液壓缸螺釘?shù)男：?
螺釘間距t與壓力P之間的關(guān)系表4-1
t為螺釘?shù)拈g距，間距跟工作壓力有關(guān)，每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)截面上承受的拉力為：
FQs = FQ + FQsˊ FQ為工作載荷，F(xiàn)Qsˊ為預(yù)緊力
6.1.1 手臂升降液壓缸螺釘
手臂升降液壓缸的工作壓力為0.8MPa。所以螺釘間距t小于150mm，試選擇4顆螺釘t=83.73mm ＜150mm
所以選擇螺釘數(shù)目Z=6顆
危險(xiǎn)截面面積：
FQs = FQ + FQsˊ=2009.3 +3415.9=5425.1N
式中 D—缸體內(nèi)徑
F—螺釘材料的許用拉應(yīng)力（MPa）
d—螺釘螺紋內(nèi)徑（mm）
螺釘材料選擇Q235A，查表得s=240MP
即 d>=0.0074m
按標(biāo)準(zhǔn)螺釘直徑系列選取，為了更好的滿足要求，取d=10mm
6.1.2 手臂回轉(zhuǎn)液壓缸螺釘
手臂回轉(zhuǎn)缸的工作壓力為4MPa。所以螺釘間距t小于100mm，試選擇6顆螺栓t=73.2mm ＜100mm
所以選擇螺釘數(shù)目為6顆。
同理可得：
按標(biāo)準(zhǔn)螺釘直徑系列選取，為了更好的滿足要求，取dˊ=10mm
6.2 手臂升降液壓缸筒的壁厚校核
式中 D—缸筒內(nèi)徑；
Py—缸筒的試驗(yàn)壓力，當(dāng)缸的額定壓力Pn≤16MPa時(shí)取Py=1.5Pn，當(dāng)Pn＞16MPa時(shí)取Py=1.25Pn；
—缸筒材料的許用應(yīng)力;
n—安全系數(shù)，一般取n=5.
Pn=0.8MPa Py=1.5Pn=1.2MPa 缸筒材料為20鋼，b =100MPa 將數(shù)據(jù)帶入式中：
故液壓缸壁厚滿足要求。 同理手臂回轉(zhuǎn)液壓缸壁厚也滿足要求。
千萬(wàn)不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印?！敖Y(jié)論”以前的所有正文內(nèi)容都要編寫(xiě)在此行之前。
結(jié)論
本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)械手的操作過(guò)程是由電動(dòng)機(jī)和液壓缸組成執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)采用可編程控制器控制，運(yùn)用步進(jìn)順序控制編程，程序簡(jiǎn)單且便于調(diào)試。 通過(guò)PLC 本身通信接口與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)操作的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、修改、調(diào)整，使系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)。利用 PLC 控制機(jī)械手相對(duì)于其它控制方式，具有很高的可靠性，較好的性價(jià)比，較強(qiáng)的可操作性和實(shí)用性。就本課題設(shè)計(jì)的目的，實(shí)際應(yīng)用運(yùn)行良好，大大方便了工作和生活。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)只是對(duì)機(jī)械手的升降部分做了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，了解了機(jī)械手設(shè)計(jì)的一般過(guò)程，通過(guò)對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做了系統(tǒng)的分析，掌握了一定的機(jī)械設(shè)計(jì)的方面的只是，為以后的工作學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的機(jī)械手符合設(shè)計(jì)要求，能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作。
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致謝
為期四個(gè)月的專科畢業(yè)設(shè)計(jì)即將結(jié)束，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的研究工作是在我的指導(dǎo)老師張老師的精心指導(dǎo)和同學(xué)的幫助下完成的。在這里，首先要向本次設(shè)計(jì)的指導(dǎo)老師表示最誠(chéng)摯的謝意。老師在自己緊張的工作中，仍然會(huì)抽出時(shí)間對(duì)我進(jìn)行指導(dǎo)，時(shí)刻關(guān)心我的設(shè)計(jì)的進(jìn)展?fàn)顩r。老師給予的幫助對(duì)我的設(shè)計(jì)是非常重要的，從借閱參考資料到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際操作，他都給予了指導(dǎo)，不僅讓我掌握了書(shū)本中的知識(shí)，更學(xué)會(huì)了學(xué)習(xí)操作方法，如何合理安排時(shí)間和論文的編寫(xiě)，對(duì)我提出的問(wèn)題認(rèn)真講解，這讓我更容易懂得那些比較難的問(wèn)題。其次，還要向給予此次畢業(yè)設(shè)計(jì)幫助的同學(xué)們以誠(chéng)摯的謝意，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，他們也給我很多幫助，更重要的是為我們提供不少技術(shù)方面的資料，在此感謝他們，沒(méi)有這些資料就不是一個(gè)完整的論文?？傊?，本次設(shè)計(jì)是在老師的指導(dǎo)下和同學(xué)的幫助下共同完成的，在設(shè)計(jì)的這段時(shí)間里，我們合作的非常愉快，教會(huì)了我許多道理，是我人生的一筆財(cái)富，我再次向給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)表示感謝。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我通過(guò)查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，并向老師請(qǐng)教等方式，使自己學(xué)到了不少知識(shí)，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個(gè)設(shè)計(jì)中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹(shù)立了對(duì)自己工作能力的信心，相信會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動(dòng)手的能力，使我充分體會(huì)到了在創(chuàng)造過(guò)程中探索的艱難和成功時(shí)的喜悅。雖然這個(gè)設(shè)計(jì)做的也不太好，但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中所學(xué)到的東西是這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的最大收獲和財(cái)富，使我終身受益。