机械设计说明书-立式精锻机自动上料机械手手部结构的设计

ⅣⅡ本科毕业设计(论文)题目：立式精锻机自动上料机械手手部结构的设计与仿真立式精锻机自动上料机械手手部结构的设计与仿真摘要机械手是模仿人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的机械装置。它对提高产品质量、提高生产效率、改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。本文对精短自动生产线上，将加热后的皮料从运输车上取下搬运到立式精锻机上这一过程中使用的机械手进行了详细的研究。首先采用黑箱法确定了设计方案，其次对各机构的结构设计、计算以及校核方法做了具体的描述。采用液压驱动的驱动方式，选择液压元件，完成液压系统的设计。最后用Solidworks对零件进行三维造型、装配，建立仿真模型模拟机械运行状况，对机械进行动力与运动分析。通过上述设计及计算，达到了机械手自由度、行程以及强度等各方面的要求，完成了立式精锻机自动上料机械手手部的设计与仿真。关键词：立式精锻机；自动上料机械手；结构设计；液压驱动；仿真模型DesignandSimulationof

automatic

feeding

manipulator

hand

verticalprecisionforgingmachineAbstractThemanipulatoris

partoftheaction

ofimitationhands,

accordingtothegivenprogram,

trackanddemandingacquirement,

handlingandoperationofmechanical

device.

Itplaysaveryimportantroletoimproveproductquality,improveproductionefficiency,improveworkingconditionsandproductsofrapidupgrade.Inthispaper,Introducedthemanipulatorindetail,whichisusedtothefineshortautomaticproductionline,theprocessofhandlingtheheatedleatherremovedfromthetruckontotheverticalforgingmachine.Firstly,

thedesignschemeisdetermined

bytheblackbox

method;Secondly,Describedthestructuraldesignofeachinstitution,calculationandverificationmethodindetail.Drivenbyhydraulicdrive,hydrauliccomponentsselectedtocompletethedesignofthehydraulicsystem.Finally,Solidworksforpartsforthree-dimensionalmodeling,assembly,simulationmodelsimulationofmechanicaloperatingconditions,themechanicalpowerandmotionanalysisperformed.Bytheabovedesignandcalculation,reachedthemanipulatordegreeoffreedom,travel,thestrengthandotheraspectsofrequirements,tocompletetheverticalforgingmachineautomaticfeedingrobothanddesignandsimulation.KeyWords:Verticalforgingmachine;Automaticfeedingmanipulator;StructuralDesign;Hydraulicdrive;SimulationModel目录中文摘要Ⅰ英文摘要Ⅱ主要符号表 Ⅲ1绪论 91.1前言 91.2国内外机械手研究的现状 91.3机械手的组成及分类 111.3.1机械手的组成 111.3.2机械手的分类 绪论1.1前言工业机械手是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手[1]。机械手首先是从美国开始研制的，1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手，它的结构是；机体上安装一个回转臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。随着计算机和自动控制技术的迅速发展,农业机械将进入高度自动化和智能化时期，机械手机器人的应用可以提高劳动生产率和产品质量,改善劳动条件,解决劳动力不足等问题[2]。机械手的发展已有近40年的历史了。现在全世界已有近100万台机械手在运行[3]，机械手对国民经济和人民生活的各个方面，已产生重要的影响，广泛应用于机械加工、电子、电器等领域。机械手是模仿人手的部分动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的机械装置。它对提高产品质量、提高生产效率、改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。本课题针对轴类零件精短自动生产线上，将加热后的皮料从运输车上取下搬运到立式精锻机上这一过程中所使用的机械手，为保证顺利完成取料、喂料和倒头等动作，专门设计一手部结构。1.2国内外机械手研究的现状目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的要求。在国内主要是逐步扩大应用的范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，西安工业大学毕业设计（论文）有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换工件扩大应用范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。

在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。

此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。

视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。

更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。随着科学与技术的发展，机械手的应用领域也不断扩大。目前，机械手不仅应用于传统制造业，如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域，同时也已开始扩大到核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中[4]。目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：重复高精度精度是指机械手达到指定点的精确程度，它与驱动器的分辨率以及反馈装置有关。重复精度是指如果动作重复次数多，机械手到达同样位置的精确程度。重复精度比精度更重要，如果一个机械手定位不够精确，通常会显示一个固定的误差，这个误差是可以预测的，因此可以通过编程予以校正。重复精度限定的是一个随机误差的范围，它通过一定次数地重复运行机械手来测定。随着微电子技术和现代控制技术的发展，机械手的重复精度将越来越高，它的应用领域也将更广阔，如核工业和军事工业等。模块化有的公司把带有系列导向驱动装置的机械手称为简单的传输技术，而把模块化拼装的机械手称为现代传输技术。模块化拼装的机械手比组合导向驱动装置更具灵活的安装体系。它集成电接口和带电缆及油管的导向系统装置，使机械手动作自如。模块化机械手使同一机械手可能应用不同的模块而具有不同的功能，扩大了机械手的应用范围，是机械手的一个重要的发展方向。节能化为了适应食品、医药、生物工程、电子、纺织、精密仪器等行业的无污染要求不加润滑脂的不供油润滑元件已经问世。随着材料技术的进步，新型材料的出现，构造特殊、用自润滑材料制造的无润滑元件，不仅节省润滑油、不污染环境，而且系统简单、摩擦性能稳定、成本低、寿命长。机电一体化由“可编程控制器—传感器—液压元件”组成的典型的控制系统仍然是自动化技术的重要方面；发展与电子技术相结合的自适应控制液压元件，使液压技术从“开关控制”进入到高精度的“反馈控制”,节省配线的复合集成系统，不仅减少配线、配管和元件，而且拆装简单，大大提高了系统的可靠性。而今，电磁阀的线圈功率越来越小，而PLC的输出功率在增大，由PLC直接控制线圈变得越来越可能。1.3机械手的组成及分类1.3.1机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成[5]。执行机构执行机构包括手部、手臂和躯干。机械手手部机械手手部的构造模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。根据其夹持原理，手部又可分为机械钳爪式和吸附式两大类。机械钳爪式手部按夹取的方式，可分为内撑式和外夹式两种，两者的区别在于夹取工件的部位不同，手爪的动作方向相反。吸附式手部还可以分为磁力吸附式和真空吸附式两种[6]。手指的数量有可分为二指、三指、四指等。手臂手臂由大臂、小臂（或多臂）所组成，一般具有2个自由度，即伸缩、回转、俯仰或升降。臂部的作用是引导手指准确地抓取工件，并运送到所需要的位置上，为了使机械手能够正确的工作，手臂的自由度都要精确定位。手臂常用的运动结构有直线运动机构和回转运动机构。其中，手臂的伸缩、横向移动均属于直线运动，实现手臂往复直线运动常用的机构形式有液压（气压）缸、齿轮齿条机构、丝杠螺母机构及连杆机构等；实现手臂回转运动的机构形式有叶片式回转缸、齿轮回转机构、链轮传动机构、活塞缸和连杆机构等[7]。躯干躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的支架。驱动机构驱动机构用于把驱动元件的运动传动到机器人的关节和动作部位。驱动机构的运动可以由不同的驱动方式来实现。驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压、气动用的最多，占90％以上，电动、机械驱动使用的较少。c．控制系统控制系统是支配着工业机器人按规定的要求运动的系统。目前工业机器人的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。机器人的控制系统的主要功能有示教再现和运动控制功能。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机器人按规定的程序运动，并记忆人们给予机器人的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机器人的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。1.3.2机械手的分类按照工业机器人用途、控制方式等进行分类。a.按用途分类机器人可分为专用机器人和通用机器人两种:专用机器人它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机器人具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大附属，如自动机床、自动线的上、下料机器人和“加工中心”批量的自动化生产的自动换刀机器人。通用机器人它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机器人。通过调整可在不同场合使用，驱动系统和格性能范围内，其动作程序是可变的，控制系统是独立的。通用机器人的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机器人按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以点位控制，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机器人属于数控类型。b.按控制方式分类(1)点位控制它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机器人均属于此类。(2)连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机器人一般采用小型计算机进行控制。1.4机械手研究意义机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分[8]。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高[9]，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。1.5本文主要研究内容1.5.1设计任务根据组合机构的运动学原理，设计一应用于立式精锻机自动上下料机械手手部结构，同时，运用三维建模软件完成该机构的装配模型并进行运动仿真分析。本课题针对轴类零件精短自动生产线上，将加热后的皮料从运输车上取下搬运到立式精锻机上这一过程中所使用的机械手。技术指标：（1）抓重60kg；（2）手指加持范围φ30-φ120mm。1.5.2本课题的内容 （1）调研和收集资料，论述国内外立式精锻机自动上料机械手设计的现状和主要发展方向。（2）确定该机构的设计方案和整体结构。（3）完成该机构的结构设计计算。（4）完成机械手手部结构的装配图、装配模型和运动分析。（5）预期成果形式：a.图纸:①机构装配图；②零件图，折合A0图纸不少于2张；b.毕业论文一份：介绍本课题的题目背景信息、研究意义和国内外研究现状。设计方案的拟订。包括确定机械手手爪形式、手爪结构方式、手腕自由度、驱动方式等。设计计算。包括钳爪的夹紧力、夹紧油缸及手腕回转油缸的内外径设计计算及相关的校核计算。液压系统设计。c．Solidworks运动仿真模型。2总体方案设计2总体方案设计2.1研究方法及措施2.1.1研究方法拟采用黑箱法对设计任务进行初步分析[10]，黑箱结构如图2.1所示。自动机械手工件驱动能信息自动机械手工件驱动能信息工件位置改变夹持图2.1黑箱结构通过对机械手动作分析及运动分析，确定其周期运动可以表现为（按动作表现）：夹紧上升回转延伸放松收回反转下降。流程图见图2.2。手腕反转手臂收缩手臂反转放松工件手臂延伸手腕回转大臂回转大臂上升夹紧工件对各动作功能原理的具体分析从而进行方案的设计[11]。手腕反转手臂收缩手臂反转放松工件手臂延伸手腕回转大臂回转大臂上升夹紧工件大臂下降大臂下降图2.2机械手运动流程图西安工业大学毕业设计（论文）2.1.2研究措施从系统功能分解出发，将系统功能元与功能元的解分别列为纵坐标和横坐标，做成如表2.1的形态学矩阵。表2.1立式精锻机上料机械手的低层形态学矩阵分功能手抓结构形式外抓式内抓式真空吸盘电磁吸盘手部传力机构滑槽杠杆式连杆杠杆式齿轮齿条式丝杠螺母式平行连杆式腕部运动形式单自由度式手腕二自由度式手腕三自由度式手腕手抓驱动形式液压式气压式电动式机械式2.2研究方案的设计2.2.1手抓结构形式因为本设计立式精锻机的被加持对象已经明确为已加热工件，故真空吸盘和电磁吸盘都不能运用，工件为圆柱形工件时，内抓式手抓不能用，因此选择外抓式手部形式。2.2.2手部传力结构a．滑槽式手爪：当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开，夹持范围较大。b．连杆杠杆式手爪：这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力，开闭角较小[12]。c.齿轮齿条式手爪：这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作，手指开闭角大。d.丝杠螺母机构：结构简单、加工方便、制造成本低、具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传动效率低（30%~40%）。e.平行连杆式手爪：采用平行四边形机构，因此不需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多。本设计的对象是抓取回转体工件的机械手。且回转直径φ30-φ120mm，变化范围大，故不能选择连杆杠杆式手爪；丝杠螺母机构传递效率低，故不选丝杠螺母机构；滑槽式手爪夹持后会因为毛胚直径误差引起工件的中心线发生移动，故也不选择滑槽式手爪；为保证加持精度，这里选择齿轮齿条式手爪，使用V形钳爪[13]，适用于抓取多种规格的工件。2.2.3腕部运动形式在上料时工件需要手腕的回转即可，这里选用单自由度式手腕。2.2.4手抓驱动形式如果机械手采用机械传动，则自由度少，难于实现特别复杂的运动。而对于组合机床自动上下料的机械手，其工件的运动需要多个自由度才能完成，故不宜采用机械传动方案[14]。如果机械手采取气压传动，由于气控信号比光、电信号慢得多，且由于空气的可压缩性，工作时容易产生抖动和爬行，造成执行机构运动速度和定位精度不可靠，效率也较低。电气传动必须有减速装置和将电机回转运动变成直线运动的装置，结构庞大，速度不易控制。气液联合控制和电液联合控制则使系统和结构上很复杂[15]。且单自由度式手腕常用的结构有两种：⑴回转液压缸直接装在手腕上实现回转角小于270°的回转运动结构；⑵齿条活塞驱动的回转角大于270°的结构形式。因为第二种手腕结构外形尺寸较大，且本课题手腕回转的角度不需要大于270°，故综上所述，我们选择液压驱动方式，将液压缸直接装在手腕上，可以使结构十分紧凑。2.3本章小结本章通过黑箱法和形态学矩阵提出了解决问题的多种方案，通过相互对比，最终确定机械手方案采用外抓式手爪形式，齿轮齿条式手爪结构方式，单自由度式手腕，驱动形式为液压驱动方式。3结构设计计算3结构设计计算3.1手部设计要求

3.1.1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。

3.1.2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。

3.1.3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。

3.1.4手指应有一定的强度和刚度

3.1.5其它要求

因为送料，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。西安工业大学毕业设计（论文）3.2机械手结构方案说明本文中机械手方案采用外抓式手爪形式，齿轮齿条式手爪结构方式，如图3.1所示，其手部是由手指、传动机构、驱动装置组成。采用V形手指。驱动装置为传动机构提供动力，驱动源采用液压的，通过齿轮齿条传动实现手指的张开与闭合。图3.1机械手手部结构图1—手爪；2—手指；3—齿条；4—扇形齿轮；5—销；6—螺钉；7—螺母；8—外罩；9—汽缸3.3握力（夹紧力）的计算3.3.1确定“V”型钳爪的L、β取L/Rop=5

[16]

（3—1）式中：

Rop=(RMax+R=(15+60由公式（3—1）、（3—2）得：L=5×Rop=187.5mm

取“V”型钳口的夹角2θ=120°，则偏转角β按《工业机械手设计》表2-3来确定，查表得：

β=76°39′

3.3.2握力的计算依据手指握紧工件时所需的力称为握力（即夹紧力），一般来说，手指握力需克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化时所产生的载荷（惯性力或惯性力矩），使得工件保持良好的夹紧状态。握力的大小与被夹持工件的重量、重心位置、以及夹持工件的范围有关，我们把握力假想为作用在手指与工件接触面的对称平面内，并设两力大小相等，方向相反，用FN表示,可按下式计算：

FN≥K1K2K3G（3-3）其中K1：安全系数，通常取1.2-2.0

；

K2：工作情况系数，主要考虑惯性力的影响，可按K2=1.1～2.5，或近似按下式估算

K2=1+a/g。（a为机械手在搬运工件过程中的加速度，m/s2;g为重力加速度）；K3：方位系数，按《机械手理论及应用》表4-3选取，K3=0.5sinθf≈4；

G:被抓取工件的重量（即重力）

[16]

。

3.3.3握力的计算

F

N=K1K2K3G=k1×k2×(0.5sinθf=1.5×1.1×4×60×9.8=3880.8N3.4驱动力的计算3.4.1理论驱动力F理论的计算查资料《机械手理论及应用》可得，作用在活塞杆上的理论驱动力为：F理论=2baFN式中b加紧力至回转支点的垂直距离，b=L×sinβ=182mm；a初选扇形齿轮分度圆半径为a=50mm；FN手指的夹紧力，N=3880.8N。由此可计算的F理论=28252.22N3.4.2实际驱动力F实际的计算取传递效率η=0.95F实际=F=28252.22=29739.18N3.5油缸的设计计算

3.5.1夹紧油缸的设计计算夹紧油缸作为作为机械手手指的动力源，为手指的张开、闭合提供动力。因此要具有一定的推动能力，这里选用的是双作用单杆活塞油缸，当压力油分别进入油缸的有杆腔和无杆腔时，推动活塞往复运动，从而带动机械手手指的开闭。当油液进入油缸有杆腔时，活塞杆带动手指张开，当油液从无杆腔进油时，活塞杆带动手指闭合[17]。

（1）油缸内径D由(3-5)计算可知，手指的开闭实际所需驱动力F实际=29739.18N，此驱动力由油液推动活塞带动活塞杆提供，所以有：

F实际=14πD2根据《工业机械手设计》表4-2选取油液压力p=2.2MPa

D²=

4F实际/πp

（3-6）=4×29739.18

得油缸内径D=131.2mm

表3.1液压缸内径及柱塞杆外径尺寸系列（GB/T2348-1993）（mm）液压缸内径尺寸810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200220（250）（280）320（360）400450500活塞杆外径尺寸456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360括号内为优先选取尺寸，柱塞杆连接螺纹型式按细牙，规格和长度查有关资料。选择油缸内径D=140mm。

（2）液压缸外径计算

对于低压缸，Dδ0.1D≥δ≥PD2[σ液压缸采用无缝钢管，查表可得[σδ≥PD2[σ]=2.2查阅《机械设计手册液压传动》，选取液压缸外径D1=160mm。对缸壁厚度校核：

σ=（0.4r=（0.4=15.08MPa＜[σ]满足材料的强度要求，所以液压缸满足工作要求。

（3）夹紧油缸活塞杆计算

按往复运动的速度比确定活塞杆直径

速度比φ=V2活塞杆直径dd=Dφ−1φ选取d=70mm。活塞杆的强度校核:

活塞杆的材料为45钢，杆长L约大于杆直径的15倍，所以：

杆长L>15d=15×70=1050mm

活塞杆材料为碳钢，σs=350paMPa，σb=210MPa，E=210Gpa，碳钢的[σ]=100~120MPa，活塞杆的受力：σ=F14π所以活塞杆的强度满足要求。

活塞杆稳定性校核：

特定柔度值λ1=πEσP=π柔度λ=μ1i=μ1因为λ＜λ1，故不能用欧拉公式计算临界压力[18]，由《材料力学》表10.1可知，优质碳钢的a=461Mpa，b=2.568Mpa，所以有：

λ2=a−σsb由（3-12）、（3-13）、（3-14）可见活塞杆满足λ2＜λ＜λ1，是中等柔度压杆，其临界应力：

σcr=a-bλ=461-2.568×42=353.144Mpa

（3-15）由此可见，临界压力远大于工作时压力，故稳定性满足要求。

（4）油液流量计算

油液进入无杆腔时的流量Q1：

Q1=

1/4πD²v

=1/4×π×142×17.6=2709.3cm3/s

（3-16）油液进入有杆腔时的流量Q2：Q2=1/4π（D2-d2）v=1/4×π×（142-72）×23.3=2690.07cm3/s

（3-18）3.5.2传动齿轮的设计及校核由于该齿轮传动为闭式传动，属于一般的通用机械，所以采用齿面硬度≤350HBS的软齿面钢制齿轮，按照齿轮的设计计算原则，本设计应先按齿面接触疲劳强度设计计算，待确定了齿轮传动的参数和尺寸后，再验算齿轮齿根的弯曲疲劳强度。a．确定传动齿轮的材料、热处理方法及精度等级查资料《机械设计》表10-1，扇形齿轮材料选用45号钢，调质后表面淬火，硬度为220HBS;由于机械手的齿轮传动为一般的齿轮传动，圆周速度不会太大，故可选用8级精度[19]；初选齿轮齿数z=20。b.按齿面的接触疲劳强度设计齿轮由于本设计的齿轮传动为软齿面的闭式齿轮传动，齿轮的承载能力主要有齿轮接触疲劳强度决定，故可按《机械设计》设计计算公式（10-9a）进行计算，即d1≥2.323K确定载荷系数因该齿轮传动是软齿面的齿轮，圆周速度也不大，精度也不高，而且齿轮相对支承是对称分布，根据原动机和载荷性质查资料《机械设计学基础》中表5-8，试取Kt=1.3；计算齿轮转矩T=95.5×10由于手指由张开到闭合的时间t=0.2s，液压缸的行程暂定为l=150mm，则可求齿轮的线度：V=lt由（3-21）进而求得转速：n=w2π由（3-4）、（3-21）得输入功率：P=F理论V=28252.22×0.75=21.189KW（3-23）由公式（3-22）（3-23）得T1=95.5×105×由公式（3-3）算出的握力FN和公式（3-4）中的加紧力至回转支点的垂直距离b可以算出夹持力矩T2=FN×b=3880.8×0.182=706.3N.m＜齿轮转矩T。故齿轮转矩达到技术要求，加紧力至回转支点的垂直距离b=182mm满足要求。选取齿面宽系数由于本齿轮传动中齿轮为悬臂布置，且为软齿面传动，故查表3-2选取齿宽系数为φd表3-2齿宽系数表[20]选取材料的弹性影响系数ZE由于两齿轮材料均为优质碳素钢，查《机械设计》表10-6可取材料的弹性影响系数ZE=189.8MPa查取齿轮的接触疲劳强度极限由《机械设计》图10-21d按齿面硬度查得扇形齿轮的接触疲劳强度极限为:σHlim=560MPa；计算应力循环次数拟定工作寿命为15年，按每年300天，每天按8小时计算。则由《机械设计》式10-13计算应力循环次数得：N=60njLh=60×143×1×（8查取接触疲劳寿命系数KHN由《机械设计》图10-19查得接触疲劳寿命系数为：KHN=0.95计算接触疲劳许用应力对于解除疲劳强度计算，由于点蚀破坏发生后只引起噪声、震动增大，并不会立即导致不能继续工作的后果，故可取安全系数S=1，由资料《机械设计》式（10-12）得：[σH]=KHNσ计算分度圆直径d由于本传动为齿轮齿条传动，传动比近似无穷大，所以u±d1t≥2.323K=2.3231.3计算齿宽b=φd×d1t模数mt=d1tz=齿高h=2.25mt=2.25×7.7=17.329mm（3-28）则齿宽与齿高之比bh=123.23计算载荷系数根据由（3-21）得V=0.75m/s，8级精度，由《机械设计》图10-8查得动载系数KV=1.05;直齿轮，KHα=KFα=1;由《机械设计》表10-2查得使用系数KA=1;由《机械设计》表10-4查得8级精度、齿轮相对支承悬臂布置时，KHβ=1.796;由bh=7.11，KHβ=1.796查《机械设计》图10-13得KFβ故载荷系数K=KAKVKHαKHβ=1×1.05×1×1.796=1.8858按实际的载荷系数校正所算的分度圆直径由《机械设计》式（10-10a）得d1=3KKt×d1t计算模数m=d1c．按齿根弯曲强度设计齿轮由《机械设计》式（10-5）得弯曲强度的设计公式为m≥32确定公式内的各计算数值由《机械设计》图10-20c查得齿轮的弯曲疲劳强度极限σFE=380MPa；由《机械设计》图10-18取弯曲疲劳寿命系数KFN=2.0;计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由《机械设计》式（10-12）得[σF]=kFNσ计算载荷系数K=KAKVKFαKFβ=1×1.05×1×1.52=1.596（3-33）查取齿形系数由《机械设计》表10-5查得YFa=2.80。查取应力校正系数由《机械设计》表10-5查得YSa=1.55。设计计算m≥32=32=4.83mm对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，故可取由弯曲强度算得的模数4.83并就近圆整为标准值m=5mm，按接触强度算得的分度圆直径d1=174.37mm。第一系列

0.10.120.150.20.250.30.40.50.60.811.251.522.5345681012162025324050

第一系列

0.10.120.150.20.250.30.40.50.60.811.251.522.5345681012162025324050

第二系列

0.350.70.90.752.252.75（3.25）3.5（3.75）4.55.5（6.5）79（11）14182228（30）3645算出齿轮齿数Z=d1m=计算几何尺寸计算分度圆直径d=zm=35×5=175mm计算齿轮宽度b=φd×d=0.8×175=140mm3.5.3手腕回转油缸设计计算在手腕的回转过程中，驱动手腕回转的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩、转动轴与支撑孔的摩擦力矩、密封装置的摩擦力矩和转动重心和转动轴线不重合的偏重力矩，所以有：

M驱=M惯+M偏+M摩+M封（3-19）（1）手腕加速起动时所产生的惯性力矩M惯

把手部、转轴以及回转油缸的回转部分等效为一个高54cm，直径18cm的圆柱体，其所受重力为350N。则有手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量J：

J=1/2mR2

=1/2×35×0.092=0.14175N.m（3-20）假设工件直径10cm，长度100cm，质量60kg。工件对手腕回转轴线的转动惯量J工件：

J工件=1/12m（L2+3R2）（3-21）=1/12×60×（12+3×0.052）=5.0375N.m手腕回转角速度ω=15rad/s，取启动时间t=2s。

由（3-20）、（3-21）得手腕加速起动所产生的惯性力矩M惯：M惯=（J+J工件）ωt=（0.14175+5.0375）×15（2）手腕转动时工件偏重力矩M偏

假设工件重心与手腕回转中心重合，所以有M偏=0N.m（3-23）（3）腕部回转支撑处的摩擦力矩M摩

为简化计算，可取M摩=0.1M驱

（3-24）（4）密封处的摩擦阻力矩M封

为简化计算，可取M封=0.15M驱

（3-25）根据以上公式（3-22）、（3-23）、（3-24）、（3-25）的计算可知：

M驱=M惯+M偏+M摩+M封=38.84+0+0.1M驱+0.15M驱

得M驱=51.79N.m

（5）回转油缸内径计算回转油缸所产生的驱动力矩M

M=pb(R图3.2回转油缸示意图其中取动片宽度b取30mm，输出轴半径r=30mm，油液压力p=2.2Mpa。

因为有M>M驱,即

M=pb(R2−r2)2得R=49.7mm,即是油缸内径D1=99.4mm。

选取标准油缸内径D1=100mm。（6）回转油缸外径计算对于手腕回转油缸，Dδ≤3.2，根据油缸的工作要求，查阅《机械设计手册液压传动》，选取外径D23.6本章小结本章主要进行结构设计计算，主要对钳爪的夹紧力、夹紧油缸及手腕回转油缸的内外径进行设计计算，并对齿轮齿条及手腕回转缸的尺寸进行了校核计算。得到驱动力、夹紧油缸内径和外径，活塞杆的直径，回转油缸内径和外径等数据。

4机械手驱动系统设计4机械手驱动系统设计4.1机械手驱动系统的选择原则

设计机械手时，选择哪一类驱动系统要根据机械手的用途、作业要求、机械手的性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗以及性价比等综合因素加以考虑，在注意各类驱动系统特点的基础上，综合上述各因素，充分论证其合理性、可行性、经济性及可靠性后做出最后的选择。1、液压传动机械手

是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。

2、气压传动机械手

是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。

3、机械传动机械手

即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。

4、电力传动机械手

即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。

一般情况下，机械手驱动系统的选择按如下原则：

（1）物料搬运用有限点位控制的程序控制机械手，重负载的可选液压驱动系统，中等负载的可选电动驱动系统，轻负载的可选气动驱动系统。西安工业大学毕业设计（论文）（2）用于点焊、弧焊及喷漆作业的机械手，要求具有任意点位和轨迹控制的功能，需采用伺服驱动系统，只有采用液压或电动伺服系统才能满足要求。

根据设计要求，本设计中选用液压驱动系统。4.2液压系统简介

4.2.1液压系统的工作原理

所谓液压系统就是以液体为介质，依靠运动着的液体的压力能来传递力的。液压系统工作是，液压泵把电动机传来的回转式机械能转变成油液的压力能：油液被输送到液压缸（或液压马达）后，又由液压缸（或液压马达）把油液的压力能变为直线式（或回转式）的机械能输出。液压系统中的油液在受调节、控制的状态下进行工作的因此液压传动和液压控制在这个意义上来说难以截然分开。液压系统必须满足其执行元件在力和速度方面的要求。

4.2.2

液压传动的工作特性液压系统工作是外界负载越大（在有效承压面积一定的前提下）所需要的压力也越大，反之亦然。因此液压系统的由压力（简称系统的压力，下同）大小取决于外界负载。负载大，系统压力大；负载小，系统压力小；负载为零，系统压力为零。另外，活塞或工作台的运动速度（简称系统的速度，下同）取决于单位时间通过节流阀进入液压缸中油液的体积即流量。流量越大（在有效承压面积一定的前提下）系统的速度越快，反之亦然。流量为零，系统的速度亦为零。液压系统的压力和外在负载，速度和流量的这两个关系称作液压传动的两个工作特性。4.2.3液压系统的组成

液压系统由以下五个部分组成：

动力元件它是将原动机输入的机械能转换为液压能的装置。液压泵即为动力元件。

执行元件

它是将液体的压力能转换为机械能的装置，以驱动部件。液压缸和液压马达即为执行元件。

控制调节元件

控制调节元件是指各种阀类元件，它们的作用是控制液压系统中油液的压力、流量和方向，以保证执行元件完成预期的工作运动。

辅助元件

辅助元件是指油箱、油管、管接头、滤油器、压力表、流量表等。

工作介质

在液压系统中使用液压油（通常为矿物油）4.3自动上料机械手液压系统

该系统采用功率P=7.5千瓦的电动机，带动双联叶片泵（YB-35/18）驱动，其公称压力为30公斤力/厘米²，流量为250升，系统压力调节为30公斤力/厘米²，邮箱容积为250升。手腕回转，采用单向调速阀（QI-10B）回程节流调速，因而速度可调，工作平稳。手指夹紧油路装置有液控单向阀（IY-25B），使手指夹紧工件时不受系统压力波动的影响（尤其是在系统压力下降时，夹紧油缸内的压力油不能反向流动），保证手指夹持工件牢靠。当反向进油时，油液通过控制油路将单向阀芯顶开，使回油路接通，油液流回油箱。在定位油缸支路之前串有减压阀（J-10B）既可供给定位油缸所要求的低压油（15-18公斤力/厘米²），又可为电液换向阀（34DY-63B）的控制油路供油。该系统双联叶片泵的卸荷均采用二位二通换向阀（22D-25B）打开溢流阀（Y-18J和Y-35J）来实现，空载卸荷不致使油温升得太高。系统的压力由溢流阀来调节。电动机启动，带动双联叶片泵3和8回转，油液从油箱1中通过网式滤油器2和7，经过叶片泵被送到工作油路中去，如果机械手还未启动，则油液通过二位二通电磁阀5和10（电磁铁11DT和12DT通电）进行卸荷。机械手液压系统原理图见附录。4.4本章小结本章对液压系统做了简单的介绍，包括了工作原理、工作特性及液压系统的组成等。重点是自动上料机械手液压系统的设计，通过机械手液压系统原理图，了解了驱动机械手工作的原理。5机械手Soildworks三维仿真5机械手Soildworks三维仿真5.1软件Soildworks的认识

首先我要对Solidworks进行介绍一下，它是一种先进的，智能化的参变量式CAD设计软件，在业界被称为“3D机械设计方案的领先者”，易学易用，界面友好，功能强大，在机械制图和结构设计领域，掌握和使用Solidworks已经成为最基本的技能之一。

与传统的2D机械制图相比，参变量式CAD设计软件具有许多优越性，是当代机械制图设计软件的主流和发展方向。传统的CAD设计通常是按照一定的比例关系，从正视，侧视，俯视等角度，根据投影，透视效果逐步绘出所需要的各个单元，然后标注相应尺寸，这就要求制图和看图人员都必须具备良好的绘图和三维空间想象能力。如果标注尺寸发生变化，几何图形的尺寸不会同步变更；如果改变了几何图行，其标注尺寸也不会发生变化，还要重新绘制，标注，因此绘图工作相当繁重。

参变量式CAD设计软件，是参数式和变量式的统称。在绘制完草图后，可以加入尺寸等数值限制条件和其他几何限制条件，让草图进入完全定义状态，这就是参数式模式。由于软件自动加入了关联属性，如果修改了标注尺寸，几何图形的尺寸就会同步更新。也可以暂时不充分的限制条件，让草图处于欠定义状态，这就是变量式操作模态。5.2软件的优势

SolidWorks是三维机械设计软件，集成了有限元分析软件，相对二维软件，SolidWorks可以进行产品的运动模拟，检查干涉碰撞从而降低样机报废成本，减少原型机制造成本；且SolidWorks软件的三维模型、二维工程图、装配体是全相关的；对与其中任何一个参数的更改，其他的将发生相应的变更，这样就减少图纸的出错率，减少工程更改单次数，从而缩短产品的上市周期。COSMOSMotion插件是一个集成在Solidworks中的运动分析和仿真模块，其操作简单，容易掌握，给工程师们设计分析带来了巨大的便利。COSMOSMotion可以对复杂机械系统进行完整的运动学仿真和动态静力学分析。若将其仿真得到的大量机械系统运动及动力学参数（诸如每个零部件的约束力曲线、加速度曲线、系统平衡力矩曲线等），运用Excel电子表格进行处理就可以建立起机械系统的动力学模型，求解出机械系统在稳定运转阶段的真实运动规律。5.3运动学仿真仿真的基本步骤为：用Solidworks对零件进行三维造型、装配，然后转到COSMOSMotion，装配约束将自动转化为仿真模型的约束，添加必要的驱动力、工作阻力，建立仿真模型就可以模拟机械运行状况，对机械进行动力与运动分析。机械手的约束基本为旋转约束，另外有下承梁的垂直平移运动。这些运动都是通过一个液压缸来实现。液压缸活塞杆通过上下垂直运动，驱动液压缸活塞杆安装盘作相应的平移运动，从而带动主撑杆或驱动杆的平移和旋转运动。仿真时，以上承梁为固定部件，其他部件为活动部件。模拟的过程采用简化模型，液压缸的作用起一个传力作用．在模拟过程中将液压缸省去，代替作用于上承梁的力驱动。

当液压缸的活塞杆向下移动时，抓爪执行闭合的操作。当液压缸的活塞杆向上移动时，抓爪执行打开的操作。抓取接触过程中，固紧物体和铲臂指尖的相互作用力构成一对约束反力，力学上它随液压缸中的油压不同而变化，也随固紧物体自身刚度的强弱和接触性质而变化。假设在抓取过程中，不考虑固紧物体的可人性即固紧物体不因铲臂指尖的接触而产生挤压和切人破坏，固紧物体与铲臂指尖产生完全的紧密接触，这在力学上用同端约束条件加以处理。6结论6结论针对本次毕业设计课题任务及要求，我查阅大量的相关资料，对设计有了比较深的认识和了解。工业机械手的执行系统主要包括手部，腕部，臂部和机身四部分，但在实际应用过程中，并不是要求必须具备这四个部分，例如在有些机械手中，并没有很明显的腕部，这要根据实际情况来决定。而对于工业机械手的自由度，则是指工业机械手的腕部和臂部等部件相对于固定坐标轴所具有的移动、旋转和左右摆动的是独立运动数，一般为了抓取空间中任意位置和方位的工件，需要有6个自由度，但是自由度数越多，机械手的结构就越复杂，所以可根据实际需要选择最合适的自由度数。根据本次设计的具体任务及要求，设计的内容由手部总体方案的设计、手部结构设计计算、伸缩油缸的设计和机械手手部驱动系统设计组成。根据整个设计过程可以得到如下结论：1、总体方案的确定。采用黑箱法，本章通过黑箱法和形态学矩阵提出了解决问题的多种方案，通过相互对比，最终确定机械手方案采用外抓式手爪形式，齿轮齿条式手爪结构方式，单自由度式手腕，驱动形式为液压驱动方式。2、手部的设计。手部的设计主要包括液压缸的设计和手部传动齿轮的设计，在设计过程中，通过详细的计算，确定了齿轮及液压缸各部件具体参数，最后通过校核保证了这些部件都是满足要求的。3、伸缩油缸的设计。本部分主要是对伸缩油缸的各个部件进行设计及选择，文中对缸筒、活塞及活塞杆等部件进行了计算，并确定了其基本参数，然后对某些部件进行强度校核及稳定性校核的计算，得到这些部件是满足要求的。4、机械手手部驱动系统设计。对液压系统做了简单的介绍，包括了工作原理、工作特性及液压系统的组成等。重点是自动上料机械手液压系统的设计，通过机械手液压系统原理图，了解了驱动机械手工作的原理。本次毕业设计由于实践经验不足和设计条件的限制，加上很多不确定的因素，设计还是存在一定的问题；比如手腕回转结构中轴承的计算与校核等在文中都未详细给出。西安工业大学毕业设计（论文）致谢经过几个月的忙碌和工作，本次毕业论文设计已经接近尾声