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目录
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：
一、 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。
二、 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。
三、 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。
四、 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：
a、 生产纲领：100000件（两班制生产）
b、 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
引 言
在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。随着工业现代化的进一步发展,自动化已经成为现代企业中的重要支柱,无人车间、无人生产流水线等等，已经随处可见。同时，现代生产中，存在着各种各样的生产环境，如高温、放射性、有毒气体、有害气体场合以及水下作业等，这些恶劣的生产环境不利于人工进行操作。
工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分。工业机械手是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机械工业和铁路工业部门的重视。
本课题拟开发物料搬运机械手，采用日本三菱公司的FX2N系列PLC，对实验室现有的TVT—99D机械手模型进行开发。该装置机械部分有滚珠丝杠、滑轨、汽缸、气控机械抓手等；电气方面由步进电机、驱动模块、传感器、开关电源、电磁阀、旋转码盘、操作台等部件组成。我们利用可编程技术，结合相应的硬件装置，控制机械手完成各种动作。
本课题是有我和徐立同同学合作共同完成,在整个设计过程中徐立同同学主要负责硬件方面如接线、画各个电气设备的电路接线图等；而我则是主要负责软件部分,在实际的设计调试过程中我主要负责PLC的接线编程、调试等工作。当然了硬件和软件是不分家的，谁也离不开谁，因此，在整个设计过程中各种方案的敲定与实施均是由我们俩个在指导老师的帮助下共同研究、推敲、讨论试验调试中确定的。为了能够实现机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动线。再加上本课题开发的机械手采用的日本三菱公司的FX2N系列PLC控制，是一种按预先设定的程序进行工件的搬运的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并要实现根据工件的简单的变化要求随时更改相关控制参数。为达到这些要求，我们设计的控制方案尽量在我们力所能及的范围内选择最佳的方案。如在本设计中遇到的对直流电机的控制问题中，在控制直流电机正反转的问题上通过老师的指导我们想到了两种控制方案：一种是在原设备的基础上加上四个继电器实现其控制功能；另一种则是根据三菱公司的FX2N系列PLC的输出端的内部电路的特点，可以在不增加其他设备的情况下实现控制要求。我在最大限度的满足工艺流程和控制要求的同时，还要考虑要有很高的性价比，因此我们选择了后一种方案。也许后一种方案有其弊端，但目前还没有发现。望大家多多指教。
当然了，由于我们水平的限制和时间的仓促，在很多地方的控制方案还不是很理想，同时还遗留有很多的问题，需要进一步的研究中才能解决，望各位老师和广大同学批评和指教。 机械手的毕业设计说明书一．前言1．1设计的意义与作用机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。 在工业生产过程中，尤其在自动流水线上，零件的加工和搬运都可能用到机械手。本课题就为解决海门恒豪制针有限公司在缝纫机针的生产过程中，抛光这一工艺工作。缝纫机针且夹紧不方便，要使用一个专用夹具用于抛光工作，为了解决以上传统的缺点，设计了该液压式摆动机械手。1.2机械手的工作原理 该机械手采用了液压驱动方式来实现其工作的要求，工作要求就是机械手臂的上下能够摆动，手臂的回转运动，手腕的回转运动及手部的夹持运动，本次设计的机械手主要用于缝纫机针的抛光工作，可用几台液压摆动机械手与抛光机相配合，进行协调实现抛光工作的自动化生产线，机械手的手指夹持缝纫机针，在即旋转又往复移动的抛光机上进行上下摆动，根据抛光工艺过程，自动线上有4台机械手，各机械手间互传递着缝纫机针，调换缝纫机针的大小头，并进行粗精抛光操作。1．3抛光自动生产线的组成及工作原理抛光自动生产线的平面布置图如下：1．4．自动生产线的工作方式及组成： 全线由震动式顺针机，上料工作台，4台机械手，4台抛光机和装针斗组成。4只抛光轮分别由电动机带动旋转，由另外的电动机经传动装置（如曲柄滑块机构）带动4只抛光轮一同作左右往复运动，每台机械手分别由自身的电子程序控制器控制，根据抛光工艺要求所编制的程序，依次进行程序转换，控制机械手液压系统的电磁换向阀，从而使机械手按程序进行各种动作。 4台机械手动作相同，全自动线动作过程如下：机械手1在上料位置工人将待抛光的针70-80支，经震动式顺针机整齐后送到待夹料位置，发信号启动，机械手1的手指将针夹牢，手臂顺时针回转90°到抛光位置（此时抛光机已经旋转并左右移动），手臂上下摆动一次，手腕回转180°手臂再上下摆动一次（手臂两次下摆动作时间不同，根据需要可自行调整），手臂顺时针再回转90°（即到180°位置），机械手1和机械手2同到换夹针位置，机械手2先将缝纫机针夹牢后再发信号，机械手1的手指才松开，并开始复原，即手臂逆时针回转180°，同时手腕反向回转180°，到达上料位置，等待下个工作循环，机械手2，机械手3，机械手4的动作程序与机械手1相同。缝纫机针就在各机械手间依次传递，调换针的大小头，进行粗抛和精抛操作。当机械手4抛光程序完成后，其手臂转到下料位置时手指松开，将抛光好的针卸到装针2．1液压摆动机械手的工作参数 抓针数量：一次夹持缝纫机针70-80只 座标型式：球坐标 自由度数：3个 手臂回转范围：0°-180° 手臂回转速度：90°／S 手臂的俯仰范围：0°-180° 驱动方式：液压驱动 控制方式：采用电子程序控制 定位方式：手臂回转的两端位置用死挡铁定位 手臂俯仰两端点：用活塞与端盖相碰定位2．2液压摆动机械手的工作原理简图：结论 液压摆动机械手能将工件从一个工位，传到下一个工位的工作，它从外部结构上把自动线中的各台自动机床联系成一个整体。有一定的握力和工作速度，有准确的定位精度，将零件可靠地装上夹具，能准确可靠的完成预定工作。参考文献
液压传动系统的故障分析与排故
液压传动是以液压油为工作介质进行能量转换和动力传递的，它具有传送能量大、布局容易、结构紧凑、换向方便、转动平稳均匀、容易完成复杂动作等优点，因而广泛应用于工程机械领域。但是，液压传动的故障往往不容易从外部表面现象和声响特征中准确地判断出故障发生的部位和原因，而准确迅速地查出故障发生的部位和原因，并及时排除。在工程机械的使用、管理和维修中是十分重要的。
��1 液压系统的主要故障
��在相对运动的液压元件表面、液压油密封件、管路接头处以及控制元件部分，往往容易出现泄漏、油温过高、出现噪音以及电液结合部分执行动作失灵等现象。具体表现：一是管子、管接头处及密封面处的泄漏，它不仅增加了液压油的耗油量，脏污机器的表面，而且影响执行元件的正常工作。二是执行动作迟缓和无力，表现为推土机铲刀提升缓慢、切土困难，挖掘机挖掘无力、油马达转不起来或转速过低等。三是液压系统产生振动和噪音。四是其他元件出现异常。
��2 故障的检查
��2.1 直接检查法
�凭借维修人员的感觉、经验和简单工具，定性分析判断故障产生的原因，并提出解决的办法。
�2.2 仪器仪表检测法
�在直接观察的基础上，根据发生故障的特征和经验，采取各种检查仪器仪表，对液压系统的流量、压力、油温及液压元件转速直通式检测，对振动噪音和磨损微粒进行量的分析。
�2.3 元件置换法
�以备用元件逐一换下可能发生故障的元件，观察液压系统的故障是否消除，继而找出发生故障的部位和原因，予以排除。在施工现场，体积较大、不易拆装且储备件较少的元件，不宜采用这种方法。但对于如平衡阀、溢流阀及单向阀之类的体积小，易拆装的元件，采用置换法是比较方便的。
�2.4 定期按时监控和诊断�根据各种机械型号、检查内容和时间的规定，按出厂要求的时间和部位，通过专业检测、监控和诊断来检测元器件技术状况，及时发现可能出现的异常隐患，这是使液压系统的故障消灭在发生之前的一种科学技术手段。当然，执行定期检测法，首先要培养一些专业技术检测人员，使他们既精通工程机械液压元件的构造和原理，又掌握和钻研检测液压传动系统的各种诊断技术，在不断积累靠人的直感判断故障经验的同时，逐步发展不解体诊断技术，来完成技术数据采集，辅以电脑来分析判断故障的原因及排除方法。
��3 液压系统的故障预防
��3.1 保证液压油的清洁度
�正确使用标定的和要求使用的液压油及其相应的替代品(详参《工程机械油料手册》)，防止液压油中侵入污物和杂质。因为在液压传动系统中，液压油既是工作介质，又是润滑剂，所以油液的清洁度对系统的性能，对元件的可靠性、安全性、效率和使用寿命等影响极大。液压元件的配合精度极高，对油液中的污物杂质所造成的淤积、阻塞、擦伤和腐蚀等情况反应更为敏感。
�造成污物杂质侵入液压油的主要原因，一是执行元件外部不清洁；二是检查油量状况时不注意；三是加油时未用120目的滤网过滤；四是使用的容器和用具不洁净； 五是磨损严重和损坏的密封件不能及时更换；六是检查修理时，热弯管路和接头焊修产生的锈皮杂质清理不净；七是油液贮存不当等等。�在使用检查修理过程中，应注意解决这些问题，以减少和防止液压系统故障的发生。
�3.2 防止液压油中混入空气
�液压系统中液压油是不可压缩的，但空气可压缩性很大，即使系统中含有少量空气，它的影响也是非常大的。溶解在油液中的空气，在压力较低时，就会从油中逸出产生气泡，形成空穴现象；到了高压区，在压力的冲击下，这些气泡又很快被击碎，急剧受到压缩，使系统产生噪音。同时，气体突然受到压缩时，就会放出大量的热能，因而引起局部受热，使液压元件和液压油受到损坏，工作不稳定，有时会引起冲击性振动。
�故必须防止空气进入液压系统。具体做法：一是避免油管破裂、接头松动、密封件损坏；二是加油时，避免不适当地向下倾倒；三是回油管插入油面以下；四是避免液压泵入口滤油器阻塞使吸油阻力增大，不能把溶解在油中的空气分离出来。
�3.3 防止液压油温度过度�液压系统中的油液的工作温度一般在30℃～80℃范围内比较好，在使用时必须注意防止油温过高。如油箱中的油面不够，液压油冷却器散热性能不良，系统效率太低，元件容量小，流速过高，选用油液粘度不正确，它们都会使油温升高过快。粘度高增加油液流动时的能量损耗，粘度低会使泄漏增多，因此在使用中能注意并检查这些问题，就可以预防油温过高。此外对液压油定期过滤，定期进行物理性能检验，既能保证液压系统的工作性能，又能减少液压元件的磨损和腐蚀，延长油液和液压元件的使用寿命。
��4 液压系统的故障分析
��4.1 传动系统分析法
�工程机械的液压传动系统如果维护得好，一般说来故障是比较少的。由于密封件老化、变质和磨损而产生外泄是很容易观察到的，根据具体情况可设法排除。但是如果液压元件的内部发生了故障是观察不到的，往往不容易一下子就找出原因，有时虽然是同样的故障现象，但产生的原因却不一定相同，要想准确而迅速地找出液压元件的故障的部位和原因，首先要根据发生故障元件的构造图、系统图，分析了解和研究元件的工作原理和特性，再使了解的构造原理与实物对号，具体情况具体分析，检查寻找故障发生的部位和产生的原因，以便采取相应的技术措施来排除故障。
�4.2 逻辑流程分析法
�此方法是根据液压传动系统的基本原理进行逻辑分析，减少怀疑对象，逐步逼近找出故障发生的部位和原因。
��5 液压系统故障的排除
��(1) 液压系统中管子、管子接头和焊接处，由于振动频率较高，常常发生破坏。在换用时要根据压力和使用场合，选用强度足够，内壁光滑清洁，无砂、无伤、无锈蚀、无氧化皮的管子。当管子需要焊接时，最好采用加套管的办法，因为对接可能使管的内径局部缩小；截段时，油管的截面与管子轴线的不垂直度不得大于0.5°，并清除铁屑和锐边倒钝。当管子支承距离过大或支承松动时要设卡固定拧紧，当弯曲半径过小时，易形成弯曲应力，弯曲半径一般应大于管外径的3倍。
�在密封表面处，密封元件的老化变质会使泄漏量增大。密封件的有效寿命通常是：固定元件之间的密封寿命时间为10000h，运动元件之间密封寿命时间为1500h～2000h。到了规定的使用寿命时间后，即使还可用的元件也应该更换。密封面的泄漏还与预压面的压力不够或不均匀有关。预压量增大时，其封油量压力增大，密封效果好，反之则差。再者摩擦表面光洁度与硬度不足也会缩短密封件的寿命。
�密封件设计不合理以及安装时扭曲刮伤也是导致密封圈早期磨损而引起泄漏的原因。
�油液中杂质过多，易加速密封件与摩擦表面的磨损，形成密封件的早期失效，油封工作温度过高或过低也会影响其寿命和工作性能。
� (2) 执行元件运动的速度降低，主要是由于输入执行元件的液压油流量不足；执行元件无力的原因主要是输入液压油压力不足，以及回油管路背压过高等因素所造成的。
�工程机械液压系统所用的油泵多为齿轮泵，其工作压力为210×102kPa，柱塞泵的工作压力可达320×102kPa。泵的输出压力是由荷载决定的，并随着荷载的变化而变化。荷载无限增加，泵的压力也无限升高，直到系统某一部分被破坏。对于齿轮泵：主要是轴承、齿轮啮合面、齿顶与壳体、齿轮端面与泵盖间的磨损和密封件的磨损、老化、损坏使齿轮泵的内漏表现更为突出。在一定转速与一定压力下，对无端面间隙补偿的齿轮泵，其轴线磨损引起的泄漏约占全部内漏量的75%～85%，齿顶间隙内漏量约占15%～20%，其他内漏约占4%～5%，因此我们要抓住主要问题，采取有效的技术措施予以解决，就能使泵恢复其原有性能。
�在维修工作中，我们发现使用了一定时间的齿轮泵，由于啮合挤压，在齿顶和端面会产生毛刺，使泵体和端盖的磨损加剧，尤其是铝合金泵盖更为严重。如能定期修理检查，用油石磨掉所产生的毛刺，则可以延长油泵的寿命。叶片泵的主要故障是定子、叶片、转子、轴承和两侧配流盘的磨损，定子的内表面是由圆弧和过渡曲线组成的，过渡曲线如果采用“阿基米德”螺旋线，则叶片径向等速运动。实践证明，当我们将叶片泵解体修理时，定子内表面就在曲线与圆弧连接部分磨损最严重，换掉磨损严重的定子，可以使叶片泵恢复原有的性能，采用这种修理方法是比较经济的。叶片泵转子、叶片的使用寿命约相当于定子使用寿命的两倍，这在备料时应予以考虑。
�(3) 液压系统的蓄能器是用来调节能量、贮存能量、减少设备容积、降低功率消耗、减少系统发热、缓冲吸收冲击和脉动压力的辅助元件。常见的蓄能器有胶囊式的，它具有漏气损失小、反应灵敏、可以吸收急速的压力冲击和脉动、重量轻、体积小等特点。蓄能器发生故障会影响液压系统的正常工作，因此在检查气压量不足时，应按时充入惰性气体。
�(4) 液压系统中，要求装备精度高的还有液压马达。如果注意日常维护和保养，防止油液污染，一般不会发生故障，进入液压马达的油液须仔细过滤，以减少杂质，防止过快磨损。修理后的马达，应注满干净的液压油，排尽系统中的空气。确定不了马达是否有故障，最好不要拆卸，这样可减少污染的机会和保持配合的精度。液压缸是液压系统中的执行元件，常见的故障有漏油和运动不正常。缸头因密封件损坏而外泄，应立即更换密封件；油缸运动不正常有油缸内漏、油路中有空气、活塞密封件老化和损坏、油液有杂质、平衡阀发生故障等。
�(5) 控制元件是用来实现系统和执行元件对压力、流量方向的要求的。控制阀及时控制系统中最重要的元件，由于阀的配合一般都比较精密，所以在修理时应特别注意，不需拆阀芯的尽量不要抽出阀芯；配合副方位不要错乱，偶件不要互换；螺丝的拧紧力矩要均匀一致，锥形阀芯的接触线磨损可采用研磨修正接触线的办法解决；回位弹簧疲劳时，可予更换。
