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哈爾濱理工大學專科生畢業(yè)論文
哈爾濱理工大學榮成學院
專科生畢業(yè)設計（論文）任務書
學生姓名：張濤 學號：1030310111
學 院： 榮成學院 專業(yè)：機械設計與制造
任務起止時間： 2013年02月25日至 2013年06月 21日
畢業(yè)設計（論文）題目：
沖壓機械手---升降部分機械結(jié)構(gòu)設計
畢業(yè)設計工作內(nèi)容：
1、實際調(diào)研，收集相關資料；1—3周
2、結(jié)合生產(chǎn)實際，設計機械手的總圖；4—7周
3、設計機械手的升降缸，迴轉(zhuǎn)缸，定位缸結(jié)構(gòu)圖；8—11周
4、設計零件的工作圖；12---13周。
5、撰寫畢業(yè)設計論文；準備答辯。 14---16周。
注：要求全部用計算機繪圖和打印文稿（交打印件和電子稿）
資料：
1、工業(yè)機器人設計手冊；
2、非標設計手冊；
3、液壓與氣壓傳動；
4、相關的技術資料。
指導教師意見：
簽名：
2013年 2 月 24 日
系主任意見：
簽名：
2013年2月 25日
畢 業(yè) 設 計
題 目： 沖壓機械手-升降部分設計
院 、 系： 榮成學院、機械工程系
姓 名： 張 濤
指導教師： 張寶海
系 主 任： 陶福春
2013 年 6 月 20 日
哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文
沖壓機械手—升降部分機械結(jié)構(gòu)設計
摘要
機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設備。通過編程來完成各種動作，它的準確性和多自由度，保證了機械手能在各種不同的環(huán)境中工作。機械手在工業(yè)生產(chǎn)中應用較多，機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。機械手可以完成很多工作，它在自動化車間中用來運送物料，從事多種工藝操作。它的特點是通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器人的部分優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的靈活協(xié)調(diào)和機器人的精確到位。
機械手是在機械自動化生產(chǎn)中逐步發(fā)展出的一種新型裝置。現(xiàn)代生產(chǎn)過程中機械手被廣泛的應用到自動生產(chǎn)線中。機械手目前雖然不如人手的靈活多變，但它具有重復性，無疲勞，不懼危險，有大的抓舉力量，因此越來越多的被廣泛運用。
機械手技術涉及機械學、力學、自動控制技術、傳感技術、電氣液壓技術，計算機可編程技術等，是一門跨學科綜合技術。機械手的運動包括升降、回轉(zhuǎn)、伸縮、夾持等動作。
本課題主要設計機械手升降部分的機械結(jié)構(gòu)，包括機械手的升降和回轉(zhuǎn)液壓缸的結(jié)構(gòu)設計。
關鍵詞 數(shù)控；自動裝卸；機械手；PLC
目錄
摘要 I
第1章 緒論 - 1 -
1.1 課題背景 - 1 -
1.2 機械手的發(fā)展 - 2 -
1.3 工業(yè)機械手的分類 - 2 -
1.4 課題設計的目的及意義 - 4 -
第2章 機械手的概述 - 5 -
2.1 機械手的組成 - 5 -
2.2 機械手的主要參數(shù) - 6 -
2.3 應用機械手的意義 - 6 -
2.4 機械手功能圖示 - 7 -
第3章 任務分析 - 8 -
3.1 動作分析 - 8 -
3.2 動作節(jié)拍 - 8 -
3.3 總體方案 - 8 -
3.4 方案比較 - 8 -
第4章 總體設計 - 9 -
4.1 總體設計的思路 - 9 -
4.2 總體方案的確定 - 9 -
4.3 主要研究目標 - 9 -
第5章 部件設計 - 10 -
5.1 升降部分的驅(qū)動設計 - 10 -
5.2 升降部分的結(jié)構(gòu)設計 - 11 -
5.3 回轉(zhuǎn)部分的結(jié)構(gòu)設計 - 13 -
第6章 零件設計 - 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 - 19 -
致謝 - 20 -
II
- 21 -
第1章 緒論
1.1 課題背景
隨著我國社會經(jīng)濟的迅猛發(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 張的供求關系,我們就得研究開發(fā)機械手。 新中國成立特別是改革開放以來，我國社會主義現(xiàn)代化建設取得了舉世矚目的偉大成就。同時，必須清醒地看到，我國正處于并將長期處于社會主義初級階段。全面建設小康社會，既面臨難得的歷史機遇，又面臨一系列嚴峻的挑戰(zhàn)。經(jīng)濟增長過度依賴能源資源消耗，環(huán)境污染嚴重；經(jīng)濟結(jié)構(gòu)不合理，農(nóng)業(yè)基礎薄弱，高技術產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)代服務業(yè)發(fā)展滯后；自主創(chuàng)新能力較弱，企業(yè)核心競爭力不強，經(jīng)濟效益有待提高。在擴大勞動就業(yè)、理順分配關系、提供健康保障和確保國家安全等方面，有諸多困難和問題亟待解決。從國際上看，我國也將長期面臨發(fā)達國家在經(jīng)濟、科技等方面占有優(yōu)勢的巨大壓力。為了抓住機遇、迎接挑戰(zhàn)，我們需要進行多方面的努力，包括統(tǒng)籌全局發(fā)展，深化體制改革，健全民主法制，加強社會管理等。與此同時，我們比以往任何時候都更加需要緊緊依靠科技進步和創(chuàng)新，帶動生產(chǎn)力質(zhì)的飛躍，推動經(jīng)濟社會的全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。進入21世紀，我國作為一個發(fā)展中大國，加快科學技術發(fā)展、縮小與發(fā)達國家的差距，還需要較長時期的艱苦努力，同時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，更有利于形成獨特的創(chuàng)新文化。只要我們增強民族自信心，貫徹落實科學發(fā)展觀，深入實施科教興國戰(zhàn)略和人才強國戰(zhàn)略，奮起直追、迎頭趕上，經(jīng)過15 年乃至更長時間的艱苦奮斗，就一定能夠創(chuàng)造出無愧于時代的輝煌科技成就。科技工作的指導方針是：自主創(chuàng)新，重點跨越，支撐發(fā)展，引領未來。自主創(chuàng)新，就是從增強國家創(chuàng)新能力出發(fā)，加強原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進消化吸收再創(chuàng)新。重點跨越，就是堅持有所為、有所不為，選擇具有一定基礎和優(yōu)勢、關系國計民生和國家安全的關鍵領域，集中力量、重點突破，實現(xiàn)跨越式發(fā)展。支撐發(fā)展， 就是從現(xiàn)實的緊迫需求出發(fā)，著力突破重大關鍵、共性技術，支撐經(jīng)濟社會的持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。引領未來，就是著眼長遠，超前部署前沿技術和基礎研究，創(chuàng)造新的市場需求，培育新興產(chǎn)業(yè)，引領未來經(jīng)濟社會的發(fā)展。這一方針是我國半個多世紀科技發(fā)展實踐經(jīng)驗的概括總結(jié)，是面向未來、實現(xiàn)中華民族偉大復興的重要抉擇。要把提高自主創(chuàng)新能力擺在全部科技工作的突出位置。在對外開放條件下推進社會主義現(xiàn)代化建設，必須認真學習和充分借鑒人類一切優(yōu)秀文明成果。改革開放 20 多年來，我國引進了大量技術和裝備，對提高產(chǎn)業(yè)技術水平、促進經(jīng)濟發(fā)展起到了重要作用。但是，必須清醒地看到，只引進而不注重技術的消化吸收和再創(chuàng)新，勢必削弱自主研究開發(fā)的能力，拉大與世界先進水平的差距。總之，必須把提高自主創(chuàng)新能力作為國家戰(zhàn)略，貫徹到現(xiàn)代化建設的各個方面，貫徹到各個產(chǎn)業(yè)、行業(yè)和地區(qū)，大幅度提高國家競爭力。我國科學技術發(fā)展的總體目標是：自主創(chuàng)新能力顯著增強，科技促進經(jīng)濟社會發(fā)展和保障國家安全的能力顯著增強，為全面建設小康社會提供強有力的支撐；基礎科學和前沿技術研究綜合實力顯著增強，取得一批在世界具有重大影響的科學技術成果，進入創(chuàng)新型國家行列，為在本世紀中葉成為世界科技強國奠定基礎，形成比較完善的中國特色國家創(chuàng)新體系。
1.2 機械手的發(fā)展
機械手一般為三類：一是不需要人工控制的通用型機械手。它是不屬于其他主機的獨立裝置?？梢愿鶕?jù)任務需要編制獨立程序完成各項規(guī)定操作。它的特點是具備不同裝置的性能之外還具備通用機械及記憶功能的三元型機械。二是需要人工操作的，起源于原子，軍事工業(yè)。先是通過操作完成特定工序，后來逐步發(fā)展到無線遙控操作。第三類是專用機械手，通常依附于自動生產(chǎn)線上，用于機床的上下料和裝卸工件。這種機械手國外叫做“Mechanical Hand”。它由主機驅(qū)動來服務，工作程序固定，一半是專用的。
機械手首先是在美國開始研制。第一臺機械手是在1958年美國聯(lián)合控制公司研究制作出來的。結(jié)構(gòu)是：主機安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，長臂頂端有電磁 抓放機構(gòu)。
日本在工業(yè)上應用機械手最多，發(fā)展最快的國家，自1969年從美國引進兩種機械手后開始大力研發(fā)機械手。
前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展和應用，自1977年，前蘇聯(lián)使用的機械手一半來自國產(chǎn)一半來自進口。
現(xiàn)代工業(yè)中，自動化在生產(chǎn)過程中已日趨突出，機械手就是在機械工業(yè)中為實現(xiàn)加工、裝配、搬運等工序的自動化而產(chǎn)生的。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，機械手的出現(xiàn)大大減輕了人類的勞動，提高了生產(chǎn)效率。采用機械手已為目前研究的熱重點。
目前機械手在工業(yè)上主要用于機床加工、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)機械手的分類
現(xiàn)在對工業(yè)機械手的分類尚無明確標準，一般都從規(guī)格和性能兩方面來分類。
1.按規(guī)格（所搬運工件的重量）分類：
(1)微型的—搬運重量在1公斤以下；
(2)小型的—搬運重量在10公斤以下；
(3)中型的—搬運重量在50公斤以下；
(4)大型的—搬運重量在50公斤以上。
目前大多數(shù)工業(yè)機械手能搬運的重量為1~30公斤，最小的為0.5公斤，最大的已達到800公斤。
2.按功能分類：
(1)簡易型工業(yè)機械手
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)動控制來給定程序。
這種機械手多為氣動或液動，結(jié)構(gòu)簡單，改變程序比較容易。只使用在在程序較簡單的點位控制，但作為一般單機服務的搬運作業(yè)已足夠。所以，目前這種工業(yè)機械手數(shù)量最多。
(2)記憶再現(xiàn)型工業(yè)機械手
這種工業(yè)機械手由人工通過實驗裝置傳動一遍，由磁帶（或磁鼓）把程序記錄下來，此機械手就自動按記憶的程序重復進行循環(huán)動作。
這也是采用較多一種，多為電液伺服驅(qū)動，與前者比較有較多的自由度，能進行程序較復雜的作業(yè)，通用性較廣。
(3)計算機數(shù)字控制的工業(yè)機械手
可通過更換穿孔帶或其他記憶介質(zhì)來改變工業(yè)機械手的動作，還可以進行多種控制（DNC）。技術還可以是可編程程序控制或普通的微機計算機。
(4)智能工業(yè)機械手（機器人）
由電子計算機控制，通過各種傳感元件等具有視覺、熱覺、觸覺、行走機構(gòu)等。
3.按用途分：
(1)專用機械手
附屬于主機的，具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置，這種工業(yè)機械工作對象不變，手動比較簡單，結(jié)構(gòu)簡單，使用可靠，適用于大批量生產(chǎn)自動線或?qū)C作為自動上、下料用。
(2)通用機械手
具有獨立控制系統(tǒng)，程序可變、動作靈敏、動作靈活多樣的機械手。通用機械手的工作范圍大，定位精度高，通用性強，適用于工件經(jīng)常變換的中、小批量自動化生產(chǎn)。
1.4 課題設計的目的及意義
自改革開放，我國經(jīng)濟高速發(fā)展，機械手早期應用在汽車制造業(yè)。當面臨人工無法實現(xiàn)的工作時，機械手成為了替代人工的替代品。機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。機械手可以完成很多工作，它在自動化車間中用來運送物料，從事多種工藝操作。它的特點是通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器人的部分優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的靈活協(xié)調(diào)和機器人的精確到位。
隨著科學技術的發(fā)展，人們對機械手的安全性，可靠性，準確性有了充分的認識，同時對其要求也越來越高?？删幊炭刂破鲬{其穩(wěn)定性，簡單性，強大性成為了目前應用最廣的工業(yè)自動化支柱之一。
第2章 機械手的概述
2.1 機械手的組成
機械手的形式是多樣的，但是其基本的組成都是相似的。一般機械手由執(zhí)行機構(gòu)、傳動機構(gòu)，控制系統(tǒng)和輔助裝置組成。
（圖2.1.1 機械手的組成及相互關系）
1.執(zhí)行機構(gòu)
執(zhí)行機構(gòu)由手、關節(jié)、手臂和支柱組成，與人體手臂相似。手為抓取機構(gòu)，用于抓取工件。關節(jié)是連接手與手臂的關鍵性原件，具有多方位旋轉(zhuǎn)特性。支柱用來支撐手臂，可做活動支柱方便機械手多方位移動。
·傳動機構(gòu)
傳動機構(gòu)用于實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的動作。常用的有機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動，電力傳動等形式。
2.控制系統(tǒng)
機械手按照制定的程序，步驟，參數(shù)進行動作完成該指定工作要依靠控制系統(tǒng)來實現(xiàn)。簡易機械手通常情況下不使用專用的控制系統(tǒng)，只有動作復雜的機械手采用可編程控制器，微型計算機控制進行動作。
3.輔助裝置
輔助裝置主要是連接機械手各部分元件的裝置。
2.2 機械手的主要參數(shù)
傳動方式
反應速度
尺寸和重量
負荷能力
控制方式
操控范圍
反應速度
定位
自由度
安全性
實用性
2.3 應用機械手的意義
隨著科技的發(fā)展，機械手應用的越來越多。在機械工業(yè)中，機械手應用的意義概括如下：
1.提高生產(chǎn)過程自動化程度，增強生產(chǎn)效率。
機械手方便與材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換等自動化過程，從而提高勞動生產(chǎn)率和降低勞動投入，從而降低生產(chǎn)成本。
2.改善勞動條件
在車間的勞動環(huán)境下，高溫、高壓、噪音、灰塵等污染會嚴重影響人的身體健康，人在車間工作不可避免的會接觸到危險，而應用機械手可以替代人安全的完成作業(yè)，從而改善勞動條件。
在一些簡單，重復的工作中以機械手代替人進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)。
機械手的應用增強了自動化生產(chǎn)，會減少人力的使用。機械手可以長時間重復性連續(xù)完成工作，這是人工無法實現(xiàn)并完成的。生產(chǎn)線增加使用機械手以減少人力和精準的生產(chǎn)節(jié)拍，有利于節(jié)奏性的工作生產(chǎn)。
綜上所述，機械手的合理利用是機械行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。
2.4 機械手功能圖示
第3章 任務分析
3.1 動作分析
根據(jù)生產(chǎn)條件要求，機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填料口，然后返回，重復這一動作。
3.2 動作節(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—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、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—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方式均可完成加工原料的自動填充，但是從工作效率與經(jīng)濟性方面考慮還是應采用方案一。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)濟效益。反觀方案二，空行程各自獨立，浪費了時間，而且在手指抓料的情況下手臂在進行縮回，這樣雖然節(jié)省時間，但是嚴重影響了機械手的工作穩(wěn)定性，對于機械手的穩(wěn)定運行有不利的影響，長時間如此會縮短機械手的使用壽命。
綜合兩方案的優(yōu)缺點，決定采用效率高、經(jīng)濟性好、可長時間穩(wěn)定運行的方案一。
第4章 總體設計
4.1 總體設計的思路
設計機械手基本上分為以下幾個階段：
1.系統(tǒng)分析階段
（1）根據(jù)所設計的要求首先確定機械手的目的和任務；
（2）分析機械手需要適應的工作環(huán)境；
（3）根據(jù)機械手的工作要求，確定機械手的基本功能和方案，如機械手的自由度、所能抓取的重量。
2.技術設計階段
（1）確定驅(qū)動系統(tǒng)的類型；
（2）選擇各部件的具體結(jié)構(gòu)，進行機械手總裝圖的設計；
（3） 繪制機械手的零件圖，并確定尺寸。
4.2 總體方案的確定
提到液壓機械手總圖方案的確定，我們重復一下本課題的技術指標。
技術指標如下所示：
1.最大抓取重量：10kg；
2.工件最大尺寸（長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：10萬件/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，本設計采用液壓系統(tǒng)來控制機械手。
4.3 主要研究目標
1.總體方案設計；
2.液壓系統(tǒng)的原理設計；
3.手臂部分的機械結(jié)構(gòu)設計；
4.升降部分的機械結(jié)構(gòu)設計。
第5章 部件設計
5.1 升降部分的驅(qū)動設計
5.1.1常用驅(qū)動系統(tǒng)及其特點
工業(yè)常用驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據(jù)需要也可將這三種基本類型組合成復合式的驅(qū)動系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點如下：
1.液壓驅(qū)動系統(tǒng)
具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動、精度高等特點。適合于在承載能力大、慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機械手。
2.氣動驅(qū)動系統(tǒng)
具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維修方便。價格低等特點。適用于中、小負荷的機械手中采用。但是因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機械手中。
3.電動驅(qū)動系統(tǒng)
具有使用方便、噪聲較低、控制靈活的特點。這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，但大多數(shù)電機后需安裝精密的傳動機構(gòu)。
根據(jù)課題要求，該沖壓機械手采用液壓驅(qū)動系統(tǒng)。
5.1.2升降液壓缸驅(qū)動力的計算
由手臂升降驅(qū)動力的公式得：
F驅(qū) =F摩+F慣+F回+F密±G總
1. F摩的計算
F摩 =2FR ? 取?=0.25 FR=4600N
所以 F摩 =2FR ?=2×4600×0.25 =2300N
2. F慣的計算
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—啟動過程時間（t），一般取0.01s～0.05s。
手臂啟動速度△V=0.025m/s,啟動時間△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回的計算
一般背壓阻力較小，為了計算方便，將其省略。
4. F密的計算
不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設計中，采用O型密封圈，當液壓缸工作壓力小于10MPa時，液壓缸密封處的總的摩擦阻力為： F密 =0.03F驅(qū)
經(jīng)過以上的分析計算，液壓缸的驅(qū)動力為：
F驅(qū) =F摩+F慣+F回+F密±G總 =2300 + 293.4 + 0.03 F驅(qū) ±2300
所以 當液壓缸向上驅(qū)動時 F驅(qū) =5044.7N
當液壓缸向下驅(qū)動時 F驅(qū) =302.4N
5.2 升降部分的結(jié)構(gòu)設計
5.2.1升降缸的參數(shù)計算
經(jīng)過上面的計算，確定了液壓缸的驅(qū)動力 F驅(qū)，液壓缸的工作壓力由驅(qū)動力與液壓缸工作壓力關系表可得P=0.8MPa，為了滿足要求，此時取F驅(qū) =1.2×5044.7N=6053.6N進行計算。
驅(qū)動力與液壓缸工作壓力關系表2-1
1. 液壓缸內(nèi)徑D計算：
當油從無桿腔進入：
當油從有桿腔進入：
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)動力（N）
D—液壓缸內(nèi)徑（mm）
d—活塞桿直徑（mm）
η—液壓缸機械效率，在工程機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)標準液壓缸內(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
標準液壓缸內(nèi)徑系列表2-2（JB826—66） 單位mm
2. 活塞桿直徑d計算
活塞桿直徑d根據(jù)工作壓力選取，當液壓缸的往復速度比λv有要求時，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
液壓缸往復速度比推薦值表2-4
工作壓力p/MPa
≤10
10～20
＞20
往復速度比λv
1.33
1.46～2
2
由液壓缸往復比推薦值表可知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)標準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)動力F
160mm
194mm
0.8MPa
80mm
6053.6N
手臂升降缸
工作原理：
當液壓油從下端油口輸入時，升降液壓缸將做上升運動，液壓油從上端油口回油；當液壓油從上端油口進油時，液壓缸做下降運動，液壓油從下端油口回油。
5.3 回轉(zhuǎn)部分的結(jié)構(gòu)設計
5.3.1 回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動力矩計算
手臂回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動力矩 M驅(qū) =M慣+M密+M回
1. M慣的計算
回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個高1500mm，半徑為60mm的圓柱體，圓柱體重量為G總=1500N,設啟動角速度△t =0.314rad/s,啟動時間△t =0.1s。
所以
2.M密和M回的計算
為了方便計算，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，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)標準液壓缸內(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—動片寬度（mm）
d—輸出軸與動片聯(lián)接處的直徑（mm）
根據(jù)標準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′
動片寬度b
輸出軸直徑d
驅(qū)動力矩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，缸桶轉(zhuǎn)動。軸當液壓油從B側(cè)進入時，回轉(zhuǎn)液壓缸缸桶逆時針轉(zhuǎn)動；當液壓油從A側(cè)進入時，回轉(zhuǎn)液壓缸缸桶順時針轉(zhuǎn)動。
第6章 零件設計
6.1 手臂液壓缸螺釘?shù)男：?
螺釘間距t與壓力P之間的關系表4-1
t為螺釘?shù)拈g距，間距跟工作壓力有關，每個螺釘在危險截面上承受的拉力為：
FQs = FQ + FQsˊ FQ為工作載荷，F(xiàn)Qsˊ為預緊力
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
按標準螺釘直徑系列選取，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：
按標準螺釘直徑系列選取，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—缸筒的試驗壓力，當缸的額定壓力Pn≤16MPa時取Py=1.5Pn，當Pn＞16MPa時取Py=1.25Pn；
—缸筒材料的許用應力;
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。
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結(jié)論
本課題所設計的機械手的操作過程是由電動機和液壓缸組成執(zhí)行機構(gòu)作為驅(qū)動，系統(tǒng)采用可編程控制器控制，運用步進順序控制編程，程序簡單且便于調(diào)試。 通過PLC 本身通信接口與計算機聯(lián)網(wǎng)，對現(xiàn)場操作的各項參數(shù)進行監(jiān)測、修改、調(diào)整，使系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)。利用 PLC 控制機械手相對于其它控制方式，具有很高的可靠性，較好的性價比，較強的可操作性和實用性。就本課題設計的目的，實際應用運行良好，大大方便了工作和生活。
本次畢業(yè)設計只是對機械手的升降部分做了系統(tǒng)的設計計算，了解了機械手設計的一般過程，通過對機械手的結(jié)構(gòu)設計做了系統(tǒng)的分析，掌握了一定的機械設計的方面的只是，為以后的工作學習奠定了基礎，本次畢業(yè)設計所設計的機械手符合設計要求，能實現(xiàn)相應的動作。
參考文獻
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9 張建民主編. 工業(yè)機器人設計手冊. 北京理工大學出版社，2010.1
致謝
為期四個月的?？飘厴I(yè)設計即將結(jié)束，本次畢業(yè)設計的研究工作是在我的指導老師張老師的精心指導和同學的幫助下完成的。在這里，首先要向本次設計的指導老師表示最誠摯的謝意。老師在自己緊張的工作中，仍然會抽出時間對我進行指導，時刻關心我的設計的進展狀況。老師給予的幫助對我的設計是非常重要的，從借閱參考資料到現(xiàn)場的實際操作，他都給予了指導，不僅讓我掌握了書本中的知識，更學會了學習操作方法，如何合理安排時間和論文的編寫，對我提出的問題認真講解，這讓我更容易懂得那些比較難的問題。其次，還要向給予此次畢業(yè)設計幫助的同學們以誠摯的謝意，在整個設計過程中，他們也給我很多幫助，更重要的是為我們提供不少技術方面的資料，在此感謝他們，沒有這些資料就不是一個完整的論文。總之，本次設計是在老師的指導下和同學的幫助下共同完成的，在設計的這段時間里，我們合作的非常愉快，教會了我許多道理，是我人生的一筆財富，我再次向給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W表示感謝。在設計過程中，我通過查閱大量有關資料，與同學交流經(jīng)驗和自學，并向老師請教等方式，使自己學到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個設計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學習工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。雖然這個設計做的也不太好，但是在設計過程中所學到的東西是這次畢業(yè)設計的最大收獲和財富，使我終身受益。
哈爾濱理工大學?？粕厴I(yè)論文
沖壓機械手—升降部分機械結(jié)構(gòu)設計
摘要
機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設備。通過編程來完成各種動作，它的準確性和多自由度，保證了機械手能在各種不同的環(huán)境中工作。機械手在工業(yè)生產(chǎn)中應用較多，機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。機械手可以完成很多工作，它在自動化車間中用來運送物料，從事多種工藝操作。它的特點是通過編程來完成各種預期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器人的部分優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的靈活協(xié)調(diào)和機器人的精確到位。
機械手是在機械自動化生產(chǎn)中逐步發(fā)展出的一種新型裝置?，F(xiàn)代生產(chǎn)過程中機械手被廣泛的應用到自動生產(chǎn)線中。機械手目前雖然不如人手的靈活多變，但它具有重復性，無疲勞，不懼危險，有大的抓舉力量，因此越來越多的被廣泛運用。
機械手技術涉及機械學、力學、自動控制技術、傳感技術、電氣液壓技術，計算機可編程技術等，是一門跨學科綜合技術。機械手的運動包括升降、回轉(zhuǎn)、伸縮、夾持等動作。
本課題主要設計機械手升降部分的機械結(jié)構(gòu)，包括機械手的升降和回轉(zhuǎn)液壓缸的結(jié)構(gòu)設計。
關鍵詞 數(shù)控；自動裝卸；機械手；PLC
目錄
摘要 I
第1章 緒論 - 1 -
1.1 課題背景 - 1 -
1.2 機械手的發(fā)展 - 2 -
1.3 工業(yè)機械手的分類 - 2 -
1.4 課題設計的目的及意義 - 4 -
第2章 機械手的概述 - 5 -
2.1 機械手的組成 - 5 -
2.2 機械手的主要參數(shù) - 6 -
2.3 應用機械手的意義 - 6 -
2.4 機械手功能圖示 - 7 -
第3章 任務分析 - 8 -
3.1 動作分析 - 8 -
3.2 動作節(jié)拍 - 8 -
3.3 總體方案 - 8 -
3.4 方案比較 - 8 -
第4章 總體設計 - 9 -
4.1 總體設計的思路 - 9 -
4.2 總體方案的確定 - 9 -
4.3 主要研究目標 - 9 -
第5章 部件設計 - 10 -
5.1 升降部分的驅(qū)動設計 - 10 -
5.2 升降部分的結(jié)構(gòu)設計 - 11 -
5.3 回轉(zhuǎn)部分的結(jié)構(gòu)設計 - 13 -
第6章 零件設計 - 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 - 19 -
致謝 - 20 -
II
- 3 -
第1章 緒論
1.1 課題背景
隨著我國社會經(jīng)濟的迅猛發(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 張的供求關系,我們就得研究開發(fā)機械手。 新中國成立特別是改革開放以來，我國社會主義現(xiàn)代化建設取得了舉世矚目的偉大成就。同時，必須清醒地看到，我國正處于并將長期處于社會主義初級階段。全面建設小康社會，既面臨難得的歷史機遇，又面臨一系列嚴峻的挑戰(zhàn)。經(jīng)濟增長過度依賴能源資源消耗，環(huán)境污染嚴重；經(jīng)濟結(jié)構(gòu)不合理，農(nóng)業(yè)基礎薄弱，高技術產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)代服務業(yè)發(fā)展滯后；自主創(chuàng)新能力較弱，企業(yè)核心競爭力不強，經(jīng)濟效益有待提高。在擴大勞動就業(yè)、理順分配關系、提供健康保障和確保國家安全等方面，有諸多困難和問題亟待解決。從國際上看，我國也將長期面臨發(fā)達國家在經(jīng)濟、科技等方面占有優(yōu)勢的巨大壓力。為了抓住機遇、迎接挑戰(zhàn)，我們需要進行多方面的努力，包括統(tǒng)籌全局發(fā)展，深化體制改革，健全民主法制，加強社會管理等。與此同時，我們比以往任何時候都更加需要緊緊依靠科技進步和創(chuàng)新，帶動生產(chǎn)力質(zhì)的飛躍，推動經(jīng)濟社會的全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展。進入21世紀，我國作為一個發(fā)展中大國，加快科學技術發(fā)展、縮小與發(fā)達國家的差距，還需要較長時期的艱苦努力，同時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，更有利于形成獨特的創(chuàng)新文化。只要我們增強民族自信心，貫徹落實科學發(fā)展觀，深入實施科教興國戰(zhàn)略和人才強國戰(zhàn)略，奮起直追、迎頭趕上，經(jīng)過15 年乃至更長時間的艱苦奮斗，就一定能夠創(chuàng)造出無愧于時代的輝煌科技成就?？萍脊ぷ鞯闹笇Х结樖牵鹤灾鲃?chuàng)新，重點跨越，支撐發(fā)展，引領未來。自主創(chuàng)新，就是從增強國家創(chuàng)新能力出發(fā)，加強原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進消化吸收再創(chuàng)新。重點跨越，就是堅持有所為、有所不為，選擇具有一定基礎和優(yōu)勢、關系國計民生和國家安全的關鍵領域，集中力量、重點突破，實現(xiàn)跨越式發(fā)展。支撐發(fā)展， 就是從現(xiàn)實的緊迫需求出發(fā)，著力突破重大關鍵、共性技術，支撐經(jīng)濟社會的持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展。引領未來，就是著眼長遠，超前部署前沿技術和基礎研究，創(chuàng)造新的市場需求，培育新興產(chǎn)業(yè)，引領未來經(jīng)濟社會的發(fā)展。這一方針是我國半個多世紀科技發(fā)展實踐經(jīng)驗的概括總結(jié)，是面向未來、實現(xiàn)中華民族偉大復興的重要抉擇。要把提高自主創(chuàng)新能力擺在全部科技工作的突出位置。在對外開放條件下推進社會主義現(xiàn)代化建設，必須認真學習和充分借鑒人類一切優(yōu)秀文明成果。改革開放 20 多年來，我國引進了大量技術和裝備，對提高產(chǎn)業(yè)技術水平、促進經(jīng)濟發(fā)展起到了重要作用。但是，必須清醒地看到，只引進而不注重技術的消化吸收和再創(chuàng)新，勢必削弱自主研究開發(fā)的能力，拉大與世界先進水平的差距?？傊?，必須把提高自主創(chuàng)新能力作為國家戰(zhàn)略，貫徹到現(xiàn)代化建設的各個方面，貫徹到各個產(chǎn)業(yè)、行業(yè)和地區(qū)，大幅度提高國家競爭力。我國科學技術發(fā)展的總體目標是：自主創(chuàng)新能力顯著增強，科技促進經(jīng)濟社會發(fā)展和保障國家安全的能力顯著增強，為全面建設小康社會提供強有力的支撐；基礎科學和前沿技術研究綜合實力顯著增強，取得一批在世界具有重大影響的科學技術成果，進入創(chuàng)新型國家行列，為在本世紀中葉成為世界科技強國奠定基礎，形成比較完善的中國特色國家創(chuàng)新體系。
1.2 機械手的發(fā)展
機械手一般為三類：一是不需要人工控制的通用型機械手。它是不屬于其他主機的獨立裝置。可以根據(jù)任務需要編制獨立程序完成各項規(guī)定操作。它的特點是具備不同裝置的性能之外還具備通用機械及記憶功能的三元型機械。二是需要人工操作的，起源于原子，軍事工業(yè)。先是通過操作完成特定工序，后來逐步發(fā)展到無線遙控操作。第三類是專用機械手，通常依附于自動生產(chǎn)線上，用于機床的上下料和裝卸工件。這種機械手國外叫做“Mechanical Hand”。它由主機驅(qū)動來服務，工作程序固定，一半是專用的。
機械手首先是在美國開始研制。第一臺機械手是在1958年美國聯(lián)合控制公司研究制作出來的。結(jié)構(gòu)是：主機安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，長臂頂端有電磁 抓放機構(gòu)。
日本在工業(yè)上應用機械手最多，發(fā)展最快的國家，自1969年從美國引進兩種機械手后開始大力研發(fā)機械手。
前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展和應用，自1977年，前蘇聯(lián)使用的機械手一半來自國產(chǎn)一半來自進口。
現(xiàn)代工業(yè)中，自動化在生產(chǎn)過程中已日趨突出，機械手就是在機械工業(yè)中為實現(xiàn)加工、裝配、搬運等工序的自動化而產(chǎn)生的。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，機械手的出現(xiàn)大大減輕了人類的勞動，提高了生產(chǎn)效率。采用機械手已為目前研究的熱重點。
目前機械手在工業(yè)上主要用于機床加工、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)機械手的分類
現(xiàn)在對工業(yè)機械手的分類尚無明確標準，一般都從規(guī)格和性能兩方面來分類。
1.按規(guī)格（所搬運工件的重量）分類：
(1)微型的—搬運重量在1公斤以下；
(2)小型的—搬運重量在10公斤以下；
(3)中型的—搬運重量在50公斤以下；
(4)大型的—搬運重量在50公斤以上。
目前大多數(shù)工業(yè)機械手能搬運的重量為1~30公斤，最小的為0.5公斤，最大的已達到800公斤。
2.按功能分類：
(1)簡易型工業(yè)機械手
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)動控制來給定程序。
這種機械手多為氣動或液動，結(jié)構(gòu)簡單，改變程序比較容易。只使用在在程序較簡單的點位控制，但作為一般單機服務的搬運作業(yè)已足夠。所以，目前這種工業(yè)機械手數(shù)量最多。
(2)記憶再現(xiàn)型工業(yè)機械手
這種工業(yè)機械手由人工通過實驗裝置傳動一遍，由磁帶（或磁鼓）把程序記錄下來，此機械手就自動按記憶的程序重復進行循環(huán)動作。
這也是采用較多一種，多為電液伺服驅(qū)動，與前者比較有較多的自由度，能進行程序較復雜的作業(yè)，通用性較廣。
(3)計算機數(shù)字控制的工業(yè)機械手
可通過更換穿孔帶或其他記憶介質(zhì)來改變工業(yè)機械手的動作，還可以進行多種控制（DNC）。技術還可以是可編程程序控制或普通的微機計算機。
(4)智能工業(yè)機械手（機器人）
由電子計算機控制，通過各種傳感元件等具有視覺、熱覺、觸覺、行走機構(gòu)等。