1、搬運機械手設計及運動仿真摘要： 機械手是近代自動控制領域中出現的一項新技術，它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預定要求輸送工件或握持工具進行操作的自動化技術設備，對實現工業生產自動化，推動工業生產的進一步發展起著重要作用。因而具有強大的生命力受到人們的廣泛重視和歡迎。實踐證明，機械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產率和自動化水平。工業生產中經常出現的笨重工件的搬運和長期頻繁、單調的操作，采用機械手是有效的。此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染環境條件下進行操作，更顯示其優越性，有著廣闊的發展前途。本課題通過應用SolidWork

2、s對機械手進行結構設計和液壓傳動原理設計，運用SolidWorks技術對上料機械手進行三維實體造型，并進行了運動仿真，使其能將基本的運動更具體的展現在人們面前。關鍵詞： 機械手；UG；自由度；液壓；自動化Abstract： Manipulator is a new technologyin the field of modern automatic control, It is an imitation of part of the human upper limb function, Scheduled for delivery in accordance with the requirem

3、ents of holding a work piece or tool automation technology and equipment operation, Automation of industrial production, and promote the further development of industrial production plays an important role.So it has a great vitality and thus be widely valued and welcomed. Practice has proved that th

4、e robot can replace the heavy manual labor, significantly reduced labor intensity and improve working conditions and raise the level of labor productivity and automation. That often appears in industrial production of heavy work piece handling and long-term frequent monotonous operations, the use of

5、 mechanical hand to be effective. In addition, it can at a high temperature, low temperature, Sham Shui Po, the universe, radioactive and other toxic pollution of the environment under the conditions of operation, but also to demonstrate its superiority, has broad prospects.This issue through the ap

6、plication of SolidWorks to proceed with the structural design of mechanical and hydraulic principles of design, technology use SolidWorks feeding robot three-dimensional solid modeling and simulation of the movement, its basic movements can be more specific in the show people before.Key Words： Manip

7、ulator；SolidWorks；degree of freedom；Hydraulic；Automation- 27 -目錄1 前言12 抓取機構設計12.1 手部的設計和計算12.1.1手部設計的要求12.1.2 拉緊裝置原理22.2 腕部的設計計算42.3 臂伸縮機構設計63 液壓系統原理設計及草圖93.1手部抓取缸93.2 腕部擺動液壓回路103.3 小臂伸縮缸液壓回路113.4 總體系統圖124 機身機座的結構設計134.1電機的選擇134.2 減速器的選擇154.3 螺柱的設計與校核155 機械手的定位與平穩性175.1 常用的定位方式175.2 影響平穩性和定位精度的因素175

8、.3 機械手運動的緩沖裝置186 機械手的控制197 機械手的組成與分類207.1 機械手組成207.2機械手分類218 機械手的三維造型及運動仿真23總結24致謝25參考文獻26附錄27浙江林學院本科生畢業設計（論文）1 前言機械手是近代自動控制領域中出現的一項新技術，并已成為現代機械制造生產系統中的一個重要組成部分。機械手的迅速發展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一，它能不分地代替人工操作;其二，它能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三，他能操作必要的機具進行焊接和裝配。從而大大的地改善工人的勞動田間，顯著提高勞動生產率，加快實現工業生產機械化

9、和自動化的步伐。因此受到各先進工業國的重視，投入大量的人力物力加以研究和應用。在我國，近幾年也有較快的發展，并取得一定的效果，受到機械工業和鐵路工業部門的重視。通過SolidWorks中的虛擬樣機技術在第一臺物理樣機之前，以機械運動學、多體動力學、有限元分析和控制理論為核心，將產品各零部件的設計和分析集成在一起，建立機械系統的數字模型，從而為產品的設計、研究、優化提供基于計算機虛擬現實的研究平臺。在進行產品三維結構設計的同時，運用分析仿真軟件（CAE）對產品工作性能進行虛擬仿真，發現設計缺陷。根據分析仿真結果，用三維設計軟件對產品設計結構進行修改。2 抓取機構設計2.1 手部的設計和計算2.1

10、.1 手部設計的要求1、有適當的夾緊力手部在工作時，應具有適當的夾緊力，以保證夾持穩定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。2、有足夠的開閉范圍夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置。工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。手指開閉范圍的要求與許多因素有關，如工件的形狀和尺寸，手指的形狀和尺寸，一般來說，如工作環境許可，開閉范圍大一些較好。 3、力求結構簡單，重量輕，體積小手部處于腕部的最前端，工作時運動狀態多變，其結構，重量和體積直接影響整個機械手的結構，抓重，定位精度，運動速度等性能。因此，在設計手部時，必須力求結構簡單，重量輕，體積小。4、手指應有一定的強度和剛度5、其它要求夾緊

11、機械手，根據工件的形狀，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉史彈簧夾緊，松開時，用單作用式液壓缸。此種結構較為簡單，制造方便。2.1.2 拉緊裝置原理如圖2.1所示【4】：油缸右腔停止進油時，彈簧力夾緊工件，油缸右腔進油時松開工件。圖2.1 油缸示意圖1、右腔推力為 （2.1） = =4908.7N2、根據鉗爪夾持的方位，查出當量夾緊力計算公式為： （2.2） 其中 N=498N=392N，帶入公式2.2得： = 392 =1764N則實際加緊力為 （2.3）=3424N經圓整F1=3500N3、計算手部活塞桿行程長L,即 （2.4） =25tg30 =23.1mm經圓整取l=25mm4

12、、確定“V”型鉗爪的L、取 （2.5）式中： （2.6）由公式（2.5）（2.6）得：L=3=150取“V”型鉗口的夾角2=，則偏轉角按最佳偏轉角來確定，查表得： =22395、機械運動范圍（速度）1（1）伸縮運動 =500 =50mm/s（2）上升運動=500mm/s=40mm/s（3）下降=800mm/s=80mm/s（4）回轉=90/s=30/s所以取手部驅動活塞速度V=60mm/s 6、手部右腔流量Q=sv （2.7）=60=603.1425=1177.5 7、手部工作壓強P= （2.8） =1.78Mpa2.2 腕部的設計計算腕部是聯結手部和臂部的部件，腕部運動主要用來改變被夾物體的

13、方位，它動作靈活，轉動慣性小。本設計腕部具有回轉這一個自由度，可采用具有一個活動度的回轉缸驅動的腕部結構。要求：回轉 角速度W=以最大負荷計算：當工件處于水平位置時，擺動缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重10kg，長度l=650mm。如圖2.2所示。1、計算扭矩4設重力集中于離手指中心200mm處，即扭矩為：=FS （2.9）=109.80.2=19.6（NM） 工件 F SF 圖2.2腕部受力簡圖2、油缸（伸縮）及其配件的估算扭矩M24F=5kg S=10cm帶入公式2.9得=FS=59.80.1 =4.9（NM） .3、擺動缸的摩擦力矩M摩4=300（N）（估算值）S=20mm （估算值

14、）= S=6（NM）4、擺動缸的總摩擦力矩M4M=+ （2.10） =30.5（NM） 5、由公式T= （2.11）其中： b葉片密度，這里取b=3cm；擺動缸內徑, 這里取=10cm；轉軸直徑, 這里取=3cm。所以代入（2.11）公式=0.89Mpa又因為W= 所以 Q= = = = 272.3 臂伸縮機構設計手臂是機械手的主要執行部件。它的作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運動。臂部運動的目的，一般是把手部送達空間運動范圍內的任意點上，從臂部的受力情況看，它在工作中即直接承受著腕部、手部和工件的動、靜載荷，而且自身運動又較多，故受力較復雜。 機械手的精度最終集中在反映在手部的位置精度

15、上。所以在選擇合適的導向裝置和定位方式就顯得尤其重要了。手臂的伸縮速度為200m/s行程L=500mm1、手臂右腔流量，公式（2.7）得：Q=sv = =1004800 = =10002、手臂右腔工作壓力，公式（2.8） 得： （2.12）式中：F取工件重和手臂活動部件總重，估算， 。所以代入公式（2.12）得： = =3、繪制機構工作參數表如圖2.3所示：圖2.3機構工作參數表4、由初步計算選液壓泵4所需液壓最高壓力 所需液壓最大流量 選取CB-D型液壓泵（齒輪泵）此泵工作壓力為10Mpa，轉速為1800，工作流量Q在3270之間，可以滿足需要。5、驗算腕部擺動缸： （2.13） （2.14

16、）式中：m機械效率取： 0.850.9v容積效率取： 0.70.95所以代入公式（2.13）得： =25.8代入公式（2.14）得：因此，取腕部回轉油缸工作壓力 流量圓整其他缸的數值：手部抓取缸工作壓力 流量小臂伸縮缸工作壓力 流量 3 液壓系統原理設計及草圖3.1手部抓取缸 圖 3.1手部抓取缸液壓原理圖1、手部抓取缸液壓原理圖如圖3.1所示2、泵的供油壓力P取10Mpa，流量Q取系統所需最大流量即。因此，需裝圖3.1中所示的調速閥，流量定為，工作壓力。采用： YF-B10B溢流閥 2FRM5-調速閥 23E1-10B二位三通閥3.2 腕部擺動液壓回路圖 3.2腕部擺動液壓回路1、腕部擺動缸

17、液壓原理圖如圖3.2所示2、工作壓力 P=1Mpa流量 采用：2FRM5-調速閥34E1-10B 換向閥YF-B10B 溢流閥3.3 小臂伸縮缸液壓回路 圖 3.3小臂伸縮缸液壓回路1、小臂伸縮缸液壓原理圖如圖3.3所示2、工作壓力 流量 采用： YF-B10B 溢流閥2FRM5- 調速閥23E1-10B二位三通閥3.4 總體系統圖 圖 3.4總體系統圖1、總體系統圖如圖3.4所示2、工作過程:小臂伸長手部抓緊腕部回轉小臂回轉小臂收縮手部放松3、電磁鐵動作順序表 元件動作1DT2DT3DT4DT5DT小臂伸長+-手部抓緊+-腕部回轉+-+-小臂收縮-手部放松-+-卸荷圖 3.5總體系統圖4、確

18、電機規格：液壓泵選取CB-D型液壓泵，額定壓力，工作流量在3270 之間。選取80L/min為額定流量的泵，因此,傳動功率： （3.1）式中： （經驗值）所以代入公式（3.1）得： =16.7KN選取電動機JQZ-61-2型電動機，額定功率17KW，轉速為。4 機身機座的結構設計機身的直接支承和傳動手臂的部件。一般實現臂部的升降、回轉或俯仰等運動的驅動裝置或傳動件都安裝在機身上，或者就直接構成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動愈多，機身的結構和受力情況就愈復雜，機身既可以是固定式的，也可以是行走式的臂部和機身的配置形式基本上反映了機械手的總體布局。本課題機械手的機身設計成機座式，這樣機械手

19、可以是獨立的，自成系統的完整裝置，便于隨意安放和搬動，也可具有行走機構。臂部配置于機座立柱中間，多見于回轉型機械手。臂部可沿機座立柱作升降運動，獲得較大的升降行程。升降過程由電動機帶動螺柱旋轉。由螺柱配合導致了手臂的上下運動。手臂的回轉由電動機帶動減速器軸上的齒輪旋轉帶動了機身的旋轉，從而達到了自由度的要求4.1電機的選擇機身部使用了兩個電機，其一是帶動臂部的升降運動；其二是帶動機身的回轉運動。帶動臂部升降運動的電機安裝在肋板上，帶動機身回轉的電機安裝在混凝土地基上。1、帶動臂部升降的電機：【10】初選上升速度 所以 選擇Y90S-4型電機，屬于籠型異步電動機。采用B級絕緣，外殼防護等級為IP

20、44，冷卻方式為I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。如圖4.1 Y90S-4電動機技術數據所示：型號額定功率KW滿載時堵轉電流堵轉轉矩最大轉矩電流A轉速效率%功率因素額定電流額定轉矩額定轉矩Y90S-41.12.71400790.786.52.22.2圖4.1 Y90S-4電動機技術數據2、帶動機身回轉的電機：【10】初選轉速 由于齒輪 i=3減速器 i=30所以 選擇Y90L-6型籠型異步電動機電動機采用B級絕緣。外殼防護等級為IP44，冷卻方式為I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。如圖4.2 Y90S-6電動機技術數據所示

21、：圖4.2 Y90L-6電動機技術4.2 減速器的選擇減速器的原動機和工作機之間的獨立的閉式傳動裝置。用來降低轉速和增轉矩，以滿足工作需要。【6】初選WD80型圓柱蝸桿減速器。WD為蝸桿下置式一級傳動的阿基米德圓柱蝸桿減速器。蝸桿的材料為38siMnMo調質蝸輪的材料為ZQA19-4中心矩a=80Msq=4.011 （4.1）傳動比I=30傳動慣量0.26510kgm4.3 螺柱的設計與校核螺桿是機械手的主支承件，并傳動使手臂上下運動。螺桿的材料選擇：6從經濟角度來講并能滿足要求的材料為鑄鐵。螺距 P=6mm 梯形螺紋螺紋的工作高度 h=0.5P （4.2）=3mm螺紋牙底寬度 （4.3）螺桿

22、強度 （4.4）= =Mpa螺紋牙剪切彎曲 1、當量應力【6】 (4.5)式中 T傳遞轉矩Nmm螺桿材料的許用應力 所以代入公式（4.5）得：= = = 即合格2、剪切強度【6】 （旋合圈數） （4.6） （4.7）=3、彎曲強度【6】= =0.48Mpa=45Mpa合格5 機械手的定位與平穩性5.1 常用的定位方式機械擋塊定位是在行程終點設置機械擋塊。當機械手經減速運行到終點時，緊靠擋塊而定位。若定位前已減速，定位時驅動壓力未撤除，在這種情況下，機械擋塊定位能達到較高的重復精度。一般可高于0.5mm，若定位時關閉驅動油路而去掉工作壓力，這時機械手可能被擋塊碰回一個微小距離，因而定位精度變低。

23、5.2 影響平穩性和定位精度的因素機械手能否準確地工作，實際上是一個三維空間的定位問題，是若干線量和角量定位的組合。在許多較簡單情況下，單個量值可能是主要的。影響單個線量或角量定位誤差的因素如下：（1、）定位方式不同的定位方式影響因素不同。如機械擋塊定位時，定位精度與擋塊的剛度和碰接擋塊時的速度等因素有關。（2、）定位速度定位速度對定位精度影響很大。這是因為定位速度不同時，必須耗散的運動部件的能量不同。通常，為減小定位誤差應合理控制定位速度，如提高緩沖裝置的緩沖性能和緩沖效率，控制驅動系統使運動部件適時減速。（3）精度機械手的制造精度和安裝調速精度對定位精度有直接影響。（4）剛度機械手本身的結

24、構剛度和接觸剛度低時，因易產生振動，定位精度一般較低。（5）運動件的重量運動件的重量包括機械手本身的重量和被抓物的重量。運動件重量的變化對定位精度影響較大。通常，運動件重量增加時，定位精度降低。因此，設計時不僅要減小運動部件本身的重量，而且要考慮工作時抓重變化的影響。（6、）驅動源液壓、氣壓的壓力波動及電壓、油溫、氣溫的波動都會影響機械手的重復定位精度。因此，采用必要的穩壓及調節油溫措施。如用蓄能器穩定油壓，用加熱器或冷卻器控制油溫，低速時，用溫度、壓力補償流量控制閥控制。（7、）控制系統開關控制、電液比例控制和伺服控制的位置控制精度是個不相同的。這不僅是因為各種控制元件的精度和靈敏度不同，而

25、且也與位置反饋裝置的有無有關。本課題所采用的定位精度為機械擋塊定位5.3 機械手運動的緩沖裝置緩沖裝置分為內緩沖和外緩沖兩種形式。內緩沖形式有油缸端部緩沖裝置和緩沖回路等。外緩沖形式有彈性機械元件和液壓緩沖器。內緩沖的優點是結構簡單，緊湊。但有時安置位置有限；外緩沖的優點是安置位置靈活，簡便，緩沖性能好調等，但結構較龐大。本課題所采用的緩沖裝置為油缸端部緩沖裝置。當活塞運動到距油缸端蓋某一距離時能在活塞與端蓋之間形成一個緩沖室。利用節流的原理使緩沖室產生臨時背壓阻力，以使運動減速直至停止，而避免硬性沖擊的裝置，稱為油缸端部緩沖裝置。在緩沖行程中，節流口恒定的，稱為恒節流式油缸端部緩沖裝置。設計

26、油缸端部恒節流緩沖裝置時， （最大加速度）、（緩沖腔最大沖擊壓力）和（殘余速度）三個參數是受工作條件限制的。通常采用的辦法是先選定其中一個參數，然后校驗其余兩個參數。步驟如下： 選擇最大加速度通常，值按機械手類型和結構特點選取，同時要考慮速度與載荷大小。對于重載低速機械手，- 取5以下，對于輕載高速機械手，-取510 計算沿運動方向作用在活塞上的外力F水平運動時： （5.1） =138N 計算殘余速度Vr （5.2） = =6 機械手的控制控制系統是機械手的重要組成部分。在某種意義上講，控制系統起著與人腦相似的作用。機械手的手部、腕部、臂部等的動作以及相關機械的協調動作都是通過控制系統來實現的

27、。主要控制內容有動作的順序，動作的位置與路徑、動作的時間。機械手要用來代替人完成某些操作，通常需要具有圖6.1所示的機能3。實現上述各種機能的控制方式有多種多樣。機械手的程序控制方式可分為兩大類，即固定程序控制方式和可變程序控制方式。本課題所用的是固定程序控制類別的機械式控制。常用凸輪和杠桿機構來控制機械手的動作順序、時間和速度。一般常與驅動機構并用，因此結構簡單，維修方便，壽命較長，工作比較可靠。適用于控制程序步數少的專用機械手。 裝卸工件 狀別識別 環境識別操作機能檢測、識別機能 控制機能示教機能 動作控制機能動作順序控制機能運動控制機能 圖6.1機械手的控制機能7 機械手的組成與分類7.

28、1 機械手組成機械手主要由執行機構、驅動系統、控制系統組成。【9】（1）執行機構：包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構如 手部：是機械手與工件接觸的部件。由于與物體接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。由于本課題的工件是圓柱狀棒料，所以采用夾持式。由手指和傳力機構所構成，手指與工件接觸而傳力機構則通過手指夾緊力來完成夾放工件的任務。 手腕：是聯接手部和手臂的部件，起調整或改變工件方位的作用。 手臂：支承手腕和手部的部件，用以改變工件的空間位置。 立柱：是支承手臂的部件。手臂的回轉運動和升降運動均與立柱有密切的聯系。機械手的立柱通常為固定不動的。 機座：是機械手的基礎部分。機

29、械手執行機構的各部件和驅動系統均安裝于機座上，故起支承和聯接的作用。（2）驅動系統：機械手的驅動系統是驅動執行運動的傳動裝置。常用的有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等四種形式。（3）控制系統：控制系統是機械手的指揮系統 ，它控制驅動系統，讓執行機構按規定的要求進行工作，并檢測其正確與否。一般常見的為電器與電子回路控制，計算機控制系統也不斷增多。7.2機械手分類 （1）根據所承擔的作業的特點，工業機械手可分為以下三類： 承擔搬運工作的機械手：這種機械手在主要工藝設備運行時，用來完成輔助作業，如裝卸毛坯、工件和工夾具。 生產工業用機械手：可用于完成工藝過程中的主要作業，如裝配、焊接、涂漆、

30、彎曲、切斷等。 通用工業機械手：其用途廣泛，可以完成各種工藝作業。 （2）按功能分類 專用機械手：它是附屬于主機的具有固定程序而無獨立控制系統的機械裝置。專用機械手具有動作少，工作對象單一，結構簡單，實用可靠和造價低等特點，適用于大批大量的自動化生產，如自動機床，自動線的上、下料機械手和“加工中心”附屬的自動換刀機械手。 通用機械手：又稱工業機器人。它是一種具有獨立控制系統的機械裝置。具有程序可變、工作范圍大、定位精度高、通用性強的特點，適用于不斷變換品種的中小批量自動化的生產。 示教再現機械手：采用示教法編程的通用機械手。所謂示教，即由人通過手動控制，“拎著”機械手做一遍操作示范，完成全部動

31、作后，其儲存裝置即能記憶下來。機械手可按示范操作的程序行程進行重復的再現工作。（3）按驅動方式分 液壓傳動機械手 氣壓傳動機械手 機械傳動機械手（4）按控制方式分 固定程序機械手：控制系統是一個固定程序的控制器。程序簡單，程序數少，而且是固定的，行程可調但不能任意點定位。 可編程序機械手：控制系統是一個可變程序控制器。其程序可按需要編排，行程能很方便改變。8 機械手的三維造型及運動仿真SolidWorks是當今最為流行的三維CAD軟件之一，它具有基于特征、參數化、實體造型等特點。整個設計基于裝配關系進行，裝配的基礎要素是相關的零件，零件是由若干參數化的可以基于裝配關系的特征堆砌而成，特征是一些

32、與機械設計的表達意圖相關的一些簡單幾何形體，這些幾何形體的基礎是參數化的，可以基于裝配關系的二維或者三維草圖，草圖是一些簡單類型的圖線，可以用集合關系、裝配關系和驅動尺寸加以約束。SolidWorks當中的虛擬樣機技術在對產品進行三維結構設計的同時，運用分析仿真軟件（CAE）對產品工作性能進行虛擬仿真，發現設計缺陷。根據分析仿真結果，用三維設計軟件對產品設計結構進行修改。與傳統的仿真分析相比，傳統的仿真一般是針對單個子系統的仿真，而虛擬樣機技術則是強調整體的優化，它通過虛擬整機與虛擬環境的耦合，對產品的多種設計方案進行測試、評估，并不斷改進設計方案，直到獲得最優的整機性能。運用虛擬樣機技術可以

33、快速地建立包括控制系統、液壓系統、氣動系統在內的多體系動力學虛擬樣機，實現產品的并行設計，可在產品設計初期及時發現問題、解決問題，把系統的測試分析作為整個產品設計過程的驅動。總結畢業設計馬上就快結束了，在這兩個月的設計學習過程中，我取得了長足的進步。機械自動化作為工業發展的一個方向，它有著廣闊的市場，屬于實際需要去研制的一種項目。機械手能模仿人體上肢的某些動作，就需要有一定的靈敏度，對設計的要求較高。通過這次設計，提高了我分析和解決問題的能力，擴寬和深化了學過的知識，掌握了設計的一般程序規范和方法，培養了我們正確使用機身材料、國家標準、圖冊等工具書的能力。我的畢業設計的課題是搬運機械手的設計及

34、運動仿真，這是一個我以前所沒有接觸的。通過畢業設計我收獲很多，比如學會了查相關資料和相關標準，分析數據，提高了自己的繪圖能力，懂得了許多公式的運用。SolidWorks這個軟件對我來說是陌生的，經過指導老師的幫助和對參考資料的拜讀，使我能基本運用這個軟件的一些功能。但是畢業設計也讓我感覺到很多方面的不足，比如碰到實際困難解決困難的能力的能力不足等等。不過我相信通過自己不斷的學習和努力，相信以后能在實際工作中能夠不斷的成長，能為企業的發展出自己的一份力。參考文獻1 徐灝.機械設計手冊M.北京：機械工業出版社，2007年8月:8788.2 Durstewitz,M ;Kiefner,B ,Virtual collaboration environment for aircraft des