六自由度机械手设计

1、六自由度机械手1机械设计课程设计说明书六日由度机械手上海交通大学机械与动力工程学院专业机械工程与白动化设计者： 李晶(5030209252)李然(5030209316)潘楷(5030209345)彭敏勤(5030209347)童幸(5030209349)指导老师：高雪官2006.6.163声投假设刖首在工资水平较低的中国，制造业尽管仍属于劳动力 密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽 车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引 进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集 的华南、华东沿海地区的中国外乡制造厂也开始对机械 手表现出越来越浓厚的义趣，因为他们要面对工人流失 率

2、高，以及交货周期缩短带来的挑战。机械手可以确保运转周期的一贯性，提高品质。另 外，让机械手取代普通工人从模具中取出零件不仅稳定，而且也更加平安。 同时，不断开展的模具技术也为机械 手提供了更多的市场时机。可见随着科技的进步，市场的开展，机械手的广泛 应用已渐趋可能，在未来的制造业中，越来越多的机械 手将被应用，越来越好的机械手将被创造，毫不夸张地 说，机械手是人类是走向先进制造的一个标志，是人类 走向现代化、高科技进步的一个象征。因此如何设计出一个功能强大，结构稳定的机械手变成了迫在眉睫的问 题。目录一.设计要求和功能分析4ShangMiJiHTaig六自由度机械手3二.基座旋转机构轴的设计及

3、强度校核5三.液压泵俯仰机构零件设计和强度校核8四.左右摇摆机构零件设计和强度校核11五.连腕部俯仰机构零件设计和强度校核14六.旋转和夹紧机构零件设计和强度校核19七.机构各白由度的连接过程25八.设计特色28九.心得体会28十.参考文献30十一.任务分工31十二.附录零件及装配图31六自由度机械手43声投假设 非留叩油Ji由ig Unu5设计要求该机械臂用于物流生产线上物品的抓取和易位。整个机 械臂安装在一个回转支座上，回转角度范围为360度；小臂相对于大臂可摆动，摆动范围为60-120度；小臂末端的手腕也可以摆动，摆动范围为-60度到+60度；手腕的末端安 装一机械手，机械手具有开闭能力

4、，用于直径30-45mm工件的抓取，工件长度350mm重虽8kg。功能分析系统共有6个自由度，分别是夹紧、旋转、俯仰1、左右摇摆、俯仰2及基座的回转。基座的回转自由度可以进行360度的回转；与基座相连的俯仰机构包含液压卸可进行俯仰动作，幅度较大，可 以满足60-120度的俯仰要求，与此相连局部为左右摇摆机 构，能够完成-6060度的左右来回摆动， 接着下去的是俯仰 机构， 与摇摆机构内部类似，亦可完成-6060度的上下俯仰 动作，最后的是旋转局部与手指局部，旋转局部可以正反旋转，手指局部通过在手腕上滑糟来控制收放动作。机构采用 液压控制各自由度的动作，简单方便且功率大，各自由度之 间相互联系且

5、独立，动作时互不干预。六自由度机械手5心基座旋转机构轴的设计及强度校核TOP WO RK设计及计算工程结果1.按扭转强度概略计算轴颈2皿=650 N / m m1选用45号钢，调质。查表得 七=650 N /mm2,_ _2_ _ 2= 360 N / mm,。1= 300 N / mm,S1222Td=155 N / mm ,TR= 360 N / mm , rR= 390 N / mm_X7 D7 D| T _ J pAr。2按公式，算得,0.23一祈.2们，因为_ _ 2建国h六自由度机械手7力，轴环直径100mm宽20mm4齿轮轴头直径80mm宽97mm稍小丁轮毅100-3;上轴颈直径

6、60mm花键小径52mm花键大径56mm轴两端倒角3 450安装齿轮的轴段上A型键槽的宽、深、长分别为20、6、70mm键槽居中布置。此外H 7用过盈配合r624kM32kN*中IS6kN曾 w 呻iui JiwIIIQUn建国h六自由度机械手85齿轮上端面接触套筒，固定套筒的轴身直径70mm宽15mm6套筒上接圆锥滚子轴承，与下端轴承一样。轴颈直 径为60mm宽30mm7和上端盖相密封的轴身直径56mm宽36mm8连接花键的上轴头小径52mm大径56mm宽27mm9轴两端倒角3X45 ；10齿轮与平键采用过盈连接， 采用A型平键， 键槽 宽度b =20，槽深t = 6，槽长L应小丁齿轮的宽度

7、， 取L =70mm，轴段上平键居中布置。过盈配合取H 7r63.计算支反力和绘制弯矩图和扭矩图1由丁活塞齿条的作用，轴受到水平方向的力，同时 在轴承受到支反力，这样产生弯矩。Fr= pA =5Mpa 0.0113 m2= 56 kN支座A的支反力RA=F里=56X81旦=24 kN , l190支座B的支反力RB=F上=56 X施5=32 kN l1902最大弯矩发生在平键中心的界面处M =RA11=24 kN 108.5 mm =2608 Nm3扭矩T=pAr0=5Mpa 0.0113 m20.108 m = 6102 N mFr=56 kNL81.5RA= F2= 56= 24 kNl1

8、90L108.5R = F1= 56 - 32 kNBl190M =2608 NmT = 6102 Nm9只考虑切应力的平安系数S=-工K 一1.amB六自由度机械手1)2)3)4)5)6)7)8)9)4.强度精确校核可知危险剖面在平键中心处，此时弯矩最大，且有 键槽，抗弯剖面模量和抗扭剖面模量较小。对该面 进行精确校核。过盈配合为H1时的应力集中系数 =2.62k =1.89尺寸系数 跖=064，勺=0.72外表质量系数-=1综合影响系数k1.89K =- =2.63 -T戏0.72弯曲应力幅平均应力S满足强度要求11村六自由度机械手液压泵俯仰机构零件设计及强度校核设计及计算说明主要结果1.

9、采用普通螺柱连接，布局如图2.确定螺柱组连接所受的工作载荷只受横向载何Fv作用丁接合面，垂直向下二根据UG质量分析，得到前四个自由度的总质量m总=674.82 kgFv=m总g =674.82乂9.81 =6619.98 N廿根据UG距离分析，前四个自由度质心到螺柱分布中心的 距离1 = 574.6 mm倾覆力矩顺时针方向M =Fvl =6619.98乂574.6 =3803840.508 N *mm3.计算倾覆力矩的工作拉力在倾覆力矩作用下， 左面的螺钉受到加载作用而右面的螺 钉受到减载作用，故左面的螺柱受力较大，所受的载何由书本的P411 11-3b得知为Fv=6619.98 N.一 6

10、M = 3.804乂10 N，mmFmax=12679.468 Nmax六自由度机械手12M lmaxM 75 F12679.468 Nm ax42li4 75i ；44.求每个螺柱所需的预紧力横向工作载荷巳将使连接件下滑，采用普通螺柱连时是靠摩擦力来承受，M对摩擦力无影响，虽在M的作用下，左 边的压力减小，但右面的拉力增大，所以保证不下滑的条 件，由式11-27可知；ksFv一zfks=1.2f=0.2F 1.26619.989929 97 N 一4 0.24.计算螺柱直径螺柱所受的总拉力由式11-19求得C1Fb=F。-F、.C1C2由表11-5取弋=0.3查表选择螺柱材料为Q23性能等级

11、5.6 ,屈服强度吼=360 N /mm2，平安系数S =4 ,那么需用应力为fcr = =90 N /mm2S根据式11-21求得螺柱危险剖面的直径螺纹小径为：d -1.3 Fb，4 -1.3 K13733.81话g1二I 3.1490.二初取直径d1=165.校验螺柱组连接接合面的工作能力1连接接合面右端不超过许用值，以防止接合面压溃,F0=9929.97Fb= 13733.81Fb=F。C1C2c1-F_、=13733.81 N初取直径d1=16SHwngnjj Jiao TaiQ Un v&iily六自由度机械手13由式11-39有：zF0M- p max A W式中，接合面面

12、积A =h2l2=200 x 200 =40000 mm2 ;2接合面抗弯剖面模量：W =J=1.33 x 106mm3664 9929.973.8 102 Opmax6= 3.850 N mm400001.3310由表11-9查得crp = 0.5=0.5 x500 =250 N /mm2?ipmax2连接接合面左端应保持一定的预紧力，以防止接合面产生间隙，即Spmin?。由式11-38d,4 1.3 Fb_ 4 1.3 32373.84 _1二I 3.1490.取d=24mm的螺柱，误差小丁5%在工程允许范围内,查GB/T901-1988, B级等长螺柱M243接合面强度满足工作要求_ z

13、F0M 4 9929.97二pmin =-=A W 4000063.8 10-610顶=8.4375 X 102N，m4 r =75mm21.2乂8.4375乂10 F0=18000 N0.15乂5乂75乂10T =8.4375 X102N，mF0=18000 N非留叩hajJiHPxig Uttvei六自由度机械手204.查表11-6，取材料为45号钢，性能等级为8.8级屈服强度极限0 =640 N / mm2初估直径M16查表11-7 ,取s = 4 , O = 640 / 4 =160 N / mm2Jl.3 X4幻8000d1芝-& 13 .65 mmTLX160取螺钊宜径M1

14、6,查表11-1 ,d1=13.875 mmK.连接前自由度箱体的4个固定螺钉设计1.求每个螺钉的所需预紧力和总拉力C1F F F-1-F厂b 厂0一厂0厂maxC1+C21)剩余预紧力F=3z fa.平安裕度系数KS=1.2b.接合面间摩擦系数f =0.15C.螺钉个数z =4d.前自由度总质量m =122 .863 kg形心位置xc=316 mmG =mg Xc=122 .863尺9.8 =1204 .06 NF0=出2408.11 N4 X0.15c2)-查表11-5 ,2 =10.25=0.75螺栓直径M16,F= 2408.11 N六自由度机械手213)由公式11-36,FmaxM

15、lmax，2i24la.li取75mm , L为螺钉到中心线的距离b.s=xc=316mm,s为前自由度总质量到接口的力臂Fmax1204 .060.3160.075：.1268 .28 N_24 0.075Fb= 2408 .110.75 1268 .28 : 3359 .32 NFb=3359.32 N2.设计直径1 .3 4Fbd1一i二二查表11-6,取材料为45号钢，性能等级8.8级,屈服极限6402N / mm初估M16查表11-7,= 640 / 4 =160 N2/ mm螺栓直径M163.1)2)3)4)5)1)2)J1.34 3359.32- - - 5.89 m m二160

16、校核螺钉接合面的工作能力接合面上侧不出现缝隙的条件z F0M0AWF0= 3359.32 N42A = 200 mm 200 mm =4 10 mmM =G s =1204.060.316 =380.481W =200200200 ： 1333333.3364 3359.32380480- 4-:O.05_O4 101333333.33接合面下侧不出现压溃的条件z FOM-:-FpAWF0=3359.32 NN m =380480 N3mm满足mm接合面符合工作要求欧5angh3j Jiw由项Un佃响六自由度机械手224 3359.32380480-4: 0.6212924 101333333

17、.33注：特殊情况为当前自由度局部自由下垂，四个螺钉完全承受前局部的重力，每个螺钉承受G 1F = =一又122.863 X 9.8 =301.0 N，查图11-20 ,得此时44F0=0,F0芝1F =150.5 N，由 此2七. 动叶片中2个销的设计4FE-.Z .p4.确定剪切力F=p油,A取动叶片与油液接触面积为75 mm 75 mm油压为2MPa,油压在动叶片等效力的作用点位丁r = 75mm圆周上_6_3_3F = p油 A=2X10乂75乂10 X 75 X10 =11250 N3)A42= 200 mm 200 mm =4 10 mm4)M=G s =1204.060.316

18、=380.48 N m = 380480 N mm5)W13=200200200 : 1333333.33 mm66)查表11-9 ,crp =0.8cis=0.8 X640 =512 N / mm2符合工作要求 -01.3 4 150.5六自由度机械手23八.3.4.九.动叶片与套筒之间的键的设计:p = :p1dhl4T工作转矩T = p.A.r油压为2MPa，承压面A为75 mm 75 mm作用点离键沿半径方向为40 mmT =2 75 75 40 =450000 N mm回转直径的d为75 mm键高12mm ,1 =110 M Pap4 450000l - 18 mm75 12 110

19、106取l =50 mm轴的设计=mg =152.55669.8 =1495.0547 N1=G (651191665)2= 198094.7451Xc1 =G 290.97112=217508.8524稳定不变扭矩,L/b:-0.27Me32二1】b2(:T) = 206616.63633二45N mm= 8946.1760 mm 32206616.6363 -23.09555 N / mm8946.1760T =450000 N mml = 50 mmM =198094.7451 N mmT =217508.8524 N mmMe= 206616.6363 N mm2匚=23.09555

20、N / mm取bb=40碳素钢曲big六自由度机械手24旋转和夹紧的设计及强度校核一.机械手指部基座与回转体的螺栓连接将前部指部和轮胎简化为一简支梁结构，在其质心处受到一集中力 机构简图：设计及计算说明主要结果1.采用普通螺栓连接，布局如图示。2.确定螺栓组连接所受的工作载荷。只受到横向载何Fv作用丁接合面，垂直向下二根据UG的质量分析后，得知不得总质量为：TOPWORKJ声投假设Shw呻陆JiM mig UftMeiiiiv六自由度机械手25ks=1.2 f=0.21.2404.27-606.405 N4 0.25.计算螺栓直径螺栓所受的总拉力由式11 19求得:_ G _Fb=F0C1C2

21、m=31.21 kg所要夹取得轮胎质量为:m2= 10 kg二Fv=(m+m2)弱=404.27 N (g取9.81倾覆力矩顺时针方向M =Fv上=404.273,2=14.23 104N mm3.计算各螺栓所受的工作拉力。在倾覆力矩的作用下， 上面的螺栓受到加载作用， 而 下面的螺栓受到减载的作用， 故上面的螺栓受力较大, 所受的载荷由书本的P411 11 3b知为：Fm axMlmaxM 75i=- = 474.33 Nw li2475i土上面的螺栓所受到的总工作拉力:=Fmax= 474.33 N4.求每个螺栓所需的预紧力。横向工作载荷孔将使指架下滑，采用普通螺栓时是靠摩擦力来承受；M对

22、摩擦力无影响， 虽在M作用下， 上 面的压力减小，但下边的Fv增大，所以保证不下滑的条件是：由式11 27可知:F。ksFvzfFv= 404.27 N4M = 14.2310 N ;mmFmax=474.33 NF= 474.33NF0= 606.405NF。曾wng油曲Iiig Un牌闻*六自由度机械手26由表11 5取_2=0.3c1-c2LLQlFb= F01F.= 606.4050.3 474.33 = 748.704 NC1 V查GB/82卜1988选用公称直径d = 10mm媛纹小径d18.376mm的螺钉。螺纹规格：d = M10,公称直径d = 50mm，性能等级为3.6级的

23、H型螺钉GB/822-1988M 10 x50。6.校核螺钉组连接接合面的工作能力。1连接接合面下端的挤压应力不超过许用值，以防止接合面压溃，由式11 39有：zF0M二pmaxA接合面抗弯剖面模量:414.2310N -6=0.1674N21.33310mm由表11.9查得bp=0.5口日=0.5 X 250 =125 Nmapmax ,故连接面下端不会压溃。Fb= 748.704 N查表11.6选择螺栓材料为N/2；mm11.7 ,Nmm屈服极限二-s=190Q235性能等级取3.6 ,其 不控制预紧力，初取直径为16mm ,查表,二190 |c | -= =47.5S 4根据公式11 2

24、1小径为：平安系数为S= 4 ,那么求得螺栓危险剖面的直径螺纹螺钉的直径M10di 4 1.3 Fb3T fcj 4 1.3748.704=5.12 m m二47.5十字槽圆柱头螺钉式中，接合面面积A=h2l2=200_ 2x 200 =40000 mm ;l23-W =2h2=1.33310 mm6h2接合面强度满足工作要求4 606.405二p max40000曾wng油曲Iiig Un牌闻*六自由度机械手272连接合面上端应保持一定的剩余预紧力，以防止接故满足工作要求芬5留呻油Jiao Un帝六自由度机械手28合面广生可隙，即CTp,mm，由式(11 38)得:_ zF0M 4 606.

25、40514.2310PmnA W 400001.333106故接合面上端受压最小出不会产生间隙。二.手部旋转液压缸叶片与夹紧缸连接螺钉的设计手部旋转旋转液压缸剖视图200dZ 0165备注：叶片宽度b=110mm设计与计算说明主要结果1.采用普通螺钉连接。2.确定螺钉组连接所受的工作载荷。假定选用低压系统p = 5MPa,叶长的受力面积：id2d1 )165 110 )2A =1 -Lb =II-区110 = 3025 m mV2J V2F = 15125 N非留叩同iHPMg Ugef六自由度机械手29二周向工作载荷F =PA =15125 (N查GB/T961981 ,选用公称直径d =

26、10mm螺纹小径d1=8.376 mm 的螺钉。三.机械手指部设计及夹紧力计算机械手指部机构简图：3.计算各螺钉及销所受的同向载荷:如果假设将叶长展开，-28),得：铺平后，相当于螺钉组受横向载荷,根据式(11FRF 15125 -3781.25 N4FR= 3781.25 N4计算螺钉直径:由式(11 24)得,FRd Rh E 查表11.6，选择螺钉材料为Q235,，性能等级为3.6级,其屈服极限,crs=1902，初估直径d = 10mm,二查表11.7 ,岳=,S = 2.25 ,SH为螺钉杆与孔壁挤压面的最小高度，3781.25ds :-7.5 84.44由式(11 26),螺钉的剪

27、切强度条件为:=84.44h = 7.5 mm=6 m mNmm2ds -Im查表11.7 I. I -一s= 76N22.5mm-ds4 3781.257.96 m m二76螺纹直径M1030机械手指部夹紧力的计算设计及计算工程主要结果1.液压活塞所受的压力液压活塞承压面面积：S=JI(D2d2)=71(802 402)=15080(mm2)所以F=P S=5MPa 15080m m2=75400NFi是手指连杆施加给左手指的力，Fi是左手指对连杆的反作用力； . . . . .F2和F2同样构成一对作用力与反作用力，如下图.由于机构的对称性，故F1=F2,F1=F2.当机构静平衡时，Fx=

28、0， Fy=0 ；F =F1cos,所以F1 =F=75400=43532.2(N)2 cos a 2 Cos 30根据对O点的力矩平衡：F1b=N L2一一一Fb Fb 43532.2乂211N= = =-=6969.1(N)2 L 2 L2 X 659F=75400N-F1=43532.2N手指的夹紧力N=6969.1N0TK自由度机械手31机构各自由度的连接过程TOPWORK2.旋转机构(ratatable institution )肺目呻油Jiw恒叫Un vtiiilv六自由度机械手323.俯仰机构(swing_institution )TOP WO RK4.摇摆机构(Waver_in

29、stitution )TOP WO RK53呻油JiK佑柑Un六自由度机械手335.液压泵俯仰机构(hydraulic_pressure_Pitching )6.总装(Total Assembling )非留呻油JiHbig Umve伽设计特色该机构是一个六白由度的工业机械手， 能完成夹紧、旋转、俯仰、 摇摆以六自由度机械手34及回转动作，可用于工业流水线上的操作。我们主要针对设计 的是在轿车生产过程中，后车箱备胎的放置，机构简便、效率高，可 控范围大，沉重量大，基座运用齿轮传动，效率高，强度大，液压泵 俯仰机构承载性强，可调角度大，回转机构和俯仰机构都是-60度到60度。机构所用零件便于加工

30、，标准件较多，便于机构的组装，相 应的本钱也不高。心得体会从开学时接受设计任务到现在的即将辩论，不知不觉已经过去了 三个多月了，这三个月我们小组五人都在交流沟通中进步着，每一周的设计进程，我们都十分用心的去做，虽然我们上学期做了机械原理 的课程设计，但是涉及到的只是机构的选择， 而这一次更多的是对机 构强度的校验和工程图的绘制，难免会有些纸漏，在设计时，我们本 着互相探讨，共同设计的原那么，在许多方面取得了成绩。虽然课程设计的题目是开学时布置的， 可是那时候机械零件的课 程还没学习，而且工程图的绘制也没有学习，因此相对来说，进程并 不是很快，我们只是在机构的选择和机械手的原理上进行探讨。随着时

31、间的推移，尤其是在12周工程图的课程结束后，我们开始全面的 行动起来。35以_ _TK自由度机械手虽然设计是通过我们五个人最终确定的， 但设计的实施我们却有 着明确的分工，我们每个人负责一个白由度的三维实体建模、 零件图 的绘制以及相应文档的整理，李晶负责夹紧和旋转白由度，童幸和彭 敏勤负责俯仰连腕部和左右摇摆白由度的设计，李然负责俯仰含 液压泵机构白由度的设计，潘楷负责最后底座回转白由度的设计。 而部件图由李晶绘制，ppt由彭敏勤和潘楷制作，童幸负责最后的设 计说明书的制作。我们机械手的原型来白于宝马汽车制造过程中安放轮胎的机械 手，但是我们也有所改动，左右摇摆和俯仰机构的位置变换了一下，

32、这样看上去更加实用和美观。 接下来是机构内部的设计， 我们在图书 馆找到了相应的书籍一工业机械手，考虑到安放轮胎的机械手功率相 比照拟大，我们选择用液压控制来实行机构的动作。 在参考资料的过 程中，由于书中机构相对介绍的不够详细， 因此我们花了很大力气去 消化，终于明白了原理。随后是零件的计算和选择，虽然我们学习了机械零件的课程，但是真正应用到实际中还是有很大的难度， 对于不 同连接位置的螺钉、销，要满足不同性质的强度条件，计算繁琐而且 枯燥，但是最终我们还是克服了困难，把所有重要零件进行了校验， 并最终得到相应的数据。下一步是三维的实体建模，有了上一步的数 据后，三维的建模就容易多了，我们使用的UG建模，UG建模比拟容 易，而且图像非常直观，而且还有标准零件库，为最后的装配图的绘