六自由度机械手设计说明书

文档从互联网中收集，已重新修正排版，word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。机械设计课程设计说明书六自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自动化设计者：李晶（52）李然（16）潘楷（45）彭敏勤（47）童幸（49）指导老师：高雪官-XX.刖言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本土制造厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，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，Iword格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。文档从互联网中收集，已重新修正排版，word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。而且也更加安全。同时，不断发展的模具技术也为机械手提供了更多的市场机会。可见随着科技的进步，市场的发展，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TOC\o"1-5"\h\z.设计要求和功能分析 4.基座旋转机构轴的设计及强度校核 5\o"CurrentDocument".液压泵俯仰机构零件设计和强度校核 8\o"CurrentDocument".左右摇摆机构零件设计和强度校核 11\o"CurrentDocument".连腕部俯仰机构零件设计和强度校核 14.旋转和夹紧机构零件设计和强度校核 19\o"CurrentDocument".机构各自由度的连接过程 252word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。文档从互联网中收集，已重新修正排版，word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。TOC\o"1-5"\h\z.设计特色 28.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，用于直径30-45mm工件的抓取，工件长度350mm，重量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（包含液压缸）可进行俯仰动作，幅度较大，可3word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。文档从互联网中收集，已重新修正排版，word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。以满足60-120度的俯仰要求，与此相连部分为左右摇摆机构，能够完成-60〜60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-60〜60度的上下俯仰动作，最后的是旋转部分与手指部分，旋转部分可以正反旋转，手指部分通过在手腕上滑槽来控制收放动作。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独立，动作时互不干涉。设计及计算项目结果1.按扭转强度概略计算轴颈下轴颈直径60mm1）选用45号钢，调质。查表得轴肩直径80mmo=650N/mm2，。=360N/mm2，0=300N/mm2，t=155N/mm2，-1 -1t=360N/mm2，0=390N/mm22）按公式，算得d=m=牌］，安装齿轮的轴段直径80mm轴环高度20mm轴环直径100mm上轴颈直径60mm花键小径52mm花键人径56mm轴两端倒角3X450安装齿轮的轴段上A型键槽的宽、深、因 为A兀d 2兀X0.1202A=—弁犹一山= =0.0113m24 4，p=5MPa，[t]=40N/mm2，0=0.108m为齿轮分度圆半径，则：d>0.0091m。考虑到轴是垂直布置，过细会失稳，因此取d=52mm，最小直径为花键内径。2.拟定轴的结构长分别为20、6、70mm。键槽居中布置。此外用过盈配合H7r6确定平键中心出的截面为危险面作精确强度校核。k=2.62，kT=1.89s=0.64，,=0.724word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。

文档从互联网中收集，已重新修正排版，word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。1）支承采用圆锥滚子轴承3007712按GB277-84，取下端轴颈直径为60mm，宽33mm；2）下端轴肩直径80mm，宽25mm；3）齿轮下端面由轴环定位，h=0.1d+5=0.1x80+5=13，鉴于轴环承受轴的重力，轴环直径100mm，宽20mm；4）齿轮轴头直径80mm，宽97mm，稍小于轮毂（100-3）；5）齿轮上端面接触套筒，固定套筒的轴身直径70mm，宽15mm；6）套筒上接圆锥滚子轴承，与下端轴承一样。轴颈直径为60mm，宽30mm；7）和上端盖相密封的轴身直径56mm，宽36mm；8）连接花键的上轴头小径52mm，大径56mm，宽27mm；9）轴两端倒角3x45o；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应小于齿轮的宽度，取L=70mm，轴段上平键居中布置。过盈配合取H7r63.计算支反力和绘制弯矩图和扭矩图1）由于活塞齿条的作用，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。支座 A 的支反力l 815R =F-=56x——二24kN，a l 190支座 B 的支反力R=Fl=56x"85=32kNbl 1902）最大弯矩发生在平键中心的界面处3）扭矩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5word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。

文档从互联网中收集，已重新修正排版，word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。行精确校核。1）过盈配合为H7时的应力集中系数r6k=2.62，、=1.892）尺寸系数e=0.64，,=0.723）表面质量系数p=14）综 合影 响 系数0 k 2.62“八K=-&—= =4.09 ，。eP0.64Kk1.89K—^—— —2.63；。eP0.72T5）弯 曲 应 力 幅M2608……一————— —0.24N/mm2aW107506）平 均 应 力_F56kN————— —11.14N/mm2mA 5024mm2z7）扭 转 应 力 幅t——―-6102—0.25N/mm2a2WT245008）扭转平均应力t4=0.25N/mm29）按公式只考虑正应力时的安全系数只考虑切应力的安全系数SS S― —31.02>[S]满足强度要JS2+S2T— T求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6word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。

文档从互联网中收集，已重新修正排版，word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。初取直径d初取直径d1=16接合面强度满足工作要求重新求得螺柱所受到的总拉力最终选定螺柱直径为

24mmGB/T901-1988B级等长螺柱M24x3.确定螺柱组连接所受的工作载荷只受横向载荷F（作用于接合面，垂直向下）•.根据UG质量分析，得到前四个自由度的总质量-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•••倾覆力矩（顺时针方向）.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，所受的载荷由书本的P411（11-3b）得知为.求每个螺柱所需的预紧力横向工作载荷Fv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；k=1.2f=0.2.计算螺柱直径螺柱所受的总拉力由式（11-19）求得由表11-5取，—=0.3c+c查表选择螺柱材料为Q235,性能等级5.6,屈服强度。二360N/mm2,安全系数S=4，则需用应力为根据式（11-21）求得螺柱危险剖面的直径（螺纹小径）为:,初取直径d1=16.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，由式（11-39）有：式中，接合面面积A=h212=200x200=40000mm2；h2接合面抗弯剖面模量：W=22=1.33x106mm36由表11-9查得2）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。。min>0由式（11-38）7word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。

文档从互联网中收集，已重新修正排版，word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。由于会产生间隙，应提高预紧力，由。，mln>0，求得不产生间隙的最小预紧力F「28570N由式（11-19）重新求得螺柱所受到的总拉力由式（11-21）重新求得螺柱危险截面的剖面直径取）=24mm的螺柱，误差小于5%，在工程允许范围内，1查GB/T901-1988，B级等长螺柱M24x3左右摇摆机构设计及强度校核设计及计算项目结果一. 动叶片中3个螺钉设计由公式11-17得，d>产4F\l兀・[O].确定预紧力F0由公式11-29,F二号｝10fNri1）安全裕度系数K=1.22）接合面间摩擦系数f=0.153）工作转矩T=p油-A•r取动叶片与油液接触面积为85mmx150mm油压为2MPa，油压作用在动叶片上的等效力的作用点位于r=85mm圆周上4）r=75mm2.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。=640N/mm2初估直径M16,查表11-7,取s=2,[。]=660/4=165N/mm2螺钉直径M248word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。

文档从互联网中收集，已重新修正排版，word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。取螺钉直径M24,查表11-1，d=20.752mm1动叶片中2个销的设计.确定剪切力F=p油.A取动叶片与油液接触面积为85mmx140mm油压为2MPa，油压在动叶片等效力的作用点位于r=85mm圆周上.确定销个数z=2.查机械手册，取材料为45号钢常用的销上]=80MPap动叶片与套筒之间的键的设计工作转矩T=p-A-r'油压为2MPa，承压面A为85mmx140mm作用点离键沿半径方向为40mm回转直径的d为85mm键高12mm, [o]=110MPa取l=50mm轴的设计取p油=2Mpa,A=85mmx150mm,r=85mm去材料为40Cr钢，[□=52N/mm2取d=60mm连腕部俯仰机构零件设计及强度校核设计及计算项目结果五. 动叶片中3个螺钉设计[13x4F由公式11-17得，d>[ 4F01\兀・[o]3.确定预紧力F0由公式11-29,F=KJ10 fNri4）安全裕度系数K=1.2螺栓直径M16螺栓直径M16接合面符合工作要求符合工作要求取[o1]b=40碳素钢9word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。文档从互联网中收集，已重新修正排版，word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。5）接合面间摩擦系数f=0.156）工作转矩T=p油-A•r取动叶片与油液接触面积为75mmx75mm油压为2MPa，油压作用在动叶片上的等效力的作用点位于r=75mm圆周上4）r=75mm4.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。=640N/mm2s初估直径M16，查表11-7，取s=4，［。］=640/4=160N/mm2取螺钉直径M16,查表11-1，d广13.875mm六.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1）剩余预紧力F=KJG0z.fa.安全裕度系数K=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=122.863kg形心位置x=316mmc2）查表11-5,C2=1-0.25=0.75c+c3）由公式11-36,F=M'max=°s'max E12 412ili取75mm,li为螺钉到中心线的距离s=x=316mm,s为前自由度总质量到接口的力臂.设计直径查表11-6,取材料为45号钢，性能等级8.8级，屈10word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。

文档从互联网中收集，已重新修正排版，word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。服极限640N/mm2初估M16，查表11-7，s=4，[。]=640/4=160N/mm2.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=4F0=3359.32NA=200mmx200mm=4x104mm2M=G♦s=1204.06x0.316=380.48N•m=380480N•mmW=1x200x200x200氏1333333.33mm364x3359.32 380480 - 六0.05>0¥满足4x104 1333333.33接合面下侧不出现压溃的条件z=4F0=3359.32NA=200mmx200mm=4x104mm2M=G♦s=1204.06x0.316=380.48N•m=380480N•mmW=1x200x200x200氏1333333.33mm366)查表11-9，[o]=0.8o=0.8x640=512N/mm6)4x4x3359.32 380480 + 4x104 1333333.33氏0.621292<512满足注：特殊情况为当前自由度部分自由下垂，四个螺钉完全承受前部分的重力，每个螺钉承受G1F=-=-x122.863x9.8=301.0N，查图11-20，得44此时F=0，F>1F=150.5N，由此0 021.3x4F 0兀・[1.3x4F 0兀・[o]氏1.6mm满足条件。\：兀x160七. 动叶片中2个销的设计4.确定剪切力F=P油.A11word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。

文档从互联网中收集，已重新修正排版，word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。取动叶片与油液接触面积为75mmx75mm油压为2MPa，油压在动叶片等效力的作用点位于r-75mm圆周上.确定销个数工-2.查机械手册，取材料为45号钢常用的销［工］-80MPap动叶片与套筒之间的键的设计工作转矩T-p-A・r'油压为2MPa，承压而A为75mmx75mm作用点离键沿半径方向为40mm回转直径的d为75mm键高12mm, ［o］=110MPa取l-50mm轴的设计稳定不变扭矩，a=JLp0.27巴］b由o<［oJj取［o 40碳素钢旋转和夹紧的^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.采用普通螺栓连接，布局如图示。.确定螺栓组连接所受的工作载荷。只受到横向载荷F(作用于接合面，垂直V向下)根据UG的质量分析后，得知不得总质量为：所要夹取得轮胎质量为：...F=(m1+m2)g-404.27N(g取F=474.33NmaxF=474.33NF0=606.405N螺钉的直径M10十字槽圆柱头螺钉接合面强度满足工作要求故满足工作要求12w0rd格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。文档从互联网中收集，已重新修正排版，word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。9.81m；/；）倾覆力矩顺时针方向M=Fl=404.27x3<2=14.23x104Nmm.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P41K11—3b）知为:上面的螺栓所受到的总工作拉力：.求每个螺栓所需的预紧力。横向工作载荷F将使指架下滑，采用普通螺栓时是靠摩擦力来承受；M对摩擦力无影响，虽在M作用下，上面的压力减小，但下边的F增V大，所以保证不下滑的条件是：由式（11—27）可知：k=1.2f=0.2.计算螺栓直径。螺栓所受的总拉力由式（11—19）求得：由表11—5取一^1—=0.3c+c查表11.6选择螺栓材料为Q235,性能等级取3.6,其屈服极限。=190N/ ；不控制预紧s/mm2力，初取直径为16mm，查表11.7,安全系数为S=4,则［。］=，=190=47.5N/ 。S4 /mm2根据公式（11—21）求得螺栓危险剖面的直径（螺纹小径）为：查GB/822—1988选用公称直径d=10mm（螺纹小径d=8.376mm）的螺钉。1螺纹规格：d=M10,公称直径d=50mm,性能等级为3.6级的H型螺钉GB/822—1988M10x50。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：式中，接合面面积13word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。

文档从互联网中收集，已重新修正排版，word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。A=h212=200x200=40000mm2；接合面抗弯剖面模量：由表11.9查得[o]=0.5Op=0.5x250=125N/mm2>0 ，故连接面下端不会压溃。2）连接合面上端应保持一定的剩余预紧力，以防止接合面产生间隙，即0Pmm>0，由式（11—38）得：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：备注：叶片宽度b=110mm设计与计算说明主要结果.采用普通螺钉连接。.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：上周向工作载荷F=PA=15125（N）.计算各螺钉及销所受的同向载荷：如果假设将叶长展开，铺平后，相当于螺钉组受横飕荷，根据式（11—28）,得：4计算螺钉直径： 一F由式（11—24）得，dN卜[火]p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，。二190Nmm2，初估直径d=10mm,丁•查表11.7,1°]=不，S=2.25,「.[o/=84.44Nmm2H为螺钉杆与孔壁挤压面的最小高度，h=7.5mm由式（11—26）,螺钉的剪切强度条件为：查表11.7lr]=—r=76N/2.5 /mm2查GB/T96—1981,选用公称直径d=10mm（螺纹小径d广8.376mm）的螺钉。螺纹直径M10三.机械手指部设计及夹紧力计算14word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。

文档从互联网中收集，已重新修正排版，word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。机械手指部机构简图：机械手指部夹紧力的计算设计及计算项目主要结果.液压活塞所受的压力液压活塞承压面面积：S=兀(D2一d2)=兀(802一402)=15080(mm2)所以F=P-S=5MPax15080mm2=75400N勺是手指连杆施加给左手指的力，「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,如图所示.由于机构的对称性，故F=F,F=F.12 12当机构静平衡时,ZFX=0,ZFy=0;l- 「 F 75400F=F'cosa，所以F'= = =43532.2(N)12cosa2cos30。…,一一，一“ bb根据对O点的力矩平衡：F--=N'L2■FbFb43532.2x211N=+=±= =6969.1(N)L2L 2x659F=75400NF=43532.2N1手指的夹紧力N=6969.1N机构各自由度的连接过程.手指和活塞(尸1明0丫andpiston).旋转机构(「@{@土@610institution).俯仰机构(swing_institution).摇摆机构5@丫0「_也$言宜言02.液压泵俯仰机构(hydrau1ic_pressure_Pitching).总装(10土@1Assembling)15word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。文档从互联网中收集，已重新修正排版，word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。设计特色该机构是一个六自由度的工业机械手，能完成夹紧、旋转、俯仰、摇摆以及回转动作，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，标准件较多，便于机构的组装，相应的成本也不高。心得体会从开学时接受设计任务到现在的即将答辩，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，难免会有些纰漏，在设计时，我们本着互相探讨，共同设计的原则，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。16word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。文档从互联网中收集，已重新修正排版，word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。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自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自由度，童幸和彭敏勤负责俯仰（连腕部）和左右摇摆自由度的设计，李然负责俯仰（含液压泵）机构自由度的设计，潘楷负责最后底座回转自由度的设计。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自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，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对比较大，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建模比较容易，而且图像非常直观，而且还有标准