上海交大--六自由度机械手.doc

六自由度机械手
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（5030209252）
李然（5030209316）
潘楷（5030209345）
彭敏勤（5030209347）
童幸（5030209349）

指导老师: 高雪官
2006.6.16

前言
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，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
一. 设计要求和功能分析 4
二. 基座旋转机构轴的设计及强度校核 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. 机构各自由度的连接过程 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
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。
基座旋转机构轴的设计及强度校核

设计及计算项目
结果
1. 按扭转强度概略计算轴颈
1） 选用45号钢，调质。查表得，，，，，
2） 按公式，算得，因为，，，为齿轮分度圆半径，则：。考虑到轴是垂直布置，过细会失稳，因此取，最小直径为花键内径。
2. 拟定轴的结构
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， ，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，稍小于轮豰（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；
10） 齿轮与平键采用过盈连接,采用A型平键，键槽宽度，槽深，槽长L应小于齿轮的宽度，取，轴段上平键居中布置。过盈配合取
3. 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，
支座B的支反力
2） 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。对该面进行精确校核。
1） 过盈配合为时的应力集中系数，
2） 尺寸系数，
3） 表面质量系数
4） 综合影响系数，；
5） 弯曲应力幅
6） 平均应力
7） 扭转应力幅
8） 扭转平均应力
9） 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

>[S]满足强度要求

下轴颈直径60mm
轴肩直径80mm

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
花键大径56mm

轴两端倒角

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。此外用过盈配合

确定平键中心出的截面为危险面作精确强度校核。

，
，

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． 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
只受横向载荷（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）

3． 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

4．求每个螺柱所需的预紧力
横向工作载荷将使连接件下滑，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;

=1.2 =0.2

4． 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=0.3

查表选择螺柱材料为Q235，性能等级5.6，屈服强度
，安全系数，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=16
5． 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；
接合面抗弯剖面模量：

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，即由式（11-38）

由于会产生间隙，应提高预紧力，由，求得不产生间隙的最小预紧力=28570
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=24的螺柱，误差小于5%，在工程允许范围内，查GB/T901-1988，B级等长螺柱M243

初取直径=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24

GB/T901-1988 B级等长螺柱M243

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，
1. 确定预紧力
由公式11-29，
1） 安全裕度系数
2） 接合面间摩擦系数
3） 工作转矩
取动叶片与油液接触面积为
油压为2，油压作用在动叶片上的等效力
的作用点位于圆周上

4）

2. 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
初估直径M16，查表11-7，取，

取螺钉直径M24,查表11-1，

二． 动叶片中2个销的设计

1. 确定剪切力
取动叶片与油液接触面积为
油压为，油压在动叶片等效力的作用点
位于圆周上

2. 确定销个数
3. 查机械手册，取材料为45号钢
常用的销

三． 动叶片与套筒之间的键的设计

1. 工作转矩
油压为，承压面A为
作用点离键沿半径方向为

2. 回转直径的d为
键高，

取

四． 轴的设计

取，，

去材料为40Cr钢，

取

螺钉直径M24

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
由公式11-17得，
3. 确定预紧力
由公式11-29，
4） 安全裕度系数
5） 接合面间摩擦系数
6） 工作转矩
取动叶片与油液接触面积为
油压为2，油压作用在动叶片上的等效力
的作用点位于圆周上

4）

4. 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
初估直径M16，查表11-7，取，

取螺钉直径M16,查表11-1，

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
a. 安全裕度系数
b. 接合面间摩擦系数
c. 螺钉个数
d. 前自由度总质量
形心位置

2） 查表11-5，
3） 由公式11-36，
a. 取，为螺钉到中心线的距离
b. ,为前自由度总质量到接口的力臂

2. 设计直径

查表11-6，取材料为45号钢，性能等级8.8级，屈服极限
初估M16，查表11-7，，

3. 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

1）
2)
3)
4)
5)
满足
接合面下侧不出现压溃的条件

1）
2)
3)
4)
5)
6） 查表11-9，
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，查图11-20，得此时， ，由此满足条件。

七． 动叶片中2个销的设计

4. 确定剪切力
取动叶片与油液接触面积为
油压为，油压在动叶片等效力的作用点
位于圆周上

5. 确定销个数
6. 查机械手册，取材料为45号钢
常用的销

八． 动叶片与套筒之间的键的设计

3. 工作转矩
油压为，承压面A为
作用点离键沿半径方向为

4. 回转直径的d为
键高，

取

九． 轴的设计

稳定不变扭矩，

由，
取碳素钢

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

取碳素钢

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。
只受到横向载荷（作用于接合面，垂直向下）
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：

（g取）
倾覆力矩顺时针方向
=404.27
3． 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—3）知为：

上面的螺栓所受到的总工作拉力：

4． 求每个螺栓所需的预紧力。
横向工作载荷将使指架下滑，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，但下边的增大，所以保证不下滑的条件是：
由式（11—27）可知：

=1.2 f=0.2

5． 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= 0.3

查表11.6选择螺栓材料为Q235，性能等级取3.6，其屈服极限；不控制预紧力，初取直径为16，查表11.7，安全系数为S= 4，则。
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= 8.376mm)的螺钉。
螺纹规格：d = M10, 公称直径d = 50mm,性能等级为3.6级的H型螺钉GB/822—1988 。
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；
接合面抗弯剖面模量：

由表11.9 查得
，
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，由式（11—38）得：

故接合面上端受压最小出不会产生间隙。

=
F= 474.33N

= 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

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
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：

周向工作载荷
3． 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，相当于螺钉组受横向载荷，根据式（11—28），得：

4计算螺钉直径：
由式（11—24）得，
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，，初估直径d = 10mm,
查表11.7，，S = 2.25， = 84.44
H为螺钉杆与孔壁挤压面的最小高度， h = 7.5 mm

由式（11—26），螺钉的剪切强度条件为：

查表11.7

查GB/T96—1981，选用公称直径d = 10mm （螺纹小径）的螺钉。

螺纹直径M10

三.机械手指部设计及夹紧力计算
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
1. 液压活塞所受的压力
液压活塞承压面面积:
S===15080()
所以F=P S=5MPa15080=75400N
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;
和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=,=.
当机构静平衡时,,;
,所以==43532.2(N)
根据对O点的力矩平衡: =NL
N====6969.1(N)

F=75400N

=43532.2N

手指的夹紧力N=6969.1N

机构各自由度的连接过程
1.手指和活塞（Finger and piston）

2.旋转机构（ratatable institution）

3. 俯仰机构（swing_institution）

4.摇摆机构（Waver_institution）

5.液压泵俯仰机构（hydraulic_pressure_Pitching）

6.总装（Total Assembling）

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。
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—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，而且还有标准零件库，为最后的装配图的绘制做出了很大的贡献。零件图的绘制又是一个难点，我们学过UG，但是工程图却没有学习过，本来我们打算用CAD绘图，但是我们的机构内部极其复杂，因此我们决定直接用UG导出来的方法得到最后的零件图。而最后每个人各自数据的整理已经最后一个人文档的整理使得最后的任务完成。
答辩马上就要到来了，我们的设计也快结束了，当我们看着最后的成果，内心不禁澎湃，我们看到的在设计的过程中，每个人的刻苦，每个人的努力，每个人的尽力而为。在设计的过程中我看到了teamwork的强大和重要性，没有合作的精神，就不可能会有最后的成功，李晶在绘图经常到凌晨两三点，而李然则经常在旁边陪他一起绘图；彭敏勤和童幸经常在一起计算，一方面是由于两人设计的机构相似，更重要的是在计算过程中，两个人在一起更能避免错误的产生，潘楷和彭敏勤联手完成的ppt也非常完美。虽然这学期的设计就此结束，但是我们在这个过程中学习到的东西却不会忘记，在下学期的机电课程设计中，相信这学期的设计一定会有很大的帮助。

参考文献
1.<<机械设计手册>>第四版第2卷 主编:成大先 化学工业出版社 2002.1
2.<<工业机械手设计基础>> 天津大学<<工业机械手设计基础>>编写组编
天津科学技术出版社 1980.8
3.<<机械手及其应用>> 王承义 机械工业出版社 1981.6
4.<<机械设计与理论>> 主编:李柱国 编者:高雪官 许敏等 科学出版社
2003.8
5.<<现代机械工程图学>> 蒋寿伟 强敏德 蒋 丹 高等教育出版社 1999.6
6.<<液压与气压传动>> 章洪甲 王积伟 黄谊 机械工业出版社 2005.6
6.<<UGNX CAD快速入门指导>> 洪如谨 陈炎 清华大学出版社 2003.3
7.<<UGNX 高级开发实例>> 曾向阳 谢国明 王学平 电子工业出版社
2004.1

任务分工
李 晶：前三个自由度的机构设计及其零件的校核验算；UG三维建模装配；零件图，装配图的绘制；前三个自由度的文档整理
李 然：手臂俯仰机构的设计和校验；UG三维建模；及该自由度的文档整理
童 幸：手部左右摇摆机构自由度的设计和校验；UG三维建模，零件图的绘制；
该自由度的文档整理；最后设计说明书的汇总整理
潘 楷：机座旋转自由度的设计和校验；UG三维建模；及该自由度的文档整理
彭敏勤：手部上下俯仰机构自由度的设计，校验和文档整理；手部左右摇摆机构自由度UG三维建模；演示文稿的制作

附录
零件图及装配图
31