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1、 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
2、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
3、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
4、，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-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
5、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）
6、 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）
7、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
8、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 =0.24 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
9、.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=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，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
10、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24GB/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
11、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
