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1、機械設計課程設計說明書 六自由度機械手 上海交通大學機械與動力工程學院 專業(yè) 機械工程與自動化 設計者： 李晶（5030209252） 李然（5030209316） 潘楷（5030209345） 彭敏勤（5030209347） 童幸（5030209349） 指導老師: 高雪官 2006.6.16 前言 在工資水平較低的中國，制造業(yè)盡管仍屬于勞動力密集型，機械手的使用已經越來越普及。那些電子和汽車業(yè)的歐美跨國公司很早就在它們設在中國的工廠中引進了自動化生產。但現在的變化是那些分

2、布在工業(yè)密集的華南、華東沿海地區(qū)的中國本土制造廠也開始對機械手表現出越來越濃厚的興趣，因為他們要面對工人流失率高，以及交貨周期縮短帶來的挑戰(zhàn)。 機械手可以確保運轉周期的一貫性，提高品質。另外，讓機械手取代普通工人從模具中取出零件不僅穩(wěn)定，而且也更加安全。同時，不斷發(fā)展的模具技術也為機械手提供了更多的市場機會。 可見隨著科技的進步，市場的發(fā)展，機械手的廣泛應用已漸趨可能，在未來的制造業(yè)中，越來越多的機械手將被應用，越來越好的機械手將被創(chuàng)造，毫不夸張地說，機械手是人類是走向先進制造的一個標志，是人類走向現代化、高科技進步的一個象征。 因此如何設計出一個功能強大，結構穩(wěn)定的機械手變成了迫在眉睫的

3、問題。 目錄 一. 設計要求和功能分析 4 二. 基座旋轉機構軸的設計及強度校核 5 三. 液壓泵俯仰機構零件設計和強度校核 8 四. 左右搖擺機構零件設計和強度校核 11 五. 連腕部俯仰機構零件設計和強度校核 14 六. 旋轉和夾緊機構零件設計和強度校核 19 七. 機構各自由度的連接過程 25 八. 設計特色 28 九. 心得體會

4、 28 十. 參考文獻 30 十一. 任務分工 31 十二. 附錄（零件及裝配圖） 31 設計要求 該機械臂用于物流生產線上物品的抓取和易位。整個機械臂安裝在一個回轉支座上，回轉角度范圍為360度；小臂相對于大臂可擺動，擺動范圍為60-120度；小臂末端的手腕也可以擺動，擺動范圍為-60度到+60度；手腕的末端安裝一機械手，機械手具有開閉能力，用于直徑30-45mm工件的抓取，工件長度

5、350mm，重量8kg。 功能分析 系統(tǒng)共有6個自由度，分別是夾緊、旋轉、俯仰（1）、左右搖擺、俯仰（2）及基座的回轉。 基座的回轉自由度可以進行360度的回轉；與基座相連的俯仰機構（包含液壓缸）可進行俯仰動作，幅度較大，可以滿足60-120度的俯仰要求，與此相連部分為左右搖擺機構，能夠完成-60~60度的左右來回擺動，接著下去的是俯仰機構，與搖擺機構內部類似，亦可完成-60~60度的上下俯仰動作，最后的是旋轉部分與手指部分，旋轉部分可以正反旋轉，手指部分通過在手腕上滑槽來控制收放動作。機構采用液壓控制各自由度的動作，簡單方便且功率大，各自由度之間相互聯(lián)系且獨立，動作時互不干涉。 基座

6、旋轉機構軸的設計及強度校核 設計及計算項目 結果 1. 按扭轉強度概略計算軸頸 1） 選用45號鋼，調質。查表得，，，，， 2） 按公式，算得，因為，，，為齒輪分度圓半徑，則：?？紤]到軸是垂直布置，過細會失穩(wěn)，因此取，最小直徑為花鍵內徑。 2. 擬定軸的結構 1） 支承采用圓錐滾子軸承3007712按GB277-84，取下端軸頸直徑為60mm，寬33mm； 2） 下端軸肩直徑80mm，寬25mm； 3） 齒輪下端面由軸環(huán)定位， ，鑒于軸環(huán)承受軸的重力，軸環(huán)直徑100mm，寬20mm； 4） 齒輪軸頭直徑80mm，寬97mm，稍小于輪豰（100-3）； 5） 齒輪上端面

7、接觸套筒，固定套筒的軸身直徑70mm，寬15mm； 6） 套筒上接圓錐滾子軸承，與下端軸承一樣。軸頸直徑為60mm，寬30mm； 7） 和上端蓋相密封的軸身直徑56mm，寬36mm； 8） 連接花鍵的上軸頭小徑52mm，大徑56mm，寬27mm； 9） 軸兩端倒角； 10） 齒輪與平鍵采用過盈連接,采用A型平鍵，鍵槽寬度，槽深，槽長L應小于齒輪的寬度，取，軸段上平鍵居中布置。過盈配合取 3. 計算支反力和繪制彎矩圖和扭矩圖 1）由于活塞齒條的作用，軸受到水平方向的力，同時在軸承受到支反力，這樣產生彎矩。 支座A的支反力， 支座B的支反力 2） 最大彎矩發(fā)生在平鍵中心的

8、界面處 3） 扭矩 4. 強度精確校核 可知危險剖面在平鍵中心處，此時彎矩最大，且有鍵槽，抗彎剖面模量和抗扭剖面模量較小。對該面進行精確校核。 1） 過盈配合為時的應力集中系數， 2） 尺寸系數， 3） 表面質量系數 4） 綜合影響系數，； 5） 彎曲應力幅 6） 平均應力 7） 扭轉應力幅 8） 扭轉平均應力 9） 按公式只考慮正應力時的安全系數 只考慮切應力的安全系數 >[S]滿足強度要求 下軸頸直徑60mm 軸肩直徑80mm 安裝齒輪的軸段直徑80mm 軸環(huán)高度20mm 軸環(huán)直徑100m

9、m 上軸頸直徑60mm 花鍵小徑52mm 花鍵大徑56mm 軸兩端倒角 安裝齒輪的軸段上A型鍵槽的寬、深、長分別為20、6、70mm。鍵槽居中布置。此外用過盈配合 確定平鍵中心出的截面為危險面作精確強度校核。 ， ， 液壓泵俯仰機構零件設計及強度校核 設計及計算說明 主要結果 1． 采用普通螺柱連接，布局如圖 2． 確定螺柱組連接所受的工作載荷 只受橫向載荷（作用于接合

10、面，垂直向下） 根據UG質量分析，得到前四個自由度的總質量 根據UG距離分析，前四個自由度質心到螺柱分布中心的距離 傾覆力矩（順時針方向） 3． 計算傾覆力矩的工作拉力 在傾覆力矩作用下，左面的螺釘受到加載作用而右面的螺釘受到減載作用，故左面的螺柱受力較大，所受的載荷由書本的P411（11-3b）得知為 4．求每個螺柱所需的預緊力 橫向工作載荷將使連接件下滑，采用普通螺柱連時是靠摩擦力來承受，M對摩擦力無影響，雖在M的作用下，左邊的壓力減小，但右面的拉力增大，所以保證不下滑的條件，由式（11-27）可知; =1.2 =0.2 4． 計算螺柱直

11、徑 螺柱所受的總拉力由式（11-19）求得 由表11-5取=0.3 查表選擇螺柱材料為Q235，性能等級5.6，屈服強度 ，安全系數，則需用應力為 根據式（11-21）求得螺柱危險剖面的直徑（螺紋小徑）為： 初取直徑=16 5． 校驗螺柱組連接接合面的工作能力 1） 連接接合面右端不超過許用值，以防止接合面壓潰，由式（11-39）有： 式中，接合面面積； 接合面抗彎剖面模量： 由表11-9查得 2） 連接接合面左端應保持一定的預緊力，以防止接合面產生間隙，即由式（11-38） 由于會產生間隙，應提高預緊力，由，求得不產生間隙的最小預

12、緊力=28570 由式（11-19）重新求得螺柱所受到的總拉力 由式（11-21）重新求得螺柱危險截面的剖面直徑 取=24的螺柱，誤差小于5%，在工程允許范圍內，查GB/T901-1988，B級等長螺柱M243 初取直徑=16 接合面強度滿足工作要求 重新求得螺柱所受到的總拉

13、力 最終選定螺柱直徑為24 GB/T901-1988 B級等長螺柱M243 左右搖擺機構設計及強度校核 設計及計算項目 結果 一． 動葉片中3個螺釘設計 由公式11-17得， 1. 確定預緊力 由公式11-29， 1） 安全裕度系數 2） 接合面間摩擦系數 3） 工作轉矩 取動葉片與油液接觸面積為 油壓為2，油壓作用在動葉片上的等效力 的作用點位于圓周上 4） 2. 查表11-6，取材料為45號鋼，性能等級為8.8級 屈服強度極限 初估直徑M16，查表11-7，取， 取螺釘直徑M24,查

14、表11-1， 二． 動葉片中2個銷的設計 1. 確定剪切力 取動葉片與油液接觸面積為 油壓為，油壓在動葉片等效力的作用點 位于圓周上 2. 確定銷個數 3. 查機械手冊，取材料為45號鋼 常用的銷 三． 動葉片與套筒之間的鍵的設計 1. 工作轉矩 油壓為，承壓面A為 作用點離鍵沿半徑方向為 2. 回轉直徑的d為 鍵高， 取 四． 軸的設計 取，， 去材料為40Cr鋼， 取

15、 螺釘直徑M24 連腕部俯仰機構零件設計及強度校核 設計及計算項目 結果 五． 動葉片中3個螺釘設計 由公式11-17得， 3. 確定預緊力 由公式11-29， 4） 安全裕度系數 5） 接合面間摩擦系數 6） 工作轉矩 取動葉片與油液接觸面積為 油壓為2，油壓作用在動葉片上的等效力 的作用點位于圓周上

16、 4） 4. 查表11-6，取材料為45號鋼，性能等級為8.8級 屈服強度極限 初估直徑M16，查表11-7，取， 取螺釘直徑M16,查表11-1， 六． 連接前自由度箱體的4個固定螺釘設計 1. 求每個螺釘的所需預緊力和總拉力 1） 剩余預緊力 a. 安全裕度系數 b. 接合面間摩擦系數 c. 螺釘個數 d. 前自由度總質量 形心位置 2） 查表11-5， 3） 由公式11-36， a. 取，為螺釘到中心線的距離 b. ,為前自由度總質量到接口的力臂 2. 設計直徑

17、查表11-6，取材料為45號鋼，性能等級8.8級，屈服極限 初估M16，查表11-7，， 3. 校核螺釘接合面的工作能力 接合面上側不出現縫隙的條件 1） 2) 3) 4) 5) 滿足 接合面下側不出現壓潰的條件 1） 2) 3) 4) 5) 6） 查表11-9， 滿足 注：特殊情況為當前自由度部分自由下垂，四個螺釘完全承受前部分的重力，每個螺釘承受，查圖11-20，得此時， ，由此滿足條件。 七． 動葉片中2個銷的設計 4. 確定剪切力 取動葉片與油液接觸面積為 油壓為，油

18、壓在動葉片等效力的作用點 位于圓周上 5. 確定銷個數 6. 查機械手冊，取材料為45號鋼 常用的銷 八． 動葉片與套筒之間的鍵的設計 3. 工作轉矩 油壓為，承壓面A為 作用點離鍵沿半徑方向為 4. 回轉直徑的d為 鍵高， 取 九． 軸的設計 穩(wěn)定不變扭矩， 由， 取碳素鋼 螺栓直徑M16

19、 螺栓直徑M16 接合面符合工作要求 符合工作要求 取碳素鋼 旋

20、轉和夾緊的設計及強度校核 一.機械手指部基座與回轉體的螺栓連接 將前部指部和輪胎簡化為一簡支梁結構，在其質心處受到一集中力。 機構簡圖: 設計及計算說明 主要結果 1． 采用普通螺栓連接，布局如圖示。 2． 確定螺栓組連接所受的工作載荷。 只受到橫向載荷（作用于接合面，垂直向下） 根據UG的質量分析后，得知不得總質量為： 所要夾取得輪胎質量為： （g?。? 傾覆力矩順時針方向 =404.27 3． 計算各螺栓所受的工作拉力。 在傾覆力矩的作用下，上面的螺栓受到加載作用，而下面的螺栓受到減載的作用，故上面的螺栓受力較大，所受的載荷由書本的P411（

21、11—3）知為： 上面的螺栓所受到的總工作拉力： 4． 求每個螺栓所需的預緊力。 橫向工作載荷將使指架下滑，采用普通螺栓時是靠摩擦力來承受；M對摩擦力無影響，雖在M作用下，上面的壓力減小，但下邊的增大，所以保證不下滑的條件是： 由式（11—27）可知： =1.2 f=0.2 5． 計算螺栓直徑。 螺栓所受的總拉力由式（11—19）求得： 由表11—5取= 0.3 查表11.6選擇螺栓材料為Q235，性能等級取3.6，其屈服極限；不控制預緊力，初取直徑為16，查表11.7，安全系數為S= 4，則。 根據公式（11—21）求得螺栓危險剖面的直徑（螺紋

22、小徑）為： 查GB/822—1988選用公稱直徑d = 10mm(螺紋小徑= 8.376mm)的螺釘。 螺紋規(guī)格：d = M10, 公稱直徑d = 50mm,性能等級為3.6級的H型螺釘GB/822—1988 。 6．校核螺釘組連接接合面的工作能力。 1）連接接合面下端的擠壓應力不超過許用值，以防止接合面壓潰，由式(11—39)有： 式中，接合面面積； 接合面抗彎剖面模量： 由表11.9 查得 ， 故連接面下端不會壓潰。 2）連接合面上端應保持一定的剩余預緊力，以防止接合面產生間隙，即，由式（11—38）得： 故接合面上端受壓最小出不會產生間隙。

23、 = F= 474.33N = 606.405N 螺釘的直徑M10 十字槽圓柱頭螺釘 接合面強度滿足工作要求 故滿足工作要求 二.手部旋轉液壓缸葉片與夾緊缸連接螺釘的設計 手部旋轉旋轉液壓缸剖視圖: 備注：葉片寬度b=110mm 設計與計算說明

24、主要結果 1． 采用普通螺釘連接。 2． 確定螺釘組連接所受的工作載荷。 假定選用低壓系統(tǒng)p = 5MPa, 葉長的受力面積： 周向工作載荷 3． 計算各螺釘及銷所受的同向載荷： 如果假設將葉長展開，鋪平后，相當于螺釘組受橫向載荷，根據式（11—28），得： 4計算螺釘直徑： 由式（11—24）得， 查表11.6，選擇螺釘材料為Q235，性能等級為3.6級，其屈服極限，，初估直徑d = 10mm, 查表11.7，，S = 2.25， = 84.44 H為螺釘桿與孔壁擠壓面的最小高度， h = 7.5 mm 由式（11—26），螺釘的剪切強度條件為：

25、查表11.7 查GB/T96—1981，選用公稱直徑d = 10mm （螺紋小徑）的螺釘。 螺紋直徑M10 三.機械手指部設計及夾緊力計算 機械手指部機構簡圖: 機械手指部夾緊力的計算 設計及計算項目 主要結果 1. 液壓活塞所受的壓力 液壓活塞承壓面面積: S===15080() 所以F=P S=5MPa15080=75400N 是手指連桿施加給左手指的力,是左手指對連桿的反作用力;

26、 和同樣構成一對作用力與反作用力,如圖所示. 由于機構的對稱性,故=,=. 當機構靜平衡時,,; ,所以==43532.2(N) 根據對O點的力矩平衡: =NL N====6969.1(N) F=75400N =43532.2N 手指的夾緊力N=6969.1N 機構各自由度的連接過程 1.手指和活塞（Finger and piston） 2.旋轉機構（ratatable institution） 3. 俯仰機構（swing_insti

27、tution） 4.搖擺機構（Waver_institution） 5.液壓泵俯仰機構（hydraulic_pressure_Pitching） 6.總裝（Total Assembling） 設計特色 該機構是一個六自由度的工業(yè)機械手，能完成夾緊、旋轉、俯仰、搖擺以及回轉動作，可用于工業(yè)流水線上的操作。我們主要針對設計的是在轎車生產過程中，后車箱備胎的放置，機構簡便、效率高，可控范圍大，沉重量大，基座運用齒輪傳動，效率高，強度大，液壓泵俯仰機構承載性強，可調角度大，回轉機構和俯仰機構都是-60度到60度。機構所用零件便于加工

28、，標準件較多，便于機構的組裝，相應的成本也不高。 心得體會 從開學時接受設計任務到現在的即將答辯，不知不覺已經過去了三個多月了，這三個月我們小組五人都在交流溝通中進步著，每一周的設計進程，我們都十分用心的去做，雖然我們上學期做了機械原理的課程設計，但是涉及到的只是機構的選擇，而這一次更多的是對機構強度的校驗和工程圖的繪制，難免會有些紕漏，在設計時，我們本著互相探討，共同設計的原則，在許多方面取得了成績。 雖然課程設計的題目是開學時布置的，可是那時候機械零件的課程還沒學習，而且工程圖的繪制也沒有學習，因此相對來說，進程并不是很快，我們只是在機構的選擇和機械手的原理上進行探討。隨著時間的推移

29、，尤其是在12周工程圖的課程結束后，我們開始全面的行動起來。 雖然設計是通過我們五個人最終確定的，但設計的實施我們卻有著明確的分工，我們每個人負責一個自由度的三維實體建模、零件圖的繪制以及相應文檔的整理，李晶負責夾緊和旋轉自由度，童幸和彭敏勤負責俯仰(連腕部)和左右搖擺自由度的設計，李然負責俯仰(含液壓泵)機構自由度的設計，潘楷負責最后底座回轉自由度的設計。而部件圖由李晶繪制，ppt由彭敏勤和潘楷制作，童幸負責最后的設計說明書的制作。 我們機械手的原型來自于寶馬汽車制造過程中安放輪胎的機械手，但是我們也有所改動，左右搖擺和俯仰機構的位置變換了一下，這樣看上去更加實用和美觀。接下來是機構內部

30、的設計，我們在圖書館找到了相應的書籍—工業(yè)機械手，考慮到安放輪胎的機械手功率相對比較大，我們選擇用液壓控制來實行機構的動作。在參考資料的過程中，由于書中機構相對介紹的不夠詳細，因此我們花了很大力氣去消化，終于明白了原理。隨后是零件的計算和選擇，雖然我們學習了機械零件的課程，但是真正應用到實際中還是有很大的難度，對于不同連接位置的螺釘、銷，要滿足不同性質的強度條件，計算繁瑣而且枯燥，但是最終我們還是克服了困難，把所有重要零件進行了校驗，并最終得到相應的數據。下一步是三維的實體建模，有了上一步的數據后，三維的建模就容易多了，我們使用的UG建模，UG建模比較容易，而且圖像非常直觀，而且還有標準零件庫

31、，為最后的裝配圖的繪制做出了很大的貢獻。零件圖的繪制又是一個難點，我們學過UG，但是工程圖卻沒有學習過，本來我們打算用CAD繪圖，但是我們的機構內部極其復雜，因此我們決定直接用UG導出來的方法得到最后的零件圖。而最后每個人各自數據的整理已經最后一個人文檔的整理使得最后的任務完成。 答辯馬上就要到來了，我們的設計也快結束了，當我們看著最后的成果，內心不禁澎湃，我們看到的在設計的過程中，每個人的刻苦，每個人的努力，每個人的盡力而為。在設計的過程中我看到了teamwork的強大和重要性，沒有合作的精神，就不可能會有最后的成功，李晶在繪圖經常到凌晨兩三點，而李然則經常在旁邊陪他一起繪圖；彭敏勤和童幸

32、經常在一起計算，一方面是由于兩人設計的機構相似，更重要的是在計算過程中，兩個人在一起更能避免錯誤的產生，潘楷和彭敏勤聯(lián)手完成的ppt也非常完美。雖然這學期的設計就此結束，但是我們在這個過程中學習到的東西卻不會忘記，在下學期的機電課程設計中，相信這學期的設計一定會有很大的幫助。 參考文獻 1.<<機械設計手冊>>第四版第2卷 主編:成大先 化學工業(yè)出版社 2002.1 2.<<工業(yè)機械手設計基礎>> 天津大學<<工業(yè)機械手設計基礎>>編寫組編 天津科學技術出版社 1980.8 3.<<機械手及其應用>> 王承義 機械工業(yè)出版社 1981

33、.6 4.<<機械設計與理論>> 主編:李柱國 編者:高雪官 許敏等 科學出版社 2003.8 5.<<現代機械工程圖學>> 蔣壽偉 強敏德 蔣 丹 高等教育出版社 1999.6 6.<<液壓與氣壓傳動>> 章洪甲 王積偉 黃誼 機械工業(yè)出版社 2005.6 6.<> 洪如謹 陳炎 清華大學出版社 2003.3 7.<> 曾向陽 謝國明 王學平 電子工業(yè)出版社 2004.1 任務分工 李 晶：前三個自由度的機構設計及其零件的校核驗算；UG三維建模裝配；零件圖，裝配圖的繪制；前三個自由度的文檔整理 李 然：手臂俯仰機構的設計和校驗；UG三維建模；及該自由度的文檔整理 童 幸：手部左右搖擺機構自由度的設計和校驗；UG三維建模，零件圖的繪制； 該自由度的文檔整理；最后設計說明書的匯總整理 潘 楷：機座旋轉自由度的設計和校驗；UG三維建模；及該自由度的文檔整理 彭敏勤：手部上下俯仰機構自由度的設計，校驗和文檔整理；手部左右搖擺機構自由度UG三維建模；演示文稿的制作 附錄 零件圖及裝配圖