机械设计课程设计说明书六自由度机械手TOPWORK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2006616、八—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，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- •- ■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 0.1 80 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3 45°；10）齿轮与平键米用过盈连接，米用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H 7r63.计算支反力和绘制弯矩图和扭矩图安装齿轮的轴段直径80mm轴环咼度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3 45°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H 7外用过盈配合r6在轴承受到支反力，这样产生弯矩2）最大弯矩发生在平键中心的界面处M R A l 1 24kN 108.5mm 2608Nm3）扭矩2T pAr 0 5Mpa 0.0113m0.108m 6102Nm4.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。
H 71）过盈配合为——时的应力集中系数k 2.62， r6k 1.8932kNF r 56kNR A F |2R B F l1l 56 5681.5 190 108.5 19024kN 32 kN2F r pA 5Mpa 0.0113m支座A 的支反力R A F *支座B 的支反力R B F *56kN 56 8「5190 56 108・519024 kN , 32kNM 2608NmT 6102Nm2）尺寸系数 0.64，0.72确定平键中心出的截面为危2表面质量系数 1险面作精确强度校核。
综合影响系数K2・62 4.090.64, k 1.89 K --------- ------- 0.72 扭转应力幅扭转平均应力2.621.89 M 2608 W 10750 F 56 kN A z25024mm T61022.63;a2 11.14N /mm2W T 24500 弯曲应力幅 20.24 N / mm 平均应力 mm a0.25N /0.640.7220.25N /mm mm 2按公式只考虑正应力时的安全系数31.4只考虑切应力的安全系数 S K_1 amB202.57 2・62 4.090.64燈 2.6320.24 N /mm11.14N / mm 220.25N /mma 0.25N / mmS SS o r 31.02 >[S]满足强度要求 ,S 2 S 231.4 S 202.57液压泵俯仰机构零件设计及强度校核倾覆力矩（顺时针方向）M FJ 6619.98 574.6 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，所受的载荷由书本的P411 （11-3b ）得知为F Ml max M 7512679 468NF max 4 2 12679.468N1 4 751ii 14 •求每个螺柱所需的预紧力横向工作载荷F v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；厂k s F vF0zfk s=1.2 f =0.21.2 6619.98F0 ----------------- 9929.97 N4 0.24.计算螺柱直径螺柱所受的总拉力由式（11-19 ）求得F b F0 FC2由表11-5 取C1=0.3M 3.804 106N ?mm F max 12679.468NF09929.97 N查表选择螺柱材料为Q235，性能等级5.6，屈服强度s360N mm 2，安全系数S 4，则需用应力为 (90 N mm 2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d 1 =161）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:zF 。
MpmaxA W式中，接合面面积A h ?l 2 200 200 240000mm ； 接合面抗弯剖面模量：Wl 2h 221.33 6 310 mm64 9929.97 pmax3.8 10663.850 N mm 240000 1.33 10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pmin 0由式（11-38 ）F b F oF C 〔 C 213733.81N3.14 9015.90mm5.校验螺柱组连接接合面的工作能力F b 13733.81 N0.50.5 500 250 N mm 2pmax初取直径d 1 =164 1.3 13733.81zF 0 M 4 9929.97 3.8 106A W 40000 1.33 106由于会产生间隙，应提高预紧力，由 pmin0，求得不产生间隙的最小预紧力F 0 =28570 N由式（11-19 ）重新求得螺柱所受到的总拉力F b F 0 —C1F 28570 0.3 12679.468 32373.84 NC| c 2由式（11-21 ）重新求得螺柱危险截面的剖面直径24.41mm取d ；=24 mm 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接合面强度满足工作 要求pmin4 1.3 32373.84 V 3.14 90左右摇摆机构设计及强度校核6333T 2 1085 10140 1085 102023 N m4)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s 640N / mm 2初估直径M16 ,查表 11-7，取s 2 ,2[]660/4165N / mm 2取螺钉直径 M24,查表11-1，d 120.752mm油压为2MPa ，油压在动叶片等效力的作用点 位于r 85mm 圆周上F。
1.2 2023 0.15 5 75 1043157.3333N1.3 4 43157.33 V16520.7mmT 2023NgnF °43157.3333N动叶片中2个销的设计4F z [ p ]1. 确定剪切力F p 油A取动叶片与油液接触面积为85mm 140mm螺钉直径M24F p 油 A 2 106 85 10 3 140 10 3 23800 N2. 确定销个数z 23. 查机械手册，取材料为45号钢常用的销[p ] 80MPa4T [p ] d h1. 工作转矩T p A r油压为2MPa ，承压面 A 为85mm 140mm 作用点离键沿半径方向为40mm T 2 85 140 40 952000N mm 2. 回转直径的d 为85mm取 I 50mm四. 轴的设计 d=60mm d 3 /0.2[]d 13.76mmI4 23800 ■',2 80 1060.01376m 13.76mm动叶片与套筒之间的键的设计4T dhl [P ]键高 12mm ， [ p ] 110MPaF 23800N4 952000 85 12 11033.9mm连腕部俯仰机构零件设计及强度校核TOPWORK5） 接合面间摩擦系数f 0.15 6） 工作转矩T p 油Ar取动叶片与油液接触面积为75mm 75mm 油压为2 MPa ，油压作用在动叶片上的等效力 的作用点位于r 75mm 圆周上T 2 10675 10 375 10 3 75 10 38.4375 102 N m4) r 75mm1.2 8.4375 102 F 0--------------------------------------- 318000 N0.15 5 75 104. 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s 640N / mm 2取螺钉直径 M16,查表11-1，d 113.875mm设计及计算项目 五. 动叶片中3个螺钉设计 由公式11-17得，3.确定预紧力F o 由公式11-29，F o4） 安全裕度系数K s1.3 4F 。