六自由度机械手结构设计

湖 南 农 业 大 学全 日 制 普 通 本 科 生 毕 业 设 计 六自由度机械手的结构设计THE STRUCTURAL DESIGN OF THE SIX DEGREES OF FREEDOM MANIPULATOR学生姓名：学 号：年级专业及指导老师及学 院：湖南长沙提交日期：2013 年 5 月湖南农业大学全日制普通本科生毕业设计诚 信 声 明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。毕业设计作者签名：年 月 日目 录摘要1关键词11 前言12 设计要求和功能分析22.1 设计要求22.2 功能分析23 基座旋转机构轴的设计及强度校核33.1 按扭转强度概略计算轴颈3 3.2 拟定轴的结构43.3 计算支反力和绘制弯矩图和扭矩图43.4 强度精确校核54 液压泵俯仰机构零件设计和强度校核6 4.1 确定螺柱组连接所受的工作载荷64.2 计算倾覆力矩的工作拉力74.3 求每个螺柱所需的预紧力74.4 计算螺柱直径74.5 校验螺柱组连接接合面的工作能力85 左右摇摆机构零件设计和强度校核85.1 动叶片中 3 个螺钉设计95.2 动叶片中 2 个销的设计95.3 动叶片与套筒之间的键的设计105.4 轴的设计106 连腕部俯仰机构零件设计和强度校核106.1 动叶片中 3 个螺钉设计116.2 连接前自由度箱体的 4 个固定螺钉设计116.3 动叶片中 2 个销的设计136.4 动叶片与套筒之间的键的设计146.5 轴的设计147 旋转和夹紧机构零件设计和强度校核157.1 机械手指部基座与回转体的螺栓连接157.2 手部旋转液压缸叶片与夹紧缸连接螺钉的设计177.3 机械手指部设计及夹紧力计算198 总结20参考文献20致谢201六自由度机械手的结构设计学 生：董迪指导老师：向阳(湖南农业大学工学院，长沙 410128)摘 要：随着现代科技和现代工业的发展，工业的自动化程度越来越高。工业的自动化中机械手发挥着相当大的作用，小到机床的自动换刀机械手，大到整个的全自动无人职守工厂，无一不能看到机械手的身影。机械手在工业中的应用可以确保运转周期的连贯，提高质量。另外，由于机械手的控制精准，还可以提高零件精度。关键词：机械手；自动化；精度The Structural Design Of The Six Degrees Of Freedom ManipulatorStudent: Dong DiTutor: Xiang Yang（Polytechnic Institute of Hunan Agricultural University, Changsha 410128）Abstract:With the development of modern science and technology and the modern industry, industrial automation degree is more and more high. Industrial automation manipulator plays a considerable role, small to the automatic tool change mechanical arm of the machine, the whole of unattended automatic factory, no one can not see the shadow of the manipulator. Application of robot in the industry can ensure the operating cycle of coherence, improve the quality of. In addition, the manipulator control precision, but also can improve the precision of parts.Key words: Manipulator; automation; accuracy1 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2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。针对机械手的设计，考虑到两种方案。方案一，依靠两盘状凸轮及连杆机构实现手指的张合与手臂的上下摆动。而圆柱凸轮的旋转带动链轮回转从而实现手臂的回转。这种虽然方案简单易行，但结构较大，链传动是挠性的拉拽，难于定位；而且链条及链轮布置在水平面内，链条不宜过长。定位精度不能保证，故不宜采用此方案。 方案二：该方案在手指的动作和手臂的仰俯方面与方案一采取同种设计，在手臂的回转上采用了不同机构，它通过液压缸连杆回转机构完成手臂的回转。此方案结构简单，各运动部件之间的运动都易于实现，不会出现干涉现象。故本设计采用第二种方案 1 。 2 设计要求和功能分析 2.1 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。2.2 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-6060 度的左右来回摆动，接着下去的是俯3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。3 基座旋转机构轴的设计及强度校核由设计要求分析可知，基座的回转自由度可以进行 360 度的回转。3.1 按扭转强度概略计算轴颈 （1）选取轴材料由于中碳调质结构钢具有较高的强度和较好的切削加工性，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性，材料来源方便。且该钢经调质处理后，其综合力学性能要优化于其他中碳结构钢。调质处理后零件具有良好的综合机械性能。故选用 45 号钢，调质查表得2650/BNm，2360/SNm，2130/Nm，21/， ， 9B（2）估算轴颈 对轴使用扭转强度法，根据轴的扭转强度条件(1)算得0330.2.pArTd(2)式中： 扭转切应力， MPa；T轴所受的扭矩，Nmm；WT轴的扭转截面系数，m ；P轴传递的功率,kW；d计算截面处轴的直径，mm；许用扭转切应力，MPa可知，对于轴，2220.1.34huosaidAm， 5pMPa，240/Nm， 0.18r为齿轮分度圆半径，则： 0.91d。考虑到轴4是垂直布置，过细会失稳，因此取 52dm，最小直径为花键内径。3.2 拟定轴的结构轴的结构设计，拟定主要参数尺寸 3 ，如图一所示。（1）支承采用圆锥滚子轴承 3007712。选择依据：圆锥滚子轴承可以分离，由内圈与滚子、保持架一起组成的组件和外圈可以分别 圆锥滚子轴承安装。滚子和滚道接触处修正的接触线可以减少应力集中。圆锥滚子轴承可以承受大的径向载荷和轴向载荷。按 GB277-84，取下端轴颈直径为 60mm，宽 33mm；取下端轴肩直径 80mm，宽25mm（2)齿轮下端面由轴环定位0.15.8013hd鉴于轴环承受轴的重力，取轴环直径 100mm，宽 20mm。齿轮轴头取直径80mm，宽 97mm，稍小于轮豰（100-3） 。（3）齿轮上端面接触套筒，固定套筒的轴身直径 70mm，宽 15mm；（4)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。（5)和上端盖相密封的轴身直径 56mm，宽 36mm。（6)连接花键的上轴头小径 52mm，大径 56mm，宽 27mm；轴两端倒角 345o。（7)齿轮与平键采用过盈连接,采用 A 型平键（A 型平键在轴上键槽中轴向固定良好） 键槽宽度 20b，槽深 6t，槽长 L 应小于齿轮的宽度，取70Lm，轴段上平键居中布置。取过盈配合。3.3 计算支反力和绘制弯矩图和扭矩图（1）支反力的计算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。 250.1356rFpAMamkN(3)支座 A 的支反力28.49lRF， (4)支座 B 的支反力10.5632Blk5（2)绘制弯矩图和扭矩图，如下图（二）：a. 最大弯矩发生在平键中心的界面处12408.526AMRlkNmN (5)B. 扭矩205.3.10Tpram图 1 弯矩图和扭矩图Figure 1 bending moment diagram and torque diagram3.4 强度精确校核（1）确定危险截面，校核强度分析可知，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。所以，需对该面进行强度精确校核。（2）按安全系数法 5 精确校核平键的强度：a.查表可得：过盈配合为76Hr时的应力集中系数 2.6k， 1.89k尺寸系数 0.4， .7表面质量系数 1b.主要参数设计计算综合影响系数2.64.09kK，1.892.6307kK； (7)6弯曲应力幅22608.4/175aMNmW(8)平均应力22./mzFkA(9)扭转应力幅2610.5/4aTN(10)扭转平均应力 m2./a（3）根据以上可得，仅考虑切应力和仅考虑正应力时的工作安全系数分别为：a.只考虑正应力时的安全系数13.4amBSK(11)b.只考虑切应力的安全系数120.57amBSK(12)可得平键的工作安全系数：231.0S(13)查表得，SS结论 ： 满足强度要求4 液压泵俯仰机构零件设计及强度校核液压泵是为液压传动提供加压液体的一种液压元件，是泵的一种。它的功能是把动力机(如电动机和内燃机等)的机械能转换成液体的压力能。根据主机工况、功率大小和系统对工作性能的要求，确定为液压泵俯仰机构。4.1 确定螺柱组连接所受的工作载荷只受横向载荷 vF（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674.82mkg总.981.v N总7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574.6lm倾覆力矩（顺时针方向） 19.8574.6308.5vMFl Nm4.2 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 3的 P411（11-3b）得知为maxax42175169.48iMlFN(14)4.3 求每个螺柱所需的预紧力横向工作载荷 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;0svkFzf(15)s=1.2 =0.201.269.82.74FN4.4 计算螺柱直径螺柱所受的总拉力由式（11-19）求得 102bcFF(16)由表 11-5 取12c=0.310237.81bFFN查表选择螺柱材料为 Q235，性能等级 5.6，屈服强度236sNm，安全系数 4S，则需用应力为8290sNmS根据式（11-21）求得螺柱危险剖面的直径（螺纹小径）为： 14.31.37.815.904bFd m初取直径 1=164.5 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： 0maxpzFMAW(17)式中，接合面面积22040hlm；接合面抗弯剖面模量：2631.62max 6492.73.80.50p N由表 11-9 查得 2max.5.p p （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 min0p由式（11-38） 60in492.73.8100pzFMAW由于会产生间隙，应提高预紧力，由 minp，求得不产生间隙的最小预紧力 0=28570N由式（11-19）重新求得螺柱所受到的总拉力 1028570.31269.4837.4bcFFN由式（11-21）重新求得螺柱危险截面的剖面直径914.31.327.84.190bFd m取1=24m的螺柱，误差小于 5%，在工程允许范围内，查 GB/T901-19881 ，B 级等长螺柱 M24 35 左右摇摆机构设计及强度校核5.1 动叶片中 3 个螺钉设计由公式得， 4.10Fd（1）确定预紧力 0由公式得， isrfTKF0(18)其中：安全裕度系数 2.1s接合面间摩擦系数 50f工作转矩 rApT油取动叶片与油液接触面积为 81m，油压为 2MPa，油压作用在动叶片上的等效力的作用点位于 5r圆周上6333210851400T Nmmr703.57.F（2）查表，取材料为 45 号钢，性能等级为 8.8 级屈服强度极限2/640Ns初估直径 M16，查表，取 ， 260/415/Nm1.3157.320.6dm取螺钉直径 M24,查表， 1.75d115.2 动叶片中 2 个销的设计4pFdz（1）确定剪切力 A油取动叶片与油液接触面积为 85140m油压为 2MPa，油压在动叶片等效力的作用点位于 85rm圆周上 6331028FpAN油（2）确定销个数 2z（3）查机械手册，取材料为 45 号钢常用的销 80pPa642.137.6dm5.3 动叶片与套筒之间的键的设计4ppTdhl(19)pl（1）工作转矩 TpAr油压为 2MPa，承压面 A 为 85140m作用点离键沿半径方向为 854092TN（2）回转直径的 d 为 85键高 1m， 1pPa93.9850l取 5.4 轴的设计d=60m3/0.2TFrpAr油12取 2Mpa油 ， A=85m10， r85m 69T10267.NA去材料为 40Cr 钢， /d59.3取 =606 连腕部俯仰机构零件设计及强度校核6.1 动叶片中 3 个螺钉设计由公式得， 4.10Fd(20)（1）确定预紧力 0由公式， isrfTKF0查表得安全裕度系数 2.1s接合面间摩擦系数 5.0f工作转矩 rApT油取动叶片与油液接触面积为 m7，油压为 2MPa，油压作用在动叶片上的等效力的作用点位于 5圆周上 mNT 3336 1045.81071052mr7NF8105.04832（2）查表，取材料为 45 号钢，性能等级为 8.8 级屈服强度极限2/6s初估直径 M16，查表 11-7，取 4s， 2/1604/mNmd5.1360843.115取螺钉直径 M16,查表 11-1， md875.136.2 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 10max2bcFF(21)剩余预紧力0sKGzf查表知：安全裕度系数 2.1s接合面间摩擦系数 50f螺钉个数 4z前自由度总质量 kgm863.12形心位置 xc3NgG0.4.9.01.24062815F查表，75.21c由公式， 22maxax4lsGlMFia. il取 75， i为螺钉到中心线的距离b. sc316,s为前自由度总质量到接口的力臂NF28.16075.4.22max b 398.08（2)设计直径 43.1bd查表 11-6，取材料为 45 号钢，性能等级 8.8 级，屈服极限 2/640mN初估 M16，查表 11-7， 4s， 2/1604/16312013.6Wm1.3459.2.860dm（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 0zFMAW 4 0359.2N 420m .68.804GsN 4359.80.5.满足接合面下侧不出现压溃的条件 0pzFMA40359.2N4201mm14.6380.3804GsNm 2W查表 11-9，2.6451/ps4359.80.2913.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1.863.01.4GFN，查图 11-20，得此时0F， 05.2N，由此01.4.3150.6Fdm满足条件。6.3 动叶片中 2 个销的设计174pFdz确定剪切力 A油取动叶片与油液接触面积为 75m油压为 2MPa，油压在动叶片等效力的作用点位于 mr75圆周上 633101025FpAN油(22)确定销个数 2z查机械手册，取材料为 45 号钢常用的销 80pPa64125.985.dm6.4 动叶片与套筒之间的键的设计4ppTdhlpl工作转矩 TAr油压为 2MPa，承压面 A 为 75m作用点离键沿半径方向为 4075N回转直径的 d 为键高 12m， 1pPa640875l m取 6.5 轴的设计 152.69.8145.07GmgN(23)()9.1Mm.2842cTx18稳定不变扭矩，10.27b22()6.3eMTNm334589.170dW2206.2.5/e由 1eb，取 40碳素钢7 旋转和夹紧的设计及强度校核7.1 机械手指部基座与回转体的螺栓连接（1）采用普通螺栓连接，布局如图六示。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。图 2 机构简图Figure 2 institutions diagram（2）确定螺栓组连接所受的工作载荷。只受到横向载荷 vF（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：13.mkg19所要夹取得轮胎质量为： 210mkg()4.27vFNA（g 取29.81ms）倾覆力矩顺时针方向 vMl=404.27 43.0A（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，所受的载荷为： maxax221754.3iilFN(24)上面的螺栓所受到的总工作拉力： max47.3（4）求每个螺栓所需的预紧力。横向工作载荷 vF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 vF增大，所以保证不下滑的条件是：由式： 0svkFzfs=1.2 f=0.201.24.760.45FN（5）计算螺栓直径。螺栓所受的总拉力由式求得： 102bc(25)由表 115 取12c= 0.3 10260.45.374.8.04bFFN查表 11.6 选择螺栓材料为 Q235，性能等级取 3.6，其屈服极限202190sNm；不控制预紧力，初取直径为 16m，查表 11.7，安全系数为S= 4，则219047.5sNS。根据公式（1121）求得螺栓危险剖面的直径（螺纹小径）为： 1.3.8.05.147bFd m查 GB/8221988 选用公称直径 d = 10mm(螺纹小径 1d= 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/8221988 105M。（6）校核螺钉组连接接合面的工作能力。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(1139)有： 0maxpzFAW(26)式中，接合面面积22040hlm；接合面抗弯剖面模量： 36321.6l mh42max 640.5.20.173p N由表 11.9 查得 2max.p p ，故连接面下端不会压溃。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 ,min0p，由式（1138）得： 40min 6460.51.230pzFMAW故接合面上端受压最小出不会产生间隙。7.2 手部旋转液压缸叶片与夹紧缸连接螺钉的设计21图 3 手部旋转旋转液压缸剖视图Figure 3 hand rotating the rotary cross-sectional view of the hydraulic cylinder备注：叶片宽度 b=110mm采用普通螺钉连接。（1）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： 2216510352dAbm周向工作载荷 FPAN（2）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（1128） ，得： 152378.54RFN(27)（3）计算螺钉直径：由式（1124）得， RsPFdh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，2190sNm，初估直径 d = 10mm,查表 11.7，sS，S = 2.25， p= 84.44 2NmH 为螺钉杆与孔壁挤压面的最小高度， h = 7.5 mm 3781.2564sd21由式（1126） ，螺钉的剪切强度条件为：4RsFdm查表 11.7 2762.5sNm4381.9sd查 GB/T961981，选用公称直径 d = 10mm （螺纹小径 18.376dm）的螺钉。 7.3 机械手指部设计及夹紧力计算图 4 机械手指部机构简图Figure 4 institutions of the Ministry of Machinery finger thumbs（1）机械手指部夹紧力的计算a 液压活塞所受的压力液压活塞承压面面积:S= 2()Dd= 2(804)=15080( 2m)所以 F=P S=5MPa15080 2=75400N1F是手指连杆施加给左手指的力,1F是左手指对连杆的反作用力;2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 1= 2,1=2.当机构静平衡时, 0X, y;211cosF,所以12cosF=75403A=43532.2(N) (28)根据对 O 点的力矩平衡: 1b=N LN=12FL=4352.169=6969.1(N)8 总结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。参考文献1 熊有伦机器人技术基础M武汉：华中科技大学出版社，1996:1.2 蔡自兴机器人学M北京：清华大学出版社，2000：1-3.3 蒋新松.未