4399 6自由度教学机械手的结构设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】
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4399 6自由度教学机械手的结构设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】,自由度,教学,机械手,结构设计,机械,毕业设计,全套,资料,已经,通过,答辩
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湖南农业大学全日制普通本科生 毕业论文（设计） 中 期 检 查 表 学 院： 工学院 学生姓名 董迪 学 号 200940614303 年级专业及班级 2009 级机械设计制造及其自动化 (3)班 指导教师姓名 向阳 指导教师职称 副教授 论文（设计）题目 6 自由度机械手的结构设计 毕业论文（设计）工作进度 已完成的主要内容 尚需解决的主要问题 1：调研，收集资料及整理 2： 分析 全自动机械手中 “臂 ”机构 的基本原理，基本理论及方法； 全自动机械手中 “臂 ”机构 的传动设计及基本设计计算； 3： 全自动机械手中 “臂 ”机构 的设计、 结构图、装配图设计； 1： 全自动机械手中 “臂 ”机构 传动分析研究； 2：分析整理 , 拟写毕业设计论文 指导教师意见 签名： 年 月 日 检查小组意见 组长签名： 年 月 日 注： 可打印，但意见栏必须相应责任人亲笔填写。 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 F F 生姓名 ： 董迪 学 号： 200940614303 年级专业及班级： 2009 级机械设计制造及其自 化 (3)班 指导老师及职称： 向阳 副教授 学 院： 工学院 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 1 1 前言 1 2 设计要求和功能分析 2 计要求 2 能分析 2 3 基座旋转机构轴的设计及强度校核 3 扭转强度概略计算轴颈 3 定轴的结构 4 算支反力和绘制弯矩图和扭矩图 4 度精确校核 5 4 液压泵俯仰机构零件设计和强度校核 6 定螺柱组连接所受的工作载荷 6 算倾覆力矩 的工作拉力 7 每个螺柱所需的预紧力 7 算螺柱直径 7 验螺柱组连接接合面的工作能力 8 5 左右摇摆机构零件设计和强度校核 8 叶片中 3 个螺钉设计 9 叶片中 2 个销的设计 9 叶片与套筒之间的键的设计 10 的设计 10 6 连腕部俯仰机构零件设计和强度校核 10 叶片中 3 个螺钉设计 11 接前自由度箱体的 4 个固定螺钉设计 11 叶片中 2 个销的设计 13 叶片与套筒之间的键的设计 14 的设计 14 7 旋转和夹紧机构零件设计和强度校核 15 械手指部基座与回转体的螺栓连接 15 部旋转液压缸叶片与夹紧缸连接螺钉的设计 17 械手指部设计及夹紧力计算 19 8 总结 20 参考文献 20 致谢 20 1 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 f f 10128） of is a to of of no of of in of In of 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 2 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 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臂末端的 手腕也可以摆动，摆动范围为 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件长度 350量 8 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的俯仰要求，与此相连部分为左右摇摆机构，能够完成 0 度的左右来回摆动，接着下去的是俯仰 3 机构，与摇摆机构内部类似，亦可完 成 0 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。 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 26 5 0 /B N m m ， 23 6 0 /S N m m ， 21 3 0 0 /N m m ，21 1 5 5 /N m m ， 23 6 0 /B N m m ， 23 9 0 /B N m m （ 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 0 . 2 p A (2) 式中： 扭转切应 力， T 轴所受的扭矩， N 轴的扭转截面系数， m ； P 轴传递的功率 , d 计算截面处轴的直径， 许用扭转切应力， 知 ， 对 于 轴 ，2 2 20 . 1 2 0 0 . 0 1 1 344h u o s a ， 5p ，2 4 0 /N m m ， 0 为齿轮分度圆半径，则： 。考虑到轴是 4 垂直布置，过细会失稳，因此取 52d ，最小直径为花键内径。 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 下端轴颈直径为 60 33下端轴肩直径 8025 2)齿轮下端面由轴环定位 0 . 1 5 0 . 1 8 0 5 1 3 鉴于轴环承受轴的重力，取轴环直径 100 20轮轴头取直径 80 97小于轮豰（ 100 （ 3）齿轮上端面接触套筒，固定套筒的轴身直径 70 15 （ 4)套筒上接 圆锥滚子轴承，与下端轴承一样。轴颈直径为 60 30 （ 5)和上端盖相密封的轴身直径 56 36 （ 6)连接花键的上轴头小径 52径 56 27两端倒角 3 45o 。 （ 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 70L ，轴段上平键居中布置。取 过盈配合。 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。 25 0 . 0 1 1 3 5 6rF p A M p a m k N (3) 支座 8 1 . 55 6 2 4190A k ， (4) 支座 1 0 8 . 55 6 3 2190B k （ 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 5 1 2 4 1 0 8 . 5 2 6 0 8 l k N m m N m (5) B. 扭矩 20 5 0 . 0 1 1 3 0 . 1 0 8 6 1 0 2T p A r M p a m m N m 图 1 弯矩图和扭矩图 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： 过盈配合为 76的应力集中系数 ， 尺寸系数 ， 表面质量系数 1 综合影响系数2 . 6 2 4 . 0 90 . 6 4 ，1 . 8 9 2 . 6 30 . 7 2 ； (7) 弯曲应力幅 22608 0 . 2 4 /10750a M N m (8) 6 平均应力 2256 1 1 . 1 4 /5024m zF k N N m mA m m (9) 扭转应力幅 26102 0 . 2 5 /2 2 4 5 0 0a m (10) 扭转平均应力 m 20 /a N m m （ 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： 113 1 . 4 (11) 112 0 2 . 5 7 (12) 可得平键的工 作安全系数： 22 3 1 . 0 2 (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。 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 到前四个自由度的总质量 6 7 4 m 6 7 4 . 8 2 9 . 8 1 6 6 1 9 . 9 8vF m g N 总 根据 四个自由度质 心到螺柱分布中心的距离 7 倾覆力矩（顺时针方向） 6 6 1 9 . 9 8 5 7 4 . 6 3 8 0 3 8 4 0 . 5 0 8 l N m m 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 11知为 m a xm a x 4 2175 1 2 6 7 9 . 4 6 84 7 5 (14) 求每个螺柱所需的预紧力 横向工作载荷 使连接件下滑，采用普通螺柱连时是靠摩擦力来承受， 在 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知 ; 0 (15) 1.2 f = 1 . 2 6 6 1 9 . 9 8 9 9 2 9 . 9 74 0 . 2 计算螺柱直径 螺柱所受的总拉力由式（ 11得 1012 (16) 由表 1112 10 12 1 3 7 3 3 . 8 1 F 查表选择螺柱材料为 能等级 服强度 2360s N m m ，安全系数 4S ，则需用应力为 290s N m 根据式（ 11得螺柱危险剖面的直径（螺纹小径）为： 8 1 4 1 . 3 4 1 . 3 1 3 7 3 3 . 8 1 1 5 . 9 03 . 1 4 9 0m m 初取直径 1d =16 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： 0m a xp (17) 式中，接合面面积 222 2 0 0 2 0 0 4 0 0 0 0A h l m m ； 接合面抗弯剖面模量：2 6322 1 . 3 3 1 06m m 6 2m a x 64 9 9 2 9 . 9 7 3 . 8 1 0 3 . 8 5 04 0 0 0 0 1 . 3 3 1 0p N m m 由表 112 m a 5 0 . 5 5 0 0 2 5 0 m m （ 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 p 由式（ 11 60m i n 64 9 9 2 9 . 9 7 3 . 8 1 0 04 0 0 0 0 1 . 3 3 1 0 由于会产生间隙，应提高预紧力，由 p ，求得不产生间隙的最小预紧力 0F =28570N 由式（ 11新求得螺柱所受到的总拉力 10122 8 5 7 0 0 . 3 1 2 6 7 9 . 4 6 8 3 2 3 7 3 . 8 4b F 由式（ 11新求得螺 柱危险截面的剖面直径 1 4 1 . 3 4 1 . 3 3 2 3 7 3 . 8 4 2 4 . 4 13 . 1 4 9 0m m 取 1d =24螺柱，误差小于 5%，在 工程允许范围内，查 901 1 ， B 级等长螺柱 3 5 左右摇摆机构设计及强度校核 动叶片中 3 个螺钉设计 由公式得， 1 1）确定预紧力 0F 由公式得， is 0 (18) 其中：安全裕度系数 2.1接合面间摩擦系数 15.0f 工作转矩 油 取动叶片与油液接触面积为 85 15 0mm ，油压为 2油压作用在动叶片上的等效力的作用点位于 85r 圆周上 6 3 3 32 1 0 8 5 1 0 1 4 0 1 0 8 5 1 0 2 0 2 3T N m 5 0 31 . 2 2 0 2 3 4 3 1 5 7 . 3 3 3 30 . 1 5 5 7 5 1 0 （ 2）查表，取材料为 45号钢，性能等级为 屈服强度极限 2/640 初估直径 表，取 2s ， 2 6 6 0 / 4 1 6 5 /N m m 11 . 3 4 4 3 1 5 7 . 3 3 2 0 . 7165d m m 取螺钉直径 表， 1 2 0 2d m m 动叶片中 2 个销的设计 4 （ 1）确定剪切力 F p A油 10 取动叶片与油液接触面积为 8 5 1 4 0m m m m 油压为 2油压在动叶片等效力的作用点 位于 85r 圆周上 6 3 32 1 0 8 5 1 0 1 4 0 1 0 2 3 8 0 0F p A N 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 80p 64 2 3 8 0 0 0 . 0 1 3 7 6 1 3 . 7 62 8 0 1 0d m m m 动叶片与套筒之间的键的设计 4 (19) 4 （ 1）工作转矩 T p A r 油压为 2承压面 5 1 4 0m m m m 作用点离键沿半径方向为 402 8 5 1 4 0 4 0 9 5 2 0 0 0T N m m （ 2）回转直径的 5键高 12 1 1 0p M 4 9 5 2 0 0 0 3 3 . 98 5 1 2 1 1 0l m m 取 50l 轴的设计 d=60 / 0 d T F r p A r 油 取 2油 ， A = 8 5 m m 1 5 0 m m ， r 85 69T 2 1 0 8 5 1 5 0 8 5 1 0 2 1 6 7 . 5 N m 去材料为 40， 2 5 2 N /m m d 11 取 d=606 连腕部俯仰机构零 件设计及强度校核 动叶片中 3 个螺钉设计 由公式得， 1 0) （ 1）确定预紧力 0F 由公式， is 0 查表得 安全裕度系数 2.1接合面间摩擦系数 15.0f 工作转矩 油 取动叶片与油液接触面积为 575 ，油压为 2油压作用在动叶片上的等效力的作用点位于 5 圆周上 23336 104 3 7 5 8 0 0 04 3 7 20 （ 2）查表，取材料为 45号钢，性能等级为 屈服强度极限 2/640 初估直径 表 11 4s ， 2/1 6 04/6 4 0 01 8 0 0 取螺钉直径 表 11 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 12 10 0 m a F (21) 剩余预紧力 0 查表知： 安全裕度系数 2.1接合面间摩擦系数 15.0f 螺钉个数 4z 前自由度总质量 形心位置 16 c 0 2 0 1 . 2 1 2 0 4 . 0 6 2 4 0 8 . 1 14 0 . 1 5 查表， 22m a xm a x 4 l i a. 螺钉到中心线的距离 b. c 316 ,s 为前自由度总质量到接口的力臂 m a x NF b 5 6 0 8 （ 2)设计直径 1材料为 45号钢，性能等级 服极限 2/640 初估 表 114s ， 2/1 6 04/6 4 0 11 . 3 4 3 3 5 9 . 3 2 5 . 8 9160d m m （ 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 0 0 13 31 2 0 0 2 0 0 2 0 0 1 3 3 3 3 3 3 . 3 36W m m 4z 0 3 3 5 9 422 0 0 2 0 0 4 1 0A m m m m m m 1 2 0 4 . 0 6 0 . 3 1 6 3 8 0 . 4 8 3 8 0 4 8 0M G s N m N m m 44 3 3 5 9 . 3 2 3 8 0 4 8 0 0 . 0 5 04 1 0 1 3 3 3 3 3 3 . 3 3 满足 接合面下侧不出现压溃的条件 0 4z 0 3 3 5 9 422 0 0 2 0 0 4 1 0A m m m m m m 1 2 0 4 . 0 6 0 . 3 1 6 3 8 0 . 4 8 3 8 0 4 8 0M G s N m N m m 31 2 0 0 2 0 0 2 0 0 1 3 3 3 3 3 3 . 3 36W m m 查表 112 0 . 8 0 . 8 6 4 0 5 1 2 / m m 44 3 3 5 9 . 3 2 3 8 0 4 8 0 0 . 6 2 1 2 9 2 5 1 24 1 0 1 3 3 3 3 3 3 . 3 3 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 1 2 2 . 8 6 3 9 . 8 3 0 1 . 044 ，查图 11此时 0 0F ， 0 1 1 5 0 . 52F F N ，由此01 1 . 3 4 1 . 3 4 1 5 0 . 5 1 . 6 1 6 0Fd m m 满足条件。 动叶片中 2 个销的设计 4 确定剪切力 F p A油 取动叶片与油液接触面积为 7 5 7 5mm 油压为 2油压在动叶片等效力的作用点 14 位于 5 圆周上 6 3 32 1 0 7 5 1 0 7 5 1 0 1 1 2 5 0F p A N 油 (22) 确定销个数 2z 查机械手册，取材料为 45号钢 常用的销 80p 64 1 1 2 5 0 0 . 0 0 5 9 8 5 . 9 82 8 0 1 0d m m m 动 叶片与套筒之间的键的设计 4 4 工作转矩 T p A r 油压为 2承压面 5 7 5mm 作用点离键沿半 径方向为 402 7 5 7 5 4 0 4 5 0 0 0 0T N m m 回转直径的 d 为 75键高 12 1 1 0p M 64 4 5 0 0 0 0 187 5 1 2 1 1 0 1 0l m m 取 50l 轴的设计 1 5 2 . 5 5 6 6 9 . 8 1 4 9 5 . 0 5 4 7G m g N (23) 1 ( 6 5 1 1 9 1 6 6 5 ) 1 9 8 0 9 4 . 7 4 5 12M G N m m 11 2 9 0 . 9 7 1 1 2 1 7 5 0 8 . 8 5 2 422 x G N m m 稳定不变扭矩， 11 0 22( ) 2 0 6 6 1 6 . 6 3 6 3 T N m m 15 33 345 8 9 4 6 . 1 7 6 03 2 3 2dW m m 22 0 6 6 1 6 . 6 3 6 3 2 3 . 0 9 5 5 5 /8 9 4 6 . 1 7 6 0 N m 由 1 ， 取 1 40b 碳素钢 7 旋转和夹紧的设计及强度校核 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 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 知不得总质量为： 1 3 1 m 所要夹取得轮胎质量为： 2 10m 12( ) 4 0 4 . 2 7vF m m g N （ s ） 倾覆力矩顺时针方向 16 l =3 2 1 4 . 2 3 1 0 N （ 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： m a xm a x 22175 4 7 4 . 3 34 7 5 (24) 上面的螺栓所受到的总工作拉力： m a x 4 7 4 . 3 3F F N （ 4）求每个螺栓所需的预紧力。 横向工作载荷 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 大，所以保证不下滑的条件是： 由式： 0 f= 1 . 2 4 0 4 . 2 7 6 0 6 . 4 0 54 0 . 2 （ 5）计算螺栓直径。 螺栓所受的总拉力由式求得： 1012 (25) 由表 11 5取 112 10126 0 6 . 4 0 5 0 . 3 4 7 4 . 3 3 7 4 8 . 7 0 4b F 查表 择螺栓材料为 能等级取 屈服极限2190s N ；不控制预紧力，初取直径为 16查表 全系数为S= 4，则 2190 4 7 . 54s N 。 根据公式（ 11 21）求得螺栓危险剖面的直径（螺纹小径）为： 17 1 4 1 . 3 4 1 . 3 7 4 8 . 7 0 4 5 . 1 24 7 . 5m m 查 22 1988选用公称直径 d = 10纹小径 1d = 螺钉。 螺纹规格： d = 公称直径 d = 50能等级为 型螺钉 22 1988 10 50M 。 （ 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： 0m a xp (26) 式中，接合面面积 222 2 0 0 2 0 0 4 0 0 0 0A h l m m ； 接合面抗弯剖面模量： 3 632 221 . 3 3 3 1 06 lW h m 42m a x 64 6 0 6 . 4 0 5 1 4 . 2 3 1 0 0 . 1 6 7 44 0 0 0 0 1 . 3 3 3 1 0p N 由表 得 2 m a 5 0 . 5 2 5 0 1 2 5 ， 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 ,p ，由式（ 11 38）得： 40m i n 64 6 0 6 . 4 0 5 1 4 . 2 3 1 0 04 0 0 0 0 1 . 3 3 3 1 0 故接合 面上端受压最小出不会产生间隙。 手部旋转液压缸叶片与夹紧缸连接螺钉的设计 18 图 3 手部旋转旋转液压缸剖视图 of 注：叶片宽度 b=110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 = 5叶长的受力面积： 221 1 6 5 1 1 0 1 1 0 3 0 2 522b m m 周向工作载荷 15125F P A N （ 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： 15125 3 7 8 1 . 2 524R (27) （ 3）计算螺钉直径： 由式（ 11 24）得， 查表 择螺钉材料为 能等级为 ，其屈服极限，2190s N ，初估直径 d = 10查表 ， S = p= h = 7.5 3 7 8 1 . 2 5 67 . 5 8 4 . 4 4sd m m 19 由式（ 11 26），螺钉的剪切强度条件为： 4 d m 查表 2762 . 5s N 4 3 7 8 1 . 2 5 7 . 9 676sd m m 查 96 1981，选用公称直径 d = 10螺纹小径 1 8 6d m m ）的螺钉。 机械手指部设计及夹紧力计算 图 4 机械手指部机构简图 of 1）机械手指部夹紧力的计算 液压活塞承压面面积 : S= 22() = 22(80 40 ) =15080( 2 所以 F=P S=515080 275400N 1F 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 ; 2F 和 2F 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 1F = 2F , 1F = 2F . 当机构静平衡时 , 0 , 0 ; 20 1 ,所以 1 2 = 754002 =) (28) 根据对 1F 2b =N L N= 1212 4 3 5 3 2 1 12 6 5 9 =) 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 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： 13 蒋新松 J机器人 ,1996， 18(5):286 4 莫海军，吴少炜排爆机器人及相关技术 J机器人技术与应用， 2005， 4 5 金茂箐，曲忠萍，张桂华国外工业机器人发展态势分 析 J机器人技术与应用 ,2001，02 6 赖维德对我国工业机器人的一些看法 J中国机械工程， 1998， 9(6) 7 徐方 J2007， 9： 28 张杨林国内工业机器人市场及发展趋势 J大众科技， 2006， 6:191 9 吴振彪 M中科技大学出版社， 110 孙玲，周寿桓，阎吉祥，姜东升，李家泽 J激光与红外， ):417 21 11 浦昭邦 M北京 :机械工业出版社， 2005， 1912 卢春生 M北京 :机械工业出版社， 1992， 113 高岳，王霞，王吉晖，金伟其 M北京 :电子工业出版社， 2009，414 郭培源，付扬 M北京 :北京航空航天大学出版社， 2006， 10. 15 钱浚霞，郑坚立 M北京 :机械工业出版社， 1993:116 杨小丽 技术基础 M北京 :北京邮电大学出版社， 2005:19817 张永林，狄红卫 M北京 :高等教育出版社， 2005， 6818 998,3539:285致 谢 本次毕业设计非常感谢我的导师向阳副教授，在选题及研究过程中都得到了向老师的悉心指导。向老 师严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，终身受益无穷，向老师是很负责的。向老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拔、热忱鼓励。对向老师的感激之情是无法用言语表达的。 感谢论文引用的参考文献的作者们，他们大量开拓性的工作和成果，为我的毕业设计提供了坚实的基础。 最后，真诚地感谢所有教过我的老师，正是在他们精心的培养、指导、无私的关怀与帮助下，促使我顺利完成了学业。各位老师，不仅在学业上严格要求我，而且在工作、生活中给予了我无微不至的关怀和照顾。他们渊博的知识，严 谨的治学态度，执着的敬业精神、认真的教学作风以及高尚的人品，使我受益终生。在此我谨向老师们致以最崇高的敬意和最衷心的感谢！ 毕业论文（设计）题目 6自由度教学机械手的结构设计 文献综述 课题的目的与意义 机器人是二十世纪人类最伟大的发明之一，人类对于机器人的研究由来已久。上世纪 70年代之后，计算机技术、控制技术、传感技术和人工智能技术迅速发展，机器人技术也随之进入高速发展阶段，成为综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多门学科而形成的高新技术。其本质是感知、决策、行动和交互四大技术的综合，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用水平是一个国家工业自动化水平的重要标志 1 2。 机器人 技术的研究在经历了第一代示教再现型机器人和第二代感知型机器人两个阶段之后进入第三代智能机器人的发展阶段 。 机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它 更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化 有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强 度，提高劳动生产 率 。机械手越来越广泛 地 得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统 机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。 此外， 医疗机器人是目前国外机器人研究领域中最活跃、投资最多的方向之一 ,其发展前景非常看好 。 近年来 ,医疗机器人技术引起美、法、德、意、日等国家学术界的极大关注 , 研究工作蓬勃兴起。二十世纪九十年代起，国际先进机器人计划已召开过 的 多届医疗外科机器人研讨会己经立项 ,开展基于遥控操作的外科研究 ,用于战伤模拟手术、手术培训、解剖教学。欧盟、法国国家科学研究中心也将机器人辅助外科手术及虚拟外科手术仿真系统作为重点研究发展的项目之一在发达国家已经出现医疗，外科手术机器人市场化产品，并在临床上开展了大量病例研究 。 而目前我国的机器人技术及其工程应用的水平和 国外比还有一定的距离，应用规模和产业 化水平低 。 机械手的研究和开发直接 2 影响到我国自动化生产 及医疗 水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。 国内外研究情况 外研究状况 机器人主要分为两类：工业机器人以及其他特种机器人，自 1962年美国推出世界上第一台 器人在工业发达国家得到了迅速发展。根据国际工业机器人联合会 (几年的统计 3： 2000年全世界工业机器人 的总数 达 到82万台，比 1996年增 加 24。其中日本拥有 42万台，占全世界机器 人总数的 50左右，继续保持“机器人王国”的地位。除日本外，世界上还有许多工业发达国家，如美国、前苏联和西欧一些国家的机器人产业也发展得很快。例如，在美国， 1970 1980年间的机器人台数增加 20倍以上。尽管美国所拥有的机器人在台数上不如日本但其技术水平较高占有一定的优势。在亚洲，韩国的机器人产业发展也很迅速，现排名世界前列而日本、韩国和新加坡的机器人密度 (即制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量 )居世界第 1揽了前三名。西欧的意大利、法国、英国和东欧的匈牙利、波兰等，机器人制造业及应用机器 人的情况都有很大发展。 内研究状况 我国有组织有计划地发展机器人事业应该说是从 “七五 ” 期间的科技攻关及实施“ 863计划”开始的。经过十几年来的研制、生产、和应用，有了长足的 进步。目前在一些方面 6，如喷涂机器人、弧焊机器人、点焊机器人、搬运机器 人、装配机器人、特种机器人 (水下、爬壁、管道、遥控等机器人 )，已 掌握了机 器人的设计制造技术， 解决了控制、驱动系统的设计和配置、软件的设计和编制等关键技术；还掌握了自动化喷漆线、弧焊自动线 (工作站 )及其周边配套设备的全线自动通信、协调控制技术。 现在，我国从事机 器人研发的单位有 200多家 7， 专业从事机器人产业开发的企业有50家以上。“九五”期间，国家“ 863”高技术计划己将沈阳新松机器人自动化股份有限公司、啥尔滨博实自动化设备有限责任公司、一汽集团涂装技术开发中心、北京机械工业自动化所、上海机电一体工程有限公司、四川绵阳四维焊接自动化设备有限公司等确立为智能机器人主题产业化基地。大连组台机床所、上海富安工厂自动化公司、东风汽车公司、昆明船舶公司、哈尔滨焊接研究所、安川北科公司等单位，也都凭借自己开发生产的特色机器人或应用工程项目活跃在当今国内工业机器人市场上。 此外，一些科研院所和大学也均在进行机器人技术及应用项日方面的研发工作。近几年，我国工业机器人及含工业机器人的自动化生产线相关产品的年产销额已突破十亿元。 我国的机器人研究开发与应用已经取得了一定的成绩，但是总的来看，我国的机器 3 人技术及其工程应用的水平和国外的相比还有一定的距离，无论从机器人的数量上还是技术上，我们都有一定的差距。进入新世纪以后，国际竞争日益激烈，对机器人的需求越来越大，我国的机器人产业将面临新的发展机遇和来自国外的挑战，因此我们需要自主发展机器人高技术，解 决 产业化前期的关键技术。积极推进我国 的机器人产业化的进程。 主要参考文献 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： 13蒋 新松 J机器人 ,1996， 18(5):286 4莫海军，吴少炜排爆机器人及相关技术 J机器人技术与应用， 2005， 4 维普资讯网 . 5金茂箐，曲忠萍，张桂华国外工业机器人发展态势分析 J机器人技术与应用 ,2001，02 6赖维德对我国工业机器人 的一些看法 J中国机械工程， 1998， 9(6) 7 徐方 J2007， 9： 28张杨林国内工业机器人市场及发展趋势 J大众科技， 2006， 6:191 9吴振彪 M中科技大学出版社， 1研究方案 研究目的 2、课题任务、重点研究内容、实现途径 本课题就是设计出一个全自动的机械手中的“臂” ：要 求机械手的结构灵活，定位精确，可以在工作空间里达到任意位置，操作方便，每个关节易于控制。 考虑到我们机械手 的性能需求如下： 启动，停止和反向转动，均能连续有效的进行，且具有良好的响应特性。 正转和反转时的特性相同，且运行特性稳定。 维修容易，而且不太需要保养。 具有良好的抗环境干扰能力，对于输出来说，体积小，重量轻。 有良好的定位精度，重复定位精度，以及平稳的运行轨迹。抗振性好，操作方便。 本课题研究涉及机械原理、机械设计、机器人、齿轮传动、实体建模、有限元分析、计算机辅助设计等方 面的相关内容。 4 主要研究内容 : 机械臂的机械部分是整个机器人的执行机构，机构型式的好坏，将直接影响到整个系统。所以，机构的设计非常重要。我们主要从以下几个方面对其进行研究： 针对全自动机械手中 “臂 ”机构 进行调研， 查阅国内外研究资料 ，资料收集及整理； 可达空间的范围。根据设计要求和满足各种工作的需要，机器人前端应能到达工作需要的范围内的各个位置，并且基本上没有死区。 机构的设计。具体的包括运动副型式的合理选择和配置。传递运动的最佳路线，驱动的最佳速比等。机构设计不合理，可能会出现臂杆的相互干涉或驱动装置无法运 行，机构不能运动等问题。 自由度的选取。
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