六自由度机械手设计说明书.doc

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1机电系统机电系统课程设计说明书课程设计说明书六自由度机械手六自由度机械手学学院：

院：

农业工程与食品科学学院农业工程与食品科学学院班班级：

级：

农机农机09010901小组人员：

小组人员：

孙海舰孙海舰邹杨邹杨指导老师：

指导老师：

程卫东程卫东2前言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。

3目录一、方案设计.4二、结构设计.4三、电机的选择.51.主回转轴电机的选用.52、大臂摆动电机选用.63、大臂转动电机选用.64、小臂摆动电机的选择.6四、功能分析.7五、基座旋转机构轴的设计及强度校核.8六、液压泵俯仰机构零件设计及强度校核.11七、左右摇摆机构设计及强度校核.14八、连腕部俯仰机构零件设计及强度校核.17九、旋转和夹紧的设计及强度校核.221.机械手指部基座与回转体的螺栓连接.222机械手指部设计及夹紧力计算.25十、机构各自由度的连接过程.26十一、设计特色.28十二、心得体会.294一、方案设计方案一：

机械手采用气动控制，气压传动，其优点：

1）以空气为工作介质，来源放不安，且用后可直接排入大气而不污染环境。

2）空气粘性小，损失小，节能高效。

3）动作迅速、反应快、维护简单、不易堵塞。

4）工作环境适应性好，安全可靠。

5）成本低、过载能自动保护。

缺点：

1）工作速度稳定性差。

2）不易获得较大的推力或转矩。

3）有较大的排气噪声，4）以空气无润滑性能，需在气路中设计给油润滑装置。

方案二：

机械手采用电气控制，机械传动，其优点：

1）精度高，伺服电机作为动力源，同步带等组成结构简单且效率高的传动机构。

2）控制精度高，根据设定的参数实现精确控制，在高精度传感器、计量装置、计算机技术的支持下，能够大大超过其他控制方式达到的控制精度。

3）改善环保水平，由于使用能源品种的减少及其优化的性能，污染减少了，噪音降低了，能够提供良好的工作环境。

4）降低噪音，其运行噪音低于70分贝，大约是液压驱动的三分之二。

因此选用电气控制，机械传动，局部气动的机械手。

能够更好的发挥两者的优点避免缺点。

二、结构设计气动控制运动结构图如下图所示：

电气控制运动结构件图如下图所示：

5其中电气传动的回转等复杂动作因采用的伺服电机及计算机控制，较气动控制简单，因此该结构选取完全的电气控制。

而其机械手的加持可采用气动控制。

三、电机的选择机械手除去加持装置总共有六个自由度，总共需用六个伺服电机。

1.主回转轴电机的选用主电机传动比选择：

25i=主回转轴电机转矩，转动惯量计算：

222111500.3350.70188Jmdkgm=222211801.333.844JmdKgm=212max20.70133.80.055625JJJKgmi+=11150100.33541.844TmgrNm=21180101.352022TmgLNm=1241.852022.47225TTTNmi+=电根据转矩、转动惯量选择电机型号：

松下电机MGMA3KW，额定转矩28.4Nm，最大转矩，63.7Nm，电机转动惯量，4255.710Kgm，额定转速1000r/min,最大转速，2000r/min，外形分类F型。

62、大臂摆动电机选用传动比选择：

25i=电机转矩，转动惯量计算：

22211801.228.844JmdKgm=22228.80.00460825JJKgmi=电1180101.248022TmgLNm=48019.225TTNmi=电根据转矩、转动惯量选择电机型号：

松下电机MGMA3KW，额定转矩28.4Nm，最大转矩，63.7Nm，电机转动惯量，4255.710Kgm，额定转速1000r/min,最大转速，2000r/min，外形分类F型。

3、大臂转动电机选用传动比选择：

10i=电机转矩转、动惯量计算：

22211800.0650.032588JmdKgm=220.03250.000325100JJKgmi=电11130100.0654.87544TmgrNm=21130100.5582.522TmgLNm=124.87582.58.737510TTTNmi+=电根据转矩、转动惯量选择电机型号：

松下电机MGMA900W，额定转矩8.62Nm，最大转矩，19.3Nm，电机转动惯量，4211.210Kgm，额定转速1000r/min,最大转速，2000r/min，外形分类D型。

4、小臂摆动电机的选择传动比选择：

15i=722211200.551.512544Jmdkgm=2221.51250.005115JJKgmi=电1120100.555522TmgLNm=553.6715TTNmi=电根据转矩、转动惯量选择电机型号：

松下电机MGMA900W，额定转矩8.62Nm，最大转矩，19.3Nm，电机转动惯量，4211.210Kgm，额定转速1000r/min,最大转速，2000r/min，外形分类D型。

5、小臂转动电机选择传动比选择：

10i=22211200.130.0422588Jmdkgm=220.042250.0004225100JJKgmi=电1120100.0653.2544TmgrNm=3.250.32510TTNmi=电根据转矩、转动惯量选择电机型号：

松下电机MDMA750W，额定转矩3.57Nm，最大转矩，10.7Nm，电机转动惯量，426.210Kgm，额定转速2000r/min,最大转速，3000r/min，外形分类D型四、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。

8五、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颈1）选用45号钢，调质。

查表得2650/BNmm=，2360/SNmm=，21300/Nmm=，21155/Nmm=，2360/BNmm=，2390/BNmm=2）按公式，算得0330.20.2pArTd=，因为2220.1200.011344huosaidAm=，5pMPa=，240/Nmm=，00.108rm=为齿轮分度圆半径，则：

0.0091dm。

考虑到轴是垂直布置，过细会失稳，因此取52dmm=，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，2650/BNmm=2360/SNmm=21300/Nmm=21155/Nmm=2360/BNmm=2390/BNmm=52dmm=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100mm90.150.180513hd=+=+=，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345o；10）齿轮与平键采用过盈连接,采用A型平键，键槽宽度20b=，槽深6t=，槽长L应小于齿轮的宽度，取70Lmm=，轴段上平键居中布置。

过盈配合取76Hr3.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。

250.011356rFpAMpamkN=支座A的支反力281.55624190AlRFkNl=，支座B的支反力1108.55632190BlRFkNl=2）最大弯矩发生在平键中心的界面处124108.52608AMRlkNmmNm=上轴颈直径60mm花键小径52mm花键大径56mm轴两端倒角345o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76Hr56rFkN=281.55624190AlRFkNl=1108.55632190BlRFkNl=2608MNm=103）扭矩2050.01130.1086102TpArMpammNm=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76Hr时的应力集中系数2.62k=，1.89k=2）尺寸系数0.64=，0.72=3）表面质量系数1=4）综合影响系数2.624.090.64kK=，1.892.630.72kK=；5）弯曲应力幅226080.24/10750aMNmmW=6）平均应力225611.14/5024mzFkNNmmAmm=7）扭转应力幅261020.25/224500aTTNmmW=8）扭转平均应力m20.25/aNmm=9）按公式只考虑正应力时的安全系数1131.4amBSK=+只考虑切应力的安全系数11202.57amBSK=+2231.02SSSSS=+S满足强度要求6102TNm=确定平键中心出的截面为危险面作精确强度校核。

2.62k=，1.89k=0.64=，0.72=1=2.624.090.64kK=1.892.630.72kK=a20.24/Nmm=m211.14/Nmm=20.25/aNmm=20.25/maNmm=31.4S=202.57S=11六、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674.829.816619.98vFmgN=总根据UG距离分析，前四个自由度质心到螺柱分布中心的距离574.6lmm=倾覆力矩（顺时针方向）6619.98574.63803840.508vMFlNmm=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