6自由度教學(xué)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計【說明書+CAD】
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湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)全日制普通本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）
中 期 檢 查 表
學(xué)? 院：???? 工學(xué)院????????????
學(xué)生姓名
董迪
學(xué)??? 號
200940614303
年級專業(yè)及班級
2009級機(jī)械設(shè)計制造及其自動化(3)班
指導(dǎo)教師姓名
向陽
指導(dǎo)教師職稱
副教授
論文（設(shè)計）題目
6自由度機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計
畢業(yè)論文（設(shè)計）工作進(jìn)度
?
已完成的主要內(nèi)容
尚需解決的主要問題
1：調(diào)研，收集資料及整理
2：分析全自動機(jī)械手中“臂”機(jī)構(gòu)的基本原理，基本理論及方法；全自動機(jī)械手中“臂”機(jī)構(gòu)的傳動設(shè)計及基本設(shè)計計算；
3：全自動機(jī)械手中“臂”機(jī)構(gòu)的設(shè)計、結(jié)構(gòu)圖、裝配圖設(shè)計；?
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1：全自動機(jī)械手中“臂”機(jī)構(gòu)傳動分析研究；
2：分析整理, 擬寫畢業(yè)設(shè)計論文
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指導(dǎo)教師意見
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檢查小組意見
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注：1.此表可用黑色簽字筆填寫，也可打印，但意見欄必須相應(yīng)責(zé)任人親筆填寫。
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湖 南 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué)
全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計
六自由度機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計
THE STRUCTURAL DESIGN OF THE SIX DEGREES OF FREEDOM MANIPULATOR
學(xué)生姓名：董迪
學(xué) 號：200940614303
年級專業(yè)及班級：2009級機(jī)械設(shè)計制造及其自
化(3)班
指導(dǎo)老師及職稱：向陽 副教授
學(xué) 院：工學(xué)院
湖南·長沙
提交日期：2013 年 5 月
湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計
誠 信 聲 明
本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。
畢業(yè)設(shè)計作者簽名：
年 月 日
目 錄
摘要………………………………………………………………………………1
關(guān)鍵詞……………………………………………………………………………1
1前言……………………………………………………………………………1
2設(shè)計要求和功能分析…………………………………………………………2
2.1設(shè)計要求……………………………………………………………………2
2.2功能分析……………………………………………………………………2
3基座旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)軸的設(shè)計及強(qiáng)度校核…………………………………………3
3.1按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度概略計算軸頸…………………………………………………3
3.2擬定軸的結(jié)構(gòu)………………………………………………………………4
3.3 計算支反力和繪制彎矩圖和扭矩圖………………………………………4
3.4強(qiáng)度精確校核………………………………………………………………5
4液壓泵俯仰機(jī)構(gòu)零件設(shè)計和強(qiáng)度校核………………………………………6
4.1確定螺柱組連接所受的工作載荷…………………………………………6
4.2計算傾覆力矩的工作拉力…………………………………………………7
4.3求每個螺柱所需的預(yù)緊力…………………………………………………7
4.4計算螺柱直徑………………………………………………………………7
4.5校驗(yàn)螺柱組連接接合面的工作能力………………………………………8
5左右搖擺機(jī)構(gòu)零件設(shè)計和強(qiáng)度校核…………………………………………8
5.1動葉片中3個螺釘設(shè)計……………………………………………………9
5.2動葉片中2個銷的設(shè)計……………………………………………………9
5.3動葉片與套筒之間的鍵的設(shè)計…………………………………………10
5.4軸的設(shè)計…………………………………………………………………10
6連腕部俯仰機(jī)構(gòu)零件設(shè)計和強(qiáng)度校核……………………………………10
6.1動葉片中3個螺釘設(shè)計…………………………………………………11
6.2連接前自由度箱體的4個固定螺釘設(shè)計………………………………11
6.3動葉片中2個銷的設(shè)計…………………………………………………13
6.4動葉片與套筒之間的鍵的設(shè)計…………………………………………14
6.5軸的設(shè)計…………………………………………………………………14
7旋轉(zhuǎn)和夾緊機(jī)構(gòu)零件設(shè)計和強(qiáng)度校核……………………………………15
7.1機(jī)械手指部基座與回轉(zhuǎn)體的螺栓連接…………………………………15
7.2手部旋轉(zhuǎn)液壓缸葉片與夾緊缸連接螺釘?shù)脑O(shè)計………………………17
7.3機(jī)械手指部設(shè)計及夾緊力計算…………………………………………19
8總結(jié)…………………………………………………………………………20
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………20
致謝……………………………………………………………………………20
六自由度機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計
學(xué) 生：董迪
指導(dǎo)老師：向陽
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長沙 410128)
摘 要：隨著現(xiàn)代科技和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)的自動化程度越來越高。工業(yè)的自動化中機(jī)械手發(fā)揮著相當(dāng)大的作用，小到機(jī)床的自動換刀機(jī)械手，大到整個的全自動無人職守工廠，無一不能看到機(jī)械手的身影。機(jī)械手在工業(yè)中的應(yīng)用可以確保運(yùn)轉(zhuǎn)周期的連貫，提高質(zhì)量。另外，由于機(jī)械手的控制精準(zhǔn)，還可以提高零件精度。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手；自動化；精度
The Structural Design Of The Six Degrees Of Freedom Manipulator
Student: Dong Di
Tutor: 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; accuracy
1 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(jī)械手的使用已經(jīng)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(shè)在中國的工廠中引進(jìn)了自動化生產(chǎn)。但現(xiàn)在的變化是那些分布在工業(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(jī)械手表現(xiàn)出越來越濃厚的興趣，因?yàn)樗麄円鎸と肆魇矢?，以及交貨周期縮短帶來的挑戰(zhàn)。
機(jī)械手可以確保運(yùn)轉(zhuǎn)周期的一貫性，提高品質(zhì)。另外，讓機(jī)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(shù)也為機(jī)械手提供了更多的市場機(jī)會。
可見隨著科技的進(jìn)步，市場的發(fā)展，機(jī)械手的廣泛應(yīng)用已漸趨可能，在未來的制造業(yè)中，越來越多的機(jī)械手將被應(yīng)用，越來越好的機(jī)械手將被創(chuàng)造，毫不夸張地說，機(jī)械手是人類走向先進(jìn)制造的一個標(biāo)志，是人類走向現(xiàn)代化、高科技進(jìn)步的一個象征。 因此如何設(shè)計出一個功能強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的機(jī)械手變成了迫在眉睫的問題。
針對機(jī)械手的設(shè)計，考慮到兩種方案。方案一，依靠兩盤狀凸輪及連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手指的張合與手臂的上下擺動。而圓柱凸輪的旋轉(zhuǎn)帶動鏈輪回轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)。這種雖然方案簡單易行，但結(jié)構(gòu)較大，鏈傳動是撓性的拉拽，難于定位；而且鏈條及鏈輪布置在水平面內(nèi)，鏈條不宜過長。定位精度不能保證，故不宜采用此方案。 方案二：該方案在手指的動作和手臂的仰俯方面與方案一采取同種設(shè)計，在手臂的回轉(zhuǎn)上采用了不同機(jī)構(gòu)，它通過液壓缸—連桿回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)完成手臂的回轉(zhuǎn)。此方案結(jié)構(gòu)簡單，各運(yùn)動部件之間的運(yùn)動都易于實(shí)現(xiàn)，不會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。故本設(shè)計采用第二種方案［1］。
2 設(shè)計要求和功能分析
2.1 設(shè)計要求
該機(jī)械臂用于物流生產(chǎn)線上物品的抓取和易位。整個機(jī)械臂安裝在一個回轉(zhuǎn)支座上，回轉(zhuǎn)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(jī)械手，機(jī)械手具有開閉能力，用于直徑30-45mm工件的抓取，工件長度350mm，重量8kg。
2.2 功能分析
系統(tǒng)共有6個自由度，分別是夾緊、旋轉(zhuǎn)、俯仰（1）、左右搖擺、俯仰（2）及基座的回轉(zhuǎn)。
基座的回轉(zhuǎn)自由度可以進(jìn)行360度的回轉(zhuǎn)；與基座相連的俯仰機(jī)構(gòu)（包含液壓缸）可進(jìn)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(jī)構(gòu)，能夠完成-60~60度的左右來回擺動，接著下去的是俯仰機(jī)構(gòu)，與搖擺機(jī)構(gòu)內(nèi)部類似，亦可完成-60~60度的上下俯仰動作，最后的是旋轉(zhuǎn)部分與手指部分，旋轉(zhuǎn)部分可以正反旋轉(zhuǎn)，手指部分通過在手腕上滑槽來控制收放動作。機(jī)構(gòu)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(dú)立，動作時互不干涉。
3 基座旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)軸的設(shè)計及強(qiáng)度校核
由設(shè)計要求分析可知，基座的回轉(zhuǎn)自由度可以進(jìn)行360度的回轉(zhuǎn)。
3.1 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度概略計算軸頸
（1）選取軸材料
由于中碳調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼具有較高的強(qiáng)度和較好的切削加工性，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚硪院罂色@得一定的韌性、塑性和耐磨性，材料來源方便。且該鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，其綜合力學(xué)性能要優(yōu)化于其他中碳結(jié)構(gòu)鋼。調(diào)質(zhì)處理后零件具有良好的綜合機(jī)械性能。故選用45號鋼，調(diào)質(zhì)
查表得，，，，，
（2）估算軸頸
對軸使用扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度法，根據(jù)軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件
(1)
算得
(2)
式中： ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa；
T——軸所受的扭矩，N·mm；
WT——軸的扭轉(zhuǎn)截面系數(shù)，m；
P——軸傳遞的功率,kW；
d——計算截面處軸的直徑，mm；
——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa
可知，對于軸，，，，為齒輪分度圓半徑，則：?？紤]到軸是垂直布置，過細(xì)會失穩(wěn)，因此取，最小直徑為花鍵內(nèi)徑。
3.2 擬定軸的結(jié)構(gòu)
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，擬定主要參數(shù)尺寸［3］，如圖一所示。
（1）支承采用圓錐滾子軸承3007712。
選擇依據(jù)：圓錐滾子軸承可以分離，由內(nèi)圈與滾子、保持架一起組成的組件和外圈可以分別??圓錐滾子軸承安裝。滾子和滾道接觸處修正的接觸線可以減少應(yīng)力集中。圓錐滾子軸承可以承受大的徑向載荷和軸向載荷。
按GB277-84，取下端軸頸直徑為60mm，寬33mm；取下端軸肩直徑80mm，寬25mm
（2)齒輪下端面由軸環(huán)定位
鑒于軸環(huán)承受軸的重力，取軸環(huán)直徑100mm，寬20mm。齒輪軸頭取直徑80mm，寬97mm，稍小于輪豰（100-3）。
（3）齒輪上端面接觸套筒，固定套筒的軸身直徑70mm，寬15mm；
（4)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。
（5)和上端蓋相密封的軸身直徑56mm，寬36mm。
（6)連接花鍵的上軸頭小徑52mm，大徑56mm，寬27mm；軸兩端倒角。
（7)齒輪與平鍵采用過盈連接,采用A型平鍵（A型平鍵在軸上鍵槽中軸向固定良好） 鍵槽寬度，槽深，槽長L應(yīng)小于齒輪的寬度，取，軸段上平鍵居中布置。取過盈配合。
3.3 計算支反力和繪制彎矩圖和扭矩圖
（1）支反力的計算
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(chǎn)生彎矩。
(3)
支座A的支反力， (4)
支座B的支反力
（2)繪制彎矩圖和扭矩圖，如下圖（二）：
a. 最大彎矩發(fā)生在平鍵中心的界面處
(5)
B. 扭矩
圖1 彎矩圖和扭矩圖
Figure 1 bending moment diagram and torque diagram
3.4 強(qiáng)度精確校核
（1）確定危險截面，校核強(qiáng)度
分析可知，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。所以，需對該面進(jìn)行強(qiáng)度精確校核。
（2）按安全系數(shù)法［5］精確校核平鍵的強(qiáng)度：
a.查表可得：
過盈配合為時的應(yīng)力集中系數(shù)，
尺寸系數(shù)，
表面質(zhì)量系數(shù)
b.主要參數(shù)設(shè)計計算
綜合影響系數(shù)，； (7)
彎曲應(yīng)力幅 (8)
平均應(yīng)力 (9)
扭轉(zhuǎn)應(yīng)力幅 (10)
扭轉(zhuǎn)平均應(yīng)力
（3）根據(jù)以上可得，僅考慮切應(yīng)力和僅考慮正應(yīng)力時的工作安全系數(shù)分別為：
a.只考慮正應(yīng)力時的安全系數(shù)
(11)
b.只考慮切應(yīng)力的安全系數(shù)
(12)
可得平鍵的工作安全系數(shù)：
(13)
查表得，S>[S]
結(jié)論 ： 滿足強(qiáng)度要求
4 液壓泵俯仰機(jī)構(gòu)零件設(shè)計及強(qiáng)度校核
液壓泵是為液壓傳動提供加壓液體的一種液壓元件，是泵的一種。它的功能是把動力機(jī)(如電動機(jī)和內(nèi)燃機(jī)等)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能。根據(jù)主機(jī)工況、功率大小和系統(tǒng)對工作性能的要求，確定為液壓泵俯仰機(jī)構(gòu)。
4.1 確定螺柱組連接所受的工作載荷
只受橫向載荷（作用于接合面，垂直向下）
根據(jù)UG質(zhì)量分析，得到前四個自由度的總質(zhì)量
根據(jù)UG距離分析，前四個自由度質(zhì)心到螺柱分布中心的距離
傾覆力矩（順時針方向）
4.2 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[3]的P411（11-3b）得知為
(14)
4.3 求每個螺柱所需的預(yù)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;
(15)
=1.2 =0.2
4.4 計算螺柱直徑
螺柱所受的總拉力由式（11-19）求得
(16)
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(qiáng)度
，安全系數(shù)，則需用應(yīng)力為
根據(jù)式（11-21）求得螺柱危險剖面的直徑（螺紋小徑）為：
初取直徑=16
4.5 校驗(yàn)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：
(17)
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(yīng)保持一定的預(yù)緊力，以防止接合面產(chǎn)生間隙，即由式（11-38）
由于會產(chǎn)生間隙，應(yīng)提高預(yù)緊力，由，求得不產(chǎn)生間隙的最小預(yù)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(nèi)，查GB/T901-1988［1］，B級等長螺柱M243
5 左右搖擺機(jī)構(gòu)設(shè)計及強(qiáng)度校核
5.1 動葉片中3個螺釘設(shè)計
由公式得，
（1）確定預(yù)緊力
由公式得， (18)
其中：安全裕度系數(shù)
接合面間摩擦系數(shù)
工作轉(zhuǎn)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(diǎn)位于圓周上
（2）查表，取材料為45號鋼，性能等級為8.8級
屈服強(qiáng)度極限
初估直徑M16，查表，取，
取螺釘直徑M24,查表，
5.2 動葉片中2個銷的設(shè)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(diǎn)
位于圓周上
（2）確定銷個數(shù)
（3）查機(jī)械手冊，取材料為45號鋼
常用的銷
5.3 動葉片與套筒之間的鍵的設(shè)計
(19)
（1）工作轉(zhuǎn)矩
油壓為，承壓面A為
作用點(diǎn)離鍵沿半徑方向?yàn)?
（2）回轉(zhuǎn)直徑的d為
鍵高，
取
5.4 軸的設(shè)計
取，，
去材料為40Cr鋼，
取
6 連腕部俯仰機(jī)構(gòu)零件設(shè)計及強(qiáng)度校核
6.1 動葉片中3個螺釘設(shè)計
由公式得， (20)
（1）確定預(yù)緊力
由公式，
查表得
安全裕度系數(shù)
接合面間摩擦系數(shù)
工作轉(zhuǎn)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(diǎn)位于圓周上
（2）查表，取材料為45號鋼，性能等級為8.8級
屈服強(qiáng)度極限
初估直徑M16，查表11-7，取，
取螺釘直徑M16,查表11-1，
6.2 連接前自由度箱體的4個固定螺釘設(shè)計
（1）求每個螺釘?shù)乃桀A(yù)緊力和總拉力
(21)
剩余預(yù)緊力
查表知：
安全裕度系數(shù)
接合面間摩擦系數(shù)
螺釘個數(shù)
前自由度總質(zhì)量
形心位置
查表，
由公式，
a. 取，為螺釘?shù)街行木€的距離
b. ,為前自由度總質(zhì)量到接口的力臂
（2)設(shè)計直徑
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(cè)不出現(xiàn)縫隙的條件
滿足
接合面下側(cè)不出現(xiàn)壓潰的條件
查表11-9，
滿足
注：特殊情況為當(dāng)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。
6.3 動葉片中2個銷的設(shè)計
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(diǎn)
位于圓周上
(22)
確定銷個數(shù)
查機(jī)械手冊，取材料為45號鋼
常用的銷
6.4 動葉片與套筒之間的鍵的設(shè)計
工作轉(zhuǎn)矩
油壓為，承壓面A為
作用點(diǎn)離鍵沿半徑方向?yàn)?
回轉(zhuǎn)直徑的d為
鍵高，
取
6.5 軸的設(shè)計
(23)
穩(wěn)定不變扭矩，
由，
取碳素鋼
7 旋轉(zhuǎn)和夾緊的設(shè)計及強(qiáng)度校核
7.1 機(jī)械手指部基座與回轉(zhuǎn)體的螺栓連接
（1）采用普通螺栓連接，布局如圖六示。
將前部指部和輪胎簡化為一簡支梁結(jié)構(gòu)，在其質(zhì)心處受到一集中力。
圖2 機(jī)構(gòu)簡圖
Figure 2 institutions diagram
（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(jù)UG的質(zhì)量分析后，得知不得總質(zhì)量為：
所要夾取得輪胎質(zhì)量為：
（g取）
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，所受的載荷為：
(24)
上面的螺栓所受到的總工作拉力：
（4）求每個螺栓所需的預(yù)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：
=1.2 f=0.2
（5）計算螺栓直徑。
螺栓所受的總拉力由式求得：
(25)
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(yù)緊力，初取直徑為16，查表11.7，安全系數(shù)為S= 4，則。
根據(jù)公式（11—21）求得螺栓危險剖面的直徑（螺紋小徑）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。
連接接合面下端的擠壓應(yīng)力不超過許用值，以防止接合面壓潰，由式(11—39)有：
(26)
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。
連接合面上端應(yīng)保持一定的剩余預(yù)緊力，以防止接合面產(chǎn)生間隙，即，由式（11—38）得：
故接合面上端受壓最小出不會產(chǎn)生間隙。
7.2 手部旋轉(zhuǎn)液壓缸葉片與夾緊缸連接螺釘?shù)脑O(shè)計
圖3 手部旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)液壓缸剖視圖
Figure 3 hand rotating the rotary cross-sectional view of the hydraulic cylinder
備注：葉片寬度b=110mm
采用普通螺釘連接。
（1）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
（2）計算各螺釘及銷所受的同向載荷：
如果假設(shè)將葉長展開，鋪平后，相當(dāng)于螺釘組受橫向載荷，根據(jù)式（11—28），得：
(27)
（3）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?shù)募羟袕?qiáng)度條件為：
查表11.7
查GB/T96—1981，選用公稱直徑d = 10mm （螺紋小徑）的螺釘。
7.3 機(jī)械手指部設(shè)計及夾緊力計算
圖4 機(jī)械手指部機(jī)構(gòu)簡圖
Figure 4 institutions of the Ministry of Machinery finger thumbs
（1）機(jī)械手指部夾緊力的計算
a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;
和同樣構(gòu)成一對作用力與反作用力,如圖所示.
由于機(jī)構(gòu)的對稱性,故=,=.
當(dāng)機(jī)構(gòu)靜平衡時,,;
,所以==43532.2(N) (28)
根據(jù)對O點(diǎn)的力矩平衡: =NL
N====6969.1(N)
8 總結(jié)
該機(jī)構(gòu)是一個六自由度的工業(yè)機(jī)械手，能完成夾緊、旋轉(zhuǎn)、俯仰、搖擺以及回轉(zhuǎn)動作，可用于工業(yè)流水線上的操作。我們主要針對設(shè)計的是在轎車生產(chǎn)過程中，后車箱備胎的放置，機(jī)構(gòu)簡便、效率高，可控范圍大，沉重量大，基座運(yùn)用齒輪傳動，效率高，強(qiáng)度大，液壓泵俯仰機(jī)構(gòu)承載性強(qiáng)，可調(diào)角度大，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和俯仰機(jī)構(gòu)都是-60度到60度。機(jī)構(gòu)所用零件便于加工，標(biāo)準(zhǔn)件較多，便于機(jī)構(gòu)的組裝，相應(yīng)的成本也不高。
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致 謝
本次畢業(yè)設(shè)計非常感謝我的導(dǎo)師向陽副教授，在選題及研究過程中都得到了向老師的悉心指導(dǎo)。向老師嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度，踏踏實(shí)實(shí)的精神，不僅授我以文，而且教我做人，終身受益無窮，向老師是很負(fù)責(zé)的。向老師多次詢問研究進(jìn)程，并為我指點(diǎn)迷津，幫助我開拓研究思路，精心點(diǎn)拔、熱忱鼓勵。對向老師的感激之情是無法用言語表達(dá)的。
感謝論文引用的參考文獻(xiàn)的作者們，他們大量開拓性的工作和成果，為我的畢業(yè)設(shè)計提供了堅實(shí)的基礎(chǔ)。
最后，真誠地感謝所有教過我的老師，正是在他們精心的培養(yǎng)、指導(dǎo)、無私的關(guān)懷與幫助下，促使我順利完成了學(xué)業(yè)。各位老師，不僅在學(xué)業(yè)上嚴(yán)格要求我，而且在工作、生活中給予了我無微不至的關(guān)懷和照顧。他們淵博的知識，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，執(zhí)著的敬業(yè)精神、認(rèn)真的教學(xué)作風(fēng)以及高尚的人品，使我受益終生。在此我謹(jǐn)向老師們致以最崇高的敬意和最衷心的感謝！
21
畢業(yè)論文（設(shè)計）題目
6自由度教學(xué)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計
文獻(xiàn)綜述
課題的目的與意義
機(jī)器人是二十世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，人類對于機(jī)器人的研究由來已久。上世紀(jì)70年代之后，計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、傳感技術(shù)和人工智能技術(shù)迅速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也隨之進(jìn)入高速發(fā)展階段，成為綜合了計算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多門學(xué)科而形成的高新技術(shù)。其本質(zhì)是感知、決策、行動和交互四大技術(shù)的綜合，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用水平是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志[1] [2]。
機(jī)器人技術(shù)的研究在經(jīng)歷了第一代示教再現(xiàn)型機(jī)器人和第二代感知型機(jī)器人兩個階段之后進(jìn)入第三代智能機(jī)器人的發(fā)展階段。
機(jī)械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機(jī)械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動化有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手能代替人類完成危險、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強(qiáng)度，提高勞動生產(chǎn)率。機(jī)械手越來越廣泛地得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。當(dāng)工件變更時，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場競爭的需要。
此外，醫(yī)療機(jī)器人是目前國外機(jī)器人研究領(lǐng)域中最活躍、投資最多的方向之一,其發(fā)展前景非?？春?。近年來,醫(yī)療機(jī)器人技術(shù)引起美、法、德、意、日等國家學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注, 研究工作蓬勃興起。二十世紀(jì)九十年代起，國際先進(jìn)機(jī)器人計劃已召開過的多屆醫(yī)療外科機(jī)器人研討會己經(jīng)立項,開展基于遙控操作的外科研究,用于戰(zhàn)傷模擬手術(shù)、手術(shù)培訓(xùn)、解剖教學(xué)。歐盟、法國國家科學(xué)研究中心也將機(jī)器人輔助外科手術(shù)及虛擬外科手術(shù)仿真系統(tǒng)作為重點(diǎn)研究發(fā)展的項目之一在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)出現(xiàn)醫(yī)療，外科手術(shù)機(jī)器人市場化產(chǎn)品，并在臨床上開展了大量病例研究。而目前我國的機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低。機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)及醫(yī)療水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計是非常有意義的。
國內(nèi)外研究情況
1.1.1 國外研究狀況
機(jī)器人主要分為兩類：工業(yè)機(jī)器人以及其他特種機(jī)器人，自1962年美國推出世界上第一臺Unimate型和Versatra型工業(yè)機(jī)器人以來，機(jī)器人在工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到了迅速發(fā)展。根據(jù)國際工業(yè)機(jī)器人聯(lián)合會(IFR)前幾年的統(tǒng)計[3]：2000年全世界工業(yè)機(jī)器人的總數(shù)達(dá)到82萬臺，比1996年增加24％。其中日本擁有42萬臺，占全世界機(jī)器人總數(shù)的50％左右，繼續(xù)保持“機(jī)器人王國”的地位。除日本外，世界上還有許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家，如美國、前蘇聯(lián)和西歐一些國家的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)也發(fā)展得很快。例如，在美國，1970—1980年間的機(jī)器人臺數(shù)增加20倍以上。盡管美國所擁有的機(jī)器人在臺數(shù)上不如日本．但其技術(shù)水平較高．占有一定的優(yōu)勢。在亞洲，韓國的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展也很迅速，現(xiàn)排名世界前列．而日本、韓國和新加坡的機(jī)器人密度(即制造業(yè)中每萬名雇員占有的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量)居世界第1-3位，包攬了前三名。西歐的意大利、法國、英國和東歐的匈牙利、波蘭等，機(jī)器人制造業(yè)及應(yīng)用機(jī)器人的情況都有很大發(fā)展。
1.1.2 國內(nèi)研究狀況
我國有組織有計劃地發(fā)展機(jī)器人事業(yè)．應(yīng)該說是從“七五”期間的科技攻關(guān)及實(shí)施“863計劃”開始的。經(jīng)過十幾年來的研制、生產(chǎn)、和應(yīng)用，有了長足的進(jìn)步。目前在一些方面[6]，如噴涂機(jī)器人、弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器
人、裝配機(jī)器人、特種機(jī)器人(水下、爬壁、管道、遙控等機(jī)器人)，已掌握了機(jī)器人的設(shè)計制造技術(shù)，解決了控制、驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計和配置、軟件的設(shè)計和編制等關(guān)鍵技術(shù)；還掌握了自動化噴漆線、弧焊自動線(工作站)及其周邊配套設(shè)備的全線自動通信、協(xié)調(diào)控制技術(shù)。
現(xiàn)在，我國從事機(jī)器人研發(fā)的單位有200多家[7]，專業(yè)從事機(jī)器人產(chǎn)業(yè)開發(fā)的企業(yè)有50家以上?！熬盼濉逼陂g，國家“863”高技術(shù)計劃己將沈陽新松機(jī)器人自動化股份有限公司、啥爾濱博實(shí)自動化設(shè)備有限責(zé)任公司、一汽集團(tuán)涂裝技術(shù)開發(fā)中心、北京機(jī)械工業(yè)自動化所、上海機(jī)電一體工程有限公司、四川綿陽四維焊接自動化設(shè)備有限公司等確立為智能機(jī)器人主題產(chǎn)業(yè)化基地。大連組臺機(jī)床所、上海富安工廠自動化公司、東風(fēng)汽車公司、昆明船舶公司、哈爾濱焊接研究所、安川北科公司等單位，也都憑借自己開發(fā)生產(chǎn)的特色機(jī)器人或應(yīng)用工程項目活躍在當(dāng)今國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人市場上。此外，一些科研院所和大學(xué)也均在進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用項日方面的研發(fā)工作。近幾年，我國工業(yè)機(jī)器人及含工業(yè)機(jī)器人的自動化生產(chǎn)線相關(guān)產(chǎn)品的年產(chǎn)銷額已突破十億元。
我國的機(jī)器人研究開發(fā)與應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的成績，但是總的來看，我國的機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外的相比還有一定的距離，無論從機(jī)器人的數(shù)量上還是技術(shù)上，我們都有一定的差距。進(jìn)入新世紀(jì)以后，國際競爭日益激烈，對機(jī)器人的需求越來越大，我國的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將面臨新的發(fā)展機(jī)遇和來自國外的挑戰(zhàn)，因此我們需要自主發(fā)展機(jī)器人高技術(shù)，解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)。積極推進(jìn)我國的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。
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研究方案
研究目的
2、課題任務(wù)、重點(diǎn)研究內(nèi)容、實(shí)現(xiàn)途徑
2.1課題的任務(wù)
本課題就是設(shè)計出一個全自動的機(jī)械手中的“臂” ：要求機(jī)械手的結(jié)構(gòu)靈活，定位精確，可以在工作空間里達(dá)到任意位置，操作方便，每個關(guān)節(jié)易于控制。
考慮到我們機(jī)械手的性能需求如下：
① 啟動，停止和反向轉(zhuǎn)動，均能連續(xù)有效的進(jìn)行，且具有良好的響應(yīng)特性。
② 正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時的特性相同，且運(yùn)行特性穩(wěn)定。
③ 維修容易，而且不太需要保養(yǎng)。
④ 具有良好的抗環(huán)境干擾能力，對于輸出來說，體積小，重量輕。
⑤ 有良好的定位精度，重復(fù)定位精度，以及平穩(wěn)的運(yùn)行軌跡?？拐裥院?，操作方便。
2.2課題的重點(diǎn)研究內(nèi)容
本課題研究涉及機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、機(jī)器人、齒輪傳動、實(shí)體建模、有限元分析、計算機(jī)輔助設(shè)計等方面的相關(guān)內(nèi)容。
主要研究內(nèi)容:
機(jī)械臂的機(jī)械部分是整個機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)型式的好壞，將直接影響到整個系統(tǒng)。所以，機(jī)構(gòu)的設(shè)計非常重要。我們主要從以下幾個方面對其進(jìn)行研究：
① 針對全自動機(jī)械手中“臂”機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)研，查閱國內(nèi)外研究資料，資料收集及整理；
② 可達(dá)空間的范圍。根據(jù)設(shè)計要求和滿足各種工作的需要，機(jī)器人前端應(yīng)能到達(dá)工作需要的范圍內(nèi)的各個位置，并且基本上沒有死區(qū)。
③ 機(jī)構(gòu)的設(shè)計。具體的包括運(yùn)動副型式的合理選擇和配置。傳遞運(yùn)動的最佳路線，驅(qū)動的最佳速比等。機(jī)構(gòu)設(shè)計不合理，可能會出現(xiàn)臂桿的相互干涉或驅(qū)動裝置無法運(yùn)行，機(jī)構(gòu)不能運(yùn)動等問題。
④ 自由度的選取。一般來講，自由度越多，避障和奇異功能越強(qiáng)，可操作性越好，靈活性越好。但隨著自由度的增多將出現(xiàn)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的復(fù)雜化，剛度的削弱、控制起來非常困難等問題。機(jī)器人按運(yùn)動形式分為直角坐標(biāo)型機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人、關(guān)節(jié)型機(jī)器人和極坐標(biāo)型機(jī)器人。
直角坐標(biāo)型 圓柱坐標(biāo)型 關(guān)節(jié)型 極坐標(biāo)型
因此，在能滿足一定的選型原則的前提下，采用冗余自由度盡量少的、機(jī)構(gòu)簡單的形式。綜合國內(nèi)外相關(guān)的設(shè)計情況，我們考慮設(shè)計成關(guān)節(jié)型的機(jī)器人。因?yàn)椋P(guān)節(jié)型機(jī)器人模擬動物和人類肢體，甚至是整體而最具有仿生性，也就具有了優(yōu)于其他類型機(jī)器人的動作能力。并且，關(guān)節(jié)型機(jī)器人在相同條件下比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人具有大得多的相對空間和絕對空間。其中，開鏈連桿式機(jī)器人是現(xiàn)在使用最多的一種，其主體結(jié)構(gòu)的三個自由度腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)全部采用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，手腕上也采用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)來確定末端的姿態(tài)，具有優(yōu)點(diǎn)如下：
1）．結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍大而安裝占地小。
2）．具有很高的可達(dá)性。可以使其手部進(jìn)入像汽車車身這樣一個封閉的空間內(nèi)
進(jìn)行作業(yè)，而直角坐標(biāo)型的機(jī)器人就不行。
3）．因?yàn)闆]有移動關(guān)節(jié)，所以不需要導(dǎo)軌。轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)容易密封，由于軸承件是
大量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件，則摩擦小，慣量小，可靠性好。
4） ．所需關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩小，能量消耗少。
⑤ 對“臂”機(jī)構(gòu)傳動設(shè)計及基本設(shè)計計算。直流電機(jī)實(shí)際上是機(jī)器人平臺的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，有著極寬的功率調(diào)節(jié)范圍、適用性好、具有很高的性價比、輸出力矩較大、易于控制等等，是一種最為通用的電機(jī)。我們選擇用直流電機(jī)作為驅(qū)動。設(shè)計計算數(shù)值要根據(jù)具體負(fù)載，運(yùn)動路線等因素進(jìn)行具體計算。
⑥ 根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動要求，完成全自動機(jī)械手中“臂”機(jī)構(gòu)設(shè)計，包括結(jié)構(gòu)圖、裝配圖設(shè)計；機(jī)械臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)：
1) 常見方式：
常見的有齒輪傳動機(jī)構(gòu)，鏈輪傳動機(jī)構(gòu)，活塞及連桿傳動機(jī)構(gòu)等。
2) 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)：
假設(shè)滑塊是主動件，當(dāng)滑塊沿一定的導(dǎo)軌移動時，可以推動曲柄做擺動或圓周運(yùn)動。
3) 典型機(jī)構(gòu)：
液壓缸—連桿回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、齒輪驅(qū)動回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。
下面是幾種參考結(jié)構(gòu)：
圖6 圖7 圖8
⑦ 用UG5.0建立全自動機(jī)械手中“臂”機(jī)構(gòu)三維模型，并進(jìn)行運(yùn)動仿真。
⑧ 根據(jù)仿真后的結(jié)果，進(jìn)行具體實(shí)驗(yàn)，測試并校核真實(shí)情況下的強(qiáng)度和運(yùn)動能否達(dá)到要求。
2.3課題的實(shí)現(xiàn)途徑
在深入分析和理解自己研究課題的任務(wù)和重點(diǎn)研究內(nèi)容的基礎(chǔ)上，主要從以下途徑著手：
① 通過參考大量的文獻(xiàn)，掌握課題研究的背景，調(diào)研國內(nèi)外有關(guān)課題研究方面的現(xiàn)狀、發(fā)展和應(yīng)用情況，發(fā)現(xiàn)全自動機(jī)械手中“臂”機(jī)構(gòu)設(shè)計中的問題，明確課題研究的目的、意義、任務(wù)及內(nèi)容。
② 通過到機(jī)械加工車間參觀學(xué)習(xí)，觀察全自動機(jī)械手的外形結(jié)構(gòu)，了解全自動機(jī)械手的工作原理，并進(jìn)行分析各運(yùn)動之間的關(guān)系；了解全自動機(jī)械手的實(shí)際應(yīng)用情況，以便繪制詳細(xì)的機(jī)械臂的原理圖和裝配圖。
③ 學(xué)習(xí)和掌握全自動機(jī)械手實(shí)現(xiàn)手術(shù)的相關(guān)方法和技術(shù)，并結(jié)合課題實(shí)際分析各種相關(guān)方法和技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，以便確定方案和設(shè)計內(nèi)容。
④ 根據(jù)機(jī)器人的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方案。如機(jī)器人的自由度、信息的存儲量、計算機(jī)功能、動作精度的要求、所能抓取的重量、容許的運(yùn)動范圍、以及對溫度、震動等環(huán)境的適應(yīng)性。
⑤ 通過到加工車間參觀學(xué)習(xí)和查看資料，通過小組討論溝通方式學(xué)習(xí)和掌握全自動機(jī)械手各部分運(yùn)動與動力的傳遞，功能的實(shí)現(xiàn)，各部分的銜接以及運(yùn)動范圍的控制以設(shè)計出整個機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)。
3.進(jìn)度計劃
進(jìn) 度 安 排
序號
設(shè)計（論文）工作內(nèi)容
時間（起止周數(shù)）
1
調(diào)研，資料收集及整理；
4周至7周
2
分析全自動機(jī)械手中“臂”機(jī)構(gòu)的基本原理，基本理論及方法；全自動機(jī)械手中“臂”機(jī)構(gòu)的傳動設(shè)計及基本設(shè)計計算；
7周至8 周
3
全自動機(jī)械手中“臂”機(jī)構(gòu)的設(shè)計、結(jié)構(gòu)圖、裝配圖設(shè)計；
8周至11 周
4
全自動機(jī)械手中“臂”機(jī)構(gòu)傳動分析研究；
11周至12 周
5
分析整理, 擬寫畢業(yè)設(shè)計論文；
12周至13 周
6
修改畢業(yè)設(shè)計論文, 準(zhǔn)備答辯, 答辯；
13周至 15 周
6
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