机械设计课程设计说明书
六自由度机械手
河南科技大学机械工程学院
专业 机械工程与自动化
指导老师: 李友亚
2010.6.16
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。
目录
一. 设计要求和功能分析 4 二. 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 十一. 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
液压泵俯仰机构零件设计及强度校核
左右摇摆机构设计及强度校核
11
12
连腕部俯仰机构零件设计及强度校核
13
14
15
16
17
旋转和夹紧的设计及强度校核
一.机械手指部基座与回转体的螺栓连接
18
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。 机构简图
:
19
20
二.手部旋转液压缸叶片与夹紧缸连接螺钉的设计
手部旋转旋转液压缸剖视图:
三.机械手指部设计及夹紧力计算
机械手指部机构简图:
机械手指部夹紧力的计算
机构各自由度的连接过程
1.手指和活塞（Finger and piston）
2.旋转机构（ratatable institution）
3. 俯仰机构（swing_institution）
4.摇摆机构（Waver_institution）
5.液压泵俯仰机构（hydraulic_pressure_Pitching）
6.总装（Total Assembling）
设计特色
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。
心得体会
从开学时接受设计任务到现在的即将答辩，不知不觉已经过去了三个多月了，这三个月我们小组五人都在交流沟通中进步着，每一周的设计进程，我们都十分用心的去做，虽然我们上学期做了机械原理的课程设计，但是涉及到的只是机构的选择，而这一次更多的是对机构强度的校验和工程图的绘制，难免会有些纰漏，在设计时，我们本着互相探讨，共同设计的原则，在许多方面取得了成绩。
虽然课程设计的题目是开学时布置的，可是那时候机械零件的课程还没学习，而且工程图的绘制也没有学习，因此相对来说，进程并不是很快，我们只是在机构的选择和机械手的原理上进行探讨。随着时间的推移，尤其是在12周工程图的课程结束后，我们开始全面的行动起来。
虽然设计是通过我们五个人最终确定的，但设计的实施我们却有着明确的分工，我们每个人负责一个自由度的三维实体建模、零件图的绘制以及相应文档的整理，李晶负责夹紧和旋转自由度，童幸和彭敏勤负责俯仰(连腕部)和左右摇摆自由度的设计，李然负责俯仰(含
液压泵)机构自由度的设计，潘楷负责最后底座回转自由度的设计。而部件图由李晶绘制，ppt由彭敏勤和潘楷制作，童幸负责最后的设计说明书的制作。
我们机械手的原型来自于宝马汽车制造过程中安放轮胎的机械手，但是我们也有所改动，左右摇摆和俯仰机构的位置变换了一下，这样看上去更加实用和美观。接下来是机构内部的设计，我们在图书馆找到了相应的书籍—工业机械手，考虑到安放轮胎的机械手功率相对比较大，我们选择用液压控制来实行机构的动作。在参考资料的过程中，由于书中机构相对介绍的不够详细，因此我们花了很大力气去消化，终于明白了原理。随后是零件的计算和选择，虽然我们学习了机械零件的课程，但是真正应用到实际中还是有很大的难度，对于不同连接位置的螺钉、销，要满足不同性质的强度条件，计算繁琐而且枯燥，但是最终我们还是克服了困难，把所有重要零件进行了校验，并最终得到相应的数据。下一步是三维的实体建模，有了上一步的数据后，三维的建模就容易多了，我们使用的UG建模，UG建模比较容易，而且图像非常直观，而且还有标准零件库，为最后的装配图的绘制做出了很大的贡献。零件图的绘制又是一个难点，我们学过UG，但是工程图却没有学习过，本来我们打算用CAD绘图，但是我们的机构内部极其复杂，因此我们决定直接用UG导出来的方法得到最后的零件图。而最后每个人各自数据的整理已经最后一个人文档的整理使得最后的任务完成。
答辩马上就要到来了，我们的设计也快结束了，当我们看着最后
的成果，内心不禁澎湃，我们看到的在设计的过程中，每个人的刻苦，每个人的努力，每个人的尽力而为。在设计的过程中我看到了teamwork的强大和重要性，没有合作的精神，就不可能会有最后的成功，李晶在绘图经常到凌晨两三点，而李然则经常在旁边陪他一起绘图；彭敏勤和童幸经常在一起计算，一方面是由于两人设计的机构相似，更重要的是在计算过程中，两个人在一起更能避免错误的产生，潘楷和彭敏勤联手完成的ppt也非常完美。虽然这学期的设计就此结束，但是我们在这个过程中学习到的东西却不会忘记，在下学期的机电课程设计中，相信这学期的设计一定会有很大的帮助。
参考文献
1.>第四版第2卷 主编:成大先 化学工业出版社 2002.1 2.> 天津大学>编写组编 天津科学技术出版社 1980.8
3.> 王承义 机械工业出版社 1981.6
4.> 主编:李柱国 编者:高雪官 许敏等 科学出版社 2003.8
5.> 蒋寿伟 强敏德 蒋 丹 高等教育出版社 1999.6 6.> 章洪甲 王积伟 黄谊 机械工业出版社 2005.6 6.> 洪如谨 陈炎 清华大学出版社 2003.3 7.> 曾向阳 谢国明 王学平 电子工业出版社
六自由度机械手
2004.1
任务分工
李 乐：前三个自由度的机构设计及其零件的校核验算；UG三维建模装配；零
件图，装配图的绘制；前三个自由度的文档整理
李 想：手臂俯仰机构的设计和校验；UG三维建模；及该自由度的文档整理 张 良：手部左右摇摆机构自由度的设计和校验；UG三维建模，零件图的绘制； 该自由度的文档整理；最后设计说明书的汇总整理
王 乐：机座旋转自由度的设计和校验；UG三维建模；及该自由度的文档整理 常之敏：手部上下俯仰机构自由度的设计，校验和文档整理；手部左右摇摆机构
自由度UG三维建模；演示文稿的制作
附录
零件图及装配图
31
机械设计课程设计说明书
六自由度机械手
河南科技大学机械工程学院
专业 机械工程与自动化
指导老师: 李友亚
2010.6.16
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。
目录
一. 设计要求和功能分析 4 二. 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 十一. 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
液压泵俯仰机构零件设计及强度校核
左右摇摆机构设计及强度校核
11
12
连腕部俯仰机构零件设计及强度校核
13
14
15
16
17
旋转和夹紧的设计及强度校核
一.机械手指部基座与回转体的螺栓连接
18
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。 机构简图
:
19
20
二.手部旋转液压缸叶片与夹紧缸连接螺钉的设计
手部旋转旋转液压缸剖视图:
三.机械手指部设计及夹紧力计算
机械手指部机构简图:
机械手指部夹紧力的计算
机构各自由度的连接过程
1.手指和活塞（Finger and piston）
2.旋转机构（ratatable institution）
3. 俯仰机构（swing_institution）
4.摇摆机构（Waver_institution）
5.液压泵俯仰机构（hydraulic_pressure_Pitching）
6.总装（Total Assembling）
设计特色
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。
心得体会
从开学时接受设计任务到现在的即将答辩，不知不觉已经过去了三个多月了，这三个月我们小组五人都在交流沟通中进步着，每一周的设计进程，我们都十分用心的去做，虽然我们上学期做了机械原理的课程设计，但是涉及到的只是机构的选择，而这一次更多的是对机构强度的校验和工程图的绘制，难免会有些纰漏，在设计时，我们本着互相探讨，共同设计的原则，在许多方面取得了成绩。
虽然课程设计的题目是开学时布置的，可是那时候机械零件的课程还没学习，而且工程图的绘制也没有学习，因此相对来说，进程并不是很快，我们只是在机构的选择和机械手的原理上进行探讨。随着时间的推移，尤其是在12周工程图的课程结束后，我们开始全面的行动起来。
虽然设计是通过我们五个人最终确定的，但设计的实施我们却有着明确的分工，我们每个人负责一个自由度的三维实体建模、零件图的绘制以及相应文档的整理，李晶负责夹紧和旋转自由度，童幸和彭敏勤负责俯仰(连腕部)和左右摇摆自由度的设计，李然负责俯仰(含
液压泵)机构自由度的设计，潘楷负责最后底座回转自由度的设计。而部件图由李晶绘制，ppt由彭敏勤和潘楷制作，童幸负责最后的设计说明书的制作。
我们机械手的原型来自于宝马汽车制造过程中安放轮胎的机械手，但是我们也有所改动，左右摇摆和俯仰机构的位置变换了一下，这样看上去更加实用和美观。接下来是机构内部的设计，我们在图书馆找到了相应的书籍—工业机械手，考虑到安放轮胎的机械手功率相对比较大，我们选择用液压控制来实行机构的动作。在参考资料的过程中，由于书中机构相对介绍的不够详细，因此我们花了很大力气去消化，终于明白了原理。随后是零件的计算和选择，虽然我们学习了机械零件的课程，但是真正应用到实际中还是有很大的难度，对于不同连接位置的螺钉、销，要满足不同性质的强度条件，计算繁琐而且枯燥，但是最终我们还是克服了困难，把所有重要零件进行了校验，并最终得到相应的数据。下一步是三维的实体建模，有了上一步的数据后，三维的建模就容易多了，我们使用的UG建模，UG建模比较容易，而且图像非常直观，而且还有标准零件库，为最后的装配图的绘制做出了很大的贡献。零件图的绘制又是一个难点，我们学过UG，但是工程图却没有学习过，本来我们打算用CAD绘图，但是我们的机构内部极其复杂，因此我们决定直接用UG导出来的方法得到最后的零件图。而最后每个人各自数据的整理已经最后一个人文档的整理使得最后的任务完成。
答辩马上就要到来了，我们的设计也快结束了，当我们看着最后
的成果，内心不禁澎湃，我们看到的在设计的过程中，每个人的刻苦，每个人的努力，每个人的尽力而为。在设计的过程中我看到了teamwork的强大和重要性，没有合作的精神，就不可能会有最后的成功，李晶在绘图经常到凌晨两三点，而李然则经常在旁边陪他一起绘图；彭敏勤和童幸经常在一起计算，一方面是由于两人设计的机构相似，更重要的是在计算过程中，两个人在一起更能避免错误的产生，潘楷和彭敏勤联手完成的ppt也非常完美。虽然这学期的设计就此结束，但是我们在这个过程中学习到的东西却不会忘记，在下学期的机电课程设计中，相信这学期的设计一定会有很大的帮助。
参考文献
1.>第四版第2卷 主编:成大先 化学工业出版社 2002.1 2.> 天津大学>编写组编 天津科学技术出版社 1980.8
3.> 王承义 机械工业出版社 1981.6
4.> 主编:李柱国 编者:高雪官 许敏等 科学出版社 2003.8
5.> 蒋寿伟 强敏德 蒋 丹 高等教育出版社 1999.6 6.> 章洪甲 王积伟 黄谊 机械工业出版社 2005.6 6.> 洪如谨 陈炎 清华大学出版社 2003.3 7.> 曾向阳 谢国明 王学平 电子工业出版社
六自由度机械手
2004.1
任务分工
李 乐：前三个自由度的机构设计及其零件的校核验算；UG三维建模装配；零
件图，装配图的绘制；前三个自由度的文档整理
李 想：手臂俯仰机构的设计和校验；UG三维建模；及该自由度的文档整理 张 良：手部左右摇摆机构自由度的设计和校验；UG三维建模，零件图的绘制； 该自由度的文档整理；最后设计说明书的汇总整理
王 乐：机座旋转自由度的设计和校验；UG三维建模；及该自由度的文档整理 常之敏：手部上下俯仰机构自由度的设计，校验和文档整理；手部左右摇摆机构
自由度UG三维建模；演示文稿的制作
附录
零件图及装配图
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