两自由度机械手设计.pdf

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1、-.黄黄 山山 学学 院院两自由度机械手腕设计与加工两自由度机械手腕设计与加工学院：学院：信息工程学院信息工程学院专业：专业：0909 机械机械：梁龙梁龙 学号：学号：2012/4/62012/4/6-.可修编.-.目目录录1 1 总体方案设计总体方案设计1.两自由度机械手系统设计1.2 两自由度机械手机械系统设计思想1.3 两自由度机械手的总体方案1.4 两自由度机械手的数学描述2 2 两自由度机械手零部件的设计两自由度机械手零部件的设计2.1 机械手驱动电机选型机2.2 械手蜗轮蜗杆、齿轮零部件设计2.3 机械手轴零部件设计2.4 机械手其它零部件设计2.5 材料及标准件的选择2.6 机械

2、手的虚拟装配参考文献参考文献-.可修编.-.两自由度机械手设计与加工两自由度机械手设计与加工1 1 总体方案设计总体方案设计1.11.1 两自由度机械手系统设计两自由度机械手系统设计两自由度机械手系统由机械本体结构、伺服驱动系统、西门子810D 数控系统等部分组成。1.1.11.1.1 机械本体结构机械本体结构从机构学的角度来分析，机器手机械结构可以看作由一系列连杆通过旋转关节（或移动关节）连接起来的开式运动链。1.1.21.1.2 关节伺服驱动系统关节伺服驱动系统机械手本体机械结构的动作靠的是关节驱动，机器人的关节驱动大多是基于闭环控制的原理来进行的。常用的驱动单元是各种伺服电机，由于一般伺

3、服电机的输出转速很高(1000r/min10000r/min)，输出转矩小，而关节需带动的负载的转速不高，负载力矩却不小。因此，在电机与负载之间用一套传动装置来进行转速和转矩的匹配。本论文仅讨论机械手的机械系统设计与加工。1.21.2 两自由度机械手机械系统设计思想两自由度机械手机械系统设计思想首先利用 UG 三维制图软件作为辅助设计工具进行两自由度机械手的机械零件设计，建立三维模型。然后，经虚拟装配后，利用 UG 软件，生成虚拟样机，进行机械系统虚拟样机分析，分析其运动轨迹及机械零部件的干涉现象。最后，利用UG 软件中的数控加工模块，编写机械零部件的数控加工程序。根据以上工作，便可以实际加工

4、出物理样机。1.31.3 两自由度机械手的总体方案两自由度机械手的总体方案1.3.11.3.1 机械手自由度的选择机械手自由度的选择机械手运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。在考虑机械手用途、成本及技术难度等问题后，本论文选择机械手的自由度为 2 个，末端执行器（夹持器）可以自由开合，能够完成物体的抓、移、放动作。机械手的原理如图1 所示。1.3.21.3.2 机械手机械系统的整体设计机械手机械系统的整体设计-.可修编.-.本论文设计的两个自由度机械手由底座、电机、蜗杆、齿轮、左

5、右支撑臂、手臂、旋转盘、轴，夹持器活动节、夹持器固定节、丝杆、等部件组成，机械手整体结构如图2 所示。图 2机械手结构视图1.41.4 两自由度机械手的数学描述两自由度机械手的数学描述机械手具有两个自由度，其末端执行机构位置相对于机械本体不断的变化。如果要对末端执行器进行精确的控制，则要对其空间位置进行精确的描述。应用齐次坐标变换不仅能够对坐标进行描述，也能够表达控制算法、计算机视觉和计算机图形学等问题5。2 2 两自由度机械手零部件的设计两自由度机械手零部件的设计2.12.1 机械手驱动电机选型机械手驱动电机选型-.可修编.-.本论文对于机械手的关节驱动机构选用交流伺服电机，由学校提供的3个

6、型号为1FK7032-5AK71-1AG0西门子交流伺服电机。西门子 1FK7032-5AK71-1AG0型电机参数电机外型尺寸图2.22.2 械手蜗轮蜗杆、齿轮零部件设计械手蜗轮蜗杆、齿轮零部件设计机械手的关键零部件是蜗杆涡轮、齿轮传动设计，根据电机的外形尺寸把其结构画出，设计的蜗杆、蜗轮参数如下：1基本参数：（1）模数m 和压力角：在中间平面中，为保证蜗杆蜗轮传动的正确啮合，蜗杆的轴向模数 ma1 和压力角a1 应分别相等于蜗轮的法面模数mt2 和压力角t2，即ma1=mt2=m a1=t2蜗杆轴向压力角与法向压力角的关系为:tga=tgn/cos式中：-导程角。（2）蜗杆的分度圆直径d1

7、 和直径系数q为了保证蜗杆与蜗轮的正确啮合，要用与蜗杆尺寸相同的蜗杆滚刀来加工蜗轮。由于相同的模数，可以有许多不同的蜗杆直径，这样就造成要配备很多的蜗轮滚刀，以适应不同的蜗杆直径。显然，这样很不经济。为了减少蜗轮滚刀的个数和便于滚刀的标准化，就对每一标准的模数规定了一定数量的蜗杆分度圆直径d1，而把及分度圆直径和模数的比称为蜗杆直径系数q，即：q=d1/m常用的标准模数m 和蜗杆分度圆直径d1 及直径系数q，见匹配表。-.可修编.-.（3）蜗杆头数z1 和蜗轮齿数z2蜗杆头数可根据要求的传动比和效率来选择，一般取z11-10，推荐z11，2，4，6。选择的原则是：当要求传动比较大，或要求传递大

8、的转矩时，则 z1 取小值；要求传动自锁时取z11；要求具有高的传动效率，或高速传动时，则z1 取较大值。蜗轮齿数的多少，影响运转的平稳性，并受到两个限制：最少齿数应避免发生根切与干涉，理论上应使z2min17，但z226 时，啮合区显著减小，影响平稳性，而在z230 时，则可始终保持有两对齿以上啮合，因之通常规定z228。另一方面z2 也不能过多，当z280时(对于动力传动)，蜗轮直径将增大过多，在结构上相应就须增大蜗杆两支承点间的跨距，影响蜗杆轴的刚度和啮合精度；对一定直径的蜗轮，如z2 取得过多，模数m 就减小甚多，将影响轮齿的弯曲强度；故对于动力传动，常用的X围为z228-70。对于传

9、递运动的传动，z2 可达200、300，甚至可到1000。z1 和z2 的推荐值见下表。4）导程角蜗杆的形成原理与螺旋相同，所以蜗杆轴向齿距pa 与蜗杆导程pz 的关系为pzz1pa，由下图可知：tan=pzd1z1pad1z1md1z1q导程角的X围为3.5一33。导程角的大小与效率有关。导程角大时，效率高，通常15-30。并多采用多头蜗杆。但导程角过大，蜗杆车削困难。导程角小时，效率低，但可以自锁，通常3.5一4.55）传动比I传动比i=n 主动1/n 从动2蜗杆为主动的减速运动中i=n1/n2=z2/z1=u式中：n1-蜗杆转速；n2-蜗轮转速。减速运动的动力蜗杆传动，通常取5u70，优

10、先采用15u50；增速传动5u15。普通圆柱蜗杆基本尺寸和参数及其与蜗轮参数的匹配表。-.可修编.-.名称中心距蜗杆头数蜗轮齿数齿形角模数传动比蜗轮变位系数蜗杆直径系数蜗杆轴向齿距蜗杆导程蜗杆分度圆直径蜗杆齿顶圆直径蜗杆齿根圆直径顶隙渐开线蜗杆齿根圆直径蜗杆齿顶高蜗杆齿根高蜗杆齿高蜗杆导程角渐开线蜗杆基圆导程角蜗杆齿宽蜗轮分度圆直径蜗轮喉圆直径蜗轮齿根圆直径蜗轮齿顶高蜗轮齿根高蜗轮齿高蜗轮咽喉母圆半径蜗轮齿宽蜗轮齿宽角代号az1z2mix2qpxpzd1da1df1cdb1ha1hf1h1bb1d2da2df2ha2hf2h2rg2b2计 算 关 系 式a=(d1+d2+2x2m)/2说明按规

11、定选取按规定选取按传动比确定a=20。或 n=20。m=ma=mn/cosi=n1/n2=z2/z1x2=a/m-(d1+d2)/2mq=d1/mpx=mpz=mz1d1=mqda1=d1+2ha1=d1+2ha*mdf1=d1-2hf1=da-2(ha*m+c)c=c*mdb1=d1.tg/tgb=mz1/tgbha1=ha*m=1/2(da1-d1)hf1=(ha*+c*)m=1/2(d1-df1)h1=hf1+ha1=1/2(da1-df1)tg=mz1/d1=z1/qcosb=cos.cosn按蜗杆类型确定按规定选取蜗杆为主动，按规定选取按规定选取按规定按规定由设计确定d2=mz2=2

12、a-d1-2x2mda2=d2+2ha2df2=d2-2hf2ha2=1/2(da2-d2)=m(ha*+x2)hf2=1/2(d2-df2)=m(ha*-x2+c*)h2=ha2+hf2=1/2(da2-df2)rg2=a-1/(2da2)由设计确定=2arcsin(b2/d1)-.可修编.-.蜗杆轴向齿厚蜗杆法向齿厚蜗轮齿厚蜗杆节圆直径蜗杆节圆直径sasnstd1d2sa=1/(2m)sn=sacos按蜗杆节圆处轴向齿槽宽ea确定d1=d1+2x2m=m(q+2x2)d2=d2普通圆柱蜗杆传动几何尺寸计算1、根据以上公式我们把选择的涡轮蜗杆的参数做如下总结：（1）传动比为i=27:1；（2

13、）蜗杆、蜗轮模数为m=3；（3）中心距选择=53.5mm。（4）蜗杆头数 z1=1。(5)涡轮齿数：Z2=27（6）齿形角 a=20（7）蜗杆导程 P=3(8)蜗杆分度圆 d1=mz/tan7=24.433(9)涡轮分度圆直径：d2=mZ2=812、圆柱齿轮设计及计算当圆柱齿轮的轮齿方向与圆柱的素线方向一致时，称为直齿圆柱齿轮。表 10.1.2-1 列出了直齿圆柱齿轮各部分的名称和基本参数。表 10.1.2-1 直齿圆柱齿轮各部分的名称和基本参数名称符号说 明示意图-.可修编.-.齿 数z模 数齿顶圆齿根圆分度圆齿 高齿顶高齿根高齿距mdadfdhhahfpd=zp,d=p/z,令 m=p/通

14、过轮齿顶部的圆周直径通过轮齿根部的圆周直径齿厚等于槽宽处的圆周直径齿顶圆与齿根圆的径向距离分度圆到齿顶圆的径向距离分度圆到齿根圆的径向距离在分度圆上相邻两齿廓对应点的弧长(齿厚槽宽)齿厚节圆s 每个齿在分度圆上的弧长d一对齿轮传动时，两齿轮的齿廓在连心线O1O2 上接触点 C 处，两齿轮的圆周速度相等，以O1C 和 O2C 为半径的两个圆称为相应齿轮的节圆。压力角 齿轮传动时，一齿轮(从动轮)齿廓在分度圆上点C 的受力方向与运动方向所夹的锐角称压力角。我XX 用标准压力角为20。啮合角 在点 C 处两齿轮受力方向与运动方向的夹角模数 m 是设计和制造齿轮的重要参数。不同模数的齿轮要用不同的刀具

15、来加工制造。为了便于设计和加工，模数数值已标准化，其数值如表 10.1.2-2 所示。表 10.1.2-2 齿轮模数标准系列（摘录GB/T1357-1987）第一系列第二系列11.251.522.53456810121620253240501.752.252.75(3.25)3.5(3.75)4.5 5.5(6.5)79(11)141822283645注：选用模数时，应优先选用第一系列；其次选用第二系列；括号内的模数尽可能不用。标准直齿圆柱齿轮各部分的尺寸与模数有一定的关系，计算公式如表10.1.2-3。-.可修编.-.表 10.1.2-3 标准直齿圆柱齿轮轮齿各部分的尺寸计算名 称分度圆直径

16、齿顶圆直径齿根圆直径齿顶高齿根高全齿高中心距齿 距符 号ddadfhahfhap公 式dmzda d+2 ha m(z+2)df d+2hf m(z-2.5)ha mhf 1.25mh ha+hf=2.25ma m2(z1+z2)P=m机械手的关键零部件是齿轮传动设计，根据机械手的要求，设计的齿轮参数如下：第一关节机械手齿轮设计(1)传动比为I=3:2；(2)两齿轮模数为m=4.0；(3)压力角为=20；(4)中心距选择=100mm。(5)齿数 Z1=30。齿轮 3 分度圆直径D1=mZ=430=120mm，；齿高计算h=ha+hf=(2ha*+c*)m=9mm；取齿轮厚度20.0mm。设计的

17、中心大齿轮如图 4 所示。图 4齿轮 2 设计：分度圆直径D2=2/3D1=80mm；齿数Z2=2/3Z1=20 个，设计的小齿轮如图5 所示。-.可修编.-.图 5第二关节的机械手齿轮设计(1)传动比为I=5:3；(2)两齿轮模数为m=3；(3)压力角为=20；(4)中心距选择=60mm。(5)齿数 Z1=25。齿轮 6 分度圆直径D1=mZ=325=75mm，；齿高计算h=ha+hf=(2ha*+c*)m=6.75mm；取齿轮厚度 15mm，如图 6。齿轮 5 设计：分度圆直径D2=M*Z2=3x15=45mm；齿数Z2=2/3Z1=15 个，设计的小齿轮如图7 所示。图 7齿轮 7 和齿

18、轮 8 跟齿轮 5 齿轮 6 一样2.32.3 机械手轴零件的设计机械手轴零件的设计根据齿轮内孔的大小来设计出轴，如图10 至图 15。-.可修编.-.图 8轴 1图 9轴 2图 10轴 3图 11 轴 42.42.4 机械手其它零部件设计机械手其它零部件设计利用 UG 软件对机械手的其它机械零部件设计，如图13 至 23 图所示。-.可修编.-.图 12 底座 1 三维实体造型-图 134 个支撑柱三维造型图 14 底座 2 三维实体造型图 15 整体底座三维实体造型.可修编.-.图 16 旋转底盘三维实体造型图 17 旋转支架三维实体图形图 18 手臂 1 三维实体图形图 19 手臂 2

19、三维实体图形2.52.5 材料及标准件的选择材料及标准件的选择-.可修编.-.此处中心轴承选择型号为推力球轴承，主要参数为外径150mm,内径 85mm,厚度 49 mm序 号物品名称型号(规格)单位数量单价金额备注12轴承轴承1600816006件件2218203640国产3轴承16003件12101204轴承16005件415605轴承16004件213266轴承16013件4552207轴承16012件2501008轴承51317图 21件11801802.62.6 机械本体的虚拟装配机械本体的虚拟装配公差与配合是机械设计与制造的重要一环，主要包括：确定基准制、公差等级与配合种类。选择原

20、则是既要保证机械产品的性能优良，同时兼顾制造上的经济可行9。基准制包括基孔制和基轴制两种，两自由度机械手的机械本体需要的精密要求不高，大部分零件的配合采用基孔制，公差等级采用 IT7IT12，配合分为间隙、过渡、过盈三种配合方式，如表3 所示。表 3 优先配合选用表电机配合种类间隙配合运动 X 围基孔制型号基轴制H9 H8 H7 H7 H7d9 f 7 g6 g6 h6C11 D9 F8 G7 H7h11 h9 h7 h6 h6-.可修编.-.过渡配合H 7 H 7k6n6K7 N7h6 h6P7 S7h6 h6过盈配合H7 H7 H7p6 s6 u6机械手的各个机械零部件设计完成，并选择好公差配合后，便可以进行总的机械手装配，机械手装配时的爆破图如图24 所示，图 22 机械手装配图参考文献1蔡自兴.机器人学M.：清华大学，2006.2 宋伟刚.机器人机械系统原理、理论方法和算法M.：东北大学，2001.3李建勇.机电一体化技术M.：机械工业，2005.4X 杰等.机电一体化系统设计M.：东北大学，1997.5 郭洪红.工业机器人技术M.：XX 电子科技大学，2006.6王洪林等.机械制造技术基础M.：中国劳动社会保障，19997X 伟平.机械制造工艺与装配M.：中国劳动社会保障，2007-.可修编.-.8周运良.极限配合与技术测量M.：中国劳动社会保障，2007-.可修编.