两自由度机械手设计

真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。i / 18黄 山 学 院两自由度机械手腕设计与加工学院： 信息工程学院 专业： 09 机械 姓名： 梁龙 学号： 209060710332012/4/6真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。I / 18目目录录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 两两自由度机械手零部件的设计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 机械手的虚拟装配.参考文献参考文献.真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。1 / 18两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。1.1.1 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。1.1.2 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，便可以实际加工出物理样机。1.31.3 两自由度机械手的总体两自由度机械手的总体方案方案1.3.1 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。真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。2 / 181.3.2 机械手机械系统的整体设计机械手机械系统的整体设计本论文设计的两个自由度机械手由底座、电机、蜗杆、齿轮、左右支撑臂、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。真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。3 / 182 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 型电机参数真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。4 / 18 电机外型尺寸图2.2.2 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 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：真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。5 / 18q=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。（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，常用的范围为z228-70。对于传递运动的传动，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导程角的范围为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真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。6 / 18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。名 称代号计 算 关 系 式说明中心距aa=(d1+d2+2x2m)/2按规定选取蜗杆头数z1 按规定选取蜗轮齿数z2 按传动比确定齿形角a=20。或 n=20。按蜗杆类型确定模数mm=ma=mn/cos按规定选取传动比ii=n1/n2=z2/z1蜗杆为主动，按规定选取蜗轮变位系数x2x2=a/m-(d1+d2)/2m 蜗杆直径系数qq=d1/m 蜗杆轴向齿距pxpx=m 蜗杆导程pzpz=mz1 蜗杆分度圆直径d1d1=mq按规定选取蜗杆齿顶圆直径da1da1=d1+2ha1=d1+2ha*m 蜗杆齿根圆直径df1df1=d1-2hf1=da-2(ha*m+c) 顶隙cc=c*m按规定渐开线蜗杆齿根圆直径db1db1=d1.tg/tgb=mz1/tgb 蜗杆齿顶高ha1ha1=ha*m=1/2(da1-d1)按规定蜗杆齿根高hf1hf1=(ha*+c*)m=1/2(d1-df1) 蜗杆齿高h1h1=hf1+ha1=1/2(da1-df1) 蜗杆导程角tg=mz1/d1=z1/q 渐开线蜗杆基圆导程角bcosb=cos.cosn 蜗杆齿宽b1由设计确定蜗轮分度圆直径d2d2=mz2=2a-d1-2x2m 蜗轮喉圆直径da2da2=d2+2ha2 蜗轮齿根圆直径df2df2=d2-2hf2 蜗轮齿顶高ha2ha2=1/2(da2-d2)=m(ha*+x2) 蜗轮齿根高hf2hf2=1/2(d2-df2)=m(ha*-x2+c*) 蜗轮齿高h2h2=ha2+hf2=1/2(da2-df2) 蜗轮咽喉母圆半径rg2rg2=a-1/(2da2) 蜗轮齿宽b2 由设计确定真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。7 / 18蜗轮齿宽角=2arcsin(b2/d1) 蜗杆轴向齿厚sasa=1/(2m) 蜗杆法向齿厚snsn=sacos 蜗轮齿厚st按蜗杆节圆处轴向齿槽宽 ea确定 蜗杆节圆直径d1d1 =d1+2x2m=m(q+2x2) 蜗杆节圆直径d2d2=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） 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 明示意图真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。8 / 18齿 数z模 数md=zp, d=p/z, 令 m=p/齿顶圆da通过轮齿顶部的圆周直径齿根圆df通过轮齿根部的圆周直径分度圆d齿厚等于槽宽处的圆周直径齿 高h齿顶圆与齿根圆的径向距离齿顶高ha分度圆到齿顶圆的径向距离齿根高hf分度圆到齿根圆的径向距离齿距p在分度圆上相邻两齿廓对应点的弧长(齿厚槽宽)齿厚s 每个齿在分度圆上的弧长节圆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。我国采用标准压力角为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1 1.25 1.5 22.5 3 4 5 6 81012 162025324050第二系列1.752.252.75 (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。真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。9 / 18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。表 10.1.2-3 标准直齿圆柱齿轮轮齿各部分的尺寸计算名 称符 号公 式分度圆直径ddmz齿顶圆直径dada d+2 ha m(z+2)齿根圆直径dfdf d+2hf m(z-2.5)齿顶高haha m齿根高hfhf 1.25m全齿高hh ha + hf = 2.25m中心距aa m2 (z1+z2)齿 距pP = 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。真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。10 / 18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真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。11 / 18根据齿轮内孔的大小来设计出轴，如图 10 至图 15。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。真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。12 / 18图 12 底座 1 三维实体造型图 13 4 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真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。13 / 18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 三维实体图形真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。14 / 182.52.5 材料及标准件的选择材料及标准件的选择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1轴承16006件21836国产2轴承16008件220403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件1180180图 212.62.6 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 优先配合选用表真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。15 / 18电机配合种类运动范围基孔制型号基轴制间隙配合9877797666HHHHHdfggh119877119766CDFGHhhhhh过渡配合7766HHkn7766KNhh过盈配合777666HHHpsu7766PShh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参考文献1 蔡自兴. 机器人学M. 北京：清华大学出版社，2006.2 宋伟刚. 机器人机械系统原理、理论方法和算法M. 沈阳：东北大学出版社，2001.真诚为您提供优质参考资料，若有不当之处，请指正。16 / 183 李建勇. 机电一体化技术M. 北京：机械工业出版社，2005.4 刘杰等. 机电一体化系统设计M. 沈阳：东北大学出版社，1997.5 郭洪红. 工业机器人技术M. 西安：西安电子科技大学出版社，2006.6 王洪林等. 机械制造技术基础M. 北京：中国劳动社会保障出版社，19997 张伟平. 机械制造工艺与装配M. 北京：中国劳动社会保障出版社，20078 周运良. 极限配合与技术测量M. 北京：中国劳动社会保障出版社，2007