兩自由度機械手設計

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1、i / 17黃黃 山山 學學 院院兩自由度機械手腕設計與加工兩自由度機械手腕設計與加工學院：學院：信息工程學院信息工程學院專業(yè)：專業(yè)：0909 機械機械某某：梁龍梁龍 學號學號：20906071033209060710332012/4/6I / 17目目錄錄1 總體方案設計總體方案設計1.兩自由度機械手系統(tǒng)設計1.2 兩自由度機械手機械系統(tǒng)設計思想1.3 兩自由度機械手的總體方案1.4 兩自由度機械手的數(shù)學描述2 兩自由度機械手零部件的設計兩自由度機械手零部件的設計2.1 機械手驅(qū)動電機選型機2.2 械手蝸輪蝸桿、齒輪零部件設計2.3 機械手軸零部件設計2.4 機械手其它零部件設計2.5 材料

2、及標準件的選擇2.6 機械手的虛擬裝配參考文獻參考文獻1 / 17兩自由度機械手設計與加工兩自由度機械手設計與加工1 1 總體方案設計總體方案設計1.11.1 兩自由度機械手系統(tǒng)設計兩自由度機械手系統(tǒng)設計兩自由度機械手系統(tǒng)由機械本體結構、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、西門子 810D 數(shù)控系統(tǒng)等部分組成。1.1.1 機械本體結構機械本體結構從機構學的角度來分析，機器手機械結構可以看作由一系列連桿通過旋轉(zhuǎn)關節(jié)（或移動關節(jié)）連接起來的開式運動鏈。1.1.2 關節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)關節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)機械手本體機械結構的動作靠的是關節(jié)驅(qū)動，機器人的關節(jié)驅(qū)動大多是基于閉環(huán)控制的原理來進行的。常用的驅(qū)動單元是各種伺服電機，由于一

3、般伺服電機的輸出轉(zhuǎn)速很高(1000r/min10000r/min)，輸出轉(zhuǎn)矩小，而關節(jié)需帶動的負載的轉(zhuǎn)速不高，負載力矩卻不小。因此，在電機與負載之間用一套傳動裝置來進行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的匹配。本論文僅討論機械手的機械系統(tǒng)設計與加工。1.21.2 兩自由度機械手機械系統(tǒng)設計思想兩自由度機械手機械系統(tǒng)設計思想首先利用 UG 三維制圖軟件作為輔助設計工具進行兩自由度機械手的機械零件設計，建立三維模型。然后，經(jīng)虛擬裝配后，利用 UG 軟件，生成虛擬樣機，進行機械系統(tǒng)虛擬樣機分析，分析其運動軌跡及機械零部件的干涉現(xiàn)象。最后，利用 UG 軟件中的數(shù)控加工模塊，編寫機械零部件的數(shù)控加工程序。根據(jù)以上工作，便可以實

4、際加工出物理樣機。1.31.3 兩自由度機械手的總體方案兩自由度機械手的總體方案1.3.1 機械手自由度的選擇機械手自由度的選擇機械手運動機構的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。在考慮機械手用途、成本及技術難度等問題后，本論文選擇機械手的自由度為 2 個，末端執(zhí)行器（夾持器）可以自由開合，能夠完成物體的抓、移、放動作。機械手的原理如圖 1 所示。1.3.2 機械手機械系統(tǒng)的整體設計機械手機械系統(tǒng)的整體設計2 / 17本論文設計的兩個自由度機械手由底座、電機、蝸桿、齒輪、左右支撐臂、手臂、

5、旋轉(zhuǎn)盤、軸，夾持器活動節(jié)、夾持器固定節(jié)、絲桿、等部件組成，機械手整體結構如圖 2 所示。圖 2機械手結構視圖1.41.4 兩自由度機械手的數(shù)學描述兩自由度機械手的數(shù)學描述機械手具有兩個自由度，其末端執(zhí)行機構位置相對于機械本體不斷的變化。如果要對末端執(zhí)行器進行精確的控制，則要對其空間位置進行精確的描述。應用齊次坐標變換不僅能夠?qū)ψ鴺诉M行描述，也能夠表達控制算法、計算機視覺和計算機圖形學等問題5。2 2 兩自由度機械手零部件的設計兩自由度機械手零部件的設計2.12.1 機械手驅(qū)動電機選型機械手驅(qū)動電機選型3 / 17本論文對于機械手的關節(jié)驅(qū)動機構選用交流伺服電機，由學校提供的 3 個型號為 1FK

6、7032-5AK71-1AG0 西門子交流伺服電機。西門子 1FK7032-5AK71-1AG0 型電機參數(shù)4 / 17電機外型尺寸圖2.22.2 械手械手蝸輪蝸桿、齒輪蝸輪蝸桿、齒輪零部件設計零部件設計機械手的關鍵零部件是蝸桿渦輪、齒輪傳動設計，根據(jù)電機的外形尺寸把其結構畫出，設計的蝸桿、蝸輪參數(shù)如下：1基本參數(shù)：（1）模數(shù)m 和壓力角：在中間平面中，為保證蝸桿蝸輪傳動的正確嚙合，蝸桿的軸向模數(shù)ma1 和壓力角a1 應分別相等于蝸輪的法面模數(shù)mt2 和壓力角t2，即ma1=mt2=m a1=t2蝸桿軸向壓力角與法向壓力角的關系為:tga=tgn/cos式中：-導程角。（2）蝸桿的分度圓直徑d

7、1 和直徑系數(shù)q為了保證蝸桿與蝸輪的正確嚙合，要用與蝸桿尺寸相同的蝸桿滾刀來加工蝸輪。由于相同的模數(shù)，可以有許多不同的蝸桿直徑，這樣就造成要配備很多的蝸輪滾刀，以適應不同的蝸桿直徑。顯然，這樣很不經(jīng)濟。為了減少蝸輪滾刀的個數(shù)和便于滾刀的標準化，就對每一標準的模數(shù)規(guī)定了一定數(shù)量的蝸桿分度圓直徑d1，而把及分度圓直徑和模數(shù)的比稱為蝸桿直徑系數(shù)q，即：q=d1/m常用的標準模數(shù)m 和蝸桿分度圓直徑d1 及直徑系數(shù)q，見匹配表。5 / 17（3）蝸桿頭數(shù)z1 和蝸輪齒數(shù)z2蝸桿頭數(shù)可根據(jù)要求的傳動比和效率來選擇，一般取z11-10，推薦z11，2，4，6。選擇的原則是：當要求傳動比較大，或要求傳遞大的

8、轉(zhuǎn)矩時，則z1 取小值；要求傳動自鎖時取z11；要求具有高的傳動效率，或高速傳動時，則z1 取較大值。蝸輪齒數(shù)的多少，影響運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，并受到兩個限制：最少齒數(shù)應避免發(fā)生根切與干涉，理論上應使z2min17，但z226 時，嚙合區(qū)顯著減小，影響平穩(wěn)性，而在z230 時，則可始終保持有兩對齒以上嚙合，因之通常規(guī)定z228。另一方面z2 也不能過多，當z280時(對于動力傳動)，蝸輪直徑將增大過多，在結構上相應就須增大蝸桿兩支承點間的跨距，影響蝸桿軸的剛度和嚙合精度；對一定直徑的蝸輪，如z2 取得過多，模數(shù)m 就減小甚多，將影響輪齒的彎曲強度；故對于動力傳動，常用的X圍為z228-70。對于傳遞運

9、動的傳動，z2 可達200、300，甚至可到1000。z1 和z2 的推薦值見下表。4）導程角蝸桿的形成原理與螺旋相同，所以蝸桿軸向齒距pa 與蝸桿導程pz 的關系為pzz1pa，由下圖可知：tan=pzd1z1pad1z1md1z1q導程角的X圍為3.5一33。導程角的大小與效率有關。導程角大時，效率高，通常15-30。并多采用多頭蝸桿。但導程角過大，蝸桿車削困難。導程角小時，效率低，但可以自鎖，通常3.5一4.55）傳動比I傳動比i=n 主動1/n 從動2蝸桿為主動的減速運動中i=n1/n2=z2/z1 =u式中：n1 -蝸桿轉(zhuǎn)速；n2-蝸輪轉(zhuǎn)速。減速運動的動力蝸桿傳動，通常取5u70，優(yōu)

10、先采用15u50；增速傳動5u15。普通圓柱蝸桿基本尺寸和參數(shù)及其與蝸輪參數(shù)的匹配表。6 / 17名稱代號計 算 關 系 式說明中心距aa=(d1+d2+2x2m)/2按規(guī)定選取蝸桿頭數(shù)z1按規(guī)定選取蝸輪齒數(shù)z2按傳動比確定齒形角a=20。或n=20。按蝸桿類型確定模數(shù)mm=ma=mn/cos按規(guī)定選取傳動比ii=n1/n2=z2/z1蝸桿為主動，按規(guī)定選取蝸輪變位系數(shù)x2x2=a/m-(d1+d2)/2m蝸桿直徑系數(shù)qq=d1/m蝸桿軸向齒距pxpx=m蝸桿導程pzpz=mz1蝸桿分度圓直徑d1d1=mq按規(guī)定選取蝸桿齒頂圓直徑da1da1=d1+2ha1=d1+2ha*m蝸桿齒根圓直徑df

11、1df1=d1-2hf1=da-2(ha*m+c)頂隙cc=c*m按規(guī)定漸開線蝸桿齒根圓直徑db1db1=d1.tg/tgb=mz1/tgb蝸桿齒頂高ha1ha1=ha*m=1/2(da1-d1)按規(guī)定蝸桿齒根高hf1hf1=(ha*+c*)m=1/2(d1-df1)蝸桿齒高h1h1=hf1+ha1=1/2(da1-df1)蝸桿導程角tg=mz1/d1=z1/q漸開線蝸桿基圓導程角bcosb=cos.cosn蝸桿齒寬b1由設計確定蝸輪分度圓直徑d2d2=mz2=2a-d1-2x2m蝸輪喉圓直徑da2da2=d2+2ha2蝸輪齒根圓直徑df2df2=d2-2hf2蝸輪齒頂高ha2ha2=1/2(

12、da2-d2)=m(ha*+x2)蝸輪齒根高hf2hf2=1/2(d2-df2)=m(ha*-x2+c*)蝸輪齒高h2h2=ha2+hf2=1/2(da2-df2)蝸輪咽喉母圓半徑rg2rg2=a-1/(2da2)蝸輪齒寬b2由設計確定蝸輪齒寬角=2arcsin(b2/d1)蝸桿軸向齒厚sasa=1/(2m)蝸桿法向齒厚snsn=sacos7 / 17蝸輪齒厚st按蝸桿節(jié)圓處軸向齒槽寬 ea確定蝸桿節(jié)圓直徑d1d1 =d1+2x2m=m(q+2x2)蝸桿節(jié)圓直徑d2d2=d2普通圓柱蝸桿傳動幾何尺寸計算1、根據(jù)以上公式我們把選擇的渦輪蝸桿的參數(shù)做如下總結：（1） 傳動比為 i =27:1；（2

13、）蝸桿、蝸輪模數(shù)為 m=3；（3）中心距選擇=53.5mm。（4）蝸桿頭數(shù) z1=1。(5) 渦輪齒數(shù)：Z2=27（6）齒形角 a=20（7）蝸桿導程 P=3(8) 蝸桿分度圓 d1=mz/tan7=24.433(9) 渦輪分度圓直徑：d2=mZ2=812、圓柱齒輪設計及計算當圓柱齒輪的輪齒方向與圓柱的素線方向一致時， 稱為直齒圓柱齒輪。 表 10.1.2-1 列出了直齒圓柱齒輪各部分的名稱和基本參數(shù)。表 10.1.2-1 直齒圓柱齒輪各部分的名稱和基本參數(shù)名稱符號說 明示意圖齒 數(shù)z8 / 17模 數(shù)md=zp, d=p/z, 令 m=p/齒頂圓da通過輪齒頂部的圓周直徑齒根圓df通過輪齒根

14、部的圓周直徑分度圓d齒厚等于槽寬處的圓周直徑齒 高h齒頂圓與齒根圓的徑向距離齒頂高ha分度圓到齒頂圓的徑向距離齒根高hf分度圓到齒根圓的徑向距離齒距p在分度圓上相鄰兩齒廓對應點的弧長(齒厚槽寬)齒厚s 每個齒在分度圓上的弧長節(jié)圓d一對齒輪傳動時，兩齒輪的齒廓在連心線 O1O2 上接觸點 C 處，兩齒輪的圓周速度相等，以 O1C 和 O2C 為半徑的兩個圓稱為相應齒輪的節(jié)圓。壓力角齒輪傳動時，一齒輪(從動輪)齒廓在分度圓上點 C 的受力方向與運動方向所夾的銳角稱壓力角。我某用標準壓力角為20。嚙合角在點 C 處兩齒輪受力方向與運動方向的夾角模數(shù) m 是設計和制造齒輪的重要參數(shù)。不同模數(shù)的齒輪要用

15、不同的刀具來加工制造。為了便于設計和加工，模數(shù)數(shù)值已標準化，其數(shù)值如表 10.1.2-2 所示。表 10.1.2-2 齒輪模數(shù)標準系列（摘錄 GB/T1357-1987）第一系列11.251.522.5345681012162025324050第二系列1.752.252.75 (3.25) 3.5 (3.75) 4.5 5.5 (6.5)79(11)141822283645注：選用模數(shù)時，應優(yōu)先選用第一系列；其次選用第二系列；括號內(nèi)的模數(shù)盡可能不用。標準直齒圓柱齒輪各部分的尺寸與模數(shù)有一定的關系，計算公式如表 10.1.2-3。表 10.1.2-3 標準直齒圓柱齒輪輪齒各部分的尺寸計算名 稱符

16、 號公 式分度圓直徑ddmz齒頂圓直徑dada d+2 ha m(z+2)齒根圓直徑dfdf d+2hf m(z-2.5)齒頂高haha m齒根高hfhf 1.25m全齒高hh ha + hf = 2.25m中心距aa m2 (z1+z2)齒 距pP = m機械手的關鍵零部件是齒輪傳動設計，根據(jù)機械手的要求，設計的齒輪參數(shù)如下：第一關節(jié)機械手齒輪設計9 / 17(1) 傳動比為 I=3:2；(2) 兩齒輪模數(shù)為 m=4.0；(3) 壓力角為= 20；(4) 中心距選擇=100mm。(5)齒數(shù) Z1=30。齒輪 3 分度圓直徑 D1=mZ= 430=120mm， ；齒高計算 h=ha+hf=(2

17、ha*+c*)m=9mm；取齒輪厚度 20.0mm。設計的中心大齒輪如圖4 所示。圖 4齒輪 2 設計：分度圓直徑 D2=2/3D1=80mm；齒數(shù) Z2=2/3Z1=20 個，設計的小齒輪如圖 5 所示。圖 5第二關節(jié)的機械手齒輪設計(1) 傳動比為 I=5:3；(2) 兩齒輪模數(shù)為 m=3；(3) 壓力角為= 20；(4) 中心距選擇=60mm。(5) 齒數(shù) Z1=25。齒輪 6 分度圓直徑 D1=mZ= 325=75mm， ；齒高計算 h=ha+hf=(2ha*+c*)m=6.75mm；取齒輪厚度 15mm，如圖 6。10 / 17齒輪 5 設計：分度圓直徑 D2=M* Z2=3x15=

18、45mm；齒數(shù) Z2=2/3Z1=15 個，設計的小齒輪如圖 7 所示。圖 7齒輪 7 和齒輪 8 跟齒輪 5 齒輪 6 一樣2.32.3 機械手軸零件的設計機械手軸零件的設計根據(jù)齒輪內(nèi)孔的大小來設計出軸，如圖 10 至圖 15。圖 8軸 1圖 9軸 211 / 17圖 10軸 3圖 11 軸 42.42.4 機械手其它零部件設計機械手其它零部件設計利用 UG 軟件對機械手的其它機械零部件設計，如圖 13 至 23 圖所示。圖 12 底座 1 三維實體造型圖 134 個支撐柱三維造型12 / 17圖 14 底座 2 三維實體造型圖 15 整體底座三維實體造型圖 16 旋轉(zhuǎn)底盤三維實體造型圖 1

19、7 旋轉(zhuǎn)支架三維實體圖形13 / 17圖 18 手臂 1 三維實體圖形圖 19 手臂 2 三維實體圖形2.52.5 材料及標準件的選擇材料及標準件的選擇此處中心軸承選擇型號為推力球軸承，主要參數(shù)為外徑 150mm, 內(nèi)徑 85mm,厚度 49 mm序 號物品名稱型號(規(guī)格)單位數(shù)量單價金額備注14 / 171軸承16006件21836國產(chǎn)2軸承16008件220403軸承16003件12101204軸承16005件415605軸承16004件213266軸承16013件4552207軸承16012件2501008軸承51317件1180180圖 212.62.6 機械本體的虛擬裝配機械本體的虛

20、擬裝配公差與配合是機械設計與制造的重要一環(huán)，主要包括：確定基準制、公差等級與配合種類。選擇原則是既要保證機械產(chǎn)品的性能優(yōu)良，同時兼顧制造上的經(jīng)濟可行9。基準制包括基孔制和基軸制兩種，兩自由度機械手的機械本體需要的精密要求不高，大部分零件的配合采用基孔制，公差等級采用 IT7IT12， ，配合分為間隙、過渡、過盈三種配合方式，如表 3 所示。表 3 優(yōu)先配合選用表電機配合種類運動 X 圍基孔制型號基軸制間隙配合過渡配合過盈配合15 / 17機械手的各個機械零部件設計完成， 并選擇好公差配合后， 便可以進行總的機械手裝配， 機械手裝配時的爆破圖如圖 24 所示，圖 22 機械手裝配圖參考文獻參考文獻1蔡自興. 機器人學M.：清華大學，2006.2 宋偉剛.機器人機械系統(tǒng)原理、理論方法和算法M.某：東北大學，2001.3李建勇. 機電一體化技術M. ：機械工業(yè)，2005.4X 杰等. 機電一體化系統(tǒng)設計M. 某：東北大學，1997.5 郭洪紅. 工業(yè)機器人技術M. 某：某電子科技大學，2006.6王洪林等. 機械制造技術基礎M. ：中國勞動社會保障，19997X 偉平. 機械制造工藝與裝配M. ：中國勞動社會保障，20078周運良. 極限配合與技術測量M. ：中國勞動社會保障，2007