兩自由度機(jī)械手設(shè)計

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1、真誠為您提供優(yōu)質(zhì)參考資料，若有不當(dāng)之處，請指正。i / 18黃 山 學(xué) 院兩自由度機(jī)械手腕設(shè)計與加工學(xué)院： 信息工程學(xué)院 專業(yè)： 09 機(jī)械 姓名： 梁龍 學(xué)號： 209060710332012/4/6真誠為您提供優(yōu)質(zhì)參考資料，若有不當(dāng)之處，請指正。I / 18目目錄錄1 總體方案設(shè)計總體方案設(shè)計.1.兩自由度機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計.1.2 兩自由度機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計思想.1.3 兩自由度機(jī)械手的總體方案.1.4 兩自由度機(jī)械手的數(shù)學(xué)描述.2 兩兩自由度機(jī)械手零部件的設(shè)計自由度機(jī)械手零部件的設(shè)計.2.1 機(jī)械手驅(qū)動電機(jī)選型機(jī).2.2 械手蝸輪蝸桿、齒輪零部件設(shè)計.2.3 機(jī)械手軸零部件設(shè)計.2.4 機(jī)

2、械手其它零部件設(shè)計.2.5 材料及標(biāo)準(zhǔn)件的選擇.2.6 機(jī)械手的虛擬裝配.參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).真誠為您提供優(yōu)質(zhì)參考資料，若有不當(dāng)之處，請指正。1 / 18兩自由度機(jī)械手設(shè)計與加工兩自由度機(jī)械手設(shè)計與加工1 1 總體方案設(shè)計總體方案設(shè)計1.11.1 兩自由度機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計兩自由度機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計兩自由度機(jī)械手系統(tǒng)由機(jī)械本體結(jié)構(gòu)、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(jī)械本體結(jié)構(gòu)機(jī)械本體結(jié)構(gòu)從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來分析，機(jī)器手機(jī)械結(jié)構(gòu)可以看作由一系列連桿通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（或移動關(guān)節(jié)）連接起來的開式運(yùn)動鏈。1.1.2 關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)機(jī)械手本體機(jī)械結(jié)構(gòu)的動作靠的是關(guān)節(jié)驅(qū)動，

3、機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動大多是基于閉環(huán)控制的原理來進(jìn)行的。常用的驅(qū)動單元是各種伺服電機(jī)，由于一般伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速很高(1000r/min10000r/min)，輸出轉(zhuǎn)矩小，而關(guān)節(jié)需帶動的負(fù)載的轉(zhuǎn)速不高，負(fù)載力矩卻不小。因此，在電機(jī)與負(fù)載之間用一套傳動裝置來進(jìn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的匹配。本論文僅討論機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計與加工。1.21.2 兩自由度機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計思想兩自由度機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計思想首先利用 UG 三維制圖軟件作為輔助設(shè)計工具進(jìn)行兩自由度機(jī)械手的機(jī)械零件設(shè)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(jī)，進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)分析，分析其運(yùn)動軌跡及機(jī)械零部件的干涉現(xiàn)象。最后，利

4、用 UG 軟件中的數(shù)控加工模塊，編寫機(jī)械零部件的數(shù)控加工程序。根據(jù)以上工作，便可以實際加工出物理樣機(jī)。1.31.3 兩自由度機(jī)械手的總體兩自由度機(jī)械手的總體方案方案1.3.1 機(jī)械手自由度的選擇機(jī)械手自由度的選擇機(jī)械手運(yùn)動機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運(yùn)動方式，稱為機(jī)械手的自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。在考慮機(jī)械手用途、成本及技術(shù)難度等問題后，本論文選擇機(jī)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(jī)械手的原理如圖 1 所示。真誠為您提供優(yōu)質(zhì)參考資料，若有不當(dāng)之處，請指正。2 / 181

5、.3.2 機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)的整體設(shè)計機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)的整體設(shè)計本論文設(shè)計的兩個自由度機(jī)械手由底座、電機(jī)、蝸桿、齒輪、左右支撐臂、手臂、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(jī)械手整體結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。圖 2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)視圖1.41.4 兩自由度機(jī)械手的數(shù)學(xué)描述兩自由度機(jī)械手的數(shù)學(xué)描述機(jī)械手具有兩個自由度，其末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置相對于機(jī)械本體不斷的變化。如果要對末端執(zhí)行器進(jìn)行精確的控制，則要對其空間位置進(jìn)行精確的描述。應(yīng)用齊次坐標(biāo)變換不僅能夠?qū)ψ鴺?biāo)進(jìn)行描述，也能夠表達(dá)控制算法、計算機(jī)視覺和計算機(jī)圖形學(xué)等問題5。真誠為您提供優(yōu)質(zhì)參考資料，若有不當(dāng)之處，請指正。3 / 182 2 兩自

6、由度機(jī)械手零部件的設(shè)計兩自由度機(jī)械手零部件的設(shè)計2.12.1 機(jī)械手驅(qū)動電機(jī)選型機(jī)械手驅(qū)動電機(jī)選型本論文對于機(jī)械手的關(guān)節(jié)驅(qū)動機(jī)構(gòu)選用交流伺服電機(jī)，由學(xué)校提供的 3 個型號為 1FK7032-5AK71-1AG0 西門子交流伺服電機(jī)。西門子 1FK7032-5AK71-1AG0 型電機(jī)參數(shù)真誠為您提供優(yōu)質(zhì)參考資料，若有不當(dāng)之處，請指正。4 / 18 電機(jī)外型尺寸圖2.2.2 2 械手蝸輪蝸桿、齒輪零部件設(shè)計械手蝸輪蝸桿、齒輪零部件設(shè)計機(jī)械手的關(guān)鍵零部件是蝸桿渦輪、齒輪傳動設(shè)計，根據(jù)電機(jī)的外形尺寸把其結(jié)構(gòu)畫出，設(shè)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

7、輪傳動的正確嚙合，蝸桿的軸向模數(shù)ma1 和壓力角a1 應(yīng)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(guān)系為:tga=tgn/cos式中：-導(dǎo)程角。（2）蝸桿的分度圓直徑d1 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(yīng)不同的蝸桿直徑。顯然，這樣很不經(jīng)濟(jì)。為了減少蝸輪滾刀的個數(shù)和便于滾刀的標(biāo)準(zhǔn)化，就對每一標(biāo)準(zhǔn)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：真誠為您提供優(yōu)質(zhì)參考

8、資料，若有不當(dāng)之處，請指正。5 / 18q=d1/m常用的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m 和蝸桿分度圓直徑d1 及直徑系數(shù)q，見匹配表。（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(dāng)要求傳動比較大，或要求傳遞大的轉(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(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性，并受到兩個限制：最少齒數(shù)應(yīng)避免發(fā)生根切與干涉，理論上應(yīng)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

9、。另一方面z2 也不能過多，當(dāng)z280時(對于動力傳動)，蝸輪直徑將增大過多，在結(jié)構(gòu)上相應(yīng)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(qiáng)度；故對于動力傳動，常用的范圍為z228-70。對于傳遞運(yùn)動的傳動，z2 可達(dá)200、300，甚至可到1000。z1 和z2 的推薦值見下表。4）導(dǎo)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(dǎo)程pz 的關(guān)系為pzz1pa，由下圖可知：tan=pzd1z1pad1z1md1z1q導(dǎo)程角的范圍為3.5一33。導(dǎo)程角的大小與效率有關(guān)。導(dǎo)程角大時，效率高，通常15-3

10、0。并多采用多頭蝸桿。但導(dǎo)程角過大，蝸桿車削困難。導(dǎo)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(yùn)動中i=n1/n2=z2/z1 =u真誠為您提供優(yōu)質(zhì)參考資料，若有不當(dāng)之處，請指正。6 / 18式中：n1 -蝸桿轉(zhuǎn)速；n2-蝸輪轉(zhuǎn)速。減速運(yùn)動的動力蝸桿傳動，通常取5u70，優(yōu)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。名 稱代號計 算 關(guān) 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

11、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(dǎo)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df1df1=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h(yuǎn)a1ha1=ha*m=1/2(da1-d1)按規(guī)定蝸桿齒根高h(yuǎn)f1hf1=(ha*+c*)m=1/

12、2(d1-df1) 蝸桿齒高h(yuǎn)1h1=hf1+ha1=1/2(da1-df1) 蝸桿導(dǎo)程角tg=mz1/d1=z1/q 漸開線蝸桿基圓導(dǎo)程角bcosb=cos.cosn 蝸桿齒寬b1由設(shè)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h(yuǎn)a2ha2=1/2(da2-d2)=m(ha*+x2) 蝸輪齒根高h(yuǎn)f2hf2=1/2(d2-df2)=m(ha*-x2+c*) 蝸輪齒高h(yuǎn)2h2=ha2+hf2=1/2(da2-df2) 蝸輪咽喉母圓半徑rg2rg2=a-1/(2da2) 蝸輪齒寬b2

13、由設(shè)計確定真誠為您提供優(yōu)質(zhì)參考資料，若有不當(dāng)之處，請指正。7 / 18蝸輪齒寬角=2arcsin(b2/d1) 蝸桿軸向齒厚sasa=1/(2m) 蝸桿法向齒厚snsn=sacos 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(jié)：（1） 傳動比為 i =27:1；（2） 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(dǎo)程 P=3(

14、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(shè)計及計算當(dāng)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 明示意圖真誠為您提供優(yōu)質(zhì)參考資料，若有不當(dāng)之處，請指正。8 / 18齒 數(shù)z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(yuǎn)齒頂圓與齒根圓的徑向距離齒頂高h(yuǎn)a分度圓到齒頂圓的徑向距離齒根高

15、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(yīng)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(yīng)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(yùn)動方向所夾的銳角稱壓力角。我國采用標(biāo)準(zhǔn)壓力角為20。嚙合角 在點 C 處兩齒輪受力方向與運(yùn)動方向的夾角模數(shù) m 是設(shè)計和制造齒輪的重要參數(shù)。不同模數(shù)的齒輪要用不同的刀具來加工制造。為了便于設(shè)計和加工，模數(shù)數(shù)值已標(biāo)準(zhǔn)化，其數(shù)值如表 10.1.2-2 所示。表 10.1.

16、2-2 齒輪模數(shù)標(biāo)準(zhǔn)系列（摘錄 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：選用模數(shù)時，應(yīng)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。真誠為您提供優(yōu)質(zhì)參考資料，若有不當(dāng)之處，請指正。9 / 18標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪各部分的尺寸與模數(shù)有一定的關(guān)系，計算公式如表 10.1.2-3。表 10.1.2-3 標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪輪齒各部分的尺寸計算名 稱符 號公 式分度圓直徑ddmz齒頂

17、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h(yuǎn)aha m齒根高h(yuǎn)fhf 1.25m全齒高h(yuǎn)h ha + hf = 2.25m中心距aa m2 (z1+z2)齒 距pP = m機(jī)械手的關(guān)鍵零部件是齒輪傳動設(shè)計，根據(jù)機(jī)械手的要求，設(shè)計的齒輪參數(shù)如下：第一關(guān)節(jié)機(jī)械手齒輪設(shè)計 (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 =(2ha*+c*)m=9mm；取齒輪厚

18、度 20.0mm。設(shè)計的中心大齒輪如圖 4所示。圖 4齒輪 2 設(shè)計：分度圓直徑 D2=2/3D1=80mm；齒數(shù) Z2=2/3Z1=20 個，設(shè)計的小齒輪如圖 5 所示。真誠為您提供優(yōu)質(zhì)參考資料，若有不當(dāng)之處，請指正。10 / 18圖 5第二關(guān)節(jié)的機(jī)械手齒輪設(shè)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。齒輪 5 設(shè)計：分度圓直徑 D2=M

19、* Z2=3x15=45mm；齒數(shù) Z2=2/3Z1=15 個，設(shè)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(jī)械手軸零件的設(shè)計機(jī)械手軸零件的設(shè)計真誠為您提供優(yōu)質(zhì)參考資料，若有不當(dāng)之處，請指正。11 / 18根據(jù)齒輪內(nèi)孔的大小來設(shè)計出軸，如圖 10 至圖 15。圖 8 軸 1圖 9 軸2圖 10 軸 3圖 11 軸 42.42.4 機(jī)械手其它零部件設(shè)計機(jī)械手其它零部件設(shè)計利用 UG 軟件對機(jī)械手的其它機(jī)械零部件設(shè)計，如圖 13 至 23 圖所示。真誠為您提供優(yōu)質(zhì)參考資料，若有不當(dāng)之處，請指正。12 / 18圖 12 底座 1 三維實體造型圖 1

20、3 4 個支撐柱三維造型圖 14 底座 2 三維實體造型圖 15 整體底座三維實體造型真誠為您提供優(yōu)質(zhì)參考資料，若有不當(dāng)之處，請指正。13 / 18圖 16 旋轉(zhuǎn)底盤三維實體造型圖 17 旋轉(zhuǎn)支架三維實體圖形圖 18 手臂 1 三維實體圖形圖 19 手臂 2 三維實體圖形真誠為您提供優(yōu)質(zhì)參考資料，若有不當(dāng)之處，請指正。14 / 182.52.5 材料及標(biāo)準(zhǔn)件的選擇材料及標(biāo)準(zhǔn)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1軸承16006件21836國產(chǎn)2軸承16008件220403軸承1600

21、3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(jī)械本體的虛擬裝配機(jī)械本體的虛擬裝配公差與配合是機(jī)械設(shè)計與制造的重要一環(huán)，主要包括：確定基準(zhǔn)制、公差等級與配合種類。選擇原則是既要保證機(jī)械產(chǎn)品的性能優(yōu)良，同時兼顧制造上的經(jīng)濟(jì)可行9?；鶞?zhǔn)制包括基孔制和基軸制兩種，兩自由度機(jī)械手的機(jī)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)先配合選用表真誠為您提供優(yōu)質(zhì)參

22、考資料，若有不當(dāng)之處，請指正。15 / 18電機(jī)配合種類運(yùn)動范圍基孔制型號基軸制間隙配合9877797666HHHHHdfggh119877119766CDFGHhhhhh過渡配合7766HHkn7766KNhh過盈配合777666HHHpsu7766PShh機(jī)械手的各個機(jī)械零部件設(shè)計完成，并選擇好公差配合后，便可以進(jìn)行總的機(jī)械手裝配，機(jī)械手裝配時的爆破圖如圖 24 所示，圖 22 機(jī)械手裝配圖參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 蔡自興. 機(jī)器人學(xué)M. 北京：清華大學(xué)出版社，2006.2 宋偉剛. 機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)原理、理論方法和算法M. 沈陽：東北大學(xué)出版社，2001.真誠為您提供優(yōu)質(zhì)參考資料，若有不當(dāng)之處，請指正。16 / 183 李建勇. 機(jī)電一體化技術(shù)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.4 劉杰等. 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計M. 沈陽：東北大學(xué)出版社，1997.5 郭洪紅. 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)M. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.6 王洪林等. 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)M. 北京：中國勞動社會保障出版社，19997 張偉平. 機(jī)械制造工藝與裝配M. 北京：中國勞動社會保障出版社，20078 周運(yùn)良. 極限配合與技術(shù)測量M. 北京：中國勞動社會保障出版社，2007