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1、黃 山 學(xué) 院 兩自由度機械手腕設(shè)計與加工 學(xué)院： 信息工程學(xué)院 專業(yè)： 09 機械 姓名： 梁龍 學(xué)號： 20906071033 2012/4/6 目錄 1 總體方案設(shè)計 ..................................................................................................................................... 1.兩自由度機械手系統(tǒng)設(shè)計 ......................................

2、................................................................... 1.2 兩自由度機械手機械系統(tǒng)設(shè)計思想 ...................................................................................... 1.3 兩自由度機械手的總體方案 .................................................................................................. 1.4 兩自由度機

3、械手的數(shù)學(xué)描述 .................................................................................................. 2 兩自由度機械手零部件的設(shè)計 ......................................................................................................... 2.1 機械手驅(qū)動電機選型機 ........................................................

4、.................................................. 2.2 械手蝸輪蝸桿、齒輪零部件設(shè)計 ............................................. 2.3 機械手軸零部件設(shè)計 ....................................................... 2.4 機械手其它零部件設(shè)計 ...................................................................................................

5、....... 2.5 材料及標準件的選擇 .............................................................................................................. 2.6 機械手的虛擬裝配 .................................................................................................................. 參考文獻 ..................................

6、.............................................................................................................. 兩自由度機械手設(shè)計與加工 1 總體方案設(shè)計 1.1 兩自由度機械手系統(tǒng)設(shè)計 兩自由度機械手系統(tǒng)由機械本體結(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 機械本體結(jié)構(gòu) 從機構(gòu)學(xué)的角度來分析，機器手機械結(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)）連接起來的開式運動鏈。 1.1.2 關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng) 機械手本體機械結(jié)構(gòu)的動作靠的是關(guān)節(jié)驅(qū)動，機器人的關(guān)節(jié)

7、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，由于一般伺服電機的輸出轉(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(shè)計與加工。 1.2 兩自由度機械手機械系統(tǒng)設(shè)計思想 首先利用 UG 三維制圖軟件作為輔助設(shè)計工具進行兩自由度機械手的機械零件設(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，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，

8、編寫機械零部件的數(shù)控加工程序。根據(jù)以上工作，便可以實際加工出物理樣機。 1.3 兩自由度機械手的總體方案 1.3.1 機械手自由度的選擇 機械手運動機構(gòu)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(shè)計的關(guān)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(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。在考慮機械手用途、成本及技術(shù)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(shè)計 本論文設(shè)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、旋轉(zhuǎn)盤、軸，夾持器

9、活動節(jié)、夾持器固 定節(jié)、絲桿、等部件組成，機械手整體結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。 圖 2 機械手結(jié)構(gòu)視圖 1.4 兩自由度機械手的數(shù)學(xué)描述 機械手具有兩個自由度，其末端執(zhí)行機構(gòu)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(yīng)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(xué)等問 題 5。 2 兩自由度機械手零部件的設(shè)計 2.1 機械手驅(qū)動電機選型 本論文對于機械手的關(guān)節(jié)驅(qū)動機構(gòu)選用交流伺服電機，由學(xué)校提供的 3 個型號為 1FK7032-5AK71-1AG0 西門子交流伺服電 機。 西門子 1FK7032-5AK71-

10、1AG0 型電機參數(shù) 電機外型尺寸圖 2.2 械手蝸輪蝸桿、齒輪零部件設(shè)計 機械手的關(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

11、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。 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。 （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

12、。 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(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。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度；故對于動力傳動，常用的范圍為z228-70。對于傳遞運動的傳動， z2 可達200、300，甚至可到1000。z1 和z2 的推薦值見下表。

13、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- 30。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3.5一4.5 5）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)先采用15u50；增速傳動5u15。 普通圓柱蝸桿基本尺寸和

14、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 a a=(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) m m=ma=mn/cos 按規(guī)定選取 傳動比 i i=n1/n2=z2/z1 蝸桿為主動，按 規(guī)定選取 蝸輪變位系數(shù) x2 x2=a/m-(d1+d2)/2m 蝸桿直徑系數(shù) q q=d1/m 蝸桿軸向齒距 px px=m 蝸桿導(dǎo)程 pz pz=mz1 蝸桿分度圓直徑 d1 d1=mq 按規(guī)定選取 蝸桿齒頂圓直徑 da1 da1=d1+2ha1

15、=d1+2ha*m 蝸桿齒根圓直徑 df1 df1=d1-2hf1=da-2(ha*m+c) 頂隙 c c=c*m 按規(guī)定 漸開線蝸桿齒根 圓直徑 db1 db1=d1.tg/tgb=mz1/tgb 蝸桿齒頂高 ha1 ha1=ha*m=1/2(da1-d1) 按規(guī)定 蝸桿齒根高 hf1 hf1=(ha*+c*)m=1/2(d1-df1) 蝸桿齒高 h1 h1=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 b cosb=cos.cosn 蝸桿齒寬 b1 由設(shè)計確定 蝸輪分度圓直徑 d2 d2=mz2=2a-d1-2x

16、2m 蝸輪喉圓直徑 da2 da2=d2+2ha2 蝸輪齒根圓直徑 df2 df2=d2-2hf2 蝸輪齒頂高 ha2 ha2=1/2(da2-d2)=m(ha*+x2) 蝸輪齒根高 hf2 hf2=1/2(d2-df2)=m(ha*-x2+c*) 蝸輪齒高 h2 h2=ha2+hf2=1/2(da2-df2) 蝸輪咽喉母圓半 徑 rg2 rg2=a-1/(2da2) 蝸輪齒寬 b2 由設(shè)計確定 蝸輪齒寬角 =2arcsin(b2/d1) 蝸桿軸向齒厚 sa sa=1/(2m) 蝸桿法向齒厚 sn sn=sacos 蝸輪齒厚 st 按蝸桿節(jié)圓處軸向齒槽寬 ea確定 蝸桿

17、節(jié)圓直徑 d1 d1 =d1+2x2m=m(q+2x2) 蝸桿節(jié)圓直徑 d2 d2=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 (8) 蝸桿分度圓 d1=mz/tan7=24.433 (9) 渦輪分度圓直徑：d2=mZ2=81 2、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

18、-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) z 模 數(shù) m d=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 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(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，

19、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 的受力方向與運動方向所夾的銳角稱壓力角。我國采用標準壓力角 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(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 1 1.25 1.5 22.5 3 4 5 6 81012 162025324050

20、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。 標準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 標準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 d dmz 齒頂圓直徑 da da d+2 ha m(z+2) 齒根圓直徑 df df d+2hf m(z-2.5) 齒頂高 ha ha m 齒根高 hf hf 1.25m 全齒高 h h ha + hf

21、= 2.25m 中心距 a a m2 (z1+z2) 齒 距 p P = m 機械手的關(guān)鍵零部件是齒輪傳動設(shè)計，根據(jù)機械手的要求，設(shè)計的齒輪參數(shù)如下： 第一關(guān)節(jié)機械手齒輪設(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=

22、2/3Z1=20 個，設(shè)計的小齒輪如圖 5 所示。 圖 5 第二關(guān)節(jié)的機械手齒輪設(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* 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 2.3

23、機械手軸零件的設(shè)計 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 4 2.4 機械手其它零部件設(shè)計 利用 UG 軟件對機械手的其它機械零部件設(shè)計，如圖 13 至 23 圖所示。 圖 12 底座 1 三維實體造型 圖 13 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 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 2.5 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 15

24、0mm, 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 2 18 36 國產(chǎn) 2 軸承 16008 件 2 20 40 3 軸承 16003 件 12 10 120 4 軸承 16005 件 4 15 60 5 軸承 16004 件 2 13 26 6 軸承 16013 件 4 55 220 7 軸承 16012 件 2 50 100 8 軸承 51317 件 1 180 180 圖 21 2.6 機械本體的虛擬裝配 公差與配合是機械設(shè)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

25、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 運動范圍基孔制 型號基軸制 間隙配合 9876Hdfgh19876CDFGHhh 過渡配合 kn KN 過盈配合 76Hpsu76PSh 機械手的各個機械零部件設(shè)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 1 蔡自興. 機器人學(xué) M. 北京：清華大學(xué)出版社，2006. 2 宋偉剛. 機器人機械系統(tǒng)原理、理論方法和算法M. 沈陽：東北大學(xué)出版社，2001. 3 李建勇. 機電一體化技術(shù) M. 北京：機械工業(yè)出版社，2005. 4 劉杰等. 機電一體化系統(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. 機械制造技術(shù)基礎(chǔ) M. 北京：中國勞動社會保障出版社，1999 7 張偉平. 機械制造工藝與裝配 M. 北京：中國勞動社會保障出版社，2007 8 周運良. 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