两自由度机械手设计

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目录1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...............................................................................................................................................两自由度机械手设计与加工1总体方案设计1.1两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/min~10000r/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。1.2两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。1.3两自由度机械手的总体方案1.3.1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。1.3.2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1.4两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]。2两自由度机械手零部件的设计2.1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型电机参数电机外型尺寸图2.2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α：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αa1应分别相等于蜗轮的法面模数mt2和压力角αt2，即ma1=mt2=mαa1=αt2蜗杆轴向压力角与法向压力角的关系为:tgαa=tgαn/cosγ式中：γ-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：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。（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z1＝1-10，推荐z1＝1，2，4，6。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z1＝1；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z2min≥17，但z2＜26时，啮合区显著减小，影响平稳性，而在z2≥30时，则可始终保持有两对齿以上啮合，因之通常规定z2＞28。另一方面z2也不能过多，当z2＞80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z2≈28-70。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γ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pz＝z1pa，由下图可知：tanγ=pz／πd1＝z1pa／πd1＝z1m／d1＝z1／q导程角γ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γ＝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γ＝3.5°一4.5°5）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5≤u≤70，优先采用15≤u≤50；增速传动5≤u≤15。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ααa=20。或αn=20。按蜗杆类型确定模数mm=ma=mn/cosγ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=πm蜗杆导程pzpz=πmz1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.tgγ/tgγb=mz1/tgγb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γtgγ=mz1/d1=z1/q渐开线蜗杆基圆导程角γbcosγb=cosγ.cosαn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由设计确定蜗轮齿宽角θθ=2arcsin(b2/d1)蜗杆轴向齿厚sasa=1/(2πm)蜗杆法向齿厚snsn=sacosγ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d1'd1'=d1+2x2m=m(q+2x2)蜗杆节圆直径d2'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）蜗杆、蜗轮模数为m=3；（3）中心距选择α=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齿数z模数mπd=zp,d=p/πz,令m=p/π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