两自由度机械手设计

1、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:学号:209060710332012/4/61总体方案设计1两自山度机械手系统设计1.2两自山度机械手机械系统设讣思想13两自山度机械手的总体方案4两自山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酉门子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1023机械手轴零件的设计10根据齿轮内孔的大小来设il出轴，如图10至图15O49 MM101011图9图10112.4机械手其它零部件设计25材料及标准件的选择1113此处中心轴承选择型号为推力球轴

2、承主要参数为外径】501他内径85MM,疗度132.6机械本体的虚拟装配14内容15两自由«机械手设计与加工1总体方案设计两自由«机械手系统由机械本体结构伺®驰动系统.西门子810D故控系统等部分组成.m机械本体结构从机构学的角度来分析.机器手机械结拘可以看作由一系列连杆通过旋转关卩（或移动关节连按fe来的开式运动链.机械手本体机械结构的动作的屋关节駆动.机器人的关节驰动大多启舉干闭环用制的原理来进行的。常用的驱动单尤足笛 ttfnJOi电机.由干一般伺服电机的输出转速很筒（1000AnirrlOOOO“mim.输出软矩小.而关卩需带动的负載的W速不负载力 矩却不

3、小。W此.在电机崎负载Z创用一套传动装H来进行软速和转矩的匹配,本论文仅讨论机械手的机械系统设计£加工1.2两自由度机械手机械系统设计思想灯先利用UG -潍制图软件作为辅助设i|工貝进行两自由度机械乎的机械竽件设计-锂立二維役也 然辰 经虚拟装配辰利用UG软件生成虚拟样机-进行机械系统處1样机分析-分析其运动轨迹及机械笹部件的干涉观象S姑.利用U<3软件中的数控烦工模块.am机檢？件的数控加工程序。很据以上工作-便町以实际烦工出物理样机.13两自由皮机械手的总体方案231机械手自由«的选»机械乎运动机构的升降伸缩.旋转等独立运动方或.称为机械乎的自由必FI由

4、度是机械乎设讣的关魏妙tt自由度越铁 机«乎的灵活性越人通用性越广其结构也越ft朵。在考歳机械手用途.成本及技术难«等问趣后-本论丈迭祁机械乎的自由 度为2个.末端执行器（夹持器）吋以门由开合.能够完成物体的抓.移-放动作。机械乎的原理如图1所示。13.2机械手机械系統的整体设计4论文设讣的两个自由度机«乎由底座电机.蝎杆.齿轮.左右支撐臂-手¥其艇转fib轴.夹持活动节、夹持器固定 1S.线杆-等部件ffl成.机械乎摄体结拘如图2侨示.17、夫持手16.15.iK«l311、辅承.10、轴9 齿轮6.电机22、电机IrLJ14螺呵13、丰皆8

5、檢杆转底盘K底盈5、族菇浚 （内装推 力轴承）12、固定塔垄*、3.立柱图2机械护结拘视图】4两自由度机械手的ft学摘述机械手具有椚个自由其末端执行机构位HW对于机楝本休孑:断的变化-如果«对末端执行器进行确的控制.则要对其空间位H进行确的描述。应用齐次坐标变换不仅能够对坐标进行描述.也能够液达控制法.讣机视觉和讣机图形学等訶2两自由皮机械手零部件的设计21机械手驱动电机选型4论文对于机械手的关审變动机构选用交流伺胱电机由学校提供的3个型号为1FK7032-5AK71-1AG0曲门子交流何服电机'iS门子1FK7O325AK711AGO 5?电机参数电机外型尺寸图22械手轮杆

6、.齿轮#部件a计机械乎的关®零部件足划杆涡轮.齿轮传动设计眼据电机的外形尺寸把其结构iffliHi.设讣的蜗杆.蜗轮参数如卜:1基本於tt（1）模数m和压力m a :在中间平面中.为保证甥杆蜗轮传动的正确啮介蝎杆的轴向和压力«iaal应分别等于W轮的法面模数mt2和斥力ffiatz.即 mal=mt2=m Q al= a t2 蝎杆轴向用力角勺法向嫌力m的关系为:tg a a=tg Q n/cos Y 式中s Y 导角.（2）蜗杆的分jfiUaiK径dl和H径系数q 为了保证蜗杆9蝎轮的正确唯介.耍用与甥杆尺寸相同的竭杆滚刀来加工蝎鉅-由于相同 的模数.可以冇许多不同的蜗杆

7、H径.这样就越成要配笛很多的筑轮J«/J.以适应不同的竭 杆宜径-協然.这样很不经济 为了域少纲轮i袁刀的个数和便于滾刀的标准化-就对得一标准的模数规定了一能数ft的甥 杆分度圖a能“-而把及分度圖H径和根数的比称为鋼杆K径系数q. lijJiq=dl/m常用的标准模tSm利蝎杆分度Wfi径“及S径系数q见匹配农。1FK7fl5.4 $FK?CrHDn&aQBWCT设计SdB«定毀連a（SS9倾定力矩（100K） »罡电流»»止梯矩（60K）»止摄炬（100K ）»止电流（60K）H止电源（100K） 惯性矩席型动M

8、） «性雉不帝制纺g*佳运行点A佳转速g任功平g限数爲»允允许速（机fi ft大桩超Kffi电西*5wi电压常20七时曲绕塩电aS2转磁境跑越电气时»抗覆強S 机核时阊常A 趣学时闾常ft 带制功«的S 不帚制动S创«J丄=2二 me TJ一&- 加处 Qi «7 tjt I # f b f in A s striu令cbaM号 £sG 3 *0sa工生苦-輩汁配JMfruda S14仆 nw- S（3）蜗杆头数zl和甥轮齿数z2蝎杆头tt町根据耍求的传动比和效率来选择.-®IfZzl=l-W.推zl =

9、l. 246.选择的原则屋：当®求传动比较人.城求传递人的转矩时.则Z1 «小tfh «求传动自arnZzll:要求只有ffi的传动效?或奇連传动时则21 %较人值蝎轮齿数的多少.影响迄转的平稳性.并受到两个限制 ®少齿数炖避免发生很切与于涉.理论上应便&minM17但z2<26时.唯合区显*截小.砂响平6性.而6；z230时.则町始终保持时两对齿以上啮介 WZ通常规定垃>28.另一方面Z2也不能过多 “iz2>80时（对干动力传动） W轮K径将增人过多-在结构I：相应就须增人甥杆M支承点树的跨瞅彫响甥杆轴的席«和唯合

10、度：对一定宜径的筑轮.（01Z2取得过多Kftm就减小«多将影响轮齿的弯曲强度：故对于动力传动.谢用的范用为z2=-28-70.对于传递运动的传动.z2吋达200、300.甚至吋到1000, zl和z2的推荐值见表"i呼4召Jq5629-317-15429-6114302296129-82129-824）导程ftY蝎杆的形成除理勺故相同-所以甥杆轴向齿即P星与甥杆导ttpz的关系为pzzlpa-由卜'Can y spz / n dlzlpa ' n dl = zlm dl=zl q导程角Y的范ffl为工5- -33-.导程角的大小与效率育关导程角人时.效通常

11、丫 =15 -30-.井多采用多头蜗杆但导ft角过人.蝎杆车削»难。导程角小时效*低但可以自锁通ffir =3.5''4.55）传动忧1传动比伽主动1/n从动2蝎杆为主动的«速运动中i=nl/n2=z2/zl =u式中:nl-iEM杆转速：n2-（S轮«速.减連运动的动力斛杆传动.通常取5WuW70优先采用15WUW56憎速传动5W.W15.普通W柱甥杆基本尺寸和於数及其与蜗轮參数的匹配表.名称代 号计R关系式说明中心距3a=idi+d2+2x2m)/2按規定选取蝎杆头ftZa按規疋选取级轮齿数22按传动比确 定齿形角a0«=20 pK

12、an=20按蝎杆类型确定mm=ma=fnA/cosv按規定选取传动比ii=ni/n2=Zi/zi蜗杆为主 动.按规农选耿蜗轮变位系X2X2=a/m-(di+d2/2mW杆Ft径系qq=di/m蜗杆轴向悔距Rpx=nm蝎杆导«PtP2=nrnzi蜗杆分度関白径didi=mq按規）£选取牺杆齿顶圖 宣径dtid*i=di+2hti=di+2ht' m蜗杆齿根阀克径dudfi=di-2hn=da-2(ha"m+cj顶隙cc=c'm按規眾渐开线纲杆 齿mras径dMdoi=di-tCT/tSVo=mZi/tgvo蜗杆齿康高h«ih*i=h

13、7;'m=l/2(d«i-di)按规眾甥杆齿根高hrihn=(h»'+c3m=l/2(di-dnl蝎杆齿ft?hlhi=hn+hti=l/Zldu-dnHW杆导程角VCgy=mzi/di=zi/q渐开线蜗杆 基圖#程角Vocosyscosy. coson蝎杆齿宽bl由设讣确定蜗轮分度圖虫径djdi=fnzi=2a-<Ji-2x；m蜗轮BRW0dzdU:=<J2*2h«；径蜗轮齿根阀宣径如df2«d22h«2蜗轮h.2h*i=l/2(du-d2j=m(h/+x2j蜗轮齿根高hf2hc=l/2(drclf2|=m(h/-

14、Xi+c*蝎轮齿h2hi=h«2+hfi=l/2(d(2-<Jf；蜗轮咽喉fU例半径靛Wl/(2d“)W轮齿宽由设讣确创W轮齿宽角e0=23rc5in(bi/di蜗杆轴向«厚£»Sa=l/(2nm)WIFvi向齿厚Sn5ft=5iCOSy蝎轮齿J9St按WFFWW处轴向WW宽确定蜗杆节WH径d?di =di+2xim=m(q+2x2)蜗杆WWfl径di"d2=d2ft罐ISI柱WH传动几何尺寸ilff1、根据以上公亍弋我们把迭择的涡轮W杆的参»做如卜总结：11)传动比为1=27:1：蜗杆.W轮模数为m 中心弟选强a s53.5m

15、m.(4)蜗杆头» 2：=1-(5)涡轮齿«: Z2=27(6)齿形ft 3=20'仃)蜗杆导程P“甥杆分度圖dl=mz/tan7=24,433(9)涡轮分度圆H径：d2=mZ2=812. W柱齿轮设il及计Wwwrt» 15当R柱齿轮的轮齿方向勺圖柱的倉找方向一致时-称为H齿阀柱齿轮-表10.L2-1列出了宜齿圖柱齿轮伶部分的"称和廉本茨WQ21宜齿圆柱齿轮各部分的名称和基本發数模Ktmda 通过轮齿頂部的阴周良径齿頂圆齿根恻df通过轮齿根部的R周ft径分度圆齿斥零干ffl宽处的径齿高h齿顶圖勺齿根阀的径向跆离齿顶高ha 分哎例到齿顶圖的径向弟

16、离齿根高hf分哎例到齿根圖的径向弟离齿距P在分度R上相邻两齿W对应点的弧长（齿用+槽宽）齿19 S每个齿在分度圖上的弧长1SP3卍一对齿轮传动时-两ft轮的齿W在连心线Q102上接tt点C处轮的R周速度相等.WOIC和02C为半径的M 个R称为W应W轮的节151。压力角a悔轮传动时.一齿轮（从动轮）ftW在分度岡上点C的受力方向勺运动方向所夹的锐用称压力角。我国釆用标准斥力和为20啮介角&在点C处两齿轻爱力方向与运动方向的夹角模数E屋设计和制造齿轮的鱼要妙数。不同«数的齿轮S用不同的刀具来加工制迪为了便于设计和加H. K数数值已标准 化其数值如茨W丄22所示。农10.1.2-

17、2齿轮模数标准系列(ffiGB/T 1357-1987)笫系列1.251.52233568 10 1216 20 23 32 40 50第一系列1.75 2.25 2.75 (3.25) 3.5 (3.75) 4.5 5.5 (6.5) 7 9 (11 14 18 22 28 36 45注：选用模数时.炖优丸选用総一系列：其次迭用第一系列：括号内的摸数仗可能不用标准S齿阴柱齿轮各分的尺寸与模数冇一农的关系.计公式如茨10.2.2-3.农10.1,2-3标准ft齿网拄«轮轮yiftffli分的尺寸计»名称符号公式分度Wit径dd = mz齿顶RI1径dada =d+2ha =

18、m(z+2齿mraft径dfdf =d+2hf =m(z-2.5)haha =m齿根高hfhf =1.25m全齿ffihh =ha + hf= 2,25m中心距aa =ny2(zl+z2齿审PP s nm机械乎的关®零部件足齿轮传动设计.根据机械乎的妥求.设计的齿轮参数如卜:第一关审机械手齿轮设计传动比/=3：2：«齿轮模为m=4.0：压力角为0=20 :中心趾迭择a slOOmrn.齿数Z"30.齿轮3分JSI51IS径0i=/nZ= 4x30=120mm.：齿髙计体力血祐严如7/966：取齿轮J9度260mrn设讣的中心人齿轮如图 4所示.WWrt»

19、 15c9SECT1CN CC设讣的小齿轮如图5所示.齿轮2设ih分度R良径6=GOi=80mm：齿ftZ*的Z,"。个,第二关苜的机械乎齿轮设计传动比为/=5:3：两悔轮模数为加対:用力角为0=20 :中心趾迭择a =60mm .齿数Zl=25.齿轮 6 分度H3|S径 6/nZ 3x25=75mm.:齿高计Tt />=ho+h/ =(2/>d"+c*)m=6.75mm：取齿轮用度 15mm.如图 6。ISQcnoH FF齿轮5设ih分JSBSS径6=M*Z2=3xl5=45mm：齿数Zi=i=15个.设讣的小齿$6如ffl 7所示.seciiDM EE齿轮7

20、和齿轮8跟齿轮5齿轮6 样 23机械手轴9件的设计 根据悔轮内孔的人小来设计出轴.如图W至图15.11ra 10 轴 324机械手其它件设计 利用UG软件对机械乎的其它机檢？®件设计如图13至23图所示图12底座1 推实体迪«图13 4个支坏柱三惟造型图M底座2 :抵实体造型4-整体底座三傩实体遗型图16底盘二維实体造型II厳转支架二推实体图形25材料及标准件的选择图18 f-R 1 推实体图形图19乎宵2 :推实休图形此处中心轴承选择型号为捲力球轴承.主要参数为外径150mm,内径85m叫y度49mE推力球轴飛1转速低工只能爪丿；单而鋪向我閒3轴圈利境1刿爪能倾决 wwrt» 15rW物品名称型规格）单 位数量单价金额笛注1轴承16006件21836国产2轴承16008件220403轴承16003件12101204轴承16005件41560S轴16004件213266轴険16013件4552207轴承16012件2501008轴承51317件118