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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
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
a
a=(d1+d2+2x2m)/2
按规定选取
蜗杆头数
z1
蜗轮齿数
z2
按传动比确定
齿形角
α
αa=20。
或αn=20。
按蜗杆类型确定
模数
m
m=ma=mn/cosγ
传动比
i
i=n1/n2=z2/z1
蜗杆为主动,按规定选取
蜗轮变位系数
x2
x2=a/m-(d1+d2)/2m
蜗杆直径系数
q
蜗杆轴向齿距
px
px=πm
蜗杆导程
pz
pz=πmz1
蜗杆分度圆直径
d1
d1=mq
蜗杆齿顶圆直径
da1
da1=d1+2ha1=d1+2ha*m
蜗杆齿根圆直径
df1
df1=d1-2hf1=da-2(ha*m+c)
顶隙
c
c=c*m
按规定
渐开线蜗杆齿根圆直径
db1
db1=d1.tgγ/tgγb=mz1/tgγb
蜗杆齿顶高
ha1
ha1=ha*m=1/[2(da1-d1)]
蜗杆齿根高
hf1
hf1=(ha*+c*)m=1/[2(d1-df1)]
蜗杆齿高
h1
h1=hf1+ha1=1/[2(da1-df1)]
蜗杆导程角
γ
tgγ=mz1/d1=z1/q
渐开线蜗杆基圆导程角
γb
cosγb=cosγ.cosαn
蜗杆齿宽
b1
由设计确定
蜗轮分度圆直径
d2
d2=mz2=2a-d1-2x2m
蜗轮喉圆直径
da2
da2=d2+2ha2
蜗轮齿根圆直径
df2
df2=d2-2hf2
蜗轮齿顶高
ha2
ha2=1/[2(da2-d2)]=m(ha*+x2)
蜗轮齿根高
hf2
hf2=1/[2(d2-df2)]=m(ha*-x2+c*)
蜗轮齿高
h2
h2=ha2+hf2=1/[2(da2-df2)]
蜗轮咽喉母圆半径
rg2
rg2=a-1/(2da2)
蜗轮齿宽
b2
蜗轮齿宽角
θ
θ=2arcsin(b2/d1)
蜗杆轴向齿厚
sa
sa=1/(2πm)
蜗杆法向齿厚
sn
sn=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+2x2m=m(q+2x2)
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=81
2、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
节圆d'
一对齿轮传动时,两齿轮的齿廓在连心线O1O2上接触点C处,两齿轮的圆周速度相等,以O1C和O2C为半径的两个圆称为相应齿轮的节圆。
压力角α齿轮传动时,一齿轮(从动轮)齿廓在分度圆上点C的受力方向与运动方向所夹的锐角称压力角。
我国采用标准压力角为20°
啮合角α'
在点C处两齿轮受力方向与运动方向的夹角
模数m是设计和制造齿轮的重要参数。
不同模数的齿轮要用不同的刀具来加工制造。
为了便于设计和加工,模数数值已标准化,其数值如表10.1.2-2所示。
表10.1.2-2齿轮模数标准系列(摘录GB/T1357-1987)
第一系列
1 1.25 1.5 2 2.5 3 4 5 6 8 10 12 16 20 25 32 40 50
第二系列
1.75 2.25 2.75(3.25)3.5(3.75)4.55.5(6.5) 7 9 (11) 14 18 22 28 36 45
注:
选用模数时,应优先选用第一系列;
其次选用第二系列;
括号内的模数尽可能不用。
标准直齿圆柱齿轮各部分的尺寸与模数有一定的关系,计算公式如表10.1.2-3。
表10.1.2-3标准直齿圆柱齿轮轮齿各部分的尺寸计算
名称
符号
公式
分度圆直径
d
d=mz
齿顶圆直径
da
da=d+2 ha=m(z+2)
齿根圆直径
df
df=d+2 hf=m(z-2.5)
齿顶高
ha
ha=m
齿根高
hf
hf=1.25m
全齿高
h
h=ha+hf=2.25m
a=m∕2(z1+z2)
齿距
p
P=πm
机械手的关键零部件是齿轮传动设计,根据机械手的要求,设计的齿轮参数如下:
第一关节机械手齿轮设计
(1)传动比为I=3:
2;
(2)两齿轮模数为m=4.0;
(3)压力角为β=20;
(4)中心距选择α=100mm。
(5)齿数Z1=30。
齿轮3分度圆直径D1=mZ=4×
30=120mm,;
齿高计算h=ha+hf=(2ha*+c*)m=9mm;
取齿轮厚度20.0mm。
设计的中心大齿轮如图4所示。
图4
齿轮2设计:
分度圆直径D2=2/3D1=80mm;
齿数Z2=2/3Z1=20个,设计的小齿轮如图5所示。
图5
第二关节的机械手齿轮设计
(1)传动比为I=5:
3;
(2)两齿轮模数为m=3;
(4)中心距选择α=60mm。
(5)齿数Z1=25。
齿轮6分度圆直径D1=mZ=3×
25=75mm,;
齿高计算h=ha+hf=(2ha*+c*)m=6.75mm;
取齿轮厚度15mm,如图6。
齿轮5设计:
分度圆直径D2=M*Z2=3x15=45mm;
齿数Z2=2/3Z1=15个,设计的小齿轮如图7所示。
图7
齿轮7和齿轮8跟齿轮5齿轮6一样
2.3机械手轴零件的设计
根据齿轮内孔的大小来设计出轴,如图10至图15。
图8轴1
图9轴
2
图10轴3
图11轴4
2.4机械手其它零部件设计
利用UG软件对机械手的其它机械零部件设计,如图13至23图所示。
图12底座1三维实体造型
图134个支撑柱三维造型
图14底座2三维实体造型
图15整体底座三维实体造型
图16旋转底盘三维实体造型
图17旋转支架三维实体图形
图18手臂1三维实体图形
图19手臂2三维实体图形
2.5材料及标准件的选择
此处中心轴承选择型号为推力球轴承,主要参数为外径150mm,内径85mm,厚度49mm
序号
物品名称
型号(规格)
单位
数量
单价
金额
备注
1
轴承
16006
件
18
36
国产
16008
20
40
3
16003
12
10
120
4
16005
15
60
5
16004
13
26
6
16013
55
220
7
16012
50
100
8
51317
180
图21
2.6机械本体的虚拟装配
公差与配合是机械设计与制造的重要一环,主要包括:
确定基准制、公差等级与配合种类。
选择原则是既要保证机械产品的性能优良,同时兼顾制造上的经济可行[9]。
基准制包括基孔制和基轴制两种,两自由度机械手的机械本体需要的精密要求不高,大部分零件的配合采用基孔制,公差等级采用IT7—IT12,,配合分为间隙、过渡、过盈三种配合方式,如表3所示。
表3优先配合选用表
电机配合种类
运动范围基孔制
型号基轴制
间隙配合
过渡配合
过盈配合
机械手的各个机械零部件设计完成,并选择好公差配合后,便可以进行总的机械手装配,机械手装配时的爆破图如图24所示,
图22机械手装配图
参考文献
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清华大学出版社,2006.
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东北大学出版社,2001.
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机械工业出版社,2005.
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西安电子科技大学出版社,2006.
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中国劳动社会保障出版社,1999
[7]张伟平.机械制造工艺与装配[M].:
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[8]周运良.极限配合与技术测量[M].:
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