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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：

20906071033

2012/4/6

目　录

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，分析其运动轨迹与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、成本与技术难度等问题后，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，而把与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与直径系数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与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

按规定选取

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

按规定选取

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

q=d1/m

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

按规定选取

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）]

按规定

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

由设计确定

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'=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=81

2、圆柱齿轮设计与计算

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

中心距

a

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；

（3）压力角为β=20；

（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材料与标准件的选择

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

2

18

36

国产

2

轴承

16008

件

2

20

40

3

轴承

16003

件

12

10

120

4

轴承

16005

件

4

15

60

5

轴承

16004

件

2

13

26

6

轴承

16013

件

4

55

220

7

轴承

16012

件

2

50

100

8

轴承

51317

件

1

180

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

[1]蔡自兴.机器人学[M].北京：

清华大学出版社，2006.

[2]宋伟刚.机器人机械系统原理、理论方法和算法[M].沈阳：

东北大学出版社，2001.

[3]李建勇.机电一体化技术[M].北京：

机械工业出版社，2005.

[4]刘杰等.机电一体化系统设计[M].沈阳：

东北大学出版社，1997.

[5]郭洪红.工业机器人技术[M].西安：

西安电子科技大学出版社，2006.

[6]王洪林等.机械制造技术基础[M].北京：

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].北京：

中国劳动社会保障出版社，2007

[8]周运良.极限配合与技术测量[M].北京：

中国劳动社会保障出版社，2007