两自由度机械手毕业设计.docx
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两自由度机械手毕业设计
厦门技师学院
毕业设计（论文）
题目：
两自由度机械手设计与加工
学院：
厦门技师学院
专业、班级：
07数控（技师）
作者姓名：
林诗实
学号：
2010791058
指导教师：
王军职称：
助讲师
2011年6月
摘要
机械手广泛的应用于工业、农业等领域中，发挥着重要的作用。
两自由度机械手作为一种主要的形式，具有重要的研究意义。
本文基于虚拟样机技术，完成了两自由度机械手机械系统的设计与加工。
论文提出了基于虚拟样机技术的机械手设计思想和总体设计方案。
利用三维设计软件UG进行了机械手零部件的设计。
在此基础上，利用动力学仿真软件UG对机械手进行了虚拟样机建模与仿真，分析机械手设计中存在的缺陷，并进行了相应的改进。
为了便于机械手的数控加工，利用UG软件中的数控加工模块对机械手零部件进行了数控加工编程。
两自由度机械手机械系统的设计与加工为实际的物理样机制造奠定了基础。
关键词：
机械手；两自由度；三维设计；数控加工
目 录
4两自由度机械手设计加工材料成本预算.............................................25
两自由度机械手设计与加工
前 言
机械手是能够模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手主要由手部和运动机构组成。
手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。
运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
机械手通常用作机床或其它机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等。
有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手[3]。
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三维设计
2.1三维设计软件UG简介
UnigraphicsSolutions公司（简称UGS）是全球著名的MCAD供应商,主要为汽车与交通、航空航天、日用消费品、通用机械以及电子工业等领域通过其虚拟产品开发（VPD）的理念提供多级化的、集成的、企业级的包括软件产品与服务在内的完整的MCAD解决方案。
其主要的CAD产品是UG。
UG公司的产品主要有为机械制造企业提供包括从设计、分析到制造应用的Unigraphics软件、基于Windows的设计与制图产品SolidEdge、集团级产品数据管理系统iMAN、产品可视化技术ProductVision以及被业界广泛使用的高精度边界表示的实体建模核心Parasolid在内的全线产品。
UG在航空航天、汽车、通用机械、工业设备、医疗器械以及其它高科技应用领域的机械设计和模具加工自动化的市场上得到了广泛的应用。
多年来，UGS一直在支持美国通用汽车公司实施目前全球最大的虚拟产品开发项目，同时Unigraphics也是日本著名汽车零部件制造商DENSO公司的计算机应用标准，并在全球汽车行业得到了很大的应用，如Navistar、低特律柴油机厂、Winnebago和RobertBoschAG等。
另外，UGS公司在航空领域也有很好的的表现：
在美国的航空业，安装了超过10,000套UG软件；在俄罗斯航空业，UG软件具有90%以上的市场；在北美汽轮机市场，UG软件占80%。
UGS在喷气发动机行业也占有领先地位，拥有如Pratt&Whitney和GE喷气发动机公司这样的知名客户。
航空业的其它客户还有：
B/E航空公司、波音公司、以色列飞机公司、英国航空公司、NorthropGrumman、伊尔飞机和Antonov。
UGS公司的产品同时还遍布通用机械、医疗器械、电子、高技术以及日用消费品等行业，如：
3M、Will-Pemco、Biomet、Zimmer、飞利浦公司、吉列公司、Timex、Eureka和ArcticCat等。
UG具有丰富的曲面建模工具。
包括直纹面、扫描面、通过一组曲线的自由曲面、通过两组类正交曲线的自由曲面、曲线广义扫掠、标准二次曲线方法放样、等半径和变半径倒圆、广义二次曲线倒圆、两张及多张曲面间的光顺桥接、动态拉动调整曲面、等距或不等距偏置、曲面裁减、编辑、点云生成、曲面编辑。
UG进入中国已经有九个年头了，其在中国的业务有了很大的发展，中国已成为远东区业务增长最快的国家。
几年来，UG在中国的用户已超过800家，装机量达到3500多台台套。
UG特点:
1、建模的灵活性
复合建模：
无需草图,需要时可进行全参数设计,无需定义和参数化新曲线——可直接利用实体边缘。
几何特征：
具有凸垫、键槽、凸台、斜角、挖壳等特征、用户自定义特征、引用模式。
光顺倒圆:
业界最好的倒圆技术，可自适应于切口、陡峭边缘及两非邻接面等几何构形，变半径倒圆的最小半径值可退化至极限零。
2、协同化装配建模
可提供自顶向下、自底向上两种产品结构定义方式并可在上下文中设计／编辑，高级的装配导航工具，可图示装配树结构，可方便快速的确定部件位置，对装配件的简化表达，隐藏或关掉特定组件。
局部着色，强大的零件间的相关性，配对条件，零件间的表达式（关系），协同化团队工作，可方便的替换产品中任一零部件，刷新部件以取得最新的工作版本，团队成员可并行设计产品中各子装配或零件，
3、直观的二维绘图
对制图员来讲，简单并富于逻辑性，剖视图自动相关于模型和剖切线位置，正交视图的计算和定位可简便的由一次鼠标操作完成，自动隐藏线消除，自动尺寸排列——不需要了解设计意图，自动工程图草图尺寸标注。
4、被业界证实的数控加工
２～５轴铣，车加工，线切割，钣金件制造，刀轨仿真和验证，刀具库／标准工艺数据库功能。
5、领先的钣金件制造
可在成型或展开的情况下设计或修改产品结构，折弯工序可仿真工艺成型过程，钣料展开几何自动与产品设计相关，可在一幅工程图中直接展示产品设计和钣料展开几何。
6、集成的数字分析
机构运动学分析，硬干涉检查和软干涉检查，运动仿真和分析，动画过程中的动态干涉检查。
7、广泛的用户开发工具
用户命令宏，高级编程语言，可自定义裁剪的用户界面
8、内嵌的工程电子表格
可与其他表格软件交换数据，可简便定义零件系列，可方便修改表达式，可生成扇形图、直方图和曲线图等
9、照片真实效果渲染
利用基于数字的设计审视，加快产品上市时间，快速成型。
10、可分阶段实施的数据管理
UG主要功能有工业设计风格造型、产品设计、仿真、确认和优化NC加工。
本文利用UG软件设计机械手的机械零部件，包括机座、手臂、手腕、夹持器以及传动与驱动装置。
2.2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
根据电机外形尺寸图简易勾画出电机三维实体图
图3
2.3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
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
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
齿轮的三维实体造型图如图8、图9所示。
图8
图9
2.4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10轴1
图11轴2
图13轴4
图14轴5
图15轴5
2.5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16底座1三维实体造型
图174个支撑柱三维造型
图18底座2三维实体造型
图19整体底座三维实体造型
图20旋转底盘三维实体造型
图21旋转支架三维实体图形
图22手臂1三维实体图形
图23手臂2三维实体图形
2.6材料及标准件的选择
机械手机械零部件连接标准件的选择也是一个不容忽视的问题，以中心转动轴垫块螺栓为例说明。
此处连接件采用螺栓连接，型号为M6、M10、M12，螺栓的三维实体图如图所示。
图24
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25
2.7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，得到机械手的三维装配图如图25所示。
图26机械手爆炸图
图27机械手装配图
3两自由度机械手机械零部件的数控加工编程
4.1数控加工简介
机械手的机械本体应用虚拟样机技术进行结构优化后，需要对各零件进行加工。
CNC（ComputerNumericalControlSystem）技术是计算机辅助加工的载体，利用它可提高精度，降低劳动强度。
CNC将传统的加工机床用计算机进行控制，能够在程序的导引下，自动加工，加工效率高。
应用相关软件可进行加工程序的自动生成，与数控机床配合加工，节省时间，加工精度高。
本论文采用UG软件中的数控加工模块进行数控加工编程，可以直接配合数控机床使用。
4.2数控加工的基本流程
数控加工编程有手工编程和利用软件自动编程两种方式，数控加工的基本步骤如图22所示。
4.3数控车床加工编程
车削加工适用于回转体的零件，机械手中的回转体零件都可以用数控车削加工。
例如蜗杆加工如图24所示。
程序
O00001
T01为35度左右粗车刀（白刚刀或硬质合金）
T02为35左右精车刀（硬质合金）
最快不到
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