两自由度机械手设计Word格式文档下载.docx

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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

[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：