两自由度机械手设计Word格式文档下载.docx

1、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：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a1 应分别相等于蜗轮的法面模数mt2 和压力角t2，即ma1=mt2=m a1=t2蜗杆轴向压力角与法向压力角的关系为:tga=tg

2、n/cos式中：-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z11-10，推荐z11，2，4，6。选择的原

3、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z11；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z2min17，但z226 时，啮合区显著减小，影响平稳性，而在z230 时，则可始终保持有两对齿以上啮合，因之通常规定z228。另一方面z2 也不能过多，当z280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，

4、常用的范围为z228-70。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pzz1pa，由下图可知：tan=pzd1z1pad1z1md1z1q导程角的范围为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3.5一4.55）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 =un1 -蜗杆转速；n2-蜗轮转速。减速运动的动

5、力蜗杆传动，通常取5u70，优先采用15u50；增速传动5u15。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aa=（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a=20。或n=20。按蜗杆类型确定模数mm=ma=mn/cos传动比ii=n1/n2=z2/z1蜗杆为主动，按规定选取蜗轮变位系数x2x2=a/m-（d1+d2）/2m蜗杆直径系数q蜗杆轴向齿距pxpx=m蜗杆导程pzpz=mz1蜗杆分度圆直径d1d1=mq蜗杆齿顶圆直径da1da1=d1+2ha1=d1+2ha*m蜗杆齿根圆直径df1df1=d1-2hf

6、1=da-2（ha*m+c）顶隙cc=c*m按规定渐开线蜗杆齿根圆直径db1db1=d1.tg/tgb=mz1/tgb蜗杆齿顶高ha1ha1=ha*m=1/2（da1-d1）蜗杆齿根高hf1hf1=（ha*+c*）m=1/2（d1-df1）蜗杆齿高h1h1=hf1+ha1=1/2（da1-df1）蜗杆导程角tg=mz1/d1=z1/q渐开线蜗杆基圆导程角bcosb=cos.cosn蜗杆齿宽b1由设计确定蜗轮分度圆直径d2d2=mz2=2a-d1-2x2m蜗轮喉圆直径da2da2=d2+2ha2蜗轮齿根圆直径df2df2=d2-2hf2蜗轮齿顶高ha2ha2=1/2（da2-d2）=m（ha*+

7、x2）蜗轮齿根高hf2hf2=1/2（d2-df2）=m（ha*-x2+c*）蜗轮齿高h2h2=ha2+hf2=1/2（da2-df2）蜗轮咽喉母圆半径rg2rg2=a-1/（2da2）蜗轮齿宽b2蜗轮齿宽角=2arcsin（b2/d1）蜗杆轴向齿厚sasa=1/（2m）蜗杆法向齿厚snsn=sacos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 =53.5mm。（4）蜗杆

8、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=812、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 m d=zp, d=p/z, 令m=p/ 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

9、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

10、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 22.5 3 4 5 6 81012 162025324050第二系列1.752.252.75 （3.25） 3.5 （3.75） 4.5 5.5 （6.5）79（11）141822283645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ddmz齿顶圆直径dada d+2 h

11、a m（z+2）齿根圆直径dfdf d+2hf m（z-2.5）齿顶高haha m齿根高hfhf 1.25m全齿高hh ha + hf = 2.25ma m2 （z1+z2）齿 距pP = m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= 20 ；（4） 中心距选择 =100mm。（5） 齿数Z1=30。齿轮3分度圆直径D1=mZ= 430=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

12、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 =60mm。（5） 齿数Z1=25。齿轮6分度圆直径D1=mZ= 325=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

13、图15。 图8 轴1图9 轴2图10 轴3图11 轴42.4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13 4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49 mm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1836国产16008204031600312101204160

14、05156051600413266160135522071601250100851317180图212.6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IT7IT12，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

15、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，19997 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，20078 周运良. 极限配合与技术测量M. 北京：