两自由度机械手设计说明

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 ： 梁龙 学号： 2012/4/6

目 录

1总体方案设计 ....................................................................................................................................

1.两自由度机械手系统设计 ........................................................................................................ 1.2两自由度机械手机械系统设计思想...................................................................................... 1.3两自由度机械手的总体方案 ................................................................................................. 1.4两自由度机械手的数学描述 ................................................................................................. 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机 ......................................................................................................... 2.2械手蜗轮蜗杆、齿轮零部件设计 ............................................ 2.3机械手轴零部件设计 ...................................................... 2.4机械手其它零部件设计 ......................................................................................................... 2.5材料及标准件的选择 ............................................................................................................. 2.6机械手的虚拟装配 ................................................................................................................. 参考文献 ...............................................................................................................................................

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=m αa1=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。