毕业设计论文两自由度机械手设计与加工.doc

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： 学 号： 指导 教师： 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 前言 11总体方案设计 11.两自由度机械手系统设计 11.2两自由度机械械系统设计思想 21.3两自由度机械手的总体方案 21.4两自由度机械手的数学描述 42两自由度机械手零部件的三维设计 42.1三维设计软件UG简介 42.2机械手驱动电机选型机 62.3械手蜗轮蜗杆、齿轮零部件设计 72.4机械手轴零部件设计 152.5机械手其它零部件设计 162.6材料及标准件的选择 192.7机械手的虚拟装配 203两自由度机械械零部件的数控加工编程 213.1数控加工简介 213.2数控加工的基本流程 213.3数控车床加工编程 223.4数控铣床加工编程 244两自由度机械手设计加工材料成本预算.............................................25结论 27参考文献 28附录 两自由度机械手装配图与零件图 29致谢 29两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Unigraphics Solutions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UGUG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Solid Edge、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Robert Bosch AG 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、Northrop Grumman、伊尔飞机和AntonovUGS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Arctic Cat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32.3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=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。