两自由度机械手毕业设计

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厦 门 技 师 学 院

毕业设计（论文）

题 学 目：两自由度机械手设计与加工 自由度机械手设计与加工 院： 厦门技师学院 数控（技师） 07 数控（技师） 林 诗 实 2010791058 王军 职称： 职称： 助讲师 2011 年 6 月

专业、班级： 专业、班级： 姓名： 作者 姓名： 学 号：

教师： 指导 教师：

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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： 关键词：机械手；两自由度；三维设计；数控加工

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目

录

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

1.两自由度机械手系统设计 .................................................................................. 1 1.2 两自由度机械手机械系统设计思想 ............................................................... 2 1.3 两自由度机械手的总体方案 ........................................................................... 2 1.4 两自由度机械手的数学描述 ........................................................................... 4

2 两自由度机械手零部件的三维设计 .......................................................4 自由度机械手零部件的

2.1 三维设计软件 UG 简介.................................................................................... 4 2.2 机械手驱动电机选型机 ................................................................................... 6 2.3 械手蜗轮蜗杆、齿轮零部件设计 ................................. 7 2.4 机械手轴零部件设计 .......................................... 15 2.5 机械手其它零部件设计 ................................................................................. 16 2.6 材料及

标准件的选择 ..................................................................................... 19 2.7 机械手的虚拟装配 ......................................................................................... 20

3 两自由度机械手机械零部件的数控加工编程 ........................................... 21 自由度机械手机械零部件的数控加工 机械零部件的数控加工编程

3.1 数控加工简介 ................................................................................................. 21 3.2 数控加工的基本流程 ..................................................................................... 21 3.3 数控车床加工编程 ......................................................................................... 22 3.4 数控铣床加工编程 ............................................ 24

4 两自由度机械手设计加工材料成本预算 自由度机械手设计加工材料成本预算 设计加工材料成本预算.............................................25 结论 .............................................................................................................................. 27 参考文献..................................................................................................................... 28 自由度机械手装配图与零件图 附录 两自由度机械手装配图与零件图 .......................................................... 29 致谢 .............................................................................................................................. 29

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两自由度机械手设计与加工 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 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

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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。 自由度机械手机械系统 机械系统设计思想 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 自由度机械手的总体方案 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

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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 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]。

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自由度机械手零部件 三维设计 零部件的 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 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 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， 软件占 80%。 UG 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 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 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。

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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