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二自由度机械手课程设计1精密机械课程设计说明书二自由度机械手学院光电学院班级测控1302姓名孙亚培2013010420指导老师闫光课设日期2016.1二自由度机械手课程设计2前言机械手工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科，它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新，机械手的研究、制造和应用水平，是一种机体独立，动作自由度较多，自动化程度高的自动操作机械。机械手的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。通常把传送机构的运动称为传送机构的自由度。从力学的角度分析，物件在空间只有6个自由度。因此为抓取和传送在空间不同位置和方位物件，传送机构也应具有6个自由度。常用的机械手传送机构的自由度还多为少于6个的。一般的专用机械手只有2～4个自由度，而通用机械手则多数为3～6个自由度（这里所说的自由度数目，均不包括手指的抓取动作）。我们小组选择设计一个二自由度机械手，通过齿轮和齿条的传动，以及电机旋转的带动作用，实现上下移动和绕轴旋转这两个自由度。具体设计情况见后文。二自由度机械手课程设计3目录一、设计任务及小组分配.......................................................41.课程设计目的...................................................................62.主要任务...........................................................................7二、结构设计说明...................................................................91.初始方案草图...................................................................92.存在问题及解决方案.....................................................10三、主要参数计算过程及结果.............................................121.各部分材料选择说明.....................................................122.底座外形尺寸及质量初步估计.....................................153.齿轮和直齿条的相关计算.................错误!未定义书签。4.电机的选择.....................................................................155.联轴器的相关计算.........................................................166.电机处四个螺栓的计算.................................................167.板材右侧及左侧配重的计算.............错误!未定义书签。四、其它技术说明.................................................................16五、改进设想.........................................................................17六、设计小结.........................................................................17二自由度机械手课程设计4总体方案设计1、二自由度机械手系统设计二自由度机械手系统由机械本体结构，步进电机组成2、机械本体结构从机构学的角度来分析，二自由度机械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两自由度机械手机械系统设计思想首先利用solidworks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，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件结构。最后，利用autoCAD软件绘制出准确的二维投影图，便可得到可以实际加工出物理样机投影视图。二自由度机械手课程设计5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，本组选择机械手的自由度为2个，末端机械爪可以自由旋转，中部直齿条和齿轮作用完成升降。两自由度机械手的数学描述机械手具有两个自由度，其上端执行机构位置相对于机械本体不断的变化。如果要对上端执行器进行二自由度机械手课程设计6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一、设计任务及小组分配1.课程设计目的“精密机械设计基础”课程设计作为实践环节对于整个课程具有非常重要的意义。学生在这个环节中不仅是完成一项指定任务，更重要的是实际走过一个完整的设计过程。学生在课程设计中应该定位为设计者。设计者要进行方案筛选论证，要考虑装配关系，考虑结构工艺性，考虑选材。整个设计采用Solidworks完成，从3D建模到2D图纸。我们要求每人拿出至少一张可用于加工的图纸。这样的图纸，仅仅图形表达正确是远远不够的。图纸的尺寸标注要合理，要有尺寸公差和形位公差，要正确选择材料，要有技术要求。总之，通过课程设计要使学生知道，设计过程包括那些步骤，能够投放生产的加工图纸是什么样子。其目的是：（1）具体应用、巩固加深和扩大课程及有关先修课程的理论知识、生产知识，了解精密机械设计的一般设计方法二自由度机械手课程设计7和步骤培养学生的实际设计能力，为以后进行毕业设计打下基础；（2）掌握正确的设计思想。通过课程设计使同学掌握仪表的设计思路。机械产品设计，一般其主要过程为：接受）设计任务－（拟定）设计方案－设计计算－绘制装配图－绘制零件图设计过程中需注意以下内容：1）满足使用要求（功能、可靠性及精度要求）2）注意工艺性（结构合理、简单，经济性，外观要求3）熟悉有关规范、标准、手册设计中涉及到的零件材料、结构等，均需按照有关标准选零件的尺寸、公差等亦应符合相关标准；制图也要符合一定的规范。因此在课程设计过程中要求同学学习、掌握查阅标准及使用手册的能力。2.主要任务在分析功能要求及参考图的基础上：（1）进行方案设计与计算，并绘制方案草图和正式图。包括示平移、升降、抓取等机构的设计、计算及其相互连接，零位设计及其误差估计；（2）典型零件的设计计算，并绘制零件图；编写说明书。总体装配模型如图所示：二自由度机械手课程设计8二自由度机械手课程设计9二、结构设计说明1.初始方案草图简要说明：（1）选用一个有一定高度小桌作为整体的底座，桌面上放一个低速旋转的电机，齿轮套在电机的轴上，电机转动带动齿轮转动。（2）齿轮再带动直齿条的上下移动，从而实现沿上下方向移动的一个自由度。（3）为了对直齿条起固定作用，我们制作一个箱体，并在箱体上开槽固定。二自由度机械手课程设计10（4）直齿条上端和一块板A相固定，直齿条的上下移动带动板A的上下移动。（5）板A上连接一根轴，该轴一端与电机轴用联轴器连接，另一端连接机械手。电机转动带动轴和机械手的转动，从而实现另一个自由度——旋转。（6）整个结构的材料使用Q235钢。2.存在问题及解决方案（1）电机的转速偏高，可能会在传动过程中由于转速太快导致整个装配结构不稳定，直齿条会飞出。我们的解决方案是加一个减速机构，减速器的一般类型有：圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器、齿轮-蜗杆减速器、轴装式减速器、组装式减速器、轴装式减速器、联体式减速器。我们选择一级圆柱齿轮减速器，即在原来的齿轮和齿条之间再加一个齿数为原齿轮二倍的大齿轮，使传动比为2，从而实现减速。（2）装配的大部分零件位于偏右的位置，可能会由于重心不在中间使得整个装配体向右倾斜。我们的解决方案是在底二自由度机械手课程设计11座的左侧加一块与右侧质量相同的配重块。配重块是用于增加自身重量来保持平衡的重物。（3）直齿条和板A的固定问题在一开始没有确定。我们的解决方案是在直齿条的上端部分用平面代替齿面，并将上端部分和板A用螺钉固定。（4）右侧电机的固定问题。右侧电机选用低速电机，并用螺钉将其固定在板A的右侧。二自由度机械手课程设计12（5）右侧电机轴和机械手轴的联接问题。我们的解决方案是使用联轴器。联轴器用来联接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接。三、主要参数计算过程及结果1.各部分材料选择说明底座、联轴器、螺栓、下方板材、配重材料选用Q235钢。Q235是碳素结构钢，通常情况下，该钢不经过热处理直接进行使用，具有良好的塑性和焊接性能，成型能力很好，二自由度机械手课程设计13所有很多型材（如角钢、圆钢、工字钢、槽钢等材质很多为q235），并具有一定的强度，适合于桥梁、建筑等工程结构，实用性能好，价格相对也很便宜，性价比高。密度为7.858g/cm³，许用应力16kg/cm²。箱体、轴、轴肩、夹具选用的材料为40Cr。40Cr钢是机械制造业使用最广泛的钢之一。调质处理后具有良好的综合力学性能，良好的低温冲击韧性和低的缺口敏感性。钢的淬透性良好，水淬时可淬透到Ф28～60mm,油淬时可淬透到Ф15～40mm。这种钢除调质处理外还适于氰化和高频淬火处理。切削性能较好，当硬度为174～229HB时，相对切削加工性为60%。该钢适于制作中型塑料模具。机械手部分的材料选择硬铝合金。硬铝，是指铝合金中以Cu为主要合金元素的（含2.2—4.9%Cu、0.2—1.8%Mg、0.3—0.9%Mn、少量的硅，其余部分是铝）一类铝合金，代号2XXX，常用的有2Al1、2Al2等。硬铝有良好的机械性能，强度大（如2Al2-T4抗拉强度可达469MPa以上）又便于加工，而且密度小，可作轻型结构材料。硬铝成分：Al--Cu--Mg--Mn合金。Q235是碳素结构钢，与旧标准GB700-79牌号中的A3、C3钢相当，是沿用俄罗斯TOCT的牌号。其钢号中的Q代表屈服强度。通常情况下，该钢不经过热处理直接进行使用。二自由度机械手课程设计14GB700-88标准中碳素结构钢Q235按冶金质量分为A、B、C、D四个等级，各等级的钢种含Si量均为0.3%，区别在于含碳量和硫、磷含量的不同。AB级含碳量为0.14%~0.22%和0.12%~0.20%，CD级含碳量为≦0.18%、≦0.17%，A级的含Mn量最小，D级SP含量最小。国内有不少应用低碳马氏体刚强烈淬火工艺制造冷作模具的实例。利用双层辉光离子渗金属技术，在该钢表面进行Mo-Cr共渗，随后进行超饱和渗碳、淬火及回火复合处理，Mo-Cr躬身层厚度在100微米以上，表面Mo含量可达20%，Cr含量达到10%，超饱和渗碳表面含碳量超过2.0%，表面成分接近钼系高速钢，淬火及回火后表面硬度高达1300HV，超过一般冶金高速钢。磨损试验表明，摩擦系数随着接触应力的增加而增大，平均相对耐磨性是GCr15渗碳淬火钢的2.2倍。Q235模具钢淬火规范淬火温度为950℃，盐浴炉加热，10%NaCl盐水冷却淬火。用途编辑1、可用于各种磨具把手以及其他不重要的磨具零件。[1]二自由度机械手课程设计152、曾经选用GCr15、9SiCr、T8及4