五自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì)論文

哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 I 五自由度機(jī)械臂設(shè)計(jì) 摘 要 本設(shè)計(jì)主要介紹關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的一些知識(shí)和原理，包括工業(yè)機(jī)器人的組成、分類、主要技術(shù)性能參數(shù)和工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析。本設(shè)計(jì)的總體內(nèi)容是根據(jù)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)能力指標(biāo)，比較現(xiàn)有移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能特點(diǎn)，確定移動(dòng)機(jī)構(gòu)的最佳移動(dòng)方式；設(shè)計(jì)一個(gè)五自由度關(guān)節(jié)式機(jī)械臂，確定五自由度工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)和傳動(dòng)關(guān)系，并通過(guò)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力計(jì)算為各部位選擇合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)；確定五自由度工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方案以及為所設(shè)計(jì)的五自由度工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行 Pro/E 建模。本論文作者在參考大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ) 上，結(jié)合設(shè)計(jì)的要求，并參考通用型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行五自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和其計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂主要由手爪、腕、小臂、大臂和基座組成，同時(shí)用 Pro/E 對(duì)其進(jìn)行了三維建模，可用于搜索、抓取水下管件、纜線等細(xì)長(zhǎng)物體，也可用于抓取其它形狀的物體，具有一定的通用性。機(jī)器人能自動(dòng)控制，多功能，有五個(gè)自由度，可固定或運(yùn)動(dòng)，用于相關(guān)自動(dòng)化系統(tǒng)中。 關(guān)鍵詞 五自由度；工業(yè)機(jī)器人；三維建模 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 II The Design Of Five Degrees Of Freedom Of Rbotic Arm Abstract This design focuses on some knowledge and principles of industrial robots, including the composition of industrial robots, classification, the main technical performance parameters and the motion analysis of industrial robots. The overall content of this design is the ability to move of the moving mechanism based on indicators, comparing the performance characteristics of existing mobile mechanism, to determine the optimal movement mechanism moves； design a joint manipulator of five degrees, to determine five degrees of freedom of an industrial robot main technical parameters and transmission relations and through various parts of the dynamic calculation of industrial robots to choosing the right drive motor； identified the computer control system programs of the design of five degrees of freedom of industrial robots, as well as build a Pro / E model of the design of five degrees of freedom of industrial robots. The authors in reference to large number of documents on the basis,combination of design requirements, and with reference to the structure of general-purpose robot for five degrees of freedom industrial robot design and design the computer control system. The robotic arm of this article is designed mainly by gripper, wrist, forearm, arm and base composition, while using the Pro / E computer program be a three-dimensional modeling,the robotic arm can be used to search for, capture pipe fittings underwater, cables, and other fine or long objects, it can also be other shapes objects for gripping, a certain versatility. Robot can automatically control, multi-functional, there are five degrees of freedom,it can be fixed or moving, for the related automation systems. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 III Keywords Five degrees of freedom； Industrial robot； 3D modelling 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 IV 目 錄 摘 要 . I Abstract .II 第 1章 緒論 . 1 1.1 課題背景 . 1 1.2 工業(yè)機(jī)器人的組成 . 2 1.3 工業(yè)機(jī)器人的分類 . 2 1.4 工業(yè)機(jī)器人主要技術(shù)性能參數(shù) . 3 1.5 課題的總體內(nèi)容 . 4 1.6 本章小結(jié) . 4 第 2章 機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 5 2.1 五自由度工業(yè)機(jī)器人的主要參數(shù) . 5 2.2 五自由度工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu) . 5 2.3 五自由度工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力計(jì)算 . 6 2.4 本章小結(jié) . 15 第 3章 機(jī)械臂的 Pro/E建模 . 16 3.1 創(chuàng)建零件 . 16 3.2 裝配 . 18 3.3 制作裝配動(dòng)畫 . 19 3.4 本章小結(jié) . 21 結(jié)論 . 22 致謝 . 23 參考文獻(xiàn) . 24 附錄 A . 25 附錄 B . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 第 1章 緒論 1.1 課題背景 機(jī)器人工程是近二十多年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新研究成果，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，也是我國(guó)科技界跟蹤國(guó)際高科技發(fā)展的重要方面。工業(yè)機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用水平，是一個(gè)國(guó)家科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的象征，正受到許多國(guó)家的廣泛重視。 目前，工業(yè)機(jī)器人的定義，世界各國(guó)尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國(guó)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給工業(yè)機(jī)器人下的定義：工業(yè)機(jī)器人 是一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過(guò)改變動(dòng)作程序，來(lái)完成各種工作，主要用于搬運(yùn)材料，傳遞工件。參考國(guó)外的定義，結(jié)合我國(guó)的習(xí)慣用語(yǔ)，對(duì)工業(yè)機(jī)器人作如下定義 1： 工業(yè)機(jī)器人是一種機(jī)體獨(dú)立，動(dòng)作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動(dòng)化程度高的自動(dòng)操作機(jī)械。主要用于加工自動(dòng)線和柔性制造系統(tǒng)中傳遞和裝卸工件或夾具。 工業(yè)機(jī)器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運(yùn)動(dòng)速度，可以搬運(yùn)更重的東西，而且定位精度相當(dāng)高，它可以根據(jù)外部來(lái)的信號(hào)，自動(dòng)進(jìn)行各種操作。 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由初級(jí)到 高級(jí)逐步完善，它的發(fā)展過(guò)程可分為三代： 第一代工業(yè)機(jī)器人就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人，它主要由手部、臂部、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡(jiǎn)單，應(yīng)用在線編程，即通過(guò)示教存貯信息，工作時(shí)讀出這些信息，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按指令再現(xiàn)示教的操作。 第二代機(jī)器人是帶感覺的機(jī)器人。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進(jìn)行反饋的能力。其控制方式較第一代工業(yè)機(jī)器人要復(fù)雜得多，這種機(jī)器人從1980 年開始進(jìn)入了實(shí)用階段，現(xiàn)在已開始普及應(yīng)用。 第三代工業(yè)機(jī)器人即智能機(jī)器人。這種機(jī)器人除了具有觸覺、視覺等功 能外，還能夠根據(jù)人給出的指令認(rèn)識(shí)自身和周圍的環(huán)境，識(shí)別對(duì)象的有無(wú)及其狀態(tài)，再根據(jù)這一識(shí)別自動(dòng)選擇程序進(jìn)行操作，完成規(guī)定的任務(wù)。并且能跟蹤工作對(duì)象的變化，具有適應(yīng)工作環(huán)境的功能。這種機(jī)器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應(yīng)用 2。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 1.2 工業(yè)機(jī)器人的組成 機(jī)械加工中使用的機(jī)器人大多是代替人上肢的部分功能，按給定的程序、軌跡和要求進(jìn)行工作。它主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及檢測(cè)系統(tǒng)組成。 1. 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人完成抓取工件，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)所必需的機(jī)械部件，它包括手部、腕部、機(jī)身和行走機(jī)構(gòu)等。 (1) 手部：又稱手爪或抓取機(jī)構(gòu)，它直接抓取工件或夾具。 (2) 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變手部的工作方位。 (3) 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理荷重，并把它傳遞到預(yù)定的位置。 (4) 機(jī)身：是支承手臂的部件，其作用是帶動(dòng)臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運(yùn)動(dòng)。 2. 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)其動(dòng)力的裝置。常用的機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電傳動(dòng)。 3. 控制系統(tǒng)：通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤或故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào) 。 4. 檢測(cè)系統(tǒng)：作用是通過(guò)各種檢測(cè)裝置、傳感裝置檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定進(jìn)行比較，以保證運(yùn)動(dòng)符合要求 3。 1.3 工業(yè)機(jī)器人的分類 工業(yè)機(jī)器人的分類方法很多，這里主要以工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式、控制功能、編程方式、控制機(jī)構(gòu)、坐標(biāo)形式、自由度數(shù)以及抓取重量的不同進(jìn)行分類。 1. 按驅(qū)動(dòng)方式分為液壓傳動(dòng)，氣壓傳動(dòng)和電動(dòng)。 2. 按控制功能分為重復(fù)型和智能型。 重復(fù)型機(jī)器人能夠按照事前編制的程序重復(fù)自動(dòng)的工作。目前，機(jī)械加工系統(tǒng)中應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人幾乎都是這種。 智能型機(jī)器人除具有重復(fù)型 的功能外，還具有視覺、觸覺、識(shí)別和判斷功能等。 3. 按編程方式分為可編程序式和示教再現(xiàn)式。 4. 按控制方式分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制。 點(diǎn)位控制是指機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，只控制空間點(diǎn)的位置，而不控制由一個(gè)定位點(diǎn)到另一個(gè)定位點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)軌跡。 連續(xù)軌跡控制是指能控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間任意曲線。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 5. 按控制機(jī)構(gòu)分為開關(guān)型和佩服型。 開關(guān)型機(jī)器人是通過(guò)機(jī)械擋塊、行程開關(guān)等電器觸頭的開關(guān)動(dòng)作，得到位置信號(hào)，從而控制運(yùn)動(dòng)部件定位。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，只能用于點(diǎn)位控制，難于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。 佩服型機(jī)器人是根據(jù)連續(xù)輸 入指令，經(jīng)過(guò)信號(hào)擴(kuò)大，由佩服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制運(yùn)動(dòng)。通常采用位置檢測(cè)機(jī)構(gòu)，檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部件的位置和姿態(tài)變化，以控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部件的準(zhǔn)確定位。這種機(jī)器人可獲得良好的運(yùn)動(dòng)特性，定位精度高，不僅適于點(diǎn)位控制，而且適于連續(xù)軌跡控制。 6. 按坐標(biāo)形式分為直角坐標(biāo)式機(jī)器人、極坐標(biāo)式機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人和多關(guān)節(jié)式機(jī)器人。 7. 按自由度數(shù)分，機(jī)器人的自由度數(shù)越多，能用性就越廣，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。一般 4 到 6 個(gè)自由度即能滿足稍復(fù)雜的使用要求了。 8. 按抓取重量分大型、中型、小型和微型。 大型機(jī)器人的抓取重量為 100kg 以上；中 型機(jī)器人的抓取重量為 10100kg；小型機(jī)器人的抓取重量為 1 10kg；微型機(jī)器人的抓取重量為 1kg以下 4。 1.4 工業(yè)機(jī)器人主要技術(shù)性能參數(shù) 工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)是說(shuō)明其規(guī)格和性能的具體指標(biāo)。主要技術(shù)參數(shù)有如下： 1. 抓取重量： 抓取重量是用來(lái)表明機(jī)器人負(fù)荷能力的技術(shù)參數(shù)，這是一項(xiàng)主要參數(shù)。這項(xiàng)參數(shù)與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，一般是指在正常速度下所抓取的重量。 2. 抓取工件的極限尺寸： 抓取工件的極限尺寸是用來(lái)表明機(jī)器人抓取功能的技術(shù)參數(shù)，它是設(shè)計(jì)手部的基礎(chǔ)。 3. 坐標(biāo)形式和自由度： 說(shuō)明機(jī)器人機(jī)身、手部、腕部等共有的 自由度數(shù)及它們組成的坐標(biāo)系特征。 4. 運(yùn)動(dòng)行程范圍： 指執(zhí)行機(jī)構(gòu)直線移動(dòng)距離或回轉(zhuǎn)角度的范圍，即各運(yùn)動(dòng)自由度的運(yùn)動(dòng)量。根據(jù)運(yùn)動(dòng)行程范圍和坐標(biāo)形式就可確定機(jī)器人的工作范圍。 5. 運(yùn)動(dòng)速度： 是反映機(jī)器人性能的重要參數(shù)。通常所指的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)器人的最大運(yùn)動(dòng)速度。它與抓取重量、定位精度等參數(shù)密切有關(guān)，互相影響。目前，哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 國(guó)內(nèi)外機(jī)器人的最大直線移動(dòng)速度為 1000mm/s 左右，一般為 200400mm/s；回轉(zhuǎn)速度最大為 180/s，一般為 50/s。 6. 定位精度和重復(fù)定位精度： 定位精度和重復(fù)定位精度是衡量機(jī)器人工作質(zhì)量的一項(xiàng) 重要指標(biāo)。 1.5 課題的總體內(nèi)容 1.根據(jù)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)能力指標(biāo)，比較現(xiàn)有移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能特點(diǎn)，確定移動(dòng)機(jī)構(gòu)的最佳移動(dòng)方式。 2.設(shè)計(jì)一個(gè)五自由度關(guān)節(jié)式機(jī)械臂。確定五自由度工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)和傳動(dòng)關(guān)系，并通過(guò)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力計(jì)算為各部位選擇合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 3.確定五自由度工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)方案。 4.為所設(shè)計(jì)的五自由度工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行 Pro/E 建模。 1.6 本章小結(jié) 本章主要介紹了本設(shè)計(jì)的課題背景，工業(yè)機(jī)器人的組成、分類和主要技術(shù)性能參數(shù)以及本設(shè)計(jì)的總體內(nèi)容。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 第 2章 機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 五自由度工業(yè) 機(jī)器人的主要參數(shù) 1. 自由度數(shù)： N 5 2. 抓取重量： P 250N 3. 手臂伸縮： L 500mm， v=0.5m/s 4. 手臂俯仰： 45， 30/s 5. 手臂回轉(zhuǎn)： 220， 30/s 6. 手腕擺動(dòng)： 90， 60/s 7. 手腕回轉(zhuǎn)： 300， 120/s 2.2 五自由度工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 以 KUKA IR-662/100 型機(jī)器人為參照，具有五個(gè)自由度，有六個(gè)控制軸，采用直流伺服控制。圖紙 A1-04 為其傳動(dòng)原理 圖： 1. 主要技術(shù)參數(shù) 表 2-1 技術(shù)參數(shù) 項(xiàng)目 技術(shù)參數(shù) 結(jié)構(gòu)型式 空間多關(guān)節(jié)式 自由度數(shù) 5 個(gè) 驅(qū)動(dòng)方式 直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 腕部最大重量 (抓取重量 ) 250N 操作方式 示教再現(xiàn) /脫線編程 (1) 采用空間多關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，工作范圍比其它結(jié)構(gòu)形式要大； (2) 軸控制機(jī)器人腰座旋轉(zhuǎn)，伺服電動(dòng)機(jī)軸上的小齒輪旋動(dòng)腰部軸承帶輪齒的內(nèi)環(huán)完成運(yùn)動(dòng)； 軸、 軸分別控制大小臂的運(yùn)動(dòng)，其傳動(dòng)是通過(guò)滾珠絲杠螺母副來(lái)完成，傳動(dòng)剛度高； 、 、 軸控制腕部運(yùn)動(dòng)，伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò) ( 軸除外 )齒形帶輪、齒形帶輪副、諧波減速器等來(lái)完成腕部運(yùn)動(dòng)； (3) 對(duì)影響精度的主要傳動(dòng)部分均采用錐滾子軸承，向心推力球軸承； (4) 腕關(guān)節(jié)傳動(dòng)比分配采用先小后大的原則，諧波減速器放在最末一級(jí)，減少傳動(dòng)零件的尺寸和重量； (5) 對(duì)細(xì)長(zhǎng)管軸，大量采用焊接工藝，以減少機(jī)械加工量，降低成本； (6) 對(duì)大質(zhì)量零件均采用鋁材，如腕部全部采用高強(qiáng)度鑄鋁材料，從哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 而大大減輕整機(jī)重量 5。 表 2-2 傳動(dòng)關(guān)系 軸號(hào) 傳動(dòng)級(jí)數(shù) 第一級(jí) 第二級(jí) 第三級(jí) 第四級(jí) 第五級(jí) 2 諧波減速器 (i1) 齒輪 副(Z1/Z2) _ _ _ 1 滾珠絲杠螺母副 _ _ _ _ 1 滾珠絲杠螺母副 _ _ _ _ 5 同步帶(Z3/Z4) 齒輪副(Z11/Z12) 同步帶(Z13/Z14) 齒輪副(Z15/Z16) 蝸輪蝸桿(Z17/Z18) 3 同步帶(Z5/Z6) 齒輪副(Z9/Z10) 諧波減速器 (i3) _ _ 2 同步帶(Z7/Z8) 諧波減速器 (i2) _ _ _ 2. 平衡系統(tǒng) 由于自重、承重較大，工作時(shí)運(yùn)動(dòng)慣性亦較大，為使小臂接近靜平衡，將伺服電動(dòng)機(jī)組件、齒形帶輪等大 質(zhì)量零部件布置在與腕部相對(duì)的另一端。在此質(zhì)量靜平衡的基礎(chǔ)上，機(jī)器人還配置氣動(dòng)平衡系統(tǒng)，用兩組平衡氣缸分別對(duì)大臂、小臂進(jìn)行平衡。通過(guò)改變氣缸壓力來(lái)補(bǔ)償負(fù)荷變化對(duì)平衡的影響。氣動(dòng)平衡系統(tǒng)除氣包外均放置在機(jī)器人外部。 2.3 五自由度工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力計(jì)算 1. 手部夾緊力的計(jì)算 N 9.8 k1 k2 k3G ( N ) (2-1) G 抓取工件的重量（ kg） k1 安全系數(shù)，取 1.22.0 k2 工作狀況系數(shù)，可按 k2=1+ag計(jì)算 a 為機(jī)器人托運(yùn)工件過(guò)程中的加速度的絕對(duì)值。 k3 方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選擇，這里選 k3=1.03 所以： N9.8 k1 k2 k3 G =250 1.2 1.2 1.03 370.8 ( N ) 2. 手指驅(qū)動(dòng)力 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 P 2bNR (2-2) 5.172 8.370472 1991.7（ N） 蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率 1 0.97 銷的傳動(dòng)效率 2 0.9 總傳動(dòng)效率 1 2 0.97 0.9 0.873 實(shí)際驅(qū)動(dòng)力 P 實(shí) P873.0 7.1991 2281.4（ N） 圖 2-2 手指?jìng)?動(dòng)示意圖 3. 手指驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 手指夾開的速度為 60/s，蝸輪蝸桿傳動(dòng)比為 29： 1 (1) 考慮到傳遞的功率不大，轉(zhuǎn)速較低，選用 ZA 蝸桿傳動(dòng)，精度 8c GB10089-88，蝸桿用 35CrMo，表面淬火，硬度為 45-85HRC，表面粗糙度 Ra1.6 um，蝸輪輪緣選用 ZCaSn10P1 金屬鑄造。 (2) 傳動(dòng)比 i=12nn = 129 參考表機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第二版，第四卷 表 35.5-5，取 Z1=1，Z2=iZ1=29 查表 35.5-6 選取 a=40,i=29,m=2 d1=22.4,Z1=1,Z2=29 蝸輪分度圓直徑： d2=mZ2=229=58 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 導(dǎo)程角 r=arctan 11Zmd (2-3) =arctan4.2221=5.1 蝸桿轉(zhuǎn)矩： P1 P 實(shí) tg (2-4) 2281.4 tg5.1 203.6 N T 1 22.421000P 1000 2.116.203 2.28Nm 圖 2-3 蝸桿轉(zhuǎn)矩受力分析 蝸桿轉(zhuǎn)速 v1 60/s129=1740/s 290 r/min 30.35 rad/s 電動(dòng)機(jī)功率： Pm（ 1.5 2.5） LP LPM MLP 負(fù)載峰值力矩（ Nm） LP 負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速（ rad/s） 傳動(dòng)裝置的效率，取 0.70.9 Pm 2 LP LPM (2-5) 而 MLP T， LP v1， 0.8 Pm 28.0 35.3028.2 173 W 所以：查實(shí)用機(jī)械電氣技術(shù)手冊(cè) 電機(jī)篇表 13 15 選伺服電機(jī)型號(hào)為： 110SZ52,185W,1500r/min， 220V 選取同步帶 34ZZ 的傳動(dòng)比為 34ZZ =1.875 齒輪副 1112ZZ 的傳動(dòng)比為 1112ZZ =1.5 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 同步帶 1314ZZ 的傳動(dòng)比為 1314ZZ =1 齒輪副 1516ZZ 的傳動(dòng)比 為 1516ZZ = 15.1875.1290 1 5 00 =1.84 4. 腕擺電機(jī)的選擇 腕擺轉(zhuǎn)速 60/s 10 r/min 估計(jì)腕重為 50kg 總重 G (50+25.5) g 75.5 9.8 739.9 N F859.739 8.7N F 實(shí) F8.07.8 10.88N 諧波效率 T T 實(shí) 252 10.88252 282.88Nmm 0.28Nmm 圖 2-4 腕擺力矩分析示意圖 腕擺 LP 10 85 850r/min 88.97rad/s Pm 2 LP LPM 28.0 97.8828.0 62.28W (MLP T， LP v1， 0.8) 所以：查實(shí)用機(jī)械電氣技術(shù)手冊(cè)電機(jī)篇表 13 15 選伺服電動(dòng)機(jī)型號(hào)： 90SZ52， 1500 r/min， 80W， 220V 選取齒輪副 910ZZ 的傳動(dòng)比為 910ZZ =1 諧波減速器 i3 的傳動(dòng)比為 i3=80 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 同步帶 56ZZ 的傳動(dòng)比為 56ZZ = 801101500 =1.875 5. 手腕回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇： 手腕回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速 120/s 20 r/min 回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩： Mc Mga+Mf Mga 啟動(dòng)（制動(dòng)）的過(guò)程中的慣性力矩 Mga J0 wt w手臂回轉(zhuǎn)在啟動(dòng)或制動(dòng)過(guò)程中角速度的變化量，就是工作角速度， w w (rad/s) t 啟動(dòng)或制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間 ( s ) J0 手部、腕部、臂部、機(jī)身及工件等回轉(zhuǎn)部件對(duì)機(jī)身回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (kgm2) Mf 密封裝置處的摩擦阻力矩 (Nm) Mf gaM (2-6) 效率，取 0.85 0.9 J0= 24GDg 28060 1004gg 0.096kgm2 Mga J0wt 0.0963.01.2 0.672Nm Mc Mga+Mf (2-7) Mga+ gaM 0.672+9.0672.0 1.42Nm LP 20r/min 136.5rad/s Pm 2 LP LPM 28.0 5.13642.01 484.6 w 所以：查實(shí)用機(jī)械電氣技術(shù)手冊(cè)電機(jī)篇表 13 15 選取伺服電動(dòng)機(jī)型號(hào)： 130SZ04， 3000r/min， 600W， 200V 選取諧波減速器 i3 的傳動(dòng)比為 i2=80 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 同步帶 78ZZ 的傳動(dòng)比為 78ZZ = 80203000 =1.875 6. 手臂回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇： 回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速： 30/s 5 r/min 選取諧波減速器 i1 的傳動(dòng)比為 i2=80 漸開線圓柱齒輪，模數(shù) (法面模數(shù) )m=1.5 齒數(shù) Z1=40， Z2=150 圖 2-5 手臂回轉(zhuǎn)示意圖 F 摩擦 Gf 550gf 550 9.8 0.1 539N r =2d 112mz2405.1 30 MLP F 摩擦 r 100030539 16.17Nm LP 5 r/min 21ZZ 0.52 rad/s40150 1.95rad/s Pm 2 LP LPM 28.0 95.117.16 78.8w 所以：查實(shí)用機(jī)械電氣技術(shù)手冊(cè)電機(jī)篇表 13 15 選伺服電動(dòng)機(jī)型號(hào)： 90SZ52， 1500 r/min， 80W， 220V 電機(jī)轉(zhuǎn)速為 n 電 = i1 21ZZ (2-8) = 5 8040150=1500r/min 符合要求 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 7. 同步帶設(shè)計(jì)： (P=300W,n=3000 r/min) Pc=KAP=1.6 600 960W=0.96kW 參考表機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第二版，第四卷表 33.1-50 取 載荷修正KA=1.6 選取 L 型，節(jié)距 Pb 9.525mm， Zmin 16 查表得： 小帶輪齒數(shù)： Z1 17 小帶輪節(jié)徑： d1=1bZP=14.3 525.917=51.54mm 小帶輪外徑：查得 d01 50.78 mm 大帶輪齒數(shù)： Z2=iZ1=1.875 17=31.875，取 Z2 32 大帶輪節(jié)徑： d2= 2bZP=14.3 525.932=97.02 mm 大帶輪外徑：查得 d02 96.26mm, 初定中心矩 a0=110mm 選同步帶長(zhǎng)及齒數(shù)： LP0 2a0+ 122 dd + 22104dda 2 110+ 5 1 .5 4 9 7 .0 22 + 1104 54.5102.972 457.94mm 查表 33.1-47：選 LP 476.25 mm， Zb 50，代號(hào)： 187 理論中心距 aa0 + 0PP2LL 1102 94.45 725.47 6 119.2mm 故，選取中心距 a0=120mm 小帶嚙合齒數(shù)： Zn 211 126ddZ a (2-9) 1206 54.5102.972117 7.43 Znmin 6 基本額定功率： 查表 33.1-53 得 Ta=244.46N,m=0.095kg/m,bs0 =25.4mm 帶速 v= 116000dn= 5 1 .5 4 1 5 0 06000=4.05m/s P0= 26000aT mv v = 6 0 0 0 05.405.40 9 5.046.2 4 42 =0.99Kw 所需帶寬 bs 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 bs=bs01.140czPKP 由表 33.1-52 查得， L 型帶 bs0=25.4mm,Kz=1 bs=25.41.14 0.961 0.99=24.72mm 由表 33.1-48 查得，選帶寬代號(hào)為 100 的 L 型帶， bs=25.4mm 查表選雙邊擋圈， bf=26.7mm,t=1.5mm 帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸： 傳動(dòng)選用的同步帶為 187L100 小帶輪： Z1=17， d1=51.54mm da1=50.78mm 大帶輪： Z2=32， d2=97.02mm da2=96.26mm 圖 2-6 雙邊擋圈示意圖 8. 大臂驅(qū)動(dòng)絲桿的設(shè)計(jì) 估算：等效載荷 Fm=1000N,絲桿有效行程 270mm,等效轉(zhuǎn)速nm=1500r/min,要求使用壽命 L h =15000h 左右，工作溫度低于 100 ，可靠度 95%，精度為 3 級(jí)精度。 (1) 計(jì)算載荷 Fc=FK aK RK tK mF (2-10) 查機(jī)電液設(shè)計(jì)手冊(cè)上冊(cè)，表 15-21 得 FK=1.1，aK=1.0，RK=1.61，tK=1 Fc=FK aK RK tK mF =1.1 1.0 1.61 1 1000=1771N aC = mh3 c41 .6 7 1 0nL F 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 = 3 4 17711067.1 1 5 0 0 01500 =19559N (2) 選擇滾珠絲桿副的型號(hào) 主要尺寸為： 按 aC=19559N，查表 15-24，選用 FF3206-5 列 0d=32mm,nP=6mm,wD=4mm,d=30.9mm d 27 mm, aC =24000N , CK =1880N 螺旋導(dǎo)程角 = arctan0nPd=arctan 6 32=3251 螺桿不長(zhǎng)，無(wú)需驗(yàn)算穩(wěn)定性。 (3) 剛度驗(yàn)算 按最不利情況考慮，即在螺距 (導(dǎo)程 )內(nèi)受軸向力引起的 彈性變形與受轉(zhuǎn)矩引起彈性變形方向一致，此時(shí)變形量為最大，計(jì)算公式為： S= 2124116 nTPGd+214 nFPEd (2-11) 式中 T1=mF02dtan(+v) =1000232 tan( 1253 + 408 )=996Nmm 磨擦系數(shù) f=0.025,當(dāng)量磨擦角v= 408 ， 剪切彈性模量 G=8.33 410 N/mm2 所以：S= 22 4 41 6 9 9 6 6 8 . 3 3 1 0 2 8 . 4 5 +524 1 0 0 0 6 2 . 0 6 1 0 2 8 . 4 5 =0.0107m 其中，危險(xiǎn)截面1d=28.45， E=2.06 每米螺桿長(zhǎng)度上的螺矩的彈性變形 ss = 3106 0107.0 =1.78 m /m( ss )p=15 m /m 因?yàn)闈L球絲桿精度要求為 3 級(jí)精度，由表 15-8 查得 ( ss)p=15 m /m (4) 計(jì)算效率 = tantan v= 4081253tan1253tan =0.960=96% 9. 絲桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須滿足絲桿的等效轉(zhuǎn)速 1500 r/min,選擇電機(jī)型號(hào)為：130SZ01， 2.26Nm， 1500r/min， 350W 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 10. 小臂絲桿和電機(jī)的選擇 設(shè)計(jì)原理與要求和大臂絲桿及電機(jī)相同，絲桿 型號(hào)為： FF3206-5 列，電機(jī)型號(hào)為： 130SZ016 2.4 本章小結(jié) 本章內(nèi)容主要確定了五自由度工業(yè)機(jī)器人的主要參數(shù)，對(duì)五自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)并完成了五自由度工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)力計(jì)算。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 第 3章 機(jī)械臂的 Pro/E建模 Pro/ENGINEER 是世界上擁有用戶最多的三維 CAD 軟件，由美國(guó)PTC 公司出品，其軟件產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)思想體現(xiàn)了 MDA（ Mechanical Design Automation）軟件的新發(fā)展， Pro/ENGINEER 是一套又設(shè)計(jì)至生產(chǎn)機(jī)械自動(dòng)化軟件，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個(gè)參數(shù) 化、基于特征的實(shí)體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫(kù)功能。 Pro/ENGINEER 其強(qiáng)大完美的功能，使其在工業(yè)造型設(shè)計(jì)、三維模型設(shè)計(jì)、計(jì)算分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、工程圖的輸出甚至加工成產(chǎn)品等各個(gè)方面都有所應(yīng)用 11。 三維建模的過(guò)程大致如下圖 3-1： 圖 3-1 建模過(guò)程 3.1 創(chuàng)建零件 1.運(yùn)行 Pro/E 程序。 2.單擊 “新建 ”按鈕（圖 3-2），在 “新建 ”對(duì)話框中的 “類型 ”單選框中選取 “零件 ”,在 “名稱 ”一欄出輸入零件名稱，把 “使用缺省模板 ”前面的勾去掉，單擊 “確定 ”(圖 3-3)。選擇 “mmns_part_solid”,然后單擊 “確定 ”（圖 3-4）。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 圖 3-2 文件 圖 3-3 新建 圖 3-4 新文件選項(xiàng) 3.單擊 “拉伸 ”按鈕 ，點(diǎn)選 “放置 ”“ 定義 ”（圖 3-5） ,選擇 FRONT面，單擊 “草繪 ”（圖 3-6） ,進(jìn)入草繪平面。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 圖 3-5 草繪選項(xiàng) 圖 3-6 放置 4.單擊 “創(chuàng)建圓 ”按鈕 ，在草繪平面內(nèi)分別畫 2 個(gè)圓（圖 3-7），單擊“確認(rèn) ”按鈕 。 圖 3-7 草繪圖 5.在 “深度值 ”處輸入 3（圖 3-8），單擊 “確認(rèn) ” 。 圖 3-8 設(shè)置深度值 6.保存文件，完成建模。 3.2 裝配 1.運(yùn)行 Pro/E 程序。 2.單擊 “新建 ”按鈕（圖 3-2），在 “新建 ”對(duì)話框中的 “類型 ”單選框中選哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 取 “組件 ”,在 “名稱 ”一欄出輸入零件名稱，把 “使用缺省模板 ”前面的勾去掉，單擊 “確定 ”(圖 3-3)。選擇 “mmns_asm_design”,然后單擊 “確定 ”（圖 3-9）。 3.單擊 “將元件添加到組件 ”按鈕 ，選擇零件。 4單擊 “放置 ”,選擇 “缺省 ”（圖 3-10），確定。 圖 3-9 新文件選項(xiàng) 圖 3-10 放置定義 5重復(fù)第 3 步，添加零件。 6使用約束將第 2 個(gè)零件裝配到第一個(gè)零件上。 7重復(fù)第 3 步與第 6 步，將所有零件都裝配在一起。 8保存文件，完成裝配。 3.3 制作裝配動(dòng)畫 1.運(yùn)行 Pro/E 程序，打開已經(jīng)裝配好的文件。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 2.選擇 “應(yīng)用程序 ”下的 “動(dòng)畫 ”，進(jìn)入動(dòng)畫制作界面。 3.單擊 “主體定義 ”按鈕 ，選擇 “每個(gè)主體一個(gè)零件 ”（圖 3-11） 圖 3-11 創(chuàng)建主體 4.單擊 “創(chuàng)建新關(guān)鍵幀序列 ”按鈕 ，在單擊 “編輯或創(chuàng)建快照 ”（圖 3-12），用 “主體拖動(dòng) ”對(duì)個(gè)別零件進(jìn)行移動(dòng)。然后點(diǎn)擊拍照按鈕 ，重復(fù)移動(dòng)和拍照（ 圖 3-13）。 5.單擊 “啟動(dòng)動(dòng)畫 ” ，運(yùn)行動(dòng)畫。 6單擊 “回放 ” ，選擇 “捕捉 ”“ 確定 ”,動(dòng)畫被保存到組件所在的目錄下，完成。 圖 3-12 關(guān)鍵幀 圖 3-13 拖動(dòng) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 圖 3-14 機(jī)械臂裝配圖 3.4 本章小結(jié) 建立了機(jī)械手的三維模型，對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行了仿真研究，分析了運(yùn)動(dòng)部件之間的相對(duì)關(guān)系，完成了機(jī)械手抓取不同目標(biāo)物時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真；機(jī)械手采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)力大、結(jié)