一種抓取圓棒取料手的機械設計-關節(jié)型工業(yè)機械手含開題、SW三維仿真及8張CAD圖

一種抓取圓棒取料手的機械設計-關節(jié)型工業(yè)機械手含開題、SW三維仿真及8張CAD圖,一種,抓取,圓棒取料手,機械設計,關節(jié),工業(yè),機械手,開題,SW,三維,仿真,CAD 題目 學院 專業(yè) 學生姓名 學號 指導教師 職稱 摘 要 隨著制造自動化和智能化技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機械手已成為智能化工裝置的重要組成部分。在實際應用中，很多功能均由機械手實現(xiàn)。通過畢業(yè)選題，確定了本次的畢業(yè)設計的題目是“多自由度機械手的結(jié)構(gòu)設計及分析”，本文通過一系列計算，和構(gòu)思最終設計了一款以電機驅(qū)動的多自由度機械手，類型為關節(jié)式。本文對機械手大臂，機械手的小臂，底座等進行了設計與分析。而且完成了總體裝配圖和二維圖紙的繪制并進行了動態(tài)仿真。對機械手得各零件進行力學計算來選擇合適的零件，而且也用了很多計算過程來估算了某些部分的扭矩和功率，選擇了合適的電機。最后通過有限元分析對選型的結(jié)果進行了核實。 關鍵詞：工業(yè)機械手；關節(jié)式；動態(tài)仿真；有限元分析 - I - ABSTRACT Structural design and analysis of multi-degree-of-freedom manipulator ABSTRACT With the development of manufacturing automation and intelligent technology, industrial manipulator has become an important part of intelligent chemical plant. In practical application, all the functions are realized by the manipulator. The graduation project is "structure design and analysis of multi DOF Manipulator", so this paper designs a motor-driven multi DOF Manipulator. In this paper, the manipulator arm, arm, base and so on are designed and analyzed. And completed the overall assembly drawing and two-dimensional drawing. The mechanical calculation of each part of the manipulator is carried out to select the appropriate part, In addition, a lot of calculation processes are used to estimate the torque and power of some parts and select the appropriate motor. Finally, the results of the model selection are verified by finite element analysis. Key Words：Industrial manipulator; Joint type; Dynamic simulation; finite element analysis - III - 目 錄 目 錄 摘 要 II ABSTRACT III 引 言 6 第1章 緒論 7 1.1 機械手研究的背景及意義 7 1.2 機械手研究概況 8 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 8 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 8 1.3 本次課程設計的意義和目的 10 第2章 機械手總體初步設計 10 2.1 機械手設計方案 10 2.2 機械手的傳動方案選擇 11 2.3 機械手的抓取及結(jié)構(gòu)特點 11 2.4 機械手控制方案設計 13 第3章 機械手零部件結(jié)構(gòu)設計 15 3.1 大臂部分結(jié)構(gòu)設計分析 15 3.1.1 大臂外殼設計 15 3.1.2 大臂電機及減速器選型 16 3.2 小臂部分設計 18 3.2.1 小臂結(jié)構(gòu)初步設計 18 3.2.2 小臂步進電機選擇 19 3.2.3 設計小臂鏈傳動方式 20 3.2.4 設計小臂帶輪主要尺寸 22 3.2.5 設計小臂錐齒輪傳動 24 3.2.6 小臂部分設計圖 27 3.3 底座設計 28 3.3.1 底座結(jié)構(gòu)設計 28 3.3.2 底座電機選擇 29 3.4 手爪設計 32 3.5 機械手總裝配圖 33 3.6 本章小結(jié) 33 第4章 機械手的關鍵零部件有限元分析 34 4.1 有限元步驟及使用方法 34 4.2 機器人主要零部件有限元分析 36 4.2.1 軸的的有限元分析 36 4.2.2 圓錐齒輪的有限元分析 39 4.3 本章小結(jié) 41 第5章 總結(jié)與展望 43 5.1總結(jié) 43 5.2展望 43 5.3機械手的經(jīng)濟性分析 44 參 考 文 獻 45 致 謝 47 - 45 - 東北電力大學本科畢業(yè)論文 引 言 機械手這種機械大都是機電一體化的產(chǎn)品，多自由度機械手是機械手這個大領域的研究對象中的重點。機械手的研究領域很多，包攬了機械領域、電子領域、信息理論、人工智能領域、生物領域、以及計算機科學領域[1]，它是這么多理論的結(jié)合，這些領域與機械手相符相承，早期這些領域的發(fā)展促進了機械手這門科學的發(fā)展對機械手的出現(xiàn)創(chuàng)造了條件，后來機械手的發(fā)展同樣促進了這些領域的發(fā)展。 為什么要研究機械手，我們研究機械手的目的又是什么，在時間的長河中，我們一直不斷地探索，不斷地去發(fā)現(xiàn)與研究，我們希望發(fā)展機械手，當人們處于危險的工作時，或者要求極其準確的工作方式時，機械手上陣來替代人類需要做的危險行為，或者精準行為。在這個時候 機械手很大程度上拓寬了人們的活動范圍，使人們可以更好的認識世界改造世界，我們都希望人類能夠利用自己的事務，改進和利用這些特性，從而實現(xiàn)機械化，為人類的福祉而努力。例如：假肢。機械手正在逐漸變得智能[2]。在人工智能發(fā)揮著重要作用的今天，操縱者與人工智能之間的聯(lián)系正在不斷深化。本文設計的這種關節(jié)新式的機械手，他的定義在全球范圍內(nèi)沒有做到統(tǒng)一，這種機械手的分類也也有很多不同之處。 與人類相比，關節(jié)機械手具有運動速度快、承載重物、定位精度高等優(yōu)點?？筛鶕?jù)外部信號自動進行各種操作。 機械手是通過計算機編程來控制的機械裝置，通過這種編程的機械手，我們在很大程度上提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，實現(xiàn)了生產(chǎn)的自動化，提高了生產(chǎn)效率?，F(xiàn)在這個高新技術(shù)發(fā)達的時代，機械手的發(fā)展也需要不斷加快腳步。機械手的誕生直至發(fā)展雖然只有短短的30年，然而它已近成熟滲透到國民經(jīng)濟、民用技術(shù)等諸多領域。具有十分廣大的應用前景，甚至我們的生產(chǎn)生活已近完全離不開他。它已近具有了十分博大的生命力。 XXX 第1章 緒論 機械手是近年來比較火熱的談論話題，隨著科技技術(shù)的發(fā)展，機械手成為了技術(shù)高，產(chǎn)業(yè)密集的機電一體化產(chǎn)品。在許多的發(fā)達國家，比如美國德國。工業(yè)機械手已經(jīng)獲得了十分廣泛的應用，智能的機械手可以使產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)實現(xiàn)自動化，改善勞動生產(chǎn)的環(huán)境，進而很大程度上提高生產(chǎn)的效率。機械手的發(fā)展水平，對一個國家的經(jīng)濟實力有著很大的影響。所以機械手的革命，亦是科技技術(shù)的革命。目前，機械手臂的引用前進不斷地擴大，例如工業(yè)的上下料、國防安全建設、宇宙探索機械手臂、海洋開采機械手、醫(yī)療手術(shù)機械手等等。大到龐然大物，小到肉眼無法察覺。這就是時代賦予了機械手的特征與作用。 1.1 機械手研究的背景及意義 機械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機 械手。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務的需要編制程序，來完成各種所下達操作的指令。機械手具備普通機械所擁有的屬性外，還具備著記憶能力的智能機械人。第二類機械手需要人為操作，簡稱這種機械為操作機。這種機械手可以根據(jù)人的指令和操控來實現(xiàn)軍事作業(yè)，或者月球探索等。第三類范疇是專用型機械手，這種機械手適用于機床工作，得以解決機床的上下料，或者對生產(chǎn)零部件的配送。這種機械手的作用是服務于主機，通過電腦主機來對機械手實現(xiàn)控制作業(yè)。 本文主要設計一款機械手，并介紹了機械手的組成及各部件的作用、工作原理、國內(nèi)外發(fā)展趨勢、發(fā)展前景和方向、機械手的應用、機械手在工業(yè)中的使用意義。機械行業(yè)，重點是機械手的計算過程和機械手的可行性分析。 1.2 機械手研究概況 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 H Fujimoto[2]提出了一種基于采樣間干擾抑的六自由度機械手視覺伺服控制方法。在控制器中，針對采樣頻率受限的一般數(shù)字控制系統(tǒng)，采用了作者提出的多速率采樣間干擾抑制算法。所提出的具有開環(huán)估計和開關函數(shù)的前饋控制方案能夠在不犧牲閉環(huán)特性的情況下抑制干擾。建立了視覺伺服系統(tǒng)中延遲問題的一個新的精確表達式，即圖像處理延遲、攝像機信號采樣周期與關節(jié)伺服系統(tǒng)控制周期之差以及內(nèi)環(huán)關節(jié)伺服系統(tǒng)的延遲。通過引入新的多回路控制方案和深度辨識，提出的采樣間干擾抑制控制器適用于具有運動目標點的六自由度機械手的復雜視覺伺服問題。 SArima[4]對六自由度機械手進行研究通過運動學和力學分析、逆運動學仿真和數(shù)據(jù)分析、軌跡的正確規(guī)劃與規(guī)劃仿真分析。因為運動算法的正確性不能直觀展現(xiàn)出來，他通過使用C++來分析機械手的運動軌跡和空間運動路徑的規(guī)劃，基于MFC和OpenGL圖形庫開發(fā)了3D運動仿真軟件系統(tǒng)IDE。他使用正向運動學，和運動仿真中結(jié)合軌跡規(guī)劃的算法，并根據(jù)多項式的求導計算等數(shù)學方法建立數(shù)學立模型軌跡規(guī)劃，使機械手得到了很大程度上的優(yōu)化和提升。 AGJ Kouabon和Melingui[5]提出了一種求解高自由度冗余度機器手逆運動學問題的學習框架。這些有幾種可能的組合來獲得末端效應器（EE）姿勢。因此，對于給定的EE姿勢，可以關聯(lián)多個關節(jié)角度向量。然而，對于給定的EE位姿，如果將一組關節(jié)角參數(shù)化，則冗余度機械手的IK問題可以歸結(jié)為非冗余度機械手的IK問題，從而可以應用為非冗余度機械手開發(fā)的閉式解析方法來獲得IK解。通過對冗余度機械臂的工作空間聚類和位形空間聚類，實現(xiàn)了冗余度機械臂關節(jié)的參數(shù)化。工作空間聚類采用生長型神經(jīng)網(wǎng)絡（GNG），配置空間聚類采用鄰域函數(shù)（NF）。通過對冗余度機械手的仿真和實驗，驗證了該方法的有效性。 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 XXX 我國機械手在很晚的時候才發(fā)展機械手，所以我國機械手的研發(fā)相對落后。80年代我國的機械手才算啟動。 1986年春天，我國正式啟動了“七五”研究高新機械產(chǎn)品的規(guī)劃，這成為解決我國對于機械手問題的關鍵步伐。在1987年的時候，我們國家研究人員將“863”高新技術(shù)計劃列入了機械臂的研發(fā)項目。在當下，我國很多高校和研究機構(gòu)都對機械手進行深度的研究，國家鼓勵科技創(chuàng)新。我國機械手的研究在很短的時間里就取得了顯著的成果。 1988年，中國國防科技大學的兩位學者成功的研發(fā)了平面空間內(nèi)的雙足機器人kdw-1，它有六個自由度，可上下樓梯、前后移動，最大步幅40厘米[6]，每秒步數(shù)為4?？臻gkdw-ii于1989年被開發(fā)，它甚至擁有驚人的10自由度，它全長69cm，重量為13kg，質(zhì)量很輕。實現(xiàn)了前、后、上、和下樓梯時候的穩(wěn)定狀態(tài)和左右移動的穩(wěn)定狀態(tài)。在20世紀90年代科學家在kdwⅡ的平臺卡座上多加了兩組垂直接頭零件，使機械手發(fā)展成為具有12個自由度和轉(zhuǎn)彎功能的kdwⅢ，實現(xiàn)了機械手自由度的突破，并得到了長遠的發(fā)展。 1996年科學家們使機械手實現(xiàn)了每秒0.8次的機械手抓取次數(shù)，步長20厘米-22厘米，最大工作坡度為19度。21世紀初期，我國第一臺仿人機械手“先鋒”在kdw-iii的基礎上研制成功，可用于偏差小、不確定度小的動態(tài)環(huán)境，周期為每秒兩步，高度1.4米，重量20公斤，具有頭、眼、頸、身、臂、腳等功能，并具有一定的語音功能。 老舊的機械手是欠驅(qū)動[7]，當抓取比較小的物體時。第一，物體很難被夾起，第二物體容易從手爪上面脫落。對于這個問題，馬江濤提出一種新型的機械手結(jié)構(gòu)，是一種欠驅(qū)動方式的夾取機器，對之前的機械手進行了優(yōu)化和提升。他充分的介紹了他設計的欠定義型機械臂機械手抓和驅(qū)動機械手抓運動的伺服控制系統(tǒng)。創(chuàng)新了手爪的結(jié)構(gòu)，通過對手指的靜態(tài)分析，證實了手爪的靈活性和可操作性。他根據(jù)對剛度的計算公式，和矩陣勢能模型，確定了機械手運行的合理范圍，確定了機械手最佳抓取形狀。通過多次的實驗，他設計的機械手可以輕松的應對抓取物品的尺寸的變化。 我們都知道，傳統(tǒng)的機械手工作的范圍十分的有限。通過團隊的協(xié)作徐頂峰等人研究出了一款可變手掌機械手，這種機械手擁有雙五桿滑塊，滑塊是并聯(lián)安裝的機構(gòu)。,利用多目標遺傳算法優(yōu)化目標尺寸.結(jié)果表明曲柄的長度對機械手抓取范圍影響最大,并確認了機構(gòu)死點位置。 近年來，著名的清華大學在研制一款高1.7m、重130公斤、自由度32度的人形機械手thbip-i。清華大學學生，在985項目科研工作計劃的不斷推動下，對于機械手的研究日新月異。 1.3 本次課程設計的意義和目的 在研究機械手的主要作用和結(jié)構(gòu)時，穿插著機械手運動程序的確定，于東方向的選擇。開關，繼電器，伺服電機的選擇，電路的設計和各零部件安裝位置的確實都是十分有意義的。動作復雜的機械手的設計需要我們學習很多新知識并且結(jié)合已學知識，使得設計的成果能夠更好的展現(xiàn)出來。 機械手在我們的生活中已經(jīng)占據(jù)了非常重要的地位，機械手的發(fā)展水平很大程度上決定了社會的發(fā)展水平。所以我在項目畢業(yè)的時候就選擇了機械手。我希望我能學到知識，得到能力的培養(yǎng)。 1.4 機械手的發(fā)展方向 從上世紀七十年代第一臺機械手問世以來，經(jīng)過了接近五十年的發(fā)展，隨著機械手的普及和越來越多的產(chǎn)業(yè)對機械手的需求，伴隨著相關技術(shù)的成型和有關高新技術(shù)人才的努力，未來的搬運機械手可以在以下幾個方面發(fā)展： （1）高性能 即搬運機械手在負載能力[8]，控制精度，工作穩(wěn)定性和操作的便利性等方面。隨著理論與實踐相結(jié)合的模式，搬運機械手的各項性能會持續(xù)升高。就負載能力來看，就是隨著應用場合的增加，高負載的搬運機械手，更廣泛的應用于各大生產(chǎn)制造廠間是必然的；另外在衡量一臺搬運機械手的性能時，它的控制精度或則說工作時的穩(wěn)定性對于機械手來說是一項重要指標，搬運機械手能否在高效穩(wěn)定的情況下，將物料準確的運送到適合的場合，完成它該完成的行進路線具有相當大的應用價值，所以搬運機械手的穩(wěn)定性也是未來的研究方向。 （2）多模塊化結(jié)合 近年來，隨著人們生活水平的提高和生活方式的增加，給機械手的人性化的研發(fā)增加了挑戰(zhàn)，怎樣滿足不同人群對機械手有不同的要求變得越來越重要。首先想到的便是將各種各樣的模塊賦予到機械手上，設計一些專業(yè)性和通用性相結(jié)合的機械手，然后行成批量化，系列化的生產(chǎn)模式。讓這種組合式的模塊更好的服務于人類，讓人類與機械手之間建議一種和諧人機互動模式。 （3）智能化 伴隨電子技術(shù)的發(fā)展，自動化產(chǎn)業(yè)在機械手的應用越來越普遍，接下來機械手的發(fā)展將會越來越智能化，例如，我們可以在現(xiàn)有電子（反饋）控制的基礎上，運用定位軟件，成型技術(shù)的研究，實現(xiàn)長距離，跨區(qū)域式對機械手實行控制，讓搬運機械手將最大化地實現(xiàn)智能化。 第2章 機械手總體初步設計 本文的重要任務是完成機械手的機械結(jié)構(gòu)設計和機械手的受力分析,而本章內(nèi)容是圍繞機械手機構(gòu)設計任務來展開,首先呈現(xiàn)機械手的總體設計方案圖，再對機械手的傳動方式和結(jié)構(gòu)進行介紹，然后對本章內(nèi)容進行總結(jié)歸納。 2.1 機械手設計方案 本文在設計開始之前，為了清晰的展示本文所設計的機械手，先對機械手整體外形以及機械手的結(jié)構(gòu)進行呈現(xiàn)，并且為以后計算分析做好準備。本文設計的如下圖2.1所示： 圖2.1 機械手設計方案 2.2 機械手的傳動方案選擇 首先確定機械手的工作原理圖，通過機械手的研究和學習，確定了機械手的大概組成基座部件包括基座、齒輪傳動部件、軸承、步進電機等[9]。機械手的機座部分的作用是支撐部件，并且支承和轉(zhuǎn)動大臂部件,承受關節(jié)機械手的全部重量和工作載荷，因此機座應該具有足夠的強度、合適的彈性勢能和良好力學效果。此外，底座的底盤應該保證足夠的大，能夠輕松的支撐起機械手，實現(xiàn)機械手伸張縮短，和實現(xiàn)機械手自由運動時候的抓取工作。圖2.2為機械手的基本結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2.2 機械手的結(jié)構(gòu)設計示意圖 絕大多數(shù)情況下，底座部分的電機可以實現(xiàn)自傳，比能切帶動著大臂運動，其次大臂電機帶動著小臂運動，小臂的運動更加的靈活，還可以實現(xiàn)自身的轉(zhuǎn)動。這樣就可以實現(xiàn)手臂的各種運動。機械臂部分為大臂和前臂。動臂部件包括：動臂、齒輪傳動部件和驅(qū)動電機。小臂零件：包括臂部、傳動軸、同步傳動帶等。驅(qū)動手腕運動的步進電機固定在手臂的一端。手腕組成：包括手腕殼、齒輪傳動組合，電機，軸等。 XXX 2.3 機械手的抓取及結(jié)構(gòu)特點 目前，機械手分類有很多種形式[10]，主流常見的機械手結(jié)構(gòu)分類大體可以分為四類。他們是關節(jié)式機械手結(jié)構(gòu)，直角坐標控制的機械手，柱坐標系機械手，求坐標機械手，下面來介紹各種機械手機械手的結(jié)構(gòu)和功能特點。 (1) 直角坐標機械手結(jié)構(gòu) 直角坐標機械手結(jié)構(gòu)，顧名思義就是在直角坐標系下控制的機械手，這種機械手屬于比較常見的機械手類別?？臻g對這種機械手的影響較小，且這種機械手的尺寸遠遠大于其他機械手。所以一般適用于機床加工時的換刀操作，運動形式較為死板。對本次畢設不太實用。 (2) 圓柱坐標機械手結(jié)構(gòu) 柱坐標控制的機械手可以實現(xiàn)以此旋轉(zhuǎn)運動和兩次直線運動，這是一種比較簡單的控制方式，如2-1(b)圖所展示的機械手結(jié)構(gòu)。這種機械手的結(jié)構(gòu)相對于其他機械手的結(jié)構(gòu)來說是簡單的，但是他的精度不錯，可以很好地實現(xiàn)抓取的運動，工作的空間形狀為圓柱形。 (3) 球坐標機械手結(jié)構(gòu) 求坐標系機械手運動[11]，兩次旋轉(zhuǎn)，一次直線運動。這種工作形式的機械手結(jié)構(gòu)也相對簡單，然而機械手抓取的精度和其它的相比也相對較低，所以這種機械手不經(jīng)常被人們所使用。其主要的作用是作一些簡單的抓取工作，并且在一個球形的工作區(qū)域內(nèi)工作。 (4) 關節(jié)型機械手結(jié)構(gòu) 關節(jié)類型的機械手就向我們的手臂一樣，通過大臂帶動著小臂一起運動，由三個回轉(zhuǎn)體組成，如圖2-2(d)所示。關節(jié)類型的機械手活動十分的靈巧，他能很輕松的實現(xiàn)很多動作，而且他的體積很小，所以這種機械手的研究十分的熱門。相對機械手本體尺寸，機械運作時候所需的空間大。這樣的機械手適合被運用在機器制造業(yè)中。例如機械手焊接技術(shù)、自動汽車噴漆涂漆、快遞搬運等。 (a) 直角坐標型 (b) 圓柱坐標型 (c) 球坐標型 (d) 關節(jié)型 圖2.3 四種機械手坐標形式 通過仔細的斟酌和考慮，選擇了關節(jié)式的機械手。他的優(yōu)點最多，可靠性很強，由于本次設計準備夾取的加工工件的質(zhì)量為5KG，考慮到數(shù)控機床布局的具體形式以及對機械手的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，提高機械手在實際生產(chǎn)中的應用效果[12]，和經(jīng)濟效益。其中腰部有一個旋轉(zhuǎn)自由度，大臂和小臂的俯仰自由度，小臂的旋轉(zhuǎn)自由度，手腕的俯仰、旋轉(zhuǎn)自由度。在本論文中，重點設計的是大臂小臂的具體結(jié)構(gòu)。因此，需要著重的對大臂小臂進行精細的設計以及零件組合到一起時候的運動效果。 2.4 機械手控制方案設計 現(xiàn)在這個階段，不管是國內(nèi)還是國外機械手的負載重量的范圍是很廣泛的，其中最小的負載通過研究已經(jīng)控制到了5N之下，最大負載高達9000N。機械的載荷的確定主要考慮的是機械手的材料，沿著機械手作用方向的力，以及抓取物的質(zhì)量所決定的，而且還得充分考慮機械手工作時產(chǎn)生的力矩和扭矩，關節(jié)工件或工作物體的重量，以及規(guī)定速度和加速度條件下的慣性力。本設計給出的設計參數(shù)可以初步估計本設計屬于小載荷。具體步驟如下： （1）選擇驅(qū)動方式 首先考慮選擇的是伺服電機[13]，伺服電機在控制機械手的時候他的控制性能非常突出、操控的靈活性強、控制手臂運動的速度快反應靈敏、伺服電機在工作時需要保證對周圍環(huán)境有較小的影響、并且具有所占的體積小、工作時候的效率高等特點。伺服電機適合室友在中小型的機械手臂上，應為這種手臂要求嚴格，本文的機械手臂屬于中小型機械手，所以在設計時選擇了伺服電機來控制機械手的運動與仿真。 （2） 設計傳動方式 由于在機械手工作的時候，運行的環(huán)境是一個高效率的環(huán)境，要求傳動的準確性要十分的高，所以必須保證傳動比的準確性，設計的機械手要有緊湊的結(jié)構(gòu)，可靠的工作效率，有著較長的壽命。所以必須采用適當?shù)姆绞较齻鲃渔溨g的間隙。本文機械手主要的傳動方式為齒輪傳動，依靠齒輪傳動的精密性，來消除傳動零件之間的間隙。已達到傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊湊的特點。 （3） 運作范圍確定 機械手的運作空間范圍根據(jù)工業(yè)機械手臂的工作范圍，以及機械手本身的運作軌跡的變化而變化，用工作空間的大小來表示機械手運動范圍。機械手在工作的時候會產(chǎn)生一個工作空間的形狀，這個工作空間的形狀影響著機械結(jié)構(gòu)的坐標工作形式，也會影響機械手的自由度，大臂小臂的長度，以及關節(jié)變化角度和變化范圍。 （4）機械手運動的速度確定 機械手手臂每個動作的最大行程確定后，可以根據(jù)周期時間表確定每個動作的時間，進一步確定每個動作的移動速度[14]，用m/s或()/s表示，每個動作的時間分配要考慮各種因素，如總周期時間的長短，動作是順序進行還是同時進行等。盡量做好每個行動時間的分配計劃表，進行對比。機械手沒關節(jié)運動時間的分配除了需要考慮機械手的運動軌跡外，還要考慮轉(zhuǎn)動慣量和機械手精度和行程等條件。 2.5 本章小結(jié) 本章首先對整體的機械手的造型進行呈現(xiàn)，其次確定機械手的傳動方案為關節(jié)式傳動方案，對抓取及結(jié)構(gòu)特點進行了初步的設計，以及對控制方案的設計。確定了驅(qū)動方式為伺服電機驅(qū)動。并且確定了機械手的運動范圍和速度。本章在內(nèi)容上引出下文對機械手零部件的精設計。  第3章 機械手零部件結(jié)構(gòu)設計 本文的機械手由機械手底部支座、機械手推動大臂、機械手靈活前臂、電機和機械手爪組成，底座支撐機械手，大臂來控制小臂的運動，小臂來實現(xiàn)運動的反饋。并通過手爪來實現(xiàn)抓取。本章將對抓取機械手的機械零部件部分進行詳細的設計說明。 3.1 大臂部分結(jié)構(gòu)設計分析 臂架部分是鉸接式機械手的主要部件。它的作用是支撐前臂和爪子的作用，帶動它們做空間運動。手臂運動的目的：使手在空間中的任何一點運動。如果改變手的姿勢（方向）關節(jié)，就可以實現(xiàn)手臂的自由運動。因此，臂架部分的設計是必不可少的部分。 3.1.1 大臂外殼設計 大臂部分需要考慮的地方有臂部的承載能力，臂部的速度的考慮，臂部運動的靈活度，和臂部各零件的精度，所以大臂部分的基本要求如下: （1）臂部應承載能力大、剛度好、自重輕.臂部通常即受彎曲(而且不僅是一個方向的彎曲)，也受扭轉(zhuǎn)，應選用彎和抗扭剛度較高的截面形狀。機械手選用工字鋼作為支撐鋼[15]，和其它材料想比，在截面單位重量相同的情況下，獲得了更大的志成路。既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內(nèi)部還可以布置驅(qū)動裝置、傳動裝置以及管道，這樣就使結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊。 （2）機械手臂在運動時需要較高的速度，而且慣性力要控制的小，為了降低運動過程中各部件產(chǎn)生的沖擊，要使啟動的速度和加速度保持在合適的范圍內(nèi)，不然會引起很大的震動，以至于損壞機械手的各零部件。為了減小這種沖擊，規(guī)避這樣的風險，采取了以下的措施： (a) 控制材料來減輕部件重量 (b) 減少手臂運動件的輪廓尺寸 (c) 減少回轉(zhuǎn)半徑 (d) 驅(qū)動系統(tǒng)中設有緩沖裝置 （3）機械手在工作的時候手臂的運動要保持非常的靈活。機械手個零部件之間的摩擦阻力是不可避免的額，未來減少這種摩擦，可以通過用滾動的運動方式來代替滑動的運動方式。 （4）要想準確的抓取物件，機械手各部件的定位要是十分的準確。通過直角坐標系來描述機械手的運動軌跡，通過直角坐標變化規(guī)律，來控制機械手的運動，這樣可以精確的實現(xiàn)軌跡控制。并且在手臂上裝了檢查額裝置，這樣就可以更好的檢測機械手的準確性。 通過上述的總結(jié)，通過使用鋁合金來設計機械臂的大臂，這樣既使得機械臂變薄也可以得到較高的強度。原因之一是在很大程度上保證了機械手的剛度和強度，原因之二是減輕了機械手的總體質(zhì)量。也可以提高機械臂在工作時的動態(tài)響應。通過思考和查閱資料，以及機械手的尺寸確定，設計出來如圖 3.1所示的機械后大臂外殼結(jié)構(gòu)，大臂材料為鋁合金。 圖3.1大臂外殼樣式 3.1.2 大臂電機及減速器選型 假設前臂和手腕圍繞第二關節(jié)軸的重量：M2=2Kg， M3=4Kg J2=M2L42+M3L52 =1×0.0972+4×0.1942=0.16kg.m2 (3.1) 臂架速度為 10r/min，旋轉(zhuǎn)開始時的扭矩可表示為：要讓機械手大臂從到機器人臂架到達所需的時間：則： (3.2) 考慮到機械手在工作時各個零部件圍繞中興產(chǎn)生的摩擦力[16]，力矩和轉(zhuǎn)動慣量，當機械手開始轉(zhuǎn)動時，設機械手轉(zhuǎn)動的啟動力矩為10N。如果設其安全系數(shù)是2，則機械手減速器需要輸出的最小力矩為20N.m如式3.3所示。 (3.3) 由式3.3可以確定型號為：XB3-50-120 ,這種電機輸出的力矩就是：20N.m ,當時，此時的機械手步進電機實際輸出力矩為： (3.4) 通過查表選擇BF反應式步進電機,型號：55BF003,靜轉(zhuǎn)矩：0.686N.m,步距角：1.5°，給電機添加外殼，并用軸與大臂相連，來實現(xiàn)大臂繞軸的旋轉(zhuǎn)。如圖3.2所示： 圖3.2 大臂鏈接電機 3.2 小臂部分設計 前臂可以連接手的上臂和手的爪子來支持和改變手的姿勢。手腕設計要求是:結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕;運動靈活穩(wěn)定，定位精度高。所用材料強度和剛度高;所述的與手臂和手的連接部分結(jié)構(gòu)合理，所述的傳感器和驅(qū)動裝置還提供了合理的布局和安裝。 3.2.1 小臂結(jié)構(gòu)初步設計 根據(jù)自由度分類，工業(yè)機器人手腕可分為單自由度手腕、二自由度手腕和三自由度手腕。并非所有的手腕都必須有三個自由度，而是根據(jù)工業(yè)機器人的實際工作性能要求來確定的。本課題研究設計的噴涂機器人手腕有兩個自由度:擺動和旋轉(zhuǎn)。二自由度的手腕是通過兩個關節(jié)來實現(xiàn)的，然而兩個關節(jié)就會產(chǎn)生重復的麻煩，事實上只相當于一個關節(jié)在起作用。而且小臂重量全部由大臂來承受，就會帶來非常大的負載，所以使用如圖3.3所示的三自由度的手腕，使用電機來遠程間接驅(qū)動手臂的運動，并且由兩條鏈傳動驅(qū)動[17]，一條用來控制手腕的擺動，一套驅(qū)動手腕的滑動。雖然這種情況會產(chǎn)生額外的傳動，但是通過部進電機的合理控制可以干涉這種影響。 圖3.3 ＢＢ型手腕示意圖 本次課設研究的機械手可以廣泛的應用于工業(yè)生產(chǎn)當中?？梢猿洚敊C床的上下料，也可以用來焊接和噴漆。而且這種結(jié)構(gòu)緊湊的機械手也適合在狹窄的空間中標運作。為了滿足機械手的這些特性，他的手腕部分的建議形狀和尺寸設計如圖3.4所示。 圖3.4 手腕厚度尺寸示意圖 3.2.2 小臂步進電機選擇 手腕偏轉(zhuǎn)由放置在手臂底側(cè)后面的步進電機驅(qū)動，由兩級滑輪鏈驅(qū)動，然后由錐齒輪嚙合傳動換檔。手腕的驅(qū)動力來自步進電機。首先計算手腕偏轉(zhuǎn)所需的扭矩，然后計算電機的輸出扭矩，確定步進電機的型號，從而計算鏈傳動和錐齒輪傳動的傳動參數(shù)和相關尺寸。 （1）選擇步進電機 機械手腕在工作時需要偏轉(zhuǎn)，需要克服工件間的摩擦力矩，腕部在啟動時也要克服慣性力矩，根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計算公式： （3.5） （3.6） （3.7） （3.8） （3.9） （3.10） （3.11） （3.12） 如下列出已知條件：m/s，kg，m，m，m，s，假設手腕部分的材料為鋁合金，密度kg/m3。 將數(shù)據(jù)代入計算得： N·m， N·m，， N·m 因為腕部傳動是通過兩級帶輪和一級錐齒輪實現(xiàn)的，所以查取手冊得： 彈性聯(lián)軸器傳動效率； 滾子鏈傳動效率； 滾動軸承傳動效率（一對）； 錐齒輪傳動效率； 計算得傳動的裝置的總效率。 電機在工作中實際要求轉(zhuǎn)矩 N·m 依據(jù)計算好的機械手偏轉(zhuǎn)力矩，結(jié)合電機的矩頻特性曲線，如圖3.5所示，選擇出了90BG5200B-SAKML-0301型步進電機。 圖3.5 90BG5200B-SARML-0301型步進電機矩頻特性曲線 3.2.3 設計小臂鏈傳動方式 （1）計算、分配傳動比 步進電機的型號可有上文得知，根據(jù)上圖的曲線，選擇步進電機的實際工作轉(zhuǎn)矩是4.4 N·m，所選擇的步進電機的實際轉(zhuǎn)速為r/分鐘。通過上文計算確定的大臂小臂之間手腕的偏轉(zhuǎn)角速度為r/s，通過在這個公式得出了角速度，由此計算大臂部分工作時偏轉(zhuǎn)應有速度r/min，有n1與n2之比來計算出傳動比為：。 確定的手腕偏轉(zhuǎn)傳動方式是通過兩級滑輪鏈傳動和一級錐齒輪傳動，需要分配總傳動比。通過機械臂內(nèi)部的空間結(jié)構(gòu)[18]，充分的考慮齒輪的尺寸和機械手內(nèi)部的結(jié)構(gòu)模式，選取小臂內(nèi)齒輪的傳動比為，大臂內(nèi)齒輪的傳動比為，圓錐齒輪之間的傳動比控制在，。 （2）計算小臂鏈傳動功率 kW （3.13） （3）選擇帶輪的齒數(shù) 再小臂的結(jié)構(gòu)中，未了使兩個齒輪的結(jié)構(gòu)配合更加精密，要控制傳動比相對較小。而傳動距離比較長，選擇小帶輪齒數(shù)，大帶輪齒數(shù)，、取奇數(shù)，鏈節(jié)數(shù)為偶數(shù)，可使鏈條和帶輪輪齒磨損均勻。 （4）選擇鏈條類型 根據(jù)機械設計手冊[15]進行鏈條傳動的設計： kW （3.14） kW （3.15） mm ， （3.16） mm， （3.17） mm （3.18） mm （3.19） mm （3.20） mm （3.21） m/s （3.22） N （3.23） N （3.24） 3.2.4 設計小臂帶輪主要尺寸 根據(jù)所選滾子鏈的型號規(guī)格確定一對帶輪基本參數(shù)： ，，mm，mm，mm。 帶輪主要尺寸： （3.25） （3.26） （3.27） （3.28） （3.29） 將數(shù)據(jù)代入計算得：mm mm mm mm mm mm mm mm mm 3.2.5 設計小臂錐齒輪傳動 根據(jù)工業(yè)機械手的工作具體要求[19]，手腕的傳動由標準的直齒錐齒輪來進行傳動，將其材質(zhì)設置45鋼。因為選用的齒輪是屬于封閉式，齒面磨損和彎曲時齒輪的主要問題。因此，齒輪的設計需要依據(jù)彎曲曲疲勞強度的數(shù)值。為了使計算更加方便，選擇的錐齒輪齒數(shù)較小，所以一，可取17～20[15]。 （1）設計齒輪主要參數(shù)及尺寸 齒數(shù),： 齒數(shù)比，所以選擇,則。 齒寬系數(shù)： ，取。齒寬系數(shù)不宜取過大，避免引起小端齒頂過薄，齒根圓角半徑過小，應力集中過大。 根據(jù)手冊，按齒面接觸疲勞強度計算小齒輪大端分度圓直徑和大端模數(shù)： （3.30） 查手冊得到，,,MPa。 由于 N·m，,。 將數(shù)據(jù)代入得到小齒輪大端分度圓直徑mm。 大臂的端面模數(shù)，可以通過標準的分度圓模數(shù)來確定，取。 圓錐齒輪主要尺寸計算： （3.31） （3.32） （3.33） （3.34） （3.35） （3.36） （3.37） （2）按齒面接觸疲勞強度進行校核 計算接觸用單位齒寬上的載荷 MPa （3.38） 查[16]手冊，，—齒向載荷分布系數(shù)，==1.2。 計算接觸疲勞應力 MPa （3.39） 計算齒輪的接觸疲勞極限應力 （3.40） 查手冊得到，，。 所以，MPa。 計算接觸安全系數(shù) ，安全系數(shù)較高。所以，接觸疲勞強度滿足，參數(shù)合理。 （3）按齒根彎曲疲勞強度的校核 計算彎曲用單位齒寬上的載荷 MPa 變位系數(shù) 取，則。 應力集中校正系數(shù) 由及可查表得，由及可查表得。 齒形系數(shù) 由，據(jù)及可查表得，由及可查表得，而，所以：，。 彎曲計算應力 根據(jù)公式： （3.41） （3.42） 將數(shù)據(jù)代入計算得：MPa MPa 取安全系數(shù) 查手冊，得彎曲疲勞壽命系數(shù)，。 查手冊，得彎曲疲勞極限為MPa，MPa。 許用應力： （3.43） （3.44） 將數(shù)據(jù)代入計算得：MPa MPa 因此、，彎曲疲勞強度滿足，參數(shù)合理。 3.2.6 小臂部分設計圖 通過組合小臂部分電機，錐齒輪的嚙合，和上文傳動的方式設計出如下小臂結(jié)構(gòu)[20]。如圖3.6： 圖3.6 小臂裝配圖 3.3 底座設計 3.3.1 底座結(jié)構(gòu)設計 底座具有支撐機械手臂，以及控制機械手臂旋轉(zhuǎn)的作用。它像是一個根基， 很大程度上決定了機械手的穩(wěn)定性。所以在底盤的選擇上，選用質(zhì)量大，而且強度硬度大的鑄鐵。底座部分的電機來實現(xiàn)手臂的旋轉(zhuǎn)，已實現(xiàn)機械手在空間范圍內(nèi)的運動。基座的示意圖如圖3.7： 圖3.7 底座結(jié)構(gòu)設計圖 3.3.2 底座電機選擇 首先計算輸出軸的轉(zhuǎn)矩 （3.45） （3.46） （3.47） （3.48） （3.49） （3.50） 當大小臂位置關系如圖3.1所示時，大小臂處于動作所能達到的極限位置，此時所需值最大。 圖3.9 大小臂處于極限位置 由同組成員計算的臂架質(zhì)量和相關臂架相對于中心線oa的垂直距離計算得出： =400mm， =30kg， 代入式（3.45）得：=1.6kgm 同組隊員計算的前臂質(zhì)量及相關前臂相對于oa線的垂直距離得出： =1000mm， m=20kg， 代入式（3.45）得：=6.67kgm m 計算相關機身設計數(shù)值得出：kg 代入式（3.50）得： =5.75kgm 代入（3.51）得到=44.86Nm 帶入（3.1）得到 =49.85Nm = =6.86Nm 選擇二級圓柱齒輪減速器i=9 （3.51） =0.99 ——聯(lián)軸器傳動效率 =0.96 ——齒輪傳動效率 =0.98 ——軸承傳動效率 代入式（3.7）得到：0.807， 表3.1 電機參數(shù) 型號 相數(shù) 步距角 (DEG.) 電壓 (V) 電流 (A) 靜轉(zhuǎn)矩 (N.m) 空載運行頻率 (KHZ) 轉(zhuǎn)動慣量 (Kg.cm2) 備注 86BYG250AN 2 0.9°/1.8° 110 3.6 2.4 ≥15 0.56 86BYG250BN 2 0.9°/1.8° 110 4 5.0 ≥15 1.2 86BYG250CN 2 0.9°/1.8° 110 5 7.0 ≥15 4.28 根據(jù)表3.1選擇86BYG250CN型步進電機，這種電機的簡圖如圖3.10。 圖3.10 步進電機外形簡圖 3.4 手爪設計 本設計采用連桿式爪[21]。驅(qū)動桿來回移動以打開或關閉爪。手指的最小開口由工件的直徑來調(diào)整。爪形結(jié)構(gòu)由連桿結(jié)構(gòu)組成，如圖3.11所示： 圖3.11手爪結(jié)構(gòu)示意圖 3.5 機械手總裝配圖 通過對上文所設計的各部分結(jié)構(gòu)進行整合，得到如下機械手三維結(jié)構(gòu)圖。 圖3.12 機械手總裝配圖 由圖3.13簡化，得到下圖的傳輸圖。各軸從高速到低速設計為Ⅰ軸（輸入軸）、Ⅱ軸（中間軸）、Ⅲ軸（輸出軸）。 3.6 本章小結(jié) 本章主要設計了機械手的各部分結(jié)構(gòu)和總體的裝配，最后用總體的傳動簡圖來校驗電動機的選型以保證結(jié)構(gòu)設計的可行性。主要包括大臂設計，小臂設計，底座設計，傳動軸的設計以及手爪設計。最后完成了總體的裝配圖。 第4章 機械手的關鍵零部件有限元分析 通過上文對機械手的設計，我們初步的計算出設計的合理性，得出機械手部分材料的選擇，本章將對前面的選型進行有限元分析，以證明設計的零件能夠滿足設計要求。 4.1 有限元步驟及使用方法 有限元方法的步驟[22]：對于不同的具體物理數(shù)學特征量的性質(zhì)問題及其相應數(shù)學特征模型的構(gòu)成問題，有限元代數(shù)求解計算方法的理論基礎和計算步驟都應該是一樣的，只是具體計算公式的邏輯推導與代數(shù)運算構(gòu)成求解題的方法不一樣。有限元問題求解法是問題的一個基礎求解步驟一般可以定義如下為: 第一步:對具體問題和其用于求解問題領域的模型定義:我們依據(jù)數(shù)學實踐理論中的具體問題近似模型來定義確定其用于求解問題領域的具體物理現(xiàn)象特征與具體幾何現(xiàn)象類型。 第二步:對于求解域的網(wǎng)絡離散化:我們將所要求解的零部件進行嚴格的網(wǎng)格劃分，使得它們有著符合性能的形狀并且相互之間有聯(lián)系，習慣上被我們可以統(tǒng)稱定義為對于每個有限元的整個網(wǎng)絡空間進行離散劃分。顯然每個計算單元越小(它的網(wǎng)格就越細)則其對于每個離散域的近似性優(yōu)化程度就一定會變得更好，計算的最終結(jié)果也就越準確，但是由于計算出來數(shù)據(jù)的準確質(zhì)量及其中的誤差程度都會逐漸性的增大，因此對于求解域的近似性以及離散域優(yōu)化被廣泛認為已經(jīng)是有限元法中最重要的幾個核心技術(shù)之一[23]。 第三步:分析確定所在狀態(tài)變量和其邊界控制的基本方法:有一個微分物理邊界的問題，這個問題通常都認為是問題可以通過使用其中一組基于包括一個問題所在狀態(tài)變量的物理邊界控制條件在內(nèi)的多個微分方程式函數(shù)來進行表示，而通常為了得到適合一個有限元的物理求解，這個時候，一個完全等價的微分函數(shù)是完全可以很簡單的簡化出來的。 第四步:進行單元矩陣推導:對一個單元矩陣進行直接構(gòu)造一個數(shù)量相當于單元適合的簡單近似數(shù)的求解，即通過單元推導有限多個單元的順序排列，其中主要研究內(nèi)容應該包括如何正確選擇合理的一個單元作為坐標系，建立一個單元測試溫度函數(shù)，以某些數(shù)學方法來作為理論基礎的并給出一個單元各種不同狀態(tài)變量之間的一種離散向量關系[24]，從而單元可以直接形成一個新的單元矩陣(在分子結(jié)構(gòu)學和動力學中被廣泛稱為剛性柔度陣或簡稱柔度陣)。 為了能夠保證一個問題代數(shù)求解的正確收斂性，單元式方程中的代數(shù)推導計算方法中還有很多基本設計原則也都需要我們嚴格研究遵循。對于信息工程實際的教學應用來說，重要的一點問題就是我們是否應該充分地高度關心每一個解題單元的主要解題方法特性與其中的約束力。因此，單元的物理形狀主要還是需要有嚴格的規(guī)則，不能擁有畸形，因為在單元畸形時不但計算精度較低，而且可能存在單元缺秩危險，將來也會直接影響造成單元無法及時進行正確求解。 第五步:將一個離散單元的連續(xù)總裝求解構(gòu)造為基于離散域的一個集合函數(shù)矩陣求解方程(稱為聯(lián)合矩陣方程的數(shù)組)，反映了對于每個近似域的求解域中每個離散域的統(tǒng)一要求，即每個離散單元集合函數(shù)的各種連續(xù)性質(zhì)都需要同時滿足一定的連續(xù)求解條件?？傃b置的工作通常是在兩個時間相鄰的計算單元的連結(jié)點之間直接進行，狀態(tài)變量和它們的時間導出函數(shù)(如果那么有可能)的連續(xù)性將會通過某些方法結(jié)合起來。 第六步:聯(lián)立方程組求解和結(jié)果解釋[25]:通過有限元方法，一般我們都會得出一個聯(lián)立方程組。聯(lián)立方程組的求解可用直接法、迭加替代變換方法和隨機變換方法。其中所計算得到的狀態(tài)求解變量結(jié)論定義為在一個單元件和構(gòu)件的連結(jié)點中心位置上的一個狀態(tài)變量近似。對于整個計算過程結(jié)果的處理精度和計算質(zhì)量，將來都會直接通過跟工程設計質(zhì)量準則所要求提供的較高容忍度數(shù)據(jù)進行定量比較，以便我們確定這些較高容忍度數(shù)據(jù)是否必須同時進行具有重復性的計算。 簡而言之，有限元分析主要分成了三個階段，這三個階段都有各自存在的意義，它們分別是前置處理、計算求解以及后置處理。前置處理就是本文之前所提到的網(wǎng)格劃分，計算求解則顧名思義，通過軟件進行計算，再用后置處理進行分析，使使用者得到需要的結(jié)果。也可以通過以下流程圖反映： 圖4.1 有限元分析流程圖 4.2 機器人主要零部件有限元分析 機械手主要的工作是實現(xiàn)抓取和遞送[26]，機械手有很多零件會受力，比如軸、圓錐齒輪以及大小臂等等，其它機構(gòu)相互連接，由于軸是傳遞的關鍵，所以對軸的有限元分析就極為重要，并且圓錐齒輪也是機械手的關節(jié)部分，所以本文主要選擇了對軸和圓錐齒輪的有限元分析。 4.2.1 軸的的有限元分析 通過ANSYS對搖桿的靜力學分析步驟如下： ⑴將軸的的幾何模型導入ANSYS。首先打開SolidWorks將模型另存為x_t格式后導入ANSYS。 ⑵定義材料屬性。軸的材料為碳素鋼，該材料輕，剛度高，具有很高的抗彎強度，并且堅固耐用，彈性模量E=20600MP。 ⑶劃分網(wǎng)格建立有限元模型。本文對搖桿的劃分網(wǎng)格方法是自由劃分，點擊ANSYS中的mesh后，直接進行網(wǎng)格的劃分，最終輪子的有限元模型如圖4.1所示。 ⑷定義約束。設置搖桿的一段為固定。 ⑸施加載荷。在機械手工作的過程中，軸主要受到的力就是兩鏈接部件之間產(chǎn)生的里，所以我們給軸外部加了一個10N的壓力，并施加了載荷[27]。 ⑹求解并分析結(jié)果。設置好上訴所需條件，我們對求解需要的結(jié)果中加入了總應變、等效彈性應變以及等效應力，在進行計算，可得到的結(jié)果如圖4.3，圖4.4，圖4.4所示。 圖4.2 劃分網(wǎng)格處理 圖4.3 軸總應變 圖4.4軸的彈性應變 圖4.5 軸的應力 根據(jù)總