四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)及定位精度分析

四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)及定位精度分析,自由度,直角坐標(biāo),機(jī)器人,機(jī)械,結(jié)構(gòu),改進(jìn),改良,設(shè)計(jì),定位,精度,分析 四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)及定位精度分析 摘 要 在現(xiàn)代的制造業(yè)中，四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人已經(jīng)成為了工業(yè)生產(chǎn)不可缺少的核心自動化設(shè)備。四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人的能力，以適應(yīng)工作環(huán)境，并能服務(wù)于各類生產(chǎn)工作強(qiáng)度大，精度高，速度快，易于控制，可顯著提高生產(chǎn)工業(yè)自動化水平。國內(nèi)四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人起步晚，市場占有率低，許多人還沒有掌握核心技術(shù)，可靠性低，小型應(yīng)用程序，零件互換性低。 我們設(shè)計(jì)了四個自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人的可攜帶上下工件。四個自由度機(jī)器人的由兩個機(jī)構(gòu)和兩個旋轉(zhuǎn)自由度平移自由度的組織的，根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動參數(shù)，選擇足夠的電力伺服電機(jī)，然后估算自由移動所需的力，選擇所述驅(qū)動轉(zhuǎn)矩機(jī)制，而不是正確的，合適的尺寸減小。伺服電機(jī)減速機(jī)傳動機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)動腰部由移動機(jī)器人手臂垂直旋轉(zhuǎn)水平運(yùn)動和操作臂的末端。伺服電機(jī)電纜在機(jī)器人輔助系統(tǒng)作進(jìn)一步審議，觸發(fā)機(jī)制和零線布局設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)坦克鏈裝置。 關(guān)鍵詞：四自由度，直角坐標(biāo)，四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人，機(jī)械設(shè)計(jì)  Mechanical Design of a 4-DOF Cylindrical Industrial Robot Abstract In modern manufacturing, industrial robot has become an indispensable core automation equipment. Industrial robot has good adaptability, can adapt to all kinds of mass production, high precision, fast speed, easy to control, can significantly improve the automation level of production. Domestic industrial robots started late, has low market share, low reliability, and many core technologies have not yet mastered. The application scope is small, the interchangeability of parts is low. The design of a kind of four degree of freedom cylindrical coordinate robot, can realize the workpiece moving up and down. The four degree of freedom robot mechanism is composed of two rotational degrees of freedom and two translational degrees of freedom mechanism. According to the robot movement parameters, servo motor is selected, and then estimates the sufficient power, force and torque of each degree of freedom movement needs, choose the appropriate transmission ratio and suitable reducer. Drive mechanism motion through the servo motor reducer, and then we can realize the robot waist rotation, vertical lifting arm, arm movement and rotation of the end effector. In part of the design of robot auxiliary system, we take the arrangement of servo motor wire tank chain, design the trigger switch and wire arranging mechanism the zero position into consideration. Key Words： 4-DOF; Cylindrical?coordinates; Industrial Robot; Mechanical design  目 錄 摘 要 ⅰ Abstract ⅱ 第一章 引 言 1 1.1 四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人 1 1.1.1 四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人的概念及特點(diǎn) 1 1.1.2 四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人的組成 1 1.1.3 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 2 1.2 研究內(nèi)容 2 1.2.1 研究方法 2 1.2.2 研究成果 2 1.3研究意義 2 第二章 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 2.1 設(shè)計(jì)分析及方案擬定 4 2.1.1 設(shè)計(jì)要求 4 2.1.2 設(shè)計(jì)流程 5 2.1.3 方案擬定 5 2.2 主要結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì) 6 2.2.1旋轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu) 6 2.2.2滾珠絲杠結(jié)構(gòu) 7 2.2.3中間連接器 9 2.2.4外殼設(shè)計(jì) 11 2.3受載變形校核 11 第三章 傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 3.1腰部轉(zhuǎn)動 13 3.1.1減速器選擇 13 3.1.2伺服電機(jī)選擇 14 3.1.3傳動法蘭盤設(shè)計(jì) 15 3.2豎直平移 16 3.2.1滾珠絲杠及螺母選擇 16 3.2.2伺服電機(jī)選擇 18 3.2.3聯(lián)軸器選擇 19 3.3水平平移 20 3.3.1滾珠螺母絲杠選擇 21 3.3.2伺服電機(jī)選擇 21 3.3.3聯(lián)軸器選擇 22 3.4手臂末端操縱器旋轉(zhuǎn) 23 3.4.1伺服電機(jī)選擇 23 3.4.2減速器選擇 24 第四章 輔助機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 25 4.1 坦克鏈線路設(shè)計(jì) 25 4.2 機(jī)構(gòu)零點(diǎn)設(shè)計(jì) 26 第五章 機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)及定位精度分析 28 5.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì) 28 5.2 定位精度分析 28 第六章 總結(jié)與展望 28 6.1 總結(jié) 28 6.2 展望 28 參考文獻(xiàn) 30 致謝 31 附錄 32 - 12 - 第一章 引言 1.1四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人 1.1.1四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人的概念及特點(diǎn) 我們的專家講解四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人的概念也不同，集成在論證的各個方面，從四度，可以在功能上可以實(shí)現(xiàn)自由直角坐標(biāo)機(jī)器人，四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人是一個機(jī)器具有以下特點(diǎn)： （1）具有的機(jī)構(gòu)的移動操作; （1）具有通用性，可以實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動操作; （2）是有一定程度的智能，可以重復(fù)編程; （3）是有一定程度的獨(dú)立性，在一定程度上不依賴于人的操縱。 1.1.2四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人的組成 四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人一般由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，四自由度直角坐標(biāo)型四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)組成由下圖可知： 圖1.1 四自由度直角坐標(biāo)型四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)組成 （1）驅(qū)動機(jī)構(gòu)：本設(shè)計(jì)使用四個交流伺服電機(jī)驅(qū)動四個自由度。至于壓力，所述液壓驅(qū)動裝置的體積是大的，因?yàn)椴皇褂靡粋€大的行程。 （2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括一個底座，腰部機(jī)關(guān)，事業(yè)單位和結(jié)束機(jī)械臂。使用螺母和兩個行星齒輪減速傳動，能夠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動或到高速轉(zhuǎn)換為低速，則動力被傳遞到致動器。 1.1.3國外發(fā)展 上世紀(jì)中葉，美國結(jié)合都手工和機(jī)器操作機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，該程序自動執(zhí)行的動作機(jī)制，稱為四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人的發(fā)展。 20世紀(jì)60年代末，通用汽車的機(jī)械手臂，建立了車身焊接的自動化生產(chǎn)線。自那時以來，開發(fā)和應(yīng)用的四個自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人，在各個工業(yè)國家的注意。日本也被稱為“機(jī)器人王國”可以在日本的四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)被看作是發(fā)達(dá)的，現(xiàn)在在日本智能四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人取得了巨大成就。隨后，四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)開始興起在歐洲[2]。 四度在中國的自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人的發(fā)展很快，但相比世界先進(jìn)的四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人，技術(shù)差距依然明顯[3]。國內(nèi)四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人起步較晚，相比國外的先進(jìn)技術(shù)，可靠性低的國內(nèi)四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人，狹小的應(yīng)用，生產(chǎn)線，工藝技術(shù)落后，低零件的互換性[4]。四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人，可以在惡劣的環(huán)境，勞動強(qiáng)度高，勞動繁瑣工作中使用，從解放人。 1.2研究內(nèi)容 1.2.1研究方法 現(xiàn)在設(shè)計(jì)的四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人具有四個自由度，使用笛卡爾，使用這種機(jī)器人裝載和的工件裝卸卸。該系統(tǒng)的主要部件的機(jī)械設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)。四度機(jī)器人的自由度是腰部旋轉(zhuǎn)，臂垂直升降，水平伸縮臂和操縱器臂旋轉(zhuǎn)的終點(diǎn)。的四個自由度，以確定其自己的傳輸模式下，選擇齒輪。確定的功率要求機(jī)器人運(yùn)動的各運(yùn)動部件，然后選擇合適的伺服電機(jī)和減速。機(jī)器人手臂的三維實(shí)體設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)的SolidWorks 2013，身體質(zhì)量，質(zhì)量等參數(shù)的中心的分析是很方便的。 1.2.2研究 基本的設(shè)計(jì)任務(wù)，具體結(jié)果如下： （1）整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成四個自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人，其包括一個基座，腰部旋轉(zhuǎn)平臺，垂直機(jī)身，水平臂和旋轉(zhuǎn)平臺設(shè)計(jì)的尖端; 簡單的設(shè)計(jì)（2）完成住房封裝，整個傳感器的設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)和零極限位置; （3）完成組裝機(jī)器人三維實(shí)體，并繪制了機(jī)器人的2D繪圖。 1.3意義 直角坐標(biāo)機(jī)器人有四個自由度是一個重要的現(xiàn)代制造業(yè)自動化機(jī)械，一些機(jī)械，工作環(huán)境惡劣危險(xiǎn)的，沒有創(chuàng)新的工作可以由機(jī)器人取代人工。在金屬熱壓，需要人們在爐子附近工作，沖壓床，車床或鉆孔加熱溫度四個自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人的，該程序可以被寫入，以防止碰撞其他處理工具，以避免工作出現(xiàn)危險(xiǎn)的可能性[6]。 四 - 自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人可適應(yīng)多品種小批量的生產(chǎn)，高精密高速，易于控制，可顯著提高自動化生產(chǎn)水平。小負(fù)荷旋轉(zhuǎn)臂車型目前四度自由直角坐標(biāo)機(jī)器人的市場容量，廣泛的應(yīng)用[8]。 第二章 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1設(shè)計(jì)分析及方案擬定 2.1.1設(shè)計(jì)要求 主要解決問題：按下表中參數(shù)的要求，設(shè)計(jì)一種四自由度直角坐標(biāo)型四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人，完成該四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動裝置設(shè)計(jì)、傳動裝置設(shè)計(jì)、各自由度零點(diǎn)和極限位置設(shè)計(jì)及傳感器選擇： 表2.1 機(jī)器人設(shè)計(jì)參數(shù) 最大負(fù)載/kg 腰部、臂部回轉(zhuǎn)角度/o 伸縮行程/mm 高度行程/mm 最大旋轉(zhuǎn)角速度/(rad·s-1) 最大移動速度/(m·s-1) 重復(fù)定位精度 /mm 3 360 500 500 2 1 ±0.1 機(jī)器人的工作空間是指機(jī)器人正常工作時手臂末端操縱器能活動的范圍，可從上表推得，工作空間圖如下： 圖2.1 機(jī)械手臂工作空間 2.1.2設(shè)計(jì)流程 （1）分析四個自由度，選擇適當(dāng)?shù)尿?qū)動方式、傳動裝置和機(jī)構(gòu)件； （2）用三維建模軟件完成主要零件（包括所有結(jié)構(gòu)件）的三維建模，并初步完成三維實(shí)體模型裝配； （3）對實(shí)體模型相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測量估算，按設(shè)計(jì)要求，最終確定電機(jī)、減速器、絲杠等產(chǎn)品參數(shù)，完成裝配； （4）對機(jī)器人運(yùn)動進(jìn)行動畫仿真和受載分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)正確性； （5）繪制二維工程圖。 流程圖如下圖所示： 圖2.2 設(shè)計(jì)流程 2.1.3方案擬定 根據(jù)設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)出的四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人大致外形圖如圖2.1所示。 圖2.3 四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人圖 從上表表明，該設(shè)計(jì)參數(shù)，機(jī)器人臂行程為500mm，體積較大，使用電動機(jī)作為驅(qū)動裝置?？紤]到缺乏精密步進(jìn)電機(jī)，在一般的加速性能，容易產(chǎn)生丟步或過沖，高性能的交流伺服效果并不好電機(jī)，但機(jī)械手臂起動頻率高的設(shè)計(jì)也因?yàn)楹托枰焖賳雍屯Ｖ?，你需要因此達(dá)到一定的傳動精度，選用交流伺服電機(jī)。 選擇齒輪行星齒輪減速機(jī)傳動和螺桿螺母驅(qū)動器，其中的行星齒輪減速器腰高扭矩的低速傳輸，螺絲螺母手臂水平和垂直平移的車程。確定草圖機(jī)構(gòu)機(jī)器人確定機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)，直角坐標(biāo)機(jī)器人四度的機(jī)制設(shè)計(jì)框圖自由如下所示： 圖2.4 機(jī)器人運(yùn)動簡圖 伺服電機(jī)和行星齒輪減速機(jī)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的低轉(zhuǎn)腰運(yùn)動;考慮為500mm的水平移動行程的設(shè)計(jì)，是比較大的，也有使用前部和后部橫向臂的平移滾珠螺桿旋轉(zhuǎn)伺服馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)水平和垂直移動兩個直線移動螺母設(shè)置成90度的角度偏差，固定于一個共同的十字形鋼結(jié)構(gòu)，沿水平方向以實(shí)現(xiàn)橫向螺母不移動回來的螺紋作用往復(fù)運(yùn)動;低功率伺服馬達(dá)和行星齒輪連接，在該水平臂固定在支承板，操縱器的端部的效果旋轉(zhuǎn)的一端。 2.2主要結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)平臺、滾珠絲杠、中間連接器、和外包裝。 2.2.1旋轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)平臺是腰部旋轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，一般要求有足夠的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)要求便于裝修。它將基座和上方的運(yùn)動機(jī)構(gòu)連接起來，承載運(yùn)動機(jī)構(gòu)的重量，旋轉(zhuǎn)平臺的設(shè)計(jì)對于機(jī)器人的平衡性有很大影響。 旋轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)如下圖所示， 圖2.5 旋轉(zhuǎn)平臺結(jié)構(gòu)圖 內(nèi)支撐套支撐機(jī)身重量，外支撐套帶動腰部轉(zhuǎn)動。內(nèi)支撐套和外支撐套間的連接通過兩個軸承實(shí)現(xiàn)：止推軸承承受整個機(jī)身的重力，向心圓柱滾柱軸承起到防止機(jī)構(gòu)徑向力失衡的作用。傳動法蘭盤用螺栓連接在外支撐套上，其內(nèi)圈有鍵槽，配合減速器輸出軸，輸出軸轉(zhuǎn)動，帶動法蘭盤和外支撐套轉(zhuǎn)動。減速器用螺栓連接至內(nèi)支撐套上，輸出軸伸出，旋上螺母，壓緊內(nèi)外支撐套,實(shí)現(xiàn)腰部的軸向固定。 2.2.2滾珠絲杠結(jié)構(gòu) 滾珠絲杠結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了手臂的上下和前后平移，結(jié)構(gòu)如圖所示： 圖2.6 滾珠絲杠機(jī)構(gòu) 絲杠安裝采用兩端支撐方式，兩端各裝有一個角接觸球軸承(22-8-7,32-15-9)，軸承由其兩端的軸承座固定，軸承座安裝應(yīng)使絲杠軸線與支撐板平行。軸承座自行設(shè)計(jì)，其三維模型如下圖： 圖2.7 軸承座 導(dǎo)軌為滾珠絲杠結(jié)構(gòu)提供了足夠的支撐力。導(dǎo)軌首先選擇滾珠型直線導(dǎo)軌，主要考慮其軌寬和軌長，滑塊主要是確定類型和數(shù)量。導(dǎo)軌選擇軌寬15mm，軌長根據(jù)工作行程需求選擇600mm?；瑝K選擇四方型滑塊，其結(jié)構(gòu)及總體尺寸如下圖所示： 圖2.8 四方型滑塊 由于支撐板是主要承載部件，需要校核支撐板的受壓穩(wěn)定性。分析支撐板受力，支撐板可以看作下端固定上端自由的壓桿，壓力為機(jī)身的重力，作用點(diǎn)在機(jī)身的中心位置，如下圖所示： 圖2.9 支撐板壓桿模型 臨界壓力的公式為 (1) 式中：Fcr是臨界壓力；E是支撐板材料45鋼的彈性模量，一般是196-216GPa；I是支撐板的慣性矩，可由三維模型的質(zhì)量屬性得到，40067 kg·mm2；μ是長度系數(shù)，對于一端固定一端自由的情況，μ值為2.1；L是支撐板長度600mm。計(jì)算得到，F(xiàn)cr=4.98×1010N，遠(yuǎn)大于實(shí)際所受重力。 2.2.3中間連接器 （1）中間連接器的設(shè)計(jì) 中間連接器是連接水平絲杠和豎直絲杠的裝置，它將由豎直絲杠螺母機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的豎直方向的位移，傳遞給水平絲杠螺母機(jī)構(gòu)，使得手臂能夠正常上下移動。中間連接器由兩個螺母滑塊連接器和一塊中間連接板組成，相互之間用內(nèi)六角螺栓連接，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。 圖2.10 中間連接器 螺母滑塊連接器自行設(shè)計(jì)，材料選擇45鋼，其制造工藝流程簡單來說是鑄造、銑平面、鉆孔、攻螺紋。其安裝尺寸由上述滾珠絲杠的螺母及滑塊位置決定，外形如下圖所示。 圖2.11 螺母滑塊連接器 圖2.12 中間連接板 （2）中間連接板的強(qiáng)度校核 中間連接板主要需校核其與螺栓接觸面上的擠壓應(yīng)力，擠壓的強(qiáng)度條件是 (2) 式中：Fbs是擠壓力，Abs是擠壓面面積，[σbs]是擠壓許用應(yīng)力。 由中間連接器的三維模型可知，工作中的連接板與16個螺栓相互接觸，螺栓直徑3mm，連接板厚度5mm，單個螺栓對連接板的擠壓面的面積Abs為15×10-6m2。 圖2.13 連接板受力圖 總的擠壓力F為水平手臂的重力，由Solidworks三維建模，經(jīng)過測量得到質(zhì)量m不大于15kg，因此單個螺栓孔受到擠壓力為 Fbs=mg/16=9.2N (3) 因此，運(yùn)算得到擠壓許用應(yīng)力 [σbs]≥0.613MPa (4) 查表，可知鋼材的擠壓許用應(yīng)力[σbs]≈355MPa，遠(yuǎn)大于最低要求。 2.2.4外殼設(shè)計(jì) 機(jī)器人外殼外形圖如圖所示，其主要作用是滾珠絲杠的防塵，導(dǎo)線線路的排布和整體機(jī)型的美觀。外殼采用鋁合金蒙皮包裝，蒙皮厚度為3mm，質(zhì)量輕。材料塑性好，采用鍛壓加工工藝，鍛壓成型。再以鉆頭打螺栓孔，以便于安裝固定。為方便制造，將整體的外殼分成三段，分別制造。 外殼及其總體尺寸如下圖所示： 圖2.14 外殼圖 2.3受載變形校核 受載變形校核可簡單的由模型模擬機(jī)器人的末端受載時的撓度，得到形變偏移值。應(yīng)用Solidworks Simulation的有限元分析功能，簡單分析彎曲變形。 根據(jù)機(jī)器人結(jié)構(gòu)受力情況分析，主要是支撐板、絲杠、導(dǎo)軌等結(jié)構(gòu)同時承載負(fù)載重量，因此受載的模型可簡化如下圖： 圖2.15 簡化的受載模型 下端做固定端，右上端的伸出端受向下的負(fù)載3kg，及30N的力，材料統(tǒng)一選擇合金鋼，其彈性模量是2.1×1011N/m2。運(yùn)行結(jié)果為最大位移量0.0392mm，基本滿足重復(fù)定位精度±0.1mm的要求。詳見附錄1。 第三章 傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 變速箱的設(shè)計(jì)主要是確定傳輸模式，驅(qū)動器選擇電機(jī)，減速機(jī)的選擇和設(shè)計(jì)和選擇的其他輔助配件。機(jī)器人平移自由度的設(shè)計(jì)是用來實(shí)現(xiàn)滾珠絲杠螺母，旋轉(zhuǎn)自由度被用來實(shí)現(xiàn)一個行星齒輪減速。選擇電機(jī)步進(jìn)馬達(dá)和AC伺服馬達(dá)，考慮到缺乏精密步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)加速性能一般，易產(chǎn)生丟失步驟和過沖。機(jī)械手臂起動頻率高的設(shè)計(jì)，要求快速啟動和停止，以及需要達(dá)到一定的傳動精度，因此選擇交流伺服電機(jī)。 3.1腰部轉(zhuǎn)動 腰部旋轉(zhuǎn)采用行星齒輪減速器傳動。 圖3.1 腰部減速器 減速器輸出軸上有鍵槽，可直接連接在底盤的傳動法蘭盤上，帶動腰部的上平臺轉(zhuǎn)動。 3.1.1 減速器選擇 由于伺服電機(jī)的機(jī)器人的相對轉(zhuǎn)動比腰部驅(qū)動慢，取大的腰圍尺寸的機(jī)器人時，它可以是一個行星齒輪減速機(jī)，實(shí)現(xiàn)了傳輸?shù)母蟮膫鲃颖取? 降低了整個機(jī)器人臂體的尺寸盡可能地緊湊，選擇齒輪單元的類型，我們選擇了一個彈性套筒中空輸入齒輪，實(shí)心軸輸出。 （1）確定的P 2的期望的功率驅(qū)動單元?: P2 =KMgvμ （5） 其中：米腰部用32.6公斤，約m≈33kg測量質(zhì)量的旋轉(zhuǎn)部分的三維實(shí)體模型，再加上需要運(yùn)行的致動器和3公斤重的端部上面，基于總質(zhì)量的M = 40千克; K是一個安全系數(shù)，K = 1.2; g是重力加速度; v是機(jī)構(gòu)的速度，以2米/秒; μ為摩擦系數(shù)，μ= 0.15。計(jì)算P2 = 141.1W。 （2）確定齒輪傳動比i： （6） 其中：n1為電機(jī)轉(zhuǎn)速，N2腰部速度。腰圍最大旋轉(zhuǎn)角速度ω2= 2rad / S，速度N2 =9.55ω2= 19.1r / min時，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速n1 = 3000轉(zhuǎn)/分，那么我= =一百五十七分之三千19.1，取I = 120，三種傳輸。 （3）確定使用系數(shù)f1： 查減速器技術(shù)手冊，假設(shè)均衡負(fù)載下啟動次數(shù)少，每日工作12小時，f1=1.25。 （4）被驅(qū)動設(shè)備的扭矩T2： T2=9550×P2/n2 (7) 式中：P2是驅(qū)動設(shè)備所需功率，n2是腰部最大轉(zhuǎn)速。計(jì)算得T2=70.5N·m。 （5）減速器輸出扭矩T2N： T2N≥T2×f1=88.1N·m (8) 根據(jù)傳動比i、減速器輸出扭矩T2N≥88.1N·m，查詢減速器技術(shù)手冊，選擇減速器：px-85-120-S，減速器相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下表： 表3.1 腰部減速器技術(shù)參數(shù) 減速器型號 減速比i 滿載效率 額定輸出扭矩T2N/N·m 轉(zhuǎn)動慣量J/(kg·cm2) 最大徑向力Fr/N 最大軸向力Fa/N PX-85-120-S 120 90％ 100 0.7 440 420 （6）減速器徑向、軸向力校核： 減速器軸在徑向不受外力作用，因此不用校核。軸向有緊固螺釘對軸的拉力，考慮到緊固螺釘?shù)淖饔脙H僅是防止機(jī)身徑向不平衡，所受軸向力很小，軸向力可不用校核。 3.1.2 伺服電機(jī)選擇 （1）電機(jī)所需功率P1N： P1N≥K·P2÷η×f1=193.7W (9) 式中：K是安全系數(shù)，P2是驅(qū)動設(shè)備所需功率，η是滿載效率，f1是設(shè)備使用系數(shù)。 查伺服電機(jī)和減速器的技術(shù)手冊，所選減速器對應(yīng)電機(jī)的安裝尺寸為Φ90mm，對應(yīng)伺服電機(jī)功率750W，因此選擇電機(jī)型號：MSME 082G1，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見下表： 表3.2 腰部伺服電機(jī)技術(shù)參數(shù) 電機(jī)型號 功率P/W 交流電源/V 額定轉(zhuǎn)速n /(r·min-1) 最大轉(zhuǎn)速nmax /(r·min-1) 額定轉(zhuǎn)矩T /(N·m) 最大轉(zhuǎn)矩Tmax /(N·m) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JM/(kg·cm2) MSME 082G1 750 AC200 3000 6000 2.4 7.1 0.87 （2）伺服電機(jī)慣量比校核： 估算負(fù)載慣量： (10) 式中： 估算電機(jī)和減速器的慣量： (11) 計(jì)算得： J負(fù)載慣量/J電機(jī)+減速器=2.50倍<20倍 (12) 慣量比滿足要求。 （3）伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩校核： 根據(jù)傳動比i、減速器輸出扭矩T2N≥88.1N·m，可以計(jì)算得到伺服電機(jī)最小所需的輸出扭矩T電機(jī)： T電機(jī)=T2N ÷ i ÷ η≥0.81 N·m (13) 電機(jī)額定扭矩T=2.4 N·m>T電機(jī)，所以轉(zhuǎn)矩滿足要求。 3.1.3傳動法蘭盤設(shè)計(jì) 傳動法蘭盤連接PX85行星齒輪減速器和腰部旋轉(zhuǎn)平臺，與行星齒輪減速器的輸出軸用鍵連接，與腰部旋轉(zhuǎn)平臺用螺栓連接，將行星齒輪減速器的扭矩傳遞給腰部旋轉(zhuǎn)平臺，使腰部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動得以實(shí)現(xiàn)。 傳動法蘭盤的設(shè)計(jì)圖如下： 圖3.2 傳動法蘭盤 3.2豎直平移 豎直平移傳動方式選擇滾珠螺母絲杠（圖片）。伺服電機(jī)需要安裝在頂部，為防止機(jī)械手臂自重下滑，伺服電機(jī)應(yīng)帶有制動器。滾珠螺母絲杠的絲杠一端連接聯(lián)軸器，伺服電機(jī)輸出軸連接聯(lián)軸器另一端。 3.2.1滾珠絲杠及螺母選擇 （1）選擇螺母型號 由三維實(shí)體所建立的模型，可選擇法蘭式單螺母，F(xiàn)型，切邊六孔。 圖3.3 絲杠螺母 （2）確定絲杠導(dǎo)程BP 由傳動關(guān)系圖可得 (14) 式中：vmax是工作臺最大平移速度1m/s；i是傳動比，i=1；nmax是電機(jī)最大轉(zhuǎn)速6000r/min，計(jì)算可得導(dǎo)程Bp等于10mm。 （3）確定絲杠公稱直徑BD 已知μ是摩擦系數(shù)0.03；WA是負(fù)載質(zhì)量，可由三維實(shí)體建模測量得出WA=20kg；g是重力加速度，計(jì)算導(dǎo)向面的摩擦力Fa： Fa=μ·WAg=0.25×20×9.8=49 N (15) 因此絲杠旋轉(zhuǎn)需承受的推力F： F=Fa+ WAg=676.2 N (16) 乘以安全系數(shù)K=1.2,得 F1=K·F=811.44 N (17) 查閱該公司提供的產(chǎn)品相關(guān)資料，絲杠直徑BD=12mm時，絲杠動載荷Ca是2.5KN，Ca>F1，滿足要求。 （4）確定絲杠長度 絲杠總長一般是工作行程、螺母長度、安裝長度、連接長度和余量的總和。由所建立的三維實(shí)體模型可知絲杠總長為650mm。 （5）確定滾珠絲杠精度 在無特殊要求的情況下，根據(jù)一般選取的經(jīng)驗(yàn)，選用C7標(biāo)準(zhǔn)。C7標(biāo)準(zhǔn)表示選取絲杠精度等級為7級，300mm的絲杠長度上，行程誤差不超過0.050mm。 （6）校核扭矩 克服摩擦力Fa，也就是產(chǎn)生所需推力的驅(qū)動扭矩T： (18) 式中：Bη是進(jìn)給絲杠的效率，取Bη=0.96。計(jì)算可得T=9.75 N·mm，遠(yuǎn)小于伺服電機(jī)所能提供的扭矩，所以校驗(yàn)合格。 綜上，所選擇的螺母絲杠技術(shù)參數(shù)如下表： 表3.3 絲杠螺母技術(shù)參數(shù) 螺母型號 直徑BD/mm 導(dǎo)程BP/mm 絲杠總長度BL/mm 絲杠動載荷Ca/KN 絲杠質(zhì)量BW/kg 12×10-2 F型 切邊六孔 12 10 650 2.5 0.6 3.2.2伺服電機(jī)選擇 （1）伺服電機(jī)功率確定 估算出伺服電機(jī)的最大功率P： P=K(1+μ) WA·gv (19) 式中：WA是水平手臂質(zhì)量，通過三維實(shí)體模型建立可得WA =20kg；μ是摩擦系數(shù)0.1；v是平移最大速度1m/s；K是安全系數(shù)，取K=1.2。 計(jì)算得P=282.24W，取功率P=400W的交流伺服電機(jī)，可選電機(jī)型號：MSME 042G1，它的有關(guān)技術(shù)參數(shù)如下表： 表3.4 豎直移動伺服電機(jī)技術(shù)參數(shù) 電機(jī)型號 功率P/W 交流電源/V 額定轉(zhuǎn)速n/(r·min-1) 最大轉(zhuǎn)速nmax/(r·min-1) 額定轉(zhuǎn)矩T/(N·m) 最大轉(zhuǎn)矩Tmax/(N·m) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JM/(kg·cm2) 有無制動器 MSME 042G1 400 AC200 3000 6000 1.3 3.8 0.28 有 （2）伺服電機(jī)慣量比校核 測量絲杠的三維模型，得滾珠絲杠的質(zhì)量BW=0.6kg，則負(fù)載部分的慣量： JL=JC+JB=JC+1/8·BW×BD2+WA·BP2/(4π2) (20) 式中：JC是所選聯(lián)軸器的慣量，JC=3.2×10-5kg·m2，WA是水平手臂質(zhì)量，通過三維實(shí)體模型建立可得WA =20kg，計(jì)算可得JL=1.19×10-4kg·m2。 預(yù)選電機(jī)的慣量JM=0.28×10-4 kg·m2，則慣量比： JL/JM=4.25倍<30倍 (21) （3）伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩校核 一般伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)模式如圖： 圖3.4 伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)模式 由最大速度1m/s，移動距離為0.5m，可假設(shè)：加速時間ta=0.1s，勻速時間tb=0.4s，減速時間td=0.1s，循環(huán)時間tc=1.2s。 移動轉(zhuǎn)矩Tf： (22) 式中：Bη是進(jìn)給絲杠的效率，取0.96；μ是摩擦系數(shù)，取0.1；其他參數(shù)可由前面的表格得到，計(jì)算上式得Tf=0.0325N·m。 加速時轉(zhuǎn)距Ta： (23) 式中：JL和JM分別是負(fù)載部分的慣量和預(yù)選電機(jī)的慣量，N是電機(jī)最高轉(zhuǎn)速100r/s，計(jì)算得Ta=0.956N·m。 減速時轉(zhuǎn)矩Td： (24) 式中：JL和JM分別是負(fù)載部分的慣量和預(yù)選電機(jī)的慣量，N是電機(jī)最高轉(zhuǎn)速100r/s，計(jì)算得Td=0.891N·m。 因此，最大轉(zhuǎn)矩就是加速時的轉(zhuǎn)矩Ta=0.956N·m，乘以安全系數(shù)K=1.2，TaK=1.15 N·m <3.8N·m（400W電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩）。 確認(rèn)有效轉(zhuǎn)矩Trms： (25) 乘以K，TrmsK=0.454 N·m<1.3 N·m(400W電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩)。根據(jù)以上計(jì)算可知功率750W電機(jī)滿足轉(zhuǎn)矩和慣量比要求，適合選用。 3.2.3聯(lián)軸器選擇： （1）選擇聯(lián)軸器 首先確定聯(lián)軸器的力矩T T=T1×K1×K2×K3 (26) 式中：T1是伺服電機(jī)的力矩，選擇伺服電機(jī)時可在手冊上查得，值為1.27N·m；K1、K2、K3是聯(lián)軸器的工況系數(shù)； 假定：負(fù)載變動較大，K1取1.7，每天運(yùn)轉(zhuǎn)8h，K2取1.00，每小時啟停120次，K3 取1.5的條件下，T=3.24N·m，力矩不大，聯(lián)軸器可初步選擇夾緊式聯(lián)軸器。 夾緊式聯(lián)軸器是一種金屬彈性聯(lián)軸器，軸拆裝方便，但正常工作承受的力矩有限，對同軸度要求不是很高，并且該聯(lián)軸器正反轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)動特性一致，非常適用于機(jī)器人等頻繁啟停的場合。 伺服電機(jī)的輸出軸徑Φ14mm和絲杠的輸入軸徑Φ10mm，由此選擇聯(lián)軸器型號TS4C-40-1014，如下圖。 圖3.5 鋁合金彈性聯(lián)軸器 （2）校核力矩 查閱企業(yè)聯(lián)軸器產(chǎn)品說明書[9]，TS4C-40-1014型聯(lián)軸器的擰緊力矩達(dá)4N·m，大于聯(lián)軸器實(shí)際工作時所承受的力矩T=3.24N·m，滿足實(shí)際要求。 3.3水平平移 水平盤滾珠絲桿傳動機(jī)構(gòu)。螺母水平固定并旋轉(zhuǎn)的螺桿推動整個機(jī)器人臂相對于所述縱向平移螺母實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂水平搖攝。 水平和垂直平移平移相同的傳輸模式，一致的運(yùn)動參數(shù)，所以一致的螺母，伺服馬達(dá)和聯(lián)軸器選擇方法，不同之處在于電平不克服機(jī)械手臂翻譯重力，功耗減小，從而使馬達(dá)選擇功率發(fā)生變化。 3.3.1滾珠螺母絲杠選擇 水平平移自由度滾珠絲杠選擇同豎直平移，詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見表3-3。 3.3.2伺服電機(jī)選擇 （1）伺服電機(jī)功率確定 估算出伺服電機(jī)的最大功率P： P=KμWA·gv (27) 式中：WA是水平手臂質(zhì)量，通過三維實(shí)體模型建立可得WA =20kg；μ是摩擦系數(shù)0.1；v是平移最大速度1m/s；K是安全系數(shù)，取K=1.2。 計(jì)算得P=24W，取功率P=200W的交流伺服電機(jī)，可選電機(jī)型號：MSME 022G1，它的有關(guān)技術(shù)參數(shù)如下表： 表3.5 水平移動伺服電機(jī)技術(shù)參數(shù) 電機(jī)型號 功率P/W 交流電源/V 額定轉(zhuǎn)速n/(r·min-1) 最大轉(zhuǎn)速nmax/(r·min-1) 額定轉(zhuǎn)矩T/(N·m) 最大轉(zhuǎn)矩Tmax/(N·m) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JM/(kg·cm2) MSME 022G1 200 AC200 3000 6000 0.64 1.91 0.14 （2）伺服電機(jī)慣量比校核 測量絲杠的三維模型，得滾珠絲杠的質(zhì)量BW=0.6kg，則負(fù)載部分的慣量： JL=JC+JB=JC+1/8·BW×BD2+WA·BP2/(4π2) (28) 式中：JC是所選聯(lián)軸器的慣量，JC=3.2×10-5kg·m2，WA是水平手臂質(zhì)量，通過三維實(shí)體模型建立可得WA =20kg，計(jì)算可得JL=1.19×10-4kg·m2。 預(yù)選電機(jī)的慣量JM=0.14×10-4 kg·m2，則慣量比： JL/JM=8.5倍<30倍 (29) （3）伺服電機(jī)轉(zhuǎn)矩校核 伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)模式同豎直平移的運(yùn)轉(zhuǎn)模式：加速時間ta=0.1s，勻速時間tb=0.4s，減速時間td=0.1s，循環(huán)時間tc=1.2s。 移動轉(zhuǎn)矩Tf不變，Tf=0.0325N·m。 加速時轉(zhuǎn)距Ta： (30) 式中：JL和JM分別是負(fù)載部分的慣量和預(yù)選電機(jī)的慣量，N是電機(jī)最高轉(zhuǎn)速100r/s，計(jì)算得Ta=0.868N·m。 減速時轉(zhuǎn)矩Td： (31) 式中：JL和JM分別是負(fù)載部分的慣量和預(yù)選電機(jī)的慣量，N是電機(jī)最高轉(zhuǎn)速100r/s，計(jì)算得Td=0.803N·m。 因此，最大轉(zhuǎn)矩就是加速時的轉(zhuǎn)矩Ta=0.868N·m，乘以安全系數(shù)K=1.2，TaK=1.04 N·m <1.91N·m（400W電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩）。 確認(rèn)有效轉(zhuǎn)矩Trms： (32) 乘以K，TrmsK=0.411 N·m<0.64 N·m(400W電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩)。 根據(jù)以上計(jì)算可知，慣量比和功率雖然有較大余量，但根據(jù)轉(zhuǎn)矩選擇200W電機(jī)。 3.3.3聯(lián)軸器選擇 （1）選擇聯(lián)軸器 聯(lián)軸器仍選用夾緊式彈性聯(lián)軸器，選擇方法同上，首先確定聯(lián)軸器的力矩T： T=T1×K1×K2×K3 (33) 式中：T1是伺服電機(jī)的力矩，選擇伺服電機(jī)時可在手冊上查得，值為0.64N·m；K1、K2、K3是聯(lián)軸器的工況系數(shù)； 假定：負(fù)載變動較大，K1=1.7，每天運(yùn)轉(zhuǎn)8小時，K2=1.00，每小時啟停120次，K3=1.5的工況下，T=1.64N·m， 伺服電機(jī)的輸出軸徑Φ11mm和絲杠的輸入軸徑Φ10mm，由此選擇聯(lián)軸器型號TS4C-40-1011。 （2）校核力矩 查閱企業(yè)聯(lián)軸器產(chǎn)品說明書，TS4C-40-1011型聯(lián)軸器的擰緊力矩達(dá)4N·m，大于聯(lián)軸器實(shí)際工作時所承受的最大力矩T=1.64N·m，滿足實(shí)際要求。 3.4手臂末端操縱器旋轉(zhuǎn) 末端操縱器由法蘭盤連接，需承載3kg重物，伺服電機(jī)連接行星齒輪減速器，減速器輸出軸直接連接法蘭盤，帶動法蘭盤旋轉(zhuǎn)，如下圖： 圖3.6 末端傳動結(jié)構(gòu)圖 預(yù)算法蘭盤連同末端操縱器和重物總共10kg。伺服電機(jī)和減速器的選擇方法同腰部電機(jī)和減速器的選擇，具體過程不再給出。 3.4.1伺服電機(jī)選擇 經(jīng)估算，選擇電機(jī)功率100W，電機(jī)的相關(guān)參數(shù)如下表： 表3.6 末端伺服電機(jī)技術(shù)參數(shù) 電機(jī)型號 功率P/W 交流電源/V 額定轉(zhuǎn)速n/(r·min-1) 最大轉(zhuǎn)速nmax/(r·min-1) 額定轉(zhuǎn)矩T/(N·m) 最大轉(zhuǎn)矩Tmax/(N·m) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量JM/(kg·cm2) MSME 012G1 100 AC200 3000 6000 0.32 0.95 0.051 3.4.2減速器選擇 經(jīng)估算，減速器選擇的型號是PL-50-120-S，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如下表： 表3.7 末端行星減速器技術(shù)參數(shù) 減速器型號 減速比i 滿載效率 額定輸出扭矩T2N/(N·m) 轉(zhuǎn)動慣量J/(kg·cm2) 最大徑向力Fr/N 最大軸向力Fa/N PL-50-120-S 120 90％ 10 0.029 440 420 PL型減速器如圖所示： 圖3.7 PL型行星齒輪減速器 第四章 輔助機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1 導(dǎo)線線路設(shè)計(jì) 機(jī)械有線線路的工具，如軟管或油箱鋪設(shè)一般使用鏈助劑。 坦克鏈通常安裝在機(jī)床上，牽引和保護(hù)電纜和軟管的，該儲箱的形狀卷繞機(jī)械輔助設(shè)備。坦克鏈一般用在往復(fù)運(yùn)動更頻繁的場合，對牽引和保護(hù)導(dǎo)線和軟管。坦克，安裝和拆卸，在坦克鏈各環(huán)節(jié)的一些連接在一起的坦克，節(jié)與節(jié)是自由旋轉(zhuǎn)，線，鏈節(jié)從兩側(cè)打開，便于插入線。坦克鏈畫出一個。 圖4.1 坦克鏈一節(jié) 一般在兩個連接點(diǎn)之間有電纜連接，并且兩點(diǎn)間有相對的往復(fù)運(yùn)動的情況下，考慮使用坦克鏈。線路簡圖如下圖所示： 1是軟管，2、3、4是坦克鏈條，5是外殼內(nèi)布線 圖4.2 線路簡圖 所有的導(dǎo)線一起在基座的下端，與基座殼體固定連接。第一分路連接750W伺服電機(jī)內(nèi)側(cè)基座的下基部。其余的由軟管上的機(jī)器人外殼腰部相連，可以舒展腰彎轉(zhuǎn)。從上從殼體槽的卡體的跡線的殼體部的腰部的轉(zhuǎn)移時，400W伺服電機(jī)連接到機(jī)器人的頂部，另一部分連接到在垂直方向移動坦克鏈滑塊，向上和一起向下與滑塊，坦克伸縮運(yùn)動上下鏈。兩個伺服馬達(dá)水平地坦克鏈被連接到滑動件的橫向運(yùn)動，沿所述水平運(yùn)動與拉伸滑塊。絲的軟管和坦克鏈狀排列，并且在軟管或油箱鏈之間沒有相對運(yùn)動。注意，導(dǎo)線在槽內(nèi)的鏈填高達(dá)90％的空隙，最大在軟管填補(bǔ)80％的間隙。 4.2機(jī)構(gòu)零點(diǎn)設(shè)計(jì) 當(dāng)普通機(jī)床等機(jī)構(gòu)剛剛起步，它必須首先確定整個組織的運(yùn)動部件的位置，和機(jī)械零位相對機(jī)構(gòu)，剛剛好下列行為由程序來控制操作順序。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是確定機(jī)構(gòu)零機(jī)械零位，并設(shè)計(jì)開始行開關(guān)和連接器。選擇傳感器的主要機(jī)構(gòu)零的設(shè)計(jì)。傳感器選項(xiàng)包括：光柵傳感器，位移傳感器，壓力傳感器，限位開關(guān)。微動開關(guān)是機(jī)械武力，關(guān)閉迅速聯(lián)系的，因?yàn)樗膬r格便宜的機(jī)制，應(yīng)用廣泛，可靠，便于安裝，所以使用的微動開關(guān)的零位開關(guān)的機(jī)器人。它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下所示： 圖4.3 微動開關(guān)結(jié)構(gòu)圖 上圖中：1)是操作體，2)是驅(qū)動桿，3)是接點(diǎn)間隔，4)是端子，5)是可動片，6)是安裝孔，7)是開關(guān)外殼。在本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人中，操作體是機(jī)械手臂上的外殼，外殼前進(jìn)壓上驅(qū)動桿，驅(qū)動桿傳導(dǎo)外力至內(nèi)部彈簧結(jié)構(gòu)，推動可動接點(diǎn)進(jìn)行開關(guān)動作。 微動開關(guān)安裝位置如下圖表示： 1、2、3、4均為微動開關(guān) 圖4.4 微動開關(guān)安裝位置  第5章 機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)及定位精度分析 5.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì) 優(yōu)化設(shè)計(jì)是一門新興學(xué)科，它是基于數(shù)學(xué)規(guī)劃理論和計(jì)算機(jī)編程的基礎(chǔ)上，數(shù)字電腦計(jì)算，許多在尋找最好的或最合適的設(shè)計(jì)，希望的設(shè)計(jì)，使所需的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均達(dá)到最佳，它可以成功地解決復(fù)雜的問題，以及其它的分析方法是難以解決的，優(yōu)化的設(shè)計(jì)提供了一個重要的科學(xué)設(shè)計(jì)方法的工程設(shè)計(jì)，因此采用這種設(shè)計(jì)方法可以大大提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括兩個方面：一是如何準(zhǔn)確地反映設(shè)計(jì)問題到實(shí)際問題，適用于優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型包括：選擇合適的設(shè)計(jì)變量，目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化問題和制約因素。我們的目標(biāo)函數(shù)是關(guān)系優(yōu)化指標(biāo)設(shè)計(jì)問題和制約因素之間所需的設(shè)計(jì)變量的函數(shù)反映的范圍和設(shè)計(jì)變量來實(shí)現(xiàn)相互之間的關(guān)系;第二個是如何獲得的最優(yōu)解的數(shù)學(xué)模型：這可以歸因于需要在給定的目標(biāo)函數(shù)的極值條件或最佳值的問題。機(jī)械設(shè)計(jì)是對于給定的負(fù)載或環(huán)境條件的優(yōu)化，機(jī)械產(chǎn)品形式，幾何關(guān)系或其他因素，功能的機(jī)械系統(tǒng)，強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性為目的的優(yōu)化的范圍內(nèi)，選擇的設(shè)計(jì)變量。成立 目標(biāo)函數(shù)和約束條件，目標(biāo)函數(shù)來獲取的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的最佳值，當(dāng)前機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)已被廣泛應(yīng)用于航天，航空和國防的各個部門。優(yōu)化設(shè)計(jì)是20世紀(jì)60年代初期和發(fā)展，這是最優(yōu)化理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)在設(shè)計(jì)領(lǐng)域，提供了重要的科學(xué)的設(shè)計(jì)方法，工程設(shè)計(jì)。有了這個新的方法，我們可以找出最佳的設(shè)計(jì)，從而大大提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。因此，優(yōu)化設(shè)計(jì)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論與方法的一個重要領(lǐng)域，它已被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)部門。數(shù)值優(yōu)化方法的發(fā)展經(jīng)歷了數(shù)值分析和非數(shù)值分析的三個階段。數(shù)學(xué)規(guī)劃在20世紀(jì)50年代開發(fā)的應(yīng)用形成數(shù)學(xué)的一個分支，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。 1960年開發(fā)計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的手段，使工程師專注于選擇最佳的解決方案。優(yōu)化技術(shù)成功地應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)或啟動了20世紀(jì)60年代后期，在開發(fā)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）近年來，引進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法后，使得無論在設(shè)計(jì)，工程和設(shè)計(jì)參數(shù)，以保持選擇的優(yōu)化設(shè)計(jì)，但同時加快設(shè)計(jì)速度，縮短設(shè)計(jì)周期。在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展要求機(jī)械產(chǎn)品更新日益所以今天，優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)相結(jié)合，使一個完全自動化的工程設(shè)計(jì)，這已經(jīng)成為一個重要趨勢的設(shè)計(jì)方法。 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法多樣，主要有以下幾種：1無約束優(yōu)化設(shè)計(jì)方法;無約束的優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)并不綁定功能，不受約束可以分為兩類，一類是利用目標(biāo)函數(shù)的第一或二階導(dǎo)數(shù)的無約束優(yōu)化方法，如最速下降法，共軛梯度法，牛頓法和變尺度方法。無約束最優(yōu)化方法，另一種是只使用目標(biāo)函數(shù)值，如坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)法，單純形法和替換鮑威爾方法。這種方法的計(jì)算效率高，穩(wěn)定性好。 2約束優(yōu)化設(shè)計(jì)方法：優(yōu)化問題最約束優(yōu)化問題，根據(jù)處理的限制的方法，可分為直接和間接方法。直接的方法常用的方法有復(fù)雜的方法，約束坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)法，網(wǎng)絡(luò)法。它的意義在于構(gòu)建一個反復(fù)的過程，使每一個迭代點(diǎn)在可行區(qū)域，同時逐步減少目標(biāo)函數(shù)值，直到找到一個最佳的解決方案。遺傳算法 遺傳算法（遺傳算法簡稱GA），在20世紀(jì)70年代初由荷蘭密歇根州（Michigan）的大學(xué)新的可能性的美國（荷蘭）教授提出的優(yōu)化方法。 GA的所提出的算法，它模仿法的自然演進(jìn)，對隨機(jī)生成的人口繁殖進(jìn)化和自然選擇，適者生存的非確定性的性質(zhì)，而不是那些出來，如此循環(huán)，使品質(zhì)和人群不斷變化的個體，質(zhì)量最終收斂于全局最優(yōu)解。遺傳算法是健壯，適應(yīng)性，全局優(yōu)化和隱含并行。主要應(yīng)用領(lǐng)域：函數(shù)優(yōu)化，組合優(yōu)化，機(jī)器學(xué)習(xí)，控制近年來在遺傳算法，圖像處理，故障診斷，人工生命而言，在機(jī)械工程領(lǐng)域的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用，主要表現(xiàn)在： （1）機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化：簡單的遺傳算法的線性健身，不斷交叉和變異概率不能動態(tài)地適應(yīng)整個優(yōu)化過程中提出的非線性健身和自適應(yīng)的交叉和改進(jìn)遺傳算法變異概率， 該算法為解決工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化，功能多的極端問題的參考。 （2）可靠性分析：根據(jù)建議的制度框架，遺傳算法來優(yōu)化系統(tǒng)的可靠性框架結(jié)構(gòu)的可靠性分析。 （3）診斷：網(wǎng)絡(luò)權(quán)和偏置在現(xiàn)實(shí)形式的基因構(gòu)成染色體載體，利用基因多點(diǎn)交叉和突變的人口動態(tài)最優(yōu)選擇，我們提出了一個新的基因 算法，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出的變壓器故障診斷系統(tǒng)網(wǎng)上基于遺傳算法和溶解氣體分析。 （4） 參數(shù)識別：在現(xiàn)有的TS模型參數(shù)的識別方法的基礎(chǔ)上，提出了一種最小二乘方法之前結(jié)束粗標(biāo)識參數(shù)，以確定近似的范圍的參數(shù)，然后遺傳算法參數(shù)的前提下，并結(jié)論參數(shù)同時優(yōu)化參數(shù)辨識。 （5）機(jī)械構(gòu)造：通過機(jī)械設(shè)計(jì)過程中的狀態(tài)下的空間來解決問題，利用遺傳算法來控制搜索過程，建立完善的系統(tǒng)，新的遺傳密碼，以適應(yīng)新的編碼系統(tǒng)，以重建交叉突變和遺傳操作，并利用復(fù)制，交換和突變發(fā)生一次迭代，最后自動生成一組優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，GA也可以在模糊邏輯控制器（FLC），機(jī)器人運(yùn)動學(xué)使用，逆向工程，節(jié)能設(shè)計(jì)，復(fù)合材料優(yōu)化，金屬成型，數(shù)控加工誤差控制和自適應(yīng)預(yù)測等方面的優(yōu)化。盡管遺傳算法來解決很多問題，但仍存在不少問題，如參數(shù)優(yōu)化算法本身，如何避免過早收斂，如何提高經(jīng)營方式或引進(jìn)新的行動，以提高算法的效率，遺傳算法;和其他優(yōu)化算法的問題相結(jié)合。遺傳算法求解約束優(yōu)化問題，一般罰函數(shù)法，算法懲罰因子的合理選擇是難點(diǎn)所在。太小懲罰因子，它可能會導(dǎo)致極小解極小解不是整個罰函數(shù)的原始目標(biāo)函數(shù);懲罰因子取得過大，可能會導(dǎo)致多個局部最小值的可行域，以搜索過程更加困難。但研究方法來挽回局勢，為遺傳算法，高效，穩(wěn)健，幾乎沒有人涉及通用處理時間限制。因此，為了保證在遺傳算法求解約束優(yōu)化問題可以發(fā)展自己的才能和遺傳算法的方法求解約束優(yōu)化問題還需要進(jìn)一步研究。 機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開發(fā)：生產(chǎn)是中心任務(wù)，和競品 5.2 定位精度分析 1.機(jī)器人精度：精度機(jī)器人的位姿精度包括路徑精度。這主要是由于機(jī)械誤差（傳輸錯誤，關(guān)節(jié)間隙和柔性連桿機(jī)構(gòu)），控制誤差和錯誤的解決算法。 （1）姿勢的準(zhǔn)確性姿精度偏差表示指令位置和指令從相同方向接近時，真正的地方姿勢姿態(tài)平均取向。姿勢的精度被分成： 1） 位置精度：指令構(gòu)成的實(shí)際位置，并且群集中心的位置之間的差。 B）姿態(tài)精度：指令姿勢和姿勢真正改變態(tài)度的平均水平。 2） 路徑精確性表示從相同的起始點(diǎn)的偏移到達(dá)的過程中，機(jī)器人關(guān)節(jié)命令軌跡和實(shí)際軌跡平均的同一端。 2.機(jī)器人精度= 0.5基準(zhǔn)分辨率+ 3機(jī)制的錯誤。重復(fù)定位精度：指機(jī)器人姿勢相同的指令，從同一方向N次之后，實(shí)際上，與位置和姿態(tài)傳播抵觸的范圍內(nèi)的重復(fù)響應(yīng),,它是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。 4.地點(diǎn)：地點(diǎn)是有序的機(jī)器人機(jī)器或持有人具有相對固定的位置。 5.追蹤：指的是工業(yè)用機(jī)器人的運(yùn)動的軌跡，即該點(diǎn)，速度和加速度的位置。 6.軌跡精度;指機(jī)器人關(guān)節(jié)之間的小偏差，以產(chǎn)生實(shí)際軌跡與理論軌跡。 7.運(yùn)動學(xué)及參數(shù)：運(yùn)動是利用坐標(biāo)和坐標(biāo)變換矩陣方程來描述機(jī)器人關(guān)節(jié)的每一個動作的運(yùn)動，描述其運(yùn)動軌跡，因此計(jì)劃實(shí)現(xiàn)其控制和軌跡。它分為兩大類，正和逆運(yùn)動學(xué)，正向運(yùn)動學(xué)開始從支架坐標(biāo)，之后的坐標(biāo)矩陣變換矩陣坐標(biāo)機(jī)器人，逆運(yùn)動學(xué)反之亦然的關(guān)節(jié)位置和方向。主的主要參數(shù)包含坐標(biāo)，角度和其它變換矩陣。 8. 機(jī)器人動力學(xué)和參數(shù)：有效控制機(jī)器人，優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真的目的機(jī)器人之間的關(guān)系動力學(xué)主要研究機(jī)器人的運(yùn)動和力量。機(jī)器人動力學(xué)問題可分為正，逆問題。 n中的問題是公知的，每個機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動力（或扭矩）來解決機(jī)器人（關(guān)節(jié)位移，速度和加速度）主要用于機(jī)器人仿真研究，逆問題是公知的，每個關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)力或力矩解決所需。主要用于實(shí)時控制機(jī)器人。主要參數(shù)包括位移，速度，角度，加速度，角加速度 9機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)格：機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)包括通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，安全標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，測試標(biāo)準(zhǔn)，接口標(biāo)準(zhǔn)，形狀和顏色標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)機(jī)器人的安全性的基本要求，推動控制要求，與安全相關(guān)的控制系統(tǒng)的性能（軟件/硬件）的要求，機(jī)器人停止功能要求，減速控制要求，操作要求模式，教控制要求和安全要求和試驗(yàn)方法確認(rèn)校準(zhǔn)的具體要求：指的是校對的機(jī)械，設(shè)備等很準(zhǔn)確。在特定條件下，與參考標(biāo)準(zhǔn)，包括參考材料，包括測定裝置分配的特性，并確定它的指示誤差。校準(zhǔn)是基于校準(zhǔn)規(guī)范或校準(zhǔn)方法可用于統(tǒng)一的規(guī)定可能是它自己的。校準(zhǔn)結(jié)果記錄在校準(zhǔn)證書或校準(zhǔn)報(bào)告也可以在校準(zhǔn)因子或校準(zhǔn)曲線的形式提供表示該校準(zhǔn)結(jié)果。 標(biāo)準(zhǔn)：標(biāo)準(zhǔn)是獲得在一定范圍內(nèi)的最佳秩序，經(jīng)協(xié)商一致制定，經(jīng)公認(rèn)機(jī)構(gòu)規(guī)范性文件，共同使用和重復(fù)使用。它鞏固了科學(xué)，技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的成果的基礎(chǔ)上，由有關(guān)，特別是在經(jīng)主管機(jī)關(guān)核準(zhǔn)發(fā)行的形式各方共識，為共同準(zhǔn)則和合規(guī)性的基礎(chǔ)。 標(biāo)準(zhǔn)制定和除以采用國際標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)型，國家標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)， 企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。國家標(biāo)準(zhǔn)（GB）：國家標(biāo)準(zhǔn)，這是經(jīng)國家標(biāo)準(zhǔn)化主管部門發(fā)布的具有重要意義的國家經(jīng)濟(jì)，技術(shù)的發(fā)展，并在統(tǒng)一的國家，國家標(biāo)準(zhǔn)是全國范圍內(nèi)統(tǒng)一的技術(shù)要求。國家標(biāo)準(zhǔn)分為強(qiáng)制性國標(biāo)（GB）和推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)（GB / T）。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的范圍內(nèi)的工業(yè)在該國。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)分為強(qiáng)制性和推薦性標(biāo)準(zhǔn)。企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：協(xié)調(diào)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)范圍內(nèi)的需求，技術(shù)要求，管理要求和工作要求制定標(biāo)準(zhǔn)化。由企業(yè)制定企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，高管領(lǐng)導(dǎo)的企業(yè)法人代表或批準(zhǔn)和頒布的授權(quán)法定代表人。企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一般是“Q”作為企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開頭。關(guān)系：一是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)必須服從國家標(biāo)準(zhǔn)，他們?nèi)齻€，國家標(biāo)準(zhǔn)的最高水平，其次是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的最低水平。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)由國務(wù)院有關(guān)行政主管部門，并提交給標(biāo)準(zhǔn)化主管的國務(wù)院行政主管部門。當(dāng)相同的內(nèi)容 國家標(biāo)準(zhǔn)公布后，對于內(nèi)容的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)廢止。它們之間的主要區(qū)別在于，在第??一的三個不同的范圍，因?yàn)樵搰膰覙?biāo)準(zhǔn)，行標(biāo)行業(yè)的工業(yè)中，標(biāo)準(zhǔn)速率只對企業(yè)在行業(yè)中。也不同制定機(jī)構(gòu)，不同的權(quán)限。機(jī)器人可靠性：可靠性是機(jī)器人機(jī)械手的規(guī)定條件下的能力，在規(guī)定時間（在產(chǎn)品的預(yù)期壽命）內(nèi)，完成所需的功能（設(shè)計(jì)目的）。機(jī)器人系統(tǒng)屬于間歇性的工作，可靠性或MTBF可靠性應(yīng)作為他的主要目標(biāo)。一致性：指機(jī)器人的使用的過程中，具有運(yùn)動和校準(zhǔn)路徑的軌跡相一致的程度。平均無故障時間：指多久第一故障發(fā)生之前，它反映了時間機(jī)器人的質(zhì)量機(jī)器人的正常操作中，機(jī)器人被實(shí)施，以保持在規(guī)定的時間內(nèi)的功能的能力。效果的機(jī)器人可靠性，一致性和故障時間因素：設(shè)計(jì)缺陷，性能和制造工藝的部分和其它部件，以及裝配過程中和測試方法。 第六章 總結(jié)與展望 5.1總結(jié) 四自由度直角機(jī)器人具有非常廣泛的四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人的領(lǐng)域的應(yīng)用中，設(shè)計(jì)的主要目的是真正業(yè)需要的組合，設(shè)計(jì)一種方法來自動搬運(yùn)工件四個自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人的，這種類型的機(jī)器人的有四個自由度。歸納如下： （1）設(shè)計(jì)的任務(wù)是使用三維設(shè)計(jì)軟件，完成四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人及仿真分析，以驗(yàn)證其正確性的整體設(shè)計(jì); 以下任務(wù)（2）完成：完整的機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)，包括一個底座，腰部旋轉(zhuǎn)平臺，垂直機(jī)身，水平臂和回轉(zhuǎn)平臺設(shè)計(jì)的尖端;完成交流伺服電機(jī)，行星齒輪減速機(jī)，選用滾珠絲杠等產(chǎn)品;簡單的外殼設(shè)計(jì)完