1.论文----6自由度三维旋转机械手臂设计 .doc
6自由度三维旋转机械手臂设计 【优秀论文+CAD图纸】
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自由度
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下载咨询 【有配套三维图】 6 自由度三维旋转机械臂设计 摘要 机械臂是一种经典的机械一体化产品，而其中六自由度机械臂更是机械臂研究方向中的热点。研究机械臂需要机械、力学、电学、人工智能、生物学和计算机科学等方面的知识 ,并且 ,它的研究促进了科技的的进一步发展。 本次毕设中的的机械臂结构需要绘 制三维立体结构 ,并完成总装配图和零件图。同时，要求有关机器人的力学分析模型 ,计算力矩和功率 , 验算其刚度与强度校核，合理选择电动机和减速器。其次 ,根据电动机和减速器的连接和关节的结构设计以及连接方式来检查机制的合理性。 关 键词 六自由度 ；机器臂 ；结构设计；结构分析 下载咨询 I of is a of of is in to of to of of At on s of to of of to of 载咨询 录 摘要 . I . 绪论 . 1 引言 . 1 械臂的研究概况 . 1 外情状 . 1 国内研究现状 . 2 械臂的总体结构 . 2 要内容 . 3 章小结 . 3 2 总体方案设计 . 4 械臂工程概述 . 4 业机械臂 . 4 业机械臂的应用 . 4 业机械臂的设计 . 4 机械臂机械传动原理 . 5 械臂总体方案设计 . 5 章小结 . 6 3 机械臂大臂结构设计 . 8 臂部结构设计的基本要求 . 8 臂部结构设计要求 . 8 臂电机选型 . 8 轮的计算 . 9 载能力的计算 . 9 性齿轮齿面的接触强度的校核 . 9 性齿轮齿根的疲劳强度的校核 . 9 的计算 . 10 章小结 . 机械臂小臂的结构设计 . 12 手腕设计 . 12 臂部结构设计 . 12 臂电机选型 . 12 下载咨询 V 轮的计算 . 12 性齿轮齿面的接触强度的计算 . 13 性齿轮疲劳强度的校核 . 13 章小结 . 14 5 机械臂机身设计 . 15 动机的选择 . 15 计算轴 1 的转矩 . 15 确定各轴传动比 . 16 齿轮设计与计算 . 16 高速级齿轮的设计 . 16 低速级齿轮设计与计算 . 18 轴的设计与计算 . 20 输入轴的设计与计算 . 20 中间轴的设计与计算 . 22 连接的校核 . 26 键连接 . 26 键选型 . 26 键的校核 . 26 承的校核 . 27 输入轴上轴承寿命计算 . 27 身结构的设计 . 30 章小结 . 30 总结 . 31 致 谢 . 33 参 考 文 献 . 34 1 1 绪论 言 机械臂是一种 经典的集机械和电学为一体的产品，【更多毕业设计， 其中六自由度机械臂更是机械臂研究方向中的热点。研究机械臂需要机械、力学、电学、人工智能、生物学和计算机科学等方面的知识 ,并且 ,它的研究促进了科技的的进一步发展。 自从 1954 年以来，电子学家德沃尔获得了一项 可编程序机械臂 的专利，这是一种像人手臂的机械臂，它按既定的程序流程来运行，另外该程序依据的原理也不一样，尤其是在编程方面，所以，这就使得机械臂更加具有操作性和可行性。由此，爱好机器人的科学家英格伯格料想，如果可以设计出想象中的机械 臂，那么机器就可以像人一样去完成复杂而又繁重的体力活了，代替人类去完成那些机械重复的操作。于是，在 1958年，两人合作研制出世界上第一台真意义上的工业机器人，此外得到了广泛的应用。 研究机械臂主要基于一下几个方面，希望能够在恶劣的环境下和其他非人力能以期冀的情况下完成那些操作，从而能够代替人类去完成无法操作的事情。另外，希望在医学和仿真学等方面依据人类的特性来为人类服务。例如人造假肢可以大大的帮助患者恢复治疗等。【代做毕业设计， 由于各国的标准不同，所以有关机械臂的定义以及分类也就不完 全一样了。但是国际标准组织曾制定了一套标准，所以大多数国家都采用此类标准。 械臂的研究概况 外 情 状 世界上最先研究运动原理的不是所谓的物理学家，天文学家等，反而是拍摄电影的艺术家 迈布里奇，他拍摄电影用了特殊的方式，后来拍了动物以一种连续的方式。以至于，再到了后来这种方式被别的科学家用来研究运动了。自从 1930 年以后，苏联的 且生动形象的阐述了运动究竟是怎么回事。可实际上，真正系统性地研究机械臂始于 60 年代，到目前为止，不仅对机械臂有了 一整套研究理论，而且在欧美等国都开发出机械臂的动态与静态的样机了。这一历史背景下，是机械臂真正意义上的重要拓展。其中在 1958 年的时候，美国某公司正式研究出第一台机械臂，这台机械臂通过顶部的电磁块抓放工件，操作部分则由机体上的一个设计形状为长臂行的机械，通过回转运动实现。在四年之后，美国的联合控股公司在第一台机械手的设计上做出了改进，生产出了世界上第一台数控示教再现型机械手，一般称之为万能自动机械手。英文称为 个机械手参考了坦克的炮塔原理，通过采用液压驱动完成机械臂的各种运动。通过磁鼓储存 控制数据，对机械臂下达指令，后代的机械手的控制系统一般都沿用这种控制原理。与此同时，在同一年，美国的机械下载咨询 制造公司也成功制造出了一种机械手，称为 机械手的控制系统也为液压控制系统，方式为示教再现型。这两种型号的出现，为现代使用的工业机械手打下了坚实的基础。之后美国的其他公司和大学进行合作研制了各种新型的工业机械手，控制系统已采用小型计算机。即便是到了现代，机械手的发展技术仍然为第一代，使用时采用人工控制机械手。面前的机械手的研究方向一般转为两类：一是提高机械手的使用精度，二是降低机械手的 研究成本。现在世界各地都在加紧研发，争取尽快研制出新一代的机械手。目前，第二代机械手的研制目标则是通过对机械手加设视觉、触觉和听觉传感器，借由计算机控制，使得机械手实现智能化。而第三代的机械手则是朝向机械手完全自主完成工作的目标研制。 内研究现状 我国的机械臂研究起点低，进步快。虽然是从 20世纪 80年代才慢慢的研究其理论，并且逐渐应用到相关领域的，但 1986 年“七五”机械臂攻关计划和 1987 年的“ 863”高技术计划在国家的重视和领导下取得了长远的进步，以至于很快赶上了国际的步伐，达到了国际一流 的水平。目前，国内研究机械臂的单位主要是高校与相关的研究所等。我国 最先开始的研究是为了赶上国际步伐，可是出乎意料的是，竟然取得了长足的发展。因此中国的机械手研制对比世界其他的国家存在的较大的差距。很多高精度的零件只能从国外进口，核心技术仍由国外掌握。机械手作为未来工业生产的发展方向，决定了未来的工业生产效率。因此中国必须加大对机械手研制的投资和人才培养，尽可能减少乃至将对国外的零件进口需求降低为零，开发出拥有中国自主产权，完全由国内生产的产品。 自从 1986 年以来，哈工大就成功地研发出机械臂 列，其 高度只有正常人的一大半，可是非常笨重，几乎艰难的像人一样运动，但它可以在水平方向前进后退，左右转向和上下翻转。经过数代人的努力，越来越智能，其自由度越来越多，更加灵活。另外，在国防科技大也曾自主研发出一种平面的六自由度的机械臂，清华大学曾研制出32自由度的机械臂，南航也研究出空间型 8自由度的机械臂。 本课题源自“第一届全国大学生机械创新设计大赛”中机械臂。现在的机械臂基本上是通过轮子来实现其功能。尽管有许多模仿人类的胳膊和腿脚的机械臂，但是其缺点也比较明显，并且控制并不稳定。所以，真正成熟应用的机械臂还是很 少。故在本次课题当中，需要设计灵巧的机械结构和易于控制，方便稳定的系统来达到机械臂真正意义上的模仿。 械臂的总体结构 机械臂组成部分： 它主要由操纵、传动、控制及检测四个部分组成组成。 下载咨询 (1)操纵部分：机械臂操作主要是关节的连动，从而能够实现各种运动。它主要由手臂，手腕，底座组成。 (a) 操纵器：机械臂想要对机构进行某种特定功能来操作的话，是能够控制部件的关键。 (b) 手腕：连接手臂和手部的联结件，是用来调节或者改变手部操作的部件。 (c) 手臂 ：连接箱体和手部的部件，主要是用来操作的部 件。 (d) 箱体：机械臂的控制系统的外壳，起保护作用，是保护内部齿轮和轴的壳体，主要是保护系统提供动力的电动机的。 (2)传动部分：可以用来帮助操纵部分获得动力，同时自身可以驱动。主要有：电动机传动，柴油机传动气压传动，液压传动。 (3) 控制部分：在这整个系统中处于核心部分，是用来控制传动部分的，只有按照系统既定的程序来执行某种功能，一旦发生机器故障是，可以编译警报系统来提醒。 (4) 检测部分：主要是借助各种传感装置或者警报系统来对机器工作过程中发生的状况来采样，然后需要对某一部分检测时，再将数据返 回给系统，从而保证系统的正常工作。 经过长久的实践表明，机械臂的自动化可以逐步取代人类的手工操作，能够大大提高生产效率，减轻工人的劳动压力，提高整个社会的劳动生产率。在工厂生产中的会出现许许多多的机械单调操作和笨拙的工件，而采用机械臂则可以有效避免。另外，它能适应各种恶劣的环境，尤其是，高温，低温，低压缺氧，有毒等条件下，人类几乎无法完成，可是，机械臂可以代替人类去操作。 要内容 第 1章 绪论 介绍六自由度三维旋转机械臂的相关背景和研究的任务和要求 . 第 2章 总体设计 介绍六自由度三维旋转机械臂 组成的相关知识和设计 . 第 3章 六自由度三维旋转机械臂各部分设计 第 4章 六自由度三维旋转机械臂结构设计 章小结 通过对六自由度三维旋转机械臂研究发展的了解和学习，我知道了其发展的缘由以及未来发展的方向，希望能够对六自由度三维旋转机械臂的设计，在未来的日子里能够投身机械领域，专研学习，好好的掌握本领。此外对机械臂的组成，特点，功用的了解，使我喜欢上了机械臂这一领域。 下载咨询 2 总体方案设计 械臂工程概述 机械臂是机械领域的分支的某一新兴学科，它需要学会受力分析，结构设计，校核，系统控制等。在 工程上需要系统性的解决实际生产中的问题，因此，可以称之为“系统工程学”。 可以将复杂的机器看做是一个整体的系统，可是每个机器都是由许许多多的零部件组成的，它们都各自有着自身功用，可是组装在一起又有了其他的功能，因此可以总结系统的性能： （ 1） 整体性 由一个或者是多个零部件组成的一个整体应当具有某种功能 （ 2） 相关性 整体下的各个零件既具有自身功能，但相互之间的配合使其具有其他特性 （ 3） 目的性 每个零部件自身都要有明确的功能，而相互间的配合又能实现怎样的功能 机械臂在工业上需要能实现功能上的通用与配 合，以及能够不断地调整位置变化，所以在工业上柔性制造系统中能够很好的进行操作任务，尤其是输送零部件，加工产品等方面。 业机械臂 业机械臂的应用 工业机械臂是在机械化和自动化生产过程当中用来提高工业产值效率的新型机械装置。当今世界，自从计算机产业和电子产品行业的的快速发展，人们不再局限于手工人力等资源，由于其投入产出比过小，所以逐渐有人将提高效率的办法瞄准在机械领域，试图通过机器流水线的生产来逐步取代人工操作。所以，开始有了机器人的研制，但是，传感器和智能性的制约促使了机械臂的产 生。 业 机械臂的 设计 （一）确定负载 现在，世界上用的工业机械臂负载范围非常宽泛，额定负载为 59000N。所以，足够应对那些需求了。要想确定额定负载需要计算机械臂转动时所受的力和扭矩。但是这是理想情况下得到的结果，所以我们需要忽略机械臂自身的质量。所以本次设计得电机是小负载的。 （二）驱动方式 因为伺服电机易于控制，且性能好，对所处的环境没有具体要求，并且个头小，输出功率效率高，所以能精准控制位移与速度。因此本次毕设中我决定选取伺服电机驱动的方式。 （三）传动系统设计 下载咨询 机械臂的传动装置结构设 计时需要质量轻，体积小，不易损坏和尺寸大小合适等条件，在传动过程当中要消除链条的间隙，以提高机械臂传动位置精度。所以本次设计采用齿轮传动。 （四）工作范围 机械臂根据运动过程中的操作范围和运动轨迹来确定自身的范围。通过建立空间坐标系，合理的计算出机械臂的长度，自由度数和坐标变换等 （五） 运动速度 首先需要计算出操作极限位置的最大行程，再算出运动循环时间，根据条件合理的分配时间来确定各个操作的运动速度。 械臂机械传动原理 该方案结构设计与分析 该机械臂的本体结构组成见图 2 2体组成 各部件组成和功能描述如下： 底座：箱体、齿轮传动零件、轴承，电机等。 手臂分为大臂和小臂。 大臂部件：包括大臂和齿轮传动部件，驱动电机。 小臂：包括小臂、传动轴、同步传动带和电机等 手腕：接口， 齿轮，壳体，传动轴等 械臂总体方案设计 机械臂采用的依据是平移与转动，所以又以下四种： (1) 直角坐标机械臂结构 直角坐标机械臂是通过三坐标系的平移来实现的，如图 2-1(a)，这种机械臂可能位置精度高，但是尺寸过大，对于结构设计来说的话，不算特别的合理。因此，想要在小范围工作是不可能实现的。 (2) 圆柱坐标机械臂结构 圆柱坐标机械臂是通过一个转动和两个平移来实现的，如图 2-1(b)，这种机械臂构造比较简单，精度较高，可以用在水下捕捞。 下载咨询 (3) 球坐标机械臂结构 球坐标 机械臂是通过一个平移和两个转动实现的，如图 2-1(c)。这种机械臂结构简单、成本较低，但精度不很高。 (4) 关节型机械臂结构 关节型机械臂的空间运动是由三个转动实现的，如图 2-1(d)。关节型机械臂结构紧凑，易于操作，工作有序区域不受自身尺寸影响。所以，在工业应用上被广泛地采用，尤其是在电焊，装载，装配等方面。 关节型机械臂结构，有水平关节型和垂直关节型两种。 (a) 直角坐标型 (b) 圆柱坐标型 (c) 球坐标 (d) 关节型 图 2四种机械手坐标形式 由于设计要求的需要，所以采用的是 (d) 关节型。 机械臂具有安全性高，灵活操作，结构合理完善执行范围宽泛的特点，所以能执行空间位置转换的功用。协作单位根据其用途和特点提出如下技术参数 原始数据： (1) 每一次啤酒 11箱、每箱 12瓶，重量达 150(2) 动作的时间周期为：10 12秒 /次。 技术要求： (1) 所设计的机器人本体结构能够满足一次重量大、动作周期短、高效、快捷，以及通用性、灵活性等性能要求，同时满足结构工艺性、经济性等方面的要求。(2) 装配图、零件图的绘制应严格按照机械制图 国家标准进行，尺寸、公差、形位公差、技术要求等标注应合理、规范。 (3) 在机器人手臂末端便于实现与各种夹持器的配合联接。 (4) 论文书写要求叙述清楚、符合规范，外文翻译正确。 章小结 在本章节中主要是对六自由度三维旋转机械臂的设计，通过四种类型的方案选择比较来选出最优方案，从而确定接下来如何去设计机械臂。只要在接下来的三章当中合理的确定手臂，手腕，手的结构设计和校核，就可以完成对六自由度三维旋转机械臂的总体设计，不再是简简单单的原理图，而是能够通过三维建模来画出实体。 下载咨询 下载咨询 3 机械臂 大臂结构设计 臂部结构设计的基本要求 手臂部分是机械臂的主要部件。它主要是帮助机械臂支撑的，实现机械臂在三维空间中位置的相对转换。所以要求： （ 1）臂部的承载能力强、质量轻、抗弯性能好 （ 2) 臂部的转动速度快，因此转动惯量小 如果想要减少转动惯量，可以通过以下的方法： 1) 减少手臂零件尺寸 2) 减少转动的半径 3) 在系统中装有增加阻力的装置 (3)手臂操作简单灵巧。 (4)两动作执行的位置精度要高。 本次设计中的薄壁件可以采用铝合金材料，既可以满足机械臂的强 度与刚度要求，也能减少自身的重量，从而减轻电动机的载荷，减少机械臂的响应时间。例外可以采用砂型铸造来减小壁厚，下表为合金的种类和铸件的大小对铸件尺寸的影响： 表 3型铸造铸件最小壁厚计（ 臂部结构设计要求 大臂外壳选取合金铝，结构形状为方形，质量小，强度大。 臂电机选型 设： 4K g=M ，2K g=M 32 M=J 2532422 带入数据得： 22 另外大臂的转动速度为 10r/，那么初始时的转矩： 设大臂从静止到角速度 1 60 / s 总共时间为： 那么： 011 1 1 /31 . 4 6 7 . 6 4 1T J J N 式 (设启动转矩的大小为 全系数为 2，则减速器转矩为： 20102201 式（ 铸件尺寸 铸钢 灰铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁 铝合金 铜合金 200200 200200500500 500500 58 1012 1520 35 410 1015 46 812 1220 35 68 346 35 68 下载咨询 轮的计算 刚性齿轮、柔性齿轮的材料都是采用碳素钢，小齿轮材料为 45号钢，硬度为 220柔性齿轮齿数： 2001002 r 刚性齿轮齿数： 2 0 22 0 02 已知： ，那么 0 02 0 0 12 0 0)42 0 075(10)475( 441 所以取 柔性齿轮的筒体的壁厚： 所以取 ，那么 r 15) 取 4 r 1 0 0,1 2 0801 0 0) 取 载能力的计算 性齿轮齿面的接触强度的校核 接触强度计算公式： t a jj 式（ 3. 3） 则： a 0t a 所以满足齿面的接触强度校核。 性齿轮齿根的疲劳强度的校核 下载咨询 0 M P 0100(0100(则： M P 2( 验算安全系数： 22式（ ) 48 5 0121 M P 代入数据得 22 所以满足齿根弯曲的强度校核。 的计算 计算轴的直径 轴的材料选用 45号钢，表面处理方法是调质。轴径设计为： 331 式（ 取： d=42弯曲截面 系数为： 抗扭截面系数为： 弯曲应力为： M p 0 3 扭切应力为： M p 03 5 41 下载咨询 1 当量应力为： M p 222 由表可以得知 45钢调质处理抗拉强度极限 b =640格 章小结 通过本章对六自由度三维旋转机械臂大臂的设计，我了解了机械设计过程当中的辛苦，尤其是在查找数据的时候，好多情况下，数值超出了表的范围，往往无法计算。另外，在校核强度和刚度的时候，特别的不容易，所以说不仅仅要把数据给算出来，还要好好的，检验其合理性，特别是在安全性和使用寿命等情况下。 下载咨询 2 4 机械臂 小臂 的 结构设计 腕设计 机械臂手腕是连接机械臂手臂和手的连接件，主要是用来支撑手臂的。所以手腕设计时要求是：结构紧凑、方便灵活，稳定性 好，平衡性高、位精度高，所用应当采取那些材料强度和刚度高。 图 4腕示意图 臂部结构设计 小臂外壳选取合金铝，结构形状为方形，质量小，强度大 臂电机选型 设： 4K g=M ，2K g=M 32 M=J 2532422 带入数据得： 22 设小臂转速 s/152 ，角速度从 0加到 2 所需加速时间 ，则同步带应输出转矩为： 2/ 式（ 20152201 式（ 轮的计算 柔性齿轮齿数： 2001002 r 刚性齿轮齿数： 2 0 22 0 02 已知： ，则 0 02 0 0 12 0 柔性齿轮齿圈处的厚度： 下载咨询 3 0)42 0 075(10)475( 441 所以取 计算得： r 15) 取 4 r 1 0 0,1 2 0801 0 0) 取 所以取 性齿轮齿面的接触强度的计算 接触强度计算公式： t a jj 式（ 则： 0t a 0t a 32 所以满足齿面的接触强度要求。 性齿轮疲劳强度的校核 进行柔性齿轮的疲劳强度校核。 柔性
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