纽扣自动冲压组装台异形零件夹持装置设计【机械手】【全套含有CAD图纸三维建模】
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解决金属切削问题的智能专家系统的开发 乌鲁达大学 ， 机械工程系， 尔萨，土耳其 于 2004 年 9 月 8 日收稿， 于 2005 年 1 月 31 日 接受 2005 年 3 月 21 日可在线 摘 要 在金属切削 方面 ，这些问题需要有良好的分析，以便遇到任何意外的结果之前， 可以 采取 有效的 防范措施。这一 过程 在实现 产品 质量稳定和控制生产总成本 方面起很 重要的 作用。但是，需要 一个 拥有 在 金属切削 方面有大量 经验 和知识的 专家是一项艰巨的任务 。 在本 文 ， 智能专家系统 （ 查 并解决了 在金属切削领域遇 到的三个主要问题 ： 车削，铣削和 钻孔。许多 金属切削 方面的问题都被考虑在内，如在 车削 过程中的工件 内部插入转折点 ， 铝 件 车削 ， 沟 槽车削， 螺纹车削 等工序 ; 在 铣削 方面 面铣，方肩铣，端铣，多用途铣和侧铣 等工序；在 和钻 孔 作业，使用 固定 或可转位钻头钻 孔等。以 给出建议的切削参数 而且能及时 更新 在切削 问题， 产生 原因和补救措施等方面的 数据库， 因此 系统能够处理 的问题数量在 增加。 关键词 ： 金属切削问题 专家系统 具磨损 1、引言 现代制造业的目标是，在组织设施能够进行有效控制，以便能以在较短 生产周期内以较低的生产价格制造出高质量的产品 。为了实现能以较低的价格获得更优质的产品，制造部门格关注采用更好的刀具和高精密的机械等 1。然而，在大多数情况下对于生产要求这是不够的。专业的工作选择正确的工具是重要的，但是为了更高效的制造，刀具磨损也应考虑在内。在文献中，许多出版物上对于不同材料制造的刀具的磨损的确做了很多研究 2。 金属切削是切削碎片的形成过程。虽然切削过程是把金属切削成所规定的形状和大小，但这必须通过定义切削碎片工作来完成。切削碎片的形成意味着一个新的金属界面不断形成并沿刀具材料承受着 非常高的压力和温度 3。所产生的区域成为发生金属扩散和化学反应的理想场所。所有刀具在加工过程中不断变得破旧，并继续这样工作直到它们报废。刀具磨损是不可避免的，如果能了解刀具磨损的时间，程度，类型时，刀具磨损就不再是一个消极的进程。 在不同的金属切削过程中存在着几种不同的磨损机理，相近 不同类型的问题由于这些机制作用的结果而联系交织在一起。如果这些问题能够得到很好的分析，我们就有可 能找到其中每一种问题的正确的解决方案。 在分析金属切削问题时这个问题应当明确界定，而且其可能的原因也应该得到确认。找一个拥有知识 和大量金属切削经验的专家是一项艰巨的任务。今天在金属切削领域，关于解决切削碎片问题的专业设施主要由切削刀具生产企业提供。由于在这一领域工作的人是有限的，因此并不总是能够找到真正需要的专家。在现有专家聘用费用昂贵而且人员稀缺的领域中专家系统一直特别受欢迎。对于解决金属切削问题专家系统将是非常有益的。 2、专家系统在协助发展制造工艺上的应用 基于知识的系统或专家系统是一个体现狭窄领域的知识并解决该领域相关问题的计算机程序。专家系统通常包括两个主要内容，知识基础和推理机制（图 1）。 基础知识包含一个可以表述 为由 则、事实说明、框架、对象、程序和案件组合而成的知识领域。推理机制，是专家系统操纵存储的知识并对遇到的生产问题提出解决方案的一个组成部分 4。 一个人类专家利用知识和推理最终得出的结论，专家系统也是如此。推理在专家系统试图模仿结合人类专家的知识的过程中进行。因此，专家系统的结构或架构有些类似于人类专家的执行情况。因此，专家系统可以比喻成专家。 一个比较明显的问题是规则的收集。人类专家聘用费用高昂，而且并不想要坐下来写关于他们是怎样得出他们结论的那些大量的规则。更重要的一点，他们可 能也无法做到。虽然他们通常会遵循逻辑的路径来得到他们的结论，但是把那些规则放入一套标准之中实际上是非常困难的，并且也许是不可能的。 对于许多人类专家下面这种情况是很可能的。虽然他们开始时有着自己的专业规则，但是在工作中通过自己的工作经验知识来开展自己的工作，并且通过直觉得出正确的解决方案。它们可能都跟随逻辑路径，但是在沿着这逻辑的路径上，他们精神上已经 跳过许多步骤。专家系统不能做到这一点，它需要很清楚的知道各种规则。 专家系统的一个很突出的好处是能够广泛把知识分发给每一个专家，或者可以同时汇总的几个远远相隔 的几个专家的知识。当偶尔的执行任务时专家系统特别有用，而专家每次执行任务时则需要重新学习工作程序。 专家系统是用来规范操作的。如果你有三个机器操作员（或工程师）来执行相同的任务，但是每个人都会做的不同。而专家系统则每次都可以用同样的方式来工作。 这些系统可用于培训员工，指导他们，或进行实际执行如计算任务。专家系统的另一个用途是作为专家辅助您的工作。他们将使您能更准确，更一致，更快，从而为专家能更创意的完成任务而节省了时间。当处理乏味、重复的任务时这是特别有用的。 因此，一旦领域知识被专家系统提取，建设此系统 的过程比较简单。能被发展的专家系统的易用性，导致了刀具广泛应用。在工程，可以找到在各种任务上的应用，包括选料，机械零件，刀具，设备和工艺，信号解释，状态监测，故障诊断，机器和过程控制，机械设计，工艺规划，生产调度和系统配置。最近专家系统所执行的一些具体任务的例子如下： (1)确定和规划离岸结构重要组成部分的检查时间表 5; (2)在设计和评价能源热电厂方面培训技术人员 6; (3)配置输纸机构 7; (4)在有限元分析锻造变形时自动重新啮合 8; (5)存储，检索和修改平面连杆机构设计 9; (6)应用于发动机油产品的添加剂配方设计 10; (7)选择刀具和切削参数 11 有几个潜在的研究领域肯定了专家系统在制造业方面价值 14， 15 et 16在其文章中讨论了关于加工操作规划的系统框架。在此框架中从电子刀具目录和网络环境下的加工实例数据库中提取和组织的加工技术诀窍了发挥了主要作用。在有参考的情况下可以构成加工数据，这些加工数据来自翻查的刀具目录，相关的国际标准，参考教材和手册。 在一般车削和铣削时， 11在专家系统的应用对于解决制造工程师目前所面临的 et 17开发了一种优化棱镜组件加工业务的专家系统。他们描述了一种新的 码方案用于代表待加工得棱镜组件表面。 18在可以作为霍隆的 5 轴曲面加工过程中提出了一个用来选择刀尺寸和工具方向的算法。铣削表面分为三个阶段，即粗加工，半粗加工和精加工。该算法在曲率分析的基础上选择最佳的刀具并且在立方（凹 面上自主的计划刀具路径。本文的主要目 的是建立这种涵盖了主要的金属切削问题的系统，并帮助那些参与金属切削工作的人们提高产品质量。 3、专家系统在解决金属切削问题上的应用 决金属切削问题时应考虑的因素 在金属切削过程中大部分问题是磨损的结果。所有刀具在加工过程中不断变得破旧，并继续这样工作直到它们报废。刀具磨损是不可避免的，如果能了解刀具磨损的时间，程度，类型时，刀具磨损就不再是一个消极的进程。因此，如果对刀具磨损所导致的问题以及其他不利于机械加工业务的有害因素进行了分析，我们就有可能找到其中个个问题的正确解决方案。这将减少 非生产性故障的检查时间，因此，减少了加工时间、非生产性停工时间、加工费用并且提高生产效率。在解决金属切削加工问题时所使用的专家系统的结构图如图 1。通过软件需要考虑的输入列于图 2。 特点 该软件已开发利用 视化编程语言。而建立一个咨询系统的主要困难在获取和研究在解决方案中使用的要素。根据目前在解决金属切削问题上的设计，一旦选中操作类型，对于每个类型的操作的四个主要阶段已经确定： (1)切削数据的建议。 (2)问题的定义。 (3)切割数据评价。 (4)问题的汇总 。 削数据的建议 在加工过程中刀具的正确选择是实现最大的生产力的关键。但是，虽然工具是正确的，如果加工条件不符合标准，特别是在切削参数一般稳定，问题将会出现而且刀具的最佳寿命将无法达成。切削参数不正确，刀柄、夹紧的振动和缺乏刚性这些都是金属切削的主要问题。 除了解决问题该软件对每个操作类型（业务类型如前所述）、每个材料组 (, M ), 每个应用类型（粗，中，完成）、每加工条件类型（好，一般，困难）提供切削数据的建议并且显示如图 4 的可用插入列表。在这里不是为了找到应用 程序的最合适的插入点但是监测金属切削中使用的插入的初始值和切削参数的工作范围（即切削速度，进给量和切削深度）。在这个阶段决定的合适的等级与所选操作，材料组，应用程序等有关。此外，个个材料组的材料清单能够清楚的看到。 推荐切削参数值取自 0，其他厂商的刀具切削参数可作为建议的值。切削数据显示值是在一定的材料硬度和一定的刀具寿命下得到的。对于任何工件材料跟指定的值相比具有不同的硬度值而且如果刀具寿命超过 15 分钟，提供的切削数据应乘以修正系数（见表 1）。 析金属切削问题 目前有在金属切削过程中存在多种不同 /类似的问题。表面上看这些问题有些是相同的，但是很难相区分开来。问题类型的分类已经形成评估加工操作的重要基础，它通过获取刀具等级以及适合切削类型材料类型的正确的加工条件而优化了生产力。正确的工具，良好的出发切削数据，专家的支持下，自己的经验，工件的材料和优质的设备条件是加工成功的重要因素。对各种工具制造商问题清单的聚合进行归类形成了可由软件使用的 用户分析金属切削问题时要么在一个或两个阶段之一：从菜单中直截了当的挑选出定义的问题或者首先检查金 属切削过程中使用的切削数据，之后访问定义的问题。问题定义模块显示问题的清单，包括其可能的原因及补救措施。一旦选定一个问题（例如，后刀面磨损的转折点或在钻深孔是的转头的跳动），一张图片，清楚的提供了问题的界 定和其可能原因的列表。因此一旦选择了可能的原因就确定了相应的补救措施。更多与该问题有关的信息通过点击 “？”获得（图 5）。 削数据评估 在金属切削过程中，大部分的问题是切削数据不合适应用程序的结果。因此，在这些问题直接列出之前，用户被建议检查操作，应用程序和加工条件的切削参数以确定是否切削速度，进给量和切削深度是否与事先插入的长度，厚度和圆角半径相符。切削数据模块检查在运行中的切削参数是否与插入的相符而且这项工作基本上是与理想的切削数据值进行比较，理想的切削数据值是目录值和校正因子的乘积。如果不相符（这意味着切削参数的值不在范围内），用户应修正切削参数。在铣削和钻孔只有切削速度和进给速度值被考虑，在钻孔时钻头直径和钻头中心或周边的等级被考虑在内（图 6）。在图中对中型钢（ L 代表轻型， M 代表中型， H 代表中型铣削操作）面铣的切削参数被评估，由于使用价值远低于由给定硬度和刀具寿命计算的理想值， 则就会显示警告。 一旦切削数据被审查（和纠正），下一个步骤就是访问这个问题的定义模块。由于切削数据被修正，原因列表和补救措施将会不同而且“切削速度过高”或者“进给量太低” 将不会是有关问题产生的根源。 该软件能够在各种业务类型中分析超过 100 多种问题，并对近 200 个问题原因提供补救措施（ 340 补救措施）。他系统中包含的知识有两个主要来源：从事金属切削领域的专家或者来自于技术文件，目录和各种刀具生产公司的手册 21， 22， 23， 24和 25。 题编辑 系统中包含的 知识有两个主要来源：从事金属切削领域的专家或者来自于技术文件，目录和各种刀具生产公司的手册。一个专家系统的成功之处隐藏在像人类专家一样的扩展结构当中。人类专家遇到每一次新的解决方案时都增加了他的知识并且在未来分析时能再利用这些知识。因此， 一个可扩展增长的数据库结构，它能处理每天越来越多的问题。 由于系统有单独的和模块化的知识基础，只要进入到数据库编辑获得知识文件就可以很容易的更新系统。系统包含的信息越多，它能够处理的金属切削方面的问题就越多。 知识库是系统的核心，因此，负责生产、添加、删 除或修改是那些少数人的任务。因此，用户需要知道密码才能进入的知识库。问题编辑允许和问题，原因和补救措施相关的问题，图片和资料档案添加到知识库。此外，还有可能增加新的问题原因或原本已存在知识库中的问题原因的新的补救办法（图 7）。 该系统是多语言，因此它能够处理无论是土耳其文还是英文的金属切削的问题。一旦确定语言被确定，所有程序菜单和问题，原因及补救措施清单都用所选择的语言显示出来。 4、结论 本文介绍了一种为解决各种加工操作任务 中 金属切削问题的专家系统 。 由于在 许多文献中没有很多关 于 此主题 的 工作 也 因为这种类型 的系统可以实现多 种 金属切削业的要求 ， 这里所描述的工作可以 认为是 一件有益的工作 。 在制造业，特别是在小型或中型加工车间 ，切削数据是不正确 是 问题的主要原因。工具一般 以 较低的切削数据运行 来使他们在频繁的启动中能维持较长的寿命。 这就显然是 低效率的利用 金属切削时间。由于系统提供 的便利 之一 便是 评估的切削参数 ， 这将帮助用户 为应用程序 选择合适的速度，进给量 或切削深度。如果切削数据是正确的 而且 金属切削问题 也得到 解决 ， 由于发生故障 而引起 的停顿将缩短，良好的利用发电能力 的目的将可以达到而且 金属 得 切削时间 将会有所减少 。 这 就 意味着生产 成本 将会下 降很多 。 该系统开发 也为了培训从事 金属切削业 的人。 这些照片和有关问题的资料 将会 帮助用户更多 的 认识了解他们。这些图片和信息 收集于应用于 工业 的 各种手册和 研究报告 。 参考文献 1 1994. 2 , , of 004； 25： 5251. 3 P A, A 26(6). 4 O. . An 005； 21（ 2）： 835 X, . A , A, W, in X (), 1994. p. 1818. 6 L, K, a , A. of of on 996. p. 5300. 7 Y, H. of to a of on 996. p. 4956. 8 , , ,. , An to in 6 (1997), 8792. 9 . . A to 1 (1997), 107119. 10 Z ,to 1 (1997), 167172. 11 of an in a J 3 (2001), 306311. 12 V. of 8 (2002), 112. 13 V. A, J 990 (1999), 310317. 14 of 9 (1990). 15 1988). 16 An of J 07 (2000), 160166. 17 .A of by a J 3 (1997), 163168. 18 of (1999) (2). 19 62000. 20 72002. 21 2001. 22 29: 0221996. 23 1993. 24 103 1994. 25 1995. *,to be in to of is to 2is of as a of If +90 224 4428176; +90 K. 1 +90 224 4428176; +90 224 7 (2006) - 211 2005 in to at a To a to be in by 1. is in of is be is a is at to to be by a is at 3. it an of to do so to of is a in in of it is a an a of in In a in is A of as in in or in of of is 005 In do on in of of a 004;6059, 005034& it be to to of a in be be is a an a of in in in by of in is it is to an he/is in in an be an is of to to a of as to to to be a to a F . be is o in a of do 212a to do to K. 7 (2006) 102710342. or to An a an 1). be as 212is of an to to 4.A at so an in an in or of a is an an 1. of is of a or to of in a is to it is to or it do it be to a as a is as to to be is to in an of is be to a of of In be a of of of by of an 5; in of 6; 7; a of 8; 9; 0; or 1113to in 14,15et 16 in in in On of be is of K. 7 (2006) 10271034 10292. of 1 on in is of by AD NC et 17 an to a T to be of 18 an as a is in to on of is to of in to A in of in to do so of is K. 7 (2006) 102710343. a if of is if as as it be to of of of of in is 1. by A in a in in is if up to as be of in of a of of ,M ), of of of 4). it is to of in it is to K. 7 (2006) 10271034 1031in of of is of is 4. to of 20, be as as a 5 be by )20 +40 +60 +80 +1001 0 45 K. 7 (2006) 10275. 19B 040 80 80 60 10 15 20of In of to be of to an to of of of is to BS or by or by in to to a is in or in a a of a is is by ? (5)of of to of if in in is 6. a K. 7 (2006) 10271034 1033of of If is no of in is to In in of 6). In of L M H is a 7. to is be of is of 00of in of to 00 340 in in of or of 2125in in of or of of an is in he to in an to a it is to it in is of of a to or to to to to of to be to it is to to or to in 7)is it is is in an of in in of in as a of In in or of at fre 本科毕业设计（论文） 纽扣自动冲压组装台异形零件夹持装置设计 学 院 材料与能源学院 专 业 材料成形与控制 年级班别 2010 级 模具 2010 班 学 号 3110006737 学生姓名 李忠慕 指导教师 刘伟 2014 年 6 月 扣自动冲压组装台异形零件夹持装置设计 李忠慕 材料与能源学院 摘 要 纽扣自动冲 压组装台异形零件夹持装置采用 夹持机构 进行设计 有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重负荷比小、动力性能好、控制容易等一系列优点可以作为航天上的对接器、航海上的潜艇救援对接器；工业上可以作为大件的装配机器人、精密操作的微动器；可以在汽车总装线上自动安装车轮部件；另外，医用机器人，天文望远镜等都利用了并联技术。 本文 夹持机构 的研究方向： （ 1） 夹持机构 组成原理的研究 研究 夹持机构 自由度计算、运动副类型、支铰类型以及运动学分析、建模与仿真等问题。 （ 2） 夹持机构 运动空间的研究 （ 3） 夹持机构 结构设计 的研究 夹持机构 的结构设计包括很多内容，如机构 的总体布局、安全机构设计 。 由于本人水平有限，文中的错误和不足在所难免，恳请各位老师给予批评和指正。 关键词： 机械手； 虚拟样机； 夹持机构 a of be as a be as in in of of (1) on of of of of (2) as , of (3) of as of of my in be to of 目 录 1 前 言 . 1 题研究背景意义 . 1 内外研究现状 . 2 2 并联机械手的结构及工作原理 . 6 联运动机构概述 . 6 联的结构及机械运动原理 . 7 制系统结构及工作原理 . 7 持机构 工作空间的分析 . 9 3 夹持机构 主要部件的设计 . 10 动 机选型 . 10 机的分类 . 10 择步进电机的计算 . 11 动结构形式的选择 . 14 何参数的计算 . 14 的设计及校核 . 15 承的寿命校核 . 17 爪夹持器结构设计与校核 . 19 爪夹持器种类 . 19 持器设计计算 . 20 持装置气缸设计计算 . 21 步确系统压力 . 21 缸计算 . 22 塞杆的计算校核 . 24 缸工作行程的确定 . 24 塞的设计 . 25 向套的设计与计算 . 25 盖和缸底的计算校核 . 26 体长度的确定 . 27 缓冲装置的 设计 . 27 压元件选取及工作原理 . 27 源装置 . 27 行元件 . 28 制元件 . 29 助元件 . 30 空发生器 . 31 4 夹持机构 机 夹持机构 空间分析 . 32 持机构夹持机构 机的运动学约束 . 32 杆杆长约束 . 32 动副转角约束 . 32 杆杆间干涉 . 33 定 夹持机构 空间的基本方法 . 33 总 结 . 34 参 考 文 献 . 35 致 谢 . 36 1 1 前 言 题研究背景 意义 并联机器人与已经用的很好、很广泛的串联机器人相比往往使人感到它并 不适合用作机器人，它没有那么大的活动空间，它活动上平台远远不如串联机器人手部来得灵活。的确这种 6构的 夹持机构 其工作空间只是一个厚度不大的蘑菇形空间，位于机构的上方，而表示灵活度的末端件 3 维转动的活动范围一般只在 60上下，角度最大也达不到 90。可是和世界上任何事物一样都是一分为二的，若用并联式的优点比串联式的缺点，也同样令人吃惊。首先，并联式结构其末端件上平台同时经由 6根杆支承，与串联的悬臂梁相比，刚度大多了，而且结构稳定；第二，由于刚度大，并联式较串联式在相同的自重或体积下有高得多的承载能力 ；第三，串联式末端件上的误差是各个关节误差的积累和放大，因而误差大而精度低，并联式没有那样的积累和放大关系，误差小而精度高；第四，串联式机器人的驱动电动机及传动系统大都放在运动着的大小臂上，增加了系统的惯性，恶化了动力性能，而并联式则很容易将电动机置于机座上，减小了运动负荷；第五，在位置求解上，串联机构正解容易，但反解十分困难，而 夹持机构 正解困难反解却非常容易。由于机器人的在线实时计算是要计算反解的，这就对串联式十分不利，而并联式却容易实现。 夹持机构 实质上是机器人技术与机构结构技术结合的产物，与实现等同功 能的传统五坐标数控机构相比， 夹持机构 具有如下优点： 刚度重量比大：因采用并联闭环静定或非静定杆系结构，且在准静态情况下，传动构件理论上为仅受拉压载荷的二力杆，故传动机构的单位重量具有很高的承载能力。 响应速度快：运动部件惯性的大幅度降低有效地改善了伺服控制器的动态品质，允许动平台获得很高的进给速度和加速度，因而特别适于各种高速数控作业。 环境适应性强：便于可重组和模块化设计，且可构成形式多样的布局和自由度组合。在动平台上安装刀具可进行多坐标铣、钻、磨、抛光，以及异型刀具刃磨等加工。装备机械手腕、高能束源或 像机等末端执行器，还可完成精密装配、特种加工与 夹持机构 等作业。 技术附加值高： 夹持机构 具有 “硬件 ”简单， “软件 ”复杂的特点，是一种技术附加 2 值很高的机电一体化产品，因此可望获得高额的经济回报。 目前，国际学术界和工程界对研究与开发 夹持机构 非常重视，并于 90 年代中期相继推出结构形式各异的产品化样机。 1994 年在芝加哥国际机构博览会上，美国床公司、 司和 司首次展出了称为 “六足虫 ”( “变异型 ”(数控机构与加工中心， 引起轰动。此后，英国司，俄罗斯 司，挪威 司，日本丰田、日立、三菱等公司 ,瑞士 究所，瑞典 司，丹麦 司，德国亚琛工业大学、汉诺威大学和斯图加特大学等单位也研制出不同结构形式的数控铣床、激光加工和水射流机构、 夹持机构 机和加工中心。与之相呼应，由美国 于 1996 年专门成立了 户协会，并在国际互联网上设立站点。近年来，与 夹持机构 和并联机器人操作机有 关的学术会议层出不穷，例如第 47 49 届 会、 1998 1999 年 会、 25 届机构学双年会、第 10 届 界大会均有大量文章涉及这一领域。由美国国家科学基金会动议， 1998 年在意大利米兰召开了第一届国际并联运动学机器专题研讨会，并决定第二届研讨会于 2000 年在美国密执安大学举行。 1994 1999 年期间，在历次大型国际机构博览会上均有这类新型机构参展，并认为可望成为 21 世纪高速轻型数控加工的主力装备。 我国已将 夹持机构 的研究与开发列入国家 “九五 ”攻关计划和 863 高技术发展计划， 相关基础理论研究连续得到国家自然科学基金和国家攀登计划的资助。部分高校还将 夹持机构 的研发纳入教育部 211 工程重点建设项目，并得到地方政府部门的支持且吸引了机构骨干企业的参与。在国家自然科学基金委员会的支持下，中国大陆地区从事这方面研究的骨干力量，于 1999 年 6 月在清华大学召开了我国第一届并联机器人与 夹持机构 设计理论与关键技术研讨会，对 夹持机构 的发展现状、未来趋势以及亟待解决的问题进行了研讨。 内外研究现状 夹持机构 具有高刚度、高承载能力、高速度、高精度、重量轻、机械结构简单、标准化程度高和模块化程 度高等优点 ,在要求精密加工的航空航天、兵器、船舶、电子等领域得到了成功的应用。 3 (1)串联结构中的横梁部件很容易受到弯曲扭矩的作用而产生扭曲变形，从而产生动态误差； (2)由于采用串联的方法，因而整个运动误差是每个坐标轴运动误差的累加； (3)由于运动部件质量较重，从而使的运动惯性增大，运动速度收到限制，因而直接影响了 夹持机构 效率； (4)不满足 夹持机构 的基本原理 阿贝原理； (5)由于受 X， Y， Z 相互垂直导轨的约束，测头的空间位姿不够灵活。 图 通笛卡尔式串联结构示意图 从整个发展进程不难看出， 夹持机构 技术是为满足日益进步的制造技术的需求而不断向前发展的，是为先进制造技术而服务的。近几年，随着精益生产、敏捷制造、虚拟制造、并行工程和逆向工程等各种先进制造思想和理论的不断提出，对 夹持机构机的 夹持机构 精度、 夹持机构 效率及灵活性等相应的技术指标又提出了更高的要求 ，而传统的具有笛卡儿坐标系结构的三 夹持机构 机因其自身结构的限制已很难达到这一要求，于是，各种非笛卡儿式 夹持机构 技术应运而生并迅速发展起来 13。 4 图 种非笛卡尔串联机构 夹持机构 机结构示意图 当今国际市场需求快速变化的特点和 21 世纪更加个性化的市场趋势，促进了快速设计和制造技术的发展。并联 夹持机构 机是近 30 年发展起来的一种高效率的新型精密 夹持机构 仪器，克服了传统串联 夹持机构 机结构布局的固有缺陷，有效地降低重量和提高对生产 环境的适应性，满足了快速多变的市场需求。与常用的串联 夹持机构机相比，它的优点是 : (1)并联中的可动平台同时经由 3 根可沿各自轴向伸缩的连杆支撑 ， 从而使整个系统的刚度较串联机构相比有较大程度的提高 ； (2)各并联杆件只承受沿轴向的线性调节力的作用 ,因而其运动误差小 ， 不易变形 ； (3)夹持机构 中 ,各杆件间不存在误差累积和放大关系 ， 容易实现高精度 夹持机构 ； (4)并联运动机构中运动部件的惯性质量小 ， 刚度大 ，因而有望实现高速、 高效率 夹持机构 ； (5)可以将 夹持机构 点放置在测长装置的延长线上 ， 从而减小阿贝误差对 夹持机构 结果的影响 ； (6)并联 夹持机构 机测头的空间位姿灵活 ， 可从任何角度进入工作表面 ， 因而对表面形状复杂 ,孔隙方位多的零件 夹持机构 比较方便 ； (7)夹持机构 结果不易受空气波动、 温度变化等因素的影响 ； (8)不需要复杂的跟踪机构、控制装置等 ； (9)夹持机构 具有 “硬件 ”简单 ， “软件 ”复杂的特点 ， 是一种技术附加值很高的机电一体化产品 ,因而渴望获得高额的经济回报。 由此可以看出 ， 夹持机构 恰好能够对串联机构的应用局限进行恰当的补充 ， 这无疑为新一代 夹持机构 机的开发与研制带来了希望 ， 从而为拓宽 夹持机构 机的应用领 5 域 ， 促进产品 的多样化 ， 提高产品的市场竞争力奠定了坚实的理论基础。 近年来，以 夹持机构 学为理论依据的智能机器人技术及计算机数控加工技术的研究引起了各国学者的极大兴趣，现已成为新的研究热点，并认为是 21 世界极具发展前景的先进技术 14由于并联运动机构具有结构刚性大、运动速度高、误差不叠加等独特特性，因而若将其应用于 夹持机构 机中，将有可能使 夹持机构 机的 夹持机构 精度及 夹持机构 效率等综合性能得到很大程度的改善。由此可以看出，并联运动机构理论及应用研究的兴起也为新型 夹持机构 机的开发提供了机遇，所以，开展并联运动机构的研究 工作是非常必要的。 6 2 并联机械手 的结构及工作原理 联运动机构概述 从 夹持机构 的结构特点不难看出， 夹持机构夹持机构 机属于一种新型非笛卡儿式夹持机构 系统。传统的笛卡儿式 夹持机构 系统对空间位置坐标的 夹持机构 是直接通过三个相互垂直的长度基准来实现的，也就是说，这种 夹持机构 机的 夹持机构 模型是直接建立在直角坐标系基础之上的，因而该 夹持机构 机具有 夹持机构 建模容易， 夹持机构 结果直观、数据处理简单、符合大多数工件 夹持机构 的需要等优点。而对于由并联闭环机构所组成的并联 夹持机构 机来说，其测头处的空间位置坐标是有若 干个并联调节器的长度基准和连接上下平台的球形副（或转动副）的角度基准来表述的，由于这些变量参数之间的关系是非线性，所以与普通直角型 夹持机构 机相比 夹持机构夹持机构 机的 夹持机构 建模问题就变得十分复杂。 并联运动机构是指上、下平台用 2 个或 2 个以上分支相连，机构具有 2 个或 2个以上自由度，且以并联方式驱动的空间闭环运动机构。由于并联运动机构具有刚度重量比大，运行速度高、末端执行器位姿灵活、误差不叠加、结构简单、易于模块化设计等优点 ，因而在许多领域都已得到广泛的应用。例如：德国汉诺威、斯图加特大学及不伦瑞克大学等已先 后将并联运动机构应用于激光加工、机构、普通装配及医学等领域中。国内一些知名大学，如清华大学、天津大学、东北大学、燕山大学和哈尔滨工业大学等等，也正在开展 夹持机构 方面的研究工作。 实际上， 夹持机构夹持机构 机的 夹持机构 建模问题就是 夹持机构 的正运动求解问题。所谓正运动求解，就是在已知 夹持机构 中各运动副的位置参数及各并联调节器杆长变化量的情况下，来计算末端执行器（如测头）出的空间位置坐标。由空间机构学理论可知并联闭环机构的位置反解比较容易，但其位置正解却相当复杂，到目前为止，也只能给出其数值解，且明显存在多解现象。 我们通过对 夹持机构夹持机构 机的布局结构进行优化，即将连接上下活动平台的运动副以等边三角形的方式进行排列，从而使个运动副之间的相互关系简洁化，然后充分利用机构的运动约束和集合约束关系，建立由对应机构组成的并联 夹持机构 机的夹持机构 模型。 7 联的结构及机械运动原理 本文所研究的 夹持机构 的结构见图 26。由图 以看出，该主要由上下 2个平台和连杆组成。 从机构的连接方式不难看出 ， 三个中间连杆的运动是相互关联和制约的 ， 而不是相互分立的 ， 因此 ， 这种机构属于并联运动机构 。 夹持机构 的工作原理十分简单 ，它是通过移动副的调节器来控制移动副的伸缩，使连杆长度发生变化，从而使测头移动至测点位置，然后再由安装在移动副内的长度 夹持机构 装置测出杆长的变化量，并以此为依据，计算出测点处的空间坐标。 图 持机构 结构简图 制系统结构及工 作原理 夹持机构夹持机构 机的控制与 夹持机构 系统结构示意图如图 2示： 由图可以看出来，该 夹持机构夹持机构 机的控制与 夹持机构 系统主要由三个基本单元组成，它们是： 理器单元，伺服电机控制单元和 夹持机构 数据采集与存储单元。 理单元主要完成数据处理、数据显示、几何尺寸计算和三维形体的重建 8 等，同时还负责向其他两个单元发送控制指令，以便协调整个系统的工作。伺服电机控制单元则主要是依据 算机所发送的控制指令对三个伺服电机的运行状态进行控制，从而确保他们按实际要求正常运转。 夹持机构 数据采集与存储单元主要用于 完成对三个线性刻度尺（例如光栅尺、激光干涉仪等）输出的脉冲信号进行记数，并将计数结果存储到对应的三个存储器中，以便于 算机进行读取。 图 制与 夹持机构 系统框图 上述控制与 夹持机构 系统的工作原理可简述如下： 当操作人员通过计算机键盘（或其他键控开关）向计算机发出控制命令后， 。当三个伺服电机接受到正确的指令信息后，即驱动各自的滚珠丝杠进行旋转，从而带动相应的移动副按实际要求进行伸缩，使测头向目标点移动；同时，随着移动副的 伸缩，与之相连的线性长度记录仪（如光栅尺等）开始输出计数脉冲，并由三个 32 位的计数器分别进行计数。若测头移动过程中，连杆或运动副出现干涉现象，则驱动系统将立即向计算机反馈信息，以便通知计算机及时调整三个伺服电机的运行状态，及时修正测头的运行轨迹，从而确保测头安全、柔性地到达 夹持机构 点位置。 当测头与被测目标点接触的一刹那，测头的微动开关将产生一触发脉冲，并将其反馈给 算机作为采样触发信号。 算机接收到该采样指令后，则向 32 位计数器发出读数指令，随后便将计数器中的三个脉冲计数值读入处理器，经相应处理软件计算后，得到该 夹持机构 点处的实际空间坐标值，从而完成一次坐标采样过程。 9 持机构 工作空间的分析 工作空间（ 设给定参考点 C 是动平台执行器的端点，工作空间是该端点在空间可以达到的所有点的集合。 完全工作空间（ 动平台上执行器端点可从任何方向（位姿）到达的点的集合。 定向工作空间（ 动平台在固定位姿时执行器端点可以到达的点的集合。 最大工作空间（ 动平台执行器端点可到达的 点的最大集合，并考虑其具体位姿。 完全工作空间和定向工作空间都是最大工作空间的子集 . 另外，工作空间是 夹持机构 的重要特性，影响它的大小和形状的因素主要有以下三个： 杆长的限制，杆件长度的变化是受到其结构限制的，每一杆件的长度必须小于最大杆长，大于最小杆长。 转动副转角的限制，各种铰链，包括球铰接和万向铰接的转角都受到结构研制的，每一铰链的转角都应小于最大转角。 杆件的尺寸干涉，连接动平台和固定平台的杆件都具有几何尺寸，因此各杆件之间在运动过程中可能发生相互干涉。设杆件是直径为 D 的圆柱体，两相邻杆 件轴线之间的距离为 D。 10 3 夹持机构 主要部件的设计 动机选型 机的分类 1按工作电源分类根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。 2按结构及工作原理分类电动机按结构及工作原理可分为异步电动机和同步电动机。 同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同电动机。 异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机。交流换向器电动机又 分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。 直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。 3按起动与运行方式分类电动机按起动与运行方式可分为电容起动式电动机、电容盍式电动机、电容起动运转式电动机和分相式电动机。 4按用途分类电动机按用途可分为驱 动用电动机和控制用电动机。 驱动用电动机又分为电动工具（包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具）用电动机、家电（包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等）用电动机及其它通用小型机械设备（包括各种小型、小型机械、医疗器械、电子仪器等）用电动机。 控制用电动机又分为电动机和伺服电动机等。 5按转子的结构分类电动机按转子的结构可分为笼型感应电动机（旧标准称为鼠笼型异步电动机）和绕线转子感应电动机（旧标准称为绕线型异步电动机）。 6按 运转速度分类电动机按运转速度可分为高速电动机、低速电动机、恒速电动机、调速电动机。 低速电动机又分为齿轮减速电动机、电磁减速电动机、力矩电动机和爪极同步电动机 11 等。 调速电动机除可分为有级恒速电动机、无级恒速电动机、有级变速电动机和无极变速电动机外，还可分为电磁调速电动机、直流调速电动机、 频调速电动机和开关磁阻调速电动机。 择步进电机的计算 机构工作时，需要克服摩擦阻力矩、工件负载阻力矩和启动时的惯性力矩。 根据转矩的计算公式 15： 惯负摩总 （ 总摩 （ 启惯 g （ 启负负负 （ 2221 （ 2 （ 22212 23 （ （ 式中： 总M偏转所需力矩（ Nm）； 摩擦阻力矩（ Nm）； 负载阻力矩（ Nm）； 惯M启动时惯性阻力矩（ Nm）； 负J工件负载对回转轴线的转动惯量（ kg J 对回转轴线的转动惯量（ kg 偏转角速度（ s）； 12 m 质量（ 负载质量（ 启t启动时间（ s）； 部分材料密度（ kg/ v 手腕偏转末端的线速度（ m/s）。 根据已知条件： 8.0v m/s， R m， R m， 12.0l m，t s，采用的材料假定为铸钢，密度 kg/ 将数据代入计算得： 221 23 lvr/s 0 3 2 2221223 222 kg负负负 Nm 启惯 g Nm 总惯负摩总 3 MNm 因为传动是通过减速器实现的，所以查取手册 15得： 弹性联轴器传动效率 ； 滚动轴承传动效率 （一对）； 减速器传动效率 ； 计算得传动的装置的总效率 8501.0a。 电机在工作中实际要求转矩 总电Nm （ 根据计算得出的所需力矩，结合北京和利时电机技术有限公司生产的 90 系列的五相混合型步进电机的技术数据和矩频特性曲线，如图 图 示 ,选择90号的步进 电机。 图 90进电机技术数据 14 图 0 步进电机矩频特性曲线 动结构形式的选择 该减速器是电传动减速的谐波齿轮装置。要求其传动比较大结构简单紧凑效率较高承载力较高通用性良好。 选择减速比： 00 因此本设计方案所选的结构形式为刚轮固定波发生器主动和柔轮从动比较合适。为了便于采用标准刀具来加工柔轮和刚轮，特选取压力角 200 的渐开线齿廓。 何参数的计算 齿数的确定 柔轮齿数： 2001002 r 刚轮齿数： 2 0 22 0 02 ， 则 柔轮分度圆直径： 0 02 0 钢轮分度圆直径： 0 12 0 柔轮齿圈处的厚度： 15 0)42 0 075(10)475( 441 重载时，为了增大柔轮的刚性， 允许将 1 计算值增加 20%，即 柔轮筒体壁厚： 为了提高柔轮的刚度，取 轮齿宽度： r 轮毂凸缘长度： 15) 取 4 柔轮筒体长度： r 1 0 0,1 2 0801 0 0) 取 轮齿过渡圆角半径： 为了减少应力集中，以提高柔轮抗疲劳能力，取 由于采用压力角 200 的渐开线齿廓，传动的啮合参数可按考虑到构件柔度的计算公式，即按如下公式进行计算。 的 设计 及校核 考虑到轴的载荷较大，材料选用 45,热处理调质处理 ,取材料系数 1120 有该轴的最小轴径为 : 333 1 03= 1 5 考虑到键槽的影响，所以 值为 17体结构如下： 16 图 的受力模型简化 (见图 7)及受力计算 图 的受力分析 知： 4 0 0 02222222 17 6 5 3 22221222122 9 9 0 1222112
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