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机械毕业设计全套
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CL02-001@1041货车悬架设计,机械毕业设计全套
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1934 年世界上出现了第一个由螺旋弹簧组成的被动悬架。被动悬架的参数根据经验或优化设计的方法确定，在行驶过程中保持不变。它是一系列路况的折中，很难适应各种复杂路况，减振的效果较差。为了 .克服遣弛缺陷，采用了非线性刚度弹簧和车身高度调节的方法，虽然有一定成效，但无法根除被动悬架的弊端。被动悬架主要应用 于 飞中低档轿车 上 ，现代轿车的前悬架一般采用带有横向稳定杆的麦弗逊式悬架，比如桑塔纳、夏利、赛欧等车，后悬架的选择较多，主要有复合式纵摆臂悬架和多连杆悬架。 半主动悬架的研究丁作开始 于 1973年，由 D. A. Crosby和 D. C. Karn-o p p首先提出。半主动悬架以改变悬架的阻尼为主，一般较少考虑改变悬架的刚度。 工 作原理是 ： 根据簧上 质量 相对车轮的速度响 应 、加速度响应等反馈信号，按照一定的控制规律调节弹簧的阻尼力或者刚度 .半主动悬架产生力的方式与被动悬架相似，但其阻尼或刚度系数可根据运行状态调节，这和主动悬架极为相似 。 有级式半主动悬架是将阻尼分成 几 级，阻尼级由驾驶员根据“路感”选择或由传感器信号自动选择 。 无级式半主动悬架根据汽车行驶的 路面条件 和行驶状态，对悬架的阻尼在 几 毫秒内由最小到最大 进行无级调节。由 于 半主动悬架结构简单 ， 工作时不需要 :消耗 车辆的动力， 而且 可取得与主动悬架相近的性能，具有很好的发展前景。 随着道路交通的不断发展，汽车车速有了很 大 的提高，被动悬架的缺陷逐渐成为提高汽车性能的瓶颈，为此人们开发了能兼顾舒适和操纵稳定的主动悬架。主动悬架的概念是 1954年美国通用汽车司在悬架设计中率先提出的。它在被动悬架的基础上，增加可调节刚度和阻尼的控制装置，使汽车悬架在任何路而上保持最佳的运行状态。控制装置通常由测 量 系统、反馈控制系统、能源系统等组成。 20 世纪 80 年代，世界各大著名 的汽车公司和生产 厂 家竞相研制开发这种悬架。丰田、洛特斯、沃尔沃、奔驰等在汽车 上 进行了较为成功的试验。装置主动悬架的汽车，即使在不良路面高速 行 驶时，车身非常平稳，轮胎的噪音小，转向和制动时车身保持水平 。特点是乘坐非常舒服，但结构复杂、能耗高，成本昂贵，可靠性存在问题。 由 于 种种原因，我国的汽车绝 大 部分采用被动悬架。在半主动和主动悬架的研究趋 于 成熟，福特公司和日产公司首先在轿车上应用，取得了较好的效果。主动悬架虽然提出早，但由 于 控制复杂，并且牵涉到许多学科，一直很难有大的突破。进入 20 世纪 90 年代，仅应 用 于 排气 量 大的豪华汽车，未见国内汽车产品采用此技术的报道，只有北京理工人学和同济大学等少数 几 个单位对主动悬架展开研究。 被动悬架是传统的机械结构，刚度和阻尼都是不可调的，依照随机振动理论，它只能保证在特定的路况 下达到较好效果 ， 但它的理论成熟、结构简单、性能可靠，成本相对低廉且不 需 额外能景，因而应用最为广泛 。在我国现阶段，仍然有较高的研究价值 。 被动悬架性能的研究主要集 中 在三个方面 : 1)通过对汽车进行受力分析后，建立数学模型，然后再用计算机仿真技术或有限 元 法寻找悬架的最优参数 ； 2研究可变刚 度弹簧和可变阻尼的减振器，使悬架在绝人部分路祝上保持良好的运行状态 ； 3)研究导向机构，使汽车悬架在满足平顺性的前提 下 ，稳定性有大的提高。半主动悬架的研究集中在两个方面 :1） 执 行 策略的研究 ;2)执 行 器的研究 。 阻尼可调减振器主要有两种，一种是通过改变节流孔的人小调节阻尼，一种是通过改变减振液的粘性调节阻尼。节流孔的人小一般通过电磁 阀 或步进电机进行有级或无级的调节，这种方法成本较高，结构复杂、通过改变减振液的粘性来改变阻尼系数，只有结构简单、成本低、无噪音和冲击等特点，因此是目前发展的主要方向。在 国外，改变减振液粘性的方法主要有电流变液体和磁流变液体两种。北京理工人学的章一鸣教授进行了阻尼可调节半主动悬架的研究，林野进行了悬架自适应调节的控制决策研究，哈工 大 的陈卓如教授对车辆的自适应控制方面进 行 了研究。执 行 策略的研究是通过确定性能指标，然后进行控制器的设定。目前，模糊控制在这方面应用较多。 主动悬架研究也集中在两个方面 :1)可靠性 ;2)执行器。由 于 主动悬架采用了 大量 的传感器、单片机、输出输入电路和各种接 口 ,，元 器件的增加降低了悬架的可靠性，所以加 大 元件的集成程度，是一个不可逾越的阶段。执行器 的研究主要是用电动器件代替液压器件。电气动力系统中的直线伺服电机和永磁直流直线伺服电机具有较多的优点，今后将会取代液压执行机构。运用磁蓄能原理，结合参数估计自校正控制器，可望设计出高性能低功耗的电磁蓄能式自适应主动悬架，使主动悬架由理论转化为实际 应 用。 悬架技术的每次跨越，都和相关学科的发展密切相关。计算机技术、自动控制技术、模糊控制、神经网络、先进制造技术、运动伪真等为悬架的进一步发展提供了有力的保障。悬架的发展也给相关学科提出更高的理要nts求，使人类的认识迈向新的、更高的境界。 现有的被动悬 架将逐渐向半主动、主动悬架过渡。电动器件的优越性，将会取代液压器件。 .大规模和超大规模集成电路的发展，会使电子 元 件集成度得以提高，从而促进可靠性得到保障，使悬架更加智能化而满足人们的要求。 1.3论文的主要研究内容 根据给定的设计要求设计汽车的前后悬架。完成汽车的总体设计及悬架的主要结 构 元 件螺旋弹簧等的设计，然后对前后悬架进行设计匹配，满足前后悬架的偏频要求。 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 I 五自由度机械臂设计 摘 要 本设计主要介绍关于工业机器人的一些知识和原理，包括工业机器人的组成、分类、主要技术性能参数和工业机器人的运动分析。本设计的总体内容是根据移动机构的移动能力指标，比较现有移动机构的性能特点，确定移动机构的最佳移动方式；设计一个五自由度关节式机械臂，确定五自由度工业机器人的主要技术参数和传动关系，并通过对工业机器人的动力计算为各部位选择合适的驱动电机；确定五自由度工业机器人设计计算机控制系统方案以及为所设计的五自由度工业机器人进行 Pro/E 建模。本论文作者在参考大量文献资料的基础 上，结合设计的要求，并参考通用型机器人的结构，进行五自由度工业机器人的结构设计和其计算机控制系统的设计。本文所设计的机械手臂主要由手爪、腕、小臂、大臂和基座组成，同时用 Pro/E 对其进行了三维建模，可用于搜索、抓取水下管件、缆线等细长物体，也可用于抓取其它形状的物体，具有一定的通用性。机器人能自动控制，多功能，有五个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。 关键词 五自由度；工业机器人；三维建模 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 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. nts哈尔滨理工大学学士学位论文 III Keywords Five degrees of freedom； Industrial robot； 3D modelling nts哈尔滨理工大学学士学位论文 IV 目 录 摘 要 . I Abstract . II 第 1章 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 工业机器人的组成 . 2 1.3 工业机器人的分类 . 2 1.4 工业机器人主要技术性能参数 . 3 1.5 课题的总体内容 . 4 1.6 本章小结 . 4 第 2章 机械臂的结构设计 . 5 2.1 五自由度工业机器人的主要参数 . 5 2.2 五自由度工业机器人结构 . 5 2.3 五自由度工业机器人的动力计算 . 6 2.4 本章小结 . 15 第 3章 机械臂的 Pro/E建模 . 16 3.1 创建零件 . 16 3.2 装配 . 18 3.3 制作装配动画 . 19 3.4 本章小结 . 21 结论 . 22 致谢 . 23 参考文献 . 24 附录 A . 25 附录 B . 29 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 1 第 1章 绪论 1.1 课题背景 机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。 目前，工业机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：工业机器人 是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对工业机器人作如下定义 1： 工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。 工业机器人以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。 工业机器人的发展，由简单到复杂，由初级到 高级逐步完善，它的发展过程可分为三代： 第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。 第二代机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代工业机器人要复杂得多，这种机器人从1980 年开始进入了实用阶段，现在已开始普及应用。 第三代工业机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功 能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。这种机器人还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用 2。 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 2 1.2 工业机器人的组成 机械加工中使用的机器人大多是代替人上肢的部分功能，按给定的程序、轨迹和要求进行工作。它主要由执行系统、驱动系统、控制系统及检测系统组成。 1. 执行系统：执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、机身和行走机构等。 (1) 手部：又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。 (2) 腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位。 (3) 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理荷重，并把它传递到预定的位置。 (4) 机身：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。 2. 驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的机械传动、液压传动、气压传动和电传动。 3. 控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号 。 4. 检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求 3。 1.3 工业机器人的分类 工业机器人的分类方法很多，这里主要以工业机器人的驱动方式、控制功能、编程方式、控制机构、坐标形式、自由度数以及抓取重量的不同进行分类。 1. 按驱动方式分为液压传动，气压传动和电动。 2. 按控制功能分为重复型和智能型。 重复型机器人能够按照事前编制的程序重复自动的工作。目前，机械加工系统中应用的工业机器人几乎都是这种。 智能型机器人除具有重复型 的功能外，还具有视觉、触觉、识别和判断功能等。 3. 按编程方式分为可编程序式和示教再现式。 4. 按控制方式分为点位控制和连续轨迹控制。 点位控制是指机器人的运动，只控制空间点的位置，而不控制由一个定位点到另一个定位点之间的运动轨迹。 连续轨迹控制是指能控制机器人的运动轨迹为空间任意曲线。 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 3 5. 按控制机构分为开关型和佩服型。 开关型机器人是通过机械挡块、行程开关等电器触头的开关动作，得到位置信号，从而控制运动部件定位。这种机器人结构比较简单，只能用于点位控制，难于实现复杂运动。 佩服型机器人是根据连续输 入指令，经过信号扩大，由佩服驱动机构控制运动。通常采用位置检测机构，检测机器人运动部件的位置和姿态变化，以控制机器人运动部件的准确定位。这种机器人可获得良好的运动特性，定位精度高，不仅适于点位控制，而且适于连续轨迹控制。 6. 按坐标形式分为直角坐标式机器人、极坐标式机器人、圆柱坐标式机器人和多关节式机器人。 7. 按自由度数分，机器人的自由度数越多，能用性就越广，但结构复杂。一般 4 到 6 个自由度即能满足稍复杂的使用要求了。 8. 按抓取重量分大型、中型、小型和微型。 大型机器人的抓取重量为 100kg 以上；中 型机器人的抓取重量为 10100kg；小型机器人的抓取重量为 1 10kg；微型机器人的抓取重量为 1kg以下 4。 1.4 工业机器人主要技术性能参数 工业机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数有如下： 1. 抓取重量： 抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数，这是一项主要参数。这项参数与机器人的运动速度有关，一般是指在正常速度下所抓取的重量。 2. 抓取工件的极限尺寸： 抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的技术参数，它是设计手部的基础。 3. 坐标形式和自由度： 说明机器人机身、手部、腕部等共有的 自由度数及它们组成的坐标系特征。 4. 运动行程范围： 指执行机构直线移动距离或回转角度的范围，即各运动自由度的运动量。根据运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。 5. 运动速度： 是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。它与抓取重量、定位精度等参数密切有关，互相影响。目前，nts哈尔滨理工大学学士学位论文 4 国内外机器人的最大直线移动速度为 1000mm/s 左右，一般为 200400mm/s；回转速度最大为 180/s，一般为 50/s。 6. 定位精度和重复定位精度： 定位精度和重复定位精度是衡量机器人工作质量的一项 重要指标。 1.5 课题的总体内容 1.根据移动机构的移动能力指标，比较现有移动机构的性能特点，确定移动机构的最佳移动方式。 2.设计一个五自由度关节式机械臂。确定五自由度工业机器人的主要技术参数和传动关系，并通过对工业机器人的动力计算为各部位选择合适的驱动电机。 3.确定五自由度工业机器人设计计算机控制系统方案。 4.为所设计的五自由度工业机器人进行 Pro/E 建模。 1.6 本章小结 本章主要介绍了本设计的课题背景，工业机器人的组成、分类和主要技术性能参数以及本设计的总体内容。 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 5 第 2章 机械臂的结构设计 2.1 五自由度工业 机器人的主要参数 1. 自由度数： N 5 2. 抓取重量： P 250N 3. 手臂伸缩： L 500mm， v=0.5m/s 4. 手臂俯仰： 45， 30/s 5. 手臂回转： 220， 30/s 6. 手腕摆动： 90， 60/s 7. 手腕回转： 300， 120/s 2.2 五自由度工业机器人结构 以 KUKA IR-662/100 型机器人为参照，具有五个自由度，有六个控制轴，采用直流伺服控制。图纸 A1-04 为其传动原理 图： 1. 主要技术参数 表 2-1 技术参数 项目 技术参数 结构型式 空间多关节式 自由度数 5 个 驱动方式 直流伺服电动机驱动 腕部最大重量 (抓取重量 ) 250N 操作方式 示教再现 /脱线编程 (1) 采用空间多关节式结构，工作范围比其它结构形式要大； (2) 轴控制机器人腰座旋转，伺服电动机轴上的小齿轮旋动腰部轴承带轮齿的内环完成运动； 轴、 轴分别控制大小臂的运动，其传动是通过滚珠丝杠螺母副来完成，传动刚度高； 、 、 轴控制腕部运动，伺服电动机通过 ( 轴除外 )齿形带轮、齿形带轮副、谐波减速器等来完成腕部运动； (3) 对影响精度的主要传动部分均采用锥滚子轴承，向心推力球轴承； (4) 腕关节传动比分配采用先小后大的原则，谐波减速器放在最末一级，减少传动零件的尺寸和重量； (5) 对细长管轴，大量采用焊接工艺，以减少机械加工量，降低成本； (6) 对大质量零件均采用铝材，如腕部全部采用高强度铸铝材料，从nts哈尔滨理工大学学士学位论文 6 而大大减轻整机重量 5。 表 2-2 传动关系 轴号 传动级数 第一级 第二级 第三级 第四级 第五级 2 谐波减速器 (i1) 齿轮 副(Z1/Z2) _ _ _ 1 滚珠丝杠螺母副 _ _ _ _ 1 滚珠丝杠螺母副 _ _ _ _ 5 同步带(Z3/Z4) 齿轮副(Z11/Z12) 同步带(Z13/Z14) 齿轮副(Z15/Z16) 蜗轮蜗杆(Z17/Z18) 3 同步带(Z5/Z6) 齿轮副(Z9/Z10) 谐波减速器 (i3) _ _ 2 同步带(Z7/Z8) 谐波减速器 (i2) _ _ _ 2. 平衡系统 由于自重、承重较大，工作时运动惯性亦较大，为使小臂接近静平衡，将伺服电动机组件、齿形带轮等大 质量零部件布置在与腕部相对的另一端。在此质量静平衡的基础上，机器人还配置气动平衡系统，用两组平衡气缸分别对大臂、小臂进行平衡。通过改变气缸压力来补偿负荷变化对平衡的影响。气动平衡系统除气包外均放置在机器人外部。 2.3 五自由度工业机器人的动力计算 1. 手部夹紧力的计算 N 9.8 k1 k2 k3G ( N ) (2-1) G 抓取工件的重量（ kg） k1 安全系数，取 1.22.0 k2 工作状况系数，可按 k2=1+ag计算 a 为机器人托运工件过程中的加速度的绝对值。 k3 方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选择，这里选 k3=1.03 所以： N9.8 k1 k2 k3 G =250 1.2 1.2 1.03 370.8 ( N ) 2. 手指驱动力 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 7 P 2bNR(2-2) 5.172 8.370472 1991.7（ N） 蜗轮蜗杆传动效率 1 0.97 销的传动效率 2 0.9 总传动效率 1 2 0.97 0.9 0.873 实际驱动力 P 实 P873.0 7.1991 2281.4（ N） 图 2-2 手指传 动示意图 3. 手指驱动电机的选择 手指夹开的速度为 60/s，蜗轮蜗杆传动比为 29： 1 (1) 考虑到传递的功率不大，转速较低，选用 ZA 蜗杆传动，精度 8c GB10089-88，蜗杆用 35CrMo，表面淬火，硬度为 45-85HRC，表面粗糙度 Ra1.6 um，蜗轮轮缘选用 ZCaSn10P1 金属铸造。 (2) 传动比 i=12nn = 129 参考表机械设计手册第二版，第四卷 表 35.5-5，取 Z1=1，Z2=iZ1=29 查表 35.5-6 选取 a=40,i=29,m=2 d1=22.4,Z1=1,Z2=29 蜗轮分度圆直径： d2=mZ2=229=58 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 8 导程角 r=arctan 11Zmd (2-3) =arctan4.2221=5.1 蜗杆转矩： P1 P 实 tg (2-4) 2281.4 tg5.1 203.6 N T 1 22.421000P 1000 2.116.203 2.28Nm 图 2-3 蜗杆转矩受力分析 蜗杆转速 v1 60/s129=1740/s 290 r/min 30.35 rad/s 电动机功率： Pm（ 1.5 2.5） LP LPMMLP 负载峰值力矩（ Nm） LP 负载峰值转速（ rad/s） 传动装置的效率，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：查实用机械电气技术手册 电机篇表 13 15 选伺服电机型号为： 110SZ52,185W,1500r/min， 220V 选取同步带 34ZZ 的传动比为 34ZZ =1.875 齿轮副 1112ZZ 的传动比为 1112ZZ =1.5 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 9 同步带 1314ZZ 的传动比为 1314ZZ =1 齿轮副 1516ZZ 的传动比 为 1516ZZ = 15.1875.1290 15 00 =1.84 4. 腕摆电机的选择 腕摆转速 60/s 10 r/min 估计腕重为 50kg 总重 G (50+25.5) g 75.5 9.8 739.9 N F859.739 8.7N F 实 F8.07.8 10.88N 谐波效率 T T 实 252 10.88252 282.88Nmm 0.28Nmm 图 2-4 腕摆力矩分析示意图 腕摆 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：查实用机械电气技术手册电机篇表 13 15 选伺服电动机型号： 90SZ52， 1500 r/min， 80W， 220V 选取齿轮副 910ZZ 的传动比为 910ZZ =1 谐波减速器 i3 的传动比为 i3=80 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 10 同步带 56ZZ 的传动比为 56ZZ = 801101500 =1.875 5. 手腕回转驱动电机的选择： 手腕回转转速 120/s 20 r/min 回转转矩： Mc Mga+Mf Mga 启动（制动）的过程中的惯性力矩 Mga J0 wt w手臂回转在启动或制动过程中角速度的变化量，就是工作角速度， w w (rad/s) t 启动或制动过程的时间 ( s ) J0 手部、腕部、臂部、机身及工件等回转部件对机身回转轴线的转动惯量 (kgm2) Mf 密封装置处的摩擦阻力矩 (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：查实用机械电气技术手册电机篇表 13 15 选取伺服电动机型号： 130SZ04， 3000r/min， 600W， 200V 选取谐波减速器 i3 的传动比为 i2=80 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 11 同步带 78ZZ 的传动比为 78ZZ = 80203000 =1.875 6. 手臂回转驱动电机的选择： 回转转速： 30/s 5 r/min 选取谐波减速器 i1 的传动比为 i2=80 渐开线圆柱齿轮，模数 (法面模数 )m=1.5 齿数 Z1=40， Z2=150 图 2-5 手臂回转示意图 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：查实用机械电气技术手册电机篇表 13 15 选伺服电动机型号： 90SZ52， 1500 r/min， 80W， 220V 电机转速为 n 电 = i1 21ZZ (2-8) = 5 8040150=1500r/min 符合要求 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 12 7. 同步带设计： (P=300W,n=3000 r/min) Pc=KAP=1.6 600 960W=0.96kW 参考表机械设计手册第二版，第四卷表 33.1-50 取 载荷修正KA=1.6 选取 L 型，节距 Pb 9.525mm， Zmin 16 查表得： 小带轮齿数： Z1 17 小带轮节径： d1= 1bZP=14.3 525.917=51.54mm 小带轮外径：查得 d01 50.78 mm 大带轮齿数： Z2=iZ1=1.875 17=31.875，取 Z2 32 大带轮节径： d2= 2bZP=14.3 525.932=97.02 mm 大带轮外径：查得 d02 96.26mm, 初定中心矩 a0=110mm 选同步带长及齿数： 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：选 LP 476.25 mm， Zb 50，代号： 187 理论中心距 aa0 + 0PP2LL 1102 94.45725.476 119.2mm 故，选取中心距 a0=120mm 小带啮合齿数： Zn 211 126ddZ a (2-9) 1 206 54.5102.972117 7.43 Znmin 6 基本额定功率： 查表 33.1-53 得 Ta=244.46N,m=0.095kg/m,bs0 =25.4mm 带速 v= 116000dn= 5 1 .5 4 1 5 0 06000=4.05m/s P0= 26000aT mv v = 6000 05.405.4095.046.2442 =0.99Kw 所需带宽 bs nts哈尔滨理工大学学士学位论文 13 bs=bs01.140czPKP由表 33.1-52 查得， L 型带 bs0=25.4mm,Kz=1 bs=25.41.14 0.961 0.99=24.72mm 由表 33.1-48 查得，选带宽代号为 100 的 L 型带， bs=25.4mm 查表选双边挡圈， bf=26.7mm,t=1.5mm 带轮的结构和尺寸： 传动选用的同步带为 187L100 小带轮： Z1=17， d1=51.54mm da1=50.78mm 大带轮： Z2=32， d2=97.02mm da2=96.26mm 图 2-6 双边挡圈示意图 8. 大臂驱动丝杆的设计 估算：等效载荷 Fm=1000N,丝杆有效行程 270mm,等效转速nm=1500r/min,要求使用寿命 L h =15000h 左右，工作温度低于 100 ，可靠度 95%，精度为 3 级精度。 (1) 计算载荷 Fc=FK aK RK tK mF(2-10) 查机电液设计手册上册，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 = mh3c41 .6 7 1 0nL Fnts哈尔滨理工大学学士学位论文 14 = 3 4 17711067.1 150001500 =19559N (2) 选择滚珠丝杆副的型号 主要尺寸为： 按 aC=19559N，查表 15-24，选用 FF3206-5 列 0d=32mm,nP=6mm,wD=4mm,d=30.9mm d 27 mm, aC =24000N , CK =1880N 螺旋导程角 = arctan0nPd=arctan 6 32=3251 螺杆不长，无需验算稳定性。 (3) 刚度验算 按最不利情况考虑，即在螺距 (导程 )内受轴向力引起的 弹性变形与受转矩引起弹性变形方向一致，此时变形量为最大，计算公式为： S= 2124116 nTPGd+214 nFPEd (2-11) 式中 T1=mF02dtan(+v) =1000232 tan( 1253 + 408 )=996Nmm 磨擦系数 f=0.025,当量磨擦角v= 408 ， 剪切弹性模量 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，危险截面1d=28.45， E=2.06 每米螺杆长度上的螺矩的弹性变形 ss = 3106 0107.0 =1.78 m /m( ss )p=15 m /m 因为滚球丝杆精度要求为 3 级精度，由表 15-8 查得 ( ss)p=15 m /m (4) 计算效率 = tantan v= 4081253tan1253tan =0.960=96% 9. 丝杆驱动电机的选择 电机的转速必须满足丝杆的等效转速 1500 r/min,选择电机型号为：130SZ01， 2.26Nm， 1500r/min， 350W nts哈尔滨理工大学学士学位论文 15 10. 小臂丝杆和电机的选择 设计原理与要求和大臂丝杆及电机相同，丝杆 型号为： FF3206-5 列，电机型号为： 130SZ016 2.4 本章小结 本章内容主要确定了五自由度工业机器人的主要参数，对五自由度工业机器人的结构进行了设计并完成了五自由度工业机器人的动力计算。 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 16 第 3章 机械臂的 Pro/E建模 Pro/ENGINEER 是世界上拥有用户最多的三维 CAD 软件，由美国PTC 公司出品，其软件产品的总体设计思想体现了 MDA（ Mechanical Design Automation）软件的新发展， Pro/ENGINEER 是一套又设计至生产机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数 化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。 Pro/ENGINEER 其强大完美的功能，使其在工业造型设计、三维模型设计、计算分析、运动学分析、工程图的输出甚至加工成产品等各个方面都有所应用 11。 三维建模的过程大致如下图 3-1： 图 3-1 建模过程 3.1 创建零件 1.运行 Pro/E 程序。 2.单击 “新建 ”按钮（图 3-2），在 “新建 ”对话框中的 “类型 ”单选框中选取 “零件 ”,在 “名称 ”一栏出输入零件名称，把 “使用缺省模板 ”前面的勾去掉，单击 “确定 ”(图 3-3)。选择 “mmns_part_solid”,然后单击 “确定 ”（图 3-4）。 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 17 图 3-2 文件 图 3-3 新建 图 3-4 新文件选项 3.单击 “拉伸 ”按钮 ，点选 “放置 ”“ 定义 ”（图 3-5） ,选择 FRONT面，单击 “草绘 ”（图 3-6） ,进入草绘平面。 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 18 图 3-5 草绘选项 图 3-6 放置 4.单击 “创建圆 ”按钮 ，在草绘平面内分别画 2 个圆（图 3-7），单击“确认 ”按钮 。 图 3-7 草绘图 5.在 “深度值 ”处输入 3（图 3-8），单击 “确认 ” 。 图 3-8 设置深度值 6.保存文件，完成建模。 3.2 装配 1.运行 Pro/E 程序。 2.单击 “新建 ”按钮（图 3-2），在 “新建 ”对话框中的 “类型 ”单选框中选nts哈尔滨理工大学学士学位论文 19 取 “组件 ”,在 “名称 ”一栏出输入零件名称，把 “使用缺省模板 ”前面的勾去掉，单击 “确定 ”(图 3-3)。选择 “mmns_asm_design”,然后单击 “确定 ”（图 3-9）。 3.单击 “将元件添加到组件 ”按钮 ，选择零件。 4单击 “放置 ”,选择 “缺省 ”（图 3-10），确定。 图 3-9 新文件选项 图 3-10 放置定义 5重复第 3 步，添加零件。 6使用约束将第 2 个零件装配到第一个零件上。 7重复第 3 步与第 6 步，将所有零件都装配在一起。 8保存文件，完成装配。 3.3 制作装配动画 1.运行 Pro/E 程序，打开已经装配好的文件。 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 20 2.选择 “应用程序 ”下的 “动画 ”，进入动画制作界面。 3.单击 “主体定义 ”按钮 ，选择 “每个主体一个零件 ”（图 3-11） 图 3-11 创建主体 4.单击 “创建新关键帧序列 ”按钮 ，在单击 “编辑或创建快照 ”（图 3-12），用 “主体拖动 ”对个别零件进行移动。然后点击拍照按钮 ，重复移动和拍照（ 图 3-13）。 5.单击 “启动动画 ” ，运行动画。 6单击 “回放 ” ，选择 “捕捉 ”“ 确定 ”,动画被保存到组件所在的目录下，完成。 图 3-12 关键帧 图 3-13 拖动 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 21 图 3-14 机械臂装配图 3.4 本章小结 建立了机械手的三维模型，对机械手运动学和动力学性能进行了仿真研究，分析了运动部件之间的相对关系，完成了机械手抓取不同目标物时的运动学、动力学仿真；机械手采用液压驱动方式，驱动力大、结构简单。 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 22 结论 本文通过对五自由度工业机器人的结构设 计，建立了机械臂运动过程模型。又通过五自由度工业机器人的动力计算、建立计算机控制系统方案和对机械臂进行 Pro/E 三维建模，得到了如下一些结果： 1五自由度机械臂可用于搜索、抓取水下管件、缆线等细长物体 ,也可用于抓取其它形状的物体 ,具有一定的通用性。 2机器人能自动控制，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。 3可编程控制器控制系统主要是针对五自由度工业机器人的控制。可编程控制器是通过软件来实现控制的，只需改变软件就可以实现不同的控制要求。 在本文结束之际，总结自己所做的工作，受时间 和研究水平所限，认为在对机器人自动控制系统进行开发与应用还应进一步深入研究，使机器人具备自动控制工作和机体在外部障碍的影响下进行自动修正的功能。 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 23 致谢 本文是在导师焦波老师的精心指导下和热情关怀下完成的。在论文的整个过程中无不渗透着焦波老师的大量心血。几个月来，焦老师那严谨的治学态度，开拓创新的科研作风，忘我的工作精神和对学生的关爱，无一不让我感动和钦佩，这将使我在今后的工作和学习中受益终身。在此表示衷心的感谢，并致以最崇高的敬意。 nts哈尔滨理工大学学士学位论文 24 参考文献 1 蔡自兴 机器人学清华大学出版社， 2000： 47 2 (法 )科依费特， (法 )奇罗兹机器人技术导论匡兴华，陈元兴 译国防科技大学出版社， 1991 年 5 月： 1517 3 成大先机械设计手册，第 4 卷化学工业出版社， 2002： 67 4 钟约先，林享机械系统计算机控制清华大学出版社， 2001： 810 5 李元宗机器人学讲义太原工业大学， 1991： 1018 6 淮良贵，纪各刚机械设计高等教育出版社， 1996： 1018 7 余达太，马香峰业机器人应用冶金工业出版社， 2001： 1119 8 蔡自兴，张钟俊机器人技术的发展机器人， 1987： 5862 9 徐元吕工业机器人中国轻工业山版社， 1995： 2023 10 周伯英工业机器人设计北京机械工业出版社， 1995： 2023 11 徐元吕机械电子技术上海同济大学出版社， 1995： 2023 12 振邦，汪勤澎，陈晋华机器人机械设计电子工业出版社， 1995：2023 13 张福学机器人学一智能机器人传感技术电子工业出版社， 1995：2023 14 郭巧现代机器人学北京理工大学出版社， 1999： 2023 15 蒋新松国外机器人的发展及我们的对策研究机器人， 1987： 310 16 李真，李志强协作多机器人系统的模块化设计与实现机器人，1999： 2325 17 马宏绪两足步行机器人的动态步行研究国防科大博士学位论文，1995： 1315 18 马香峰机器人机构学机械工业出版社， 1991： 1
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