（6张自由度）并联机械手机电系统设计（全套含CAD图纸）
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外文资料翻译译文 机械手 机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。随着工业自动化的发展 , 出现了数控加工中心 ,它在减轻工人的劳动强度的同时 , 大大提高了劳动生产率。但数控加工中常见的上下料工序 , 通常仍采用人工操作或传统继电器控制的半自动化装置。前者费时费工、效率低 ; 后者因设计复杂 , 需较多继电器 ,接线繁杂 , 易受车体振动干扰 ,而存在可靠性差、故障多、维修困难等问题。可编程序控制器 制的上下料机械手控制系统动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力 , 保证了系统运行的可靠性 ,降低了维修率 , 提高了工作效率。机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 一 、 工业机械手的概述 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作 。在工资水平较低的中国，塑料制品行业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土塑料加工厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及为工人交工伤费带来的挑战。 随着我国工业生产的飞跃发展，特别是改革开发以后，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸、转向、输送或操作钎焊、喷枪、扳手等工具进行加工、装配等作业自化，已愈来愈引起我们重视。 机械 手是模仿着人手的部分动作，按给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。 在现实生活中，你是否会发现这样一个问题。在机械工厂里，加工零件装料的时候是不是很烦的，劳动生产率不高，生产成本大，有时候还会发生一些人为事故，导致加工者受伤。想想看用什么可以来代替呢，加工的时候只要有几个人巡视一下，且可以二十四个小时饱和运作，人行吗？回答是肯定的，但是机械手可以来代替它。 生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率 ;可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其是在高温、高压、低温、低 压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中能够代替人进行正常的工作。想到这里我就很想设计一个机械手，来用于生产实际中。 为什么选着设计机械手用气动来提供动力：气动机械手是指以压缩空气为动力源驱动的机械手。用气压驱动与其他能源驱动比较有以下优点： 过之后排入大气，不需要回收和处理，不污染环境。（环保的概念） 路中压力损失也很小（一般气路阻力损失不到油路的千分之一），便于远距离输送。 一般为 4 8 公斤 /每平方厘米 )，因此对动元件的材质和制造精度 要求可以降低。 的动作和反应都快，这是气动突出的优点之一。 不会变质，管路不易堵塞。但是也有它美中不足的地方： 使气动工作的稳定性差，因而造成执行机构运动速度和定为精度不易控制。 出力不可能太大，为了增加输出力，必然使整个气动系统的结构尺寸加大。 用气压驱动与用其他能源驱动比较有以下优点： 空气取之不竭，用过之后排入大气，不需回收和处理，不污染环境。偶然的或少量的泄漏不致对生产发生严重的影响。 空气的粘性很小，管路中压力损失 也就很小，便于远距离输送。 压缩空气的工作压力较低，因此对气动元件的材质和制造精度要求可以降低。一般说来，往复运动推力在 12 吨以下采用气动经济性较好。 与液压传动相比，它的动作和反应都快，这是气动的突出优点之一。 空气介质清洁，亦不会变质，管路不易堵塞。 它可安全地应用在易燃、易爆和粉尘大的场合。又便于实现过载自动保护 . 二 机械手的组成 机械手的形式是多种多样的，有的较为简单，有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。 1. 执行机构 机械手的执行机构，由手、 手腕、手臂、支柱组成。手是抓取机构，用来夹紧和松开工件，与人的手指相仿，能完成人手的类似动作。手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。简单的机械手可以没有手腕。支柱用来支撑手臂，也可以根据需要做成移动。 2. 传动系统 执行机构的动作要由传动系统来实现。常用机械手传动系统分机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。 3. 控制系统 机械手控制系统的主要作用是控制机械手按一定的程序、方向、位置、速度进行动作，简单的机械手一般不设置专用的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路便 可实现动传动系统的控制，使执行机构按要求进行动作动作复杂的机械手则要采用可编程控制器、微型计算机进行控制。 三 机械手的分类和特点 机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机 也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“ 它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 主要特点： (1) 机械手（上下料机械手、装配机械手、搬运机械手、堆垛机械手、助力机械手、真空搬运机、 真空吸吊机、省力吊具、气动平衡器等）。 (2) 悬臂起重机（悬臂吊、电动环链葫芦吊、气动平衡吊等） (3) 导轨式搬运系统（悬挂轨道、轻型轨道、单梁起重机、双梁起重机） (4) 工业机械手的 应用 机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。 机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如： (1) 机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使 用较为普遍。 (2) 在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中它可以用来组装零部件。 (3) 可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作环境工作，以代替人的劳动。 (4) 可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。 (5) 宇宙及海洋的开发。 (6) 军事工程及生物医学方面的研究和试验。 助力机械手 :又称平衡器、平衡吊、省力吊具、手动移载机 等，是一种无重力化手动承载系统，一种新颖的、用于物料搬运时省力化操作的助力设备 ,属于一种非标设计的系列化产品。针对客户应用需 求，量身定制的个案创作。 一种模拟人手操作的自动机械，它可按固定程序抓取搬运物件或操持工具完成某些特定操作。应用机械手可以代替人从事单调重复或繁重的体力劳动 ， 实现生产的机械化和自动化 ， 代替人在有害环境下的手工操作 ， 改善劳动条件 ， 保证人身安全。 20 世纪 40 年代后期 ， 美国在原子能实验中 ， 首先 采 用机械手搬运放射性材料 ， 人在安全室操纵机械手进行各种操作和实验。 50 年代以后 ， 机械手逐步推广到工业生产部门 ， 用 于 在高温污染严重的地方取放工件和装卸材料 ， 也作为机床的辅助装置在自动机床自动生产线和加工中心中应用 ， 完成 上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。机械手主要由手部机构和运动机构组成。手部机构随使用场合和操作对象而不同 ， 常见的有夹持托持和吸附等类型。运动机构一般由液压气动电气装置驱动。机械手可独立地实现伸缩旋转和昇降等运动 ， 一般有 2 3 个自由度。机械手广泛 用于 机械製造冶金轻工和原子能等部门。 能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子 、轻工和原子能等部门。 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。 机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势 . 机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子 技术特别是 电子 计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成 为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化 数控 机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统 柔性制造单元 一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。 外文原文 in as is an of It be to in a of in of in s of a of to in of of NC it is in NC or to to of up is is a s to of is a an of is a of be be to in of be to an in to in a in of in s in to to a of as as to s up in of to or of is to of to a or of In a In of is is of in it of a as as a 4 is to of of to in as to of a to be in a to a to as 1. do (of 2. is is of to 3. of is be 4. to is of 5. it to it in 1. As of in of in as of 2. As of be in to is to of do or a of be a on of is is of be In is is of of it to It be in to in of a of is as of by 1. by is to to to of be up A to be as 2. he to be by 3. s is to to of a is up a be so to of to is It is an a It be to of to of It is is to do of It in of to a to to as in is of or to up in as is of of a . of in of a of In as of of a a of to of is as as it to of I do of of to (1) in is (2) In in it be to in t be to (3) be to to (4) be in as so (5) (6), as is a of of a to of of of a of it be a or to of in or of of in 0th 40, of in a to 50 to to as an in of so on to by of of of of be of in of a or It in to of in to is in or as or of of in do a by as in is to as by of is or to by of a of as as so of a of or to to of by is of a in of is a of In as of of a a of to of of of to in it be in NC At a in an of in a or a it to a of is to to to At s to is a of of of of a on of of is 重 庆 理 工 大 学 毕业设计 (论文 ) 并联机械手机电系统设计 所在学院 专 业 班 级 姓 名 学 号 指导老师 年 月 日 要 并联 机构 具有刚度大、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 并联 机构 的 研究方向： （ 1）并联 机构 组成原理的研究 研究并联 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）并联 机构 运动空间的研究 （ 3）并联 机构 结构设计的研究 并联 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 ； 并联机械手 ； 虚拟样机；并联机构 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 录 摘 要 . . 录 . 1 章 前 言 . 1 题研究背景意义 . 1 内外研究现状 . 2 第 2 章 并联机械手的结构及工作原理 . 5 联运动机构概述 . 5 联的结构及机械运动原理 . 5 制系统结构及 工作原理 . 6 联机构工作空间的分析 . 7 第 3 章 并联机构主要部件的设计 . 9 动机选型 . 9 机的分类 . 9 择步进电机的计算 . 9 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 持器校核 . 21 第 4 章 并联机构机并联机构空间分析 . 23 联机构并联机构机的运动学约束 . 23 杆杆长约束 . 23 动副转角约束 . 23 杆杆间干涉 . 24 定并联机构空间的基本方法 . 24 制部分设计 . 24 编程序控制器的选择及工作过程 . 25 编程序控制器的使用步骤 . 26 编程序控制器控制方案 . 27 制原理图设计 . 27 形图概述 . 28 总 结 . 29 参考文献 . 30 致 谢 . 31 1 第 1 章 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构的并联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，而并联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。 并联 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，并联 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 并联机构 等作业。 技术附加值高：并联 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并联 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 司和 司首次展出了称为“六足虫” (2 “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 、 并联机构 机和加工中心。与之相呼应，由美国 家实验室和国家标准局倡议，已于 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，与并联 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 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。 我国已将并联 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。部分高校还将并联 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并联 机构 设计理论与关键技术研讨会，对并联 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 并联机构 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。 (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，因而直接影响了并联机构 效率； (4)不满足 并联机构 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。 3 图 1通笛卡尔式串联结构示意图 从整个发展进程不难看出， 并联机构 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 并联机构机的 并联机构 精度、 并联机构 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 并联 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 并联机构 技术应运而生并迅速发展起来 13。 图 1种非笛卡尔串联机构 并联机构 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 并联机构 机是近 30 年发展起来的一种高效率的新型精密并联机构 仪器，克服了传统串联 并联机构 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 并联机构 机相比，它的优点是 : 4 (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)并联机构中 ,各杆件间不存在误差累积和放大关系 ， 容易实现高精度 并联机构 ； (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、 高效率并联机构 ； (5)可以将 并联机构 点放置在测长装置的延长线上 ， 从而减小阿贝误差对 并联机构结果的影响 ； (6)并联 并联机构 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 并联机构 比较方便 ； (7)并联机构 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)并联机构具有“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 ， 并联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 并联机构 机的开发与研制带来了希望 ， 从而为拓宽 并联机构 机的应用领域 ，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，以并联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 并联机构 机中，将有可能使 并联机构 机的 并联机构 精度及 并联机构 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 并联机构 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。 5 第 2 章 并 联机械手 的结构及工作原理 联运动机构概述 从并联机构的结构特点不难看出，并联机构 并联机构 机属于一种新型非笛卡儿式并联机构 系统。传统的笛卡儿式 并联机构 系统对空间位置坐标的 并联机构 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 并联机构 机的 并联机构 模型是直接建立在直角坐标系基础之上的，因而该 并联机构 机具有 并联机构 建模容易， 并联机构 结果直观、数据处理简单、符合大多数工件 并联机构 的需要等优点。而对于由并联闭环机构所组成的并联 并联机构 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 并联机构 机相比并联机构 并联机构 机的 并联机构 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，也正在开展并联 机构 方面的研究工作。 实际上，并联机构 并联机构 机的 并联机构 建模问题就是并联机构的正运动求解问题。所谓正运动求解，就是在已知并联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。 我们通过对并联机构 并联机构 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 并联机构 机的并联机构 模型。 联的结构及机械运动原理 本文所研究的并联机构的结构见图 26。由图 以看出，该主要由上下 2 个平台和连杆组成。 6 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 。 并联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 并联机构 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 2联机构结构简图 制系统结构及工作原理 并联机 构 并联机构 机的控制与 并联机构 系统结构示意图如图 2示： 由图可以看出来，该并联机构 并联机构 机的控制与 并联机构 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 并联机构 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。 并联机构 数据采集与存储单元主要用于完成对三7 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 2制与 并联机构 系统框图 上述控制与 并联机构 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， 理器则通过 I/O 控制器接口向三个交流伺服电机分别发出相应的运行控制指令。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 并联机构 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 并联机构 点处的实际空间坐标值，从而完成一次坐标采样过程。 联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。 8 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，工作空间是并联机构的重要特性，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。 9 第 3 章 并联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： 10 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（ N m）； 摩擦阻力矩（ N m）； 负载阻力矩（ N m）； 惯M 启动时惯性阻力矩（ N m）； 负J 工件负载对回转轴线的转动惯量（ J 对回转轴线的转动惯量（ 偏转角速度（ s）； 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 11 23 lvr/s 2 2221223 222 0 2 负负负 N m 启惯 g N m 总惯负摩总 m 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N m （ 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 12 图 90进电机技术数据 图 90进电机矩频特性曲线 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。 齿数的确定 柔轮齿数： 20 010 02 r 刚轮齿数： 2022002 知模数： ， 则 柔轮分度圆直径： 钢轮分度圆直径： 0 12 0 柔轮齿圈处的厚度： 20075(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 510 轮毂凸缘长度： 15) 取 4 柔轮筒体长度： r 100,12080100) 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。 滚珠直径： 0 柔轮齿圈处的内径： 100 m m则： 100 m m轴承外环厚度：由于工艺上的要求，可将外环做成无滚道的 1 1 1101 1 11 . 60 . 0 5 0 . 0 5 8 0 . 41 . 6 1 . 6 1 . 5 0 . 4 2d m ma h m m 轴承内环厚度：211 . 8 1 . 8 1 . 5 2 . 7a m m 内环滚道深度：2 0 10 . 1 0 . 5 0 . 1 8 0 . 5 0 . 4 1h d h m m 14 轴承内外环宽度：所用为滚珠轴承，近似等于齿宽 15B 轴承外环外径： 100 m m轴承内环内径： 1 2 2 02 ( ( )1 0 0 2 2 ( 2 . 7 0 . 8 ) 8 7 6 a a h 为了便于制造，采用双偏心凸轮波发生器。 则凸轮圆弧半径： 42 其中是偏心距： 3 . 1 4 1 0 1 1 0 0 1 . 3 82 2 3 . 1 4 2 2m m （刚轮分度圆直径，柔轮分度圆直径） 则凸轮圆弧半径： 3 . 1 4 7 6 4 1 . 3 8 3 7 . 1 2 3 72 3 . 1 4TR m m 凸轮长半轴： 3 7 . 1 2 1 . 3 8 3 7 . 1 3 9 e m m m m 凸轮短半轴： 37 m m轮齿面的接触强度的计算 根据谐波传动传动比大的特点，其柔轮和刚轮的齿数较多，齿形很接近于直线。故实际谐波齿轮传动的载荷能力主要应由柔轮齿侧工作表面的最大接触应力所限制。因此，谐波齿轮传动的柔轮齿侧面应满足如下接触强度条件： 接触强度计算公式： ta jj M 输出转矩 r 柔轮节圆半径 b 柔轮轮齿宽 刚轮压力角 k 接触系数（ 15 对于一般双波传动，轮齿宽 许用接触应力 9 则： a a 所以满足齿面的接触强度要求。 轮疲劳强度的计算 谐波齿轮传动中轮齿的工作特点是：齿 面的摩擦滑移接触和柔轮承受着反复的交变载荷。为了使柔轮在循环的弹性变形下能正常工作，除满足耐磨条件外，还必须进行柔轮的疲劳强度计算。 柔轮材料采用 调制硬度 229269。 计算柔轮在反复弹性变形状态下工作时所产生的交变应力幅和平均应力为 截面处正应力：27E 0m 切应力： 0 由扭矩产生的剪切应力： 22M 其中： ）（ G P 00,00,100 0 M P 0100(0100(则： M P 2( 验算安全系数： )( 122 疲劳极限应力： 应力安全系数： 2 P 其中，抗拉屈服极限： 50剪切应力集中系数： k 2 轴结构尺寸设计 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
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