机械毕业设计-汽车变速箱盖的工艺规程及夹具设计（通过答辩全套含CAD图纸+三维建模）
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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 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 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 哈尔滨理工大学学士学位论文 f f f on of of of of is to of on of to a of to of of an of of to of of of of as as a E of of of of in to of on of to of of of is by E be a be to or it be a of it be or 哈尔滨理工大学学士学位论文 of 3D 尔滨理工大学学士学位论文 录 摘 要 . I . 1章 绪论 . 1 题背景 . 1 业机器人的组成 . 2 业机器人的分类 . 2 业 机器人主要技术性能参数 . 3 题的总体内容 . 4 章小结 . 4 第 2章 机械臂的结构设计 . 5 自由度工业机器人的主要参数 . 5 自由度工业机器人结构 . 5 自由度工业机器人的动力计算 . 6 章小结 . 15 第 3章 机械臂的 建模 . 16 建零件 . 16 配 . 18 作装配动画 . 19 章小结 . 21 结论 . 22 致谢 . 23 参考文献 . 24 附录 A . 25 附录 B . 29 哈尔滨理工大学学士学位论文 1 第 1章 绪论 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。 哈尔滨理工大学学士学位论文 2 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。 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。 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 100上；中型机器人的抓取重量为 10100型机器人的抓取重量为 1 10型机器人的抓取重量为 14。 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，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。 题的总体内容 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。 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。 建模。 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。 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 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 500v=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 自由度工业机器人结构 以 00 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 其传动原理图： 1. 主要技术参数 表 2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 (齿轮副(2) _ _ _ 1 滚珠丝杠螺母副 _ _ _ _ 1 滚珠丝杠螺母副 _ _ _ _ 5 同步带(4) 齿轮副(12) 同步带(14) 齿轮副(16) 蜗轮蜗杆(18) 3 同步带(6) 齿轮副(10) 谐波减速器 (_ _ 2 同步带(8) 谐波减速器 (_ _ _ 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。 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 ( N ) (2G 抓取工件的重量（ 安全系数，取 .0 工作状况系数，可按 +a 为机器人托运工件过程中的加速度的绝对值。 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 以： N9.8 k1 k2 =250 N ) 2. 手指驱动力 哈尔滨理工大学学士学位论文 7 P 2 N） 蜗轮蜗杆传动效率 1 的传动效率 2 传动效率 1 2 际驱动力 P 实 PN） 图 2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 杆传动，精度 8c 杆用 35面淬火，硬度为 45面粗糙度 .6 轮轮缘选用 属铸造。 (2) 传动比 i=12 129 参考表机械设计手册第二版，第四卷 表 ，Z2=9 查表 取 a=40,i=29,m=2 1=1,9 蜗轮分度圆直径： d2=29=58 哈尔滨理工大学学士学位论文 8 导程角 r=1 (2=杆转矩： P 实 (2 T 1 1000 m 图 2杆转矩受力分析 蜗杆转速 60/s129=1740/s 290 r/s 电动机功率： 负载峰值力矩（ Nm） 负载峰值转速（ s） 传动装置的效率，取 2 (2而 T， m 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： 11085W,1500r/220V 选取同步带 34传动比为 34齿轮副 1112传动比为 1112尔滨理工大学学士学位论文 9 同步带 1314传动比为 13141 齿轮副 1516传动比为 1516 5 00 =. 腕摆电机的选择 腕摆转速 60/s 10 r/计腕重为 50重 G (50+ g F 实 F谐波效率 T T 实 252 52 2摆力矩分析示意图 腕摆 10 85 850r/s 2 2 T， 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： 901500 r/80W， 220V 选取齿轮副 910传动比为 9101 谐波减速器 传动比为 0 哈尔滨理工大学学士学位论文 10 同步带 56传动比为 56 801101500 =. 手腕回转驱动电机的选择： 手腕回转转速 120/s 20 r/转转矩： f 启动（制动）的过程中的惯性力矩 J0 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 (s) t 启动或制动过程的时间 ( s ) 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 (kg 密封装置处的摩擦阻力矩 (Nm) 2 效率，取 0= 24 28060 1004 m f (2 m 20r/s 2 21 484.6 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： 1303000r/600W， 200V 选取谐波减速器 传动比为 0 哈尔滨理工大学学士学位论文 11 同步带 78传动比为 78 80203000 =. 手臂回转驱动电机的选择： 回转转速： 30/s 5 r/取谐波减速器 传动比为 0 渐开线圆柱齿轮，模数 (法面模数 )m=数 0， 50 图 2臂回转示意图 F 摩擦 Gf 550550 539N r =2d 112 30 F 摩擦 r 100030539 m 5 r/21 s40150 s 2 2 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： 901500 r/80W， 220V 电机转速为 n 电 = 21 (2= 5 8040150=1500r/合要求 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/AP=600 960W=考表机械设计手册第二版，第四卷表 载荷修正取 L 型，节距 16 查表得： 小带轮齿数： 17 小带轮节径： 1带轮外径：查得 带轮齿数： Z2=17= 32 大带轮节径： 2带轮外径：查得 初定中心矩 10同步带长及齿数： 2 122 + 22104 2 110+ 5 1 9 7 2 + 1104 表 50，代号： 187 理论中心距 a 0 1102 ，选取中心距 20带啮合齿数： 211 126a (2 1 206 6 基本额定功率： 查表 m=m,速 v= 116000 5 1 1 5 0 06000=s 26000aT mv v = 6000 =需带宽 尔滨理工大学学士学位论文 13 bs=得， L 型带 z=1 表 得，选带宽代号为 100 的 L 型带， 表选双边挡圈， t=轮的结构和尺寸： 传动选用的同步带为 187带轮： 7， 带轮： 2， 2边挡圈示意图 8. 大臂驱动丝杆的设计 估算：等效载荷 000N,丝杆有效行程 270效转速500r/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 K K tK 查机电液设计手册上 册，表 15 .1，K= K K tK 1 1000=1771N = 6 7 1 0哈尔滨理工大学学士学位论文 14 = 3 4 50001500 =19559N (2) 选择滚珠丝杆副的型号 主要尺寸为： 按 9559N，查表 15用 0d=32mm,mm,mm,d=d 27 24000N , 1880N 螺旋导程角 = 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 14 (2式中 T1=2d+v) =1000232 1253 + 408 )=996N擦系数 f=量磨擦角v= 408 ， 剪切弹性模量 G=410 N/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 =中，危险截面1d=E=米螺杆长度上的螺矩的弹性变形 = 3106 =m /m( )p=15 m /m 因为滚球丝杆精度要求为 3 级精度，由表 15得 ( p=15 m /m (4) 计算效率 = v= 408125353 =6% 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/择电机型号为：130m， 1500r/350W 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： ，电机型号为： 130 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。 哈尔滨理工大学学士学位论文 16 第 3章 机械臂的 建模 世界上拥有用户最多的三维 件，由美国司出品，其软件产品的总体设计思想体现了 件的新发 展， 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。 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 图 3模过程 建零件 程序。 新建 ”按钮（图 3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选择 “然后单击 “确定 ”（图 3 哈尔滨理工大学学士学位论文 17 图 3件 图 3建 图 3文件选项 拉伸 ”按钮 ，点选 “放置 ”“ 定义 ”（图 3,选择 击 “草绘 ”（图 3,进入草绘平面。 哈尔滨理工大学学士学位论文 18 图 3绘选项 图 3置 创建圆 ”按钮 ，在草绘平面内分别 画 2 个圆（图 3单击“确认 ”按钮 。 图 3绘图 深度值 ”处输入 3（图 3单击 “确认 ” 。 图 3置深度值 成建模。 配 程序。 新建 ”按钮（图 3在 “新建 ”对话框中的 “类型 ”单选框中选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选择 “然后单击 “确定 ”（图 3 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确定。 图 3文件选项 图 3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。 作装配动画 程序，打开已经装配好的文件。 哈尔滨理工大学学士学位论文 20 应用程序 ”下的 “动画 ”，进入动画制作界面。 主体定义 ”按钮 ，选择 “每个主体一个零件 ”（图 3 图 3建主体 创建新关键帧序列 ”按钮 ，在单击 “编辑或 创建快照 ”（图 3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 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键帧 图 3动 哈尔滨理工大学学士学位论文 21 图 3械臂装配图 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。 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 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。 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。 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 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