关节机械手设计（设计与控制编程） 毕业设计说明书.doc
关节机械手设计（设计与控制编程）【含三维PROE】【7张cad图纸+文档全套资料】
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东莞理工学院城市学院 本科毕业论文 设计(论文)题目：关节机械手设计（设计与控制编程） 学生姓名： 指导教师： 二级学院： 专业： 班级： 学号： 日期： 年 月 日 摘要摘 要机器人技术是机电一体化产品，遭受的机器人成为一个领先的研究员专家反对。深藏在不同领域，如机械，电子，信息理论，人工智能，生物学和计算机，知识等诸多领域的发展机械接头端的设计，机器人也导致了这些学科的发展。关节型机器人是一种典型的机电一体化产品，工艺多关节运动的一个热点手臂运动更多的领域进行合作研究。机械，电子，信息理论，人工智能，知识和生物和计算机许多学科，但其发展的多机构衔接所需组合治疗也促成了这些学科的发展。多臂关节领导的多关节臂运动。本文采用在结构设计上的关节型机器人，并完成图纸和零件图总装配图。为机器人模型的要求被分析以估计鸵鸟机的每个关节，充分的选择所需要的转矩和功率。完成关节型机器人的程序设计，总体设计，结构设计，运动学模型操盘分析，检查，分析机器人模型，设计和生产机器人模型做的过程中强度的关键部件，绘制2D图，3D图，完整的运动仿真，编程。关键词：机械臂，结构设计，关节机械手，鸵机AbstractRobotics is one of mechatronics products, articulated robot has become an important research scientist experts object. Design of mechanical joints hand deep into various fields, such as the development of machinery, electronics, information theory, artificial intelligence, biology, and computer and many other disciplines of knowledge, the robot also led to the development of these disciplines. Articulated robot is a typical mechatronics products, processes multi-joint movements is a hot arm movement more areas for joint research. Treatment of multi-institutional articulation required combination of mechanical, electronic, information theory, artificial intelligence, knowledge and biological and computer many disciplines, but its development also contributed to the development of these disciplines. Multi-arm articulation led multi-joint arm movement.This paper, an articulated robot used in the structural design, and complete drawing and part drawing general assembly drawings. Requirements for the robot model is analyzed to estimate the required torque and power of each joint, complete selection of ostrich machine. Complete articulated robot program design, general design, structural design, kinematics manipulator model analysis; key components of strength checking robot model, the design and manufacturing of robot models to do the process were analyzed; drawing two-dimensional maps, three-dimensional map, complete motion simulation, the programming language.Keywords: arm, structural design, articulated robot, ostrich machine5目 录摘 要IIAbstractIII1、绪论11.1引言11.2 关节机械手研究概况21.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状31.3 关节机械手的总体结构42、总体方案设计62.1 技术参考数据62.2 关节机械手工程概述62.3 工业关节机械手总体设计方案论述72.4 关节机械手机械传动原理82.5 关节机械手总体方案设计92.6 舵机的工作原理113、关节机械手主要结构设计123.1 末端执行器负载计算123.2 运动机构设计143.2.1确定设计变量203.2.2建立目标函数203.2.3确定约束条件213.2.4写出优化数学模型233.3 机构受力分析243.4 销轴的计算校核243.4 微型伺服电机（舵机）的选择283.4.1 舵机的选型283.4.2 辉盛MG945舵机的控制特性294、关节机械手PLC控制系统设计304.1 关节机械手的工艺过程304.2 PLC 控制系统314.2.1 确定输入/输出点数并选择 PLC 型号314.2.2 分配 PLC 的输入/输出端子314.2.3 所需元器件明细表324.3 PLC 控制系统程序设计32总 结37参考文献38致 谢391、绪论1.1引言 关节型机器人是一种典型的机电一体化产品，工艺多关节运动的一个热点手臂运动更多的领域进行合作研究。机械，电子，信息理论，人工智能，知识和生物和计算机许多学科，但其发展的多机构衔接所需组合治疗也促成了这些学科的发展。多臂关节领导的多关节臂运动。1959年成为世界上第一个工业多关节手臂运动的诞生，创造发展胳膊的新时代的多关节。随着科学技术的发展和运营研究部门的应用多联快速发展。加藤一郎，日本早稻田大学手臂关节和更多的世界知名专家，教授说：“一个很大的特点，多关节手臂运动应该有工作。”的方式是，在自动化程度高的，电力系统更复杂。伟大的发明家爱迪生曾经说过，“神造人的两条腿是最美丽的杰作。”该系统具有丰富的动态环境的要求非常低，无论是在地面上，而且在非结构化地形复杂，适应性良好的环境状态。为了延长多关节型机器人的功能和应用开辟无限广阔的发展前景。研究关节型机器人的原因和目的，主要表现在以下几个方面：机构的发展，使他们对结构性和非结构性的工作，许多圈子，而不是个人或更新和人类活动的领域扩展;希望更多的人有一个内在的理解和认识，并使用这些功能对个人服务，如假肢。系统动力学与在此领域丰富的研究，其研究和臂运动更加危险的机器的扩展，多关节臂的运动可以作为一个多关节臂的移动智能播放在人工智能领域的一个重要的角色。多关节臂的运动的定义，世界上唯一的格式是不一样的。手臂运动协会与更多的企业的联合国标准化最近在他的手臂采用了国际对美国带来的多关节运动的定义：操作臂多联合演习是一个多功能可编程的操作系统，你可以改变该程序的操作完成各种各样的工作，尤其是对物料输送，传动部件。参照国际定义，和语言的组合的中国多臂关节的定义如下：机械手的多关节运动是一个独立的行动，更自由，灵活地改变程序，它可以放置在任何地方，自动化程度高的机器的自动化。汽车油漆或其他涂料行业铰接多关节运动E可用。多关节运动臂高刚性臂，与其它可能的相比，必须要快，能够进行重的东西，且精度非常高，可以基于外部信号，各种自动操作的。处理的多关节臂的运动是一个计算机可编程的自动控制装置的控制下。使用的多关节运动操作臂是提高了产品的质量和工作的生产率，生产过程的自动化，改善了工作条件，并降低了劳动强度的有效手段。诞生和多关节手臂运动的发展，虽然只有30岁，但已经应用到国民经济的许多部门，民间的技术，应用，具有广阔的发展前景，显示出强大的生命力1-2。1.2 关节机械手研究概况1.2.1 国外研究现状人类和动物的运动原理的第一个系统研究是迈布里奇发明了照相机跟单，即设定的触发相机的电源，并在1877年他成功地参加了四足和连续运行的许多照片。后来，这种方法使用的相机是用来研究人体运动Demeny。从1930年到1950年，苏联也伯恩斯坦从深入人类和动物研究的生物动力机制的角度看，并提出的议案非常形象化的描述。真正研究机构运动多关节全面，系统于1960年推出至今，联合多月的手臂比较完整的理论体系只有形成，并在一些国家，如日本，美国和“苏联已成功开发出可以是静态或动态的，多臂枢轴原型。在这一节中，我们介绍了1960年至1985年期间，臂多关节实地达到的运动的最重要的进展的团队。在20世纪60年代和70年代，武装多关节运动控制理论产生三种类型的控制方法是非常重要的，这限制了国家控制，控制参考模型和控制算法。这三种控制的方法对所有类型的关节机械手都是适用的。国家控制是通过在1961年提出的模型的参考检查于1975年由美国法恩斯沃思南斯拉夫托莫维奇限制，该算法是由著名的胳膊南斯拉夫研究所米哈伊尔罗多关节运动学专家鲍宾控制Vukobratovic博士1969 - 1972年的教堂中扣除。有这三种类型的控制方法之间的内在关系。有限状态控制实质上是一个控制参考模型，并且该控制算法是这种情况1的中心。在搜索步态，苏联Bessonov和Umnov定义“最佳步态”，Kugushev和Jaro-shevskij定义自由的步伐。这两种步态不仅能适应，而且要适应胳膊多条腿多企业的动向。在这些中，对于自由路径的步骤的条件的规则。如果地形是非常粗糙的，所以运动臂多关节，下一步应放在哪里脚不能基于对步骤序列来加以考虑，但应通过步骤以便攀登者去步骤通过一些优化标准来确定哪个是所谓的自由速度。稳定性研究手臂动作的多关节，美国Hemami，该提议的稳定性和系统的控制的简化模型作为振荡器，反转（倒立摆），它可以被解释为在换能器存在的问题的向前运动。此外，减少了控制的考虑，Hemami，谁也研究手臂运动的多关节“减少型”问题的复杂性进行了研究。此前我们指出了系统的Vukobratovic还人形能量分析，但它的力量是有限的关节和随时间的整个系统的变化，并没有太多涉及这个问题的最佳功耗的出口。但是在他的研究中，Vukobratovic得出一个有用的结论，即平滑的姿态，类人型系统所消耗的功率就越少。1.2.2 国内研究现状国内前机器人起步较晚，我国自1980年以来，在体育领域的多臂共同研究和应用。 1986年，国家启动了“规划纲要”的研究多动关节臂，中国的高科技“863”水平运动臂包括于1987年。目前联合研发，中国移动手臂多企业的研究和开发应用单位主要与高校和科研院所。初步调查多关节型机器人技术的主要目的是更先进的技术来跟踪国际风险手臂的运动，然后取得了一些成绩。1986年哈尔滨工业大学，他开始研究最为关节臂，脚静手臂运动HIT-I和110厘米高，体重70千克多的企业，率先成功开发进度有10个自由度，以到达地面上的线，左，右，以及运动，上下楼梯，45厘米左右10秒/步，速度成功研制的HIT和HIT-II-III，重量为42千克，长度103厘米，它是12个自由度，以实现一个步骤每秒24厘米，2.3分速度。 HI目前正在开发第四乐章的下一个多关节臂，身体52度的自由，这是一个伟大的运动和速度的平衡三臂，多关节运动3-7。在1988年春国防科技大学成功具有六个自由度的平面双足运动臂多关节KDW-1，可以向前，向后和上下楼梯，每秒40厘米，四步开发的最大速度，在1989年今年的步伐，我们开发了一种空间KDW-II，具有10个自由度，最高的69厘米，重13公斤，包括更多的来回，上下楼梯和周围的近静态和动态稳定性。 1990年两纵缝互联网KDW-II，在KDW-开发的，有12个自由度，并添加函数曲线，以获得完整的测试环境。 1995年在步骤20厘米0.8秒22厘米，13度的最大角度动态的步伐。 2000年KDW-III中国的第一个人形的手臂的“排头兵”的成功结束的发展的基础上，在一个不确定的环境下微小的变化动态每秒，两步周期，1.4男，为20 kg的多关节的动作，有头，眼睛，颈部，身体，手臂，脚，和一定程度的语言功能8-13中。此外，清华大学正在开发一个人形的手臂培育更多升学衔接THBIP-I，高七米，体重130千克，32自由度的支持清华大学985项目，该项目是。南京航空航天大学有八个自由度机械手关节间隙静态函数13,14的发展。本文从“首届全国研究生机械创新设计大赛”多关节手臂动作。此时，单臂，多关节运动通常在车轮的形式是为了实现功能相。事实上，模仿人类行走手臂和腿部的多关节的动作并不多，但也有六条腿，已经出现四腿臂多关节运动，但多关节手臂运动尚不多见。我们的问题，简单地探索设计巧妙的机械设备和简单的控制来模拟人的手臂的多关节的动作。子功能是：替代大步，摇摇头，摆动手臂，摆臂。1.3 关节机械手的总体结构关节型机器人和部分整体关系的概述：它主要由机械系统（执行系统，牵引系统），探测系统和智能控制系统。（1）执行系统：公用部分的执行系统管理部门，机械零件最全面的定义，以必要的各种运动，包括手，手腕，来获得身体。1.末端执行用于执行，并且配置的工作直接涂漆。2.手腕，手和连接元件的臂，具有安排作为任务或工作的端部的方向的改变。3.臂和连接基团的手的手臂，手腕支撑体时，执行负荷管理块，手的空间位置，臂操作空间的变化满足多个关节，在基座的任何类型的动力传输。D：机身，多铰接臂基部，支撑辊，由臂部件支承，并具有使所述臂的转动，起重或倾斜运动的任务。（2）驱动系统：提供电力的各种组件的系统是活动的，以及供应单元设备。通用机械传动，机械传动和电气，气动，电动。（3）操作系统：驱动控制系统，该系统的根据工作，故障报警或错误的信号的要求执行。（4）检测系统：经由各种传感装置，控制器官运动检测装置，保证作用，如果有的话反馈到控制系统相对于该组的运动的要求。实践证明，该小组可以取代繁重的体力劳动的多关节运动，显著减轻劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化。经常处理和工业生产在长期内往往体积庞大件，单调的操作，单臂，多联合演习是有效的。此外，它可在高温，低温，深水，宇宙，环境条件和其他有毒放射性污染进行操作，同时也表现出优势，具有广阔的发展前景4-8。 2、 总体方案设计2.1 技术参考数据课题名称：关节机械手机构设计一款关节机械手，要求外形轻巧，可实现6个自由度，适用于物品搬运，取放堆叠，工件打磨。技术参数：六轴自由度，最大载重8kg，重复精度0.2mm，周期时间0.15s，最大动作范围2230mm。2.2 关节机械手工程概述关节机械手是一个技术集成的跨学科，涉及计算机技术和自动化技术的机器，机制，机械，气动，液压技术，检测技术等领域。在科人得到有效解决组合问题综合工程被称为“系统工程”。手臂多关节运动设计，例如，系统工程，应作为一个综合的方法来系统设计对外关系的系统，并从整个有机联系的手臂运动环境的研究，开发和应用根据系统的内部部分多接头。从复杂机械系统，包括一定的规则的功能系统结合多个子系统，它是一个不可分割的整体。如果你失去了开放的系统，可根据特定的一组。因此，在一个复杂的机械设计，概念启动机器，系统必须具有以下特征：（1）机械系统完整的完整性机械系统由几个子系统具有不同的整体性能应具有的特定功能。（2）作用的子系统之间的有机联系，包括有机，相互关联的。（3）每个目标系统必须具有明确的目标和系统的功能，结构，功能，目标和手段，决策系统的各个子系统结合起来。（4）系统对环境的适应是适应环境在某些情况下，我们必须能够适应变化的外部环境中。所以，在设计机器人时，不仅要注意关节运动系统的部件的整个多部件设计臂应根据视工程系统的角度来看，这取决于一个单一的多关节臂的动作的功能要求，子系统，多臂关节，合理，产品的性能，需要在多关节臂的动作的作业的所有组件。一般来说，最复杂的行业手臂关节如下：在操作机器，是最大的，单臂多关节的运动来完成的任务，其中包括基地，手臂，手腕，副作用机构。传输系统，其中包括几个传输零点电源，控制，驱动系统和伺服驱动系统。所述控制系统包括电子控制装置的操作，记忆功能（计算机或其它版本控制装置可编程），操作员接口装置（键盘，学习盒等），数据处理装置和各种传感器，放大离线传输，传感器编程接口设备通信的I / O 14内部和外部传感器和其他设备（一般或特别。特征行业臂多关节运动是普遍的调整，灵活的臂工业多关节运动可有效地用于柔性生产系统关键部件的发送处理单元组件或材料或其它柔性制造系统（例如，机床，锻压，焊接，装配等生产设备），辅助设备，控制系统，多关节臂运动，各种不同形式的运动系统的组建多联技术工艺机械行业其他生产部门。生产，如建筑，开采，生产和输送臂移动多关节是参考系统。2.3 工业关节机械手总体设计方案论述（一）确定负载目前，国内工业用运动的多关节臂，负载能力，最小额定负载5N或更小范围很大，最多的为9000N。这篇文章5公斤载荷。负载的大小主要取决于由于运动的沿的作用力和夫妇的机械接口上的多关节臂的运动的方向。其中下臂应该包括端部执行器的更关节运动（重量），和工件的重量或处理对象接缝预定速度和加速度的条件下，产生的惯性力等。该项目的数据参考设计初步估算表明，这一项目可能属于一个小负荷。（二）驱动系统由于伺服电机具有良好的控制性能，检查的灵活性，允许速度，位置，环境，体积小，效率高，适用于更为苛刻的运动控制没有影响的精确控制小臂运动多企业等特点，因此，该项目采用的是伺服电机。（三）传动系统动臂多关节运动可以紧凑，重量轻，惯性小，传动链条应考虑采取措施缩小差距，提高手臂多的移动和位置创业精密运动控制。臂传递机构机械运动多关节通常使用齿轮，蜗杆，滚珠丝杠，皮带，链条传动，行星齿轮，传动齿轮和谐波钢等，由于传动齿轮具有效率高，准确，结构紧凑，工作可靠，寿命长等优点，与大学学习和掌握更扎实的传输，所以这个设计选择的旅行。（四）工作范围操作过程中的工业手臂动作的工作范围是多关节的多关节臂的运动取决于所述扇区的操作领域和确定的轨迹，用表示的工作空间。形状和有关该结构的工作空间的大小坐标运动的多关节机械手，其大小和在数量和程度每个臂的自由操纵器公共轴线的长度的变化程度和所选择的关节轴的每个角的（五）运动速度每个铰接机械臂更坚定的臂的最大行程，按照循环时间来确定每个操作的时间的运动后，可以进一步确定每个动作的速度，单位为米/秒（）/ s的，时间每个运动分配考虑在顺序地或同时地等进行许多因素，如每个操作序列之间的周期的总时间长度。表做他们的操作时间，操作时间分配之外的运动进行比较，以考虑分配请求有关的过程，它也必须考虑惯性的行程的大小和驱动和控制，定位和精度要求。2.4 关节机械手机械传动原理该关节机械手的本体结构组成如图2.1图2.1 关节机械手本体组成各部分部件的作用：基座：基座构件包括底座，齿轮，轴承，步进电机。的基本作用是一个构件，支撑构件和支撑所述枢转臂，支撑比基片的多关节臂的运动和行李的工作压力的重量必须具有足够的强度，刚度和承载能力。此外，图书馆还需要绰绰有余了实质性的安装基础，以确保输送臂在工作场所和稳定运行联合决议。通过正相分量关节型机器人手臂（例如，一个气缸，气缸，齿轮齿条机构，连杆机构，一个凸轮机构，并且螺旋机构等）和用于移动所述臂多于一个铰链臂（例如一个驱动源，液压或气动臂诱导固定移动协作等），以实现不同的臂运动手臂大臂以及小臂组成。其中所述臂是一棵树，加速度分量和驱动马达的构件上形成。由臂，驱动轴和同步带等部件臂构件。手腕壳体，传动齿轮和轴，从现有的机械连接的手腕部。2.5 关节机械手总体方案设计在关节工业用机器人的结构的形式，其主要由以下四个：构造直角坐标，圆柱坐标，球面坐标的结构，铰接结构为四。每个结构和相关功能列举如下3所述。（1）直角坐标关节机械手直角坐标关节机器人手臂空间坐标多关节运动是实现线性运动的三个相互垂直的方向，如图2-1（a）在该直线运动的位置控制是容易实现，笛卡尔坐标臂关节运动往往是一个高的位置精度要获得（微米）。对于多关节臂的在这方面的尺寸移动结构相对直角坐标，所述一个臂的空间多关节运动，是比较小的。为了获得运动的一定的自由，该结构在垂直于多关节臂的尺寸坐标多关节臂比其它结构的大小。工件笛卡尔坐标移动多关节臂矩形空间。笛卡尔臂运动最常见的是主要用于收集和处理交易，笛卡尔坐标在三个悬臂龙门式结构的多关节臂的运动。（2）圆柱形的坐标关节机械手空间运动臂圆柱坐标实现线性和多关节运动的旋转运动，如图2-1（b）中。此多臂关节运动是相对简单的，精度，通常可以在处理中使用。他的工作空间是一个圆柱形空间。（3）球坐标关节机械手多运动空间球面坐标关节可动臂通过两个旋转运动和直线运动，如2-1（C）来获得。这个简单的手臂的动作的多关节结构，成本低，但精度不高。主要用于加工。他们的工作空间是一个球形的空间。（4）联合多关节型机器人的结构三个多关节的旋转运动的空间铰链臂运动的要求，以便获得，例如，2-1（d）如图手臂关节联合行动灵活，结构紧凑，占地面积小。多关节臂相对于所述相对较大的工作空间的主体尺寸。这样的多关节臂的运动被广泛应用于工业，如焊接，涂装,装配等行为被广泛用于这种类型的多关节型机器人的。多关节机器人铰接结构是由两种格式的水平和垂直关节表示。(a) 直角坐标型 (b) 圆柱坐标型 (c) 球坐标型 (d) 关节型图2-1 四种关节机械手坐标形式根据任务书和具体要求，我们选择（四）普通型。具体地，对于这样的设计，因为在区域考虑8公斤的设计要求，考虑到使用的操作的具体要求的工艺设计的具体形式，对系统的要求，并作为符合尽可能质量工件以简化结构，成本也降低并提高了可靠性。多结臂的运动，并且定位的精确度更高，设计的多关节运动到臂的运动的臂范围需要六个自由度，这是一个程度的腰，臂的旋转自由度和臂的俯仰臂自由和手腕自由旋转和旋转度字段的自由度。本文档中的得到大关节臂，该结构设计臂的大小将因此该臂机构自由转动地音调的详图。多关节机器人的特征在于，相对大尺寸的工作，灵活性和通用性，更为结构紧凑，可以从事基础对象的附近。合作机构提出使用和包括以下的技术参考技术要求：（1）设计的多关节型机器人系统中执行，旨在满足重多臂关节运动系统的操作期间是同时满足技术结构，经济等方面的要求短，效率高，速度和多功能性，柔韧性等性能要求。 （2）装配图，零件图按照机械设计，尺寸，公差，几何公差的国家标准，标签严格绘制有合理的技术要求，规格。简单不同端部（3），并进行所述机器人手臂与联接的端部。 （4）写的论文要求的明确描述，书写规范。2.6 舵机的工作原理机器人的电源是研究对象划船机，机器人控制系统，管理和控制系统有需要改变时，维护控制，原理划船机的工作是：从信号控制马达电路，速度输出接收的信号。输出轴和连接到旋转电位器的位置反馈控制电路和一个信号到控制室节气门位置的电位器，并根据该决定和旋转速度以停止。片材接收的接收信号的调制路径，只留下激励。这是一个内部参考，为期20，参考信号宽度为1.5ms，用于与电位器输出接收DC电压。最后，在马达片的正面和负面的结果之间的张力，是相反的决定。读取电机，齿轮，使级联电压你，0，马达停止旋转，其结构如下。最后，之间的电压积极的和消极的结果，在电机芯片，决定是相反的。（1）发动机。（2）减速器：降低高速度，获得的扭矩。（3）主轴系统：提供你的反馈。（4）电子控制板： 363、关节机械手主要结构设计3.1 末端执行器负载计算 手腕偏转时，需要克服摩擦阻力矩、惯性力矩负荷启动力矩时的强度和手腕。转矩的式子是：15： （3.1） （3.2） （3.3） （3.4） （3.5） （3.6） （3.7） （3.8）式子里， -手腕偏转所需力矩（Nm）；-摩擦阻力矩（Nm）；-负载阻力矩（Nm）；-手腕偏转启动时惯性阻力矩（Nm）；-工件负载对手腕转动惯量（kgm2）；-手腕部分转动惯量（kgm2）；-手腕偏转角速度（rad/s）；-手腕质量（kg）；-负载质量（kg）；-启动时间（s）；-手腕部分材料密度（kg/m3）；-手腕部分外径和内径（m）；-手腕的长度（m）；-手腕偏转末端的线速度（m/s）。已经了解的数据：kg，m/s，m，m，m，s，手腕部分材质设为铸钢，密度kg/m3。将数据代入计算得： kg r/s kgm2 kgm2 Nm Nm Nm3.2 运动机构设计连杆是最常见的机制，这使联接机构设计的优化是在机械设计非常重要的，研究工作进行了还使用最广泛的。有很多文献介绍有关四连杆机构，扁五具尸体，一个灵活的耦合机制，优化程序如何曲轴离合器片离合器机构，凸轮离合器的组合机制，离合器齿轮等机构。鉴于典型的四杆连杆机构部的再现优化设计的这种四杆连杆机构组合功能，离合机构所描述的一般的优化方法和过程。四合院建筑设计优化参数特定的运动和机构最小流量之间的四连杆调整机制误差范围内的优化。因此，四连杆机构设计优化过程中，从而使四连杆机构是找到一组最小的运动误差的机械设计参数。后确定所述四连杆机构的设计参数可被认为是达到设定的优化设计。四连杆机构的优化设计包括一个四连杆机构的优化模型和优化模型解决了两个主要过程。因为四连杆分析优化程序来确定，以确定设计参数中，由于目标函数和机制设计的局限性，如钓竿长度的情况下，传输角度条件等写入相应的限制，设计优化机制来创建模型。下面介绍设计模型的四连杆机构的功能重现优化。切换功能的设计主要由输入部件的选择和根据多个位置的一个输出元件再现时，确定的参数机制与图形方法或机制分析。图图1示出一个典型的扁四铰链机构，、和代表四个构件的长度， AB杆是输入构件。假设图1所示的平面铰链四杆机构再现给定函数为，那么，机构的位置由、铰链A的位置来决定的、AD与机架x轴夹角以及输人构件转角等七个变量。为简化问题，可令A的位置为，构件的长度为1(参考构件)，由此可将问题维数降为四维，并不影响构件输入、输出的函数关系。由此可以得到输出构件转角外与输入构件转角之间的函数关系式：（1）机构优化设计目标就是使得输出构件转角与给定值在，所有位置上的误差最小。因此机构优化设计的目标函数可用下式表示：（2）当输入构件转角为时，输出构件转角外从下面式子算出：（3）式子里，所以（4）将上式代入式（3），并令代表设计变量、及，机构优化设计目标函数可写为：（5）应根据机构设计的实际情况来确定优化设计。例如，如果曲柄摇杆四连杆机构，以满足下列关系：或（6）如果机构要求传动灵活可靠，则传动角应满足：或其中从上面式子知道，传动角随着的变化而变化，当为最大值时，则最小，在最小值时，则最大。要满足条件，约束方程式子是：曲柄摇杆机构有，因此，约束方程式子是：（7）当所选定的设计变量为构件长度时，则构件长度必须是正数，那么约束式子是：式子里是为了使构件长度不小于而设的。 此外，由于具体结构尺寸的限制，往往对某些构件的长度限定在某一范围内选取，比如，连杆BC的长度最短是的倍，最长是的倍，那么列出式子关系如下：约束式子是：（8）以下，介绍再现函数是的曲柄摇杆机构的优化设计。 先变换给定函数为，并设输人构件初始角为，输出构件初始角为，选取输入构件的转角为,输出构件的转角为。当输入构件从转到时，输出构件从转到，输入构件从转到时，输出构件则从回到。显然有及，那么及。代入函数式算出：设将输入构件的转角均分成20等分，那么，设定权因子，再令代表设计变量、及，从式子（5）得曲柄连杆机构优化目标函数为曲柄摇杆机构优化设计约束条件如下：从式子（6）得出：要求传动角满足，从式子（7）逄出：根据该结构的大小的控制机构，各组分相对于尺寸的给定范围内的壳体要求的长度，从式子(8)算出：所以，曲柄摇杆机构优化设计模型如下：Min. s.t.采用内点惩罚函数法和POWELL法求解曲柄摇杆机构优化设计模型。选择初始惩罚参数，递减函数e = 0.01，初始点，取惩罚函数法收敛精度，POWELL法目标函数值收敛精度，一维搜索精度。3.2.1确定设计变量根据设计变量的机械原理知识设计要求L1、L2、L3、L4、。曲轴长度作为长度为1的单元，并且剩余的三个长度L1可以表示为的倍数。的几何关系图1的：=杆长的函数。进一步根据在该装置的机构许可的空间，是在机架上，适当地预选长度L4其中L 4= 100，上面的分析后仅L2，L3的两个独立的变量，因此，设计变量的优化问题：因此。本优化设计为一个二维优化问题。3.2.2建立目标函数根据轨迹的优化设计，可把连杆的M点和预期轨迹点坐标偏差最小为寻优目标，它的偏差式子是 和，如图2。由此，跷2-5间隔分成N个部分中，M点的坐标对应的对应点。每个被称为参考点，根据均方根差可建立其目标函数，那么： ，S为运动区间的分段数因此，从上面的表达式可以是目标函数的对应于各机构设计的形状的数学表达式（给定），就可计算出均方根差。图 23.2.3确定约束条件根据该草案的条件，限制，该机构有两个方面：一是最小传动角大于50度的过程中传递运动，二是四曲柄机构，以确保满足存在的条件。线束的优化来创建为基础的条件。保证传动角图 3按传动条件，根据图3可能发生传动角最小值的位置图，由余弦定理 （见图3（a）所以 （a） （见图3（b）所以 （b）式子（a）和（b）是两个约束条件，把，代入式（a）、（b），摆出式子如下：曲柄存在的条件按曲柄存在条件，由机械原理知识了解，把它们写成不等式约束条件（将，代到上面式子，得出综合分析后，上面的七个约束条件式子里，和=紧约束条件，=松约束条件，那也满足和的，必满足不等式，所以本优化问题实际起作用的只有和两个不等式约束条件。3.2.4写出优化数学模型以上得出，可得本优化问题的数学模型为 即本优化问题具有两个不等式约束的二维约束优化问题。图3.1 主要结构图3.3 机构受力分析该步行机构的受力情况如图312所示。由于该机构中所有连杆均为二力杆，即只受轴向力作用。设图中所有连杆所受的拉力为正，压力为负。为地面对车轮的支撑力，月川为11个连杆的内力， 2分别为连杆9和连杆5与水平线的夹角， y1、r2分别为连杆10和连杆6与水平线的夹角，妒为曲轴11与水平线的夹角。由力的平衡条件可得方程组：以上五个方程，联立方程3.1和3-6可以通过适当的支撑力，曲轴11的水平角度，来解决时，在每个行走时足部机制联系起来的力量的大小。假设在曲轴11标准轮的权力面前旋转，每一个环节的内在力量也将发生变化。并运行曲轴旋转的模拟。你可以得到曲轴旋转一圈，连杆足功率曲线的内脏。每个链路可以是依赖于功率条件为每个链接大小合理的设计横截面面积，以优化机制，。3.4 销轴的计算校核轴的受力图见下方：知道的条件：作用在销轴上的圆周力径向力法相力1) 求垂直面的支撑反力：2) 水平面的支撑反力： 3） F在支撑点产生的反力： 可按最不利考虑绘垂直面的弯矩图： 5) 绘水平面的弯矩图： 6) F产生的弯矩图： a-a截面F力产生的弯矩为： 7) 算出合成弯矩图： 考虑最不利的情况，把与直接相加MA=+MAF= +41.1=70.1 N.mMA=+MAF= +41.1=657 N.m8) 算出轴传递的转矩： N.mm9) 算出危险截面的当量转矩 如图所示，a-a截面最危险，其当量转矩为：如认为轴脉动循环应变力，设折合系数a=0.6，带入上式可得：10） 算出危险截面处轴的直径轴用45#钢，调质处理，找出表格得出B=650Mp,从表格 14-3找出表格得出-1b=60Mpa,那么：因键槽影响轴的尺寸，把d值加大5%，所以：d=22.8*1.05=24mm32mm满足条件上。因a-a处剖面左侧弯矩大，有转矩，且有键槽，故a-a左侧为危险截面其弯曲截面系数为：抗扭截面系数式子是：弯曲应力为：扭切应力为：根据合成强度计算使转换系数0.6的当量应力：从表格找出45钢调质，抗拉强度极限=640Mpa，则从表格找出表格得出轴应力-1b=60Mpa,-1b,满足要求。3.4 微型伺服电机（舵机）的选择微型伺服电机在业余航模活动中使用的，还有很长的历史，但最常用的家庭也“发送”，意思是“搅拌式机”伺服位置伺服驱动器。这是一个机器人，机械和电气系统的重要模型飞机执行器。它接收到特定控制信号，有一定角度的输出，对于那些谁需要维护和角度变化的控制系统。标准伺服有三根线：电源线（红色），接地线（黑色或灰色），控制线（白色或橙色）。输入控制线是一宽度可调整的周期性方波信号（PWM）的，周期方波信号20毫秒（例如，50赫兹）中，当方波的脉冲宽度变化转向轴角度取将其放置成比例的脉冲宽度的角度变化的变化而改变，这是与工作周期的说变化改变转向的位置。访问，这是主要用于控制部件控制的运动方向。因此，机器人模型也经常用作关节的受控运动，对机械原理经常自由联合活动。3.4.1 舵机的选型本设计选用的舵机为“辉盛”MG945 12公斤全金属齿大扭力舵机，图和参数见图3.11和表3.1所示。图3.11 “辉盛”MG945舵机表3.1 “辉盛”MG945舵机参数尺寸重量速度扭力使用电压40.8*19.9*37.3mm56.3g0.24sec/60度12公斤/厘米4.8V7.2V3.4.2 辉盛MG945舵机的控制特性 “辉盛”MG945 12公斤全金属齿大扭力舵机全转角为180度，它的对应的控制关系如表3.2所示。表3.2 PWM波脉宽与舵机转角关系PWM波脉宽舵机转角对应转角简图0.5ms0度0.9ms45度1.5ms90度2.1ms135度2.5ms180度4、关节机械手PLC控制系统设计4.1 关节机械手的工艺过程由电机驱动关节机器人的工作，它的上，下，左，右都马达驱动旋转螺杆完成。分析过程多关节型机器人的起始位置停在源头，按下启动按钮后，将关节机器人的起源减少终端（T）右降低增加松弛（T）增加左的起源，行动完成一项工作。秋季多关节型机器人，上，右，左等动作来控制相应的限位开关的转换，并进一步采取行动放宽转换时间监控。为确保安全，关节机器人后，正确的地点，工件可如果在右表没有减少，往右走当最后银行文物未移动，关节机器人将自动停牌，以待。光开关来定位此设置，“无纸”的信号。以满足生产要求，多关节型机器人设置手动模式和自动操作模式，则自动模式分为单步，和一个连续的工作周期。1）手动模式：使用对关节机械臂控制的每一步操作的按钮。例如，“向下”按钮，让铰接机器人，按下“上”按钮，多关节型机器人的增加。手动操作可用于紧急停止和关节型机器人来调整原点后返回到工作位置。2）单步工作：起源，根据工作循环每次按下停止按钮自动关节机器人开始到完成动作一步时自动步序。3）单曲循环模式，按下启动按钮，机器人联合记者过程中自动自动完成动作周期，回国停止之后。4）连续模式：按下按钮，从原点关节型机器人，根据步骤序列是自动连续地重复，设置两个停放在连续工作：正常停机：停止正常情况下。按下复位按钮，完成一个周期后关节型机器人，自动返回到原点了。紧急停车：在发生事故或紧急情况下停车。按下紧急停止按钮，关节机器人停在当前的状态。当故障排除后，你必须手动回到原点。4.2 PLC 控制系统4.2.1 确定输入/输出点数并选择 PLC 型号1）输入信号定位信号：下，上，右极限，一共有四个限位开关的左侧极限，需要四个输入。“没有部分检测”信号：用于检测元件，一个终端需要光电开关。 “模式”选择：手动，单步，连续单周期和4种类型的工作，如需要失去四个端子。手动控制：需要下跌，上升，右，左，分期，放松六个按键也需要六个输入。自动运行没有开始，正常停车，快停车3还需要三个输入。此外，一共有18个输入信号。2）输出PLC控制输出下降关节机器人，上，右，左，分期，轻松在三个电机速度控制，共11个输出。关节型机器人开始在家里工作，你应该需要一个原点指标也是一个起点。所以，至少六个输出。由于关节机器人控制部分的开关控制，功能不作特别要求。因此，任何小型PLC型号能满足要求。根据I / O点数和总留下一些能力的需求，可用于FX2N-48RM，每24点的输入和输出，继电器输出类型。操作参数FX2N-48RM已经在第二章中，而不是在此演示文稿。4.2.2 分配 PLC 的输入/输出端子PLC 的输入输出端子分配接线图，如图 4-2 所示。 图 4-2 输入/输出分配接线图4.2.3 所需元器件明细表4.3 PLC 控制系统程序设计为了便于编程，可以编译手动和自动程序相对独立的模块，与如图4-3所示的分支指令选择，过程控制系统框图。如果您选择手动模式下，X3的关系，跳过自动程序，执行手动过程时自动选择运行模式断开X3，自动程序。（1）是没有必要的手动操作方案来手动步骤序列，可以设计成普通中继方案。梯与手，在图4-4，手动按钮X20-X25，分别示出的控制下：图4-3 总程序结构框图图4-4 手动程序下，上，右，左，加紧放松每一个动作。为了保证系统的安全性和被提供有一些必要的链。 X11的溶液中加入作为在左侧链和电路的右侧运动，这是因为多关节机器人中，只有上端位置，允许左，
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