【《某串联型五自由度机械手参数设计计算案例》4100字】

第1章引言某串联型五自由度机械手参数设计计算案例目录TOC\o"1-3"\h\u20796某串联型五自由度机械手参数设计计算案例 1296531.1串联型五自由度机械手的系统工作原理及组成 1254961.1.1串联型五自由度机械手的工作原理 1238331.1.2机械手组成部分 2266031.2串联型五自由度机械手的坐标型式与自由度 3113641.3本课题的研究内容 339331.3.1研究内容 3306421.3.2三维建模 4255121.4方案论证 4263271.4.1液压结构 497961.4.2纯机电结构 4293111.5手爪设计 5322531.6腰部关节设计 571391.7腕部关节设计 636461.8创新特点 6275151.9机械臂的控制 7116581.10可行性分析 713817第二章串联型五自由度机械手参数设计 7238132.1手臂部分设计计算 7251602.1.1驱动手爪的电机 7289202.1.2驱动手肘的电机 81092.1.3驱动肩部的电机计算 1068322.1.4手腕轴承的设计计算 11165002.2末端执行器设计计算 12179672.2.1末端执行器螺柱的设计与校核 1245672.2.2末端执行器的电机 1347412.3螺栓校核计算 131.1串联型五自由度机械手的系统工作原理及组成1.1.1串联型五自由度机械手的工作原理串联型五自由度机械手由四大关节组成的执行机构和纯机电机构组成驱动系统还有plc控制系统组成，在plc程序控制下，采用纯机电传动的方式完成相对应命令的动作，然后通过程序的即时反馈对整个装置进行调整。串联型五自由度机械手仿照人类的手臂的运动进行工作，其结构上拥有五个旋转轴。利用电机的转动驱动各个关节旋转带动各个手臂旋转，当手臂需要在某个角度或节点停止时，配置在各个关节上的制动器制动，形成悬停。关节型机械手的手爪由电机带动螺杆旋转，与螺配合的螺母进行位移，带动连杆撑开或收缩手抓，达到手爪开合的目的。机座通过一个电机1带动减速器带动肩部左右旋转，通过一个制动器控制既定的停止位置，如下图，大臂与肩部结构类似，通过电机2、3带动旋转，小臂也相同。手腕旋转通过电机4实现360度旋转，另有布置一个双头电机5带动手腕上下摆动，夹爪通过电机6带动螺杆螺母实现夹持和放松。图1.SEQ图2.\*ARABIC1工作原理图1.1.2机械手组成部分本次课题设计的串联型五自由度机械手组成部分如图1.2所示。整体机械手由基座和四大关节组成，四大关节为腰部关节、肩关节、肘部关节和腕部关节，四大关节皆为转动关节，其中肩关节可以带动大臂、小臂和工件的上下移动，腕部关节主要控制末端执行器的运动。机械手机械手基座四大关节腰部1个转动自由度肩关节肘部腕部大臂小臂图1.SEQ图2.\*ARABIC2机械手组成部分1.2串联型五自由度机械手的坐标型式与自由度因为串联型五自由度机械手有不同的运动形式和组合方式，对应的坐标型式分为直角坐标式、球坐标式、关节式和圆柱坐标式，本次课题要求的串联型五自由度机械手要求在工作时有升降、收缩、转动等动作且在运动时要求其保持良好的稳定性，因此，决定采用球坐标式。1.3本课题的研究内容1.3.1研究内容(1)本次毕业设计是建立一个串联型五自由度机械手的三维模型。整个串联型五自由度机械手的结构为:四大关节为腰部关节、肩关节、肘部关节、腕关节，四大关节皆为转动关节，其中肩关节可以带动工件的上下移动，手腕可以带动手爪的工作[5]。对给定的关节结构进行分析，力求结构紧凑，设计合理。(2)通过对机构的整体分析，建立有限元模型将复杂的三维模型简单化，对其结构进行受力分析，静力学分析和刚体动力学分析，最后完成模型建立，并分析各部分零件的情况，将重要零件记录下，并且保存各个零件的尺寸数据;并将其用UG画出三维图。整个过程为：总体分析自由度分析/作业分析各关节结构设计传动系统设计UG绘制装配图。(3)运动学仿真设计。(4)机械手传动系统设计。(5)驱动控制选择，电机选择。1.3.2三维建模本次课题采用UG软件进行三维建模，UG是SiemensPLMSoftware公司出品的一个产品工程的解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段，它是一个计算机辅助设计和计算机辅助制造系统，可以实现各种复杂实体及造型的建构，它目前已经成为三维设计的一个主流应用，所以本次可以选择了UG软件进行三维模型建立与仿真[7]。1.4方案论证1.4.1液压结构液压结构设想由液压机构为主动系统，带动串联型五自由度机械手进行回转运动，具体过程如图1.3所示。图1.SEQ图2.\*ARABIC3液压传动系统框图优点：与其他传动方式相比，液压传动可以进行无级调速，且跟别的传动方式相比调速更加快速简便，调速的范围更加的大。与其他传动方式相比，在相同的情况下，液压传动的装置更加的小巧，结构更加的可靠。缺点：出现故障不容易完成检修。相比其他传动方式，效率不够高，不适合进行远距离的传输工作。1.4.2纯机电结构纯机电结构设想以机电传动结构为主动力系统，由电机带动串联型五自由度机械手进行回转运动，具体过程如图1.4所示。图1.SEQ图2.\*ARABIC4纯机电结构系统框图优点：相较于其他传动方式，整体结构简单。相较于其他传动方式，操作方式易上手。缺点：相较于其他传动方式，整个纯机电结构的传动力量有一定的局限性。通过综合考虑和对比，利用纯机电结构有明显优势。1.5手爪设计手爪也就是末端执行器，是整个机械手工作的重要部件，它需要负责抓取和放下目标物，所以它应具有足够的力确保工作的力的问题，同时目标物的形状是不确定的，所以要求末端执行器要有一定的张开和闭合范围，而控制整个末端执行器的张开与闭合范围主要通过调节末端执行器各个关节直接的角度变化进行控制，如图1.5，AB、BC、CD和DE形成的末端执行器关节间通过改变各个关节的角a、角b、角c角度大小实现手爪的抓取。图1.SEQ图2.\*ARABIC5夹爪角度1.6腰部关节设计腰部关节主要负责两个方面，一方面与底座相连，支撑整个机械手，另一方面它还要与机械手相连，实现整个机械手的回转运动。考虑到整个机械手的运动，需要大传动比，低转速，所以采用一对圆柱齿轮转动，大齿轮作为从动圆柱齿轮，小齿轮作为主动圆柱齿轮，用电动机带动实现整个机械手的回转运动。图1.SEQ图2.\*ARABIC6腰部关节1.7腕部关节设计腕部关节主要负责两个方面，一方面与各关节相互配合，通过运动调节抓取目标物的方向，另一方面与末端执行器相连控制整个末端执行器的运动。因为腕部关节需要调节机构运动方向，所以采用一对直齿锥齿轮传动，电动机与主动直齿锥齿轮相连实现运动。图1.SEQ图2.\*ARABIC7腕部关节1.8创新特点串联型五自由度机械手实现了多种功能性要求：a.能够适应多种恶劣的环境，进行上下料；b.可以用来代替人工，减少了人工。1.9机械臂的控制Plc控制系统是一种可编辑逻辑控制器，它是专门为工业生产所设计的一种数字运算操作的电子装置，它被应用了许多行业中，所以此次串联型五自由度机械手采用的是plc控制，控制系统通过对各个自由度不同的电机进行控制来控制机械臂的运动[11]。1.10可行性分析串联型五自由度机械手能有效的代替人工进行搬运工作同时可以代替人工在特殊环境中进行工作。通过对串联型五自由度机械手串联型五自由度机械手运动原理的分析，整个串联型五自由度机械手由四大关节组成的执行机构，纯机电结构组成的驱动系统和plc控制系统组成。四大关节分别为：腰部关节，肩关节，肘部关节，腕部关节。纯机电结构结构简单易操作。plc控制系统作为一个通用性很强的控制系统，在世界各行各业都应用广泛。目前，串联型五自由度机械手存在不易操作，效率低等问题，我们采用纯机电驱动解决不易操作，效率低的问题，所以本次设计的串联型五自由度机械手有广阔的应用前景。综上所述，基于现有条件本课题完全可以得到很好的实施。第二章串联型五自由度机械手参数设计2.1手臂部分设计计算手臂的组成部分：驱动电机，传动轴等。2.1.1驱动手爪的电机整个丝杠旋转时，驱动转矩为，螺纹力矩为(2.1)根据手册选用丝杆，钢和钢摩擦因素为(2.2)(2.3)(2.4)(2.6)(2.7)(2.8)(2.9)初选转速W=60º/sn=1/6转/秒=10转/分选择110BYG350BH-0501型步进电动机电动机采用B级绝缘。外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为110~250V，额定频率为50HZ[13]。如表2.SEQ表_3.\*ARABIC1110BYG350BH-0501电动机技术数据所示：表2.SEQ表3.\*ARABIC1110BYG350BH-0501电动机技术数据型号相数步距角相电流保持转矩转动惯量重量外形尺寸110BYG350BH-050130.6/1.25.01697206.6110*110*1482.1.2驱动手肘的电机整个丝杠旋转时，驱动转矩为，螺纹力矩为(2.10)根据手册选用丝杆，钢和钢摩擦因素为(2.11)(2.12)(2.13)(2.14)(2.15)(2.16)(2.17)初选转速W=60º/sn=1/6转/秒=10转/分选择110BYG350CH-0501型步进电动机电动机采用B级绝缘。外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为110~250V，额定频率为50HZ。如表2.2110BYG350CH-0501电动机技术数据所示：表2.SEQ表3.\*ARABIC2110BYG350CH-0501电动机技术数据型号相数步距角相电流保持转矩转动惯量重量外形尺寸110BYG350CH-050130.6/1.25.019135609110*110*1822.1.3驱动肩部的电机计算整个丝杠旋转时，驱动转矩为，螺纹力矩为(2.18)根据手册选用丝杆，钢和钢摩擦因素为(2.19)(2.20)(2.21)(2.22)(2.23)(2.24)(2.25)初选转速W=720º/sn=2转/秒=120转/分选择110BYG350DH-0501型步进电动机电动机采用B级绝缘。外壳防护等级为IP44，冷却方式为I（014）即全封闭自扇冷却，额定电压为110~250V，额定频率为50HZ。如表2.3110BYG350DH-0501电动机技术数据所示：表2.SEQ表3.\*ARABIC3110BYG350DH-0501电动机技术数据型号相数步距角相电流保持转矩转动惯量重量外形尺寸110BYG350DH-050130.6/1.25.0211740011.1110*110*2162.1.4手腕轴承的设计计算要求寿命，转速，轴承的径向力，轴向力。由上述条件试选轴承，试选6004型轴承[15]，查表16-2[4]按额定动载荷计算（2.1）对球轴承=3，（2.2）查表13-6代入得（2.3）（2.4）故6004型轴承能满足要求。按额定静载荷校核查表13-8，选取=2（2.5）代入上式，满足要求。2.2末端执行器设计计算2.2.1末端执行器螺柱的设计与校核螺杆是整个机械手上下运动的主要零件螺杆的材料选择：从经济角度来讲并能满足要求的材料为铸铁[8]。螺距P=5mm梯形螺纹螺纹的工作高度h=0.5螺纹牙底宽度螺杆强度螺纹牙剪切弯曲当量应力（2.6）式中T——传递转矩N·mm——螺杆材料的许用应力所以代入公式（2.6）得：6225025×0.0292+11236≤900×0.0296×1012（2.7）即23977pa＜116640pa合格剪切强度（旋合圈数）（2.8）合格弯曲强度（2.9）合格2.2.2末端执行器的电机初选转速W=60º/sn=1/6转/秒=10转/分由于相数i=3所以n=10×3×30=900转/分选择110BYG350BH-0501型步进电动机如表2.4110BYG350DH-0501电动机技术数据所示：表2.SEQ表3.\*ARABIC4110BYG350BH-0501电动机技术数据型号相数步距角相电流保持转矩转动惯量重量外形尺寸110BYG350BH-050130.6/1.25.0897206.6110*110*1482.3螺栓校核计算已知条件：螺栓的s＝750MPa