【《串联型五自由度机械手结构计算设计》9000字（论文）】

第三章串联型五自由度机械手参数设计3.1手臂部分设计计算手臂的组成部分：驱动电机，传动轴等。3.1.1驱动手爪的电机整个丝杠旋转时，驱动转矩为，螺纹力矩为(3.1)根据手册选用丝杆，钢和钢摩擦因素为(3.2)(3.3)(3.4)(3.6)(3.7)(3.8)(3.9)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3.SEQ表_3.\*ARABIC1110BYG350BH-0501电动机技术数据所示：表3.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*1483.1.2驱动手肘的电机整个丝杠旋转时，驱动转矩为，螺纹力矩为(3.10)根据手册选用丝杆，钢和钢摩擦因素为(3.11)(3.12)(3.13)(3.14)(3.15)(3.16)(3.17)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3.2110BYG350CH-0501电动机技术数据所示：表3.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*1823.1.3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(3.18)根据手册选用丝杆，钢和钢摩擦因素为(3.19)(3.20)(3.21)(3.22)(3.23)(3.24)(3.25)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3.3110BYG350DH-0501电动机技术数据所示：表3.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*2163.1.4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（3.1）对球轴承=3，（3.2）查表13-6代入得（3.3）（3.4）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（3.5）代入上式，满足要求。3.2末端执行器设计计算3.2.1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（3.6）式中T——传递转矩N·mm——螺杆材料的许用应力所以代入公式（3.6）得：6225025×0.0292+11236≤900×0.0296×1012（3.7）即23977pa＜116640pa合格剪切强度（旋合圈数）（3.8）合格弯曲强度（3.9）合格3.2.2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3.4110BYG350DH-0501电动机技术数据所示：表3.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*1483.3螺栓校核计算已知条件：螺栓的s＝750MPa螺栓的扭紧力矩T=45N.m扭紧力矩：为了达到要求的紧固程度，采用专用的扳手对螺栓进行紧固，其作用力大小为扭紧力矩。（3.10）————扳手克服阻力的力矩————与支撑表面之间的摩擦力矩————扭矩系数————预紧力————螺栓螺纹外纹表3.SEQ表3.\*ARABIC5摩擦表面与K摩擦表面状态K值有润滑无润滑精加工表面0.10.12一般工表面0.13-0.150.18-0.21表面氧化0.20.24镀锌0.180.22粗加工表面-0.26-0.3取K＝0.26，则预紧力（3.11）承受预紧力螺栓的强度计算：螺栓公称应力截面面积外螺纹小径外螺纹中径计算直径螺纹原始三角形高度螺纹原始三角形根部厚度b的数值选取的是螺栓的最大拉伸应力的表示形式是(MPa)。（3.12）剪切应力：（3.13）预紧力的确定原则：在拧紧之后螺纹连接件的预紧应力不能够大于其材料的屈服极限的80%，所以合格[9]。运动学分析4.1正运动学分析各自由度关节矩阵（4.1）将以上各自由度关节矩阵相乘，其正向运动学方程为[10]（4.2）机械手末端执行器在整体坐标轴的位置为：（4.3）4.2逆运动学分析在确定目标物后，机械手手爪相对于基坐标系的位姿矢量为REF_Ref421205781\r\h[9]（4.4）————法相向量————滑动向量————接近向量————位置向量。各关节矩阵的逆矩阵为。整个机械手的正向运动学方程为(4.5) (4.6)上式两边同乘以得到， (4.7)等式左边为(4.8)等式右边为(4.9)由(4.7)和（4.8）的第3行，第4列相等，得到将代入（4.7）得到 （4.10）两边同乘以得到， (4.11)左边为 (4.12)右边为 (4.13)由(4.11)和（4.12）的第1行，第4列和第2行，第4列的平方和相等，得到(4.14)由(4.4)的最后一列中得到(4.15)第五章串联型五自由度机械手成果本课题采用UG三维模型软件建立串联型五自由度机械手三维模型，部分零件建模图如图5.1、图5.2所示，整体模型结果如图5.3所示。图5.SEQ图5.\*ARABIC1手指轴图5.SEQ图5.\*ARABIC2大臂图5.SEQ图5.\*ARABIC3三维模型通过仿真与调试，本设计能够实现四个关节的运动，手爪也能抓取并搬运一定的目标物至目标位置。该串联型五自由度机械手整体装配图如图5.4所示，主要零件臂杆如图5.5、图5.6所示。图5.SEQ图5.\*ARABIC4装配图图5.SEQ图5.\*ARABIC5臂杆1图5.SEQ图5.\*ARABIC6臂杆2总结与展望本次课题是设计串联型五自由度机械手，对其结构进行设计并校核，然后通过将复杂的结构有限元化对其进行三维模型的建立与仿真，并且完成装配图和零件图的绘制。在选择到该毕业设计题目时，我以学校机器人实验室的六自由度机械臂为参考进行设计，但还是出现了不少的问题，在经过指导老师在开题答辩时给的意见和建议我进行了查找资料并及时修改我的设计方案，但是在很多地方还是出现了问题，这让我认识到了我的不足之处。本次串联型五自由度机械手设计初期设想目标是能代替人工进行搬运工作，经过查阅大量文献和相关资料，学习了典型机械手的工作原理和结构设计思路，对本次课题的串联型五自由度机械手进行了工作原理和结构的设计，对手爪、腰部关节、肘部关节等关节的设计以及以及通过其主要作用和运动方式对其传动方式进行了确定，并且对结构进行了校核，通过对液压机构和纯机电机构两种液压系统的方案对比，结合本次课题串联型五自由度机械手的工作方式及工作环境确定了本次课题设计采用纯机电结构，使整个机械手结构更加简单，更容易学会操作方式，本次课题采用了UG三维软件将复杂的模型有限元化对其进行三维模型的建立，并在该软件上完成了仿真，仿真结果：该串联型五自由度机械手三维模型能进行四大关节移动，手爪能抓取目标物。本次毕业设计所设计的串联型五自由度机械手的工作范围竖直方向可达545.5mm，水平方向可达377mm。本次毕业设计所设计的串联型五自由度机械手三维模型虽然能进行仿真，完成了预期的目标，但是还是存在着许多需要改进的地方，比如：可以对整体结构进行优化，在增大整体机械手整体强度的同时尽可能地减轻整体机械手的重量；此次设计的机械手虽然能完成搬运工作，但是精度和准度还是不够，接下来要调整整个机械手的控制系统，对其精度和准度实现进一步的提升。参考文献濮良贵，纪名刚主编.机械设计（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2006.5成大先主编.机械设计手册（第五版）[M].北京：化学工业出版社，2008.3郭宏亮主编.机械原理[M].北京：北京大学出版社，2011.12林怡青，谢宋良，王文涛编.机械设计基础课程设计指导书[M].北京：清华大学出版社，2010.1侯国柱,孔庆忠,武新伟.五自由度机器人的结构设计及其控制[J].机械制造与自动化,2007(02):28-30.夏志伟.移动机械臂目标抓取轨迹规划与控制系统设计[D].哈尔滨工程大学,2019.谭湘夫.基于三维设计的机械设计类课程的改革与实践[J].科学与财富,2012(8):14-14.段成燕,王金,王东胜,刘喜平,刘春香.四自由度工业机器人的本体结构设计和建模[J].黑龙江科技信息,2010(36):31.张爽,邹建华.大型电机螺纹连接的拧紧力矩及预紧力计算[J].防爆电机,2015,50(04):17-18+35.[10]孙秀军.基于RBF神经网络的机械手轨迹规划及运动仿真研究[D].山东理工大学,2007.[11]房玉明，杭柏林.基于单片机的步进电机开环控制系统[J].电机与控制应用，2006，33（4）：64-64[12]孙笑辉，韩曾晋.减少感应电动机直接转矩控制系统转矩脉动的方法[J].电气传动,2001,(1):8-11[13]王佞.液压驱动机械臂设计及其仿真研究[D].华北电力大学,2011.[14]胡乾斌,李光斌,李玲,甘锡英．单片微型计算机原理与应用[M