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内容简介：

摘 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AbstractParallel mechanism with high rigidity, strong bearing capacity, small error, high precision, small self-weight loading ratio, good dynamic performance, easy control and a series of advantages can be used as a submarine rescue docking docking device, maritime space on; the industry can be used as micro - actuator assembly machines, large precision operation; you can automatically install the wheel assembly in automobile assembly line; in addition, medical robotics, astronomical telescope, using parallel technology.The direction of the research of parallel mechanism:(1) study on the principle of parallel mechanism.The degree of freedom parallel mechanism, motion pair of calculation type, hinge type and kinematic analysis, modeling and Simulation of the.(2) for parallel mechanism workspaceIncluding the motion space analysis and simulation, the reachable workspace solution (such as numerical method, sphere coordinate searching method etc.), mechanism of interference analysis and location.(3) for parallel mechanism structure designStructure design of parallel mechanism includes many contents, such as the design of general layout, organization security mechanism.Because of my limited ability, mistakes and shortcomings in this paper can hardly be avoided, ask teachers to give the criticism and correction.Keywords three degree of freedom parallel mechanism; virtual prototype;目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV第1章 前 言11.1 课题研究背景意义11.2 国内外研究现状2第2章 并联机械手的结构及工作原理52.1 并联运动机构概述52.2并联的结构及机械运动原理52.3 控制系统结构及工作原理62.4 并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93.1 电动机选型93.1.1电机的分类93.1.2选择步进电机的计算93.2手爪夹持器结构设计与校核193.2.1手爪夹持器种类193.2.2夹持器设计计算203.2.3夹持器校核21第4章 并联机构机并联机构空间分析234.1并联机构并联机构机的运动学约束234.1.1 连杆杆长约束234.1.2 运动副转角约束234.1.3 连杆杆间干涉244.2 确定并联机构空间的基本方法244.3 PLC控制部分设计244.3.1 可编程序控制器的选择及工作过程254.3.2 可编程序控制器的使用步骤264.3.3可编程序控制器控制方案274.3.4 PLC控制原理图设计274.3.5 PLC梯形图概述28总 结29参考文献30致 谢31III4重 庆 理 工 大 学毕业设计（论文）文 献 综 述题目 并联机械手机电系统设计 摘 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1、机器人定义机器人， 是可进行自动或其他涂料的工业机器人，1969年由挪威Trallfa公司（后并入ABB集 团）发明。机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成，液压驱动的机器人还包括液压油源，如油泵、油箱和电机等。多采用5或6自由度关 节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有23个自由度，可灵活运动。较先进的机器人腕部采用柔性，既可向各个方向 弯曲，又可转动，其动作类似人的，能方便地通过较小的孔伸入工件内部，其内表面。机器人一般采用液压驱动，具有动作速度快、防爆性能好等特 点，可通过手把手示教或点位示数来实现示教。机器人广泛用于汽车、仪表、电器、搪瓷等工艺生产部门。1-2机器人的主要优点（1）柔性大。工作范围大大。（2）提高质量和材料使用率。（3）易于操作和维护。可离线编程，大大的缩短现场调试时间。（4）设备利用率高。机器人的利用率可达90%-95%。2、机器人研究现状机器人是七十年代发展起来的自动化机械，它可以模仿人手的动作区完成作业，程序可按需要变动，所以适合多品种小批量生产。机器人能够突破人体生理条件极限，代替人们去从事高温、放射性、喷雾、沙尘等危险、繁重而又单调的工作。机器人在国外已经广泛应用，而我国主要采用进口的机器人。工业机器人主要承担着焊接、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。目前我国行业比较缺乏机器人，因此，该产品在我国有较好的发展前景。机器人由横向手臂、直立手臂、支撑杆、摆动液压缸、支承工作台、气缸、喷枪等部分组成，它的主要功能是配合液压控制系统完成产品表面的工作。3、机器人研究目的及意义本课题所设计的机器人适合目前我国生产的要求，能够达到质量好、工作性能稳定等目的。在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，工业机器人是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明，工业机器人可以代替人的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机器人是有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作以保护人身安全，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。4、机器人应用特点常规的热过程是：采用电、化学或机械能，产生一种高速焰流，粉末被导入焰流，二者相互作用，热量与动量从焰流传送到颗粒，后者得到升温与加速。在与基体表面碰撞时，颗粒的热能与动能使颗粒产生溅落，被粘附于基体表面，形成涂层。在诸如燃烧火焰或等离子焰这类高温过程中，颗粒被熔化，义液滴形态撞击到基体表面，继而溅落并骤冷，彼此之间互销，形成涂层。 应当说，在热过程中，热能和速度是相辅相成的两个非常重要的要素，它们的每一步飞跃都促成了热技术的进展。想当初，等离子工艺的出现，推动了热技术产生了巨大的飞跃。这是热能（温度）的一次跨跃；而HVOF的登场，则是速度的较量。尽管等离子工艺至今仍然占据着热中的老大地位，但不得否认，HVOF问世以来，它的传统优势正面临挑战。一个明显的问题是，过程的高温会使一些材料发生相变、分解或C、B等元素的损失，影响涂层性能，从而使一些重要的材料，如WC-Co核NiCr-Cr3C2等，正在成为HVOF最佳的选取对象，更何况，涉及到一些涂层的重要性能方面，如涂层的结合强度、内聚强度和致密度等，等离子已失去固有的优势，让位于HVOF工艺。 与等离子相比，HVOF（或HVAF）过程，颗粒的受热减弱而飞行速度得到加强，在到达基体表面时，增强的动能转化为热能，使颗粒熔化并导致溅落，热能的不足被增强的动能所补偿。然而，人们发现，这一过程仍存在着氧化问题。事实上，HVOF颗粒被撞击到基体表面之后，以及在从高温降到常温的过程中，都伴随着氧化，也会出现分解，冷正是在这种趋势及要求的背景下产生出来。 参 考 文 献1 John A. Bosch. Coordinate Measuring Machines and Systems. New York: Marcel Dekker Inc. 1995,1-382 张国雄.三并联机构机M.天津：天津大学出版社，1999.3 张国雄.三并联机构机的发展趋势J.中国机械工程，2000，11(1-2): 222-226.4 叶东，黄庆成，车仁生.多关节并联机构机的误差模型J.光学精密工程，1999，8 中村哲夫.三并联机构机并联机构误差的评价方法J.国外计量. 1994,2: 8-13. 9 林璨.三并联机构机的精度检定与位置误差补偿J.现代计量测试. 1995,2: 21-24. 10 Oiwa Takaaki. Journal of the Japan Society for Precision Engineering, 1998,64(12):179111 Oiwa Takaaki, et al. Journal of the Japan Society for Precision Engineering, 1999,65(2):28812 K. Takamasu and M. Hiraki. Journal of the Japan Society for Precision Engineering, 1997,63(12):167613 刘得军，车仁生，罗小川.并联机构机新发展并联运动机构并联机构机J.光学精密工程，2000，8(5):497-498.14 Huang T，et al. Closed form solution of hexapod-based virtual axis machine toolsJ. ASME J. of Mechanical Design，1999，121: 26-31.15 汪劲松，黄田.并联机构机构行业面临的机遇与挑战J.中国机械工程, 1999，10(10): 1103-1107.16 刘得军，车仁生，杨玉国，等.并联并联机构机及其虚拟原型研究J.中国机械工程，2000，11(3): 252.17 黄真，孔令富，方跃法.并联机器人机构学理论及控制.北京:机械工业出版社，1997:1821.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 日摘 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AbstractParallel mechanism with high rigidity, strong bearing capacity, small error, high precision, small self-weight loading ratio, good dynamic performance, easy control and a series of advantages can be used as a submarine rescue docking docking device, maritime space on; the industry can be used as micro - actuator assembly machines, large precision operation; you can automatically install the wheel assembly in automobile assembly line; in addition, medical robotics, astronomical telescope, using parallel technology.The direction of the research of parallel mechanism:(1) study on the principle of parallel mechanism.The degree of freedom parallel mechanism, motion pair of calculation type, hinge type and kinematic analysis, modeling and Simulation of the.(2) for parallel mechanism workspaceIncluding the motion space analysis and simulation, the reachable workspace solution (such as numerical method, sphere coordinate searching method etc.), mechanism of interference analysis and location.(3) for parallel mechanism structure designStructure design of parallel mechanism includes many contents, such as the design of general layout, organization security mechanism.Because of my limited ability, mistakes and shortcomings in this paper can hardly be avoided, ask teachers to give the criticism and correction.Keywords three degree of freedom parallel mechanism; virtual prototype;目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV第1章 前 言11.1 课题研究背景意义11.2 国内外研究现状2第2章 并联机械手的结构及工作原理52.1 并联运动机构概述52.2并联的结构及机械运动原理52.3 控制系统结构及工作原理62.4 并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93.1 电动机选型93.1.1电机的分类93.1.2选择步进电机的计算93.2手爪夹持器结构设计与校核193.2.1手爪夹持器种类193.2.2夹持器设计计算203.2.3夹持器校核21第4章 并联机构机并联机构空间分析234.1并联机构并联机构机的运动学约束234.1.1 连杆杆长约束234.1.2 运动副转角约束234.1.3 连杆杆间干涉244.2 确定并联机构空间的基本方法244.3 PLC控制部分设计244.3.1 可编程序控制器的选择及工作过程254.3.2 可编程序控制器的使用步骤264.3.3可编程序控制器控制方案274.3.4 PLC控制原理图设计274.3.5 PLC梯形图概述28总 结29参考文献30致 谢3132第1章 前 言1.1 课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-TPS结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CCD摄像机等末端执行器，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Ingersoll铣床公司、Giddings&Lewis公司和Hexal公司首次展出了称为“六足虫”(Hexapod)和“变异型”(VARIAX)的数控机构与加工中心，引起轰动。此后，英国Geodetic公司，俄罗斯Lapik公司，挪威Multicraft公司，日本丰田、日立、三菱等公司,瑞士ETZH和IFW研究所，瑞典NeosRobotics公司，丹麦Braunschweig公司，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Sandia国家实验室和国家标准局倡议，已于1996年专门成立了Hexapod用户协会，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4749届CIRP年会、19981999年CIRA大会、ASME第25届机构学双年会、第10届TMM世界大会均有大量文章涉及这一领域。由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。19941999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。1.2 国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。 图1-1 普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1-2 几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:(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14-15。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。第2章 并联机械手的结构及工作原理2.1 并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。2.2并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2-116。由图2.2.1可以看出，该主要由上下2个平台和连杆组成。 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2-1 并联机构结构简图2.3 控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2-2所示：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：PC处理器单元，伺服电机控制单元和并联机构数据采集与存储单元。PC处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PC计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PC计算机进行读取。图2-2 控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，PC处理器则通过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PC计算机作为采样触发信号。PC计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。2.4 并联机构工作空间的分析工作空间（Workplace）：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。完全工作空间（Complete workplace）：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（Constant workplace）：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（Maximal workplace）：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Di,则DiD。第3章 并联机构主要部件的设计3.1 电动机选型3.1.1电机的分类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、PWM变频调速电动机和开关磁阻调速电动机。3.1.2选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： （3.1） （3.2） （3.3） （3.4） （3.5） （3.6） （3.7） （3.8）式中： 偏转所需力矩（Nm）；摩擦阻力矩（Nm）；负载阻力矩（Nm）；启动时惯性阻力矩（Nm）；工件负载对回转轴线的转动惯量（kgm2）；对回转轴线的转动惯量（kgm2）；偏转角速度（rad/s）；质量（kg）；负载质量（kg）；启动时间（s）；部分材料密度（kg/m3）；手腕偏转末端的线速度（m/s）。根据已知条件：kg，m/s，m，m，m，s，采用的材料假定为铸钢，密度kg/m3。将数据代入计算得： kg r/s kgm2 kgm2 Nm Nm Nm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。电机在工作中实际要求转矩 Nm （3.9）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3.3和图3.4所示,选择90BYG5200B-SAKRML-0301型号的步进电机。图3.3 90BYG步进电机技术数据图3.4 90BYG5200B-SAKRML-0301型步进电机矩频特性曲线2.1.传动结构形式的选择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：i1=100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，特选取压力角的渐开线齿廓。 2.2.几何参数的计算齿数的确定柔轮齿数：刚轮齿数： 已知模数：，则柔轮分度圆直径：钢轮分度圆直径：柔轮齿圈处的厚度：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：轮毂凸缘长度：取柔轮筒体长度：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。2.5.凸轮波发生器及其薄壁轴承的计算滚珠直径： 柔轮齿圈处的内径：则：轴承外环厚度：由于工艺上的要求，可将外环做成无滚道的轴承内环厚度： 内环滚道深度：式中的是考虑到外环无滚道而内环滚道加深量。 轴承内外环宽度：所用为滚珠轴承，近似等于齿宽 轴承外环外径： 轴承内环内径：为了便于制造，采用双偏心凸轮波发生器。则凸轮圆弧半径：其中是偏心距：（刚轮分度圆直径，柔轮分度圆直径）则凸轮圆弧半径： 凸轮长半轴：凸轮短半轴：2.7.1柔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： 输出转矩柔轮节圆半径柔轮轮齿宽刚轮压力角接触系数（0.40.9）对于一般双波传动，轮齿宽许用接触应力 则： 所以满足齿面的接触强度要求。2.7.2柔轮疲劳强度的计算 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：切应力：由扭矩产生的剪切应力：其中： 则：验算安全系数：疲劳极限应力：应力安全系数：其中，抗拉屈服极限： 剪切应力集中系数：则满足疲劳强度条件。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 所以,有该轴的最小轴径为: 考虑到键槽的影响，所以dmin取值为17MM,具体结构如下：轴的受力分析及计算轴的受力模型简化(见图7)及受力计算图 轴的受力分析知： 轴承的寿命校核鉴于调整间隙的方便,轴承均采用正装.预设轴承寿命为3年即12480h.校核步骤及计算结果见下表:表1 轴承寿命校核步骤及计算结果计算步骤及内容计算结果6014A端B端由手册查出Cr、C0r及e、Y值Cr=98.5kNC0r=86.0kNe=0.68计算比值Fa/FrFaA /FrA e确定X、Y值XA=1 YA =0 查载荷系数fP1.2计算当量载荷P=Fp(XFr+YFa)PA=5796.24 PB=6759.14计算轴承寿命763399h大于12480h由计算结果可见轴承6014AC、6007均合格，最终选用轴承6014。四、轴的强度校核经分析知C、D两处为可能的危险截面， 现来校核这两处的强度：（1）、合成弯矩（2）、扭矩T图（3）、当量弯矩（4）、校核由手册查材料45的强度参数C截面当量弯曲应力：由计算结果可见C截面安全。各轴键、键槽的选择及其校核因减速器中的键联结均为静联结,因此只需进行挤压应力的校核.一、 电机键的选择及校核:带轮处键:按照带轮处的轴径及轴长选 键B8X7,键长50,GB/T1096联结处的材料分别为: 45钢(键) 、40Cr(轴) (1) 刚轮处键: 按照轮毂处的轴径及轴长选 键B14X9GB/T1096联结处的材料分别为: 20Cr (轮毂) 、45钢(键) 、20Cr(轴)此时, 键联结合格.(2)输出轴处键: 按照联轴器处的轴径及轴长选 键16X10,键长100,GB/T1096联结处的材料分别为: 45钢 (联轴器) 、45钢(键) 、45(轴)其中键的强度最低,因此按其许用应力进行校核,查手册其该键联结合格.3.2手爪夹持器结构设计与校核3.2.1手爪夹持器种类1.连杆杠杆式手爪这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。通常与弹簧联合使用。2.楔块杠杆式手爪利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。3.齿轮齿条式手爪这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。4.滑槽式手爪 当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。5.平行杠杆式手爪不 需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动采用平行四边形机构，因此，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多结合具体的工作情况，采用连杆杠杆式手爪。驱动活塞 往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条 使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工 工件的直径来调定。本设计按照所要捆绑的重物最大使用 的钢丝绳直径为50mm来设计。a有适当的夹紧力手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。b有足够的开闭范围工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。夹持类手部的手指都有张开和闭合装置。可用开闭角和手指夹紧端长度表示。于回转型手部手指开闭范围，手指开闭范围的要求与许多因素有关c力求结构简单，重量轻，体积小作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个气压机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。手部处于腕部的最前端，工因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。d手指应有一定的强度和刚度因此送料，采用最常用的外卡式两指钳爪，夹紧方式用常闭式弹簧夹紧，夹紧气压机械手，根据工件的形状，松开时，用单作用式气压缸。此种结构较为简单，制造方便。气压缸右腔停止进油时，气压缸右腔进油时松开工件。3.2.2夹持器设计计算手爪要能抓起工件必须满足： （3-6）式中，-为所需夹持力；-安全系数，通常取1.22；-为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按估算，为机械手在搬运工件过程的加速度，为重力加速度；-方位系数，查表选取；-被抓持工件的重量 20；带入数据，计算得： ；理论驱动力的计算： （3-7）式中，-为柱塞缸所需理论驱动力；-为夹紧力至回转支点的垂直距离；-为扇形齿轮分度圆半径；-为手指夹紧力；-齿轮传动机构的效率，此处选为0.92；其他同上。带入数据，计算得 计算驱动力计算公式为： （3-8）式中，-为计算驱动力；-安全系数，此处选1.2；-工作条件系数，此处选1.1； 而气压缸的工作驱动力是由缸内油压提供的，故有 （3-9）式中，-为柱塞缸工作油压；-为柱塞截面积；选取缸内径为50mm3.2.3夹持器校核活塞杆直径查气压传动与控制手册根据杆径比d/D，一般的选取原则是：当活塞杆受拉时，一般选取d/D=0.3-0.5，当活塞杆受压时，一般选取d/D=0.5-0.7。本设计选择d/D=0.7，d=35 mm=965N370N计算所得的力远远大于实际所需要的力，所以满足要求。初步确系统压力表3-1 按负载选择工作压力1负载/ KN50工作压力/MPa 0.811.522.5334455表3-2 各种机械常用的系统工作压力1机械类型机 床农业机械小型工程机械建筑机械气压凿岩机气压机大中型挖掘机重型机械起重运输机械磨床组合机床龙门刨床拉床工作压力/MPa0.82352881010182032由表2-1和表2-2可知，初选气压缸的设计压力P1=1MPa第4章 并联机构机并联机构空间分析并联机构机的并联机构空间，实质上就是测头的工作空间。该空间是指在满足机构的运动约束和几何约束的条件下，并联机构机测头所能达到的空间点的所有点集。这些点集可构成一个体积，该体积的边界曲面就是测头工作空间的边界。4.1并联机构并联机构机的运动学约束基本上，并联的物理约束有三个，他们是：连杆杆长约束，运动副转角约束和连杆杆间干涉。不同于通过限制转动副来限制有效自由度，本节讨论的运动学约束主要是限制运动范围。4.1.1 连杆杆长约束连杆在运动过程中，其杆长必须满足条件： (i=1,2,3)在上式中lmin和lmax分别表示连杆的最小杆长和最大杆长。4.1.2 运动副转角约束同样，在并联工作过程中，必须满足条件：0imax (i=1,2,3)在上式中max代表球面副的最大圆锥摆角，i为基座平面的法向量m与第i条连杆杆长向量li之间的夹角(图4-1)。可以表示成：=cos图4-1 运动副转角约束上式中， l=(b-p) (i=1,2,3), m=(p-p)(p-p).4.1.3 连杆杆间干涉由于3个并联连杆与基座之间的连接关节为转动副，三个连杆只能在各自的约束平面内运动，因而不会产生干涉现象。4.2 确定并联机构空间的基本方法为了描述并联机构机测头的工作空间，可取若干个适当的平行平面作为工作空间的剖面。这些平面与工作空间的交即是工作空间在这些剖面上的边界曲线。若取一系列这样的剖面，就可得到一系列的边界曲线。这些边界曲线的集合就可构成一个完整的工作空间边界例如，取一平行于XOBY的平面X1ZjY1作为工作空间的剖面(如图4-2所示)，该平面距坐标原点OB的距离Zj(Zmin Zmax)。然后，在该平面上取一极角i，作一极线那么极线与边界曲线的交点i即为测头在该极线上所能达到的最远点。因此，只要能在此极线上找到i，即可算出该边界点在坐标系OB-XYZ中的空间坐标，即(icosi，i sini，Z)。图4-2 量空间剖面选取及边界曲线的确定由此可以看出，通过上述方法处理后，即可将工作空间边界点的计算问题转化为对i的一维搜索问题。当求得一个边界点后，令极线的极角增加，再按上述方法搜索出另一个边界点。当极角i由0开始增加到360时，就可得到该剖面上完整的边界曲线。作完一个剖面后，增加Zj，再重复同样方法，直到Zj由Zmin变化到Zmax为止，这样就可求出并联机构机测头的整个工作空间边界。4.3 PLC控制部分设计考虑到气缸的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对气缸进行控制.当气缸的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。4.3.1 可编程序控制器的选择及工作过程1. 可编程序控制器的选择目前，国际上生产可编程序控制器的厂家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德国西门子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。考虑到本气缸的输入输出点不多，工作流程较简单，同时考虑到制造成本，因此在本次设计中选择了OMRON公司的C28P型可编程序控制器。2 可编程序控制器的工作过程可编程序控制器是通过执行用户程序来完成各种不同控制任务的。为此采用了循环扫描的工作方式。具体的工作过程可分为四个阶段。第一阶段是初始化处理。可编程序控制器的输入端子不是直接与主机相连，CPU对输入输出状态的询问是针对输入输出状态暂存器而言的。输入输出状态暂存器也称为I/0状态表.该表是一个专门存放输入输出状态信息的存储区。其中存放输入状态信息的存储器叫输入状态暂存器;存放输出状态信息的存储器叫输出状态暂存器。开机时，CPU首先使I/0状态表清零，然后进行自诊断。当确认其硬件工作正常后，进入下一阶段。第二阶段是处理输入信号阶段。在处理输入信号阶段，CPU对输入状态进行扫描，将获得的各个输入端子的状态信息送到I/0状态表中存放。在同一扫描周期内，各个输入点的状态在I/0状态表中一直保持不变，不会受到各个输入端子信号变化的影响，因此不能造成运算结果混乱，保证了本周期内用户程序的正确执行。第三阶段是程序处理阶段。当输入状态信息全部进入I/0状态表后，CPU工作进入到第三个阶段。在这个阶段中，可编程序控制器对用户程序进行依次扫描，并根据各I/0状态和有关指令进行运算和处理，最后将结果写入I/0状态表的输出状态暂存器中。第四阶段是输出处理阶段。 CPU对用户程序已扫描处理完毕，并将运算结果写入到I/0状态表状态暂存器中。此时将输入信号从输出状态暂存器中取出，送到输出锁存电路，驱动输出继电器线圈，控制被控设备进行各种相应的动作。然后，CPU又返回执行下一个循环的扫描周期。4.3.2 可编程序控制器的使用步骤在可编程序控制器与被控对象(机器、设备或生产过程)构成一个自动控制系统时，通常以七个步骤进行:(1)系统设计即确定被控对象的工作原理，控制要求，动作及动作顺序。(2)I/0分配即确定哪些信号是送到可编程序控制器的，并分配给相应的输入端号;哪些信号是由可编程序控制器送到被控对象的，并分配相应的输出端号.此外，对用到的可编程序控制器内部的计数器、定时器等也要进行分配。可编程序控制器是通过编号来识别信号的。(3)画梯形图它与继电器控制逻辑的梯形图概念相同，表达了系统中全部动作的相互关系。如果使用图形编程器(LCD或CRT)，则画出梯形图相当于编制出了程序，可将梯形图直接送入可编程序控制器。对简易编程器，则往往要经过下一步的助记符程序转换过程。(4)助记符机器程序相当于微机的助记符程序，是面向机器的(即不同厂家的可编程序控制器，助记符指令形式不同)，用简易编程器时，应将梯形图转化成助记符程序，才能将其输入到可编程序控制器中。(5)编制程序即检查程序中每条语法错误，若有则修改。这项工作在编程器上进行。(6)调试程序即检查程序是否能正确完成逻辑要求，不合要求，可以在编程器上修改。程序设计(包括画梯形图、助记符程序、编辑、甚至调试)也可在别的工具上进行。如IBM-PC机，只要这个机器配有相应的软件。(7)保存程序调试通过的程序，可以固化在EPROM中或保存在磁盘上备用。4.3.3可编程序控制器控制方案为了满足生产需要，气缸应设置手动工作方式、单动工作方