軸式組合機械臂的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真設(shè)計【優(yōu)秀】

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I 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù) 書 第 1 頁 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 《小型輪移組合臂機器人設(shè)計》 -（ 7） 軸式組合機械臂的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真 畢業(yè)設(shè)計（論文）要求及原始數(shù)據(jù)（資料）： 組合式機械臂是由若干直線機械臂（或稱一維機械臂）以不同夾角組合而成，可實現(xiàn)機械臂的直線伸縮，或在 面移動，或在 間定位等功能，以滿足不同場合下的需要。一種可參考的直線機械臂結(jié)構(gòu)圖如圖 1示，它的一種 合效果如圖 1示。 具體要求： （ 1）按照原理及所給示意圖要求，設(shè)計相關(guān)的機械裝置。對涉及到的 步進電機、限位開關(guān)、 壓力傳感器 等輔助部件要留有合理的安裝空間； （ 2）機械臂的運動速度最高速度不小大于 30cm/s, 機械臂的最大末端載荷不大于 5械臂的長度不超過 60此作為機械裝置的尺寸和材質(zhì)的設(shè)計依據(jù)； （ 3）給出相關(guān)參數(shù)之間的計算公式 ； （ 4）完成機械臂的機械原理設(shè)計，通過相關(guān)軟件進行仿真驗證； （ 5）完成相關(guān)機械圖紙的繪制，加工圖與組裝圖及其流程步驟說明。 畢業(yè)設(shè)計（論文）主要內(nèi)容： （ 1）查閱相關(guān)文獻資料，了解目前輪式移動機器人及機械臂的研究現(xiàn)狀與動態(tài)。給出可滿足設(shè)計要求的方案（ 兩種以上）比較，論證每個方案的可行性、實用性和有效性，確定一個最佳方案； （ 2）繪制機械臂的機械結(jié)構(gòu)圖，說明各部分的功能、工作原理和特點； （ 3）根據(jù)要求，建立機械臂的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，分析結(jié)構(gòu)在靜態(tài)和動態(tài)時的受力情況。給出相關(guān)參數(shù)之間的計算公式 ； （ 4）對機械臂的工作原理與參數(shù)設(shè)計進行相關(guān)的計算機仿真，驗證其合理性； （ 5）繪制相關(guān)的機械圖紙。包括零部件的加工圖和組裝圖。給出組裝調(diào)試的流程步驟及安全注意事項等相關(guān)說明。 學(xué)生應(yīng)提交的設(shè)計文件（論文）： （ 1） 總體 機械臂的機械結(jié)構(gòu)圖； （ 2）各機械部件圖及其加工 制作圖； （ 3） 各部件的的安裝調(diào)試及安全注意事項等相關(guān)說明； （ 4）畢業(yè)設(shè)計學(xué)位論文； （ 5）結(jié)合本課題查閱并翻譯 5000～ 8000 個印刷符號的英文資料。 注： 該設(shè)計為 《小型輪移組合臂機器人設(shè)計》 中的子項之一，須考慮項目整體的協(xié)作配合。在設(shè)計過程中，需相互溝通，充分了解和獲取其他成員的參數(shù)信息、設(shè)計思路和目標(biāo)，作為本設(shè)計的參考依據(jù)，同時為其他成員提供所需的信息幫組。 2 頁 主要參考文獻（資料）： [1]常見的幾類工業(yè)機器人 [J]. 軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品 , 1. [2] 中 國 工 業(yè) 機 器 人 : 在 機 遇 與 挑 戰(zhàn) 中 成 長 [J]. 軍 民 兩 用 技 術(shù) 與 產(chǎn)品 ,2 [3]顧碩 . 智能化是工業(yè)機器人的發(fā)展方向 [J]82[4]徐揚生 , 閻鏡予 . 機器人技術(shù)的新進展 [J]012年 20122[5]孫亭 ,李成 剛 ,吳洪濤 . 通用工業(yè)機器人模型及其簡易控制系統(tǒng)設(shè)計 [J]. 中國制造業(yè)信 息化 63[6]胡峰 ,駱德淵 ,雷霆 ,柯輝 . 基于 三自由度并聯(lián)機器人控制系 統(tǒng)仿真 [J] 2012 年 : 221[7]沈陽 J]2010,23(9):95[8]趙紅順 氣動搬運機器人控制系統(tǒng)設(shè)計 [J] 2011(4):36[9]肖南峰 ,工業(yè)機器人 [M],北京：機械工業(yè)出版社 ,2011. [10]何衍慶 用手冊 [M]. 北京 :電子工業(yè)出版社 ,2008. [11]陳忠平 ,周少華 ,侯玉寶 學(xué)手冊 [M]. 北京 :人民郵電出版社 ,2009. [12]李艷杰 ,于艷秋 ,王衛(wèi)紅 理與實用開發(fā)指南 [M]. 北京 :機械工業(yè)出版社 , 2009. [13]張毅，羅元，鄭太雄等．移動機器人技術(shù)及其應(yīng)用 [M]．北京：電子 工 業(yè)出版社， 2007. [14]高國富 ,謝少榮 ,羅均 ,機器人傳感器及其應(yīng)用 [M]學(xué)工業(yè)出版社 ,2005. [15]尹志強主編 . 機電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計指導(dǎo)書 [M]. 北 京：機械工業(yè)出版社，2007. [16]王鴻鈺．步進電機控制技術(shù)入門 [M]．上海：同濟大學(xué)山版社， 1999. [17]劉寶延，程樹康．步進電動機及其驅(qū)動控制系統(tǒng) [M]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè) V 大學(xué)出版杜， 1997. [18]邸敏艷 第 2 版 ) [M]. 北京 :電子工業(yè)出版 社 ,2007. [19]傳感器與執(zhí)行器大全 :傳感器 ?變送器 ?執(zhí)行器 2009/2010(年卷 )[M]. 中國電子學(xué)會敏感技術(shù)分會 ,北京電子商會傳感器分會 ,北京： 機械工業(yè)出版社 ，2011. [20]閆超勤．智能移動機械臂的控制研究 [D],碩士學(xué)位論文 ,西安電子科技大學(xué)，2005． [21]張紅娟 D],碩士學(xué)位論文 ,上海大學(xué) ,2005. [22]滕鵬 D]江蘇大學(xué) ,2006. 專 業(yè)、 班 級 學(xué)生姓名 設(shè)計（論文）工作起止日期 指導(dǎo)教師簽 字 日期 教 研 室 主 任 簽 字 日期 第 3 頁 學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 學(xué)號 學(xué)生姓名 系部 專業(yè)年級 指導(dǎo)教師 職稱 設(shè)計（論文）題目 軸式組合機械臂的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真 本課題國內(nèi)外研究背景及意義： 國外發(fā)展?fàn)顩r及研究背景： 機器人的歷史并不算長， 1959 年美國英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺工業(yè)機器人，機器人的歷史才 真正開始。英格伯格在大學(xué)攻讀伺服理論，這是一種研究運動機構(gòu)如何才能更好地跟蹤控制信號的理論。德沃爾曾于 1946 年發(fā)明了一種系統(tǒng)，可以“重演”所記錄的機器的運動。 1954 年 , 德沃爾又獲得可編程機械手專利，這種機械手臂按程序進行工作，可以根據(jù)不同的工作需要編制不同的程序，因此具有通用性和靈活性，英格伯格和德沃爾都在研究機器人，認為汽車工業(yè)最適于用機器人干活，因為是用重型機器進行工作，生產(chǎn)過程較為固定。 1959 年，英格伯格和德沃爾聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。 它成為世界上第一臺真正的實用工業(yè)機 器人。此后英格伯格和德沃爾成立了“尤尼梅遜”公司，興辦了世界上第一家機器人制造工廠。第一批工業(yè)機器人被稱為“尤尼梅特”，意思是“萬能自動”。 他們因此被稱為機器人之父。 1962 年美國機械與鑄造公司也制造出工業(yè)機器人，稱為“沃爾薩特蘭”，意思是“萬能搬動”?！庇饶崦诽亍焙汀拔譅査_特蘭”就成為世界上最早的、至今仍在使用的工業(yè)機器人。 近百年來發(fā)展起來的機器人，大致經(jīng)歷了三個成長階段，也即三個時代。第一代為簡單個體機器人， 第二代為群體勞動機器人，第三代為類似人類的智能機器人，它的未來發(fā)展方向是有知覺、 有思維、能與人對話。第一代機器人屬于示教再現(xiàn)型 , 第二代則具備了感覺能力 , 第三代機器人是智能機器人 , 它不僅具有感覺能力 , 而且還具有獨立判斷和行動的能力。 英格伯格和德沃爾制造的工業(yè)機器人是第一代機器人，屬于示教再現(xiàn)型，即人手把著機械手，把應(yīng)當(dāng)完成的任務(wù)做一遍，或者人用“示教控制盒”發(fā)出指令，讓機器人的機械手臂運動，一步步完成它應(yīng)當(dāng)完成的各個動作 。 0 世紀(jì) 70 年代，第二代機器人開始有了較大發(fā)展，第二代機器人則對外界環(huán)境實用階段，并開始普及。 第三代機器人是智能機器人，它不僅具有感覺能力，而 且還具有獨立判斷和行動的能力，并具有記憶、推理和決策的能力，因而能夠完成更加復(fù)雜的動作。中央電腦控制手臂和行走裝置，使機器人的手完成作業(yè)，腳完成移動，機器人能夠用自然語言與人對話。 智能機器人在發(fā)生故障時，通過自我診斷裝置能自我診斷出故障部位，并能自我修復(fù)。到了 90 年代 , 隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展 , 機器人技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展。目前工業(yè)機器人已廣泛地用于汽車工業(yè)、機械加工工業(yè)、電子工業(yè)及塑料制品工業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中 , 弧焊機器人、點焊機器人、裝配機器人、噴漆機器人及搬運機器人 等工業(yè)機器人都已被大量采用。隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展 , 工業(yè)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域也隨之不斷擴大?，F(xiàn)在工業(yè)機器人的應(yīng)用已開始擴大到核能、采礦、冶金、石油、化學(xué)、航空、航天、船舶、建筑、紡織、制衣、醫(yī)藥、生化、食品等工業(yè)領(lǐng)域中。除了工業(yè)機器人水平不斷提高之外 , 各種用于非制造業(yè)的先進機器人系統(tǒng)也有了很大的進展。 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r及研究背景： 我國的工業(yè)機器人從 20 世紀(jì) 80 年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，已基本掌握了機器人的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī) 劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130 多臺套噴漆機器人在 20 多家企業(yè)的近３０條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊接線上。 目前，我國從事機器人研發(fā)和應(yīng)用工程的單位 200 多家，擁有量為 3500臺左右，其中國產(chǎn)占 20％，其余都是從日本、美國、瑞典等 40 多個國家引進的。 2000 年已生產(chǎn)各種類型工業(yè)機器人和系統(tǒng) 300 臺套，機器人銷售額 器人產(chǎn)業(yè)對國民經(jīng)濟的年收益額為 47 億元。 據(jù)專家對國內(nèi) 542 家用戶以及汽車、電子 電器、工程機械３個行業(yè)的部分用戶進行統(tǒng)計分析，就全國而言，弧焊、點焊、裝配、噴涂機器人應(yīng)用的最多；其次是搬運、上下料（沖壓、壓鑄、鑄鍛、注塑等用的大多是上下料機器人）；再次是包裝、碼垛、拆垛機器人和密封涂膠機器人，其他機器人用量很少。就 行業(yè)而言，汽車行業(yè)以焊接、噴涂、涂膠作業(yè)較多，沖壓、搬運、裝配次之；電子電器行業(yè)集中在裝配，如大連華錄一家就用了近３００臺，其次是搬運和噴涂；工程機械行業(yè)集中用于弧焊，噴涂其次。此外包裝、碼垛、拆垛機器人目前主要用于石化、輕紡和煙草行業(yè)。 本課題的意義： 移動機器人作為機器人 學(xué)發(fā)展中的一個重要分支，是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)，移動機器人具有移動功能，在代替人從事危險、惡劣 (如輻射、有毒等 )環(huán)境下作業(yè)和人所不及的 (如宇宙空間、水下等 )環(huán)境作業(yè)方面，比一般機器人有更大的機動性、靈活性。機械臂是機器人的重要組成部分，他是機器人的執(zhí)行機構(gòu)，組合式機械臂是由若干直線機械臂（或稱一維機械臂）以不同夾角組合而成，可實現(xiàn)機械臂的直線伸縮，或在 面移動，或在 間定位等功能，以滿足不同場合下的需要。 畢業(yè)設(shè)計 (論文 )研究內(nèi)容、擬解決 的主要問題： 本課題研究的內(nèi)容： （ 1）查閱相關(guān)文獻資料，了解目前輪式移動機器人及機械臂的研究現(xiàn)狀與動態(tài)。給出可滿足設(shè)計要求的方案（兩種以上）比較，論證每個方案的可行性、實用性和有效性，確定一個最佳方案； （ 2）繪制機械臂的機械結(jié)構(gòu)圖，說明各部分的功能、工作原理和特點； （ 3）根據(jù)要求，建立機械臂的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，分析結(jié)構(gòu)在靜態(tài)和動態(tài)時的受力情況。給出相關(guān)參數(shù)之間的計算公式； （ 4）對機械臂的工作原理與參數(shù)設(shè)計進行相關(guān)的計算機仿真，驗證其合理性； （ 5）繪制相關(guān)的機械圖紙。包括零部件的加工圖和組裝圖。給出組裝 調(diào)試的流程步驟及安全注意事項等相關(guān)說明。 本課題擬解決的主要問題： 本課題解決的主要問題在于傳動方案的擬定，組合式機械臂是由若干直線機械臂（或稱一維機械臂）以不同夾角組合而成，一維機械臂的傳動，本課題擬定為絲杠傳動，如下圖 1 為絲杠傳動示意圖，它的 合效果如圖 2 所示。 1 圖 2 一維機械臂由步進電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動，滑塊即可在絲杠帶動下沿滑座移動，在 X/Y/Z 三個方向分別布置一個一維機械臂，即構(gòu)成了三維機械臂，可實現(xiàn)聯(lián)接在手臂聯(lián)接座上的手爪在空間定位。 步進電機在數(shù)字化 控制下能實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，因此，本傳動方案更便于控制，相對于液壓傳動，氣壓傳動，本傳動方案結(jié)構(gòu)簡單，行程更大，因此，本傳動方案是一種較理想的傳動方案。 畢業(yè)設(shè)計 (論文 )研究方法、步驟及措施： 研究方法 視系統(tǒng)的力學(xué)性能分析 以系統(tǒng)科學(xué)的思想為指導(dǎo)，以專業(yè)知識為基礎(chǔ)，建立合理的力學(xué)模型 。 視總體的傳動原理分析 采用合理的傳動原理圖。 用局部 —— 整體 —— 局部的分析方法 每個系統(tǒng)都有自己單獨的功能，只有它們都能完成自己的功能時，才有可能整體的功能 ;在各個系統(tǒng)形成一個有機的整 體時，整體就要發(fā)揮它的 優(yōu)勢，調(diào)配各個系統(tǒng)，使各個系統(tǒng)在整體的作用下，形成最優(yōu)的系統(tǒng)。 步驟： 第 一 周 了解整體設(shè)計及各子項目內(nèi)容；查閱、收集和閱讀相關(guān)資料；明確設(shè)計方向，確定設(shè)計內(nèi)容。 第 二 周 工廠調(diào)研學(xué)習(xí) 第 三 周 同小組成員展開討論，擬定設(shè)計方案，完成設(shè)計草圖。 第 四 周 步進電機選型及關(guān)鍵零配件設(shè)計計算。 第 五 周 用 制裝配圖 第 六 周 用 制裝配圖 第 七 周 用 制零件圖 第 八 周 用 制零件圖 第 九 周 用 進行各零配件三維建模 第十周 用 進行三維建模及仿真 第十 一 周 編寫設(shè)計說明書 第十 二 周 編寫設(shè)計說明書 第十 三 周 編寫 設(shè)計計算 說明書，形成畢業(yè)設(shè)計全部文件，準(zhǔn)備答辯。 第十 四 周 畢業(yè)答辯 措施： 做好畢業(yè)設(shè)計，前提必須了解研究目的和主攻方向，要進行大量的資料收集以及計算機的輔助設(shè)計，所以需要經(jīng)常去圖書館和機房查閱資料?？傮w思路如下： 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計題目，結(jié)合老師指導(dǎo)對調(diào)研對象進行初步分析； 參考資料，了解調(diào)研過程，根據(jù)具體要求對研究方案進行構(gòu)思； 設(shè)計并畫出設(shè)計的機械部分視圖； 對方案進行進一步針對性修改，以增加其直觀性、可行性和實用性 ； 要參考文獻： [1]常見的幾類工業(yè)機器人 [J]. 軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品 , 1. [2]中國工業(yè)機器人 :在機遇與挑戰(zhàn)中成長 [J]. 軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品 ,2 [3]顧碩 . 智能化是工業(yè)機器人的發(fā)展方向 [J]82[4]徐揚生 , 閻鏡予 . 機器人技術(shù)的新進展 [J]012年 20122[5]孫亭 ,李成剛 ,吳洪濤 . 通用工業(yè)機器人模型及其簡易控制系統(tǒng)設(shè)計 [J]. 中國制造業(yè)信 息化 63[6]胡峰 ,駱德淵 ,雷霆 ,柯輝 . 基于 統(tǒng)仿真 [J] 2012 年 : 2217]趙紅順 氣動搬運機器人控制 系統(tǒng)設(shè)計 [J] 2011(4):36[8]肖南峰 ,工業(yè)機器人 [M],北京：機械工業(yè)出版社 ,2011. [9]陳忠平 ,周 少華 ,侯玉寶 學(xué)手冊 [M]. 北京 :人民郵電出版社 ,2009. [10]李艷杰 ,于艷秋 ,王衛(wèi)紅 理與實用開發(fā)指南 [M]. 北 京 :機械工業(yè)出版社 , 2009. [11]張毅，羅元，鄭太雄等．移動機器人技術(shù)及其應(yīng)用 [M]．北京：電子 工 業(yè)出版社， 2007. [12]高國富 ,謝少榮 ,羅均 ,機器人傳感器及其應(yīng)用 [M]學(xué)工業(yè)出版社 ,2005. [13]尹志強主編 . 機電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計指導(dǎo)書 [M]. 北京：機械工業(yè)出版社， 2007. [14]王鴻鈺．步進電機控制技術(shù)入門 [M]．上海：同濟大學(xué)山版社， 1999. [15]劉寶延，程樹康．步進電動機及其驅(qū)動控制系統(tǒng) [M]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版杜， 1997. [16]邸敏艷 控制 (第 2 版 ) [M]. 北京 :電子工業(yè)出版 社 ,2007. [17]傳感器與執(zhí)行器大全 :傳感器 ?變送器 ?執(zhí)行器 2009/2010(年卷 )[M]. 中國電子學(xué)會敏感技術(shù)分會 ,北京電子商會傳感器分會 ,北京： 機械工業(yè)出版社 ， 2011. [18]閆超勤．智能移動機械臂的控制研究 [D],碩士學(xué)位論文 ,西安電子科技大學(xué)， 2005． [19]張紅娟 D],碩士學(xué)位論文 ,上海大學(xué) ,2005. [20]滕鵬 D]江蘇大學(xué) ,2006. 是否 可以進入設(shè)計（論文）研究： 同意進入論文研究階段 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 是否可以進入設(shè)計（論文）研究： 同意進入論文研究 教研室 (系、研究所 )主任簽名： 年 月 日 要 移動機器人作為機器人學(xué)發(fā)展中的一個重要分支，是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng) 。 機械臂是機器人的重要組成部分，他是機器人的執(zhí)行機構(gòu)，組合式機械臂是由若干一維機械臂以不同夾角組合而成，可實現(xiàn)機械臂的直線伸縮，或在 面移動，或在 間定位等功能，以 滿足不同場合下的需要。 本文針對移動機器人組合式機械臂進行設(shè)計，首先進行總體的設(shè)計方案，擬定螺旋傳動副為一維機械臂傳動方案，對方案進行特點分析，然后針對關(guān)鍵傳動件設(shè)計，選擇電動機，對重要零件進行強度校核，對軸和軸承的壽命進行計算校核，最后對重要零部件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括材料的選擇、尺寸的確定、結(jié)構(gòu)工藝性的滿足、以及與其他零件的配合的要求等。 關(guān)鍵詞： 一維機械臂，組合機械臂，移動機器人， 面 is an of is a a of in is an of he is of is of or on -Y or to In of of of of of 錄 摘 要 ........................................................................................................................................ I ........................................................................................................................ 錄 .................................................................................................................................... 1 章 緒論 .............................................................................................................................. 1 見電池型號及尺寸 ...................................................................................................... 1 構(gòu) .................................................................................................................................. 1 裝機的作用 .................................................................................................................. 3 國包裝機械的發(fā)展 ...................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 課題研究目的和要求 .................................................................................................. 4 第 2 章 整體方案設(shè)計 .............................................................................................................. 5 計參數(shù)與技術(shù)要求 ...................................................................................................... 5 池包裝機的傳動原理 .................................................................. 錯誤 !未定義書簽。 第 3 章 傳動設(shè)計與計算 .......................................................................................................... 7 動推桿設(shè)計計算 .......................................................................................................... 7 服電機的選擇 ...................................................................................................... 7 動螺旋副的計算 ................................................................................................ 12 軸器的選用 ........................................................................................................ 15 輥設(shè)計 ........................................................................................................................ 16 型電機選擇 ......................................................................................................... 16 型皮帶輪傳動設(shè)計 ............................................................................................. 17 第 4 章 主要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計 ................................................................................................ 19 架設(shè)計 ........................................................................................................................ 19 架設(shè)計準(zhǔn)則 ......................................................................................................... 19 座主體設(shè)計 ........................................................................................................ 20 裝袋托架設(shè)計 ............................................................................................................ 20 料槽設(shè)計 .................................................................................................................... 21 承選擇與校核 ............................................................................................................ 22 承校核的概念及方法 ........................................................................................ 22 動推桿處軸承校核 ............................................................................................. 23 第 5 章 安裝檢驗及使用維修 ................................................................................................ 24 驗規(guī)則 ........................................................................................................................ 24 裝機安裝 .................................................................................................................... 24 備調(diào)整 ........................................................................................................................ 24 用操作 ........................................................................................................................ 24 修保養(yǎng)和故障排除 .................................................................................................... 24 總結(jié) .......................................................................................................................................... 25 參考文獻 .................................................................................................................................. 26 致 謝 ........................................................................................................................................ 27 軸式組合機械臂的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真 1 第 1 章 緒論 器人的發(fā)展史 機器人的歷史并不算長， 1959 年美國英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺工業(yè)機器人，機器人的歷史才真正開始。英格 伯格在大學(xué)攻讀伺服理論，這是一種研究運動機構(gòu)如何才能更好地跟蹤控制信號的理論。德沃爾曾于 1946 年發(fā)明了一種系統(tǒng)，可以“重演”所記錄的機器的運動。 1954 年 , 德沃爾又獲得可編程機械手專利，這種機械手臂按程序進行工作，可以根據(jù)不同的工作需要編制不同的程序，因此具有通用性和靈活性，英格伯格和德沃爾都在研究機器人，認為汽車工業(yè)最適于用機器人干活，因為是用重型機器進行工作，生產(chǎn)過程較為固定。 1959 年，英格伯格和德沃爾聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。 它成為世界上第一臺真正的實用工業(yè)機器人。此后英格 伯格和德沃爾成立了“尤尼梅遜”公司，興辦了世界上第一家機器人制造工廠。第一批工業(yè)機器人被稱為“尤尼梅特”，意思是“萬能自動”。 他們因此被稱為機器人之父。 1962 年美國機械與鑄造公司也制造出工業(yè)機器人，稱為“沃爾薩特蘭”，意思是“萬能搬動”?！庇饶崦诽亍焙汀拔譅査_特蘭”就成為世界上最早的、至今仍在使用的工業(yè)機器人。 近百年來發(fā)展起來的機器人，大致經(jīng)歷了三個成長階段，也即三個時代。第一代為簡單個體機器人， 第二代為群體勞動機器人，第三代為類似人類的智能機器人，它的未來發(fā)展方向是有知覺、有思維、能與人 對話。第一代機器人屬于示教再現(xiàn)型 , 第二代則具備了感覺能力 , 第三代機器人是智能機器人 , 它不僅具有感覺能力 , 而且還具有獨立判斷和行動的能力。 英格伯格和德沃爾制造的工業(yè)機器人是第一代機器人，屬于示教再現(xiàn)型，即人手把著機械手，把應(yīng)當(dāng)完成的任務(wù)做一遍，或者人用“示教控制盒”發(fā)出指令，讓機器人的機械手臂運動，一步步完成它應(yīng)當(dāng)完成的各個動作 。 20 世紀(jì) 70 年代，第二代機器人開始有了較大發(fā)展，第二代機器人則對外界環(huán)境實用階段，并開始普及。 第三代機器人是智能機器人，它不僅具有感覺能力，而且還具有獨立判 斷和行動的能力，并具有記憶、推理和決策的能力，因而能夠完成更加復(fù)雜的晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 動作。中央電腦控制手臂和行走裝置，使機器人的手完成作業(yè)，腳完成移動，機器人能夠用自然語言與人對話。 智能機器人在發(fā)生故障時，通過自我診斷裝置能自我診斷出故障部位，并能自我修復(fù)。 到了 90 年代 , 隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展 , 機器人技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展。目前工業(yè)機器人已廣泛地用于汽車工業(yè)、機械加工工業(yè)、電子工業(yè)及塑料制品工業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中 , 弧焊機器人、點焊機器人、裝配機器人、噴漆機器人及搬運機器人等工業(yè)機器人 都已被大量采用。隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展 , 工業(yè)機器人的應(yīng)用領(lǐng)域也隨之不斷擴大?，F(xiàn)在工業(yè)機器人的應(yīng)用已開始擴大到核能、采礦、冶金、石油、化學(xué)、航空、航天、船舶、建筑、紡織、制衣、醫(yī)藥、生化、食品等工業(yè)領(lǐng)域中。除了工業(yè)機器人水平不斷提高之外 , 各種用于非制造業(yè)的先進機器人系統(tǒng)也有了很大的進展。 國機器人發(fā)展?fàn)顩r 我國的工業(yè)機器人從 20 世紀(jì) 80 年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，已基本掌握了機器人的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生 產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有 130 多臺套噴漆機器人在 20 多家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊接線上。 目前，我國從事機器人研發(fā)和應(yīng)用工程的單位 200 多家，擁有量為 3500 臺左右，其中國產(chǎn)占 20％，其余都是從日本、美國、瑞典等 40 多個國家引進的。 2000 年已生產(chǎn)各種類型工業(yè)機器人和系統(tǒng) 300 臺套，機器人銷售額 元，機器人產(chǎn)業(yè)對國民經(jīng)濟的年收益額為 47 億元。 據(jù)專家對國內(nèi) 542 家用戶以及汽車、電子電器、工程 機械３個行業(yè)的部分用戶進行統(tǒng)計分析，就全國而言，弧焊、點焊、裝配、噴涂機器人應(yīng)用的最多；其次是搬運、上下料（沖壓、壓鑄、鑄鍛、注塑等用的大多是上下料機器人）；再次是包裝、碼垛、拆垛機器人和密封涂膠機器人，其他機器人用量很少。就行業(yè)而言，汽車行業(yè)以焊接、噴涂、涂膠作業(yè)較多，沖壓、搬運、裝配次之；電子電器行業(yè)集中在裝配，如大連華錄一家就用了近 300 臺，其次是搬運和噴涂；工程機械行業(yè)集中用于弧焊，噴涂其次。此外包裝、碼垛、拆垛機器人目前主要用于石化、輕紡和煙草行業(yè)。 軸式組合機械臂的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真 3 動機器人概述 移動機器人的研究 始于 60年代末期，斯坦福研究院 (的 1966 年至 1972 年中研造出了取名 自主移動機器人。目的是研究應(yīng)用人工智能技術(shù)，在復(fù)雜環(huán)境下機器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。與此同時，最早的操作式步行機器人也研制成功，從而開始了機器人步行結(jié)構(gòu)方面的研究，以解決機器人在不平整地域內(nèi)的運動問題，設(shè)計并研制出了多足步行機器人。 70 年代末，隨著計算機的應(yīng)用和傳感器技術(shù)的發(fā)展，移動機器人研究又出現(xiàn)了新高潮。特別是在 80 年代中期，設(shè)計和制造機器人的浪潮席卷全世界， 一大批世界著名的公司開始研制移動機器人平臺，這些移動機器人主要作為大學(xué)及研究機構(gòu)的移動機器人實驗平臺，從而促進了移動機器人學(xué)多種研究方向的出現(xiàn)。 90 年代以來，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)，高適應(yīng)性的移動機器人控制技術(shù)，真實環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開展了移動機器人更高層次的研究。 移動機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)： 目前研究的移動機器人都是帶有智能的機器人 :機器人本身能認識工作環(huán)境、工作對象及其狀態(tài)，它根據(jù)人給予的指令和“自身”認識外界的結(jié)果來獨立的決定工作方法，利用操作機構(gòu)和移動機構(gòu)實現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)， 并能適應(yīng)工作環(huán)境的變化。 這些具有智能的機器人，有的能夠模擬人類用兩條腿走路，可在凹凸不平的地面上行走移動 ;有的具有視覺和觸覺功能，能夠進行獨立操作、自動裝配和產(chǎn)品檢驗 ;有的具有自主控制和決策能力。不僅能夠應(yīng)用各種反饋傳感器，而且還能夠應(yīng)用人工智能中的各種學(xué)習(xí)、推理和決策技術(shù)。 移動機器人一般由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。據(jù)研制目的不同，移動機器人硬件系統(tǒng)的構(gòu)成也不盡相同，比較完整的典型結(jié)構(gòu)如圖 示。移動機器人的軟件系統(tǒng)，就相當(dāng)于機器人的“大腦”，智能機器人之所以能夠代替人做大量的工 作，就是因為它具有和人類的大腦思維能力相仿的智能控制系統(tǒng)。而這個智能控制系統(tǒng)其實就是機器人的軟件系統(tǒng)，是人工智能主要技術(shù)對于機器人的綜合運用。 這種特殊結(jié)構(gòu)的機器人在工業(yè)裝配、無人惡劣環(huán)境中工作 (如滅火、外星球探測和各類危險的科學(xué)研究 )以及室內(nèi)服務(wù)工作 (如運送、導(dǎo)游和巡邏 )等方面具有一定研究價值。 晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 課題研究目的和要求 通過對 移動機器人組合式機械臂進行設(shè)計 ，進一步鞏固與深化學(xué)生對理論課程及實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)中所學(xué)知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)基礎(chǔ)知識、基本理論和基本技能來分析和解決相關(guān)專業(yè)問題， 以及收集、整理、分析、利用資料的能力，使學(xué)生受到工程師工作能力的綜合訓(xùn)練，提高學(xué)生的獨立工作能力與綜合素質(zhì)。 軸式組合機械臂的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真 5 第 2 章 整體方案設(shè)計 力源及傳動機構(gòu)方案的確定 動力源及傳動機構(gòu)要考慮效率、成本、維護難易、失效、傳動精度要求以及與整個機構(gòu)的位置關(guān)系。 方案一 使用液動或氣動作為平移和上升的動力源，傳動機構(gòu)主要為液壓缸或氣缸、活塞、回轉(zhuǎn)液壓缸。這就要求一套液壓系統(tǒng)，包括液壓泵、液壓閥、液壓缸或氣缸、密封元件、導(dǎo)軌等。液壓或氣壓驅(qū)動系統(tǒng)具有以下特點： 1、液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動力大、力 (或 力矩 )慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點，適用于承載能力大、慣量大以及在防爆環(huán)境中工作的機機器人；缺點是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護難度大、對環(huán)境有影響、硬件成本高。 2、氣動驅(qū)動系統(tǒng)具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、價格低等特點小負載的系統(tǒng)中；但由于空氣的可壓縮性定位不準(zhǔn)等難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機械手中，如在上、下料和沖壓機械手中應(yīng)用較多。 3、無論是液壓還是氣動，都會致使機械臂的總體重量增加，結(jié)構(gòu)龐大，同時也會增加它的轉(zhuǎn)動慣量，對于移動機器人上的機械臂，采用液壓或氣壓傳動，并不理想。 方案二 使用步進 電動機作為動力源，傳動機構(gòu)使用絲杠滑塊傳動。該方案具有以下特點： 1、適合于中等負載，特別適合動作復(fù)雜、運動軌跡嚴(yán)格的工業(yè)機器人和各種微型機器人；由于步進電機的廣泛采用，這類驅(qū)動系統(tǒng)在機械手機器人領(lǐng)域里被大量選用； 2、絲杠傳動時，有利于主機的小型化及減輕勞動強度；摩擦力矩小，接續(xù)剛度高使溫升及熱變形減小，有利于改善機械臂的動態(tài)特性，提高工作精度，具有很好的高速性能。 經(jīng)過方案一和方案二的分析，決定采用方案二。這主要考慮到硬件的制作成本、維護成本、盡可能地降低總體方案的重量、盡可能的使結(jié)構(gòu)簡單，工藝性更良好 ，安裝調(diào)試更方便。 晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 定方案圖 根據(jù)上述論述，現(xiàn)擬定方案圖。 一維機械臂的傳動如下圖 2示，它的 合效果如圖 2 所示。 圖 2 2維機械臂由步進電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動，滑塊即可在絲杠帶動下沿導(dǎo)軌移動，在 X/Y/構(gòu)成了三維機械臂，可實現(xiàn)聯(lián)接在手臂聯(lián)接座上的手爪在空間定位。 步進電機在數(shù)字化控制下能實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，因此，本傳動方案更便于控制，相對于液壓傳動，氣壓傳動，本傳動方案結(jié)構(gòu)簡單，行程更大，因此，本傳動方案是一 種較理想的傳動方案。 軸式組合機械臂的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真 7 第 3 章 傳動設(shè)計與計算 維機械臂設(shè)計計算 一維機械臂如下圖 3示，由步進電機帶動絲杠轉(zhuǎn)動， 滑塊即可在絲杠帶動下沿導(dǎo)軌做直線移動，通過計算機，可精確控制步進電機轉(zhuǎn)過的角度，因而，可以精確控制滑塊移動的距離 。 圖 3維機械臂傳動方案 進電機的選擇 1）機電領(lǐng)域中步進電機的選擇原則 步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個步距角增量。電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。 步進電機是機電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。廣泛應(yīng)用于機電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機床、包裝機械、計算機外圍設(shè)備、復(fù)印機、傳真機等。 選擇步進電機時， 首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選用功率步進電機時，首先要計算機械系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩，電機的矩頻特性能滿足機械負載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩 的電機，負載力矩大。 選擇步進電機時，應(yīng)使步距角和機械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機床所需的脈沖當(dāng)量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過步進電機的細分驅(qū)動來完成。但細分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 機的固 有特性所決定。 選擇功率步進電機時，應(yīng)當(dāng)估算機械負載的負載慣量和機床要求的啟動頻率，使之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足執(zhí)行件快速移動的需要。 選擇步進電機需要進行以下計算： （ 1）計算減速比 根據(jù)所要求脈沖當(dāng)量，減速比 i 計算如下 : i=(φ ( 式中φ o/脈沖） S Δ 沖） （ 2）計算工作臺，絲桿 以及齒輪折算至電機軸上的慣量 1+（ 1/(s） +W/g（ S/2π )2] 式中 N） S （ 3）計算電機輸出的總力矩 M M=f+ t)× 10ˉ 2 式中 r/ s） (2πη i)× 10ˉ 2 η 軸式組合機械臂的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真 9 (2πη i)× 10ˉ 2 N） （ 4）負載起動頻率估算。數(shù)控系統(tǒng)控制電機的啟動頻率與負載轉(zhuǎn)矩和慣量有很大關(guān)系，其估算公式為 fq=1-(t))/ (1+m)] 1/2 式中 若負載參數(shù)無法精確確定 ,則可按 （ 5）運行的最高頻率與升速時間的計算。由于電機的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率 時，由矩頻特性的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動負載，并留有足夠的余量。 （ 6）負載力矩和最大靜力矩 載力矩可按式 t)× 10ˉ2 和式 (2πη i)×