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1、assessment; 2, for employees working in this sector allocation, performance evaluation and reward (or punishment recommendations) authority; 3, within the limits of responsibility according to the system of ownership of the work of the authority; 4, the right to confidentiality in the company archiv

2、es; 5, the right to the assessment of departments; 6, request other departments within the Department be reasonable coordination authority; 7, the right to review of the fees; 8, urging implementation of the personnel management system, and corresponding punishment for violations of the system recom

3、mended by the authority; Department: General Office two superiors: jobs covered by the Manager and the subordinate departments: Director, General Accounting, Treasury, material accounting, appraisal, asset manager departments job: responsible for development, audit, inspection, evaluation, managem

4、ent regulations, and the companys financial and material management. Main functions: 1, common functions, in charge of the annual, quarterly and monthly work plan and report, with regular work, looking for a job gap, improve the quality of work; 2, responsible for the companys rules and regulations,

5、 provisions, arrangements, notices and other documents of implementation in this sector; 3, responsible for the internal management rules of construction, implementation and improvement of work; 4, in charge of the departments and agencies post functions, running processes, the development of assess

6、ment methods and assessment work; 5, responsible for the 多功能平面并聯機械手示教儀 設計者：王旭東，趙 宣，趙 彬、周長興，張百齊 指導教師：趙衛(wèi)軍，金 悅 （西安交通大學機械工程學院，西安710049） 作品內容簡介 本作品是一種新的教學型平面并聯機械手示教實驗設備，其基于平面五連桿機構進行教學演示，既可用于《工業(yè)機器人》課程的實驗和《機械設計基礎》課程的機構演示教學，也可幫助學生進一步理解并聯機構及其工業(yè)應用。本作品的基本原理是通過與上位機通信，獲取在控制界面上鼠標當前有效位置，運用運動位置逆解方程將坐標轉換成兩電

7、機轉角，從而驅動并聯機構實現執(zhí)行末端的運動。同時可以通過上位機的配套軟件改變與檢測執(zhí)行機構的運動狀態(tài)，并將參數實時反映在上位機的控制界面中。本作品機構上除了基本的平面并聯機構外，還增加了不完全齒輪機構和直線運動機構來實現抓取和繪畫功能，具有演示復雜軌跡曲線的功能與復現軌跡曲線，還可以演示工業(yè)機器人在工廠的分揀動作，這提高了實驗儀器的趣味性與實驗內容的豐富性。本示教儀具有較大的開放性，學生可以從機構學、力傳遞特性、運動學與控制策略等多方面自主實踐探究，提高學生獨立思考的能力與創(chuàng)造力。本示教儀不僅將機械類學生所學理論與前沿科學緊密相聯，使學生能直觀地學習并深入了解并聯機構的特性，同時提高學生自主創(chuàng)

8、新實驗的能力，對機械類學生創(chuàng)造力的培養(yǎng)具有重要的意義。 本作品經調試達到了預期的效果與功能。經市場調查與分析，現有市場并無此類儀器設備，在量產的情況下，可將成本控制在2000-3000元，在高校機械類課堂內具有一定的推廣價值。 圖1 機械手模型渲染圖 圖2 并聯機械手實物圖 聯系人：王旭東 聯系電話：18710436390 Email:wangxudong@ 1. 研究背景與設計目標 1.1 研究背景 自09年以來，中國市場經濟面臨著經濟模式轉型與勞動成本提高的困

9、境，而解決這一困境的有效措施是企業(yè)使用工業(yè)機器人來代替人力勞動降低成本，提高生產效益。隨著當今工業(yè)現代化的迅猛發(fā)展，以及加工工藝的不斷完善，控制技術的不斷進步，工業(yè)機器人的應用前景已被越來越多的企業(yè)認可。工業(yè)機器人既保證了產品的質量，又減少了在特殊環(huán)境下工作的危險性，同時降低了工作人員的勞動強度與技術熟練要求。如圖3所示中國工業(yè)機器人的需求每年正逐步地增加，而我國工業(yè)機器人研究起步較晚，與西方國家存在一定的差距，且工業(yè)機器人多依賴進口，這嚴重影響我國經濟的發(fā)展。 圖3 中國工業(yè)機器人需求量 但高校機械教學實驗設備未及時與社會發(fā)展需求很好地接軌，經過市場產品調研與分析，市場上并未存在較為

10、成熟且以應用頗廣的并聯機器人為研究對象的教學型實驗設備。并聯機構是由2個或者2個以上的驅動器通過桿系同時作用于運動平臺的空間機構。它的特點是所有的分支機構可同時接受驅動器的輸入，而最終同時給出輸出，并聯機構在機構學上屬于多路閉環(huán)機構。本小組決定采用以五連桿為基礎的二自由度平面并聯機構作為示教設備，其可以實現工作平面內的任意移動。雖然其為最簡單的并聯機構，但是可以引導機械類學生了解并聯機構在工程上的應用價值，并進一步學習和掌握并聯機構的結構特點、運動學分析方法和控制技術等，促進機器人技術在機械類學生內的普及。 1.2 設計目標 1）學生上手快且易理解，作品采用圖形化界面，避免了繁雜的編程與函

11、數庫的學習。機械結構與被亞克力透明盒包裝的電路結構清晰可見，從學生認知的角度講，學生能夠清晰地把握整個作品或實驗儀器的結構； 2）了解并聯機構的基本概念并對工業(yè)機器人有初步的認識，學生能夠了解什么是并聯機構，相比串聯機構其具有什么優(yōu)勢，以及并聯機器人以及其在工業(yè)生產上應用的前景； 3）學生能綜合運用機械各學科知識分析并聯機構，能計算機構的自由度并能簡化機構模型從而建立并求解機構的運動學方程。學習簡單的數控編程方法與控制技術控制機械手的運動； 4）學生能積極探索并聯機構的相關特性，如在此示教儀的基礎上探究平面五桿機構的運動特性與機構特點，運動學動力學模型的建立，最優(yōu)路徑策略的制定等。 2

12、. 方案設計 1 2 2.1 整體方案設計 本示教儀選用STM32作為主控，通過與上位機通信以及上位機的配套軟件改變執(zhí)行機構的運動狀態(tài)并檢測運動狀態(tài)；它也可以與電機驅動器通信，并通過電機驅動器控制伺服電機，通過電機轉動使并聯機構運動。該控制為半閉環(huán)控制，雖然不能直接檢測桿末端的位置，但是當整個機構間隙比較小并且晃動不大時，可以通過檢測伺服電機的轉動狀態(tài)計算出桿末端的運動狀態(tài)，從而進行控制。圖4為控制系統(tǒng)整體方案。 圖4 整體方案設計 1. 2. 2.1. 2.2. 機械結構整體設計 作為實驗儀器設備，既要保證實驗結果的清晰性，同時也保證機構運動流暢。圖5是并聯機械手三維

13、裝配模型渲染圖，圖6是最終設備的基本尺寸圖。 圖5 并聯機械手三維裝配模型渲染圖 圖6 實驗設備的基本尺寸 為確定各支鏈桿的尺寸，本小組將平面并聯機構簡化為平面五連桿機構，在保證平面五連桿機構的的運動軌跡域不存在死點，即存在雙曲柄條件時，應滿足兩主動桿之和最短且兩主動桿與最長桿的長度和應小于或等于其余兩桿之和。本小組選取的尺寸如下圖7所示： 圖7 平面并聯機構連桿尺寸圖 在進行平面并聯機構連桿部分的結構設計時本小組對連桿材料進行了分析，最終本小組選擇了性能優(yōu)異的碳纖維管作為連桿的主要材料，有效降低運動構件的慣性，同時通過增加副臂形成平行四邊形，保證末端平臺一直平行機架

14、的同時加強了整個連桿的強度與剛度。這不僅保證了機構的動力性能，同時減低了機構對驅動源轉速與扭矩的要求。在肘架連接處由于需要承受較大的交變應力，并且考慮方便制造加工的條件下，本小組選擇了鋁合金，肘架處爆炸圖如圖8所示。連桿機構薄弱處在連接部分，但是該機構自重極小，只有500克左右，經過ANSYS受力分析（詳見說明書機械校核部分），機械結構強度與剛度滿足產品要求。 圖8 肘架爆炸圖 1 2 2.1 2.2 2.3. 相關機構設計 A. 抓取機構 本示教儀有抓取與分揀功能，該抓取機械手主要是進行旋轉運動，綜合考慮到末端運動平臺空間的大小與旋轉抓取扭矩的大小，本小組選用體積

15、較小但性能優(yōu)異特別是扭矩較大的舵機作為動力源進行驅動。機械手“手指”部分采用不完全齒輪機構，可以精確傳動轉動角度并能夾緊被抓物體。不完全齒輪模數，分度圓直徑。抓取機械手手指部分下圖9所示，驅動舵機與“手指”之間使用法蘭連接，法蘭是舵機配件中的標準件，“手指”使用線切割與數控銑床加工完成，保證了兩零件間的同軸度，使傳動平穩(wěn)。 圖9 機械手手指部分模型 圖10 舵機實物圖 B. 畫筆機構 考慮到畫筆需要抬筆動作，該動作為直線運動，經過對伺服電機加曲柄滑塊機構、直線電機、氣缸三個驅動之間的對比，由于氣缸質量輕，慣性小，不用增加運動轉換機構等優(yōu)點，

16、我們選擇了氣缸作為驅動。因為抬筆運動的行程極小，需要力也較小，為了節(jié)約空間，最終選擇了微型針孔氣缸。雖然使用氣缸需要提供外部氣源，但是由于針孔氣缸內徑極小，對氣的需求也極小，所以氣源不需要經常更換。為了改善運動的平穩(wěn)性，在氣缸兩側增加了直線導桿，減少由于筆的自重引起的晃動。下圖為畫筆機構的模型： 圖11 抬筆機構示意圖 C. 減振設計 示教儀底座為保證其運行的平穩(wěn)性，為其配備了較大的支撐座。但由于焊接熱變形等因素，底座不能與安放面保持良好的接觸，為此本小組采用了工業(yè)橡膠吸盤，通過四個橡膠吸盤與安放面接觸，不僅改善底座不平的問題，而且更好的隔離外界振動對本實驗設備的影響。 2.4.

17、電路控制分析 1) 控制部分硬件選擇 機械手的控制包含了接收上位機命令，位置解算，通過CAN總線給電機控制盒發(fā)角度命令等。控制芯片采用ST公司的STM32F407RGT6，其主要特性有： 1.集成了新的DSP和FPU指令，而其精簡的cortex-M4結構和儲存加速器可以提升代碼效率，而高速的主頻可以提升控制算法的執(zhí)行速度； 2.存儲加速器：自適應的實時控制加速器； 3.多重的AHB總線矩陣架構配合多通道的DMA傳輸：采用的哈佛結構使得程序的執(zhí)行和數據的傳輸達到并行處理模式，使得數據的傳輸并不需要主控來進行搬運，大大加速了傳輸速度和執(zhí)行代碼的效率； 4.高速USART，可達10.5M

18、bits/s； 5.高速CAN總線接口，速度可達1Mbits/s。 總體電路如下： 圖12 電路總圖 2) 通信部分電路設計 ①CAN總線接口電路 CAN總線的接口電路選擇TI公司的ISO1050，ISO1050是一個自帶隔離的CAN總線收發(fā)器，其速度可以達到1M，這里利用了B0505S-1W作為隔離的DC-DC來對隔離后的CAN總線進行通信，電路如下： 圖13 CAN總線接口電路 ②UART通信電路 UART采用TI的MAX3232E電平轉換電路。其中MAX3232E是一個電平轉換芯片，其外設電路僅需要4個0.1uf的電容即可。其電路如下： 圖14 UART

19、電路 3) 控制部分整體思路 二自由度平面并聯機械手采用以STM32F407RGT6為核心的控制中心，其實現的功能包括： 1. 對PC上位機傳輸的命令進行相應的解碼； 2. 對傳輸的信息所包含的坐標信息進行相應的運動學逆解得到PC上位機所要求的直流有刷電機所要轉的角度； 3. 對運動學逆解后獲取的電機轉角進行再編碼通過PCB上自制的CAN總線模塊傳輸到自制的電機控制盒； 圖16 電機控制盒實物圖 其中STM32利用自帶的UART配合max3232轉電平后與PC上位機進行通信，獲取PC上位機編碼后的信息。PC上位機獲取鼠標的當前位置換算成實際的位置并通過自定義的通信格式編碼后傳

20、輸給STM32，當STM32收到信息后對其進行相應的譯碼解算出相應的角度。 同時STM32將信息編碼后，利用PCB板上的ISO1050轉成差分電平后通過CAN總線將編碼后的信息發(fā)送給自制的電機控制盒。自制電機控制盒收到信息后，對命令進行相應的譯碼操作后獲取PC上位機所要求的轉速和角度，電機控制盒采用位置、速度、電流閉環(huán)模型對直流有刷電機進行伺服的調節(jié)控制，從而使直流有刷電機以要求的速度運轉到要求的角度，以達到PC上位機對平面二自由度并聯機械手的控制。 2.5. 產品相關理論參數 下表為本小組所選選用產品的部分參數 表1 MAXON電機電機參數 參數 數值 工作電壓 24V

21、 空載轉速 10700r/min 減速后速 46r/min 堵轉扭矩 5.7Nm 連續(xù)扭矩 1.4Nm 減速箱型號 精密行星金屬減速箱（輸出滾珠軸承） 減速比 231:1 表2 藍箭舵機參數 電壓 扭矩 速度 4.8V 4.2kg.cm/58.32oz.in 0.13s/60deg 6.0V 5.0kg.cm/69.43oz.in 0.11s/60deg 3. 理論計算 1. 2. 3. 3.1. 氣缸力計算 本作品采用的是SMC針形氣缸，由氣缸壓力計算公式： 其中：：氣缸截面積（） ，氣缸直徑為4； ：使用氣壓壓力 ,本作

22、品使用氣壓為0.7； ：摩擦阻力與彈簧力（），測得真實值為7.0N； 由此看出當氣缸重啟，標記筆對白板的沖擊較小，且小于標記筆筆芯變形的最小5N力 。 1 2 3 3.1 3.2 機械結構強度分析與校核 本小組設計的示教儀，作為一個實驗儀器設備，其本身的結構安全性能是非常重要的，為此本小組針對機構中受力較大的重要但薄弱的部件進行分析。本小組采用的是商業(yè)化比較成熟的CAM分析軟件ANSYS. 下圖所示為示教儀底座的受力分析圖: 從安全系數考慮，所加載荷為實際載荷的3倍即30N，從分析結果看出最大變形量為，滿足強度與剛度要求。 圖17 示教儀整體框架的受力分析 下圖

23、零件受力比較復雜，是連接主動臂與從動臂的重要零件，本小組對其進行尺寸計算后，進行了受力分析。從分析結果中可以看到最大變形量只有能夠滿足機構運動中的強度與剛度要求。 圖18 桿連接三角件的受力分析 運用同種方法對電機座進行受力分析，對受力面施加30N局部載荷，電機座的最大變形量也在合理范圍內，說明安全性能符合要求。 圖19 電機座變形分析 最后對整個架子進行模態(tài)分析，以確定機械手在運動過程中是否存在振動。最后本小組也采用隔振的技術，在機架底座上安放工業(yè)橡膠吸盤，整個機架的抗震性能大幅提高。 圖20 機架的模態(tài)分析 圖21 機架模態(tài)分析10階模態(tài)

24、圖譜 3.3 機構運動模型簡化 本作品所使用的并聯機械手由兩組支鏈和執(zhí)行末端動平臺組成。而各組支鏈包含兩個鉸鏈平行四邊形桿結構，分別有機架-主動臂-連架-副主動臂-支架；支架-從動臂-動平臺組成，而各構件件采用轉動副連接。通過電機控制主動臂驅動下可實現動平臺在平面內的2自由度純平動。 由于平面并聯機械手桿數過多，分析不便，本小組對模型進行了如下簡化：由平行四邊形機構的性質可知，其連接的機構或者桿之間始終具有平行關系，從圖中易看出并聯機械手執(zhí)行末端的動平臺總是平行于固定架，即執(zhí)行末端總為一剛體的純平動，每一時刻動平臺相對固定平臺的姿態(tài)是不變的。因此本小組將考慮到主動桿與連架從動桿及三根從動

25、桿等長且平行。在此做運動特性分析時，將系統(tǒng)簡化為二自由度5桿鉸接結構，如下圖23所示。但平面并聯機構與五連桿存在一定的區(qū)別，平面并聯機械手由于虛約束的加入，比五連桿具有更好的剛度，此外平面并聯機械手有一個作純平動的運動平臺。 圖22 二自由度平面并聯機械手 圖23 簡化為五桿機構示意圖 3.4 機構位置逆解分析 假設主動桿回零是動平臺參考點的重復定位誤差很小，因此我們可在機構零點位置建立坐標系，其中動平臺參考點的位矢，主動桿與軸正方向的轉角 已知點位置，求兩主動桿的轉角，首先我們在固定參考下構造閉環(huán)方程： 上述矢量具體表達為： 式中：分別表示支鏈

26、中主、從動桿桿長和單位矢量；表示兩主動桿軸線間距與動平臺兩側兩鉸點間距之差。 由Mathematica符號運算功能，可解出： 公式中： 據此可以得到的關系式： 由簡化后五連桿的尺寸，將代入中運動學解析中得到公式： 可得出如下兩個運動方程： 本小組利用電機轉角與平面內坐標的數學關系，為機械手繪圖提供理論基礎。 3 3.1 3.2 3.3 3. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5 齒輪連桿機構分析 從以上分析我們可以知道，平面并聯機械手可以看成是平面五連桿機構，通過控制兩電機轉速比為定值時，形成類似定傳動比的齒輪連桿機構

27、。通過查詢齒輪連桿機構軌跡圖圖譜可知，改變傳動比可以得到不同的類型的圖形，如當時且初始相位相同，本作品末端畫筆機構在平面內的繪制的圖形為圓。這為本作品繪圖提供了理論基礎同時提高了學生對齒輪連桿機構感性的認識與對機械的興趣。 圖24 齒輪連桿繪圓 4. 作品性能 根據前面的理論計算、結構分析與電路，本小組設計并制造了圖26所示的作品同時也完成了圖25所示的UI人機交互界面，并完成了相關的實驗測試，本作品基本能夠實現預期的實驗功能。本作品中電機實際轉角由于兩電機通過連桿相互耦合，實際電機轉角在之間而在范圍內。通過測試運動平臺最大的運動速度為，機械手運動平臺末端位置精度。這已基本能夠滿足正

28、常的教學需求。 圖25 作品UI人機交互界面 圖26 實物作品 5. 創(chuàng)新點與前景 1 2 3 4 5 5.1 創(chuàng)新點 1、 集機械繪畫、分揀零件等功能，趣味性高； 2、 通過控制界面鼠標位置的移動改變機械手的在平面內運動狀態(tài)，操作界面直觀、學生實驗上手快； 3、 本作品可轉化為齒輪連桿機構，通過控制兩電機轉速比的不同，實現不同的軌跡； 4、連接上位機控制，可以進行數控編程； 5、可以記錄軌跡并重復實現，減少運動求解難度，體現工業(yè)應用方法。 本示教設備集機械設計，數控編程技術為一體，非常適合機械專業(yè)的教學實驗。該實驗儀器既可以用于《工業(yè)機器人》課程的實驗、

29、《機械設計基礎》課程的機構演示實驗，也可以給對并聯機構感興趣的同學提供開放實驗。實驗內容涵蓋機構應用演示、機械原理分析、數控編程；實驗過程包括了觀看演示、原理分析、運動求解與程序編寫。該教學實驗儀器有多種演示教學模式且具有很大的開放性，能很好的適應各種教學方法，對機械專業(yè)的學生將很大的使用價值，為機械工程專業(yè)研究型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)奠定一定的基礎。 5.2 產品應用前景 對本產品稍加優(yōu)化，可得到更好的應用。 1) 適量減少零件數量，可達到量產，更好在高校機械實驗中推廣，增進學生對機器人的興趣； 2) 改善加工工藝，提高零件的精度與互換性，學生能夠自主組裝機械結構，更能鍛煉機械類學生的實

30、踐動手能力； 3) 機械手執(zhí)行末端是一個開放性的實驗平臺，學生可以通過這一平臺，自行設計更多合理的機械手來達到自主探究的目的，從而提升機械類學生動手能力與創(chuàng)造力。 參考文獻 [1] 陳美鈺. 平面五桿并聯機器人動力學特性與控制系統(tǒng)研究[D]. 北京工商大學, 2010. [2] 毛挺剛. 并聯搬運機械手抓取執(zhí)行機構及控制設計[D]. 安徽大學, 2010. [3] 夏定玲. 雙自由度五桿機構的軌跡綜合及優(yōu)化設計研究[D]. 華中科技大學, 2007. [4] 徐淑靜, 黃田, 李占賢, 等. 2 自由度高速并聯機械手的有限元分析及優(yōu)化設計[J]. 中國制造業(yè)信息化: 學術版,

31、2004, 33(3): 81-83. [5] 陳曉楠,楊培林.機械設計基礎，科學出版社，2007.4 companys economic objectives, task breakdown, implementation, assessment work; 6, the company responsible for running the program as a whole, running prog

32、rams across departments of the implementation, follow-up, feedback, revision; 7, in charge of the internal "6S" management work; 8, is responsible for organizing this Conference and training within the Department; 9, responsible for the promotion of the cultural construction of enterprises in this s

33、ector; 10 and subordinate departments, in charge of the Departments assets management; 11, in charge of the internal statistical reports submitted work and cross examination table; 12, responsible for the sectors covered by the community relations and business relations coordination and liaison work

34、 with superior counterparts; 13, is responsible for the special inspections and routine checks of company organization; 14, are responsible for the establishment of business customers file; 15, responsible for safety within the jurisdiction of the Department of investigation and follow-up; 16 ratio

35、nalization activities, in charge of the Departments work, to collect, compile and report on a regular basis, implementation; 17, are responsible for the "three reduction" strategy and the "shuangzengshuangjie" working activity; 18, are responsible for the transfer of the information to be filed into

36、 the work; 19, is in charge of the Departments evaluation work; 20, is responsible for regular reporting on the progress of work in this sector to higher authorities; 21, functions and business are responsible for the custody of the seal, use; 22, are responsible for the material delivery acceptance; 23 to- 15 -