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原版文檔，無刪減，可編輯，歡迎下載詳細圖紙可扣扣咨詢 414951605 或 1304139763晉中學院機械學院畢業(yè)設計（論文）課題名稱 軸式組合機械臂的機械結(jié)構(gòu)設計與仿真系 部 專 業(yè) 班 級 學 號 姓 名 指導教師（簽名） 年 月 日教研室主任（簽名） 年 月 日I摘 要移動機器人作為機器人學發(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 X-Y 平面移動，或在 X-Y-Z 空間定位等功能，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計，首先進行總體的設計方案，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，X-Y 平面IIAbstractMobile robot is an important branch of robotics development, is a comprehensive system including environment detecting, a variety of dynamic decision and planning, action control and execution in one. Manipulator is an important part of the robot, he is the executive body of the robot, the combined mechanical arm is composed of several one-dimensional manipulator with different angle combination, linear expansion can realize mechanical arm, or move on the X-Y plane, or function in X-Y-Z space positioning, to meet different occasions. In this paper, the mobile robot combined mechanical arm design, firstly, the overall design scheme, make the spiral transmission pair transmission scheme of one-dimensional mechanical arm, characteristics analysis of the scheme, then the motor selection for key transmission parts, design, strength check of important parts, the life of the shaft and bearings are calculated, finally the structural design of the main parts, including material selection, determine the size, structure, and meet the demand for cooperating with other parts etcKey Words: One-dimensional mechanical arm, mechanical arm, mobile robot, X-Y planeIII目 錄摘 要 IABSTRACT .II目 錄 III第 1 章 緒論 .11.1 機器人的發(fā)展史 11.2 我國機器人發(fā)展狀況 21.3 移動機器人概述 .3移動機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)： 31.4 本課題研究目的和要求 .4第 2 章 整體方案設計 .52.1 動力源及傳動機構(gòu)方案的確定 .52.2 擬定方案圖 6第 3 章 傳動設計與計算 .73.1 一維機械臂設計計算 .73.1.1 計算絲杠導程 73.1.2 步進電機的選擇 83.1.3 滑動螺旋副的計算 .123.1.4 聯(lián)軸器的設計 .143.1.5 軸承的選擇 16第 4 章 主要零部件結(jié)構(gòu)設計 174.1 機架設計 174.1.1 機架設計準則 174.1.2 機座設計 .184.2 絲杠支架設計 .19IV4.3 電機支架設計 .20第 5 章 虛擬裝配與仿真 215.1 PRO/E 軟件簡介 215.2 零件建模 225.2 虛擬裝配 .235.3 PRO/E 動畫仿真 26總結(jié) .30參考文獻 .31致 謝 32軸式組合機械臂的機械結(jié)構(gòu)設計與仿真1第 1 章 緒論1.1 機器人的發(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”。”尤尼梅特”和“沃爾薩特蘭”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，把應當完成的任務做一遍，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，一步步完成它應當完成的各個動作 。20 世紀 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晉中學院畢業(yè)設計（論文）2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。到了 90 年代, 隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡技術(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。隨著科學與技術(shù)的發(fā)展, 工業(yè)機器人的應用領(lǐng)域也隨之不斷擴大?，F(xiàn)在工業(yè)機器人的應用已開始擴大到核能、采礦、冶金、石油、化學、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。1.2 我國機器人發(fā)展狀況我國的工業(yè)機器人從 20 世紀 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計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術(shù)、運動學和軌跡規(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)模應用，弧焊機器人已應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 6.74 億元，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)設計與仿真31.3 移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(SR)I 的 NiISSen 和CharleSRosen 等人，在 1966 年至 1972 年中研造出了取名 Shakey 的自主移動機器人。目的是研究應用人工智能技術(shù)，在復雜環(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，設計并研制出了多足步行機器人。70 年代末，隨著計算機的應用和傳感器技術(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)任務目標，并能適應工作環(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。不僅能夠應用各種反饋傳感器，而且還能夠應用人工智能中的各種學習、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 1.1 所示。移動機器人的軟件系統(tǒng)，就相當于機器人的“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研究)以及室內(nèi)服務工作(如運送、導游和巡邏)等方面具有一定研究價值。晉中學院畢業(yè)設計（論文）41.4 本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計，進一步鞏固與深化學生對理論課程及實踐性教學環(huán)節(jié)中所學知識的理解，培養(yǎng)學生綜合運用所學基礎(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，使學生受到工程師工作能力的綜合訓練，提高學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)設計與仿真5第 2 章 整體方案設計2.1 動力源及傳動機構(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，特別適合動作復雜、運動軌跡嚴格的工業(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。晉中學院畢業(yè)設計（論文）62.2 擬定方案圖根據(jù)上述論述，現(xiàn)擬定方案圖。一維機械臂的傳動如下圖 2-1 所示，它的 X-Y-Z組合效果如圖 2 所示。圖 2-1圖 2-2一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導軌移動，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)設計與仿真7第 3 章 傳動設計與計算3.1 一維機械臂設計計算一維機械臂如下圖 3-1 所示，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 3-1 一維機械臂傳動方案3.1.1 計算絲杠導程W 為滑動部分總重量（ N） ， N159.847Wmg???絲杠的最大負荷 ， 為慣性力，由運行的最大速度為 30cm/s、行程F0max??慣 慣為 420mm、電機啟動時間 0.3s，加速度2.31/0Vst??= = =15N慣Fa15?查《機械設計課程設計手冊》表 1-10 常用材料摩擦系數(shù) 取 0.2。則0?=44.4Nmax470.2??為使設計更可靠令當量載荷 = ,設絲杠副最大相對轉(zhuǎn)速為mFax4.N?=3600r/min（后面會計算到） 。查表 11-1-25 精度推薦表，確定機械手使用的精度為axn5 級。絲杠的失位量為 0.025mm。初算導程：= mmmax/nVPh?306/in5r??晉中學院畢業(yè)設計（論文）8根據(jù)《機械設計手冊—機械傳動》表 11-1-15 查得 應該大于或等于 5mm 取 10mm。hP3.1.2 步進電機的選擇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、計算機外圍設備、復印機、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 Mjmax 大的電機，負載力矩大。 選擇步進電機時，應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量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當量，一是可以改變絲桿的導程，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。精度是由電機的固有特性所決定。選擇功率步進電機時，應當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)所要求脈沖當量，減速比 i 計算如下: i=(φ.S)/(360.Δ ) 式中 φ ---步進電機的步距角（o/脈沖） S ---絲桿螺距（mm) Δ---(mm/脈沖） （2）計算工作臺，絲桿以及齒輪折算至電機軸上的慣量 Jt。 軸式組合機械臂的機械結(jié)構(gòu)設計與仿真9Jt=J1+（1/i2)[(J2+Js）+W/g（S/2π)2] 式中 Jt ---折算至電機軸上的慣量(Kg.cm.s2) J1、J2 --- 齒輪慣量(Kg.cm.s2) Js ----絲桿慣量(Kg.cm.s2) W---工作臺重量（ N）S ---絲桿螺距（cm） （3）計算電機輸出的力矩 TL2CFLT?????式中， 為折算到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩（N.m） ；F 為軸向移動滑塊時所需的力LT（N） ；L 為電機每轉(zhuǎn)的機械位移量（m）L=0.012m； 為絲杠軸承等摩擦轉(zhuǎn)矩折算到C電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩（N.m） ， N.m； 為驅(qū)動系統(tǒng)的效率。0.1CT??（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=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml）÷(1+Jt/Jm)] 1/2 式中 fq---帶載起動頻率（ Hz） fq0---空載起動頻率 Ml---起動頻率下由矩頻特性決定的電機輸出力矩（N.m) 若負載參數(shù)無法精確確定,則可按 fq=1/2fq0 進行估算. （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能驅(qū)動負載，并留有足夠的余量。2）選擇步進電機由原始設計參數(shù)可知：機械臂的運動速度最高速度不小于 30cm/s, 機械臂的最大末端載荷不大于 5kg，機械臂的長度不超過 60cm。（1）滑塊從頭到尾移動的最短時間 StV?S——滑塊移動距離，由于機械臂的總長不超過 600mm,給電機及基座預留一定安晉中學院畢業(yè)設計（論文）10裝空間，因此取絲杠長度為 420mm,t——時間，s421.30t?（2）電機的最高轉(zhuǎn)速電機選擇首先依據(jù)推桿快速行程速度。快速行程的電機轉(zhuǎn)速應嚴格控制在電機的額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)。 3maxmax10hVunnP???式中， 為電機的額定轉(zhuǎn)速（rpm） ；n 為移動時電機的轉(zhuǎn)速（ rpm） ； 為直線運maxn maxV行速度（m/min） ；u 為系統(tǒng)傳動比，u=n 電機/n 絲杠=1； 絲杠導程（mm） ，hP。10hP?所以 3160/minnr??所以，電機最高轉(zhuǎn)速選為 3600r/min.初步擬定為深圳眾為興技術(shù)股份有限公司步進電機56BYGH630DJP。56BYGH630DJP 技術(shù)參數(shù)如下：步距角： o1.8機身長：78mm靜力矩：1.57N.m（3）計算減速比 根據(jù)所要求脈沖當量，減速比 i 計算如下: i=(φ.S)/(360.Δ ) 式中 φ ---步進電機的步距角（o/脈沖） S ---絲桿螺距（mm) Δ---(mm/脈沖） 計算得 (1.80)/(36.5)1i???（4）計算工作臺，絲桿以及齒輪折算至電機軸上的慣量 Jt。 軸式組合機械臂的機械結(jié)構(gòu)設計與仿真11Jt=J1+（1/i 2)[(J2+Js）+W/g（S/2π) 2] 式中 Jt ---折算至電機軸上的慣量(Kg.cm.s 2) J1、J2 --- 齒輪慣量(Kg.cm.s 2) （這里沒有齒輪，所以 J1、J2 為 0）Js ----絲桿慣量(Kg.cm.s 2)， (Kg.cm.s2) 2214.18.sJmr???W---滑塊重量（ N） ， .30WNS ---絲桿螺距（cm） ， S=10mm=1cm222Jt=1+(/i)[Js/g(S)]08.301.4.5(Kg.cms) ????（5）計算電機輸出的力矩 M 根據(jù)步進電機的工作曲線，負載轉(zhuǎn)矩應滿足：當設備作空載運行時，在整個速度范圍內(nèi)，加在步進電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩應在電機的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，即在工作曲線的連續(xù)工作區(qū)；最大負載轉(zhuǎn)矩，加載周期及過載時間應在特性曲線的允許范圍內(nèi)。加在電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩可以折算出加到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩。 CLTF?????2式中， 為折算到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩（N.m） ；F 為軸向移動滑塊時所需的力LT（N） ；L 為電機每轉(zhuǎn)的機械位移量（m）L=0.01m； 為絲杠軸承等摩擦轉(zhuǎn)矩折算到電C機軸上的負載轉(zhuǎn)矩（N.m） ， N.m； 為驅(qū)動系統(tǒng)的效率。1.6CT?cW??式中， 為推桿反作用力（N） ， =45N； W 為滑動部分總重量（N ） ，cFFN； 為摩擦系數(shù)， 。159.847W???0.2?所以 50.2147c???計算轉(zhuǎn)矩時下列幾點應特別注意。 （a）由于鑲條產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩必須充分地考慮。通常，僅僅從滑塊的重量和摩擦系數(shù)來計算的轉(zhuǎn)矩很小的。請?zhí)貏e注意由于鑲條加緊以及滑塊表面的精度誤差所產(chǎn)生的力矩。晉中學院畢業(yè)設計（論文）12（b）由于軸承，螺母的預加載，以及絲杠的預緊力滾珠接觸面的摩擦等所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩均不能忽略。尤其是小型輕重量的設備。這樣的轉(zhuǎn)矩回應影響整個轉(zhuǎn)矩。所以要特別注意。（c）如果有切削力，切削力的反作用力會使工作臺的摩擦增加，以此承受切削反作用力的點與承受驅(qū)動力的點通常是分離的。如圖所示，在承受大的切削反作用力的瞬間，滑塊表面的負載也增加。當計算切削期間的轉(zhuǎn)矩時，由于這一載荷而引起的摩擦轉(zhuǎn)矩的增加應給予考慮。（d）摩擦轉(zhuǎn)矩受進給速率的影響很大，必須研究測量因速度工作臺支撐物(滑塊，滾珠，壓力)，滑塊表面材料及潤滑條件的改變而引起的摩擦的變化。已得出正確的數(shù)值。（e）通常，即使在同一臺的機械上，隨調(diào)整條件，周圍溫度，或潤滑條件等因素而變化。當計算負載轉(zhuǎn)矩時，請盡量借助測量同種機械上而積累的參數(shù)，來得到正確的數(shù)據(jù)。所以 74.012.6238LCFT???????=1.78N.m所以，眾為興電機 56BYGH630DJP，額定轉(zhuǎn)矩 2.2n.m，轉(zhuǎn)速為 3600r/min，可滿足需求。3.1.3 滑動螺旋副的計算1）螺旋傳動的材料絲杠螺桿要有足夠的強度，較高的耐磨性和良好的工藝性，一般采用 45 或 50 剛，較重要的螺桿可采用 40Cr 等合金鋼，本絲杠采用 45 鋼。推桿（螺母）應該具有較低的摩擦系數(shù)和較高的耐磨性，一般可選用鑄造青銅，如ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5 及 ZCuAl10Fe3，要求較低時可采用耐磨鑄鐵，本推桿要求不高，采用球墨鑄鐵 QT400-17。2）耐磨性的計算設螺母高為 H，螺距為 P，螺紋中徑為 ，螺紋工作高度為 h，則螺紋承載圈數(shù)2dZ=H/P，螺旋總軸向載荷為 ，每一圈螺紋承受的軸向載荷為 ,其成載面積 。QFzFQ/ 2Adh??軸式組合機械臂的機械結(jié)構(gòu)設計與仿真13因此。螺紋工作面上的壓強為 ,己耐磨性條件為：cp2[]Qc cFPpZAdhH???表 3-1 滑動螺旋副材料的許用壓強[ ]c螺桿材料 螺母材料 滑動速度（m/s） 許用壓強鋼 青銅 18～25鋼 鋼低速7.5～13鋼 鑄鐵 ＜0.04 13～18鋼 青銅 ＜0.05 11～18鋼 鑄鐵 4～7鋼 耐磨鑄鐵 6～8鋼 青銅0.1～0.27～10設 ，則 ，代入上式并整理后可得：2/dH??2d??2[]QcFPhp??對于矩形螺紋，h=0.75P，由上表 3-1，選取[ ]=6Mpa，F(xiàn) Q=74.4N 則cp2 74.100.650.653.2[]Qcdp?????考慮到螺旋導程不能太小,取導程 Pc=10mm，選取螺桿中徑 ，外徑為218dm20mm3）螺母螺紋牙的強度校核在軸向載荷 的作用下，螺紋牙可能在根部發(fā)生剪斷或彎斷，由于推桿為鑄鐵，QF螺牙的強度低于螺桿，故只需要校核推桿（螺母）螺紋牙的強度。許用應力材料[σ] [ ]b?[ ]?螺桿 鋼 3~5s?晉中學院畢業(yè)設計（論文）14青銅 40～60 30～40耐磨鑄鐵 50～60 40鑄鐵 45～55 40螺母鋼 0.6[σ]注：1、 為材料屈服極限；s?2、載荷穩(wěn)定時，許用應力取大值。將一圈螺母的螺紋沿根部大徑 D 處展開，并將談看作寬度為 的懸臂梁，在 h/2D?處作用載荷 ，則螺紋牙危險平剖面 a－a 的剪切強度條件為zFQ/??74.1.31208QFMpabz? ??????符合強度要求。螺紋牙危險剖面ａ－ａ的彎曲強度條件為222374[].10386QQb bFhMz paDWbz? ????????符合強度要求。4）螺桿的強度校核螺桿工作地承受軸向壓力（或拉力） ，又受螺紋力矩 T 的扭轉(zhuǎn)作用。螺桿QF危險剖面上既有壓縮（或拉伸）應力，又有扭轉(zhuǎn)剪應力。因此，螺桿剖面上是正應力和剪應力的復合應力狀態(tài)。按第四強度理論，其危險截面的強度條件為??222 32113230.474.78()6.91.6QeFTd??????????????????????強度符合要求。軸式組合機械臂的機械結(jié)構(gòu)設計與仿真153.1.4 聯(lián)軸器的設計電機功率較小，螺桿驅(qū)動裝置設計非標聯(lián)軸器聯(lián)接電機。聯(lián)軸器是機械傳動中常用的部件。它用來把兩軸聯(lián)接在一起，機器運轉(zhuǎn)時兩軸不能分離：只有在機器停車并將聯(lián)接拆開后，兩軸才能分離。聯(lián)軸器所聯(lián)接的兩軸，由于制造及安裝誤差、承載后的變形以及溫度變化的影響等，往往不能保證嚴格的對中，而是存在著某種程度的相對位移。這就要求設計聯(lián)軸器時，要從結(jié)構(gòu)上采取各種不同的措施，使之具有適應一定范圍的相對位移的性能。根據(jù)對各種相對位移有無補償能力（即能否在發(fā)生相對位移條件下保持聯(lián)接的功能） ，聯(lián)軸器可分為剛性聯(lián)軸器（無補償能力）和撓性聯(lián)軸器（有補償能力）兩大類。撓性聯(lián)軸器又可按是否具有彈性元件分為無彈性元件的撓性聯(lián)軸器和有彈性元件的撓性聯(lián)軸器兩個類別。十字滑塊聯(lián)軸器又稱滑塊聯(lián)軸器，由兩個在端面上開有凹槽的半聯(lián)軸器和一個兩面帶有凸牙的中間盤組成。因凸牙可在凹槽中滑動，故可補償安裝及運轉(zhuǎn)時兩軸間的相對位移。這種聯(lián)軸器零件的材料可用 45 鋼，工作表面需要進行熱處理，以提高其硬度；要求較低時也可用 Q275 鋼，不進行熱處理。為了減少摩擦及磨損，使用時應從中間盤的油孔中注油進行潤滑。因為半聯(lián)軸器與中間盤組成移動副，不能發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，故主動軸與從動軸的角速度應相等。但在兩軸間有相對位移的情況下工作時，中間盤就會產(chǎn)生很大的離心力，從而增大動載荷及磨損。因此選用時應注意其工作轉(zhuǎn)速不得大于規(guī)定值。彈性柱銷聯(lián)軸器能傳遞轉(zhuǎn)矩的能力很大，結(jié)構(gòu)更為簡單，安裝、制造方便，耐久性好，也有一定的緩沖和吸振能力，允許被聯(lián)接兩軸有一定的軸向位移以及少量的徑向位移和角位移，適用于軸向竄動較大、正反轉(zhuǎn)變化較多和起動頻繁的場合。本次設計中，由于電機軸比較小，電機軸不便于安裝鍵，因此，采用非標的聯(lián)軸方法，聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)如下圖 3-2：晉中學院畢業(yè)設計（論文）16圖 3-2 聯(lián)軸方案3.1.5 軸承的選擇依據(jù)工作情況，絲杠采用兩端固定的工作方式。因為在這種情況下它的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性都較高、軸向剛度大。圖 3-3 軸承安裝方法如圖所示用角接觸球軸承作為支撐。由于滾珠絲杠螺母上的機構(gòu)重量由導軌承受，所以滾珠絲杠只承受軸向力。所以滾動軸承的當量動負荷 P= = =89.28N，mPFf1.274?為負荷系數(shù)中等慣性力作用時取 1.2。Pf深溝球軸承選擇：由《機械設計》公式基本額定動負荷 C= ?16max0??????hLnP已知 、 小時、球軸承 取 3，則450/minMAXnr?180hL?C= =701.9N3689.2???????查《機械設計課程設計手冊》表 6—6 選取深溝球軸承 6203 基本尺寸為:內(nèi)徑15mm、外徑 35mm、寬度 11mm、基本額定動載荷 10.0KN、脂潤滑情況下極限轉(zhuǎn)速15000r/min。極限轉(zhuǎn)速的校核：由選取的軸承參數(shù)知 =14000r/min、依據(jù)《機械設計》圖 8.13 負荷系數(shù) 取limn 1f0.64， =0.952f= =8512/minli21f 95.064?=6500r/min =8512r/minMAXnlimn?所以轉(zhuǎn)速符合要求。軸式組合機械臂的機械結(jié)構(gòu)設計與仿真17第 4 章 主要零部件結(jié)構(gòu)設計對于本機械臂的零部件設計，屬于非標準設備，批量小，盡量采用標準件常用件，采用易于應用常規(guī)加工方法加工的結(jié)構(gòu)。4.1 機架設計4.1.1 機架設計準則底座、機架、箱體、基板等零件都屬于機架零件。機架零件可劃分為四大類：即機座類、機架類、基板類和箱殼類，對機架零件一般可提出下列要求:(1)工況要求：即任何機架的設計首先必須保證機器的特定工作要求。例如，保證機架上安裝的零部件能順利運轉(zhuǎn)，機架的外形或內(nèi)部結(jié)構(gòu)不致有阻礙運動件通過的突起,設置執(zhí)行某一工況所必需的平臺；保證上下料的要求、人工操作的方便及安全等。(2)剛度要求：在必須保證特定的外形條件下，對機架的主要要求是剛度。如果基礎(chǔ)部件的剛性不足，則在工作的重力、夾緊力、摩擦力、慣性力和工作載荷等的作用下，就會產(chǎn)生變形，振動或爬行，而影響產(chǎn)品定位精度、加工精度及其它性能。例如機床的零部件中，床身的剛度則決定了機床的生產(chǎn)率和加工產(chǎn)品的精度。(3)強度要求：對于一般設備的機架，剛度達到要求，同時也能滿足強度的要求(4)穩(wěn)定性要求：對于細長的或薄壁的受壓結(jié)構(gòu)及受彎-壓結(jié)構(gòu)存在失穩(wěn)問題，某些板殼結(jié)構(gòu)也存在失穩(wěn)問題或局部失穩(wěn)問題。失穩(wěn)對結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生很大的破壞，設計時必須校核。(5)美觀：目前對機器的要求不僅要能完成特定的工作，還要使外形美觀。(6)其它：如散熱的要求，防腐蝕及特定環(huán)境的要求。在滿足機架設計準則的前提下，必須根據(jù)機架的不同用途和所處環(huán)境，考慮下列各項要求，并有所偏重。(1)機架的重量輕，材料選擇合適，成本低。(2)結(jié)構(gòu)合理，便于制造。(3)結(jié)構(gòu)應使機架上的零部件安裝、調(diào)整、修理和更換都方便。(4)結(jié)構(gòu)設計合理，工藝性好，還應使機架本身的內(nèi)應力小，由溫度變化引起的變形應軸式組合機械臂的機械結(jié)構(gòu)設計與仿真18力小。(5)抗振性能好。(6)耐腐蝕，使機架結(jié)構(gòu)在服務期限內(nèi)盡量少修理。(7)有導軌的機架要求機架導軌面受力合理，耐磨性良好。4.1.2 機座設計1）機座的結(jié)構(gòu)及材料進行機架結(jié)構(gòu)形式的選擇是一個較復雜的過程，對結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件截面和結(jié)點構(gòu)造等均需要結(jié)合具體的情況進行仔細的分析。對結(jié)構(gòu)方案要進行技術(shù)經(jīng)濟比較。由于各種設備有不同的規(guī)范和要求，制定統(tǒng)一的機架結(jié)構(gòu)選擇方法較困難。但是，可以利用結(jié)構(gòu)力學的知識提出下列一般的規(guī)則。這些規(guī)則是為了節(jié)約材料在選擇形式時應遵守的一般規(guī)律。（1）結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布情況要與材料的性能相適應，以便發(fā)揮材料的優(yōu)點。軸力較彎矩能更充分地利用材料。桿件受軸力作用時，截面上的材料分布是均勻的，所有材料都能得到充分利用。但在彎矩作用下截面的應力分布是不均勻的，所以材料的應力分布不夠經(jīng)濟。機械結(jié)構(gòu)中許多構(gòu)件所受的都是沿垂直于桿軸的方向作用的。彎矩沿桿變化很迅速。有垂直載荷處，彎矩曲線有曲率，且曲率與載荷集度成正比。最大的彎矩限于一小段內(nèi)，在較長段內(nèi)材料不能充分利用，這是彎曲構(gòu)件不經(jīng)濟的另一原因。（2）結(jié)構(gòu)的作用在于把載荷由施力點傳到基礎(chǔ)。載荷傳遞的路程愈短，結(jié)構(gòu)使用的材料愈省。（3）結(jié)構(gòu)的連續(xù)性可以降低內(nèi)力，節(jié)省材料。因該機械臂尺寸不是很大，結(jié)構(gòu)比較緊湊，受力不大，精度要求較高，材料上，考慮到機械臂要適用各種惡劣環(huán)境，為防止生銹，便于安裝，選擇 304 不銹鋼板作為基座。2）機體部分結(jié)構(gòu)尺寸的確定(1)安裝電動推桿螺栓直徑的確定 ，取 M8。??Dd25.0~18.?(2)安裝伺服電機螺栓直徑的確定，根據(jù)伺服電機提供的安裝螺紋孔，取 M5。(3)安裝托架及膠輥螺釘直徑的確定，取 M4。(4)安裝槽檔塊螺釘直徑的確定，取為 M5,定位銷取為直徑為 5mm.軸式組合機械臂的機械結(jié)構(gòu)設計與仿真19圖 4-1 基座4.2 絲杠支架設計支架如下圖 4-2 所示，支架材料為 304 不銹鋼，以保證輪式機器人適用各種惡劣環(huán)境，支架上部為圓孔，用于安裝軸承，下部方孔，用于安裝導軌。圖 4-2 支架軸式組合機械臂的機械結(jié)構(gòu)設計與仿真204.3 電機支架設計電機支架如下圖 4-3 所示，支架材料為 304 不銹鋼，如圖 4-3 所示。圖 4-3 電機支架軸式組合機械臂的機械結(jié)構(gòu)設計與仿真21第 5 章 虛擬裝配與仿真5.1 Pro/E 軟件簡介Pro/Engineer 操作軟件是美國參數(shù)技術(shù)公司（ PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一體化的三維軟件。Pro/Engineer 軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，Pro/Engineer 作為當今世界機械 CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣。是現(xiàn)今主流的 CAD/CAM/CAE 軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設計領(lǐng)域占據(jù)重要位置。Pro/Engineer 操作軟件是美國參數(shù)技術(shù)公司（ PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一體化的三維軟件。Pro/Engineer 軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，Pro/Engineer 作為當今世界機械 CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣。是現(xiàn)今主流的 CAD/CAM/CAE 軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設計領(lǐng)域占據(jù)重要位置。一. Pro/EngineerPro/Engineer 是軟件包，并非模塊，它是該系統(tǒng)的基本部分，其中功能包括參數(shù)化功能定義、實體零件及組裝造型，三維上色，實體或線框造型，完整工程圖的產(chǎn)生及不同視圖展示（三維造型還可移動，放大或縮小和旋轉(zhuǎn)） 。Pro/Engineer 是一個功能定義系統(tǒng)，即造型是通過各種不同的設計專用功能來實現(xiàn)，其中包括：筋（Ribs） 、槽（Slots ） 、倒角（Chamfers）和抽殼（Shells）等，采用這種手段來建立形體，對于工程師來說是更自然，更直觀，無需采用復雜的幾何設計方式。這系統(tǒng)的參數(shù)比功能是采用符號式的賦予形體尺寸，不象其他系統(tǒng)是直接指定一些固定數(shù)值于形體，這樣工程師可任意建立形體上的尺寸和功能之間的關(guān)系，任何一個參數(shù)改變，其也相關(guān)的特征也會自動修正。這種功能使得修改更為方便和可令設計優(yōu)化更趨完美。造型不單可以在屏幕上顯示，還可傳送到繪圖機上或一些支持 Postscript 格式的彩色打印機。Pro/Engineer 還可輸出三維和二維圖形給予其他應用軟件，諸如有限元分析及后置處理等，這都是通過標準數(shù)據(jù)交換格式來實現(xiàn)，用戶更可配上 Pro/Engineer 軟件的其它模塊或自行利用 C 語言編程，以增強軟件的功能。它在單用戶環(huán)境下（沒有任何附加模塊）具有大部分的設計能力，組裝能力（運動分析、人機工程分析）和工程制圖能力（不包括 ANSI， ISO， DIN 或 JIS 標準） ，并且支持符合工業(yè)標準的繪圖儀軸式組合機械臂的機械結(jié)構(gòu)設計與仿真22（HP，HPGL）和黑白及彩色打印機的二維和三維圖形輸出。Pro/Engineer 功能如下：1．特征驅(qū)動（例如：凸臺、槽、倒角、腔、殼等） ；2．參數(shù)化（參數(shù)=尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等） ；3．通過零件的特征值之間，載荷/邊界條件與特征參數(shù)之間（如表面積等）的關(guān)系來進行設計。4．支持大型、復雜組合件的設計（規(guī)則排列的系列組件，交替排列，Pro/PROGRAM 的各種能用零件設計的程序化方法等） 。5．貫穿所有應用的完全相關(guān)性（任何一個地方的變動都將引起與之有關(guān)的每個地方變動） 。其它輔助模塊將進一步提高擴展 Pro/ENGINEER 的基本功能。二． 、Pro/E 機構(gòu)運動仿真工程師無需等待物理原型就能測試產(chǎn)品的動力行為。利用 Pro/ENGINEER 機構(gòu)動力學仿真，您可以虛擬地仿真包含運動元件的系統(tǒng)中的作用力和加速度。而且，您可以綜合考慮諸如彈簧、電動機、摩擦力和重力等動力影響，相應地調(diào)整產(chǎn)品性能。改善檢驗和認證過程并最大程度地提高設計信心，而無需承受制造昂貴原型的負擔。與設計和分析工具完全集成，從而無需再花費時間、精力和金錢來處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和關(guān)聯(lián)的錯誤。利用 Pro/E 機構(gòu)仿真有以下優(yōu)點：? 可以創(chuàng)建虛擬樣機在桌面計算機中進行測試，從而降低開發(fā)成本 模擬賽車懸架所受到的實際作用力。? 能夠更快速和更早地將變更反映在產(chǎn)品中，并從桌面計算機測試中即時獲得結(jié)果。? 通過縮短開發(fā)時間率先向市場推出更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。? 通過對產(chǎn)品壽命進行更準確的估計，從而可降低保修成本。? 利用具體的動畫式生產(chǎn)指令進行裝配，可以避免代價高昂的制造錯誤。? 通過利用從虛擬測試中所節(jié)省的時間來評估更多設計構(gòu)思，從而可開發(fā)出更新穎的產(chǎn)品。? 在易于學習、直觀明了的用戶界面中工作。5.2 零件建模1)絲杠軸式組合機械臂的機械結(jié)構(gòu)設計與仿真23絲杠建模，利用“旋轉(zhuǎn)” ， “拉伸”命令創(chuàng)建出絲杠主體，再用“螺旋掃描——切口” ，創(chuàng)建出梯形螺旋線。圖 5-1 絲杠2）導軌利用“拉伸”命令，創(chuàng)建出如下圖所示導軌。圖 5-2 導軌5.2 虛擬裝配應用前述建立的各零件的三維圖型進行虛擬裝配，首先進行子裝配，完成子裝配工作后，進行總裝配。零件裝配好了以后，進行裝配體的干涉檢查，以便確定裝配體中各零件之間是否存在實體邊界沖突(即干涉)、沖突發(fā)生在何處、進而為消除沖突做好準備。一般對零件較多或裝配要求較嚴格的裝配體，應該裝配好—個零件就進行一次裝配檢查，這樣可以及時發(fā)現(xiàn)錯誤，及時修正。1）裝配一維機械臂（1）新建裝配組件軸式組合機械臂的機械結(jié)構(gòu)設計與仿真24圖 5-3 新建組件（2）調(diào)入基座零件，缺省放置圖 5-4 放置基座（3）依次調(diào)入電機支架、絲杠支架，軸承，軸承端蓋，電機等零件，并用剛性聯(lián)接安裝好。