五自由度機械臂設(shè)計論文

哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 I 五自由度機械臂設(shè)計 摘 要 本設(shè)計主要介紹關(guān)于工業(yè)機器人的一些知識和原理，包括工業(yè)機器人的組成、分類、主要技術(shù)性能參數(shù)和工業(yè)機器人的運動分析。本設(shè)計的總體內(nèi)容是根據(jù)移動機構(gòu)的移動能力指標(biāo)，比較現(xiàn)有移動機構(gòu)的性能特點，確定移動機構(gòu)的最佳移動方式；設(shè)計一個五自由度關(guān)節(jié)式機械臂，確定五自由度工業(yè)機器人的主要技術(shù)參數(shù)和傳動關(guān)系，并通過對工業(yè)機器人的動力計算為各部位選擇合適的驅(qū)動電機；確定五自由度工業(yè)機器人設(shè)計計算機控制系統(tǒng)方案以及為所設(shè)計的五自由度工業(yè)機器人進(jìn)行 Pro/E 建模。本論文作者在參考大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ) 上，結(jié)合設(shè)計的要求，并參考通用型機器人的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行五自由度工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計和其計算機控制系統(tǒng)的設(shè)計。本文所設(shè)計的機械手臂主要由手爪、腕、小臂、大臂和基座組成，同時用 Pro/E 對其進(jìn)行了三維建模，可用于搜索、抓取水下管件、纜線等細(xì)長物體，也可用于抓取其它形狀的物體，具有一定的通用性。機器人能自動控制，多功能，有五個自由度，可固定或運動，用于相關(guān)自動化系統(tǒng)中。 關(guān)鍵詞 五自由度；工業(yè)機器人；三維建模 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 II The Design Of Five Degrees Of Freedom Of Rbotic Arm Abstract This design focuses on some knowledge and principles of industrial robots, including the composition of industrial robots, classification, the main technical performance parameters and the motion analysis of industrial robots. The overall content of this design is the ability to move of the moving mechanism based on indicators, comparing the performance characteristics of existing mobile mechanism, to determine the optimal movement mechanism moves； design a joint manipulator of five degrees, to determine five degrees of freedom of an industrial robot main technical parameters and transmission relations and through various parts of the dynamic calculation of industrial robots to choosing the right drive motor； identified the computer control system programs of the design of five degrees of freedom of industrial robots, as well as build a Pro / E model of the design of five degrees of freedom of industrial robots. The authors in reference to large number of documents on the basis,combination of design requirements, and with reference to the structure of general-purpose robot for five degrees of freedom industrial robot design and design the computer control system. The robotic arm of this article is designed mainly by gripper, wrist, forearm, arm and base composition, while using the Pro / E computer program be a three-dimensional modeling,the robotic arm can be used to search for, capture pipe fittings underwater, cables, and other fine or long objects, it can also be other shapes objects for gripping, a certain versatility. Robot can automatically control, multi-functional, there are five degrees of freedom,it can be fixed or moving, for the related automation systems. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 III Keywords Five degrees of freedom； Industrial robot； 3D modelling 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 IV 目 錄 摘 要 . I Abstract .II 第 1章 緒論 . 1 1.1 課題背景 . 1 1.2 工業(yè)機器人的組成 . 2 1.3 工業(yè)機器人的分類 . 2 1.4 工業(yè)機器人主要技術(shù)性能參數(shù) . 3 1.5 課題的總體內(nèi)容 . 4 1.6 本章小結(jié) . 4 第 2章 機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 5 2.1 五自由度工業(yè)機器人的主要參數(shù) . 5 2.2 五自由度工業(yè)機器人結(jié)構(gòu) . 5 2.3 五自由度工業(yè)機器人的動力計算 . 6 2.4 本章小結(jié) . 15 第 3章 機械臂的 Pro/E建模 . 16 3.1 創(chuàng)建零件 . 16 3.2 裝配 . 18 3.3 制作裝配動畫 . 19 3.4 本章小結(jié) . 21 結(jié)論 . 22 致謝 . 23 參考文獻(xiàn) . 24 附錄 A . 25 附錄 B . 錯誤 !未定義書簽。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 第 1章 緒論 1.1 課題背景 機器人工程是近二十多年來迅速發(fā)展起來的綜合學(xué)科。它集中了機械工程、電子工程、計算機工程、自動控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新研究成果，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，也是我國科技界跟蹤國際高科技發(fā)展的重要方面。工業(yè)機器人的研究、制造和應(yīng)用水平，是一個國家科技水平和經(jīng)濟(jì)實力的象征，正受到許多國家的廣泛重視。 目前，工業(yè)機器人的定義，世界各國尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國國際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機器人協(xié)會給工業(yè)機器人下的定義：工業(yè)機器人 是一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過改變動作程序，來完成各種工作，主要用于搬運材料，傳遞工件。參考國外的定義，結(jié)合我國的習(xí)慣用語，對工業(yè)機器人作如下定義 1： 工業(yè)機器人是一種機體獨立，動作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動化程度高的自動操作機械。主要用于加工自動線和柔性制造系統(tǒng)中傳遞和裝卸工件或夾具。 工業(yè)機器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運動速度，可以搬運更重的東西，而且定位精度相當(dāng)高，它可以根據(jù)外部來的信號，自動進(jìn)行各種操作。 工業(yè)機器人的發(fā)展，由簡單到復(fù)雜，由初級到 高級逐步完善，它的發(fā)展過程可分為三代： 第一代工業(yè)機器人就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人，它主要由手部、臂部、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡單，應(yīng)用在線編程，即通過示教存貯信息，工作時讀出這些信息，向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機構(gòu)按指令再現(xiàn)示教的操作。 第二代機器人是帶感覺的機器人。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進(jìn)行反饋的能力。其控制方式較第一代工業(yè)機器人要復(fù)雜得多，這種機器人從1980 年開始進(jìn)入了實用階段，現(xiàn)在已開始普及應(yīng)用。 第三代工業(yè)機器人即智能機器人。這種機器人除了具有觸覺、視覺等功 能外，還能夠根據(jù)人給出的指令認(rèn)識自身和周圍的環(huán)境，識別對象的有無及其狀態(tài)，再根據(jù)這一識別自動選擇程序進(jìn)行操作，完成規(guī)定的任務(wù)。并且能跟蹤工作對象的變化，具有適應(yīng)工作環(huán)境的功能。這種機器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應(yīng)用 2。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 1.2 工業(yè)機器人的組成 機械加工中使用的機器人大多是代替人上肢的部分功能，按給定的程序、軌跡和要求進(jìn)行工作。它主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)組成。 1. 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機器人完成抓取工件，實現(xiàn)各種運動所必需的機械部件，它包括手部、腕部、機身和行走機構(gòu)等。 (1) 手部：又稱手爪或抓取機構(gòu)，它直接抓取工件或夾具。 (2) 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變手部的工作方位。 (3) 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理荷重，并把它傳遞到預(yù)定的位置。 (4) 機身：是支承手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運動。 2. 驅(qū)動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅(qū)動其動力的裝置。常用的機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動。 3. 控制系統(tǒng)：通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號 。 4. 檢測系統(tǒng)：作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執(zhí)行機構(gòu)的運動情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定進(jìn)行比較，以保證運動符合要求 3。 1.3 工業(yè)機器人的分類 工業(yè)機器人的分類方法很多，這里主要以工業(yè)機器人的驅(qū)動方式、控制功能、編程方式、控制機構(gòu)、坐標(biāo)形式、自由度數(shù)以及抓取重量的不同進(jìn)行分類。 1. 按驅(qū)動方式分為液壓傳動，氣壓傳動和電動。 2. 按控制功能分為重復(fù)型和智能型。 重復(fù)型機器人能夠按照事前編制的程序重復(fù)自動的工作。目前，機械加工系統(tǒng)中應(yīng)用的工業(yè)機器人幾乎都是這種。 智能型機器人除具有重復(fù)型 的功能外，還具有視覺、觸覺、識別和判斷功能等。 3. 按編程方式分為可編程序式和示教再現(xiàn)式。 4. 按控制方式分為點位控制和連續(xù)軌跡控制。 點位控制是指機器人的運動，只控制空間點的位置，而不控制由一個定位點到另一個定位點之間的運動軌跡。 連續(xù)軌跡控制是指能控制機器人的運動軌跡為空間任意曲線。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 5. 按控制機構(gòu)分為開關(guān)型和佩服型。 開關(guān)型機器人是通過機械擋塊、行程開關(guān)等電器觸頭的開關(guān)動作，得到位置信號，從而控制運動部件定位。這種機器人結(jié)構(gòu)比較簡單，只能用于點位控制，難于實現(xiàn)復(fù)雜運動。 佩服型機器人是根據(jù)連續(xù)輸 入指令，經(jīng)過信號擴大，由佩服驅(qū)動機構(gòu)控制運動。通常采用位置檢測機構(gòu)，檢測機器人運動部件的位置和姿態(tài)變化，以控制機器人運動部件的準(zhǔn)確定位。這種機器人可獲得良好的運動特性，定位精度高，不僅適于點位控制，而且適于連續(xù)軌跡控制。 6. 按坐標(biāo)形式分為直角坐標(biāo)式機器人、極坐標(biāo)式機器人、圓柱坐標(biāo)式機器人和多關(guān)節(jié)式機器人。 7. 按自由度數(shù)分，機器人的自由度數(shù)越多，能用性就越廣，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。一般 4 到 6 個自由度即能滿足稍復(fù)雜的使用要求了。 8. 按抓取重量分大型、中型、小型和微型。 大型機器人的抓取重量為 100kg 以上；中 型機器人的抓取重量為 10100kg；小型機器人的抓取重量為 1 10kg；微型機器人的抓取重量為 1kg以下 4。 1.4 工業(yè)機器人主要技術(shù)性能參數(shù) 工業(yè)機器人的技術(shù)參數(shù)是說明其規(guī)格和性能的具體指標(biāo)。主要技術(shù)參數(shù)有如下： 1. 抓取重量： 抓取重量是用來表明機器人負(fù)荷能力的技術(shù)參數(shù)，這是一項主要參數(shù)。這項參數(shù)與機器人的運動速度有關(guān)，一般是指在正常速度下所抓取的重量。 2. 抓取工件的極限尺寸： 抓取工件的極限尺寸是用來表明機器人抓取功能的技術(shù)參數(shù)，它是設(shè)計手部的基礎(chǔ)。 3. 坐標(biāo)形式和自由度： 說明機器人機身、手部、腕部等共有的 自由度數(shù)及它們組成的坐標(biāo)系特征。 4. 運動行程范圍： 指執(zhí)行機構(gòu)直線移動距離或回轉(zhuǎn)角度的范圍，即各運動自由度的運動量。根據(jù)運動行程范圍和坐標(biāo)形式就可確定機器人的工作范圍。 5. 運動速度： 是反映機器人性能的重要參數(shù)。通常所指的運動速度是機器人的最大運動速度。它與抓取重量、定位精度等參數(shù)密切有關(guān)，互相影響。目前，哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 國內(nèi)外機器人的最大直線移動速度為 1000mm/s 左右，一般為 200400mm/s；回轉(zhuǎn)速度最大為 180/s，一般為 50/s。 6. 定位精度和重復(fù)定位精度： 定位精度和重復(fù)定位精度是衡量機器人工作質(zhì)量的一項 重要指標(biāo)。 1.5 課題的總體內(nèi)容 1.根據(jù)移動機構(gòu)的移動能力指標(biāo)，比較現(xiàn)有移動機構(gòu)的性能特點，確定移動機構(gòu)的最佳移動方式。 2.設(shè)計一個五自由度關(guān)節(jié)式機械臂。確定五自由度工業(yè)機器人的主要技術(shù)參數(shù)和傳動關(guān)系，并通過對工業(yè)機器人的動力計算為各部位選擇合適的驅(qū)動電機。 3.確定五自由度工業(yè)機器人設(shè)計計算機控制系統(tǒng)方案。 4.為所設(shè)計的五自由度工業(yè)機器人進(jìn)行 Pro/E 建模。 1.6 本章小結(jié) 本章主要介紹了本設(shè)計的課題背景，工業(yè)機器人的組成、分類和主要技術(shù)性能參數(shù)以及本設(shè)計的總體內(nèi)容。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 第 2章 機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 五自由度工業(yè) 機器人的主要參數(shù) 1. 自由度數(shù)： N 5 2. 抓取重量： P 250N 3. 手臂伸縮： L 500mm， v=0.5m/s 4. 手臂俯仰： 45， 30/s 5. 手臂回轉(zhuǎn)： 220， 30/s 6. 手腕擺動： 90， 60/s 7. 手腕回轉(zhuǎn)： 300， 120/s 2.2 五自由度工業(yè)機器人結(jié)構(gòu) 以 KUKA IR-662/100 型機器人為參照，具有五個自由度，有六個控制軸，采用直流伺服控制。圖紙 A1-04 為其傳動原理 圖： 1. 主要技術(shù)參數(shù) 表 2-1 技術(shù)參數(shù) 項目 技術(shù)參數(shù) 結(jié)構(gòu)型式 空間多關(guān)節(jié)式 自由度數(shù) 5 個 驅(qū)動方式 直流伺服電動機驅(qū)動 腕部最大重量 (抓取重量 ) 250N 操作方式 示教再現(xiàn) /脫線編程 (1) 采用空間多關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，工作范圍比其它結(jié)構(gòu)形式要大； (2) 軸控制機器人腰座旋轉(zhuǎn)，伺服電動機軸上的小齒輪旋動腰部軸承帶輪齒的內(nèi)環(huán)完成運動； 軸、 軸分別控制大小臂的運動，其傳動是通過滾珠絲杠螺母副來完成，傳動剛度高； 、 、 軸控制腕部運動，伺服電動機通過 ( 軸除外 )齒形帶輪、齒形帶輪副、諧波減速器等來完成腕部運動； (3) 對影響精度的主要傳動部分均采用錐滾子軸承，向心推力球軸承； (4) 腕關(guān)節(jié)傳動比分配采用先小后大的原則，諧波減速器放在最末一級，減少傳動零件的尺寸和重量； (5) 對細(xì)長管軸，大量采用焊接工藝，以減少機械加工量，降低成本； (6) 對大質(zhì)量零件均采用鋁材，如腕部全部采用高強度鑄鋁材料，從哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 而大大減輕整機重量 5。 表 2-2 傳動關(guān)系 軸號 傳動級數(shù) 第一級 第二級 第三級 第四級 第五級 2 諧波減速器 (i1) 齒輪 副(Z1/Z2) _ _ _ 1 滾珠絲杠螺母副 _ _ _ _ 1 滾珠絲杠螺母副 _ _ _ _ 5 同步帶(Z3/Z4) 齒輪副(Z11/Z12) 同步帶(Z13/Z14) 齒輪副(Z15/Z16) 蝸輪蝸桿(Z17/Z18) 3 同步帶(Z5/Z6) 齒輪副(Z9/Z10) 諧波減速器 (i3) _ _ 2 同步帶(Z7/Z8) 諧波減速器 (i2) _ _ _ 2. 平衡系統(tǒng) 由于自重、承重較大，工作時運動慣性亦較大，為使小臂接近靜平衡，將伺服電動機組件、齒形帶輪等大 質(zhì)量零部件布置在與腕部相對的另一端。在此質(zhì)量靜平衡的基礎(chǔ)上，機器人還配置氣動平衡系統(tǒng)，用兩組平衡氣缸分別對大臂、小臂進(jìn)行平衡。通過改變氣缸壓力來補償負(fù)荷變化對平衡的影響。氣動平衡系統(tǒng)除氣包外均放置在機器人外部。 2.3 五自由度工業(yè)機器人的動力計算 1. 手部夾緊力的計算 N 9.8 k1 k2 k3G ( N ) (2-1) G 抓取工件的重量（ kg） k1 安全系數(shù)，取 1.22.0 k2 工作狀況系數(shù)，可按 k2=1+ag計算 a 為機器人托運工件過程中的加速度的絕對值。 k3 方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選擇，這里選 k3=1.03 所以： N9.8 k1 k2 k3 G =250 1.2 1.2 1.03 370.8 ( N ) 2. 手指驅(qū)動力 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 P 2bNR (2-2) 5.172 8.370472 1991.7（ N） 蝸輪蝸桿傳動效率 1 0.97 銷的傳動效率 2 0.9 總傳動效率 1 2 0.97 0.9 0.873 實際驅(qū)動力 P 實 P873.0 7.1991 2281.4（ N） 圖 2-2 手指傳 動示意圖 3. 手指驅(qū)動電機的選擇 手指夾開的速度為 60/s，蝸輪蝸桿傳動比為 29： 1 (1) 考慮到傳遞的功率不大，轉(zhuǎn)速較低，選用 ZA 蝸桿傳動，精度 8c GB10089-88，蝸桿用 35CrMo，表面淬火，硬度為 45-85HRC，表面粗糙度 Ra1.6 um，蝸輪輪緣選用 ZCaSn10P1 金屬鑄造。 (2) 傳動比 i=12nn = 129 參考表機械設(shè)計手冊第二版，第四卷 表 35.5-5，取 Z1=1，Z2=iZ1=29 查表 35.5-6 選取 a=40,i=29,m=2 d1=22.4,Z1=1,Z2=29 蝸輪分度圓直徑： d2=mZ2=229=58 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 導(dǎo)程角 r=arctan 11Zmd (2-3) =arctan4.2221=5.1 蝸桿轉(zhuǎn)矩： P1 P 實 tg (2-4) 2281.4 tg5.1 203.6 N T 1 22.421000P 1000 2.116.203 2.28Nm 圖 2-3 蝸桿轉(zhuǎn)矩受力分析 蝸桿轉(zhuǎn)速 v1 60/s129=1740/s 290 r/min 30.35 rad/s 電動機功率： Pm（ 1.5 2.5） LP LPM MLP 負(fù)載峰值力矩（ Nm） LP 負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速（ rad/s） 傳動裝置的效率，取 0.70.9 Pm 2 LP LPM (2-5) 而 MLP T， LP v1， 0.8 Pm 28.0 35.3028.2 173 W 所以：查實用機械電氣技術(shù)手冊 電機篇表 13 15 選伺服電機型號為： 110SZ52,185W,1500r/min， 220V 選取同步帶 34ZZ 的傳動比為 34ZZ =1.875 齒輪副 1112ZZ 的傳動比為 1112ZZ =1.5 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 同步帶 1314ZZ 的傳動比為 1314ZZ =1 齒輪副 1516ZZ 的傳動比 為 1516ZZ = 15.1875.1290 1 5 00 =1.84 4. 腕擺電機的選擇 腕擺轉(zhuǎn)速 60/s 10 r/min 估計腕重為 50kg 總重 G (50+25.5) g 75.5 9.8 739.9 N F859.739 8.7N F 實 F8.07.8 10.88N 諧波效率 T T 實 252 10.88252 282.88Nmm 0.28Nmm 圖 2-4 腕擺力矩分析示意圖 腕擺 LP 10 85 850r/min 88.97rad/s Pm 2 LP LPM 28.0 97.8828.0 62.28W (MLP T， LP v1， 0.8) 所以：查實用機械電氣技術(shù)手冊電機篇表 13 15 選伺服電動機型號： 90SZ52， 1500 r/min， 80W， 220V 選取齒輪副 910ZZ 的傳動比為 910ZZ =1 諧波減速器 i3 的傳動比為 i3=80 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 同步帶 56ZZ 的傳動比為 56ZZ = 801101500 =1.875 5. 手腕回轉(zhuǎn)驅(qū)動電機的選擇： 手腕回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速 120/s 20 r/min 回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩： Mc Mga+Mf Mga 啟動（制動）的過程中的慣性力矩 Mga J0 wt w手臂回轉(zhuǎn)在啟動或制動過程中角速度的變化量，就是工作角速度， w w (rad/s) t 啟動或制動過程的時間 ( s ) J0 手部、腕部、臂部、機身及工件等回轉(zhuǎn)部件對機身回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 (kgm2) Mf 密封裝置處的摩擦阻力矩 (Nm) Mf gaM (2-6) 效率，取 0.85 0.9 J0= 24GDg 28060 1004gg 0.096kgm2 Mga J0wt 0.0963.01.2 0.672Nm Mc Mga+Mf (2-7) Mga+ gaM 0.672+9.0672.0 1.42Nm LP 20r/min 136.5rad/s Pm 2 LP LPM 28.0 5.13642.01 484.6 w 所以：查實用機械電氣技術(shù)手冊電機篇表 13 15 選取伺服電動機型號： 130SZ04， 3000r/min， 600W， 200V 選取諧波減速器 i3 的傳動比為 i2=80 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 同步帶 78ZZ 的傳動比為 78ZZ = 80203000 =1.875 6. 手臂回轉(zhuǎn)驅(qū)動電機的選擇： 回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速： 30/s 5 r/min 選取諧波減速器 i1 的傳動比為 i2=80 漸開線圓柱齒輪，模數(shù) (法面模數(shù) )m=1.5 齒數(shù) Z1=40， Z2=150 圖 2-5 手臂回轉(zhuǎn)示意圖 F 摩擦 Gf 550gf 550 9.8 0.1 539N r =2d 112mz2405.1 30 MLP F 摩擦 r 100030539 16.17Nm LP 5 r/min 21ZZ 0.52 rad/s40150 1.95rad/s Pm 2 LP LPM 28.0 95.117.16 78.8w 所以：查實用機械電氣技術(shù)手冊電機篇表 13 15 選伺服電動機型號： 90SZ52， 1500 r/min， 80W， 220V 電機轉(zhuǎn)速為 n 電 = i1 21ZZ (2-8) = 5 8040150=1500r/min 符合要求 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 7. 同步帶設(shè)計： (P=300W,n=3000 r/min) Pc=KAP=1.6 600 960W=0.96kW 參考表機械設(shè)計手冊第二版，第四卷表 33.1-50 取 載荷修正KA=1.6 選取 L 型，節(jié)距 Pb 9.525mm， Zmin 16 查表得： 小帶輪齒數(shù)： Z1 17 小帶輪節(jié)徑： d1=1bZP=14.3 525.917=51.54mm 小帶輪外徑：查得 d01 50.78 mm 大帶輪齒數(shù)： Z2=iZ1=1.875 17=31.875，取 Z2 32 大帶輪節(jié)徑： d2= 2bZP=14.3 525.932=97.02 mm 大帶輪外徑：查得 d02 96.26mm, 初定中心矩 a0=110mm 選同步帶長及齒數(shù)： LP0 2a0+ 122 dd + 22104dda 2 110+ 5 1 .5 4 9 7 .0 22 + 1104 54.5102.972 457.94mm 查表 33.1-47：選 LP 476.25 mm， Zb 50，代號： 187 理論中心距 aa0 + 0PP2LL 1102 94.45 725.47 6 119.2mm 故，選取中心距 a0=120mm 小帶嚙合齒數(shù)： Zn 211 126ddZ a (2-9) 1206 54.5102.972117 7.43 Znmin 6 基本額定功率： 查表 33.1-53 得 Ta=244.46N,m=0.095kg/m,bs0 =25.4mm 帶速 v= 116000dn= 5 1 .5 4 1 5 0 06000=4.05m/s P0= 26000aT mv v = 6 0 0 0 05.405.40 9 5.046.2 4 42 =0.99Kw 所需帶寬 bs 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 bs=bs01.140czPKP 由表 33.1-52 查得， L 型帶 bs0=25.4mm,Kz=1 bs=25.41.14 0.961 0.99=24.72mm 由表 33.1-48 查得，選帶寬代號為 100 的 L 型帶， bs=25.4mm 查表選雙邊擋圈， bf=26.7mm,t=1.5mm 帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸： 傳動選用的同步帶為 187L100 小帶輪： Z1=17， d1=51.54mm da1=50.78mm 大帶輪： Z2=32， d2=97.02mm da2=96.26mm 圖 2-6 雙邊擋圈示意圖 8. 大臂驅(qū)動絲桿的設(shè)計 估算：等效載荷 Fm=1000N,絲桿有效行程 270mm,等效轉(zhuǎn)速nm=1500r/min,要求使用壽命 L h =15000h 左右，工作溫度低于 100 ，可靠度 95%，精度為 3 級精度。 (1) 計算載荷 Fc=FK aK RK tK mF (2-10) 查機電液設(shè)計手冊上冊，表 15-21 得 FK=1.1，aK=1.0，RK=1.61，tK=1 Fc=FK aK RK tK mF =1.1 1.0 1.61 1 1000=1771N aC = mh3 c41 .6 7 1 0nL F 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 = 3 4 17711067.1 1 5 0 0 01500 =19559N (2) 選擇滾珠絲桿副的型號 主要尺寸為： 按 aC=19559N，查表 15-24，選用 FF3206-5 列 0d=32mm,nP=6mm,wD=4mm,d=30.9mm d 27 mm, aC =24000N , CK =1880N 螺旋導(dǎo)程角 = arctan0nPd=arctan 6 32=3251 螺桿不長，無需驗算穩(wěn)定性。 (3) 剛度驗算 按最不利情況考慮，即在螺距 (導(dǎo)程 )內(nèi)受軸向力引起的 彈性變形與受轉(zhuǎn)矩引起彈性變形方向一致，此時變形量為最大，計算公式為： S= 2124116 nTPGd+214 nFPEd (2-11) 式中 T1=mF02dtan(+v) =1000232 tan( 1253 + 408 )=996Nmm 磨擦系數(shù) f=0.025,當(dāng)量磨擦角v= 408 ， 剪切彈性模量 G=8.33 410 N/mm2 所以：S= 22 4 41 6 9 9 6 6 8 . 3 3 1 0 2 8 . 4 5 +524 1 0 0 0 6 2 . 0 6 1 0 2 8 . 4 5 =0.0107m 其中，危險截面1d=28.45， E=2.06 每米螺桿長度上的螺矩的彈性變形 ss = 3106 0107.0 =1.78 m /m( ss )p=15 m /m 因為滾球絲桿精度要求為 3 級精度，由表 15-8 查得 ( ss)p=15 m /m (4) 計算效率 = tantan v= 4081253tan1253tan =0.960=96% 9. 絲桿驅(qū)動電機的選擇 電機的轉(zhuǎn)速必須滿足絲桿的等效轉(zhuǎn)速 1500 r/min,選擇電機型號為：130SZ01， 2.26Nm， 1500r/min， 350W 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 10. 小臂絲桿和電機的選擇 設(shè)計原理與要求和大臂絲桿及電機相同，絲桿 型號為： FF3206-5 列，電機型號為： 130SZ016 2.4 本章小結(jié) 本章內(nèi)容主要確定了五自由度工業(yè)機器人的主要參數(shù)，對五自由度工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計并完成了五自由度工業(yè)機器人的動力計算。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 第 3章 機械臂的 Pro/E建模 Pro/ENGINEER 是世界上擁有用戶最多的三維 CAD 軟件，由美國PTC 公司出品，其軟件產(chǎn)品的總體設(shè)計思想體現(xiàn)了 MDA（ Mechanical Design Automation）軟件的新發(fā)展， Pro/ENGINEER 是一套又設(shè)計至生產(chǎn)機械自動化軟件，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個參數(shù) 化、基于特征的實體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫功能。 Pro/ENGINEER 其強大完美的功能，使其在工業(yè)造型設(shè)計、三維模型設(shè)計、計算分析、運動學(xué)分析、工程圖的輸出甚至加工成產(chǎn)品等各個方面都有所應(yīng)用 11。 三維建模的過程大致如下圖 3-1： 圖 3-1 建模過程 3.1 創(chuàng)建零件 1.運行 Pro/E 程序。 2.單擊 “新建 ”按鈕（圖 3-2），在 “新建 ”對話框中的 “類型 ”單選框中選取 “零件 ”,在 “名稱 ”一欄出輸入零件名稱，把 “使用缺省模板 ”前面的勾去掉，單擊 “確定 ”(圖 3-3)。選擇 “mmns_part_solid”,然后單擊 “確定 ”（圖 3-4）。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 17 圖 3-2 文件 圖 3-3 新建 圖 3-4 新文件選項 3.單擊 “拉伸 ”按鈕 ，點選 “放置 ”“ 定義 ”（圖 3-5） ,選擇 FRONT面，單擊 “草繪 ”（圖 3-6） ,進(jìn)入草繪平面。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 圖 3-5 草繪選項 圖 3-6 放置 4.單擊 “創(chuàng)建圓 ”按鈕 ，在草繪平面內(nèi)分別畫 2 個圓（圖 3-7），單擊“確認(rèn) ”按鈕 。 圖 3-7 草繪圖 5.在 “深度值 ”處輸入 3（圖 3-8），單擊 “確認(rèn) ” 。 圖 3-8 設(shè)置深度值 6.保存文件，完成建模。 3.2 裝配 1.運行 Pro/E 程序。 2.單擊 “新建 ”按鈕（圖 3-2），在 “新建 ”對話框中的 “類型 ”單選框中選哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 19 取 “組件 ”,在 “名稱 ”一欄出輸入零件名稱，把 “使用缺省模板 ”前面的勾去掉，單擊 “確定 ”(圖 3-3)。選擇 “mmns_asm_design”,然后單擊 “確定 ”（圖 3-9）。 3.單擊 “將元件添加到組件 ”按鈕 ，選擇零件。 4單擊 “放置 ”,選擇 “缺省 ”（圖 3-10），確定。 圖 3-9 新文件選項 圖 3-10 放置定義 5重復(fù)第 3 步，添加零件。 6使用約束將第 2 個零件裝配到第一個零件上。 7重復(fù)第 3 步與第 6 步，將所有零件都裝配在一起。 8保存文件，完成裝配。 3.3 制作裝配動畫 1.運行 Pro/E 程序，打開已經(jīng)裝配好的文件。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 2.選擇 “應(yīng)用程序 ”下的 “動畫 ”，進(jìn)入動畫制作界面。 3.單擊 “主體定義 ”按鈕 ，選擇 “每個主體一個零件 ”（圖 3-11） 圖 3-11 創(chuàng)建主體 4.單擊 “創(chuàng)建新關(guān)鍵幀序列 ”按鈕 ，在單擊 “編輯或創(chuàng)建快照 ”（圖 3-12），用 “主體拖動 ”對個別零件進(jìn)行移動。然后點擊拍照按鈕 ，重復(fù)移動和拍照（ 圖 3-13）。 5.單擊 “啟動動畫 ” ，運行動畫。 6單擊 “回放 ” ，選擇 “捕捉 ”“ 確定 ”,動畫被保存到組件所在的目錄下，完成。 圖 3-12 關(guān)鍵幀 圖 3-13 拖動 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 圖 3-14 機械臂裝配圖 3.4 本章小結(jié) 建立了機械手的三維模型，對機械手運動學(xué)和動力學(xué)性能進(jìn)行了仿真研究，分析了運動部件之間的相對關(guān)系，完成了機械手抓取不同目標(biāo)物時的運動學(xué)、動力學(xué)仿真；機械手采用液壓驅(qū)動方式，驅(qū)動力大、結(jié)