二自由度機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

1、自由度機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真學(xué)院：機械與車輛學(xué)院專業(yè)：機械電子工程姓 名：學(xué) 號：指導(dǎo)老師：職 稱： 教授二自由度機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真摘要并聯(lián)機器人有著用聯(lián)機器人所不具有的優(yōu)點，在應(yīng)用上與串聯(lián)機器人形成互補關(guān) 系。二自由度并聯(lián)機器人是并聯(lián)機器人家族中的重要組成部分，由于結(jié)構(gòu)簡單、控制方 便和造價低等特點，有著重要的應(yīng)用前景和開發(fā)價值。本論文研究了一種新型二自由度 平移運動并聯(lián)機構(gòu)，該并聯(lián)機構(gòu)采用類五桿機構(gòu)，平行四邊形剛架結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，可有效 地消除錢鏈間隙，提高動平臺的工作性能，同時有抵抗切削顛覆力矩的能力。根據(jù)該二自由度平面機構(gòu)的工作空間，利用平面幾何的方法求得連桿的長度，并通 過Pro/E

2、軟件進行仿真檢驗，并通過軟件仿真的方式，優(yōu)化連桿長度，排除奇異點，同 時合理設(shè)計機械結(jié)構(gòu)的尺寸，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計。對該二自由度并聯(lián)機器人，以Pro/E為平臺，建立兩自由度平移運動并聯(lián)機器人運 動仿真模型，驗證了機構(gòu)的實際工作空間和運動情況。最后指出了本機構(gòu)的在實際中的 應(yīng)用。并使用AutoCAD軟件進行了重要裝置和關(guān)鍵零彳的工程圖繪制工作，利用 ANSYS 軟件分析了核心零件的力學(xué)性能。研究結(jié)果表明，本文所設(shè)計的二自由度機器人性能良 好、工作靈活，很好地滿足了設(shè)計指標要求，并已具備了一定的實用性。關(guān)鍵詞：二自由度；并聯(lián)機器人；仿真；結(jié)構(gòu)設(shè)計； Pro/E2-DOF robot structure

3、design and simulationAbstractParallel robot has a series of advantages of the robot does not have to form a complementary relationship between the application and the series robot. The 2-DOF parallel robot is an important part of the family of parallel robots. The structure is simple, convenient and

4、 cost control and low, with significant potential applications and the development value. In this thesis, a new 2- DOF translational motion parallel mechanism, the analogous mechanismfor class five institutions, parallelogram frame structure, which can effectively eliminate the hinge gap and improve

5、 the performance of the moving platform, while resistance to cutting subvert the torque capacity.The working space of the 2-DOF planar mechanism, the use of plane geometry to obtain the length of the connecting rod, and the Pro/E software simulation test, and software simulationto optimize the conne

6、cting rod length,excludingthe singular point, while the size of the rational design of mechanical structure, complete the structural design. And important equipment and key parts of the engineering drawings using AutoCAD software, using ANSYS software to analyze the mechanical properties of the core

7、 parts.The 2-DOF parallel robot to the Pro/E platform, the establishment of the 2-DOF of translational motion parallel robot simulation model to verify the organization's actual work space and movement. Finally, this institution in the practical application. The results show that the combination

8、 of good motor performance of the 2-DOF parallel robot , good to meet the index requirements, and already have a certain amount of practicality.Keywords: 2-DOF; parallel robot; simulation; structural design; Pro/E1前言11.1 本課題的研究背景及意義 11.1.1 什么是機器人 11.1.2 機器人技術(shù)的研究意義 11.2 機器人的歷史與發(fā)展現(xiàn)狀 21.2.1 機器人的發(fā)展歷程 21

9、.2.2 機器人的主要研究工作 31.2.3 少自由度機器人的發(fā)展歷程 41.3 本課題的研究容 52二自由度機器人系統(tǒng)方案設(shè)計 72.1 二自由度并聯(lián)機器人機構(gòu)簡介 72.2 執(zhí)行機構(gòu)方案設(shè)計及分析 73二自由度機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動分析 83.1 已知設(shè)計條件及參數(shù) 83.1.1 連桿機構(gòu)自由度計算 83.1.2 五桿所能達到的位置計算 83.2 對機構(gòu)主體部分的運動學(xué)逆解分析 103.2.1 位置分析 103.2.2 速度與加速的分析 113.3 受力分析 124基于Pro/E軟件環(huán)境下二自由度機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 164.1 Pro/E軟件簡介 164.2 驅(qū)動元器件的選擇 174.2.1

10、 步進電機的選擇 174.2.2 聯(lián)軸器選擇 184.3 平面連桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定 194.4 輸入軸的設(shè)計 204.5 安裝支架的參數(shù)確定 215基于Pro/E軟件環(huán)境下的機器人裝配及動態(tài)仿真 235.1 虛擬裝配過程 235.1.1 連桿機構(gòu)的裝配 235.1.2 安裝支架的裝配 245.1.3 完成二自由度機器人的最終裝配 245.2 基于Pro/E軟件環(huán)境下的動態(tài)仿真 256基于AutoCAD軟件環(huán)境下的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 316.1 AutoCAD軟件簡介 316.2 平面連桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 326.3 機架的結(jié)構(gòu)部件圖繪制 336.4 二自由度機器人工程圖繪制 347基于Ansys軟件

11、環(huán)境下的有限元分析 367.1 Ansys軟件簡介 367.2 對輸入軸的有限元分析 377.3 對輸入連桿的有限元分析 378總結(jié)與展望408.1 課題研究工作總結(jié) 408.2 研究展望 41參考文獻42致 44附錄（一） 45附錄（二）53機器人技術(shù)是一門光機電高度綜合、交叉的學(xué)科，它涉及機械、電氣、 力學(xué)、控 制、通信等諸多方面。機器人技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)該說是利用科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個綜合性的 結(jié)果，同時，也是為社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了重大影響的一門科學(xué)技術(shù)。隨著社會的發(fā)展， 人們不斷探討自然、改造自然、認識自然過程中，實現(xiàn)人們對不可達世界的認識和改造， 這也是人們在科學(xué)技術(shù)發(fā)展過程中的一個客觀需要。

12、1.1 本課題的研究背景及意義1.1.1 什么是機器人機器人（Robot）的研究是由仿生學(xué)、機械工程學(xué)和控制工程學(xué)等多學(xué)科相互融合而 形成的一門綜合性學(xué)科，它代表了機電一體化的最高成就，所研究的機器人是一種能夠 代替人從事多類工作的高度靈活的自動化機械，而機器人技術(shù)研究的一個主要目的就是使其能夠代替人勞動，能夠靈活自如地完成人所能完成的和難以勝任的工作。1.1.2 機器人技術(shù)的研究意義機器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展不僅使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)發(fā)生根本性的變化，而且對人類的社會生活也產(chǎn)生了深遠的影響。最初人們應(yīng)用開環(huán)串聯(lián)作為機器人操作機，因為它們具 有像人手臂一樣的廣闊運動空間以及靈活機動性等優(yōu)點，但由于它們是

13、懸臂結(jié)構(gòu)，故承 載能力差，在重載情況下容易彎曲變形，在高速運動時容易振動，且精確定位能力也不 理想；后來人們觀察生物世界，發(fā)現(xiàn)動物肢體由多個并行的腿支撐，負載時平穩(wěn)，人類 自身用雙手配合拿起重物時也較單臂時輕松，三個并行手指精確的使用能夠完成像書寫 這樣的精細工作，人類從中受到啟迪，開始研制并聯(lián)機器人，并希冀并聯(lián)機器人具有較 好的剛性和定位能力，從而更大限度滿足人們生活娛樂的需要 10近20年來并聯(lián)機器人備受人們關(guān)注，越來越多的國外學(xué)者開始從不同方向從事并 聯(lián)機器人技術(shù)的研究工作，越來越多的并聯(lián)機器人在機械加工、仿生、軍事、醫(yī)療、生 物、宇航和海洋工程等領(lǐng)域得到應(yīng)用作為一種先進的生產(chǎn)工具，利用

14、機器人不僅能夠完 成大量簡單重復(fù)性工作，而且可以完成許多以前必須通過人工才能完成的復(fù)雜工作，在 提高效率的同時改善了質(zhì)量。但傳統(tǒng)的串聯(lián)機器人存在關(guān)節(jié)誤差累積效應(yīng)、末端執(zhí)行器 剛度較低和負載驅(qū)動能力有限等問題，這都限制了串聯(lián)機器人在實際應(yīng)用中的性能。為了彌補串聯(lián)機器人的不足，人們提出了一種新型的具有多運動鏈結(jié)構(gòu)的機器人一一并聯(lián)機器人。從機構(gòu)學(xué)上看，并聯(lián)機器人具有運動慣量低、剛度大、負載能力強等優(yōu)點，這 恰恰彌補了串聯(lián)機器人的不足，使得并聯(lián)機器人成為一個潛在的高性能運動平臺。由于實際應(yīng)用的需要，目前對機構(gòu)簡單、驅(qū)動元件少、成本低、工作空間比較大的 少自由度機構(gòu)的研究，已成為機構(gòu)學(xué)領(lǐng)域的一個熱點問題

15、。目前，國際學(xué)術(shù)界和工程界 對研究和開發(fā)并聯(lián)機床非常重視，對這種新型數(shù)控裝備的工程應(yīng)用前景和市場潛力極為 樂觀，紛紛投入人量人力和物力競相開發(fā)，并從 20世紀90年代初以來相繼推出多種結(jié) 構(gòu)相似而名稱各異的產(chǎn)品化樣機。隨著并聯(lián)機器人技術(shù)的發(fā)展，少自由度并聯(lián)機構(gòu)因其 結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟，引起了許多學(xué)者的廣泛興趣。1.2 機器人的歷史與發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 機器人的發(fā)展歷程并聯(lián)機器人的出現(xiàn)可以追溯至 20世紀30年代。1931年，Gwinnett2在其專利中提 出了一種基于球面并聯(lián)機構(gòu)的娛樂裝置，如圖1.1所示；1940年，Pollard 3在其專利中提出了一種空間工業(yè)并聯(lián)機構(gòu)，用于汽車的噴漆；如圖 1

16、.2所示；之后，Gough4在 1962年發(fā)明了一種基于并聯(lián)機構(gòu)的六自由度輪胎檢測裝置；如圖 1.3所示；三年后， Stewart 5首次對Gough發(fā)明的這種機構(gòu)進行了機構(gòu)學(xué)意義上的研究，并將其推廣應(yīng)用為 飛行模擬器的運動裝置，如圖1.4所示，且把它命名為 Gough-Stewart機構(gòu)或Stewart 機構(gòu)，目前“ Stewart Platform ”已成為并聯(lián)機器人領(lǐng)域中使用最多的名詞之一。圖1.3 Gough并聯(lián)機構(gòu)圖1.4 Stewart并聯(lián)機構(gòu)近幾十年來，德國、意大利、法國及英國的機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較快。目前，世界上機器人無論是從技術(shù)水平上，還是從己裝備的數(shù)量上，優(yōu)勢集中在以美日為代

17、表的少數(shù) 幾個發(fā)達的工業(yè)化國家。我國工業(yè)機器人起步于20世紀70年代初，大致可分為三個階段：70年代萌芽期，80年代的開發(fā)期，90年代的實用化期。1965年美國的D.Stewart發(fā)明了六自由度并聯(lián)機構(gòu)并用于飛行模擬器中訓(xùn)練飛行 員；澳大利亞著名機構(gòu)學(xué)教授 K.H.Hunt6在1978年提出可以應(yīng)用6自由度的Stewart 平臺機構(gòu)作為機器人機構(gòu)將并聯(lián)機構(gòu) Parallel Manipulator用于機器人手臂并提出多種形式的并聯(lián)結(jié)構(gòu)對其可行性進行了系統(tǒng)研究。自1978年Hunt提出并聯(lián)機器人結(jié)構(gòu)模型以來，并聯(lián)機器人的研究受到許多學(xué)者的關(guān)注，美國、日本先后有 Rooney Ficher、 Du

18、ffy Sugimoto 等一批學(xué)者從事研究；英國、彳惠國、俄羅斯等一批歐洲國家也在研究 Ficher對六自由度并聯(lián)機器人機構(gòu)的基礎(chǔ)理論、基本結(jié)構(gòu)及其奇異性等。國燕山大學(xué)的 黃真教授自1982年以來在美國參加了此項容的研究，并于1983年取得了突破性的進展。 在國，黃真教授在并聯(lián)機器人方面做出了較突出的貢獻，1991年他研制出我國第一臺六 自由度并聯(lián)機器人樣機，如圖1.5所示；1994年又研制出柔性銀鏈并聯(lián)式六自由度機器 人誤差補償器，如圖1.6所示；然后在1997年出版了我國第一部關(guān)于并聯(lián)機器人理論 及技術(shù)的專著。圖1.5并聯(lián)機器人樣機圖1.6機器人誤差補償器迄今為止，多自由度機械手的樣機各

19、種各樣，包括平面、空間不同的自由度的機構(gòu) 以及超多自由度并串聯(lián)機構(gòu)。大致說來，60年代曾用來開發(fā)飛行模擬器，70年代提出 并聯(lián)機械手的概念，80年代末期開始研制并聯(lián)機器人機床，90年代利用并聯(lián)機構(gòu)開發(fā) 起重機。日本的田和雄、山勝等人則利用并聯(lián)機構(gòu)開發(fā)宇宙飛船空間對接器等。1.2.2 機器人的主要研究工作多自由度機械手的理論研究涉及到許多現(xiàn)代控制、現(xiàn)代測量、建模仿真等科技。因 此，有大量理論研究工作在深入進行。目前，主要的研究工作有以下幾個方面：1 .設(shè)計理論研究。由于有些機械手具有作業(yè)空間小和奇異點多的不足，目前理論的研究有是圍繞著擴大作業(yè)空間、改善靈活性、回避奇異點的運動特性和運動規(guī)律，這涉

20、 及到結(jié)構(gòu)學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)、機構(gòu)學(xué)、數(shù)學(xué)等研究領(lǐng)域。2 .控制技術(shù)研究。目前對控制方法、控制精度、數(shù)控編程等方面分別進行了研究， 其關(guān)鍵技術(shù)是通過機械手各個驅(qū)動桿的控制，實現(xiàn) X軸、Y軸和Z軸的控制，使指定點 精確地到達指定位置。3 .誤差分析研究。由于存在著許多其它影響精度的因素，如制造和安裝誤差，連接 桿上下較接處的間隙，桿長偏差對動平臺位置精度的影響等等。一些學(xué)者對此進行了專 門的研究并建立了相應(yīng)的精度分析模型。近年來，隨著控制控制理論和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，以機器人為核心的自動化生產(chǎn)設(shè)備成為現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)的一個重要支柱，它大大提高了生產(chǎn)的質(zhì)量和效率。由于機器人 在生產(chǎn)、生活等方面的廣泛應(yīng)用

21、，對機器人的控制研究一直是該領(lǐng)域?qū)＜业难芯恐攸c。1.2.3 少自由度機器人的發(fā)展歷程在并聯(lián)機器人機構(gòu)體系中，有著多種機構(gòu)種類劃分方法，按照自由度劃分，有 2個 自由度、3個自由度、4個自由度、5個自由度和6個自由度并聯(lián)機器人，其中25個自 由度機器人被稱為少自由度機器人；按照機器人機構(gòu)結(jié)構(gòu)劃分，可分為平面結(jié)構(gòu)機器人、 球面結(jié)構(gòu)機器人和空間結(jié)構(gòu)機器人。多自由度機械手以其獨特的結(jié)構(gòu)和先進的控制技 術(shù)，其在生產(chǎn)生活中的地位越來越重要。當(dāng)制造業(yè)面臨全球市場競爭，必須以快速響應(yīng) 求生存、求發(fā)展的時候，機械手的一些優(yōu)點具有明顯的市場潛力和良好的發(fā)展前景就顯 現(xiàn)了出來?，F(xiàn)代社會對工業(yè)機器人的操作性能和運行速

22、度的要求不斷提高，實際工程應(yīng) 用的要求促使人們?nèi)パ芯烤哂袆偠群谩⑦\行速度快負載能力強的新型機器人。80年代以來世界各國紛紛開展基于并聯(lián)機構(gòu)機器人的研究與開發(fā)并在部分場合得到了應(yīng)用。但是目前仍然存在著工作空間較小、運動圍有限的缺點。因此，如何做工作空間較大的工 業(yè)機器人臂、如何開發(fā)具有高速重載特點的機器人，也就是說具有新的功能特點的并用 聯(lián)復(fù)合機器人，這是個值得深入研究和探討的問題。由于多自由度的機器人存在建模困難、運動耦合和對元件精度要求高等不足，而且 在許多情況下用戶并不需要六自由度機械手，低于六自由度即可滿足實際要求。因此， 近年來一些少自由度并聯(lián)機構(gòu)成為新的研究熱點，少自由度機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)

23、簡單、造價低 等特點，在實際領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。許多學(xué)者研究了少自由度機構(gòu)，有兩轉(zhuǎn)動 一平動、三轉(zhuǎn)動兩平動、兩轉(zhuǎn)動兩平動機構(gòu)等，科技大學(xué)研制并出了平面2自由度驅(qū)動冗余并聯(lián)機器人樣機，如圖1.7所示，通過增加一個串聯(lián)分支同時增加一個驅(qū)動，構(gòu) 建了平面2自由度驅(qū)動冗余并聯(lián)機器人，這種驅(qū)動冗余并聯(lián)機器人的特點在于能克服瞬 時自運動奇異而改善機構(gòu)的靈巧性，同時減小了原非驅(qū)動冗余機構(gòu)的理論可達工作空 問。由于驅(qū)動冗余可以改善機器人力傳遞的一致性，既減少了工作空間的奇異，同時增加了機器人的承載能力和剛度，能夠有效完成非冗余并聯(lián)機器人的工作任務(wù)，所以,平面2自由度驅(qū)動冗余并聯(lián)機器人可以完成平面上點的定

24、位，實現(xiàn)平面任意軌跡圖1.7平面2自由度驅(qū)動冗余樣機圖1.8汽車變速器球面機器人機構(gòu)是一種各轉(zhuǎn)動軸線相交于一點的空間機構(gòu)，由于制造相對簡單經(jīng) 濟，結(jié)構(gòu)緊湊，特別適用于空間姿態(tài)變化的地方，因而球面機構(gòu)在工業(yè)上得到了比較廣 泛的應(yīng)用，如廣泛使用的萬向節(jié)就是最典型的球面四桿機構(gòu)，大多數(shù)實用的機器人的手 腕就是一個球面三桿開鏈機構(gòu)，如圖 1.8所示的作為汽車變速器為一種球面 5R并聯(lián)機 構(gòu)。這些少自由度機構(gòu)的出現(xiàn)，大大豐富了并聯(lián)機器人的機理，拓寬了這些新機犁的應(yīng) 用前景。但有些少自由度機構(gòu)的許多結(jié)構(gòu)、運動學(xué)等辦面的性質(zhì)尚未被認識，目前國外 現(xiàn)有的空間機構(gòu)綜臺與組成原理上不成熟，仍存在許多及待解決的問題

25、。因此分析少自 由度機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性及運動特性，對少自由度機構(gòu)的應(yīng)用具有重要的理論意義，而且具 有極高的研究價值7 。1.3 本課題的研究容本課題的預(yù)期目標是首先對兩自由度平移運動并聯(lián)機構(gòu)的自由度數(shù)進行理論上的 證明和仿真驗證。在此基礎(chǔ)上對機器人工作空間進行詳細分析，研究工作空間的區(qū)域， 面積與機構(gòu)尺寸間的關(guān)系，并根據(jù)各項性能跟機器人機構(gòu)尺寸的關(guān)系，進行并聯(lián)機器人 結(jié)構(gòu)設(shè)計。最后對其進行運動學(xué)的仿真，驗證并聯(lián)機器人的工作空間和運動情況。本論 文的主要研究容如下：第1部分闡述課題的研究背景和意義，綜述國外相關(guān)領(lǐng)域研究情況，論述了本課題 研究的主要容。第2部分介紹了兩自由度平移運動并聯(lián)機器人結(jié)構(gòu)，

26、并對它的自由度進行了理論證 明和仿真驗證，確定機構(gòu)的執(zhí)行方案及機械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方案，為具體結(jié)構(gòu)設(shè)計做好準備。第3部分在機構(gòu)尺寸模型的基礎(chǔ)上，詳細地討論了有效工作空間的形狀，面積大小 與機構(gòu)尺寸的關(guān)系，求出機構(gòu)在運動平面的等效桿長，并在 Pro/E軟件環(huán)境下，建立模 型，通過計算、仿真優(yōu)化機構(gòu)尺寸。最后設(shè)計整體機械結(jié)構(gòu)，并使用 Pro/E模擬仿真。第4部分AutoCAD件環(huán)境下對各個機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計， 并確定該并聯(lián)二自由度機 構(gòu)的驅(qū)動元件。第5部通過以Ansys,對主要機構(gòu)，即連桿機構(gòu)強度進行分析驗證。最后指出了本高剛度兩自由度平移運動并聯(lián)機器人的實際應(yīng)用。2二自由度機器人系統(tǒng)方案設(shè)計2.1 二自

27、由度并聯(lián)機器人機構(gòu)簡介二自由度并聯(lián)機器人機構(gòu)（如圖2.1 ）,將兩電機設(shè)置在固定支架上，固定平臺與作 兩自由度平移運動的運動平臺通過兩條運動支鏈并形成一個封閉的結(jié)構(gòu)。 可以在水平面 的X和Y軸上移動，并保證平面上的一點可以到達一定圍（200M80/長X寬）的任何一 個位置。該機構(gòu)中有兩根桿是平行四邊形桿，用以保證平面的運動形式。圖2.1二自由度并聯(lián)機器人機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖2.2 執(zhí)行機構(gòu)方案設(shè)計及分析移動架的主體部分是由主動連桿和中間連桿組成的。主動連桿有兩根，安裝在連桿 安裝座上。一側(cè)的主動連桿是一個平行四邊形機構(gòu)，用以保證運動的準確性。主動連桿 由電機驅(qū)動。系統(tǒng)的主體部分是一個二自由度的類五桿機

28、構(gòu)，由于其特殊的結(jié)構(gòu)，它具有以下特 點' 八、1 .根據(jù)結(jié)構(gòu)布局特點，四根連桿近似成對稱分布，便于加工、裝配和保證配精度要 求。2 .采用平行四邊形剛架結(jié)構(gòu)，可有效地消除錢鏈間隙，提高動平臺的工作性能。同 時有抵抗切削顛覆力矩的能力，進而有利于改善整機結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)特性。3 .該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，采用伺服電機驅(qū)動，具有較高的實用價值。3二自由度機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動分析3.1 已知設(shè)計條件及參數(shù)根據(jù)平面連桿機構(gòu)的機構(gòu)運動簡圖和已知的工作空間參數(shù)200M80mm經(jīng)過計算、分析，設(shè)定其他已知參數(shù)，如兩電機間距、初始位置以及主動桿件的擺角圍等，求解連 桿長度。3.1.1 連桿機構(gòu)自由度計算小叫那

29、叫圖3.1連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖類五桿并聯(lián)連桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖 3.1所示，工作機構(gòu)位于中間三角形部分，為 滿足工作條件，需要L1, L4兩個桿件主動運動，即可控制工作機構(gòu)在所需空間運動。由圖3-1可知，本機構(gòu)包括8個活動構(gòu)件，11個轉(zhuǎn)動副，由自由度的計算公式 F=3n-(2Pl+Ph)可知，整體自由度為F=3>8-2 X1=2。機構(gòu)整體自由度為2,符合要求。 3.1.2五桿所能達到的位置計算選取圖3.2所示五連桿為模型。已知五桿桿長 AB BG CD DE EA分別為L1、L2、 L3、L4、L5在五連桿運動過程中，欲求出點 C的運動軌跡域，需先找出點 C的幾個極 值位置的點，分析可知點C

30、可達到的距固定較支點A的最遠距離為以點A為圓心以11+ 12 為半徑的圓，同樣可達到的距較支點 E的最遠距離為以E點為圓心，以l3+ l 4為半徑的 圓，而點C可達到的距固定較支點 A的最近距離為以點A為圓心以1i-12為半徑的圓區(qū) 域，同樣可達到的距較支點 E的最近距離為以E點為圓心，以l 3-14為半徑的圓，如圖rl| l2 l13.2所示，現(xiàn)令2r3l2 l1l3 l4r4l3l4根據(jù)上述原理，選定工作空間為200 X180mm對4桿進行研究，L1的工作空 間是半徑為L1的圓域（設(shè)為圓1）, L2 的工作空間在以半徑L1+L2為半徑的圓 2和圓1間，L3的工作空間是半徑 為L3的圓域（設(shè)

31、為圓3）, L4的工作空 間在以半徑L3+L4為半徑的圓4和圓3 間。由于三角形連接中的工作空間已知， 又機構(gòu)做平動，由上述約束條件加上實 際情況的附加條件可得到一系列的驅(qū)動尺寸,圖3.2類五桿機構(gòu)簡圖最后得到從動尺寸L1、L2和H （矩形工作空間下邊線與水平軸L5的垂直距離。作圖過程中，需要考慮桿會干涉的點）。作圖步驟：建立200M 80mmi勺矩形ABCD使AB=CD=180mm#慮到工作面是個三角形，估ABCD向右平移25mml到L2端點的工作空間。以O(shè)為端點建立水平軸，以。為圓心，以L1和L2為（目前均未知）半徑畫同心圓， 其中圓2過BC中點。L2端點的工作空間就在圓1和圓2間。同理在

32、水平軸上取一點為 圓心做半徑為L3, L4的同心圓，使圓 4距AB邊20mm在上述約束條件下，驅(qū)動L1、L2以及AD與水平軸的垂直距離H有了取值方向，考 慮到實際情況中，桿間角度不宜過小，甚至干涉。做兩處調(diào)整：使約束 L2端點的工作 空間與圓1有一定距離，從而避免L1和L2干涉，考慮到L3和L4的平行桿間比L1和 L2更容易干涉，使整體工作空間往左偏移中線 20mm通過上述尺寸預(yù)算，再經(jīng)過Pro/E的模擬，進行尺寸的確定、驗證、排除奇異點等。 最后確定各值如圖3-3。由圖 3.3 可知，L1=243mm L2=237mm L3=175mm L4=195mm L5=690mm圖3.3連桿長度示意

33、圖3.2 對機構(gòu)主體部分的運動學(xué)逆解分析圖3.4五桿構(gòu)件運動學(xué)分析參考圖3.2.1 位置分析如圖3.4所示，由于機才的特殊性，。點平動，其運動和受力同C點一致，為了簡 化計算過程，可分析C代替。點，期中11, 12, 13, 14, 15代表五桿桿長，兩原動件相位角為1和4,角速度為1和4,角加速為1和4。C點的位置為Xc,yc ,則C點的位置方程為xcxb l2 cos 2 xd l3 cos 3(3.1 )已知：原動件為桿1和桿4, l 1, I2,|3, l 4和| 5為五桿構(gòu)件的桿長尺寸，運動輸出點C的位置xc, yc、速度Xc，Vc和加速度Xc，yc ,求兩原動件的位置，角速度1、

34、4,角加速為由圖3.2可知,B點的位置坐標為XbXaVbVa11 cos11 sin(3.(2)Xc2XaVcVa12 ll;BoxcXal1 ；CoVcVa(3.1 )和式（3.2）聯(lián)立可得AoBo cos 1 Co sin 1 0(3.(3)Vc Vbl2sin 2Vd hsin 3tan 1/2 ,并將其帶入式（3.3）,可得CC2 B2 A2A B4,這樣也就求出了 B D2arctanT ,1有兩組解。同理可以求出 2點的坐標。形式。因為五桿機構(gòu)的位置逆解是唯一的，取哪一組解取決于五桿機構(gòu)的初始位置3.2.2 速度與加速的分析對式（3.1 ）和式（3.2）求導(dǎo)，聯(lián)立得XcXa1l1

35、sin 12l2 sin 2VcVa1l1 cos 2212 cos 2(3.4)由式（3.4）可得yc Va sin 2XcxA cos 22l2sin 22l 2 cos 22.2l2 cos 212對式1ycVa11sin 1 sin 1Xc2Xa COs 12(3.4)求導(dǎo)，Xc XaVc Va11sin1覆 w111 sin111 cos1122.111 cos 12.111 sin 12.2l2sin 2(3.5)由式(3.5)可得Vayc sin 2 XaXc cos 221l1cos 12l22 l211l1 sin12同理可以求得4和4的值。通過Pro/E仿真模擬可以得到速度

36、與加速的值3.3 受力分析下圖，圖3.5為帶有牛頓參考系的二自由度平面五桿機構(gòu)動力學(xué)建模簡圖，e、62、e3為空間3個方向的單位矢量.已知各桿桿長為:、I2、I3、I4和I5,假設(shè)質(zhì)心位置處于桿長的1/2處，載荷F作用在C點處，大小不變，方向與C點的速度方向相反.，且 已知主動件（兩連架桿）的運動規(guī)律，構(gòu)件的質(zhì)量和繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量。我們的目的是 通過列出動力學(xué)方程來求出作用在驅(qū)動桿件上的平衡力矩。約定各構(gòu)件質(zhì)心代號為1、2、3、4,求解過程如下。1.求各質(zhì)心點、外力作用點的偏速度和各剛體偏角速度。以構(gòu)件11、14的角位移14為獨立變量可構(gòu)成完整的多剛體系統(tǒng),Kane方程用廣義速率u11、U24

37、來描述系統(tǒng)。10U©得iie3 ,12U11U24©3U233 得414U10，424U2e3又由質(zhì)心1處的速度V1Ui 卜 e2 cos21 e sin 1 得V11l1e2 cos 1 e sin 1 2V12V1U2V41V414u2e2 cos2V43V4U214e2 cos 4 2e1 sin 4構(gòu)件3、4的偏速度、偏角速度可由約束條件獲得，把機構(gòu)虛擬成封閉的矢量圖,可得對式11 cos11 sin12 cos 212 sin 215 14cos 4 13 cos 314 sin 4 13sin(3.6)(3.6)兩端求導(dǎo)得111sin 1212 sin111co

38、s 1212 cos2414sin 42414 c0s 43I3 cos3(3.7)3由式(3.7)可得e3u214 sin43u111sin 112sin 23u111 sin12u214 sin243;:QLsin 32從而212u111 sin12sin 23e33222U214 sin412 sin23-e33313U111 sin 1Isin2e32323U214 sin13 sin4一e32因為V2Vb122 e2 cos 22e1 sinVb11 1e，cos 1e sin 1所以v2111cos 112221 cos 2e211 sin12221 sin122同理可得22 e2

39、 cose1 sinvC111cos 1 1221cos 2e211 sin 11221sin 2vC21222e2 cose1 sinv3113231% cose1 21 sinv3214 cos 432 cos 3 %214 sin13232 sin2.廣義主動力、廣義慣性力和 Kane方程在Kane方程中，理想約束力所對應(yīng)的廣義主動力等于零。五桿機構(gòu)運動副中的約束為理想約束，即不計算接觸處的摩擦力的光滑 表面。所以，在計算廣義主動力時，可以將理想約束力排除。作用在五桿機構(gòu)上的主動力分別有阻力 F,兩驅(qū)動力矩Ma、Me。廣義主動力Fi和F2為FiFF2FvC1MvC2MA 11A 12M,

40、ME 41E 42(3.8)廣義慣性力的求解略復(fù)雜,它包括各構(gòu)件的慣性力和慣性力矩。 對應(yīng)于Ur的廣義慣性力Fr為4*Frj 1*Fj vjr Tj jr ， r=1,2(3.9)式中Fr、Tj分別為構(gòu)件j的慣性力和慣性力矩設(shè)五桿機構(gòu)中桿件j是均質(zhì)桿，桿的質(zhì)量為mj,繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為Ij,則有一*Fjmjajmj"em,j 1,K ,4m 1,2,3*TjIj jIj j與，j 1,K ,4m 1,2,3將式(3.8),式(3.9)代入Kane方程Fr*Fr 0r 1,2 得F VciMa411 Me 41mjVjem Vj1j 1I j jemj1F Vc2 Ma412 Me 4

41、2mjVjem Vj2j 1I j j emj2由上式可知,Kane方程中有兩個驅(qū)動力矩,通過二元一次方程組即可求解出這兩個驅(qū)動力矩8-174基于Pro/E軟件環(huán)境下二自由度機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計本章采用Pro/E軟件對二自由度機器人的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，通過對零部件的設(shè)計，再 通過裝配，最后形成二自由度機器人的完整結(jié)構(gòu)， 通過導(dǎo)出裝配圖和主要零部件工程圖， 最終完成結(jié)構(gòu)的設(shè)計。4.1 Pro/E軟件簡介Pro/E 是美國 Parametric Technology Corporation (簡稱 PTC冰司的重要產(chǎn)品。在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位,并作為當(dāng)今世界機械CAD/CAE/CA頓域的

42、新標準而得到業(yè)界的認可和推廣，是現(xiàn)今最成功的CAD/CA瞰件之一。Pro/E作為三維造型設(shè)計系統(tǒng)，是一套由設(shè)計至生產(chǎn)的機械自動化軟件，其功能強 大，用途廣泛，是新一代 CAD/CA陳統(tǒng)軟件。它以尺寸驅(qū)動、特征建模、全參數(shù)設(shè)計、 單一全關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫、虛擬現(xiàn)實及多數(shù)據(jù)接口等優(yōu)點改變了傳統(tǒng)的設(shè)計觀念，使設(shè)計工 作直觀化、高效化、精確化和系統(tǒng)化，成為目前機械CAC®域的新標準。與傳統(tǒng)的CAD系統(tǒng)僅提供繪圖工具不同，Pro/E提供了一套完整的機械產(chǎn)品解決方案， 包括工業(yè)設(shè)計、 機械設(shè)計、模具設(shè)計、鉞金設(shè)計、加工制造、機構(gòu)分析、有限元分析和產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫管理， 甚至包括了產(chǎn)品生命周期，是多項技術(shù)的集

43、成產(chǎn)品。Pro/E的主要特征有：1 .三維實體模型；2 .單一數(shù)據(jù)庫；3 .基于特征的參數(shù)化實體建模；4 .行為建模技術(shù)；5 .機構(gòu)設(shè)計技術(shù)；6 .強大的裝配功能；7 .NC加工；8 .二次開發(fā)技術(shù)。Pro/E在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛、 越來越深入，雖然和AUTOCAD二維繪 圖 軟件相比，Pro/E使使用相對要難得多，但這并沒有阻止人們對它的學(xué)習(xí)、 使用及開發(fā)。 這也充分說明了 Pro/E具有人們所渴望的優(yōu)良的性能和靈活多變的開發(fā)方法。美國PTC公司提出的單一數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)的概念已成為當(dāng)今世界機械 CAD/CAM/CA領(lǐng)域的新標準。基于此開發(fā)出來的第三代機械 CAD/C

44、AM/CAE品Pro/E在 當(dāng)今同類產(chǎn)品中代表著較高的水平。該系統(tǒng)全方位地提供了從產(chǎn)品概念設(shè)計、精確設(shè)計、模具設(shè)計到模具型腔數(shù)控加工一整套功能，極縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期，提高了產(chǎn)品的競爭力。從大量文獻中可以看出，Pro/E在它所觸及的各行各業(yè)中的應(yīng)用程度及深 度雖然各不相同，但其成果是可喜的，效益是顯著的！相信隨著社會的發(fā)展，其參數(shù)化快速設(shè)計的優(yōu)勢又會越來越明顯，今后會在更多的領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用18 04.2 驅(qū)動元器件的選擇4.2.1 步進電機的選擇考慮到五桿機構(gòu)重心偏向右側(cè)，右側(cè)所需力矩大于左側(cè)，參考表 4.1 ,在這里，左 側(cè)選擇 56BYG250C-BASSBL-0241右側(cè)選擇 56

45、BYG250C-SASSBL-0241電機型號具體說明，如表4.2所示。典型工況下，步進電機的脈沖頻率分別為：fxVx60二103160 0.05310333.3p/sfyvy607103160 0.05103 333.3p/s經(jīng)驗算，該型號步進電機可滿足設(shè)計要求步進電機的具體尺寸如圖4.3所示。表4.1部分電機參數(shù)觥箱型號柜&靜志目脆 里 曲百電顯(mH)依特諾 矩 (Nbm)電 :Nrn)率 泮步向 (KHz)垂呈 (kgj晝 (g-cm2)56BVG250B-SASSBL-O241z2A155240.6S0.03270.4818015&BVG250B-BASSBL-O34

46、1£0.5/i-a24(55240.650.032.7GMISO255BVG250C-&ASS3L 02412%卯132A1.24j01.040.042AO.e2D10YG25OC BASS&L 0241z2AL24 JOL042君口總之破Z5 &eVG250D-SASSBL-024121D.9爐：.4可541.72007箱1460156B/G250D-BASSBL-O2410.9/132A1.5541.720.373j01於02S65CD125月24541.720.07工01460T襄 PKG Z 50E-5A5 SBL-0W1260.51-B2.50.12

47、3.11.57501表4.2型號說明56BYG250C-SA設(shè)計代M相和T024； 2-4AMML,則出城.2梢4樓尺寸”.b： m機克熊狀Rr面觸寫：方融F;峽星Si AW伸任度標;1B:常住編悼伸式S：單b： n粒身虻潑心門L行的：£0智舊融2：兩幅室梯崩就時犯臺式機座號午的目一號監(jiān)宇-1蠢目T GW 口耳向多爭目LUMT4111*B33圖4.1電動機尺寸4.2.2 聯(lián)軸器選擇伺服電機的功率約為 R=55以 轉(zhuǎn)速ni=360r/min ,電動機的軸直徑和輸入軸的直徑 在 6.5mm7.5mm一,p0 055轉(zhuǎn)矩T 9550-p 9550 0一 N m 1.46N m。由表4.3查

48、得，伺服電機工作機的 n360工況系數(shù)Ka 1.3,故計算轉(zhuǎn)矩TcKaT1.3 1.46N m 2.8N m表4.3工作情況系數(shù)Ka工作機原動機為電動機時轉(zhuǎn)矩變化很小的機械1.3轉(zhuǎn)矩變化較小的機械1.5轉(zhuǎn)矩變化中等的機械1.7轉(zhuǎn)矩及化和沖擊載荷中等的機械1.9轉(zhuǎn)矩變化和沖擊載荷大的機械2.3根據(jù)實際需要，采用一體化，小型，低慣量的彈性管STL3-6-7-J聯(lián)軸器，如圖4.2所示STL卷用性瞥醛告馴，d皿 z嚼一wee He coufi"精怠 SpeaaitySTL - 0. - d , . ； Jf. 1''.；,4 t hi.F(HTlXnrf計 r h：riLq

49、:HL OrZSmenIvvMMA 0 l&mm 無門，也：/二 5 Lrnied ange de-nonan 5 t 評 I 0星t d：0.25rnm UtMid nl« dwtabon t Q 25mm 1 - h-：d-, p"ii卜程科券發(fā)電電Mi廿 眠事I 察才Rm tltl xeM1Mmly Ea才由如Mid：t示記 R&mart.鐐仲，崎vtj«#r memehematy o«mp tw 卻h* Ml oM it*twi mH kw wm yMonetji風(fēng)動HHIITthe 弧陽1的* 畫 downhe"F*4

50、輔禮降the of drrv« Ae witTjfpiHi STU也 km蟲丸&nm.從延軸孔Swim 門6土耳式*口； 左小，STL3-6-8-JF Q HT1L J fyw jlrtu* hn* ftrnn。，5小 aiW hato Urrtm 胃晌 cAarnpriq tyi» rwrurk SH_3NB-®-J03TL熨律性管我茂本，購及主要尺寸The baac parameler &rd crilicdl dimensHMi of STL lype txa>iond£y stil and mamterance-ff

51、1;事事。4或d.LS43»mn質(zhì)博mmsm 幅4次|54STL的 ；$a .屆fSTQ25B309WRTi.M38STI*®“_ IU看臺命AKiHlFMJPi g種JWJ了-.£*, Q.r /«野433 -2 2? 3u* 13.1圖4.2 STL型彈性管聯(lián)軸器4.3平面連桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定在其結(jié)構(gòu)設(shè)計中，將連桿設(shè)計成兩邊不等高的結(jié)構(gòu)如圖 強度，使得其能更加實際的應(yīng)用到工作當(dāng)中。在連接兩桿時, 圖4.4,提高傳動效率，使得機構(gòu)有效承受徑向和軸向載荷, 的標準化程度高，成批生產(chǎn)，成本低19 o4.3 ,可有效的加強末端的 使用了雙軸承固定結(jié)構(gòu)如 簡

52、化連桿機構(gòu)，并且軸承圖4.3連桿結(jié)構(gòu)圖4.4雙軸承螺栓固定4.4輸入軸的設(shè)計初始值：通過設(shè)計需求，擬定輸入軸上的功率R=55w,轉(zhuǎn)速ni=360r/min初定軸的最小直徑：選軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，C=107118取C=115,于是初步估算軸的最小直徑 dmin C3 麗 1153/0.055/ 360 6.14mmM dmin 6.5mm。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計20-231.擬定各軸段結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4.5所示。圖4.5輸入軸結(jié)構(gòu)2.根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度。(1)考慮到軸的左端需要安裝聯(lián)軸器，根據(jù)聯(lián)軸器定直徑d=7mm為滿足軸承的軸向定位要求，軸段左端需制一軸肩，由連桿設(shè)計的綜合考慮

53、，故取輸出直徑從左至右分 別d1=6.5mm d2=10mm d3=16mm d4=12mm d5=10mm兩端均采用軸承與端蓋的配合定位。(2)軸段1部分安裝聯(lián)軸器，因為該軸段在軸承座，又根據(jù)初選型號為STL3-6-7-J 的聯(lián)軸器尺寸，確定l 1=25mm(3)初選滾動軸承。因軸承受軸向力很小，故選用深溝球軸承。軸承定位分別采 用軸套和軸承端蓋及軸肩和箱體軸承孔，選取GB/T 276-1994_61800型深溝球軸承，參數(shù)如下基本尺寸：d>D >B=10mmi9mm5mm基本額定動載荷：G=1.8kN基本額定靜載荷：C0r=0.93kN由于軸承軸向?qū)挾?mm根據(jù)實際裝配，軸段2長度取l2=5mm(4)根據(jù)所設(shè)計的連桿，則軸段 3, 4, 5長度分別取l3=2.5mm 14=65mm l 5=9mm4.5安裝支架的參數(shù)確定安裝支架主要以鋁型材構(gòu)成，如圖 4.6,用T型螺栓固定，用角件（圖4.7）加固 與傳統(tǒng)機械制造材料，如碳鋼和不銹鋼材料相比，使用高強度工業(yè)鋁擠壓型材具有以下 優(yōu)勢：1 .制作過程簡單：只需設(shè)計、切斷/鉆孔、組合即可完成；而傳統(tǒng)材料通常要經(jīng)過 設(shè)計、切斷/鉆孔、焊接、噴沙/表面處理、表面噴涂等復(fù)雜過