全轉(zhuǎn)動(dòng)副三自由度并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)說明書

..XX工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院畢業(yè)論文作者：周**學(xué)號(hào)：*****系<專業(yè)>：機(jī)械系專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造及其自動(dòng)化題目：全轉(zhuǎn)動(dòng)副三自由度并聯(lián)機(jī)器人指導(dǎo)者：李**教授<姓名><專業(yè)技術(shù)職務(wù)>評(píng)閱者：<姓名><專業(yè)技術(shù)職務(wù)>2015年6月11日..畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文中文摘要題目：全轉(zhuǎn)動(dòng)三自由度并聯(lián)機(jī)器人摘要：本設(shè)計(jì)中,對(duì)全轉(zhuǎn)動(dòng)副三自由度并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì),對(duì)以前關(guān)于此方面機(jī)器人設(shè)計(jì)成果僅僅作為一個(gè)參考,通過對(duì)機(jī)器人支鏈的全新設(shè)計(jì)成功使機(jī)器人完成解耦,并且不會(huì)出現(xiàn)奇點(diǎn),該全轉(zhuǎn)動(dòng)副三自由度并聯(lián)機(jī)器人由動(dòng)平臺(tái)和靜平臺(tái)組成,靜平臺(tái)為機(jī)架底端,而動(dòng)平臺(tái)則是由完全相同的三個(gè)支鏈組成,即,三個(gè)支鏈相互垂直,支鏈末端位于同一水平面上,三個(gè)支鏈末端組成動(dòng)平臺(tái),并且所有的運(yùn)動(dòng)副均為轉(zhuǎn)動(dòng)副。該機(jī)構(gòu)的重復(fù)定位精度：<+/-0.025mm〔平動(dòng)；動(dòng)平臺(tái)三個(gè)方向平動(dòng)范圍：>220mm,最打平動(dòng)速度：>0.4m/s；最大負(fù)載：1.5kg〔包括末端機(jī)械手。在設(shè)計(jì)中,規(guī)劃設(shè)計(jì)出了一套精致的機(jī)構(gòu)方案使機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊并具有簡單實(shí)用的功效,由于此機(jī)構(gòu)具有高度的對(duì)稱,所以可以承受各個(gè)方向的動(dòng)載荷,機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)重點(diǎn)難點(diǎn),本次設(shè)計(jì)在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)小巧靈活方面做出了很大的改進(jìn)使其性能更加優(yōu)越,因此對(duì)擴(kuò)大并聯(lián)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域具有現(xiàn)實(shí)意義。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的基本順序同本科期間進(jìn)行的課程設(shè)計(jì)一樣,均是先根據(jù)任務(wù)書提出方案,驗(yàn)證方案的可行性,方案通過則進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并且對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)經(jīng)過了正反解論證,選擇了正確實(shí)用的設(shè)計(jì)路線。最后,采用繪圖軟件制作裝配圖,零件圖,利用三維軟件繪制三維模型并進(jìn)行組裝得到機(jī)器人三維模型。關(guān)鍵詞：自由度串并聯(lián)機(jī)器人三自由度..畢業(yè)設(shè)計(jì)〔論文外文摘要TitleAllthreerotationaldegreesoffreedomparallelrobot,Deputy.Abstract：Designedanewmobilewiththreedegreesoffreedomdecouplefromthebodyoftherobot,singularitydoesnotoccur,theparallelrobotplatformandstaticplatformsdistributedbetweenthethreebranchesoforthogonalconnected,andalltransmissionVicearetherotationpair.Repeatpositioningaccuracyoftheagency:<+/-0.025mm<translation>;Movingplatform,thescopeoftranslationinthreedirections:>220mm,themaximumtranslationspeed:>0.4m/s;maximumload:>1.5Kg<includingendmanipulator>.Institutionsaregivenasetofsophisticatedprogramswithsimpleandpracticaleffect.Asthehighsymmetrydirectionsonthecanwithstandtheamountofload.Compactandflexiblemovementinthebodyhasmadealotofeffort,butalsohasasmallerinstallationspace,expandingtheapplicationfieldofparallelrobotsrelevance.Keywords：Parallelrobot.Rotationpair.Translation.Mechanicalmachinedesign.目錄1緒論-3-1.1引言-3-1.2此次課題研究背景和意義-3-1.3串并聯(lián)機(jī)器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、使用范圍及發(fā)展趨勢(shì)-4-1.4本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要完成工作-5-1.4.1基本內(nèi)容-5-1.4.2課題研究擬采用的手段和工作路線-5-2總體方案的設(shè)計(jì)-6-2．1總體布局的設(shè)計(jì)-6-3由基本參數(shù)選定標(biāo)準(zhǔn)件的型號(hào)-9-3.1減速機(jī)的選擇-9-3.2選擇伺服電機(jī)并對(duì)其檢驗(yàn)-11-3.3軸承的選擇及校核-14-3.4聯(lián)軸器的選擇-16-4.1支鏈尺寸的確定-18-4.2對(duì)主動(dòng)軸尺寸的確定及校核-19-4.3對(duì)支鏈上轉(zhuǎn)動(dòng)副的設(shè)計(jì)-21-4.4支鏈末端設(shè)計(jì)-24-5機(jī)構(gòu)的整體布局設(shè)計(jì)及機(jī)架設(shè)計(jì)-25-結(jié)論-28-參考文獻(xiàn)-30-致謝-31-1緒論1.1引言自從Hunt教授提出以Stewart平臺(tái)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)機(jī)器人,機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展也是日新月異,尤其是工業(yè)機(jī)器人能夠?qū)⑷藦姆敝氐捏w力勞動(dòng)中解放出來具有十分廣闊的應(yīng)用前景,尤其是在工業(yè)發(fā)展領(lǐng)域,因此工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展尤為迅速。并聯(lián)機(jī)器人是機(jī)器人種類中一個(gè)十分重要的發(fā)展方向,但由于受到科學(xué)技術(shù)等原因的影響,并聯(lián)機(jī)器人的發(fā)展在90年代才開始興起直到現(xiàn)在并聯(lián)機(jī)器人的研發(fā)成為機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)。機(jī)器人種類可以分為很多種,其中并聯(lián)機(jī)器人和串聯(lián)機(jī)器人是機(jī)器人大家族中的兩類,串聯(lián)機(jī)器人和并聯(lián)機(jī)器人在結(jié)構(gòu)方面有很大的不同,這也導(dǎo)致其性能功能有很大差別,致使并聯(lián)機(jī)器人與串聯(lián)機(jī)器人形成了功能與結(jié)構(gòu)上的互補(bǔ)。并聯(lián)機(jī)器人作為機(jī)器人中一種全新的可以和串聯(lián)機(jī)器人媲美的機(jī)器人種類,由于自身結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)使其具有剛度大、承載能力強(qiáng)、高精度、自重符合比小、優(yōu)秀的動(dòng)力性能、易于控制等一系列優(yōu)點(diǎn)。所以并聯(lián)機(jī)器人應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域是未來發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。1.2此次課題研究背景和意義在文獻(xiàn)[1]指出：機(jī)器人本身就是高精尖技術(shù)的聚集體,并聯(lián)機(jī)器人更是一個(gè)尖端知識(shí)密集型的機(jī)構(gòu),并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)問題十分復(fù)雜,她是屬于空間多自由度多環(huán)機(jī)構(gòu)學(xué)理論學(xué)科,此理論是隨著對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的深入研究發(fā)展起來的,這本來就是理論對(duì)實(shí)踐的指導(dǎo),而實(shí)踐又是完善理論的方法,所以研究并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論對(duì)掌握、研制和控制并聯(lián)機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用和并聯(lián)機(jī)器人的理論發(fā)展上都是有著特殊意義。在一切機(jī)器人的研究中機(jī)器人的機(jī)構(gòu)是關(guān)鍵中的關(guān)鍵,并聯(lián)機(jī)器人所具有的優(yōu)勢(shì)關(guān)鍵也在結(jié)構(gòu)上,因此它引起了國內(nèi)外機(jī)器人研究者的廣泛關(guān)注,他們?cè)诖隧?xiàng)研究中投入相當(dāng)大的精力。并聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與串聯(lián)機(jī)器人相比具有結(jié)構(gòu)較簡、成本低等優(yōu)勢(shì)。因此越來越多的將并聯(lián)機(jī)器人的研究與工業(yè)領(lǐng)域相結(jié)合也使得并聯(lián)機(jī)器人的研究也越來越深入。在文獻(xiàn)[2]中：主要研究是三自由度并聯(lián)機(jī)器人,這是一種有多變量和本質(zhì)為非線性組成的復(fù)雜機(jī)構(gòu)系統(tǒng),在并聯(lián)機(jī)器人及液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中以運(yùn)動(dòng)學(xué)分析前提。作者開始時(shí)先是采用坐標(biāo)變化及求導(dǎo)的方法對(duì)三自由度并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了分析。利用動(dòng)力學(xué)和分析動(dòng)力學(xué)的原理設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)。作者采用ADMS技術(shù)建立了失誤的虛擬樣機(jī)模型系統(tǒng),并運(yùn)用仿真軟件對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了聯(lián)合仿真實(shí)驗(yàn)分析,采用上述仿真試驗(yàn)驗(yàn)證的方法可以十分真實(shí)的模擬實(shí)際中的三自由度并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程驗(yàn)證其性能。為研究提供了很好的設(shè)計(jì)依據(jù)。在文獻(xiàn)[3]中：XX科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的王波、李小滿、朱振華學(xué)者主要針對(duì)三自由度平面P-R-R型并聯(lián)機(jī)器人,三位學(xué)者的研究成果是："成功建立了三自由度并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型系統(tǒng),他們?cè)谘芯恐袑⑼娇刂萍夹g(shù)應(yīng)用在機(jī)器人上在實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人軌跡的精確控制的同也對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)達(dá)到了同步控制,在研究中三位學(xué)者提出了一個(gè)新概念——同步誤差。具體做法是：通過對(duì)多個(gè)線性閉環(huán)控制進(jìn)行組合,列出同時(shí)滿足各個(gè)閉環(huán)控制的控制方程并對(duì)其進(jìn)行求解。之所以采用這種方法是因?yàn)榇朔N方法直觀、高效,提高了對(duì)并聯(lián)三自由度平面P-R-R型并聯(lián)機(jī)器人軌跡的運(yùn)動(dòng)精度,并可以同時(shí)滿足了多個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)的組合控制。1.3串并聯(lián)機(jī)器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、使用范圍及發(fā)展趨勢(shì)Hunt教授提出Stewart機(jī)構(gòu)作為機(jī)器人,直到現(xiàn)在國內(nèi)外眾多專家學(xué)者投入到機(jī)器人的研究中。但并聯(lián)機(jī)器人是在90年代才開始成為熱門研究方向。并聯(lián)及其人在許多方面都有重要的應(yīng)用,如航海航空、機(jī)電工業(yè)、醫(yī)療器械等各個(gè)領(lǐng)域。并且并聯(lián)機(jī)器人與串聯(lián)機(jī)器人并不是相互對(duì)立排斥的,他們是可以形成互補(bǔ),使機(jī)器人技術(shù)變得更全面實(shí)用。關(guān)于這些機(jī)器人的研究都是值得重視的具有現(xiàn)實(shí)意義。根據(jù)我查到的資料了解在國內(nèi)燕山大學(xué)的黃真教授并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究十分出色。通過閱讀《基于螺旋理論三自由度并聯(lián)機(jī)器人型綜合新方法》[4]中了解到東北大學(xué)的羅繼曼、蔡光起等學(xué)者機(jī)器人并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究也比較深入,他們通過合理的選擇約束鏈能夠組合出新的并聯(lián)機(jī)器人。自從1987年,Hunt提出并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)之后,英國、德國、俄羅斯等一些歐美國家都投入了大量人力物力財(cái)力進(jìn)行并聯(lián)機(jī)器人研究,并且取得了巨大的發(fā)展。日本的田和雄、內(nèi)山勝等則用并聯(lián)機(jī)構(gòu)開發(fā)航空航天領(lǐng)域機(jī)器人。1.4本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要完成工作基本內(nèi)容課程設(shè)計(jì)方法要求：〔1設(shè)計(jì)要求為設(shè)計(jì)出一臺(tái)全轉(zhuǎn)動(dòng)副三自由度并聯(lián)機(jī)器人,提出幾種設(shè)計(jì)方案之后,進(jìn)行最后研確定最終設(shè)計(jì)方案和傳動(dòng)方案,之后設(shè)計(jì)機(jī)身與機(jī)架零件并對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析,材料分析；〔2設(shè)計(jì)并聯(lián)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)如轉(zhuǎn)動(dòng)副及支鏈等；〔3最后繪制機(jī)械系統(tǒng)裝配圖和零件圖三維裝配圖；〔4對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行整理,編寫設(shè)計(jì)說明書,說明設(shè)計(jì)原理等具體內(nèi)容。課題研究擬采用的手段和工作路線課程設(shè)計(jì)方法要求：〔1根據(jù)任務(wù)設(shè)計(jì)要求,進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),找到最佳設(shè)計(jì)方案?！?根據(jù)最后所確定的設(shè)計(jì)方案,進(jìn)行相關(guān)分析、計(jì)算、檢驗(yàn),對(duì)其中關(guān)鍵零件進(jìn)行強(qiáng)度、剛度、壽命等的計(jì)算、校核確定其符合設(shè)計(jì)要求,對(duì)零件組成的結(jié)構(gòu)要保證其合理使用；最后繪制出機(jī)器人裝配圖并根據(jù)裝配圖,畫出主要零件的零件圖〔在說明書說上說明標(biāo)準(zhǔn)件選擇原理?！?設(shè)計(jì)到最后,對(duì)整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行總結(jié),完成設(shè)計(jì)說明。2總體方案的設(shè)計(jì)2．1總體布局的設(shè)計(jì)圖2.1方案草圖圖2.1是此次設(shè)計(jì)中所采用的方案草圖,此草圖中們可以清楚的表達(dá)出動(dòng)靜平臺(tái)及三個(gè)運(yùn)動(dòng)支鏈的運(yùn)動(dòng)情況。方案規(guī)劃：1.首先利用任務(wù)書中所給出的最大平動(dòng)速度、最大負(fù)載、平動(dòng)范圍等數(shù)據(jù)估算出電機(jī)的功率；2.影響全轉(zhuǎn)動(dòng)副三自由度并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍的是平行四邊形機(jī)構(gòu)的連架桿的長度及其擺動(dòng)角度大小,擺動(dòng)角度的大小會(huì)直接影響連架桿末端在平方向上的速度分量,因此在設(shè)計(jì)時(shí)要注意連架桿的長度與其自身的擺動(dòng)角度之間的古關(guān)系以防止支鏈出現(xiàn)碰撞等沖突；3.根據(jù)任務(wù)書所給出的動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍,最初選定連架桿的長度及連架桿的擺動(dòng)角度的最大范圍；4.根據(jù)任務(wù)書上的要求動(dòng)平臺(tái)的最大平動(dòng)速度為0.4m/s,在動(dòng)平臺(tái)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中必須有一點(diǎn)能夠達(dá)到此速度然后選取極限位置進(jìn)行速度計(jì)算,利用公式轉(zhuǎn)換就可以可以求出系統(tǒng)機(jī)構(gòu)中輸入軸的速度；5.任務(wù)書要求運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的重復(fù)精度為＜+/-0.025mm,因?yàn)樗欧姍C(jī)編碼盤的分辨率可以影響重復(fù)定位精度。因此在分析重復(fù)精度時(shí),在支鏈運(yùn)動(dòng)軌跡上選取極值點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析,可以求出機(jī)器人系統(tǒng)中輸入軸的最小轉(zhuǎn)角,然后依據(jù)選出的減速機(jī)的減速比轉(zhuǎn)換到電機(jī)的輸入軸上,最后利用公式換算出所需電機(jī)編碼盤的分辨率,這也是用來選擇電機(jī)的一條重要因素；6.運(yùn)動(dòng)副中對(duì)軸承的選定,采用運(yùn)動(dòng)分析的方法選定,首先分析軸承的軸向與徑向的承載情況,再結(jié)合轉(zhuǎn)動(dòng)副的特點(diǎn)選出轉(zhuǎn)動(dòng)副需要中安裝軸承的類別之后再進(jìn)一步確定型號(hào),最后需要對(duì)軸承盡心檢驗(yàn)計(jì)算；7.通過減速機(jī)輸出軸及主軸的直徑大小與對(duì)機(jī)器人支鏈的主動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)精度要求,還有是否需要考慮軸向移動(dòng)來選擇是需要?jiǎng)傂月?lián)軸器還是彈性聯(lián)軸器,確定之后在選擇。2.2初步確定機(jī)構(gòu)中的一些基本參數(shù)：圖2.2連架桿在擺動(dòng)過程的速度分析圖行程；；進(jìn)行速度分析,根據(jù)任務(wù)書要求：；由圖一進(jìn)行分析得：；整理得到：；的取值可以有多重情況,初步選定值為45°或60°。當(dāng)取60°時(shí)輸出角范圍為〔30°,150°。°㎜；當(dāng)取45°時(shí)輸出角范圍為〔45°,135°?！?由此可以初選；由于考慮到在支撐架上可能還要安裝極限開關(guān)需要一定的空間,并且為了讓整個(gè)裝置更加緊湊,所以暫時(shí)選定取45°?！?,通過圖一及單位轉(zhuǎn)換可以得出：。由于三個(gè)支鏈的結(jié)構(gòu)是相同的,所以設(shè)計(jì)出一個(gè)即可,支鏈的結(jié)構(gòu)示意圖如下：圖2.4支鏈的結(jié)構(gòu)示意圖3由基本參數(shù)選定標(biāo)準(zhǔn)件的型號(hào)3.1減速機(jī)的選擇初步確定減速比=44.4選擇減速機(jī)時(shí)要必須保證任務(wù)書上的要求,即機(jī)構(gòu)末端的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)速度能夠達(dá)到0.4m/s,所以減速比通過上式計(jì)算出i必須小于44.4,所以經(jīng)過圓整選取i=40;通過查找《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》標(biāo)準(zhǔn)系列的減速機(jī)。所選減速機(jī)的型號(hào)為行星減速機(jī)構(gòu)PL60,i=40,2級(jí)輸出轉(zhuǎn)矩為29N·m;其具體參數(shù)如下：表3-1減速機(jī)型號(hào)一覽表型號(hào)段數(shù)尺寸外殼直徑鍵寬鍵高安裝孔分布園安裝螺紋X深度輸出軸徑〔h6PL60160516524XM5X814定位凸臺(tái)直徑〔h7中心孔鍵到軸端距離鍵長軸長〔自定位圓軀體長軸長〔自端面定位凸臺(tái)厚度40M5X102.5253044.359353選取的減速機(jī)是上海爵順傳動(dòng)機(jī)械生產(chǎn)的,其性能優(yōu)越。這家公司的減速機(jī)機(jī)殼材料為高壓壓鑄鋁合金,在制作工藝上采取新的生產(chǎn)工藝,大大增強(qiáng)了工件精度。電機(jī)連接板在制作中使用黑色陽極氧化處理的先進(jìn)工藝,齒輪箱表面經(jīng)過特殊電解工藝處理增強(qiáng)其強(qiáng)度,增加整個(gè)箱體對(duì)外部環(huán)境抗腐蝕的能力,并且采用此種工藝處理使機(jī)身重量更輕,導(dǎo)熱性能也有所提高,這樣就會(huì)使機(jī)身內(nèi)部溫度不至于過高使電機(jī)燒毀,電機(jī)的使用壽命提高；速比范圍：速比5～10000,此減速器的使實(shí)用設(shè)計(jì)能夠使轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速達(dá)到完美的匹配；回差間隙小具有極高的傳遞精度,因此可以保證在高輸入轉(zhuǎn)速下結(jié)合介面的同心度能夠?qū)崿F(xiàn)零背隙的動(dòng)力傳遞；采用先進(jìn)的IP65防護(hù)等級(jí)的密封設(shè)計(jì),密封設(shè)計(jì)良好,因此不會(huì)出現(xiàn)泄漏情況,所以此電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)全部首次注入潤滑油后油終生免添加潤滑脂潤滑,顒可以終生免保養(yǎng)；對(duì)減速機(jī)連接板和軸襯的模組化設(shè)計(jì)為同軸輸出,法蘭定位標(biāo)準(zhǔn),結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用；有很高的互換性能；減速器整體設(shè)計(jì)緊湊結(jié)構(gòu),體積小巧,齒輪箱和內(nèi)環(huán)齒輪采是采用一體式的設(shè)計(jì),與市場(chǎng)上現(xiàn)有同型號(hào)減速器相比,精密度高,體積最小,減速器中對(duì)螺旋齒面作齒形及導(dǎo)程的修整,此項(xiàng)工藝可以用來降低齒輪在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)嚙入及嚙出的沖擊和噪音,因此與同等材質(zhì)制作的齒輪系相比其使用壽命更高；此減速器對(duì)噪音偶遇嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn),運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪音<60分貝；壽命長,大于20000小時(shí)；綜合上述內(nèi)容,此型號(hào)的減速器在同等精度條件下性價(jià)比高。其實(shí)物圖如下：圖3.1減速器其結(jié)構(gòu)尺寸如下：圖3.2減速器尺寸圖3.2選擇伺服電機(jī)并對(duì)其檢驗(yàn)×3.14/60=3.925；0.160×3.9=0.624m/s；設(shè)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)的加減速時(shí)間為0.2s-05s,所以可以計(jì)算得到加速度為：a==0.4/0.2=2m/。任務(wù)書中要求機(jī)構(gòu)最大負(fù)載要大于1.5〔包括末端操作手,所以計(jì)算得載荷阻力：m×<a＋g>=1.5×<2+10>=18N;因此可計(jì)算出系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)所需的最大驅(qū)動(dòng)功率為：=18×0.624w=11.23w。查表選擇標(biāo)準(zhǔn)系列的電動(dòng)機(jī)=32w的直流伺服電動(dòng)機(jī)。其具體型號(hào)為JSF60-15-30-CF-1000,SFC+。表3-2電機(jī)參數(shù)表SFC+的配置適用于過載倍數(shù)要求高,并且能夠承受在單位時(shí)間內(nèi)電機(jī)頻繁啟停,同時(shí)也適用于高速重載的場(chǎng)合；由于在此機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)構(gòu)中,動(dòng)平臺(tái)的往復(fù)平動(dòng)是由動(dòng)力系統(tǒng)提供動(dòng)力傳遞至連架桿,有連架桿帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動(dòng),而連桿架的往復(fù)擺動(dòng)需要電機(jī)頻繁的進(jìn)行正反轉(zhuǎn)交替,所以必須要求電機(jī)能夠有很好的頻繁起停性能,因此選用SFC+的配置電機(jī)。表3-3JSF系列伺服電機(jī)型號(hào)說明表JSF604030DF100012345671.JF——表示電機(jī)無刷伺服電機(jī)2——表示電機(jī)外徑,單位：mm、3——表示電機(jī)額定功率,以10w為單位,40表示40×10w=2000w、4——表示電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)額定轉(zhuǎn)速,100rpm為單位,30表示30×100rpm=3000rpm、5——表示電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的額定電壓,A：24vB：36v；C：48v；D：72、6——表示裝配選項(xiàng),K—鍵槽；F—扁平軸；S—光軸；G—減速機(jī)適配;P—特殊制作、7——表示電機(jī)編碼器的分辨率。JSF系列直流伺服電機(jī)的主要特點(diǎn)如下：〔1調(diào)速范圍寬；〔2在使用過程中噪音小、功率高、運(yùn)行平穩(wěn),整體性能優(yōu)越,具有很高的性價(jià)比；〔3利用高性能銣硼磁鋼材料設(shè)計(jì)能夠提供三倍以上峰值扭矩,可以很好的保障其傳動(dòng)性能?！?對(duì)所選電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)矩及編碼盤精度檢驗(yàn)校核：轉(zhuǎn)矩的校核：機(jī)構(gòu)輸入軸的轉(zhuǎn)矩計(jì)算圖3.3轉(zhuǎn)軸受力分析圖當(dāng)平動(dòng)速度垂直與連桿時(shí)轉(zhuǎn)矩為最大,此時(shí)M==18×0.16Nm；將上述轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為電機(jī)的輸出軸所承受的轉(zhuǎn)矩載荷：,由此,,股電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩合格。對(duì)伺服電機(jī)編碼盤校核：易知,在此機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)支鏈在與動(dòng)平臺(tái)垂直時(shí)對(duì)編碼盤精度要求最高,所以以動(dòng)平臺(tái)與支鏈垂直的點(diǎn)為檢驗(yàn)校核點(diǎn)：,對(duì)其整理得：帶入公式計(jì)算出伺服電機(jī)輸出軸角度誤差為：；由上式得出需要編碼盤分辨率為,所選電機(jī)分辨率N<1000,所以此型號(hào)電機(jī)分辨率符合要求。圖3.4電機(jī)尺寸圖3.3軸承的選擇及校核在此機(jī)構(gòu)中,系統(tǒng)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)為x,y,z三個(gè)方向上的平動(dòng),在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要考慮到動(dòng)平臺(tái)和連桿以及轉(zhuǎn)動(dòng)副的質(zhì)量,而且在轉(zhuǎn)動(dòng)中轉(zhuǎn)動(dòng)副中的軸所受載荷既有徑向也有軸向,所以經(jīng)過對(duì)不同種類的軸承進(jìn)行比較考慮,認(rèn)為角接觸軸承可以符合要求角接觸球軸承有單個(gè)使用和成對(duì)使用之分,在此我們選取單個(gè)分裝的角接觸球軸承。經(jīng)過查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》,本設(shè)計(jì)中選用型號(hào)為7002C。其內(nèi)徑為15mm,外徑為32mm的一組軸承為轉(zhuǎn)動(dòng)副連接處所用軸承。圖3.5圖3.6此圖是角接觸球軸承在此機(jī)器人中的應(yīng)用。上圖是查找到的角接觸球軸承的幾種使用情況,用來參考設(shè)計(jì)。表3-4軸承的基本參數(shù)軸承代號(hào)d<mm>DB基本額定載荷極限轉(zhuǎn)速〔脂質(zhì)量7002C153296.25kN17000r/min0.028kg7000C102684.92kN19000r/min0.018kg7001C122885.42kN18000r/min0.02kg此表格中為所選用角接觸球軸承的基本參數(shù)。現(xiàn)在對(duì)上述選用的角接觸球軸承進(jìn)行檢驗(yàn)校核。設(shè)計(jì)任務(wù)書中給出最大負(fù)載為1.5kg,在此基礎(chǔ)上還要考慮到支鏈的重量,所以可以假設(shè)支鏈重量為1kg,在平行四邊形機(jī)構(gòu)中一共有兩對(duì)軸承對(duì)支鏈起到支撐作用,所以每對(duì)軸承所承受的徑向力==12.5N。軸向載荷為3N,通過軸承上軸的轉(zhuǎn)速得出軸承轉(zhuǎn)速為n=75r/min；求比值：0.24<0.68,且工作平穩(wěn),所以經(jīng)過查《機(jī)械設(shè)計(jì)》得1=1*〔0.67×12.5+1.41×3=12.605N在此給定軸承的預(yù)計(jì)壽命,假設(shè)軸承可以連續(xù)工作一年〔每年按200個(gè)工作日計(jì)算,所以軸承的預(yù)計(jì)壽命：200×24×1=4800h。該軸承所具有的基本額定動(dòng)載荷C=35.1；此載荷小于軸承的額定動(dòng)載荷,所以選擇此型號(hào)的軸承合格。同理7000C和7001C型號(hào)的軸承也按此種方法進(jìn)行檢驗(yàn)校核均滿足要求,所以所選軸承均合適。3.4聯(lián)軸器的選擇減速器的輸出周的軸徑為14mm并且也通過計(jì)算主動(dòng)軸上與減速器軸相連接部分的直徑為12mm,所以選擇聯(lián)軸器為凸緣聯(lián)軸器,其具體尺寸如下：表3-5聯(lián)軸器尺寸表型號(hào)公稱轉(zhuǎn)矩許用轉(zhuǎn)速軸孔直徑軸孔長度JDbS轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I質(zhì)量m/kgGY1251200012,14278030264260.00081.16對(duì)聯(lián)軸器進(jìn)行校核,由于此傳動(dòng)剛性聯(lián)軸器足以滿足機(jī)構(gòu)對(duì)各方面的要求,所以選擇剛性聯(lián)軸器。應(yīng)按聯(lián)軸器上最大轉(zhuǎn)矩作為工作轉(zhuǎn)矩=通過在《機(jī)械設(shè)計(jì)》中查工況系數(shù)：=1.3選用剛性聯(lián)軸器即可滿足要求：載荷計(jì)算：查=1.3所以得1.3×18.527=24.0851Nm≤25。4動(dòng)平臺(tái)支鏈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及具體尺寸的確定4.1支鏈尺寸的確定為了要達(dá)到所需要的動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)范圍給定支鏈的尺寸如下：圖3.7支鏈尺寸圖4.2對(duì)主動(dòng)軸尺寸的確定及及校核圖3.8主動(dòng)軸尺寸圖上圖為主動(dòng)軸的具體尺寸,下面對(duì)主動(dòng)軸進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算：〔1——代表扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力,選取軸材料為45號(hào)剛?cè)?40MPa；T——代表軸所受的扭矩,在前面已經(jīng)計(jì)算出T=0.072N·mm；n——軸的轉(zhuǎn)速,n=75r/min；P——代表軸的傳遞功率,在前面參數(shù)計(jì)算中以算出P=0.15KW；d——代表計(jì)算截面處軸的直徑,mm；由上式得軸的直徑：=11,6〔2所以,經(jīng)過元整之后軸的最小直徑取12mm可以符合要求即d=12mm。將數(shù)據(jù)帶入〔1式得=5,49MPa≤=40MPa,所以軸的強(qiáng)度符合要求。軸的剛度校核:軸在軸向載荷和徑向載荷作用下,將產(chǎn)生彎曲或者扭轉(zhuǎn)變形。如果變形量超過最大允許值,軸的精度收到影響就會(huì)導(dǎo)致軸上零件不能正常工作。因?yàn)榇溯S為階梯軸,要求此軸能承受規(guī)定要求的載荷,計(jì)算精度要求不太高,所以我們可以用當(dāng)量直徑法做近似計(jì)算用于校核。當(dāng)量直徑?！?——表示階梯軸第段直徑,mm；因?yàn)閷?duì)主動(dòng)軸的載荷作用于懸臂端,所以,〔K為軸的懸臂長度,mm將具體數(shù)據(jù)帶入〔3得出當(dāng)量直徑為：=12.99mm軸的彎曲剛度條件為：撓度偏轉(zhuǎn)角軸的允許撓度為=0.002×43=0.086；偏轉(zhuǎn)角=0.005；軸的扭轉(zhuǎn)剛度校核：軸的扭轉(zhuǎn)剛度采用扭轉(zhuǎn)角表示,扭轉(zhuǎn)角即軸單位長度上的扭轉(zhuǎn)變形用字母來表示?！?G——表示軸的材料的剪切彈性模量,單位,查《機(jī)械設(shè)計(jì)》鋼材G=；——軸截面的極慣性矩,,圓軸屆滿慣性矩公式為：；——分別代表階梯軸上第i段所受的扭矩,長度和極慣性矩的大??；軸的扭轉(zhuǎn)剛度條件為??；帶入具體數(shù)據(jù)計(jì)算出=0.68.所以滿足要求。4.3對(duì)支鏈上轉(zhuǎn)動(dòng)副的設(shè)計(jì)A1B1A2A1B1A2圖3.9轉(zhuǎn)動(dòng)副實(shí)物圖在轉(zhuǎn)動(dòng)副設(shè)計(jì)中A1、A2、A3是結(jié)構(gòu)相同的轉(zhuǎn)動(dòng)副,并且A1和A2是對(duì)稱的載荷情況相同的轉(zhuǎn)動(dòng)副。因?yàn)閯?dòng)平臺(tái)是在軸上做往復(fù)運(yùn)動(dòng),因此要求轉(zhuǎn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)是往復(fù)能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。要想實(shí)現(xiàn)此種轉(zhuǎn)動(dòng)需要用到軸承,經(jīng)過考慮需要同時(shí)受到軸向和徑向方向兩個(gè)力,所以最后選擇角接觸球軸承,以使轉(zhuǎn)動(dòng)副能夠正常往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)。在潤滑方面考慮采用脂潤滑的形式〔因?yàn)闄C(jī)構(gòu)比較小巧,采用外部供油不太方便,采用少量脂潤滑可以很好的滿足潤滑要求,軸承內(nèi)圈采用螺母固定,外圈利用軸承端蓋固定,并能起到密封防塵的作用,軸承端蓋采用螺栓固定。在此轉(zhuǎn)動(dòng)副中軸承是采用單個(gè)分裝對(duì)稱布置的形式,具體結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖3.10軸承圖安裝軸承時(shí),一段軸承內(nèi)圈用內(nèi)徑10mm長3mm的套筒定位,另一端用墊圈及緊固螺夾緊定位,軸承并采用軸承端蓋密封,軸承端蓋用M4螺母緊固定位。轉(zhuǎn)動(dòng)副B1的設(shè)計(jì)：D2D1零件1CD2D1零件1C圖3.11轉(zhuǎn)動(dòng)副此轉(zhuǎn)動(dòng)副的軸為一個(gè)對(duì)稱軸,靠階梯給軸承定位軸承外圈還有彈性擋圈定位,軸承內(nèi)圈利用彈性單圈定位,之后加上軸承端蓋,在上圖C處用階梯固定零件1,這根軸受雙向載荷因此采用角接觸球軸承,并且需要采用單個(gè)軸承對(duì)稱裝配才能承受雙向載荷,零件1用墊圈加緊固螺母固定。之后安裝軸承端蓋,軸承端蓋采用M4螺栓定位,軸承潤滑采用脂潤滑。連接件D1和D2采用螺栓螺母定位,安裝方便,D1和D2要加工成光孔。4.4支鏈末端設(shè)計(jì)圖3.12支鏈末端實(shí)物圖圖3.13支鏈末端設(shè)計(jì)圖支鏈末端設(shè)計(jì)成如上圖所示形狀,主要原因是結(jié)構(gòu)簡單,并且對(duì)動(dòng)平臺(tái)與支鏈末端采用螺栓螺母固定,能夠使質(zhì)量更好的推動(dòng)動(dòng)平臺(tái)在想x,y,z軸上的運(yùn)動(dòng)。5機(jī)構(gòu)的整體布局設(shè)計(jì)及機(jī)架設(shè)計(jì)5.1機(jī)構(gòu)整體布局設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)書中對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的要求,機(jī)構(gòu)的整體布局需要滿足的條件為：三條支鏈方向必須相互垂直,每條支鏈分別由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),即在x,y,z三個(gè)方向上提供機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)所需要的動(dòng)力。機(jī)構(gòu)的整體布置的難點(diǎn)在與要防止機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)沖突,這就致使給每條支鏈提供的空間必須在相等的同時(shí)要足夠大。支鏈的運(yùn)動(dòng)過程為：電動(dòng)機(jī)提供轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力通過減速器,減速器傳遞給主動(dòng)軸,主動(dòng)軸帶動(dòng)平行四邊形機(jī)構(gòu)的主動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng),平行四邊形機(jī)構(gòu)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)的角度為45o,平行四邊形機(jī)構(gòu)上的連架桿做平動(dòng)來帶動(dòng)在連架桿上的支鏈運(yùn)動(dòng),在此支鏈上海有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副可以在動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)通過支鏈末端提供的力來轉(zhuǎn)動(dòng),一次實(shí)現(xiàn)整條支鏈帶動(dòng)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。因此支鏈在運(yùn)動(dòng)的同不能和機(jī)架及另外兩條支鏈發(fā)生碰撞,所以對(duì)機(jī)構(gòu)的整體布局需要用到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。連架桿終點(diǎn)在擺動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)分析圖：圖3.14連桿運(yùn)動(dòng)分析圖圖3.15布置圖連架桿終點(diǎn)在擺動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)分析圖：上圖為整個(gè)支鏈的運(yùn)動(dòng)情況圖,表明了兩個(gè)極限位置尺寸。并且當(dāng)一條支鏈運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí)必須要保證其不能與另外兩條支鏈發(fā)生沖突,并且還要使另外兩條支鏈運(yùn)動(dòng)到與此支鏈相配合的位置。總之,三條支鏈的運(yùn)動(dòng)必須是在三個(gè)電機(jī)提供動(dòng)力的情況下相互配合不發(fā)生沖突實(shí)現(xiàn)合理的運(yùn)動(dòng)。5.2機(jī)架的設(shè)計(jì)圖3.14機(jī)架實(shí)物圖圖3.15機(jī)架實(shí)物圖機(jī)架的外觀圖如上,具體尺寸詳見二維圖。下面具體詳述機(jī)架設(shè)計(jì)需要注意的因素。要此全轉(zhuǎn)動(dòng)副三自由度并聯(lián)機(jī)器人能夠順利按預(yù)定的設(shè)計(jì)軌跡運(yùn)動(dòng),支鏈的設(shè)計(jì)十分重要,但支鏈?zhǔn)前惭b在機(jī)架上的,機(jī)架是保證支鏈順利運(yùn)轉(zhuǎn)關(guān)鍵,所以機(jī)架在整個(gè)設(shè)計(jì)中很重要,而此設(shè)計(jì)的機(jī)架上安裝軸承的地方必須嚴(yán)格保證精度的準(zhǔn)確性,所以這對(duì)機(jī)架的加工提高了要求。另外支架與地面之間的接觸也是在設(shè)計(jì)中要認(rèn)真考慮的一點(diǎn),本設(shè)計(jì)中是才用地腳螺栓來保證機(jī)器人工作時(shí)整個(gè)裝置不會(huì)與地面之間發(fā)生相對(duì)移動(dòng)以至于破壞整個(gè)裝置運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性〔地腳螺栓并未在三維圖上表現(xiàn)出來。結(jié)論本次畢業(yè)設(shè)計(jì)首先通過指導(dǎo)教師所給的任務(wù)書來進(jìn)行多種方案構(gòu)思,在之后經(jīng)過方案對(duì)比選出最優(yōu)方案。方案最終確定后在進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)方的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì),這也是整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。全轉(zhuǎn)動(dòng)副三自由度并聯(lián)機(jī)器人整個(gè)結(jié)構(gòu)簡單又實(shí)用,這十分符合工程領(lǐng)域?qū)ΜF(xiàn)在機(jī)器人性能的要求。結(jié)構(gòu)簡單意味著加工制造容易,從加工成本方面考慮,成本低廉,就會(huì)為真正的投入到工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行生產(chǎn)有了一個(gè)良好的開端。整個(gè)結(jié)構(gòu)都是嚴(yán)格按照畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書來完成的,所設(shè)計(jì)的支鏈機(jī)構(gòu)中平行四邊形機(jī)構(gòu)是通過參考本科學(xué)習(xí)《機(jī)械原理》課程中的平行四邊形機(jī)構(gòu),所選用的標(biāo)準(zhǔn)件軍事嚴(yán)格按照《機(jī)械原理》、《機(jī)械設(shè)計(jì)》、《機(jī)械原理·課程設(shè)計(jì)參考書》等資料中規(guī)定的選擇原則進(jìn)行選擇應(yīng)用。三條支鏈的運(yùn)動(dòng)在設(shè)計(jì)時(shí)也利用機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析,即,對(duì)平行四邊形連桿的長度,主動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)過的角度的選取及各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的設(shè)計(jì)等都進(jìn)行了精心設(shè)計(jì),以防止出現(xiàn)機(jī)械沖突。以上設(shè)計(jì)所做的設(shè)計(jì)及檢驗(yàn)等工作保證了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的精度,也提高了承受載荷的能力,使整體機(jī)器人的安全系數(shù)得到保障。進(jìn)行實(shí)質(zhì)的繪圖工作步驟是先繪制草圖并從所繪制的草圖檢查整個(gè)機(jī)構(gòu)有無結(jié)構(gòu)方面的沖突,一次來達(dá)到對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行一個(gè)檢驗(yàn)、修改。在檢驗(yàn)無誤后進(jìn)行正視圖繪制。對(duì)于工科生來說課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)占據(jù)整個(gè)大學(xué)學(xué)習(xí)中非常重要的環(huán)節(jié),是我們?cè)谶M(jìn)入工作崗位前的一次次的結(jié)合實(shí)際的練兵機(jī)會(huì),讓我們真正學(xué)以致用。在設(shè)計(jì)過程中查找資料收集資料的能力必不可少,因?yàn)楣こ淘O(shè)計(jì)并不是天馬行空漫無邊際的想象。正相反,工程設(shè)計(jì)是一個(gè)十分嚴(yán)謹(jǐn)甚至有些呆板的事情,所應(yīng)用的零件,材料的各種性能均需要反復(fù)驗(yàn)證檢驗(yàn)。在我認(rèn)為每一次工程設(shè)計(jì)都是一個(gè)自我提高、自我檢驗(yàn)的機(jī)會(huì)。它在我將課本上的知識(shí)與實(shí)際相融合在一起的同時(shí),也讓我積累了更多設(shè)計(jì)方面的經(jīng)驗(yàn)方法,提高了我的學(xué)習(xí)能力,與其他設(shè)計(jì)人員的溝通能力、查找資料的能力等。當(dāng)然,也是我認(rèn)識(shí)到要想得到一個(gè)完美的設(shè)是多么困難,因?yàn)槊恳环菰O(shè)計(jì)不論大小均有缺陷,一些產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中就會(huì)有不可調(diào)和的矛盾。參考文獻(xiàn)[1]黃真.并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)理論的研究[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2001,06:11-14.[2]張振濤.三自由度并聯(lián)機(jī)器人分析與設(shè)計(jì)[D].XX工業(yè)大學(xué),2008.[3]王波,李小滿,朱振華.三自由度并聯(lián)機(jī)器人的同步組合控制[J].XX科技大學(xué)學(xué)報(bào)<自然科學(xué)版>,2009,05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