【正文】 油 ) nlimy=3400 (r/min) 軸承 1 徑向支反力 Fr1=41 (N) 軸承 1 軸向支反力 Fa1= (N) 軸承 2 徑向支反力 Fr2=41 (N) 軸承 2 軸向支反力 Fa2= (N) 判斷系數(shù) e= 徑向載 荷系數(shù) X=1 軸向載荷系數(shù) Y=0 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 接觸角 a=10 (度 ) 負(fù)荷系數(shù) fp= 當(dāng)量動(dòng)載荷 P1= (N) 當(dāng)量動(dòng)載荷 P2= (N) 當(dāng)量動(dòng)載荷 P= (N) 當(dāng)量靜載荷 P0= (N) 軸承工作溫度 0120?T (℃ ) 溫度系數(shù) 1f?t ， 可靠性修正系數(shù) a1=1 材料修正系數(shù) 1a2? 運(yùn)轉(zhuǎn)條件修正系數(shù) 1a3? 額定動(dòng)載荷計(jì)算值 C39。同時(shí)還可以對仿真結(jié)果創(chuàng)建軌跡曲線與運(yùn)動(dòng)包絡(luò)，在現(xiàn)代設(shè)計(jì)中運(yùn)用十分廣泛。這些關(guān)節(jié)可能是滑動(dòng)的，也可以旋轉(zhuǎn)的，它們可以以任意的順序相連，放置于任意的平面。如果將從基座到第一個(gè)關(guān)節(jié)，再依次把各個(gè)關(guān)節(jié)的所有變換結(jié)合起來，就得到了機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的總變換矩陣。在這些關(guān)節(jié)的前后可能還有其他關(guān)節(jié)。以下是給每個(gè)關(guān)節(jié)指定本地參考坐標(biāo)系的步驟： 所有關(guān)節(jié)，無一例外的用 z 軸表示。即表示關(guān)節(jié) n+1 的 z 軸是。 如圖 中的（ a）所示，通常兩關(guān)節(jié)不一定為平行或相交狀態(tài)，而是傾斜的斜線，但是之間會(huì)有唯一條距離 最短的公垂線，它正交于任意兩條斜線。需要明確的是相鄰兩關(guān)節(jié)之間的公垂線不一定為相交或共線關(guān)系，因此，兩 1a?n 個(gè)相鄰坐 標(biāo)系原點(diǎn)的位置也存在不在同一個(gè)位置的可能。 如果兩個(gè)相鄰關(guān)節(jié)的 z 軸是相交的，那么它們之間就沒有公垂線（或者說公垂線距離為零）。 在圖 中（ a）中， ? 表示繞 z 軸的旋轉(zhuǎn)角， D 表示在 z 軸上兩條相鄰的公垂線之間的距離， ? 表示每一條公垂線的長度（關(guān)節(jié)偏移量），角表示兩個(gè)相鄰的 z 軸之間的角度（關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)）。 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 27 （ 1）繞軸旋轉(zhuǎn)（如圖 中圖（ a）與圖（ b）所示），可使它們互相平行，因?yàn)楹屯瑫r(shí)垂直于相同軸的，因此繞軸旋轉(zhuǎn)可以讓它們平行（或者共面）。這時(shí)它們的參考坐標(biāo)系的原點(diǎn)處在同一位置。 在 n+1 和 n+2 坐標(biāo)系間嚴(yán)格地按照上面所講的四種方式轉(zhuǎn)換，可以將一個(gè)坐標(biāo)變換到另一個(gè)坐標(biāo)系。 圖 通用關(guān)節(jié) —連桿組合的 DH表示 Universal joint linkage bined DH 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 28 圖 五自由度運(yùn)動(dòng)參考坐標(biāo)系 Five degrees of freedom motion reference coordinate system 表 連桿參數(shù) Link parameters 連桿 轉(zhuǎn)角 θn 連桿間距 dn 連桿長度 an 連桿扭角 αn 1 θ1 d1=0 a1=l1=148 α1=90176。 5 θ5 d5=0 a5=l5=80 α5=0176。 設(shè)計(jì)的機(jī)械手為傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)模式幾乎 固定，主要還是通過腰部和手腕的旋轉(zhuǎn)、大小臂的上下轉(zhuǎn)動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)空間五個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，工作特點(diǎn)對機(jī)械手確定了合理尺寸，通過大量的計(jì)算校核確定了合適型號(hào)，并且通過三維實(shí)體建模軟件進(jìn)行零部件的模型建立，可直觀體現(xiàn)設(shè)計(jì)樣式，完成了設(shè)計(jì)要求。同時(shí)在軟件運(yùn)用方面，使我的能力得到了很好的提升和鍛煉，鍛煉了我的毅力，讓我認(rèn)識(shí)到作什么，必要的相關(guān)準(zhǔn)備和專研精神是必要的。在此致以誠摯的敬意和深深的感 謝 ! 借此向所有幾個(gè)月來一直關(guān)心、幫助和支持我的各位老師、同學(xué)表示衷心感謝。本次從課題開始的方案確定，設(shè)計(jì)思路的選擇、中期的工程圖的設(shè)計(jì)與修改、后期的說明書的撰寫，格式的校對無不傾注著導(dǎo)師的智慧和心血。在本次設(shè)計(jì)中遇到了相當(dāng)多的問題，尤其在部件的數(shù)據(jù)校核和軟件的建模建立與運(yùn)動(dòng)仿真方面，對我的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了很多的阻礙，導(dǎo)致時(shí)間的不足，最終沒有進(jìn)行模型的運(yùn)動(dòng)仿真分析模塊，不是太完美，但是總體設(shè)計(jì)任務(wù)還是叫完美的完成了，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的要求。固定裝置為鋁合金的架子，具有質(zhì)量較輕，強(qiáng)度大，耐用的特點(diǎn)。 末端執(zhí)行器參考點(diǎn)的坐標(biāo) x=px， y=py, ， z=pz,，將坐標(biāo)變量對 θ1~θ5依次求偏導(dǎo)，即可得到機(jī)械手的雅克比矩陣。 3 θ3 d3=0 a3=l3=200 α3=90176。從參考坐標(biāo)系開始，我們可以將其轉(zhuǎn)換到機(jī)器人的基座，然后到第一個(gè)關(guān)節(jié)，第二個(gè)關(guān)節(jié) …… ，以此直至末端執(zhí)行器。這時(shí)坐標(biāo)系 n 和 n+1完全相同（如圖 中（ g）所示）。因?yàn)楹鸵呀?jīng)平行并且垂直于，通過移動(dòng)距離可使它們互相重疊在一起。 接下來的工作就是將一個(gè)參考坐標(biāo)系 變換到另一個(gè)參考坐標(biāo)系中。也就是說，其公垂線是垂直于包含了兩條 z 軸的平面的直線，它也相當(dāng)于選取兩條 z 軸的叉積方向作為 x軸。 如果兩個(gè)關(guān)節(jié)的 z 軸平行，那么它們之間就有無數(shù)條公垂線。如果 na 表示與 1?na 之間的公垂線，則 nx 的方向?qū)⒀?na 。對于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，繞 z 軸的旋轉(zhuǎn)（角）即關(guān)節(jié)變量。如果關(guān)節(jié)是滑動(dòng)的， z 軸為沿直線運(yùn)動(dòng)的方向。 因此，對于每個(gè)關(guān)節(jié)，都必須指定一個(gè) z 軸和 x 軸，通常并不需要指定 y 軸，因?yàn)閥 軸總是垂直于 x 軸和 z 軸的。 在圖 中（ a）的三個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)都是可以轉(zhuǎn)動(dòng)或平移的。所以任何一組關(guān)節(jié)和連桿的組合都可以構(gòu)成一個(gè)我們想要建模和表示的模型。下 至圖圖 至圖 為各部件三維實(shí)體模型。 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 22 第四章 基于 Pro/ENGINEER 的模型建立與運(yùn)動(dòng)分析 Pro/ENGINEER 軟件是美國 PTC 公司基于單一數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化、特征、全相關(guān)及工程數(shù)據(jù)再利用等概念的基礎(chǔ)上，開發(fā)出來的一款包括 CAD/CAE/CAM 強(qiáng)大功能的的三維繪圖軟件。從而滿足強(qiáng)度要求，安全。按照 a）中設(shè)計(jì)軸結(jié)構(gòu)步驟，根據(jù)轉(zhuǎn)矩和孔徑要求選擇 mikipule 廠家生產(chǎn)的伺服電機(jī)，型號(hào)為 SFC025DA2。按照 a）中設(shè)計(jì)軸結(jié)構(gòu)步驟，根據(jù)轉(zhuǎn)矩和孔徑要求選擇 mikipule 廠家生產(chǎn)的伺服電機(jī)，型號(hào)為 SFC025DA2。聯(lián)軸器與 軸配合長度 12mm。 1大臂 2腰部支架 3腰部驅(qū)動(dòng)電機(jī) 4腰部旋轉(zhuǎn)大齒輪 圖 The arm swing joint structure 小臂擺動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 小臂擺動(dòng)關(guān)節(jié)同樣采取經(jīng)過調(diào)制處理的 45 鋼，硬度取 HBS240 ，傳動(dòng)部件選軟面齒輪。 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 小齒輪： 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為 HBS255~230 ，選取 HBS230 ； 大齒輪： 45 鋼，正火處理，硬度為 1 HBS217~190 ，選取 HBS200 。 （ 2）軸上零件的定位 根據(jù)各種工藝要求，其他部位選擇圓錐滾子軸承，考慮到軸系位置調(diào)整和軸承游隙調(diào)整添加墊片組，腰部轉(zhuǎn)軸以同樣方式步驟設(shè)計(jì)，為增強(qiáng)支撐能力，增加推力球軸承。具有安裝靈活性大、簡單、傳動(dòng)平穩(wěn)、承載力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)學(xué)要求一般所設(shè)計(jì)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)滿足結(jié)構(gòu)緊湊、空間占比小、質(zhì)量輕、運(yùn)動(dòng)慣量小、性能穩(wěn)定、運(yùn)動(dòng)位置精度高、制造成本低等特點(diǎn)。/s 小臂擺動(dòng)關(guān)節(jié) RE 25 φ25mm 60w 行星輪齒輪箱GP32A 180176。綜合考慮，選擇夾緊螺絲的固定方式，該方式滿足普通軸、 D 型軸端的軸、鍵槽軸（加輪轂套）聯(lián)接方式，并且有很好的誤差補(bǔ)償能力，可將安放軸的機(jī)架和安放電機(jī)機(jī)架做成兩個(gè)部件，降低同軸度要求。而其他關(guān)節(jié)在掉電后都能處于平衡位置，故不予考慮。其配合使用的驅(qū)動(dòng)器能和直流電機(jī)構(gòu)成環(huán)回路，使電機(jī)能達(dá)到更為精準(zhǔn)的控制。 最終以 MPP? 為準(zhǔn)則，由功率守恒和能量守恒定律公式計(jì)算，最后把所有參數(shù)折算到電機(jī)軸上，確定電機(jī)型號(hào)和功率大小。/s 末端執(zhí)行器關(guān)節(jié) 5: 090~0 ，最高角速度 160176。類比人體結(jié)構(gòu)參數(shù)，在結(jié)合相關(guān)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和優(yōu)化結(jié)果、工作環(huán)境的需要，定出該移動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)如下： （ 1）結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù) : 腰部回轉(zhuǎn)半徑 1a ： 80mm 大臂長 2a :300mm 中臂加小臂長 3a :360mm （ 2） 運(yùn)動(dòng)參數(shù) : 最高角速度按公式 LVW? 計(jì)算，其中 W 角速度， V 為線速度， L 為臂的長度； 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 1: 0360~0 ，最高角速度 120176。擬定的機(jī)械手的三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示 圖 機(jī)械手三維結(jié)構(gòu)示意圖 Schematic diagram of the threedimensional structure diagram of manipulator 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 第三章 機(jī)械 手工程圖的設(shè)計(jì)及計(jì)算 主要技術(shù)參數(shù)的確定 五自由度機(jī)械手主要技術(shù)參數(shù)包括各關(guān)節(jié)的尺寸、運(yùn)動(dòng)空間角度、電機(jī)的型號(hào)、運(yùn)動(dòng)軸與電機(jī)之間連接的連接裝置聯(lián)軸器的型號(hào)等。而交流伺服電機(jī)通常功率較大，常用于高速運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)為一般常規(guī)設(shè) 計(jì)，滿足所設(shè)計(jì)內(nèi)容即可，選擇常規(guī)的控制型電機(jī)可以達(dá)到要求。手腕部位關(guān)節(jié)的三個(gè)自由度能同時(shí)操作，運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，不發(fā)生干涉。最終確定的機(jī)構(gòu)形勢如圖 所示。如圖 所示 圖 Articulated coordinate system 在充分考慮了移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械手的工作環(huán)境和驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)條件下，結(jié)合控制裝置、密 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 封條件、工作空間、精度和經(jīng)濟(jì)性等因素，最終選擇關(guān)節(jié)型坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)類似于人的手臂運(yùn)動(dòng)，其手臂部分中大臂、小臂用機(jī)架來連接，它的關(guān)節(jié)全部可以旋轉(zhuǎn)，是工業(yè)機(jī)器人中最為常見的結(jié)構(gòu)，在控制方式上它也是比較簡單的，對于傳動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)裝置的要求較低。如圖 所示 （ 3） 球坐標(biāo)型機(jī)器人： 由一個(gè)移動(dòng)自由度和兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度組成 。 （ 1） 直角坐標(biāo)型機(jī)器人： 它的運(yùn)動(dòng)方程可以獨(dú)立處理，是一種比較容易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制的坐標(biāo)形式；它可以實(shí)現(xiàn)兩端支撐，并且剛性比較大；更為顯著的特點(diǎn)是它的定位精度和位置分辨率不隨工作場合而變化。設(shè)計(jì)產(chǎn)品分別給底座的運(yùn)動(dòng)裝置和執(zhí)行器安裝架上安裝相應(yīng)的感應(yīng)元件和測量裝置，用于監(jiān)控化學(xué)反應(yīng)物可能泄露的地點(diǎn)，移動(dòng)中通過控制平臺(tái)控制下的移動(dòng)裝置和機(jī)械手各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)相關(guān)操作，從而達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。 ，新型機(jī)器人不完全追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者和機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即通過遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使傳統(tǒng)智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。發(fā)展到如今具有如下幾個(gè)趨勢： 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2 、高精度、高可靠性、便于操作和維修方向發(fā)展，同時(shí)單機(jī)價(jià)格逐漸降低，普及化程度加大。目前我國主要還是從國外購買或引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人（工業(yè)機(jī)械手）技術(shù)，通過引進(jìn)、仿制、改造、創(chuàng)新等來發(fā)展自己的技術(shù)。最早為一家美國汽車公司為了發(fā)展需要，需要減少勞動(dòng)力經(jīng)濟(jì)支出，安裝了一條零件加工自動(dòng)線，專門用于解決自動(dòng)線、自動(dòng)機(jī)的上下料及工件的傳送，采用了為自動(dòng)機(jī)、自動(dòng)線的附屬裝置機(jī)械手來代替。眾多的優(yōu)點(diǎn)加速了人們對機(jī)械手的進(jìn)一步關(guān)注和研究，一時(shí)成為國家工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)的顯著標(biāo)志。 25 天津理工大學(xué)大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院 2021屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系的建立 15 執(zhí)行器擺動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 13 小臂擺動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 2 第二章 五自由度移動(dòng)