【正文】 幾個月來，老師淵博的知識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)、高尚的品格時時給我于鞭策和啟迪，敏捷創(chuàng)意的思維和開闊的學(xué)術(shù)視野使我受益非淺，執(zhí)著追求的敬業(yè)精神、樸實寬厚的博大胸懷時刻影響著我。經(jīng)過此次的設(shè)計，我對機(jī)械設(shè)計這門學(xué)科有了進(jìn)一步的認(rèn)識和理解，對一個新產(chǎn)品的開發(fā)、一個機(jī)械系統(tǒng) 的流程建立有了初步理解與認(rèn)識，學(xué)到了很多新的知識。動力傳動裝置選擇了 maxon 公司生產(chǎn)的高性能高精準(zhǔn)的直流伺服電機(jī)。 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)計說明書 30 總 結(jié) 本次畢業(yè)設(shè)計課題為五自由度移動機(jī)械手設(shè)計，設(shè)計主要為機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，涉及內(nèi)容有機(jī)械手的驅(qū)動裝置選擇，轉(zhuǎn)動裝置的細(xì)化比較與選擇，機(jī)械手的各結(jié)構(gòu)尺寸的確定及校核，設(shè)計產(chǎn)品的三維模型建立及運(yùn)動分析，以及最后的運(yùn)動學(xué)公式推導(dǎo)。 4 θ4 d4=0 a4=l4=160 α4=90176。這里比較好的一點(diǎn)是，在任何兩個坐標(biāo)系之間的變換均可采用與前面相同的運(yùn)動步驟。至此，我們順利的從一個坐標(biāo)系變換到了下一個坐標(biāo)系。 （ 3）沿軸平移的距離，使其原點(diǎn)重合（如圖 中（ d）和（ e）所示）。假定現(xiàn)在處于本地坐標(biāo)系中，那么通過以下四步標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動即可到達(dá)下一個本地坐標(biāo)系。這也會使模型得以簡化。這時可挑選與前一關(guān)節(jié)的公垂線共線的一條公垂線，這樣做就可以簡化模型。依次，在 nz 與 1?nz 之間的公垂線記為 1?na ，那么 1?nz 的方向?qū)⒀?1?na 。對于滑動關(guān)節(jié)，沿 z 軸的連桿長度 d 就是關(guān)節(jié)變量。不管在哪一種情況下，關(guān)節(jié) n處的 z 軸（以及該關(guān)節(jié)的本地參考坐標(biāo)系）的下標(biāo)為 n1。此外， DH 表示法根本就不用 y 軸 。第一個關(guān)節(jié)假定為關(guān)節(jié) n，第二個關(guān)節(jié)記為 n+1，第三個關(guān)節(jié)記為 n+2。為了方便于設(shè)計和計算，我們需要給每個關(guān)節(jié)指 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)計說明書 26 定一個參考坐標(biāo)系，然后，確定從一個關(guān)節(jié)到下一個關(guān)節(jié)（一個坐標(biāo)系到下一個坐標(biāo)系）來進(jìn)行變換的步驟。 圖 底座三維實體模型結(jié)構(gòu) A 3D model of structure 圖 The 3D input waist joint model 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)計說明書 23 圖 腰部輸出關(guān)節(jié)三維實體模型 The 3D waist joint model output 圖 大臂三維實體模型 The 3D model of arm 圖 小臂擺動三維實體模型 The 3D model of swing arm 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)計說明書 24 圖 小臂三維實體模型 The 3D model of small arms 圖 手腕三維實體模型 The 3D model of the wrist 圖 末端輸入三維實體模型 At the end of the input 3D model 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)計說明書 25 圖 末端執(zhí)行器安裝架及軸系 The end effector mounting frame and shaft 圖 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)三維實體模型 The 3D structure of manipulator model 移動機(jī)械手的運(yùn)動分析 連桿參數(shù)及連桿坐標(biāo)系的建立 假定機(jī)器人為若干個關(guān)節(jié)與連桿組成。 Pro/ENGINEER 中的機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真模塊 Mechanism 可以分析與仿真機(jī)械裝配模型的運(yùn)動學(xué)，運(yùn)動仿真結(jié)果不但可以以動畫形式表現(xiàn)出來，還可以以參數(shù)的形式輸出，同時判斷零件之間是否發(fā)生干涉，干涉體積有多大和對仿真結(jié)果進(jìn)行記錄。 （ 2）對圓錐滾子軸承進(jìn)行校核 各項數(shù)據(jù)結(jié)果如下： 徑向力 Fr=0 (N) 軸向力 Fa=0 (N) 圓周力 Ft=82 (N) 軸頸直徑 d1=80 (mm) 作用點(diǎn)距離 L=80 (mm) Fr 與軸承 1 距離 L1=40 (mm) Fr 與軸心線距離 La=400 (mm) 轉(zhuǎn)速 n=3000 (r/min) 要求壽命 Lh39。聯(lián)軸器與軸配合長度 11mm，最終確定軸系結(jié)構(gòu)如圖 所示。聯(lián)軸器與軸配合長度11mm，最終確定旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖 所示。小臂擺動關(guān)節(jié)的最終結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。其中設(shè)計參數(shù)為 功率 kwT ? ，主動輪傳動轉(zhuǎn)速 min/32n1 r? ，傳動比為 1，轉(zhuǎn)矩 mm18 ?? NT ，根據(jù)公式（ 34）帶入相關(guān)數(shù)據(jù)的模數(shù) ? ，取值為 ，記 C . 齒輪的基本參數(shù)如下表 所示 表 Gear parameters 名稱 公式 數(shù)值 齒數(shù)比 i 20/20/ 12 ?ZZ 1 分錐角 1? )))∑c o s (+) /( u∑a c ta n ( s in ( 045 分錐角 2? 00 4590δ1Σ ? 045 大端面 1d ???mz mm35 大 端面 2d ???mz mm35 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)計說明書 15 外錐距 R 011 45s in2/35s in2/d ?? 齒寬 B ??? 齒頂高 ah )1(m ????? ? xC 齒根高 fh )1(m ???? x 頂隙 C ??? ?c 為了使得機(jī)械手結(jié)構(gòu)更為緊湊，設(shè)計將小臂擺動的驅(qū)動電機(jī)放在大臂空腔內(nèi)，通過錐齒輪換向來實現(xiàn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動。 圖 腰部傳動軸結(jié)構(gòu) 圖 The structure diagram of transmission shaft 1腰部支撐架 2大齒輪 3底座 4軸承座 5電機(jī)座 圖 structure diagram 初步計算齒輪模數(shù)時，按彎曲疲勞強(qiáng)度公式進(jìn)行計算： 322mFaFaDft YYZTYK ? ?? ??? （ 34） 式中 ?K ，其他數(shù)值分別在機(jī)械設(shè)計手冊中查取： 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)計說明書 13 ??Y 為重合度系數(shù)， ?faY 為齒形系數(shù)， ?AY? 為應(yīng)力修正系數(shù)，電機(jī)功率 KWT ? ，主動輪轉(zhuǎn)數(shù) min/321 rn ? 傳動比： ? ，轉(zhuǎn)矩： mmNT ?? 27000 計算得出模數(shù) m≧ ，取整數(shù) 7，按照初步確定齒輪的基本參數(shù)和主要尺寸如下 : 齒數(shù)比 u： 取整 大端分度圓直徑 D：小輪： mm 大輪： 分錐 角：小輪： 大輪： 外錐距 Re： 齒寬系數(shù)值 e： 中點(diǎn)錐距 Rm： 中點(diǎn)模數(shù) mm： 內(nèi)錐距 Ri： 小端模數(shù) mi： 中點(diǎn)分度圓直徑 dm：小輪： 大輪： 小端分度圓直徑 di：小輪： 大輪： 頂隙 c： 齒頂高 ha：小輪： 大輪： 齒根高 hf：小輪： 大輪： 小齒輪結(jié)構(gòu)如下圖 所示，其采用雙側(cè)臺階結(jié)構(gòu)，大齒輪和小齒輪類似；確定齒數(shù) Z，在保證接觸強(qiáng)度的前提下，提高平穩(wěn)性，減小沖擊振蕩，小齒輪齒數(shù)一般取 20~17 ，此課題設(shè)計選取 202 ?Z ， 401?Z . 圖 Small waist joint gear structure 大臂擺動關(guān)節(jié)設(shè)計 大臂擺動采用電機(jī)直接驅(qū)動，大臂與軸軸向采用軸肩、雙圓螺母固定，周向采用普 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)計說明書 14 通平鍵連接，選用圓錐滾子軸承。腰部的最終機(jī)構(gòu)為圖 ，其中轉(zhuǎn)軸與齒輪采用過盈配合。綜合考慮，可選擇錐齒輪傳動。滿足設(shè)計空間結(jié)構(gòu)緊湊、占比小、精度高的機(jī)械手傳動裝置主要有蝸桿傳動和齒輪傳動兩種方式。/s 手腕回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) RE 25 φ25mm 20w 行星輪齒輪箱GP32A 100176。聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)如圖 所示。 根據(jù)選取的電機(jī)，選擇 mikipule 廠家生產(chǎn)專用的伺服電機(jī)精密聯(lián)軸器，其本體采用碳素鋼材質(zhì)的板彈簧式聯(lián)軸器 , 該聯(lián)軸器扭轉(zhuǎn)剛性極高 , 能準(zhǔn)確控制軸的旋轉(zhuǎn) , 可進(jìn)行高精密控制。本課題設(shè)計的機(jī)械手擁有五個自由度，所以共選用了五套 mxaon 直流電機(jī)組件，分別安裝在機(jī)械手各個關(guān)節(jié)上，其基本參數(shù)如下表 所示。本系統(tǒng)電 機(jī)組件全部選用 mxaon 直流伺服電機(jī)。/s 直流伺服電機(jī)的選擇 根據(jù)創(chuàng)建的三維模型下的各部件物理參數(shù)，根據(jù)部件的轉(zhuǎn)動慣量，角速度，從而預(yù)估算出各關(guān)節(jié)傳動所需的功率和轉(zhuǎn)矩。/s 大臂擺動關(guān)節(jié) 2: 090~0 ， 最高角速度 72176。一系列相關(guān)參數(shù)的選定是設(shè)計成功的關(guān)鍵，是評定設(shè)計合理與科學(xué)的依據(jù)。 對于關(guān)節(jié) 4 選用 maxon 型直流伺服電機(jī)，其該產(chǎn)品含有與電機(jī)相互配合的各種型號的減速箱、編碼器及其它附件等，可以更好地實現(xiàn)控制功能。常規(guī)控制型電機(jī)又分為步進(jìn)電機(jī)、力矩電機(jī)和伺服電機(jī)三種。 所以機(jī)械手必須要有很好的伺服控制能力運(yùn)動的平穩(wěn)性能，再者要求機(jī)械手結(jié)構(gòu)緊湊、活動靈活，同時結(jié)合工況條件。 1底座， 2腰部， 3大臂， 4小臂， 5手腕， 6末端執(zhí)行器安裝架 圖 五自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)形式 Five DOF Manipulator Structure 機(jī)械手驅(qū)動方式選擇 設(shè)計中的機(jī)械手，每個關(guān)節(jié)的運(yùn)動形式均為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動結(jié)構(gòu)，現(xiàn)實中常用的驅(qū)動方式有電氣式、液壓式、氣壓式。這種機(jī)械手的運(yùn)動軌跡都要求基于某個固定的平面，其運(yùn)動具有可控性，追蹤性。它的工作范圍一般是一個中空的幾個不完全球體相貫組成。即機(jī)械手的工作原理是通過繞坐標(biāo)系的 Z 軸的左右旋轉(zhuǎn)， Z 軸的水平軸 Y 上下擺動和 X 軸的伸合合成，它的中心架附近的工作范圍大，覆蓋工作空間較廣。缺點(diǎn)是 其操作范圍為一個長方體空間，有一定局限性，同時占地面積較大，運(yùn)動速度較低。 本次畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容 五自由度移動機(jī)械手設(shè)計包含的主要內(nèi)容有一下幾方面： 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)計說明書 3 Pro/ENGINEER 的機(jī)械手模型建立和運(yùn)動分析 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)計說明書 4 第二章 五自由度移動機(jī)械手總體方案設(shè)計 移動機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式選擇 隨著科技的不斷進(jìn)步，機(jī)器人機(jī)械手領(lǐng)域也延伸出各種各樣的機(jī)械手。 ，隨著新型材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，新型材料的出現(xiàn)，可以使結(jié)構(gòu)特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑原件得到利用，不僅節(jié)省潤滑油，無污染，而且系統(tǒng)簡單，摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長； ，由 “可編程控制器 ——傳感器 ——液壓元件 ”組成的控制 系統(tǒng)是自動化的重要方面，與電子元件的組合使控制操作步驟得到了簡化，方便了操作管理，提高精度要求和反饋。 、可重構(gòu)化。截止到 21 世紀(jì) 20 年代，我國機(jī)械手已發(fā)展了三代技術(shù)；第一代機(jī)械手主要還是工人來控制，是通過降低成本和提高精度來改進(jìn)；第二代機(jī)械手已在研制中，它進(jìn)一步的智能化，具有視覺、觸覺，聽覺、思考的綜合能力。在之后的生產(chǎn)實踐中人們認(rèn)識到機(jī)械手的便利，提高了生產(chǎn)效率，同時質(zhì)量性能得到了保證，獲得了普遍的認(rèn)同，引起了人們廣泛的關(guān)注。研究經(jīng)濟(jì)型、實用型、高可靠型的移動機(jī)械手，設(shè)計相關(guān)機(jī)械手具有廣泛