【正文】 在此致以誠摯的敬意和深深的感 謝 ! 借此向所有幾個月來一直關(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)計思路的選擇、中期的工程圖的設(shè)計與修改、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。同時在軟件運用方面，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)識到作什么，必要的相關(guān)準(zhǔn)備和專研精神是必要的。在本次設(shè)計中遇到了相當(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動仿真方面，對我的設(shè)計產(chǎn)生了很多的阻礙，導(dǎo)致時間的不足，最終沒有進(jìn)行模型的運動仿真分析模塊，不是太完美，但是總體設(shè)計任務(wù)還是叫完美的完成了，達(dá)到了設(shè)計目的要求。根據(jù)設(shè)計需求，工作特點對機(jī)械手確定了合理尺寸，通過大量的計算校核確定了合適型號，并且通過三維實體建模軟件進(jìn)行零部件的模型建立，可直觀體現(xiàn)設(shè)計樣式，完成了設(shè)計要求。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。 設(shè)計的機(jī)械手為傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計，運動模式幾乎 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，來實現(xiàn)空間五個自由度運動。 末端執(zhí)行器參考點的坐標(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。 5 θ5 d5=0 a5=l5=80 α5=0176。 3 θ3 d3=0 a3=l3=200 α3=90176。 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)計說明書 28 圖 五自由度運動參考坐標(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。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，然后到第一個關(guān)節(jié)，第二個關(guān)節(jié) …… ，以此直至末端執(zhí)行器。 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，可以將一個坐標(biāo)變換到另一個坐標(biāo)系。這時坐標(biāo)系 n 和 n+1完全相同（如圖 中（ g）所示）。這時它們的參考坐標(biāo)系的原點處在同一位置。因為和已經(jīng)平行并且垂直于，通過移動距離可使它們互相重疊在一起。 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 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，因為和同時垂直于相同軸的，因此繞軸旋轉(zhuǎn)可以讓它們平行（或者共面）。 接下來的工作就是將一個參考坐標(biāo)系 變換到另一個參考坐標(biāo)系中。 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），角表示兩個相鄰的 z 軸之間的角度（關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)）。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）。 如果兩個關(guān)節(jié)的 z 軸平行，那么它們之間就有無數(shù)條公垂線。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 個相鄰坐 標(biāo)系原點的位置也存在不在同一個位置的可能。如果 na 表示與 1?na 之間的公垂線，則 nx 的方向?qū)⒀?na 。 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，但是之間會有唯一條距離 最短的公垂線，它正交于任意兩條斜線。對于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，繞 z 軸的旋轉(zhuǎn)（角）即關(guān)節(jié)變量。即表示關(guān)節(jié) n+1 的 z 軸是。如果關(guān)節(jié)是滑動的， z 軸為沿直線運動的方向。以下是給每個關(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。 因此，對于每個關(guān)節(jié)，都必須指定一個 z 軸和 x 軸，通常并不需要指定 y 軸，因為y 軸總是垂直于 x 軸和 z 軸的。在這些關(guān)節(jié)的前后可能還有其他關(guān)節(jié)。 在圖 中（ a）的三個關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)都是可以轉(zhuǎn)動或平移的。如果將從基座到第一個關(guān)節(jié)，再依次把各個關(guān)節(jié)的所有變換結(jié)合起來，就得到了機(jī)械手運動的總變換矩陣。所以任何一組關(guān)節(jié)和連桿的組合都可以構(gòu)成一個我們想要建模和表示的模型。這些關(guān)節(jié)可能是滑動的，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。下 至圖圖 至圖 為各部件三維實體模型。同時還可以對仿真結(jié)果創(chuàng)建軌跡曲線與運動包絡(luò)，在現(xiàn)代設(shè)計中運用十分廣泛。 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 22 第四章 基于 Pro/ENGINEER 的模型建立與運動分析 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。=4500 (h) 可靠性 S=90 (%) 潤滑方式 Grease=油潤滑 軸承類型 BType=圓錐滾子軸承 軸承型號 BCode=32216 軸承列數(shù) BCol=0 軸承內(nèi)徑 d=80 (mm) 軸承外徑 D=140 (mm) 軸承的寬度 B=40 (mm) 基本額定動載荷 C=198000 (N) 基本額定靜載荷 Co=278000 (N) 極限轉(zhuǎn)速 (脂 ) nlimz=2600 (r/min) 極限轉(zhuǎn)速 (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)計說明書 21 接觸角 a=10 (度 ) 負(fù)荷系數(shù) fp= 當(dāng)量動載荷 P1= (N) 當(dāng)量動載荷 P2= (N) 當(dāng)量動載荷 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? 運轉(zhuǎn)條件修正系數(shù) 1a3? 額定動載荷計算值 C39。從而滿足強(qiáng)度要求，安全。 1執(zhí)行器安裝架 2手腕 3執(zhí)行器擺動驅(qū)動電機(jī) 圖 執(zhí)行器安裝架擺動關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖 Actuator mounting rack swing joint structure 機(jī)械手各臂及支座的結(jié)構(gòu)設(shè)計 底座采用鑄鐵 HT200 鑄造而成，各臂材料選用用鋁合金。按照 a）中設(shè)計軸結(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)，型號為 SFC025DA2。 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 16 1手腕 2小臂 3手腕旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī) 圖 The rotating structure of wrist joint 執(zhí)行器擺動關(guān)節(jié)設(shè)計 執(zhí)行器擺動轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，將驅(qū)動電機(jī)布置于手腕空腔內(nèi)，齒輪設(shè)計同小臂擺動關(guān)節(jié)齒輪。按照 a）中設(shè)計軸結(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)，型號為 SFC025DA2。 1小臂 2大臂 3小臂擺動驅(qū)動電機(jī) 圖 小臂擺動關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖 arm swinging joint structure 手腕旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計 手腕轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，將驅(qū)動電機(jī)布置于小臂空腔內(nèi)，手腕與軸采用軸肩與圓螺母（加止動墊圈）進(jìn)行軸向固定與定位。聯(lián)軸器與 軸配合長度 12mm。輸入軸做出齒輪軸，輸出軸與齒輪通過鍵連接。 1大臂 2腰部支架 3腰部驅(qū)動電機(jī) 4腰部旋轉(zhuǎn)大齒輪 圖 The arm swing joint structure 小臂擺動關(guān)節(jié)設(shè)計 小臂擺動關(guān)節(jié)同樣采取經(jīng)過調(diào)制處理的 45 鋼，硬度取 HBS240 ，傳動部件選軟面齒輪。按照公式（ 33），初算最小軸徑 mm16d ?小 ，考慮減速箱輸出軸軸直徑 mm12d? ，初步定最小軸徑 20d ?大 mm。 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 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 。 （ 3）腰間齒輪設(shè)計 按使用條件，本設(shè)計中的運動結(jié)構(gòu)屬低速運轉(zhuǎn)、輕載荷，重要性和可靠性一般的齒輪傳動。 （ 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，為增強(qiáng)支撐能力，增加推力球軸承。腰間立軸需要能承受較大的軸向力和徑向力，選擇圓錐滾子軸承可滿足使用條件，其余各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)都配以旋轉(zhuǎn)支撐部件，選用一般滾動軸承即可。具有安裝靈活性大、簡單、傳動平穩(wěn)、承載力強(qiáng)等優(yōu)點。 蝸桿傳動一般用于大傳動比場合，其重量較大，反行程具有自鎖性，但傳動效率低，運動中磨損量嚴(yán)重，不予考慮?，F(xiàn)代設(shè)計學(xué)要求一般所設(shè)計的傳動結(jié)構(gòu)滿足結(jié)構(gòu)緊湊、空間占比小、質(zhì)量輕、運動慣量小、性能穩(wěn)定、運動位置精度高、制造成本低等特點。/s 執(zhí)行器擺動關(guān)節(jié) RE 25 φ25mm 20w 行星輪齒輪箱GP32A 160176。/s 小臂擺動關(guān)節(jié) RE 25 φ25mm 60w 行星輪齒輪箱GP32A 180176。 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 10 表 DC servo motor selection parameters 電機(jī) 減速箱 關(guān)節(jié)最高角速度 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) RE 35 φ35mm 90w 行星輪齒 輪箱GP42A 120176。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)架做成兩個部件，降低同軸度要求。 常規(guī)聯(lián)軸器的固定方式有四種。而其他關(guān)節(jié)在掉電后都能處于平衡位置，故不予考慮。 機(jī)械手在靜止?fàn)顟B(tài)時，所有的重量都將在機(jī)械手的大臂上作 用，產(chǎn)生力矩，為了防止機(jī)械手在突發(fā)情況下發(fā)生自運動，即斷電情況。其配合使用的驅(qū)動器能和直流電機(jī)構(gòu)成環(huán)回路，使電機(jī)能達(dá)到更為精準(zhǔn)的控制。 mxaon 直流伺服電機(jī)是一種高質(zhì)量高性能的驅(qū)動元件，它配有高性能的稀鋼，空心杯轉(zhuǎn)子（此機(jī)構(gòu)獲得了專利技術(shù)）和高精密的齒輪箱。 最終以 MPP? 為準(zhǔn)則，由功率守恒和能量守恒定律公式計算，最后把所有參數(shù)折算到電機(jī)軸上，確定電機(jī)型號和功率大小。選擇電動機(jī)，根據(jù)驅(qū)動要求，需符合以下條件： 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 9 （ 1）需要的轉(zhuǎn)矩，這一轉(zhuǎn)矩下的速度 u； （ 2）不同負(fù)載下的持續(xù)工作時間 t； （ 3）需要的加速度 a； （ 4）負(fù)載的慣量 j。/s