數(shù)控鏜銑床換刀機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)含SW三維及7張CAD圖,數(shù)控,銑床,機(jī)械手,升降,機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì),sw,三維,cad 數(shù)控鏜銑床換刀機(jī)械手升降結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 摘 要 換刀機(jī)械手在各種機(jī)床中應(yīng)用十分廣泛，是機(jī)床中的重要組成部件，換刀機(jī)械手關(guān)系到整個(gè)機(jī)床的運(yùn)作。數(shù)控鏜銑床是一種數(shù)字控制機(jī)床，裝夾工件后能完成多種工序的加工。本文運(yùn)用模塊化思維一一設(shè)計(jì)出機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的各個(gè)組成部件、驅(qū)動(dòng)方法及控制方式。該升降機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、滾珠絲杠、導(dǎo)向柱、減速齒輪、螺旋副間隙調(diào)整墊以及無(wú)觸點(diǎn)形成開關(guān)等構(gòu)成。驅(qū)動(dòng)方法為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，由傳感器控制機(jī)械手的升降運(yùn)動(dòng)。最后通過(guò)SolidWorks軟件對(duì)換刀機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)做了零件三維建模并完成零件的裝配。 關(guān)鍵詞：數(shù)控鏜銑床；換刀機(jī)械手；升降機(jī)構(gòu)；SolidWorks II ABSTRACT Tool changers are widely used in a variety of machine tools, is an important component in the machine tool, tool changer related to the operation of the entire machine. In this paper, the design of the lifting mechanism of CNC boring and milling machine tool change is introduced in detail. CNC boring and milling machine is a digital control machine, after clamping the workpiece to complete a variety of processes. The lifting mechanism consists of an electric motor, a ball screw, a guide post, a reduction gear, a screw auxiliary clearance adjustment pad and a non-contact forming switch. The driving method is driven by the motor, and the sensor controls the movements of the manipulator. Finally, through the SolidWorks software on the tool changer lift mechanism to do parts three-dimensional modeling and complete the assembly of parts. Key Words：CNC boring and milling machine；Tool changer；Lift mechanism；SolidWorks 目 錄 摘要 I ABSTRACT II 1 緒論 1 1.1 課題研究背景目的及意義 1 1.2 目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì) 2 1.2.1數(shù)控臥式鏜銑床 2 1.2.2機(jī)械手 2 1.3 主要研究?jī)?nèi)容 4 2 機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的總體方案設(shè)計(jì) 5 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 5 2.2 設(shè)計(jì)步驟 5 2.3 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 5 2.4總體方案確定 5 2.4.1 換刀機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方案 5 2.5小結(jié) 6 3 升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸計(jì)算 7 3.1 升降電機(jī)的選擇 7 3.2 減速器齒輪的選用 8 3.2.1 齒輪材料的選擇 8 3.2.2 按齒面接觸硬度確定中心距 10 3.2.3 驗(yàn)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度 11 3.2.4 校核齒根彎度疲勞強(qiáng)度 13 3.2.5 齒輪主要幾何參數(shù) 14 3.3 滾珠絲杠的選擇 16 3.4 軸的確定 16 3.5 傳感器的選擇 17 3.5.1 光電傳感器工作原理 17 3.5.2 光電傳感器分類和工作方式 17 3.6小結(jié) 18 4 升降機(jī)構(gòu)的三維建模 19 4.1 典型零件的三維建模 19 4.1.1 絲杠的三維建模 19 4.1.2 軸承的三維建模 24 4.3 小結(jié) 28 5 升降機(jī)構(gòu)的裝配 30 5.1 裝配的基本步驟及裝配模型 30 5.2 升降機(jī)構(gòu)的裝配 30 5.2.1 創(chuàng)建裝配體 30 5.2.2 插入裝配體零件 30 5.2.3 裝配體零件的配合 31 5.3 裝配體的靜態(tài)干涉檢查 34 5.4 小結(jié) 34 6 總結(jié) 35 參考文獻(xiàn) 35 致謝 36 附錄1 外文翻譯 37 附錄2 外文原文 45 數(shù)控鏜銑床換刀機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 1 緒論 1.1 課題研究背景目的及意義 數(shù)控臥式鏜銑床是一種具有自動(dòng)換刀裝置和任意分度數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的數(shù)字控制機(jī)床，工件在一次裝夾后能自動(dòng)完成幾個(gè)側(cè)面的多種工序的加工。鏜銑床加工特點(diǎn)是在加工過(guò)程中工件不動(dòng)，讓刀具移動(dòng)，并使刀具轉(zhuǎn)動(dòng)，在實(shí)踐中具有“萬(wàn)能機(jī)床”的稱號(hào)。通常，刀具旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動(dòng)，刀具或工件的移動(dòng)為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。它主要是用來(lái)加工高精度孔或一次定位完成多個(gè)孔的精加工，此外還可以從事與孔精加工有關(guān)的其他加工面的加工。 現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于20世紀(jì)50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動(dòng)作功能的柔性自動(dòng)化產(chǎn)品。工業(yè)機(jī)械手是在新技術(shù)革命中迅速發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)，它在傳統(tǒng)的科技領(lǐng)域與工業(yè)部門中獲得應(yīng)用，并顯示出強(qiáng)大的生命力，成為人類不可或缺的幫手。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。 機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象，機(jī)械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動(dòng)化水平越來(lái)越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機(jī)械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險(xiǎn)的工作?？稍跈C(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國(guó)生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。 工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新的技術(shù)，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。工業(yè)機(jī)械手是提高生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化、改善勞動(dòng)條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國(guó)，近幾年來(lái)也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。 自上世紀(jì)六十年代，機(jī)械手被實(shí)現(xiàn)為一種產(chǎn)品后，對(duì)它的開發(fā)應(yīng)用也在不斷發(fā)展，利用機(jī)械手搬運(yùn)物體、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用在了機(jī)械制造、冶金、化工、電力、采礦、建材、輕工、食品、環(huán)保等各行各業(yè)之中。隨著技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械手的設(shè)計(jì)已經(jīng)實(shí)破了單一試劑、加熱及濾光片的束縛。隨著社會(huì)的快速發(fā)展，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械手的要求將越來(lái)越高，其技術(shù)也越來(lái)越成熟。 機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。 1.2 目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì) 1.2.1數(shù)控臥式鏜銑床 國(guó)外數(shù)控臥式鏜床和臥式加工中心均有突飛猛進(jìn)的發(fā)展。其表現(xiàn)在于機(jī)床的結(jié)構(gòu)、精度和壽命，以及自動(dòng)化水平、生產(chǎn)效率等方面都有很大的提高。在產(chǎn)品開發(fā)工作上，采用模塊化設(shè)計(jì)和家算計(jì)輔助設(shè)計(jì)等現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法，在確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量和技術(shù)水平的前提下，產(chǎn)品品種大量涌現(xiàn)，變形產(chǎn)品也越來(lái)越多，除了可滿足市場(chǎng)的需求外，并獲得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。一些科學(xué)技術(shù)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家，已由生產(chǎn)臥式鏜床轉(zhuǎn)向生產(chǎn)更高水平的自動(dòng)化機(jī)床，并已產(chǎn)生和研制出更高一級(jí)的現(xiàn)代化水平的設(shè)備，從而為實(shí)現(xiàn)無(wú)人化工廠奠定了基礎(chǔ)。國(guó)外數(shù)控臥式鏜床及臥式加工中心的形成、演變過(guò)程，一種是以普通臥式鏜床為基礎(chǔ)，配以控制系統(tǒng)，而成為數(shù)控臥式鏜床；進(jìn)而在配以刀庫(kù)及機(jī)械手等獨(dú)立部件后，演變成為臥式加工中心；另一種是與普通臥式鏜床無(wú)關(guān)，獨(dú)立設(shè)計(jì)而成。很多機(jī)床廠家已不生產(chǎn)一般的普通臥式機(jī)床，已將其擴(kuò)散到發(fā)展中國(guó)家去生產(chǎn)，而把主要精力集中到更高級(jí)的數(shù)控臥式鏜床和臥式加工中心，并進(jìn)行大量的科學(xué)研究工作，因而取得了較大技術(shù)和經(jīng)濟(jì)利益。 我國(guó)臥式鏜床生產(chǎn)時(shí)在1954年由仿制開始的。目前已由13個(gè)省、一個(gè)自治區(qū)、三個(gè)直轄市的二十六個(gè)廠，臥式鏜床的年產(chǎn)量到1971年，已經(jīng)超過(guò)一千臺(tái)。臥式鏜床的品種，第一個(gè)五年計(jì)劃期間，只能生產(chǎn)主軸直徑85毫米的臥式鏜銑床，現(xiàn)在已經(jīng)能生產(chǎn)主軸直徑63、85、125、150等毫米的臥式鏜床及主軸直徑110毫米的加大主軸直徑和移動(dòng)式鏜床。從只能根據(jù)國(guó)外圖紙生產(chǎn)單一產(chǎn)品，發(fā)展到資興設(shè)計(jì)試制并采用一定先進(jìn)技術(shù)的多種產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家在相關(guān)領(lǐng)域取得了快速增長(zhǎng)，相關(guān)設(shè)備廠家在國(guó)家政策的扶持下取得了不少成果，與國(guó)際同行的差距越來(lái)越小，甚至有所超越。具有高精度、高效率及卓越的加工能力。采用絕對(duì)坐標(biāo)，不需要長(zhǎng)距離的原點(diǎn)回歸操作，有效縮短非加工時(shí)間。五軸（X,Y,Z,W,B軸）控制，四軸同動(dòng)控制，任意角度定位工作臺(tái)（B軸功能）。適合工件的書面加工，只需一次安裝工件及調(diào)整，配置回轉(zhuǎn)式工作臺(tái)，定位精準(zhǔn)，確保各加工面之間相互精度。配置刀庫(kù)就升級(jí)為加工中心。適用于各類大型箱體、缸體的加工。當(dāng)代臥式鏜銑床與落地式鏜銑床技術(shù)發(fā)展非?？欤饕w現(xiàn)在設(shè)計(jì)理念的更新和機(jī)床運(yùn)行速度及制造工藝水平有很大的提高，另一方面是機(jī)床結(jié)構(gòu)變化大，新技術(shù)的應(yīng)用層出不窮。臥式鏜銑床的結(jié)構(gòu)向高速電主軸、多軸聯(lián)動(dòng)、結(jié)構(gòu)形式多樣化的發(fā)展態(tài)勢(shì)，這將是今后一個(gè)時(shí)期技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。 1.2.2機(jī)械手 機(jī)械手首先是從美國(guó)開始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)。 1962年，美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate（即萬(wàn)能自動(dòng)）。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬(wàn)能自動(dòng)公司,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。 1962年美國(guó)機(jī)械制造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Vewrsatran機(jī)械手。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。 1978年美國(guó)Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國(guó)機(jī)械制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。 聯(lián)邦德國(guó)KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。 日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種機(jī)械手后大力從事機(jī)械手的研究。 前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手，至1977年底，其中一半是國(guó)產(chǎn)，一半是進(jìn)口。 第一代機(jī)械手主要依靠工人進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代機(jī)械手設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機(jī)械手具有感覺機(jī)能。 第三代機(jī)械手則能獨(dú)立完成工作中過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。 在國(guó)內(nèi)，應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的工業(yè)機(jī)械手特別是示教再現(xiàn)性機(jī)械手不斷增多，而且計(jì)算機(jī)控制的也有所應(yīng)用。國(guó)內(nèi)近年來(lái)在移動(dòng)機(jī)械手控制方面也開展了許多研究工作，如清華大學(xué)徐文立教授在考慮了動(dòng)力學(xué)耦合的情況下，設(shè)計(jì)了急于Lyanpov穩(wěn)定性理論的魯棒控制器設(shè)計(jì)方法，保證了全部狀態(tài)漸進(jìn)跟蹤期望軌跡。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所的易建強(qiáng)教授對(duì)移動(dòng)機(jī)械手的視覺定位和導(dǎo)航、冗余度運(yùn)動(dòng)分析進(jìn)行了研究。北京科技大學(xué)的余達(dá)太教授提出了優(yōu)化準(zhǔn)則，利用遺傳算法求解移動(dòng)載體的運(yùn)動(dòng)代價(jià)、機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)代價(jià)、機(jī)械手偏離優(yōu)化位姿勢(shì)所需的運(yùn)動(dòng)代價(jià)。 在國(guó)外應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的工業(yè)機(jī)械手多為示教再現(xiàn)型機(jī)械手，而且計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)械手占有相當(dāng)比例。帶有“觸覺”，“視覺”等感覺的“智能機(jī)械手”正處于研制開發(fā)階段。帶有一定智能的工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展方向。國(guó)外還在高完整性機(jī)器人、遙控移動(dòng)機(jī)器人、環(huán)境與移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)的集成等方面作了大量的研究。 隨著科技及計(jì)算機(jī)發(fā)展步伐的進(jìn)一步加快,機(jī)械手仍具有非常廣闊的發(fā)展前景,今后的機(jī)械手會(huì)向更加小型化、高科技化、多功能化、以人為本化方向發(fā)展。 1.3 主要研究?jī)?nèi)容 （1）確定機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的總體方案； （2）設(shè)計(jì)機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)； （3）通過(guò)計(jì)算確定升降機(jī)構(gòu)的各部分尺寸； （4）通過(guò)SolidWorks軟件對(duì)升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，完成裝配。 58 2 機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的總體方案設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 本次設(shè)計(jì)任務(wù)是設(shè)計(jì)一種數(shù)控鏜銑床換刀機(jī)械手的升降機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)在設(shè)置的命令下，來(lái)配合刀庫(kù)和鏜銑床，以實(shí)現(xiàn)其所有換刀取刀動(dòng)作的自動(dòng)升降過(guò)程。 2.2 設(shè)計(jì)步驟 1、確定換刀機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的組成與配置。 2、通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算和參考文獻(xiàn)確定換刀機(jī)械手的升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。 3、升降機(jī)構(gòu)尺寸。 4、升降機(jī)構(gòu)零件的相互位置關(guān)系。 2.3 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 換刀機(jī)械手的升降機(jī)構(gòu)的三維設(shè)計(jì)，包括零件三維建模以及裝配。 2.4總體方案確定 2.4.1 換刀機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方案 工業(yè)機(jī)械手分類繁多，按驅(qū)動(dòng)方式可分為： 1.液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 通過(guò)液體的壓力驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。其抓重高、傳動(dòng)平穩(wěn)、動(dòng)作靈敏，但能量損失較多、傳動(dòng)比不能保證，且受到溫度影響時(shí)工作不穩(wěn)定，造價(jià)高。 2. 氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 通過(guò)壓縮氣體的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。其裝置簡(jiǎn)單且輕便、工作介質(zhì)是空氣，無(wú)窮無(wú)盡，故而能量損失小、成本低。但傳動(dòng)效率低、穩(wěn)定性較差，且沖擊大、噪聲大。 3. 電力驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，使用方便。 4. 機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。其運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確，傳動(dòng)精度高，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序單一。 綜合分析以上各類機(jī)械手，本課題方案選擇電力驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。 2.4.2 換刀機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的組成 該升降機(jī)構(gòu)由滾珠絲杠1、滑座2、橫梁3、升降電機(jī)4、裝刀手5、手架6、卸刀手7及刀庫(kù)8組成換刀裝置，其配置如圖2. 1所示。 圖2.1 換刀機(jī)械式配置示意圖 2.4.3換刀機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的工作原理 當(dāng)手架6收到升降命令后，升降電機(jī)4帶著滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，因而滑座2作升降直線運(yùn)動(dòng)，其上手架升降運(yùn)動(dòng)到靠近刀排所在位置時(shí)，光電傳感器敏感部件發(fā)生反饋，使無(wú)觸點(diǎn)形成開關(guān)發(fā)出信號(hào)，使電機(jī)4減速，從而滑座2也跟著減速。既而到了換刀位置時(shí)，裝在減速齒輪傳動(dòng)軸上的敏感部件使無(wú)觸點(diǎn)形成開關(guān)發(fā)信號(hào)，從而關(guān)掉升降電機(jī)4的電源，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，手架6便停在所需相應(yīng)的位置。這個(gè)過(guò)程中，改變調(diào)整墊的厚度就可以調(diào)節(jié)滾珠絲杠和螺母之間的間隙，導(dǎo)向柱雖起的是導(dǎo)向的用途，也使滑座2的升降運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)。 2.5小結(jié) 本章主要分析了設(shè)計(jì)任務(wù)，制定了設(shè)計(jì)的步驟，確定了升降機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方案，換刀機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的組成，并分析了升降機(jī)構(gòu)的工作原理，從而確定升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。 3 升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及尺寸計(jì)算 3.1 升降電機(jī)的選擇 電動(dòng)機(jī)所需的輸出功率為： 式中，為工作機(jī)要求的輸入功率； 為電動(dòng)機(jī)到工作機(jī)的總效率。 由于升降電機(jī)是直接傳遞到工作機(jī)的，所以，故而 工作機(jī)要求輸入功率為： 式中，F(xiàn)為工作機(jī)的阻力； v為升降機(jī)構(gòu)的升降速度； 為工作機(jī)的效率。 升降電機(jī)受力分析如圖： 圖3.1 換刀機(jī)械手升降電機(jī)受力分析（M為機(jī)械手自量，m為爪重） 查表得，v=250mm/s，由圖得， F=(M+m)g=（22+20）×10=420N 查表得 故，工作機(jī)要求輸入功率為： 選擇型號(hào)為Y80M1-4的三相異步電動(dòng)機(jī)。其額定功率為0.55Kw，同步轉(zhuǎn)速為1500r/min。 3.2 減速器齒輪的選用 3.2.1 齒輪材料的選擇 小齒輪轉(zhuǎn)速=420 r/min，傳動(dòng)比i為4，每天一班，平均壽命10年，傳遞功率=0.55kw。選擇材料：小齒輪材料40 鋼，調(diào)制處理，齒面硬度250~280HBS（表3.1）。大齒輪材料選用ZG310—570，正火處理，齒面硬度162~185HBS（表3.1）。由N=60nj，計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N =60j=604201(103008)=6.048次 ===1.512次 查機(jī)械設(shè)計(jì)書]得=1.05 ，=1.14 （允許有一定點(diǎn)蝕），由式=1.0 調(diào)質(zhì)鋼、正火剛 ＜ 12mm 時(shí) ，=1.0得==1.0，取=1.0 ，=1.0 ，=0.92 按齒面硬度250HBS和162HBS，由圖3.2，得=690，=440 由=（）計(jì)算許用接觸應(yīng)力： 因＜ ，計(jì)算中取==461.5 表3.1 齒輪常用材料及其力學(xué)性能 材料牌號(hào) 熱處理方法 強(qiáng)度極限 屈服極限 硬度(HBS) 齒芯部 齒面 HT250 250 170~241 HT300 300 187~255 HT350 350 197~269 QT500-5 ?；? 500 147~241 QT600-2 600 229~302 ZG310-570 580 320 156~217 ZG340-640 650 350 169~229 45 580 290 162~217 ZG340-640 調(diào)質(zhì) 700 380 241~269 45 650 360 217~255 30CrMnSi 1100 900 310~360 35SiMn 750 450 217~269 38SiMnMo 700 550 217~269 40Cr 700 500 241~286 45 調(diào)質(zhì)后表面淬火 217~255 40~50HRC 40Cr 241~286 48~55HRC 20Cr 滲碳后 淬火 650 400 300 58~62HRC 20CrMnTi 1100 850 12Cr2Ni4 1100 850 320 20Cr2Ni4 1200 1100 350 35CrAlA 調(diào)質(zhì)后氮化（氮化層厚） 950 750 255~321 >850 38CrMoAlA 1000 850 夾布塑膠 100 25~35 圖3.2 調(diào)質(zhì)鋼和鑄鋼 3.2.2 按齒面接觸硬度確定中心距 小齒輪轉(zhuǎn)矩： =9.55=9.55=13131 Nmm 初取=1.1 ，取=0.4 ，=188.9 ，減速傳動(dòng) u =i =4 ， 由和，得： 189.2mm 取中心距a = 190mm，估算模數(shù)m=(0.007~0.02) a = (0.007~0.02) 190 =1.33~3.8mm 查表3.2取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=3mm 齒數(shù)===25，=u=425=100 齒輪分度圓直徑=m=325=75 mm =m=3100=300mm 齒輪齒頂圓直徑=+2=75+21.03=81 mm =+2=300+21.03=306 mm 齒輪基圓直徑 = =75=70.48 mm = =300=281.9 mm 圓周速度 v===1.57 m/s 查表3.3得 ，齒輪精度為8級(jí)。 表3.2 圓柱齒輪的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)（GB1357-87） 表3.3 各種精度等級(jí)齒輪的傳動(dòng)的最大圓周速度（m/s） 齒的種類 傳動(dòng)種類 齒面硬度/HBS 齒輪精度等級(jí) 3,4,5 6 7 8 9 直齒 圓柱齒輪 ≤350 ＞12 ≤18 ≤12 ≤6 ≤4 ＞350 ＞10 ≤15 ≤10 ≤5 ≤3 錐齒輪 ≤350 ＞7 ≤10 ≤7 ≤4 ≤3 ＞350 ＞6 ≤9 ≤6 ≤3 ≤2.5 斜齒及曲齒 圓柱齒輪 ≤350 ＞25 ≤36 ≤25 ≤12 ≤8 ＞350 ＞20 ≤30 ≤20 ≤9 ≤6 錐齒輪 ≤350 ＞16 ≤24 ≤16 ≤9 ≤6 ＞350 ＞13 ≤19 ≤15 ≤7 ≤5 3.2.3 驗(yàn)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度 按電機(jī)驅(qū)動(dòng)、載荷平穩(wěn)、由表3.4得，取=1.0。 由機(jī)械設(shè)計(jì)書[11]，按分級(jí)精度和/100=1.65 25/100 =0.4125 m/s ，得=1.06， 齒寬b= =0.4190=76 mm。 由圖3.3得 按b/=112/112 =1.0，取1.08，由表3.5，得=1.1，計(jì)算載荷系數(shù) K==1.01.061.081.1=1.26。 按＜＜機(jī)械原理＞＞[12]的公式計(jì)算端面重合度： 齒頂壓力角=== === == =1.73 由===0.87，計(jì)算齒面接觸應(yīng)力： == =432.5＜ =461.5 ，安全 圖3.3 齒向載荷分布系數(shù)(兩輪均為軟齒面或其中之一為軟齒面) 1-齒輪在兩軸承中間對(duì)稱布置； 2-齒輪在兩軸承間非對(duì)稱布置、軸的剛性較大； 3-齒輪在兩軸承間非對(duì)稱布置、軸的剛性較?。?4-齒輪懸臂布置 表3.4 使用系數(shù) 表3.5 齒間載荷分配系數(shù) 3.2.4 校核齒根彎度疲勞強(qiáng)度 按=25 ，=100，由圖3.4得，=2.56 ，=2.20 由圖3.5 得，=16.5 , =1.81 +=0.25+=0.68 由3. 2，得=290 ，=152 ， =1.0 , =1.0， m= 3 ＜ 5 mm ， = =1.0，取=2.0 , =1.4 計(jì)算許用彎曲應(yīng)力： ==414 ==217 計(jì)算齒根彎曲應(yīng)力： = =85.7 ＜=414 ,安全。 ==80.88 ＜=217 ，安全。 3.2.5 齒輪主要幾何參數(shù) =25，=100，u=4，m=4 =m=325=75 mm =m=3100=300mm =+2=75+21.03=81 mm =+2=300+21.03=306 mm =75-2（1.0+0.25）3=67.5 mm =300-2（1.0+0.25）3=292.5 mm a===187.5 190 mm 齒寬=b=76 mm ，取=+（5~10）=81 mm 圖3.4 外齒輪齒形系數(shù) （） 圖3.5 外齒輪應(yīng)力修正系數(shù) （） 3.3 滾珠絲杠的選擇 滾珠絲杠的導(dǎo)程選用10mm，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈通過(guò)與齒輪聯(lián)接，帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)一周，同時(shí)滾珠絲杠也同樣旋轉(zhuǎn)一周，上升高度為10mm。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為400r/min，所以滾珠絲杠上升400mm的距離，需要旋轉(zhuǎn)40圈，40圈所需要的時(shí)間是6s，根據(jù)傳動(dòng)比4，大齒輪旋轉(zhuǎn)10圈。 3.4 軸的確定 軸的強(qiáng)度計(jì)算：（1）按轉(zhuǎn)矩估算軸徑。 （2）按彎轉(zhuǎn)合成力矩近似計(jì)算。 （3）精確計(jì)算。 d---計(jì)算剖面處的軸的直徑（mm） T---軸傳遞的額定轉(zhuǎn)矩（Nmm） A---按定的系數(shù) 118~107 取107 3.5 傳感器的選擇 3.5.1 光電傳感器工作原理 光電傳感器是一種基于光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)輸出的傳感器。光電傳感器一般由光源、敏感組件和光電組件三部分組成。光源發(fā)射的光經(jīng)過(guò)被測(cè)量的環(huán)境，通過(guò)傳感組件感知光的某個(gè)物理量變化，再由光電組件接收檢測(cè)。 3.5.2 光電傳感器分類和工作方式 1、槽型光電傳感器 光源與敏感組件相對(duì)裝在一個(gè)槽的兩邊就組成了一個(gè)槽型光電傳感器。光源發(fā)出可見光或紅外光，敏感組件便感知光。當(dāng)一個(gè)物體從槽中間，即光源與敏感組件中間穿過(guò)，敏感組件接收不到光，光電開關(guān)就輸出一個(gè)信號(hào)，斷開或連接負(fù)載電流，然后完成一次控制動(dòng)作。 2、對(duì)射型光電傳感器 如果將光源和敏感組件之間的距離拉開，便能使作為檢測(cè)元件的光電組件的檢測(cè)距離增大。由一個(gè)光源和一個(gè)敏感組件組成的光電開關(guān)便稱為對(duì)射型光電開關(guān)。它的檢測(cè)距離比普通傳感器長(zhǎng)得多，往往能達(dá)到好幾米甚至好幾十米。把電源和敏感組件分別放在需要檢測(cè)的物體將要經(jīng)過(guò)的路徑的兩旁，物體通過(guò)時(shí)遮擋光源，敏感組件便輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)。 3、反光板型光電開關(guān) 反光型光電開關(guān)是將光源和敏感組件裝在一起,在它們的前面放一塊反光板,利用光的反射原理,來(lái)達(dá)到光電的控制作用。光源發(fā)出的光被反光板反射回來(lái)被敏感組件感知,可當(dāng)光的路線被檢測(cè)物體擋住,敏感組件接收不到光。每擋住一次,光電開關(guān)輸出一個(gè)開關(guān)控制信號(hào)。 4、擴(kuò)散反射型光電開關(guān) 這種傳感器也裝有一個(gè)光源和一個(gè)敏感組件，但是它們前面沒(méi)有放置反光板。所以電源發(fā)出的光敏感組件是感知不到的。當(dāng)物體經(jīng)過(guò)時(shí)擋住了光，將一部分光反射回來(lái)，敏感組件便感知到光信號(hào)，輸出一個(gè)開關(guān)信號(hào)。 根據(jù)各傳感器的特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)選擇的是反光板型光電開關(guān)。 3.6小結(jié) 升降機(jī)構(gòu)各部分零件機(jī)構(gòu)確定之后，進(jìn)行了電動(dòng)機(jī)、減速器齒輪、滾珠絲杠、軸、傳感器的相關(guān)選擇和計(jì)算，為三維建模提供了數(shù)據(jù)支持。可見計(jì)算的承上啟下的重要性。 4 升降機(jī)構(gòu)的三維建模 4.1 典型零件的三維建模 升降機(jī)構(gòu)由眾多零部件組成，在此挑選其中較重要的一些零部件如絲杠及軸承對(duì)建模過(guò)程做舉例說(shuō)明。 4.1.1 絲杠的三維建模 啟動(dòng)SolidWorks軟件-新建-零件-右視基準(zhǔn)面-草圖繪制，畫出草圖4. 1；拉伸凸臺(tái)/基體，給定深度1700mm，如圖4. 2。 圖4.1 拉伸草圖 圖4.2 拉伸實(shí)體 選被拉伸面為基準(zhǔn)面，草圖繪制，畫出草圖4. 3；拉伸凸臺(tái)/基體-給定深度28mm，如圖4. 4。 圖4.3 拉伸草圖 圖4.4 拉伸實(shí)體 選拉伸的面為基準(zhǔn)面，草圖繪制，畫出草圖4. 5；拉伸凸臺(tái)/基體-給定深度19mm，如圖4. 6。 圖4.5 拉伸草圖 圖4.6 拉伸實(shí)體 選右視基準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面，草圖繪制，畫出草圖4. 7；拉伸凸臺(tái)/基體，給定深度29.6mm，如圖4. 8。 圖4. 7 拉伸草圖 圖4. 8 拉伸實(shí)體 選上次拉伸所得面為基準(zhǔn)面，草圖繪制，如圖4. 9；拉伸凸臺(tái)/基體，給定深度47.21mm，如圖4. 10。 圖4. 9 拉伸草圖 圖4. 10 拉伸實(shí)體 選上次拉伸面為基準(zhǔn)面，草圖繪制，畫出草圖4. 11；拉伸凸臺(tái)/基體-給定深度3mm，如圖4. 12。 圖4. 11 拉伸草圖 圖4. 12 拉伸實(shí)體 添加基準(zhǔn)面，如圖4. 13。 圖4. 13 添加基準(zhǔn)面 選基準(zhǔn)面2為基準(zhǔn)面-草圖繪制，畫出草圖4. 14；螺旋線/渦狀線，如圖4. 15。 圖4. 14 螺旋線的外圓 圖4. 15 螺旋線 選擇上視基準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面，草圖繪制，畫出草圖4. 16；掃描，如圖4. 17。 圖4. 16 切除草圖 圖4. 17 絲杠的切除掃描 在應(yīng)有倒角的地方倒角，最后完成零件如圖5. 18。 圖4. 18 滾珠絲杠 4.1.2 軸承的三維建模 滾動(dòng)軸承是標(biāo)準(zhǔn)件，可以在標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)直接選擇，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇自己建模。啟動(dòng)SolidWorks軟件-新建-零件-前視基準(zhǔn)面-草圖繪制，畫出草圖4. 19；旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)/基體，即完成了軸承內(nèi)外圈的畫法，如圖4. 20。 圖4. 19 軸承內(nèi)外圈旋轉(zhuǎn)草圖 圖4. 20 軸承內(nèi)外圈 啟動(dòng)SolidWorks軟件-新建-零件-前視基準(zhǔn)面-草圖繪制，畫出草圖5. 21；旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)/基體，如圖4. 22 圖4. 21 滾珠旋轉(zhuǎn)草圖 圖4. 22 滾珠 新建-裝配-上視基準(zhǔn)面-草圖繪制，如圖4. 23；圓周零部件陣列，如圖4. 24。 圖4. 23 圓周陣列草圖 圖4. 24 圓周陣列 新建-裝配-插入零部件，打開內(nèi)，外圈和滾珠-配合，如圖4. 25，圖4. 26，圖4. 27，完成滾動(dòng)軸承的裝配如圖4. 28。 4. 25 滾珠與軸承內(nèi)外圈同心配合 4. 26 軸承內(nèi)外圈右視基準(zhǔn)面與滾珠前視基準(zhǔn)面重合配合 4. 27 軸承內(nèi)外圈上視基準(zhǔn)面與滾珠上視基準(zhǔn)面重合配合 圖4. 28 軸承 4.3 小結(jié) 本章基于SolidWorks軟件，對(duì)升降機(jī)構(gòu)的零件進(jìn)行三維建模設(shè)計(jì)，建模時(shí)用到了諸如拉伸、切除、旋轉(zhuǎn)、鏡像、插入基準(zhǔn)軸?；鶞?zhǔn)面、圓周陣列實(shí)體等特征，從二維到三維，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從生疏到熟練，從開始到最終完成所有升降機(jī)構(gòu)零件的三維建模，其過(guò)程收獲頗豐。 5 升降機(jī)構(gòu)的裝配 5.1 裝配的基本步驟及裝配模型 裝配體是多個(gè)零件和子裝配體的有機(jī)結(jié)合，它表達(dá)了實(shí)體信息，即裝配中各零件、部件實(shí)體信息的總和，如點(diǎn)、線、面、材料、顏色等，人們能通過(guò)各種感覺來(lái)感知它的存在，在產(chǎn)品的功能設(shè)計(jì)和產(chǎn)品考察階段把大部分的注意力都集中在這部分關(guān)系的信息上，幾乎所有裝配體的功能都是通過(guò)零部件間的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，要得到升降機(jī)構(gòu)的的裝配體，并且實(shí)現(xiàn)其功能，須建立升降機(jī)構(gòu)的零件之間的完整且正確無(wú)誤的關(guān)系。 裝配建模是虛擬裝配要面臨的首要問(wèn)題，為裝配順序生成、裝配路徑規(guī)劃，可裝配性評(píng)價(jià)和裝配仿真等后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程奠定基礎(chǔ)。裝配對(duì)計(jì)算機(jī)硬件條件的要求高，且應(yīng)用也十分廣泛。 5.2 升降機(jī)構(gòu)的裝配 進(jìn)行兩個(gè)零件的裝配時(shí)，關(guān)鍵之處在于正確確定兩個(gè)零件的配合關(guān)系，這種配合關(guān)系實(shí)際上也就是零件之間的裝配約束關(guān)系。一般裝配體中的約束有三種：1、面貼合與等距偏離；2、對(duì)齊；3、定向]。 在配合過(guò)程中主要用到了同軸心、重合、平行等命令來(lái)限制各零部件的自由度，使它們正確配合，不會(huì)出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，以免在生成動(dòng)畫時(shí)出現(xiàn)大的誤差。 5.2.1 創(chuàng)建裝配體 1、進(jìn)入SolidWorks軟件，點(diǎn)擊菜單欄中“文件”/“新建”按鈕，出現(xiàn)“新建SolidWorks文件”對(duì)話框。 2、選裝配體圖標(biāo)，單擊“確定”按鈕進(jìn)入裝配體制作界面。 5.2.2 插入裝配體零件 1、選擇菜單欄中的，出現(xiàn)PropertyManager設(shè)計(jì)樹。 2、選“瀏覽”按鈕，出現(xiàn)“打開”對(duì)話框，在這個(gè)對(duì)話框中選擇我們要插入的升降機(jī)構(gòu)零件。 5.2.3 裝配體零件的配合 1、單擊“配合”，出現(xiàn)了“配合” PropertyManager設(shè)計(jì)樹。 2、選擇絲杠外側(cè)圓與軸承蓋外側(cè)圓，如圖5. 1所示，所選的面被列在項(xiàng)目框中，點(diǎn)同心，單擊“確定”，以確定兩個(gè)平面之間的配合關(guān)系。 3、選絲杠側(cè)面與軸承蓋側(cè)面，如圖5. 2所示，所選的面被列在項(xiàng)目框中，點(diǎn)重合，單擊“確定”，兩個(gè)平面之間的配合關(guān)系也確定了下來(lái)。 4、選絲杠前視基準(zhǔn)面與軸承蓋右視基準(zhǔn)面，如圖5. 3，所選的面被列在項(xiàng)目框中，點(diǎn)重合，單擊確定按鈕，兩個(gè)零件的配合關(guān)系顯示出來(lái)，如圖5. 4所示。 圖5. 1 絲杠外側(cè)圓與軸承蓋外側(cè)圓同心裝配圖 圖5.2 絲杠側(cè)面與軸承蓋側(cè)面重合裝配圖 圖5.3 絲杠前視基準(zhǔn)面與軸承蓋右視基準(zhǔn)面重合裝配圖 圖5.4 絲杠與軸承蓋裝配圖 最后，將子裝配和剩余的零部件裝配成總裝配體，檢查干涉，經(jīng)過(guò)幾次修改得到最終的總裝配體，如圖5. 5。 圖5.5 升降機(jī)構(gòu) 圖5.6 爆炸視圖 5.3 裝配體的靜態(tài)干涉檢查 三維模型裝配完成后，需要對(duì)各個(gè)部件之間的相互位置關(guān)系進(jìn)行干涉檢查及其相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系的各個(gè)部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校核。 5.4 小結(jié) 本章基于SolidWorks軟件，對(duì)換刀機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的零件進(jìn)行裝配體設(shè)計(jì)，將升降機(jī)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)零部件或子裝配體按一定的約束組合在一起得到了我們需要的裝配圖；裝配爆炸視圖能直觀、形象的演示產(chǎn)品；而干涉檢查是裝配完成后的常規(guī)操作。 6 總結(jié) 本文對(duì)換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入的研究，并設(shè)計(jì)了數(shù)控鏜銑床換刀機(jī)械手的升降機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)總結(jié)如下： 1.換刀機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)。綜合分析各種機(jī)械手的結(jié)構(gòu)原理及優(yōu)缺點(diǎn)，確定機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案、驅(qū)動(dòng)方案及控制方案。 2.換刀機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)已確定的方案，確定換刀機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的組成與配置。其結(jié)構(gòu)由升降電機(jī)、螺旋副間隙調(diào)整墊、滾珠絲杠、減速齒輪、導(dǎo)向柱和無(wú)觸點(diǎn)行程開關(guān)等組成。查閱文獻(xiàn)計(jì)算出升降機(jī)構(gòu)各結(jié)構(gòu)的尺寸，并確定各零件相互位置關(guān)系。 3.換刀機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的三維建模與裝配。通過(guò)SolidWorks軟件對(duì)換刀機(jī)械手的升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行零件圖的三維建模，并完成裝配。 參考文獻(xiàn) [1] 徐寧安.從CIMT2005 看數(shù)控臥式鏜銑床與落地式銑鏜床的發(fā)展[J].世界制造技術(shù)與裝備市場(chǎng),2005(6):98-100. 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[15] Baker John D.Klinzing George E.Optimal performance of pneumatic.Po- Wder Technology,1999(104):240-247. 致謝 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)得以順利完成，并非我一個(gè)人努力的結(jié)果。在此，我要對(duì)老師以及同學(xué)們表達(dá)真摯的謝意。 感謝大連大學(xué)四年來(lái)對(duì)我的培育，讓我在這四年里受益匪淺。特別感謝機(jī)械學(xué)院四年來(lái)為我提供的學(xué)習(xí)與成長(zhǎng)環(huán)境，讓我得以學(xué)習(xí)到許多有用的知識(shí)。 這次畢業(yè)論文是在我的指導(dǎo)老師何利老師悉心培養(yǎng)與指導(dǎo)下完成的。感謝我的指導(dǎo)老師，在我遇到困難都給予我指引和鼓勵(lì)，讓我能克服困難，將設(shè)計(jì)完成。在此，我還要感謝在班里同學(xué)和朋友，感謝你們?cè)谖矣龅嚼щy的時(shí)候幫助我，給我支持和鼓勵(lì)，感謝你們。 附錄1外文翻譯 具有動(dòng)態(tài)特性約束的高速靈活的機(jī)械手優(yōu)化設(shè)計(jì) 摘要：本文提出了一種強(qiáng)調(diào)時(shí)間獨(dú)立和位移約束的機(jī)器手優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，該理論用數(shù)學(xué)編程的方法給予了實(shí)現(xiàn)。將各元件用靈活的連桿連接起來(lái)。設(shè)計(jì)變量即為零件橫截面尺寸。另用最關(guān)鍵的約束等量替換時(shí)間約束。結(jié)果表明，此方法產(chǎn)生的設(shè)計(jì)結(jié)果比運(yùn)用Kresselmeier-Steinhauser函數(shù)，且利用等量約束所產(chǎn)生的設(shè)計(jì)方案更好。建立了序列二次方程基礎(chǔ)上的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，且設(shè)計(jì)靈敏度通過(guò)總體有限偏差來(lái)評(píng)定。動(dòng)態(tài)非線性方程組包含了有效運(yùn)動(dòng)和實(shí)際運(yùn)動(dòng)的自由度。為了舉例說(shuō)明程序，設(shè)計(jì)了一款平面機(jī)器人，其中利用某一特定的方案并且運(yùn)用了不同的等量約束進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 版權(quán)屬于 1997年埃爾塞維爾科技有限公司 1． 導(dǎo)論 目前對(duì)高速機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高，元件質(zhì)量的最小化是必不可少的要求。傳統(tǒng)機(jī)器手的設(shè)計(jì)取決于靜態(tài)體系中運(yùn)動(dòng)方式的多樣化，但這并不適合于高速系統(tǒng)即應(yīng)力和繞度均受動(dòng)力效應(yīng)控制的系統(tǒng)。為了防止失敗，在設(shè)計(jì)的時(shí)候必須考慮到有效軌跡和實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡之間的相互影響。 在暫態(tài)負(fù)載下對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)已經(jīng)開始展開研究，該研究是基于下面幾個(gè)不同的等量約束條件下進(jìn)行的，分別為對(duì)臨界點(diǎn)的選擇上[1] ， 反約束的時(shí)間限制[2] ，和Kreisselmeier - Steinhauser函數(shù)[3,4]的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究。在選擇臨界點(diǎn)時(shí)，假定臨界點(diǎn)的位置的時(shí)間是固定的，然而這種假設(shè)不適合高速系統(tǒng)。第二個(gè)辦法的缺點(diǎn)是等量約束在可行域內(nèi)幾乎為0，因此現(xiàn)在還沒(méi)有跡象表明這些約束是否重要。使用Kreisselmeier - Steinhauser函數(shù)在可行域中產(chǎn)生了非零的等量約束，但它定義了一個(gè)保守的約束，從而產(chǎn)生了一個(gè)過(guò)于安全的設(shè)計(jì)方法。 在設(shè)計(jì)機(jī)器手的時(shí)候，常規(guī)方法是考慮多靜態(tài)姿態(tài)[5-7]，而不是考慮時(shí)間上的約束。這種方法并不適合高速系統(tǒng)，原因是一些姿態(tài)不能代表整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，此外，位移和應(yīng)力的計(jì)算也是不準(zhǔn)確的，這是因?yàn)樵谟?jì)算的時(shí)候省略了剛性和彈性運(yùn)動(dòng)之間的聯(lián)系。事實(shí)上，這種聯(lián)系是靈活多體分析中最基本的[8-10] 。 在這項(xiàng)研究中，開發(fā)了一種設(shè)計(jì)高速機(jī)械手的方法，這種方法考慮了系統(tǒng)剛性彈性運(yùn)動(dòng)之間的聯(lián)系及時(shí)間獨(dú)立等約束。把最關(guān)鍵的約束作為等量約束。 最關(guān)鍵的約束的時(shí)間點(diǎn)可能隨著設(shè)計(jì)變量值的變化而變化。反應(yīng)靈敏度由整體偏移所決定，設(shè)計(jì)的最優(yōu)化取決于序列二次方程式。為了說(shuō)明程序， 對(duì)雙桿平面機(jī)器手的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了優(yōu)化。設(shè)計(jì)結(jié)果與那些采用了Kreisselmeier - Steinhauser函數(shù)的機(jī)器手進(jìn)行對(duì)比。 2、設(shè)計(jì)理念 在這一節(jié)中，機(jī)器手的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法使用用于計(jì)算強(qiáng)度和剛性的非線性數(shù)學(xué)編程方法。機(jī)器手由N個(gè)活動(dòng)連桿組成，每一個(gè)連桿由Ek個(gè)有限零件柱組成。其目的是盡可能的減小機(jī)械手的質(zhì)量。與強(qiáng)度關(guān)聯(lián)的約束主要是應(yīng)力元素和剛性約束。這些約束將使得有效運(yùn)動(dòng)的位移產(chǎn)生偏移。設(shè)計(jì)變量就是連桿和零件的截面特性。 從數(shù)學(xué)上來(lái)說(shuō)，目標(biāo)函數(shù)應(yīng)滿足這樣的約束: （1）其中和分別是第k個(gè)機(jī)構(gòu)的第i個(gè)零件的密度和體積，x是設(shè)計(jì)變量的矢量，是時(shí)間約束總數(shù)。在驗(yàn)證位移和應(yīng)力的時(shí)候，參考文獻(xiàn)[10]中的遞推公式可用來(lái)計(jì)算機(jī)器手有效軌跡與實(shí)際軌跡。 將連桿的變形與連桿參照系聯(lián)系起來(lái)，其中在一定邊界約束條件下做完整運(yùn)動(dòng)。這樣通過(guò)縮小模型就可以減少每個(gè)連桿的實(shí)際自由度數(shù)了。 系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)系是由連桿變量和模塊變量組成的。微粒P的運(yùn)動(dòng)速度可表式為 (2) 其中和是相互制約的系數(shù)。 凱恩（Kane）等人的方程式[12]曾被用來(lái)測(cè)定一些運(yùn)動(dòng)方程式如 (3) 其中是整體速度向量，F(xiàn)是合成外力向量，M、Q還有分別為總質(zhì)量、柯氏力、地心引力和彈力，計(jì)算公式如下： （4） （5） (6) 其中上標(biāo)r和f分別代表有效自由度和實(shí)際自由度。K為對(duì)角矩陣，其對(duì)角線上的子矩陣是減少了的有效矩陣以連桿變量的形式出現(xiàn)的。為了驗(yàn)證子矩陣在方程（4，5）中是否正確，和可表示如下： p, r=1,2,3; q=1,…,; s=1, …,12 (7a) p, r=1,2,3; q=1,…,m; s=1,…12 (7b) 其中是元件形狀函數(shù)，是連桿變量數(shù)，m是模塊變量數(shù)。方程式中的標(biāo)注即多次出現(xiàn)的下標(biāo)指數(shù)是以概括的形式出現(xiàn)的，這些下標(biāo)只不過(guò)是公式的一部分，并不表示某一含義除非特定指明。這些子矩陣可表示成： 其中和；z,u=1,2,3； s,v=1,…,12是時(shí)間變量，是第k個(gè)機(jī)構(gòu)的第i個(gè)元件的質(zhì)量。在定義和時(shí)，柯氏力和地心引力可由下列算式計(jì)算出來(lái)： 這個(gè)運(yùn)動(dòng)方程式綜合了變量步長(zhǎng)和變量預(yù)測(cè)校正的算法，以獲取坐標(biāo)系和中的時(shí)間記錄。于是，有關(guān)物體參考系的節(jié)點(diǎn)位移可由模塊轉(zhuǎn)換公式獲得。由應(yīng)力與位移關(guān)系式計(jì)算出零件受到的壓應(yīng)力。整個(gè)參考系中各點(diǎn)的位移可用和機(jī)架的各節(jié)點(diǎn)位移算出。點(diǎn)的偏移可由那個(gè)點(diǎn)在實(shí)際運(yùn)動(dòng)和有效運(yùn)動(dòng)的位移差精確的求出。 應(yīng)當(dāng)指出的是，在運(yùn)動(dòng)方程式中，設(shè)計(jì)變量函數(shù)的形式有矩陣，零件的質(zhì)量和初始矢量中的、陣列。因此在對(duì)靈敏度進(jìn)行分析的時(shí)候，這些都應(yīng)與設(shè)計(jì)變量區(qū)分開來(lái)。然而，分析并且驗(yàn)證靈敏度在這次研究中是個(gè)非常困難的項(xiàng)目。不全面的分析或是允許極小誤差的方式來(lái)研究這一問(wèn)題也未嘗不是個(gè)好方法。 3.減少約束 對(duì)機(jī)器手進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的方法就是計(jì)算個(gè)獨(dú)立點(diǎn)在同一時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。因此，約束數(shù)目最好滿足 ，而且這么多的約束在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)也是不切實(shí)際的。不過(guò)有一個(gè)很有效的辦法可以使約束數(shù)控制在范圍內(nèi)又可以使約束數(shù)滿足t的所有值，這就是用Kreisselmeier - Steinhauser函數(shù)[ 3 ]等量替換單個(gè)時(shí)間約束，此函數(shù)表示如下： 其中和C是正數(shù)并由和之間的關(guān)系決定即min().這可以說(shuō)明Kreisselmeier-Steinhauser函數(shù)限定了一個(gè)保守的值域[4]比如總是比min()更重要，而且c的值越大和min()之間的差就越小。這就是所謂用最關(guān)鍵的約束等量替換了諸如 （11） 之類的約束。在這一方法中，用等量約束限定了分段函數(shù)并使其由向間斷的過(guò)渡。在這一值域里盡管左右突出的構(gòu)件在過(guò)渡點(diǎn)有差異，但他們具有相同的標(biāo)識(shí)和梯度，因此可在過(guò)渡點(diǎn)自然結(jié)合。隨著時(shí)間逐步的趨近零點(diǎn)，等量約束也變得逐漸光滑。 上述所提到的非線性約束優(yōu)化問(wèn)題可以由NLPQL[11]來(lái)解決，即運(yùn)用序列二次方程的方法。這種優(yōu)化需要初始信息和，m=1,…, 這兩個(gè)可由目前研究出的有限差來(lái)計(jì)算。 4.舉例 雙桿平面機(jī)器人如圖1所示。運(yùn)動(dòng)原理是被動(dòng)塊E沿直線從初始位置（θ1=120°，θ2=-150°）運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)位置（θ1=60°，θ2=-30°）。E的運(yùn)動(dòng)軌跡表示如下： 整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的時(shí)間T=0.5s。 每一個(gè)連桿的長(zhǎng)度為0.6米并由兩個(gè)等長(zhǎng)的零件連接著。其零件的外徑，其為本設(shè)計(jì)的變量，k=1,2；i=1,2。零件的厚度為0.1。物體的壓強(qiáng)和密度分別是E=72GPa,ρ=2700Kg/m-3。模塊變量縮小了形狀尺寸。最先結(jié)合的兩個(gè)模塊和最先有著固定自由的約束條件的軸也都被考慮到了。位于連接點(diǎn)B處的桿2質(zhì)量為2kg，被動(dòng)物塊和有效載荷的總質(zhì)量為1kg。設(shè)計(jì)的約束條件如下： -75MPa≤σi≤75MPa i=1,…, δ≤0,001m 其中應(yīng)力約束由節(jié)點(diǎn)頂部或底部的個(gè)點(diǎn)來(lái)驗(yàn)證。δ是E的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡與有效運(yùn)動(dòng)軌跡的偏離量（即x和y方向的最大偏移值）。初始設(shè)計(jì)變量 均為50mm. 圖1 平面機(jī)器手操作器 在這個(gè)例子里，等量約束是由最關(guān)鍵的約束組成的并且其結(jié)果與Kreisselmeier-Steunhauser函數(shù)的結(jié)果進(jìn)行了比較。后者函數(shù)中適用了c的不同值，可以發(fā)現(xiàn)c的值越小其產(chǎn)生的設(shè)計(jì)就越死板。c=50時(shí)的設(shè)計(jì)是最理想的。應(yīng)當(dāng)指出的是編譯器的限制可能會(huì)超過(guò)c的最大值，這完全取決于指數(shù)函數(shù)也就是只要設(shè)計(jì)變量的低限足夠的小。另一方面，最關(guān)鍵的約束會(huì)產(chǎn)生極小質(zhì)量的設(shè)計(jì)并且精確的迎合偏移位移量。最小的質(zhì)量，恰當(dāng)?shù)闹睆胶头磸?fù)運(yùn)動(dòng)的次數(shù)在表1中列出。設(shè)計(jì)軌跡見表2。表KS-c表明了由Kreisselmeier-Steinhauser函數(shù)產(chǎn)生的結(jié)果，然而MCC表示關(guān)鍵約束?？梢姂?yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于允許值，因此應(yīng)力約束受到了限制。連桿2中間的應(yīng)力最大（見）圖3。被動(dòng)物塊的偏移量δ的最佳解決方案見圖4 圖2 設(shè)計(jì)參數(shù) 表1 平面機(jī)器人控制器最佳方法 圖3 頂部連接兩個(gè)的平均壓力的最佳設(shè)計(jì) 圖4 最終效應(yīng)器偏差的最佳設(shè)計(jì) 5.總結(jié) 在研究中，高速遙控操縱器的最佳設(shè)計(jì)方案取決于動(dòng)態(tài)特性。操縱器的固定軌跡與實(shí)際軌跡運(yùn)動(dòng)也必須考慮到。把最關(guān)鍵的約束用作等量約束。 最關(guān)鍵的約束的時(shí)間點(diǎn)可能隨著設(shè)計(jì)變量的改變而變化。這表明分段的等量約束并不會(huì)使設(shè)計(jì)過(guò)程產(chǎn)生缺陷。序列二次方程用于解決設(shè)計(jì)問(wèn)題，其是運(yùn)用整體偏差進(jìn)行靈敏度計(jì)算。 高速平面遙控操縱器已被優(yōu)化設(shè)計(jì)成在應(yīng)力和偏差限制下的最小質(zhì)量。基