軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真設(shè)計(jì),組合,機(jī)械,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),仿真,設(shè)計(jì) 機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)免費(fèi)下載 http://www.iw168.cn/biyesheji/ XX大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 學(xué)號(hào) 學(xué)生姓名 系部 專業(yè)年級(jí) 指導(dǎo)教師 職稱 設(shè)計(jì)（論文）題目 軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真 本課題國(guó)內(nèi)外研究背景及意義： 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r及研究背景： 機(jī)器人的歷史并不算長(zhǎng)，1959年美國(guó)英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，機(jī)器人的歷史才真正開始。英格伯格在大學(xué)攻讀伺服理論，這是一種研究運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如何才能更好地跟蹤控制信號(hào)的理論。德沃爾曾于 1946 年發(fā)明了一種系統(tǒng)，可以“重演”所記錄的機(jī)器的運(yùn)動(dòng)。 1954 年 , 德沃爾又獲得可編程機(jī)械手專利，這種機(jī)械手臂按程序進(jìn)行工作，可以根據(jù)不同的工作需要編制不同的程序，因此具有通用性和靈活性，英格伯格和德沃爾都在研究機(jī)器人，認(rèn)為汽車工業(yè)最適于用機(jī)器人干活，因?yàn)槭怯弥匦蜋C(jī)器進(jìn)行工作，生產(chǎn)過程較為固定。 1959 年，英格伯格和德沃爾聯(lián)手制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。 它成為世界上第一臺(tái)真正的實(shí)用工業(yè)機(jī)器人。此后英格伯格和德沃爾成立了“尤尼梅遜”公司，興辦了世界上第一家機(jī)器人制造工廠。第一批工業(yè)機(jī)器人被稱為“尤尼梅特”，意思是“萬能自動(dòng)”。 他們因此被稱為機(jī)器人之父。 1962 年美國(guó)機(jī)械與鑄造公司也制造出工業(yè)機(jī)器人，稱為“沃爾薩特蘭”，意思是“萬能搬動(dòng)”?！庇饶崦诽亍焙汀拔譅査_特蘭”就成為世界上最早的、至今仍在使用的工業(yè)機(jī)器人。 近百年來發(fā)展起來的機(jī)器人，大致經(jīng)歷了三個(gè)成長(zhǎng)階段，也即三個(gè)時(shí)代。第一代為簡(jiǎn)單個(gè)體機(jī)器人， 第二代為群體勞動(dòng)機(jī)器人，第三代為類似人類的智能機(jī)器人，它的未來發(fā)展方向是有知覺、有思維、能與人對(duì)話。第一代機(jī)器人屬于示教再現(xiàn)型 , 第二代則具備了感覺能力 , 第三代機(jī)器人是智能機(jī)器人 , 它不僅具有感覺能力 , 而且還具有獨(dú)立判斷和行動(dòng)的能力。 英格伯格和德沃爾制造的工業(yè)機(jī)器人是第一代機(jī)器人，屬于示教再現(xiàn)型，即人手把著機(jī)械手，把應(yīng)當(dāng)完成的任務(wù)做一遍，或者人用“示教控制盒”發(fā)出指令，讓機(jī)器人的機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)，一步步完成它應(yīng)當(dāng)完成的各個(gè)動(dòng)作 。 20世紀(jì)70年代，第二代機(jī)器人開始有了較大發(fā)展，第二代機(jī)器人則對(duì)外界環(huán)境實(shí)用階段，并開始普及。 第三代機(jī)器人是智能機(jī)器人，它不僅具有感覺能力，而且還具有獨(dú)立判斷和行動(dòng)的能力，并具有記憶、推理和決策的能力，因而能夠完成更加復(fù)雜的動(dòng)作。中央電腦控制手臂和行走裝置，使機(jī)器人的手完成作業(yè)，腳完成移動(dòng)，機(jī)器人能夠用自然語言與人對(duì)話。 智能機(jī)器人在發(fā)生故障時(shí)，通過自我診斷裝置能自我診斷出故障部位，并能自我修復(fù)。到了90 年代, 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展, 機(jī)器人技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展。目前工業(yè)機(jī)器人已廣泛地用于汽車工業(yè)、機(jī)械加工工業(yè)、電子工業(yè)及塑料制品工業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中, 弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴漆機(jī)器人及搬運(yùn)機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人都已被大量采用。隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展, 工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也隨之不斷擴(kuò)大。現(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用已開始擴(kuò)大到核能、采礦、冶金、石油、化學(xué)、航空、航天、船舶、建筑、紡織、制衣、醫(yī)藥、生化、食品等工業(yè)領(lǐng)域中。除了工業(yè)機(jī)器人水平不斷提高之外, 各種用于非制造業(yè)的先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)也有了很大的進(jìn)展。 國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r及研究背景： 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從20世紀(jì)80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國(guó)家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，已基本掌握了機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在20多家企業(yè)的近３０條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊接線上。 目前，我國(guó)從事機(jī)器人研發(fā)和應(yīng)用工程的單位200多家，擁有量為3500臺(tái)左右，其中國(guó)產(chǎn)占20％，其余都是從日本、美國(guó)、瑞典等40多個(gè)國(guó)家引進(jìn)的。2000年已生產(chǎn)各種類型工業(yè)機(jī)器人和系統(tǒng)300臺(tái)套，機(jī)器人銷售額6.74億元，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的年收益額為47億元。 據(jù)專家對(duì)國(guó)內(nèi)542家用戶以及汽車、電子電器、工程機(jī)械３個(gè)行業(yè)的部分用戶進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，就全國(guó)而言，弧焊、點(diǎn)焊、裝配、噴涂機(jī)器人應(yīng)用的最多；其次是搬運(yùn)、上下料（沖壓、壓鑄、鑄鍛、注塑等用的大多是上下料機(jī)器人）；再次是包裝、碼垛、拆垛機(jī)器人和密封涂膠機(jī)器人，其他機(jī)器人用量很少。就行業(yè)而言，汽車行業(yè)以焊接、噴涂、涂膠作業(yè)較多，沖壓、搬運(yùn)、裝配次之；電子電器行業(yè)集中在裝配，如大連華錄一家就用了近３００臺(tái)，其次是搬運(yùn)和噴涂；工程機(jī)械行業(yè)集中用于弧焊，噴涂其次。此外包裝、碼垛、拆垛機(jī)器人目前主要用于石化、輕紡和煙草行業(yè)。 本課題的意義： 移動(dòng)機(jī)器人作為機(jī)器人學(xué)發(fā)展中的一個(gè)重要分支，是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)，移動(dòng)機(jī)器人具有移動(dòng)功能，在代替人從事危險(xiǎn)、惡劣(如輻射、有毒等)環(huán)境下作業(yè)和人所不及的(如宇宙空間、水下等)環(huán)境作業(yè)方面，比一般機(jī)器人有更大的機(jī)動(dòng)性、靈活性。機(jī)械臂是機(jī)器人的重要組成部分，他是機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，組合式機(jī)械臂是由若干直線機(jī)械臂（或稱一維機(jī)械臂）以不同夾角組合而成，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的直線伸縮，或在X-Y平面移動(dòng)，或在X-Y-Z空間定位等功能，以滿足不同場(chǎng)合下的需要。 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)研究?jī)?nèi)容、擬解決的主要問題： 本課題研究的內(nèi)容： （1）查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解目前輪式移動(dòng)機(jī)器人及機(jī)械臂的研究現(xiàn)狀與動(dòng)態(tài)。給出可滿足設(shè)計(jì)要求的方案（兩種以上）比較，論證每個(gè)方案的可行性、實(shí)用性和有效性，確定一個(gè)最佳方案； （2）繪制機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，說明各部分的功能、工作原理和特點(diǎn)； （3）根據(jù)要求，建立機(jī)械臂的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，分析結(jié)構(gòu)在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)時(shí)的受力情況。給出相關(guān)參數(shù)之間的計(jì)算公式； （4）對(duì)機(jī)械臂的工作原理與參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算機(jī)仿真，驗(yàn)證其合理性； （5）繪制相關(guān)的機(jī)械圖紙。包括零部件的加工圖和組裝圖。給出組裝調(diào)試的流程步驟及安全注意事項(xiàng)等相關(guān)說明。 本課題擬解決的主要問題： 本課題解決的主要問題在于傳動(dòng)方案的擬定，組合式機(jī)械臂是由若干直線機(jī)械臂（或稱一維機(jī)械臂）以不同夾角組合而成，一維機(jī)械臂的傳動(dòng)，本課題擬定為絲杠傳動(dòng)，如下圖1為絲杠傳動(dòng)示意圖，它的X-Y-Z組合效果如圖2所示。 圖1 圖2 一維機(jī)械臂由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊即可在絲杠帶動(dòng)下沿滑座移動(dòng)，在X/Y/Z三個(gè)方向分別布置一個(gè)一維機(jī)械臂，即構(gòu)成了三維機(jī)械臂，可實(shí)現(xiàn)聯(lián)接在手臂聯(lián)接座上的手爪在空間定位。 步進(jìn)電機(jī)在數(shù)字化控制下能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，因此，本傳動(dòng)方案更便于控制，相對(duì)于液壓傳動(dòng)，氣壓傳動(dòng)，本傳動(dòng)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，行程更大，因此，本傳動(dòng)方案是一種較理想的傳動(dòng)方案。 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)研究方法、步驟及措施： 研究方法 1.1 重視系統(tǒng)的力學(xué)性能分析 以系統(tǒng)科學(xué)的思想為指導(dǎo)，以專業(yè)知識(shí)為基礎(chǔ)，建立合理的力學(xué)模型。 1.2 重視總體的傳動(dòng)原理分析 采用合理的傳動(dòng)原理圖。 1.3 采用局部——整體——局部的分析方法 每個(gè)系統(tǒng)都有自己?jiǎn)为?dú)的功能，只有它們都能完成自己的功能時(shí)，才有可能整體的功能;在各個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)有機(jī)的整體時(shí)，整體就要發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)，調(diào)配各個(gè)系統(tǒng)，使各個(gè)系統(tǒng)在整體的作用下，形成最優(yōu)的系統(tǒng)。 步驟： 第一周 了解整體設(shè)計(jì)及各子項(xiàng)目?jī)?nèi)容；查閱、收集和閱讀相關(guān)資料；明確設(shè)計(jì)方向，確定設(shè)計(jì)內(nèi)容。 第二周 工廠調(diào)研學(xué)習(xí) 第三周 同小組成員展開討論，擬定設(shè)計(jì)方案，完成設(shè)計(jì)草圖。 第四周 步進(jìn)電機(jī)選型及關(guān)鍵零配件設(shè)計(jì)計(jì)算。 第五周 用AutoCAD繪制裝配圖 第六周 用AutoCAD繪制裝配圖 第七周 用AutoCAD繪制零件圖 第八周 用AutoCAD繪制零件圖 第九周 用Pro/E進(jìn)行各零配件三維建模 第十周 用Pro/E進(jìn)行三維建模及仿真 第十一周 編寫設(shè)計(jì)說明書 第十二周 編寫設(shè)計(jì)說明書 第十三周 編寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書，形成畢業(yè)設(shè)計(jì)全部文件，準(zhǔn)備答辯。 第十四周 畢業(yè)答辯 措施： 做好畢業(yè)設(shè)計(jì)，前提必須了解研究目的和主攻方向，要進(jìn)行大量的資料收集以及計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)，所以需要經(jīng)常去圖書館和機(jī)房查閱資料。總體思路如下： 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，結(jié)合老師指導(dǎo)對(duì)調(diào)研對(duì)象進(jìn)行初步分析； 參考資料，了解調(diào)研過程，根據(jù)具體要求對(duì)研究方案進(jìn)行構(gòu)思； 設(shè)計(jì)并畫出設(shè)計(jì)的機(jī)械部分視圖； 對(duì)方案進(jìn)行進(jìn)一步針對(duì)性修改，以增加其直觀性、可行性和實(shí)用性； 主要參考文獻(xiàn)： [1]常見的幾類工業(yè)機(jī)器人[J]. 軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品, 2012.10:11. 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[20]滕鵬.新型單臂護(hù)理機(jī)器人機(jī)型設(shè)計(jì)與控制[D].碩士學(xué)位論文,江蘇大學(xué),2006. 是否可以進(jìn)入設(shè)計(jì)（論文）研究： 同意進(jìn)入論文研究階段 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 是否可以進(jìn)入設(shè)計(jì)（論文）研究： 同意進(jìn)入論文研究 教研室(系、研究所)主任簽名： 年 月 日 6 機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)免費(fèi)下載 I 摘 要 移動(dòng)機(jī)器人作為機(jī)器人學(xué)發(fā)展中的一個(gè)重要分支，是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策 與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。機(jī)械臂是機(jī)器人的重要組成 部分，他是機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，組合式機(jī)械臂是由若干一維機(jī)械臂以不同夾角組合而 成，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的直線伸縮，或在 X-Y 平面移動(dòng)，或在 X-Y-Z 空間定位等功能，以 滿足不同場(chǎng)合下的需要。 本文針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人組合式機(jī)械臂進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行總體的設(shè)計(jì)方案，擬定螺 旋傳動(dòng)副為一維機(jī)械臂傳動(dòng)方案，對(duì)方案進(jìn)行特點(diǎn)分析，然后針對(duì)關(guān)鍵傳動(dòng)件設(shè)計(jì)， 選擇電動(dòng)機(jī)，對(duì)重要零件進(jìn)行強(qiáng)度校核，對(duì)軸和軸承的壽命進(jìn)行計(jì)算校核，最后對(duì)重 要零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括材料的選擇、尺寸的確定、結(jié)構(gòu)工藝性的滿足、以及與 其他零件的配合的要求等。 關(guān)鍵詞：一維機(jī)械臂，組合機(jī)械臂，移動(dòng)機(jī)器人，X-Y 平面 機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)免費(fèi)下載 II Abstract Mobile robot is an important branch of robotics development, is a comprehensive system including environment detecting, a variety of dynamic decision and planning, action control and execution in one. Manipulator is an important part of the robot, he is the executive body of the robot, the combined mechanical arm is composed of several one-dimensional manipulator with different angle combination, linear expansion can realize mechanical arm, or move on the X-Y plane, or function in X-Y-Z space positioning, to meet different occasions. In this paper, the mobile robot combined mechanical arm design, firstly, the overall design scheme, make the spiral transmission pair transmission scheme of one-dimensional mechanical arm, characteristics analysis of the scheme, then the motor selection for key transmission parts, design, strength check of important parts, the life of the shaft and bearings are calculated, finally the structural design of the main parts, including material selection, determine the size, structure, and meet the demand for cooperating with other parts etc.. Key Words: One-dimensional mechanical arm, mechanical arm, mobile robot, X-Y plane 機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)免費(fèi)下載 III 目 錄 摘 要 .........................................................................................................................................I ABSTRACT..............................................................................................................................II 目 錄 ......................................................................................................................................III 第 1 章 緒論 ...............................................................................................................................1 1.1 常見電池型號(hào)及尺寸 .......................................................................................................1 1.2 機(jī)構(gòu) ...................................................................................................................................2 1.3 包裝機(jī)的作用 ...................................................................................................................2 1.4 中國(guó)包裝機(jī)械的發(fā)展 .......................................................................................................3 1.5 本課題研究目的和要求 ...................................................................................................4 第 2 章 整體方案設(shè)計(jì) ...............................................................................................................5 2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)與技術(shù)要求 .......................................................................................................5 2.2 電池包裝機(jī)的傳動(dòng)原理 ..................................................................................................5 第 3 章 傳動(dòng)設(shè)計(jì)與計(jì)算 ...........................................................................................................7 3.1 電動(dòng)推桿設(shè)計(jì)計(jì)算 ...........................................................................................................7 3.1.1 伺服電機(jī)的選擇 .......................................................................................................7 3.1.2 滑動(dòng)螺旋副的計(jì)算 .................................................................................................10 3.1.3 聯(lián)軸器的選用 .........................................................................................................13 3.2 膠輥設(shè)計(jì) .........................................................................................................................14 3.2.1 微型電機(jī)選擇 ..........................................................................................................14 3.2.2 微型皮帶輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) ..............................................................................................15 第 4 章 主要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .................................................................................................17 4.1 機(jī)架設(shè)計(jì) .........................................................................................................................17 4.1.1 機(jī)架設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 ..........................................................................................................17 4.1.2 機(jī)座主體設(shè)計(jì) .........................................................................................................18 機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)免費(fèi)下載 IV 4.2 包裝袋托架設(shè)計(jì) ............................................................................................................18 4.3 集料槽設(shè)計(jì) ....................................................................................................................19 4.4 軸承選擇與校核 .............................................................................................................20 4.4.1 軸承校核的概念及方法 .........................................................................................20 4.4.2 電動(dòng)推桿處軸承校核 ..............................................................................................21 第 5 章 安裝檢驗(yàn)及使用維修 .................................................................................................22 5.1 檢驗(yàn)規(guī)則 .........................................................................................................................22 5.2 包裝機(jī)安裝 ....................................................................................................................22 5.3 設(shè)備調(diào)整 ........................................................................................................................22 5.4 使用操作 .........................................................................................................................22 5.5 維修保養(yǎng)和故障排除 .....................................................................................................22 總結(jié) ...........................................................................................................................................23 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................................24 致 謝 .........................................................................................................................................25 軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真 1 第 1 章 緒論 1.1 機(jī)器人的發(fā)展史 機(jī)器人的歷史并不算長(zhǎng)，1959 年美國(guó)英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺(tái)工業(yè) 機(jī)器人，機(jī)器人的歷史才真正開始。英格伯格在大學(xué)攻讀伺服理論，這是一種研究運(yùn) 動(dòng)機(jī)構(gòu)如何才能更好地跟蹤控制信號(hào)的理論。德沃爾曾于 1946 年發(fā)明了一種系統(tǒng)， 可以“重演”所記錄的機(jī)器的運(yùn)動(dòng)。 1954 年 , 德沃爾又獲得可編程機(jī)械手專利，這種機(jī)械手臂按程序進(jìn)行工作，可 以根據(jù)不同的工作需要編制不同的程序，因此具有通用性和靈活性，英格伯格和德沃 爾都在研究機(jī)器人，認(rèn)為汽車工業(yè)最適于用機(jī)器人干活，因?yàn)槭怯弥匦蜋C(jī)器進(jìn)行工作， 生產(chǎn)過程較為固定。 1959 年，英格伯格和德沃爾聯(lián)手制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。 它成為世界上第一 臺(tái)真正的實(shí)用工業(yè)機(jī)器人。此后英格伯格和德沃爾成立了“尤尼梅遜”公司，興辦了 世界上第一家機(jī)器人制造工廠。第一批工業(yè)機(jī)器人被稱為“尤尼梅特”，意思是“萬 能自動(dòng)”。 他們因此被稱為機(jī)器人之父。 1962 年美國(guó)機(jī)械與鑄造公司也制造出工業(yè)機(jī)器人，稱為“沃爾薩特蘭”，意思 是“萬能搬動(dòng)”?！庇饶崦诽亍焙汀拔譅査_特蘭”就成為世界上最早的、至今仍在使 用的工業(yè)機(jī)器人。 近百年來發(fā)展起來的機(jī)器人，大致經(jīng)歷了三個(gè)成長(zhǎng)階段，也即三個(gè)時(shí)代。第一 代為簡(jiǎn)單個(gè)體機(jī)器人， 第二代為群體勞動(dòng)機(jī)器人，第三代為類似人類的智能機(jī)器人， 它的未來發(fā)展方向是有知覺、有思維、能與人對(duì)話。第一代機(jī)器人屬于示教再現(xiàn)型 , 第二代則具備了感覺能力 , 第三代機(jī)器人是智能機(jī)器人 , 它不僅具有感覺能力 , 而 且還具有獨(dú)立判斷和行動(dòng)的能力。 英格伯格和德沃爾制造的工業(yè)機(jī)器人是第一代機(jī)器人，屬于示教再現(xiàn)型，即人手 把著機(jī)械手，把應(yīng)當(dāng)完成的任務(wù)做一遍，或者人用“示教控制盒”發(fā)出指令，讓機(jī)器 人的機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)，一步步完成它應(yīng)當(dāng)完成的各個(gè)動(dòng)作 。 20 世紀(jì) 70 年代，第二代機(jī)器人開始有了較大發(fā)展，第二代機(jī)器人則對(duì)外界環(huán)境 實(shí)用階段，并開始普及。 第三代機(jī)器人是智能機(jī)器人，它不僅具有感覺能力，而且還 具有獨(dú)立判斷和行動(dòng)的能力，并具有記憶、推理和決策的能力，因而能夠完成更加復(fù) 晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 雜的動(dòng)作。中央電腦控制手臂和行走裝置，使機(jī)器人的手完成作業(yè)，腳完成移動(dòng)，機(jī) 器人能夠用自然語言與人對(duì)話。 智能機(jī)器人在發(fā)生故障時(shí)，通過自我診斷裝置能自我 診斷出故障部位，并能自我修復(fù)。 到了 90 年代, 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展, 機(jī)器人技 術(shù)也得到了迅猛發(fā)展。目前工業(yè)機(jī)器人已廣泛地用于汽車工業(yè)、機(jī)械加工工業(yè)、電子 工業(yè)及塑料制品工業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中, 弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人、 噴漆機(jī)器人及搬運(yùn)機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人都已被大量采用。隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展, 工業(yè) 機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也隨之不斷擴(kuò)大?，F(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用已開始擴(kuò)大到核能、采礦、 冶金、石油、化學(xué)、航空、航天、船舶、建筑、紡織、制衣、醫(yī)藥、生化、食品等工 業(yè)領(lǐng)域中。除了工業(yè)機(jī)器人水平不斷提高之外, 各種用于非制造業(yè)的先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)也 有了很大的進(jìn)展。 1.2 我國(guó)機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從 20 世紀(jì) 80 年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國(guó)家的支持 下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，已基本掌握了機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制 系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件， 開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有 130 多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在 20 多家企業(yè)的近 30 條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車 制造廠的焊接線上。 目前，我國(guó)從事機(jī)器人研發(fā)和應(yīng)用工程的單位 200 多家，擁有量為 3500 臺(tái)左右， 其中國(guó)產(chǎn)占 20％，其余都是從日本、美國(guó)、瑞典等 40 多個(gè)國(guó)家引進(jìn)的。2000 年已生 產(chǎn)各種類型工業(yè)機(jī)器人和系統(tǒng) 300 臺(tái)套，機(jī)器人銷售額 6.74 億元，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對(duì)國(guó)民 經(jīng)濟(jì)的年收益額為 47 億元。 據(jù)專家對(duì)國(guó)內(nèi) 542 家用戶以及汽車、電子電器、工程機(jī)械３個(gè)行業(yè)的部分用戶進(jìn) 行統(tǒng)計(jì)分析，就全國(guó)而言，弧焊、點(diǎn)焊、裝配、噴涂機(jī)器人應(yīng)用的最多；其次是搬運(yùn)、 上下料（沖壓、壓鑄、鑄鍛、注塑等用的大多是上下料機(jī)器人）；再次是包裝、碼垛、 拆垛機(jī)器人和密封涂膠機(jī)器人，其他機(jī)器人用量很少。就行業(yè)而言，汽車行業(yè)以焊接、 噴涂、涂膠作業(yè)較多，沖壓、搬運(yùn)、裝配次之；電子電器行業(yè)集中在裝配，如大連華 錄一家就用了近 300 臺(tái)，其次是搬運(yùn)和噴涂；工程機(jī)械行業(yè)集中用于弧焊，噴涂其次。 此外包裝、碼垛、拆垛機(jī)器人目前主要用于石化、輕紡和煙草行業(yè)。 軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真 3 1.3移動(dòng)機(jī)器人概述 移動(dòng)機(jī)器人的研究始于 60 年代末期，斯坦福研究院(SR)I 的 NiISSen 和 CharleSRosen 等人，在 1966 年至 1972 年中研造出了取名 Shakey 的自主移動(dòng)機(jī)器人。 目的是研究應(yīng)用人工智能技術(shù)，在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。 與此同時(shí)，最早的操作式步行機(jī)器人也研制成功，從而開始了機(jī)器人步行結(jié)構(gòu)方面的 研究，以解決機(jī)器人在不平整地域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)問題，設(shè)計(jì)并研制出了多足步行機(jī)器人。 70 年代末，隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和傳感器技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人研究又出現(xiàn)了新高潮。 特別是在 80 年代中期，設(shè)計(jì)和制造機(jī)器人的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司 開始研制移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，這些移動(dòng)機(jī)器人主要作為大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人實(shí) 驗(yàn)平臺(tái)，從而促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人學(xué)多種研究方向的出現(xiàn)。90 年代以來，以研制高水平 的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)，高適應(yīng)性的移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)，真實(shí)環(huán)境下的 規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開展了移動(dòng)機(jī)器人更高層次的研究。 移動(dòng)機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)： 目前研究的移動(dòng)機(jī)器人都是帶有智能的機(jī)器人:機(jī)器人本身能認(rèn)識(shí)工作環(huán)境、工作 對(duì)象及其狀態(tài)，它根據(jù)人給予的指令和“自身”認(rèn)識(shí)外界的結(jié)果來獨(dú)立的決定工作方 法，利用操作機(jī)構(gòu)和移動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)，并能適應(yīng)工作環(huán)境的變化。 這些具有智能的機(jī)器人，有的能夠模擬人類用兩條腿走路，可在凹凸不平的地面 上行走移動(dòng);有的具有視覺和觸覺功能，能夠進(jìn)行獨(dú)立操作、自動(dòng)裝配和產(chǎn)品檢驗(yàn) ;有的 具有自主控制和決策能力。不僅能夠應(yīng)用各種反饋傳感器，而且還能夠應(yīng)用人工智能 中的各種學(xué)習(xí)、推理和決策技術(shù)。 移動(dòng)機(jī)器人一般由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。據(jù)研制目的不同，移動(dòng)機(jī)器 人硬件系統(tǒng)的構(gòu)成也不盡相同，比較完整的典型結(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示。移動(dòng)機(jī)器人的軟件 系統(tǒng)，就相當(dāng)于機(jī)器人的“大腦” ，智能機(jī)器人之所以能夠代替人做大量的工作，就是 因?yàn)樗哂泻腿祟惖拇竽X思維能力相仿的智能控制系統(tǒng)。而這個(gè)智能控制系統(tǒng)其實(shí)就 是機(jī)器人的軟件系統(tǒng)，是人工智能主要技術(shù)對(duì)于機(jī)器人的綜合運(yùn)用。 這種特殊結(jié)構(gòu)的機(jī)器人在工業(yè)裝配、無人惡劣環(huán)境中工作(如滅火、外星球探測(cè)和 各類危險(xiǎn)的科學(xué)研究)以及室內(nèi)服務(wù)工作(如運(yùn)送、導(dǎo)游和巡邏)等方面具有一定研究?jī)r(jià) 值。 晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 1.4本課題研究目的和要求 通過對(duì)移動(dòng)機(jī)器人組合式機(jī)械臂進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)一步鞏固與深化學(xué)生對(duì)理論課程及 實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)中所學(xué)知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、基本理論和基 本技能來分析和解決相關(guān)專業(yè)問題，以及收集、整理、分析、利用資料的能力，使學(xué) 生受到工程師工作能力的綜合訓(xùn)練，提高學(xué)生的獨(dú)立工作能力與綜合素質(zhì)。 軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真 5 第 2 章 整體方案設(shè)計(jì) 2.1動(dòng)力源及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案的確定 動(dòng)力源及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要考慮效率、成本、維護(hù)難易、失效、傳動(dòng)精度要求以及與整 個(gè)機(jī)構(gòu)的位置關(guān)系。 方案一 使用液動(dòng)或氣動(dòng)作為平移和上升的動(dòng)力源，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要為液壓缸或氣缸、活塞、 回轉(zhuǎn)液壓缸。這就要求一套液壓系統(tǒng)，包括液壓泵、液壓閥、液壓缸或氣缸、密封元 件、導(dǎo)軌等。液壓或氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)： 1、液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動(dòng)力大、力(或力矩)慣量比大、快速響應(yīng) 高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)，適用于承載能力大、慣量大以及在防爆環(huán)境中工作 的機(jī)機(jī)器人；缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)難度大、對(duì)環(huán)境有影響、硬件成本高。 2、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低等特點(diǎn)小負(fù)載的系統(tǒng)中；但由于 空氣的可壓縮性定位不準(zhǔn)等難于實(shí)現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機(jī)械手中，如在 上、下料和沖壓機(jī)械手中應(yīng)用較多。 3、無論是液壓還是氣動(dòng)，都會(huì)致使機(jī)械臂的總體重量增加，結(jié)構(gòu)龐大，同時(shí)也會(huì)增加 它的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人上的機(jī)械臂，采用液壓或氣壓傳動(dòng)，并不理想。 方案二 使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使用絲杠滑塊傳動(dòng)。該方案具有以下特點(diǎn)： 1、適合于中等負(fù)載，特別適合動(dòng)作復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)軌跡嚴(yán)格的工業(yè)機(jī)器人和各種微型機(jī)器 人；由于步進(jìn)電機(jī)的廣泛采用，這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)械手機(jī)器人領(lǐng)域里被大量選用； 2、絲杠傳動(dòng)時(shí)，有利于主機(jī)的小型化及減輕勞動(dòng)強(qiáng)度；摩擦力矩小，接續(xù)剛度高使溫 升及熱變形減小，有利于改善機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)特性，提高工作精度，具有很好的高速 性能。 經(jīng)過方案一和方案二的分析，決定采用方案二。這主要考慮到硬件的制作成本、維 護(hù)成本、盡可能地降低總體方案的重量、盡可能的使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性更良好，安裝 調(diào)試更方便。 晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 2.2 擬定方案圖 根據(jù)上述論述，現(xiàn)擬定方案圖。一維機(jī)械臂的傳動(dòng)如下圖 2-1 所示，它的 X-Y-Z 組合效果如圖 2 所示。 圖 2-1 圖 2-2 一維機(jī)械臂由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊即可在絲杠帶動(dòng)下沿導(dǎo)軌移動(dòng)，在 X/Y/Z 三個(gè)方向分別布置一個(gè)一維機(jī)械臂，即構(gòu)成了三維機(jī)械臂，可實(shí)現(xiàn)聯(lián)接在手臂聯(lián) 接座上的手爪在空間定位。 步進(jìn)電機(jī)在數(shù)字化控制下能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，因此，本傳動(dòng)方案更便于控制，相對(duì) 于液壓傳動(dòng)，氣壓傳動(dòng)，本傳動(dòng)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，行程更大，因此，本傳動(dòng)方案是一種 較理想的傳動(dòng)方案。 軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真 7 第 3 章 傳動(dòng)設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.1一維機(jī)械臂設(shè)計(jì)計(jì)算 一維機(jī)械臂如下圖 3-1 所示，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊即可在絲杠帶動(dòng)下 沿導(dǎo)軌做直線移動(dòng)，通過計(jì)算機(jī)，可精確控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度，因而，可以精確 控制滑塊移動(dòng)的距離。 圖 3-1 一維機(jī)械臂傳動(dòng)方案 3.1.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇 1）機(jī)電領(lǐng)域中步進(jìn)電機(jī)的選擇原則 步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。 每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)步距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比 例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。 步進(jìn)電機(jī)慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體 化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等。 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。而在選 用功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的矩頻特性能滿足機(jī)械負(fù) 載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠。在實(shí)際工作過程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須 在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩 Mjmax 大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng) 量。在機(jī)械傳動(dòng)過程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是 可以通過步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)來完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度。精 晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 度是由電機(jī)的固有特性所決定。 選擇功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動(dòng)頻率，使 之與步進(jìn)電機(jī)的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿 足執(zhí)行件快速移動(dòng)的需要。 選擇步進(jìn)電機(jī)需要進(jìn)行以下計(jì)算： （1）計(jì)算減速比 根據(jù)所要求脈沖當(dāng)量，減速比 i 計(jì)算如下: i=(φ.S)/(360.Δ ) 式中 φ ---步進(jìn)電機(jī)的步距角（o/脈沖） S ---絲桿螺距（mm) Δ---(mm/脈沖） （2）計(jì)算工作臺(tái)，絲桿以及齒輪折算至電機(jī)軸上的慣量 Jt。 Jt=J1+（1/i2)[(J2+Js）+W/g（S/2π)2] 式中 Jt ---折算至電機(jī)軸上的慣量(Kg.cm.s2) J1、J2 --- 齒輪慣量(Kg.cm.s2) Js ----絲桿慣量(Kg.cm.s2) W---工作臺(tái)重量（ N） S ---絲桿螺距（cm） （3）計(jì)算電機(jī)輸出的總力矩 M M=Ma+Mf+Mt Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×10ˉ2 式中 Ma ---電機(jī)啟動(dòng)加速力矩（ N.m) Jm、Jt---電機(jī)自身慣量與負(fù)載慣量(Kg.cm.s2) n---電機(jī)所需達(dá)到的轉(zhuǎn)速（r/min ） T---電機(jī)升速時(shí)間（s ） Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10ˉ2 Mf---導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)的轉(zhuǎn)矩（ N.m) u---摩擦系數(shù) η---傳遞效率 軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真 9 Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10ˉ2 Mt---切削力折算至電機(jī)力矩（N.m) Pt---最大切削力（N） （4）負(fù)載起動(dòng)頻率估算。數(shù)控系統(tǒng)控制電機(jī)的啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣量有很大 關(guān)系，其估算公式為 fq=fq0[(1-(Mf+Mt))/Ml）÷(1+Jt/Jm)] 1/2 式中 fq---帶載起動(dòng)頻率（ Hz） fq0---空載起動(dòng)頻率 Ml---起動(dòng)頻率下由矩頻特性決定的電機(jī)輸出力矩（N.m) 若負(fù)載參數(shù)無法精確確定,則可按 fq=1/2fq0 進(jìn)行估算. （5）運(yùn)行的最高頻率與升速時(shí)間的計(jì)算。由于電機(jī)的輸出力矩隨著頻率的升高而 下降，因此在最高頻率 時(shí)，由矩頻特性的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動(dòng)負(fù)載，并留有足夠的余量。 （6）負(fù)載力矩和最大靜力矩 Mmax。負(fù)載力矩可按式 Ma=（Jm+Jt). n/T×1.02×10ˉ2 和式 Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10ˉ2 計(jì)算，電機(jī)在最大進(jìn)給速度時(shí)，由 矩頻特性決定的電機(jī)輸出力矩要大于 Mf 與 Mt 之和，并留有余量。一般來說， Mf 與 Mt 之和應(yīng)小于（0.2 ～0.4)Mmax. 2）選擇步進(jìn)電機(jī) 由原始設(shè)計(jì)參數(shù)可知：機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)速度最高速度不大于 30cm/s, 機(jī)械臂的最大 末端載荷不大于 5kg，機(jī)械臂的長(zhǎng)度不超過 60cm。 （1）滑塊從頭到尾移動(dòng)的最短時(shí)間 StV? S——滑塊移動(dòng)距離，由于機(jī)械臂的總長(zhǎng)不超過 600mm,給電機(jī)及基座預(yù)留一定安 裝空間，因此取絲杠長(zhǎng)度為 420mm, t——時(shí)間， s421.30t? （2）電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 電機(jī)選擇首先依據(jù)推桿快速行程速度?？焖傩谐痰碾姍C(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)嚴(yán)格控制在電機(jī)的 晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)。 3maxmax10hVunnP??? 式中， 為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速（rpm） ；n 為移動(dòng)時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速（ rpm） ； 為直線運(yùn)maxn maxV 行速度（m/min） ；u 為系統(tǒng)傳動(dòng)比，u=n 電機(jī)/n 絲杠=1； 絲杠導(dǎo)程（mm） ，hP 。10hP? 所以 3160/minnr?? 所以，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速選為 3000r/min.初步擬定為深圳眾為興技術(shù)股份有限公司步進(jìn)電機(jī) 56BYGH630DJP。 56BYGH630DJP 技術(shù)參數(shù)如下： 步距角： o1.8 機(jī)身長(zhǎng)：78mm 靜力矩：1.57N.m （3）計(jì)算減速比 根據(jù)所要求脈沖當(dāng)量，減速比 i 計(jì)算如下: i=(φ.S)/(360.Δ ) 式中 φ ---步進(jìn)電機(jī)的步距角（o/脈沖） S ---絲桿螺距（mm) Δ---(mm/脈沖） 計(jì)算得 (1.80)/(36.5)1i??? （4）計(jì)算工作臺(tái)，絲桿以及齒輪折算至電機(jī)軸上的慣量 Jt。 Jt=J1+（1/i2)[(J2+Js）+W/g（S/2π) 2] 式中 Jt ---折算至電機(jī)軸上的慣量(Kg.cm.s 2) J1、J2 --- 齒輪慣量(Kg.cm.s 2) Js ----絲桿慣量(Kg.cm.s 2) W---工作臺(tái)重量（ N） S ---絲桿螺距（cm） 軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真 11 22Jt=1+(/i)[JsW/g(S)]? （5）計(jì)算電機(jī)輸出的總力矩 M M=Ma+Mf+Mt Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×10ˉ2 式中 Ma ---電機(jī)啟動(dòng)加速力矩（ N.m) Jm、Jt---電機(jī)自身慣量與負(fù)載慣量(Kg.cm.s2) n---電機(jī)所需達(dá)到的轉(zhuǎn)速（r/min ） T---電機(jī)升速時(shí)間（s ） Mf=(u.W.s)/(2πηi)×10ˉ2 Mf---導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)的轉(zhuǎn)矩（ N.m) u---摩擦系數(shù) η---傳遞效率 Mt=(Pt.s)/(2πηi)×10ˉ2 Mt---切削力折算至電機(jī)力矩（N.m) Pt---最大切削力（N） 3)根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩選擇伺服電機(jī) 根據(jù)伺服電機(jī)的工作曲線，負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：當(dāng)設(shè)備作空載運(yùn)行時(shí)，在整個(gè)速度范 圍內(nèi)，加在伺服電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)在電機(jī)的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，即在工作曲線 的連續(xù)工作區(qū)；最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，加載周期及過載時(shí)間應(yīng)在特性曲線的允許范圍內(nèi)。加 在電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩可以折算出加到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 CLTF?????2 式中， 為折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N.m） ；F 為軸向移動(dòng)滑塊時(shí)所需的力LT （N） ；L 為電機(jī)每轉(zhuǎn)的機(jī)械位移量（m）L=0.012m； 為絲杠軸承等摩擦轉(zhuǎn)矩折算到C 電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N.m） ， N.m； 為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率。0.1CT??cFW?? 式中， 為推桿反作用力（N） ， =5N； W 為工作臺(tái)工件等滑動(dòng)部分總重量cF （N） ， N； 為摩擦系數(shù)， 。1.5398W???0.2? 晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 所以 50.218cFWN????? 計(jì)算轉(zhuǎn)矩時(shí)下列幾點(diǎn)應(yīng)特別注意。 （a）由于鑲條產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩必須充分地考慮。通常，僅僅從滑塊的重量和摩擦 系數(shù)來計(jì)算的轉(zhuǎn)矩很小的。請(qǐng)?zhí)貏e注意由于鑲條加緊以及滑塊表面的精度誤差所產(chǎn)生 的力矩。 （b）由于軸承，螺母的預(yù)加載，以及絲杠的預(yù)緊力滾珠接觸面的摩擦等所產(chǎn)生的 轉(zhuǎn)矩均不能忽略。尤其是小型輕重量的設(shè)備。這樣的轉(zhuǎn)矩回應(yīng)影響整個(gè)轉(zhuǎn)矩。所以要 特別注意。 （c）切削力的反作用力會(huì)使工作臺(tái)的摩擦增加，以此承受切削反作用力的點(diǎn)與承 受驅(qū)動(dòng)力的點(diǎn)通常是分離的。如圖所示，在承受大的切削反作用力的瞬間，滑塊表面 的負(fù)載也增加。當(dāng)計(jì)算切削期間的轉(zhuǎn)矩時(shí)，由于這一載荷而引起的摩擦轉(zhuǎn)矩的增加應(yīng) 給予考慮。 （d）摩擦轉(zhuǎn)矩受進(jìn)給速率的影響很大，必須研究測(cè)量因速度工作臺(tái)支撐物(滑塊， 滾珠，壓力)，滑塊表面材料及潤(rùn)滑條件的改變而引起的摩擦的變化。已得出正確的數(shù) 值。 （e）通常，即使在同一臺(tái)的機(jī)械上，隨調(diào)整條件，周圍溫度，或潤(rùn)滑條件等因素 而變化。當(dāng)計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，請(qǐng)盡量借助測(cè)量同種機(jī)械上而積累的參數(shù)，來得到正確 的數(shù)據(jù)。 所以 80.12.234LCFT??????? =0.03N.m 所以，臺(tái)達(dá)伺服電機(jī) ECMA-C30602ES，額定轉(zhuǎn)矩 0.6n/m，轉(zhuǎn)速為 3000r/min， 3.1.2 滑動(dòng)螺旋副的計(jì)算 1）螺旋傳動(dòng)的材料 絲杠螺桿要有足夠的強(qiáng)度，較高的耐磨性和良好的工藝性，一般采用 45 或 50 剛， 較重要的螺桿可采用 40Cr 等合金鋼，本絲杠采用 45 鋼。 推桿（螺母）應(yīng)該具有較低的摩擦系數(shù)和較高的耐磨性，一般可選用鑄造青銅，如 ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5 及 ZCuAl10Fe3，要求較低時(shí)可采用耐磨鑄鐵，本推桿要 求不高，采用球墨鑄鐵 QT400-17。 軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真 13 2）耐磨性的計(jì)算 設(shè)螺母高為 H，螺距為 P，螺紋中徑為 ，螺紋工作高度為 h，則螺紋承載圈數(shù)2d Z=H/P， 螺旋總軸向載荷為 ，每一圈螺紋承受的軸向載荷為 ,其成載面積 。QFzFQ/ 2Adh?? 因此。螺紋工作面上的壓強(qiáng)為 ,己耐磨性條件為：cp 2 []Qc cPpZAdhH??? 表 3-1 滑動(dòng)螺旋副材料的許用壓強(qiáng)[ ]c 螺桿材料 螺母材料 滑動(dòng)速度（m/s） 許用壓強(qiáng) 鋼 青銅 18～25 鋼 鋼 低速 7.5～13 鋼 鑄鐵 ＜0.04 13～18 鋼 青銅 ＜0.05 11～18 鋼 鑄鐵 4～7 鋼 耐磨鑄鐵 6～8 鋼 青銅 0.1～0.2 7～10 設(shè) ，則 ，代入上式并整理后可得：2/dH??2d?? 2[]QcFPhp?? 對(duì)于鋸齒螺紋，h=0.75P，由上表 3-1，選取[ ]=6Mpa 則cp 2 80.650.651.37[].Qcdp????? 考慮到螺旋導(dǎo)程不能太小,取導(dǎo)程 P=4mm，選取螺桿中徑 ，外徑為 10mm2dm 3）螺母螺紋牙的強(qiáng)度校核 在軸向載荷 的作用下，螺紋牙可能在根部發(fā)生剪斷或彎斷，由于推桿為鑄鐵，QF 螺牙的強(qiáng)度低于螺桿，故只需要校核推桿（螺母）螺紋牙的強(qiáng)度。 材料 許用應(yīng)力 晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 [σ] [ ]b?[ ]? 螺桿 鋼 3~5s? 青銅 40～60 30～40 耐磨鑄鐵 50～60 40 鑄鐵 45～55 40 螺母 鋼 0.6[σ] 注： 1、 為材料屈服極限；s? 2、載荷穩(wěn)定時(shí)，許用應(yīng)力取大值。 將一圈螺母的螺紋沿根部大徑 D 處展開，并將談看作寬度為 的懸臂梁，在 h/2D? 處作用載荷 ，則螺紋牙危險(xiǎn)平剖面 a－a 的剪切強(qiáng)度條件為zFQ/ ??80.13.14QFMpabz? ?????? 符合強(qiáng)度要求。 螺紋牙危險(xiǎn)剖面ａ－ａ的彎曲強(qiáng)度條件為 222381.50.6[].436QQb bFhMz paDWbz? ???????? 符合強(qiáng)度要求。 4）螺桿的強(qiáng)度校核 螺桿工作地承受軸向壓力（或拉力） ，又受螺紋力矩 T 的扭轉(zhuǎn)作用。螺桿QF 危險(xiǎn)剖面上既有壓縮（或拉伸）應(yīng)力，又有扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力。因此，螺桿剖面上是正應(yīng)力 和剪應(yīng)力的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)。按第四強(qiáng)度理論，其危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度條件為 軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真 15 ??222 32113230.48().6.140.77QeFTd?????????????????????? 強(qiáng)度符合要求。 3.1.3 聯(lián)軸器的選用 電機(jī)功率較小，螺桿驅(qū)動(dòng)裝置采用聯(lián)軸器聯(lián)接電機(jī)。 聯(lián)軸器是機(jī)械傳動(dòng)中常用的部件。它用來把兩軸聯(lián)接在一起，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)兩軸不 能分離：只有在機(jī)器停車并將聯(lián)接拆開后，兩軸才能分離。 聯(lián)軸器所聯(lián)接的兩軸，由于制造及安裝誤差、承載后的變形以及溫度變化的影響 等，往往不能保證嚴(yán)格的對(duì)中，而是存在著某種程度的相對(duì)位移。這就要求設(shè)計(jì)聯(lián)軸 器時(shí)，要從結(jié)構(gòu)上采取各種不同的措施，使之具有適應(yīng)一定范圍的相對(duì)位移的性能。 根據(jù)對(duì)各種相對(duì)位移有無補(bǔ)償能力（即能否在發(fā)生相對(duì)位移條件下保持聯(lián)接的功 能） ，聯(lián)軸器可分為剛性聯(lián)軸器（無補(bǔ)償能力）和撓性聯(lián)軸器（有補(bǔ)償能力）兩大類。 撓性聯(lián)軸器又可按是否具有彈性元件分為無彈性元件的撓性聯(lián)軸器和有彈性元件的撓 性聯(lián)軸器兩個(gè)類別。 十字滑塊聯(lián)軸器又稱滑塊聯(lián)軸器，由兩個(gè)在端面上開有凹槽的半聯(lián)軸器和一個(gè)兩 面帶有凸牙的中間盤組成。因凸牙可在凹槽中滑動(dòng)，故可補(bǔ)償安裝及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)兩軸間的 相對(duì)位移。這種聯(lián)軸器零件的材料可用 45 鋼，工作表面需要進(jìn)行熱處理，以提高其硬 度；要求較低時(shí)也可用 Q275 鋼，不進(jìn)行熱處理。為了減少摩擦及磨損，使用時(shí)應(yīng)從中 間盤的油孔中注油進(jìn)行潤(rùn)滑。 因?yàn)榘肼?lián)軸器與中間盤組成移動(dòng)副，不能發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，故主動(dòng)軸與從動(dòng)軸的角 速度應(yīng)相等。但在兩軸間有相對(duì)位移的情況下工作時(shí)，中間盤就會(huì)產(chǎn)生很大的離心力， 從而增大動(dòng)載荷及磨損。因此選用時(shí)應(yīng)注意其工作轉(zhuǎn)速不得大于規(guī)定值。 彈性柱銷聯(lián)軸器能傳遞轉(zhuǎn)矩的能力很大，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，安裝、制造方便，耐久 性好，也有一定的緩沖和吸振能力，允許被聯(lián)接兩軸有一定的軸向位移以及少量的徑 向位移和角位移，適用于軸向竄動(dòng)較大、正反轉(zhuǎn)變化較多和起動(dòng)頻繁的場(chǎng)合。 晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 本次設(shè)計(jì)中，由凌斯聯(lián)軸器公司樣本資料，查得電動(dòng)機(jī)與減速器軸之間聯(lián)接選用 十字滑塊聯(lián)軸器 LS3-C25。 型號(hào) 額定轉(zhuǎn)矩(n.m) 最高轉(zhuǎn)速(rpm) 徑向偏差 mm LS3-C25 3.0 5800 1.9 3.2 膠輥設(shè)計(jì) 圖 3-2 膠輥傳動(dòng)圖 3.2.1微型電機(jī)選擇 微型電動(dòng)機(jī)體積、容量較小，輸 出功率一般在數(shù)百瓦以下的電機(jī)和用途、性能及 環(huán)境條件要求特殊的電機(jī)。全稱微型特種電機(jī)，簡(jiǎn)稱微電機(jī)。常用于傳動(dòng)機(jī)械負(fù)載， 也可作為設(shè)備的交、直流電源。微電機(jī)門類繁多，大體可分為直流電動(dòng)機(jī)、交流電動(dòng) 機(jī)、自態(tài)角電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、軸角編碼器、交直流兩用電動(dòng)機(jī)、測(cè) 速發(fā)電機(jī)、感應(yīng)同步器、直線電機(jī)、壓電電動(dòng)機(jī)、電機(jī)機(jī)組、其他特種電機(jī)等 13 大類。 由于膠輥所傳動(dòng)力很小，選擇電機(jī)時(shí)參照同類產(chǎn)品（如打印機(jī)）進(jìn)行選擇，選擇 20BYG28-4 型步進(jìn)電機(jī) 型 號(hào) 相數(shù) 電壓 電流 電阻 電感 轉(zhuǎn) 矩 重量 接線 圖 機(jī)身 長(zhǎng)度 序 號(hào) 規(guī) 格 V A Ω mH g.cm kg mm 20BY 2 10 0.6 10 5.5 400 0.08 B 38 軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真 17 G38-4 3.2.2微型皮帶輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 電機(jī)與輥輪之間以皮帶輪傳動(dòng)， 1）與傳動(dòng)比 i 已知大帶輪轉(zhuǎn)速 n2＝400r/m，帶傳動(dòng)的傳動(dòng)比一般為 i ≤ 7，推薦值為 i＝2～5。 故令 i＝2.5，則小帶輪轉(zhuǎn)速 n1＝1000 r/m。 2）功率與皮帶的帶型 （1）單根 V 帶的額定功率 pr r0P()LK???? P0 為基本額定功率； △ 為單根 V 帶額定功率增量； 為包角修正系數(shù)；K L 為o ? 帶長(zhǎng)修正系數(shù)；查文獻(xiàn)[5]表 8-4a、表 8-4b、表 8-5、表 8-2 得 ＝0.006kw，△oP P＝0.002kw， ＝0.97，K L＝1.0。? ＝0.008×0.97×1.0＝0.0776kwr （2）計(jì)算功率 是根據(jù)傳遞功率 P 和帶的工作條件參數(shù) KA 而定的，即?????? AcaP? 由文獻(xiàn)[5]表 8-7 查得 KA＝1.1，P ＝0.006kw；所以 KW 進(jìn)而文獻(xiàn)[5]圖 8-11 選擇 A 型。1.06.AcaPK?? 3）選擇帶輪基準(zhǔn)直徑 與帶速控制d （1）小帶輪基準(zhǔn)直徑 ；參考文獻(xiàn)[5]表 8-6 和表 8-8 可確定小帶輪基準(zhǔn)直徑1 ＝10mm。d （2）小帶輪線速度 即,13.40.52/6061dnv ms???? =0.52m/s。 1 （3）大帶輪基準(zhǔn)直徑 ＝i ＝2.5×10＝25mm。2d1 3）中心距 a 及帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度 ???? （1）中心距的大小要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用時(shí)結(jié)構(gòu)的尺寸、傳動(dòng)平衡性以及使用壽命等要 求適當(dāng)選擇。一般初選帶傳動(dòng)中心距 為oa 晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 120120.7()()dda??? 即 ＝24.5～70mm。初選 ＝40mm。a0 （2）相應(yīng)帶長(zhǎng) doL210120()()36.54ddL ma????? 取基準(zhǔn)長(zhǎng)度 8m? 按〔1〕式 8-23，計(jì)算實(shí)際中心距 001836.541.8222dLa?????? 變動(dòng)范圍 min.9.daLm? x7 4） 驗(yàn)算小帶輪的包角 2157.3180()6.049da???????? 5）計(jì)算帶的根數(shù) （1）計(jì)算單根 rP ＝0.008×0.97×1.0＝0.0776kwr （2） V 帶根數(shù) 根 取 Z＝1r0.caZ? 軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真 19 第 4 章 主要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 對(duì)于本電池包裝機(jī)的零部件設(shè)計(jì)，考慮到這種包裝機(jī)產(chǎn)品生產(chǎn)批量小，對(duì)于零件 部件等，盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件常用件，采用易于應(yīng)用常規(guī)加工方法加工的結(jié)構(gòu)。 4.1 機(jī)架設(shè)計(jì) 4.1.1機(jī)架設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 底座、機(jī)架、箱體、基板等零件都屬于機(jī)架零件。 機(jī)架零件可劃分為四大類：即機(jī)座類、機(jī)架類、基板類和箱殼類，對(duì)機(jī)架零件一般可 提出下列要求: (1)工況要求：即任何機(jī)架的設(shè)計(jì)首先必須保證機(jī)器的特定工作要求。例如，保證機(jī)架 上安裝的零部件能順利運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)架的外形或內(nèi)部結(jié)構(gòu)不致有阻礙運(yùn)動(dòng)件通過的突起,設(shè) 置執(zhí)行某一工況所必需的平臺(tái)；保證上下料的要求、人工操作的方便及安全等。 (2)剛度要求：在必須保證特定的外形條件下，對(duì)機(jī)架的主要要求是剛度。如果基礎(chǔ)部 件的剛性不足，則在工作的重力、夾緊力、摩擦力、慣性力和工作載荷等的作用下， 就會(huì)產(chǎn)生變形，振動(dòng)或爬行，而影響產(chǎn)品定位精度、加工精度及其它性能。例如機(jī)床 的零部件中，床身的剛度則決定了機(jī)床的生產(chǎn)率和加工產(chǎn)品的精度。 (3)強(qiáng)度要求：對(duì)于一般設(shè)備的機(jī)架，剛度達(dá)到要求，同時(shí)也能滿足強(qiáng)度的要求 (4)穩(wěn)定性要求：對(duì)于細(xì)長(zhǎng)的或薄壁的受壓結(jié)構(gòu)及受彎-壓結(jié)構(gòu)存在失穩(wěn)問題，某些板殼 結(jié)構(gòu)也存在失穩(wěn)問題或局部失穩(wěn)問題。失穩(wěn)對(duì)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生很大的破壞，設(shè)計(jì)時(shí)必須校 核。 (5)美觀：目前對(duì)機(jī)器的要求不僅要能完成特定的工作，還要使外形美觀。 (6)其它：如散熱的要求，防腐蝕及特定環(huán)境的要求。 在滿足機(jī)架設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的前提下，必須根據(jù)機(jī)架的不同用途和所處環(huán)境，考慮下列各 項(xiàng)要求，并有所偏重。 (1)機(jī)架的重量輕，材料選擇合適，成本低。 (2)結(jié)構(gòu)合理，便于制造。 (3)結(jié)構(gòu)應(yīng)使機(jī)架上的零部件安裝、調(diào)整、修理和更換都方便。 (4)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，工藝性好，還應(yīng)使機(jī)架本身的內(nèi)應(yīng)力小，由溫度變化引起的變形應(yīng) 軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真 20 力小。 (5)抗振性能好。 (6)耐腐蝕，使機(jī)架結(jié)構(gòu)在服務(wù)期限內(nèi)盡量少修理。 (7)有導(dǎo)軌的機(jī)架要求機(jī)架導(dǎo)軌面受力合理，耐磨性良好。 4.1.2 機(jī)座主體設(shè)計(jì) 1）機(jī)座的結(jié)構(gòu)及材料 進(jìn)行機(jī)架結(jié)構(gòu)形式的選擇是一個(gè)較復(fù)雜的過程，對(duì)結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件截面和結(jié)點(diǎn)構(gòu) 造等均需要結(jié)合具體的情況進(jìn)行仔細(xì)的分析。對(duì)結(jié)構(gòu)方案要進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。由于 各種設(shè)備有不同的規(guī)范和要求，制定統(tǒng)一的機(jī)架結(jié)構(gòu)選擇方法較困難。但是，可以利 用結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識(shí)提出下列一般的規(guī)則。這些規(guī)則是為了節(jié)約材料在選擇形式時(shí)應(yīng)遵 守的一般規(guī)律。 （1）結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布情況要與材料的性能相適應(yīng)，以便發(fā)揮材料的優(yōu)點(diǎn)。軸力較 彎矩能更充分地利用材料。桿件受軸力作用時(shí)，截面上的材料分布是均勻的，所有材 料都能得到充分利用。但在彎矩作用下截面的應(yīng)力分布是不均勻的，所以材料的應(yīng)力 分布不夠經(jīng)濟(jì)。 機(jī)械結(jié)構(gòu)中許多構(gòu)件所受的都是沿垂直于桿軸的方向作用的。彎矩沿桿變化很迅 速。有垂直載荷處，彎矩曲線有曲率，且曲率與載荷集度成正比。最大的彎矩限于一 小段內(nèi)，在較長(zhǎng)段內(nèi)材料不能充分利用，這是彎曲構(gòu)件不經(jīng)濟(jì)的另一原因。 （2）結(jié)構(gòu)的作用在于把載荷由施力點(diǎn)傳到基礎(chǔ)。載荷傳遞的路程愈短，結(jié)構(gòu)使用 的材料愈省。 （3）結(jié)構(gòu)的連續(xù)性可以降低內(nèi)力，節(jié)省材料。 因該電池包裝機(jī)為尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，受力不大，精度要求不高，材料上，為減 輕重量，便于安裝，選擇 HT150 鑄件作為基座。 2）機(jī)體部分結(jié)構(gòu)尺寸的確定 (1)安裝電動(dòng)推桿螺栓直徑的確定 ，取 M8。??Dd25.0~18.? (2)安裝伺服電機(jī)螺栓直徑的確定，根據(jù)伺服電機(jī)提供的安裝螺紋孔，取 M5。 (3)安裝托架及膠輥螺釘直徑的確定，取 M4。 (4)安裝槽檔塊螺釘直徑的確定，取為 M5,定位銷取為直徑為 5mm. 3）壁厚，根據(jù)安裝要求，取得 14m?? 4.2 包裝袋托架設(shè)計(jì) 包裝袋托架如下圖 4-1 所示，支架材料為兩塊鈑金件，鈑金件材料為 304 不銹鋼， 軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真 21 壁厚 3mm，中間為輥輪，輥輪是橡膠與 45 鋼套銅過盈配合聯(lián)接在一起，輥輪套在芯 軸上，可以繞心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)一卷包裝袋用完了，擰開螺母，取下心軸，又可以換用另 一卷包裝袋上去。 圖 4-1 包裝袋托架 4.3 集料槽設(shè)計(jì) 集料槽的寬度按尺寸按五號(hào)電池的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)為 50mm,為了方便電池能順利滾 入電池包裝機(jī)通道