并聯(lián)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)研究【含CAD圖紙、SW三維】

資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請(qǐng)放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 并聯(lián)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)研究 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 并聯(lián)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)研究 姓 名 專 業(yè) 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 28 摘 要 并聯(lián)機(jī)械臂具有剛度大、承載能力強(qiáng)、誤差小、精度高、自重負(fù)荷比小、動(dòng)力性能好、控制容易等一系列優(yōu)點(diǎn)可以作為航天上的對(duì)接器、航海上的潛艇救援對(duì)接器；工業(yè)上可以作為大件的裝配機(jī)器人、精密操作的微動(dòng)器；可以在汽車總裝線上自動(dòng)安裝車輪部件；另外，醫(yī)用機(jī)器人，天文望遠(yuǎn)鏡等都利用了并聯(lián)技術(shù)。 本文并聯(lián)機(jī)械臂的研究方向： （1）并聯(lián)機(jī)械臂組成原理的研究 研究并聯(lián)機(jī)械臂自由度計(jì)算、運(yùn)動(dòng)副類型、支鉸類型以及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、建模與仿真等問題。 （2）并聯(lián)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)空間的研究 （3）并聯(lián)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究 并聯(lián)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括很多內(nèi)容，如機(jī)構(gòu)的總體布局、安全機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。 由于本人水平有限，文中的錯(cuò)誤和不足在所難免，懇請(qǐng)各位老師給予批評(píng)和指正。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手；虛擬樣機(jī)；并聯(lián)機(jī)械臂 Abstract Parallel arm having rigidity, strong bearing capacity, the error is small, high precision, since heavy-duty ratio is small, dynamic performance, easy to control a series of advantages as a butt splice on the aerospace, submarine rescue the dock on navigation; industrially as a large assembly robot, the precise operation of the micro-actuator; wheel parts can be automatically installed in the car assembly line; in addition, medical robots, telescopes and so the use of parallel technology. In this paper, a parallel manipulator research: Research (1) consisting of parallel manipulators principle Parallel computing degrees of freedom manipulator, deputy campaign type, and the type of pivot kinematics analysis, modeling and simulation and other issues. Research (2) parallel manipulator motion space (3) Parallel arm structure design Parallel arm structure design, including a lot of content, such as the overall layout of the organization, security mechanism design. Due to my limited level, the text of the inevitable mistakes and shortcomings, I implore you to give teachers criticism and correction. Keywords: robot; virtual prototype; Parallel Manipulator 目 錄 1 前 言 1 1.1 課題研究背景意義 1 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 2 并聯(lián)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及工作原理 6 2.1 并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)概述 6 2.2并聯(lián)的結(jié)構(gòu)及機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理 7 2.3并聯(lián)機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu) 8 2.4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理 8 2.5 并聯(lián)機(jī)械臂工作空間的分析 10 2.6 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 12 3 并聯(lián)機(jī)械臂電動(dòng)機(jī)的選型 14 3.1電機(jī)的分類 14 3.2選擇步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算 15 4 并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)并聯(lián)機(jī)械臂空間分析 19 4.1并聯(lián)機(jī)械臂并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束 19 4.1.1 連桿桿長(zhǎng)約束 19 4.1.2 運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)角約束 19 4.1.3 連桿桿間干涉 20 4.2 確定并聯(lián)機(jī)械臂空間的基本方法 20 4.2.1 編輯草圖實(shí)體 21 4.2.2 添加幾何關(guān)系 22 4.3 各個(gè)零件的三維建模 23 總 結(jié) 26 參 考 文 獻(xiàn) 27 致 謝 28 1 前 言 1.1 課題研究背景意義 并聯(lián)機(jī)器人與已經(jīng)用的很好、很廣泛的串聯(lián)機(jī)器人相比往往使人感到它并不適合用作機(jī)器人，它沒有那么大的活動(dòng)空間，它活動(dòng)上平臺(tái)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如串聯(lián)機(jī)器人手部來得靈活。的確這種6-TPS結(jié)構(gòu)的并聯(lián)機(jī)械臂其工作空間只是一個(gè)厚度不大的蘑菇形空間，位于機(jī)構(gòu)的上方，而表示靈活度的末端件3維轉(zhuǎn)動(dòng)的活動(dòng)范圍一般只在60°上下，角度最大也達(dá)不到±90°?？墒呛褪澜缟先魏问挛镆粯佣际且环譃槎?，若用并聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)比串聯(lián)式的缺點(diǎn)，也同樣令人吃驚。首先，并聯(lián)式結(jié)構(gòu)其末端件上平臺(tái)同時(shí)經(jīng)由6根桿支承，與串聯(lián)的懸臂梁相比，剛度大多了，而且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；第二，由于剛度大，并聯(lián)式較串聯(lián)式在相同的自重或體積下有高得多的承載能力；第三，串聯(lián)式末端件上的誤差是各個(gè)關(guān)節(jié)誤差的積累和放大，因而誤差大而精度低，并聯(lián)式?jīng)]有那樣的積累和放大關(guān)系，誤差小而精度高；第四，串聯(lián)式機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)大都放在運(yùn)動(dòng)著的大小臂上，增加了系統(tǒng)的慣性，惡化了動(dòng)力性能，而并聯(lián)式則很容易將電動(dòng)機(jī)置于機(jī)座上，減小了運(yùn)動(dòng)負(fù)荷；第五，在位置求解上，串聯(lián)機(jī)構(gòu)正解容易，但反解十分困難，而并聯(lián)機(jī)械臂正解困難反解卻非常容易。由于機(jī)器人的在線實(shí)時(shí)計(jì)算是要計(jì)算反解的，這就對(duì)串聯(lián)式十分不利，而并聯(lián)式卻容易實(shí)現(xiàn)。 并聯(lián)機(jī)械臂實(shí)質(zhì)上是機(jī)器人技術(shù)與機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，與實(shí)現(xiàn)等同功能的傳統(tǒng)五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)構(gòu)相比，并聯(lián)機(jī)械臂具有如下優(yōu)點(diǎn)： 剛度重量比大：因采用并聯(lián)閉環(huán)靜定或非靜定桿系結(jié)構(gòu)，且在準(zhǔn)靜態(tài)情況下，傳動(dòng)構(gòu)件理論上為僅受拉壓載荷的二力桿，故傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的單位重量具有很高的承載能力。 響應(yīng)速度快：運(yùn)動(dòng)部件慣性的大幅度降低有效地改善了伺服控制器的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，允許動(dòng)平臺(tái)獲得很高的進(jìn)給速度和加速度，因而特別適于各種高速數(shù)控作業(yè)。 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)：便于可重組和模塊化設(shè)計(jì)，且可構(gòu)成形式多樣的布局和自由度組合。在動(dòng)平臺(tái)上安裝刀具可進(jìn)行多坐標(biāo)銑、鉆、磨、拋光，以及異型刀具刃磨等加工。裝備機(jī)械手腕、高能束源或CCD攝像機(jī)等末端執(zhí)行器，還可完成精密裝配、特種加工與并聯(lián)機(jī)械臂等作業(yè)。 技術(shù)附加值高：并聯(lián)機(jī)械臂具有“硬件”簡(jiǎn)單，“軟件”復(fù)雜的特點(diǎn)，是一種技術(shù)附加值很高的機(jī)電一體化產(chǎn)品，因此可望獲得高額的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。 目前，國(guó)際學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)研究與開發(fā)并聯(lián)機(jī)械臂非常重視，并于90年代中期相繼推出結(jié)構(gòu)形式各異的產(chǎn)品化樣機(jī)。1994年在芝加哥國(guó)際機(jī)構(gòu)博覽會(huì)上，美國(guó)Ingersoll銑床公司、Giddings&Lewis公司和Hexal公司首次展出了稱為“六足蟲”(Hexapod)和“變異型”(VARIAX)的數(shù)控機(jī)構(gòu)與加工中心，引起轟動(dòng)。此后，英國(guó)Geodetic公司，俄羅斯Lapik公司，挪威Multicraft公司，日本豐田、日立、三菱等公司,瑞士ETZH和IFW研究所，瑞典NeosRobotics公司，丹麥Braunschweig公司，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)、漢諾威大學(xué)和斯圖加特大學(xué)等單位也研制出不同結(jié)構(gòu)形式的數(shù)控銑床、激光加工和水射流機(jī)構(gòu)、并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)和加工中心。與之相呼應(yīng)，由美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局倡議，已于1996年專門成立了Hexapod用戶協(xié)會(huì)，并在國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)上設(shè)立站點(diǎn)。近年來，與并聯(lián)機(jī)械臂和并聯(lián)機(jī)器人操作機(jī)有關(guān)的學(xué)術(shù)會(huì)議層出不窮，例如第47～49屆CIRP年會(huì)、1998～1999年CIRA大會(huì)、ASME第25屆機(jī)構(gòu)學(xué)雙年會(huì)、第10屆TMM世界大會(huì)均有大量文章涉及這一領(lǐng)域。由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)動(dòng)議，1998年在意大利米蘭召開了第一屆國(guó)際并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器專題研討會(huì)，并決定第二屆研討會(huì)于2000年在美國(guó)密執(zhí)安大學(xué)舉行。1994～1999年期間，在歷次大型國(guó)際機(jī)構(gòu)博覽會(huì)上均有這類新型機(jī)構(gòu)參展，并認(rèn)為可望成為21世紀(jì)高速輕型數(shù)控加工的主力裝備。 我國(guó)已將并聯(lián)機(jī)械臂的研究與開發(fā)列入國(guó)家“九五”攻關(guān)計(jì)劃和863高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，相關(guān)基礎(chǔ)理論研究連續(xù)得到國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家攀登計(jì)劃的資助。部分高校還將并聯(lián)機(jī)械臂的研發(fā)納入教育部211工程重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，并得到地方政府部門的支持且吸引了機(jī)構(gòu)骨干企業(yè)的參與。在國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的支持下，中國(guó)大陸地區(qū)從事這方面研究的骨干力量，于1999年6月在清華大學(xué)召開了我國(guó)第一屆并聯(lián)機(jī)器人與并聯(lián)機(jī)械臂設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)研討會(huì)，對(duì)并聯(lián)機(jī)械臂的發(fā)展現(xiàn)狀、未來趨勢(shì)以及亟待解決的問題進(jìn)行了研討。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 并聯(lián)機(jī)械臂具有高剛度、高承載能力、高速度、高精度、重量輕、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、標(biāo)準(zhǔn)化程度高和模塊化程度高等優(yōu)點(diǎn),在要求精密加工的航空航天、兵器、船舶、電子等領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用。 (1)串聯(lián)結(jié)構(gòu)中的橫梁部件很容易受到彎曲扭矩的作用而產(chǎn)生扭曲變形，從而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差； (2)由于采用串聯(lián)的方法，因而整個(gè)運(yùn)動(dòng)誤差是每個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)誤差的累加；(3)由于運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量較重，從而使的運(yùn)動(dòng)慣性增大，運(yùn)動(dòng)速度收到限制，因而直接影響了并聯(lián)機(jī)械臂效率； (4)不滿足并聯(lián)機(jī)械臂的基本原理——阿貝原理； (5)由于受X，Y，Z相互垂直導(dǎo)軌的約束，測(cè)頭的空間位姿不夠靈活。 圖1.1 普通笛卡爾式串聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖 從整個(gè)發(fā)展進(jìn)程不難看出，并聯(lián)機(jī)械臂技術(shù)是為滿足日益進(jìn)步的制造技術(shù)的需求而不斷向前發(fā)展的，是為先進(jìn)制造技術(shù)而服務(wù)的。近幾年，隨著精益生產(chǎn)、敏捷制造、虛擬制造、并行工程和逆向工程等各種先進(jìn)制造思想和理論的不斷提出，對(duì)并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)的并聯(lián)機(jī)械臂精度、并聯(lián)機(jī)械臂效率及靈活性等相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)又提出了更高的要求，而傳統(tǒng)的具有笛卡兒坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)的三并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)因其自身結(jié)構(gòu)的限制已很難達(dá)到這一要求，于是，各種非笛卡兒式并聯(lián)機(jī)械臂技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并迅速發(fā)展起來[13]。 圖1.2 幾種非笛卡爾串聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 當(dāng)今國(guó)際市場(chǎng)需求快速變化的特點(diǎn)和21世紀(jì)更加個(gè)性化的市場(chǎng)趨勢(shì)，促進(jìn)了快速設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展。并聯(lián)并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)是近30年發(fā)展起來的一種高效率的新型精密并聯(lián)機(jī)械臂儀器，克服了傳統(tǒng)串聯(lián)并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)結(jié)構(gòu)布局的固有缺陷，有效地降低重量和提高對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的適應(yīng)性，滿足了快速多變的市場(chǎng)需求。與常用的串聯(lián)并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)相比，它的優(yōu)點(diǎn)是: (1)并聯(lián)中的可動(dòng)平臺(tái)同時(shí)經(jīng)由3根可沿各自軸向伸縮的連桿支撐，從而使整個(gè)系統(tǒng)的剛度較串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比有較大程度的提高； (2)各并聯(lián)桿件只承受沿軸向的線性調(diào)節(jié)力的作用,因而其運(yùn)動(dòng)誤差小，不易變形； (3)并聯(lián)機(jī)械臂中,各桿件間不存在誤差累積和放大關(guān)系，容易實(shí)現(xiàn)高精度并聯(lián)機(jī)械臂； (4)并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)部件的慣性質(zhì)量小，剛度大，因而有望實(shí)現(xiàn)高速、高效率并聯(lián)機(jī)械臂； (5)可以將并聯(lián)機(jī)械臂點(diǎn)放置在測(cè)長(zhǎng)裝置的延長(zhǎng)線上，從而減小阿貝誤差對(duì)并聯(lián)機(jī)械臂結(jié)果的影響； (6)并聯(lián)并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)測(cè)頭的空間位姿靈活，可從任何角度進(jìn)入工作表面，因而對(duì)表面形狀復(fù)雜,孔隙方位多的零件并聯(lián)機(jī)械臂比較方便； (7)并聯(lián)機(jī)械臂結(jié)果不易受空氣波動(dòng)、溫度變化等因素的影響； (8)不需要復(fù)雜的跟蹤機(jī)構(gòu)、控制裝置等； (9)并聯(lián)機(jī)械臂具有“硬件”簡(jiǎn)單，“軟件”復(fù)雜的特點(diǎn)，是一種技術(shù)附加值很高的機(jī)電一體化產(chǎn)品,因而渴望獲得高額的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。 由此可以看出，并聯(lián)機(jī)械臂恰好能夠?qū)Υ?lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用局限進(jìn)行恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)充，這無疑為新一代并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)的開發(fā)與研制帶來了希望，從而為拓寬并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，促進(jìn)產(chǎn)品的多樣化，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。 近年來，以并聯(lián)機(jī)械臂學(xué)為理論依據(jù)的智能機(jī)器人技術(shù)及計(jì)算機(jī)數(shù)控加工技術(shù)的研究引起了各國(guó)學(xué)者的極大興趣，現(xiàn)已成為新的研究熱點(diǎn)，并認(rèn)為是21世界極具發(fā)展前景的先進(jìn)技術(shù)[14-15]。由于并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)剛性大、運(yùn)動(dòng)速度高、誤差不疊加等獨(dú)特特性，因而若將其應(yīng)用于并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)中，將有可能使并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)的并聯(lián)機(jī)械臂精度及并聯(lián)機(jī)械臂效率等綜合性能得到很大程度的改善。由此可以看出，并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)理論及應(yīng)用研究的興起也為新型并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)的開發(fā)提供了機(jī)遇，所以，開展并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究工作是非常必要的。 2 并聯(lián)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及工作原理 2.1 并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)概述 從并聯(lián)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不難看出，并聯(lián)機(jī)械臂并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)屬于一種新型非笛卡兒式并聯(lián)機(jī)械臂系統(tǒng)。傳統(tǒng)的笛卡兒式并聯(lián)機(jī)械臂系統(tǒng)對(duì)空間位置坐標(biāo)的并聯(lián)機(jī)械臂是直接通過三個(gè)相互垂直的長(zhǎng)度基準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)的，也就是說，這種并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)的并聯(lián)機(jī)械臂模型是直接建立在直角坐標(biāo)系基礎(chǔ)之上的，因而該并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)具有并聯(lián)機(jī)械臂建模容易，并聯(lián)機(jī)械臂結(jié)果直觀、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單、符合大多數(shù)工件并聯(lián)機(jī)械臂的需要等優(yōu)點(diǎn)。而對(duì)于由并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)所組成的并聯(lián)并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)來說，其測(cè)頭處的空間位置坐標(biāo)是有若干個(gè)并聯(lián)調(diào)節(jié)器的長(zhǎng)度基準(zhǔn)和連接上下平臺(tái)的球形副（或轉(zhuǎn)動(dòng)副）的角度基準(zhǔn)來表述的，由于這些變量參數(shù)之間的關(guān)系是非線性，所以與普通直角型并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)相比并聯(lián)機(jī)械臂并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)的并聯(lián)機(jī)械臂建模問題就變得十分復(fù)雜。 并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是指上、下平臺(tái)用2個(gè)或2個(gè)以上分支相連，機(jī)構(gòu)具有2個(gè)或2個(gè)以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)的空間閉環(huán)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。由于并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有剛度重量比大，運(yùn)行速度高、末端執(zhí)行器位姿靈活、誤差不疊加、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于模塊化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn) ，因而在許多領(lǐng)域都已得到廣泛的應(yīng)用。例如：德國(guó)漢諾威、斯圖加特大學(xué)及不倫瑞克大學(xué)等已先后將并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于激光加工、機(jī)構(gòu)、普通裝配及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中。國(guó)內(nèi)一些知名大學(xué)，如清華大學(xué)、天津大學(xué)、東北大學(xué)、燕山大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等等，也正在開展并聯(lián)機(jī)械臂方面的研究工作。 實(shí)際上，并聯(lián)機(jī)械臂并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)的并聯(lián)機(jī)械臂建模問題就是并聯(lián)機(jī)械臂的正運(yùn)動(dòng)求解問題。所謂正運(yùn)動(dòng)求解，就是在已知并聯(lián)機(jī)械臂中各運(yùn)動(dòng)副的位置參數(shù)及各并聯(lián)調(diào)節(jié)器桿長(zhǎng)變化量的情況下，來計(jì)算末端執(zhí)行器（如測(cè)頭）出的空間位置坐標(biāo)。由空間機(jī)構(gòu)學(xué)理論可知并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)的位置反解比較容易，但其位置正解卻相當(dāng)復(fù)雜，到目前為止，也只能給出其數(shù)值解，且明顯存在多解現(xiàn)象。 我們通過對(duì)并聯(lián)機(jī)械臂并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)的布局結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，即將連接上下活動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)副以等邊三角形的方式進(jìn)行排列，從而使個(gè)運(yùn)動(dòng)副之間的相互關(guān)系簡(jiǎn)潔化，然后充分利用機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)約束和集合約束關(guān)系，建立由對(duì)應(yīng)機(jī)構(gòu)組成的并聯(lián)并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)的并聯(lián)機(jī)械臂模型。 2.2并聯(lián)的結(jié)構(gòu)及機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理 本文所研究的并聯(lián)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)見圖2-1[16]。由圖2.2.1可以看出，該主要由上下1個(gè)平臺(tái)和連桿組成。 從機(jī)構(gòu)的連接方式不難看出，中間連桿的運(yùn)動(dòng)是相互關(guān)聯(lián)和制約的，而不是相互分立的，因此，這種機(jī)構(gòu)屬于并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。并聯(lián)機(jī)械臂的工作原理十分簡(jiǎn)單，它是通過移動(dòng)副的調(diào)節(jié)器來控制移動(dòng)副的伸縮，使連桿長(zhǎng)度發(fā)生變化，從而使測(cè)頭移動(dòng)至測(cè)點(diǎn)位置，然后再由安裝在移動(dòng)副內(nèi)的長(zhǎng)度并聯(lián)機(jī)械臂裝置測(cè)出桿長(zhǎng)的變化量，并以此為依據(jù)，計(jì)算出測(cè)點(diǎn)處的空間坐標(biāo)。 平面兩自由度并聯(lián)機(jī)械臂如圖所示。電動(dòng)機(jī)1和2 固定在地面上。 —表示電機(jī)1的角位置。 —表示電機(jī)2的角位置。 —表示桿OP的長(zhǎng)度。 —表示桿CP的長(zhǎng)度. L—表示OC的長(zhǎng)度. 圖2.1 并聯(lián)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 2.3并聯(lián)機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu) 并聯(lián)機(jī)械手的組成及各部分關(guān)系概述： 它主要由機(jī)械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng))、控制檢測(cè)系統(tǒng)及智能系統(tǒng)組成。 (1) 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是并聯(lián)機(jī)械手完成關(guān)節(jié)工件，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)所必需 的機(jī)械部件，它包括手部、腕部、機(jī)身等。 (a) 末端執(zhí)行器：機(jī)械手為了進(jìn)行作業(yè)而配置的操作機(jī)構(gòu)，直接噴漆工件。 (b) 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變末端執(zhí)行器的工作方位。 (c) 臂部：聯(lián)接機(jī)座和手部的部分，是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管理荷重，改變手部的空間位置，滿足機(jī)械手的作業(yè)空間，將各種載荷傳遞到機(jī)座。 (d) 機(jī)身：機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，起支撐作用，是支撐手臂的部件，其作用是帶動(dòng)臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運(yùn)動(dòng)。 (2) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)其動(dòng)力的裝置。常用的有 機(jī)械傳動(dòng)、機(jī)電傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電傳動(dòng)。 (3) 控制系統(tǒng)：通過對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)生錯(cuò)誤或故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 (4) 檢測(cè)系統(tǒng)：作用是通過各種檢測(cè)裝置、傳感裝置檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)需 要反饋給控制系統(tǒng)，與設(shè)定進(jìn)行比較，以保證運(yùn)動(dòng)符合要求。 實(shí)踐證明，并聯(lián)機(jī)械手可以代替人手的繁重勞動(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和自動(dòng)化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運(yùn)和長(zhǎng)期頻繁、單調(diào)的操作，采用機(jī)械手是有效的。此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染環(huán)境條件下進(jìn)行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途[4-8]。 2.4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理 并聯(lián)機(jī)械臂并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)的控制與并聯(lián)機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-2所示： 由圖可以看出來，該并聯(lián)機(jī)械臂并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)的控制與并聯(lián)機(jī)械臂系統(tǒng)主要由三個(gè)基本單元組成，它們是：PC處理器單元，伺服電機(jī)控制單元和并聯(lián)機(jī)械臂數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)單元。PC處理單元主要完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、幾何尺寸計(jì)算和三維形體的重建等，同時(shí)還負(fù)責(zé)向其他兩個(gè)單元發(fā)送控制指令，以便協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作。伺服電機(jī)控制單元?jiǎng)t主要是依據(jù)PC計(jì)算機(jī)所發(fā)送的控制指令對(duì)三個(gè)伺服電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，從而確保他們按實(shí)際要求正常運(yùn)轉(zhuǎn)。并聯(lián)機(jī)械臂數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)單元主要用于完成對(duì)三個(gè)線性刻度尺（例如光柵尺、激光干涉儀等）輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行記數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的三個(gè)存儲(chǔ)器中，以便于PC計(jì)算機(jī)進(jìn)行讀取。 圖2.2 控制與并聯(lián)機(jī)械臂系統(tǒng)框圖 上述控制與并聯(lián)機(jī)械臂系統(tǒng)的工作原理可簡(jiǎn)述如下： 當(dāng)操作人員通過計(jì)算機(jī)鍵盤（或其他鍵控開關(guān)）向計(jì)算機(jī)發(fā)出控制命令后，PC處理器則通過I/O控制器接口向三個(gè)交流伺服電機(jī)分別發(fā)出相應(yīng)的運(yùn)行控制指令。當(dāng)三個(gè)伺服電機(jī)接受到正確的指令信息后，即驅(qū)動(dòng)各自的滾珠絲杠進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)相應(yīng)的移動(dòng)副按實(shí)際要求進(jìn)行伸縮，使測(cè)頭向目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)；同時(shí)，隨著移動(dòng)副的伸縮，與之相連的線性長(zhǎng)度記錄儀（如光柵尺等）開始輸出計(jì)數(shù)脈沖，并由三個(gè)32位的計(jì)數(shù)器分別進(jìn)行計(jì)數(shù)。若測(cè)頭移動(dòng)過程中，連桿或運(yùn)動(dòng)副出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，則驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將立即向計(jì)算機(jī)反饋信息，以便通知計(jì)算機(jī)及時(shí)調(diào)整三個(gè)伺服電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)修正測(cè)頭的運(yùn)行軌跡，從而確保測(cè)頭安全、柔性地到達(dá)并聯(lián)機(jī)械臂點(diǎn)位置。 當(dāng)測(cè)頭與被測(cè)目標(biāo)點(diǎn)接觸的一剎那，測(cè)頭的微動(dòng)開關(guān)將產(chǎn)生一觸發(fā)脈沖，并將其反饋給PC計(jì)算機(jī)作為采樣觸發(fā)信號(hào)。PC計(jì)算機(jī)接收到該采樣指令后，則向32位計(jì)數(shù)器發(fā)出讀數(shù)指令，隨后便將計(jì)數(shù)器中的三個(gè)脈沖計(jì)數(shù)值讀入處理器，經(jīng)相應(yīng)處理軟件計(jì)算后，得到該并聯(lián)機(jī)械臂點(diǎn)處的實(shí)際空間坐標(biāo)值，從而完成一次坐標(biāo)采樣過程。 2.5 并聯(lián)機(jī)械臂工作空間的分析 工作空間（Workplace）：設(shè)給定參考點(diǎn)C是動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行器的端點(diǎn)，工作空間是該端點(diǎn)在空間可以達(dá)到的所有點(diǎn)的集合。 完全工作空間（Complete workplace）：動(dòng)平臺(tái)上執(zhí)行器端點(diǎn)可從任何方向（位姿）到達(dá)的點(diǎn)的集合。 定向工作空間（Constant workplace）：動(dòng)平臺(tái)在固定位姿時(shí)執(zhí)行器端點(diǎn)可以到達(dá)的點(diǎn)的集合。 最大工作空間（Maximal workplace）：動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行器端點(diǎn)可到達(dá)的點(diǎn)的最大集合，并考慮其具體位姿。 完全工作空間和定向工作空間都是最大工作空間的子集. 另外，工作空間是并聯(lián)機(jī)械臂的重要特性，影響它的大小和形狀的因素主要有以下三個(gè)： ① 桿長(zhǎng)的限制，桿件長(zhǎng)度的變化是受到其結(jié)構(gòu)限制的，每一桿件的長(zhǎng)度必須小于最大桿長(zhǎng)，大于最小桿長(zhǎng)。 ② 轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)角的限制，各種鉸鏈，包括球鉸接和萬向鉸接的轉(zhuǎn)角都受到結(jié)構(gòu)研制的，每一鉸鏈的轉(zhuǎn)角都應(yīng)小于最大轉(zhuǎn)角。 ③ 桿件的尺寸干涉，連接動(dòng)平臺(tái)和固定平臺(tái)的桿件都具有幾何尺寸，因此各桿件之間在運(yùn)動(dòng)過程中可能發(fā)生相互干涉。設(shè)桿件是直徑為D的圓柱體，兩相鄰桿件軸線之間的距離為Di,則Di＞D。 并聯(lián)機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì)原則 1、在進(jìn)行機(jī)構(gòu)形式設(shè)計(jì)時(shí)，除了要滿足規(guī)定的運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)規(guī)律或運(yùn)動(dòng)軌跡外，還應(yīng)該遵循下面幾項(xiàng)準(zhǔn)則: （l）機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)鏈要盡可能的短。完成同樣的動(dòng)作要求，應(yīng)該優(yōu)先選用機(jī)構(gòu)構(gòu)件數(shù)和運(yùn)動(dòng)副數(shù)少的機(jī)構(gòu)，以簡(jiǎn)化其結(jié)構(gòu)從而減輕重量、降低成本、減少由于零件的制造誤差而形成的運(yùn)動(dòng)鏈的累積誤差，運(yùn)動(dòng)鏈短有利于提高機(jī)構(gòu)的剛度，減少振動(dòng)。 （2）在運(yùn)動(dòng)副的選擇上，優(yōu)先選用低副。低副機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)元素加工方便，容易保證配合的精度以及有較高的承載能力。 （3）適當(dāng)選擇原動(dòng)機(jī)，使機(jī)構(gòu)有好的動(dòng)力學(xué)性能。 2、并聯(lián)機(jī)器人的尺度設(shè)計(jì)原則 以往，我們?cè)谠O(shè)計(jì)階段為了確定機(jī)器人操作手機(jī)構(gòu)的尺寸和確定機(jī)器人操作手在工作空間內(nèi)部的位置和姿態(tài)時(shí)多數(shù)是靠經(jīng)驗(yàn)和直覺。現(xiàn)在，為了開發(fā)出高精度、高速度和高效率的并聯(lián)機(jī)器人，我們?cè)跈C(jī)構(gòu)的綜合設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到它的工作空間的體積和形狀、奇異位形、輸出的各向同性等條件。但是，在全局最優(yōu)的機(jī)構(gòu)尺度綜合設(shè)計(jì)中，顧全到上述的所有條件是十分困難的。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者提出了許多機(jī)構(gòu)綜合的標(biāo)準(zhǔn)，以便在滿足指定的設(shè)計(jì)指標(biāo)下，機(jī)構(gòu)的性能達(dá)到最優(yōu)。由于并聯(lián)機(jī)器人與串聯(lián)機(jī)器人相比，工作空間小。因此為實(shí)現(xiàn)作業(yè)要求，在設(shè)計(jì)時(shí)要先確定能夠滿足性能指標(biāo)的工作空間是至關(guān)重要的。 另外，在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中必須要考慮要避免構(gòu)型奇異。與串聯(lián)機(jī)器人不同的是，并聯(lián)機(jī)器人不僅有運(yùn)動(dòng)學(xué)奇異，還有由構(gòu)型所導(dǎo)致的構(gòu)型奇異。即奇異區(qū)域通常都擴(kuò)張到整個(gè)工作空間或一些顯著的子空間，而且是實(shí)際操作中最常用的區(qū)域。0.M給出了判定并聯(lián)機(jī)構(gòu)發(fā)生構(gòu)型奇異的條件: （l）如果動(dòng)平臺(tái)和定平臺(tái)是相似的正多邊形，則整個(gè)工作空間內(nèi)雅戈比矩陣都是奇異的; （2）如果動(dòng)平臺(tái)和定平臺(tái)是相似的非正多邊形，并且每一對(duì)相應(yīng)的頂點(diǎn)通過一條連桿相連，則雅戈比矩陣在工作空間內(nèi)的大部分區(qū)域都是奇異的。 這種設(shè)計(jì)上的奇異的存在，將使并聯(lián)機(jī)器人由于無法平衡施加在動(dòng)平臺(tái)上的負(fù)載而不能工作。在構(gòu)型奇異附近的區(qū)域，即使沒有發(fā)生構(gòu)型奇異，也有可能出現(xiàn)雅戈比矩陣條件數(shù)很大的情況，同樣會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)和力的傳遞性能變的很差，我們稱這種區(qū)域?yàn)椴B(tài)條件區(qū)域。因此，進(jìn)行并聯(lián)機(jī)構(gòu)尺度綜合設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮在滿足工作空間要求、運(yùn)動(dòng)可傳遞性的要求以及負(fù)載能力要求的情況下，要避開構(gòu)型奇異點(diǎn)及奇異點(diǎn)附近的病態(tài)區(qū)域 2.6 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 臂部部件是并聯(lián)機(jī)械手的主要部件。它的作用是支承手部，并帶動(dòng)它們做空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的:把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)(方位)關(guān)節(jié)，則臂部自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部設(shè)計(jì)基本要求: （1）臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕 臂部通常即受彎曲(而且不僅是一個(gè)方向的彎曲)，也受扭轉(zhuǎn)，應(yīng)選用彎和抗扭剛度較高的截面形狀。很明顯，在截面積和單位重量基本相同的情況下，鋼管、工 字鋼和槽鋼的慣性矩要比圓鋼大得多。所以，并聯(lián)機(jī)械手常采用無縫鋼管作為導(dǎo)向桿，用工字鋼（如圖4.1和4.2所示）或槽鋼作為支撐鋼，這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內(nèi)部還可以布置驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置以及管道，這樣就使結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊。 （2)臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小 在一般情況下，手臂的要求勻速運(yùn)動(dòng)，但在手臂的啟動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊，要求啟動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前減速度不能太大，否則引起沖擊和振動(dòng)。 為減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，應(yīng)采取以下措施: (a) 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料; (b) 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸 (c) 減少回轉(zhuǎn)半徑 (d) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置 (3)手臂動(dòng)作應(yīng)靈活。 為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。 (4)位置精度要高。 一般來說，直角和圓柱坐標(biāo)系并聯(lián)機(jī)械手位置精度高;關(guān)節(jié)式并聯(lián)機(jī)械手的位置最難控制，故精度差;在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測(cè)機(jī)構(gòu)，能較好的控制位置精度。 本文采用鋁合金材料設(shè)計(jì)成薄壁件，一方面保證機(jī)械臂的剛度，另一方面可減小機(jī)械臂的重量，減小基座關(guān)節(jié)電機(jī)的載荷，并且提高了機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。砂型鑄造鑄件最小壁厚的設(shè)計(jì)。最小壁厚：每種鑄造合金都有其適宜的壁厚，不同鑄造合金所能澆注出鑄件的“最小壁厚”也不相同，主要取決于合金的種類和鑄件的大小，見表4.1所示： 鑄件尺寸 鑄鋼 灰鑄鐵 球墨鑄鐵 可鍛鑄鐵 鋁合金 銅合金 ＜200×200 200×200~500×500 ＞500×500 5~8 10~12 15~20 3~5 4~10 10~15 4~6 8~12 12~20 3~5 6~8 — 3~3.5 4~6 — 3~5 6~8 — 表4.1 砂型鑄造鑄件最小壁厚計(jì)（mm） 以上介紹的只是砂型鑄造鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在特種鑄造方法中，應(yīng)根據(jù)每種不同的鑄造方法及其特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文機(jī)械臂殼體采用鑄造鋁合金。具體尺寸見總裝配圖。 3 并聯(lián)機(jī)械臂電動(dòng)機(jī)的選型 3.1電機(jī)的分類 1．按工作電源分類根據(jù)電動(dòng)機(jī)工作電源的不同，可分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)。其中交流電動(dòng)機(jī)還分為單相電動(dòng)機(jī)和三相電動(dòng)機(jī)。 2．按結(jié)構(gòu)及工作原理分類電動(dòng)機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)。 同步電動(dòng)機(jī)還可分為永磁同步電動(dòng)機(jī)、磁阻同步電動(dòng)機(jī)和磁滯同電動(dòng)機(jī)。 異步電動(dòng)機(jī)可分為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和交流換向器電動(dòng)機(jī)。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)又分為三相異步電動(dòng)機(jī)、單相異步電動(dòng)機(jī)和罩極異步電動(dòng)機(jī)。交流換向器電動(dòng)機(jī)又分為單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)、交直流兩用電動(dòng)機(jī)和推斥電動(dòng)機(jī)。 直流電動(dòng)機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為無刷直流電動(dòng)機(jī)和有刷直流電動(dòng)機(jī)。有刷直流電動(dòng)機(jī)可分為永磁直流電動(dòng)機(jī)和電磁直流電動(dòng)機(jī)。電磁直流電動(dòng)機(jī)又分為串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)和復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。永磁直流電動(dòng)機(jī)又分為稀土永磁直流電動(dòng)機(jī)、鐵氧體永磁直流電動(dòng)機(jī)和鋁鎳鈷永磁直流電動(dòng)機(jī)。 3．按起動(dòng)與運(yùn)行方式分類電動(dòng)機(jī)按起動(dòng)與運(yùn)行方式可分為電容起動(dòng)式電動(dòng)機(jī)、電容盍式電動(dòng)機(jī)、電容起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)和分相式電動(dòng)機(jī)。 4．按用途分類電動(dòng)機(jī)按用途可分為驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)和控制用電動(dòng)機(jī)。 驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)又分為電動(dòng)工具（包括鉆孔、拋光、磨光、開槽、切割、擴(kuò)孔等工具）用電動(dòng)機(jī)、家電（包括洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、電冰箱、空調(diào)器、錄音機(jī)、錄像機(jī)、影碟機(jī)、吸塵器、照相機(jī)、電吹風(fēng)、電動(dòng)剃須刀等）用電動(dòng)機(jī)及其它通用小型機(jī)械設(shè)備（包括各種小型、小型機(jī)械、醫(yī)療器械、電子儀器等）用電動(dòng)機(jī)。 控制用電動(dòng)機(jī)又分為電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)等。 5．按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分類電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)可分為籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（舊標(biāo)準(zhǔn)稱為鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)）和繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（舊標(biāo)準(zhǔn)稱為繞線型異步電動(dòng)機(jī)）。 6．按運(yùn)轉(zhuǎn)速度分類電動(dòng)機(jī)按運(yùn)轉(zhuǎn)速度可分為高速電動(dòng)機(jī)、低速電動(dòng)機(jī)、恒速電動(dòng)機(jī)、調(diào)速電動(dòng)機(jī)。 低速電動(dòng)機(jī)又分為齒輪減速電動(dòng)機(jī)、電磁減速電動(dòng)機(jī)、力矩電動(dòng)機(jī)和爪極同步電動(dòng)機(jī)等。 調(diào)速電動(dòng)機(jī)除可分為有級(jí)恒速電動(dòng)機(jī)、無級(jí)恒速電動(dòng)機(jī)、有級(jí)變速電動(dòng)機(jī)和無極變速電動(dòng)機(jī)外，還可分為電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)、直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)、PWM變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)和開關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)。 3.2選擇步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算 機(jī)構(gòu)工作時(shí)，需要克服摩擦阻力矩、工件負(fù)載阻力矩和啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩。 根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式[15]： （3.1） （3.2） （3.3） （3.4） （3.5） （3.6） （3.7） （3.8） 式中： —偏轉(zhuǎn)所需力矩（N·m）； —摩擦阻力矩（N·m）； —負(fù)載阻力矩（N·m）； —啟動(dòng)時(shí)慣性阻力矩（N·m）； —工件負(fù)載對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）； —對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）； —偏轉(zhuǎn)角速度（rad/s）； —質(zhì)量（kg）； —負(fù)載質(zhì)量（kg）； —啟動(dòng)時(shí)間（s）； —部分材料密度（kg/m3）； —末端的線速度（m/s）。 根據(jù)已知條件：kg，m/s，m，m，m，s，采用的材料假定為鑄鋼，密度kg/m3。 將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得： kg r/s kg·m2 kg·m2 N·m N·m N·m 因?yàn)閭鲃?dòng)是通過減速器實(shí)現(xiàn)的，所以查取手冊(cè)[15]得： 彈性聯(lián)軸器傳動(dòng)效率； 滾動(dòng)軸承傳動(dòng)效率（一對(duì)）； 減速器傳動(dòng)效率； 計(jì)算得傳動(dòng)的裝置的總效率。 電機(jī)在工作中實(shí)際要求轉(zhuǎn)矩 N·m （3.9） 根據(jù)計(jì)算得出的所需力矩，結(jié)合北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的90系列的五相混合型步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)和矩頻特性曲線，如圖3.3和圖3.4所示,選擇90BYG5200B-SAKRML-0301型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)。 圖3.1 90BYG步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù) 圖3.2 90BYG5200B-SAKRML-0301型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線 4 并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)并聯(lián)機(jī)械臂空間分析 并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)的并聯(lián)機(jī)械臂空間，實(shí)質(zhì)上就是測(cè)頭的工作空間。該空間是指在滿足機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)約束和幾何約束的條件下，并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)測(cè)頭所能達(dá)到的空間點(diǎn)的所有點(diǎn)集。這些點(diǎn)集可構(gòu)成一個(gè)體積，該體積的邊界曲面就是測(cè)頭工作空間的邊界。 4.1并聯(lián)機(jī)械臂并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束 基本上，并聯(lián)的物理約束有三個(gè)，他們是：連桿桿長(zhǎng)約束，運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)角約束和連桿桿間干涉。不同于通過限制轉(zhuǎn)動(dòng)副來限制有效自由度，本節(jié)討論的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束主要是限制運(yùn)動(dòng)范圍。 4.1.1 連桿桿長(zhǎng)約束 連桿在運(yùn)動(dòng)過程中，其桿長(zhǎng)必須滿足條件： (i=1,2,3) 在上式中l(wèi)min和lmax分別表示連桿的最小桿長(zhǎng)和最大桿長(zhǎng)。 4.1.2 運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)角約束 同樣，在并聯(lián)工作過程中，必須滿足條件： 0αiαmax (i=1,2,3) 在上式中αmax代表球面副的最大圓錐擺角，αi為基座平面的法向量m與第i條連桿桿長(zhǎng)向量li之間的夾角(圖4.1)?？梢员硎境桑? =cos 圖4.1 運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)角約束 上式中， l==(b-p) (i=1,2,3), m==(p-p)(p-p). 4.1.3 連桿桿間干涉 由于3個(gè)并聯(lián)連桿與基座之間的連接關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動(dòng)副，三個(gè)連桿只能在各自的約束平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，因而不會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。 4.2 確定并聯(lián)機(jī)械臂空間的基本方法 為了描述并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)測(cè)頭的工作空間，可取若干個(gè)適當(dāng)?shù)钠叫衅矫孀鳛楣ぷ骺臻g的剖面。這些平面與工作空間的交即是工作空間在這些剖面上的邊界曲線。若取一系列這樣的剖面，就可得到一系列的邊界曲線。這些邊界曲線的集合就可構(gòu)成一個(gè)完整的工作空間邊界 例如，取一平行于XOBY的平面X1ZjY1作為工作空間的剖面(如圖4.2所示)，該平面距坐標(biāo)原點(diǎn)OB的距離Zj(Zmin Zmax)。然后，在該平面上取一極角φi，作一極線ρ那么極線ρ與邊界曲線的交點(diǎn)ρi即為測(cè)頭在該極線上所能達(dá)到的最遠(yuǎn)點(diǎn)。因此，只要能在此極線上找到ρi，即可算出該邊界點(diǎn)在坐標(biāo)系OB-XYZ中的空間坐標(biāo)，即(ρicosφi，ρi sinφi，Z)。 圖4.2 量空間剖面選取及邊界曲線的確定 由此可以看出，通過上述方法處理后，即可將工作空間邊界點(diǎn)的計(jì)算問題轉(zhuǎn)化為對(duì)ρi的一維搜索問題。當(dāng)求得一個(gè)邊界點(diǎn)后，令極線的極角增加Δφ，再按上述方法搜索出另一個(gè)邊界點(diǎn)。當(dāng)極角φi由0°開始增加到360°時(shí)，就可得到該剖面上完整的邊界曲線。作完一個(gè)剖面后，增加Zj，再重復(fù)同樣方法，直到Zj由Zmin變化到Zmax為止，這樣就可求出并聯(lián)機(jī)械臂的整個(gè)工作空間邊界。 平面兩自由度并聯(lián)機(jī)械臂如圖所示。電動(dòng)機(jī)1和2 固定在地面上。 —表示電機(jī)1的角位置。 —表示電機(jī)2的角位置。 —表示桿OP的長(zhǎng)度。 —表示桿CP的長(zhǎng)度. L—表示OC的長(zhǎng)度. 4.2.1 編輯草圖實(shí)體 一般通過 “繪制草圖實(shí)體”，我們只能得到一些相對(duì)簡(jiǎn)單的草圖形狀，如果需要繪制復(fù)雜的草圖，這時(shí)就需要通過“草圖編輯工具”，比如剪裁實(shí)體、鏡向?qū)嶓w、等距實(shí)體、轉(zhuǎn)換實(shí)體引用、線性草圖陣列和圓周草圖陣列等工具來修改我們那個(gè)大概的草圖。 當(dāng)然了，你也可以覺得自己牛，不用這些工具，直接用“繪制草圖實(shí)體”里的那些工具來繪制復(fù)雜的草圖，但是效率肯定就低多了?！熬庉嫴輬D實(shí)體”這個(gè)過程之所以存在，就是為了提高您繪圖的效率?！熬庉嫴輬D實(shí)體”最常用的八種工具如下所示： 【剪裁實(shí)體】（★★★★★）：這個(gè)工具的使用頻率是很高的，當(dāng)你點(diǎn)擊該工具時(shí)，屏幕左側(cè)的“選項(xiàng)”里有五個(gè)選項(xiàng)，最常用的是“剪裁到最近端”選項(xiàng)。只要在你想刪除的一段線條上單擊即可。 【鏡向?qū)嶓w】（★★★★）：該工具可以沿中心線鏡像草圖實(shí)體。生成的鏡像實(shí)體與原實(shí)體之間系統(tǒng)已經(jīng)自動(dòng)添加了“對(duì)稱”的幾何關(guān)系。如果改變?cè)瓕?shí)體，則其鏡像實(shí)體也將隨之改變。使用【鏡向?qū)嶓w】時(shí)，必須用【中心線】工具繪制一條中心線作為對(duì)稱軸。 【繪制圓角】（★★★★）和【繪制倒角】（★★★）：這兩個(gè)工具的使用就不需要我廢話了吧。 【轉(zhuǎn)換實(shí)體引用】（★★★）：它可以將其它草圖中的線條或?qū)嶓w邊線轉(zhuǎn)換成當(dāng)前草圖上的實(shí)線。轉(zhuǎn)換過來的實(shí)線不需要添加幾何關(guān)系，也不需要標(biāo)注尺寸，其形狀會(huì)隨被轉(zhuǎn)換的實(shí)體元素的改變而改變。 【等距實(shí)體】（★★★）：它可以在距草圖實(shí)體相等距離的位置上生成一個(gè)與草圖實(shí)體相同形狀的草圖。在生成等距實(shí)體時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)在每個(gè)原始實(shí)體和相對(duì)應(yīng)的等距實(shí)體之間建立幾何關(guān)系，如果原始實(shí)體改變，則等距實(shí)體生成的曲線會(huì)隨之改變。 【線性草圖陣列】（★★★）：它可以大批量的以線性方式繪制某一草圖實(shí)體。需要設(shè)置兩個(gè)相互垂直方向上相鄰兩個(gè)實(shí)體之間的距離、兩個(gè)相互垂直方向上實(shí)體的個(gè)數(shù)和你所要陣列的草圖實(shí)體。 【圓周草圖陣列】（★★★）：它是大批量的以圓周方式繪制某一草圖實(shí)體。需要你設(shè)置這個(gè)圓周的圓心、需要陣列草圖實(shí)體的個(gè)數(shù)和你所要陣列的草圖實(shí)體。 4.2.2 添加幾何關(guān)系 使用幾何關(guān)系可以很容易地控制圖形相互間的關(guān)聯(lián)性，是當(dāng)前參數(shù)化的CAD軟件一個(gè)非常重要的功能。添加幾何關(guān)系的步驟如下： （1） 首先單擊【添加幾何關(guān)系】按鈕。 （2） 在【所選實(shí)體】列表框中，從繪圖區(qū)選取要添加幾何關(guān)系的幾何元素。 （3） 在【添加幾何關(guān)系】選項(xiàng)組中選取需要添加的幾何關(guān)系類型，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)選取的幾何元素自動(dòng)判別可供添加的幾何關(guān)系?！粳F(xiàn)有幾何關(guān)系】列表框用于顯示所選草圖實(shí)體現(xiàn)存的幾何關(guān)系。 常見的一些幾何關(guān)系如表3-1所示： 表3-1 各種幾何關(guān)系的使用方法 幾何關(guān)系 要選擇的實(shí)體 所產(chǎn)生的效果 水平或豎直 一條或多條直線，兩個(gè)或多個(gè)點(diǎn) 直線會(huì)變成水平或豎直，點(diǎn)會(huì)在水平或豎直方向上對(duì)齊 共線 兩條或多條直線 實(shí)體位于同一條直線上 全等 兩個(gè)或多個(gè)圓弧 實(shí)體的圓心相同和半徑相等 垂直 兩條直線 兩條直線互相垂直 平行 兩條或多條直線 直線保持平行 相切 圓弧、橢圓和樣條曲線，直線和圓弧，直線和曲面 兩個(gè)實(shí)體保持相切 同心 兩個(gè)或多個(gè)圓弧，一個(gè)點(diǎn)和一個(gè)圓弧 實(shí)體的圓心相同 中點(diǎn) 一個(gè)點(diǎn)和一條直線 使點(diǎn)位于直線段的中點(diǎn) 交叉 一個(gè)點(diǎn)和兩條直線 使點(diǎn)位于兩直線的交點(diǎn) 重合 一個(gè)點(diǎn)和一條直線、圓弧或橢圓 使點(diǎn)位于直線、圓弧或橢圓上 相等 兩條或多條直線，兩個(gè)或多個(gè)圓弧 使直線段長(zhǎng)度或圓弧半徑相等 對(duì)稱 一條中心線和兩個(gè)點(diǎn)、直線、圓弧和橢圓 實(shí)體會(huì)保持與中心線等距離，并位于與中心線垂直的一條直線上 固定 任何實(shí)體 實(shí)體的大小和位置固定 穿透 一個(gè)草圖點(diǎn)和一個(gè)基準(zhǔn)軸、邊線、直線或樣條曲線 草圖點(diǎn)與基準(zhǔn)軸、邊線或曲線在草圖基準(zhǔn)面上穿透的位置重合 一般草圖并不是每個(gè)幾何關(guān)系都需要我們自己去添加，否則一個(gè)很復(fù)雜的草圖，如果里面每條直線都需要添加“豎直”或者“水平”的幾何關(guān)系，這個(gè)工作量都是非常巨大的。因此Solidworks很人性化地幫我們自動(dòng)添加了大部分草圖實(shí)體之間的幾何關(guān)系。 4.3 各個(gè)零件的三維建模 電機(jī) 滑塊 滑動(dòng)桿 連接塊 總裝配圖 總 結(jié) 本文著重介紹了虛擬環(huán)境下并聯(lián)并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)的運(yùn)動(dòng)建模和仿真。首先說明一下本文研究?jī)?nèi)容所涉及到的學(xué)術(shù)背景，并闡述了“虛擬樣機(jī)”等名詞的內(nèi)涵；接下來詳細(xì)討論了并聯(lián)并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)虛擬樣機(jī)的幾何模型. 參 考 文 獻(xiàn) [1] John A. Bosch. Coordinate Measuring Machines and Systems. New York: Marcel Dekker Inc. 1995,1-38 [2] 張國(guó)雄.三并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)[M].天津：天津大學(xué)出版社，1999. [3] 張國(guó)雄.三并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2000，11(1-2): 222-226. [4] 葉東，黃慶成，車仁生.多關(guān)節(jié)并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)的誤差模型[J].光學(xué)精密工程，1999， [8] 中村哲夫.三并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)并聯(lián)機(jī)械臂誤差的評(píng)價(jià)方法[J].國(guó)外計(jì)量. 1994,2: 8-13. [9] 林璨.三并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)的精度檢定與位置誤差補(bǔ)償[J].現(xiàn)代計(jì)量測(cè)試. 1995,2: 21-24. [10] Oiwa Takaaki. Journal of the Japan Society for Precision Engineering, 1998,64(12):1791 [11] Oiwa Takaaki, et al. Journal of the Japan Society for Precision Engineering, 1999,65(2):288 [12] K. Takamasu and M. Hiraki. Journal of the Japan Society for Precision Engineering, 1997,63(12):1676 [13] 劉得軍，車仁生，羅小川.并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)新發(fā)展——并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)械臂機(jī)[J].光學(xué)精密工程，2000，8(5):497-498. [14] Huang T，et al. 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