軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

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1、XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告學(xué)號學(xué)生姓名系部專業(yè)年級指導(dǎo)教師職稱設(shè)計（論文）題目軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真本課題國內(nèi)外研究背景及意義：本課題國內(nèi)外研究背景及意義：國外發(fā)展?fàn)顩r及研究背景：國外發(fā)展?fàn)顩r及研究背景：機(jī)器人的歷史并不算長，1959 年美國英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺工業(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)動機(jī)構(gòu)如何才能更好地跟蹤控制信號的理論。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。 1954 年 , 德沃爾又獲得可編程機(jī)

2、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，因為是用重型機(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)手制造出第一臺工業(yè)機(jī)器人。 它成為世界上第一臺真正的實用工業(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”。 他們因此被稱為機(jī)器人之父。 1962 年美國機(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”?！庇饶崦诽亍焙汀拔譅査_特蘭”就成為世

3、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)歷了三個成長階段，也即三個時代。第一代為簡單個體機(jī)器人， 第二代為群體勞動機(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I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，一步步完成它應(yīng)當(dāng)完成的各個動作 。20 世紀(jì) 70 年代，

4、第二代機(jī)器人開始有了較大發(fā)展，第二代機(jī)器人則對外界環(huán)境實用階段，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，機(jī)器人能夠用自然語言與人對話。 智能機(jī)器人在發(fā)生故障時，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)

5、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。國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r及研究背景：國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r及研究背景：我國的工業(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)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)

6、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 多臺套噴漆機(jī)器人在 20 多家企業(yè)的近條自動噴漆生產(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臺左右，其中國產(chǎn)占 20，其余都是從日本、美國、瑞典等 40 多個國家引進(jìn)的。2000 年已生產(chǎn)各種類型工業(yè)機(jī)器人和系統(tǒng) 300 臺套，機(jī)器人銷售額6.74 億元，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對國民經(jīng)濟(jì)的年收益額為 47 億元。據(jù)專家對國內(nèi) 542 家用戶以及汽車、電子電器、工程機(jī)械個行業(yè)的部分用戶進(jìn)行統(tǒng)計分析，就全國而言，弧焊、點(diǎn)焊、裝配、噴涂機(jī)器

7、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臺，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：本課題的意義：移動機(jī)器人作為機(jī)器人學(xué)發(fā)展中的一個重要分支，是一個集環(huán)境感知、動態(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)，移動機(jī)器人具有移動功能，在代替人從事危險、惡劣(如輻射、有毒等)環(huán)境

8、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，可實現(xiàn)機(jī)械臂的直線伸縮，或在 X-Y 平面移動，或在 X-Y-Z 空間定位等功能，以滿足不同場合下的需要。畢業(yè)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計(論文論文)研究內(nèi)容、擬解決的主要問題：研究內(nèi)容、擬解決的主要問題：本課題研究的內(nèi)容：本課題研究的內(nèi)容：（1）查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，了解目前輪式移動機(jī)器人及機(jī)械臂的研究現(xiàn)狀與動態(tài)。給出可滿足設(shè)計要求的方案（兩種以上）比較，論證每個方案的可行性、實用性和有效性，確定一個最佳

9、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)和動態(tài)時的受力情況。給出相關(guān)參數(shù)之間的計算公式；（4）對機(jī)械臂的工作原理與參數(shù)設(shè)計進(jìn)行相關(guān)的計算機(jī)仿真，驗證其合理性；III（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等相關(guān)說明。本課題擬解決的主要問題：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，本課題擬定為絲杠傳動，如下圖 1 為絲杠傳動示意圖，它的 X-Y-Z 組合

10、效果如圖 2所示。圖 1圖 2一維機(jī)械臂由步進(jìn)電機(jī)帶動絲杠轉(zhuǎn)動，滑塊即可在絲杠帶動下沿滑座移動，在 X/Y/Z 三個方向分別布置一個一維機(jī)械臂，即構(gòu)成了三維機(jī)械臂，可實現(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)字化控制下能實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，因此，本傳動方案更便于控制，相對于液壓傳動，氣壓傳動，本傳動方案結(jié)構(gòu)簡單，行程更大，因此，本傳動方案是一種較理想的傳動方案。畢業(yè)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計(論文論文)研究方法、步驟及措施：研究方法、步驟及措施：研究方法研究方法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)知識為基礎(chǔ)，建立合理的力學(xué)模型。1.2重視總體的傳動原理分析 采用合理的傳動原理圖。

11、1.3采用局部整體局部的分析方法 每個系統(tǒng)都有自己單獨(dú)的功能，只有它們都能完成自己的功能時，才有可能整體的功能;在各個系統(tǒng)形成一個有機(jī)的整體時，整體就要發(fā)揮它的優(yōu)勢，調(diào)配各個系統(tǒng)，使各個系統(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)計及各子項目內(nèi)容；查閱、收集和閱讀相關(guān)資料；明確設(shè)計方向，確定設(shè)計內(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)計方案，完成設(shè)計草圖。第四周 步進(jìn)電機(jī)選型及關(guān)鍵零配件設(shè)計計算。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

12、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)計說明書第十二周 編寫設(shè)計說明書第十三周 編寫設(shè)計計算說明書，形成畢業(yè)設(shè)計全部文件，準(zhǔn)備答辯。第十四周 畢業(yè)答辯措施：V做好畢業(yè)設(shè)計，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算機(jī)的輔助設(shè)計，所以需要經(jīng)常去圖書館和機(jī)房查閱資料?？傮w思路如下：根據(jù)畢業(yè)設(shè)計題目，結(jié)合老師指導(dǎo)對調(diào)研對象進(jìn)行初步分析；參考資料，了解調(diào)研過程，根據(jù)具體要求對研究方案進(jìn)行構(gòu)思；設(shè)計并畫出設(shè)計的機(jī)械部分視圖；對方案進(jìn)行進(jìn)一步針對性修改，以增加其直觀性、可行性和實用性；主要參考文獻(xiàn)：主要參考文獻(xiàn)：1常見的幾類工業(yè)機(jī)器人J

13、. 軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品, 2012.10:11.2中國工業(yè)機(jī)器人:在機(jī)遇與挑戰(zhàn)中成長J. 軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品,2012.10:12-14. 3顧碩. 智能化是工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展方向J.自動化博覽 2012.09: 82-85.4徐揚(yáng)生, 閻鏡予. 機(jī)器人技術(shù)的新進(jìn)展J.集成技術(shù)2012年.01期, 2012-05: 2-5.5孫亭,李成剛,吳洪濤. 通用工業(yè)機(jī)器人模型及其簡易控制系統(tǒng)設(shè)計J. 中國制造業(yè)信 息化 2012.09: 63-65.6胡峰,駱德淵,雷霆,柯輝. 基于 Simulink/SimMechanics 的三自由度并聯(lián)機(jī)器人控制系 統(tǒng)仿真J.自動化與儀器儀表, 2012 年.05

14、 期: 221-2237趙紅順.基于PLC 的氣動搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計J.機(jī)床電器, 2011(4):36-38.8肖南峰,工業(yè)機(jī)器人M,北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011.9陳忠平,周少華,侯玉寶.PLC 自學(xué)手冊M. 北京:人民郵電出版社,2009.10李艷杰,于艷秋,王衛(wèi)紅.S7-200PLC 原理與實用開發(fā)指南M. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.11張毅，羅元，鄭太雄等移動機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用M北京：電子工業(yè)出版社，2007.12高國富,謝少榮,羅均,機(jī)器人傳感器及其應(yīng)用M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2005.13尹志強(qiáng)主編. 機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計指導(dǎo)書M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，200

15、7.14王鴻鈺步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)入門M上海：同濟(jì)大學(xué)山版社，1999.15劉寶延，程樹康步進(jìn)電動機(jī)及其驅(qū)動控制系統(tǒng)M哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版杜，1997.16邸敏艷.電機(jī)與控制(第 2 版) M. 北京:電子工業(yè)出版社,2007.17傳感器與執(zhí)行器大全:傳感器變送器執(zhí)行器 2009/2010(年卷)M. 中國電子學(xué)會敏感技術(shù)分會,北京電子商會傳感器分會,北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011. 18閆超勤智能移動機(jī)械臂的控制研究D,碩士學(xué)位論文,西安電子科技大學(xué)，200519張紅娟.縮放式機(jī)械臂的設(shè)計與運(yùn)動控制D,碩士學(xué)位論文,上海大學(xué),2005.20滕鵬.新型單臂護(hù)理機(jī)器人機(jī)型設(shè)計與控制D.碩士學(xué)位

16、論文,江蘇大學(xué),2006.是否可以進(jìn)入設(shè)計（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（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 日畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書第 1 頁VII 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：小型輪移組合臂機(jī)器人設(shè)計-（7）軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真畢業(yè)設(shè)計（論文）要求及原始數(shù)據(jù)（資料）畢業(yè)設(shè)計（論文）要求及原始數(shù)據(jù)（資料）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，可實現(xiàn)機(jī)械臂的直線伸縮，或在 X-Y 平面移動，或在 X-Y-Z 空間定位等功能，以滿足不同場合下的需要。一種可參考的直

17、線機(jī)械臂結(jié)構(gòu)圖如圖 1-5 所示，它的一種 X-Y-Z 組合效果如圖 1-6 所示。具體要求：（1）按照原理及所給示意圖要求，設(shè)計相關(guān)的機(jī)械裝置。對涉及到的步進(jìn)電機(jī)、限位開關(guān)、壓力傳感器等輔助部件要留有合理的安裝空間；（2）機(jī)械臂的運(yùn)動速度最高速度不小大于 30cm/s, 機(jī)械臂的最大末端載荷不大于 5kg，機(jī)械臂的長度不超過 60cm。以此作為機(jī)械裝置的尺寸和材質(zhì)的設(shè)計依據(jù)；（3）給出相關(guān)參數(shù)之間的計算公式；（4）完成機(jī)械臂的機(jī)械原理設(shè)計，通過相關(guān)軟件進(jìn)行仿真驗證；（5）完成相關(guān)機(jī)械圖紙的繪制，加工圖與組裝圖及其流程步驟說明。畢業(yè)設(shè)計（論文）主要內(nèi)容：畢業(yè)設(shè)計（論文）主要內(nèi)容：（1）查閱相關(guān)

18、文獻(xiàn)資料，了解目前輪式移動機(jī)器人及機(jī)械臂的研究現(xiàn)狀與動態(tài)。給出可滿足設(shè)計要求的方案（兩種以上）比較，論證每個方案的可行性、實用性和有效性，確定一個最佳方案；（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)和動態(tài)時的受力情況。給出相關(guān)參數(shù)之間的計算公式；（4）對機(jī)械臂的工作原理與參數(shù)設(shè)計進(jìn)行相關(guān)的計算機(jī)仿真，驗證其合理性；（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等相關(guān)說明。學(xué)生應(yīng)提交的設(shè)計文件（論文）：學(xué)生應(yīng)提交的設(shè)計文件（論文）：（1）總體機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖；（2）各機(jī)械部

19、件圖及其加工制作圖；（3）各部件的的安裝調(diào)試及安全注意事項等相關(guān)說明；（4）畢業(yè)設(shè)計學(xué)位論文；（5）結(jié)合本課題查閱并翻譯 50008000 個印刷符號的英文資料。注：注：該設(shè)計為小型輪移組合臂機(jī)器人設(shè)計小型輪移組合臂機(jī)器人設(shè)計中的子項之一，須考慮項目整體的協(xié)作配合。在設(shè)計過程中，需相互溝通，充分了解和獲取其他成員的參數(shù)信息、設(shè)計思路和目標(biāo)，作為本設(shè)計的參考依據(jù)，同時為其他成員提供所需的信息幫組。IX第 2 頁主要參考文獻(xiàn)（資料）：主要參考文獻(xiàn)（資料）：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, 2012.10:11.2中國工業(yè)機(jī)器人:在機(jī)遇與挑戰(zhàn)中成長J. 軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品,2012.

20、10:12-14. 3顧碩. 智能化是工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展方向J.自動化博覽 2012.09: 82-85.4徐揚(yáng)生, 閻鏡予. 機(jī)器人技術(shù)的新進(jìn)展J.集成技術(shù)2012年.01期, 2012-05: 2-5.5孫亭,李成剛,吳洪濤. 通用工業(yè)機(jī)器人模型及其簡易控制系統(tǒng)設(shè)計J. 中國制造業(yè)信 息化 2012.09: 63-65.6胡峰,駱德淵,雷霆,柯輝. 基于 Simulink/SimMechanics 的三自由度并聯(lián)機(jī)器人控制系 統(tǒng)仿真J.自動化與儀器儀表, 2012 年.05 期: 221-223.7沈陽.PLC在工業(yè)機(jī)器人中的應(yīng)用研究J.工業(yè)控制計算機(jī),2010,23(9):95-96.8趙

21、紅順.基于PLC 的氣動搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計J.機(jī)床電器, 2011(4):36-38.9肖南峰,工業(yè)機(jī)器人M,北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011.10何衍慶.常用 PLC 應(yīng)用手冊M. 北京:電子工業(yè)出版社,2008.11陳忠平,周少華,侯玉寶.PLC 自學(xué)手冊M. 北京:人民郵電出版社,2009.12李艷杰,于艷秋,王衛(wèi)紅.S7-200PLC 原理與實用開發(fā)指南M. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.13張毅，羅元，鄭太雄等移動機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用M北京：電子工業(yè)出版社，2007.14高國富,謝少榮,羅均,機(jī)器人傳感器及其應(yīng)用M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2005.15尹志強(qiáng)主編. 機(jī)電一體化系統(tǒng)

22、課程設(shè)計指導(dǎo)書M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.16王鴻鈺步進(jìn)電機(jī)控制技術(shù)入門M上海：同濟(jì)大學(xué)山版社，1999.17劉寶延，程樹康步進(jìn)電動機(jī)及其驅(qū)動控制系統(tǒng)M哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版杜，1997.18邸敏艷.電機(jī)與控制(第 2 版) M. 北京:電子工業(yè)出版社,2007.19傳感器與執(zhí)行器大全:傳感器變送器執(zhí)行器 2009/2010(年卷)M. 中國電子學(xué)會敏感技術(shù)分會,北京電子商會傳感器分會,北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011. 20閆超勤智能移動機(jī)械臂的控制研究D,碩士學(xué)位論文,西安電子科技大學(xué)，200521張紅娟.縮放式機(jī)械臂的設(shè)計與運(yùn)動控制D,碩士學(xué)位論文,上海大學(xué),2005.22滕

23、鵬.新型單臂護(hù)理機(jī)器人機(jī)型設(shè)計與控制D.碩士學(xué)位論文,江蘇大學(xué),2006.專 業(yè)、 班 級 學(xué)生姓名 設(shè)計（論文）工作起止日期 2013.1.156.24 指 導(dǎo) 教 師 簽字 日期 教 研 室 主 任 簽 字 日期 第 3 頁XI摘 要移動機(jī)器人作為機(jī)器人學(xué)發(fā)展中的一個重要分支，是一個集環(huán)境感知、動態(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，可實現(xiàn)機(jī)械臂的直線伸縮，或在 X-Y 平面移動，或在 X-Y-Z 空間定位等功能，以滿足不同場合下的需要。本文針對移動機(jī)器人組合式機(jī)械臂進(jìn)行

24、設(shè)計，首先進(jìn)行總體的設(shè)計方案，擬定螺旋傳動副為一維機(jī)械臂傳動方案，對方案進(jìn)行特點(diǎn)分析，然后針對關(guān)鍵傳動件設(shè)計，選擇電動機(jī)，對重要零件進(jìn)行強(qiáng)度校核，對軸和軸承的壽命進(jìn)行計算校核，最后對重要零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，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，移動機(jī)器人，X-Y 平面XIIAbstractMobile robot is an important branch of robotics development, is a comprehensive system including environment detecting,

25、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

26、 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 mechani

27、cal 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, struc

28、ture, and meet the demand for cooperating with other parts etc.Key Words: One-dimensional mechanical arm, mechanical arm, mobile robot, X-Y planeXIII目 錄摘摘 要要.IABSTRACT.II目目 錄錄.III第第 1 章章 緒論緒論.11.1 常見電池型號及尺寸.11.2 機(jī)構(gòu).21.3 包裝機(jī)的作用.21.4 中國包裝機(jī)械的發(fā)展.31.5 本課題研究目的和要求.4第第 2 章章 整體方案設(shè)計整體方案設(shè)計.52.1 設(shè)計參數(shù)與技術(shù)要求.52.2

29、電池包裝機(jī)的傳動原理.5第第 3 章章 傳動設(shè)計與計算傳動設(shè)計與計算.73.1 電動推桿設(shè)計計算.73.1.1 伺服電機(jī)的選擇.73.1.2 滑動螺旋副的計算.103.1.3 聯(lián)軸器的選用.133.2 膠輥設(shè)計.143.2.1 微型電機(jī)選擇.143.2.2 微型皮帶輪傳動設(shè)計.15第第 4 章章 主要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計主要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計.174.1 機(jī)架設(shè)計.174.1.1 機(jī)架設(shè)計準(zhǔn)則.174.1.2 機(jī)座主體設(shè)計.18XIV4.2 包裝袋托架設(shè)計.184.3 集料槽設(shè)計.194.4 軸承選擇與校核.204.4.1 軸承校核的概念及方法.204.4.2 電動推桿處軸承校核.21第第 5 章章 安

30、裝檢驗及使用維修安裝檢驗及使用維修.225.1 檢驗規(guī)則.225.2 包裝機(jī)安裝.225.3 設(shè)備調(diào)整.225.4 使用操作.225.5 維修保養(yǎng)和故障排除.22總結(jié)總結(jié).23參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).24致致 謝謝.25晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）0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，1959 年美國英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺工業(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)動機(jī)構(gòu)如何才能更好地跟蹤控制信號的理論。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。 1954 年 , 德沃爾又獲得可編程機(jī)械手專利，這種機(jī)械手

31、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，因為是用重型機(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)手制造出第一臺工業(yè)機(jī)器人。 它成為世界上第一臺真正的實用工業(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”。 他們因此被稱為機(jī)器人之父。 1962 年美國機(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”?！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

32、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)歷了三個成長階段，也即三個時代。第一代為簡單個體機(jī)器人， 第二代為群體勞動機(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，一步步完成它應(yīng)當(dāng)完成的各個動作 。20 世紀(jì) 70 年代，第二代機(jī)器人開始有了較

33、大發(fā)展，第二代機(jī)器人則對外界環(huán)境實用階段，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)軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真1雜的動作。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，機(jī)器人能夠用自然語言與人對話。 智能機(jī)器人在發(fā)生故障時，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

34、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。1.2 我國機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r我國的工業(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)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵

35、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 多臺套噴漆機(jī)器人在 20多家企業(yè)的近 30 條自動噴漆生產(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 臺左右，其中國產(chǎn)占 20，其余都是從日本、美國、瑞典等 40 多個國家引進(jìn)的。2000 年已生產(chǎn)各種類型工業(yè)機(jī)器人和系統(tǒng) 300 臺套，機(jī)器人銷售額 6.74 億元，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對國民經(jīng)濟(jì)的年收益額為 47 億元。據(jù)專家對國內(nèi) 542 家用戶以及汽車、電子電器、工程機(jī)械個行業(yè)的部分用戶進(jìn)行統(tǒng)計分析，就全國而言，弧焊、點(diǎn)焊、裝配、噴涂機(jī)

36、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，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)。晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）21.3 移動機(jī)器人概述 移動機(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

37、出了取名 Shakey 的自主移動機(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，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)動問題，設(shè)計并研制出了多足步行機(jī)器人。70 年代末，隨著計算機(jī)的應(yīng)用和傳感器技術(shù)的發(fā)展，移動機(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機(jī)器人平臺，這些移動機(jī)器人主要作為大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)的移動機(jī)器人實驗平臺，從而促進(jìn)了移動機(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

38、理技術(shù)，高適應(yīng)性的移動機(jī)器人控制技術(shù)，真實環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開展了移動機(jī)器人更高層次的研究。移動機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)： 目前研究的移動機(jī)器人都是帶有智能的機(jī)器人:機(jī)器人本身能認(rèn)識工作環(huán)境、工作對象及其狀態(tài)，它根據(jù)人給予的指令和“自身”認(rèn)識外界的結(jié)果來獨(dú)立的決定工作方法，利用操作機(jī)構(gòu)和移動機(jī)構(gòu)實現(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;有的具有視覺和觸覺功能，能夠進(jìn)行獨(dú)立操作、自動裝配和產(chǎn)品檢驗;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)。 移動機(jī)器人一

39、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，就是因為它具有和人類的大腦思維能力相仿的智能控制系統(tǒng)。而這個智能控制系統(tǒng)其實就是機(jī)器人的軟件系統(tǒng)，是人工智能主要技術(shù)對于機(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、外星球探測和各類危險的科學(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價值。軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真31.4 本課題研究目的和要求通過對移動機(jī)器人組合式機(jī)械臂

40、進(jìn)行設(shè)計，進(jìn)一步鞏固與深化學(xué)生對理論課程及實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)中所學(xué)知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)知識、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)。晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）4第 2 章 整體方案設(shè)計2.1 動力源及傳動機(jī)構(gòu)方案的確定動力源及傳動機(jī)構(gòu)要考慮效率、成本、維護(hù)難易、失效、傳動精度要求以及與整個機(jī)構(gòu)的位置關(guān)系。方案一使用液動或氣動作為平移和上升的動力源，傳動機(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

41、壓驅(qū)動系統(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)，它具有動力大、力(或力矩)慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點(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、對環(huán)境有影響、硬件成本高。2、氣動驅(qū)動系統(tǒng)具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、價格低等特點(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，都會致使機(jī)械臂的總體重量增加，結(jié)構(gòu)龐大，同時也會增加它的轉(zhuǎn)動慣量，對于移動機(jī)器人上的機(jī)械臂，采用液壓或氣壓傳動，并不理想。方案二使用步進(jìn)電動機(jī)作為動力源，

42、傳動機(jī)構(gòu)使用絲杠滑塊傳動。該方案具有以下特點(diǎn)：1、適合于中等負(fù)載，特別適合動作復(fù)雜、運(yùn)動軌跡嚴(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、絲杠傳動時，有利于主機(jī)的小型化及減輕勞動強(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)簡單，工藝性更良好，安裝調(diào)試更方便。軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真52.2 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

43、傳動如下圖 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)帶動絲杠轉(zhuǎn)動，滑塊即可在絲杠帶動下沿導(dǎo)軌移動，在X/Y/Z 三個方向分別布置一個一維機(jī)械臂，即構(gòu)成了三維機(jī)械臂，可實現(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)字化控制下能實現(xiàn)精準(zhǔn)定位，因此，本傳動方案更便于控制，相對于液壓傳動，氣壓傳動，本傳動方案結(jié)構(gòu)簡單，行程更大，因此，本傳動方案是一種較理想的傳動方案。晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）6第 3 章 傳動設(shè)計與計算3.1 一維機(jī)械臂設(shè)計計算一維機(jī)械臂如下圖 3-1 所示，由步進(jìn)電機(jī)帶動絲杠轉(zhuǎn)動，滑塊即可在絲杠帶動下沿導(dǎo)軌做直線移動，通過計

44、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的距離。 圖圖 3-13-1 一維機(jī)械臂傳動方案一維機(jī)械臂傳動方案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)動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個步距角增量。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，首先

45、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，首先要計算機(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，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)動來完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度。精軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真7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，應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的

46、負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動頻率，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)行件快速移動的需要。 選擇步進(jìn)電機(jī)需要進(jìn)行以下計算： （1）計算減速比 根據(jù)所要求脈沖當(dāng)量，減速比 i 計算如下: i=(.S)/(360.) 式中 -步進(jìn)電機(jī)的步距角（o/脈沖） S -絲桿螺距（mm) -(mm/脈沖） （2）計算工作臺，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/2)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

47、臺重量（N） S -絲桿螺距（cm） （3）計算電機(jī)輸出的總力矩 M M=Ma+Mf+Mt Ma=（Jm+Jt).n/T1.02102 式中 Ma -電機(jī)啟動加速力矩（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)升速時間（s） Mf=(u.W.s)/(2i)102 Mf-導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)的轉(zhuǎn)矩（N.m) u-摩擦系數(shù) -傳遞效率 晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）8 Mt=(Pt.s)/(2i)102 Mt-切削力折算至電機(jī)力矩（N.m) Pt-最大切削力（N） （4）負(fù)載起動頻率估算。數(shù)控系統(tǒng)控制電機(jī)的啟動頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣量有很大

48、關(guān)系，其估算公式為 fq=fq0(1-(Mf+Mt)/Ml）(1+Jt/Jm) 1/2 式中 fq-帶載起動頻率（Hz） fq0-空載起動頻率 Ml-起動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間的計算。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，由矩頻特性的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動負(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/T1.02102 和式 Mt=(Pt.s)/(2i)102 計算，電機(jī)在最大進(jìn)給速度時，由矩頻特性決定的

49、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)計參數(shù)可知：機(jī)械臂的運(yùn)動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)械臂的長度不超過 60cm。（1）滑塊從頭到尾移動的最短時間StVS滑塊移動距離，由于機(jī)械臂的總長不超過 600mm,給電機(jī)及基座預(yù)留一定安裝空間，因此取絲杠長度為 420mm,t時間， s421.430t （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)的軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真9額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)。3maxma

50、x10hVunnP式中，為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速（rpm） ；n 為移動時電機(jī)的轉(zhuǎn)速（rpm） ；為直線運(yùn)maxnmaxV行速度（m/min） ；u 為系統(tǒng)傳動比，u=n 電機(jī)/n 絲杠=1； 絲杠導(dǎo)程（mm） ，hP。10hPmm所以 3136 1103600 /min10nr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：1.8機(jī)身長：78mm靜力矩：1.57N.m（3）計算減速比 根據(jù)所要求脈沖當(dāng)量，減速比 i 計算如下: i=(.S)/(360.) 式中 -步進(jìn)電機(jī)的步距角（o/脈

51、沖） S -絲桿螺距（mm) -(mm/脈沖） 計算得(1.8 10)/(360 0.05)1i （4）計算工作臺，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/2)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-工作臺重量（N） S -絲桿螺距（cm） 晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）1022Jt=J1+(1/i )(Js+Js+W/g(S/2 ) （5）計算電機(jī)輸出的總力矩 M M=Ma+Mf+Mt Ma=（Jm+Jt).n/T1.02102 式中 Ma

52、 -電機(jī)啟動加速力矩（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)升速時間（s） Mf=(u.W.s)/(2i)102 Mf-導(dǎo)軌摩擦折算至電機(jī)的轉(zhuǎn)矩（N.m) u-摩擦系數(shù) -傳遞效率 Mt=(Pt.s)/(2i)102 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，在整個速度范圍內(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，加載周期及過載時間應(yīng)在特性曲線的允許范圍內(nèi)。

53、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。CLTLFT2式中，為折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N.m） ；F 為軸向移動滑塊時所需的力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CT電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N.m） ，N.m；為驅(qū)動系統(tǒng)的效率。0.01CT cFFW式中，為推桿反作用力（N） ，=5N； W 為工作臺工件等滑動部分總重量cFcF（N） ，N； 為摩擦系數(shù)，。1.53 9.815W 0.2軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真11所以 50.2 158cFFWN計算轉(zhuǎn)矩時下列幾點(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

54、慮。通常，僅僅從滑塊的重量和摩擦系數(shù)來計算的轉(zhuǎn)矩很小的。請?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)影響整個轉(zhuǎn)矩。所以要特別注意。（c）切削力的反作用力會使工作臺的摩擦增加，以此承受切削反作用力的點(diǎn)與承受驅(qū)動力的點(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)計算切削期間的轉(zhuǎn)矩時，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，必須研究測量因速度工作臺支撐物(滑塊，滾珠，壓力)，滑塊表面材料

55、及潤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，即使在同一臺的機(jī)械上，隨調(diào)整條件，周圍溫度，或潤滑條件等因素而變化。當(dāng)計算負(fù)載轉(zhuǎn)矩時，請盡量借助測量同種機(jī)械上而積累的參數(shù)，來得到正確的數(shù)據(jù)。所以 8 0.0120.0122 3.14 0.8LCF LTT =0.03N.m所以，臺達(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 滑動螺旋副的計算1）螺旋傳動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

56、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，要求較低時可采用耐磨鑄鐵，本推桿要求不高，采用球墨鑄鐵 QT400-17。晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）122）耐磨性的計算 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)2dZ=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/2Ad h因此。螺紋工作面上的壓強(qiáng)為,己耐磨性條件為：cp 2QQccFF PppZAd hH表 3-1 滑動螺旋副材料的許用壓強(qiáng)cp螺桿材料螺母材料滑動速度（m/s）許用壓強(qiáng)鋼青銅1825鋼鋼低

57、速7.513鋼鑄鐵0.041318鋼青銅0.051118鋼鑄鐵47鋼耐磨鑄鐵68鋼青銅0.10.2710設(shè)，則 ，代入上式并整理后可得：2/dH2dH2QcF Pdhp 對于鋸齒螺紋，h=0.75P，由上表 3-1，選取=6Mpa則cp280.650.651.370.3 6QcFdp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 10mm27dmm3）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)力軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真13b螺桿鋼3 5s青銅4060

58、3040耐磨鑄鐵506040鑄鐵455540螺母鋼0.6注：1、為材料屈服極限；s2、載荷穩(wěn)定時，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，則螺紋牙危險平剖面 aa 的剪切強(qiáng)度條件為zFQ/ 80.013.14 10 3 8QFMpaDbz 符合強(qiáng)度要求。螺紋牙危險剖面的彎曲強(qiáng)度條件為22233 8 1.520.0163.14 10 386QQbbFhF hMzMpaDbWDb z 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危險剖面上既有壓縮（或拉伸）應(yīng)力，又有扭轉(zhuǎn)剪

59、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，其危險截面的強(qiáng)度條件為晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）14 2222321132330.248103 ()2.263.140.2 774QeFTdd 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)動裝置采用聯(lián)軸器聯(lián)接電機(jī)。聯(lián)軸器是機(jī)械傳動中常用的部件。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)格的對中，而是存在著某種程度的相對位移。這就要求設(shè)計聯(lián)軸器時，要從結(jié)構(gòu)上采取各種不同的措施，使

60、之具有適應(yīng)一定范圍的相對位移的性能。根據(jù)對各種相對位移有無補(bǔ)償能力（即能否在發(fā)生相對位移條件下保持聯(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)軸器兩個類別。十字滑塊聯(lián)軸器又稱滑塊聯(lián)軸器，由兩個在端面上開有凹槽的半聯(lián)軸器和一個兩面帶有凸牙的中間盤組成。因凸牙可在凹槽中滑動，故可補(bǔ)償安裝及運(yùn)轉(zhuǎn)時兩軸間的相對位移。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；要求較低時也可用 Q275 鋼，不進(jìn)行熱處理。為了減少摩擦及磨損，使用時應(yīng)從中間盤的油孔中注油進(jìn)

61、行潤滑。因為半聯(lián)軸器與中間盤組成移動副，不能發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，故主動軸與從動軸的角速度應(yīng)相等。但在兩軸間有相對位移的情況下工作時，中間盤就會產(chǎn)生很大的離心力，從而增大動載荷及磨損。因此選用時應(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，適用于軸向竄動較大、正反轉(zhuǎn)變化較多和起動頻繁的場合。軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真15本次設(shè)計中，由凌斯聯(lián)軸器公司樣本資料，查得電動機(jī)與減速器軸之間聯(lián)接選用十字滑塊聯(lián)軸器 LS3-C25。型號額定轉(zhuǎn)矩(n.m)最高轉(zhuǎn)速

62、(rpm)徑向偏差 mmLS3-C253.058001.93.2 膠輥設(shè)計圖 3-2 膠輥傳動圖3.2.1 微型電機(jī)選擇微型電動機(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)，簡稱微電機(jī)。常用于傳動機(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機(jī)、交流電動機(jī)、自態(tài)角電動機(jī)、步進(jìn)電動機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、軸角編碼器、交直流兩用電動機(jī)、測速發(fā)電機(jī)、感應(yīng)同步器、直線電機(jī)、壓電電動機(jī)、電機(jī)機(jī)組、其他特種電機(jī)等 13 大類。由于膠輥所傳動力很小，選擇電機(jī)時參照同類產(chǎn)品（如打印機(jī)）進(jìn)行選擇，選擇20BYG28-4 型步進(jìn)電機(jī)型

63、號相數(shù)電壓電流電阻電感轉(zhuǎn) 矩重量接線圖 機(jī)身長度序號規(guī) 格 V A mHg.cm kg mm晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）1620BYG38-42100.6105.54000.08B383.2.2 微型皮帶輪傳動設(shè)計電機(jī)與輥輪之間以皮帶輪傳動， 1）與傳動比 i已知大帶輪轉(zhuǎn)速 n2400r/m，帶傳動的傳動比一般為 i 7，推薦值為 i25。故令 i2.5，則小帶輪轉(zhuǎn)速 n11000 r/m。2）功率與皮帶的帶型（1）單根 V 帶的額定功率 pr r0P()LPP K KP0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)；KL為oPK帶長修正系數(shù)；查文獻(xiàn)5表 8-4a、表 8-4b、表

64、8-5、表 8-2 得0.006kw，oPP0.002kw，0.97，KL1.0。K0.0080.971.00.0776kwrP（2）計算功率是根據(jù)傳遞功率 P 和帶的工作條件參數(shù) KA而定的，即 AcaPK P由文獻(xiàn)5表 8-7 查得 KA1.1，P0.006kw；所以KW 進(jìn)而文獻(xiàn)5圖 8-11 選擇 A 型。1.1 0.0060.0066AcaPK P3）選擇帶輪基準(zhǔn)直徑與帶速控制dd（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1dd10mm。1dd（2）小帶輪線速度即,113.14 10 10000.52/60 100060 1000dd nvm s=

65、0.52m/s。 1v（3）大帶輪基準(zhǔn)直徑i2.51025mm。2dd1dd3）中心距 a 及帶的基準(zhǔn)長度（1）中心距的大小要根據(jù)實際應(yīng)用時結(jié)構(gòu)的尺寸、傳動平衡性以及使用壽命等要軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真17求適當(dāng)選擇。一般初選帶傳動中心距為oa 120120.7()2()ddddddadd即24.570mm。初選40mm。0a0a（2）相應(yīng)帶長doL22100120()2()136.3524dddddddLaddmma取基準(zhǔn)長度180dLmm按1式 8-23，計算實際中心距00180 136.354061.8222ddLLaamm 變動范圍min0.01559.12daaLmm ma

66、x0.0367.22daaLmm4） 驗算小帶輪的包角2157.3180()166.0490dddda5）計算帶的根數(shù)（1）計算單根rP0.0080.971.00.0776kwrP（2） V 帶根數(shù) 根 取 Z1r0.01PcaPZ 軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真18第 4 章 主要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計對于本電池包裝機(jī)的零部件設(shè)計，考慮到這種包裝機(jī)產(chǎn)品生產(chǎn)批量小，對于零件部件等，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4.1.1 機(jī)架設(shè)計準(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)動件通過的突起,設(shè)置執(zhí)行某一工況所必需的平臺；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，就會產(chǎn)生變形，