轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真设计-优秀机械毕业论文

需要 CAD 图纸，咨询 Q：414951605优秀毕业论文，支持预览，答辩通过，欢迎下载晋中学院机械学院毕业设计（论文）课题名称 轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真系 部 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师（签名） 年 月 日教研室主任（签名） 年 月 日I摘 要移动机器人作为机器人学发展中的一个重要分支，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。机械臂是机器人的重要组成部分，他是机器人的执行机构，组合式机械臂是由若干一维机械臂以不同夹角组合而成，可实现机械臂的直线伸缩，或在 X-Y 平面移动，或在 X-Y-Z 空间定位等功能，以满足不同场合下的需要。本文针对移动机器人组合式机械臂进行设计，首先进行总体的设计方案，拟定螺旋传动副为一维机械臂传动方案，对方案进行特点分析，然后针对关键传动件设计，选择电动机，对重要零件进行强度校核，对轴和轴承的寿命进行计算校核，最后对重要零部件进行结构设计，包括材料的选择、尺寸的确定、结构工艺性的满足、以及与其他零件的配合的要求等。关键词：一维机械臂，组合机械臂，移动机器人，X-Y 平面IIAbstractMobile 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 planeIII目 录摘 要 .IABSTRACT .II目 录 .III第 1 章 绪论 .11.1 机器人的发展史 .11.2 我国机器人发展状况 .21.3 移动机器人概述 .3移动机器人的系统结构： .31.4 本课题研究目的和要求 .4第 2 章 整体方案设计 .52.1 动力源及传动机构方案的确定 .52.2 拟定方案图 .6第 3 章 传动设计与计算 .73.1 一维机械臂设计计算 .73.1.1 计算丝杠导程 .73.1.2 步进电机的选择 .83.1.3 滑动螺旋副的计算 .123.1.4 联轴器的设计 .143.1.5 轴承的选择 .16第 4 章 主要零部件结构设计 .174.1 机架设计 .174.1.1 机架设计准则 .174.1.2 机座设计 .184.2 丝杠支架设计 .19IV4.3 电机支架设计 .20第 5 章 虚拟装配与仿真 .215.1 PRO/E 软件简介 .215.2 零件建模 .225.2 虚拟装配 .235.3 PRO/E 动画仿真 .26总结 .30参考文献 .31致 谢 .32轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真1第 1 章 绪论1.1 机器人的发展史机器人的历史并不算长，1959 年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才真正开始。英格伯格在大学攻读伺服理论，这是一种研究运动机构如何才能更好地跟踪控制信号的理论。德沃尔曾于 1946 年发明了一种系统，可以“重演”所记录的机器的运动。1954 年 , 德沃尔又获得可编程机械手专利，这种机械手臂按程序进行工作，可以根据不同的工作需要编制不同的程序，因此具有通用性和灵活性，英格伯格和德沃尔都在研究机器人，认为汽车工业最适于用机器人干活，因为是用重型机器进行工作，生产过程较为固定。1959 年，英格伯格和德沃尔联手制造出第一台工业机器人。 它成为世界上第一台真正的实用工业机器人。此后英格伯格和德沃尔成立了“尤尼梅逊”公司，兴办了世界上第一家机器人制造工厂。第一批工业机器人被称为“尤尼梅特”，意思是“万能自动”。 他们因此被称为机器人之父。1962 年美国机械与铸造公司也制造出工业机器人，称为“沃尔萨特兰”，意思是“万能搬动”。”尤尼梅特”和“沃尔萨特兰”就成为世界上最早的、至今仍在使用的工业机器人。近百年来发展起来的机器人，大致经历了三个成长阶段，也即三个时代。第一代为简单个体机器人， 第二代为群体劳动机器人，第三代为类似人类的智能机器人，它的未来发展方向是有知觉、有思维、能与人对话。第一代机器人属于示教再现型 , 第二代则具备了感觉能力 , 第三代机器人是智能机器人 , 它不仅具有感觉能力 , 而且还具有独立判断和行动的能力。 英格伯格和德沃尔制造的工业机器人是第一代机器人，属于示教再现型，即人手把着机械手，把应当完成的任务做一遍，或者人用“示教控制盒”发出指令，让机器人的机械手臂运动，一步步完成它应当完成的各个动作 。20 世纪 70 年代，第二代机器人开始有了较大发展，第二代机器人则对外界环境实用阶段，并开始普及。 第三代机器人是智能机器人，它不仅具有感觉能力，而且还具有独立判断和行动的能力，并具有记忆、推理和决策的能力，因而能够完成更加复晋中学院毕业设计（论文）2杂的动作。中央电脑控制手臂和行走装置，使机器人的手完成作业，脚完成移动，机器人能够用自然语言与人对话。 智能机器人在发生故障时，通过自我诊断装置能自我诊断出故障部位，并能自我修复。到了 90 年代, 随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展, 机器人技术也得到了迅猛发展。目前工业机器人已广泛地用于汽车工业、机械加工工业、电子工业及塑料制品工业等领域中。在工业生产中, 弧焊机器人、点焊机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用。随着科学与技术的发展, 工业机器人的应用领域也随之不断扩大。现在工业机器人的应用已开始扩大到核能、采矿、冶金、石油、化学、航空、航天、船舶、建筑、纺织、制衣、医药、生化、食品等工业领域中。除了工业机器人水平不断提高之外, 各种用于非制造业的先进机器人系统也有了很大的进展。1.2 我国机器人发展状况我国的工业机器人从 20 世纪 80 年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，已基本掌握了机器人的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有 130 多台套喷漆机器人在 20多家企业的近 30 条自动喷漆生产线（站）上获得规模应用，弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊接线上。目前，我国从事机器人研发和应用工程的单位 200 多家，拥有量为 3500 台左右，其中国产占 20，其余都是从日本、美国、瑞典等 40 多个国家引进的。2000 年已生产各种类型工业机器人和系统 300 台套，机器人销售额 6.74 亿元，机器人产业对国民经济的年收益额为 47 亿元。据专家对国内 542 家用户以及汽车、电子电器、工程机械个行业的部分用户进行统计分析，就全国而言，弧焊、点焊、装配、喷涂机器人应用的最多；其次是搬运、上下料（冲压、压铸、铸锻、注塑等用的大多是上下料机器人）；再次是包装、码垛、拆垛机器人和密封涂胶机器人，其他机器人用量很少。就行业而言，汽车行业以焊接、喷涂、涂胶作业较多，冲压、搬运、装配次之；电子电器行业集中在装配，如大连华录一家就用了近 300 台，其次是搬运和喷涂；工程机械行业集中用于弧焊，喷涂其次。此外包装、码垛、拆垛机器人目前主要用于石化、轻纺和烟草行业。轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真31.3 移动机器人概述移动机器人的研究始于 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 的自主移动机器人。目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制。与此同时，最早的操作式步行机器人也研制成功，从而开始了机器人步行结构方面的研究，以解决机器人在不平整地域内的运动问题，设计并研制出了多足步行机器人。70 年代末，随着计算机的应用和传感器技术的发展，移动机器人研究又出现了新高潮。特别是在 80 年代中期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司开始研制移动机器人平台，这些移动机器人主要作为大学及研究机构的移动机器人实验平台，从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现。90 年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究。移动机器人的系统结构：目前研究的移动机器人都是带有智能的机器人:机器人本身能认识工作环境、工作对象及其状态，它根据人给予的指令和“自身”认识外界的结果来独立的决定工作方法，利用操作机构和移动机构实现任务目标，并能适应工作环境的变化。这些具有智能的机器人，有的能够模拟人类用两条腿走路，可在凹凸不平的地面上行走移动;有的具有视觉和触觉功能，能够进行独立操作、自动装配和产品检验 ;有的具有自主控制和决策能力。不仅能够应用各种反馈传感器，而且还能够应用人工智能中的各种学习、推理和决策技术。移动机器人一般由硬件系统和软件系统两部分构成。据研制目的不同，移动机器人硬件系统的构成也不尽相同，比较完整的典型结构如图 1.1 所示。移动机器人的软件系统，就相当于机器人的“大脑” ，智能机器人之所以能够代替人做大量的工作，就是因为它具有和人类的大脑思维能力相仿的智能控制系统。而这个智能控制系统其实就是机器人的软件系统，是人工智能主要技术对于机器人的综合运用。这种特殊结构的机器人在工业装配、无人恶劣环境中工作(如灭火、外星球探测和各类危险的科学研究)以及室内服务工作(如运送、导游和巡逻)等方面具有一定研究价值。晋中学院毕业设计（论文）41.4 本课题研究目的和要求通过对移动机器人组合式机械臂进行设计，进一步巩固与深化学生对理论课程及实践性教学环节中所学知识的理解，培养学生综合运用所学基础知识、基本理论和基本技能来分析和解决相关专业问题，以及收集、整理、分析、利用资料的能力，使学生受到工程师工作能力的综合训练，提高学生的独立工作能力与综合素质。轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真5第 2 章 整体方案设计2.1 动力源及传动机构方案的确定动力源及传动机构要考虑效率、成本、维护难易、失效、传动精度要求以及与整个机构的位置关系。方案一使用液动或气动作为平移和上升的动力源，传动机构主要为液压缸或气缸、活塞、回转液压缸。这就要求一套液压系统，包括液压泵、液压阀、液压缸或气缸、密封元件、导轨等。液压或气压驱动系统具有以下特点：1、液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力(或力矩)惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点，适用于承载能力大、惯量大以及在防爆环境中工作的机机器人；缺点是：结构复杂，维护难度大、对环境有影响、硬件成本高。2、气动驱动系统具有速度快、系统结构简单、价格低等特点小负载的系统中；但由于空气的可压缩性定位不准等难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械手中，如在上、下料和冲压机械手中应用较多。3、无论是液压还是气动，都会致使机械臂的总体重量增加，结构庞大，同时也会增加它的转动惯量，对于移动机器人上的机械臂，采用液压或气压传动，并不理想。方案二使用步进电动机作为动力源，传动机构使用丝杠滑块传动。该方案具有以下特点：1、适合于中等负载，特别适合动作复杂、运动轨迹严格的工业机器人和各种微型机器人；由于步进电机的广泛采用，这类驱动系统在机械手机器人领域里被大量选用；2、丝杠传动时，有利于主机的小型化及减轻劳动强度；摩擦力矩小，接续刚度高使温升及热变形减小，有利于改善机械臂的动态特性，提高工作精度，具有很好的高速性能。经过方案一和方案二的分析，决定采用方案二。这主要考虑到硬件的制作成本、维护成本、尽可能地降低总体方案的重量、尽可能的使结构简单，工艺性更良好，安装调试更方便。晋中学院毕业设计（论文）62.2 拟定方案图根据上述论述，现拟定方案图。一维机械臂的传动如下图 2-1 所示，它的 X-Y-Z组合效果如图 2 所示。图 2-1图 2-2一维机械臂由步进电机带动丝杠转动，滑块即可在丝杠带动下沿导轨移动，在X/Y/Z 三个方向分别布置一个一维机械臂，即构成了三维机械臂，可实现联接在手臂联接座上的手爪在空间定位。步进电机在数字化控制下能实现精准定位，因此，本传动方案更便于控制，相对于液压传动，气压传动，本传动方案结构简单，行程更大，因此，本传动方案是一种较理想的传动方案。轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真7第 3 章 传动设计与计算3.1 一维机械臂设计计算一维机械臂如下图 3-1 所示，由步进电机带动丝杠转动，滑块即可在丝杠带动下沿导轨做直线移动，通过计算机，可精确控制步进电机转过的角度，因而，可以精确控制滑块移动的距离。 图 3-1 一维机械臂传动方案3.1.1 计算丝杠导程W 为滑动部分总重量（ N） ， N159.847Wmg丝杠的最大负荷 ， 为惯性力，由运行的最大速度为 30cm/s、行程F0max惯 惯为 420mm、电机启动时间 0.3s，加速度2.31/0Vst= = =15N惯Fa15查机械设计课程设计手册表 1-10 常用材料摩擦系数 取 0.2。则0=44.4Nmax470.2为使设计更可靠令当量载荷 = ,设丝杠副最大相对转速为mFax4.N=3600r/min（后面会计算到） 。查表 11-1-25 精度推荐表，确定机械手使用的精度为axn5 级。丝杠的失位量为 0.025mm。初算导程：= mmmax/nVPh306/in5r晋中学院毕业设计（论文）8根据机械设计手册机械传动表 11-1-15 查得 应该大于或等于 5mm 取 10mm。hP3.1.2 步进电机的选择1）机电领域中步进电机的选择原则步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。 步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。 选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩 Mjmax 大的电机，负载力矩大。 选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足执行件快速移动的需要。 选择步进电机需要进行以下计算： （1）计算减速比 根据所要求脉冲当量，减速比 i 计算如下: i=(.S)/(360. ) 式中 -步进电机的步距角（o/脉冲） S -丝杆螺距（mm) -(mm/脉冲） （2）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量 Jt。 轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真9Jt=J1+（1/i2)(J2+Js）+W/g（S/2)2 式中 Jt -折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s2) J1、J2 - 齿轮惯量(Kg.cm.s2) Js -丝杆惯量(Kg.cm.s2) W-工作台重量（ N）S -丝杆螺距（cm） （3）计算电机输出的力矩 TL2CFLT式中， 为折算到电机轴上的负载转矩（N.m） ；F 为轴向移动滑块时所需的力LT（N） ；L 为电机每转的机械位移量（m）L=0.012m； 为丝杠轴承等摩擦转矩折算到C电机轴上的负载转矩（N.m） ， N.m； 为驱动系统的效率。0.1CT（4）负载起动频率估算。数控系统控制电机的启动频率与负载转矩和惯量有很大关系，其估算公式为 fq=fq0(1-(Mf+Mt)/Ml）(1+Jt/Jm) 1/2 式中 fq-带载起动频率（ Hz） fq0-空载起动频率 Ml-起动频率下由矩频特性决定的电机输出力矩（N.m) 若负载参数无法精确确定,则可按 fq=1/2fq0 进行估算. （5）运行的最高频率与升速时间的计算。由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降，因此在最高频率 时，由矩频特性的输出力矩应能驱动负载，并留有足够的余量。2）选择步进电机由原始设计参数可知：机械臂的运动速度最高速度不小于 30cm/s, 机械臂的最大末端载荷不大于 5kg，机械臂的长度不超过 60cm。（1）滑块从头到尾移动的最短时间 StVS滑块移动距离，由于机械臂的总长不超过 600mm,给电机及基座预留一定安晋中学院毕业设计（论文）10装空间，因此取丝杠长度为 420mm,t时间，s421.30t（2）电机的最高转速电机选择首先依据推杆快速行程速度。快速行程的电机转速应严格控制在电机的额定转速之内。 3maxmax10hVunnP式中， 为电机的额定转速（rpm） ；n 为移动时电机的转速（ rpm） ； 为直线运maxn maxV行速度（m/min） ；u 为系统传动比，u=n 电机/n 丝杠=1； 丝杠导程（mm） ，hP。10hP所以 3160/minnr所以，电机最高转速选为 3600r/min.初步拟定为深圳众为兴技术股份有限公司步进电机56BYGH630DJP。56BYGH630DJP 技术参数如下：步距角： 1.8机身长：78mm静力矩：1.57N.m（3）计算减速比 根据所要求脉冲当量，减速比 i 计算如下: i=(.S)/(360. ) 式中 -步进电机的步距角（o/脉冲） S -丝杆螺距（mm) -(mm/脉冲） 计算得 (1.80)/(36.5)1i（4）计算工作台，丝杆以及齿轮折算至电机轴上的惯量 Jt。 轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真11Jt=J1+（1/i 2)(J2+Js）+W/g（S/2) 2 式中 Jt -折算至电机轴上的惯量(Kg.cm.s 2) J1、J2 - 齿轮惯量(Kg.cm.s 2) （这里没有齿轮，所以 J1、J2 为 0）Js -丝杆惯量(Kg.cm.s 2)， (Kg.cm.s2) 2214.18.sJmrW-滑块重量（ N） ， .30WNS -丝杆螺距（cm） ， S=10mm=1cm222Jt=1+(/i)Js/g(S)08.301.4.5(Kg.cms) （5）计算电机输出的力矩 M 根据步进电机的工作曲线，负载转矩应满足：当设备作空载运行时，在整个速度范围内，加在步进电机轴上的负载转矩应在电机的连续额定转矩范围内，即在工作曲线的连续工作区；最大负载转矩，加载周期及过载时间应在特性曲线的允许范围内。加在电机轴上的负载转矩可以折算出加到电机轴上的负载转矩。 CLTF2式中， 为折算到电机轴上的负载转矩（N.m） ；F 为轴向移动滑块时所需的力LT（N） ；L 为电机每转的机械位移量（m）L=0.01m； 为丝杠轴承等摩擦转矩折算到电C机轴上的负载转矩（N.m） ， N.m； 为驱动系统的效率。1.6CTcW式中， 为推杆反作用力（N） ， =45N； W 为滑动部分总重量（N ） ，cFFN； 为摩擦系数， 。159.847W0.2所以 50.2147c计算转矩时下列几点应特别注意。 （a）由于镶条产生的摩擦转矩必须充分地考虑。通常，仅仅从滑块的重量和摩擦系数来计算的转矩很小的。请特别注意由于镶条加紧以及滑块表面的精度误差所产生的力矩。晋中学院毕业设计（论文）12（b）由于轴承，螺母的预加载，以及丝杠的预紧力滚珠接触面的摩擦等所产生的转矩均不能忽略。尤其是小型轻重量的设备。这样的转矩回应影响整个转矩。所以要特别注意。（c）如果有切削力，切削力的反作用力会使工作台的摩擦增加，以此承受切削反作用力的点与承受驱动力的点通常是分离的。如图所示，在承受大的切削反作用力的瞬间，滑块表面的负载也增加。当计算切削期间的转矩时，由于这一载荷而引起的摩擦转矩的增加应给予考虑。（d）摩擦转矩受进给速率的影响很大，必须研究测量因速度工作台支撑物(滑块，滚珠，压力)，滑块表面材料及润滑条件的改变而引起的摩擦的变化。已得出正确的数值。（e）通常，即使在同一台的机械上，随调整条件，周围温度，或润滑条件等因素而变化。当计算负载转矩时，请尽量借助测量同种机械上而积累的参数，来得到正确的数据。所以 74.012.6238LCFT=1.78N.m所以，众为兴电机 56BYGH630DJP，额定转矩 2.2n.m，转速为 3600r/min，可满足需求。3.1.3 滑动螺旋副的计算1）螺旋传动的材料丝杠螺杆要有足够的强度，较高的耐磨性和良好的工艺性，一般采用 45 或 50 刚，较重要的螺杆可采用 40Cr 等合金钢，本丝杠采用 45 钢。推杆（螺母）应该具有较低的摩擦系数和较高的耐磨性，一般可选用铸造青铜，如ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5 及 ZCuAl10Fe3，要求较低时可采用耐磨铸铁，本推杆要求不高，采用球墨铸铁 QT400-17。2）耐磨性的计算设螺母高为 H，螺距为 P，螺纹中径为 ，螺纹工作高度为 h，则螺纹承载圈数2dZ=H/P，螺旋总轴向载荷为 ，每一圈螺纹承受的轴向载荷为 ,其成载面积 。QFzFQ/ 2Adh轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真13因此。螺纹工作面上的压强为 ,己耐磨性条件为：cp2Qc cFPpZAdhH表 3-1 滑动螺旋副材料的许用压强 c螺杆材料 螺母材料 滑动速度（m/s） 许用压强钢 青铜 1825钢 钢低速7.513钢 铸铁 0.04 1318钢 青铜 0.05 1118钢 铸铁 47钢 耐磨铸铁 68钢 青铜0.10.2710设 ，则 ，代入上式并整理后可得：2/dH2d2QcFPhp对于矩形螺纹，h=0.75P，由上表 3-1，选取 =6Mpa，F Q=74.4N则cp2 74.100.650.653.2Qcdp考虑到螺旋导程不能太小,取导程 Pc=10mm，选取螺杆中径 ，外径为218dm20mm3）螺母螺纹牙的强度校核在轴向载荷 的作用下，螺纹牙可能在根部发生剪断或弯断，由于推杆为铸铁，QF螺牙的强度低于螺杆，故只需要校核推杆（螺母）螺纹牙的强度。许用应力材料 b 螺杆 钢 35s晋中学院毕业设计（论文）14青铜 4060 3040耐磨铸铁 5060 40铸铁 4555 40螺母钢 0.6注：1、 为材料屈服极限；s2、载荷稳定时，许用应力取大值。将一圈螺母的螺纹沿根部大径 D 处展开，并将谈看作宽度为 的悬臂梁，在 h/2D处作用载荷 ，则螺纹牙危险平剖面 aa 的剪切强度条件为zFQ/74.1.31208QFMpabz 符合强度要求。螺纹牙危险剖面的弯曲强度条件为222374.10386QQb bFhMz paDWbz 符合强度要求。4）螺杆的强度校核螺杆工作地承受轴向压力（或拉力） ，又受螺纹力矩 T 的扭转作用。螺杆QF危险剖面上既有压缩（或拉伸）应力，又有扭转剪应力。因此，螺杆剖面上是正应力和剪应力的复合应力状态。按第四强度理论，其危险截面的强度条件为222 32113230.474.78()6.91.6QeFTd强度符合要求。轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真153.1.4 联轴器的设计电机功率较小，螺杆驱动装置设计非标联轴器联接电机。联轴器是机械传动中常用的部件。它用来把两轴联接在一起，机器运转时两轴不能分离：只有在机器停车并将联接拆开后，两轴才能分离。联轴器所联接的两轴，由于制造及安装误差、承载后的变形以及温度变化的影响等，往往不能保证严格的对中，而是存在着某种程度的相对位移。这就要求设计联轴器时，要从结构上采取各种不同的措施，使之具有适应一定范围的相对位移的性能。根据对各种相对位移有无补偿能力（即能否在发生相对位移条件下保持联接的功能） ，联轴器可分为刚性联轴器（无补偿能力）和挠性联轴器（有补偿能力）两大类。挠性联轴器又可按是否具有弹性元件分为无弹性元件的挠性联轴器和有弹性元件的挠性联轴器两个类别。十字滑块联轴器又称滑块联轴器，由两个在端面上开有凹槽的半联轴器和一个两面带有凸牙的中间盘组成。因凸牙可在凹槽中滑动，故可补偿安装及运转时两轴间的相对位移。这种联轴器零件的材料可用 45 钢，工作表面需要进行热处理，以提高其硬度；要求较低时也可用 Q275 钢，不进行热处理。为了减少摩擦及磨损，使用时应从中间盘的油孔中注油进行润滑。因为半联轴器与中间盘组成移动副，不能发生相对转动，故主动轴与从动轴的角速度应相等。但在两轴间有相对位移的情况下工作时，中间盘就会产生很大的离心力，从而增大动载荷及磨损。因此选用时应注意其工作转速不得大于规定值。弹性柱销联轴器能传递转矩的能力很大，结构更为简单，安装、制造方便，耐久性好，也有一定的缓冲和吸振能力，允许被联接两轴有一定的轴向位移以及少量的径向位移和角位移，适用于轴向窜动较大、正反转变化较多和起动频繁的场合。本次设计中，由于电机轴比较小，电机轴不便于安装键，因此，采用非标的联轴方法，联轴器结构如下图 3-2：晋中学院毕业设计（论文）16图 3-2 联轴方案3.1.5 轴承的选择依据工作情况，丝杠采用两端固定的工作方式。因为在这种情况下它的静态稳定性和动态稳定性都较高、轴向刚度大。图 3-3 轴承安装方法如图所示用角接触球轴承作为支撑。由于滚珠丝杠螺母上的机构重量由导轨承受，所以滚珠丝杠只承受轴向力。所以滚动轴承的当量动负荷 P= = =89.28N，mPFf1.274为负荷系数中等惯性力作用时取 1.2。Pf深沟球轴承选择：由机械设计公式基本额定动负荷 C= 16max0hLnP已知 、 小时、球轴承 取 3，则450/minMAXnr180hLC= =701.9N3689.2查机械设计课程设计手册表 66 选取深沟球轴承 6203 基本尺寸为:内径15mm、外径 35mm、宽度 11mm、基本额定动载荷 10.0KN、脂润滑情况下极限转速15000r/min。极限转速的校核：由选取的轴承参数知 =14000r/min、依据机械设计图 8.13 负荷系数 取limn 1f0.64， =0.952f= =8512/minli21f 95.064=6500r/min =8512r/minMAXnlimn所以转速符合要求。轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真17第 4 章 主要零部件结构设计对于本机械臂的零部件设计，属于非标准设备，批量小，尽量采用标准件常用件，采用易于应用常规加工方法加工的结构。4.1 机架设计4.1.1 机架设计准则底座、机架、箱体、基板等零件都属于机架零件。机架零件可划分为四大类：即机座类、机架类、基板类和箱壳类，对机架零件一般可提出下列要求:(1)工况要求：即任何机架的设计首先必须保证机器的特定工作要求。例如，保证机架上安装的零部件能顺利运转，机架的外形或内部结构不致有阻碍运动件通过的突起,设置执行某一工况所必需的平台；保证上下料的要求、人工操作的方便及安全等。(2)刚度要求：在必须保证特定的外形条件下，对机架的主要要求是刚度。如果基础部件的刚性不足，则在工作的重力、夹紧力、摩擦力、惯性力和工作载荷等的作用下，就会产生变形，振动或爬行，而影响产品定位精度、加工精度及其它性能。例如机床的零部件中，床身的刚度则决定了机床的生产率和加工产品的精度。(3)强度要求：对于一般设备的机架，刚度达到要求，同时也能满足强度的要求(4)稳定性要求：对于细长的或薄壁的受压结构及受弯-压结构存在失稳问题，某些板壳结构也存在失稳问题或局部失稳问题。失稳对结构会产生很大的破坏，设计时必须校核。(5)美观：目前对机器的要求不仅要能完成特定的工作，还要使外形美观。(6)其它：如散热的要求，防腐蚀及特定环境的要求。在满足机架设计准则的前提下，必须根据机架的不同用途和所处环境，考虑下列各项要求，并有所偏重。(1)机架的重量轻，材料选择合适，成本低。(2)结构合理，便于制造。(3)结构应使机架上的零部件安装、调整、修理和更换都方便。(4)结构设计合理，工艺性好，还应使机架本身的内应力小，由温度变化引起的变形应轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真18力小。(5)抗振性能好。(6)耐腐蚀，使机架结构在服务期限内尽量少修理。(7)有导轨的机架要求机架导轨面受力合理，耐磨性良好。4.1.2 机座设计1）机座的结构及材料进行机架结构形式的选择是一个较复杂的过程，对结构形式、构件截面和结点构造等均需要结合具体的情况进行仔细的分析。对结构方案要进行技术经济比较。由于各种设备有不同的规范和要求，制定统一的机架结构选择方法较困难。但是，可以利用结构力学的知识提出下列一般的规则。这些规则是为了节约材料在选择形式时应遵守的一般规律。（1）结构的内力分布情况要与材料的性能相适应，以便发挥材料的优点。轴力较弯矩能更充分地利用材料。杆件受轴力作用时，截面上的材料分布是均匀的，所有材料都能得到充分利用。但在弯矩作用下截面的应力分布是不均匀的，所以材料的应力分布不够经济。机械结构中许多构件所受的都是沿垂直于杆轴的方向作用的。弯矩沿杆变化很迅速。有垂直载荷处，弯矩曲线有曲率，且曲率与载荷集度成正比。最大的弯矩限于一小段内，在较长段内材料不能充分利用，这是弯曲构件不经济的另一原因。（2）结构的作用在于把载荷由施力点传到基础。载荷传递的路程愈短，结构使用的材料愈省。（3）结构的连续性可以降低内力，节省材料。因该机械臂尺寸不是很大，结构比较紧凑，受力不大，精度要求较高，材料上，考虑到机械臂要适用各种恶劣环境，为防止生锈，便于安装，选择 304 不锈钢板作为基座。2）机体部分结构尺寸的确定(1)安装电动推杆螺栓直径的确定 ，取 M8。Dd25.018.(2)安装伺服电机螺栓直径的确定，根据伺服电机提供的安装螺纹孔，取 M5。(3)安装托架及胶辊螺钉直径的确定，取 M4。(4)安装槽档块螺钉直径的确定，取为 M5,定位销取为直径为 5mm.轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真19图 4-1 基座4.2 丝杠支架设计支架如下图 4-2 所示，支架材料为 304 不锈钢，以保证轮式机器人适用各种恶劣环境，支架上部为圆孔，用于安装轴承，下部方孔，用于安装导轨。图 4-2 支架轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真204.3 电机支架设计电机支架如下图 4-3 所示，支架材料为 304 不锈钢，如图 4-3 所示。图 4-3 电机支架轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真21第 5 章 虚拟装配与仿真5.1 Pro/E 软件简介Pro/Engineer 操作软件是美国参数技术公司（ PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一体化的三维软件。Pro/Engineer 软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer 作为当今世界机械 CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的 CAD/CAM/CAE 软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/Engineer 操作软件是美国参数技术公司（ PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一体化的三维软件。Pro/Engineer 软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer 作为当今世界机械 CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的 CAD/CAM/CAE 软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。一. Pro/EngineerPro/Engineer 是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色，实体或线框造型，完整工程图的产生及不同视图展示（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转） 。Pro/Engineer 是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs） 、槽（Slots ） 、倒角（Chamfers）和抽壳（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不象其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其也相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持 Postscript 格式的彩色打印机。Pro/Engineer 还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上 Pro/Engineer 软件的其它模块或自行利用 C 语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下（没有任何附加模块）具有大部分的设计能力，组装能力（运动分析、人机工程分析）和工程制图能力（不包括 ANSI， ISO， DIN 或 JIS 标准） ，并且支持符合工业标准的绘图仪轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真22（HP，HPGL）和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。Pro/Engineer 功能如下：1特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等） ；2参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等） ；3通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的关系来进行设计。4支持大型、复杂组合件的设计（规则排列的系列组件，交替排列，Pro/PROGRAM 的各种能用零件设计的程序化方法等） 。5贯穿所有应用的完全相关性（任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动） 。其它辅助模块将进一步提高扩展 Pro/ENGINEER 的基本功能。二 、Pro/E 机构运动仿真工程师无需等待物理原型就能测试产品的动力行为。利用 Pro/ENGINEER 机构动力学仿真，您可以虚拟地仿真包含运动元件的系统中的作用力和加速度。而且，您可以综合考虑诸如弹簧、电动机、摩擦力和重力等动力影响，相应地调整产品性能。改善检验和认证过程并最大程度地提高设计信心，而无需承受制造昂贵原型的负担。与设计和分析工具完全集成，从而无需再花费时间、精力和金钱来处理数据转换和关联的错误。利用 Pro/E 机构仿真有以下优点： 可以创建虚拟样机在桌面计算机中进行测试，从而降低开发成本 模拟赛车悬架所受到的实际作用力。 能够更快速和更早地将变更反映在产品中，并从桌面计算机测试中即时获得结果。 通过缩短开发时间率先向市场推出更优质的产品。 通过对产品寿命进行更准确的估计，从而可降低保修成本。 利用具体的动画式生产指令进行装配，可以避免代价高昂的制造错误。 通过利用从虚拟测试中所节省的时间来评估更多设计构思，从而可开发出更新颖的产品。 在易于学习、直观明了的用户界面中工作。5.2 零件建模1)丝杠轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真23丝杠建模，利用“旋转” ， “拉伸”命令创建出丝杠主体，再用“螺旋扫描切口” ，创建出梯形螺旋线。图 5-1 丝杠2）导轨利用“拉伸”命令，创建出如下图所示导轨。图 5-2 导轨5.2 虚拟装配应用前述建立的各零件的三维图型进行虚拟装配，首先进行子装配，完成子装配工作后，进行总装配。零件装配好了以后，进行装配体的干涉检查，以便确定装配体中各零件之间是否存在实体边界冲突(即干涉)、冲突发生在何处、进而为消除冲突做好准备。一般对零件较多或装配要求较严格的装配体，应该装配好个零件就进行一次装配检查，这样可以及时发现错误，及时修正。1）装配一维机械臂（1）新建装配组件轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真24图 5-3 新建组件（2）调入基座零件，缺省放置图 5-4 放置基座（3）依次调入电机支架、丝杠支架，轴承，轴承端盖，电机等零件，并用刚性联接安装好。轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真25图 5-5 零件安装（4）调入丝杠零件，丝杠与电机轴刚性联接，因为电机轴与电机是销钉联接，这个丝杠就可随电机轴旋转。图 5-6 安装丝杠零件（5）安装滑块，这里很关键，关系到后面的仿真。先调入滑块零件，选择“圆柱” ，使轴对齐，再选择“槽”联接，使滑块上的某点在丝杠螺旋线上，再选择“平面”连接，使滑块沿导轨运动。轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真26图 5-7 一维机械臂这样，一维机械臂就安装好了，同样新建一个文件，用同样的方法，将三个一维机械臂联接起来，就成了机械臂。图 5-8 组合式机械臂5.3 Pro/E 动画仿真（1）点“应用程序”-“机构”进入动画仿真模块，将各电机轴设置为“伺服电机” 。轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真27图 5-9 动画仿真（2）点“机构分析” ，选择“动态” ，点“运行”开始分析。轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真28图 5-10 动态分析（3）点回放，可观看到刚才仿真的动画，并用“捕捉” ，将动画输出为“视频” ，轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真29图 5-11 动画轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真30总结转眼间，毕业设计已经接近尾声，想想自己在这学期所走过的路，实在是要比其他学期学到了很多的东西。此次毕业设计是我们从大学毕业生走向未来工程师重要的一步。从最初的选题，开题到计算、绘图直到完成设计。其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改图纸，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。“实践出真知”这句话一点不错，做毕业设计可以学到很多我们无法理解的东西，可以很好的拓展我们的知识面。怎么去做主要靠我们自己，常去工厂观察设备的结构，研究其中的奥妙，以至于我们在很短的时间里就基本了解了设备的结构。通过这次实践，我了解了机械设计的基本方法，熟悉了机械的设计步骤，锻炼了工程设计实践能力，培养了自己独立设计能力。此次毕业设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。学会了查找相关资料相关标准，分析数据，提高了自己的绘图能力，懂得了许多经验公式的获得是前人不懈努力的结果。同时，仍有很多课题需要后辈去努力去完善。但是毕业设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解，等等。这次实践是对自己大学四年所学的一次大检阅，使我明白自己知识还很浅薄，虽然马上要毕业了，但是自己的求学之路还很长，以后更应该在工作中学习，努力使自己 成为一个对社会有所贡献的人，为中国机械行业添己的微薄之力。轴式组合机械臂的机械结构设计与仿真31参考文献1常见的几类工业机器人J. 军民两用技术与产品, 2012.10:11.2中国工业机器人:在机遇与挑战中成长J. 军民两用技术与产品,2012.10:12-14. 3顾硕. 智能化是工业机器人的发展方向J.自动化博览 2012.09: 82-85.4徐扬生, 阎镜予. 机器人技术的新进展J.集成技术 2012 年.01 期, 2012-05: 2-5.5孙亭,李成刚,吴洪涛. 通用工业机器人模型及其简易控制系统设计J. 中国制造业信息化 2012.09: 63-65.6胡峰,骆德渊,雷霆,柯辉. 基于 Simulink/SimMechanics 的三自由度并联机器人控制系统仿真J.自动化与仪器仪表, 2012 年.05 期: 221-223.7沈阳.PLC 在工业机器人中的应用研究J.工业控制计算机,2010,23(9):95-96.8赵红顺.基