五自由度機(jī)械臂設(shè)計論文

1、<p><b>　　五自由度機(jī)械臂設(shè)計</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本設(shè)計主要介紹關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的一些知識和原理，包括工業(yè)機(jī)器人的組成、分類、主要技術(shù)性能參數(shù)和工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動分析。本設(shè)計的總體內(nèi)容是根據(jù)移動機(jī)構(gòu)的移動能力指標(biāo)，比較現(xiàn)有移動機(jī)構(gòu)的性能特點(diǎn)，確定移動機(jī)構(gòu)的最佳移動方式；設(shè)計一

2、個五自由度關(guān)節(jié)式機(jī)械臂，確定五自由度工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)和傳動關(guān)系，并通過對工業(yè)機(jī)器人的動力計算為各部位選擇合適的驅(qū)動電機(jī)；確定五自由度工業(yè)機(jī)器人設(shè)計計算機(jī)控制系統(tǒng)方案以及為所設(shè)計的五自由度工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行Pro/E建模。本論文作者在參考大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)計的要求，并參考通用型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行五自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計和其計算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計。本文所設(shè)計的機(jī)械手臂主要由手爪、腕、小臂、大臂和基座組成，同時用Pro/E對其

3、進(jìn)行了三維建模，可用于搜索、抓取水下管件、纜線等細(xì)長物體，也可用于抓取其它形狀的物體，具有一定的通用性。機(jī)器人能自動控制，多功能，有五個自由度，可固定或運(yùn)動，用于相關(guān)自動化系統(tǒng)中。</p><p>　　關(guān)鍵詞　五自由度；工業(yè)機(jī)器人；三維建模</p><p>　　The Design Of Five Degrees Of Freedom Of Rbotic Arm</p>&l

4、t;p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This design focuses on some knowledge and principles of industrial robots, including the composition of industrial robots, classification, the main technical per

5、formance parameters and the motion analysis of industrial robots. The overall content of this design is the ability to move of the moving mechanism based on indicators, comparing the performance characteristics of existi

6、ng mobile mechanism, to determine the optimal movement mechanism moves; design a joint manipulator of five degrees, to </p><p>　　Keywords　 Five degrees of freedom；Industrial robot；3D modelling</p><

7、;p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題背景1</p><p>　

8、　1.2 工業(yè)機(jī)器人的組成2</p><p>　　1.3 工業(yè)機(jī)器人的分類2</p><p>　　1.4 工業(yè)機(jī)器人主要技術(shù)性能參數(shù)3</p><p>　　1.5 課題的總體內(nèi)容4</p><p>　　1.6 本章小結(jié)4</p><p>　　第2章 機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計5</p><p>

9、;　　2.1 五自由度工業(yè)機(jī)器人的主要參數(shù)5</p><p>　　2.2 五自由度工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)5</p><p>　　2.3 五自由度工業(yè)機(jī)器人的動力計算6</p><p>　　2.4 本章小結(jié)15</p><p>　　第3章 機(jī)械臂的Pro/E建模16</p><p>　　3.1 創(chuàng)建零件16</

10、p><p><b>　　3.2 裝配18</b></p><p>　　3.3 制作裝配動畫19</p><p>　　3.4 本章小結(jié)21</p><p><b>　　結(jié)論22</b></p><p><b>　　致謝23</b></p>

11、<p><b>　　參考文獻(xiàn)24</b></p><p><b>　　附錄A25</b></p><p>　　附錄B錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　課題背景</b></p&

12、gt;<p>　　機(jī)器人工程是近二十多年來迅速發(fā)展起來的綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、電子工程、計算機(jī)工程、自動控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新研究成果，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，也是我國科技界跟蹤國際高科技發(fā)展的重要方面。工業(yè)機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用水平，是一個國家科技水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的象征，正受到許多國家的廣泛重視。</p><p>　　目前，工業(yè)機(jī)器人的定義，世界各國尚未統(tǒng)一，分類也

13、不盡相同。最近聯(lián)合國國際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會給工業(yè)機(jī)器人下的定義：工業(yè)機(jī)器人是一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過改變動作程序，來完成各種工作，主要用于搬運(yùn)材料，傳遞工件。參考國外的定義，結(jié)合我國的習(xí)慣用語，對工業(yè)機(jī)器人作如下定義[1]：</p><p>　　工業(yè)機(jī)器人是一種機(jī)體獨(dú)立，動作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動化程度高的自動操作機(jī)械。主要用于加工自動線和柔性制造系統(tǒng)中傳遞和裝卸

14、工件或夾具。</p><p>　　工業(yè)機(jī)器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運(yùn)動速度，可以搬運(yùn)更重的東西，而且定位精度相當(dāng)高，它可以根據(jù)外部來的信號，自動進(jìn)行各種操作。</p><p>　　工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展，由簡單到復(fù)雜，由初級到高級逐步完善，它的發(fā)展過程可分為三代：</p><p>　　第一代工業(yè)機(jī)器人就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人，它主

15、要由手部、臂部、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡單，應(yīng)用在線編程，即通過示教存貯信息，工作時讀出這些信息，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按指令再現(xiàn)示教的操作。</p><p>　　第二代機(jī)器人是帶感覺的機(jī)器人。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進(jìn)行反饋的能力。其控制方式較第一代工業(yè)機(jī)器人要復(fù)雜得多，這種機(jī)器人從1980年開始進(jìn)入了實(shí)用階段，現(xiàn)在已開始普及應(yīng)用。</p><p>　　第三代工

16、業(yè)機(jī)器人即智能機(jī)器人。這種機(jī)器人除了具有觸覺、視覺等功能外，還能夠根據(jù)人給出的指令認(rèn)識自身和周圍的環(huán)境，識別對象的有無及其狀態(tài)，再根據(jù)這一識別自動選擇程序進(jìn)行操作，完成規(guī)定的任務(wù)。并且能跟蹤工作對象的變化，具有適應(yīng)工作環(huán)境的功能。這種機(jī)器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應(yīng)用[2]。</p><p><b>　　工業(yè)機(jī)器人的組成</b></p><p>　　機(jī)械加工中

17、使用的機(jī)器人大多是代替人上肢的部分功能，按給定的程序、軌跡和要求進(jìn)行工作。它主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及檢測系統(tǒng)組成。</p><p>　　1. 執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人完成抓取工件，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動所必需的機(jī)械部件，它包括手部、腕部、機(jī)身和行走機(jī)構(gòu)等。</p><p>　　(1) 手部：又稱手爪或抓取機(jī)構(gòu)，它直接抓取工件或夾具。</p><p>　　(2

18、) 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調(diào)整或改變手部的工作方位。</p><p>　　(3) 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理荷重，并把它傳遞到預(yù)定的位置。</p><p>　　(4) 機(jī)身：是支承手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運(yùn)動。</p><p>　　2. 驅(qū)動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅(qū)動其動力的裝置。常用的機(jī)械

19、傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動。</p><p>　　3. 控制系統(tǒng)：通過對驅(qū)動系統(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)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。</p><p>　　4. 檢測系統(tǒng)：作用是通過各種檢測裝置、傳感裝置檢測執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動情況，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)動符合要求[3]。</p><p><b>　　工業(yè)機(jī)器

20、人的分類</b></p><p>　　工業(yè)機(jī)器人的分類方法很多，這里主要以工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動方式、控制功能、編程方式、控制機(jī)構(gòu)、坐標(biāo)形式、自由度數(shù)以及抓取重量的不同進(jìn)行分類。</p><p>　　1. 按驅(qū)動方式分為液壓傳動，氣壓傳動和電動。</p><p>　　2. 按控制功能分為重復(fù)型和智能型。</p><p>　　重復(fù)型機(jī)器人

21、能夠按照事前編制的程序重復(fù)自動的工作。目前，機(jī)械加工系統(tǒng)中應(yīng)用的工業(yè)機(jī)器人幾乎都是這種。</p><p>　　智能型機(jī)器人除具有重復(fù)型的功能外，還具有視覺、觸覺、識別和判斷功能等。</p><p>　　3. 按編程方式分為可編程序式和示教再現(xiàn)式。</p><p>　　4. 按控制方式分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制。</p><p>　　點(diǎn)位控制是

22、指機(jī)器人的運(yùn)動，只控制空間點(diǎn)的位置，而不控制由一個定位點(diǎn)到另一個定位點(diǎn)之間的運(yùn)動軌跡。</p><p>　　連續(xù)軌跡控制是指能控制機(jī)器人的運(yùn)動軌跡為空間任意曲線。</p><p>　　5. 按控制機(jī)構(gòu)分為開關(guān)型和佩服型。</p><p>　　開關(guān)型機(jī)器人是通過機(jī)械擋塊、行程開關(guān)等電器觸頭的開關(guān)動作，得到位置信號，從而控制運(yùn)動部件定位。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)比較簡單，只能用于

23、點(diǎn)位控制，難于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動。</p><p>　　佩服型機(jī)器人是根據(jù)連續(xù)輸入指令，經(jīng)過信號擴(kuò)大，由佩服驅(qū)動機(jī)構(gòu)控制運(yùn)動。通常采用位置檢測機(jī)構(gòu)，檢測機(jī)器人運(yùn)動部件的位置和姿態(tài)變化，以控制機(jī)器人運(yùn)動部件的準(zhǔn)確定位。這種機(jī)器人可獲得良好的運(yùn)動特性，定位精度高，不僅適于點(diǎn)位控制，而且適于連續(xù)軌跡控制。</p><p>　　6. 按坐標(biāo)形式分為直角坐標(biāo)式機(jī)器人、極坐標(biāo)式機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人和多關(guān)

24、節(jié)式機(jī)器人。</p><p>　　7. 按自由度數(shù)分，機(jī)器人的自由度數(shù)越多，能用性就越廣，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。一般4到6個自由度即能滿足稍復(fù)雜的使用要求了。</p><p>　　8. 按抓取重量分大型、中型、小型和微型。</p><p>　　大型機(jī)器人的抓取重量為100kg以上；中型機(jī)器人的抓取重量為10～100kg；小型機(jī)器人的抓取重量為1～10kg；微型機(jī)器人的抓取重量

25、為1kg以下[4]。</p><p>　　工業(yè)機(jī)器人主要技術(shù)性能參數(shù)</p><p>　　工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)是說明其規(guī)格和性能的具體指標(biāo)。主要技術(shù)參數(shù)有如下：</p><p><b>　　抓取重量：</b></p><p>　　抓取重量是用來表明機(jī)器人負(fù)荷能力的技術(shù)參數(shù)，這是一項主要參數(shù)。這項參數(shù)與機(jī)器人的運(yùn)動速度有關(guān)

26、，一般是指在正常速度下所抓取的重量。</p><p>　　抓取工件的極限尺寸：</p><p>　　抓取工件的極限尺寸是用來表明機(jī)器人抓取功能的技術(shù)參數(shù)，它是設(shè)計手部的基礎(chǔ)。</p><p><b>　　坐標(biāo)形式和自由度：</b></p><p>　　說明機(jī)器人機(jī)身、手部、腕部等共有的自由度數(shù)及它們組成的坐標(biāo)系特征。&l

27、t;/p><p><b>　　運(yùn)動行程范圍：</b></p><p>　　指執(zhí)行機(jī)構(gòu)直線移動距離或回轉(zhuǎn)角度的范圍，即各運(yùn)動自由度的運(yùn)動量。根據(jù)運(yùn)動行程范圍和坐標(biāo)形式就可確定機(jī)器人的工作范圍。</p><p><b>　　運(yùn)動速度：</b></p><p>　　是反映機(jī)器人性能的重要參數(shù)。通常所指的運(yùn)動速

28、度是機(jī)器人的最大運(yùn)動速度。它與抓取重量、定位精度等參數(shù)密切有關(guān)，互相影響。目前，國內(nèi)外機(jī)器人的最大直線移動速度為1000mm/s左右，一般為200～400mm/s；回轉(zhuǎn)速度最大為180º/s，一般為50º/s。</p><p>　　定位精度和重復(fù)定位精度：</p><p>　　定位精度和重復(fù)定位精度是衡量機(jī)器人工作質(zhì)量的一項重要指標(biāo)。</p><p&

29、gt;<b>　　課題的總體內(nèi)容</b></p><p>　　1.根據(jù)移動機(jī)構(gòu)的移動能力指標(biāo)，比較現(xiàn)有移動機(jī)構(gòu)的性能特點(diǎn)，確定移動機(jī)構(gòu)的最佳移動方式。</p><p>　　2.設(shè)計一個五自由度關(guān)節(jié)式機(jī)械臂。確定五自由度工業(yè)機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)和傳動關(guān)系，并通過對工業(yè)機(jī)器人的動力計算為各部位選擇合適的驅(qū)動電機(jī)。</p><p>　　3.確定五自由

30、度工業(yè)機(jī)器人設(shè)計計算機(jī)控制系統(tǒng)方案。</p><p>　　4.為所設(shè)計的五自由度工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行Pro/E建模。</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了本設(shè)計的課題背景，工業(yè)機(jī)器人的組成、分類和主要技術(shù)性能參數(shù)以及本設(shè)計的總體內(nèi)容。</p><p><b>　　機(jī)械臂的結(jié)

31、構(gòu)設(shè)計</b></p><p>　　五自由度工業(yè)機(jī)器人的主要參數(shù)</p><p>　　1. 自由度數(shù)：N＝5</p><p>　　2. 抓取重量：P＝250N</p><p>　　3. 手臂伸縮：L＝500mm，v=0.5m/s</p><p>　　4. 手臂俯仰：β＝±45º，ωβ＝3

32、0º/s</p><p>　　5. 手臂回轉(zhuǎn)：α＝220º，ωα＝30º/s</p><p>　　6. 手腕擺動：γ＝±90º，ωγ＝60º/s</p><p>　　7. 手腕回轉(zhuǎn)：ε＝300º，ωε＝120º/s</p><p>　　五自由度工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)<

33、;/p><p>　　以KUKA IR-662/100型機(jī)器人為參照，具有五個自由度，有六個控制軸，采用直流伺服控制。圖紙A1-04為其傳動原理圖：</p><p><b>　　1. 主要技術(shù)參數(shù)</b></p><p><b>　　表2-1 技術(shù)參數(shù)</b></p><p>　　(1) 采用空間多關(guān)節(jié)式

34、結(jié)構(gòu)，工作范圍比其它結(jié)構(gòu)形式要大；</p><p>　　(2) Ⅰ軸控制機(jī)器人腰座旋轉(zhuǎn)，伺服電動機(jī)軸上的小齒輪旋動腰部軸承帶輪齒的內(nèi)環(huán)完成運(yùn)動；Ⅱ軸、Ⅲ軸分別控制大小臂的運(yùn)動，其傳動是通過滾珠絲杠螺母副來完成，傳動剛度高；Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ軸控制腕部運(yùn)動，伺服電動機(jī)通過(Ⅵ軸除外)齒形帶輪、齒形帶輪副、諧波減速器等來完成腕部運(yùn)動；</p><p>　　(3) 對影響精度的主要傳動部分均采用錐滾子軸

35、承，向心推力球軸承；</p><p>　　(4) 腕關(guān)節(jié)傳動比分配采用先小后大的原則，諧波減速器放在最末一級，減少傳動零件的尺寸和重量；</p><p>　　(5) 對細(xì)長管軸，大量采用焊接工藝，以減少機(jī)械加工量，降低成本；</p><p>　　(6) 對大質(zhì)量零件均采用鋁材，如腕部全部采用高強(qiáng)度鑄鋁材料，從而大大減輕整機(jī)重量[5]。</p><

36、p><b>　　表2-2 傳動關(guān)系</b></p><p><b>　　2. 平衡系統(tǒng)</b></p><p>　　由于自重、承重較大，工作時運(yùn)動慣性亦較大，為使小臂接近靜平衡，將伺服電動機(jī)組件、齒形帶輪等大質(zhì)量零部件布置在與腕部相對的另一端。在此質(zhì)量靜平衡的基礎(chǔ)上，機(jī)器人還配置氣動平衡系統(tǒng)，用兩組平衡氣缸分別對大臂、小臂進(jìn)行平衡。通過改變

37、氣缸壓力來補(bǔ)償負(fù)荷變化對平衡的影響。氣動平衡系統(tǒng)除氣包外均放置在機(jī)器人外部。</p><p>　　五自由度工業(yè)機(jī)器人的動力計算</p><p><b>　　手部夾緊力的計算</b></p><p>　　N ≥ 9.8 k1 k2 k3G ( N )　　　　　　　　　　　　　(2-1)</p><p>　　G —— 抓取

38、工件的重量（kg）</p><p>　　k1 —— 安全系數(shù)，取1.2~2.0</p><p>　　k2 —— 工作狀況系數(shù)，可按k2=1+計算</p><p>　　a為機(jī)器人托運(yùn)工件過程中的加速度的絕對值。</p><p>　　k3 —— 方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選擇，這里選k3=1.03</p>

39、<p><b>　　所以：</b></p><p>　　N≥9.8 k1 k2 k3 G</p><p>　　=2501.21.21.03＝370.8 ( N )</p><p><b>　　手指驅(qū)動力</b></p><p>　　P＝

40、 (2-2)</p><p>　?。剑?991.7（N）</p><p>　　蝸輪蝸桿傳動效率η1＝0.97</p><p>　　銷的傳動效率η2＝0.9</p><p>　　總傳動效率η＝η1η2＝0.970.9＝0.873</p><p>　　實(shí)際驅(qū)動力 P實(shí)＝＝＝2281.4（N）&

41、lt;/p><p>　　圖2-2 手指傳動示意圖</p><p><b>　　手指驅(qū)動電機(jī)的選擇</b></p><p>　　手指夾開的速度為60º/s，蝸輪蝸桿傳動比為29：1</p><p>　　(1) 考慮到傳遞的功率不大，轉(zhuǎn)速較低，選用ZA蝸桿傳動，精度8c GB10089-88，蝸桿用35CrMo，表面淬

42、火，硬度為45-85HRC，表面粗糙度Ra≤1.6 um，蝸輪輪緣選用ZCaSn10P1金屬鑄造。</p><p><b>　　(2) 傳動比</b></p><p><b>　　i==</b></p><p>　　參考表《機(jī)械設(shè)計手冊》第二版，第四卷 表35.5-5，取Z1=1，Z2=iZ1=29</p>

43、<p>　　查表35.5-6選取</p><p>　　a=40,i=29,m=2</p><p>　　d1=22.4,Z1=1,Z2=29</p><p>　　蝸輪分度圓直徑：d2=mZ2=2×29=58</p><p>　　導(dǎo)程角r=arctan (2-3)&l

44、t;/p><p>　　=arctan=5.1º</p><p><b>　　蝸桿轉(zhuǎn)矩：</b></p><p>　　P1＝P實(shí)tgγ (2-4)</p><p>　?。?281.4tg5.1º＝203.6 N</p>

45、<p>　　T＝＝＝2.28N·m</p><p>　　圖2-3 蝸桿轉(zhuǎn)矩受力分析</p><p>　　蝸桿轉(zhuǎn)速v1＝60º/s=1740º/s＝290 r/min＝30.35 rad/s</p><p><b>　　電動機(jī)功率：</b></p><p>　　Pm≈（1.5 ~

46、 2.5）</p><p>　　MLP—— 負(fù)載峰值力矩（N·m）</p><p>　　ΩLP —— 負(fù)載峰值轉(zhuǎn)速（rad/s）</p><p>　　η —— 傳動裝置的效率，取0.7~0.9</p><p>　　∴Pm＝2 (2-5)</p><p>　

47、　而MLP＝T，ΩLP＝v1，η＝0.8</p><p>　　Pm＝2＝173 W</p><p>　　所以：查《實(shí)用機(jī)械電氣技術(shù)手冊》電機(jī)篇表13－15選伺服電機(jī)型號為：110SZ52,185W,1500r/min，220V</p><p>　　選取同步帶的傳動比為=1.875 </p><p>　　齒輪副的傳動比為=1.5</p&g

48、t;<p>　　同步帶的傳動比為=1</p><p>　　齒輪副的傳動比為==1.84</p><p><b>　　腕擺電機(jī)的選擇</b></p><p>　　腕擺轉(zhuǎn)速ωγ＝60º/s＝10 r/min</p><p><b>　　估計腕重為50kg</b></p>

49、;<p>　　總重G＝(50+25.5)g</p><p>　?。?5.59.8＝739.9 N</p><p><b>　　F＝＝8.7N</b></p><p>　　F實(shí)＝＝＝10.88N</p><p><b>　　η—諧波效率</b></p><p>&

50、lt;b>　　T＝T實(shí)</b></p><p>　?。?0.88＝282.88N·mm＝0.28N·mm</p><p>　　圖2-4 腕擺力矩分析示意圖</p><p>　　腕擺ΩLP＝1085＝850r/min＝88.97rad/s</p><p>　　Pm＝2＝2＝62.28W</p>

51、<p>　　(MLP＝T，ΩLP＝v1，η＝0.8)</p><p>　　所以：查《實(shí)用機(jī)械電氣技術(shù)手冊》電機(jī)篇表13－15選伺服電動機(jī)型號：90SZ52，1500 r/min，80W，220V</p><p>　　選取齒輪副的傳動比為=1</p><p>　　諧波減速器i3的傳動比為i3=80</p><p>　　同步帶的傳動比

52、為==1.875</p><p>　　手腕回轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)的選擇：</p><p>　　手腕回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速ωε＝120º/s＝20 r/min</p><p>　　回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩：Mc＝Mga+Mf </p><p>　　Mga — 啟動（制動）的過程中的慣性力矩</p><p><b>　　Mga＝J0</

53、b></p><p>　　w—手臂回轉(zhuǎn)在啟動或制動過程中角速度的變化量，就是工作角速度，w＝w (rad/s)</p><p>　　t — 啟動或制動過程的時間( s )</p><p>　　J0 — 手部、腕部、臂部、機(jī)身及工件等回轉(zhuǎn)部件對機(jī)身回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量(kg·m2)</p><p>　　Mf — 密封裝置處的摩擦

54、阻力矩(N·m)</p><p>　　Mf＝ (2-6)</p><p>　　η —效率，取η＝0.85～0.9</p><p><b>　　J0=</b></p><p>　?。剑?.096kg·m2</p>&

55、lt;p><b>　　Mga＝J0</b></p><p>　?。?.096＝0.672N·m</p><p>　　Mc＝Mga+Mf (2-7) </p><p>　　＝Mga+＝0.672+＝1.42N·m</p>&

56、lt;p>　　ΩLP＝20r/min＝136.5rad/s</p><p><b>　　Pm＝2</b></p><p>　?。?＝484.6 w</p><p>　　所以：查《實(shí)用機(jī)械電氣技術(shù)手冊》電機(jī)篇表13－15選取伺服電動機(jī)型號：130SZ04，3000r/min，600W，200V</p><p>　　選

57、取諧波減速器i3的傳動比為i2=80</p><p>　　同步帶的傳動比為==1.875</p><p>　　手臂回轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)的選擇：</p><p>　　回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速：ωα＝30º/s＝5 r/min</p><p>　　選取諧波減速器i1的傳動比為i2=80</p><p>　　漸開線圓柱齒輪，模數(shù)(法面模數(shù)

58、)m=1.5</p><p>　　齒數(shù)Z1=40，Z2=150</p><p>　　圖2-5 手臂回轉(zhuǎn)示意圖</p><p>　　F摩擦＝G·f＝550gf＝5509.80.1＝539N</p><p><b>　　r =＝＝＝30</b></p><p>　　MLP＝F摩擦 ·

59、;r</p><p>　?。剑?6.17N·m</p><p>　　ΩLP＝5 r/min</p><p>　?。?.52 rad/s＝1.95rad/s</p><p><b>　　Pm＝2</b></p><p><b>　　＝2＝78.8w</b></p

60、><p>　　所以：查《實(shí)用機(jī)械電氣技術(shù)手冊》電機(jī)篇表13－15選伺服電動機(jī)型號：90SZ52，1500 r/min，80W，220V</p><p>　　電機(jī)轉(zhuǎn)速為n電=ωαi1 (2-8)</p><p>　　= 580=1500r/min符合要求</p><p>　　同步帶設(shè)計：(P=

61、300W,n=3000 r/min)</p><p>　　Pc=KA·P=1.6600＝960W=0.96kW</p><p>　　參考表《機(jī)械設(shè)計手冊》第二版，第四卷表33.1-50取載荷修正KA=1.6</p><p>　　選取L型，節(jié)距Pb＝9.525mm，Zmin＝16</p><p><b>　　查表得：<

62、/b></p><p>　　小帶輪齒數(shù)：Z1＝17</p><p>　　小帶輪節(jié)徑：d1===51.54mm</p><p>　　小帶輪外徑：查得d01＝50.78 mm</p><p>　　大帶輪齒數(shù)：Z2=iZ1=1.87517=31.875，取Z2＝32</p><p>　　大帶輪節(jié)徑：d2===97.02

63、 mm</p><p>　　大帶輪外徑：查得d02＝96.26mm,</p><p>　　初定中心矩a0=110mm</p><p><b>　　選同步帶長及齒數(shù)：</b></p><p><b>　　LP0＝2a0++</b></p><p>　?。?110++＝457.9

64、4mm</p><p>　　查表33.1-47：選LP＝476.25 mm，Zb＝50，代號：187</p><p>　　理論中心距 a≈a0 +</p><p>　?。?10＋＝119.2mm</p><p>　　故，選取中心距a0=120mm</p><p>　　小帶嚙合齒數(shù)：Zn ≈

65、 (2-9)</p><p>　?。剑?.43＞Znmin＝6</p><p><b>　　基本額定功率：</b></p><p>　　查表33.1-53得Ta=244.46N,m=0.095kg/m,bs0 =25.4mm</p><p>　　帶速v===4.05m/s</p><

66、;p>　　P0===0.99Kw</p><p><b>　　所需帶寬bs</b></p><p><b>　　bs=bs0</b></p><p>　　由表33.1-52 查得，L型帶bs0=25.4mm,Kz=1</p><p>　　bs=25.4=24.72mm</p>&

67、lt;p>　　由表33.1-48查得，選帶寬代號為100的L型帶，bs=25.4mm</p><p>　　查表選雙邊擋圈，bf=26.7mm,t=1.5mm</p><p><b>　　帶輪的結(jié)構(gòu)和尺寸：</b></p><p>　　傳動選用的同步帶為187L100</p><p>　　小帶輪：Z1=17，d1=5

68、1.54mm</p><p>　　da1=50.78mm</p><p>　　大帶輪：：Z2=32，d2=97.02mm</p><p>　　da2=96.26mm</p><p>　　圖2-6 雙邊擋圈示意圖</p><p><b>　　大臂驅(qū)動絲桿的設(shè)計</b></p><

69、p>　　估算：等效載荷Fm=1000N,絲桿有效行程270mm,等效轉(zhuǎn)速nm=1500r/min,要求使用壽命Lh =15000h左右，工作溫度低于100℃，可靠度95%，精度為3級精度。</p><p><b>　　計算載荷</b></p><p>　　Fc= (2-10)</p>

70、;<p>　　查《機(jī)電液設(shè)計手冊》上冊，表15-21得</p><p>　　=1.1，=1.0，=1.61，=1</p><p><b>　　Fc=</b></p><p>　　=1.11.01.6111000=1771N</p><p><b>　　= </b></p>

71、<p><b>　　= =19559N</b></p><p>　　選擇滾珠絲桿副的型號</p><p><b>　　主要尺寸為：</b></p><p>　　按=19559N，查表15-24，選用FF3206-5列</p><p>　　=32mm,=6mm,=4mm,d=30.9mm&

72、lt;/p><p>　　≤27 mm,=24000N ,=1880N</p><p>　　螺旋導(dǎo)程角γ= arctan=arctan=3º25′1″</p><p>　　螺桿不長，無需驗(yàn)算穩(wěn)定性。</p><p><b>　　剛度驗(yàn)算</b></p><p>　　按最不利情況考慮，即在螺距(

73、導(dǎo)程)內(nèi)受軸向力引起的彈性變形與受轉(zhuǎn)矩引起彈性變形方向一致，此時變形量為最大，計算公式為：</p><p>　　=+ (2-11)</p><p>　　式中T1=··tan(γ+)</p><p>　　=1000tan(+)=996N·mm</p><p>

74、;　　磨擦系數(shù)f=0.025,當(dāng)量磨擦角=，</p><p>　　剪切彈性模量G=8.33N/mm2</p><p>　　所以：=+=0.0107μm</p><p>　　其中，危險截面=28.45，E=2.06</p><p>　　每米螺桿長度上的螺矩的彈性變形</p><p>　　==1.78/m<()p=1

75、5/m</p><p>　　因?yàn)闈L球絲桿精度要求為3級精度，由表15-8查得</p><p><b>　　()p=15/m</b></p><p><b>　　計算效率</b></p><p>　　η===0.960=96%</p><p><b>　　絲桿驅(qū)動電機(jī)

76、的選擇</b></p><p>　　電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須滿足絲桿的等效轉(zhuǎn)速1500 r/min,選擇電機(jī)型號為：130SZ01，2.26N·m，1500r/min，350W</p><p>　　小臂絲桿和電機(jī)的選擇</p><p>　　設(shè)計原理與要求和大臂絲桿及電機(jī)相同，絲桿型號為：FF3206-5列，電機(jī)型號為：130SZ01[6]</p&g

77、t;<p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　本章內(nèi)容主要確定了五自由度工業(yè)機(jī)器人的主要參數(shù)，對五自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計并完成了五自由度工業(yè)機(jī)器人的動力計算。</p><p>　　機(jī)械臂的Pro/E建模</p><p>　　Pro/ENGINEER是世界上擁有用戶最多的三維CAD軟件，由美國PTC公司出品

78、，其軟件產(chǎn)品的總體設(shè)計思想體現(xiàn)了MDA（Mechanical Design Automation）軟件的新發(fā)展，Pro/ENGINEER是一套又設(shè)計至生產(chǎn)機(jī)械自動化軟件，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個參數(shù)化、基于特征的實(shí)體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫功能。</p><p>　　Pro/ENGINEER其強(qiáng)大完美的功能，使其在工業(yè)造型設(shè)計、三維模型設(shè)計、計算分析、運(yùn)動學(xué)分析、工程圖的輸出甚至加工成產(chǎn)品等各個方面都有

79、所應(yīng)用[11]。</p><p>　　三維建模的過程大致如下圖3-1：</p><p><b>　　圖3-1 建模過程</b></p><p><b>　　創(chuàng)建零件</b></p><p>　　1.運(yùn)行Pro/E程序。</p><p>　　2.單擊“新建”按鈕（圖3-2），在

80、“新建”對話框中的“類型”單選框中選取“零件”,在“名稱”一欄出輸入零件名稱，把“使用缺省模板”前面的勾去掉，單擊“確定”(圖3-3)。選擇“mmns_part_solid”,然后單擊“確定”（圖3-4）。</p><p>　　圖3-2 文件 圖3-3 新建</p><p>　　圖3-4 新文件選項</p><p>

81、;　　3.單擊“拉伸”按鈕，點(diǎn)選“放置”→“定義”（圖3-5）,選擇FRONT面，單擊“草繪”（圖3-6）,進(jìn)入草繪平面。</p><p>　　圖3-5 草繪選項 圖3-6 放置</p><p>　　4.單擊“創(chuàng)建圓”按鈕，在草繪平面內(nèi)分別畫2個圓（圖3-7），單擊“確認(rèn)”按鈕。</p><p><b>　　圖3-7 草

82、繪圖</b></p><p>　　5.在“深度值”處輸入3（圖3-8），單擊“確認(rèn)”。</p><p>　　圖3-8 設(shè)置深度值</p><p>　　6.保存文件，完成建模。</p><p><b>　　裝配</b></p><p>　　1.運(yùn)行Pro/E程序。</p>

83、<p>　　2.單擊“新建”按鈕（圖3-2），在“新建”對話框中的“類型”單選框中選取“組件”,在“名稱”一欄出輸入零件名稱，把“使用缺省模板”前面的勾去掉，單擊“確定”(圖3-3)。選擇“mmns_asm_design”,然后單擊“確定”（圖3-9）。</p><p>　　3.單擊“將元件添加到組件”按鈕，選擇零件。</p><p>　　4．單擊“放置”,選擇“缺省”（圖3-1

84、0），確定。</p><p>　　圖3-9 新文件選項</p><p>　　圖3-10 放置定義</p><p>　　5．重復(fù)第3步，添加零件。</p><p>　　6．使用約束將第2個零件裝配到第一個零件上。</p><p>　　7．重復(fù)第3步與第6步，將所有零件都裝配在一起。</p><p>

85、;　　8．保存文件，完成裝配。</p><p><b>　　制作裝配動畫</b></p><p>　　1.運(yùn)行Pro/E程序，打開已經(jīng)裝配好的文件。</p><p>　　2.選擇“應(yīng)用程序”下的“動畫”，進(jìn)入動畫制作界面。</p><p>　　3.單擊“主體定義”按鈕，選擇“每個主體一個零件”（圖3-11）</p&

86、gt;<p>　　圖3-11 創(chuàng)建主體</p><p>　　4.單擊“創(chuàng)建新關(guān)鍵幀序列”按鈕，在單擊“編輯或創(chuàng)建快照”（圖3-12），用“主體拖動”對個別零件進(jìn)行移動。然后點(diǎn)擊拍照按鈕，重復(fù)移動和拍照（圖3-13）。</p><p>　　5.單擊“啟動動畫” ，運(yùn)行動畫。</p><p>　　6．單擊“回放” ，選擇“捕捉”→“確定”,動畫被保存到組件

87、所在的目錄下，完成。</p><p>　　圖3-12 關(guān)鍵幀 圖3-13 拖動</p><p>　　圖3-14機(jī)械臂裝配圖</p><p><b>　　本章小結(jié)</b></p><p>　　建立了機(jī)械手的三維模型，對機(jī)械手運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)性能進(jìn)行了仿真研究，分析了運(yùn)動部件之間的相對關(guān)

88、系，完成了機(jī)械手抓取不同目標(biāo)物時的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)仿真；機(jī)械手采用液壓驅(qū)動方式，驅(qū)動力大、結(jié)構(gòu)簡單。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本文通過對五自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，建立了機(jī)械臂運(yùn)動過程模型。又通過五自由度工業(yè)機(jī)器人的動力計算、建立計算機(jī)控制系統(tǒng)方案和對機(jī)械臂進(jìn)行Pro/E三維建模，得到了如下一些結(jié)果：</p><

89、;p>　　1．五自由度機(jī)械臂可用于搜索、抓取水下管件、纜線等細(xì)長物體,也可用于抓取其它形狀的物體,具有一定的通用性。</p><p>　　2．機(jī)器人能自動控制，多功能，有幾個自由度，可固定或運(yùn)動，用于相關(guān)自動化系統(tǒng)中。</p><p>　　3．可編程控制器控制系統(tǒng)主要是針對五自由度工業(yè)機(jī)器人的控制?？删幊炭刂破魇峭ㄟ^軟件來實(shí)現(xiàn)控制的，只需改變軟件就可以實(shí)現(xiàn)不同的控制要求。</p

90、><p>　　在本文結(jié)束之際，總結(jié)自己所做的工作，受時間和研究水平所限，認(rèn)為在對機(jī)器人自動控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)與應(yīng)用還應(yīng)進(jìn)一步深入研究，使機(jī)器人具備自動控制工作和機(jī)體在外部障礙的影響下進(jìn)行自動修正的功能。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本文是在導(dǎo)師焦波老師的精心指導(dǎo)下和熱情關(guān)懷下完成的。在論文的整個過程中無不滲透著焦波老

91、師的大量心血。幾個月來，焦老師那嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，開拓創(chuàng)新的科研作風(fēng)，忘我的工作精神和對學(xué)生的關(guān)愛，無一不讓我感動和欽佩，這將使我在今后的工作和學(xué)習(xí)中受益終身。在此表示衷心的感謝，并致以最崇高的敬意。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1 蔡自興．機(jī)器人學(xué)．清華大學(xué)出版社，2000：4~7</p><p>　　2

92、 (法)科依費(fèi)特，(法)奇羅茲．機(jī)器人技術(shù)導(dǎo)論．匡興華，陳元興　譯．國防科技大學(xué)出版社，1991年5月：15~17</p><p>　　3 成大先．機(jī)械設(shè)計手冊，第4卷．化學(xué)工業(yè)出版社，2002：6~7</p><p>　　4 鐘約先，林享．機(jī)械系統(tǒng)計算機(jī)控制．清華大學(xué)出版社，2001：8~10</p><p>　　5 李元宗．機(jī)器人學(xué)講義．太原工業(yè)大學(xué)，1

93、991：10~18</p><p>　　6 淮良貴，紀(jì)各剛．機(jī)械設(shè)計．高等教育出版社，1996：10~18</p><p>　　7 余達(dá)太，馬香峰．業(yè)機(jī)器人應(yīng)用．冶金工業(yè)出版社，2001：11~19</p><p>　　8 蔡自興，張鐘?。畽C(jī)器人技術(shù)的發(fā)展．機(jī)器人，1987：58~62</p><p>　　9 徐元呂．工業(yè)機(jī)器人．中國

94、輕工業(yè)山版社，1995：20~23</p><p>　　10 周伯英．工業(yè)機(jī)器人設(shè)計．北京機(jī)械工業(yè)出版社，1995：20~23</p><p>　　11 徐元呂．機(jī)械電子技術(shù)．上海同濟(jì)大學(xué)出版社，1995：20~23</p><p>　　12 振邦，汪勤澎，陳晉華．機(jī)器人機(jī)械設(shè)計．電子工業(yè)出版社，1995：20~23</p><p>　

95、　13 張福學(xué)．機(jī)器人學(xué)一智能機(jī)器人傳感技術(shù)．電子工業(yè)出版社，1995：20~23</p><p>　　14 郭巧．現(xiàn)代機(jī)器人學(xué)．北京理工大學(xué)出版社，1999：20~23</p><p>　　15 蔣新松．國外機(jī)器人的發(fā)展及我們的對策研究．機(jī)器人，1987：3~10</p><p>　　16 李真，李志強(qiáng)．協(xié)作多機(jī)器人系統(tǒng)的模塊化設(shè)計與實(shí)現(xiàn)．機(jī)器人，1999

96、：23~25</p><p>　　17 馬宏緒．兩足步行機(jī)器人的動態(tài)步行研究．國防科大博士學(xué)位論文，1995：13~15</p><p>　　18 馬香峰．機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)．機(jī)械工業(yè)出版社，1991：16~20</p><p>　　19 彭慧，封錫盛．“探索者”號白治式無纜水下機(jī)器人控制軟體系結(jié)構(gòu)．機(jī)器人，1995：3~5</p><p>

97、　　20 張鐘俊，蔡白興．機(jī)器人自動化的新趨勢自動化，1986：2~3</p><p>　　21 諸靜．機(jī)器人與控制技術(shù)．浙江大學(xué)出版社，1992：23~35</p><p>　　22 Fuzzy PID Control of a Five DOF Robot Arm Journal of Intelligent and Robotic Systems ，Springer Nethe

98、rlands：2004：57~68</p><p>　　23 DewitC. Trends of control for mobile robotsand vehicles. Procof Control Problemsin Roboticsnad Automation.1998,12：151~175</p><p>　　24 Hamilton J F.Cipra RJ.Design

99、 and Analysis of Robot Manipulators,ME-597T,Purdue University.2000：78~89</p><p><b>　　附錄A</b></p><p>　　圖A-1為底座尺寸示意圖</p><p>　　圖A-1底座尺寸示意圖</p><p>　　圖A-2為腰關(guān)節(jié)尺寸示

100、意圖</p><p>　　圖A-2腰關(guān)節(jié)尺寸示意圖</p><p>　　圖A-3為小臂連桿尺寸示意圖</p><p>　　圖A-3小臂連桿尺寸示意圖</p><p>　　圖A-4為鐘形連桿尺寸示意圖</p><p>　　圖A-4鐘形連桿尺寸示意圖</p><p>　　圖A-5為腕部連接桿尺寸示意