6自由度機器人機械結(jié)構(gòu)設計

1、6自由度機器人機械結(jié)構(gòu)設計及路徑規(guī)劃摘要近二十年來，機器人技術(shù)發(fā)展非常迅速，各種用途的機器人在各個領(lǐng)域 廣泛獲得應用。我國在機器人的研究和應用方而與工業(yè)化國家相比還有一定 的差距，因此研究和設計各種用途的機器人特別是工業(yè)機器人、推廣機器人 的應用是有現(xiàn)實意義的。典型的工業(yè)機器人例如焊接機器人、噴漆機器人、裝配機器人等大多是 固定在生產(chǎn)線或加工設備旁邊作業(yè)的，本論文作者在參考大量文獻資料的基 礎(chǔ)上，結(jié)合任務書的要求，設計了一種小型的實現(xiàn)移動的六自由度串聯(lián)機器 人。首先，作者針對機器人的設計要求捉出了多個方案，對其進行分析比較, 選擇其小最優(yōu)的方案進行了結(jié)構(gòu)設計；同時進行了運動學分析，用dh方 法

2、建立了坐標變換矩陣，推算了運動方程的正、逆解。機器人廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療及家庭生活中，工業(yè)機器人主要應 用領(lǐng)域冇弧焊、點焊、裝配、搬運、噴漆、檢測、碼垛、研濟拋光和激光加 工等復朵作業(yè)。總之，工業(yè)機器人的多領(lǐng)域廣泛應用，其發(fā)展前景廣闊。關(guān)鍵詞：機器人關(guān)節(jié)，運動學分析，工業(yè)機器人，口由度construction design > kinematics analysis ofsix degree of freedom robotabstractin the past twenty years, the robot technology has been developed greatl

3、y and used in many different fields- there is a large gap between our country and the developed countries in research and application of the robot technology so that there will be a great value to study , design and applied different kinds of robots, especially industrial robots.most typical industr

4、ial robots such as welding robot, painting robot and assembly robot are all fixed on the product line or near the machining equipment when they are working. based on larger number of relative literatures and combined with the need of project, the author have designed a kind of small-size serial robo

5、t with 6 degree of freedom which can be fixed on the agv to construct a mobile robot.first of all, several kinds of schemes were proposed according to the design demand. the best scheme was chosen after analysis and comparing and the structure was designed. at same time, the kinematics analysis was

6、conducted, coordinate transformation matrix using d h method was set up, and the kinematics equation direct solution and inverse solution was deduced,robots are widely used in industry, agriculture, medical and family life, the main application areas of industrial robot are complex operations includ

7、es welding, spot welding, assembly, handling, painting, inspection, palletizing, grinding polishing and laser processing etc. in one word, the development prospects of widely used in many fields of industrial robots are broad.key words： robot joints, kinematics analysis, industrial robot, degree of

8、freedom.前言1第1章工業(yè)機器人介紹2_§ 1. 1工業(yè)機器人概述 2_§1.2工業(yè)機器人的驅(qū)動方式3_§1.3工業(yè)機器人的分類3第2章 工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)方案確定4_§2. 1機器人自由度分配和手臂手腕構(gòu)形4_§2. 2傳動系統(tǒng)布置5_§2. 3方案描述6第3章機械設計部分8_§3. 1底座旋轉(zhuǎn)臺設計8§3.1.1電機選擇錯誤！未定義書簽。§3.1.2蝸輪蝸桿設計13§3.1.3底座旋轉(zhuǎn)軸設計15 _§3.2主要零部件的校核18-§3.3對驅(qū)動臂進行簡單的有限元分析20第

9、4章機器人運動學分析26_§4.1求運動學止解26§4.2求運動學逆解35結(jié)論41參考文獻4243致謝畢業(yè)設計是實現(xiàn)培養(yǎng)目標的重要教學環(huán)節(jié)，是培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新能力、 實踐能力和創(chuàng)業(yè)精神的重要過程。畢業(yè)設計在培養(yǎng)大學生探求真理、強化社 會意識、進行科學研究基本訓練、提高綜合實踐能力與索質(zhì)等方面，具有不 可替代的作用，也是教育與生產(chǎn)勞動和社會實踐相結(jié)合的重要體現(xiàn)。畢業(yè)設計的目的是使學生進一步鞏固和加深對所學的基礎(chǔ)理論、基本技 能和專業(yè)知識的掌握，使之系統(tǒng)化、綜合化。培養(yǎng)學生的獨立工作、獨立思 考和綜合運用已學知識解決實際問題的能力，尤其注重培養(yǎng)學生開發(fā)創(chuàng)造能 力和獨立獲取新知識

10、的能力。本次設計完成的主要內(nèi)容是六自由度工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)設計，以及初步運 動學分析。在設計過程中，我初步參考了網(wǎng)上一些優(yōu)秀的機器人結(jié)構(gòu)設計理 念，后經(jīng)過老師提供現(xiàn)實產(chǎn)品三維模型的結(jié)構(gòu)參考，完善了本次設計的結(jié)構(gòu) 設計。此外，本次畢業(yè)設計主要由inventor三維造型完成，它被廣泛應用于機 械制造行業(yè)，通過inventor設計的機器人，可以對其進行應力分析和運動仿 真。并使用matlab軟件求出機器人的正逆解。第1章 工業(yè)機器人概況介紹§1工業(yè)機器人概述工業(yè)機器人，一般指的是在工廠車間壞境中，配合自動化生產(chǎn)的需要， 代替人來完成材料或零件的搬運、加工、裝配等操作的一種機器人。國際標 準化組

11、織(iso)在對工業(yè)機器人所下的定義是“機器人是一種自動的、位置可 控的、具冇編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能借助于可 編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用設備，以執(zhí)行種種任務”。§1.21業(yè)機器人驅(qū)動方式§1.2.1氣動式工業(yè)機器人"7】這類工業(yè)機器人以壓縮空氣來驅(qū)動操作機，其優(yōu)點是空氣來源方便，動 作迅速，結(jié)構(gòu)簡單造價低，無污染，缺點是空氣具有可壓縮性，導致工作速 度的穩(wěn)定性較差，又因氣源壓力一般只有6kpa左右，所以這類工業(yè)機器人抓 舉力較小，一般只有幾十牛頓，最大百余牛頓。§1.2.2液壓式工業(yè)機器人液壓壓力比氣壓壓力高得多

12、，一般為70kpa左右，故液壓傳動工業(yè)機器 人具有較大的抓舉能力，可達上千牛頓。這類工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平 穩(wěn)，動作靈敏，但對密封要求較高，且不宜在高溫或低溫壞境下工作。 §1.2.3電動式工業(yè)機器人這是冃前用得最多的一類工業(yè)機器人，不僅因為電動機品種眾多，為工 業(yè)機器人設計提供了多種選擇，也因為它們可以運用多種靈活控制的方法。 早期多采用步進電機驅(qū)動，后來發(fā)展了直流伺服驅(qū)動單元，目前交流伺服驅(qū) 動單元也在迅速發(fā)展。這些驅(qū)動單元或是直接驅(qū)動操作機，或是通過諸如諧 波減速器的裝置來減速后驅(qū)動，結(jié)構(gòu)十分緊湊、簡單。§1.3 1業(yè)機器人的分類工業(yè)機器人按操作機坐標形式分以下幾

13、類（坐標形式是指操作機的手臂 在運動時所取的參考坐標系的形式人（1）直角坐標型工業(yè)機器人其運動部分由三個相互垂直的直線移動（即ppp）組成，其工作空間圖 形為長方形。它在各個軸向的移動距離，口j在各個坐標軸上直接讀出，直觀 性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高，控制無耦合，結(jié)構(gòu)簡單， 但機體所占空間體積大，動作范圍小，靈活性差，難與其他工業(yè)機器人協(xié)調(diào) 工作。（2）圓柱坐標型工業(yè)機器人其運動形式是通過一個轉(zhuǎn)動和兩個移動組成的運動系統(tǒng)來實現(xiàn)的，其工 作空間圖形為圓柱，與直角坐標型工業(yè)機器人相比，在相同的工作空間條件 下，機體所占體積小，而運動范圍大，其位置精度僅次于宜角坐標型機器人, 難與其

14、它工業(yè)機器人協(xié)調(diào)工作。（3）球坐標型工業(yè)機器人又稱極坐標型工業(yè)機器人，其手臂的運動由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線移動（即 rrp,個冋轉(zhuǎn)，一個俯仰和一個伸縮運動）所組成，其工作空間為一球體， 它可以作上下俯仰動作并能抓取地面上或較低位置的協(xié)調(diào)工件，其位置精度 高，位置誤差與臂長成正比。（4）多關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人又稱冋轉(zhuǎn)坐標型工業(yè)機器人，這種工業(yè)機器人的手臂與人體上肢類似， 其前三個關(guān)節(jié)是回轉(zhuǎn)副（即rrr）。（5）平面關(guān)節(jié)型工業(yè)機器人它采用一個移動關(guān)節(jié)和兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（即prr）,移動關(guān)節(jié)實現(xiàn)上下運 動，而兩個冋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)則控制前后、左右運動。這種形式的工業(yè)機器人又稱 scara（selective compli

15、ance assembly robot arm）裝配機器人。第2章工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)方案確定§2.1機器人自由度的分配和手臂手腕的構(gòu)形手臂是執(zhí)行機構(gòu)中的主要運動部件，它用來支承腕關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器， 并使它們能在空間運動。為了使手部能達到工作空間的任意位置，手臂一般 至少有三個自由度，少數(shù)專用的工業(yè)機器人手臂自曲度少于三個。手臂的結(jié) 構(gòu)形式有多種，常用的構(gòu)形如圖2-1,本設計要求機器人手臂能達到工作空廣轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)平移關(guān)節(jié)圖2-1手臂的常用構(gòu)形間的任意位置和姿態(tài)，同時要結(jié)構(gòu)簡單，容易控制。綜合考慮后確定該機器 人具有六個自由度，其中手臂三個自由度。由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié) 型機器人比非關(guān)節(jié)型

16、機器人冇大得多的相對空間（手腕可達到的最大空間體 積與機器人本體外殼體積之比）和絕對工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時關(guān)節(jié)型機 器人的動作和軌跡更靈活，因此該型機器人采用關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn) 關(guān)節(jié)相對平移關(guān)節(jié)來講，操作空間大，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，關(guān)節(jié)易于密封防 塵。這里使用了六個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，綜合各種手臂和手腕構(gòu)形，最后確定其結(jié)構(gòu) 形式如圖2-2圖22機器人結(jié)構(gòu)形式§2.2傳動系統(tǒng)的布置總體結(jié)構(gòu)方案確定后，作出機器人結(jié)構(gòu)草圖。在傳動系統(tǒng)的布置方面, 嘗試了多種不同的方案。主要有以下幾種，見圖23。方案1（圖23a）傳動 鏈最短，誘導運動少。但手腕結(jié)構(gòu)尺寸大，重量大，腰部結(jié)構(gòu)復雜。方案3（圖 2-

17、3c）.方案4（圖2-3d）腰部結(jié)構(gòu)簡單，便于應用重力進行力矩平衡，但大、 小臂結(jié)構(gòu)復雜，傳動鏈長，誘導運動多，方案2（圖2- 3b）傳動鏈短，手腕 重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。綜合考慮，最后確定方案2為較優(yōu)方案，根據(jù)該方案進 行機械結(jié)構(gòu)設計。(b) (d)圖2-3傳動系統(tǒng)方案圖§2.3方案描述該機器人固定在自動引導車（agv） ±o這種agv可以實現(xiàn)水平方向兩個自由度的運動，導航方式有多種，如磁導航、激光導航、程序自動軌 跡控制等方式，i大i此，該機器人有運動自由靈活的特點。機器人本體由機座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端執(zhí)行器和驅(qū)動裝置 組成。共有六個自由度，依次為腰部冋轉(zhuǎn)、大臂俯

18、仰、小臂俯仰、手腕冋轉(zhuǎn)、 手腕俯仰、手腕側(cè)擺。機器人采用電動機驅(qū)動。這種驅(qū)動方式具有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、使用 維修方便、不污染環(huán)境等優(yōu)點，這也是現(xiàn)代機器人應用最多的驅(qū)動方式。為 實現(xiàn)機器人靈活自由地移動，驅(qū)動系統(tǒng)使用了蓄電池供電。電動機町以選擇 步進電機或直流伺服電機。使用直流伺服屯機能構(gòu)成閉環(huán)控制，精度高，額 定轉(zhuǎn)速高，但價格較高，而步進電機驅(qū)動具有成本低，控制系統(tǒng)簡單的優(yōu)點。 確定這種機器人的6個關(guān)節(jié)都采用步進電機驅(qū)動，開環(huán)控制。由于大臂俯仰和小臂俯仰運動的力矩很大，分別為150nm和27nm左 右，如果使用電機直接驅(qū)動的話，要求電機的輸出扭矩很犬，因此考慮在大 臂關(guān)節(jié)和小臂關(guān)節(jié)處使用減速

19、器。常用的減速器有行星減速器和諧波減速器 等。諧波減速器具冇傳動比大、承載能力強、傳動平穩(wěn)、體積小、重量輕的 優(yōu)點，已廣泛應用在現(xiàn)代機器人中。因此在大臂和小臂關(guān)節(jié)處使用了諧波減 速器，減速比分別為1:100和1:50 ,使用的步進電機輸出扭矩分別為 3.7nm和1.0 nm 。在現(xiàn)代機器人結(jié)構(gòu)中廣泛使用著各種機器人軸承，常 用的有環(huán)形軸承和交叉滾子軸承。這幾種機器人專用軸承具冇結(jié)構(gòu)簡單緊湊, 精度高、剛度大，承載能力強（可承受徑向力、軸向力、傾覆力矩）和安裝 方便等優(yōu)點。但考慮到這些軸承價格昂貴，而使用普通的球軸承或滾子軸承 也能滿足結(jié)構(gòu)的需要，所以在該機器人的結(jié)構(gòu)中仍然全部采用球軸承。參考

20、同類機器人的運動參數(shù)，結(jié)合工作情況的需要，定出該型機器人的運動參數(shù) 如下：結(jié)構(gòu)形式：垂直關(guān)節(jié)自由度：6負載;6kg大臂擺動角度：160°腕部轉(zhuǎn)動角度：360°小臂冋轉(zhuǎn)角度：360°腕部擺動角度：120°大臂擺動角度：160°腰部轉(zhuǎn)動角度：360°第三章機械設計部分§3底座旋轉(zhuǎn)臺設計§311、電機選擇機器人手臂手腕出底座旋轉(zhuǎn)臺驅(qū)動繞其轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，最人轉(zhuǎn)動幅度錯誤！未找到引用源。，最大轉(zhuǎn)速錯誤！未找到引用源。（錯誤！未找到引用源。）。 假設轉(zhuǎn)動重心距離轉(zhuǎn)軸最人距離錯誤！未找到引用源。，轉(zhuǎn)動冇效重量錯 誤！未找到引用源。t

21、6= 40-s-錯誤！未找到引用源。錯誤！未找到引用源。傳動電機經(jīng)過兩對圓錐滾子軸承、一個聯(lián)軸器傳遞駆動手腕3轉(zhuǎn)動，電 機轉(zhuǎn)矩為錯誤！未找到引用源。此處錯誤！未找到引用源。，錯誤！未找到引用源。，錯誤！未找到引用 源。，錯誤！未找到引用源。亞240電檸& 呢您2吸続燼陶邸溉x 0卿x oso x 20.&底座冋轉(zhuǎn)張動電機選擇，為保證張動力矩足夠，選擇電機的轉(zhuǎn)矩應該大 于錯誤！未找到引用源。倍計算所需的轉(zhuǎn)矩錯誤！未找到引用源。，即ta 超= cl sl s） x 15.39 為 2s23n110bygh150-001型號機長步距角相電壓相電流靜轉(zhuǎn)矩相電阻轉(zhuǎn)動慣質(zhì)量mm錯誤！va錯

22、誤！a量錯kg未找到未找到誤！未引用引用找到引源。源。用源。uobygh150-0011501.8°5.446.8210. 810.98.4§3.1.2蝸輪蝸桿設計1、蝸輪負載轉(zhuǎn)矩錯誤！未找到引用源。，根據(jù)gb/t10085-1988推薦， 采取漸開線蝸桿(zi)。2、考慮到蝸桿傳動功率不大，速度不高，故蝸桿選用45鋼；希槊傳動 效率高，耐磨性好，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，碩度45-55hrc0蝸輪用鑄錫 青銅zcusnlopl,金屬模鑄造。3、按齒面接觸強度設計按照閉式蝸桿傳動設計準則，傳動中心距(1)、確定傳動參數(shù),24%.98 x 0.80 = 3 06n m假設工作載

23、荷穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù)錯誤！未找到引用源。，由 表11-5選取使用系數(shù)錯誤！未找到引用源。，由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可 取動載荷系數(shù)錯誤！未找到引用源。k = l15 x 1.0 x l0 = 1.15由選用的材料鑄錫青銅和鋼配合，故錯誤！未找到引用源。假設蝸桿分度圓直徑和屮心距之比 錯誤！未找到引用源。，查圖11t8 取錯誤！未找到引用源。根據(jù)鑄錫青銅zcusnloplo,金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度錯誤！未找到引用源。，從表11-7中查得渦輪基本許用應力錯誤！未找到引用源。應力循環(huán)次數(shù)錯誤！未找到引用源。，壽命系數(shù)錯誤！未找到引用源。(3-6)說=心耳哄= 0.726 x 268 超

24、 195mpa4、計算中心距115 x 306 x 10a=1258mm(3-7)選取中心距錯誤！未找到引用源。，i大i錯誤！未找到引用源。，故從表11-2 中取模數(shù)錯誤！未找到引用源。，直徑系數(shù)錯誤！未找到引用源。，分度圓直 徑錯誤！未找到引用源。，分度圓導程角錯誤！未找到引用源。，蝸輪齒數(shù)錯 誤！未找到引用源。，變位系數(shù)錯誤！未找到引用源。此時錯誤！未找到引用源。，杳圖11-18得接觸系數(shù)錯誤！未找到引用源。，因為錯誤！未找到引用源。因此計算結(jié)果可用。5、主要參數(shù)及尺寸蝸輪分度岡直徑錯誤！未找到引用源。蝸輪喉圓直徑錯誤！未找到引用源。蝸輪外圓直徑錯誤！未找到引用源。取錯誤！未找到引用源。蝸

25、輪齒根圓直徑% =禮-2hf = cf2 一 zm(檢一衍 + cj = 2&8.5-2x 6.3(1 + 0.1q72 + 0.3)=241,830 mm蝸輪咽喉母圓半徑錯誤！未找到引用源。 蝸桿分度圓直徑錯誤！未找到引用源。蝸桿齒頂圓直徑錯誤！未找到引用源。蝸桿齒根圓直徑錯誤！未找到引用源。蝸桿齒寬錯誤！未找到引用源。蝸桿節(jié)圓宜徑錯誤！未找到引用源。蝸輪節(jié)圓直徑錯誤！未找到引用源。5、齒根彎曲疲勞強度校核紜母£ 帀(3-8)當量齒數(shù)錯誤！未找到引用源。據(jù)錯誤！未找到引用源。查圖11-19取錯誤！未找到引用源。螺旋角系數(shù)錯誤！未找到引用源。許用彎曲應力錯誤！未找到引用源。查

26、表11-8由zcusnlopl制造蝸輪基木許用彎曲應力為錯誤！未找到引 用源。壽命系數(shù)錯誤！未找到引用源。故錯誤！未找到引用源。1.530x 2.95 x 0919 = 14r238mfa133- x 1,15 x 30600063 x 253.3 x 63滿足要求。6、驗算效率錯誤！未找到引用源。q = 0.950.96tanr / f 、/tan （丫十張）已知錯誤！未找到引用源。，錯誤！未找到引用源。與相對滑動速度錯誤！未找到引用源。冇關(guān)_ 托久鑫"璋血/3.14 x 63 x 30x20.5/,耳 一f 60 x1000cosy60000 cos=2.068%由錯誤！未找到引

27、用源。查表11t8取錯誤！未找到引用源。，錯誤！未找到引用源。嚇（佃5恥嚴（卄）=俗57.96） bn 1迥旳%咻詢36“ + 2嘰6“廠°恥曲大于估計值0.80,故合格§3.1.3旋轉(zhuǎn)軸設計底座軸結(jié)構(gòu)設計如下所示最小軸徑估取:° 60000n& =如 60000(3-9)錯誤！未找到引用源。，選低速軸材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表15-3取錯誤！未找到引用源。,忌-如= 1101=(2 x 3.14 x 240=3222mm60000曲軸結(jié)構(gòu)，a端為由圓螺母軸向固定，取最小軸徑 錯誤！未找到引用 源。，與圓螺母m30旋合，圓螺母厚度錯誤！未找到引用源。，故

28、取a段長度 為錯誤！未找到引用源。a-b處軸肩不起定位作用，故可取b段軸徑也為 錯誤！未找到引用源。, b段與大臂底座孔配合，孔長錯誤！未找到引用源。a-b之間有退刀槽，槽 寬為 錯誤！未找到引用源。，故b段長度 錯誤！未找到引用源。b-c段，冇定位軸肩，取軸肩高度 錯誤！未找到引用源。，故取c段軸 徑為錯誤！未找到引用源。c-d段，軸肩不起定位作用，d段與軸承配合，取錯誤！未找到引用源。， 選取圓錐滾子軸承30209,軸承內(nèi)圈寬度錯誤！未找到引用源。，f段也與軸承30209配合，取長度錯誤！未找到引用源。，錯誤！未找到 引用源。曲底座箱體和箱蓋結(jié)構(gòu)關(guān)系，箱體和箱蓋上軸承座孔端面距離錯誤！未

29、找到引用源。，d段與軸承、蝸輪、套筒配合，軸承與蝸輪之間靠套筒定位， 套筒寬錯誤！未找到引用源。，蝸輪寬度錯誤！未找到引用源。故d段長度 錯誤！未找到引用源。，蝸輪中線距離f段端面距離錯誤！未找到引用源。 故按照結(jié)構(gòu)關(guān)系e-f定位軸肩高錯誤！未找到引用源。e段長度錯誤！未找 到引用源。，錯誤！未找到引用源。機器人底座高度錯誤！未找到引用源。， 底座上端面距離上臂回轉(zhuǎn)臺下面距離錯誤！未找到引用源。，上臂回轉(zhuǎn)臺孔 下端面距離轉(zhuǎn)臺冋轉(zhuǎn)臺下端面錯誤！未找到引用源。，由結(jié)構(gòu)關(guān)系，可得到c 段長度為錯誤！未找到引用源。表3-3旋轉(zhuǎn)軸各段尺寸段序abcdef軸徑333542455545長度155040971

30、019§3.2主要零部件校核§3.2.1底座回轉(zhuǎn)軸校核1、計算軸上載荷底座轉(zhuǎn)軸如上圖32所示，已知人臂底座承載了機器人手臂手腕的所冇 重量，故底座回轉(zhuǎn)軸只承受扭矩。旋轉(zhuǎn)所需轉(zhuǎn)矩錯誤！未找到引用源。曲 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩平衡，錯誤！未找到引用源。，輸入轉(zhuǎn)矩即蝸輪傳遞轉(zhuǎn)矩為錯誤！未 找到引用源。軸所受扭矩圖如圖33所示：圖33、底座回轉(zhuǎn)軸扭矩圖2、校核軸扭轉(zhuǎn)強度% = %錯誤！未找到引用源。，此處取受扭矩段較小軸徑錯誤！未找到引用源。t = 25m5mpa. ®et = 30mpa口 = t/wr = 24000%r2 x 3陰=27-99af 如 5故軸扭轉(zhuǎn)強度合格。3、按疲

31、勞強度精確校核判斷危險而：截而a-b、d-e、e-f處沒冇承受扭矩，所以無需校核。b-c.c-d處承受扭矩基木相同，b-cs渡處軸徑更小，故只需校核b-c截面。截面b-c下端：抗扭截面系數(shù)錯誤！未找到引用源。，扭矩錯誤！未找到引用源。截面上扭轉(zhuǎn)切應力：錯誤！未找到引用源。軸材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表15-1得錯誤！未找到引用源。截而上由于軸肩形成的理論應力集屮系數(shù)，由表3-2查取，由錯誤！未找到引用源。由附圖3-1得軸材料敏性系數(shù) 錯誤！未找到引用源。有效應力集中系數(shù)為錯誤！未找到引用源。由附圖3-3扭轉(zhuǎn)尺寸系數(shù)錯誤！未找到引用源。，軸按濟削加工，查附圖3-4,得表面質(zhì)量系數(shù)錯誤！未找到引用源

32、。，軸未經(jīng)過表面強化處理，取 錯誤！未找到引用源。，故綜合系數(shù)為叫=氣付 +x4r1= 1，5%.89 +-1 = 1873查取碳鋼特性系數(shù)錯誤！未找到引用源。計算安全系數(shù)s155s ktrs + cptzm 1.873 x 16 + 2+ 0.05 x 16 + 210.075- > 1.5故合格 截而b-c上端：抗扭截而系數(shù)錯誤！未找到引用源。，扭矩錯誤！未找到引用源。截面上扭轉(zhuǎn)切應力：錯誤！未找到引用源。截面上端軸和孔配合h7/k6,取錯誤！未找到引用源。軸按磨削加工，查附圖3-4,得表而質(zhì)量系數(shù)錯誤！未找到引用源。，軸未經(jīng)過表而強化處理，取錯誤！未找到引用源。，故綜合系數(shù)為ki

33、= %+百7 = 2.11 + %眈- 1 = 2.20查取碳鋼特性系數(shù)錯誤！未找到引用源。4、計算安全系數(shù)ss _ t-i-1552r20 x 28 + 2 + 0.05 x 28 h-2=4.92 > 1.5故合格§3.2.2底座旋轉(zhuǎn)軸上鍵校核旋轉(zhuǎn)軸上采用平鍵聯(lián)接有兩處，b段處，軸與上臂冋轉(zhuǎn)臺聯(lián)接，選用鍵 公稱尺寸錯誤！未找到引用源。，長度錯誤！未找到引用源。，轉(zhuǎn)矩錯誤！未 找到引用源。此處平鍵聯(lián)接強度錯誤！未找到引用源。許用擠壓壓力為軸、冋轉(zhuǎn)臺孔、鍵中最弱材料的擠壓應力，回轉(zhuǎn)臺、軸、 鍵全為鋼，由表62查取許用擠壓應力錯誤！未找到引用源。吟 <故此處鍵聯(lián)接合格。d段

34、處軸與蝸輪配合，周向定位選用鍵公稱尺寸為錯誤！未找到引用源。, 長度錯誤！未找到引用源。，轉(zhuǎn)矩約為 錯誤！未找到引用源。此處平鍵聯(lián)接強度錯誤！未找到引用源。許用擠壓壓力為軸、蝸輪輪轂、鍵屮最弱材料的擠壓應力，其屮蝸輪輪轂材料為鑄鐵，由表62查取許用擠壓應力錯誤！未找到引用源。吟 <此處鍵聯(lián)接合格。§3.2.3大臂回轉(zhuǎn)臺推力軸承校核機器人大臂及其以上部分重量由大臂回轉(zhuǎn)臺和底座z間的推力球軸承承 受。估計大臂及其以上部分重量為錯誤！未找到引用源。，推力球軸承當量 載荷等于其所受軸向力。查13-6取載荷系數(shù)錯誤！未找到引用源。，錯誤！未找到引用源。，p = 11 x 600 =軸承壽

35、命計算10& c q s =牙 h 6葉w對于推力軸承51215,基木額定載荷c=74kn,極限轉(zhuǎn)速2500r/min,軸承實際轉(zhuǎn)速為錯誤！未找到引用源。，工作總時間15年兩班制，錯誤！未找 到引用源。1000000 , 74000、'r= 60x30 c 66q)=052440ft.>l<fe故軸承合格。§3.3對復雜的零件進行有限元分析【8對于機械零件的設計，如果在設計過程中對各零件進行冇效的應力、應 變分析，可以確定零件的力學性能，從而確定是否能夠承受預期的載荷，進 而確定合適的設計方案，節(jié)省成本，縮短設計周期，提高設計成功率。目前 國內(nèi)做有限元分析

36、主要運用ansys軟件，由于其涉及學科較多，建模較為 復雜，對于多數(shù)的機械類工程設計人員普遍存在上手較慢，熟悉應用需要吋 間較長的問題。針對機械零部件設計中所遇到的單純受力分析的問題，其應 用冇一定的難度。1 關(guān)于 inventorinventor是美國autodesk公司推出的參數(shù)化實體模擬軟件。與其它同類 產(chǎn)品相比inventor在用戶界面、三維運算速度和顯示著色功能方面有突破 的進展。軟件提供了一組特定于行業(yè)的工具，這些工具擴展了 autodesk inventor的功能，可以完成復雜的機械設計和其他產(chǎn)品設計。autodesk inventor professional軟件提供的冇限元分

37、析模塊是調(diào)用了 ansys軟件的網(wǎng) 格劃分和數(shù)值計算的內(nèi)核技術(shù)，所以不僅在建模、施加力和施加約束方面都 冇了更為方便的操作，而且在計算結(jié)果方面也冇可靠的保證。本文以某設備 床身為載體，2建模及求解inventor的功能較為強大，由曲面造型，實體造型，三維機構(gòu)的分析和 仿真等眾多模塊組成。本文autodesk inventor®simulation軟件提供了一-組行 業(yè)專用工具，用以擴展autodesk inventor®的功能，從而完成復雜的機械設 計和其他產(chǎn)品設計。autodesk inventor simulation 中的應力分析是 autodesk inventor

38、 部件、 零件和鍍金環(huán)境中的附加模塊。靜態(tài)分析提供了仿真應力、張力和變形的方法。模型分析提供了查找振 動的自然頻率和機械設計的振型的方法。您可以直觀化三維體積曲線圖中的 影響，創(chuàng)建任意結(jié)果的報告，然后執(zhí)行參數(shù)化調(diào)查以優(yōu)化設計。設計階段對機械零件或部件進行分析可以幫助您在更短的時間內(nèi)將更好 的產(chǎn)品投放到市場。autodesk inventor simulation應力分析可以幫助您:確定零件或部件的強度是否可以承受預期的載荷或振動，而不會出現(xiàn) 不適當?shù)臄嗔鸦蜃冃?。在早期階段獲得全面的分析結(jié)果是很有價值的，因為在早期階段進行 重新設計的成本較低。確定能否以更節(jié)約成本而且仍能達到讓人滿意的使用效果的

39、方式對 零件進行重新設計。這里介紹的應力分析工具可以幫助您了解設計在特定條件下的性能。即 使是非常有經(jīng)驗的專家，也叮能需要花費大量時間進行所謂的詳細分析，才 能獲得考慮實際情況后得出的精確答案。從基礎(chǔ)分析中獲得的趨勢和特性信 息通常有助于預測和改進設計。在設計階段及早執(zhí)行此基礎(chǔ)分析可以顯著改 善整體的工程流程無論是詳細分析還是基礎(chǔ)分析，請務必記住得到的只是近 似值，然后再去研究結(jié)果并測試最終設計。恰當?shù)厥褂煤脩Ψ治鲱詷O大 地減少所需試驗測試的次數(shù)。您可以對犬量的設計選項進行試驗，并改進最 終產(chǎn)品。通過inventor應力分析的功能向驅(qū)動臂加載力和轉(zhuǎn)矩表3-4材料特性名稱鋼質(zhì)量密度7.85

40、g/cma 3常規(guī)屈服強度207 mpa極限拉伸強度345 mpa楊氏模量210 gpa應力泊松比0.3 ul切變模量80.7692 gpa膨脹系數(shù)0.00000000012 ul/c應力熱膨脹熱傳導率56 w/( m k)比熱460 j/( kg c )表3-5結(jié)果概要名稱最小值最大值體積4162210 mma 3質(zhì)量32.6733 kgvon mises應力0.00931507 mpa5.6325 mpa第一個主應力-1.77898 mpa3.42342 mpa第三個主應力5.64663 mpa0.571391 mpa位移0 mm0.0078281 mm安全系數(shù)15 ul15 ul應力xx

41、-3.58746 mpa2.95488 mpa應力xy-3.17366 mpa3.12392 mpa應力xz 1.75413 mpa1.82208 mpa應力yy-4.20233 mpa3.22016 mpa應力yz-1.90025 mpa1.98117 mpa應力zz-3.97115 mpa2.00974 mpax位移 0.00268394mm0.00265358 mmy位移-0.000356201mm0.00563733 mmz位移-0.00610051mm0.000334134mm等效應變0.0000000390819 ul0.0000232515 ul第一主應變-0.000000002

42、29391 ul0.0000203366 ul第三主應變-0.0000227927ul0.000000000838991 ul應變xx-0.0000203611ul0.0000181931 ul應變xy-0.0000196465ul0.0000193386 ul應變xz-0.0000108589ul0.0000112795 ul應變yy-0.0000186531ul0.0000192554 ul應變yz-0.0000117634ul0.0000122644 ul應變zz-0.0000156681ul0.00000685157ul30297.i最7790f應圖3-2第一主應力大小分布圖圖3-3驅(qū)

43、動臂變形情況分布圖圖34各部位安全系數(shù)情況由以上各圖可以看出該零件滿足要求。第四章 運動學分析§4.1求運動學正解多自由度機器人是具有多個關(guān)節(jié)的空間機構(gòu)，為了描述末端執(zhí)行器在空 間的位置和姿態(tài)，可以在每個關(guān)節(jié)上建立一個坐標系，利用坐標系之間的關(guān) 系來描述末端執(zhí)行器的位姿。建立坐標系的方法有多種。常用的有d-h法(四參數(shù)法)和五參數(shù)法 及矩陣變換法等。d- h法(四參數(shù)法)是1955年由denavit和hartenberg 提出的一 種建立相對位姿的矩陣方法。它用齊次變換描述各個連桿相對于固定參考系 的空間幾何關(guān)系，用一個4x4 '的齊次變換矩陣描述相臨兩連桿的空間關(guān) 系，從而

44、推導出“末端執(zhí)行器坐標系”相對于“基坐標系”的等價齊次坐標 變換矩陣，建立操作臂的運動方程。本文中使用d-h法來建立坐標系并推 導該機器人的運動方程。各桿件和關(guān)節(jié)的示意圖如圖3- 1(a) o連接桿1與桿2的關(guān)節(jié)為關(guān)節(jié)2,記做j2 , 00 , 0 1的原點在關(guān)節(jié)2轉(zhuǎn)軸上，連接桿2與桿3的 關(guān)節(jié)為關(guān)節(jié)3,記做j3 , 03的原點在關(guān)節(jié)3轉(zhuǎn)軸上，依次類推。最終建立 機器人坐標系如圖3- 1 (b)o其中表明坐標間關(guān)系的四個參數(shù)為：k “ :從習到沿“測得的距離。2、匕:從爲到盼繞廠測得的角度。3、di :從心】到心沿“測得的距離.4、仿：從一3 到."繞" 測得的角度。圖4-

45、2機器人坐標系建立桿件坐標系建立原則:坐標系一般設在桿件始端關(guān)節(jié)，z軸與關(guān)節(jié)軸線重合、是旋轉(zhuǎn)軸，x軸與 桿件軸線重合、方向指向下一個桿件。以下是作者根據(jù)以上原則建立的坐標 系|26zl zo圖42機器人坐標系建立表41各連桿參數(shù)及關(guān)節(jié)變量關(guān)節(jié)ia (i-1)a (i-1)d (i)® (i)1 1000tl1| 2090°d2=95t2|i 3a2=40000t3i4090。d4=375t45090°0t51 610-90°0t6在直角坐標系中，口j以用齊次矩陣表示繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動和沿x、 y、z軸的平移。任何坐標系都可以看做是一個坐標系先平移，然后

46、在繞某一 坐標軸旋轉(zhuǎn)得到的角坐標變換設i坐標系和j坐標系具有相同的姿態(tài)，但它倆的坐標原點不重合，若空間有一點在i坐標系和坐標系中分別用矢量 間有以下關(guān)系：表示，則它們之勺tnyj稱上式為圖4-2直角坐標系變換的基本原理假如我們規(guī)定t01為從第1個坐標系向第0個的坐標轉(zhuǎn)換，同理t12即為第二個坐標系向第一個轉(zhuǎn)換以此類推至t56,則最終機器人手腕的絕對坐 標可轉(zhuǎn)化為t06= t01*t12*t23*t34*t45*t56;同時我們也町以驗證計算結(jié)果是否正確，即使用初值tl=o, t2=pi/2, t3二pi/2;t4=0;t5=0;t6=0;為了簡寫，使結(jié)果簡單在以下程序中我們約定sl=sintl

47、, cl=costl；則s2, c2, s3, c3,可同上推理得到兩個相鄰坐標系轉(zhuǎn)換的通式為：rot(xfi)-10000cos0sin000-sin0cos000001rot(y96) =cos00-sin00sin 00cos000001rot(z,0)=cos0sin 000-sin 0cos00000100001trans (x.a) =100001000010a001_1 0 0 0_1 0 0 o-0 10a0 10 0trans (z, a)=0 0 100 0 1 a0 0 0 10 0 0 1transy,a) = rot(x、a i_jtm“s(xjtrcms(z、d j

48、matlab用法中矩陣簡介matlab是“matrix laboratory”的縮寫，意為“矩陣實驗室”，是當今美 國很流行的科學計算軟件.信息技術(shù)、計算機技術(shù)發(fā)展到今天，科學計算在 各個領(lǐng)域得到了廣泛的應用在許多諸如控制論、時間序列分析、系統(tǒng)仿真、 圖像信號處理等方而產(chǎn)生了大量的矩陣及其相應的計算問題.自己去編寫大 量的繁復的計算程序，不僅會消耗大量的時間和精力，減緩工作進程，而且往往質(zhì)量不高.美國mathwork軟件公司推出的matlab軟件就是為了給人們 提供一個方便的數(shù)值計算平臺而設計的.matlab是一個交互式的系統(tǒng)，它的基本運算單元是不需指定維數(shù)的矩陣, 按照ieee的數(shù)值計算標準

49、(能正確處理無窮數(shù)inf(infinity)無定義數(shù) nan(not-a-number)及其運算)進行計算.系統(tǒng)提供了大量的矩陣及其它運算 函數(shù)，可以方便地進行一些很復雜的計算，而且運算效率極高.matlab命令 和數(shù)學中的符號、公式非常接近，可讀性強，容易掌握，還可利用它所提供 的編程語言進行編程完成特定的工作.除基本部分外，matlab還根據(jù)各專門 領(lǐng)域中的特殊需要提供了許多可選的工具箱，如應用于自動控制領(lǐng)域的 control system工具箱和神經(jīng)網(wǎng)絡中neural network工具箱等.matlab簡介malab譯于矩陣實驗室matrix laboratory是用來提供通往unpa

50、ck和eispack矩陣軟件包接口的后來它漸漸發(fā)展成了通用科技 計算圖視交互系統(tǒng)和程序語言matlab的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣它的指令表達與數(shù)學工程中常用的習 慣形式十分相似比如矩陣方程ax=b在matlab中被寫成a*x=b而若要通 過a,b求x那么只要寫x=ab即可完全不需要對矩陣的乘法和求逆進行編程 因此用matlab解算問題要比用cfortran等語言簡捷得多matlab發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)成為一個系列產(chǎn)品matlab主包和各種可選 的toolbox工具包主包中有數(shù)百個核心內(nèi)部函數(shù)迄今所有的三十幾個工具包 又可分為兩類功能性工具包和學科性工具包功能性工具包主要用來擴充 matlab的符號計算功能

51、圖視建模仿真功能文字處理功能以及碩件實時交 互功能這種功能性工具包用于多種學科而學科性工具包是專業(yè)性比較強的如控制工具包control toolbox信號處理工具包(signalprocessing toolbox) 通信工具包 (communication toolbox)等都屬此類開放性也許是matlab最重要最受人 歡迎的特點除內(nèi)部函數(shù)外所冇matlab主包文件和各工具包文件都是可讀 叮改的源文件用戶叮通過對源文件的修改或加入自c編寫文件去構(gòu)成新的專 用工具包0 iw to iatlat htd ths vio. « d < "h “応 stvtulaimng:

52、 could not get change notification handle for local c:praciu filesiatlabr2007bwork.perfonance degradation may occur due to orrdisk directory change checking» syis costl sintl a d cost2 smt2 $1 s2 s3 s4 $5 s6 cl c2 c3 c4 c5 c da; y定文軒號受負tl=x無鮮九t2為蔬齢爲詢mt聶冊z鈾的平珞更離a=(l 0 0 0;0 cortl -jurtl 0;0 hntl

53、 coxtl 0.0 0 0b=l 0 0 a;0 1 0 0;0 0 i 0;0 0 0 1;xsxh舟咨屈"tfl夏第矩陣ocort2 -sint2 0 o.sirrt2 cost2 0 0.0 0 ! 0.0 0 0的更狹陣d=(l 0 0 0;0 1 0 0.0 0 i d;0 0 0 1;人2驕陸?zhàn)Bdff鴿吏!m!陣t=a»b<id燈為從iht受觀曲量緞後矩陣t0l=svbs(tf sint 1, corti, suit2, co5t2, i,d), uin(0tpi/!80),cos(0tpx/i80), j1,cl, 0,0) ;it0：代表相種圭柝耳的

54、級變櫛距帛以下便是緒矩陣噴*5tl2=wb5(t, smt 1,coti,sint2>02, a,d, (»w(90»pi/180)f 0,«2,c2,0>951);'1至塵標*2. fbi科用rubsi數(shù)瞽慢符翎fit2>subs(t, bint 1, cost i, sm29 cost2, ad, (nn(0i/m)f cos(0»pi/!80), s3, c3,400,0);t34=wbs(t, bint 1> cost i, sint 2, costs； k <u»(«in(-90»pi/180), 0, h, c<, 0,375);t45=$ub$(tf hint 1,cort i, sm2, cost2,亀d, ($w(90»pi/180),0, $5,c5,0» 0d;t5&subs(t. f int 1, cort 1, suit2, cost2> a, <u> (nn(-90»pi/180)f 0,c6f 0,0);t67=nb:(d,