【六自由度機械臂的設(shè)計原理與構(gòu)造探析6400字（論文）】

緒論六自由度機械臂的設(shè)計原理與構(gòu)造分析摘要:隨著科學技術(shù)的不斷飛快發(fā)展，機械臂能夠在產(chǎn)業(yè)鏈中得到極大的應(yīng)用，機械臂在各行各業(yè)的應(yīng)用范圍廣泛，使得機械臂在產(chǎn)業(yè)鏈中的地位變得舉足輕重，使之成為科學領(lǐng)域的一個研究熱點。在一些領(lǐng)域里做到了基本解放雙手，大大提高了工作效率等等。本文以研究數(shù)控車床用上下料的六自由度機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并進行簡化為目的，并驗證其合理性。一、選題的背景和選題的意義在檢索了國內(nèi)外有關(guān)研究文獻的基礎(chǔ)上確定了本文的研究內(nèi)容；二、根據(jù)國內(nèi)外研究情況，設(shè)計六自由度機械臂總體方案，說明其結(jié)構(gòu)及工作原理；三、中間計算六自由度機械臂關(guān)鍵部件、電機選型及傳動機構(gòu)設(shè)計計算，對于設(shè)計出的機械臂，建立了它的三維模型；四、對本項目的工作做了一個小結(jié)。通過研究證明了本課題所設(shè)計六自由度機械臂的正確性，可以滿足兩臺數(shù)控車床自動化需求，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。關(guān)鍵詞：Solidworks；機械臂；機構(gòu)設(shè)計；三維建模目錄TOC\o"1-3"\h\u18880緒論 113161.六自由度機械臂的總體設(shè)計方案 133111.1設(shè)計要求 181511.2結(jié)構(gòu)類型選擇 181211.3機械臂總體結(jié)構(gòu)方案 240832.六自由度機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 1252382.1大臂傳動機構(gòu)設(shè)計 1266042.2腰身傳動機構(gòu)設(shè)計 1272902.3手臂連桿機構(gòu)設(shè)計 2192472.4腕關(guān)節(jié)的傳動機構(gòu)設(shè)計 4198433.六自由度機械臂的三維建模 11253.1建模軟件簡介 118243.2零件三維建模 1276983.3虛擬樣機裝配 32816結(jié)論 127788參考文獻 1緒論由于現(xiàn)代科學技術(shù)的日益發(fā)達，人工智能信息技術(shù)現(xiàn)已普遍被運用在宇航、軍工武器、電子產(chǎn)品制造業(yè)、家庭服務(wù)、人機互動等應(yīng)用場景當中，是人類最偉大的發(fā)明之一。以機械臂為代表的工業(yè)機器人，雖然從發(fā)明之初到現(xiàn)在，僅僅60年時間，但已取得了非常大的進步，已經(jīng)作為智能化工廠的核心設(shè)備之一。機械臂在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用可以取代繁重的勞動，代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工操作既解決日益突出的招工難、用工難問題，降低了企業(yè)生產(chǎn)成本，而且可靠性高，能夠使傳統(tǒng)工人從繁重和反復(fù)的勞動中解脫出來，將機械式的操作工作交由機器人去做。隨著工業(yè)4.0的提出，工業(yè)機器人將可以實現(xiàn)快速大批量化生產(chǎn)、提升制造效能節(jié)約生產(chǎn)成本等作用，已經(jīng)越來越多的企業(yè)生產(chǎn)線上的標配之一。數(shù)控車床發(fā)展至今，已經(jīng)能夠完全實現(xiàn)按程序加工所需要的零件，但一般車床并不具備自動上料和下料的功能，這就給車床用工業(yè)機械臂的應(yīng)用提供了機遇。本畢業(yè)設(shè)計就是針對車床上下料，設(shè)計一款6自由度機械臂，能夠?qū)崿F(xiàn)兩臺車床的上料和下料動作，不僅可以提高產(chǎn)品的合格率，還可以全天無間斷的持續(xù)工作，如果本畢業(yè)設(shè)計的工業(yè)機械臂能夠得到應(yīng)用，對于數(shù)控車床實現(xiàn)真正的自動化具有重要意義。2.六自由度機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計1.六自由度機械臂的總體設(shè)計方案1.1設(shè)計要求六自由度機械臂整體設(shè)計前，首先就必須確定對本課題的總體設(shè)計要求，而根據(jù)目前國內(nèi)科研狀況，本課題的主要研制對象就是六自由度機械臂，應(yīng)用場合為小型船舶，需要實現(xiàn)高效率推進，因此對六自由度機械臂的總體設(shè)計要求歸納如下:本章重點是根據(jù)二個數(shù)控車床(組)的上下料情況，來設(shè)計一個機器人來取代傳統(tǒng)人工完成機械車床的下上料，便于進一步提升制造效率和品質(zhì)。圖1-1所示是機器人實際運行時的排列示意圖，機器人在二個數(shù)控車床的中央位置，而材料箱和物料盤則分別在自動化機器人的左右側(cè)，而其中央位置距離自動化機器人的中間部位一般都是約1200mm。本文以車床為例，它的寬度約為1500mm，主軸中間部位距離地面的間距約為900mm，工件的外形約為長圓柱狀，最大直徑為150mm，設(shè)計負重約為四千克。而按照現(xiàn)場的工作布局，擬設(shè)定機器人的工作零點五徑范圍大約為1000mm。圖1SEQ圖\*ARABIC\s11六自由度機械臂應(yīng)用場景分析針對本畢業(yè)設(shè)計提出了6自由度機械臂，提出具體的技術(shù)要求如下：表1SEQ表\*ARABIC\s11六自由度機械臂的詳細技術(shù)要求桿件回轉(zhuǎn)范圍r/min最大工作轉(zhuǎn)速Rad/s°/s腕部回轉(zhuǎn)±180°252.58180腕部俯仰±45°204.52260小臂回轉(zhuǎn)-90°~-30°282.84170大臂回轉(zhuǎn)-90°~-40°303.25180腰部回轉(zhuǎn)±180°252.601501.2結(jié)構(gòu)類型選擇機器人根據(jù)坐標的形式可以分為直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式、關(guān)節(jié)坐標式，并聯(lián)類型也是一種非常重要的型式。關(guān)節(jié)坐標式又分為水平和垂直關(guān)節(jié)坐標。如圖1-3所示。直角坐標型機械臂具有3個自由度，每個關(guān)節(jié)可以分別實現(xiàn)平行運動，3臺驅(qū)動電機能強迫3個關(guān)節(jié)做X,Y,Z方向的直線運動，所以直角坐標機器人被稱為直角坐標機器人，也被稱之為單軸機器人，是目前所有工業(yè)機械臂當中結(jié)構(gòu)最為簡單的。與其他工業(yè)機械臂相比，這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)三個互相垂直方向上的相對運動，懸臂布置，相對來說結(jié)構(gòu)高度要求較大，由于各個關(guān)節(jié)相互獨立運動，也能夠滿足一些高精度要求的場合，但其占地面積大，工作相對不靈活。圓柱坐標機械臂是在直角坐標系的機械臂的基礎(chǔ)上將其中一個自由度換成旋轉(zhuǎn)自由度，如此就新增了一個自由度，在相同的應(yīng)用工況下，精度相對低于直角坐標機器人，但它的控制相對簡單，目前很多吊機的結(jié)構(gòu)也參考這種結(jié)構(gòu)。球坐標系下的機械臂以圓柱坐標為基礎(chǔ)，將其中一個直線自由度替換為旋轉(zhuǎn)自由度，也因此又增加了一個自由度，它的缺點是末端位置誤差相對較大，真正應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中較少。關(guān)節(jié)型機器臂作為應(yīng)用最廣泛的機械臂結(jié)構(gòu)，其各關(guān)節(jié)均利用了旋轉(zhuǎn)自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)手腕部分的俯仰、旋轉(zhuǎn)和擺動動作，從依次增加一個自由度來看，關(guān)節(jié)型機械臂就具備了6個自由度，它被廣泛應(yīng)用于自動上下料、汽車鈑金噴漆、點膠涂膠等工藝當中，可以說這種類型的機械臂能夠到達空間當中任意一點位置，但目前關(guān)節(jié)型機械臂的設(shè)計難點主要集中在伺服電機、減速器、控制系統(tǒng)三大塊，這也是國產(chǎn)工業(yè)機械臂與進口工業(yè)機械臂產(chǎn)生差距的原因之一。綜上所述，本文結(jié)合本設(shè)計的設(shè)計要求和車床上下料的應(yīng)用場景，選擇關(guān)節(jié)型機械臂作為本畢業(yè)設(shè)計的機械臂的結(jié)構(gòu)類型，下面對其總體結(jié)構(gòu)方案進行設(shè)計。1.3機械臂總體結(jié)構(gòu)方案機器人管理系統(tǒng)一般是由機器人機械手、驅(qū)動器裝備、控制裝備，包括感應(yīng)器等構(gòu)成的。機器人的機械手結(jié)構(gòu)，主要有腳底座、腰身、手腕、橈骨、末端致動器等基本行走機構(gòu)，它們共同構(gòu)成了一種相互依靠的機械組織結(jié)構(gòu)，也就是人們常說的現(xiàn)代機械設(shè)計。其每段有1個或1個以上自由度，形成復(fù)雜多自由度結(jié)構(gòu)。驅(qū)動設(shè)備是自動化機器人的關(guān)鍵部分，末端執(zhí)行器要達到期望的目標，就需要有動能源，而它正是一種直接向機械系統(tǒng)供給動能的設(shè)備。當前機械人的驅(qū)動方法有許多，將不同驅(qū)動類型的機器人應(yīng)用在不同的工作場景，較常見的有液壓式，氣動式，電子式，機器式四種。但是電機驅(qū)動仍然是當前對機器人應(yīng)用最大的一個驅(qū)動方法，首先它使用簡單方便，無污染，很適合當時企業(yè)的發(fā)展趨勢;另外它的響應(yīng)快，更主要的是驅(qū)動力強大，能夠準確監(jiān)控機器人的運動軌跡。而電機目前最普遍使用的形式是不僅電機或伺服發(fā)電機。當今工業(yè)機器人的減慢器多數(shù)使用了諧波減速器、擺線針輪減速機和RV減速機，控制設(shè)備通常為電腦操控，依靠接受來自感應(yīng)器的消息，對其執(zhí)行數(shù)據(jù)處理，并根據(jù)主要機器人發(fā)出的命令，如當前機器人的工作狀況和環(huán)境情況等，從而產(chǎn)生控制信息來驅(qū)使各個滑膜或關(guān)節(jié)，完成主要機器人執(zhí)行機構(gòu)指定的運動目標及功能。機器人系統(tǒng)一旦能接收傳感器反饋的信息就說明系統(tǒng)為閉環(huán)控制，否則為開環(huán)控制?？刂品绞接址譃橐韵?種，僅控制機器人向末端執(zhí)行器初始定位，而不關(guān)心其中間區(qū)域的運動軌跡，則叫做定點控制系統(tǒng)，該種控制器能夠?qū)崿F(xiàn)在沒有障礙物情況下的上料、移動等工作;若需要機器人以高精度地抵達目標位置，則叫做連續(xù)運動軌跡控制系統(tǒng)，它更適合于機器人噴涂、弧焊等工作。感覺控制系統(tǒng)""由內(nèi)感應(yīng)器模塊與外圍感應(yīng)器模塊所構(gòu)成，主體實現(xiàn)了自動化機器人視野、觸摸、力矩等多種感覺控制系統(tǒng)，感應(yīng)器產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用也增強了機器人的機動性、適應(yīng)性;同時人機交互控制系統(tǒng)又是傳感的重要組成部分，與工作人員及機器人的控制密切相關(guān)。機器人的末端執(zhí)行器可針對被抓工件的大小做出專門選擇，自動上料系統(tǒng)機器人主要運行過程有:(1)機器人抓取待加工工件:機器人尾部執(zhí)行器由待機部位移動至取料部位一邊，尾部執(zhí)行器松開(檢查有無張開)，收到信息后，再次移動位置至取料部位，尾部執(zhí)行器夾緊(檢查有無夾緊)，得到信息，再次移動位置至待機模式區(qū)域。(2)機械人抓取工件上料:機器人在待機部位，將夾有工件材料的尾部執(zhí)行器移動方位至數(shù)控車床的保險門前方(檢查保護門開齊全)，將機械人的手部移動方位至卡盤的正前面，再慢慢的移動方位至卡盤內(nèi)，末端致動器松開工件，當車床夾具收到的信號將卡盤夾住后，機械人手又再慢慢移動方位至卡盤中方位，保護門前，終于移至待機部位，數(shù)控車床就開機加工工件。(3)機器人抓取工件下料:機器人在待機部位，移動至車床維護門前方(檢查到維護門開完畢)，再將手部移動至卡盤的正前方，慢慢移動至卡盤內(nèi)，末尾進行機夾緊(檢查夾緊信息)，數(shù)控車床接觸到讓卡盤松開的信息，這時機器人將末尾進行機移動至卡盤之前，接著慢慢移動至維護門，用機器人技術(shù)將已制作好的刀具移動至材料箱內(nèi)。2.六自由度機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1大臂傳動機構(gòu)設(shè)計如上，大臂和小臂的俯仰動作會一起決定腕部位于平面上的方位角，腕部下部開有一個透氣孔，大臂和減速機通過透氣孔相連，電機和減速劑是一旁并列的設(shè)備。2.2腰身傳動機構(gòu)的設(shè)計腰部的轉(zhuǎn)動，與大、小臂的俯仰動作相配合，確定了手臂的空間相對位置。腰部通過力矩電機進行扭矩傳遞，腰主軸為空心軸承并通過鍵連接在力矩電機上。由此通過力矩電機引導(dǎo)腰軸線的轉(zhuǎn)動，進而驅(qū)動腰回轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動。2.3手臂連桿機構(gòu)設(shè)計前臂關(guān)節(jié)的傳動機構(gòu)示意圖如圖2~2所示。前臂做+130度到-90度的俯仰運動，來調(diào)節(jié)腕部的總體空間位置。它的驅(qū)動電機安裝在驅(qū)動臂座內(nèi)，也就是在大手臂關(guān)節(jié)位置，通過大臂底端的通孔，用兩根連桿與小臂座內(nèi)部相連。方案1：通過吊桿底部的通孔，用兩根連桿與吊桿座內(nèi)部連接。方案2：手臂轉(zhuǎn)動時用電機直接驅(qū)動諧波減速器，手臂由諧波減速器減速，驅(qū)動一個連桿機構(gòu)進而驅(qū)動小臂旋轉(zhuǎn)，如圖2-3。兩種方案理論上都是可行的，方案1結(jié)構(gòu)簡單，適用于一般機器人，方案2結(jié)構(gòu)復(fù)雜且剛度與強度均比方案1穩(wěn)定且更適合大負荷機器人使用。最主要的是手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計時使用四桿結(jié)構(gòu)既能夠讓手臂重量降低、動作順暢，還能夠滿足更大作業(yè)空間的需求?？傊x定方案2為該項目機器人的結(jié)構(gòu)形式。當手臂處于手臂與手腕之間的水平狀態(tài)時，手臂上的力矩最大，此時可以估算出力矩T。由于需要考慮臂架旋轉(zhuǎn)時的摩擦力矩等因素，因此選擇諧波減速器工況系數(shù)為K=1.25，以獲得減速器的輸出力矩：因此，選擇型號為60、輸出扭矩為480n·m、速比為80、諧波減速器效率n=85%的XB3平諧波減速器，交流伺服電機的輸出扭矩為：從松下交流伺服電機樣品中選取機型有：MSMA-20-Z-P-1-V、額定功率2kw、額定轉(zhuǎn)矩6.36N·m、最大轉(zhuǎn)矩19.1N·m。同理，可求得小臂在該時刻所受轉(zhuǎn)矩之最大值：因小臂回轉(zhuǎn)時需要考慮摩擦力矩和其他因素，故選取諧波減速器工況系數(shù)為K=1.25以獲得減速器輸出力矩：為此，選用XB3扁平式諧波減速器，機型120、輸出扭矩180N·m、速比80、諧波減速器效率n=85%,得出交流伺服電機輸出力矩：從松下交流伺服電機樣品中篩選出機型：MHMD-08-Z-P-1-V;額定功率750W;額定轉(zhuǎn)矩2.4N·m;最大轉(zhuǎn)矩7.1N·m。2.4腕關(guān)節(jié)的傳動機構(gòu)設(shè)計如右圖所示，使用三自由度腕部，又稱萬向型腕部，其部分連接小臂并隨著小臂旋轉(zhuǎn)，中部錐齒輪Z4,Z5帶動腕部做俯仰運動，軸1帶動手爪轉(zhuǎn)動。為達到腕部3個自由度和減輕腕部重量，需要采用遠距離驅(qū)動，所以小臂關(guān)節(jié)處設(shè)置了電動機。3.六自由度機械臂的三維建模3.六自由度機械臂的三維建模3.1建模軟件簡介SolidWorks有限公司是美國達索系統(tǒng)(DassaultSystemes)旗下的控股公司，SolidWorks有限公司創(chuàng)立于一九九三年，由PTC有限公司的技術(shù)副董事長與CV有限公司的副董事長領(lǐng)導(dǎo)，企業(yè)總社設(shè)在馬薩諸塞州的康克爾郡(Concord，Massachusetts)內(nèi)，當初的主要工作目標是期望在每一位工程人員的桌面上，創(chuàng)造一種有生產(chǎn)力的實體模型設(shè)計管理系統(tǒng)。自一九九五年發(fā)布了第一個SolidWorks的三維機械設(shè)計軟件產(chǎn)品，至二零一零年已設(shè)有分布于世界各地的辦公室，并已通過三百余家銷售商在全世界的一百四十多個國家開展了銷售和分銷該軟件產(chǎn)品。Solidworks具有非常全面的機械設(shè)計，能夠提供一個簡便快速的三維設(shè)計平臺并能夠?qū)庸ち悴考凸こ虉D進行相關(guān)設(shè)計，在三維建模變化的時候，對應(yīng)的加工工程圖也能夠做到即時變化，極大地提高了產(chǎn)品設(shè)計效果。3.2零件三維建模前幾章對六自由度機械臂關(guān)鍵零部件做了詳細計算，為檢驗計算是否合理，又能更加形象、直觀地表示畢業(yè)設(shè)計結(jié)果，利用三維軟件與前幾章設(shè)計尺寸相結(jié)合建模，能直觀地體現(xiàn)出所涉參數(shù)是否合理，并能針對干涉等主要設(shè)計缺陷及時補救、修正。下面就對本課題所設(shè)計的六自由度機械臂進行了詳細的建模流程：大臂的建模先打開三維設(shè)計軟件新建模板并進入零件設(shè)計模板格式中，識別出待新建零件名稱并分析出待畫零件結(jié)構(gòu)特征并構(gòu)思建模順序，依據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸初步勾畫出特征草圖，然后經(jīng)過拉伸，旋轉(zhuǎn)，抽殼處理完成零件基體勾畫，接著經(jīng)過倒角，倒圓處理后執(zhí)行特征命令細化結(jié)構(gòu)，也可由異形孔向?qū)Ч串嫵龃B接圓孔及螺紋孔，勾畫出大臂三維模型見下圖。3.3虛擬樣機裝配畫出大部分部件后，就可根據(jù)部件間位置及約束關(guān)系實現(xiàn)虛擬裝配，其優(yōu)點在于能夠直觀地知道設(shè)計出的六自由度機械手臂各個部件間是否存在干涉現(xiàn)象，從而能夠及時地調(diào)整模型尺寸以適應(yīng)設(shè)計需要。在solidworks環(huán)境下，為實現(xiàn)零部件間虛擬裝備的設(shè)計，常用的增加約束方法包括圓孔和圓孔同心、面和面重合、面和面平行、線和線的間距等等，為避免構(gòu)建的虛擬裝配體錯亂于三維軟件，要求裝配體某個零部件必須受到固定約束，本次畢業(yè)設(shè)計將6自由度機械臂底盤固定約束。三種軟件均提供干涉檢查功能，利用干涉檢查功能可方便地對零部件間幾何關(guān)系進行調(diào)取，如果發(fā)生重疊干涉等，則用特殊顏色顯示出來，從而顯著提高設(shè)計六自由度機械臂可靠性。利用上述方法構(gòu)建的虛擬裝備體最終獲得了6自由度機械臂三維模型，具體為：上述三維模型構(gòu)建完成后，也可使用鼠標對其某個部件進行單擊和運動，即可模擬出真實環(huán)境下機械臂的運動狀態(tài)。另外該軟件提供運動仿真插件，能夠在同一款三維軟件上自動識別約束關(guān)系，僅需增加相應(yīng)驅(qū)動就能完成運動仿真。參考文獻結(jié)論本畢業(yè)設(shè)計的目的是基于SOLIDWORKS繪制了數(shù)控車床上下料六自由度機械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計并對其做了簡化處理，對設(shè)計中的重點研究工作概括如下。經(jīng)充分研究，確定自由度機械臂主要設(shè)計參數(shù)并根據(jù)工作需求確定六自由度的結(jié)構(gòu)類型，根據(jù)常規(guī)工件質(zhì)量情況確定機械臂主要加載條件，并明確了六自由度機械臂的最大活動零點五徑和范圍;對六自由度機械臂的詳細零件結(jié)構(gòu)進行了架構(gòu)設(shè)計，尤其是針對傳動機構(gòu)的大臂、腰身、臂連桿機構(gòu)等進行了架構(gòu)設(shè)計，最后，應(yīng)用三維模型軟件，實現(xiàn)了六自由度機械臂三維模型設(shè)計及虛擬裝配，結(jié)果表明該畢業(yè)設(shè)計6自由度機械臂可以達到設(shè)計所需工作空間范圍及負載要求，并設(shè)計合理。

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