五自由度機械臂設計論文

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

2、個五自由度關節(jié)式機械臂，確定五自由度工業(yè)機器人的主要技術參數(shù)和傳動關系，并通過對工業(yè)機器人的動力計算為各部位選擇合適的驅動電機；確定五自由度工業(yè)機器人設計計算機控制系統(tǒng)方案以及為所設計的五自由度工業(yè)機器人進行Pro/E建模。本論文作者在參考大量文獻資料的基礎上，結合設計的要求，并參考通用型機器人的結構，進行五自由度工業(yè)機器人的結構設計和其計算機控制系統(tǒng)的設計。本文所設計的機械手臂主要由手爪、腕、小臂、大臂和基座組成，同時用Pro/E對其

3、進行了三維建模，可用于搜索、抓取水下管件、纜線等細長物體，也可用于抓取其它形狀的物體，具有一定的通用性。機器人能自動控制，多功能，有五個自由度，可固定或運動，用于相關自動化系統(tǒng)中。</p><p>　　關鍵詞　五自由度；工業(yè)機器人；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)機器人的組成2</p><p>　　1.3 工業(yè)機器人的分類2</p><p>　　1.4 工業(yè)機器人主要技術性能參數(shù)3</p><p>　　1.5 課題的總體內(nèi)容4</p><p>　　1.6 本章小結4</p><p>　　第2章 機械臂的結構設計5</p><p>

9、;　　2.1 五自由度工業(yè)機器人的主要參數(shù)5</p><p>　　2.2 五自由度工業(yè)機器人結構5</p><p>　　2.3 五自由度工業(yè)機器人的動力計算6</p><p>　　2.4 本章小結15</p><p>　　第3章 機械臂的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21</p><p><b>　　結論22</b></p><p><b>　　致謝23</b></p>

11、<p><b>　　參考文獻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>　　機器人工程是近二十多年來迅速發(fā)展起來的綜合學科。它集中了機械工程、電子工程、計算機工程、自動控制工程以及人工智能等多種學科的最新研究成果，是當代科學技術發(fā)展最活躍的領域之一，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)機器人的研究、制造和應用水平，是一個國家科技水平和經(jīng)濟實力的象征，正受到許多國家的廣泛重視。</p><p>　　目前，工業(yè)機器人的定義，世界各國尚未統(tǒng)一，分類也

13、不盡相同。最近聯(lián)合國國際標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給工業(yè)機器人下的定義：工業(yè)機器人是一種可重復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，主要用于搬運材料，傳遞工件。參考國外的定義，結合我國的習慣用語，對工業(yè)機器人作如下定義[1]：</p><p>　　工業(yè)機器人是一種機體獨立，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)機器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運動速度，可以搬運更重的東西，而且定位精度相當高，它可以根據(jù)外部來的信號，自動進行各種操作。</p><p>　　工業(yè)機器人的發(fā)展，由簡單到復雜，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)機器人，它主

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

16、業(yè)機器人即智能機器人。這種機器人除了具有觸覺、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行操作，完成規(guī)定的任務。并且能跟蹤工作對象的變化，具有適應工作環(huán)境的功能。這種機器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應用[2]。</p><p><b>　　工業(yè)機器人的組成</b></p><p>　　機械加工中

17、使用的機器人大多是代替人上肢的部分功能，按給定的程序、軌跡和要求進行工作。它主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(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)機器人完成抓取工件，實現(xiàn)各種運動所必需的機械部件，它包括手部、腕部、機身和行走機構等。</p><p>　　(1) 手部：又稱手爪或抓取機構，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，并把它傳遞到預定的位置。</p><p>　　(4) 機身：是支承手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉、升降或俯仰運動。</p><p>　　2. 驅動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅動其動力的裝置。常用的機械

19、傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動。</p><p>　　3. 控制系統(tǒng)：通過對驅動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，當發(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)行機構的運動情況，根據(jù)需要反饋給控制系統(tǒng)，與設定進行比較，以保證運動符合要求[3]。</p><p><b>　　工業(yè)機器

20、人的分類</b></p><p>　　工業(yè)機器人的分類方法很多，這里主要以工業(yè)機器人的驅動方式、控制功能、編程方式、控制機構、坐標形式、自由度數(shù)以及抓取重量的不同進行分類。</p><p>　　1. 按驅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型和智能型。</p><p>　　重復型機器人

21、能夠按照事前編制的程序重復自動的工作。目前，機械加工系統(tǒng)中應用的工業(yè)機器人幾乎都是這種。</p><p>　　智能型機器人除具有重復型的功能外，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. 按控制方式分為點位控制和連續(xù)軌跡控制。</p><p>　　點位控制是

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

23、點位控制，難于實現(xiàn)復雜運動。</p><p>　　佩服型機器人是根據(jù)連續(xù)輸入指令，經(jīng)過信號擴大，由佩服驅動機構控制運動。通常采用位置檢測機構，檢測機器人運動部件的位置和姿態(tài)變化，以控制機器人運動部件的準確定位。這種機器人可獲得良好的運動特性，定位精度高，不僅適于點位控制，而且適于連續(xù)軌跡控制。</p><p>　　6. 按坐標形式分為直角坐標式機器人、極坐標式機器人、圓柱坐標式機器人和多關

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

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

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器人抓取功能的技術參數(shù)，它是設計手部的基礎。</p><p><b>　　坐標形式和自由度：</b></p><p>　　說明機器人機身、手部、腕部等共有的自由度數(shù)及它們組成的坐標系特征。&l

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

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

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

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

31、構設計</b></p><p>　　五自由度工業(yè)機器人的主要參數(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：α＝220º，ωα＝30º/s</p><p>　　6. 手腕擺動：γ＝±90º，ωγ＝60º/s</p><p>　　7. 手腕回轉：ε＝300º，ωε＝120º/s</p><p>　　五自由度工業(yè)機器人結構<

33、;/p><p>　　以KUKA IR-662/100型機器人為參照，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. 主要技術參數(shù)</b></p><p><b>　　表2-1 技術參數(shù)</b></p><p>　　(1) 采用空間多關節(jié)式

34、結構，工作范圍比其它結構形式要大；</p><p>　　(2) Ⅰ軸控制機器人腰座旋轉，伺服電動機軸上的小齒輪旋動腰部軸承帶輪齒的內(nèi)環(huán)完成運動；Ⅱ軸、Ⅲ軸分別控制大小臂的運動，其傳動是通過滾珠絲杠螺母副來完成，傳動剛度高；Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ軸控制腕部運動，伺服電動機通過(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) 對細長管軸，大量采用焊接工藝，以減少機械加工量，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度鑄鋁材料，從而大大減輕整機重量[5]。</p><

36、p><b>　　表2-2 傳動關系</b></p><p><b>　　2. 平衡系統(tǒng)</b></p><p>　　由于自重、承重較大，工作時運動慣性亦較大，為使小臂接近靜平衡，將伺服電動機組件、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)量靜平衡的基礎上，機器人還配置氣動平衡系統(tǒng)，用兩組平衡氣缸分別對大臂、小臂進行平衡。通過改變

37、氣缸壓力來補償負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器人外部。</p><p>　　五自由度工業(yè)機器人的動力計算</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為機器人托運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>　　實際驅動力 P實＝＝＝2281.4（N）&

41、lt;/p><p>　　圖2-2 手指傳動示意圖</p><p><b>　　手指驅動電機的選擇</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《機械設計手冊》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>　　導程角r=arctan (2-3)&l

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

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

46、 2.5）</p><p>　　MLP—— 負載峰值力矩（N·m）</p><p>　　ΩLP —— 負載峰值轉速（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《實用機械電氣技術手冊》電機篇表13－15選伺服電機型號為：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>　　腕擺電機的選擇</b></p><p>　　腕擺轉速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>　　＝75.59.8＝739.9 N</p><p><b>　　F＝＝8.7N</b></p><p>　　F實＝＝＝10.88N</p><p><b>　　η—諧波效率</b></p><p>&

50、lt;b>　　T＝T實</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《實用機械電氣技術手冊》電機篇表13－15選伺服電動機型號：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>　　手腕回轉驅動電機的選擇：</p><p>　　手腕回轉轉速ωε＝120º/s＝20 r/min</p><p>　　回轉轉矩：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、機身及工件等回轉部件對機身回轉軸線的轉動慣量(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《實用機械電氣技術手冊》電機篇表13－15選取伺服電動機型號：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>　　手臂回轉驅動電機的選擇：</p><p>　　回轉轉速：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《實用機械電氣技術手冊》電機篇表13－15選伺服電動機型號：90SZ52，1500 r/min，80W，220V</p><p>　　電機轉速為n電=ωαi1 (2-8)</p><p>　　= 580=1500r/min符合要求</p><p>　　同步帶設計：(P=

61、300W,n=3000 r/min)</p><p>　　Pc=KA·P=1.6600＝960W=0.96kW</p><p>　　參考表《機械設計手冊》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>　　＝＝7.43＞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>　　帶輪的結構和尺寸：</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>　　大臂驅動絲桿的設計</b></p><

69、p>　　估算：等效載荷Fm=1000N,絲桿有效行程270mm,等效轉速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《機電液設計手冊》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>　　螺旋導程角γ= arctan=arctan=3º25′1″</p><p>　　螺桿不長，無需驗算穩(wěn)定性。</p><p><b>　　剛度驗算</b></p><p>　　按最不利情況考慮，即在螺距(

73、導程)內(nèi)受軸向力引起的彈性變形與受轉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>　　因為滾球絲桿精度要求為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>　　絲桿驅動電機

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

77、t;<p><b>　　本章小結</b></p><p>　　本章內(nèi)容主要確定了五自由度工業(yè)機器人的主要參數(shù)，對五自由度工業(yè)機器人的結構進行了設計并完成了五自由度工業(yè)機器人的動力計算。</p><p>　　機械臂的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是一套又設計至生產(chǎn)機械自動化軟件，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其強大完美的功能，使其在工業(yè)造型設計、三維模型設計、計算分析、運動學分析、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，點選“放置”→“定義”（圖3-5）,選擇FRONT面，單擊“草繪”（圖3-6）,進入草繪平面。</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”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”。</p><p>　　圖3-8 設置深度值</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.運行Pro/E程序，打開已經(jīng)裝配好的文件。</p><p>　　2.選擇“應用程序”下的“動畫”，進入動畫制作界面。</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”對個別零件進行移動。然后點擊拍照按鈕，重復移動和拍照（圖3-13）。</p><p>　　5.單擊“啟動動畫” ，運行動畫。</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 關鍵幀 圖3-13 拖動</p><p>　　圖3-14機械臂裝配圖</p><p><b>　　本章小結</b></p><p>　　建立了機械手的三維模型，對機械手運動學和動力學性能進行了仿真研究，分析了運動部件之間的相對關

88、系，完成了機械手抓取不同目標物時的運動學、動力學仿真；機械手采用液壓驅動方式，驅動力大、結構簡單。</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　本文通過對五自由度工業(yè)機器人的結構設計，建立了機械臂運動過程模型。又通過五自由度工業(yè)機器人的動力計算、建立計算機控制系統(tǒng)方案和對機械臂進行Pro/E三維建模，得到了如下一些結果：</p><

89、;p>　　1．五自由度機械臂可用于搜索、抓取水下管件、纜線等細長物體,也可用于抓取其它形狀的物體,具有一定的通用性。</p><p>　　2．機器人能自動控制，多功能，有幾個自由度，可固定或運動，用于相關自動化系統(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)機器人的控制?？删幊炭刂破魇峭ㄟ^軟件來實現(xiàn)控制的，只需改變軟件就可以實現(xiàn)不同的控制要求。</p

90、><p>　　在本文結束之際，總結自己所做的工作，受時間和研究水平所限，認為在對機器人自動控制系統(tǒng)進行開發(fā)與應用還應進一步深入研究，使機器人具備自動控制工作和機體在外部障礙的影響下進行自動修正的功能。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本文是在導師焦波老師的精心指導下和熱情關懷下完成的。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，焦老師那嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，開拓創(chuàng)新的科研作風，忘我的工作精神和對學生的關愛，無一不讓我感動和欽佩，這將使我在今后的工作和學習中受益終身。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</b></p><p>　　1 蔡自興．機器人學．清華大學出版社，2000：4~7</p><p>　　2

92、 (法)科依費特，(法)奇羅茲．機器人技術導論．匡興華，陳元興　譯．國防科技大學出版社，1991年5月：15~17</p><p>　　3 成大先．機械設計手冊，第4卷．化學工業(yè)出版社，2002：6~7</p><p>　　4 鐘約先，林享．機械系統(tǒng)計算機控制．清華大學出版社，2001：8~10</p><p>　　5 李元宗．機器人學講義．太原工業(yè)大學，1

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95、　13 張福學．機器人學一智能機器人傳感技術．電子工業(yè)出版社，1995：20~23</p><p>　　14 郭巧．現(xiàn)代機器人學．北京理工大學出版社，1999：20~23</p><p>　　15 蔣新松．國外機器人的發(fā)展及我們的對策研究．機器人，1987：3~10</p><p>　　16 李真，李志強．協(xié)作多機器人系統(tǒng)的模塊化設計與實現(xiàn)．機器人，1999

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97、　　20 張鐘俊，蔡白興．機器人自動化的新趨勢自動化，1986：2~3</p><p>　　21 諸靜．機器人與控制技術．浙江大學出版社，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為腰關節(jié)尺寸示

100、意圖</p><p>　　圖A-2腰關節(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