教育用四自由度機械手設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

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1、 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 摘 要 科學(xué)發(fā)展觀為我國工程技術(shù)的發(fā)展開辟了廣闊的道路，而機械手作為一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，這就對我們的教育培訓(xùn)部門提出了新的要求。因此，為了適應(yīng)社會發(fā)展的形勢，在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上設(shè)計一臺教學(xué)型機械手有著深遠(yuǎn)的科教意義。本次設(shè)計教學(xué)用四自由度機械手為教學(xué)用專用機械手，主要由手爪、手臂、機身、機座等組成，具備抓取、搬運等多種功能，本機械手機身采用機座式，實驗對象圍繞機座布置，其坐標(biāo)形式為關(guān)節(jié)式，具有水平旋轉(zhuǎn)、手臂豎直擺動等4個自由度；驅(qū)動方式為電機驅(qū)動，利用電機帶動減速機，減速機減速后帶動旋轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)各個回轉(zhuǎn)運動。電動驅(qū)動

2、的優(yōu)點是控制精度高，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好。本次設(shè)計的機械手能對不同物體完成多種動作。采用單片機控制系統(tǒng)，最終實現(xiàn)關(guān)節(jié)的伺服控制和制動、實時監(jiān)測機器人的各個關(guān)節(jié)的運動情況、機器人的在線修改程序、設(shè)置參考點和回參考點。 關(guān)鍵詞：機械手；電機驅(qū)動；伺服系統(tǒng)。 Abstract Scientific outlook on development for the development of Engineering Technology in China has opened up a broad road, while

3、the robot as a high-tech automated production equipment, has been widely used in various fields of the national economy, it is to our education and training departments to put forward new requirements. Therefore, in order to adapt the social development situation, based on the existing technology an

4、d design a teaching manipulator has profound scientific significance. This design education with three degrees of freedom to education with a dedicated robotic manipulator, mainly by the gripper arm, body, frame and other components, with the feeding, handling and other functions, the phone adopts t

5、he base machine, experimental arranged around the base object, its coordinates in the form of joint type, with horizontal rotation, vertical arm swing, and other three degrees of freedom; drive the motor drive, using motor driven reducer, gear reducer drive shaft after each rotation to achieve movem

6、ent. Advantages of electric drive control, high precision, accurately positioning, responsive, enabling high-speed, high-precision continuous path control, servo characteristics of a good. The design of the robot can perform multiple actions on different objects. Control system using single chip, an

7、d ultimately the joint servo control and braking problems, real-time monitoring of the robot movement of each joint, the robot programming and online teaching modify the program, set the reference point and back to the reference point. Keywords: manipulator; motordrive; servo system. VII

8、 目 錄 摘 要 I Abstract II 目 錄 III 第1章 緒論 1 1.1 提出題目的目的與意義 1 1.2 國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀 1 1.2.1 國外發(fā)展的現(xiàn)狀 1 1.2.2 國內(nèi)發(fā)展的狀況 2 第2章 方案的確定與比較分析 3 2.1 機械手機械系統(tǒng)的比較與選擇 4 2.1.1 直角坐標(biāo)型機械手 4 2.1.2 圓柱坐標(biāo)型機械手 4 2.1.3 球坐標(biāo)型機械手 5 2.1.4 關(guān)節(jié)型機械手 5 2.2 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的比較與選擇 6 2.2.1 液體壓力驅(qū)動 6 2.2.2 氣體壓力驅(qū)動 6 2.2.3

9、 電力驅(qū)動 7 第3章 驅(qū)動源的選擇與設(shè)計計算 9 3.1 主要技術(shù)參數(shù)的確定 9 3.2 各關(guān)節(jié)電機的選擇計算 10 3.2.1 大臂旋轉(zhuǎn)電機的選擇 11 3.2.2 小臂旋轉(zhuǎn)電機的選擇 12 3.2.3 腰部旋轉(zhuǎn)電機的選擇 13 第4章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 14 4.1 夾持式手部結(jié)構(gòu) 14 4.1.1 手指的形狀和分類 14 4.1.2 設(shè)計時考慮的幾個問題 14 4.2 手部夾緊氣缸的設(shè)計 15 4.2.1 彈簧的設(shè)計計算 15 4.2.2 對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗算 15 4.2.3 疲勞強度和應(yīng)力強度的驗算 16 4.2.4 手

10、部驅(qū)動力計算 16 4.2.5 氣缸直徑的設(shè)計計算 17 4.2.6 缸筒壁厚的設(shè)計 19 4.2.7 活塞桿運動行程的計算 20 第5章 各機械部件的設(shè)計選擇與校核 20 5.1 軸的設(shè)計與校核 20 5.1.1 大臂旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計 20 5.1.2 大臂軸的強度校核 21 5.2 鍵的選擇與強度的校核 24 5.2.1大臂旋轉(zhuǎn)軸鍵聯(lián)接處鍵的強度校核 24 5.2.2 小臂旋轉(zhuǎn)軸鍵聯(lián)接處鍵的強度校核 25 5.3 軸承壽命的校核 26 5.4 聯(lián)軸器的選擇與圓錐銷的校核 27 5.4.1 聯(lián)軸器的選擇 27 5.4.2 聯(lián)軸器圓錐銷的校核

11、28 第6章 基于Creo Parametric機械手運動仿真 29 6.1 四自由度機械手零件的建模 29 6.2 四自由度機械手的裝配 30 6.2.1 Creo Parametric的裝配 30 6.3 四自由度機械手的運動仿真 32 6.3.1 運動學(xué)仿真 32 6.3.2 進(jìn)入機構(gòu)模塊 32 6.3.3 添加伺服電機 34 6.3.4 定義初始條件 35 6.3.5 定義分析 36 6.3.6 運動仿真視頻制作 37 結(jié) 論 39 致 謝 40 參考文獻(xiàn) 41 附 錄 42 第1章 緒論 1.1 提出題目的目的與意義

12、 為了代替人類在某些苛刻的場合從事生產(chǎn)，或用于流水作業(yè)，以機械手往復(fù)的工作，節(jié)約人的體力。由于機械手在生活中的大量運用，使得人類的生產(chǎn)率有了大幅的提高，同時也改善了我們的工作環(huán)境。讓人類的生活變得越來越智能化。 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 機械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識；其一、它能部分代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工作的傳送和裝卸；其三，它能操作必要的機具進(jìn)行焊接和裝配。從而大大的改善工人的勞動條件，顯著的提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國家的重視，投入大量的人工物力加以研究和應(yīng)用。

13、尤其在高溫、高壓、粉壓、噪音以及帶有放射性的污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視[1]。 1.2.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人

14、的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)殿起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進(jìn)了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用 1.2.2 國外發(fā)展?fàn)顩r 專用機械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入了以通用機械手為標(biāo)志的時代。機械手可以應(yīng)用于更加多的場合，從而節(jié)約了不少的開發(fā)以及設(shè)計的成本。由于機械手的發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機器人的研制。機械手涉及的內(nèi)容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎(chǔ)知識，而且還應(yīng)用了

15、一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)等，因此它是一項綜合性較強的技術(shù)。目前國外對發(fā)展這一技術(shù)很重視。幾十年來，這項技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計在不斷的修改，品種在不斷的增加，應(yīng)用領(lǐng)域在不斷的擴(kuò)大。 目前國外的發(fā)展趨勢是[2]： 1 研制有更多自由度的機械手，這樣機械手就可以變得更加的靈活，從而完成更加多的動作。 2 研制帶有行走機構(gòu)的機械手，這種機械手可以從一個工作地點移動到另一個工作地點。 3 研制維修維護(hù)方便的機械手。 4 研制能自動編制和自動改變程序的機械手。 5 研制具有一定感觸和一定智力的智能機械手

16、。這種機械手具有各種傳感裝置，并配有計算機。根據(jù)仿生學(xué)的理論，用計算機充當(dāng)其大腦，使它進(jìn)行思考和記憶。用聽筒和聲敏元件作為耳朵能聽，用揚聲器作為嘴能說話進(jìn)行應(yīng)答，用熱電偶和電阻應(yīng)變儀作為觸覺和感觸。用滾輪或者雙足式機構(gòu)腳來實現(xiàn)自動移位。這樣的智能機械手可以由人的特殊語言對其下達(dá)命令，布置任務(wù)，使自動化生產(chǎn)線成為智能化生產(chǎn)線。 6 機械手的外觀達(dá)到美觀的要求，盡量用最簡單的結(jié)構(gòu)和設(shè)備能完成更加多的動作。 7 研制具有柔性系統(tǒng)的機械手 第2章 方案的確定與比較分析 本畢業(yè)設(shè)計的機械手，要求有較高的定位精度和較高的耐用度，其結(jié)構(gòu)形式方案一般有一下幾種[7,8]： 表2

17、-1 機械手結(jié)構(gòu)選型表 結(jié)構(gòu)形式方案 特點 優(yōu)缺點 結(jié)構(gòu)簡圖 直角坐標(biāo)型 操作機的手臂具有三個移動關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按直角坐標(biāo)配置 結(jié)構(gòu)剛度較好，控制系統(tǒng)的設(shè)計最為簡單，但其占空間較大，且運動軌跡單一，使用過程中效率較低 圓柱坐標(biāo)型 操作機的手臂至少有一個移動關(guān)節(jié)和一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按圓柱坐標(biāo)系配置 結(jié)構(gòu)剛度較好，運動所需功率較小，控制難度較小，但運動軌跡簡單，使用過程中效率不高 球坐標(biāo)型 操作機的手臂具有兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)，其軸線按極坐標(biāo)系配置 結(jié)構(gòu)緊湊，但其控制系統(tǒng)的設(shè)計有一定難度，且機械手臂的剛度不足，機械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜

18、 續(xù)表 結(jié)構(gòu)形式方案 特點 優(yōu)缺點 結(jié)構(gòu)簡圖 關(guān)節(jié)型 操作機的手臂類似人的上肢關(guān)節(jié)動作，具有三個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 運動軌跡復(fù)雜，結(jié)構(gòu)最為緊湊，但控制系統(tǒng)的設(shè)計難度大，機械手臂的剛度差 2.1 機械手機械系統(tǒng)的比較與選擇 2.1.1 直角坐標(biāo)型機械手 直角坐標(biāo)式機械手是適用于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種機械手。它的手臂可作伸縮，左右和上下移動，按直角坐標(biāo)形式X、Y、Z三個方向的直線進(jìn)行運動。結(jié)構(gòu)簡圖見表2-1。 其工作范圍可以使一個直線運動；二個直線運動或三個直線運動。如在X、Y、Z三個直線運動方向上各具有A、B、C三個回轉(zhuǎn)運動，即構(gòu)成六個自

19、由度。但在實際上是很少有的。缺點是這種機械手作業(yè)范圍較小，占空比大，靈活性差。 2.1.2 圓柱坐標(biāo)型機械手 圓柱坐標(biāo)式機械手適用于搬運和測量工作。 具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡單，而動作范圍較大等優(yōu)點。 圓柱坐標(biāo)式機械手由X、Z、φ三個運動組成。它的工作范圍可分為：一個旋轉(zhuǎn)運動，一個直線運動，加一個不在直線運動所在平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動；二個直線運動加一個旋轉(zhuǎn)運動。結(jié)構(gòu)簡圖見表2-1. 圓柱坐標(biāo)式機械手有五個基本動作： 1 手臂水平回轉(zhuǎn)； 2 手臂伸縮； 3 手臂上下； 4 手臂回轉(zhuǎn)動作； 5 手爪夾緊動作。 圓柱坐標(biāo)式機械手的特征是在垂直導(dǎo)柱上裝有滑動套筒、手臂裝在滑動套

20、筒上，手臂可作上下直線運動（Z）和在水平面內(nèi)做圓弧狀的左右擺動（φ）。 圓柱坐標(biāo)式機械手的缺點是結(jié)構(gòu)龐大，兩個移動軸的設(shè)計比較復(fù)雜，難于其他設(shè)備協(xié)調(diào)工作。 2.1.3 球坐標(biāo)型機械手 球坐標(biāo)式機械手是一種自由度較多，用途較廣的機械手。它是由X、θ、φ三個方向的運動組成。結(jié)構(gòu)簡圖見表2-1。球坐標(biāo)式機械手的工作范圍包括：一個旋轉(zhuǎn)運動；二個旋轉(zhuǎn)運動；二個旋轉(zhuǎn)運動加一個直線運動。 球坐標(biāo)式機械手可實現(xiàn)以下八個動作： 1 手臂上下動作，即俯仰動作； 2 手臂左右動作，即回轉(zhuǎn)動作； 3 手臂前后動作，即伸縮動作； 4 手腕上下彎曲； 5 手腕左右擺動； 6 手腕旋轉(zhuǎn)運動

21、； 7 手爪夾緊動作； 8 機械手整體移動。 球坐標(biāo)式機械手的特征是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面內(nèi)做圓弧狀上下俯仰運動，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動，工作范圍和人手的動作類似。它的特點是能自動選擇最合理的動作路線。所以工效高。另外由于上下擺動，它的相對體積小，動作范圍大。其缺點是壁障性差，有平衡問題，位置誤差與臂長成正比，控制難度大。 2.1.4 關(guān)節(jié)型機械手 又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，分為垂直關(guān)節(jié)坐標(biāo)和平面（水平）關(guān)節(jié)坐標(biāo)，機械手由立柱和大小臂組成，立柱與大臂通過肩關(guān)節(jié)相連接，立柱繞z軸旋轉(zhuǎn)，形成腰關(guān)節(jié)，大臂與小臂形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)和俯仰，小臂作俯仰。機械手

22、工作空間范圍大，動作靈活，避障性好，能抓取靠近機座的物體，其缺點是位置精度較低，控制耦合比較復(fù)雜，目前應(yīng)用越來越多[10]。 本次設(shè)計的是教學(xué)用四自由度機械手，要求體積小，重量輕，靈活性強，對精度要求不高，抓取重量較輕，上述4種類型機械手中關(guān)節(jié)式械手結(jié)構(gòu)最為緊湊，占空比最小，適合中小負(fù)載，能夠達(dá)到設(shè)計要求且結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，所以本次設(shè)計選擇關(guān)節(jié)式機械手。 2.2 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的比較與選擇 機械手的驅(qū)動可分為液壓，氣動和電動三種基本類型。 2.2.1 液體壓力驅(qū)動 液壓傳動機械手有很大的抓取能力，抓取力可高達(dá)上百公斤，液壓力可達(dá)7Mpa，液壓傳動平穩(wěn)，動作靈敏，但對密封性要求高，不宜在

23、高或低溫現(xiàn)場工作，需配備一套液壓系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)龐大。 液壓驅(qū)動有以下特點： 1 輸出功率很大，壓力范圍為50-140N/cm2。 2 控制性能較強，利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。 3 結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大。 4 液壓系統(tǒng)可實現(xiàn)自我潤滑，過載保護(hù)方便，使用壽命長。 液壓驅(qū)動需配置液壓系統(tǒng)，易產(chǎn)生泄漏而影響運動精度。系統(tǒng)易發(fā)熱，出現(xiàn)故障后較難找出原因。 5 適用于重載、低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機械手、點焊機械手和托運機械手。 2

24、.2.2 氣體壓力驅(qū)動 氣壓傳動機械手結(jié)構(gòu)簡單，動作迅速，價格低廉，由于空氣可壓縮，所以工作速度穩(wěn)定性差，氣壓一般為0.7Mpa，因而抓取力小，只有幾十牛到百牛力。 氣壓驅(qū)動具有以下特點： 1 輸出功率不大，壓力范圍為48-60N/cm2，最高可達(dá)100N/cm2 2 可控性不強，氣體壓縮性能大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速高精度的連續(xù)軌跡控制。 3 執(zhí)行機構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題比液壓小。 4 適用于中小負(fù)載驅(qū)動，精度要求較低的有限點位程序控制機器人，如沖壓機械手本體的氣動平衡和及裝配機械手氣動

25、夾具[11]。 2.2.3 電力驅(qū)動 這種驅(qū)動是目前在機器手中用的最多的一種。早期多采用步進(jìn)電動機（SM）驅(qū)動，后來發(fā)展了直流伺服電動機（DC），現(xiàn)在交流伺服電動機（AC）驅(qū)動也開始廣泛應(yīng)用。上述驅(qū)動單元有的直接驅(qū)動機構(gòu)運動，有的通過減速器裝置來減速，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。 電動驅(qū)動的控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜。適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機械手，如AC伺服噴涂機械手、點焊機械手、弧焊機械手、裝配機械手等。 電力驅(qū)動可分為普通交流電動機驅(qū)動，交、直流伺服電動機驅(qū)動和步進(jìn)電動機驅(qū)

26、動。 各種電機驅(qū)動的特點： 1 普通交、直流電動機驅(qū)動需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型機械手。 2 直流伺服電動機：直流伺服電動機具有良好的啟動、制動和調(diào)速特性，可很方便地在較寬范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑的無級調(diào)速，動態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)定性好，可適應(yīng)頻繁啟動、反向、制動等工作狀況。直流伺服電動機按勵磁方式不同，有永磁式和電磁式之分；按轉(zhuǎn)速高低及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量大小，有高速、小慣量（小慣量直流伺服電動機有多種：無槽電樞直流伺服電動機，繞組鐵芯細(xì)長，故轉(zhuǎn)動慣量小，其功率較大；空心杯轉(zhuǎn)子直流伺服電動機，轉(zhuǎn)動慣量很小，靈敏度更高，功率較??；印制繞組直流伺服電動機，可承受頻繁的起

27、動、換向，切率中等。這類電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小，電感小，故換向性能好，動態(tài)響應(yīng)快，快速性能好，低速無爬行。）和低速、大慣量（大慣量直流伺服電動機有永磁式和電磁式兩種，其中永磁式用得較多，它的低速性能好，輸出轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，轉(zhuǎn)子慣量大，受負(fù)載影響小，故可與絲杠直接連接，承受過載、重載能力強。）之分。 3 交流伺服電動機：交流伺服電動機幾乎具有直流伺服電動機的所有優(yōu)點，且結(jié)構(gòu)簡單，制造、維護(hù)簡單，具有調(diào)速范圍寬、穩(wěn)速精度高，動態(tài)響應(yīng)特性更好等技術(shù)特點，可達(dá)到更大的功率和更高的轉(zhuǎn)速。 4 步進(jìn)電動機：步進(jìn)電動機是由電脈沖信號控制的，它可將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或直線位移，有回轉(zhuǎn)式和

28、直線式兩種。步進(jìn)電動機結(jié)構(gòu)簡單、控制簡便、價格較低，但易失步，具有轉(zhuǎn)子慣量低、反應(yīng)靈敏、能提供較大的低速轉(zhuǎn)矩、無漂移、無積累定位誤差等優(yōu)良性能，其控制線路簡單，不需反饋編碼器和相應(yīng)的電子線路。步進(jìn)電動機輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖個數(shù)成嚴(yán)格正比關(guān)系，轉(zhuǎn)子速度主要取決于脈沖頻率，故控制簡便。步進(jìn)電動機系統(tǒng)主要由步進(jìn)控制器、功率放大器及步進(jìn)電動機組成。純硬件的步進(jìn)電動機控制器由脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器、控制邏輯等組成，它的作用就是把脈沖串分配給步進(jìn)電動機的各個繞組，使步進(jìn)電動機按既定的方向和速度旋轉(zhuǎn)。若采用微機技術(shù)，用軟件與硬件相結(jié)合，則控制器不僅可在硬件上簡化線路，降低成本，而且又提高可靠性[12,13]。

29、 綜上所述，由于本次設(shè)計機械手負(fù)載較小，對體積有一定要求，又考慮到機械手的特點和各驅(qū)動方式的優(yōu)缺點，直流伺服電機體積小，控制精度高，與傳動系統(tǒng)配合結(jié)構(gòu)最為緊湊，故機械手關(guān)節(jié)處選擇直流伺服電機驅(qū)動，手部采用氣動驅(qū)動。 第3章 驅(qū)動源的選擇與設(shè)計計算 3.1 主要技術(shù)參數(shù)的確定 圖3-1 機械手手臂重量分布圖 圖3-2 開口盤重量分布圖 如圖3-1所示，設(shè)計機械手大臂與小臂的尺寸和重量如下： 1. 大臂的第一和第二關(guān)節(jié)軸之間的距離為198mm，質(zhì)量為M1(3kg左右)，重心在距離第一關(guān)節(jié)軸110mm處，L1=110mm。 2. 小臂的第二關(guān)節(jié)軸和

30、手爪前部之間的距離為194mm，質(zhì)量為M2(3.5kg左右)，重心在距第二關(guān)節(jié)軸120mm處，L2=198+120=318mm。 如圖3-2所示，設(shè)計機械手開口盤質(zhì)量和尺寸如下： 旋轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)盤重心距離為60mm，轉(zhuǎn)盤質(zhì)量為8Kg。 本次設(shè)計機械手的基本設(shè)計參數(shù)如下： 負(fù)載0.5kg；大臂回轉(zhuǎn)：0~，；小臂回轉(zhuǎn)：0~，； 腰部旋轉(zhuǎn)：0~，600/s；手爪夾持半徑45mm-95mm。 3.2 各關(guān)節(jié)電機的選擇計算 當(dāng)機械手手臂旋轉(zhuǎn)時，當(dāng)臂伸開呈一條直線時轉(zhuǎn)動慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開始時可產(chǎn)生電機的轉(zhuǎn)矩不足。如圖3-1所示，設(shè)兩臂繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為JG1、JG2

31、，根據(jù)平行軸定理可得繞大臂軸的轉(zhuǎn)動慣量為[14]： J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22 （3-1） 其中：M1，M2，分別為3Kg，3.5Kg；L1，L2，分別為110mm，318mm。JG1M1L12、JG2M2L22，故可忽略不計，所以繞大臂軸的轉(zhuǎn)動慣量為： J1= M1L12+M2L22 (3-2) =30.112+3.50.3182 =0.39kg.m2 同理可得小臂繞小臂關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量： M2=3.5Kg，L4=1

32、20mm。 J2=M2L42 (3-3) =3.50.122 =0.05kg.m2 腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為開口盤繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量加上大臂與小臂繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之和。 設(shè)開口盤繞腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為J3，所以同理可得腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量： M3=8Kg，L5=60mm。 （3-4） 3.2.1 大臂旋轉(zhuǎn)電機的選擇 設(shè)大臂速度為，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下： （3-5）

33、式中：T ——旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩，N.m。 J —— 轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2。 ——角加速度，rad/s。 設(shè)機械手大臂從到所需的時間為：，由式（3-5）有： 若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為2，則減速機輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： 選擇減速機： 型號：APEX-AE235 （同軸式行星減速機） 額定輸出轉(zhuǎn)矩：10N.m 減速比：i1=100 諧波減速器的的傳遞效率為：，步進(jìn)電機應(yīng)輸出力矩為： (3-6) 選擇小型直流伺服

34、電機： 型號：MAXON-EC118896 額定轉(zhuǎn)矩：0.7N.m 額定電壓：24V 額定電流：1.5A 額定轉(zhuǎn)速：1000rpm 最高轉(zhuǎn)速：1200rpm 額定功率：10w 3.2.2 小臂旋轉(zhuǎn)電機的選擇 原理同上，設(shè)小臂轉(zhuǎn)速，設(shè)角速度從0加到所需加速時間，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下： （3-7） 式中：T ——旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩，N.m。 J ——轉(zhuǎn)動慣量，kg.m。 ——角加速度，rad/s。 由式（3-7）有： 若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦

35、力矩，取安全系數(shù)為2，則減速機輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： （3-8) 選擇減速機： 型號：APEX-AE235 （同軸式行星減速機） 額定輸出轉(zhuǎn)矩：10N.m 減速比：i2=100 諧波減速器的的傳遞效率為：，步進(jìn)電機應(yīng)輸出力矩為： (3-9) 選擇小型直流伺服電機： 型號：MAXON-EC118896 額定轉(zhuǎn)矩：0.7N.m 額定電壓：24V 額定電流：1.5A 額定轉(zhuǎn)速：1000rpm 最高轉(zhuǎn)速：1200rpm 額定功率：10w 3.2.

36、3 腰部旋轉(zhuǎn)電機的選擇 設(shè)旋轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)速度為，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下： 式中：T —— 旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩，N.m。 J ——轉(zhuǎn)動慣量，kg.m2。 ——角加速度，rad/s。 設(shè)機械手大臂從到所需的時間為：則： 若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，取安全系數(shù)為2，則減速機輸出軸所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： (3-11) 選擇減速機： 型號：APEX-AE238 （同軸式行星減速機） 額定輸出轉(zhuǎn)矩：15N

37、.m 減速比：i3=100 設(shè)諧波減速器的的傳遞效率為：，步進(jìn)電機應(yīng)輸出力矩為： (3-12) 選擇小型直流伺服電機 型號：MAXON-EC137489 額定轉(zhuǎn)矩：0.9N.m 額定電壓：24V 額定電流：2A 額定轉(zhuǎn)速：1000rpm 最高轉(zhuǎn)速：1200rpm 額定功率：20w 第4章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.1 夾持式手部結(jié)構(gòu) 夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。 4.1.1 手指的形狀和分類 夾持式是最常見的一種，其中常

38、用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。 4.1.2 設(shè)計時考慮的幾個問題 1. 具有足夠的握力(即夾緊力) 在確定手指

39、的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 2. 手指間應(yīng)具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。 3. 保證工件準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。 4. 具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性

40、力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。 5. 考慮被抓取對象的要求 根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計成V型。 4.2 手部夾緊氣缸的設(shè)計 4.2.1 彈簧的設(shè)計計算 選擇彈簧是壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。如圖4-1所示： 圖4-1 圓柱壓縮彈簧 圖4-1中，D為彈簧中心線到彈簧絲中心的距離；D1為彈簧中心線到彈簧絲內(nèi)圈的距離；D2為彈簧中心線到彈簧絲外圈的距離；d為彈

41、簧絲直徑；H0為彈簧長度，本次設(shè)計彈簧具體尺寸參數(shù)如下： D=10mm；d=3mm；; ; ; n=5 4.2.2 對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗算 對于壓縮彈簧如果長度較大時，則受力后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是不允許的。為了避免這種現(xiàn)象本次使用的壓縮彈簧的長細(xì)比，本設(shè)計彈簧是2端自由，根據(jù)下列選?。? 當(dāng)兩端固定時，,當(dāng)一端固定；一端自由時，；當(dāng)兩端自由轉(zhuǎn)動時，。 本設(shè)計彈簧，因此彈簧穩(wěn)定性合適。 4.2.3 疲勞強度和應(yīng)力強度的驗算 對于循環(huán)次數(shù)多、在變應(yīng)力下工作的彈簧，還應(yīng)該進(jìn)一步對彈簧的疲勞強度和靜應(yīng)力強度進(jìn)行驗算（如果變載荷的作用次數(shù)，或者載荷變化幅度不大時，可只

42、進(jìn)行靜應(yīng)力強度驗算）。 現(xiàn)在由于本設(shè)計是在恒定載荷情況下，所以只進(jìn)行靜應(yīng)力強度驗算。計算公式： (4-1） 式中： 選取1.3到1.7之間（力學(xué)性精確能高） K取1.2 F取521 結(jié)論：經(jīng)過校核，彈簧適應(yīng)。 4.2.4 手部驅(qū)動力計算 本次設(shè)計的機械手手部結(jié)構(gòu)示意圖如下圖4-2所示: 圖4-2 齒輪齒條式手部 其工件重量G=0.5公斤， V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為

43、 (1) 根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為: N （4-2） (2) 根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式: 取4.3N （4-3） 所以 (3) 實際驅(qū)動力: （4-4） 因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取時，則: 所以 取120N 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為120N。 4.2.5 氣缸直徑的設(shè)計計算 本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣

44、缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為: （4-5） 式中: ——活塞桿上的推力，N。 ——彈簧反作用力，N。 ——氣缸工作時的總阻力，N。 —— 氣缸工作壓力，Pa。 彈簧反作用按下式計算: （4-6） = （4-7） 式中: ——彈簧剛度，N/m。 ——彈簧預(yù)壓縮量，m。 s——活塞行程，m。 ——彈簧鋼絲直徑，m。 ——彈簧平均直徑，mm。 ——彈

45、簧有效圈數(shù). ——彈簧材料剪切模量，一般取 在設(shè)計中，必須考慮負(fù)載率的影響，則: （4-8） 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: （4-9） 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 (N/m) N 所以: 圓整，得D=36mm , 可得活塞桿直徑: 圓整后，取活塞桿直徑d=14mm校核，按公式 有: (4-10) 其中，[]， 則:

46、 滿足實際設(shè)計要求。 4.2.6 缸筒壁厚的設(shè)計 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算: (4-11) 式中: 6——缸筒壁厚，mm。 ——氣缸內(nèi)徑，mm。 ——實驗壓力，取, Pa。 材料為:ZL3,[]=3MPa。 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: 取，則缸筒外徑為: 4.2.7 活塞桿運動行程的計算 本次設(shè)計機械手手爪夾持半徑為35mm～95mm，手爪手指長100mm，設(shè)手爪夾持最小半徑工件與夾持最大半徑工件之間手爪的旋轉(zhuǎn)角度為，則有

47、 (4-12) 式中：R1——夾持最小半徑，mm。 R2——夾持最大半徑，mm。 由于活塞桿與手爪間用齒輪齒條傳動，所以齒輪的轉(zhuǎn)動弧長則為活塞桿運動行程，設(shè)活塞桿運動行程為L，則： 所以活塞桿的運動行程為11.78mm，由于考慮到機械精度和傳動效率的影響，本次設(shè)計設(shè)計活塞桿運動行程為13mm。 第5章 各機械部件的設(shè)計選擇與校核 5.1 軸的設(shè)計與校核 5.1.1 大臂旋轉(zhuǎn)軸的設(shè)計 轉(zhuǎn)矩和彎矩是軸的主要承受載荷,軸的常見形式有直軸和彎軸,而根據(jù)本次設(shè)計中機構(gòu)的特點,選擇傳動軸為直軸.知條

48、件可知n=10r/min，由電機傳遞到軸上的功率 選擇軸的材料為45鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)后,再使用. 由參考資料表查得:硬度:HBS217～255;屈服強度極限: σs=360MPa;抗拉強度極限σb=650 MPa,彎曲疲勞強度極限σ1=300 MPa. 由表查得[σ-1]b=55 MPa. 初步確定軸的直徑： 按照扭轉(zhuǎn)強度估計軸輸出端直徑 由表查得C=1.3～126 取C=120 由式,得 取d=15mm 軸的設(shè)計尺寸參數(shù)如下圖5-1所示： 圖5-1 大臂旋轉(zhuǎn)軸 5.1.2 大臂軸的強度校核 按照扭轉(zhuǎn)強度校核： 本次設(shè)計傳動軸全長95mm，最小軸頸15mm，材料

49、為45號鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)后使用。 軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為： （5-1） 式中： ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。 T——軸所受的扭矩，N.mm。 ——軸的抗扭截面系數(shù)，。 N——軸的轉(zhuǎn)速；r/min。 P——軸的傳遞功率，Kw。 D——計算界面處軸的直徑，mm。 ——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa。 由上式得： （5-2）

50、 查表得的范圍為25 MPa～45MPa；的范圍為103～126。 本次設(shè)計取40 則 取106 則 本次設(shè)計最小軸徑為15mm>12.89mm，故滿足強度要求。 按照彎扭合成強度校核： 彎扭合成圖如圖5-2所示： 圖5-2 彎扭合成圖 若是軸強度合格，則 （5.3） 式中： ——軸的計算應(yīng)力，MPa。 M——軸所受的彎矩，N.mm。 T——軸所受的扭矩，N.mm。 W——軸的抗彎截面系數(shù)，。 ——截面系數(shù)。 本次設(shè)計軸的材料為45號

51、鋼，查表得： ， 軸的危險界面斷面圖如下圖5-3所示：

52、 圖5-3 軸的危險截面斷面圖 圖中，b=5mm，t=3mm，d=15mm 所以： 即 所以本次設(shè)計的軸強度合格。 5.2 鍵的選擇與強度的校核 5.2.1大臂旋轉(zhuǎn)軸鍵聯(lián)接處鍵的強度校核 選擇普通圓頭平鍵，GB/T1096-2003 （） 平鍵聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩時，其主要失效形式是工作面被壓潰。除非有嚴(yán)重過載，一般不會出現(xiàn)鍵的剪斷。通常按工作面上的壓力進(jìn)行條件性的強度校核計算。 由《機械設(shè)計》第七版頁，

53、查得載荷在鍵的工作表面上均勻分布，普通平鍵聯(lián)接的強度條件： （5-4） 式中： T——傳遞的轉(zhuǎn)矩，。 K——鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，；k=0.5h,此處h為鍵的高度，。 ——鍵的工作長度，；圓頭平鍵，這里為鍵的公稱長度，；為鍵的寬度，。 ——軸的直徑，。 ——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，。 從本書表查得材料為鋼和鑄鐵在輕微沖擊載荷作用下的許用擠壓應(yīng)力分別為和。 鍵的材料為45號鋼，大臂與鉆轉(zhuǎn)軸的材料分別為和45號鋼。三者中最弱的材料是鑄鐵，測試中存在輕微沖擊載荷，故為，取其平均值，=55。 此處鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩T=

54、40，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度k=4，鍵的工作長度，軸的直徑=30。將這些數(shù)據(jù)代入公式（5.4）得： 故鍵的強度滿足要求，鍵聯(lián)接安全。 5.2.2 小臂旋轉(zhuǎn)軸鍵聯(lián)接處鍵的強度校核 選擇使用普通圓通平鍵 ，GB/T1096 尺寸 平鍵聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩時，其主要失效形式是工作面被壓潰。除非有嚴(yán)重過載，一般不會出現(xiàn)鍵的剪斷。通常按工作面上的壓力進(jìn)行條件性的強度校核計算。 由《機械設(shè)計》第七版頁，查得載荷在鍵的工作表面上均勻分布，普通平鍵聯(lián)接的強度條件： 式中： T——傳遞的轉(zhuǎn)矩，。 K——鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，；k=0.5h,此處h為

55、鍵的高度，。 ——鍵的工作長度，；圓頭平鍵，這里為鍵的公稱長度，；為鍵的寬度，。 ——軸的直徑，。 ——鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，。 從本書表查得材料為鋼和鑄鐵在輕微沖擊載荷作用下的許用擠壓應(yīng)力分別為和。 鍵的材料為45號鋼，大臂與旋轉(zhuǎn)軸的材料分別為和45號鋼。三者中最弱的材料是鑄鐵，測試中存在輕微沖擊載荷，故為，取其平均值，=55。 此處鍵傳遞的轉(zhuǎn)矩T=40，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度k=2.5，鍵的工作長度，軸的直徑=15。將這些數(shù)據(jù)代入公式（5-4）得： 故鍵的強度滿足要求，鍵聯(lián)接安全。 5.3 軸承壽命的校核 本次設(shè)計由于大臂

56、與小臂旋轉(zhuǎn)軸所設(shè)計的軸承是一樣的，故選用四口相同型號尺寸的軸承，選擇深溝球軸承61802（d15 D24 B5 r0.3），所以校核所受載荷最大的一個軸承合格即可。 本設(shè)計校核大臂旋轉(zhuǎn)軸上軸承的壽命，該軸上的軸承只受徑向載荷，軸承的預(yù)期計算壽命。軸承對軸的支撐力與軸承上所受到的徑向載荷是一對作用力與反作用力，由前邊軸的強度校核部分，可以計算出軸上安裝軸承兩處的軸承所受到的徑向載荷和大小分別為： 查《機械設(shè)計》第七版頁公式（）知以小時表示的軸承壽命為： （5-5） 式中 ： ——軸承的轉(zhuǎn)速，。

57、 ——軸承的基本額定動載荷，kN。 ——載荷，kN。 ——指數(shù)，對于球軸承，。 軸承的轉(zhuǎn)速，從《最新軸承手冊》頁表查得代號為61802深溝球軸承的基本額定動載荷，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入軸承壽命計算公式可求得： 遠(yuǎn)大于，軸承的壽命滿足設(shè)計要求。 5.4 聯(lián)軸器的選擇與圓錐銷的校核 5.4.1 聯(lián)軸器的選擇 1. 大臂旋轉(zhuǎn)軸與減速機之間聯(lián)軸器選擇 選擇圓錐銷套筒式聯(lián)軸器，如圖5-4所示： 圖5-4 圓錐銷套筒式聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)圖 聯(lián)軸器具體尺寸參數(shù)如下： =6mm；=4mm；L=22mm；=

58、18mm；額定轉(zhuǎn)矩15N.M；圓錐銷；圓錐銷 2. 旋轉(zhuǎn)盤與減速機之間聯(lián)軸器選擇 如圖（5-4）所示：具體尺寸參數(shù)如下： =8mm；=4mm；L=25mm；=20mm；額定轉(zhuǎn)矩20N.M；圓錐銷；圓錐銷 5.4.2 聯(lián)軸器圓錐銷的校核 由于聯(lián)軸器最小直徑圓錐銷都是4mm，所以本次設(shè)計只校核受力最大的即可。 圓錐銷主要受橫向剪切力的作用而失效，校核公式為： （5-6） 式中： d——圓錐銷的平均直徑，mm。 T——所傳遞的轉(zhuǎn)矩，。 D——軸徑，mm。

59、——銷的許用剪切應(yīng)力，對于45號鋼一般取80MPa 其中，取T=5；d=4.5mm；D=10mm，所以： 所以校核合格。 第6章 基于Creo Parametric機械手運動仿真 Creo Parametric是我們所熟知的Pro/E三維軟件的最新版本，通過Creo這個三維軟件工具來進(jìn)行四自由度機械手的參數(shù)化建模設(shè)計，完整體現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的基本流程，提出一種產(chǎn)品設(shè)計的新思路,展示Creo在產(chǎn)品設(shè)計上的優(yōu)勢。首先利用Creo便捷的建模工具來對機械手的各零件進(jìn)行造型設(shè)計；然后利用Creo按要求對機械手零件以各種約束和銷釘?shù)冗B接來進(jìn)行合理裝配；接著利用Creo的機構(gòu)模式對機械手的裝配作添加

60、伺服器等操作，來實現(xiàn)四自由度機械手的運動仿真。Creo方便的實現(xiàn)了對四自由度機械手的裝配和運動仿真，效果非常直觀。 6.1 四自由度機械手零件的建模 在Creo軟件環(huán)境下，機械三維建模應(yīng)該嚴(yán)格以設(shè)計構(gòu)思或者前期計算為依據(jù)，盡量保持三維圖形數(shù)據(jù)的完整和正確性。三維模型的一般建模過程如圖6.1所示。 圖 6.1 Pro/E零件建模一般過程 由于在Creo Parametric中實體模型可以有多種不同的構(gòu)造方法，采取何種方法更為合理、高效，需要有一個經(jīng)驗積累過程。一般來說，要根據(jù)圖形的形狀選擇合適的構(gòu)造模型的方式。因此，在設(shè)計實體模型之前，必須要考慮好模型的生成方法和步驟。其中建模的難點

61、在于輔助平面和輔助點的建立，只有建立好輔助平面和輔助點，才能保證零件模型的精確性。 6.2 四自由度機械手的裝配 6.2.1 Creo Parametric的裝配 Creo裝配的過程如圖6.2所示 圖6.2 Creo裝配一般過程 四自由度機械手構(gòu)件的裝備關(guān)系比較簡單，其中各零件、連接件之間多為面匹配和軸對齊，而各活動關(guān)節(jié)間的裝配類型均為“銷釘”連接。 根據(jù)裝配關(guān)系分析,采用的裝配序列為: 四自由度機械手底座→垂直軸支撐體→垂直軸回轉(zhuǎn)體→機械手手臂→機械手手腕→機械手手掌→機械手手指 具體步驟如下： （1）運行Creo，新建組件asm0001,點確定進(jìn)入

62、裝配模式，單擊工具欄按鈕，添加元件進(jìn)入裝配，首先根據(jù)文件目錄找到底座，單擊打開，便將底座引入了裝配環(huán)境。對于首個進(jìn)入裝配環(huán)境的元件，應(yīng)使其狀態(tài)達(dá)到完全約束，故應(yīng)如圖6.4選取固定， 圖6.3 當(dāng)狀態(tài)欄如圖6.3顯示完全約束時，單擊確定按鈕，完成第一個元件即底座的裝配。 （2） 按照裝配序列，依次添加各元件以及相應(yīng)的連接件，若元件間面面重合，或者面與面平行，則屬于匹配裝配；若元件間共軸線，則屬于軸對齊，如圖6.4所示選取相應(yīng)裝配；而各活動關(guān)節(jié)間的裝配類型均為“銷釘”連接，則應(yīng)選擇如圖6.4所示的銷釘選項。 圖6.4 （3） 全部零件裝配完畢后，單擊菜單欄“渲染”→“外

63、觀”對各零件進(jìn)行著色，四自由度機械手的裝配效果圖和分解爆炸效果圖如下： 圖6.5四自由度機械手裝配效果圖 圖6.6 分解爆炸效果圖 6.3 四自由度機械手的運動仿真 6.3.1運動學(xué)仿真 運動學(xué)仿真是對機構(gòu)進(jìn)行裝配之后，不給其施加力，不考慮零件之間的摩擦，只在機構(gòu)上施加動力，構(gòu)建運動副，使機構(gòu)能進(jìn)行運動，分析其運動軌跡。在Creo Parametric機構(gòu)模塊中提供零件之間的運動副有:凸輪連接運動副、槽連接運動副、齒輪連接運動副等。 6.3.2 進(jìn)入機構(gòu)模塊 運行Creo，打開裝配ZHUANGPEI-2后，點擊菜單欄“應(yīng)用程序”→“機構(gòu)”，即進(jìn)入了機構(gòu)模塊，如

64、圖6.8所示。 圖6.7 機構(gòu)模塊 圖6.8 進(jìn)入機構(gòu)模塊后即可對各運動軸做參數(shù)設(shè)置，以限制主體之間的相對位置、運動范圍、運動軸零位置參照等。如圖6.8，選擇旋轉(zhuǎn)軸，右鍵單擊并選擇菜單中編輯定義選項，進(jìn)入運動軸設(shè)置對話框（圖6.9），編輯運動軸的零位置和限 圖6.9 運動軸設(shè)置對話框 制，并可對編輯數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)覽。使用“拖動”功能可檢查為運動軸指定的限制是否滿足預(yù)期的運動范圍。 6.3.3 添加伺服電機 在機構(gòu)模式下，點擊“伺服電動機”圖標(biāo)，定義“伺服電動機”（如圖6.10），

65、 圖6.10 名稱為“ServoMotor1”，類型欄選擇“運動軸”，點擊裝配時生成的銷釘軸；輪廓欄（如圖6.11）的“規(guī)范”選擇“速度”，“初始位置”為開始運動的位置，可定義當(dāng)前位置，也可以定義任意位置為運動初始位置，并可以預(yù)覽，“?！边x擇“常數(shù)”，“A”值為“8”。 圖6.11 6.3.4 定義初始條件 點擊“拖動元件”按鈕，點擊“快照”，生成“Snapshot1”如圖6.12。點擊“初始條件”按鈕，名稱為“InitCond1”，選擇“快照”為“Snapshot1”，如圖6.13，單擊“確定”完成初始條件的定義。 圖6.12

66、 圖6.13 6.3.5 定義分析 單擊“機構(gòu)分析”按鈕，名稱為“AnalysisDefinition2”，類型為“位置”，“優(yōu)先選項”中，“持續(xù)時間”為20s,“幀頻”為“10”，“最小間隔”為“0.1”?！翱煺铡边x擇先前生成的“Snapshot1”，如圖6.15。將7電動機添加到分析中，定義各電動機的開始、結(jié)束時間，如圖6.16。然后點擊“運行”，即可以觀察運動仿真情況，確定設(shè)定正確后單擊“確定”。 圖6.14 圖6.15 6.3.6 運動仿真視頻制作 前面的運動分析“AnalysisDefinition2”生成后，單擊界面右邊回放按鈕，即可進(jìn)入回放界面，此界面可對先前的運動分析進(jìn)行回放、保存至文件、也可打開文件中以 圖6.16 圖6.17 存在的運動分析。如圖6.16，點擊播放，打開“AnalysisDefinition2”，即進(jìn)入動畫界面，如圖6.17所示，單擊播放便開始重