石材雕刻机器人设计

本科论文目录TOC\o"1-3"\h\u29031摘要 石材雕刻机器人动力选择3.1石材雕刻机器人驱动方式石材雕刻机器人根据动力提供的来源分为液压驱动，气动驱动和电驱动这三种基本驱动。3.1.1液压驱动液压驱动系统的主要优缺点如下：输出功率：相较而言很大。控制性能：反应非常灵敏，控制的精度较高。结构性能及体积：结构合适。虽然体积相对较小，但是对于液体的密封问题较严重。安全性：会在特定的条件下发生火灾。对环境的影响：因为有漏油的显现产生，所以会造成加工环境的污染。成本：元件的成本费用较高。维修及使用：方便。3.1.2气动驱动气动驱动系统的主要特点有以下几点：输出功率：大。控制性能：气体具有高压缩性，准确性比较低，并且低速不易控制。很容易被电源电压、频率等的变化而发生不可预料的影响。结构性能及体积：结构适当。密封性问题相对较小。安全性：防爆性能较好。对环境的影响：在使用中经常会有噪声污染。成本：成本较低。维修及使用：方便。3.1.3电动驱动电动驱动系统的主要特点有以下几点：输出功率：较大。控制性能：控制精度较高，定位也相对准确，响应非常灵敏，但是控制系统是很复杂的。结构性能及体积：结构性能适当。直接驱动比较困难，不存在密封问题。安全性：比较安全，可能会有电火花。对环境的影响：基本没有影响。成本：成本较高。维修及使用：复杂。3.1.4最终选定方案我对上面给出的三种方案进行评价分析，选择第一种液压驱动系统进行后续的设计。因为液压驱动相对于气动驱动控制机器的精度比较高，反应也比较快速，输出功率相对来说也不低，又可以实现连续的轨迹控制。相对于电动驱动控制系统不那么复杂，输出功率又较大，结构又比较合适，也易于实现直接驱动，对于后续的维修及使用也比较方便。所以在这里我选这使用液压驱动系统来为我的石材雕刻机器人提供动力。各种液压缸的特点及适用场合如表3.1所示：表3.1液压缸的特点及适用场合名称特点适用场合双活塞杆液压缸双向对称双向工作的往复场合单活塞杆液压缸有效工作面积大、双向不对称往返不对称的直线运动，差动连接可实现快进柱塞缸结构简单单向工作，靠重力或其它外力返回摆动缸单叶片式小于360双叶片式小于180小于360的摆动小于180的摆动本设计石材雕刻机器人的大臂和小臂都采用单活塞杆液压缸，来实现往复运动。液压系统的最基本参数就是压力和流量，主要就是根据这两个参数来设计相符合的液压系统和选择对应的液压元件的。压力取决于外部负载，流量取决于执行元件的结构尺寸和运行速度。（1）计算液压缸的总机械载荷液压缸依据机构的作业情况算出所受的总机械载荷为式中，为外加的载荷，因为水平方无外载荷，故为0；为活塞上所受的惯性力；为密封阻力；为导向装置的摩擦阻力；为回油被压形成的阻力；的计算式中，为液压缸所要移动的总重量，取为；为重力加速度，；为速度变化量；启动或制动时间，一般为0.01~0.5，取0.2s将各值带入上式，得：=的计算式中，克服液压缸密封件摩擦阻力所需空载压力，如该液压缸工作压力<16，查相关手册取=0.2；为进油工作腔有效面积；启动时：565N运动时：283N的计算机械手部水平方向上有两个导杆，内导杆和外导套之间的摩擦力为式中，为机械手部的总重量，取为；为摩擦系数，取；带入数据计算得：=9.8的计算回油背压形成的阻力按下式计算式中，为回油背压，一般为0.3~0.5，取=0.3为有杆腔活塞面积，考虑两边差动比为2；将各值带入上式有，分析液压缸各工作阶段受力情况，作用在活塞上的总机械载荷为（2）液压缸主要参数的确定经过各种细致的分析，也思考了各种方面的因素，初步确定了各部位液压缸的最基本的参数如表3.2所示。表3.2大臂液压缸参数缸内径壁厚杆直径行程工作压力401025400 2臂液压缸主要承受轴向力，同时液压泵也作为臂部机构。它既是关节机构，又是动力元件。如表3.3所示。表3.3小臂液压缸参数缸内径壁厚杆直径行程工作压力401025100 1大臂液压泵选用2个，小臂液压泵选用2个。（3）计算和选取液压元件液压泵的计算确定液压泵的实际作业时的压力式中，计算工作压力，前以定为；对于进油路采用调速阀的系统，可估为（0.5~1.5），这里取为。因此，可以确定液压泵的实际工作压力为确定液压泵的流量式中，为泄露因数，取1.1；为机械手工作时最大流量。经计算得=3.140带入上式得确定液压泵电机的功率式中，为最大运动速度下所需的流量，同前，取为3.140；液压泵实际工作压力，5；为液压泵总效率，取为0.8；带入数据计算得：=。3.2电机石材雕刻机器人的电伺服驱动系统由多种电机组成。石雕机器人的主体由机械传动机构直接或间接驱动，实现石雕机器人的各种运动。石材雕刻机器人对关节驱动电机的主要要求是：（1）对于速度方面，要求不能太慢。（2）体积相对要小，重量相对要轻。（3）要相对于其他机械靠得住。3.3电机的选择设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为、、，根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为:(3-1)、、分别为、、。、、分别为重心到第一关节轴的距离，其值分别为、、，在式（3-1）中、、故、、可忽略不计。所以绕第一关节轴的转动惯量为：(3-2)同样，手臂和手腕绕第二关节轴的转动惯量也可以得到:式中：小臂重心距第二关节轴的水平距离。腕部重心距第二关节轴的水平距离。设主轴速度为，则旋转开始时的转矩可表示如下(3-3)式中：旋转开始的转矩角加速度使雕刻机器人主轴从到/s所需时间为:则：若考虑绕石材雕刻机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为。电动机的功率可按下式估算(3-4)式中：电动机功率；负载力矩；负载转速；传动装置的效率，初步估算取0.9；系数为经验数据，取1.4估算后就可选取电机，使其额定功率满足下式(3-5)选择SAGMAH型伺服电机数据如表3.4所示。表3.4SAGMAH型伺服电机技术数据功率（W）额定电压（V）额定电流（A）额定转速（r/min）滤磁方式绝缘等级工作制（min）75024046.23000串励B604石材雕刻机器人关节设计4.1大臂设计大臂的材料采用铝合金材料，方形结构，臂厚34mm左右。内部结构设计如图4.1所示。图4.1石材雕刻机器人大臂4.2底座设计机座和腰部的材料采用铝合金材料，方形结构，臂厚40mm左右。内部结构设计如图4.2所示。图4.2石材雕刻机器人机座和腰部4.3圆柱齿轮传动考虑到雕刻机器人腰部传动的传动比比较小，对腰部传动的要求较低，所以我选取了齿轮传动。齿轮精度等级我选用了7级。选取小齿轮的材料为40Cr，热处理后硬度大约为240HBS，选取大齿轮的材料为40Cr，热处理后硬度大约为280HBS。选择小齿轮齿数，则大齿轮齿数。A设计准则先按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。齿面接触疲劳强度条件的设计表达式(4-1)其中，，小齿轮传递的转矩：试选载荷系数Kt=1.4选择材料的接触疲劳极根应力为：应力循环次数N由下列公式计算可得(4-2)则接触疲劳寿命系数,接触疲劳安全系数求许用接触应力:将有关值代入（4-1）得：则圆周速度：齿宽：模数：齿高：由此查得：根据,7级精度，查得：动载荷系数；直齿轮使用系数；动载荷分布不均匀系数则修正取标准模数。B计算基本尺寸取C校核齿根弯曲疲劳强度选择材料的弯曲疲劳极限应力为：弯曲疲劳寿命系数取弯曲安全系数求许用弯曲应力:载荷系数：齿形系数，查应力校正系数：校核两齿轮的弯曲强度(4-3)所以齿轮完全达到要求,如表4.1所示。名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿全高齿顶圆直径齿根圆直径基圆直径齿距齿厚齿槽宽中心距顶隙表4.1齿轮的几何尺寸5石材雕刻机器人轴承和轴的设计5.1石材雕刻机器人轴承结构形式石材雕刻机器人用圆锥滚子轴承通常有带密封圈结构形式。其主要由内圈、外圈、保持架、圆锥滚子组成。预计使用寿命为10000小时。下面计算基本额定动载荷：式中，基本额定动载荷计算值；当量动载荷；寿命因数速度因数力矩载荷因数冲击载荷因数温度因数基本额定动载荷查《机械工程手册》得，，，，。代入得：下面计算额定静载荷：式中：基本额定静载荷计算值当量静载荷安全因数基本额定静载荷代入得：经过查阅《机械设计手册》中的表，选择圆锥滚子轴承就可满足需求。5.2轴的设计计算5.2.1轴材料的选择选择轴的材料：45号钢经调质处理，其性能为：，，，，。5.2.2轴的受力分析工作功率为：选。考虑到开键槽，将其轴径增加10%，故其轴的直径为110mm。轴的转速:轴传递的转矩为：代入得：计算轴的弯矩，按进行弯矩合成。故。5.2.3轴的强度校核键槽处。键槽处当量弯矩为：强度校核：考虑键槽的影响，查表得： 显然，,所以就可以知道很安全。5.2.4按安全系数校核Ⅰ.判断危险截面在键槽处是有应力的集中源，而且弯矩数值较大，所以确定为危险面。Ⅱ.疲劳强度校核（1）键槽处截面上的应力：弯曲应力：扭转应力：弯曲平均应力：扭转平均应力：材料的疲劳极限：根据，，查表得：（3）截面应力集中系数：查表得：（4）表面状态系数及尺寸系数：查表得（5）分别考虑弯矩或扭矩作用时的安全系数：故安全。6石材雕刻机器人机械系统运动学6.1运动学6.1.1石材雕刻机器人运动学方程将石材雕刻机器人的每个连杆创建一个坐标系，并使用齐次变换描述这些坐标系之间的相对关系，也称为相对姿势。普遍把描述一个连杆坐标系和第二个连杆坐标系间相对关系的齐次变换矩阵叫做A变换矩阵或A矩阵。如果矩阵表示第一个连杆坐标系相对于固定坐标系的齐次变换，则第一连杆坐标系相对于固定坐标系的位姿为(6-1)式中：为固定坐标系的齐次矩阵表达式，即(6-2)如果矩阵表示第二个连杆坐标系相对于第一个连杆坐标系的齐次变换，那么第二个连杆坐标系在固定坐标系中的位姿可用和的乘积来表示，并且应该右乘，即（6-3）同理，若矩阵表示第三个连杆坐标系相对于第二个连杆坐标系的齐次变换，则有：(6-4)如此类推，对于六连杆机器恩，有下列矩阵：(6-5)式（6-5）右边表示了从固定参考系到手部坐标系的每个连杆坐标系之间的变换矩阵的连乘，左边表示这些变换矩阵的乘积，也就是说明手部坐标系相对于固定参考系的位置，可以称式（6-5）为石材雕刻机器人运动学方程。式（6-5）的计算结果是一个如下的（）矩阵：(6-6)式中可以看出，前三列表示了手部的姿态，第四列表示了手部的位置。6.2运动控制6.2.1石材雕刻机器人控制的分类石材雕刻机器人的控制结构的选择取决于石材雕刻机器人执行的任务。不同种类的石材雕刻机器人发展了不同的控制综合方法。从来没有人尝试过用统一的控制模式来控制不同类型的石材雕刻机器人。石材雕刻机器人控制的类型是没有近乎一样的标准的，例如：石材雕刻机器人按运动坐标的控制方式可以分为直角坐标空间运动控制和关节空间运动控制；石材雕刻机器人按控制的系统对作业环境变化的适应程度可以简单分为自适应控制系统、程序控制控制系统和人工智能控制系统；石材雕刻机器人根据同时控制的石材雕刻机器人的数量，又可以分为单控系统和群控系统。此外，依据不同的运动的控制方法，石材雕刻机器人的控制又可以大致分为两种：位置控制和力控制。选择后一种分类方法，详细分析了石材雕刻机器人控制的方式。（1）位置控制方式点位控制：这种类型的控制仅用于控制离散位置上机器人爪或工具的位置和姿势。必须尽可能快地实现相邻点之间的运动而不会出现过冲，但通常不是相邻点之间的运动路径，对于点控制而言，最重要的技术指标是定位精度和执行运动所需的时间。例如，点控制模式用于组件组装，点切割，运输，印刷电路板的装卸。连续轨迹控制：这种运动控制的特点是连续控制雕刻机器人的爪（或工具）的姿势和轨迹。通常，需要可控制的速度，平稳的轨迹和平稳的运动。轨迹控制的技术指标是轨迹的准确性和稳定性，例如，包括用于弧形雕刻，喷漆，切割和其他地方的雕刻机器人控制。（2）力控制方式在雕刻物体的过程中，除了精确定位外，石材雕刻机进入末端机械手与工作物体表面接触时，还需要使用适当的力或力矩来工作。此时应采用力的控制方式。力的控制是位置控制的补充。这种方法的控制原理与位置伺服控制基本相同，只是输入和反馈的不是简单的位置信号，而是力信号。因此，有时它还进行自适应控制。6.2.2位置控制问题石材雕刻机器人的每个关节通常配备一个位置传感器以测量关节位移，有时会使用速度传感器（如测速电机）来测量关节速度。但是，驱动关节的方法有很多，作为模型，可以始终假设每个关节由一个电机驱动。石雕机器人很少使用开环控制方法，例如步进电机。在实际应用中，石雕机器人大多使用反馈控制。它利用各个关节传感器反馈得到得一系列信息来计算所需要的扭矩数据，然后发出与之对应的扭矩的指令来实现所需的运动。如图6.2所示。图6.2雕刻机器人控制系统方框图图6.2所示表示雕刻机器人本身、控制系统和轨迹规划器之间的关系。石材雕刻机器人从控制系统来接收所有的关节驱动扭矩矢量τ，并且安装在雕刻机器人关节上的传感器快速测量出关节位置的矢量θ和关节的速度矢量θ，然后再将其反馈给控制器，用以反馈控制构成的石材雕刻机器人的闭环控制系统。为了在石材雕刻机器人上完成对于位置的复杂控制，位置检测元件必不可少。检测是进行比较和判断的基础，也是雕刻机器人的操作和控制的基础。7石材雕刻机器人的三维模型和实物7.1石材雕刻机器人三维模型根据设计将石材雕刻机器人各个部位的三维零件进行装配。手臂大多采用【同心】和【重合】的配合命令，臂部装配图如图7.1.1所示。图7.1.1石材雕刻机器人臂部三维模型夹具的三维装配采用【同心】和【距离】的配合命令，夹具的装配图如图7.1.2所示。图7.1.2石材雕刻机器人夹具三维模型腰部的三维装配采用【同心】和【重合】的配合命令，腰部的三维装配图如图7.1.3所示。图7.1.3石材雕刻机器人腰部三维模型腰部的半剖图可以清晰明了的看到其中的内部结构，如图7.1.4所示。从图中可以直观的看到电机、齿轮、轴的配合。图7.1.4石材雕刻机器人腰部三维模型石材雕刻机器人的三维总装配图采用了【同心】，【重合】和【距离】配合命令来完成总装配，如图7.1.5所示。图7.1.5石材雕刻机器人总装配三维模型7.2石材雕刻机器人实物石材雕刻机器人的3D打印实物如图7.2.1，7.2.2所示。图7.2.1石材雕刻机器人3D打印实物1图7.2.2石材雕刻机器人3D打印实物2结论在本次毕业设计的过程中，我了解了石材雕刻机器人的基本工作原理，明白了石材雕刻机器人对于石材雕刻品的重要性。本文对石材雕刻机器人进行了结构设计。通过本文的工作，可以得到以下结论：（1）在设计过程中，我设计了三种驱动方案，分别为：液压、气动和电动。其中，气动准确性较低，低速时难控制，设计不合理。电动成本和维修费高，直接驱动困难，不合实际。液压结构合适，易于直接驱动，维修费用低，这种方案可以满足设计要求。（2）通过对石材雕刻机器人分析，对相关部件进行设计，选择了适当的参数，然后绘制零件图，并进行了总体设计，绘制了总体装置图。（3）即使本文对电机功率等计算最大程度接近了最佳值，但计算简化，不够精确，后续研究需进一步完善。通过以上分析经过一个学期的努力，并研究、阅读书籍、查阅雕刻机器人行业标准、草图力学和结构分析，我了解了毕业设计的本质。大学四年来，我学了很多课程，接触面也很广，而本次毕业设计是各学科的综合与实践。无论是机械制图、机械原理、机械设计、机械制造基础等学科，都为这一设计打下了坚实的基础，让我学会了一种资源整合。

致谢通过这次项目的设计让我们认识到了许多自己身上得不足，我清楚了解到了自己能力的局限性，我设计的石材雕刻机器人，主要的难点就是电机的选取以及手部的设计，是我整体需要改进的问题，首先，从开始着手这个项目一直到结束为止，我一直都保持着较高的积极性。我刚开始在确定题目时就有很多的方案。之后，经过我的研究以及一些手段排除。最终确定了这次的项目。其次，在这次项目中我也遇到了很多的难题。但是，最终通过我的不懈的努力解决了大部分的问题。但还是有一些不足之处，例如某些计算方面可以更加完善。通过这次项目，让我回忆起了很多已经快要忘记的知识点，这不仅仅是起到了巩固作用，更能够使我对已经学过的软件的印象更加的深刻。在这个毕业设计中，我学到了关于石材雕刻机器人的相关知识。在这其中我付出了我的辛劳和汗水，但更重要的是，我的导师赵民和赵艳华的精心指导。虽然疫情期间没有回到学校和同学老师见面，但是老师们在网络上对我进行指导。老师们在机械结构，绘画技巧等方面都对我进行了细致的指导，这让我的毕设成果优秀程度有了很大的提高。通过和老师们交流的这段时间使我受益匪浅，在此我对赵民和赵艳华老师表示深深的感谢。快乐的时光总是短暂的，很怀念学校的时光，回忆起和老师同学们一起学习的时光。我要向老师们表示衷心的感谢和崇高的敬意！最后也要感谢感谢这些年陪伴我度过大学时光的老师和同学们以及阅读我的论文的老师们，谢谢你给以纠正，让我不断进步，真的谢谢您。

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论文的研究方法和手段有哪些

（1）调查法

调查法是科学研究中最常用的方法之一。它是有目的、有计划、有系统地搜集有关研究对象现实状况或历史状况的材料的方法。一般是通过书面或口头回答问题的方式获得大量数据，进而对调查中收集的大量数据进行分析、比较、总结归纳，为人们提供规律性的知识。

（一）典型例子

调查法中最典型的例子是问卷调查法。它是通过书面提问收集信息的一种方法，即调查人员编制调查项目表，分发或邮寄给相关人员，询问答案，然后收集、整理、统计和研究。

（二）研究步骤

1.确定调查课题

确定题目时要注意选题是否具有研究的必要性和可能性，同时要注意选题切忌太大，也要避免无意义的重复劳动。

2.制定调查计划

要明确调查课题、调查目的、调查对象、调查范围、调查手段、调查步骤、时间安排。

3.收集材料

收集材料时要尽可能保持材料的客观性，尽可能采取多种手段或途径。

4.整理材料

将收集到的材料进行整理，以便后续总结归纳、形成结论。

5.总结研究

对整理完的材料进行分析、总结、归纳，得出一般性的结论。

（三）特点

调查法相对其他研究方法来说较为耗时耗力，但也有其优势，即获得的一手资料信息真实具体，能够对研究对象有更加准确、清晰的认识。

（2）观察法

观察法是指人们有目的、有计划地通过感官和辅助仪器，对处于自然状态下的客观事物进行系统考察，从而获取经验事实的一种科学研究方法。

（一）典型例子

皮亚杰的儿童认知发展理论就是通过观察法提炼总结出来的；儿童心理学创始人——普莱尔，也是在一次次地使用观察法后，提出了儿童心理学领域中的诸多理论。

（二）研究步骤

1.明确观察对象

在选择和确定研究问题的基础上确定观察者与观察对象。

2.制定观察计划

在观察计划中要规定明确的观察目的、重点、范围以及要搜集的材料。

3.做好观察准备

观察准备是否充分，往往影响观察的成败。

4.做好记录

在观察过程中要时时记录，不放掉任何一个关键信息。

（三）特点

观察法具有拓展人们的感性知识、启发思想等优点，但是由于其强调研究要在自然环境下进行，且不允许掺杂个人的偏见，确为实际操作带来了一定困难。

（3）实验法

实验法是指经过精心设计，在高度控制的条件下，通过操纵某些因素，从而发现变量间因果关系以验证预定假设的研究方法。核心在于对所要研究的对象在条件方面加以适当的控制，排除自然状态下无关因素的干扰。

（一）典型例子

采取实验法的一个典例是罗森塔尔效应的提出，美国心理学家罗森塔尔和L.雅各布森通过对小学生进行“未来发展趋势测验”，发现人们对他人行为的期望通常可以导致他人向期望方向改变。

（二）研究步骤

1.发现并提出问题

2.收集与问题相关的信息

3.作出假设

4.设计实验方案

5.实施实验并记录

6.分析实验现象

7.得出结论

（三）特点

1、主动变革性

观察法与调查法都是在不干预研究对象的前提下去认识研究对象，发现其中的问题。而实验却要求主动操纵实验条件，人为地改变对象的存在方式、变化过程，使它服从于科学认识的需要。

2、控制性

根据科学实验要求、研究的需要，借助各种方法技术，减少或消除各种可能影响科学的无关因素的干扰，在简化、纯化的状态下认识研究对象。

3、因果性

实验是发现、确认事物之间的因果联系的有效工具和必要途径。

（4）定量分析法

定量分析是对事物或事物的各个组成部分进行数量分析的一种研究方法。依据统计数据，建立数学模型，并用数学模型计算出研究对象的各项指标及其数值。常见的定量分析法包括比率分析法、趋势分析法、数学模型法等等。

（一）典型例子

企业管理中时常采用定量分析法，比如企业信用结果的得出，就是采用定量分析法，以企业财务报表为主要数据来源，按照某种数理方式进行加工整理的结果。

（二）研究步骤

1.建立指标

要明确所要解决的问题，针对所要解决的问题，确定收集哪些方面的数据。

2.搜集数据