【六自由度机械臂的设计原理与构造探究6800字（论文）】

绪论六自由度机械臂的设计原理与构造研究摘要:随着科学技术的不断飞快发展，机械臂能够在产业链中得到极大的应用，机械臂在各行各业的应用范围广泛，使得机械臂在产业链中的地位变得举足轻重，使之成为科学领域的一个研究热点。在一些领域里做到了基本解放双手，大大提高了工作效率等等。本文以研究数控车床用上下料的六自由度机械臂的结构设计，并进行简化为目的，并验证其合理性。首先介绍了课题研究背景及课题研究的意义，通过国内外研究文献的查找来确定本文的研究内容；其次结合国内外研究现状，对六自由度机械臂进行总体方案设计，并对结构和工作原理进行了阐述；中间对六自由度机械臂的关键部件进行了计算，对电机进行了选型，对传动机构进行了设计计算，并对于设计的机械臂进行了三维模型的建立；最后对本文的研究工作进行了总结。通过研究表明，本文设计的六自由度机械臂，可以满足两台数控车床自动化需求，结构设计合理。关键词：Solidworks；机械臂；机构设计；三维建模目录TOC\o"1-3"\h\u18880绪论 113161.六自由度机械臂的总体设计方案 133111.1设计要求 181511.2结构类型选择 181211.3机械臂总体结构方案 240832.六自由度机械臂的结构设计 1252382.1大臂传动机构设计 1266042.2腰身传动机构设计 1272902.3手臂连杆机构设计 2192472.4腕关节的传动机构设计 4198433.六自由度机械臂的三维建模 11253.1建模软件简介 118243.2零件三维建模 1276983.3虚拟样机装配 32816结论 127788参考文献 1绪论研究背景由于现代科学技术的日益发达,人工智能信息技术现已普遍被运用在宇航、军工武器、电子产品制造业、家庭服务、人机互动等应用场景当中，是人类最伟大的发明之一。以机械臂为代表的工业机器人，虽然从发明之初到现在，仅仅60年时间，但已取得了非常大的进步，已经作为智能化工厂的核心设备之一。机械臂在工业生产中的应用可以取代繁重的劳动，取代了传统的人工操作，不仅解决了愈发凸显的招工难、用工难问题，降低了企业生产成本，而且可靠性高，能够使传统工人从繁重和反复的劳动中解脱出来，将机械式的操作工作交由机器人去做。随着工业4.0的提出,工业机器人将可以实现快速大批量化生产、提升制造效能节约生产成本等作用，已经越来越多的企业生产线上的标配之一。数控车床发展至今，已经能够完全实现按程序加工所需要的零件，但一般车床并不具备自动上料和下料的功能，这就给车床用工业机械臂的应用提供了机遇。本毕业设计就是针对车床上下料，设计一款6自由度机械臂，能够实现两台车床的上料和下料动作，不仅可以提高产品的合格率，还可以全天无间断的持续工作，如果本毕业设计的工业机械臂能够得到应用，对于数控车床实现真正的自动化具有重要意义。2.六自由度机械臂的结构设计1.六自由度机械臂的总体设计方案1.1设计要求在对六自由度机械臂进行总体设计之前,首先就必须确定对本课题的总体设计要求,而根据目前国内科研状况,本课题的主要研制对象就是六自由度机械臂,应用场合为小型船舶,需要实现高效率推进,因此对六自由度机械臂的总体设计要求归纳如下:本章重点是根据二个数控车床(组)的上下料情况,来设计一个机器人来取代传统人工完成机械车床的下上料,以便于进一步提高制造效率与质量。如图1-1所显示,为机器人在实际工作中的布置示意图,机器人在二个数控车床的中央位置,而材料箱和物料盘则分别在自动化机器人的左右侧,而其中央位置距离自动化机器人的中间部位一般都是约1200mm。本文以车床为例,它的宽度约为1500mm,主轴中间部位距离地面的间距约为900mm,工件的外形约为长圆柱状,最大直径为150mm,设计负重约为四千克。而按照现场的工作布局,拟设定机器人的工作零点五径范围大约为1000mm。图1SEQ图\*ARABIC\s11六自由度机械臂应用场景分析针对本毕业设计提出了6自由度机械臂，提出具体的技术要求如下：表1SEQ表\*ARABIC\s11六自由度机械臂的详细技术要求杆件回转范围r/min最大工作转速Rad/s°/s腕部回转±180°252.58180腕部俯仰±45°204.52260小臂回转-90°~-30°282.84170大臂回转-90°~-40°303.25180腰部回转±180°252.601501.2结构类型选择机器人根据坐标的形式可以分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式、关节坐标式，而并联类型的机器人也是非常重要的一类。关节坐标式又分为水平关节坐标和垂直关节坐标。如图1-3所示。图1SEQ图\*ARABIC\s12传统机械臂的结构分类直角坐标型的机械臂有三个自由度，每个关节分别能够实现平行移动，三个驱动电机可以迫使三个关节在X、Y、Z作直线运动，直角坐标机器人因此得名，也被称之为单轴机器人，是目前所有工业机械臂当中结构最为简单的。与其他工业机械臂相比，这种结构能够实现三个互相垂直方向上的相对运动，悬臂布置，相对来说结构高度要求较大，由于各个关节相互独立运动，也能够满足一些高精度要求的场合，但其占地面积大，工作相对不灵活。圆柱坐标机械臂是在直角坐标系的机械臂的基础上将其中一个自由度换成旋转自由度，如此就新增了一个自由度，在相同的应用工况下，精度相对低于直角坐标机器人，但它的控制相对简单，目前很多吊机的结构也参考这种结构。球坐标系机械臂是在圆柱坐标机械臂的基础上，将其中一个直线自由度替换为旋转自由度，也因此又增加了一个自由度，它的缺点是末端位置误差相对较大，真正应用在工业生产中较少。关节型机器臂是目前最为广泛应用的机械臂结构形式，所有的关节都采用旋转自由度，能够实现手腕部分的俯仰、旋转和摆动动作，从依次增加一个自由度来看，关节型机械臂就具备了6个自由度，它被广泛应用于自动上下料、汽车钣金喷漆、点胶涂胶等工艺当中，可以说这种类型的机械臂能够到达空间当中任意一点位置，但目前关节型机械臂的设计难点主要集中在伺服电机、减速器、控制系统三大块，这也是国产工业机械臂与进口工业机械臂产生差距的原因之一。综上所述，本文结合本设计的设计要求和车床上下料的应用场景，选择关节型机械臂作为本毕业设计的机械臂的结构类型，下面对其总体结构方案进行设计。1.3机械臂总体结构方案机器人管理系统一般是由机器人机械手、驱动器装备、控制装备,包括感应器等构成的。机器人的机械手结构,主要有脚底座、腰身、手腕、桡骨、末端致动器等基本行走机构,它们共同构成了一种相互依靠的机械组织结构,也就是人们常说的现代机械设计。它的每一段都具有一个或多个自由度,这就构成了一种复杂的多自由度结构。驱动设备是自动化机器人的关键部分,末端执行器要达到期望的目标,就需要有动能源,而它正是一种直接向机械系统供给动能的设备。当前机械人的驱动方法有许多,将不同驱动类型的机器人应用在不同的工作场景,比较常用的方法有液压式、气动式、电子式和机器式等四类方法。但是电机驱动仍然是当前对机器人应用最大的一个驱动方法,首先它使用简单方便,无污染,很适合当时企业的发展趋势;另外它的响应快,更主要的是驱动力强大,能够准确监控机器人的运动轨迹。而电机目前最普遍使用的形式是不仅电机或伺服发电机。当今工业机器人的减慢器多数使用了谐波减速器、摆线针轮减速机和RV减速机,控制设备通常为电脑操控,依靠接受来自感应器的消息,对其执行数据处理,并根据主要机器人发出的命令,如当前机器人的工作状况和环境情况等,从而产生控制信息来驱使各个滑膜或关节,实现主要机器人的执行机构所规定的运动目标和功能。一旦机器人系统可以接受到来自传感器的反馈信息,即表示该系统是闭环控制系统,反之则是开环控制系统。控制方式又包括以下二种控制方式,只控制机器人对末端执行器的初始定位,而不关心其中间区域的运动轨迹,则叫做定点控制系统,该种控制器能够实现在没有障碍物情况下的上料、移动等工作;若需要机器人以高精度地抵达目标位置,则叫做连续运动轨迹控制系统,它更适合于机器人喷涂、弧焊等工作。感觉控制系统""由内感应器模块与外围感应器模块所构成,主体实现了自动化机器人视野、触摸、力矩等多种感觉控制系统,感应器产品的广泛应用也增强了机器人的机动性、适应性;同时人机交互控制系统又是传感的重要组成部分,它紧密地与工作人员和机器人之间的控制联系在一起。机器人的末端执行器可针对被抓工件的大小做出专门选择,在自动上料系统中机器人的主要操作过程包括:(1)机器人抓取待加工工件:机器人尾部执行器由待机部位移动至取料部位一边,尾部执行器松开(检查有无张开),收到信息后,再次移动位置至取料部位,尾部执行器夹紧(检查有无夹紧),得到信息,再次移动位置至待机模式区域。(2)机械人抓取工件上料:机器人在待机部位,将夹有工件材料的尾部执行器移动方位至数控车床的保险门前方(检查保护门开齐全),将机械人的手部移动方位至卡盘的正前面,再慢慢的移动方位至卡盘内,末端致动器松开工件,当车床夹具收到的信号将卡盘夹住后,机械人手又再慢慢移动方位至卡盘中方位,保护门前,终于移至待机部位,数控车床就开机加工工件。(3)机器人抓取工件下料:机器人在待机部位,移动至车床维护门前方(检查到维护门开完毕),再将手部移动至卡盘的正前方,慢慢移动至卡盘内,末尾进行机夹紧(检查夹紧信息),数控车床接触到让卡盘松开的信息,这时机器人将末尾进行机移动至卡盘之前,接着慢慢移动至维护门,用机器人技术将已制作好的刀具移动至材料箱内。2.六自由度机械臂的结构设计2.1大臂传动机构设计图2SEQ图\*ARABIC\s11大臂传动机构设计如上图所示,大臂与小臂之间的俯仰动作将共同确定了手腕在同一平面中的定位,其下部有透气孔,大臂与减速机之间通过透气孔连接,电机与减速剂在旁边并列的装置。2.2腰身传动机构设计腰部转动,与大臂小臂的俯仰动作共同确定了手臂在空间中的相对方位。腰部通过力矩电机来传导扭矩,而腰主轴则为空心轴承,并通过键与力矩电机连接。这样,通过力矩电机引导腰轴线的转动,进而使腰回转盘旋转。2.3手臂连杆机构设计图2SEQ图\*ARABIC\s12六自由度机械臂手臂连杆机构的简图图2SEQ图\*ARABIC\s13六自由度机械臂手臂连杆结构示意图小臂关节的传动机构简图如图2-2所示。小臂做+130º至-90º范围内的俯仰运动，从而调节整个腕部的空间位置。其驱动电机装在驱动臂座上，即大手臂的关节处，通过大臂底部的通孔，使用两根连杆与小手臂座相连。通过连杆的动作，实现小手臂座的俯仰动作。底部使用平键连接，大臂与底杆则使用涨紧套连接。方案一：电机通过谐波减速器直接连接，带动大小臂回转。方案二：大臂回转是通过电机直接带动谐波减速器来回转，而小臂则是通过谐波减速器减速，带动一连杆机构，从而带动小臂的回转，如图2-3所示。这两种方案在理论上都可行，方案一结构简单，适用于一般用途的机器人，而方案二结构更为复杂，在刚度和强度上相对于方案一来说更为稳定，比较适用于较大负荷的机器人。最为重要的是，在手臂结构设计中采用四杆结构，不仅可以使手臂的重量减轻，运动平稳，而且又能满足较大的作业空间要求。综上所述，选择方案二作为本课题机器人结构形式。大臂所受的扭矩在小臂与腕部处于水平状态时最大，可以估算出此时的扭矩T。由于大臂回转过程中要考虑摩擦力矩等因素，选择谐波减速器的工况系数K=1.25，得到减速器的输出力矩：因此，选择XB3扁平式的谐波减速器，型号为60，输出扭矩为480N.m，速比为80，谐波减速器的效率n=85%，得到交流伺服电机的输出力矩为：根据松下交流伺服电机的样本，选择型号为：MSMA-20-Z-P-1-V，额定功率为2kw，额定转矩为6.36N.m，最大转矩为19.1N.m。同理可以得到此时小臂的最大转矩：由于小臂回转过程中要考虑摩擦力矩等因素，选择谐波减速器的工况系数K=1.25，得到减速器的输出力矩：因此，选择XB3扁平式的谐波减速器，型号为120，输出扭矩为180N.m，速比为80，谐波减速器的效率n=85%，得到交流伺服电机的输出力矩为：根据松下交流伺服电机的样本，选择型号为：MHMD-08-Z-P-1-V，额定功率为750W，额定转矩为2.4N.m，最大转矩为7.1N.m。2.4腕关节的传动机构设计图2SEQ图\*ARABIC\s14手腕传动部分的结构设计如图所示，采用的是三自由度手腕，也被叫做万向型手腕，它一部分与小臂相连，随小臂转动而转动，中间锥齿轮Z4，Z5带动手腕做俯仰运动，轴1则带动手爪转动。为了使手腕能实现三个自由度并减轻手腕重量，必须用远距离传动，故将电动机装在小手臂的关节处。3.六自由度机械臂的三维建模3.六自由度机械臂的三维建模3.1建模软件简介SolidWorks有限公司是美国达索系统(DassaultSystemes)旗下的控股公司,SolidWorks有限公司创立于一九九三年,由PTC有限公司的技术副董事长与CV有限公司的副董事长领导,企业总社设在马萨诸塞州的康克尔郡(Concord,Massachusetts)内,当初的主要工作目标是期望在每一位工程人员的桌面上,创造一种有生产力的实体模型设计管理系统。自一九九五年发布了第一个SolidWorks的三维机械设计软件产品,至二零一零年已设有分布于世界各地的办公室,并已通过三百余家销售商在全世界的一百四十多个国家开展了销售和分销该软件产品。Solidworks拥有十分全面的机械设计功能,可以提供简单快捷的三维设计平台,并且还可以将加工零部件与工程图关联设计,在三维建模变化的时候,对应的加工工程图也能够做到即时变化,极大地提高了产品设计效果,所以本文使用了Solidworks2018实现了三维建模,并绘制六自由度机械臂的二维图纸。3.2零件三维建模前面的章节对六自由度机械臂的关键零部件进行了详细的计算，为了验证计算的合理性，同时能够更形象直观的表达毕业设计的效果，通过三维软件结合前面设计的尺寸来进行建模，能够直观的反映所涉及参数的合理性，对于诸如干涉等重大设计缺陷，可以进行及时的弥补和修改。以下是针对本文设计的六自由度机械臂的详细建模过程：大臂的建模首先打开三维设计软件，新建模板，进入零件设计模板格式，确定所要新建零件的名称，分析所要绘制的零件结构特征，构思建模顺序，根据结构尺寸，初步绘制特征的草图，再通过拉伸、旋转、抽壳等操作完成零件基体的绘制，随后通过倒角、倒圆等特征命令，对结构进行细化，还可以通过异形孔向导对所要连接的圆孔和螺纹孔进行绘制，绘制的大臂的三维模型如下图所示。图3SEQ图\*ARABIC\s11六自由度机械臂底座的三维建模图3SEQ图\*ARABIC\s12六自由度机械臂主臂的三维建模图3SEQ图\*ARABIC\s13六自由度机械臂的连杆三位建模图3SEQ图\*ARABIC\s14六自由度机械臂的传动齿轮三维建模3.3虚拟样机装配在绘制完成大部分零件以后，便可以根据各零件之间的位置和约束关系进行虚拟装配，虚拟装配的好处是可以直观的了解所设计的六自由度机械臂各零部件之间是否发生干涉，以便于及时调整模型尺寸来满足设计需求。在solidworks中，为了实现零件与零件之间的虚拟装备，常见添加约束的方式有圆孔与圆孔同心约束，面与面之间的重合约束，面与面之间的平行约束，线与线之间的距离约束等，为了防止所建立的虚拟装配体在三维软件中发生错乱现象，需要对装配体的某一部件进行固定约束，本毕业设计对6自由度机械臂的底盘进行固定约束。三个软件提供了干涉检查功能，可以通过干涉检查功能方便的调取零部件之间几何关系，如果发生了重叠干涉等现象，就会以特殊的颜色进行显示，这大大提高了所设计的六自由度机械臂的可靠性。通过以上方法建立的虚拟装备体，最终得到6自由度机械臂的三维模型如下：图3SEQ图\*ARABIC\s156自由度机械臂三维模型建立以上三维模型以后，还可以用鼠标点击其中某一个零件并进行移动，可以模拟机械臂在真实环境中的移动情况。此外软件还提供了运动仿真插件，在同一三维软件中可以自动识别约束关系，只需要添加相应的驱动，便可以完成运动仿真。参考文献结论本毕业设计的目的是基于SOLIDWORKS绘制数控车床用上下料的六自由度机械臂的结构设计，并进行简化，设计主要研究的主要工作总结如下：经过深入研究,明确了自由度机械臂的主要设计参数,并结合工作要求确定了六自由度结构型式,按照常规工件的质量确定了机械臂的主要载荷条件,并明确了六自由度机械臂的最大活动零点五径和范围;对六自由度机械臂的详细零件结构进行了架构设计,尤其是针对传动机构的大臂、腰身、臂连杆机构等进行了架构设计,最后利用三维模型软件对六自由度机械臂实现了三维模型设计与虚拟装配,结果表明,本毕业设计的6自由度机械臂能够实现设计要求的工作空间范围和负载要求,并设计合理。

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