【六自由度机械臂的设计原理与构造探析6400字（论文）】

绪论六自由度机械臂的设计原理与构造分析摘要: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。一、选题的背景和选题的意义在检索了国内外有关研究文献的基础上确定了本文的研究内容；二、根据国内外研究情况，设计六自由度机械臂总体方案，说明其结构及工作原理；三、中间计算六自由度机械臂关键部件、电机选型及传动机构设计计算，对于设计出的机械臂，建立了它的三维模型；四、对本项目的工作做了一个小结。通过研究证明了本课题所设计六自由度机械臂的正确性，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，代替传统人工操作既解决日益突出的招工难、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设计要求六自由度机械臂整体设计前，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，便于进一步提升制造效率和品质。图1-1所示是机器人实际运行时的排列示意图，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，并联类型也是一种非常重要的型式。关节坐标式又分为水平和垂直关节坐标。如图1-3所示。直角坐标型机械臂具有3个自由度，每个关节可以分别实现平行运动，3台驱动电机能强迫3个关节做X,Y,Z方向的直线运动，所以直角坐标机器人被称为直角坐标机器人，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。球坐标系下的机械臂以圆柱坐标为基础，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。关节型机器臂作为应用最广泛的机械臂结构，其各关节均利用了旋转自由度，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。其每段有1个或1个以上自由度，形成复杂多自由度结构。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，较常见的有液压式，气动式，电子式，机器式四种。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，完成主要机器人执行机构指定的运动目标及功能。机器人系统一旦能接收传感器反馈的信息就说明系统为闭环控制，否则为开环控制。控制方式又分为以下2种，仅控制机器人向末端执行器初始定位，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，与工作人员及机器人的控制密切相关。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，自动上料系统机器人主要运行过程有:(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大臂传动机构设计如上，大臂和小臂的俯仰动作会一起决定腕部位于平面上的方位角，腕部下部开有一个透气孔，大臂和减速机通过透气孔相连，电机和减速剂是一旁并列的设备。2.2腰身传动机构的设计腰部的转动，与大、小臂的俯仰动作相配合，确定了手臂的空间相对位置。腰部通过力矩电机进行扭矩传递，腰主轴为空心轴承并通过键连接在力矩电机上。由此通过力矩电机引导腰轴线的转动，进而驱动腰回转盘的转动。2.3手臂连杆机构设计前臂关节的传动机构示意图如图2~2所示。前臂做+130度到-90度的俯仰运动，来调节腕部的总体空间位置。它的驱动电机安装在驱动臂座内，也就是在大手臂关节位置，通过大臂底端的通孔，用两根连杆与小臂座内部相连。方案1：通过吊杆底部的通孔，用两根连杆与吊杆座内部连接。方案2：手臂转动时用电机直接驱动谐波减速器，手臂由谐波减速器减速，驱动一个连杆机构进而驱动小臂旋转，如图2-3。两种方案理论上都是可行的，方案1结构简单，适用于一般机器人，方案2结构复杂且刚度与强度均比方案1稳定且更适合大负荷机器人使用。最主要的是手臂结构设计时使用四杆结构既能够让手臂重量降低、动作顺畅，还能够满足更大作业空间的需求。总之，选定方案2为该项目机器人的结构形式。当手臂处于手臂与手腕之间的水平状态时，手臂上的力矩最大，此时可以估算出力矩T。由于需要考虑臂架旋转时的摩擦力矩等因素，因此选择谐波减速器工况系数为K=1.25，以获得减速器的输出力矩：因此，选择型号为60、输出扭矩为480n·m、速比为80、谐波减速器效率n=85%的XB3平谐波减速器，交流伺服电机的输出扭矩为：从松下交流伺服电机样品中选取机型有：MSMA-20-Z-P-1-V、额定功率2kw、额定转矩6.36N·m、最大转矩19.1N·m。同理，可求得小臂在该时刻所受转矩之最大值：因小臂回转时需要考虑摩擦力矩和其他因素，故选取谐波减速器工况系数为K=1.25以获得减速器输出力矩：为此，选用XB3扁平式谐波减速器，机型120、输出扭矩180N·m、速比80、谐波减速器效率n=85%,得出交流伺服电机输出力矩：从松下交流伺服电机样品中筛选出机型：MHMD-08-Z-P-1-V;额定功率750W;额定转矩2.4N·m;最大转矩7.1N·m。2.4腕关节的传动机构设计如右图所示，使用三自由度腕部，又称万向型腕部，其部分连接小臂并随着小臂旋转，中部锥齿轮Z4,Z5带动腕部做俯仰运动，轴1带动手爪转动。为达到腕部3个自由度和减轻腕部重量，需要采用远距离驱动，所以小臂关节处设置了电动机。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具有非常全面的机械设计，能够提供一个简便快速的三维设计平台并能够对加工零部件和工程图进行相关设计，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。3.2零件三维建模前几章对六自由度机械臂关键零部件做了详细计算，为检验计算是否合理，又能更加形象、直观地表示毕业设计结果，利用三维软件与前几章设计尺寸相结合建模，能直观地体现出所涉参数是否合理，并能针对干涉等主要设计缺陷及时补救、修正。下面就对本课题所设计的六自由度机械臂进行了详细的建模流程：大臂的建模先打开三维设计软件新建模板并进入零件设计模板格式中，识别出待新建零件名称并分析出待画零件结构特征并构思建模顺序，依据结构尺寸初步勾画出特征草图，然后经过拉伸，旋转，抽壳处理完成零件基体勾画，接着经过倒角，倒圆处理后执行特征命令细化结构，也可由异形孔向导勾画出待连接圆孔及螺纹孔，勾画出大臂三维模型见下图。3.3虚拟样机装配画出大部分部件后，就可根据部件间位置及约束关系实现虚拟装配，其优点在于能够直观地知道设计出的六自由度机械手臂各个部件间是否存在干涉现象，从而能够及时地调整模型尺寸以适应设计需要。在solidworks环境下，为实现零部件间虚拟装备的设计，常用的增加约束方法包括圆孔和圆孔同心、面和面重合、面和面平行、线和线的间距等等，为避免构建的虚拟装配体错乱于三维软件，要求装配体某个零部件必须受到固定约束，本次毕业设计将6自由度机械臂底盘固定约束。三种软件均提供干涉检查功能，利用干涉检查功能可方便地对零部件间几何关系进行调取，如果发生重叠干涉等，则用特殊颜色显示出来，从而显着提高设计六自由度机械臂可靠性。利用上述方法构建的虚拟装备体最终获得了6自由度机械臂三维模型，具体为：上述三维模型构建完成后，也可使用鼠标对其某个部件进行单击和运动，即可模拟出真实环境下机械臂的运动状态。另外该软件提供运动仿真插件，能够在同一款三维软件上自动识别约束关系，仅需增加相应驱动就能完成运动仿真。参考文献结论本毕业设计的目的是基于SOLIDWORKS绘制了数控车床上下料六自由度机械手臂结构设计并对其做了简化处理，对设计中的重点研究工作概括如下。经充分研究，确定自由度机械臂主要设计参数并根据工作需求确定六自由度的结构类型，根据常规工件质量情况确定机械臂主要加载条件，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，应用三维模型软件，实现了六自由度机械臂三维模型设计及虚拟装配，结果表明该毕业设计6自由度机械臂可以达到设计所需工作空间范围及负载要求，并设计合理。

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