三自由度并聯(lián)機器人的結構設計與運動學分析【說明書+CAD+SOLIDWORKS】

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In order to develop more advanced three degree of freedom parallel robot, it has important research significance for the design of three degree of freedom parallel robot. Today is the era of automation, three degrees of freedom parallel robot is very important for the development of industrial 4, so they also promote the development of three degrees of freedom parallel robot. At present, the inherent potential value of the three degree of freedom parallel robot in our country still needs to be excavated strongly. Further research on the three degree of freedom parallel robot will bring important positive significance to the individual, even the collective and the society. At the same time, the comprehensive ability of the students can be developed and exercised. The most important thing is the overall design. First, we should make the students who are now graduating well on the basis of professional knowledge and get the promotion of knowledge, improve the comprehensive quality of the application and practice of knowledge, so as to be able to work easily in the future. Second, they can make them look at problems in a developmental perspective, give full play to their ability to innovate and break through practical problems. For the design of three degree of freedom parallel robot, it has a wide range of knowledge and very strong comprehensiveness. Students must rely on the excellent professional ability and mass knowledge, plus the ability to draw a graph on the computer. Therefore, students can actively think and study the design topic, so that students can improve the ability to solve the problem in the analysis, and thus can also accumulate useful work experience for the future. This paper will give a brief overview of the three degree of freedom parallel robot in China, and add the concept of three degrees of freedom parallel robot, and summarize the development of the three DOF parallel robot at home and abroad, and how to design the concept of its device structure. In this paper, a scheme for the construction and design of a three degree of freedom parallel robot is done. The structure of the device is designed, the strength of the robot is checked, the motion of the robot is analyzed, the 3D modeling is analyzed, and each mechanical structure and size of the three degree of freedom parallel robot are determined and located respectively. Keywords: Three degree of freedom parallel robot, structural design and 3D modeling 第1章 緒論 ?1.1論文概述 最近幾年來，中國的三自由度并聯(lián)機器人已經取得了很大的成績，但與國外產品相比之下仍存在多年的技術差距。本課題對三自由度并聯(lián)機器人進行研究設計，目的在于使我們更深層次的了解三自由度并聯(lián)機器人運作過程及設計的原理，從而能夠對其加以改進完善，并且考核我們4年來所學的機械知識。伴隨著科技的進步，涌現(xiàn)出很多新的機械設計方法，為設備的研發(fā)制造奠定了堅實的基礎，為了能夠研發(fā)出更為先進的三自由度并聯(lián)機器人，對三自由度并聯(lián)機器人的選型設計有著重要的研究意義。 在我們的國家，三自由度并聯(lián)機器人技術的研究和應用起步雖然晚于西方歐美等發(fā)達國 家，但近年來的發(fā)展得非常迅速。一部分大型企業(yè)已經逐步引入單三自由度并聯(lián)機器人技術應用到制造方面，以此來代替人工勞動力。 這次畢業(yè)設計是三自由度并聯(lián)機器人的設計。三自由度并聯(lián)機器人是依據(jù)零部件裝配的需要，以及在機械電傳輸動力的本質上，采用少量特殊零件組成的一種床子。生產過程中的三自由度并聯(lián)機器人因為具有非常高的實用性，可以在機械傳輸動力的大小上產生不同種類的移動。本次設計主要是將他們學到的知識與輔助材質結合起來運用到設計中，大大的鞏固以及深化了所學知識，掌握機械系統(tǒng)設計計算的一般過程和方法，確定正確合理的執(zhí)行機制，使用標準機械元件，熟練使用機械基本回路構成滿足基本性能要求的 機械系統(tǒng)管理。設計過程中最重要的是繪圖。這不僅可以清楚地顯示設計的內容，而且還能干體現(xiàn)知識是否被充分理解掌握。 還是需要大力發(fā)展機械行業(yè)才能夠使得我國的生產力得到提高，我國的綜合國力也與此行業(yè)的發(fā)展有著重大的關系。在這個日新月異的社會當中，研究發(fā)展才是進步的墊腳石。 1.2 并聯(lián)移動平臺國內外發(fā)展現(xiàn)狀 國內研究現(xiàn)狀 隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，各種三自由度并聯(lián)機器人制品出現(xiàn)在食品包裝、機械裝配、航天等現(xiàn)代工程領域的得到廣泛應用，尤其在包裝上應用非常普遍。在這個發(fā)展背景下，各種三自由度并聯(lián)機器人加工設備應運而生。三自由度并聯(lián)機器人加工設備的產生極大提高了三自由度并聯(lián)機器人制品的生產率，同時也有力地推動了工業(yè)的發(fā)展。 三自由度并聯(lián)機器人是包裝行業(yè)應用最廣泛的設備，它在包裝行業(yè)中起著至關重要的作用。因此，對三自由度并聯(lián)機器人進行加工變成三自由度并聯(lián)機器人中的一個必不可少的組成部分。三自由度并聯(lián)機器人具有使用方便、操作簡單、速度快等優(yōu)點。三自由度并聯(lián)機器人的出現(xiàn)降低了人工成本，提高了生產效率和產品質量，適合于大批量生產。因此，設計一種三自由度并聯(lián)機器人設備有著非常重要的現(xiàn)實意義。 我們國家的發(fā)展與進步的歷史基本上和西方發(fā)達國家一致，但是我們國家是屢敗屢戰(zhàn)中摸爬滾打起來的，所以我們自己也要銘記這一段歷史。也為我國未來的輝煌成績奠定了最為重要的基礎。 20世紀爸十年代，哈爾濱工業(yè)大學制出三自由度并聯(lián)機器人，從此開啟了中國三自由度并聯(lián)機器人制造工藝的發(fā)展。三自由度并聯(lián)機器人由于存在性能差，外觀差，自動效果差，質量差等缺點，只有較為少數(shù)的廠商會選擇使用我們的設備。只有少數(shù)幾個大城市和少數(shù)自動情況下的制度和經濟狀況，然而，我國歷史上的這種情況是比較少的。 我國成功研制出三自由度并聯(lián)機器人之后，拉近了我國和世界先進國家的自動化之間的距離，并成為了我國三自由度并聯(lián)機器人發(fā)展歷史上的一個暫新的起點。恰巧當時的中國正處于經濟文化飛速發(fā)展的階段，城市化建設發(fā)展迅速，為在適當?shù)臅r機引入較為合適的產品，所以制造出了三自由度并聯(lián)機器人，良好工作的時間是可重復的。到了二十世紀末，中國的工業(yè)化持續(xù)增長，市場需求旺盛，迫使制造商不得不去面對日益激烈的競爭市場。許多制造廠商逐漸加入了生產線，他們在生產裝置，以及自動汽車技術方面都得 到了高速發(fā)展。在中國，三自由度并聯(lián)機器人制造商的生產規(guī)模已經發(fā)展到幾十種之多，并且包括了各種自動化裝置?，F(xiàn)在我們市場中 ，三自由度并聯(lián)機器人的份額也迅速增加。當前，在我國，改換汽車底盤的轉換速度很快，并且經常主要城市和農村地區(qū)投入使用。 開發(fā)研究驅動力、傳感以及操控硬件以及軟件技術不僅能夠地促進三自由度并聯(lián)機器人技術的發(fā)展與進步，而且還需要開發(fā)圓柱坐標操縱機械手的實際應用。三自由度并聯(lián)機器人具有以下幾個方面優(yōu)勢。 1) 桿件只受拉壓, 不受彎曲應力; 2) 剛度高, 承載能力與整機質量比大; 3) 移動部件質量小, 可獲得很高的動態(tài)特性; 4) 零件標準化程度高, 易于實現(xiàn)模塊化設計; 5) 作業(yè)空間與機器尺寸比小; 6) 靈活性較差, 運動平臺傾斜角度較小; 7) 作業(yè)空間存在桿件干涉和奇異位變形危險。 國外研究現(xiàn)狀 發(fā)明并且學會使用各種新的工具減少人類的工作量、降低勞動程度是人類進步的標志。在上個世紀80年代，瑞士學者Clavel設計了一種僅有三個移動自由度的并聯(lián)機構，即被廣泛應用于工業(yè)的Delta并聯(lián)機器人[8]?，F(xiàn)如今，世界上對三自由并聯(lián)機器人的分析和設計基本上都是依據(jù)Delta結構進行改進而設計的三自由度移動機構和3-RRR三自由度球面機構[9]。三自由度并聯(lián)機器人是過去30年獨立開發(fā)的典型的機電一體化自主工具。到現(xiàn)在，三自由度并聯(lián)機器人技術已經被許多大型公司引入并用于工業(yè)生產。它主要體現(xiàn)在機械制造、汽車制造和化學工程等領域。三自由度并聯(lián)機器人的使用是我國機械 自動化水平高低的體現(xiàn)。三自由度并聯(lián)機器人在工業(yè)領域可以替代人類進行各種高強度，高風險以及一些可能危害人體安全的工作。 它們在保證工人的人身安全的同時，又能夠確保高效和有序地進行。因此三自由度并聯(lián)機器人的研究以及設計是非常必要的。 ABB 公司于2008年推出集成了機器視覺系統(tǒng)和真空系統(tǒng)的第二代FlexPicke機器人IRB360。IRB360的包裝與分揀速度創(chuàng)下了新的紀錄，其最高動作頻率超過200次/分鐘，重復定位精度可達0.1mm，負載可達到8千克。1996年，燕山大學教授黃真，同時也是我國并聯(lián)機器人研究領域著名學者，提出了多種新型并聯(lián)機構模型，并利用螺旋理論對它們的瞬時運動進行了分析[10]。 因為西方等諸多國家率先發(fā)展工業(yè)革命，使得他們自己的工業(yè)技術上遙遙領先于我們國家，所以許多機械方面的應用技術都比較我國先進，雖然現(xiàn)在落后于西方國家，但是我相信在不久的將來，我們回趕上他們的技術，甚至超越他們。 1.3本文研究內容 （1）調研國內外三自由度并聯(lián)機器人工作原理以及發(fā)展現(xiàn)狀。 （2）根據(jù)調研結果，針對當前應用較多的三自由度并聯(lián)機器人進行分析比較，綜合各個結構的特點，設計三自由度并聯(lián)機器人的構型方案。 （3）根據(jù)設計方案，對軸承、并聯(lián)移動平臺、銷軸、銷軸等進行選型計算，并進行應力校核。 （4）根據(jù)設計方案，采用三維軟件solidworks軟件對三自由度并聯(lián)機器人進行三維建模。 （5）運用ANSYS有限元分析軟件對三自由度并聯(lián)機器人的關鍵部件進行剛度和強度分析。 第2章 三自由度并聯(lián)機器人方案設計 2.1 設計的主要思想 這次的課題畢業(yè)設計的題目為三自由度并聯(lián)機器人的構造設計，所以在開始進入本次課題畢業(yè)設計的時候，我們更加深入的研究三自由度并聯(lián)機器人，才能夠理解它的工作原理，以及每一種三自由度并聯(lián)機器人的應用方式方法，要知道三自由度并聯(lián)機器人的所有的優(yōu)勢以及劣勢，對它有一個準確的定位，在設計三自由度并聯(lián)機器人的時候，還需要考慮到它的經濟性、可靠性、穩(wěn)定性好的優(yōu)點，還有一定要便于售后維修。 2.2 三自由度并聯(lián)機器人設計方案 圖2.1 三自由度并聯(lián)機器人總體方案 該機構由三個支鏈將固定支架和動平臺相互連接組成。支鏈由兩個連桿，一個移動副，三個轉動副組合而成，整個結構通過其中的移動副上的移動作為驅動。主要由固定支架、動平臺、三個直線電機、三個機械臂支鏈組成。本文根據(jù)此結構進行接下來的設計。 2.3固定支架的選用 機架是各種機械地基本部件，它主要起支承作用，機械的其他部件一般固定在機架上，有些部件是在機架的導軌面上運動。機架起基準作用，以保證各部件間正確的相對位置，并且使整個機器組成一個整體。在其他部件及工件本身的重量與工作過程中的載荷（包括各種沖擊力）作用下，機架要有足夠的強度，而且變形部超過允許值。此外還應考慮機架的動剛度，阻尼，熱變形性，尺寸穩(wěn)定性，疲勞強度等。對于移動式機器的機架則要求重量輕；對于在寒冷、酷熱、潮濕等環(huán)境下工作的機架分別要求耐高溫、耐低溫、抗銹燭等性能。機架采用45鋼型材焊接而成。結構簡單，美觀大方，耐用牢靠。型材可以選用45鋼80X80X3mm。 2.4本章小結 本章首先對三自由度并聯(lián)機器人進行了簡單的概述，給出了三自由度并聯(lián)機器人傳動的總體結構設計方案，并對方案進行比較，總體設計方案里分別傳動原理、系統(tǒng)組成進行闡述。 第3章 三自由度并聯(lián)機器人設計 3.1直線電機選型 直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。它可以看成是一臺旋轉電機按徑向剖開，并展成平面而成。 由定子演變而來的一側稱為初級，由轉子演變而來的一側稱為次級。在實際應用時，將初級和次級制造成不同的長度，以保證在所需行程范圍內初級與次級之間的耦合保持不變。直線電機可以是短初級長次級，也可以是長初級短次級?？紤]到制造成本、運行費用，目前一般均采用短初級長次級。直線電動機的工作原理與旋轉電動機相似。以直線感應電動機為例：當初級繞組通入交流電源時，便在氣隙中產生行波磁場，次級在行波磁場切割下，將感應出電動勢并產生電流，該電流與氣隙中的磁場相作用就產生電磁推力。如果初級固定，則次級在推力作用下做直線運動；反之，則初級做直線運動。直線電機的驅動控制技術一個直線電機應用系統(tǒng)不僅要有性能良好的直線電機，還必須具有能在安全可靠的條件下實現(xiàn)技術與經濟要求的控制系統(tǒng)。隨著自動控制技術與微計算機技術的發(fā)展，直線電機的控制方法越來越多。對直線電機控制技術的研究基本上可以分為三個方面：一是傳統(tǒng)控制技術，二是現(xiàn)代控制技術，三是智能控制技術。傳統(tǒng)的控制技術如PID反饋控制、解耦控制等在交流伺服系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。其中PID控制蘊涵動態(tài)控制過程中的過去、現(xiàn)在和未來的信息，而且配置幾乎為最優(yōu)，具有較強的魯棒性，是交流伺服電機驅動系統(tǒng)中最基本的控制方式。為了提高控制效果，往往采用解耦控制和矢量控制技術。在對象模型確定、不變化且是線性的以及操作條件、運行環(huán)境是確定不變的條件下，采用傳統(tǒng)控制技術是簡單有效的。但是在高精度微進給的高性能場合，就必須考慮對象結構與參數(shù)的變化。各種非線性的影響，運行環(huán)境的改變及環(huán)境干擾等時變和不確定因數(shù)，才能得到滿意的控制效果。因此，現(xiàn)代控制技術在直線伺服電機控制的研究中引起了很大的重視。常用控制方法有：自適應控制、滑模變結構控制、魯棒控制及智能控制。近年來模糊邏輯控制、神經網(wǎng)絡控制等智能控制方法也被引入直線電動機驅動系統(tǒng)的控制中。目前主要是將模糊邏輯、神經網(wǎng)絡與PID、H∞控制等現(xiàn)有的成熟的控制方法相結合，取長補短，以獲得更好的控制性能。 確定運動要求 名稱 符號 單位 質量 ML 10kg 行程 S 300mm 最大速度 VM 1 加速時間 Ta 0.1 運輸時間 Tb 0.5 減速時間 Tc 0.1 周期時間 T 1 運動時推力計算： 加速時間： 加速推力 減速推力： 實際推力： 根據(jù)已知條件可以計算實際推力為46.37N,小于電機的連續(xù)推力62N,滿足實際的工作要求。 3.3 拉緊螺栓強度校核 已知條件： 螺栓的ss＝730MPa 螺栓的擰緊力矩T=49N.m 3.3.1 螺栓扭矩 為了增強螺紋連接的剛性、防松能力及防止受載螺栓的滑動，裝配時需要預緊。 其擰緊扳手力矩T用于克服螺紋副的阻力矩T1及螺母與被連接件支撐面間的摩擦力矩T2。裝配時可用力矩扳手法控制力矩。 公式：T=T1+T2=K** d 擰緊扳手力矩T=49N.m 其中K為擰緊力矩系數(shù)，為預緊力N d為螺紋公稱直徑mm 其中K為擰緊力矩系數(shù)，為預緊力N d為螺紋公稱直徑mm 摩擦表面狀態(tài) K值 有潤滑 無潤滑 精加工表面 0.1 0.12 一般工表面 0.13-0.15 0.18-0.21 表面氧化 0.2 0.24 鍍鋅 0.18 0.22 粗加工表面 - 0.26-0.3 取K＝0.28，則預緊力 ＝T/0.28*10*10-3＝17500N 承受預緊力螺栓的強度計算： 螺栓公稱應力截面面積As（mm）=58mm2 外螺紋小徑d1=8.38mm 外螺紋中徑d2=9.03mm 計算直徑d3＝8.16mm 螺紋原始三角形高度h=1.29mm 螺紋原始三角形根部厚度b=1.12mm 緊螺栓連接裝配時，螺母需要擰緊，在擰緊力矩的作用下，螺栓除受預緊力F0的拉伸而產生拉伸應力外，還受螺紋摩擦力矩T1的扭轉而產生扭切應力，使螺栓處于拉伸和扭轉的復合應力狀態(tài)下。 螺栓的最大拉伸應力σ1(MPa)。 剪切應力： 由第四強度理論得： 強度條件： 3.3.2預緊力的確定原則 擰緊后螺紋連接件的預緊應力不得超過其材料的屈服極限的80%。 傾覆力矩 傾覆力矩 M 作用在連接接合面的一個對稱面內，底板在承受傾覆力矩之前，螺栓已擰緊并承受預緊力F0。作用在底板兩側的合力矩與傾覆力矩M平衡。 考慮沖擊載荷，傾翻力矩M為： M=W1*(1+6.7)*0.22-W2*(1+6.7)*0.118=190*7.7*0.22-36*7.7*0.118=319.64N.m L1=0.258m L2=0.238m L3=0.166 L4=0.099m 螺栓最大工作載荷： 式中： M……螺栓組承受的總傾覆力矩（N.m） i……每行螺栓數(shù)量 L……螺栓到接合面對稱軸到距離(m)； z……螺栓數(shù)量； 承受預緊力和工作載荷聯(lián)合作用螺栓的強度計算： 螺栓的最大拉力F= ＝17500＋0.3*167.26＝17550N 螺栓的最大拉伸應力σ2(MPa)。 剪切應力： 在預緊狀態(tài)下的計算應力: 強度條件： 預緊力的確定原則： 擰緊后螺紋連接件的預緊應力不得超過其材料的屈服極限的80%。 3.4銷軸的設計計算 3.4.1銷軸連接形式 圖3-1 銷軸連接示例 (a) 臂架根部； (b) 拉桿。 銷軸計算 銷軸抗彎強度驗算 式中 M─銷軸承受的最大彎矩； 銷軸抗彎截面模數(shù)； ──許用彎曲應力，對于45號鋼 銷軸抗剪強度驗算 式中 Q──把銷軸當作簡支梁分析求得的最大剪力； ──銷軸許用剪應力，45號鋼=125MPa。 銷孔拉板的計算 銷孔壁承壓應力驗算 式中 P──構件的軸向拉力，即銷孔拉板通過承壓傳給銷軸的力； d──銷孔拉板的承壓厚度； d──銷孔的直徑； ──銷孔拉板的承壓許用應力， 3.4.2銷孔拉板的強度計算 首先根據(jù)銷孔拉板承受的最大拉力P求出危險截面 1. 內力計算 拉板承受的拉力P是通過銷孔壁以沿孤長分布壓力P的形式傳給銷軸，假定P沿弧長按正弦規(guī)律分布，即 根據(jù)拉板的平衡條件可得 則 根據(jù)拉板結構和受力的對稱性，可知拉板上反對稱的內力（即剪力）等于零。若沿銷孔中心線截開拉板，則截面上只有軸力Nb及彎矩Mb。 根據(jù)平衡條件，得 由于根據(jù)平衡方程解不出Mb，故是一次超靜定問題，須根據(jù)變形條件求Mb。為此需列出與水平線成a角的任一截面的彎程方程： 將及 代入上式，得 令 ，截面的彎矩： 因為拉板的結構和受力是對稱的，故a-a截面的轉角qa應等于零，即 代入上式 則 得 根據(jù)平衡條件，得 3.4.3強度計算 應用彈性曲梁公式求危險截面的應力 式中 A──計算截面積，對于矩形面積； K──與計算截面形狀有關的系數(shù)，對于矩形截面 b—b截面： 代入得內側應力 代入得外側應力 a—a截面： 代入得內側應力 代入得外側應力 根據(jù)已知條件，所選銷軸滿足設計要求。 3.5 軸承設計計算 3.5.1軸承組成 軸承是軸組件的重要組成部分，它的類型、結構、配置、精度、安裝、調整、潤滑和冷卻都直接影響了軸組件的工作性能。常用的軸承有滾動軸承和滑動軸承。 滾動軸承摩擦阻力小，可以欲緊，潤滑維護簡單，能在一定的轉速范圍和載荷變動范圍下穩(wěn)定地工作。滾動軸承有專業(yè)化工廠生產，選購維修方便，在各個領域上被廣泛采用。滾動軸承噪聲大，滾動體的數(shù)目有限，剛度是變化的，抗震性略差，但總體來說，數(shù)控機床軸組件在可能的條件下，應盡量使用滾動軸承，在用滾動軸承可以用潤滑脂潤滑在一些立式結構中，以避免漏油。由于滾動軸承有許多優(yōu)點，加之加工精度的提高，所以，一般情況下數(shù)控機床應盡量采用滾動軸承，只有要求加工表面粗糙度數(shù)值和小時用滑動軸承，滾動軸承根據(jù)滾動體的結構分為球軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承三大類。軸支承分徑向和推力支承。角接觸軸承包括角接觸球軸承和圓錐滾子軸承，兼起徑向和推力支承的作用。軸軸承，可選用圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承和角接觸球軸承。 軸承，主要應根據(jù)精度、剛度和轉速來選擇。為了提高精度和剛度，軸軸承的間隙應該是可調的。線接觸的滾子軸承比點接觸的球軸承剛度高，但在一定溫升下允許的轉速較低。下面簡述幾種常用的數(shù)控機床軸軸承的結構特點和適用范圍。 3.5.2軸承特點及應用范圍 角接觸球軸承多用于高速軸，水接觸角的不同有所區(qū)別，α=25°的軸向剛度較高，但徑向剛度和允許的轉速略低，多用于車、鏜、銑等軸；α=15°的轉速可更高一些，打扮軸向剛度較低，常用于軸向載荷較小、轉速較高的磨床軸或不承受載荷的車、鏜、銑軸后軸承。這種軸承為點接觸，剛度較低。為了提高剛度和承載能力，常用多聯(lián)組的方法。 軸承的精度，分為2、4、5、6、0五級，其中2級最高，0級為普通精度級。軸軸承以4級為主(記為P4)。高精度軸可用P2級。要求較低的軸或三支承軸的輔助支承可用P5級。P6級和P0級一般不用。此外又規(guī)定了2種輔助精度等級SP(特殊精密級)和UP(超精密級)。由于軸承的工作精度主要決定于旋轉精度，箱體孔和軸軸頸是根據(jù)一定的間隙和過盈要求配作的。因此，軸承內、外徑的公差即使寬些也不影響工作精度，但卻降低了成本。 不同精度等級的機床，軸軸承的精度可參照表選用。數(shù)控機床，可按精密級或高精度級選用。 表3-3 軸承精度 機床精度等級 前軸承 后軸承 普通精度等級 P5或P4（SP） P5或P4（SP） 精密級 P4（SP）或P2（UP） P4（SP） 高精度級 P2（UP） P2（UP） 軸承的內部間隙，必須能夠調整。多數(shù)軸承，還應能夠在過盈狀態(tài)下工作，使?jié)L動體和滾道之間有一定的欲變形，這就是軸承的欲緊。 根據(jù)上述軸承選用的要求結合本設計的要求，軸承選用如下：后支承：圓錐孔雙列圓柱滾子軸承(NN3000K型)精度等級相當于P5級，前支承：兩個推力球軸承(51000型)和一個圓錐孔雙列圓柱滾子軸承(NN3000K型)組配精度等級相當于P5級，并且軸承為中欲緊， 3.5.3軸承的選用及校核 軸承均選用深溝球軸承，查參考文獻[10]選軸承型號為6238 GB/T276-94。 軸承壽命校核： 查參考文獻[1]知軸承壽命計算公式為： 查表知：，當量動載荷為 。 對于球軸承， ，， 代入數(shù)據(jù)得： 可知軸承壽命足夠長，選擇符合要求。 軸承潤滑 由于傳動軸轉速比較低，故軸承采用脂潤滑即可，在軸承座內加入足夠的脂潤滑即可，對承受較大載荷來說此種潤滑方式十分適宜。 3.6 本章小結 對pvc管進行選型計算，其次根據(jù)受力情況，對銷軸進行理論計算，最后對螺栓、軸承、進行設計計算。 第4章 三自由度并聯(lián)機器人三維建模 ?4.1 Solidworks三維建模技術 Solidworks軟件涉及到航空航天、移動平臺等個領域，越來越多的被人們接受，它倡導三維CAD軟件的易用性、高效性。 他不僅能夠實現(xiàn)零部件的三維建模，也能夠進行二維圖的繪制，同時還可以與各種軟件實現(xiàn)無縫對接，不僅可以完成運動仿真，而且還可以進行有限元分析。 4.2 三自由度并聯(lián)機器人三維建模 三自由度并聯(lián)機器人結構的三維模型如圖4.1所示。 圖4.1 Solidworks三維模型 底座建模如下首先選取前基準面，進行草繪。操作過程如下： 1、運用鼠標點擊草繪按鈕，選取前視基準面繪制草圖如下圖所示 圖4.2 繪制草圖 2、繪制好該特征的草圖之后，點擊拉伸按鈕進行特征生成，拉伸按鈕里面具有參數(shù)選擇的功能，可以設置厚度20，選取不同類型尺寸的生成，其拉伸菜單如下圖所示。 圖4.3 拉伸菜單示意圖 3、建立肋板。 建立滑動架，首先建立草繪模型，完全貫穿，選取該特征的底部為參考面，然后繪制草圖—拉伸，該過程與上圖的繪制基本一致。最后通過拉伸，即可求得。 圖4.4支架 同理，其他零件支架、軸承固定座、懸臂、框架等主要運動構件的三維模型，方法基本一致，只是使用的特征按鈕不一樣，操作方法基本相同。底板如下圖所示。 圖4.5 軸承固定座 立柱的模型如圖所示，通過拉伸切除命令得出。 圖4.8 框架 直線電機的三維建模如圖4.9所示，通過拉伸切除、陣列命令即可得到。 圖4.9 活塞桿 滑塊的模型如圖4.10所示，孔通過陣列掃描命令，即可求得所得模型。 圖4.10 滑塊 副臂三維模型如圖4.11所示。 圖4.11 副臂 傳動臂的模型如圖4.12所示，通過草繪圓形，經等距命令，拉伸即可求得。 圖4.12 傳動臂 動平臺的三維建模如圖4.13所示。 圖4.13 動平臺 軸承的三維建模如圖4.14所示。 圖4.14 軸承 4.3 三自由度并聯(lián)機器人裝配 在Solidworks軟件里面，配合主要有重合、平行、垂直、相切、同軸心、鎖定、及距離、角度等配合功能，根據(jù)具體的配合要求選取不同的配合來完成機器的裝配，使之成為一個裝配體。裝配的配合界面如下圖所示。 圖4.15配合界面示意圖 根據(jù)該機器的裝配特點，其裝配主要是轉動副設計配合，及面與面的重合，因此只需用到同軸心配合及重合兩種裝配方式。 下面將以裝配配合進行介紹。 首先在Solidworks軟件里面建立裝配體組裝界面。打開裝配體文件夾，具體操作過程如下： 點擊新建，里面有文件夾形式的選取，包括零件及按鈕，選取裝配體文件，打開裝配體界面。 圖4.16 裝配示意圖 各個部件之間的組裝用到的命令有同心、重合、距離命令。 運用Solidworks 渲染功能，渲染效果圖如下圖4.17所示。 圖4.17 三維渲染效果圖 4.4 本章小結 采用三維軟件SOLIDWORKS對三自由度并聯(lián)機器人進行建模，設計了各個關鍵部件，最后還設計了其他附屬零件，并對其進行了組裝，同時對各個部進行建模，最后將所有的零部件組裝在一起，將裝配屬性中的剛性變成柔性。 第5章 三自由度并聯(lián)機器人關鍵部件ANSYS仿真 5.1ANSYS-Workbench軟件介紹 Workbench由ANSYS公司提出了協(xié)同仿真環(huán)境，解決企業(yè)產品研發(fā)過程中的異構問題的CAE軟件。面對制造業(yè)信息化潮流,仿真軟件的雙刃劍,企業(yè)知識資本儲備和其他各種工業(yè)需求,ANSYS公司的觀點是:保持在同一時間,核心技術的多元化協(xié)同仿真環(huán)境的建立。 5.2 靜力學分析基礎 結構靜力分析是用來計算不包括慣性和阻尼效應的載荷作用在結構或者部件上時引起的位移、應力、應變和力。固定不變的載荷和響應是一種假設，也就是假定載荷和結構的響應隨著時間的變化非常緩慢。靜力分析所加的載荷包括外部施加的作用力和壓力、穩(wěn)定的慣性力和位移載荷等。 5.2.1靜力分析控制方程 在有限元分析的過程中，靜力分析的控制方程為： {K}{U} = {F} 其中，{K}——結構剛度矩陣 {U}——位移向量 {F}——載荷向量 在用有限元法進行機體結構的靜力分析時，其基本原理是一樣的：用矩陣形式表示整個結構的平衡方程，得 {K}{δ}={R} 其中，{K}——整個剛度矩陣，由整體剛度矩陣單元剛度陣組成 {δ}——整個物體的節(jié)點位移陣列，由單元節(jié)點位移陣列組成 {R}——載荷陣列，由作用于單元上的節(jié)點力陣列組成 結合求得的節(jié)點位移計算出各個單元的力，并加以整理得出所要的結果。 [σ]=[D][B][σ] 其中，[σ]——材料的許用應力陣列 [D]——與單元材料有關的彈性陣列 [B]——單元應變陣列 [ δ]e ——單元的節(jié)點位移陣列 通過上式可以計算得到連桿的應力和變形結果，變形可以由后處理中的模塊將模型的變形直觀的變現(xiàn)出來，應力的分布則以應力云圖或者應力圖的等高線表示。節(jié)點的應力是與之相連的單元應力在節(jié)點位置的算數(shù)平均值。通過連桿的強度要求和材料的特性，選擇最大拉應力、最大剪應力或者綜合應力作為強度校核的基準，材料的失效是以材料發(fā)生塑性變形為標志的，所以連桿的靜態(tài)強度校核可以根據(jù)第四強度理論，用Vonmiss等效應力來校核連桿結構的強度。 Vonmiss等效應力可以表示為： 強度條件為： σ≤[σ] 基于有限元的變分原理和加權殘余法,基本認為解決計算域劃分為有限數(shù)量的非重疊的單元,在每個單元內,選擇一些合適的節(jié)點作為求解函數(shù)的插值點,變量的微分方程改寫的變量或其導數(shù)的節(jié)點值并選擇插值函數(shù)的線性表達式,通過變分原理或加權余量法,離散微分方程的解決方案。使用不同的權函數(shù)和插值函數(shù)形式,構成不同的有限元方法(fem)。 設問題的控制微分方程為： 在V域內 在S邊界上 式中 : L、B——分別為微分方程和邊界條件中的微分算子； f、g ——為與未知函數(shù)u無關的已知函數(shù)域值； u——為問題待求的未知函數(shù) 應變能量:作用在對象外部負載會導致變形,變形力在工作彈性能量的形式存儲在對象,是應變能。 由n個單元和m個節(jié)點組成的物體的總勢能為總應變能和外力所做功的差： 最小勢能原理：對于一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，相對于平衡位置發(fā)生的位移總會使系統(tǒng)的總勢能最小，即： ，i=1,2,3,……,n 5.2.2有限元法收斂性 有限元法的收斂性是指：當網(wǎng)格逐漸加密時，有限元解答的序列收斂到精確解；或者當單元尺寸固定時，每個單元的自由度數(shù)越多，有限元的解答就越趨近于精確解。 應該指出，協(xié)調單位,有時甚至比配合相應的單元,其原因在于近似解的性質。假定位移函數(shù)相當于把單位在約束條件下,下屬單位變形添加約束,這只是一些替代結構相比,真正的結構。但由于近似結構允許細胞分離、重疊,變得柔軟,單元的剛度或形成(如輪連續(xù)板單元的單元之間的度,和角落是不連續(xù)的,只是為了銷點)協(xié)調單元,這兩個影響錯誤取消的可能性,所以有時使用協(xié)調單元也將得到一個好的結果。在工程實踐中,協(xié)調元必須通過使用“小塊后測試”。 有限元法的靜態(tài)分析理論 單元位移與節(jié)點之間的函數(shù)關系： 他表示單元之間的變化關系 將節(jié)點位移帶入上式，求出a1……a6， 將上式寫成矩陣的形式 其中:N為型函數(shù)矩陣，為單元節(jié)點矩陣。 單元應變與應變矩陣 簡化為： 其中B稱作應變矩陣。 單元應力與應力矩陣： 其中： 彈性矩陣為： 它的取值決定于材料的泊松比和彈性模量。 表征彈性體的彈性模量也可以用常數(shù)G和表示。 G稱為剪切彈性模量 應力的另一種表達方式 其中C是G的逆矩陣 5.2.3靜力分析邊界條件 邊界條件： 在彈性力學和有限元分析中，邊界條件可分為位移邊界條件、應力邊界條件、混合邊界條件，應力邊界各點 位移邊界條件為 SOLID186具有二次位移模式可以更好的模擬不規(guī)則的網(wǎng)（例如通過不同的CAD/CAM 系統(tǒng)建立的模型）。 圖5.1 solid186單元 SOLID186 輸入數(shù)據(jù)，單元的幾何，棱柱單元可以通過對節(jié)點K, L,和 S; 節(jié)點 A 和 B; 并且 節(jié)點 O, P, 和 W采用同一個節(jié)點號來實現(xiàn)，四面體單元和棱錐單元同樣可以如圖上圖"SOLID186 Geometry".所示實現(xiàn)，SOLID187是一個簡單的10節(jié)點四面體單元。 有限元網(wǎng)格劃分，對于二維平面、三維曲面和三維實體網(wǎng)格有以下幾種劃分方法： (1)覆蓋方法:基于四邊形網(wǎng)格,網(wǎng)格的要求切削表面平面或曲面應該完成,它必須從一個表面邊界曲線; (2)前沿方法:由彎曲等參變換到二維空間進行網(wǎng)格,然后映射到三維空間曲面,表面被劃分為一個完整的四邊形單元或三角形單元; (3)德勞內三角形法:主要用于至少一個封閉曲線單連通域或多連通域內產生形成的三角形單元,往往是一個等邊三角形。充分考慮的幾何形狀的幾何特性好,和小特性成更小的單位,不需要細網(wǎng)格,使用稀疏網(wǎng)格單元; (4)轉換擴展方法:根據(jù)規(guī)則的表面幾何是幾何區(qū)域的網(wǎng)格,網(wǎng)格生成速度,網(wǎng)格質量高。線路單元的節(jié)點擴展,從線路單元生成一個二維單元,從2 d單元生成的三維單元。它不僅用于3 d網(wǎng)格生成,同時對一維、二維網(wǎng)格和一代的幾何形狀,包括移動、鏡子,拉伸,旋轉,縮放掃描3 d實體,膨脹系數(shù)和方向。本文使用網(wǎng)格映射。 5.3 有限元前處理 5.3.1靜力分析材料屬性 設置連桿材料的屬性，如圖5.2所示。 圖5-2材料參數(shù) 5.3.2模型導入 在solidworks里面建立連桿的三維模型，將三維模型轉換成parasolid_（X_T）格式，導入ansys-workbench軟件中，設置材料為steel。導入模型如圖5-3所示。 圖5-3導入模型 5.3.3網(wǎng)格劃分 根據(jù)workbench自帶的網(wǎng)格劃分工具，按照默認的網(wǎng)格劃分屬性，對連桿進行網(wǎng)格劃分，如圖5.4所示。 圖5-4網(wǎng)格劃分 5.3.4定義約束 添加約束：打開VIEW菜單，顯示分析流程，點擊support-fixed support，然后通過選擇面特征，選擇連桿桿上下端，將其固定，同時施加100N的力在連桿下端，在圖5.5左側的對話框顯示出來。 圖5-5添加約束 5.4 連桿后處理 5.4.1應力分析 首先研究連桿的主應力，所有參數(shù)設置完成后，右擊solution選擇里面的solve進行求解，主應力的最大值為8.8MPA,而材料的設計需用應力為550Mpa，滿足設計要求。主應力如圖5.6所示。 圖5-6主應力圖解 5.4.2位移分析 連桿總變形如圖5-7所示。 圖5-10 總變形圖解 由上圖可以看出總位移的最大位移0.02mm?，變形很小，滿足實際的生產需要。 5.5 本章小結 首先對ansys軟件進行介紹，對連桿參數(shù)進行設置，同時對系統(tǒng)進行約束設置，最后進行運動學仿真分析。 結論 大學短暫時期在這里匆匆要走向末端，然這對我的僅僅是人生其中的一個里程碑，新的旅途已然在前方向我揮手。大學期間的學識歷程都有著老師長輩、朋友以及親人的鼓勵，旅途雖然艱辛但也會收貨許多許多，于論文即將劃上一個完美的句號時，又開始對這完美猶豫，此時五味陳雜。 我會仰慕許多名人，但是我卻急迫想要把我心中無限仰慕送給一個普普通通的人，那就是我的師長。我也許在你眼中并不出類拔萃，但是你在我心中卻又重要的地位。您教學負責，您的思想和博學都無時無刻不在影響這我，讓我有了一個上升的積極態(tài)度。您能夠讓我受到了創(chuàng)新的思維觀念的影響，創(chuàng)建了偉大的學習標準，明白了最基礎的考量方式，由課題題目的斷定至論文寫作的學習,通過您耐性的解說,進而通過考量后的心領神會,往往使我豁然開朗。 這次的課題設計就要完了，六月畢業(yè)季里，是有很多的內心感觸。我進行死板的學習知識，其實在實際的運用中行就是一 片空白。這次的課題畢業(yè)設計讓我明白，實際做要比說起來難的多。 回頭看看畢業(yè)設計的整個過程，我感覺到這個過程是非常困難的，好的是，還是取得了一定的成效。第一我需要感謝我的 指導老師，在畢業(yè)的課題設計當中，我會遇到許多許多的困難，在遇到困難后，我想到的第一個辦法就是找我的指導老師，讓指導老師給我建議，讓我可以解決我所遇到的問題。 由這次的課題畢業(yè)設計，我也是很清楚的明白了自己的不足和自己需要改正的地方，只有理論知識的學習，才能夠發(fā)現(xiàn)自 己的知識缺乏的程度，其實我們都懂得一個道理就是在理論跟實際之間是由很大的差距。這次課題設計相比較對我而言是一次 很好的檢驗也是一次很好的開始。有了很系統(tǒng)的學習，是擁有很完整的知識架構，這次的課題畢業(yè)設計并不是結束，在我看來 就是一個很好的開始。以后的我需要獨立的進行項目的設計，面對未來，就要我自己能夠更好的運用我自己所學的知識。 最后，希望各位老師能給我的課題畢業(yè)設計能夠提出更多的建議跟指導，讓我能更好的運用自己的專業(yè)知識。 參考文獻 [1]J. 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