畢業(yè)論文定稿-軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真設(shè)計(jì)

原版文檔，無刪減，可編輯，歡迎下載詳細(xì)圖紙可扣扣咨詢 414951605 或 1304139763晉中學(xué)院機(jī)械學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題名稱 軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真系 部 專 業(yè) 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 指導(dǎo)教師（簽名） 年 月 日教研室主任（簽名） 年 月 日I摘 要移動(dòng)機(jī)器人作為機(jī)器人學(xué)發(fā)展中的一個(gè)重要分支，是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。機(jī)械臂是機(jī)器人的重要組成部分，他是機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，組合式機(jī)械臂是由若干一維機(jī)械臂以不同夾角組合而成，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的直線伸縮，或在 X-Y 平面移動(dòng)，或在 X-Y-Z 空間定位等功能，以滿足不同場(chǎng)合下的需要。本文針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人組合式機(jī)械臂進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行總體的設(shè)計(jì)方案，擬定螺旋傳動(dòng)副為一維機(jī)械臂傳動(dòng)方案，對(duì)方案進(jìn)行特點(diǎn)分析，然后針對(duì)關(guān)鍵傳動(dòng)件設(shè)計(jì)，選擇電動(dòng)機(jī)，對(duì)重要零件進(jìn)行強(qiáng)度校核，對(duì)軸和軸承的壽命進(jìn)行計(jì)算校核，最后對(duì)重要零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括材料的選擇、尺寸的確定、結(jié)構(gòu)工藝性的滿足、以及與其他零件的配合的要求等。關(guān)鍵詞：一維機(jī)械臂，組合機(jī)械臂，移動(dòng)機(jī)器人，X-Y 平面IIAbstractMobile robot is an important branch of robotics development, is a comprehensive system including environment detecting, a variety of dynamic decision and planning, action control and execution in one. Manipulator is an important part of the robot, he is the executive body of the robot, the combined mechanical arm is composed of several one-dimensional manipulator with different angle combination, linear expansion can realize mechanical arm, or move on the X-Y plane, or function in X-Y-Z space positioning, to meet different occasions. In this paper, the mobile robot combined mechanical arm design, firstly, the overall design scheme, make the spiral transmission pair transmission scheme of one-dimensional mechanical arm, characteristics analysis of the scheme, then the motor selection for key transmission parts, design, strength check of important parts, the life of the shaft and bearings are calculated, finally the structural design of the main parts, including material selection, determine the size, structure, and meet the demand for cooperating with other parts etcKey Words: One-dimensional mechanical arm, mechanical arm, mobile robot, X-Y planeIII目 錄摘 要 IABSTRACT .II目 錄 III第 1 章 緒論 .11.1 機(jī)器人的發(fā)展史 11.2 我國(guó)機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r 21.3 移動(dòng)機(jī)器人概述 .3移動(dòng)機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)： 31.4 本課題研究目的和要求 .4第 2 章 整體方案設(shè)計(jì) .52.1 動(dòng)力源及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案的確定 .52.2 擬定方案圖 6第 3 章 傳動(dòng)設(shè)計(jì)與計(jì)算 .73.1 一維機(jī)械臂設(shè)計(jì)計(jì)算 .73.1.1 計(jì)算絲杠導(dǎo)程 73.1.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇 83.1.3 滑動(dòng)螺旋副的計(jì)算 .123.1.4 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì) .143.1.5 軸承的選擇 16第 4 章 主要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 174.1 機(jī)架設(shè)計(jì) 174.1.1 機(jī)架設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 174.1.2 機(jī)座設(shè)計(jì) .184.2 絲杠支架設(shè)計(jì) .19IV4.3 電機(jī)支架設(shè)計(jì) .20第 5 章 虛擬裝配與仿真 215.1 PRO/E 軟件簡(jiǎn)介 215.2 零件建模 225.2 虛擬裝配 .235.3 PRO/E 動(dòng)畫仿真 26總結(jié) .30參考文獻(xiàn) .31致 謝 32軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真1第 1 章 緒論1.1 機(jī)器人的發(fā)展史機(jī)器人的歷史并不算長(zhǎng)，1959 年美國(guó)英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，機(jī)器人的歷史才真正開始。英格伯格在大學(xué)攻讀伺服理論，這是一種研究運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)如何才能更好地跟蹤控制信號(hào)的理論。德沃爾曾于 1946 年發(fā)明了一種系統(tǒng)，可以“重演”所記錄的機(jī)器的運(yùn)動(dòng)。1954 年 , 德沃爾又獲得可編程機(jī)械手專利，這種機(jī)械手臂按程序進(jìn)行工作，可以根據(jù)不同的工作需要編制不同的程序，因此具有通用性和靈活性，英格伯格和德沃爾都在研究機(jī)器人，認(rèn)為汽車工業(yè)最適于用機(jī)器人干活，因?yàn)槭怯弥匦蜋C(jī)器進(jìn)行工作，生產(chǎn)過程較為固定。1959 年，英格伯格和德沃爾聯(lián)手制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。 它成為世界上第一臺(tái)真正的實(shí)用工業(yè)機(jī)器人。此后英格伯格和德沃爾成立了“尤尼梅遜”公司，興辦了世界上第一家機(jī)器人制造工廠。第一批工業(yè)機(jī)器人被稱為“尤尼梅特”，意思是“萬能自動(dòng)”。 他們因此被稱為機(jī)器人之父。1962 年美國(guó)機(jī)械與鑄造公司也制造出工業(yè)機(jī)器人，稱為“沃爾薩特蘭”，意思是“萬能搬動(dòng)”。”尤尼梅特”和“沃爾薩特蘭”就成為世界上最早的、至今仍在使用的工業(yè)機(jī)器人。近百年來發(fā)展起來的機(jī)器人，大致經(jīng)歷了三個(gè)成長(zhǎng)階段，也即三個(gè)時(shí)代。第一代為簡(jiǎn)單個(gè)體機(jī)器人， 第二代為群體勞動(dòng)機(jī)器人，第三代為類似人類的智能機(jī)器人，它的未來發(fā)展方向是有知覺、有思維、能與人對(duì)話。第一代機(jī)器人屬于示教再現(xiàn)型 , 第二代則具備了感覺能力 , 第三代機(jī)器人是智能機(jī)器人 , 它不僅具有感覺能力 , 而且還具有獨(dú)立判斷和行動(dòng)的能力。 英格伯格和德沃爾制造的工業(yè)機(jī)器人是第一代機(jī)器人，屬于示教再現(xiàn)型，即人手把著機(jī)械手，把應(yīng)當(dāng)完成的任務(wù)做一遍，或者人用“示教控制盒”發(fā)出指令，讓機(jī)器人的機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)，一步步完成它應(yīng)當(dāng)完成的各個(gè)動(dòng)作 。20 世紀(jì) 70 年代，第二代機(jī)器人開始有了較大發(fā)展，第二代機(jī)器人則對(duì)外界環(huán)境實(shí)用階段，并開始普及。 第三代機(jī)器人是智能機(jī)器人，它不僅具有感覺能力，而且還具有獨(dú)立判斷和行動(dòng)的能力，并具有記憶、推理和決策的能力，因而能夠完成更加復(fù)晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）2雜的動(dòng)作。中央電腦控制手臂和行走裝置，使機(jī)器人的手完成作業(yè)，腳完成移動(dòng)，機(jī)器人能夠用自然語言與人對(duì)話。 智能機(jī)器人在發(fā)生故障時(shí)，通過自我診斷裝置能自我診斷出故障部位，并能自我修復(fù)。到了 90 年代, 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展, 機(jī)器人技術(shù)也得到了迅猛發(fā)展。目前工業(yè)機(jī)器人已廣泛地用于汽車工業(yè)、機(jī)械加工工業(yè)、電子工業(yè)及塑料制品工業(yè)等領(lǐng)域中。在工業(yè)生產(chǎn)中, 弧焊機(jī)器人、點(diǎn)焊機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴漆機(jī)器人及搬運(yùn)機(jī)器人等工業(yè)機(jī)器人都已被大量采用。隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展, 工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也隨之不斷擴(kuò)大?，F(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用已開始擴(kuò)大到核能、采礦、冶金、石油、化學(xué)、航空、航天、船舶、建筑、紡織、制衣、醫(yī)藥、生化、食品等工業(yè)領(lǐng)域中。除了工業(yè)機(jī)器人水平不斷提高之外, 各種用于非制造業(yè)的先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)也有了很大的進(jìn)展。1.2 我國(guó)機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從 20 世紀(jì) 80 年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國(guó)家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，已基本掌握了機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有 130 多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在 20多家企業(yè)的近 30 條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊接線上。目前，我國(guó)從事機(jī)器人研發(fā)和應(yīng)用工程的單位 200 多家，擁有量為 3500 臺(tái)左右，其中國(guó)產(chǎn)占 20，其余都是從日本、美國(guó)、瑞典等 40 多個(gè)國(guó)家引進(jìn)的。2000 年已生產(chǎn)各種類型工業(yè)機(jī)器人和系統(tǒng) 300 臺(tái)套，機(jī)器人銷售額 6.74 億元，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的年收益額為 47 億元。據(jù)專家對(duì)國(guó)內(nèi) 542 家用戶以及汽車、電子電器、工程機(jī)械個(gè)行業(yè)的部分用戶進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，就全國(guó)而言，弧焊、點(diǎn)焊、裝配、噴涂機(jī)器人應(yīng)用的最多；其次是搬運(yùn)、上下料（沖壓、壓鑄、鑄鍛、注塑等用的大多是上下料機(jī)器人）；再次是包裝、碼垛、拆垛機(jī)器人和密封涂膠機(jī)器人，其他機(jī)器人用量很少。就行業(yè)而言，汽車行業(yè)以焊接、噴涂、涂膠作業(yè)較多，沖壓、搬運(yùn)、裝配次之；電子電器行業(yè)集中在裝配，如大連華錄一家就用了近 300 臺(tái)，其次是搬運(yùn)和噴涂；工程機(jī)械行業(yè)集中用于弧焊，噴涂其次。此外包裝、碼垛、拆垛機(jī)器人目前主要用于石化、輕紡和煙草行業(yè)。軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真31.3 移動(dòng)機(jī)器人概述移動(dòng)機(jī)器人的研究始于 60 年代末期，斯坦福研究院(SR)I 的 NiISSen 和CharleSRosen 等人，在 1966 年至 1972 年中研造出了取名 Shakey 的自主移動(dòng)機(jī)器人。目的是研究應(yīng)用人工智能技術(shù)，在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。與此同時(shí)，最早的操作式步行機(jī)器人也研制成功，從而開始了機(jī)器人步行結(jié)構(gòu)方面的研究，以解決機(jī)器人在不平整地域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)問題，設(shè)計(jì)并研制出了多足步行機(jī)器人。70 年代末，隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和傳感器技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人研究又出現(xiàn)了新高潮。特別是在 80 年代中期，設(shè)計(jì)和制造機(jī)器人的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司開始研制移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，這些移動(dòng)機(jī)器人主要作為大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從而促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人學(xué)多種研究方向的出現(xiàn)。90 年代以來，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)，高適應(yīng)性的移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)，真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開展了移動(dòng)機(jī)器人更高層次的研究。移動(dòng)機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：目前研究的移動(dòng)機(jī)器人都是帶有智能的機(jī)器人:機(jī)器人本身能認(rèn)識(shí)工作環(huán)境、工作對(duì)象及其狀態(tài)，它根據(jù)人給予的指令和“自身”認(rèn)識(shí)外界的結(jié)果來獨(dú)立的決定工作方法，利用操作機(jī)構(gòu)和移動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)，并能適應(yīng)工作環(huán)境的變化。這些具有智能的機(jī)器人，有的能夠模擬人類用兩條腿走路，可在凹凸不平的地面上行走移動(dòng);有的具有視覺和觸覺功能，能夠進(jìn)行獨(dú)立操作、自動(dòng)裝配和產(chǎn)品檢驗(yàn) ;有的具有自主控制和決策能力。不僅能夠應(yīng)用各種反饋傳感器，而且還能夠應(yīng)用人工智能中的各種學(xué)習(xí)、推理和決策技術(shù)。移動(dòng)機(jī)器人一般由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。據(jù)研制目的不同，移動(dòng)機(jī)器人硬件系統(tǒng)的構(gòu)成也不盡相同，比較完整的典型結(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示。移動(dòng)機(jī)器人的軟件系統(tǒng)，就相當(dāng)于機(jī)器人的“大腦” ，智能機(jī)器人之所以能夠代替人做大量的工作，就是因?yàn)樗哂泻腿祟惖拇竽X思維能力相仿的智能控制系統(tǒng)。而這個(gè)智能控制系統(tǒng)其實(shí)就是機(jī)器人的軟件系統(tǒng)，是人工智能主要技術(shù)對(duì)于機(jī)器人的綜合運(yùn)用。這種特殊結(jié)構(gòu)的機(jī)器人在工業(yè)裝配、無人惡劣環(huán)境中工作(如滅火、外星球探測(cè)和各類危險(xiǎn)的科學(xué)研究)以及室內(nèi)服務(wù)工作(如運(yùn)送、導(dǎo)游和巡邏)等方面具有一定研究?jī)r(jià)值。晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）41.4 本課題研究目的和要求通過對(duì)移動(dòng)機(jī)器人組合式機(jī)械臂進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)一步鞏固與深化學(xué)生對(duì)理論課程及實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)中所學(xué)知識(shí)的理解，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、基本理論和基本技能來分析和解決相關(guān)專業(yè)問題，以及收集、整理、分析、利用資料的能力，使學(xué)生受到工程師工作能力的綜合訓(xùn)練，提高學(xué)生的獨(dú)立工作能力與綜合素質(zhì)。軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真5第 2 章 整體方案設(shè)計(jì)2.1 動(dòng)力源及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案的確定動(dòng)力源及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要考慮效率、成本、維護(hù)難易、失效、傳動(dòng)精度要求以及與整個(gè)機(jī)構(gòu)的位置關(guān)系。方案一使用液動(dòng)或氣動(dòng)作為平移和上升的動(dòng)力源，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要為液壓缸或氣缸、活塞、回轉(zhuǎn)液壓缸。這就要求一套液壓系統(tǒng)，包括液壓泵、液壓閥、液壓缸或氣缸、密封元件、導(dǎo)軌等。液壓或氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1、液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動(dòng)力大、力(或力矩)慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)，適用于承載能力大、慣量大以及在防爆環(huán)境中工作的機(jī)機(jī)器人；缺點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)難度大、對(duì)環(huán)境有影響、硬件成本高。2、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低等特點(diǎn)小負(fù)載的系統(tǒng)中；但由于空氣的可壓縮性定位不準(zhǔn)等難于實(shí)現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機(jī)械手中，如在上、下料和沖壓機(jī)械手中應(yīng)用較多。3、無論是液壓還是氣動(dòng)，都會(huì)致使機(jī)械臂的總體重量增加，結(jié)構(gòu)龐大，同時(shí)也會(huì)增加它的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人上的機(jī)械臂，采用液壓或氣壓傳動(dòng)，并不理想。方案二使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使用絲杠滑塊傳動(dòng)。該方案具有以下特點(diǎn)：1、適合于中等負(fù)載，特別適合動(dòng)作復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)軌跡嚴(yán)格的工業(yè)機(jī)器人和各種微型機(jī)器人；由于步進(jìn)電機(jī)的廣泛采用，這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)械手機(jī)器人領(lǐng)域里被大量選用；2、絲杠傳動(dòng)時(shí)，有利于主機(jī)的小型化及減輕勞動(dòng)強(qiáng)度；摩擦力矩小，接續(xù)剛度高使溫升及熱變形減小，有利于改善機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)特性，提高工作精度，具有很好的高速性能。經(jīng)過方案一和方案二的分析，決定采用方案二。這主要考慮到硬件的制作成本、維護(hù)成本、盡可能地降低總體方案的重量、盡可能的使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性更良好，安裝調(diào)試更方便。晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）62.2 擬定方案圖根據(jù)上述論述，現(xiàn)擬定方案圖。一維機(jī)械臂的傳動(dòng)如下圖 2-1 所示，它的 X-Y-Z組合效果如圖 2 所示。圖 2-1圖 2-2一維機(jī)械臂由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊即可在絲杠帶動(dòng)下沿導(dǎo)軌移動(dòng)，在X/Y/Z 三個(gè)方向分別布置一個(gè)一維機(jī)械臂，即構(gòu)成了三維機(jī)械臂，可實(shí)現(xiàn)聯(lián)接在手臂聯(lián)接座上的手爪在空間定位。步進(jìn)電機(jī)在數(shù)字化控制下能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，因此，本傳動(dòng)方案更便于控制，相對(duì)于液壓傳動(dòng)，氣壓傳動(dòng)，本傳動(dòng)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，行程更大，因此，本傳動(dòng)方案是一種較理想的傳動(dòng)方案。軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真7第 3 章 傳動(dòng)設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1 一維機(jī)械臂設(shè)計(jì)計(jì)算一維機(jī)械臂如下圖 3-1 所示，由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊即可在絲杠帶動(dòng)下沿導(dǎo)軌做直線移動(dòng)，通過計(jì)算機(jī)，可精確控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度，因而，可以精確控制滑塊移動(dòng)的距離。 圖 3-1 一維機(jī)械臂傳動(dòng)方案3.1.1 計(jì)算絲杠導(dǎo)程W 為滑動(dòng)部分總重量（ N） ， N159.847Wmg絲杠的最大負(fù)荷 ， 為慣性力，由運(yùn)行的最大速度為 30cm/s、行程F0max慣 慣為 420mm、電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間 0.3s，加速度2.31/0Vst= = =15N慣Fa15查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)表 1-10 常用材料摩擦系數(shù) 取 0.2。則0=44.4Nmax470.2為使設(shè)計(jì)更可靠令當(dāng)量載荷 = ,設(shè)絲杠副最大相對(duì)轉(zhuǎn)速為mFax4.N=3600r/min（后面會(huì)計(jì)算到） 。查表 11-1-25 精度推薦表，確定機(jī)械手使用的精度為axn5 級(jí)。絲杠的失位量為 0.025mm。初算導(dǎo)程：= mmmax/nVPh306/in5r晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）8根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)機(jī)械傳動(dòng)表 11-1-15 查得 應(yīng)該大于或等于 5mm 取 10mm。hP3.1.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇1）機(jī)電領(lǐng)域中步進(jìn)電機(jī)的選擇原則步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)步距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電一體化產(chǎn)品中關(guān)鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進(jìn)電機(jī)慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中，如：數(shù)控機(jī)床、包裝機(jī)械、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)等。 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的矩頻特性能滿足機(jī)械負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠。在實(shí)際工作過程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩 Mjmax 大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。 選擇步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量。在機(jī)械傳動(dòng)過程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動(dòng)來完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機(jī)的固有特性所決定。選擇功率步進(jìn)電機(jī)時(shí)，應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動(dòng)頻率，使之與步進(jìn)電機(jī)的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足執(zhí)行件快速移動(dòng)的需要。 選擇步進(jìn)電機(jī)需要進(jìn)行以下計(jì)算： （1）計(jì)算減速比 根據(jù)所要求脈沖當(dāng)量，減速比 i 計(jì)算如下: i=(.S)/(360. ) 式中 -步進(jìn)電機(jī)的步距角（o/脈沖） S -絲桿螺距（mm) -(mm/脈沖） （2）計(jì)算工作臺(tái)，絲桿以及齒輪折算至電機(jī)軸上的慣量 Jt。 軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真9Jt=J1+（1/i2)(J2+Js）+W/g（S/2)2 式中 Jt -折算至電機(jī)軸上的慣量(Kg.cm.s2) J1、J2 - 齒輪慣量(Kg.cm.s2) Js -絲桿慣量(Kg.cm.s2) W-工作臺(tái)重量（ N）S -絲桿螺距（cm） （3）計(jì)算電機(jī)輸出的力矩 TL2CFLT式中， 為折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N.m） ；F 為軸向移動(dòng)滑塊時(shí)所需的力LT（N） ；L 為電機(jī)每轉(zhuǎn)的機(jī)械位移量（m）L=0.012m； 為絲杠軸承等摩擦轉(zhuǎn)矩折算到C電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N.m） ， N.m； 為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率。0.1CT（4）負(fù)載起動(dòng)頻率估算。數(shù)控系統(tǒng)控制電機(jī)的啟動(dòng)頻率與負(fù)載轉(zhuǎn)矩和慣量有很大關(guān)系，其估算公式為 fq=fq0(1-(Mf+Mt)/Ml）÷(1+Jt/Jm) 1/2 式中 fq-帶載起動(dòng)頻率（ Hz） fq0-空載起動(dòng)頻率 Ml-起動(dòng)頻率下由矩頻特性決定的電機(jī)輸出力矩（N.m) 若負(fù)載參數(shù)無法精確確定,則可按 fq=1/2fq0 進(jìn)行估算. （5）運(yùn)行的最高頻率與升速時(shí)間的計(jì)算。由于電機(jī)的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率 時(shí)，由矩頻特性的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動(dòng)負(fù)載，并留有足夠的余量。2）選擇步進(jìn)電機(jī)由原始設(shè)計(jì)參數(shù)可知：機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)速度最高速度不小于 30cm/s, 機(jī)械臂的最大末端載荷不大于 5kg，機(jī)械臂的長(zhǎng)度不超過 60cm。（1）滑塊從頭到尾移動(dòng)的最短時(shí)間 StVS滑塊移動(dòng)距離，由于機(jī)械臂的總長(zhǎng)不超過 600mm,給電機(jī)及基座預(yù)留一定安晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）10裝空間，因此取絲杠長(zhǎng)度為 420mm,t時(shí)間，s421.30t（2）電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速電機(jī)選擇首先依據(jù)推桿快速行程速度。快速行程的電機(jī)轉(zhuǎn)速應(yīng)嚴(yán)格控制在電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)。 3maxmax10hVunnP式中， 為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速（rpm） ；n 為移動(dòng)時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速（ rpm） ； 為直線運(yùn)maxn maxV行速度（m/min） ；u 為系統(tǒng)傳動(dòng)比，u=n 電機(jī)/n 絲杠=1； 絲杠導(dǎo)程（mm） ，hP。10hP所以 3160/minnr所以，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速選為 3600r/min.初步擬定為深圳眾為興技術(shù)股份有限公司步進(jìn)電機(jī)56BYGH630DJP。56BYGH630DJP 技術(shù)參數(shù)如下：步距角： º1.8機(jī)身長(zhǎng)：78mm靜力矩：1.57N.m（3）計(jì)算減速比 根據(jù)所要求脈沖當(dāng)量，減速比 i 計(jì)算如下: i=(.S)/(360. ) 式中 -步進(jìn)電機(jī)的步距角（o/脈沖） S -絲桿螺距（mm) -(mm/脈沖） 計(jì)算得 (1.80)/(36.5)1i（4）計(jì)算工作臺(tái)，絲桿以及齒輪折算至電機(jī)軸上的慣量 Jt。 軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真11Jt=J1+（1/i 2)(J2+Js）+W/g（S/2) 2 式中 Jt -折算至電機(jī)軸上的慣量(Kg.cm.s 2) J1、J2 - 齒輪慣量(Kg.cm.s 2) （這里沒有齒輪，所以 J1、J2 為 0）Js -絲桿慣量(Kg.cm.s 2)， (Kg.cm.s2) 2214.18.sJmrW-滑塊重量（ N） ， .30WNS -絲桿螺距（cm） ， S=10mm=1cm222Jt=1+(/i)Js/g(S)08.301.4.5(Kg.cms) （5）計(jì)算電機(jī)輸出的力矩 M 根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作曲線，負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：當(dāng)設(shè)備作空載運(yùn)行時(shí)，在整個(gè)速度范圍內(nèi)，加在步進(jìn)電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)在電機(jī)的連續(xù)額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，即在工作曲線的連續(xù)工作區(qū)；最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩，加載周期及過載時(shí)間應(yīng)在特性曲線的允許范圍內(nèi)。加在電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩可以折算出加到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。 CLTF2式中， 為折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N.m） ；F 為軸向移動(dòng)滑塊時(shí)所需的力LT（N） ；L 為電機(jī)每轉(zhuǎn)的機(jī)械位移量（m）L=0.01m； 為絲杠軸承等摩擦轉(zhuǎn)矩折算到電C機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（N.m） ， N.m； 為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率。1.6CTcW式中， 為推桿反作用力（N） ， =45N； W 為滑動(dòng)部分總重量（N ） ，cFFN； 為摩擦系數(shù)， 。159.847W0.2所以 50.2147c計(jì)算轉(zhuǎn)矩時(shí)下列幾點(diǎn)應(yīng)特別注意。 （a）由于鑲條產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩必須充分地考慮。通常，僅僅從滑塊的重量和摩擦系數(shù)來計(jì)算的轉(zhuǎn)矩很小的。請(qǐng)?zhí)貏e注意由于鑲條加緊以及滑塊表面的精度誤差所產(chǎn)生的力矩。晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）12（b）由于軸承，螺母的預(yù)加載，以及絲杠的預(yù)緊力滾珠接觸面的摩擦等所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩均不能忽略。尤其是小型輕重量的設(shè)備。這樣的轉(zhuǎn)矩回應(yīng)影響整個(gè)轉(zhuǎn)矩。所以要特別注意。（c）如果有切削力，切削力的反作用力會(huì)使工作臺(tái)的摩擦增加，以此承受切削反作用力的點(diǎn)與承受驅(qū)動(dòng)力的點(diǎn)通常是分離的。如圖所示，在承受大的切削反作用力的瞬間，滑塊表面的負(fù)載也增加。當(dāng)計(jì)算切削期間的轉(zhuǎn)矩時(shí)，由于這一載荷而引起的摩擦轉(zhuǎn)矩的增加應(yīng)給予考慮。（d）摩擦轉(zhuǎn)矩受進(jìn)給速率的影響很大，必須研究測(cè)量因速度工作臺(tái)支撐物(滑塊，滾珠，壓力)，滑塊表面材料及潤(rùn)滑條件的改變而引起的摩擦的變化。已得出正確的數(shù)值。（e）通常，即使在同一臺(tái)的機(jī)械上，隨調(diào)整條件，周圍溫度，或潤(rùn)滑條件等因素而變化。當(dāng)計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩時(shí)，請(qǐng)盡量借助測(cè)量同種機(jī)械上而積累的參數(shù)，來得到正確的數(shù)據(jù)。所以 74.012.6238LCFT=1.78N.m所以，眾為興電機(jī) 56BYGH630DJP，額定轉(zhuǎn)矩 2.2n.m，轉(zhuǎn)速為 3600r/min，可滿足需求。3.1.3 滑動(dòng)螺旋副的計(jì)算1）螺旋傳動(dòng)的材料絲杠螺桿要有足夠的強(qiáng)度，較高的耐磨性和良好的工藝性，一般采用 45 或 50 剛，較重要的螺桿可采用 40Cr 等合金鋼，本絲杠采用 45 鋼。推桿（螺母）應(yīng)該具有較低的摩擦系數(shù)和較高的耐磨性，一般可選用鑄造青銅，如ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5 及 ZCuAl10Fe3，要求較低時(shí)可采用耐磨鑄鐵，本推桿要求不高，采用球墨鑄鐵 QT400-17。2）耐磨性的計(jì)算設(shè)螺母高為 H，螺距為 P，螺紋中徑為 ，螺紋工作高度為 h，則螺紋承載圈數(shù)2dZ=H/P，螺旋總軸向載荷為 ，每一圈螺紋承受的軸向載荷為 ,其成載面積 。QFzFQ/ 2Adh軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真13因此。螺紋工作面上的壓強(qiáng)為 ,己耐磨性條件為：cp2Qc cFPpZAdhH表 3-1 滑動(dòng)螺旋副材料的許用壓強(qiáng) c螺桿材料 螺母材料 滑動(dòng)速度（m/s） 許用壓強(qiáng)鋼 青銅 1825鋼 鋼低速7.513鋼 鑄鐵 0.04 1318鋼 青銅 0.05 1118鋼 鑄鐵 47鋼 耐磨鑄鐵 68鋼 青銅0.10.2710設(shè) ，則 ，代入上式并整理后可得：2/dH2d2QcFPhp對(duì)于矩形螺紋，h=0.75P，由上表 3-1，選取 =6Mpa，F(xiàn) Q=74.4N 則cp2 74.100.650.653.2Qcdp考慮到螺旋導(dǎo)程不能太小,取導(dǎo)程 Pc=10mm，選取螺桿中徑 ，外徑為218dm20mm3）螺母螺紋牙的強(qiáng)度校核在軸向載荷 的作用下，螺紋牙可能在根部發(fā)生剪斷或彎斷，由于推桿為鑄鐵，QF螺牙的強(qiáng)度低于螺桿，故只需要校核推桿（螺母）螺紋牙的強(qiáng)度。許用應(yīng)力材料 b 螺桿 鋼 35s晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）14青銅 4060 3040耐磨鑄鐵 5060 40鑄鐵 4555 40螺母鋼 0.6注：1、 為材料屈服極限；s2、載荷穩(wěn)定時(shí)，許用應(yīng)力取大值。將一圈螺母的螺紋沿根部大徑 D 處展開，并將談看作寬度為 的懸臂梁，在 h/2D處作用載荷 ，則螺紋牙危險(xiǎn)平剖面 aa 的剪切強(qiáng)度條件為zFQ/74.1.31208QFMpabz 符合強(qiáng)度要求。螺紋牙危險(xiǎn)剖面的彎曲強(qiáng)度條件為222374.10386QQb bFhMz paDWbz 符合強(qiáng)度要求。4）螺桿的強(qiáng)度校核螺桿工作地承受軸向壓力（或拉力） ，又受螺紋力矩 T 的扭轉(zhuǎn)作用。螺桿QF危險(xiǎn)剖面上既有壓縮（或拉伸）應(yīng)力，又有扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力。因此，螺桿剖面上是正應(yīng)力和剪應(yīng)力的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)。按第四強(qiáng)度理論，其危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度條件為222 32113230.474.78()6.91.6QeFTd強(qiáng)度符合要求。軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真153.1.4 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)電機(jī)功率較小，螺桿驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)非標(biāo)聯(lián)軸器聯(lián)接電機(jī)。聯(lián)軸器是機(jī)械傳動(dòng)中常用的部件。它用來把兩軸聯(lián)接在一起，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)兩軸不能分離：只有在機(jī)器停車并將聯(lián)接拆開后，兩軸才能分離。聯(lián)軸器所聯(lián)接的兩軸，由于制造及安裝誤差、承載后的變形以及溫度變化的影響等，往往不能保證嚴(yán)格的對(duì)中，而是存在著某種程度的相對(duì)位移。這就要求設(shè)計(jì)聯(lián)軸器時(shí)，要從結(jié)構(gòu)上采取各種不同的措施，使之具有適應(yīng)一定范圍的相對(duì)位移的性能。根據(jù)對(duì)各種相對(duì)位移有無補(bǔ)償能力（即能否在發(fā)生相對(duì)位移條件下保持聯(lián)接的功能） ，聯(lián)軸器可分為剛性聯(lián)軸器（無補(bǔ)償能力）和撓性聯(lián)軸器（有補(bǔ)償能力）兩大類。撓性聯(lián)軸器又可按是否具有彈性元件分為無彈性元件的撓性聯(lián)軸器和有彈性元件的撓性聯(lián)軸器兩個(gè)類別。十字滑塊聯(lián)軸器又稱滑塊聯(lián)軸器，由兩個(gè)在端面上開有凹槽的半聯(lián)軸器和一個(gè)兩面帶有凸牙的中間盤組成。因凸牙可在凹槽中滑動(dòng)，故可補(bǔ)償安裝及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)兩軸間的相對(duì)位移。這種聯(lián)軸器零件的材料可用 45 鋼，工作表面需要進(jìn)行熱處理，以提高其硬度；要求較低時(shí)也可用 Q275 鋼，不進(jìn)行熱處理。為了減少摩擦及磨損，使用時(shí)應(yīng)從中間盤的油孔中注油進(jìn)行潤(rùn)滑。因?yàn)榘肼?lián)軸器與中間盤組成移動(dòng)副，不能發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，故主動(dòng)軸與從動(dòng)軸的角速度應(yīng)相等。但在兩軸間有相對(duì)位移的情況下工作時(shí)，中間盤就會(huì)產(chǎn)生很大的離心力，從而增大動(dòng)載荷及磨損。因此選用時(shí)應(yīng)注意其工作轉(zhuǎn)速不得大于規(guī)定值。彈性柱銷聯(lián)軸器能傳遞轉(zhuǎn)矩的能力很大，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，安裝、制造方便，耐久性好，也有一定的緩沖和吸振能力，允許被聯(lián)接兩軸有一定的軸向位移以及少量的徑向位移和角位移，適用于軸向竄動(dòng)較大、正反轉(zhuǎn)變化較多和起動(dòng)頻繁的場(chǎng)合。本次設(shè)計(jì)中，由于電機(jī)軸比較小，電機(jī)軸不便于安裝鍵，因此，采用非標(biāo)的聯(lián)軸方法，聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)如下圖 3-2：晉中學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）16圖 3-2 聯(lián)軸方案3.1.5 軸承的選擇依據(jù)工作情況，絲杠采用兩端固定的工作方式。因?yàn)樵谶@種情況下它的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性都較高、軸向剛度大。圖 3-3 軸承安裝方法如圖所示用角接觸球軸承作為支撐。由于滾珠絲杠螺母上的機(jī)構(gòu)重量由導(dǎo)軌承受，所以滾珠絲杠只承受軸向力。所以滾動(dòng)軸承的當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷 P= = =89.28N，mPFf1.274為負(fù)荷系數(shù)中等慣性力作用時(shí)取 1.2。Pf深溝球軸承選擇：由機(jī)械設(shè)計(jì)公式基本額定動(dòng)負(fù)荷 C= 16max0hLnP已知 、 小時(shí)、球軸承 取 3，則450/minMAXnr180hLC= =701.9N3689.2查機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)表 66 選取深溝球軸承 6203 基本尺寸為:內(nèi)徑15mm、外徑 35mm、寬度 11mm、基本額定動(dòng)載荷 10.0KN、脂潤(rùn)滑情況下極限轉(zhuǎn)速15000r/min。極限轉(zhuǎn)速的校核：由選取的軸承參數(shù)知 =14000r/min、依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)圖 8.13 負(fù)荷系數(shù) 取limn 1f0.64， =0.952f= =8512/minli21f 95.064=6500r/min =8512r/minMAXnlimn所以轉(zhuǎn)速符合要求。軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真17第 4 章 主要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于本機(jī)械臂的零部件設(shè)計(jì)，屬于非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，批量小，盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件常用件，采用易于應(yīng)用常規(guī)加工方法加工的結(jié)構(gòu)。4.1 機(jī)架設(shè)計(jì)4.1.1 機(jī)架設(shè)計(jì)準(zhǔn)則底座、機(jī)架、箱體、基板等零件都屬于機(jī)架零件。機(jī)架零件可劃分為四大類：即機(jī)座類、機(jī)架類、基板類和箱殼類，對(duì)機(jī)架零件一般可提出下列要求:(1)工況要求：即任何機(jī)架的設(shè)計(jì)首先必須保證機(jī)器的特定工作要求。例如，保證機(jī)架上安裝的零部件能順利運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)架的外形或內(nèi)部結(jié)構(gòu)不致有阻礙運(yùn)動(dòng)件通過的突起,設(shè)置執(zhí)行某一工況所必需的平臺(tái)；保證上下料的要求、人工操作的方便及安全等。(2)剛度要求：在必須保證特定的外形條件下，對(duì)機(jī)架的主要要求是剛度。如果基礎(chǔ)部件的剛性不足，則在工作的重力、夾緊力、摩擦力、慣性力和工作載荷等的作用下，就會(huì)產(chǎn)生變形，振動(dòng)或爬行，而影響產(chǎn)品定位精度、加工精度及其它性能。例如機(jī)床的零部件中，床身的剛度則決定了機(jī)床的生產(chǎn)率和加工產(chǎn)品的精度。(3)強(qiáng)度要求：對(duì)于一般設(shè)備的機(jī)架，剛度達(dá)到要求，同時(shí)也能滿足強(qiáng)度的要求(4)穩(wěn)定性要求：對(duì)于細(xì)長(zhǎng)的或薄壁的受壓結(jié)構(gòu)及受彎-壓結(jié)構(gòu)存在失穩(wěn)問題，某些板殼結(jié)構(gòu)也存在失穩(wěn)問題或局部失穩(wěn)問題。失穩(wěn)對(duì)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生很大的破壞，設(shè)計(jì)時(shí)必須校核。(5)美觀：目前對(duì)機(jī)器的要求不僅要能完成特定的工作，還要使外形美觀。(6)其它：如散熱的要求，防腐蝕及特定環(huán)境的要求。在滿足機(jī)架設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的前提下，必須根據(jù)機(jī)架的不同用途和所處環(huán)境，考慮下列各項(xiàng)要求，并有所偏重。(1)機(jī)架的重量輕，材料選擇合適，成本低。(2)結(jié)構(gòu)合理，便于制造。(3)結(jié)構(gòu)應(yīng)使機(jī)架上的零部件安裝、調(diào)整、修理和更換都方便。(4)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，工藝性好，還應(yīng)使機(jī)架本身的內(nèi)應(yīng)力小，由溫度變化引起的變形應(yīng)軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真18力小。(5)抗振性能好。(6)耐腐蝕，使機(jī)架結(jié)構(gòu)在服務(wù)期限內(nèi)盡量少修理。(7)有導(dǎo)軌的機(jī)架要求機(jī)架導(dǎo)軌面受力合理，耐磨性良好。4.1.2 機(jī)座設(shè)計(jì)1）機(jī)座的結(jié)構(gòu)及材料進(jìn)行機(jī)架結(jié)構(gòu)形式的選擇是一個(gè)較復(fù)雜的過程，對(duì)結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件截面和結(jié)點(diǎn)構(gòu)造等均需要結(jié)合具體的情況進(jìn)行仔細(xì)的分析。對(duì)結(jié)構(gòu)方案要進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。由于各種設(shè)備有不同的規(guī)范和要求，制定統(tǒng)一的機(jī)架結(jié)構(gòu)選擇方法較困難。但是，可以利用結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識(shí)提出下列一般的規(guī)則。這些規(guī)則是為了節(jié)約材料在選擇形式時(shí)應(yīng)遵守的一般規(guī)律。（1）結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布情況要與材料的性能相適應(yīng)，以便發(fā)揮材料的優(yōu)點(diǎn)。軸力較彎矩能更充分地利用材料。桿件受軸力作用時(shí)，截面上的材料分布是均勻的，所有材料都能得到充分利用。但在彎矩作用下截面的應(yīng)力分布是不均勻的，所以材料的應(yīng)力分布不夠經(jīng)濟(jì)。機(jī)械結(jié)構(gòu)中許多構(gòu)件所受的都是沿垂直于桿軸的方向作用的。彎矩沿桿變化很迅速。有垂直載荷處，彎矩曲線有曲率，且曲率與載荷集度成正比。最大的彎矩限于一小段內(nèi)，在較長(zhǎng)段內(nèi)材料不能充分利用，這是彎曲構(gòu)件不經(jīng)濟(jì)的另一原因。（2）結(jié)構(gòu)的作用在于把載荷由施力點(diǎn)傳到基礎(chǔ)。載荷傳遞的路程愈短，結(jié)構(gòu)使用的材料愈省。（3）結(jié)構(gòu)的連續(xù)性可以降低內(nèi)力，節(jié)省材料。因該機(jī)械臂尺寸不是很大，結(jié)構(gòu)比較緊湊，受力不大，精度要求較高，材料上，考慮到機(jī)械臂要適用各種惡劣環(huán)境，為防止生銹，便于安裝，選擇 304 不銹鋼板作為基座。2）機(jī)體部分結(jié)構(gòu)尺寸的確定(1)安裝電動(dòng)推桿螺栓直徑的確定 ，取 M8。Dd25.018.(2)安裝伺服電機(jī)螺栓直徑的確定，根據(jù)伺服電機(jī)提供的安裝螺紋孔，取 M5。(3)安裝托架及膠輥螺釘直徑的確定，取 M4。(4)安裝槽檔塊螺釘直徑的確定，取為 M5,定位銷取為直徑為 5mm.軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真19圖 4-1 基座4.2 絲杠支架設(shè)計(jì)支架如下圖 4-2 所示，支架材料為 304 不銹鋼，以保證輪式機(jī)器人適用各種惡劣環(huán)境，支架上部為圓孔，用于安裝軸承，下部方孔，用于安裝導(dǎo)軌。圖 4-2 支架軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真204.3 電機(jī)支架設(shè)計(jì)電機(jī)支架如下圖 4-3 所示，支架材料為 304 不銹鋼，如圖 4-3 所示。圖 4-3 電機(jī)支架軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真21第 5 章 虛擬裝配與仿真5.1 Pro/E 軟件簡(jiǎn)介Pro/Engineer 操作軟件是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（ PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一體化的三維軟件。Pro/Engineer 軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，Pro/Engineer 作為當(dāng)今世界機(jī)械 CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣。是現(xiàn)今主流的 CAD/CAM/CAE 軟件之一，特別是在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。Pro/Engineer 操作軟件是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（ PTC)旗下的 CAD/CAM/CAE 一體化的三維軟件。Pro/Engineer 軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，Pro/Engineer 作為當(dāng)今世界機(jī)械 CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣。是現(xiàn)今主流的 CAD/CAM/CAE 軟件之一，特別是在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。一. Pro/EngineerPro/Engineer 是軟件包，并非模塊，它是該系統(tǒng)的基本部分，其中功能包括參數(shù)化功能定義、實(shí)體零件及組裝造型，三維上色，實(shí)體或線框造型，完整工程圖的產(chǎn)生及不同視圖展示（三維造型還可移動(dòng)，放大或縮小和旋轉(zhuǎn)） 。Pro/Engineer 是一個(gè)功能定義系統(tǒng)，即造型是通過各種不同的設(shè)計(jì)專用功能來實(shí)現(xiàn)，其中包括：筋（Ribs） 、槽（Slots ） 、倒角（Chamfers）和抽殼（Shells）等，采用這種手段來建立形體，對(duì)于工程師來說是更自然，更直觀，無需采用復(fù)雜的幾何設(shè)計(jì)方式。這系統(tǒng)的參數(shù)比功能是采用符號(hào)式的賦予形體尺寸，不象其他系統(tǒng)是直接指定一些固定數(shù)值于形體，這樣工程師可任意建立形體上的尺寸和功能之間的關(guān)系，任何一個(gè)參數(shù)改變，其也相關(guān)的特征也會(huì)自動(dòng)修正。這種功能使得修改更為方便和可令設(shè)計(jì)優(yōu)化更趨完美。造型不單可以在屏幕上顯示，還可傳送到繪圖機(jī)上或一些支持 Postscript 格式的彩色打印機(jī)。Pro/Engineer 還可輸出三維和二維圖形給予其他應(yīng)用軟件，諸如有限元分析及后置處理等，這都是通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換格式來實(shí)現(xiàn)，用戶更可配上 Pro/Engineer 軟件的其它模塊或自行利用 C 語言編程，以增強(qiáng)軟件的功能。它在單用戶環(huán)境下（沒有任何附加模塊）具有大部分的設(shè)計(jì)能力，組裝能力（運(yùn)動(dòng)分析、人機(jī)工程分析）和工程制圖能力（不包括 ANSI， ISO， DIN 或 JIS 標(biāo)準(zhǔn)） ，并且支持符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的繪圖儀軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真22（HP，HPGL）和黑白及彩色打印機(jī)的二維和三維圖形輸出。Pro/Engineer 功能如下：1特征驅(qū)動(dòng)（例如：凸臺(tái)、槽、倒角、腔、殼等） ；2參數(shù)化（參數(shù)=尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等） ；3通過零件的特征值之間，載荷/邊界條件與特征參數(shù)之間（如表面積等）的關(guān)系來進(jìn)行設(shè)計(jì)。4支持大型、復(fù)雜組合件的設(shè)計(jì)（規(guī)則排列的系列組件，交替排列，Pro/PROGRAM 的各種能用零件設(shè)計(jì)的程序化方法等） 。5貫穿所有應(yīng)用的完全相關(guān)性（任何一個(gè)地方的變動(dòng)都將引起與之有關(guān)的每個(gè)地方變動(dòng)） 。其它輔助模塊將進(jìn)一步提高擴(kuò)展 Pro/ENGINEER 的基本功能。二 、Pro/E 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真工程師無需等待物理原型就能測(cè)試產(chǎn)品的動(dòng)力行為。利用 Pro/ENGINEER 機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真，您可以虛擬地仿真包含運(yùn)動(dòng)元件的系統(tǒng)中的作用力和加速度。而且，您可以綜合考慮諸如彈簧、電動(dòng)機(jī)、摩擦力和重力等動(dòng)力影響，相應(yīng)地調(diào)整產(chǎn)品性能。改善檢驗(yàn)和認(rèn)證過程并最大程度地提高設(shè)計(jì)信心，而無需承受制造昂貴原型的負(fù)擔(dān)。與設(shè)計(jì)和分析工具完全集成，從而無需再花費(fèi)時(shí)間、精力和金錢來處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和關(guān)聯(lián)的錯(cuò)誤。利用 Pro/E 機(jī)構(gòu)仿真有以下優(yōu)點(diǎn)： 可以創(chuàng)建虛擬樣機(jī)在桌面計(jì)算機(jī)中進(jìn)行測(cè)試，從而降低開發(fā)成本 模擬賽車懸架所受到的實(shí)際作用力。 能夠更快速和更早地將變更反映在產(chǎn)品中，并從桌面計(jì)算機(jī)測(cè)試中即時(shí)獲得結(jié)果。 通過縮短開發(fā)時(shí)間率先向市場(chǎng)推出更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。 通過對(duì)產(chǎn)品壽命進(jìn)行更準(zhǔn)確的估計(jì)，從而可降低保修成本。 利用具體的動(dòng)畫式生產(chǎn)指令進(jìn)行裝配，可以避免代價(jià)高昂的制造錯(cuò)誤。 通過利用從虛擬測(cè)試中所節(jié)省的時(shí)間來評(píng)估更多設(shè)計(jì)構(gòu)思，從而可開發(fā)出更新穎的產(chǎn)品。 在易于學(xué)習(xí)、直觀明了的用戶界面中工作。5.2 零件建模1)絲杠軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真23絲杠建模，利用“旋轉(zhuǎn)” ， “拉伸”命令創(chuàng)建出絲杠主體，再用“螺旋掃描切口” ，創(chuàng)建出梯形螺旋線。圖 5-1 絲杠2）導(dǎo)軌利用“拉伸”命令，創(chuàng)建出如下圖所示導(dǎo)軌。圖 5-2 導(dǎo)軌5.2 虛擬裝配應(yīng)用前述建立的各零件的三維圖型進(jìn)行虛擬裝配，首先進(jìn)行子裝配，完成子裝配工作后，進(jìn)行總裝配。零件裝配好了以后，進(jìn)行裝配體的干涉檢查，以便確定裝配體中各零件之間是否存在實(shí)體邊界沖突(即干涉)、沖突發(fā)生在何處、進(jìn)而為消除沖突做好準(zhǔn)備。一般對(duì)零件較多或裝配要求較嚴(yán)格的裝配體，應(yīng)該裝配好個(gè)零件就進(jìn)行一次裝配檢查，這樣可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，及時(shí)修正。1）裝配一維機(jī)械臂（1）新建裝配組件軸式組合機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真24圖 5-3 新建組件（2）調(diào)入基座零件，缺省放置圖 5-4 放置基座（3）依次調(diào)入電機(jī)支架、絲杠支架，軸承，軸承端蓋，電機(jī)等零件，并用剛性聯(lián)接安裝好。