《885191358四自由度机械手设计与仿真论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《885191358四自由度机械手设计与仿真论文（43页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、 本科生毕业论文（设计）题 目：四自由度机械手设计与仿真专业代码： 作者姓名： 学 号： 单 位： 指导教师： 17摘 要机械手广泛的应用于工业、农业等领域中，发挥着重要的作用。四自由度机械手作为一种主要的形式，具有重要的研究意义。本文基于虚拟样机技术，完成了四自由度机械手机械系统的设计与仿真。论文提出了基于虚拟样机技术的机械手设计思想和总体设计方案。利用三维设计软件CAXA2007进行了机械手零部件的设计。在此基础上，利用动力学仿真软件ADAMS2004对机械手进行了虚拟样机建模与仿真，分析机械手设计中存在的缺陷，并进行了相应的改进。为了便于机械手的数控加工，利用CAXA2007软件中的数控
2、加工模块对机械手零部件进行了数控加工编程。四自由度机械手机械系统的设计与仿真为实际的物理样机制造奠定了基础。关键词：机械手；四自由度；三维设计；虚拟样机；数控加工Abstract The manipulator has been widely used in industry and agriculture, and it has played a great role in those fields. The manipulator with four freedom of motion is an important form and has significant research va
3、lue. This article designed the mechanical system of a manipulator with four freedom of motion based on virtual prototype technology. This article proposed the design thought and design plan of the manipulator. Based on this work, the mechanical system of the manipulator was designed based on CAXA200
4、7. Then, the manipulator was modeled and simulated based on ADAMS2004. To realize physical machining, this article introduced the computer numerical programming of the manipulator. The design and simulation of the manipulator is a good basis of the following physical manufacture.Key words ：the manip
5、ulator; four freedom of motion; three dimensional design; virtual prototype; numerical control machining目录前言11总体方案设计11.1四自由度机械手系统设计11.2四自由度机械手机械系统设计思想21.3四自由度机械手的总体方案21.4四自由度机械手的数学描述32四自由度机械手零部件的三维设计42.1三维设计软件CAXA简介42.2机械手关键零部件设计42.3机械手其它零部件设计52.4机械手驱动电机选型72.5材料及标准件的选择92.6机械手的虚拟装配103四自由度机械手的虚拟样机建模与分
6、析123.1虚拟样机技术概述123.2四自由度机械手的虚拟样机建模123.3仿真结果分析144四自由度机械手机械零部件的数控加工编程164.1数控加工简介164.2数控加工的基本流程164.3数控车床加工编程174.4数控铣床加工编程18结论21参考文献22附录 四自由度机械手装配图与零件图23致谢36四自由度机械手设计与仿真前言机械手是能够模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置1。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部和运动机构组成。手
7、部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势2。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其它机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手3。1总体方案设计1.1四
8、自由度机械手系统设计四自由度机械手系统由机械本体结构、伺服驱动系统、计算机控制系统、传感系统和通信接口等部分组成4。1.1.1机械本体结构从机构学的角度来分析，机器手机械结构可以看作由一系列连杆通过旋转关节（或移动关节）连接起来的开式运动链。1.1.2关节伺服驱动系统机械手本体机械结构的动作靠的是关节驱动，机器人的关节驱动大多是基于闭环控制的原理来进行的。常用的驱动单元是各种伺服电机，由于一般伺服电机的输出转速很高(1000r/min10000r/min)，输出转矩小，而关节需带动的负载的转速不高，负载力矩却不小。因此，在电机与负载之间用一套传动装置来进行转速和转矩的匹配。1.1.3计算机控制
9、系统各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后在每个采样周期给出。计算机通过轨迹规划，得到空间轨迹在各采样时刻的数据，通过逆运动学计算把空间数据转变为各关节的指令值。通常的机械手采用主计算机与关节计算机二级计算机控制。有时为了实现智能控制，还需对包括视觉在内的各种传感信号进行采集、处理并进行人工智能的模式识别、问题求解、任务规划、决策判断，这时须由三级计算机系统结构。1.1.4感知系统与通信接口机器人要正常地进行工作，必须与周围环境保持密切的联系。除了关节伺服驱动系统中供反馈用的位置、速度、加速度的传感器（称为机械手的内部传感器），机械手还可配备视觉、力觉、触觉等多种类型的传感器（称为机械手的外部
10、传感器），以及传感信号的采集处理系统。由于研究时间、资金、实验等条件所限，本论文仅讨论机械手的机械系统设计与仿真。1.2四自由度机械手机械系统设计思想首先利用CAXA2007三维制图软件作为辅助设计工具进行四自由度机械手的机械零件设计，建立三维模型。然后，经虚拟装配后，利用ADAMS2004软件，生成虚拟样机，进行机械系统虚拟样机分析，分析其运动轨迹及机械零部件的干涉现象。最后，利用CAXA2007软件中的数控加工模块，编写机械零部件的数控加工程序。根据以上工作，便可以实际加工出物理样机。1.3四自由度机械手的总体方案1.3.1机械手自由度的选择机械手运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，
11、称为机械手的自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。在考虑机械手用途、成本及技术难度等问题后，本论文选择机械手的自由度为4个，末端执行器（夹持器）可以自由开合，能够完成物体的抓、移、放动作。机械手的原理如图1所示。图1 机械手的原理图1.3.2机械手机械系统的整体设计 本论文设计的四自由度机械手由底座、一号电机齿轮、左右支梁、中心直齿轮、第一臂右板、夹持器活动节、夹持器固定节、四号电机、三号电机、二号电机、一号电机和转动底座组成，机械手整体结构如图2所示。 1.底座 2.一号电机齿轮3.中心直齿轮4.右支梁5.第一臂右板6.夹持器活动节
12、7.夹持器固定节8.四号电机9.三号电机10.二号电机11.一号电机12.转动底座图2机械手的整体结构图1.4四自由度机械手的数学描述机械手具有四个自由度，其末端执行机构位置相对于机械本体不断的变化。如果要对末端执行器进行精确的控制，则要对其空间位置进行精确的描述。应用齐次坐标变换不仅能够对坐标进行描述，也能够表达控制算法、计算机视觉和计算机图形学等问题5。2四自由度机械手零部件的三维设计2.1三维设计软件CAXA简介CAXA是北京航空航天大学开发的一套三维设计软件，拥有几大模块，如CAXA数控加工模块、制造工程师模块、电子图版模块和实体设计模块等6。本文利用CAXA软件设计机械手的机械零部件
13、，包括机座、手臂、手腕、夹持器以及传动与驱动装置。2.2机械手关键零部件设计机械手的关键零部件是齿轮传动设计，根据机械手的要求，设计的齿轮参数如下： (1) 传动比为i =3:1；(2) 两齿轮模数为m=2.0；(3) 压力角为= 20；(4) 中心距选择 =167mm。大齿轮设计：大齿轮分度圆直径D1=mZ=3/4=1673/4=125mm，近似取120mm；齿数Z1=120/2=60个；齿高计算h=ha+hf =(2ha*+c*)m=5.0mm；取齿轮厚度20.0mm。设计的中心大齿轮如图3所示。图3 大齿轮的设计图A-A小齿轮设计：分度圆直径D2=1/3D1=41.3mm，近似取40mm
14、；齿数Z2=1/3Z1=20个，设计的小齿轮如图4所示。图4 小齿轮的设计图A-A齿轮的三维实体造型图如图5所示。图5 齿轮的三维实体造型2.3机械手其它零部件设计利用CAXA软件对机械手的其它机械零部件设计，如图6至图9所示。图6 底座三维实体造型图7 右支梁的三维实体造型 图8 转动架三维实体造型图9 转动轴三维实体造型2.4 机械手驱动电机选型伺服电机是一种微容量的电动机，应用于自动测控装置的电路中，其作用是将电信号转换成轴上的角位移或角速度，控制信号强和弱时相应的旋转速度就快和慢，且其转向取决于控制信号的极性3。伺服电机可分为交流和直流两大类，小功率的自动控制系统中多采用交流伺服电机，其功率一般在100W以下，且多制成两极；稍大功率的自动控制系统中多采用直流伺服电机，其功率一般为1600W，也可达数千瓦。本论文对于机械手的关节驱动机构选用交流伺服电机，选择电机的一个重要参数就是驱动功率。例如计算一号电机的功率步骤如下，首先采用公式为(1)和(2)简化已设计好的机械手模型
