全转动副三自由度并联机器人设计说明书

- 1 -河北工业大学城市学院毕 业 论 文作 者： 周* 学 号： * 系( 专业 )： 机械系 专 业： 机械设计与制造及其自动化 题 目： 全转动副三自由度并联机器人 指导者： 李* 教授 (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名 ) (专业技术职务)2015 年 6 月 11 日- 1 -毕 业 设 计 （ 论 文 ） 中 文 摘 要题 目：全转动三自由度并联机器人摘要：本设计中，对全转动副三自由度并联机器人的结构进行了全新的设计，对以前关于此方面机器人设计成果仅仅作为一个参考，通过对机器人支链的全新设计成功使机器人完成解耦，并且不会出现奇点，该全转动副三自由度并联机器人由动平台和静平台组成，静平台为机架底端，而动平台则是由完全相同的三个支链组成，即，三个支链相互垂直，支链末端位于同一水平面上，三个支链末端组成动平台，并且所有的运动副均为转动副。该机构的重复定位精度：220mm，最打平动速度：0.4m/s；最大负载： 1.5kg（包括末端机械手） 。在设计中，规划设计出了一套精致的机构方案使机器人结构紧凑并具有简单实用的功效，由于此机构具有高度的对称，所以可以承受各个方向的动载荷，机器人的运动是一个重点难点，本次设计在机构运动小巧灵活方面做出了很大的改进使其性能更加优越，因此对扩大并联机器人的应用领域具有现实意义。本次毕业设计的基本顺序同本科期间进行的课程设计一样，均是先根据任务书提出方案，验证方案的可行性，方案通过则进行具体的结构设计并且对机构运动经过了正反解论证，选择了正确实用的设计路线。最后，采用绘图软件制作装配图，零件图，利用三维软件绘制三维模型并进行组装得到机器人三维模型。关键词： 自由度 串并联 机器人 三自由度河北工业大学城市学院 2015 届本科毕业论文- 2 -毕 业 设 计 （ 论 文 ） 外 文 摘 要Title All three rotational degrees of freedom parallel robot,Deputy.Abstract：Designed a new mobile with three degrees of freedom decouple from the body of the robot, singularity does not occur, the parallel robot platform and static platforms distributed between the three branches of orthogonal connected, and all transmission Vice are the rotation pair. Repeat positioning accuracy of the agency : 220mm, the maximum translation speed: 0.4m/s; maximum load: 1.5Kg (including end manipulator). Institutions are given a set of sophisticated programs with simple and practical effect. As the high symmetry directions on the can withstand the amount of load. Compact and flexible movement in the body has made a lot of effort, but also has a smaller installation space, expanding the application field of parallel robots relevance.Keywords： Parallel robot. Rotation pair. Translation. Mechanical machine design.河北工业大学城市学院 2015 届本科毕业论文- 3 -目录1 绪论 .- 3 -1.1 引言 .- 3 -1.2 此次课题研究背景和意义 .- 3 -1.3 串并联机器人的国内外研究现状、使用范围及发展趋势 .- 4 -1. 4 本次毕业设计主要完成工作 .- 5 -1.4.1 基本内容 .- 5 -1.4.2 课题研究拟采用的手段和工作路线 .- 5 -2 总体方案的设计 .- 6 -21 总体布局的设计 .- 6 -3 由基本参数选定标准件的型号 .- 9 -3.1 减速机的选择 .- 9 -3.2 选择伺服电机并对其检验 .- 11 -3.3 轴承的选择及校核 .- 14 -3.4 联轴器的选择 .- 16 -4.1 支链尺寸的确定 .- 18 -4.2 对主动轴尺寸的确定及校核 .- 19 -4.3 对支链上转动副的设计 .- 21 -4.4 支链末端设计 .- 24 -5 机构的整体布局设计及机架设计 .- 25 -结 论 .- 28 -参考文献 .- 30 -致谢 .- 31 -河北工业大学城市学院 2015 届本科毕业论文- 4 -1 绪论1.1 引言自从 Hunt 教授提出以 Stewart 平台结构为基础设计机器人，机器人技术的发展也是日新月异，尤其是工业机器人能够将人从繁重的体力劳动中解放出来具有十分广阔的应用前景，尤其是在工业发展领域，因此工业机器人的发展尤为迅速。并联机器人是机器人种类中一个十分重要的发展方向，但由于受到科学技术等原因的影响，并联机器人的发展在 90 年代才开始兴起直到现在并联机器人的研发成为机器人发展的一个热点。机器人种类可以分为很多种，其中并联机器人和串联机器人是机器人大家族中的两类，串联机器人和并联机器人在结构方面有很大的不同，这也导致其性能功能有很大差别，致使并联机器人与串联机器人形成了功能与结构上的互补。并联机器人作为机器人中一种全新的可以和串联机器人媲美的机器人种类，由于自身结构的优势使其具有刚度大、承载能力强、高精度、自重符合比小、优秀的动力性能、易于控制等一系列优点。所以并联机器人应用于工业领域是未来发展的一个必然趋势。1.2 此次课题研究背景和意义在文献 1指出：机器人本身就是高精尖技术的聚集体，并联机器人更是一个尖端知识密集型的机构，并联机器人机构学问题十分复杂，她是属于空间多自由度多环机构学理论学科，此理论是随着对并联机器人的深入研究发展起来的，这本来就是理论对实践的指导，而实践又是完善理论的方法，所以研究并联机器人机构学理论对掌握、研制和控制并联机器人在实际应用和并联机器人的理论发展上都是有着特殊意义。在一切机器人的研究中机器人的机构是关键中的关键，并联机器人所具有的优势关键也在结构上，因此它引起了国内外机器人研究者的广泛关注，他们在此项研究中投入相当大的精力。并联机器人的结构与串联机器人相比具有结构较简、成本低等优势。因此越来越多的将并联机器人的研究与工业河北工业大学城市学院 2015 届本科毕业论文- 5 -领域相结合也使得并联机器人的研究也越来越深入。在文献 2中：主要研究是三自由度并联机器人，这是一种有多变量和本质为非线性组成的复杂机构系统，在并联机器人及液压驱动系统的设计中以运动学分析前提。作者开始时先是采用坐标变化及求导的方法对三自由度并联机器人运动学进行了分析。利用动力学和分析动力学的原理设计出系统的动力机构。作者采用 ADMS 技术建立了失误的虚拟样机模型系统，并运用仿真软件对运动学、动力学和控制系统的可行性进行了联合仿真实验分析，采用上述仿真试验验证的方法可以十分真实的模拟实际中的三自由度并联机器人运动过程验证其性能。为研究提供了很好的设计依据。在文献 3中：江苏科技大学机械工程学院的王波、李小满、朱振华学者主要针对三自由度平面 P-R-R 型并联机器人，三位学者的研究成果是：“成功建立了三自由度并联机器人的动力学模型系统，他们在研究中将同步控制技术应用在机器人上在实现了机器人轨迹的精确控制的同也对机器人的运动达到了同步控制，在研究中三位学者提出了一个新概念同步误差。具体做法是：通过对多个线性闭环控制进行组合，列出同时满足各个闭环控制的控制方程并对其进行求解。之所以采用这种方法是因为此种方法直观、高效，提高了对并联三自由度平面 P-R-R 型并联机器人轨迹的运动精度，并可以同时满足了多个闭环控制系统的组合控制。1.3 串并联机器人的国内外研究现状、使用范围及发展趋势Hunt 教授提出 Stewart 机构作为机器人，直到现在国内外众多专家学者投入到机器人的研究中。但并联机器人是在 90 年代才开始成为热门研究方向。并联及其人在许多方面都有重要的应用，如航海航空、机电工业、医疗器械等各个领域。并且并联机器人与串联机器人并不是相互对立排斥的，他们是可以形成互补，使机器人技术变得更全面实用。关于这些机器人的研究都是值得重视的具有现实意义。根据我查到的资料了解在国内燕山大学的黄真教授并联机构的研究十分出色。通过阅读基于螺旋理论三自由度并联机器人型综合新方法 4中了解到东北大学的罗继曼、蔡光起等学者机器人并联机构研究也比较深入，他们通过合理的选择约束链能够组合出新的并联机器人。河北工业大学城市学院 2015 届本科毕业论文- 6 -自从 1987 年，Hunt 提出并联机器人结构之后，英国、德国、俄罗斯等一些欧美国家都投入了大量人力物力财力进行并联机器人研究，并且取得了巨大的发展。日本的田和雄、内山胜等则用并联机构开发航空航天领域机器人。1. 4 本次毕业设计主要完成工作1.4.1 基本内容课程设计方法要求：（1）设计要求为设计出一台全转动副三自由度并联机器人，提出几种设计方案之后，进行最后研确定最终设计方案和传动方案，之后设计机身与机架零件并对其进行力学分析，材料分析；（2）设计并联机器人机械结构如转动副及支链等；（3）最后绘制机械系统装配图和零件图三维装配图；（4）对整个设计过程进行整理，编写设计说明书，说明设计原理等具体内容。1.4.2 课题研究拟采用的手段和工作路线课程设计方法要求：（1）根据任务设计要求，进行机械结构设计和传动结构设计，找到最佳设计方案。（2）根据最后所确定的设计方案，进行相关分析、计算、检验，对其中关键零件进行强度、刚度、寿命等的计算、校核确定其符合设计要求，对零件组成的结构要保证其合理使用；最后绘制出机器人装配图并根据装配图，画出主要零件的零件图（在说明书说上说明标准件选择原理） 。（3）设计到最后，对整个毕业设计过程进行总结，完成设计说明。河北工业大学城市学院 2015 届本科毕业论文- 7 -2 总体方案的设计21 总体布局的设计图 2.1 方案草图图 2.1 是此次设计中所采用的方案草图，此草图中们可以清楚的表达出动静平台及三个运动支链的运动情况。方案规划：1.首先利用任务书中所给出的最大平动速度、最大负载、平动范围等数据估算出电机的功率；河北工业大学城市学院 2015 届本科毕业论文- 8 -2.影响全转动副三自由度并联机器人的运动范围的是平行四边形机构的连架杆的长度及其摆动角度大小，摆动角度的大小会直接影响连架杆末端在平方向上的速度分量，因此在设计时要注意连架杆的长度与其自身的摆动角度之间的古关系以防止支链出现碰撞等冲突；3.根据任务书所给出的动平台的运动范围，最初选定连架杆的长度及连架杆的摆动角度的最大范围；4.根据任务书上的要求动平台的最大平动速度为 0.4m/s，在动平台整个运动过程中必须有一点能够达到此速度然后选取极限位置进行速度计算，利用公式转换就可以可以求出系统机构中输入轴的速度；5.任务书要求运动平台的重复精度为+/-0.025mm，因为伺服电机编码盘的分辨率可以影响重复定位精度。因此在分析重复精度时，在支链运动轨迹上选取极值点进行运动分析，可以求出机器人系统中输入轴的最小转角，然后依据选出的减速机的减速比转换到电机的输入轴上，最后利用公式换算出所需电机编码盘的分辨率，这也是用来选择电机的一条重要因素；6.运动副中对轴承的选定，采用运动分析的方法选定，首先分析轴承的轴向与径向的承载情况，再结合转动副的特点选出转动副需要中安装轴承的类别之后再进一步确定型号，最后需要对轴承尽心检验计算；7.通过减速机输出轴及主轴的直径大小与对机器人支链的主动轴的运动精度要求，还有是否需要考虑轴向移动来选择是需要刚性联轴器还是弹性联轴器，确定之后在选择。2.2 初步确定机构中的一些基本参数： 河北工业大学城市学院 2015 届本科毕业论文- 9 -图 2.2 连架杆在摆动过程的速度分析图行程 ；mlsM20in/；lco10进行速度分析，根据任务书