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机械手肩关节的设计.docx
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苏州大学应用技术学院毕业设计
摘 要
在当今大规模制造业中,企业为提高生产效率,保障产品质量,普遍重视生产过程的
自动化程度,工业机器人作为自动化生产线上的重要成员,逐渐被企业所认同并采用。也
正是如此机器手在各个领域应用的日益广泛,许多场合要求机械手具有力控制的能力。此
次设计是设计一个可以进行半球轴运动的手肩关节的设计,设计一个多关节机械手(包括
2 个移动关节,2 个转动关节和末端执行机构),配合壳体驱动系统来实现此任务。在机械
手工作过程中,通过步进电机带动丝杠转动,从而旋转关节 1 通过链传动来完成平面内的
旋转动作,旋转关节 2 直接在伺服电机的驱动下完成平面内的旋转动作
本次设计工作首先对机械手肩关节的进行了运动学分析(包括运动学方程的建立,运
动学方程的正问题、逆问题及其解)。设计内容包括机械手肩关节旋转关节的结构设计,
传动部分的设计等。其中,重点是对步进进给系统的设计(包括工作台的设计,丝杠的设
计,直线导轨、步进电机和减速器的选取等)。最后对系统中主要部件的刚度、强度等性
能参数进行了计算与校核。
关键词:机械手肩关节 多关节 运动学分析 步进电机 刚度计算
I
苏州大学应用技术学院毕业设计
Abstract
In today's large-scale manufacturing enterprises to improve productivity , ensure product
quality , universal attention degree of automation of the production process , industrial robots , as
an important member of the automated production line , gradually being recognized and adopted
enterprise . This is true in all areas of robot applications increasingly widespread , many
occasions asked the robot has the ability to force control . The design can be a hemispherical
design hand axis shoulder design, the design of a multi -joint robot ( including the movement of
the joint 2 , two rotating joints and the end actuator) , with the housing to achieve this task the
drive system . In robotic operation, the screw is rotated by a stepper motor driven rotary joint so
by a chain drive to complete a rotation operation plane , rotating joints 2 to complete the action
within the plane of rotation is directly driven by the servo motor
The first robot designed to work shoulder kinematics analysis ( including the establishment of
kinematic equations kinematics equations are problems , inverse problems and their solutions ) .
Design elements include structural design robotic rotary shoulder joint , transmission part of
design. Among them, the focus is on stepping feed system design ( including design , screw
design, linear guide , stepper motor and gear selection table , etc. ) . Finally, the stiffness,
strength and other performance parameters of the system 's major components were calculated
and checked.
Keywords : Robot shoulder Freedom Multi-joint Stepper motor Stiffness calculation
II
苏州大学应用技术学院毕业设计
目 录
摘要.....................................................................Ⅰ
Abstract ..................................................................Ⅱ
目录.....................................................................Ⅲ
前言......................................................................1
1 机械手肩关节结构的总体方案设计.........................................4
1.1 课题的主要内容 ............................................................................................................ 4
1.2 课题的研究方案 ............................................................................................................ 4
1.3 机械手肩关节结构的总体设计 .................................................................................... 4
1.3.1 自由度分析............................................................................................................. 4
1.3.2 机械手肩关节的机构形式..................................................................................... 4
1.3.3 电机布局分析……………………………………………………………………..4
2 机械手肩关节运动学分析.................................................7
2.1 机械手肩关节运动学方程的建立 ................................................................................ 7
2.2 运动学方程的正解 ........................................................................................................ 8
2.3 运动学方程的逆解 ........................................................................................................ 9
3 传动装置的设计 ....................................................... 12
3.1 步进电机及减速器的选择 .......................................................................................... 12
3.1.1 机电领域中步进电机的选择原则....................................................................... 12
3.1.2 旋转关节驱动电机及减速器的选择................................................................... 12
4 轴的设计与验算........................................................13
4.1 轴的结构设计 .............................................................................................................. 13
4.1.1 选择轴的材料....................................................................................................... 13
4.1.2 初步估计轴径....................................................................................................... 14
III
苏州大学应用技术学院毕业设计
5 轴上零件的选择与计算.................................................. 14
5.1 键的选择与键联接强度校核 ...................................................................................... 14
5.1.1 大臂末端电机轴上键的选择与校核................................................................... 15
5.1.2 轴上矩形花键的选择与校核............................................................................... 15
5.1.3 小臂电机轴上键的选择与校核...........................................错误!未定义书签。
5.2 滚动轴承的验算 .......................................................................................................... 16
5.2.1 确定轴承的承载能力........................................................................................... 16
5.2.2 计算当量动载荷................................................................................................... 17
6 步进进给系统的设计与计算..............................错误!未定义书签。
6.1 滚珠丝杠的设计 .......................................................................................................... 17
6.1.1 材料的选择........................................................................................................... 17
6.1.2 耐磨性计算........................................................................................................... 18
6.1.3 螺杆的强度计算................................................................................................... 18
6.1.4 螺杆的稳定性计算............................................................................................... 18
6.2 丝杠副的选择计算 ...................................................................................................... 19
6.2.1 螺母的疲劳寿命计算........................................................................................... 20
6.2.2 螺母螺纹牙的强度计算....................................................................................... 20
6.2.3 螺母凸缘的强度计算........................................................................................... 21
6.5 联轴器的选择与计算 .................................................................................................. 22
6.5.1 选择联轴器的类型............................................................................................... 22
6.5.2 联轴器的主要参数...............................................................错误!未定义书签。
6.5.3 联轴器的计算扭矩............................................................................................... 23
结论..................................................................... 23
致谢..................................................................... 26
参考文献................................................................. 25
IV
苏州大学应用技术学院毕业设计
前 言
机器人是近 30 年来发展起来的一种高科技自动化生产设备。机械手是机器人的
一个重要分支。 它的特点是可通过变成完成各种预期的作业任务, 在构造和性能上兼
有人和机器各自的优点, 尤其是体现了人的智能和适应性, 机器作业的准确性和在各
种环境完成作业的能力。 本设计完成了多自由度关节式机械手中手肩关节的的运动方
案设计和驱动方式选择,并对机座,手臂等机械装置进行了结构设计。
机械手也被称为自动手, 能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。 它主要由手部、 运动机构和控制系统三大部分
组成。我所设计的手肩关节部分是为整个机械手提供半球轴的运动。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。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式,称为机械手的自由度
。
为了抓取空间中任意位置和方位的物体,需有 6 个自由度。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。
一般专用机械手有 2~3 个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控
制,来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息,形成稳定的闭环控制。控制系统
的核心通常是由单片机或 dsp 等微控制芯片构成,通过对其编程实现所要功能。
近年来,随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用,机器人的研制和生产已成为高
技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术,它更加促进了机械手的发展,使得机械手能更
好地实现与机械化和自动化的有机结合。
多关节机械手的优点是 :动作灵活、运动惯性小、通用性强、能抓取靠近机座的
工件,并能绕过机体和工作机械之间的障碍物进行工作
.虽然目前还不如人手那样灵
活,但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等
特点,因此,机械手已受到许多部门的重视,被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻
工和原子能等部门。例如:
(1)机床加工工件的装卸,特别是在自动化车床、组合机床上使用较为普遍。
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竖子敢尔
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