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重 慶 理 工 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
兩自由度并聯(lián)機(jī)械手的設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)老師
年 月 日
摘 要
并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有剛度大、承載能力強(qiáng)、誤差小、精度高、自重負(fù)荷比小、動(dòng)力性能好、控制容易等一系列優(yōu)點(diǎn)可以作為航天上的對(duì)接器、航海上的潛艇救援對(duì)接器；工業(yè)上可以作為大件的裝配機(jī)器人、精密操作的微動(dòng)器；可以在汽車總裝線上自動(dòng)安裝車輪部件；另外，醫(yī)用機(jī)器人，天文望遠(yuǎn)鏡等都利用了并聯(lián)技術(shù)。
本文并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究方向：
（1）并聯(lián)機(jī)構(gòu)組成原理的研究
研究并聯(lián)機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算、運(yùn)動(dòng)副類型、支鉸類型以及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、建模與仿真等問(wèn)題。
（2）并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)空間的研究
（3）并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究
并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括很多內(nèi)容，如機(jī)構(gòu)的總體布局、安全機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。
由于本人水平有限，文中的錯(cuò)誤和不足在所難免，懇請(qǐng)各位老師給予批評(píng)和指正。
關(guān)鍵詞：,機(jī)械手；并聯(lián)機(jī)械手；虛擬樣機(jī)；并聯(lián)機(jī)構(gòu)
Abstract
Parallel mechanism with high rigidity, strong bearing capacity, small error, high precision, small self-weight loading ratio, good dynamic performance, easy control and a series of advantages can be used as a submarine rescue docking docking device, maritime space on; the industry can be used as micro - actuator assembly machines, large precision operation; you can automatically install the wheel assembly in automobile assembly line; in addition, medical robotics, astronomical telescope, using parallel technology.
The direction of the research of parallel mechanism:
(1) study on the principle of parallel mechanism.
The degree of freedom parallel mechanism, motion pair of calculation type, hinge type and kinematic analysis, modeling and Simulation of the.
(2) for parallel mechanism workspace
Including the motion space analysis and simulation, the reachable workspace solution (such as numerical method, sphere coordinate searching method etc.), mechanism of interference analysis and location.
(3) for parallel mechanism structure design
Structure design of parallel mechanism includes many contents, such as the design of general layout, organization security mechanism.
Because of my limited ability, mistakes and shortcomings in this paper can hardly be avoided, ask teachers to give the criticism and correction.
Keywords three degree of freedom parallel mechanism; virtual prototype;
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 前 言 1
1.1 課題研究背景意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
第2章 并聯(lián)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及工作原理 5
2.1 并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)概述 5
2.2并聯(lián)的結(jié)構(gòu)及機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理 5
2.3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理 6
2.4 并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間的分析 7
第3章 并聯(lián)機(jī)構(gòu)主要部件的設(shè)計(jì) 9
3.1 電動(dòng)機(jī)選型 9
3.1.1電機(jī)的分類 9
3.1.2選擇步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算 9
3.2手爪夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 19
3.2.1手爪夾持器種類 19
3.2.2夾持器設(shè)計(jì)計(jì)算 20
3.2.3夾持器校核 21
第4章 并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)并聯(lián)機(jī)構(gòu)空間分析 23
4.1并聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束 23
4.1.1 連桿桿長(zhǎng)約束 23
4.1.2 運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)角約束 23
4.1.3 連桿桿間干涉 24
4.2 確定并聯(lián)機(jī)構(gòu)空間的基本方法 24
4.3 PLC控制部分設(shè)計(jì) 24
4.3.1 可編程序控制器的選擇及工作過(guò)程 25
4.3.2 可編程序控制器的使用步驟 26
4.3.3可編程序控制器控制方案 27
4.3.4 PLC控制原理圖設(shè)計(jì) 27
4.3.5 PLC梯形圖概述 28
總 結(jié) 29
參考文獻(xiàn) 30
致 謝 31
32
第1章 前 言
1.1 課題研究背景意義
并聯(lián)機(jī)器人與已經(jīng)用的很好、很廣泛的串聯(lián)機(jī)器人相比往往使人感到它并不適合用作機(jī)器人，它沒(méi)有那么大的活動(dòng)空間，它活動(dòng)上平臺(tái)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如串聯(lián)機(jī)器人手部來(lái)得靈活。的確這種6-TPS結(jié)構(gòu)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)其工作空間只是一個(gè)厚度不大的蘑菇形空間，位于機(jī)構(gòu)的上方，而表示靈活度的末端件3維轉(zhuǎn)動(dòng)的活動(dòng)范圍一般只在60°上下，角度最大也達(dá)不到±90°?？墒呛褪澜缟先魏问挛镆粯佣际且环譃槎?，若用并聯(lián)式的優(yōu)點(diǎn)比串聯(lián)式的缺點(diǎn)，也同樣令人吃驚。首先，并聯(lián)式結(jié)構(gòu)其末端件上平臺(tái)同時(shí)經(jīng)由6根桿支承，與串聯(lián)的懸臂梁相比，剛度大多了，而且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；第二，由于剛度大，并聯(lián)式較串聯(lián)式在相同的自重或體積下有高得多的承載能力；第三，串聯(lián)式末端件上的誤差是各個(gè)關(guān)節(jié)誤差的積累和放大，因而誤差大而精度低，并聯(lián)式?jīng)]有那樣的積累和放大關(guān)系，誤差小而精度高；第四，串聯(lián)式機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)大都放在運(yùn)動(dòng)著的大小臂上，增加了系統(tǒng)的慣性，惡化了動(dòng)力性能，而并聯(lián)式則很容易將電動(dòng)機(jī)置于機(jī)座上，減小了運(yùn)動(dòng)負(fù)荷；第五，在位置求解上，串聯(lián)機(jī)構(gòu)正解容易，但反解十分困難，而并聯(lián)機(jī)構(gòu)正解困難反解卻非常容易。由于機(jī)器人的在線實(shí)時(shí)計(jì)算是要計(jì)算反解的，這就對(duì)串聯(lián)式十分不利，而并聯(lián)式卻容易實(shí)現(xiàn)。
并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是機(jī)器人技術(shù)與機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，與實(shí)現(xiàn)等同功能的傳統(tǒng)五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)構(gòu)相比，并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)：
剛度重量比大：因采用并聯(lián)閉環(huán)靜定或非靜定桿系結(jié)構(gòu)，且在準(zhǔn)靜態(tài)情況下，傳動(dòng)構(gòu)件理論上為僅受拉壓載荷的二力桿，故傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的單位重量具有很高的承載能力。
響應(yīng)速度快：運(yùn)動(dòng)部件慣性的大幅度降低有效地改善了伺服控制器的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，允許動(dòng)平臺(tái)獲得很高的進(jìn)給速度和加速度，因而特別適于各種高速數(shù)控作業(yè)。
環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)：便于可重組和模塊化設(shè)計(jì)，且可構(gòu)成形式多樣的布局和自由度組合。在動(dòng)平臺(tái)上安裝刀具可進(jìn)行多坐標(biāo)銑、鉆、磨、拋光，以及異型刀具刃磨等加工。裝備機(jī)械手腕、高能束源或CCD攝像機(jī)等末端執(zhí)行器，還可完成精密裝配、特種加工與并聯(lián)機(jī)構(gòu)等作業(yè)。
技術(shù)附加值高：并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有“硬件”簡(jiǎn)單，“軟件”復(fù)雜的特點(diǎn)，是一種技術(shù)附加值很高的機(jī)電一體化產(chǎn)品，因此可望獲得高額的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。
目前，國(guó)際學(xué)術(shù)界和工程界對(duì)研究與開(kāi)發(fā)并聯(lián)機(jī)構(gòu)非常重視，并于90年代中期相繼推出結(jié)構(gòu)形式各異的產(chǎn)品化樣機(jī)。1994年在芝加哥國(guó)際機(jī)構(gòu)博覽會(huì)上，美國(guó)Ingersoll銑床公司、Giddings&Lewis公司和Hexal公司首次展出了稱為“六足蟲(chóng)”(Hexapod)和“變異型”(VARIAX)的數(shù)控機(jī)構(gòu)與加工中心，引起轟動(dòng)。此后，英國(guó)Geodetic公司，俄羅斯Lapik公司，挪威Multicraft公司，日本豐田、日立、三菱等公司,瑞士ETZH和IFW研究所，瑞典NeosRobotics公司，丹麥Braunschweig公司，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)、漢諾威大學(xué)和斯圖加特大學(xué)等單位也研制出不同結(jié)構(gòu)形式的數(shù)控銑床、激光加工和水射流機(jī)構(gòu)、并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)和加工中心。與之相呼應(yīng)，由美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局倡議，已于1996年專門成立了Hexapod用戶協(xié)會(huì)，并在國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)上設(shè)立站點(diǎn)。近年來(lái)，與并聯(lián)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)器人操作機(jī)有關(guān)的學(xué)術(shù)會(huì)議層出不窮，例如第47～49屆CIRP年會(huì)、1998～1999年CIRA大會(huì)、ASME第25屆機(jī)構(gòu)學(xué)雙年會(huì)、第10屆TMM世界大會(huì)均有大量文章涉及這一領(lǐng)域。由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)動(dòng)議，1998年在意大利米蘭召開(kāi)了第一屆國(guó)際并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)器專題研討會(huì)，并決定第二屆研討會(huì)于2000年在美國(guó)密執(zhí)安大學(xué)舉行。1994～1999年期間，在歷次大型國(guó)際機(jī)構(gòu)博覽會(huì)上均有這類新型機(jī)構(gòu)參展，并認(rèn)為可望成為21世紀(jì)高速輕型數(shù)控加工的主力裝備。
我國(guó)已將并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究與開(kāi)發(fā)列入國(guó)家“九五”攻關(guān)計(jì)劃和863高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，相關(guān)基礎(chǔ)理論研究連續(xù)得到國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家攀登計(jì)劃的資助。部分高校還將并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研發(fā)納入教育部211工程重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，并得到地方政府部門的支持且吸引了機(jī)構(gòu)骨干企業(yè)的參與。在國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)的支持下，中國(guó)大陸地區(qū)從事這方面研究的骨干力量，于1999年6月在清華大學(xué)召開(kāi)了我國(guó)第一屆并聯(lián)機(jī)器人與并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與關(guān)鍵技術(shù)研討會(huì)，對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀、未來(lái)趨勢(shì)以及亟待解決的問(wèn)題進(jìn)行了研討。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有高剛度、高承載能力、高速度、高精度、重量輕、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、標(biāo)準(zhǔn)化程度高和模塊化程度高等優(yōu)點(diǎn),在要求精密加工的航空航天、兵器、船舶、電子等領(lǐng)域得到了成功的應(yīng)用。
(1)串聯(lián)結(jié)構(gòu)中的橫梁部件很容易受到彎曲扭矩的作用而產(chǎn)生扭曲變形，從而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)誤差；
(2)由于采用串聯(lián)的方法，因而整個(gè)運(yùn)動(dòng)誤差是每個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)誤差的累加；(3)由于運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量較重，從而使的運(yùn)動(dòng)慣性增大，運(yùn)動(dòng)速度收到限制，因而直接影響了并聯(lián)機(jī)構(gòu)效率；
(4)不滿足并聯(lián)機(jī)構(gòu)的基本原理——阿貝原理；
(5)由于受X，Y，Z相互垂直導(dǎo)軌的約束，測(cè)頭的空間位姿不夠靈活。
圖1-1 普通笛卡爾式串聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖
從整個(gè)發(fā)展進(jìn)程不難看出，并聯(lián)機(jī)構(gòu)技術(shù)是為滿足日益進(jìn)步的制造技術(shù)的需求而不斷向前發(fā)展的，是為先進(jìn)制造技術(shù)而服務(wù)的。近幾年，隨著精益生產(chǎn)、敏捷制造、虛擬制造、并行工程和逆向工程等各種先進(jìn)制造思想和理論的不斷提出，對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)精度、并聯(lián)機(jī)構(gòu)效率及靈活性等相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)又提出了更高的要求，而傳統(tǒng)的具有笛卡兒坐標(biāo)系結(jié)構(gòu)的三并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)因其自身結(jié)構(gòu)的限制已很難達(dá)到這一要求，于是，各種非笛卡兒式并聯(lián)機(jī)構(gòu)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并迅速發(fā)展起來(lái)[13]。
圖1-2 幾種非笛卡爾串聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
當(dāng)今國(guó)際市場(chǎng)需求快速變化的特點(diǎn)和21世紀(jì)更加個(gè)性化的市場(chǎng)趨勢(shì)，促進(jìn)了快速設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的發(fā)展。并聯(lián)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)是近30年發(fā)展起來(lái)的一種高效率的新型精密并聯(lián)機(jī)構(gòu)儀器，克服了傳統(tǒng)串聯(lián)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)布局的固有缺陷，有效地降低重量和提高對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的適應(yīng)性，滿足了快速多變的市場(chǎng)需求。與常用的串聯(lián)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)相比，它的優(yōu)點(diǎn)是:
(1)并聯(lián)中的可動(dòng)平臺(tái)同時(shí)經(jīng)由3根可沿各自軸向伸縮的連桿支撐，從而使整個(gè)系統(tǒng)的剛度較串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比有較大程度的提高；
(2)各并聯(lián)桿件只承受沿軸向的線性調(diào)節(jié)力的作用,因而其運(yùn)動(dòng)誤差小，不易變形；
(3)并聯(lián)機(jī)構(gòu)中,各桿件間不存在誤差累積和放大關(guān)系，容易實(shí)現(xiàn)高精度并聯(lián)機(jī)構(gòu)；
(4)并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)部件的慣性質(zhì)量小，剛度大，因而有望實(shí)現(xiàn)高速、高效率并聯(lián)機(jī)構(gòu)；
(5)可以將并聯(lián)機(jī)構(gòu)點(diǎn)放置在測(cè)長(zhǎng)裝置的延長(zhǎng)線上，從而減小阿貝誤差對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)果的影響；
(6)并聯(lián)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)測(cè)頭的空間位姿靈活，可從任何角度進(jìn)入工作表面，因而對(duì)表面形狀復(fù)雜,孔隙方位多的零件并聯(lián)機(jī)構(gòu)比較方便；
(7)并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)果不易受空氣波動(dòng)、溫度變化等因素的影響；
(8)不需要復(fù)雜的跟蹤機(jī)構(gòu)、控制裝置等；
(9)并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有“硬件”簡(jiǎn)單，“軟件”復(fù)雜的特點(diǎn)，是一種技術(shù)附加值很高的機(jī)電一體化產(chǎn)品,因而渴望獲得高額的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。
由此可以看出，并聯(lián)機(jī)構(gòu)恰好能夠?qū)Υ?lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用局限進(jìn)行恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)充，這無(wú)疑為新一代并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的開(kāi)發(fā)與研制帶來(lái)了希望，從而為拓寬并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，促進(jìn)產(chǎn)品的多樣化，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
近年來(lái)，以并聯(lián)機(jī)構(gòu)學(xué)為理論依據(jù)的智能機(jī)器人技術(shù)及計(jì)算機(jī)數(shù)控加工技術(shù)的研究引起了各國(guó)學(xué)者的極大興趣，現(xiàn)已成為新的研究熱點(diǎn)，并認(rèn)為是21世界極具發(fā)展前景的先進(jìn)技術(shù)[14-15]。由于并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)剛性大、運(yùn)動(dòng)速度高、誤差不疊加等獨(dú)特特性，因而若將其應(yīng)用于并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)中，將有可能使并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)精度及并聯(lián)機(jī)構(gòu)效率等綜合性能得到很大程度的改善。由此可以看出，并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)理論及應(yīng)用研究的興起也為新型并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的開(kāi)發(fā)提供了機(jī)遇，所以，開(kāi)展并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究工作是非常必要的。
第2章 并聯(lián)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及工作原理
2.1 并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)概述
從并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不難看出，并聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)屬于一種新型非笛卡兒式并聯(lián)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)。傳統(tǒng)的笛卡兒式并聯(lián)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)對(duì)空間位置坐標(biāo)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)是直接通過(guò)三個(gè)相互垂直的長(zhǎng)度基準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也就是說(shuō)，這種并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)模型是直接建立在直角坐標(biāo)系基礎(chǔ)之上的，因而該并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)具有并聯(lián)機(jī)構(gòu)建模容易，并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)果直觀、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單、符合大多數(shù)工件并聯(lián)機(jī)構(gòu)的需要等優(yōu)點(diǎn)。而對(duì)于由并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)所組成的并聯(lián)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)來(lái)說(shuō)，其測(cè)頭處的空間位置坐標(biāo)是有若干個(gè)并聯(lián)調(diào)節(jié)器的長(zhǎng)度基準(zhǔn)和連接上下平臺(tái)的球形副（或轉(zhuǎn)動(dòng)副）的角度基準(zhǔn)來(lái)表述的，由于這些變量參數(shù)之間的關(guān)系是非線性，所以與普通直角型并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)相比并聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)建模問(wèn)題就變得十分復(fù)雜。
并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是指上、下平臺(tái)用2個(gè)或2個(gè)以上分支相連，機(jī)構(gòu)具有2個(gè)或2個(gè)以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)的空間閉環(huán)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。由于并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有剛度重量比大，運(yùn)行速度高、末端執(zhí)行器位姿靈活、誤差不疊加、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于模塊化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn) ，因而在許多領(lǐng)域都已得到廣泛的應(yīng)用。例如：德國(guó)漢諾威、斯圖加特大學(xué)及不倫瑞克大學(xué)等已先后將并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于激光加工、機(jī)構(gòu)、普通裝配及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中。國(guó)內(nèi)一些知名大學(xué)，如清華大學(xué)、天津大學(xué)、東北大學(xué)、燕山大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等等，也正在開(kāi)展并聯(lián)機(jī)構(gòu)方面的研究工作。
實(shí)際上，并聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)建模問(wèn)題就是并聯(lián)機(jī)構(gòu)的正運(yùn)動(dòng)求解問(wèn)題。所謂正運(yùn)動(dòng)求解，就是在已知并聯(lián)機(jī)構(gòu)中各運(yùn)動(dòng)副的位置參數(shù)及各并聯(lián)調(diào)節(jié)器桿長(zhǎng)變化量的情況下，來(lái)計(jì)算末端執(zhí)行器（如測(cè)頭）出的空間位置坐標(biāo)。由空間機(jī)構(gòu)學(xué)理論可知并聯(lián)閉環(huán)機(jī)構(gòu)的位置反解比較容易，但其位置正解卻相當(dāng)復(fù)雜，到目前為止，也只能給出其數(shù)值解，且明顯存在多解現(xiàn)象。
我們通過(guò)對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的布局結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，即將連接上下活動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)副以等邊三角形的方式進(jìn)行排列，從而使個(gè)運(yùn)動(dòng)副之間的相互關(guān)系簡(jiǎn)潔化，然后充分利用機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)約束和集合約束關(guān)系，建立由對(duì)應(yīng)機(jī)構(gòu)組成的并聯(lián)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)模型。
2.2并聯(lián)的結(jié)構(gòu)及機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理
本文所研究的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2-1[16]。由圖2.2.1可以看出，該主要由上下2個(gè)平臺(tái)和連桿組成。
從機(jī)構(gòu)的連接方式不難看出，三個(gè)中間連桿的運(yùn)動(dòng)是相互關(guān)聯(lián)和制約的，而不是相互分立的，因此，這種機(jī)構(gòu)屬于并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作原理十分簡(jiǎn)單，它是通過(guò)移動(dòng)副的調(diào)節(jié)器來(lái)控制移動(dòng)副的伸縮，使連桿長(zhǎng)度發(fā)生變化，從而使測(cè)頭移動(dòng)至測(cè)點(diǎn)位置，然后再由安裝在移動(dòng)副內(nèi)的長(zhǎng)度并聯(lián)機(jī)構(gòu)裝置測(cè)出桿長(zhǎng)的變化量，并以此為依據(jù)，計(jì)算出測(cè)點(diǎn)處的空間坐標(biāo)。
圖2-1 并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
2.3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
并聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的控制與并聯(lián)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-2所示：
由圖可以看出來(lái)，該并聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的控制與并聯(lián)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)主要由三個(gè)基本單元組成，它們是：PC處理器單元，伺服電機(jī)控制單元和并聯(lián)機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)單元。PC處理單元主要完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、幾何尺寸計(jì)算和三維形體的重建等，同時(shí)還負(fù)責(zé)向其他兩個(gè)單元發(fā)送控制指令，以便協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作。伺服電機(jī)控制單元?jiǎng)t主要是依據(jù)PC計(jì)算機(jī)所發(fā)送的控制指令對(duì)三個(gè)伺服電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，從而確保他們按實(shí)際要求正常運(yùn)轉(zhuǎn)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)單元主要用于完成對(duì)三個(gè)線性刻度尺（例如光柵尺、激光干涉儀等）輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行記數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果存儲(chǔ)到對(duì)應(yīng)的三個(gè)存儲(chǔ)器中，以便于PC計(jì)算機(jī)進(jìn)行讀取。
圖2-2 控制與并聯(lián)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)框圖
上述控制與并聯(lián)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的工作原理可簡(jiǎn)述如下：
當(dāng)操作人員通過(guò)計(jì)算機(jī)鍵盤（或其他鍵控開(kāi)關(guān)）向計(jì)算機(jī)發(fā)出控制命令后，PC處理器則通過(guò)I/O控制器接口向三個(gè)交流伺服電機(jī)分別發(fā)出相應(yīng)的運(yùn)行控制指令。當(dāng)三個(gè)伺服電機(jī)接受到正確的指令信息后，即驅(qū)動(dòng)各自的滾珠絲杠進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)相應(yīng)的移動(dòng)副按實(shí)際要求進(jìn)行伸縮，使測(cè)頭向目標(biāo)點(diǎn)移動(dòng)；同時(shí)，隨著移動(dòng)副的伸縮，與之相連的線性長(zhǎng)度記錄儀（如光柵尺等）開(kāi)始輸出計(jì)數(shù)脈沖，并由三個(gè)32位的計(jì)數(shù)器分別進(jìn)行計(jì)數(shù)。若測(cè)頭移動(dòng)過(guò)程中，連桿或運(yùn)動(dòng)副出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，則驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將立即向計(jì)算機(jī)反饋信息，以便通知計(jì)算機(jī)及時(shí)調(diào)整三個(gè)伺服電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)修正測(cè)頭的運(yùn)行軌跡，從而確保測(cè)頭安全、柔性地到達(dá)并聯(lián)機(jī)構(gòu)點(diǎn)位置。
當(dāng)測(cè)頭與被測(cè)目標(biāo)點(diǎn)接觸的一剎那，測(cè)頭的微動(dòng)開(kāi)關(guān)將產(chǎn)生一觸發(fā)脈沖，并將其反饋給PC計(jì)算機(jī)作為采樣觸發(fā)信號(hào)。PC計(jì)算機(jī)接收到該采樣指令后，則向32位計(jì)數(shù)器發(fā)出讀數(shù)指令，隨后便將計(jì)數(shù)器中的三個(gè)脈沖計(jì)數(shù)值讀入處理器，經(jīng)相應(yīng)處理軟件計(jì)算后，得到該并聯(lián)機(jī)構(gòu)點(diǎn)處的實(shí)際空間坐標(biāo)值，從而完成一次坐標(biāo)采樣過(guò)程。
2.4 并聯(lián)機(jī)構(gòu)工作空間的分析
工作空間（Workplace）：設(shè)給定參考點(diǎn)C是動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行器的端點(diǎn)，工作空間是該端點(diǎn)在空間可以達(dá)到的所有點(diǎn)的集合。
完全工作空間（Complete workplace）：動(dòng)平臺(tái)上執(zhí)行器端點(diǎn)可從任何方向（位姿）到達(dá)的點(diǎn)的集合。
定向工作空間（Constant workplace）：動(dòng)平臺(tái)在固定位姿時(shí)執(zhí)行器端點(diǎn)可以到達(dá)的點(diǎn)的集合。
最大工作空間（Maximal workplace）：動(dòng)平臺(tái)執(zhí)行器端點(diǎn)可到達(dá)的點(diǎn)的最大集合，并考慮其具體位姿。
完全工作空間和定向工作空間都是最大工作空間的子集.
另外，工作空間是并聯(lián)機(jī)構(gòu)的重要特性，影響它的大小和形狀的因素主要有以下三個(gè)：
① 桿長(zhǎng)的限制，桿件長(zhǎng)度的變化是受到其結(jié)構(gòu)限制的，每一桿件的長(zhǎng)度必須小于最大桿長(zhǎng)，大于最小桿長(zhǎng)。
② 轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)角的限制，各種鉸鏈，包括球鉸接和萬(wàn)向鉸接的轉(zhuǎn)角都受到結(jié)構(gòu)研制的，每一鉸鏈的轉(zhuǎn)角都應(yīng)小于最大轉(zhuǎn)角。
③ 桿件的尺寸干涉，連接動(dòng)平臺(tái)和固定平臺(tái)的桿件都具有幾何尺寸，因此各桿件之間在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能發(fā)生相互干涉。設(shè)桿件是直徑為D的圓柱體，兩相鄰桿件軸線之間的距離為Di,則Di＞D。
第3章 并聯(lián)機(jī)構(gòu)主要部件的設(shè)計(jì)
3.1 電動(dòng)機(jī)選型
3.1.1電機(jī)的分類
1．按工作電源分類根據(jù)電動(dòng)機(jī)工作電源的不同，可分為直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)。其中交流電動(dòng)機(jī)還分為單相電動(dòng)機(jī)和三相電動(dòng)機(jī)。
2．按結(jié)構(gòu)及工作原理分類電動(dòng)機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)。
同步電動(dòng)機(jī)還可分為永磁同步電動(dòng)機(jī)、磁阻同步電動(dòng)機(jī)和磁滯同電動(dòng)機(jī)。
異步電動(dòng)機(jī)可分為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)和交流換向器電動(dòng)機(jī)。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)又分為三相異步電動(dòng)機(jī)、單相異步電動(dòng)機(jī)和罩極異步電動(dòng)機(jī)。交流換向器電動(dòng)機(jī)又分為單相串勵(lì)電動(dòng)機(jī)、交直流兩用電動(dòng)機(jī)和推斥電動(dòng)機(jī)。
直流電動(dòng)機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)和有刷直流電動(dòng)機(jī)。有刷直流電動(dòng)機(jī)可分為永磁直流電動(dòng)機(jī)和電磁直流電動(dòng)機(jī)。電磁直流電動(dòng)機(jī)又分為串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)和復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。永磁直流電動(dòng)機(jī)又分為稀土永磁直流電動(dòng)機(jī)、鐵氧體永磁直流電動(dòng)機(jī)和鋁鎳鈷永磁直流電動(dòng)機(jī)。
3．按起動(dòng)與運(yùn)行方式分類電動(dòng)機(jī)按起動(dòng)與運(yùn)行方式可分為電容起動(dòng)式電動(dòng)機(jī)、電容盍式電動(dòng)機(jī)、電容起動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)式電動(dòng)機(jī)和分相式電動(dòng)機(jī)。
4．按用途分類電動(dòng)機(jī)按用途可分為驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)和控制用電動(dòng)機(jī)。
驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)又分為電動(dòng)工具（包括鉆孔、拋光、磨光、開(kāi)槽、切割、擴(kuò)孔等工具）用電動(dòng)機(jī)、家電（包括洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、電冰箱、空調(diào)器、錄音機(jī)、錄像機(jī)、影碟機(jī)、吸塵器、照相機(jī)、電吹風(fēng)、電動(dòng)剃須刀等）用電動(dòng)機(jī)及其它通用小型機(jī)械設(shè)備（包括各種小型、小型機(jī)械、醫(yī)療器械、電子儀器等）用電動(dòng)機(jī)。
控制用電動(dòng)機(jī)又分為電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)等。
5．按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)分類電動(dòng)機(jī)按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)可分為籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（舊標(biāo)準(zhǔn)稱為鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)）和繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（舊標(biāo)準(zhǔn)稱為繞線型異步電動(dòng)機(jī)）。
6．按運(yùn)轉(zhuǎn)速度分類電動(dòng)機(jī)按運(yùn)轉(zhuǎn)速度可分為高速電動(dòng)機(jī)、低速電動(dòng)機(jī)、恒速電動(dòng)機(jī)、調(diào)速電動(dòng)機(jī)。
低速電動(dòng)機(jī)又分為齒輪減速電動(dòng)機(jī)、電磁減速電動(dòng)機(jī)、力矩電動(dòng)機(jī)和爪極同步電動(dòng)機(jī)等。
調(diào)速電動(dòng)機(jī)除可分為有級(jí)恒速電動(dòng)機(jī)、無(wú)級(jí)恒速電動(dòng)機(jī)、有級(jí)變速電動(dòng)機(jī)和無(wú)極變速電動(dòng)機(jī)外，還可分為電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)、直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)、PWM變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)。
3.1.2選擇步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算
機(jī)構(gòu)工作時(shí)，需要克服摩擦阻力矩、工件負(fù)載阻力矩和啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩。
根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式[15]：
（3.1）
（3.2）
（3.3）
（3.4）
（3.5）
（3.6）
（3.7）
（3.8）
式中：
—偏轉(zhuǎn)所需力矩（N·m）；
—摩擦阻力矩（N·m）；
—負(fù)載阻力矩（N·m）；
—啟動(dòng)時(shí)慣性阻力矩（N·m）；
—工件負(fù)載對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；
—對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m2）；
—偏轉(zhuǎn)角速度（rad/s）；
—質(zhì)量（kg）；
—負(fù)載質(zhì)量（kg）；
—啟動(dòng)時(shí)間（s）；
—部分材料密度（kg/m3）；
—手腕偏轉(zhuǎn)末端的線速度（m/s）。
根據(jù)已知條件：kg，m/s，m，m，m，s，采用的材料假定為鑄鋼，密度kg/m3。
將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得：
kg
r/s
kg·m2
kg·m2
N·m
N·m
N·m
因?yàn)閭鲃?dòng)是通過(guò)減速器實(shí)現(xiàn)的，所以查取手冊(cè)[15]得：
彈性聯(lián)軸器傳動(dòng)效率；
滾動(dòng)軸承傳動(dòng)效率（一對(duì)）；
減速器傳動(dòng)效率；
計(jì)算得傳動(dòng)的裝置的總效率。
電機(jī)在工作中實(shí)際要求轉(zhuǎn)矩 N·m （3.9）
根據(jù)計(jì)算得出的所需力矩，結(jié)合北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的90系列的五相混合型步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)和矩頻特性曲線，如圖3.3和圖3.4所示,選擇90BYG5200B-SAKRML-0301型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)。
圖3.3 90BYG步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)
圖3.4 90BYG5200B-SAKRML-0301型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線
2.1.傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式的選擇
該減速器是電傳動(dòng)減速的諧波齒輪裝置。要求其傳動(dòng)比較大﹑結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊﹑效率較高﹑承載力較高﹑通用性良好。 選擇減速比：i1=100
因此本設(shè)計(jì)方案所選的結(jié)構(gòu)形式為剛輪固定﹑波發(fā)生器主動(dòng)和柔輪從動(dòng)比較合適。為了便于采用標(biāo)準(zhǔn)刀具來(lái)加工柔輪和剛輪，特選取壓力角的漸開(kāi)線齒廓。
2.2.幾何參數(shù)的計(jì)算
齒數(shù)的確定
柔輪齒數(shù)：
剛輪齒數(shù)：
已知模數(shù)：，則
柔輪分度圓直徑：
鋼輪分度圓直徑：
柔輪齒圈處的厚度：
重載時(shí)，為了增大柔輪的剛性， 允許將δ1計(jì)算值增加20%，即
柔輪筒體壁厚：
為了提高柔輪的剛度，取
輪齒寬度：
輪轂凸緣長(zhǎng)度：取
柔輪筒體長(zhǎng)度：
輪齒過(guò)渡圓角半徑：
為了減少應(yīng)力集中，以提高柔輪抗疲勞能力，取
由于采用壓力角的漸開(kāi)線齒廓，傳動(dòng)的嚙合參數(shù)可按考慮到構(gòu)件柔度的計(jì)算公式，即按如下公式進(jìn)行計(jì)算。
2.5.凸輪波發(fā)生器及其薄壁軸承的計(jì)算
滾珠直徑：
柔輪齒圈處的內(nèi)徑：
則：
軸承外環(huán)厚度：由于工藝上的要求，可將外環(huán)做成無(wú)滾道的
軸承內(nèi)環(huán)厚度：
內(nèi)環(huán)滾道深度：
式中的是考慮到外環(huán)無(wú)滾道而內(nèi)環(huán)滾道加深量。
軸承內(nèi)外環(huán)寬度：所用為滾珠軸承，近似等于齒寬
軸承外環(huán)外徑：
軸承內(nèi)環(huán)內(nèi)徑：
為了便于制造，采用雙偏心凸輪波發(fā)生器。
則凸輪圓弧半徑：
其中ｅ是偏心距：
（—?jiǎng)傒喎侄葓A直徑，—柔輪分度圓直徑）
則凸輪圓弧半徑：
凸輪長(zhǎng)半軸：
凸輪短半軸：
2.7.1柔輪齒面的接觸強(qiáng)度的計(jì)算
根據(jù)諧波傳動(dòng)傳動(dòng)比大的特點(diǎn)，其柔輪和剛輪的齒數(shù)較多，齒形很接近于直線。故實(shí)際諧波齒輪傳動(dòng)的載荷能力主要應(yīng)由柔輪齒側(cè)工作表面的最大接觸應(yīng)力所限制。因此，諧波齒輪傳動(dòng)的柔輪齒側(cè)面應(yīng)滿足如下接觸強(qiáng)度條件：
接觸強(qiáng)度計(jì)算公式：
—輸出轉(zhuǎn)矩
—柔輪節(jié)圓半徑
—柔輪輪齒寬
—?jiǎng)傒唹毫?
—接觸系數(shù)（0.4~0.9）
對(duì)于一般雙波傳動(dòng)，輪齒寬許用接觸應(yīng)力
則：
所以滿足齒面的接觸強(qiáng)度要求。
2.7.2柔輪疲勞強(qiáng)度的計(jì)算
諧波齒輪傳動(dòng)中輪齒的工作特點(diǎn)是：齒面的摩擦滑移接觸和柔輪承受著反復(fù)的交變載荷。為了使柔輪在循環(huán)的彈性變形下能正常工作，除滿足耐磨條件外，還必須進(jìn)行柔輪的疲勞強(qiáng)度計(jì)算。
柔輪材料采用 調(diào)制硬度229~269。
計(jì)算柔輪在反復(fù)彈性變形狀態(tài)下工作時(shí)所產(chǎn)生的交變應(yīng)力幅和平均應(yīng)力為
截面處正應(yīng)力：
切應(yīng)力：
由扭矩產(chǎn)生的剪切應(yīng)力：
其中：
則：
驗(yàn)算安全系數(shù)：
疲勞極限應(yīng)力：
應(yīng)力安全系數(shù)：
其中，抗拉屈服極限：
剪切應(yīng)力集中系數(shù)：
則滿足疲勞強(qiáng)度條件。
軸結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)
考慮到軸的載荷較大，材料選用45,熱處理調(diào)質(zhì)處理,取材料系數(shù)
所以,有該軸的最小軸徑為:
考慮到鍵槽的影響，所以dmin取值為17MM,具體結(jié)構(gòu)如下：
軸的受力分析及計(jì)算
軸的受力模型簡(jiǎn)化(見(jiàn)圖7)及受力計(jì)算
圖 軸的受力分析知：
軸承的壽命校核
鑒于調(diào)整間隙的方便,軸承均采用正裝.預(yù)設(shè)軸承壽命為3年即12480h.
校核步驟及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表:
表1 軸承壽命校核步驟及計(jì)算結(jié)果
計(jì)算步驟及內(nèi)容
計(jì)算結(jié)果
6014
A端
B端
由手冊(cè)查出Cr、C0r及e、Y值
Cr=98.5kN
C0r=86.0kN
e=0.68
計(jì)算比值Fa/Fr
FaA /FrA
e
確定X、Y值
XA=1 YA =0
查載荷系數(shù)fP
1.2
計(jì)算當(dāng)量載荷
P=Fp(XFr+YFa)
PA=5796.24 PB=6759.14
計(jì)算軸承壽命
763399h
大于
12480h
由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)軸承6014AC、6007均合格，最終選用軸承6014。
四、軸的強(qiáng)度校核
經(jīng)分析知C、D兩處為可能的危險(xiǎn)截面，
現(xiàn)來(lái)校核這兩處的強(qiáng)度：
（1）、合成彎矩
（2）、扭矩T圖
（3）、當(dāng)量彎矩
（4）、校核
由手冊(cè)查材料45的強(qiáng)度參數(shù)
C截面當(dāng)量彎曲應(yīng)力：
由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)C截面安全。
各軸鍵、鍵槽的選擇及其校核
因減速器中的鍵聯(lián)結(jié)均為靜聯(lián)結(jié),因此只需進(jìn)行擠壓應(yīng)力的校核.
一、 電機(jī)鍵的選擇及校核:
帶輪處鍵:按照帶輪處的軸徑及軸長(zhǎng)選 鍵B8X7,鍵長(zhǎng)50,GB/T1096
聯(lián)結(jié)處的材料分別為: 45鋼(鍵) 、40Cr(軸)
(1) 剛輪處鍵: 按照輪轂處的軸徑及軸長(zhǎng)選 鍵B14X9GB/T1096
聯(lián)結(jié)處的材料分別為: 20Cr (輪轂) 、45鋼(鍵) 、20Cr(軸)
此時(shí), 鍵聯(lián)結(jié)合格.
(2)輸出軸處鍵: 按照聯(lián)軸器處的軸徑及軸長(zhǎng)選 鍵16X10,鍵長(zhǎng)100,GB/T1096
聯(lián)結(jié)處的材料分別為: 45鋼 (聯(lián)軸器) 、45鋼(鍵) 、45(軸)
其中鍵的強(qiáng)度最低,因此按其許用應(yīng)力進(jìn)行校核,查手冊(cè)其
該鍵聯(lián)結(jié)合格.
3.2手爪夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核
3.2.1手爪夾持器種類
1.連桿杠桿式手爪
這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動(dòng)，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。
2.楔塊杠桿式手爪
利用楔塊與杠桿來(lái)實(shí)現(xiàn)手爪的松、開(kāi)，來(lái)實(shí)現(xiàn)抓取工件。
3.齒輪齒條式手爪
這種手爪通過(guò)活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開(kāi)動(dòng)作。
4.滑槽式手爪
當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過(guò)銷子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開(kāi)。這種手爪開(kāi)合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。
5.平行杠桿式手爪
不 需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動(dòng)采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此，比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小很多
結(jié)合具體的工作情況，采用連桿杠桿式手爪。驅(qū)動(dòng)活塞 往復(fù)移動(dòng)，通過(guò)活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條 使手指張開(kāi)或閉合。手指的最小開(kāi)度由加工 工件的直徑來(lái)調(diào)定。本設(shè)計(jì)按照所要捆綁的重物最大使用 的鋼絲繩直徑為50mm來(lái)設(shè)計(jì)。
a．有適當(dāng)?shù)膴A緊力
手部在工作時(shí)，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對(duì)于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計(jì)得可以調(diào)節(jié)，對(duì)于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。
b．有足夠的開(kāi)閉范圍
工作時(shí)，一個(gè)手指開(kāi)閉位置以最大變化量稱為開(kāi)閉范圍。夾持類手部的手指都有張開(kāi)和閉合裝置?？捎瞄_(kāi)閉角和手指夾緊端長(zhǎng)度表示。于回轉(zhuǎn)型手部手指開(kāi)閉范圍，手指開(kāi)閉范圍的要求與許多因素有關(guān)
c．力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小
作時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個(gè)氣壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運(yùn)動(dòng)速度等性能。手部處于腕部的最前端，工因此，在設(shè)計(jì)手部時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小。
d．手指應(yīng)有一定的強(qiáng)度和剛度
因此送料，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉式彈簧夾緊，夾緊氣壓機(jī)械手，根據(jù)工件的形狀，松開(kāi)時(shí)，用單作用式氣壓缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，制造方便。
氣壓缸右腔停止進(jìn)油時(shí)，氣壓缸右腔進(jìn)油時(shí)松開(kāi)工件。
3.2.2夾持器設(shè)計(jì)計(jì)算
手爪要能抓起工件必須滿足：
（3-6）
式中，-----為所需夾持力；
-----安全系數(shù)，通常取1.2~2；
-----為動(dòng)載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按估算，為機(jī)械手在搬運(yùn)工件過(guò)程的加速度，，為重力加速度；
-----方位系數(shù)，查表選?。?
-----被抓持工件的重量 20；
帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得： ；
理論驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算： （3-7）
式中，----為柱塞缸所需理論驅(qū)動(dòng)力；
----為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離；
-----為扇形齒輪分度圓半徑；
-----為手指夾緊力；
---齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率，此處選為0.92；
其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得
計(jì)算驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式為：
（3-8）
式中，-----為計(jì)算驅(qū)動(dòng)力；
---安全系數(shù)，此處選1.2；
---工作條件系數(shù)，此處選1.1；
而氣壓缸的工作驅(qū)動(dòng)力是由缸內(nèi)油壓提供的，故有
（3-9）
式中，---為柱塞缸工作油壓；
----為柱塞截面積；選取缸內(nèi)徑為50mm
3.2.3夾持器校核
活塞桿直徑查《氣壓傳動(dòng)與控制手冊(cè)》根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當(dāng)活塞桿受拉時(shí)，一般選取d/D=0.3-0.5，當(dāng)活塞桿受壓時(shí)，一般選取d/D=0.5-0.7。本設(shè)計(jì)選擇d/D=0.7，d=35 mm
==965N》370N
計(jì)算所得的力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所需要的力，所以滿足要求。
初步確系統(tǒng)壓力
表3-1 按負(fù)載選擇工作壓力[1]
負(fù)載/ KN
<5
5~10
10~20
20~30
30~50
>50
工作壓力/MPa
< 0.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
≥5
表3-2 各種機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力[1]
機(jī)械類型
機(jī) 床
農(nóng)業(yè)機(jī)械
小型工程機(jī)械
建筑機(jī)械
氣壓鑿巖機(jī)
氣壓機(jī)
大中型挖掘機(jī)
重型機(jī)械
起重運(yùn)輸機(jī)械
磨床
組合
機(jī)床
龍門
刨床
拉床
工作壓力/MPa
0.8~2
3~5
2~8
8~10
10~18
20~32
由表2-1和表2-2可知，初選氣壓缸的設(shè)計(jì)壓力P1=1MPa
第4章 并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)并聯(lián)機(jī)構(gòu)空間分析
并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)空間，實(shí)質(zhì)上就是測(cè)頭的工作空間。該空間是指在滿足機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)約束和幾何約束的條件下，并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)測(cè)頭所能達(dá)到的空間點(diǎn)的所有點(diǎn)集。這些點(diǎn)集可構(gòu)成一個(gè)體積，該體積的邊界曲面就是測(cè)頭工作空間的邊界。
4.1并聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束
基本上，并聯(lián)的物理約束有三個(gè)，他們是：連桿桿長(zhǎng)約束，運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)角約束和連桿桿間干涉。不同于通過(guò)限制轉(zhuǎn)動(dòng)副來(lái)限制有效自由度，本節(jié)討論的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束主要是限制運(yùn)動(dòng)范圍。
4.1.1 連桿桿長(zhǎng)約束
連桿在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其桿長(zhǎng)必須滿足條件：
(i=1,2,3)
在上式中l(wèi)min和lmax分別表示連桿的最小桿長(zhǎng)和最大桿長(zhǎng)。
4.1.2 運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)角約束
同樣，在并聯(lián)工作過(guò)程中，必須滿足條件：
0αiαmax (i=1,2,3)
在上式中αmax代表球面副的最大圓錐擺角，αi為基座平面的法向量m與第i條連桿桿長(zhǎng)向量li之間的夾角(圖4-1)?？梢员硎境桑?
=cos
圖4-1 運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)角約束
上式中， l==(b-p) (i=1,2,3),
m==(p-p)(p-p).
4.1.3 連桿桿間干涉
由于3個(gè)并聯(lián)連桿與基座之間的連接關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動(dòng)副，三個(gè)連桿只能在各自的約束平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，因而不會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。
4.2 確定并聯(lián)機(jī)構(gòu)空間的基本方法
為了描述并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)測(cè)頭的工作空間，可取若干個(gè)適當(dāng)?shù)钠叫衅矫孀鳛楣ぷ骺臻g的剖面。這些平面與工作空間的交即是工作空間在這些剖面上的邊界曲線。若取一系列這樣的剖面，就可得到一系列的邊界曲線。這些邊界曲線的集合就可構(gòu)成一個(gè)完整的工作空間邊界
例如，取一平行于XOBY的平面X1ZjY1作為工作空間的剖面(如圖4-2所示)，該平面距坐標(biāo)原點(diǎn)OB的距離Zj(Zmin Zmax)。然后，在該平面上取一極角φi，作一極線ρ那么極線ρ與邊界曲線的交點(diǎn)ρi即為測(cè)頭在該極線上所能達(dá)到的最遠(yuǎn)點(diǎn)。因此，只要能在此極線上找到ρi，即可算出該邊界點(diǎn)在坐標(biāo)系OB-XYZ中的空間坐標(biāo)，即(ρicosφi，ρi sinφi，Z)。
圖4-2 量空間剖面選取及邊界曲線的確定
由此可以看出，通過(guò)上述方法處理后，即可將工作空間邊界點(diǎn)的計(jì)算問(wèn)題轉(zhuǎn)化為對(duì)ρi的一維搜索問(wèn)題。當(dāng)求得一個(gè)邊界點(diǎn)后，令極線的極角增加Δφ，再按上述方法搜索出另一個(gè)邊界點(diǎn)。當(dāng)極角φi由0°開(kāi)始增加到360°時(shí)，就可得到該剖面上完整的邊界曲線。作完一個(gè)剖面后，增加Zj，再重復(fù)同樣方法，直到Zj由Zmin變化到Zmax為止，這樣就可求出并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)測(cè)頭的整個(gè)工作空間邊界。
4.3 PLC控制部分設(shè)計(jì)
考慮到氣缸的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對(duì)氣缸進(jìn)行控制.當(dāng)氣缸的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。
4.3.1 可編程序控制器的選擇及工作過(guò)程
1. 可編程序控制器的選擇
目前，國(guó)際上生產(chǎn)可編程序控制器的廠家很多，如日本三菱公司的F系列PC,德國(guó)西門子公司的SIMATIC N5系列PC、日本OMRON(立石)公司的C型、P型PC等。考慮到本氣缸的輸入輸出點(diǎn)不多，工作流程較簡(jiǎn)單，同時(shí)考慮到制造成本，因此在本次設(shè)計(jì)中選擇了OMRON公司的C28P型可編程序控制器。
2 可編程序控制器的工作過(guò)程
可編程序控制器是通過(guò)執(zhí)行用戶程序來(lái)完成各種不同控制任務(wù)的。為此采用了循環(huán)掃描的工作方式。具體的工作過(guò)程可分為四個(gè)階段。
第一階段是初始化處理。
可編程序控制器的輸入端子不是直接與主機(jī)相連，CPU對(duì)輸入輸出狀態(tài)的詢問(wèn)是針對(duì)輸入輸出狀態(tài)暫存器而言的。輸入輸出狀態(tài)暫存器也稱為I/0狀態(tài)表.該表是一個(gè)專門存放輸入輸出狀態(tài)信息的存儲(chǔ)區(qū)。其中存放輸入狀態(tài)信息的存儲(chǔ)器叫輸入狀態(tài)暫存器;存放輸出狀態(tài)信息的存儲(chǔ)器叫輸出狀態(tài)暫存器。開(kāi)機(jī)時(shí)，CPU首先使I/0狀態(tài)表清零，然后進(jìn)行自診斷。當(dāng)確認(rèn)其硬件工作正常后，進(jìn)入下一階段。
第二階段是處理輸入信號(hào)階段。
在處理輸入信號(hào)階段，CPU對(duì)輸入狀態(tài)進(jìn)行掃描，將獲得的各個(gè)輸入端子的狀態(tài)信息送到I/0狀態(tài)表中存放。在同一掃描周期內(nèi)，各個(gè)輸入點(diǎn)的狀態(tài)在I/0狀態(tài)表中一直保持不變，不會(huì)受到各個(gè)輸入端子信號(hào)變化的影響，因此不能造成運(yùn)算結(jié)果混亂，保證了本周期內(nèi)用戶程序的正確執(zhí)行。
第三階段是程序處理階段。
當(dāng)輸入狀態(tài)信息全部進(jìn)入I/0狀態(tài)表后，CPU工作進(jìn)入到第三個(gè)階段。在這個(gè)階段中，可編程序控制器對(duì)用戶程序進(jìn)行依次掃描，并根據(jù)各I/0狀態(tài)和有關(guān)指令進(jìn)行運(yùn)算和處理，最后將結(jié)果寫入I/0狀態(tài)表的輸出狀態(tài)暫存器中。
第四階段是輸出處理階段。
CPU對(duì)用戶程序已掃描處理完畢，并將運(yùn)算結(jié)果寫入到I/0狀態(tài)表狀態(tài)暫存器中。此時(shí)將輸入信號(hào)從輸出狀態(tài)暫存器中取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動(dòng)輸出繼電器線圈，控制被控設(shè)備進(jìn)行各種相應(yīng)的動(dòng)作。然后，CPU又返回執(zhí)行下一個(gè)循環(huán)的掃描周期。
4.3.2 可編程序控制器的使用步驟
在可編程序控制器與被控對(duì)象(機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程)構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)，通常以七個(gè)步驟進(jìn)行:
(1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
即確定被控對(duì)象的工作原理，控制要求，動(dòng)作及動(dòng)作順序。
(2)I/0分配
即確定哪些信號(hào)是送到可編程序控制器的，并分配給相應(yīng)的輸入端號(hào);哪些信號(hào)是由可編程序控制器送到被控對(duì)象的，并分配相應(yīng)的輸出端號(hào).此外，對(duì)用到的可編程序控制器內(nèi)部的計(jì)數(shù)器、定時(shí)器等也要進(jìn)行分配?？删幊绦蚩刂破魇峭ㄟ^(guò)編號(hào)來(lái)識(shí)別信號(hào)的。
(3)畫梯形圖
它與繼電器控制邏輯的梯形圖概念相同，表達(dá)了系統(tǒng)中全部動(dòng)作的相互關(guān)系。如果使用圖形編程器(LCD或CRT)，則畫出梯形圖相當(dāng)于編制出了程序，可將梯形圖直接送入可編程序控制器。對(duì)簡(jiǎn)易編程器，則往往要經(jīng)過(guò)下一步的助記符程序轉(zhuǎn)換過(guò)程。
(4)助記符機(jī)器程序
相當(dāng)于微機(jī)的助記符程序，是面向機(jī)器的(即不同廠家的可編程序控制器，助記符指令形式不同)，用簡(jiǎn)易編程器時(shí)，應(yīng)將梯形圖轉(zhuǎn)化成助記符程序，才能將其輸入到可編程序控制器中。
(5)編制程序
即檢查程序中每條語(yǔ)法錯(cuò)誤，若有則修改。這項(xiàng)工作在編程器上進(jìn)行。
(6)調(diào)試程序
即檢查程序是否能正確完成邏輯要求，不合要求，可以在編程器上修改。程序設(shè)計(jì)(包括畫梯形圖、助記符程序、編輯、甚至調(diào)試)也可在別的工具上進(jìn)行。如IBM-PC機(jī)，只要這個(gè)機(jī)器配有相應(yīng)的軟件。
(7)保存程序
調(diào)試通過(guò)的程序，可以固化在EPROM中或保存在磁盤上備用。
4.3.3可編程序控制器控制方案
為了滿足生產(chǎn)需要，氣缸應(yīng)設(shè)置手動(dòng)工作方式、單動(dòng)工作方式和自動(dòng)工作方式。
（1）手動(dòng)工作方式
便于對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整和檢修，設(shè)置手動(dòng)工作方式。用按鈕對(duì)氣缸每一動(dòng)作單獨(dú)進(jìn)行控制。
（2）單動(dòng)工作方式
從原點(diǎn)開(kāi)始，按照自動(dòng)工作循環(huán)的步序，每按下一次起動(dòng)按鈕，氣缸完成一步的工作后，自動(dòng)停止。
（3）自動(dòng)工作方式
按下起動(dòng)按鈕，氣缸從原點(diǎn)開(kāi)始，按工序自動(dòng)反復(fù)連續(xù)工作，直到按下停止按鈕，氣缸在完成最后一個(gè)周期的動(dòng)作后，返回原點(diǎn)自動(dòng)停機(jī)。
4.3.4 PLC控制原理圖設(shè)計(jì)
以上各動(dòng)作均采用電機(jī)和氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，即用1個(gè)二位五通電磁閥控制1個(gè)氣缸，使氣氣缸抓放動(dòng)作。其中旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用一組齒輪齒條，使氣缸的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這樣，可用PLC的8個(gè)輸出端與電磁閥的8個(gè)線圈相連，通過(guò)編程，使電磁閥各線圈按一定序列激勵(lì)，從而使氣缸按預(yù)先安排的動(dòng)作序列工作.如果欲改變氣缸的動(dòng)作，不需改變接線，只需將程序中動(dòng)作代碼及順序稍加修改即可。另外，除抓放外，其余六個(gè)動(dòng)作末端均放置一限位開(kāi)關(guān)，以檢測(cè)動(dòng)作是否到位，如果某動(dòng)作沒(méi)有到位，則出錯(cuò)指示燈亮。
4.3.5 PLC梯形圖概述
PLC時(shí)專門為工業(yè)控制而開(kāi)發(fā)的裝置，其主要使用者是工廠廣大電器技術(shù)人員，為了適應(yīng)他們的傳統(tǒng)習(xí)慣和裝我能力，通常PLC不采用微機(jī)的編程語(yǔ)言，而常常采用面向控制過(guò)程，連線問(wèn)題的自然語(yǔ)言編程。國(guó)際電動(dòng)委員會(huì)詳細(xì)地說(shuō)明了語(yǔ)法，語(yǔ)義和下述5種編程語(yǔ)言：功能圖，梯形圖，功能快圖，指令表，結(jié)構(gòu)文本。梯形圖和功能塊圖為圖形語(yǔ)言，指令表和結(jié)構(gòu)文本為文字語(yǔ)言，功能表圖是一種結(jié)構(gòu)塊控制流程圖。
梯形圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是用梯形圖的圖形符合來(lái)描述程序的一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。采用梯形圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，這種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言采用因果關(guān)系來(lái)描述時(shí)間繁盛的條件和結(jié)果，每個(gè)梯級(jí)是一個(gè)因果關(guān)系。在梯級(jí)種，描述事件發(fā)生的條件表示在左面，事件發(fā)生的結(jié)果表示在右面。
梯形圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言是最常用的一種程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它來(lái)源于繼電器邏輯控制系統(tǒng)的描述。在工業(yè)過(guò)程控制領(lǐng)域，電氣技術(shù)人員對(duì)繼電器邏輯控制技術(shù)較為熟悉。因此，由這種邏輯控制技術(shù)發(fā)展而來(lái)的梯形圖受到歡迎，并得到廣泛的應(yīng)用。
梯形圖程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的特點(diǎn)是：與電氣操作原理圖相對(duì)應(yīng)，具有直觀性和對(duì)應(yīng)性；與原有繼電器邏輯控制技術(shù)相一致，易于掌握和學(xué)習(xí)；
與原有的繼電器邏輯控制技術(shù)的不同是：梯形圖中的電流不是實(shí)際意義的電流，內(nèi)部的繼電器也不是實(shí)際存在的繼電器，因此應(yīng)用時(shí)需與原有繼電器邏輯控制技術(shù)的有關(guān)概念區(qū)別對(duì)待。
梯形圖是使用得最多的梯形編程語(yǔ)言，被稱為PLC的第一編程語(yǔ)言。梯形圖與電器控制系統(tǒng)的電路圖很相似，具有直觀易懂的有點(diǎn)，很容易被工廠電氣人員掌握，特別適用于開(kāi)關(guān)量邏輯控制。梯形圖常被稱為編程.
總 結(jié)
本文著重介紹了虛擬環(huán)境下并聯(lián)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)的運(yùn)動(dòng)建模和仿真。首先說(shuō)明一下本文研究?jī)?nèi)容所涉及到的學(xué)術(shù)背景，并闡述了“虛擬樣機(jī)”等名詞的內(nèi)涵；接下來(lái)詳細(xì)討論了并聯(lián)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)虛擬樣機(jī)的幾何模型.
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致 謝
本論文是在我的導(dǎo)師老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和精益求精的工作態(tài)度深深的感染和激勵(lì)著我。從課題的選擇到論文的最終完成，老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。值此論文完成之際，我要向老師表示衷心的感謝。
同時(shí)，也向所有關(guān)心和幫助過(guò)我的老師、同學(xué)和朋友表示衷心