1、 本科生本科生畢業論畢業論文（文（設計設計） ） 題題 目：目：四自由度機械手四自由度機械手設計設計與仿真與仿真 專業專業代代碼碼： ： 作者姓名：作者姓名： 學學 號：號： 單單 位：位： 指指導導教教師師： ： 摘摘 要要 機械手廣泛的應用于工業、農業等領域中，發揮著重要的作用。四自由度機 械手作為一種主要的形式，具有重要的研究意義。本文基于虛擬樣機技術，完成 了四自由度機械手機械系統的設計與仿真。論文提出了基于虛擬樣機技術的機械 手設計思想和總體設計方案。利用三維設計軟件 caxa2007 進行了機械手零部 件的設計。在此基礎上，利用動力學仿真軟件 adams2004 對機械手進行了虛擬

2、 樣機建模與仿真，分析機械手設計中存在的缺陷，并進行了相應的改進。為了便 于機械手的數控加工，利用 caxa2007 軟件中的數控加工模塊對機械手零部件 進行了數控加工編程。四自由度機械手機械系統的設計與仿真為實際的物理樣機 制造奠定了基礎。 關鍵詞：關鍵詞：機械手；四自由度；三維設計；虛擬樣機；數控加工 abstract the manipulator has been widely used in industry and agriculture, and it has played a great role in those fields. the manipulator with fo

3、ur freedom of motion is an important form and has significant research value. 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 wor

4、k, the mechanical system of the manipulator was designed based on caxa2007. 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 i

5、s a good basis of the following physical manufacture. key words ：the manipulator; four freedom of motion; three dimensional design; virtual prototype; numerical control machining 目目錄錄 前言前言.1 1 總體方案設計總體方案設計.1 1.1 四自由度機械手系統設計.1 1.2 四自由度機械手機械系統設計思想.2 1.3 四自由度機械手的總體方案.2 1.4 四自由度機械手的數學描述.3 2 四自由度機械手零部件的三

6、維設計四自由度機械手零部件的三維設計.4 2.1 三維設計軟件 caxa 簡介.4 2.2 機械手關鍵零部件設計.4 2.3 機械手其它零部件設計.5 2.4 機械手驅動電機選型.7 2.5 材料及標準件的選擇.9 2.6 機械手的虛擬裝配.10 3 四自由度機械手的虛擬樣機建模與分析四自由度機械手的虛擬樣機建模與分析.12 3.1 虛擬樣機技術概述.12 3.2 四自由度機械手的虛擬樣機建模.12 3.3 仿真結果分析.14 4 四自由度機械手機械零部件的數控加工編程四自由度機械手機械零部件的數控加工編程.16 4.1 數控加工簡介.16 4.2 數控加工的基本流程.16 4.3 數控車床加

7、工編程.17 4.4 數控銑床加工編程.18 結論結論.21 參考文獻參考文獻.22 附錄附錄 四自由度機械手裝配圖四自由度機械手裝配圖與零件圖與零件圖.23 致謝致謝.36 四自由度機械手設計與仿真四自由度機械手設計與仿真 前前言言 機械手是能夠模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物 件或操作工具的自動操作裝置1。它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和 自動化，能在有害環境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、 電子、輕工和原子能等部門。 機械手主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件， 根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業要求而有

8、多種結構形式，如夾 持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動） 、移動或復 合運動來實現規定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢2。 機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手； 按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點 位控制和連續軌跡控制機械手等。機械手通常用作機床或其它機器的附加裝置， 如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等。有些 操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手3。 1 1 總體方案設計總體方案設計 1.11.1 四自由度機械手系統設計四自由度機械手系統設

9、計 四自由度機械手系統由機械本體結構、伺服驅動系統、計算機控制系統、傳 感系統和通信接口等部分組成4。 1.1.1 機械本體結構機械本體結構 從機構學的角度來分析，機器手機械結構可以看作由一系列連桿通過旋轉關 節（或移動關節）連接起來的開式運動鏈。 1.1.2 關節伺服驅動系統關節伺服驅動系統 機械手本體機械結構的動作靠的是關節驅動，機器人的關節驅動大多是基于 閉環控制的原理來進行的。常用的驅動單元是各種伺服電機，由于一般伺服電機 的輸出轉速很高(1000r/min10000r/min)，輸出轉矩小，而關節需帶動的負載的轉 速不高，負載力矩卻不小。因此，在電機與負載之間用一套傳動裝置來進行轉速

10、 和轉矩的匹配。 1.1.3 計算機控制系統計算機控制系統 各關節伺服驅動的指令值由主計算機計算后在每個采樣周期給出。計算機通 過軌跡規劃，得到空間軌跡在各采樣時刻的數據，通過逆運動學計算把空間數據 轉變為各關節的指令值。通常的機械手采用主計算機與關節計算機二級計算機控 制。有時為了實現智能控制，還需對包括視覺在內的各種傳感信號進行采集、處 理并進行人工智能的模式識別、問題求解、任務規劃、決策判斷，這時須由三級 計算機系統結構。 1.1.4 感知系統與通信接口感知系統與通信接口 機器人要正常地進行工作，必須與周圍環境保持密切的聯系。除了關節伺服 驅動系統中供反饋用的位置、速度、加速度的傳感器（

11、稱為機械手的內部傳感器） ，機械手還可配備視覺、力覺、觸覺等多種類型的傳感器（稱為機械手的外部傳 感器） ，以及傳感信號的采集處理系統。 由于研究時間、資金、實驗等條件所限，本論文僅討論機械手的機械系統設 計與仿真。 1.21.2 四自由度機械手機械系統設計思想四自由度機械手機械系統設計思想 首先利用 caxa2007 三維制圖軟件作為輔助設計工具進行四自由度機械手 的機械零件設計，建立三維模型。然后，經虛擬裝配后，利用 adams2004 軟件， 生成虛擬樣機，進行機械系統虛擬樣機分析，分析其運動軌跡及機械零部件的干 涉現象。最后，利用 caxa2007 軟件中的數控加工模塊，編寫機械零部件

12、的數 控加工程序。根據以上工作，便可以實際加工出物理樣機。 1.31.3 四自由度機械手的總體四自由度機械手的總體方案方案 1.3.1 機械手自由度的選擇機械手自由度的選擇 機械手運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。 自由度是機械手設計的關鍵參數。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越 廣，其結構也越復雜。在考慮機械手用途、成本及技術難度等問題后，本論文選 擇機械手的自由度為 4 個，末端執行器（夾持器）可以自由開合，能夠完成物體 的抓、移、放動作。機械手的原理如圖 1 所示。 1.3.2 機械手機械系統的整體設計機械手機械系統的整體設計 本論文設計的四自由度機械手

13、由底座、一號電機齒輪、左右支梁、中心直齒 輪、第一臂右板、夾持器活動節、夾持器固定節、四號電機、三號電機、二號電 機、一號電機和轉動底座組成，機械手整體結構如圖 2 所示。 1.41.4 四自由度機械手的數學描述四自由度機械手的數學描述 機械手具有四個自由度，其末端執行機構位置相對于機械本體不斷的變化。 如果要對末端執行器進行精確的控制，則要對其空間位置進行精確的描述。應用 齊次坐標變換不僅能夠對坐標進行描述，也能夠表達控制算法、計算機視覺和計 1.底座 2.一號電機齒輪 3.中心直齒輪 4.右支梁 5.第一臂右板 6.夾持器活動節 7.夾持器固定節 8.四號電機 9.三號電機 10.二號電機

14、 11.一號電機 12.轉動底座 圖 2 機械手的整體結構圖 圖 1 機械手的原理圖 算機圖形學等問題5。 2 2 四自由度機械手零部件的三維設計四自由度機械手零部件的三維設計 2.12.1 三維設計軟件三維設計軟件 caxacaxa 簡介簡介 caxa 是北京航空航天大學開發的一套三維設計軟件，擁有幾大模塊，如 caxa 數控加工模塊、制造工程師模塊、電子圖版模塊和實體設計模塊等6。本 文利用 caxa 軟件設計機械手的機械零部件，包括機座、手臂、手腕、夾持器 以及傳動與驅動裝置。 2.22.2 機械手關鍵零部件設計機械手關鍵零部件設計 機械手的關鍵零部件是齒輪傳動設計，根據機械手的要求，設

15、計的齒輪參數 如下： (1) 傳動比為 i =3:1； (2) 兩齒輪模數為 m=2.0； (3) 壓力角為= 20； (4) 中心距選擇 =167mm。 大齒輪設計：大齒輪分度圓直徑 d1=mz=3/4=1673/4=125mm，近似取 120mm；齒數 z1=120/2=60 個；齒高計算 h=ha+hf =(2ha*+c*)m=5.0mm；取齒輪厚 度 20.0mm。設計的中心大齒輪如圖 3 所示。 圖 3 大齒輪的設計圖 a-a 小齒輪設計：分度圓直徑 d2=1/3d1=41.3mm，近似取 40mm；齒數 z2=1/3z1=20 個，設計的小齒輪如圖 4 所示。 齒輪的三維實體造型圖

16、如圖 5 所示。 2.32.3 機械手其它零部件設計機械手其它零部件設計 利用 caxa 軟件對機械手的其它機械零部件設計，如圖 6 至圖 9 所示。 圖 6 底座三維實體造型 圖 5 齒輪的三維實體造型 圖 4 小齒輪的設計圖 a-a 圖 7 右支梁的三維實體造型 圖 8 轉動架三維實體造型 圖 9 轉動軸三維實體造型 2.42.4 機械手驅動電機選型機械手驅動電機選型 伺服電機是一種微容量的電動機，應用于自動測控裝置的電路中，其作用是 將電信號轉換成軸上的角位移或角速度，控制信號強和弱時相應的旋轉速度就快 和慢，且其轉向取決于控制信號的極性3。伺服電機可分為交流和直流兩大類， 小功率的自動

17、控制系統中多采用交流伺服電機，其功率一般在 100w 以下，且多 制成兩極；稍大功率的自動控制系統中多采用直流伺服電機，其功率一般為 1600w，也可達數千瓦。 本論文對于機械手的關節驅動機構選用交流伺服電機，選擇電機的一個重要 參數就是驅動功率。例如計算一號電機的功率步驟如下，首先采用公式為(1)和(2)簡 化已設計好的機械手模型7。 (1) tz wd pmm dtdt (2) 2 1 n zi i i jmr 假設手臂的簡化質量為= 5.0kg，重物的質量為= 5.0kg，機械系統其m手m物 它轉動件的質量為= 5.0kg，總質量為 m=+=15.0kg，手臂簡化長度m3m手m物m3 為

18、 l=200mm=0.2m，近似得到轉動慣量為 j=150.22=0.6kgm2。設電機經減速后 作用在機械手臂上的轉速為 n=20r/min 即 =2.094rad/s，電機自身的角速度為 =6.28rad/s，=0.50.6=1.315w，機械手計算簡化圖如圖 2 1 2 z ptj 2 2.094 10 所示。 m m 為簡化手 臂及加持重 物的質量 一號電機 中心直齒輪中的大齒輪 底座齒輪的傳動比為 3:1 圖 10 機械手計算簡化圖 由上面所述可以選擇驅動電機的型號，電機型號含義如圖 11 所示。 例如 36sl04 表示的頻率為 400hz，機殼外徑為 36mm，第四種性能參數的

19、籠行交流伺服電動機，技術參數如表 1 所示，電機型號選擇如表 2 所示。 表 1 sl 系列兩相交流伺服電動機的技術數據 型號極數頻率(hz)每相輸入(w)額定輸出(w)空載轉速電機時間常數 28sl0264006.51.0600020 28sl0364006.51.0600020 36sl0184008.51.6480020 36sl0284008.51.6480020 36sl0384008.51.6480020 36sl0464008.52.0900035 表 2 電機型號選擇 36sl0136sl03 電機運動范圍型號 一號電機036036sl02 二號電機09036sl03 三號電機

20、010528sl03 四號電機018028sl02 根據選擇電機的型號查說明書即可得到電機的外形尺寸參數，根據這些參數 性能參數序號 頻率代號：0 代表 400hz ；5 代表 50hz 產品代號：s 代表伺服電機 l 代表籠行轉 子 機殼外徑 圖 11 電機型號示意圖 便可以繪出電機的三維實體造型圖，如圖 12 所示。 2.52.5 材料及標準件的選擇材料及標準件的選擇 工程塑料是指能作為結構材料在機械設備和工程結構中使用的塑料。它們的 力學性能較好，耐熱性和耐腐蝕性也比較好，這類塑料主要有：聚酰胺、聚甲醛、 有機玻璃、聚碳酸脂、abs 塑料、聚苯醚、氟塑料等8。abs 塑料具有堅韌、質 硬

21、、剛性的特點，塑料性好，原料易得，價格便宜，所以在機械加工、電器制造、 紡織、汽車、飛機、輪船、化工等工業中得到廣泛應用。本文機械手的機械骨架 擬選擇 abs 塑料。 機械手機械零部件連接標準件的選擇也是一個不容忽視的問題，以中心轉動 軸墊塊螺栓為例說明。此處連接件采用螺栓連接，型號為 m5，螺栓的三維實體 圖如圖 13 所示。 圖 12 某一電機的三維實體造型 圖 13 螺栓的三維實體圖 此處中心軸承選擇型號為 bz 精密軸承，主要參數為軸徑 20mm，外徑 52mm，高度 15mm，外形如圖 14 所示。 2.62.6 機械本體的虛擬裝配機械本體的虛擬裝配 公差與配合是機械設計與制造的重要

22、一環，主要包括：確定基準制、公差等 級與配合種類。選擇原則是既要保證機械產品的性能優良，同時兼顧制造上的經 濟可行9。 基準制包括基孔制和基軸制兩種，四自由度機械手的機械本體需要的精密要 求不高，大部分零件的配合采用基孔制，公差等級采用 it7it12， ，配合分為間 隙、過渡、過盈三種配合方式，如表 3 所示。 表 3 優先配合選用表 電機配合種類運動范圍基孔制型號基軸制 間隙配合 98777 97666 hhhhh dfggh 119877 119766 cdfgh hhhhh 過渡配合 77 66 hh kn 77 66 kn hh 圖 14 軸承的三維造型示意圖 過盈配合 777 66

23、6 hhh psu 77 66 ps hh 機械手的各個機械零部件設計完成，并選擇好公差配合后，便可以進行總的 機械手裝配，機械手裝配時的爆破圖如圖 15 所示，得到機械手的三維裝配圖如 圖 16 所示。 圖 15 機械手裝配的爆破圖 圖 16 機械手裝配圖 3 3 四自由度機械手的虛擬樣機建模與分析四自由度機械手的虛擬樣機建模與分析 3.13.1 虛擬樣機技術概述虛擬樣機技術概述 虛擬樣機是建立在計算機上的原型系統或子系統模型，它在一定程度上具有 與物理樣機相當的功能真實度，采用虛擬樣機技術可以提高機械產品的研制效率。 虛擬樣機的代表性軟件是 adams（automatic dynamic

24、analysis of mechanical system）軟件10。 adams 是美國 mdi（mechanical dynamics inc.）公司開發的機械系統動力 學仿真分析軟件，它使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力庫，創建完全參 數化的機械系統幾何模型，建立系統動力學方程，對虛擬機械系統進行靜力學、 運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。adams 軟件 的仿真可用于預測機械系統的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有 限元分析等11。 對設計階段的產品進行虛擬性能測試，達到提高設計性能、降低設計成本、 減少產品開發時間的目的。隨著產品復雜程度越來越高

25、，產品開發周期越來越短， 直接開發價格昂貴的物理樣機，其風險程度也相應的變大。如何能在物理樣機制 造出之前就能驗證其性能，檢測出錯誤的地方從而加以改正，降低產品設計失敗 的風險，一個行之有效的方法就是通過虛擬樣機進行仿真模擬。在未真正生產產 品前就進行仿真模擬，提前知道產品的各種性能，防止各種設計缺陷的存在，提 出改進意見1214。 本論文擬采用 adams 軟件對四自由度機械手進行虛擬樣機建模與分析，通 過虛擬樣機仿真，發現機械手設計過程中的錯誤，及時改正，為后續的物理樣機 研制奠定基礎。 3.23.2 四自由度機械手的虛擬樣機建模四自由度機械手的虛擬樣機建模 3.2.1caxa 與與 ad

26、ams 的無縫連接的無縫連接 caxa 軟件可以實現與 adams2004 軟件的無縫連接，將設計好的機械手 三維實體以裝配件的形式導入 adams2004，過程如下所述。 首先，將用 caxa2007 軟件建立的四自由度機械手的三維模型以*x_t 的形 式輸出。 然后，打開 adams2004 軟件，選擇菜單 file 下的子菜單 import，打開的 對話框下選擇 file type 為 parasolid（*.xmt_txt，.x_t.） ，并在 file to read 對話框中，右擊選擇 browse 選擇原來保存的*x_t 格式的文件。 最后，定義一個 modle name 的名字

27、，按 ok 鍵，再選擇菜單 edit 中的 modle，此時模型便全部導入10。 adams2004 軟件的界面如圖 17 所示，機械手三維實體的導入如圖 18 所示。 圖 17 adams 界面 圖 18 adams 中三維實體的導入 3.2.2 機械手虛擬樣機建模機械手虛擬樣機建模 利用 adams2004 軟件對設計的機械手的機械本體進行動態仿真過程中，為 了簡化分析和計算，可以只保留關鍵部件，忽略無關零部件，以便于觀察，仿真 過程如圖 19 和圖 20 所示。 圖 19 添加約束副及驅動 圖 20 機械手的動態仿真 3.33.3 仿真結果分析仿真結果分析 機械手虛擬樣機仿真結束后的生成

28、曲線圖如圖 21 所示，機械手運動軌跡如 圖 22 所示。通過對機械手的運動仿真，分析生成曲線圖和運動軌跡圖，可以看 到各個機械零件沒有干涉發生，表明設計基本合理。前提條件是各個轉動關節必 須在一定的轉動角度內轉動，沒有超程現象?？梢酝ㄟ^限制各個關節即各轉動副 的驅動電機的轉動角度來實現。 圖 21 仿真結束后生成的曲線 圖 22 運動軌跡掃描 4 4 四自由度機械手機械零部件的數控加工編程四自由度機械手機械零部件的數控加工編程 4.14.1 數控加工簡介數控加工簡介 機械手的機械本體應用虛擬樣機技術進行結構優化后，需要對各零件進行加 工。cnc（computer numerical cont

29、rol system）技術是計算機輔助加工的載體， 利用它可提高精度，降低勞動強度。cnc 將傳統的加工機床用計算機進行控制， 能夠在程序的導引下，自動加工，加工效率高。應用相關軟件可進行加工程序的 自動生成，與數控機床配合加工，節省時間，加工精度高15。本論文采用 caxa2007 軟件中的數控加工模塊進行數控加工編程，可以直接配合數控機床使 用。 4.24.2 數控加工的基本流程數控加工的基本流程 數控加工編程有手工編程和利用軟件自動編程兩種方式，數控加工的基本 步驟如圖 23 所示。 分析零件的結構， 制定加工工藝 分析零件的結構， 制定加工工藝 繪制圖形或導入圖 形路線 利用自動編程軟

30、件， 進行圖形錄入 編寫程序并錄入至 數控機床 加工軌跡生成 試運行程序，進行 仿真加工 自動生成加工代碼 對刀，加工 用數據線將代碼錄 入數控機床，并驗 證 對刀，加工 手工編程手工編程自動編程自動編程 圖 23 數控加工的基本步驟 4.34.3 數控車床加工編程數控車床加工編程 車削加工適用于回轉體的零件，機械手中的回轉體零件都可以用數控車削加 工。例如，對機械手轉動架軸進行數控編程，做出轉動架軸的右半部分，如圖 24 所示。 對做出的圖形進行粗加工軌跡生成，并生成代碼。選擇加工時，有粗加工和 精加工。通常加工工藝的劃分是不同的，有的零件需要先粗加工再精加工，有的 則還需要磨削加工。采用軟

31、件生成自動加工代碼后，需要對不同的加工方法進行 區分。機械手轉動架軸的數控車削加工軌跡曲線如圖 25 所示，仿真加工圖如圖 26 所示。 圖 24 轉動架軸的數控車削加工 圖 25 加工軌跡曲線 采用 caxa2007 軟件自動生成的部分代碼如下所示。 / 01234 n10 g50 s0 n12 g00 g97 s600 t010 n14 m03n16 m08n18 g00 x88.203 z25.419 n20 g00 x89.614 z0.803 n22 g00 x79.614 z0.803 n24 g00 x78.200 z0.095 n446 g01 x20.200 z-29.900

32、 f10.000 n448 g01 x20.400 z-29.900 / 圖 26 仿真加工圖 4.44.4 數控銑床加工編程數控銑床加工編程 數控銑床適用于加工箱體類及復雜曲面零件，對機械零件進行鉆孔、切槽類 操作。機械手中適合采用數控銑床加工的零件，可以通過應用 caxa 制造工程 師模塊，將設計好的機械零件導入，實現數控加工編程。機械零件的導入如圖 27 所示，生成的加工軌跡曲線如圖 28 所示。 利用加工軌跡曲線，可以自動生成加工代碼，部分代碼如下所示。 / (zhuandongjia.cut,2008.5.1,9:45:38.522) n716x143.966y64.642 圖 28

33、 生成加工軌跡曲線 圖 27 將機械零件導入 n10g90g54g00z60.000 n720x0.712 n12s1000m n718x143.439y64.900 n14x1.667y-0.100z60.000 n726m05 n16z50.000 n728m30 n722z50.000f800 / 機械零件的數控加工仿真過程如圖 29 和圖 30 所示。 自動生成的加工代碼不能直接應用于實際的加工，需要對代碼進行驗證。驗 圖 29 進行彷真加工 圖 30 加工仿真結束 證的方法有兩種，一種是利用仿真軟件在電腦上進行實際加工過程的模擬；另一 種是將生成的代碼輸入到數控機床中，利用機床的仿真功能進行代碼的驗證。代 碼驗證無誤后，便可以進行實際加工。 結結 論論 本論文針對四自由度機械手的機械系統展開研究，主要完成了如下工作。 (1) 提出了基于虛擬樣機技術的四自由度機械手機械系統的設計思想，利用 三維設計軟件 caxa2007 完成了機械手零部件的設計，繪制了機械手的零件圖 和裝