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河北工业大学城市学院毕业设计说明书作者：孙刚学号：105535系：机械工程系专业：机械设计制造及其自动化题目：六自由度移动机械手臂结构设计指导者：丁承君教授评阅者：2014年6月3日毕业论文中文摘要题目六自由度移动机械手臂结构设计摘要：本文简要介绍了六自由度机械手臂的设计过程，机械手的组成，对机械手臂的选用方案进行了分析，同时也对国内外机械手臂的发展进行了初步了解。本论文最终对完成了六自由度机械手臂的总体方案设计，在传动上采用电动驱动方式，经过分析对比确定了总方案，于此同时也最终确定了机械手臂的主要技术参数，并对机械手各关节的主要参数进行了分析计算，进而比较精确的确定各个运动结构的尺寸大小和其他的参数。在装配的时候，利用UG8.0进行了三维实体建模并进行了运动仿真。本设计就排爆机器人六自由度手臂的驱动、传动系统及结构的设计，进行了综合分析，利用UG8.0的强大三维绘图功能，对机构进行分析和运动仿真。随着现今高新技术的向前不断发展，移动机械手臂的应用前景变得越来越广阔，社会对机械手臂功能的要求也不断提高，本文为此提供了一些设计经验。关键词：六自由度机械手实体建模仿真毕业论文中文摘要TitleSixdegreesoffreedomroboticarmtomovethestructuraldesignAbstractThisarticlebrieflydescribesthesixdegreesoffreedomroboticarmdesignprocess,thecompositionoftherobot,themechanicalarmofthechoiceofprogramsanalyzed,butalsoonthedevelopmentofdomesticrobotconductedapreliminaryunderstanding.Inthispaper,onthecompletionofthefinalsixdegreesoffreedomroboticarmoverallprogramdesign,theuseofelectricdrivemodeonthedrive,identifiedthroughanalysisandcomparisonoftheoverallprogram,thisalsofinalizedthemaintechnicalparametersoftherobotarm,andeachrobotthemainparameterswereanalyzedandcalculatedjoint,thusamoreprecisedeterminationofthesizeofeachmovingandotherstructuralparameters.Intheassembly,whentheuseofUG8.0conductedathree-dimensionalsolidmodelingandmotionsimulation.ThedesignonEODdesign-driven,transmissionandstructureofsixdegreesoffreedomrobotarm,conductedacomprehensiveanalysis,theuseofthree-dimensionalgraphicsUG8.0powerful,institutionalanalysisandmotionsimulation.Withtoday'shigh-techforwardthecontinuousdevelopmentprospectsbecomeincreasinglymobileroboticarmbroadsocialdemandsonthemechanicalarmfunctionisalsorising,thispaperaimstoprovideanumberofdesignexperience.Keywords：SixdegreesoffreedomRobotSolidModelingMotionSimulation目次摘要…………………………………………………………………………………ⅠABSTRACT…………………………………………………………………………Ⅱ第一章绪论………………………………………………………………………61.1引言……………………………………………………………………………61.2现状及国内外发展趋势………………………………………………………61.3国外机器人发展………………………………………………………………7第二章六自由度移动机械手臂结构设计总体方案确定………………………82.1两种总体设计方案的分析比较………………………………………………82.2设计参数要求…………………………………………………………………9第三章六自由度移动机械手臂结构详细设计…………………………………123.1六自由度移动机械手臂总体结构组成工作原理………………………………113.2电动机的选择……………………………………………………………………123.3腕部零部件的选型和尺寸确定、相关的计算和必要的校核…………………133.3.1确定腕部的回转力矩………………………………………………………133.3.2电机的选用…………………………………………………………………143.3.3轴承的校核…………………………………………………………………163.3.4键的校核……………………………………………………………………163.4小臂零部件的选型和尺寸确定、相关的计算和必要的校核………………173.4.1电机的选择…………………………………………………………………173.4.2两锥齿轮的设计与计算………………………………………………………183.4.3轴的设计计算…………………………………………………………………203.5中臂伸缩机构的滚珠丝杠设计……………………………………………253.5.1选取确定滚珠丝杠的精度…………………………………………………253.5.2选定导程……………………………………………………………………253.5.3选定支撑方式………………………………………………………………253.5.4选定丝杠外径………………………………………………………………263.5.5选定螺母类型………………………………………………………………263.5.6计算驱动转矩………………………………………………………………283.5.7选择电机型号………………………………………………………………293.6大臂升降电动推杆选型……………………………………………………293.7基座零部件的选型和尺寸确定、相关的计算和必要的校核………………303.7.1设计基座蜗轮蜗杆减速器…………………………………………………30第四章六自由度移动机械手臂三维造型及动画制作…………………………324.1UG8.0三维软件的选择…………………………………………………………324.2各零件的三维实体模型…………………………………………………………324.3三维建模与仿真………………………………………………………………34总结…………………………………………………………………………………36参考文献……………………………………………………………………………37致谢…………………………………………………………………………………38第一章绪论1.1引言在现在的制造行业中，传统的加工方法和操作方式正在不断代地被先进制造技术代替。由于对高新技术的要求，更加促进了机器人的快速发展。比如说，无人化的车间，自动生产线等等。特别是九十年代以来，工业机器人正在朝着高速度、高的可靠性、精度高的方向发展前进，其主要表现在以下几个方面：1．机械手的结构整体布局在向着小型模块化、可重构化的方向前进发展。比如各个活动连接模块中的伺服电机模块，检测系统机模块,减速机模块一体化。2.工业机械化已经开始快速兴起。自美国94年顺利开发出了“虚拟轴机床”以后，这类新型机床由于其本身的优越性成为研究的焦点之一。3.在机器人组件中,传感器作为外界信息与的本身交流媒介作用的重要性日益凸显。除采纳传统传感器如位置、加速度、速度等传感器外，远程无线控制机器人可对触觉、声觉等多有感应，利用采取多种传感器的综合技术来进行环境建模并以此作出决策控制。在当今,机器人技术的发展趋势可大致归纳为两点:首先在横向上，机械手臂的种类日益增多，其应用范围也不断扩大;另一个则是在纵向上，现在社会对其产品精度的制作要求也越来越高，所以需要机械手臂性能也要随之不断提高，并一步一步向高智能，高精度化方向发展。21世纪，作为高新技术发展的一个研究核心—智能机器人技术变革必将继续向前发展,智能机器人技术的前进,势必引起社会经济和生产力的深刻变化，为人类社会的发展进步奠定根基。串联式机器人从某种意义上说,人是可以看作是一种智能工业机器人的，机械手臂在自动搬运物品、焊接、装配零件等工业生产现场中有着广泛的应用。使其具有紧凑的结构占用空间小，高度的灵敏性，对工作场地的适应性强等特点。作为当代工业机器人的重要组成部分之一的六自由度机械手臂，也在与时俱进。只不过普通的机械手只能完成相对简单的操作，六自由度机械手在现今的工程技术及实际工作中，较之其他二自由度或三自由度更为灵活，能更为合理地进行一些现实性的操作。1.2现状及国内外发展趋势机器人作为一种能够进行编程机械装置，可以在自动控制下去自动执行移动作业或者某种操作任务。机器人是综合了多种学科的最新的科研成果，如电子机械工程、模糊控制和计算机技术等，不仅是应用机电一体化技术的典型代表，也是现今科技发展最为活跃的因素之一[1]。愈来愈多的国家正逐步加大对机器人研究、制造和应用的投入。自机器人诞生以来，机器人技术如雨后春笋般，以非常迅速的速度向前发展，在不同领域，不同用途的机器人获得了广泛应用。20世纪80年代初，我国早就已经开始对机器人进行研究开发了。自86年开始，我国科学家们高瞻远瞩，推出了“七五”机器人攻关计划。87年，我国将机器人方面的研究列入“863”计划,这大大促进了我国机器人技术的进步。当前，我国主要是一些高等院校和如中科院的相关从事机器人方面科研院所在应用开发机器人。目前我国在工业机器人技术方面取得了一定成就。主要的研究成果有：哈工大成功开发两足步行式机器人，95年顺利完成了高压水切割机器人，93年北京自动化研究所圆满完成了喷涂机器人，沈阳自动化研究所开发了可以有电缆深潜300m以上的机器人，除此之外还有无电缆深潜机器人和远程控制移动作业机器人，00年北航研制的三指灵巧机械手，国防科技大学的两足人形机器人研制成功，华理工大学制作了弧焊、点焊机器人，还有各种机器人的装配系统等等。图1.1工业机器人手臂示意图图1.2实验室示教机器人1.3国外机器人的发展一般我们把机器人分为两大类：工业机器人和其他特种机器人[2]。由于美国62年造出了世界上第一台Unimate型当然还有Versatra型工业机器人，之后机器人在发达国家的发展非常迅速。在德国、英格兰、法国和波兰、匈牙利等国家，机器人应用及机器人制造业都受到重视，政府对此投入也很大。除了我们邻国日本外，在世界上还有许多发达国家，例如一些欧美国家的机器人产业也发展得很快。在亚洲，继日本之后，韩国的机器人产业发展迅猛，现排名世界前列。图1.3关节机械手臂图1.4六自由度机械手臂模型第二章六自由度移动机械手臂结构设计总体方案确定2.1两种总体设计方案的分析比较六自由度机器人手臂结构设计要求手臂能实现六自由度的移动或转动，以解决在实际过程中抓取物品的问题。设计的机械手臂适合中型排爆机器人的应用，抓取质量可达5kg。根据任务要求，首先制定六自由度机器人机械手臂的总体结构设计方案，进行方案比较并确定方案。方案一：如图一所示的机械手臂结构先是基座是一个旋转副，使得机械手可以旋转已达到更大的控制范围，大臂与中臂