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四自由度机械手设计与仿真毕业设计
本科生毕业论文（设计）
题目：
四自由度机械手设计与仿真
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摘要
机械手广泛的应用于工业、农业等领域中，发挥着重要的作用。
四自由度机械手作为一种主要的形式，具有重要的研究意义。
本文基于虚拟样机技术，完成了四自由度机械手机械系统的设计与仿真。
论文提出了基于虚拟样机技术的机械手设计思想和总体设计方案。
利用三维设计软件CAXA2007进行了机械手零部件的设计。
在此基础上，利用动力学仿真软件ADAMS2004对机械手进行了虚拟样机建模与仿真，分析机械手设计中存在的缺陷，并进行了相应的改进。
为了便于机械手的数控加工，利用CAXA2007软件中的数控加工模块对机械手零部件进行了数控加工编程。
四自由度机械手机械系统的设计与仿真为实际的物理样机制造奠定了基础。
关键词：
机械手；四自由度；三维设计；虚拟样机；数控加工
Abstract
Themanipulatorhasbeenwidelyusedinindustryandagriculture,andithasplayedagreatroleinthosefields.Themanipulatorwithfourfreedomofmotionisanimportantformandhassignificantresearchvalue.Thisarticledesignedthemechanicalsystemofamanipulatorwithfourfreedomofmotionbasedonvirtualprototypetechnology.Thisarticleproposedthedesignthoughtanddesignplanofthemanipulator.Basedonthiswork,themechanicalsystemofthemanipulatorwasdesignedbasedonCAXA2007.Then,themanipulatorwasmodeledandsimulatedbasedonADAMS2004.Torealizephysicalmachining,thisarticleintroducedthecomputernumericalprogrammingofthemanipulator.Thedesignandsimulationofthemanipulatorisagoodbasisofthefollowingphysicalmanufacture.
Keywords：
themanipulator;fourfreedomofmotion;threedimensionaldesign;virtualprototype;numericalcontrolmachining
目 录
四自由度机械手设计与仿真
前 言
机械手是能够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[1]。
它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手主要由手部和运动机构组成。
手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。
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[2]。
机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
机械手通常用作机床或其它机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等。
有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手[3]。
1总体方案设计
1.1四自由度机械手系统设计
四自由度机械手系统由机械本体结构、伺服驱动系统、计算机控制系统、传感系统和通信接口等部分组成[4]。
1.1.1机械本体结构
从机构学的角度来分析，机器手机械结构可以看作由一系列连杆通过旋转关节（或移动关节）连接起来的开式运动链。
1.1.2关节伺服驱动系统
机械手本体机械结构的动作靠的是关节驱动，机器人的关节驱动大多是基于闭环控制的原理来进行的。
常用的驱动单元是各种伺服电机，由于一般伺服电机的输出转速很高（1000r/min~10000r/min），输出转矩小，而关节需带动的负载的转速不高，负载力矩却不小。
因此，在电机与负载之间用一套传动装置来进行转速和转矩的匹配。
1.1.3计算机控制系统
各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后在每个采样周期给出。
计算机通过轨迹规划，得到空间轨迹在各采样时刻的数据，通过逆运动学计算把空间数据转变为各关节的指令值。
通常的机械手采用主计算机与关节计算机二级计算机控制。
有时为了实现智能控制，还需对包括视觉在内的各种传感信号进行采集、处理并进行人工智能的模式识别、问题求解、任务规划、决策判断，这时须由三级计算机系统结构。
1.1.4感知系统与通信接口
机器人要正常地进行工作，必须与周围环境保持密切的联系。
除了关节伺服驱动系统中供反馈用的位置、速度、加速度的传感器（称为机械手的内部传感器），机械手还可配备视觉、力觉、触觉等多种类型的传感器（称为机械手的外部传感器），以及传感信号的采集处理系统。
由于研究时间、资金、实验等条件所限，本论文仅讨论机械手的机械系统设计与仿真。
1.2四自由度机械手机械系统设计思想
首先利用CAXA2007三维制图软件作为辅助设计工具进行四自由度机械手的机械零件设计，建立三维模型。
然后，经虚拟装配后，利用ADAMS2004软件，生成虚拟样机，进行机械系统虚拟样机分析，分析其运动轨迹及机械零部件的干涉现象。
最后，利用CAXA2007软件中的数控加工模块，编写机械零部件的数控加工程序。
根据以上工作，便可以实际加工出物理样机。
1.3四自由度机械手的总体方案
1.3.1机械手自由度的选择
机械手运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。
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。
在考虑机械手用途、成本及技术难度等问题后，本论文选择机械手的自由度为4个，末端执行器（夹持器）可以自由开合，能够完成物体的抓、移、放动作。
机械手的原理如图1所示。
1.3.2机械手机械系统的整体设计
本论文设计的四自由度机械手由底座、一号电机齿轮、左右支梁、中心直齿轮、第一臂右板、夹持器活动节、夹持器固定节、四号电机、三号电机、二号电机、一号电机和转动底座组成，机械手整体结构如图2所示。
1.4四自由度机械手的数学描述
机械手具有四个自由度，其末端执行机构位置相对于机械本体不断的变化。
如果要对末端执行器进行精确的控制，则要对其空间位置进行精确的描述。
应用齐次坐标变换不仅能够对坐标进行描述，也能够表达控制算法、计算机视觉和计算机图形学等问题[5]。
2四自由度机械手零部件的三维设计
2.1三维设计软件CAXA简介
CAXA是北京航空航天大学开发的一套三维设计软件，拥有几大模块，如CAXA数控加工模块、制造工程师模块、电子图版模块和实体设计模块等[6]。
本文利用CAXA软件设计机械手的机械零部件，包括机座、手臂、手腕、夹持器以及传动与驱动装置。
2.2机械手关键零部件设计
机械手的关键零部件是齿轮传动设计，根据机械手的要求，设计的齿轮参数如下：
（1）传动比为i=3:
1；
（2）两齿轮模数为m=2.0；
（3）压力角为β=20；
（4）中心距选择α=167mm。
大齿轮设计：
大齿轮分度圆直径D1=mZ=α×3/4=167×3/4=125mm，近似取120mm；齿数Z1=120/2=60个；齿高计算h=ha+hf=（2ha*+c*）m=5.0mm；取齿轮厚度20.0mm。
设计的中心大齿轮如图3所示。
小齿轮设计：
分度圆直径D2=1/3D1=41.3mm，近似取40mm；齿数Z2=1/3Z1=20个，设计的小齿轮如图4所示。
齿轮的三维实体造型图如图5所示。
2.3机械手其它零部件设计
利用CAXA软件对机械手的其它机械零部件设计，如图6至图9所示。
2.4机械手驱动电机选型
伺服电机是一种微容量的电动机，应用于自动测控装置的电路中，其作用是将电信号转换成轴上的角位移或角速度，控制信号强和弱时相应的旋转速度就快和慢，且其转向取决于控制信号的极性[3]。
伺服电机可分为交流和直流两大类，小功率的自动控制系统中多采用交流伺服电机，其功率一般在100W以下，且多制成两极；稍大功率的自动控制系统中多采用直流伺服电机，其功率一般为1~600W，也可达数千瓦。
本论文对于机械手的关节驱动机构选用交流伺服电机，选择电机的一个重要参数就是驱动功率。
例如计算一号电机的功率步骤如下，首先采用公式为
（1）和
（2）简化已设计好的机械手模型[7]。
（1）
（2）
假设手臂的简化质量为
=5.0kg，重物的质量为
=5.0kg，机械系统其它转动件的质量为
=5.0kg，总质量为m=
+
+
=15.0kg，手臂简化长度为L=200mm=0.2m，近似得到转动惯量为J=15×0.22=0.6kgm2。
设电机经减速后作用在机械手臂上的转速为n=20r/min即ω=2.094rad/s，电机自身的角速度为ω=6.28rad/s，
=0.5×0.6×
=1.315W，机械手计算简化图如图10所示。
由上面所述可以选择驱动电机的型号，电机型号含义如图11所示。
例如36SL04表示的频率为400HZ，机壳外径为36mm，第四种性能参数的笼行交流伺服电动机，技术参数如表1所示，电机型号选择如表2所示。
表1SL系列两相交流伺服电动机的技术数据
型号
极数
频率（Hz）
每相输入（W）
额定输出（W）
空载转速
电机时间常数
28SL02
6
400
6.5
1.0
6000
20
28SL03
6
400
6.5
1.0
6000
20
36SL01
8
400
8.5
1.6
4800
20
36SL02
8
400
8.5
1.6
4800
20
36SL03
8
400
8.5
1.6
4800
20
36SL04
6
400
8.5
2.0
9000
35
表2电机型号选择36SL01—36SL03
电机
运动范围
型号
一号电机
0°—360°
36SL02
二号电机
0°—90°
36SL03
三号电机
0°—105°
28SL03
四号电机
0°—180°
28SL02
根据选择电机的型号查说明书即可得到电机的外形尺寸参数，根据这些参数便可以绘出电机的三维实体造型图，如图12所示。
2.5材料及标准件的选择
工程塑料是指能作为结构材料在机械设备和工程结构中使用的塑料。
它们的力学性能较好，耐热性和耐腐蚀性也比较好，这类塑料主要有：
聚酰胺、聚甲醛、有机玻璃、聚碳酸脂、ABS塑料、聚苯醚、氟塑料等[8]。
ABS塑料具有坚韧、质硬、刚性的特点，塑料性好，原料易得，价格便宜，所以在机械加工、电器制造、纺织、汽车、飞机、轮船、化工等工业中得到广泛应用。
本文机械手的机械骨架拟选择ABS塑料。
机械手机械零部件连接标准件的选择也是一个不容忽视的问题，以中心转动轴垫块螺栓为例说明。
此处连接件采用螺栓连接，型号为M5，螺栓的三维实体图如图13所示。
此处中心轴承选择型号为BZ精密轴承，主要参数为轴径20mm，外径52mm，高度15mm，外形如图14所示。
2.6机械本体的虚拟装配
公差与配合是机械设计与制造的重要一环，主要包括：
确定基准制、公差等级与配合种类。
选择原则是既要保证机械产品的性能优良，同时兼顾制造上的经济可行[9]。
基准制包括基孔制和基轴制两种，四自由度机械手的机械本体需要的精密要求不高，大部分零件的配合采用基孔制，公差等级采用IT7—IT12，，配合分为间隙、过渡、过盈三种配合方式，如表3所示。
表3优先配合选用表
电机配合种类
运动范围基孔制
型号基轴制
间隙配合
过渡配合
过盈配合
机械手的各个机械零部件设计完成，并选择好公差配合后，便可以进行总的机械手装配，机械手装配时的爆破图如图15所示，得到机械手的三维装配图如图16所示。
3四自由度机械手的虚拟样机建模与分析
3.1虚拟样机技术概述
虚拟样机是建立在计算机上的原型系统或子系统模型，它在一定程度上具有与物理样机相当的功能真实度，采用虚拟样机技术可以提高机械产品的研制效率。
虚拟样机的代表性软件是ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem）软件[10]。
ADAMS是美国MDI（MechanicalDynamicsInc.）公司开发的机械系统动力学仿真分析软件，它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。
ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元分析等[11]。
对设计阶段的产品进行虚拟性能测试，达到提高设计性能、降低设计成本、减少产品开发时间的目的。
随着产品复杂程度越来越高，产品开发周期越来越短，直接开发价格昂贵的物理样机，其风险程度也相应的变大。
如何能在物理样机制造出之前就能验证其性能，检测出错误的地方从而加以改正，降低产品设计失败的风险，一个行之有效的方法就是通过虚拟样机进行仿真模拟。
在未真正生产产品前就进行仿真模拟，提前知道产品的各种性能，防止各种设计缺陷的存在，提出改进意见[12~14]。
本论文拟采用ADAMS软件对四自由度机械手进行虚拟样机建模与分析，通过虚拟样机仿真，发现机械手设计过程中的错误，及时改正，为后续的物理样机研制奠定基础。
3.2四自由度机械手的虚拟样机建模
3.2.1CAXA与ADAMS的无缝连接
CAXA软件可以实现与ADAMS2004软件的无缝连接，将设计好的机械手三维实体以装配件的形式导入ADAMS2004，过程如下所述。
首先，将用CAXA2007软件建立的四自由度机械手的三维模型以*x_t的形式输出。
然后，打开ADAMS2004软件，选择菜单FILE下的子菜单import，打开的对话框下选择FileType为Parasolid（"*.Xmt_txt"，".X_t"...），并在FileToRead对话框中，右击选择Browse选择原来保存的*x_t格式的文件。
最后，定义一个ModleName的名字，按OK键，再选择菜单Edit中的Modle，此时模型便全部导入[10]。
ADAMS2004软件的界面如图17所示，机械手三维实体的导入如图18所示。
3.2.2机械手虚拟样机建模
利用ADAMS2004软件对设计的机械手的机械本体进行动态仿真过程中，为了简化分析和计算，可以只保留关键部件，忽略无关零部件，以便于观察，仿真过程如图19和图20所示。
3.3仿真结果分析
机械手虚拟样机仿真结束后的生成曲线图如图21所示，机械手运动轨迹如图22所示。
通过对机械手的运动仿真，分析生成曲线图和运动轨迹图，可以看到各个机械零件没有干涉发生，表明设计基本合理。
前提条件是各个转动关节必须在一定的转动角度内转动，没有超程现象。
可以通过限制各个关节即各转动副的驱动电机的转动角度来实现。
4四自由度机械手机械零部件的数控加工编程
4.1数控加工简介
机械手的机械本体应用虚拟样机技术进行结构优化后，需要对各零件进行加工。
CNC（ComputerNumericalControlSystem）技术是计算机辅助加工的载体，利用它可提高精度，降低劳动强度。
CNC将传统的加工机床用计算机进行控制，能够在程序的导引下，自动加工，加工效率高。
应用相关软件可进行加工程序的自动生成，与数控机床配合加工，节省时间，加工精度高[15]。
本论文采用CAXA2007软件中的数控加工模块进行数控加工编程，可以直接配合数控机床使用。
4.2数控加工的基本流程
数控加工编程有手工编程和利用软件自动编程两种方式，数控加工的基本步骤如图23所示。
4.3数控车床加工编程
车削加工适用于回转体的零件，机械手中的回转体零件都可以用数控车削加工。
例如，对机械手转动架轴进行数控编程，做出转动架轴的右半部分，如图24所示。
对做出的图形进行粗加工轨迹生成，并生成代码。
选择加工时，有粗加工和精加工。
通常加工工艺的划分是不同的，有的零件需要先粗加工再精加工，有的则还需要磨削加工。
采用软件生成自动加工代码后，需要对不同的加工方法进行区分。
机械手转动架轴的数控车削加工轨迹曲线如图25所示，仿真加工图如图26所示。
采用CAXA2007软件自动生成的部分代码如下所示。
//
01234
N10G50S0
N12G00G97S600T010
N14M03N16M08N18G00X88.203Z25.419
N20G00X89.614Z0.803
N22G00X79.614Z0.803
N24G00X78.200Z0.095
N446G01X20.200Z-29.900F10.000
N448G01X20.400Z-29.900
……
//
4.4数控铣床加工编程
数控铣床适用于加工箱体类及复杂曲面零件，对机械零件进行钻孔、切槽类操作。
机械手中适合采用数控铣床加工的零件，可以通过应用CAXA制造工程师模块，将设计好的机械零件导入，实现数控加工编程。
机械零件的导入如图27所示，生成的加工轨迹曲线如图28所示。
利用加工轨迹曲线，可以自动生成加工代码，部分代码如下所示。
//
（zhuandongjia.cut,2008.5.1,9:
45:
38.522）N716X143.966Y64.642
N10G90G54G00Z60.000N720X0.712
N12S1000MN718X143.439Y64.900
N14X1.667Y-0.100Z60.000N726M05
N16Z50.000N728M30
N722Z50.000F800
//
机械零件的数控加工仿真过程如图29和图30所示。
自动生成的加工代码不能直接应用于实际的加工，需要对代码进行验证。
验证的方法有两种，一种是利用仿真软件在电脑上进行实际加工过程的模拟；另一种是将生成的代码输入到数控机床中，利用机床的仿真功能进行代码的验证。
代码验证无误后，便可以进行实际加工。
结论
本论文针对四自由度机械手的机械系统展开研究，主要完成了如下工作。
（1）提出了基于虚拟样机技术的四自由度机械手机械系统的设计思想，利用三维设计软件CAXA2007完成了机械手零部件的设计，绘制了机械手的零件图和装配图。
（2）利用动力学仿真软件ADAMS2004对设计出的机械手进行了虚拟样机建模与分析，并对不合理的零部件做了相应的改进。
（3）利用CAXA2007软件中的数控加工模块对机械手零部件进行了数控加工编程，为加工最终的物理样机奠定了基础。
本论文只是进行了四自由度机械手机械系统的虚拟设计与仿真，后续研究工作中，可以加工出实际的物理样机进行相应的实验和分析。
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附录四自由度机械手装配图与零件图
致谢
我的毕业设计能够顺利完成，是因为得到了指导老师孙群博士的全面、细致的指导。
孙老师在毕业设计的整个过程中都给予了我悉心的指导和无私的帮助。
孙老师渊博的知识、务实的工作作风也是我学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。
另外，汽车与交通工程学院在毕业设计时为学生提供了很多便利条件，感谢学院的关心和照顾！
感谢所有帮助我的人！
这半年的毕业设计使我学到了许多知识，开阔了眼界，这些新方法和理论一定会使我受益终身。
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