搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)說明書課案

1、機(jī)械與裝備工程學(xué)院（2016/2017學(xué)年第1學(xué)期）課程名稱：機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)題目：搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)專業(yè)班級：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化學(xué)生姓名:學(xué)號：130200216指導(dǎo)教師:設(shè)計(jì)周數(shù)：2周設(shè)計(jì)成績：2016年12月31日目錄TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 第一章緒論1 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 1.1機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1.2機(jī)械手研究的目的、意義1 HYPERLINK l bo

2、okmark8 o Current Document 1.3設(shè)計(jì)時(shí)要解決的幾個(gè)問題1 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 第二章機(jī)械手總體方案的設(shè)計(jì)3 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 2.1機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理及組成3 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 2.2機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)及工作流程3 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 第三章機(jī)械手的方案設(shè)計(jì)及其主要參數(shù)5 HYPERLINK l bookmar

3、k18 o Current Document 3.1坐標(biāo)形式和自由度選擇5 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 3.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)5 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 3.3驅(qū)動系統(tǒng)6 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 3.4控制系統(tǒng)7 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 第四章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化8 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 4.1手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)8

4、 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 4.1.1手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)8 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 4.1.2確定氣缸直徑94.1.3氣缸作用力的計(jì)算及校核9 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 4.1.4缸筒壁厚的設(shè)計(jì)10 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 4.1.5氣缸的基本組成部分及工作原理10 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 4.2手臂結(jié)

5、構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)10 HYPERLINK l bookmark49 o Current Document 4.2.1問題描述10 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 4.2.2設(shè)計(jì)分析10 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 4.2.3建立數(shù)學(xué)模型12 HYPERLINK l bookmark61 o Current Document 4.2.4優(yōu)化計(jì)算13 HYPERLINK l bookmark63 o Current Document 4.2.5優(yōu)化結(jié)果分析16 HYPERLINK l bookma

6、rk65 o Current Document 第五章Adams運(yùn)動仿真17 HYPERLINK l bookmark77 o Current Document 總結(jié)與展望20機(jī)械手課程設(shè)計(jì)說明書機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備，它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用，隨著工業(yè)機(jī)械化和自動化的發(fā)展以及氣動技術(shù)自身的一些優(yōu)點(diǎn)，氣動機(jī)械手已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動化的各個(gè)行業(yè)。本設(shè)計(jì)中的搬運(yùn)機(jī)械手的動作由氣動缸驅(qū)動，氣動缸由相應(yīng)的電磁閥來控制，電磁閥由PLC控制。驅(qū)動執(zhí)行元件完成，能十分方便的嵌入到各類工業(yè)生產(chǎn)線中。本文中對機(jī)械手臂運(yùn)用

7、MATLAB算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，它使得優(yōu)化過程變得非常簡單、容易理解和掌握，從而避免編寫各種復(fù)雜的運(yùn)算程序，提高了設(shè)計(jì)效率。用ADAMS軟件建立虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真并優(yōu)化參數(shù)，得出了機(jī)械手的運(yùn)動過程的演示動畫，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)能有機(jī)地結(jié)合在一起，工作平穩(wěn)，并在指定的速度和負(fù)載等參數(shù)下得出了所需要的驅(qū)動力和結(jié)構(gòu)參數(shù)等。虛擬樣機(jī)代替物理樣機(jī)對工程機(jī)械進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、測試和評估，可以降低設(shè)計(jì)成本，縮短開發(fā)周期，而且設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率都可以得到提高。關(guān)鍵詞:機(jī)械手，氣動，優(yōu)化設(shè)計(jì)，仿真機(jī)械手課程設(shè)計(jì)說明書 ii第一章緒論11機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀工業(yè)機(jī)械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。工業(yè)機(jī)械手延

8、伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高溫等惡劣環(huán)境中工作：代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應(yīng)用與制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機(jī)械手與數(shù)控加工中心，自動搬運(yùn)小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。1.2機(jī)械手研究的目的、意義（1）以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成

9、本。（2）以改善勞動條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。（3）可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動化機(jī)床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于

10、有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢。1.3設(shè)計(jì)時(shí)要解決的幾個(gè)問題（1）具有足夠的握力（夾緊力）在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。機(jī)械手課程設(shè)計(jì)說明書 手指間應(yīng)具有一定的開閉角兩手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。保證工件準(zhǔn)確定位為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V

11、”形面的手指，以便自動定心。具有足夠的強(qiáng)度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳?？紤]被抓取對象的要求根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn)兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成V型。第二章機(jī)械手總體方案的設(shè)計(jì)2.1機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理及組成位置檢測裝置控制系統(tǒng)(PLC)驅(qū)動系統(tǒng)(氣壓傳動)執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖2.1機(jī)械手的系統(tǒng)工作原理框圖機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以

12、及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用氣壓傳動方式，來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運(yùn)動軌跡，有一定速度和時(shí)間的動作。同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號。位置檢測裝置隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。22機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)及工作流程機(jī)械手是一個(gè)水平、垂直運(yùn)動的機(jī)械設(shè)備，用來將工件由左工作臺搬到右工作臺。有上升、下降運(yùn)動，左移、右移運(yùn)動和夾緊、放松動作和位置控制。簡易機(jī)械手在各類全自動和半自動

13、生產(chǎn)線上應(yīng)用得十分廣泛，主要用于零部件或成品在固定位置之間的移動，替代人工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手采用上下升降加平面轉(zhuǎn)動式結(jié)構(gòu)，機(jī)械手的動作由氣動缸驅(qū)動，氣動缸由相應(yīng)的電磁閥來控制，電磁閥由PLC控制驅(qū)動執(zhí)行元件完成，能十分方便的嵌入到各類工業(yè)生產(chǎn)線中。根據(jù)要求：機(jī)械手初始位置在原點(diǎn)位置，每次循環(huán)動作都從原點(diǎn)位置開始，完成上升、下降運(yùn)動，左移、右移運(yùn)動和夾緊、放松動作和位置控制，并能實(shí)現(xiàn)手動操作和自動操作方式。當(dāng)機(jī)械手在原點(diǎn)位置下啟動按鈕，系統(tǒng)啟動，左傳送帶運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)光電開關(guān)檢測到物品后，左傳送帶停止運(yùn)行。根據(jù)分析可得出機(jī)械手的工作流程圖，如圖2.2所示圖2.2機(jī)械手工作流程圖第三

14、章機(jī)械手的方案設(shè)計(jì)及其主要參數(shù)3.1坐標(biāo)形式和自由度選擇直角坐標(biāo)型圓柱坐標(biāo)型球坐標(biāo)型關(guān)節(jié)型具有三個(gè)移動關(guān)節(jié)（PPP）具有兩個(gè)移動關(guān)節(jié)和一個(gè)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)（PPR），受部的坐標(biāo)為（z，r，0）具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個(gè)移動關(guān)節(jié)（RRP）具有三個(gè)轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)（RRR）由于其運(yùn)動方程可獨(dú)立處理，且為線性的，具有定位精度咼，控制簡單等特點(diǎn)，但操作靈活性較差，運(yùn)動速度低的特點(diǎn)這種操作機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是所占的空間尺寸較小，相對工作范圍較大，結(jié)構(gòu)簡單，手部可獲得較咼的速度。而缺點(diǎn)是手部外伸離中心軸愈遠(yuǎn)，其切向線位移分辨精度愈低。通常用于搬運(yùn)機(jī)器人。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間尺寸小，但目前應(yīng)用較少。具有結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積少，相對

15、工作空間大等特點(diǎn)，用于復(fù)雜設(shè)備當(dāng)中。圖3.1本機(jī)械手采用圓柱座標(biāo)型式，具有三個(gè)自由度，即腰關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，都為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)；還有一個(gè)用于夾持物料的機(jī)械手。32執(zhí)行機(jī)構(gòu)1、手部在本設(shè)計(jì)中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)，夾持式手部由手指（或手爪）和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指運(yùn)動形式采用平移型手指，其夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)采用帶有一定中心距的“v”形面的手指。2、手臂手臂是支承被抓物件、手部的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。3、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動和升降（

16、或俯仰）運(yùn)動均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。4、機(jī)座機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。3.3驅(qū)動系統(tǒng)液壓驅(qū)動系統(tǒng)氣動驅(qū)動系統(tǒng)電動驅(qū)動系統(tǒng)由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)咼、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動等特點(diǎn)。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機(jī)器人。但是，液壓系統(tǒng)需要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換成液壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動驅(qū)動系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會對環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單

17、，維修方便、價(jià)格低等特點(diǎn)。適用于中、小負(fù)荷的機(jī)器人中采用。但是因難于實(shí)現(xiàn)伺服控制,多用于程序控制的機(jī)器人中，如在上、下料和沖壓機(jī)器人中應(yīng)用較多。由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機(jī)及其配套的伺服驅(qū)動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）的廣泛采用，這類驅(qū)動系統(tǒng)在機(jī)器人中被大量采用。這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低。大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動機(jī)構(gòu)。直流有刷電機(jī)不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅(qū)動系統(tǒng)高。圖3.3機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)氣壓驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)：（1）能量儲蓄簡單易行，可以獲得短時(shí)間的高速動作:（2）夾緊時(shí)無能量消耗，不發(fā)熱；（3）柔軟，安全性高；（4）體積小，重量

18、輕，輸出質(zhì)量比高；處理簡便，成本低川。由于氣壓傳動系統(tǒng)具有以上所述優(yōu)點(diǎn)，所以本機(jī)械手采用氣壓傳動方式。3.4控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成。該機(jī)械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動作順序、運(yùn)動軌跡、運(yùn)動速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號。相對于其他控制系統(tǒng)，PLC具有如下優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高；控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通用性強(qiáng)；編程方便

19、，使用簡易；功能完善；設(shè)計(jì)、施工和調(diào)試的周期短；體積小，維護(hù)操作方便同。第四章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化4.1手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)4.1.1手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì)夾緊氣缸的夾緊、驅(qū)動力的確定，工件重5kg。(g=9.8N/kg)(1)夾緊力：GF夾=4fXcos8(其中0=45,G=49N,f=0.1)F夾二=174(N)F大4X0.1Xcos4501(2)驅(qū)動力(4.1.2)廠2bXNXtgaF二驅(qū)c(其中b=50,c=30,a=23)故F驅(qū)二2X50X174tg23030=250(N)(4.1.3)FJ驅(qū)込込實(shí)際n其中K1：安全系數(shù)，一般取1.22取K1=1.5；K2：工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，K

20、2可近似按下式估計(jì),K2=1+-式中a為被抓取工件運(yùn)動時(shí)的最大加速度，a=tgtv：升降速度0.2m/s,t：機(jī)械手達(dá)到最高速度的響應(yīng)時(shí)間為0.1s,g為重力加速度g=9.8m/s2。如/0.2那么：K2=1+o.ix9.8=1.204;n:手部機(jī)械效率，一般取0.850.95取n=0.85（滾動摩擦）F實(shí)際=250X1.5X1.2040.85=531(N)4.1.2確定氣缸直徑取空氣壓力為P空氣二0.5MPa=5X105Pa,D=4F實(shí)際nXP空氣(4.1.4)4X531nX5X105=0.0368(m)=36.8(mm)圓整氣缸直徑D=40mm4.1.3氣缸作用力的計(jì)算及校核氣缸nXD2X

21、P空氣(4.1.5)F丿X(40X10-3)2X5X105=628(N)氣缸4因?yàn)镕氣缸F實(shí)際，所以滿足設(shè)計(jì)要求。由d/D=0.20.3,可得活塞桿直徑:d=（0.20.3）D=812mm圓整后，取活塞桿直徑d=12mm校核，按公式(4.1.6)Fn/4d2其中o=120MPa,F實(shí)際=531N則：d三(4X531/nX120)1/2=2.37mm12mm滿足設(shè)計(jì)要求。4.1.4缸筒壁厚的設(shè)計(jì)缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算：6二DP/2o(4.1.7)式中：6缸筒壁厚mmD氣缸內(nèi)徑，40mmPP實(shí)驗(yàn)壓力，取PP=

22、1.2P=6X105Pa材料為：ZL3,o=3MPa代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為：6二DPP/2o=40X6X105/2X3X106=4mm取6=4mm，則缸筒外徑為:D=40+4X2=48mm。于是選擇SC-40X50型的夾緊氣缸。4.1.5氣缸的基本組成部分及工作原理氣動手爪的開閉是通過由氣缸活塞產(chǎn)生的往復(fù)直線運(yùn)動帶動與手爪相連的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，驅(qū)動各個(gè)手爪同步做開、閉運(yùn)動。4.2手臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)4.2.1問題描述機(jī)械手臂作為機(jī)器人的一個(gè)重要組成部分，一直是機(jī)器人科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常是一多解問題。目前，還未形成完備的設(shè)計(jì)方案。這里針對具體實(shí)例,運(yùn)用目前較為流行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算來

23、調(diào)整截面尺寸和手臂長度，使其在滿足強(qiáng)度、剛度和尺寸要求的前提下，得到最優(yōu)尺寸和最小質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。4.2.2設(shè)計(jì)分析手臂運(yùn)動由提升重物的豎直運(yùn)動與帶動重物旋轉(zhuǎn)的水平回轉(zhuǎn)運(yùn)動組成。手臂自重相對于重物來說，對手臂強(qiáng)度計(jì)算的影響較小，可不作考略，故設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮重物G的作用。手臂受力如圖4.2.1所示。圖4.2.1機(jī)械手臂受力圖(1)抗拉強(qiáng)度條件如圖4.2.1所示，手臂N點(diǎn)處受到最大拉應(yīng)力max,max是由彎矩M產(chǎn)生的拉應(yīng)力M1與向心力F產(chǎn)生的應(yīng)力62組成。其中1=Wz式中，Wz為抗彎截面系數(shù)，僅與截面形狀、尺寸有關(guān)。對于外徑為D，內(nèi)徑為d的圓環(huán)截面有：兀D3dWz=321-(D)4(4.2.

24、1)M=GL(4.2.2)F02=A式中，A為手臂橫截面積(m2)，DD-T1A=兀(2)2(2)2=4兀(2DT-T2)(4.2.3)F=m1L2(4.2.4)據(jù)抗拉強(qiáng)度條件有：MfN.bman=Z+As(4.2.5)將式(4.2.1)(4.2.2)(4.2.3)(4.2.4)及已知數(shù)據(jù)代入式(4.2.5)，取g=10m/s2(下同)，計(jì)算整理得：120D3-970D2+34D-6.4LD0(2)抗剪強(qiáng)度條件手臂N點(diǎn)處所受剪應(yīng)力最大。因圓環(huán)截面壁厚T遠(yuǎn)小于外徑D,故最大剪應(yīng)力為:據(jù)抗剪強(qiáng)度條件有;Tmax=2QN(4.2.6)Tman=2AWT(4.2.7)將己知數(shù)據(jù)代入式計(jì)算整理得:D20

25、.2(cm)(3)剛度條件如圖4.2.1所示，受力分析得，M點(diǎn)處撓度最大。據(jù)剛度條件GL3Lman=五=(4.2.8)式中，E為材料的彈性模量(GPa)；I為截面慣性矩(cm4).兀1=64(D4-d4)(4.2.9)將式(4.2.8)及己知數(shù)據(jù)代入式(4.2.9)計(jì)算整理得:30D3-18D2-0.64L220(4)結(jié)構(gòu)尺寸限制D2TL40(cm)4.2.3建立數(shù)學(xué)模型優(yōu)化設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)是機(jī)械手臂的質(zhì)量m2最小。m2的計(jì)算表達(dá)式為:1YY-兀D-(D-2T)Lpm2(x)=M(%，兀2)=42=0.005LD-0.001L式中，設(shè)計(jì)變量Z1，%2心L，DT由第二步設(shè)計(jì)分析計(jì)算得D的值約3.5

26、cm，故式(4.2.10)可簡化為：(4.2.10)m2(x)=0.0046LD顯然，L、D越小，m2值越小。據(jù)此，可寫出優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型1：minm2(x)=0.0046LDx=L,DTs.t.120D3-97D2+34D-6.4LD20D20.2(cm)30D3-18D2-0.64L220DTL40(cm)此數(shù)學(xué)模型是一個(gè)單目標(biāo)非線性二維約束優(yōu)化問題。4.2.4優(yōu)化計(jì)算我們將用于求解優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的方法或?qū)?yōu)的方法稱為優(yōu)化計(jì)算方法。對于機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，求解常常需要經(jīng)過多步迭代，最終收斂得到最優(yōu)解1。這里運(yùn)用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法的理論，根據(jù)數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，利用MATLAB6.5軟件進(jìn)行輔助優(yōu)化

27、計(jì)算與設(shè)計(jì)，以求得機(jī)械手臂的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)234。(1)函數(shù)的性態(tài)分析應(yīng)用MATLAB6.5編程：x,y二meshgrid(linspace0,6,30),linspace(0,50,30);M=0.0046*y*x;mesh(x,y,M);%根據(jù)函數(shù)的定義劃分網(wǎng)格區(qū)域%目標(biāo)函數(shù)%通過三維網(wǎng)格模擬目標(biāo)函數(shù)圖形在MATLAB6.5下運(yùn)行程序可畫出目標(biāo)函數(shù)的三維圖形，如圖4.2.2所示:圖4.2.2目標(biāo)函數(shù)的圖像Fig.2ThefunctiondiagramofM=.0.0046LD0WxW10，0WyW50同樣，通過編程，MATLAB6.5可繪出各約束函數(shù)的圖形。程序如下：ezplot(120*x

28、3-97*x2+34*x-6.4*y*X，0,10,0,50)%抗拉強(qiáng)度條件的圖形，holdony=0：0.1：50；X=.O.2；%抗剪強(qiáng)度條件的圖形，k指圖形顏色為黑色plot(x,y,k)holdonezplot(30*x3-18*x2-0.64*y2,0,10,0,50)%剛度條件的圖形圖4.2.3設(shè)計(jì)變量的可行域holdony=0：0.1：50；x=0.4；plot(x,y,k)%截面尺寸邊界條件圖形holdonx=0：0.1:10；y=40；plot(x,y,m)%長度尺寸邊界條件圖形，m指圖形顏色為紫紅色holdontitle(各個(gè)約束函數(shù)圖像)%標(biāo)注圖形名稱text(4,45,

29、可行域)%注明可行域區(qū)域holdoff運(yùn)行程序繪出約束函數(shù)的圖形，如3所示:Fig.3Feasibleregionofvariabledesign由圖2可以看出：目標(biāo)函數(shù)的圖像規(guī)則，即性態(tài)好，對于多數(shù)優(yōu)化方法均適用。對圖3可行域分析可知，實(shí)際起約束作用有：剛度條件：30D3-18D2-0.64L220結(jié)構(gòu)尺寸限制條件：L-4020所以，計(jì)算時(shí)只須考慮這兩個(gè)條件。這樣就大大簡化了計(jì)算過程。(2)應(yīng)用MATLAB軟件求解編與目標(biāo)函數(shù)的m文件:objfun.m,返回x處的函數(shù)值f。functionf=0bjfun(x)f=0.0046*x(l)*x(2);因設(shè)計(jì)約束含非線性約束，故需編寫一個(gè)描述非線

30、性約束的m文件:NonLinConstr.mfunctionc,ceq二NonLinConstr(x)c=30*x(l廠3+18*x(l廠2+0.64*x(2廠2；ceq=；給定變量的初值，并調(diào)用優(yōu)化函數(shù)：x0=440；A=0-1；b=-40；lb=zeros(l,1);%賦0語句options=optimset(Display，iter,LargeScale,off)；x,fval,exitflag,output二fmincon(Objfun,xO,A,b,lb,NonLinConstr,options)計(jì)算結(jié)果：X=%最后的優(yōu)化結(jié)果%D.3.8160cm,L=40cm%優(yōu)化后的最小質(zhì)量%m

31、2min=0.7021kg%算法退出處條件%函數(shù)調(diào)用次數(shù)%函數(shù)賦值次數(shù)%步長3.816040.0000fval=0.7021exitflag=1outplot二Iterations：2funcCount：11Stepsize：1Algorithm：medium-scale:SQP,Quasi-Newton,line-search%算法firstorderopt:0.1840%第一優(yōu)化命令的長度cgiterations:經(jīng)11次迭代計(jì)算后，求得最優(yōu)方案為:D=3.8160cm2,L=40cm3,m2=0.7021kg4。4.2.5優(yōu)化結(jié)果分析對機(jī)械手臂運(yùn)動受力進(jìn)行分析，求得滿足強(qiáng)度、剛度和結(jié)構(gòu)尺

32、寸的方程，并建立了優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上編制程序求得手臂的最小質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了手臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)是運(yùn)用MATLAB算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，它使得優(yōu)化過程變得非常簡單、容易理解和掌握，從而避免編寫各種復(fù)雜的運(yùn)算程序，提高了設(shè)計(jì)效率。設(shè)計(jì)值與所求近似值很接近，說明其具有相當(dāng)?shù)目尚哦?，并且?yōu)化結(jié)果可以明顯降低加工成本，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。第五章Adams運(yùn)動仿真建模如圖5.1圖5.1機(jī)械手模型添加約束在立柱上，大臂與小臂之間，小臂與手爪之間分別添加轉(zhuǎn)動副。添加驅(qū)動分別在三個(gè)轉(zhuǎn)動副上添加角速度為30度/秒的驅(qū)動。設(shè)置運(yùn)動函數(shù)(motion)立柱：STEP(time,0,0d,24,12

33、0d)+STEP(time,48,0d,72,-120d)機(jī)械臂：STEP(time,24,0d,33,45d)+STEP(time,39,0d,48,-45d)手爪1：STEP(time,33,0d,36,15d)+STEP(time,36,15d,39,0d)手爪2：STEP(time,33,0d,36,T5d)+STEP(time,36,-15d,39,0d)機(jī)械手的運(yùn)動過程：立柱向左(右)旋轉(zhuǎn)120度大臂向下轉(zhuǎn)動45度手爪開、合(夾持物體)大臂向上轉(zhuǎn)動45度立柱向右(左)旋轉(zhuǎn)120度(回到原位)。生成曲線(Measure)在仿真結(jié)束后，進(jìn)行測量輸出。ADAMS的測量功能非常廣泛，不僅可

34、以在仿真分析過程中跟蹤繪制感興趣的變量，以便跟蹤了解仿真分析過程，同時(shí)還可以在仿真分析結(jié)束后繪制有關(guān)變量的變化線。在這里我們測量手爪隨時(shí)間的角速度變化，得圖5.2和圖5.3所示曲線圖。圖5.2和圖5.3中可以清楚地看到機(jī)械手爪全部位移運(yùn)動大部分集中在33-39s內(nèi)，也就是說，腰關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)已經(jīng)基本達(dá)到所需位置。X7.5-7.5二dr5hoLizhu日RAV_MEA_110.00.037.575.04.0圖5.2手爪x方向角速度Time:72.000A-Current:-1.287e-005卜shouzhuazRAVMEA37.50.D75.0圖5.3手爪z方向角速度jixiebixtorqueMEA3j圖5.4機(jī)械臂x方向受的驅(qū)動力Qjixie