數(shù)控鏜銑床換刀機械手升降機構(gòu)的設計含SW三維及7張CAD圖
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附錄1外文翻譯
具有動態(tài)特性約束的高速靈活的機械手優(yōu)化設計
摘要：本文提出了一種強調(diào)時間獨立和位移約束的機器手優(yōu)化設計理論，該理論用數(shù)學編程的方法給予了實現(xiàn)。將各元件用靈活的連桿連接起來。設計變量即為零件橫截面尺寸。另用最關(guān)鍵的約束等量替換時間約束。結(jié)果表明，此方法產(chǎn)生的設計結(jié)果比運用Kresselmeier-Steinhauser函數(shù)，且利用等量約束所產(chǎn)生的設計方案更好。建立了序列二次方程基礎上的優(yōu)化設計方案，且設計靈敏度通過總體有限偏差來評定。動態(tài)非線性方程組包含了有效運動和實際運動的自由度。為了舉例說明程序，設計了一款平面機器人，其中利用某一特定的方案并且運用了不同的等量約束進行了設計。 版權(quán)屬于 1997年埃爾塞維爾科技有限公司
1． 導論
目前對高速機器人的設計要求越來越高，元件質(zhì)量的最小化是必不可少的要求。傳統(tǒng)機器手的設計取決于靜態(tài)體系中運動方式的多樣化，但這并不適合于高速系統(tǒng)即應力和繞度均受動力效應控制的系統(tǒng)。為了防止失敗，在設計的時候必須考慮到有效軌跡和實際運動軌跡之間的相互影響。
在暫態(tài)負載下對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行設計已經(jīng)開始展開研究，該研究是基于下面幾個不同的等量約束條件下進行的，分別為對臨界點的選擇上[1] ， 反約束的時間限制[2] ，和Kreisselmeier - Steinhauser函數(shù)[3,4]的基礎上進行研究。在選擇臨界點時，假定臨界點的位置的時間是固定的，然而這種假設不適合高速系統(tǒng)。第二個辦法的缺點是等量約束在可行域內(nèi)幾乎為0，因此現(xiàn)在還沒有跡象表明這些約束是否重要。使用Kreisselmeier - Steinhauser函數(shù)在可行域中產(chǎn)生了非零的等量約束，但它定義了一個保守的約束，從而產(chǎn)生了一個過于安全的設計方法。
在設計機器手的時候，常規(guī)方法是考慮多靜態(tài)姿態(tài)[5-7]，而不是考慮時間上的約束。這種方法并不適合高速系統(tǒng)，原因是一些姿態(tài)不能代表整個系統(tǒng)的運動，此外，位移和應力的計算也是不準確的，這是因為在計算的時候省略了剛性和彈性運動之間的聯(lián)系。事實上，這種聯(lián)系是靈活多體分析中最基本的[8-10] 。
在這項研究中，開發(fā)了一種設計高速機械手的方法，這種方法考慮了系統(tǒng)剛性彈性運動之間的聯(lián)系及時間獨立等約束。把最關(guān)鍵的約束作為等量約束。 最關(guān)鍵的約束的時間點可能隨著設計變量值的變化而變化。反應靈敏度由整體偏移所決定，設計的最優(yōu)化取決于序列二次方程式。為了說明程序， 對雙桿平面機器手的強度和剛度進行了優(yōu)化。設計結(jié)果與那些采用了Kreisselmeier - Steinhauser函數(shù)的機器手進行對比。
2、設計理念
在這一節(jié)中，機器手的優(yōu)化設計方法使用用于計算強度和剛性的非線性數(shù)學編程方法。機器手由N個活動連桿組成，每一個連桿由Ek個有限零件柱組成。其目的是盡可能的減小機械手的質(zhì)量。與強度關(guān)聯(lián)的約束主要是應力元素和剛性約束。這些約束將使得有效運動的位移產(chǎn)生偏移。設計變量就是連桿和零件的截面特性。
從數(shù)學上來說，目標函數(shù)應滿足這樣的約束:
（1）其中和分別是第k個機構(gòu)的第i個零件的密度和體積，x是設計變量的矢量，是時間約束總數(shù)。在驗證位移和應力的時候，參考文獻[10]中的遞推公式可用來計算機器手有效軌跡與實際軌跡。
將連桿的變形與連桿參照系聯(lián)系起來，其中在一定邊界約束條件下做完整運動。這樣通過縮小模型就可以減少每個連桿的實際自由度數(shù)了。
系統(tǒng)的廣義坐標系是由連桿變量和模塊變量組成的。微粒P的運動速度可表式為
(2)
其中和是相互制約的系數(shù)。
凱恩（Kane）等人的方程式[12]曾被用來測定一些運動方程式如 (3)
其中是整體速度向量，F(xiàn)是合成外力向量，M、Q還有分別為總質(zhì)量、柯氏力、地心引力和彈力，計算公式如下：
（4）
（5）
(6)
其中上標r和f分別代表有效自由度和實際自由度。K為對角矩陣，其對角線上的子矩陣是減少了的有效矩陣以連桿變量的形式出現(xiàn)的。為了驗證子矩陣在方程（4，5）中是否正確，和可表示如下：
p, r=1,2,3; q=1,…,; s=1, …,12 (7a)
p, r=1,2,3; q=1,…,m; s=1,…12 (7b)
其中是元件形狀函數(shù)，是連桿變量數(shù)，m是模塊變量數(shù)。方程式中的標注即多次出現(xiàn)的下標指數(shù)是以概括的形式出現(xiàn)的，這些下標只不過是公式的一部分，并不表示某一含義除非特定指明。這些子矩陣可表示成：
其中和；z,u=1,2,3； s,v=1,…,12是時間變量，是第k個機構(gòu)的第i個元件的質(zhì)量。在定義和時，柯氏力和地心引力可由下列算式計算出來：
這個運動方程式綜合了變量步長和變量預測校正的算法，以獲取坐標系和中的時間記錄。于是，有關(guān)物體參考系的節(jié)點位移可由模塊轉(zhuǎn)換公式獲得。由應力與位移關(guān)系式計算出零件受到的壓應力。整個參考系中各點的位移可用和機架的各節(jié)點位移算出。點的偏移可由那個點在實際運動和有效運動的位移差精確的求出。
應當指出的是，在運動方程式中，設計變量函數(shù)的形式有矩陣，零件的質(zhì)量和初始矢量中的、陣列。因此在對靈敏度進行分析的時候，這些都應與設計變量區(qū)分開來。然而，分析并且驗證靈敏度在這次研究中是個非常困難的項目。不全面的分析或是允許極小誤差的方式來研究這一問題也未嘗不是個好方法。
3.減少約束
對機器手進行動態(tài)分析的方法就是計算個獨立點在同一時間內(nèi)的運動。因此，約束數(shù)目最好滿足 ，而且這么多的約束在優(yōu)化設計時也是不切實際的。不過有一個很有效的辦法可以使約束數(shù)控制在范圍內(nèi)又可以使約束數(shù)滿足t的所有值，這就是用Kreisselmeier - Steinhauser函數(shù)[ 3 ]等量替換單個時間約束，此函數(shù)表示如下：
其中和C是正數(shù)并由和之間的關(guān)系決定即min().這可以說明Kreisselmeier-Steinhauser函數(shù)限定了一個保守的值域[4]比如總是比min()更重要，而且c的值越大和min()之間的差就越小。這就是所謂用最關(guān)鍵的約束等量替換了諸如 （11）
之類的約束。在這一方法中，用等量約束限定了分段函數(shù)并使其由向間斷的過渡。在這一值域里盡管左右突出的構(gòu)件在過渡點有差異，但他們具有相同的標識和梯度，因此可在過渡點自然結(jié)合。隨著時間逐步的趨近零點，等量約束也變得逐漸光滑。
上述所提到的非線性約束優(yōu)化問題可以由NLPQL[11]來解決，即運用序列二次方程的方法。這種優(yōu)化需要初始信息和，m=1,…, 這兩個可由目前研究出的有限差來計算。
4.舉例
雙桿平面機器人如圖1所示。運動原理是被動塊E沿直線從初始位置（θ1=120°，θ2=-150°）運動到終點位置（θ1=60°，θ2=-30°）。E的運動軌跡表示如下：
整個運動過程的時間T=0.5s。
每一個連桿的長度為0.6米并由兩個等長的零件連接著。其零件的外徑，其為本設計的變量，k=1,2；i=1,2。零件的厚度為0.1。物體的壓強和密度分別是E=72GPa,ρ=2700Kg/m-3。模塊變量縮小了形狀尺寸。最先結(jié)合的兩個模塊和最先有著固定自由的約束條件的軸也都被考慮到了。位于連接點B處的桿2質(zhì)量為2kg，被動物塊和有效載荷的總質(zhì)量為1kg。設計的約束條件如下：
-75MPa≤σi≤75MPa i=1,…,
δ≤0,001m
其中應力約束由節(jié)點頂部或底部的個點來驗證。δ是E的實際運動軌跡與有效運動軌跡的偏離量（即x和y方向的最大偏移值）。初始設計變量
均為50mm.
圖1 平面機器手操作器
在這個例子里，等量約束是由最關(guān)鍵的約束組成的并且其結(jié)果與Kreisselmeier-Steunhauser函數(shù)的結(jié)果進行了比較。后者函數(shù)中適用了c的不同值，可以發(fā)現(xiàn)c的值越小其產(chǎn)生的設計就越死板。c=50時的設計是最理想的。應當指出的是編譯器的限制可能會超過c的最大值，這完全取決于指數(shù)函數(shù)也就是只要設計變量的低限足夠的小。另一方面，最關(guān)鍵的約束會產(chǎn)生極小質(zhì)量的設計并且精確的迎合偏移位移量。最小的質(zhì)量，恰當?shù)闹睆胶头磸瓦\動的次數(shù)在表1中列出。設計軌跡見表2。表KS-c表明了由Kreisselmeier-Steinhauser函數(shù)產(chǎn)生的結(jié)果，然而MCC表示關(guān)鍵約束。可見應力遠遠小于允許值，因此應力約束受到了限制。連桿2中間的應力最大（見）圖3。被動物塊的偏移量δ的最佳解決方案見圖4
圖2 設計參數(shù)
表1 平面機器人控制器最佳方法
圖3 頂部連接兩個的平均壓力的最佳設計
圖4 最終效應器偏差的最佳設計
5.總結(jié)
在研究中，高速遙控操縱器的最佳設計方案取決于動態(tài)特性。操縱器的固定軌跡與實際軌跡運動也必須考慮到。把最關(guān)鍵的約束用作等量約束。 最關(guān)鍵的約束的時間點可能隨著設計變量的改變而變化。這表明分段的等量約束并不會使設計過程產(chǎn)生缺陷。序列二次方程用于解決設計問題，其是運用整體偏差進行靈敏度計算。 高速平面遙控操縱器已被優(yōu)化設計成在應力和偏差限制下的最小質(zhì)量?；贙reisselmeier - Steinhauser函數(shù)產(chǎn)生的保守設計下使用等量約束，最好的設計理念就是用最關(guān)鍵的約束。
附錄2外文原文
數(shù)控鏜銑床換刀機械手升降結(jié)構(gòu)的設計
摘 要
換刀機械手在各種機床中應用十分廣泛，是機床中的重要組成部件，換刀機械手關(guān)系到整個機床的運作。數(shù)控鏜銑床是一種數(shù)字控制機床，裝夾工件后能完成多種工序的加工。本文運用模塊化思維一一設計出機械手升降機構(gòu)的各個組成部件、驅(qū)動方法及控制方式。該升降機構(gòu)由電動機、滾珠絲杠、導向柱、減速齒輪、螺旋副間隙調(diào)整墊以及無觸點形成開關(guān)等構(gòu)成。驅(qū)動方法為電動機驅(qū)動，由傳感器控制機械手的升降運動。最后通過SolidWorks軟件對換刀機械手升降機構(gòu)做了零件三維建模并完成零件的裝配。
關(guān)鍵詞：數(shù)控鏜銑床；換刀機械手；升降機構(gòu)；SolidWorks
II
ABSTRACT
Tool changers are widely used in a variety of machine tools, is an important component in the machine tool, tool changer related to the operation of the entire machine. In this paper, the design of the lifting mechanism of CNC boring and milling machine tool change is introduced in detail. CNC boring and milling machine is a digital control machine, after clamping the workpiece to complete a variety of processes. The lifting mechanism consists of an electric motor, a ball screw, a guide post, a reduction gear, a screw auxiliary clearance adjustment pad and a non-contact forming switch. The driving method is driven by the motor, and the sensor controls the movements of the manipulator. Finally, through the SolidWorks software on the tool changer lift mechanism to do parts three-dimensional modeling and complete the assembly of parts.
Key Words：CNC boring and milling machine；Tool changer；Lift mechanism；SolidWorks
目 錄
摘要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
1.1 課題研究背景目的及意義 1
1.2 目前研究的概況和發(fā)展趨勢 2
1.2.1數(shù)控臥式鏜銑床 2
1.2.2機械手 2
1.3 主要研究內(nèi)容 4
2 機械手升降機構(gòu)的總體方案設計 5
2.1 設計任務 5
2.2 設計步驟 5
2.3 主要設計內(nèi)容 5
2.4總體方案確定 5
2.4.1 換刀機械手升降機構(gòu)的驅(qū)動方案 5
2.5小結(jié) 6
3 升降機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計及尺寸計算 7
3.1 升降電機的選擇 7
3.2 減速器齒輪的選用 8
3.2.1 齒輪材料的選擇 8
3.2.2 按齒面接觸硬度確定中心距 10
3.2.3 驗算齒面接觸疲勞強度 11
3.2.4 校核齒根彎度疲勞強度 13
3.2.5 齒輪主要幾何參數(shù) 14
3.3 滾珠絲杠的選擇 16
3.4 軸的確定 16
3.5 傳感器的選擇 17
3.5.1 光電傳感器工作原理 17
3.5.2 光電傳感器分類和工作方式 17
3.6小結(jié) 18
4 升降機構(gòu)的三維建模 19
4.1 典型零件的三維建模 19
4.1.1 絲杠的三維建模 19
4.1.2 軸承的三維建模 24
4.3 小結(jié) 28
5 升降機構(gòu)的裝配 30
5.1 裝配的基本步驟及裝配模型 30
5.2 升降機構(gòu)的裝配 30
5.2.1 創(chuàng)建裝配體 30
5.2.2 插入裝配體零件 30
5.2.3 裝配體零件的配合 31
5.3 裝配體的靜態(tài)干涉檢查 34
5.4 小結(jié) 34
6 總結(jié) 35
參考文獻 35
致謝 36
附錄1 外文翻譯 37
附錄2 外文原文 45
數(shù)控鏜銑床換刀機械手升降機構(gòu)的設計
1 緒論
1.1 課題研究背景目的及意義
數(shù)控臥式鏜銑床是一種具有自動換刀裝置和任意分度數(shù)控轉(zhuǎn)臺的數(shù)字控制機床，工件在一次裝夾后能自動完成幾個側(cè)面的多種工序的加工。鏜銑床加工特點是在加工過程中工件不動，讓刀具移動，并使刀具轉(zhuǎn)動，在實踐中具有“萬能機床”的稱號。通常，刀具旋轉(zhuǎn)為主運動，刀具或工件的移動為進給運動。它主要是用來加工高精度孔或一次定位完成多個孔的精加工，此外還可以從事與孔精加工有關(guān)的其他加工面的加工。
現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于20世紀50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產(chǎn)品。工業(yè)機械手是在新技術(shù)革命中迅速發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，它在傳統(tǒng)的科技領(lǐng)域與工業(yè)部門中獲得應用，并顯示出強大的生命力，成為人類不可或缺的幫手。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。
機械手是工業(yè)自動控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對象，機械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛。在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險的工作?？稍跈C械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。
工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新的技術(shù)，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。工業(yè)機械手是提高生產(chǎn)過程自動化、改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。
自上世紀六十年代，機械手被實現(xiàn)為一種產(chǎn)品后，對它的開發(fā)應用也在不斷發(fā)展，利用機械手搬運物體、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛?，F(xiàn)在已經(jīng)應用在了機械制造、冶金、化工、電力、采礦、建材、輕工、食品、環(huán)保等各行各業(yè)之中。隨著技術(shù)的進步，機械手的設計已經(jīng)實破了單一試劑、加熱及濾光片的束縛。隨著社會的快速發(fā)展，工業(yè)現(xiàn)場機械手的要求將越來越高，其技術(shù)也越來越成熟。
機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率，可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。
1.2 目前研究的概況和發(fā)展趨勢
1.2.1數(shù)控臥式鏜銑床
國外數(shù)控臥式鏜床和臥式加工中心均有突飛猛進的發(fā)展。其表現(xiàn)在于機床的結(jié)構(gòu)、精度和壽命，以及自動化水平、生產(chǎn)效率等方面都有很大的提高。在產(chǎn)品開發(fā)工作上，采用模塊化設計和家算計輔助設計等現(xiàn)代化設計方法，在確保產(chǎn)品設計質(zhì)量和技術(shù)水平的前提下，產(chǎn)品品種大量涌現(xiàn)，變形產(chǎn)品也越來越多，除了可滿足市場的需求外，并獲得了較大的經(jīng)濟效益。一些科學技術(shù)比較發(fā)達的國家，已由生產(chǎn)臥式鏜床轉(zhuǎn)向生產(chǎn)更高水平的自動化機床，并已產(chǎn)生和研制出更高一級的現(xiàn)代化水平的設備，從而為實現(xiàn)無人化工廠奠定了基礎。國外數(shù)控臥式鏜床及臥式加工中心的形成、演變過程，一種是以普通臥式鏜床為基礎，配以控制系統(tǒng)，而成為數(shù)控臥式鏜床；進而在配以刀庫及機械手等獨立部件后，演變成為臥式加工中心；另一種是與普通臥式鏜床無關(guān)，獨立設計而成。很多機床廠家已不生產(chǎn)一般的普通臥式機床，已將其擴散到發(fā)展中國家去生產(chǎn)，而把主要精力集中到更高級的數(shù)控臥式鏜床和臥式加工中心，并進行大量的科學研究工作，因而取得了較大技術(shù)和經(jīng)濟利益。
我國臥式鏜床生產(chǎn)時在1954年由仿制開始的。目前已由13個省、一個自治區(qū)、三個直轄市的二十六個廠，臥式鏜床的年產(chǎn)量到1971年，已經(jīng)超過一千臺。臥式鏜床的品種，第一個五年計劃期間，只能生產(chǎn)主軸直徑85毫米的臥式鏜銑床，現(xiàn)在已經(jīng)能生產(chǎn)主軸直徑63、85、125、150等毫米的臥式鏜床及主軸直徑110毫米的加大主軸直徑和移動式鏜床。從只能根據(jù)國外圖紙生產(chǎn)單一產(chǎn)品，發(fā)展到資興設計試制并采用一定先進技術(shù)的多種產(chǎn)品。國內(nèi)生產(chǎn)廠家在相關(guān)領(lǐng)域取得了快速增長，相關(guān)設備廠家在國家政策的扶持下取得了不少成果，與國際同行的差距越來越小，甚至有所超越。具有高精度、高效率及卓越的加工能力。采用絕對坐標，不需要長距離的原點回歸操作，有效縮短非加工時間。五軸（X,Y,Z,W,B軸）控制，四軸同動控制，任意角度定位工作臺（B軸功能）。適合工件的書面加工，只需一次安裝工件及調(diào)整，配置回轉(zhuǎn)式工作臺，定位精準，確保各加工面之間相互精度。配置刀庫就升級為加工中心。適用于各類大型箱體、缸體的加工。當代臥式鏜銑床與落地式鏜銑床技術(shù)發(fā)展非?？欤饕w現(xiàn)在設計理念的更新和機床運行速度及制造工藝水平有很大的提高，另一方面是機床結(jié)構(gòu)變化大，新技術(shù)的應用層出不窮。臥式鏜銑床的結(jié)構(gòu)向高速電主軸、多軸聯(lián)動、結(jié)構(gòu)形式多樣化的發(fā)展態(tài)勢，這將是今后一個時期技術(shù)發(fā)展的新趨勢。
1.2.2機械手
機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(gòu)。
1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。
1962年美國機械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機械手。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。
1978年美國Unimate公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國機械制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。
聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。
日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。
前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應用機械手，至1977年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進口。
第一代機械手主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代機械手設有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機械手具有感覺機能。
第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。
在國內(nèi)，應用于生產(chǎn)實際的工業(yè)機械手特別是示教再現(xiàn)性機械手不斷增多，而且計算機控制的也有所應用。國內(nèi)近年來在移動機械手控制方面也開展了許多研究工作，如清華大學徐文立教授在考慮了動力學耦合的情況下，設計了急于Lyanpov穩(wěn)定性理論的魯棒控制器設計方法，保證了全部狀態(tài)漸進跟蹤期望軌跡。中國科學院自動化研究所的易建強教授對移動機械手的視覺定位和導航、冗余度運動分析進行了研究。北京科技大學的余達太教授提出了優(yōu)化準則，利用遺傳算法求解移動載體的運動代價、機械手的運動代價、機械手偏離優(yōu)化位姿勢所需的運動代價。
在國外應用于生產(chǎn)實際的工業(yè)機械手多為示教再現(xiàn)型機械手，而且計算機控制的工業(yè)機械手占有相當比例。帶有“觸覺”，“視覺”等感覺的“智能機械手”正處于研制開發(fā)階段。帶有一定智能的工業(yè)機械手是工業(yè)機械手技術(shù)的發(fā)展方向。國外還在高完整性機器人、遙控移動機器人、環(huán)境與移動機器人系統(tǒng)的集成等方面作了大量的研究。
隨著科技及計算機發(fā)展步伐的進一步加快,機械手仍具有非常廣闊的發(fā)展前景,今后的機械手會向更加小型化、高科技化、多功能化、以人為本化方向發(fā)展。
1.3 主要研究內(nèi)容
（1）確定機械手升降機構(gòu)的總體方案；
（2）設計機械手升降機構(gòu)的結(jié)構(gòu)；
（3）通過計算確定升降機構(gòu)的各部分尺寸；
（4）通過SolidWorks軟件對升降機構(gòu)進行三維建模，完成裝配。
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2 機械手升降機構(gòu)的總體方案設計
2.1 設計任務
本次設計任務是設計一種數(shù)控鏜銑床換刀機械手的升降機構(gòu)，該機構(gòu)在設置的命令下，來配合刀庫和鏜銑床，以實現(xiàn)其所有換刀取刀動作的自動升降過程。
2.2 設計步驟
1、確定換刀機械手升降機構(gòu)的組成與配置。
2、通過設計計算和參考文獻確定換刀機械手的升降機構(gòu)的結(jié)構(gòu)。
3、升降機構(gòu)尺寸。
4、升降機構(gòu)零件的相互位置關(guān)系。
2.3 主要設計內(nèi)容
換刀機械手的升降機構(gòu)的三維設計，包括零件三維建模以及裝配。
2.4總體方案確定
2.4.1 換刀機械手升降機構(gòu)的驅(qū)動方案
工業(yè)機械手分類繁多，按驅(qū)動方式可分為：
1.液壓驅(qū)動機械手
通過液體的壓力驅(qū)動的機械手。其抓重高、傳動平穩(wěn)、動作靈敏，但能量損失較多、傳動比不能保證，且受到溫度影響時工作不穩(wěn)定，造價高。
2. 氣壓驅(qū)動機械手
通過壓縮氣體的壓力來驅(qū)動的機械手。其裝置簡單且輕便、工作介質(zhì)是空氣，無窮無盡，故而能量損失小、成本低。但傳動效率低、穩(wěn)定性較差，且沖擊大、噪聲大。
3. 電力驅(qū)動機械手
由電動機直接驅(qū)動的機械手。其結(jié)構(gòu)簡單，易于維護，使用方便。
4. 機械驅(qū)動機械手
由機械傳動機構(gòu)驅(qū)動的機械手。其運動準確，傳動精度高，但結(jié)構(gòu)較大，動作程序單一。
綜合分析以上各類機械手，本課題方案選擇電力驅(qū)動機械手。
2.4.2 換刀機械手升降機構(gòu)的組成
該升降機構(gòu)由滾珠絲杠1、滑座2、橫梁3、升降電機4、裝刀手5、手架6、卸刀手7及刀庫8組成換刀裝置，其配置如圖2. 1所示。
圖2.1 換刀機械式配置示意圖
2.4.3換刀機械手升降機構(gòu)的工作原理
當手架6收到升降命令后，升降電機4帶著滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，因而滑座2作升降直線運動，其上手架升降運動到靠近刀排所在位置時，光電傳感器敏感部件發(fā)生反饋，使無觸點形成開關(guān)發(fā)出信號，使電機4減速，從而滑座2也跟著減速。既而到了換刀位置時，裝在減速齒輪傳動軸上的敏感部件使無觸點形成開關(guān)發(fā)信號，從而關(guān)掉升降電機4的電源，電機停止轉(zhuǎn)動，手架6便停在所需相應的位置。這個過程中，改變調(diào)整墊的厚度就可以調(diào)節(jié)滾珠絲杠和螺母之間的間隙，導向柱雖起的是導向的用途，也使滑座2的升降運動更平穩(wěn)。
2.5小結(jié)
本章主要分析了設計任務，制定了設計的步驟，確定了升降機構(gòu)的驅(qū)動方案，換刀機械手升降機構(gòu)的組成，并分析了升降機構(gòu)的工作原理，從而確定升降機構(gòu)的設計方案。
3 升降機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計及尺寸計算
3.1 升降電機的選擇
電動機所需的輸出功率為：
式中，為工作機要求的輸入功率；
為電動機到工作機的總效率。
由于升降電機是直接傳遞到工作機的，所以，故而
工作機要求輸入功率為：
式中，F(xiàn)為工作機的阻力；
v為升降機構(gòu)的升降速度；
為工作機的效率。
升降電機受力分析如圖：
圖3.1 換刀機械手升降電機受力分析（M為機械手自量，m為爪重）
查表得，v=250mm/s，由圖得，
F=(M+m)g=（22+20）×10=420N
查表得
故，工作機要求輸入功率為：
選擇型號為Y80M1-4的三相異步電動機。其額定功率為0.55Kw，同步轉(zhuǎn)速為1500r/min。
3.2 減速器齒輪的選用
3.2.1 齒輪材料的選擇
小齒輪轉(zhuǎn)速=420 r/min，傳動比i為4，每天一班，平均壽命10年，傳遞功率=0.55kw。選擇材料：小齒輪材料40 鋼，調(diào)制處理，齒面硬度250~280HBS（表3.1）。大齒輪材料選用ZG310—570，正火處理，齒面硬度162~185HBS（表3.1）。由N=60nj，計算應力循環(huán)次數(shù)N
=60j=604201(103008)=6.048次
===1.512次
查機械設計書]得=1.05 ，=1.14 （允許有一定點蝕），由式=1.0 調(diào)質(zhì)鋼、正火剛 ＜ 12mm 時 ，=1.0得==1.0，取=1.0 ，=1.0 ，=0.92
按齒面硬度250HBS和162HBS，由圖3.2，得=690，=440
由=（）計算許用接觸應力：
因＜ ，計算中取==461.5
表3.1 齒輪常用材料及其力學性能
材料牌號
熱處理方法
強度極限
屈服極限
硬度(HBS)
齒芯部
齒面
HT250
250
170~241
HT300
300
187~255
HT350
350
197~269
QT500-5
?；?
500
147~241
QT600-2
600
229~302
ZG310-570
580
320
156~217
ZG340-640
650
350
169~229
45
580
290
162~217
ZG340-640
調(diào)質(zhì)
700
380
241~269
45
650
360
217~255
30CrMnSi
1100
900
310~360
35SiMn
750
450
217~269
38SiMnMo
700
550
217~269
40Cr
700
500
241~286
45
調(diào)質(zhì)后表面淬火
217~255
40~50HRC
40Cr
241~286
48~55HRC
20Cr
滲碳后
淬火
650
400
300
58~62HRC
20CrMnTi
1100
850
12Cr2Ni4
1100
850
320
20Cr2Ni4
1200
1100
350
35CrAlA
調(diào)質(zhì)后氮化（氮化層厚）
950
750
255~321
>850
38CrMoAlA
1000
850
夾布塑膠
100
25~35
圖3.2 調(diào)質(zhì)鋼和鑄鋼
3.2.2 按齒面接觸硬度確定中心距
小齒輪轉(zhuǎn)矩：
=9.55=9.55=13131 Nmm
初取=1.1 ，取=0.4 ，=188.9 ，減速傳動 u =i =4 ，
由和，得：
189.2mm
取中心距a = 190mm，估算模數(shù)m=(0.007~0.02) a = (0.007~0.02) 190 =1.33~3.8mm
查表3.2取標準模數(shù)m=3mm
齒數(shù)===25，=u=425=100
齒輪分度圓直徑=m=325=75 mm
=m=3100=300mm
齒輪齒頂圓直徑=+2=75+21.03=81 mm
=+2=300+21.03=306 mm
齒輪基圓直徑 = =75=70.48 mm
= =300=281.9 mm
圓周速度 v===1.57 m/s
查表3.3得 ，齒輪精度為8級。
表3.2 圓柱齒輪的標準模數(shù)（GB1357-87）
表3.3 各種精度等級齒輪的傳動的最大圓周速度（m/s）
齒的種類
傳動種類
齒面硬度/HBS
齒輪精度等級
3,4,5
6
7
8
9
直齒
圓柱齒輪
≤350
＞12
≤18
≤12
≤6
≤4
＞350
＞10
≤15
≤10
≤5
≤3
錐齒輪
≤350
＞7
≤10
≤7
≤4
≤3
＞350
＞6
≤9
≤6
≤3
≤2.5
斜齒及曲齒
圓柱齒輪
≤350
＞25
≤36
≤25
≤12
≤8
＞350
＞20
≤30
≤20
≤9
≤6
錐齒輪
≤350
＞16
≤24
≤16
≤9
≤6
＞350
＞13
≤19
≤15
≤7
≤5
3.2.3 驗算齒面接觸疲勞強度
按電機驅(qū)動、載荷平穩(wěn)、由表3.4得，取=1.0。
由機械設計書[11]，按分級精度和/100=1.65 25/100 =0.4125 m/s ，得=1.06，
齒寬b= =0.4190=76 mm。
由圖3.3得 按b/=112/112 =1.0，取1.08，由表3.5，得=1.1，計算載荷系數(shù) K==1.01.061.081.1=1.26。
按＜＜機械原理＞＞[12]的公式計算端面重合度：
齒頂壓力角===
===
==
=1.73
由===0.87，計算齒面接觸應力：
==
=432.5＜ =461.5 ，安全
圖3.3 齒向載荷分布系數(shù)(兩輪均為軟齒面或其中之一為軟齒面)
1-齒輪在兩軸承中間對稱布置； 2-齒輪在兩軸承間非對稱布置、軸的剛性較大；
3-齒輪在兩軸承間非對稱布置、軸的剛性較小； 4-齒輪懸臂布置
表3.4 使用系數(shù)
表3.5 齒間載荷分配系數(shù)
3.2.4 校核齒根彎度疲勞強度
按=25 ，=100，由圖3.4得，=2.56 ，=2.20
由圖3.5 得，=16.5 , =1.81
+=0.25+=0.68
由3. 2，得=290 ，=152 ， =1.0 , =1.0， m= 3 ＜ 5 mm ， = =1.0，取=2.0 , =1.4
計算許用彎曲應力：
==414
==217
計算齒根彎曲應力：
=
=85.7 ＜=414 ,安全。
==80.88 ＜=217 ，安全。
3.2.5 齒輪主要幾何參數(shù)
=25，=100，u=4，m=4
=m=325=75 mm
=m=3100=300mm
=+2=75+21.03=81 mm
=+2=300+21.03=306 mm
=75-2（1.0+0.25）3=67.5 mm
=300-2（1.0+0.25）3=292.5 mm
a===187.5 190 mm
齒寬=b=76 mm ，取=+（5~10）=81 mm
圖3.4 外齒輪齒形系數(shù)
（）
圖3.5 外齒輪應力修正系數(shù)
（）
3.3 滾珠絲杠的選擇
滾珠絲杠的導程選用10mm，電動機每轉(zhuǎn)動一圈通過與齒輪聯(lián)接，帶動齒輪旋轉(zhuǎn)一周，同時滾珠絲杠也同樣旋轉(zhuǎn)一周，上升高度為10mm。電動機的轉(zhuǎn)速為400r/min，所以滾珠絲杠上升400mm的距離，需要旋轉(zhuǎn)40圈，40圈所需要的時間是6s，根據(jù)傳動比4，大齒輪旋轉(zhuǎn)10圈。
3.4 軸的確定
軸的強度計算：（1）按轉(zhuǎn)矩估算軸徑。
（2）按彎轉(zhuǎn)合成力矩近似計算。
（3）精確計算。
d---計算剖面處的軸的直徑（mm）
T---軸傳遞的額定轉(zhuǎn)矩（Nmm）
A---按定的系數(shù) 118~107 取107
3.5 傳感器的選擇
3.5.1 光電傳感器工作原理
光電傳感器是一種基于光電效應將光信號轉(zhuǎn)為電信號輸出的傳感器。光電傳感器一般由光源、敏感組件和光電組件三部分組成。光源發(fā)射的光經(jīng)過被測量的環(huán)境，通過傳感組件感知光的某個物理量變化，再由光電組件接收檢測。
3.5.2 光電傳感器分類和工作方式
1、槽型光電傳感器
光源與敏感組件相對裝在一個槽的兩邊就組成了一個槽型光電傳感器。光源發(fā)出可見光或紅外光，敏感組件便感知光。當一個物體從槽中間，即光源與敏感組件中間穿過，敏感組件接收不到光，光電開關(guān)就輸出一個信號，斷開或連接負載電流，然后完成一次控制動作。
2、對射型光電傳感器
如果將光源和敏感組件之間的距離拉開，便能使作為檢測元件的光電組件的檢測距離增大。由一個光源和一個敏感組件組成的光電開關(guān)便稱為對射型光電開關(guān)。它的檢測距離比普通傳感器長得多，往往能達到好幾米甚至好幾十米。把電源和敏感組件分別放在需要檢測的物體將要經(jīng)過的路徑的兩旁，物體通過時遮擋光源，敏感組件便輸出一個開關(guān)控制信號。
3、反光板型光電開關(guān)
反光型光電開關(guān)是將光源和敏感組件裝在一起,在它們的前面放一塊反光板,利用光的反射原理,來達到光電的控制作用。光源發(fā)出的光被反光板反射回來被敏感組件感知,可當光的路線被檢測物體擋住,敏感組件接收不到光。每擋住一次,光電開關(guān)輸出一個開關(guān)控制信號。
4、擴散反射型光電開關(guān)
這種傳感器也裝有一個光源和一個敏感組件，但是它們前面沒有放置反光板。所以電源發(fā)出的光敏感組件是感知不到的。當物體經(jīng)過時擋住了光，將一部分光反射回來，敏感組件便感知到光信號，輸出一個開關(guān)信號。
根據(jù)各傳感器的特點，本次設計選擇的是反光板型光電開關(guān)。
3.6小結(jié)
升降機構(gòu)各部分零件機構(gòu)確定之后，進行了電動機、減速器齒輪、滾珠絲杠、軸、傳感器的相關(guān)選擇和計算，為三維建模提供了數(shù)據(jù)支持。可見計算的承上啟下的重要性。
4 升降機構(gòu)的三維建模
4.1 典型零件的三維建模
升降機構(gòu)由眾多零部件組成，在此挑選其中較重要的一些零部件如絲杠及軸承對建模過程做舉例說明。
4.1.1 絲杠的三維建模
啟動SolidWorks軟件-新建-零件-右視基準面-草圖繪制，畫出草圖4. 1；拉伸凸臺/基體，給定深度1700mm，如圖4. 2。
圖4.1 拉伸草圖 圖4.2 拉伸實體
選被拉伸面為基準面，草圖繪制，畫出草圖4. 3；拉伸凸臺/基體-給定深度28mm，如圖4. 4。
圖4.3 拉伸草圖 圖4.4 拉伸實體
選拉伸的面為基準面，草圖繪制，畫出草圖4. 5；拉伸凸臺/基體-給定深度19mm，如圖4. 6。
圖4.5 拉伸草圖
圖4.6 拉伸實體
選右視基準面為基準面，草圖繪制，畫出草圖4. 7；拉伸凸臺/基體，給定深度29.6mm，如圖4. 8。
圖4. 7 拉伸草圖 圖4. 8 拉伸實體
選上次拉伸所得面為基準面，草圖繪制，如圖4. 9；拉伸凸臺/基體，給定深度47.21mm，如圖4. 10。
圖4. 9 拉伸草圖
圖4. 10 拉伸實體
選上次拉伸面為基準面，草圖繪制，畫出草圖4. 11；拉伸凸臺/基體-給定深度3mm，如圖4. 12。
圖4. 11 拉伸草圖 圖4. 12 拉伸實體
添加基準面，如圖4. 13。
圖4. 13 添加基準面
選基準面2為基準面-草圖繪制，畫出草圖4. 14；螺旋線/渦狀線，如圖4. 15。
圖4. 14 螺旋線的外圓
圖4. 15 螺旋線
選擇上視基準面為基準面，草圖繪制，畫出草圖4. 16；掃描，如圖4. 17。
圖4. 16 切除草圖
圖4. 17 絲杠的切除掃描
在應有倒角的地方倒角，最后完成零件如圖5. 18。
圖4. 18 滾珠絲杠
4.1.2 軸承的三維建模
滾動軸承是標準件，可以在標準件庫直接選擇，本次畢業(yè)設計選擇自己建模。啟動SolidWorks軟件-新建-零件-前視基準面-草圖繪制，畫出草圖4. 19；旋轉(zhuǎn)凸臺/基體，即完成了軸承內(nèi)外圈的畫法，如圖4. 20。
圖4. 19 軸承內(nèi)外圈旋轉(zhuǎn)草圖 圖4. 20 軸承內(nèi)外圈
啟動SolidWorks軟件-新建-零件-前視基準面-草圖繪制，畫出草圖5. 21；旋轉(zhuǎn)凸臺/基體，如圖4. 22
圖4. 21 滾珠旋轉(zhuǎn)草圖
圖4. 22 滾珠
新建-裝配-上視基準面-草圖繪制，如圖4. 23；圓周零部件陣列，如圖4. 24。
圖4. 23 圓周陣列草圖
圖4. 24 圓周陣列
新建-裝配-插入零部件，打開內(nèi)，外圈和滾珠-配合，如圖4. 25，圖4. 26，圖4. 27，完成滾動軸承的裝配如圖4. 28。
4. 25 滾珠與軸承內(nèi)外圈同心配合
4. 26 軸承內(nèi)外圈右視基準面與滾珠前視基準面重合配合
4. 27 軸承內(nèi)外圈上視基準面與滾珠上視基準面重合配合
圖4. 28 軸承
4.3 小結(jié)
本章基于SolidWorks軟件，對升降機構(gòu)的零件進行三維建模設計，建模時用到了諸如拉伸、切除、旋轉(zhuǎn)、鏡像、插入基準軸。基準面、圓周陣列實體等特征，從二維到三維，從簡單到復雜，從生疏到熟練，從開始到最終完成所有升降機構(gòu)零件的三維建模，其過程收獲頗豐。
5 升降機構(gòu)的裝配
5.1 裝配的基本步驟及裝配模型
裝配體是多個零件和子裝配體的有機結(jié)合，它表達了實體信息，即裝配中各零件、部件實體信息的總和，如點、線、面、材料、顏色等，人們能通過各種感覺來感知它的存在，在產(chǎn)品的功能設計和產(chǎn)品考察階段把大部分的注意力都集中在這部分關(guān)系的信息上，幾乎所有裝配體的功能都是通過零部件間的運動來實現(xiàn)的，要得到升降機構(gòu)的的裝配體，并且實現(xiàn)其功能，須建立升降機構(gòu)的零件之間的完整且正確無誤的關(guān)系。
裝配建模是虛擬裝配要面臨的首要問題，為裝配順序生成、裝配路徑規(guī)劃，可裝配性評價和裝配仿真等后續(xù)產(chǎn)品設計過程奠定基礎。裝配對計算機硬件條件的要求高，且應用也十分廣泛。
5.2 升降機構(gòu)的裝配
進行兩個零件的裝配時，關(guān)鍵之處在于正確確定兩個零件的配合關(guān)系，這種配合關(guān)系實際上也就是零件之間的裝配約束關(guān)系。一般裝配體中的約束有三種：1、面貼合與等距偏離；2、對齊；3、定向]。
在配合過程中主要用到了同軸心、重合、平行等命令來限制各零部件的自由度，使它們正確配合，不會出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，以免在生成動畫時出現(xiàn)大的誤差。
5.2.1 創(chuàng)建裝配體
1、進入SolidWorks軟件，點擊菜單欄中“文件”/“新建”按鈕，出現(xiàn)“新建SolidWorks文件”對話框。
2、選裝配體圖標，單擊“確定”按鈕進入裝配體制作界面。
5.2.2 插入裝配體零件
1、選擇菜單欄中的，出現(xiàn)PropertyManager設計樹。
2、選“瀏覽”按鈕，出現(xiàn)“打開”對話框，在這個對話框中選擇我們要插入的升降機構(gòu)零件。
5.2.3 裝配體零件的配合
1、單擊“配合”，出現(xiàn)了“配合” PropertyManager設計樹。
2、選擇絲杠外側(cè)圓與軸承蓋外側(cè)圓，如圖5. 1所示，所選的面被列在項目框中，點同心，單擊“確定”，以確定兩個平面之間的配合關(guān)系。
3、選絲杠側(cè)面與軸承蓋側(cè)面，如圖5. 2所示，所選的面被列在項目框中，點重合，單擊“確定”，兩個平面之間的配合關(guān)系也確定了下來。
4、選絲杠前視基準面與軸承蓋右視基準面，如圖5. 3，所選的面被列在項目框中，點重合，單擊確定按鈕，兩個零件的配合關(guān)系顯示出來，如圖5. 4所示。
圖5. 1 絲杠外側(cè)圓與軸承蓋外側(cè)圓同心裝配圖
圖5.2 絲杠側(cè)面與軸承蓋側(cè)面重合裝配圖
圖5.3 絲杠前視基準面與軸承蓋右視基準面重合裝配圖
圖5.4 絲杠與軸承蓋裝配圖
最后，將子裝配和剩余的零部件裝配成總裝配體，檢查干涉，經(jīng)過幾次修改得到最終的總裝配體，如圖5. 5。
圖5.5 升降機構(gòu)
圖5.6 爆炸視圖
5.3 裝配體的靜態(tài)干涉檢查
三維模型裝配完成后，需要對各個部件之間的相互位置關(guān)系進行干涉檢查及其相對運動關(guān)系的各個部件進行運動校核。
5.4 小結(jié)
本章基于SolidWorks軟件，對換刀機械手升降機構(gòu)的零件進行裝配體設計，將升降機構(gòu)的一個或多個零部件或子裝配體按一定的約束組合在一起得到了我們需要的裝配圖；裝配爆炸視圖能直觀、形象的演示產(chǎn)品；而干涉檢查是裝配完成后的常規(guī)操作。
6 總結(jié)
本文對換刀機械手的結(jié)構(gòu)進行了深入的研究，并設計了數(shù)控鏜銑床換刀機械手的升降機構(gòu)?，F(xiàn)總結(jié)如下：
1.換刀機械手升降機構(gòu)的方案設計。綜合分析各種機械手的結(jié)構(gòu)原理及優(yōu)缺點，確定機械手升降機構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案、驅(qū)動方案及控制方案。
2.換刀機械手升降機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計。通過已確定的方案，確定換刀機械手升降機構(gòu)的組成與配置。其結(jié)構(gòu)由升降電機、螺旋副間隙調(diào)整墊、滾珠絲杠、減速齒輪、導向柱和無觸點行程開關(guān)等組成。查閱文獻計算出升降機構(gòu)各結(jié)構(gòu)的尺寸，并確定各零件相互位置關(guān)系。
3.換刀機械手升降機構(gòu)的三維建模與裝配。通過SolidWorks軟件對換刀機械手的升降機構(gòu)進行零件圖的三維建模，并完成裝配。
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致謝
這次畢業(yè)設計得以順利完成，并非我一個人努力的結(jié)果。在此，我要對老師以及同學們表達真摯的謝意。
感謝大連大學四年來對我的培育，讓我在這四年里受益匪淺。特別感謝機械學院四年來為我提供的學習與成長環(huán)境，讓我得以學習到許多有用的知識。
這次畢業(yè)論文是在我的指導老師何利老師悉心培養(yǎng)與指導下完成的。感謝我的指導老師，在我遇到困難都給予我指引和鼓勵，讓我能克服困難，將設計完成。在此，我還要感謝在班里同學和朋友，感謝你們在我遇到困難的時候幫助我，給我支持和鼓勵，感謝你們。
附錄1外文翻譯
具有動態(tài)特性約束的高速靈活的機械手優(yōu)化設計
摘要：本文提出了一種強調(diào)時間獨立和位移約束的機器手優(yōu)化設計理論，該理論用數(shù)學編程的方法給予了實現(xiàn)。將各元件用靈活的連桿連接起來。設計變量即為零件橫截面尺寸。另用最關(guān)鍵的約束等量替換時間約束。結(jié)果表明，此方法產(chǎn)生的設計結(jié)果比運用Kresselmeier-Steinhauser函數(shù)，且利用等量約束所產(chǎn)生的設計方案更好。建立了序列二次方程基礎上的優(yōu)化設計方案，且設計靈敏度通過總體有限偏差來評定。動態(tài)非線性方程組包含了有效運動和實際運動的自由度。為了舉例說明程序，設計了一款平面機器人，其中利用某一特定的方案并且運用了不同的等量約束進行了設計。 版權(quán)屬于 1997年埃爾塞維爾科技有限公司
1． 導論
目前對高速機器人的設計要求越來越高，元件質(zhì)量的最小化是必不可少的要求。傳統(tǒng)機器手的設計取決于靜態(tài)體系中運動方式的多樣化，但這并不適合于高速系統(tǒng)即應力和繞度均受動力效應控制的系統(tǒng)。為了防止失敗，在設計的時候必須考慮到有效軌跡和實際運動軌跡之間的相互影響。
在暫態(tài)負載下對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行設計已經(jīng)開始展開研究，該研究是基于下面幾個不同的等量約束條件下進行的，分別為對臨界點的選擇上[1] ， 反約束的時間限制[2] ，和Kreisselmeier - Steinhauser函數(shù)[3,4]的基礎上進行研究。在選擇臨界點時，假定臨界點的位置的時間是固定的，然而這種假設不適合高速系統(tǒng)。第二個辦法的缺點是等量約束在可行域內(nèi)幾乎為0，因此現(xiàn)在還沒有跡象表明這些約束是否重要。使用Kreisselmeier - Steinhauser函數(shù)在可行域中產(chǎn)生了非零的等量約束，但它定義了一個保守的約束，從而產(chǎn)生了一個過于安全的設計方法。
在設計機器手的時候，常規(guī)方法是考慮多靜態(tài)姿態(tài)[5-7]，而不是考慮時間上的約束。這種方法并不適合高速系統(tǒng)，原因是一些姿態(tài)不能代表整個系統(tǒng)的運動，此外，位移和應力的計算也是不準確的，這是因為在計算的時候省略了剛性和彈性運動之間的聯(lián)系。事實上，這種聯(lián)系是靈活多體分析中最基本的[8-10] 。
在這項研究中，開發(fā)了一種設計高速機械手的方法，這種方法考慮了系統(tǒng)剛性彈性運動之間的聯(lián)系及時間獨立等約束。把最關(guān)鍵的約束作為等量約束。 最關(guān)鍵的約束的時間點可能隨著設計變量值的變化而變化。反應靈敏度由整體偏移所決定，設計的最優(yōu)化取決于序列二次方程式。為了說明程序， 對雙桿平面機器手的強度和剛度進行了優(yōu)化。設計結(jié)果與那些采用了Kreisselmeier - Steinhauser函數(shù)的機器手進行對比。
2、設計理念
在這一節(jié)中，機器手的優(yōu)化設計方法使用用于計算強度和剛性的非線性數(shù)學編程方法。機器手由N個活動連桿組成，每一個連桿由Ek個有限零件柱組成。其目的是盡可能的減小機械手的質(zhì)量。與強度關(guān)聯(lián)的約束主要是應力元素和剛性約束。這些約束將使得有效運動的位移產(chǎn)生偏移。設計變量就是連桿和零件的截面特性。
從數(shù)學上來說，目標函數(shù)應滿足這樣的約束:
（1）其中和分別是第k個機構(gòu)的第i個零件的密度和體積，x是設計變量的矢量，是時間約束總數(shù)。在驗證位移和應力的時候，參考文獻[10]中的遞推公式可用來計算機器手有效軌跡與實際軌跡。
將連桿的變形與連桿參照系聯(lián)系起來，其中在一定邊界約束條件下做完整運動。這樣通過縮小模型就可以減少每個連桿的實際自由度數(shù)了。
系統(tǒng)的廣義坐標系是由連桿變量和模塊變量組成的。微粒P的運動速度可表式為
(2)
其中和是相互制約的系數(shù)。
凱恩（Kane）等人的方程式[12]曾被用來測定一些運動方程式如 (3)
其中是整體速度向量，F(xiàn)是合成外力向量，M、Q還有分別為總質(zhì)量、柯氏力、地心引力和彈力，計算公式如下：
（4）
（5）
(6)
其中上標r和f分別代表有效自由度和實際自由度。K為對角矩陣，其對角線上的子矩陣是減少了的有效矩陣以連桿變量的形式出現(xiàn)的。為了驗證子矩陣在方程（4，5）中是否正確，和可表示如下：
p, r=1,2,3; q=1,…,; s=1, …,12 (7a)
p, r=1,2,3; q=1,…,m; s=1,…12 (7b)
其中是元件形狀函數(shù)，是連桿變量數(shù)，m是模塊變量數(shù)。方程式中的標注即多次出現(xiàn)的下標指數(shù)是以概括的形式出現(xiàn)的，這些下標只不過是公式的一部分，并不表示某一含義除非特定指明。這些子矩陣可表示成：
其中和；z,u=1,2,3； s,v=1,…,12是時間變量，是第k個機構(gòu)的第i個元件的質(zhì)量。在定義和時，柯氏力和地心引力可由下列算式計算出來：
這個運動方程式綜合了變量步長和變量預測校正的算法，以獲取坐標系和中的時間記錄。于是，有關(guān)物體參考系的節(jié)點位移可由模塊轉(zhuǎn)換公式獲得。由應力與位移關(guān)系式計算出零件受到的壓應力。整個參考系中各點的位移可用和機架的各節(jié)點位移算出。點的偏移可由那個點在實際運動和有效運動的位移差精確的求出。
應當指出的是，在運動方程式中，設計變量函數(shù)的形式有矩陣，零件的質(zhì)量和初始矢量中的、陣列。因此在對靈敏度進行分析的時候，這些都應與設計變量區(qū)分開來。然而，分析并且驗證靈敏度在這次研究中是個非常困難的項目。不全面的分析或是允許極小誤差的方式來研究這一問題也未嘗不是個好方法。
3.減少約束
對機器手進行動態(tài)分析的方法就是計算個獨立點在同一時間內(nèi)的運動。因此，約束數(shù)目最好滿足 ，而且這么多的約束在優(yōu)化設計時也是不切實際的。不過有一個很有效的辦法可以使約束數(shù)控制在范圍內(nèi)又可以使約束數(shù)滿足t的所有值，這就是用Kreisselmeier - Steinhauser函數(shù)[ 3 ]等量替換單個時間約束，此函數(shù)表示如下：
其中和C是正數(shù)并由和之間的關(guān)系決定即min().這可以說明Kreisselmeier-Steinhauser函數(shù)限定了一個保守的值域[4]比如總是比min()更重要，而且c的值越大和min()之間的差就越小。這就是所謂用最關(guān)鍵的約束等量替換了諸如 （11）
之類的約束。在這一方法中，用等量約束限定了分段函數(shù)并使其由向間斷的過渡。在這一值域里盡管左右突出的構(gòu)件在過渡點有差異，但他們具有相同的標識和梯度，因此可在過渡點自然結(jié)合。隨著時間逐步的趨近零點，等量約束也變得逐漸光滑。
上述所提到的非線性約束優(yōu)化問題可以由NLPQL[11]來解決，即運用序列二次方程的方法。這種優(yōu)化需要初始信息和，m=1,…, 這兩個可由目前研究出的有限差來計算。
4.舉例
雙桿平面機器人如圖1所示。運動原理是被動塊E沿直線從初始位置（θ1=120°，θ2=-150°）運動到終點位置（θ1=60°，θ2=-30°）。E的運動軌跡表示如下：
整個運動過程的時間T=0.5s。
每一個連桿的長度為0.6米并由兩個等長的零件連接著。其零件的外徑，其為本設計的變量，k=1,2；i=1,2。零件的厚度為0.1。物體的壓強和密度分別是E=72GPa,ρ=2700Kg/m-3。模塊變量縮小了形狀尺寸。最先結(jié)合的兩個模塊和最先有著固定自由的約束條件的軸也都被考慮到了。位于連接點B處的桿2質(zhì)量為2kg，被動物塊和有效載荷的總質(zhì)量為1kg。設計的約束條件如下：
-75MPa≤σi≤75MPa i=1,…,
δ≤0,001m
其中應力約束由節(jié)點頂部或底部的個點來驗證。δ是E的實際運動軌跡與有效運動軌跡的偏離量（即x和y方向的最大偏移值）。初始設計變量
均為50mm.
圖1 平面機器手操作器
在這個例子里，等量約束是由最關(guān)鍵的約束組成的并且其結(jié)果與Kreisselmeier-Steunhauser函數(shù)的結(jié)果進行了比較。后者函數(shù)中適用了c的不同值，可以發(fā)現(xiàn)c的值越小其產(chǎn)生的設計就越死板。c=50時的設計是最理想的。應當指出的是編譯器的限制可能會超過c的最大值，這完全取決于指數(shù)函數(shù)也就是只要設計變量的低限足夠的小。另一方面，最關(guān)鍵的約束會產(chǎn)生極小質(zhì)量的設計并且精確的迎合偏移位移量。最小的質(zhì)量，恰當?shù)闹睆胶头磸瓦\動的次數(shù)在表1中列出。設計軌跡見表2。表KS-c表明了由Kreisselmeier-Steinhauser函數(shù)產(chǎn)生的結(jié)果，然而MCC表示關(guān)鍵約束。可見應力遠遠小于允許值，因此應力約束受到了限制。連桿2中間的應力最大（見）圖3。被動物塊的偏移量δ的最佳解決方案見圖4
圖2 設計參數(shù)
表1 平面機器人控制器最佳方法
圖3 頂部連接兩個的平均壓力的最佳設計
圖4 最終效應器偏差的最佳設計
5.總結(jié)
在研究中，高速遙控操縱器的最佳設計方案取決于動態(tài)特性。操縱器的固定軌跡與實際軌跡運動也必須考慮到。把最關(guān)鍵的約束用作等量約束。 最關(guān)鍵的約束的時間點可能隨著設計變量的改變而變化。這表明分段的等量約束并不會使設計過程產(chǎn)生缺陷。序列二次方程用于解決設計問題，其是運用整體偏差進行靈敏度計算。 高速平面遙控操縱器已被優(yōu)化設計成在應力和偏差限制下的最小質(zhì)量。基
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