五自由度关节型机器人的结构设计及其仿真分析毕业设计.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流五自由度关节型机器人的结构设计及其仿真分析 毕业设计.精品文档.摘要机械手因其较高灵活性和通用性，在生活、制造等各个领域中都扮演着极其重要的角色。它可以搬运货物，分拣物品，并能够在在有害环境下操作以保护人身安全，代替人的繁重劳动，因此被广泛应用于机械制造、轻工以及需求物品搬运等各种场所。本次设计的研究方向是五自由度关节型机器人的结构设计及其仿真分析，在确定了设计方案以后，就开始查阅机器人的相关资料，以便以后的设计能顺利进行。然后就是对机械手的几大部分进行了相关计算，确定了相关数据以后，二维的CAD、CAXA随即开了运行，而后就是到PRO/E的

2、三维实体设计，机械手的各部分的实体模型也随之而出。最后进行的便是ADAMS的仿真，将需要的数据输入以后，机械手便可以根据要求运动，同时截取了一些重要的线性图，提高了本次设计的机械手的可行性、科学性。关键词：机械手；结构；计算；数据；AbstractBecause of its high flexible manipulators and universality, in life, in various fields such as plays a very important role. It can carry goods, articles, and can be sorted in h

3、armful environment to protect personal safety operation, instead of heavy labor, therefore, are widely used in machinery manufacturing, light industry and the demand for handling items.This design research direction is five dof joints of the robot structure design and simulation analysis, in determi

4、ning the design plan later, began to refer to the related information, so as to make robots after design can be carried out smoothly. Then a few most of manipulator is carried on the related calculation, determine the relevant data later, two-dimensional CAD, CAXA immediately opened run, and then is

5、 to PRO/E, the three-dimensional design of the manipulator each part of entity model also subsequently and out. Finally the simulation is conducted, will need to ADAMS after the data input according to requirements, manipulator can exercise, meanwhile intercepting the some important linear figure, i

6、mprove the design of the manipulator of practical, scientific Keywords ：Manipulator, formation，Calculation; data 目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 机器人的概念11.2 我国机器人研究现状11.3 工业机器人概述21.4 工业机器人研究的现状与意义31.5 论文研究的主要内容3第2章 五自由度机器人方案的设计52.1 机器人机械设计的特点52.2 与机器人有关的概念52.3 设计方案62.3.1底座设计方案62.3.2手臂结构方案设计62.3.3手爪的设计方案72.

7、3.4腕部结构的设计8第3章 五自由度机器人的结构设计103.1 手爪结构设计103.1.1手部结构设计的基本要求103.1.2夹紧力计算103.1.3驱动力计算113.1.4楔块等尺寸的确定123.1.5材料及连接件选择123.2腕部结构设计计算133.2.1 腕部回转关节的设计133.2.2 腕部俯仰关节的设计133.2.3 腕部材料的选择143.3 大臂和小臂结构设计143.3.1小臂的结构设计143.3.2 大臂的结构设计143.3.3臂部材料的选择153.4腰部结构的设计153.4.1腰部材料的选择163.5底座结构设计163.6 轴承的选择16第4章 五自由度机器人的三维造型174

8、.1概述174.1.1Pro /E的主要功能174.1.2 主要特征194.2机器人各部件实体模型的建立204.2.1 手爪的实体模型214.2.2 手腕的实体模型224.2.3 大臂与小臂实体模型建立234.2.4 底座的实体模型264.2.5.轴承的实体模型304.3 机器人的整体实体模型31本章小结31第5章 ADAMS的运动学仿真325.1 ADAMS基本简介325.2用户界面模块（ADAMS/View）335.3 求解器模块 (ADAMS/Solver)355.4后处理模块（ADAMS/Postprocessor）355.5设定仿真变量365.6图表及数据处理38第6章 全文总结41

9、参考文献42致谢43第一章 绪论1.1 机器人的概念机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。”在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识

10、的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等。对不同任务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。这些机器人从外观上已远远脱离了最初仿人形机器人和工业机器人所具有的形状，更加符合各种不同应用领域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增强，从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般来说，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制

11、能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的、用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。”1.2 我国机器人研究现状 随着科学技术和世界各国机器人技术的发展，我国在机器人科学研究、技术开发和应用工程等方面取得了可喜的进步。从20世纪80年代末到20世纪90年代，国家863计划把机器人列为自动化领域的重要研究课题，系统地开展了机器人基础科学、关键技术与机器人元部件、先进机器人系统集成技术的研究及机器人在自动化工程上的应用。在工业机器人选型方面，确定以开发点焊、弧焊、喷漆、装配、搬

12、运等机器人为主。这是中国机器人事业从研制到应用迈出的重要一步。一批从事机器人研究、开发、应用的人才和队伍在实践中成长、壮大，一批以机器人为主业的产业化基地已经破土而出。 我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效益912。随着我国工业企业自动化水平的不断提高，机器人自动化线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。我国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就给机器人自动化生产线研究开发者带来巨大商机。但是，无论从工业机器人的数量上还是技术上，我们都是比较落后的。而我国作为一个工业大国，不能寄希望从其他国

13、家得到真正的高技术，必须自主的发展我国的高技术，机器人作为高技术领域的一个重要分支，将成为21世纪各国争夺的经济技术制高点。如何在 21世纪加速我国机器人的发展，使我国早日进入机器人大国行列，已成为当务之急。由于目前我国机器人的基础数量太低，以工业机器人为例，到了2010年我国机器人拥有量只能达到世界拥有量1.38%2%，这与我国作为21世纪前半叶世界主要制造国的要求差距太大，如果这种差距只能以进口机器人来弥补，其巨大损失不是可以用货币损失来计算的。可见，无论从资金方面考虑，还是从长远利益考虑，我们有必要自主地对机器人进行研究和开发。 但是由于国内机器人的科研与开发与国外尚有较大差距，虽然计划

14、开发的机器人基本上采用的是在国外基木成熟的技术，但国内各单位对这些技术的了解有相当部分还停留在文献上或局部技术上。所以我们应该从基本做起，有必要研制少数型号的机器人和开展一批基础技术研究作为机器人课题的主要研究与开发内容。1.3 工业机器人概述工业机器人，一般指的是在工厂车间环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料或零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。国际标准化组织(ISO)在 对工业机器人所下的定义是“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能借助于可编程序操作来处理各种材料、零件、工具和专用设备，以执行种种任务” 。我国的工业机器人发展

15、的历史已经有20多年，从“七五”科技攻关开始，正式列入国家计划，在国家的组织和支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，不仅在机器人的基础理论和关键技术方面取得重大突破，而且在工业机器人整机方面，己经陆续掌握了喷漆、弧焊、点焊、装配和搬运等不同用途、典型的工业机器人整机技术，并成功的应用于生产，掌握了相关的应用工程知识。但总的看来，我国的工业机器人 技术及其工程应用的水平和国外的相比还有一定的距离。我国目前大约有 4000台工业机器人，其中仅有1/5是国产的，其余的则是从40多个国外厂商进口的机器人。总之，各种各样机器人的出现和应用是人类走向文明和发展的一个巨大进步和标志，在未来社会中，机器人的

16、广泛应用和发展是一个必然的发展趋势。相信在不远的将来，机器人技术将一定能够为人类带来更多的方便，为人类的文明和发展带来更大的机会。1.4 工业机器人研究的现状与意义 机器人涉及到机械、电子、控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。因此它的发展与上述学科发展密切相关。机器人在制造业的应用范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能越来越强，并向着成套技术和装备的方向发展。机器人应用从传统制造业向非制造业转变，向以人为中心的个人化和微小型方向发展，并将服务于人类活动的各个领域。总趋势是从狭义的机器人概念向广义的机器人技

17、术(RT) 概念转移；从工业机器人产业向解决工程应用方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术（RT）的内涵已变为“灵活应用机器人技术的、具有实在动作功能的智能化系统。”目前，工业机器人技术正在向智能机器和智能系统的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、PC 化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。 现代科学技术的迅速发展，尤其是进入20世纪80年代以来，机器人技术的进步与其在各个领域的广泛应用，引起了各国专家学者的普遍关注。许多发达国家均把机器人技术的开发、研究列入国家高

18、新技术发展计划。世界各国普遍在高等院校为大学本科生及研究生开设了介绍机器人技术的有关课程。为了培养机器人开发、设计、生产、维护方面的人才，我国很多高校也为本科生和研究生开设了机器人学课程。 1.5 论文研究的主要内容我们所设计的五自由度工业机器人，可以为进一步研究工业机器人的工作原理和工作过程奠定一定的基础。将其作为机器人学 、机器人技术基础课程及机械专业等机电结合的综合教学实验设备，不仅可以使学生在轻松愉快的氛围中充分理解相关课程的专业知识，而且可以激发学生的专业学习兴趣，树立系统的工程概念，培养其独立开展科学研究的能力。因此，本机器人的研制成功，对机械专业教学及科研有着十分重要的意义 学习

19、了机器人技术知识，查阅了大量的文献资料，对国内外机器人、主要是工业机器人的现状有了比较详细的了解。在此基础上，结合本人的设想，和设计工作中需要解决的任务，本文主要研究机器人总体结构进行设计，主要进行以下工作: 本体结构设计，本机器人手臂结构方案确定后要运用AutoCAD和Pro/Engineer软件把其平面装配图及其立体图做出。 第2章 五自由度机器人方案的设计2.1 机器人机械设计的特点 （1）关节型工业机器人操作机可以简化成各连杆首尾相接、末端开放的一个开式连杆系。为实现要求的坐标运动，在大多数工作时间内，连杆系末端是无法加以支撑的，因而操作机的结构刚度差，并随连杆系在空间位姿的变化而变化

20、。 (2) 在组成操作机的开式连杆系中，每根连杆都具有独立的驱动器，因而属于主动连杆系。这和普通的连杆系不同，在普通连杆系中，所有的连杆运动都出自同一驱动源，各连杆间的运动是互相制约的。由于操作机连杆的运动各自独立，不同连杆的运动之间没有依从关系，故而操作机的运动更为灵活。 (3) 连杆驱动扭矩的瞬态过程在时域中的变化是非常复杂的，且和执行件反馈信号有关。连杆的驱动属于伺服控制型，因而对机械传动系统的刚度、间隙和运动精度都有较高的要求。本文所用的三个关节驱动是步进电机驱动，属于开环控制型。 (4) 连杆系的受力状态、刚度条件和动态性能都是随位姿的变化而变化的，因此，极容易发生振动或出现其它不稳

21、定现象。 从以上特点可见，一个好的机器人设计应当使其机械系统的抓重自重比尽量大，结构的静动态刚度尽可能好，并尽量提高系统的固有频率和改善系统的动态性能。人类的手臂是最优秀的操作机，它的性能是机器人设计追求的目标。2.2 与机器人有关的概念 (1) 自由度(Degrees Of Freedom , DOF)：工业机器人一般都为多关节的空间机构，其运动副通常有移动副和转动副两种。相应地，以转动副相连的关节称为转动关节。以移动副相连的关节称为移动关节。在这些关节中，单独驱动的关节称为主动关节。主动关节的数目称为机器人的自由度。本文设计的机器人是5-DOF机器人。 (2) 工作空间(Work Spac

22、e)：工作空间是指机器人臂杆的特定部位在一定条件下所能到达空间的位置集合。由于工作空间的形状和大小反映了机器人工作能力的大小，因而它对于机器人的应用是十分重要的。 （3）按驱动方式分类可分为：(a) 气压驱动；(b) 液压驱动；(c) 电气驱动。 电气驱动是20世纪90年代后机器人系统应用最多的驱动方式。它有结构简单、易于控制、使用方便、运动精度高、驱动效率高、不污染环境等优点。本文设计的机器人采用了液压驱动与电气驱动。 2.3 设计方案2.3.1底座设计方案 本次设计的机器人底座采用液压驱动，采用直线油缸驱动底座动齿圈，带动底座外筒体作旋转运动，齿条油缸固定在机座地基上，如图2-1。图2-1

23、底座驱动方案 2.3.2 手臂结构方案设计 手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行器，使它们能在空间运动。为了使手部能达到工作空间的任意位置，手臂一般至少有三个自由度，少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个。手臂的结构形式有多种，常用的构形如图22。图 2-2几种多自由度机器人手臂构形 本课题要求机器人手臂能达到工作空间的任意位置和姿态，同时要结构简单，容易控制。综合考虑后确定该机器人具有五个自由度，其中手臂三个自由度，手爪部分二个自由度，由于在同样的体积条件下，关节型机器人比非关节型机器人有大得多的相对空间和绝对工作空间，结构紧凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活，因此

24、该型机器人采用关节型机器人的结构。旋转关节相对平移关节来讲，操作空间大，结构紧凑，重量轻，关节易于密封防尘。这里机器人手臂使用了三个旋转关节，综合各种手臂构形，最后确定其结构形式为图22中的第一种形式，此手臂决定了末端执行器在空间的位置。 2.3.3手爪的设计方案机器人采用二指平动型夹持手爪，它是目前使用最广泛的一种夹持型手爪形式，既可以用手指的内侧面夹持物体的外部，也可以将手指伸入到物体的孔内后，张开手指，用外侧面卡住物体。平动型夹持手爪在夹紧和松开物体时，手指由平行四杆机构传动，在平动过程中保持姿态不变，当被夹持物体的大小变化时，夹持中心也随之变化，这时须调整手爪的位置才能保持物体的位置不

25、变。手部机构设计时的注意事项钳爪应具有一定的开闭范围。钳爪为了抓取和松开工件，必须具有足够大的张开角度来适应较大的直径范围，范围太小，将限制手部的通用性，甚至使手部不能完成正常的抓放工作。钳爪应具有适当的夹紧力。机器人的手部机构靠钳爪夹紧工件后移动位置，由于工件自重以及移动过程中产生的惯性力和振动等，钳爪必须具有足够大的夹紧力，才能防止工件在移动过程中脱落。一般取，G是被抓物体的重量。保证工件的定位精度。工件在手指内的定位精度直接影响到工业机器人系统的精度，因此在设计时应当着重考虑。结构紧凑重量轻且满足强度和刚度要求。手部处于腕和臂部的最前端，运动状态多变，其结构、重量及动力负荷将直接影响到腕

26、和臂的结构。因此，在设计手部时，必须力求结构紧凑、重量轻和效率高。具有一定的通用性和可换性。 手部机构的动作形式有回转式和移动式，回转型手爪由于其结构简单，在满足工件定位精度要求的条件下，可尽量采用这种结构。常见的典型结构有：楔块杠杆式回转型手爪、滑槽杠杆式回转型手爪、连杠杠杆式回转型手爪、齿轮齿条平行连杠式平移型手爪和左右旋丝杠平移型手爪。根据要求本次设计采用楔块杠杆式回转型手爪，如图2-3。图2-3 楔块杠杆式回转型手爪2.3.4腕部结构的设计机器人的腕部是连接手部与臂部的部件，起支承手部的作用。它被安装在前臂杆的末端，用于调整末端执行器在工作空间的方向，是机器人不可缺少的重要部件。它的结

27、构和功能主要取决于组成手腕关节自由度数、类型、不同类型关节的组合方式和驱动形式等。一般来说，为了使末端执行件在工作空间中可以任意取向，如图2-4，腕部要有翻转（Roll）、俯仰（Pitch）和偏转（Yaw）三个自由度，分别用R、P、Y来表示。但在特殊情况下，也有少于三个自由度的情况。有时采用具有两个自由度的腕部结构：翻转和俯仰或翻转和偏转。此时尽管会降低手腕的灵活性，但结构上大大简化，可以提高机器人的总体性能。由于手腕处在开式连杆系末端的特殊位置，合理地设计手腕结构可以有效提高机器人的工作性能。设计腕部时一般要考虑以下几个方面的要求：1结构紧凑、重量轻。2动作灵活、可靠、平稳，定位精度高。3强

28、度、刚度高。4设计合理的手臂和手部的连接部位以及传感器和驱动装置的布局和安装。5能根据工作需要更换手爪，方便装卸和维修。图2-4手腕的自由度（a）手腕的翻转；（b）手腕的俯仰；（c）手腕的偏转；（d）腕部坐标系如图2-5，腕部的基本结构设计可选择三种方案。第一种方案腕部具有俯仰和偏转两个自由度，手爪在工作空间中不能进行翻转运动，所以手爪在抓取物体时的方向调节受到了限制；后两种方案腕部具有俯仰和翻转两个自由度，两种关节的排列方式相反。前者B关节与小臂联结，R关节与手爪联结，与后者相比，手爪在作俯仰运动时，弯转轴线与目标之间的垂直距离较远，所以弯转半径较大，如使用相同精度的驱动电机，在转过相同角度

29、时会增大手爪末端的定位误差。综上所述，腕部的基本结构采用第三种方案，手腕翻转关节安装在小臂末端，驱动部分可以安装在小臂内部，从而达到了节省空间的目的，使得整个机器人的结构更加紧凑，工作性能也会有很大提高。图2-5 手腕结构的三种方案第3章 五自由度机器人的结构设计3.1 手爪结构设计3.1.1手部结构设计的基本要求（1）应具有适当的夹紧力和驱动力；（2）手指应具有一定的开闭范围；（3）要求结构紧凑，重量轻，效率高；（4）应考虑通用性和特殊要求。3.1.2夹紧力计算 手指加在工件上的夹紧力是设计手部的主要依据，必须对其大小、方向、作用点进行分析、计算。一般来说，加紧力必须克服工件的重力所产生的静

30、载荷（惯性力或惯性力矩）以使工件保持可靠的加紧状态。手指对工件的夹紧力可按下列公式计算：式中:安全系数，由机械手的工艺及设计要求确定,通常取1.22.0，取1.5；工件情况系数，主要考虑惯性力的影响， 计算最大加速度，得出工作情况系数, ，a为机器人搬运工件过程的加速度或减速度的绝对值（m/s）；方位系数，根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定，手指与工件位置：手指水平放置 工件垂直放置；手指与工件形状：型指端夹持圆柱型工件，为摩擦系数，为型手指半角，此处粗略计算,如图3-1所示。 图3-1 夹持载荷示意图被抓取工件的重量求得夹紧力，取整为177N。3.1.3驱动力计算根据驱动力和夹

31、紧力之间的关系式：式中：c滚子至销轴之间的距离；b爪至销轴之间的距离；楔块的倾斜角可得，得出为理论计算值，实际采取的液压缸驱动力要大于理论计算值，考虑手爪的机械效率，一般取0.80.9，此处取0.88，则： ，取本设计为楔块杠杆式回转型夹持器，属于两支点回转型手指夹持，如图3-2。图3-2 楔块杠杆式回转型夹持器3.1.4楔块等尺寸的确定楔块进入杠杆手指时的力分析如下： 图 3-3 夹持示意图上图3-3中斜楔角，时有增力作用；滚子与斜楔面间当量摩擦角，为滚子与转轴间的摩擦角，为转轴直径，为滚子外径，为滚子与转轴间摩擦系数; 支点至斜面垂线与杠杆的夹角；杠杆驱动端杆长；杠杆夹紧端杆长；杠杆传动机

32、械效率3.1.5材料及连接件选择V型指与夹持器连接选用圆柱销，d=8mm, 需使用2个杠杆手指中间与外壳连接选用圆柱销，d=8mm, 需使用2个滚子与手指连接选用圆柱销，d=6mm, 需使用2个以上材料均为45#钢，无淬火和表面处理楔块与活塞杆采用螺纹连接，基本尺寸为公称直径12mm，螺距p=1，旋合长度为10mm。3.2腕部结构设计计算3.2.1 腕部回转关节的设计步进电机的选择：腕部旋转由步进电机直接驱动，设手爪及物体的最大当量回转半径R=50mm，手爪及物体的总重量m=2.5kg,则其转动惯量设机器人手部角速度W1从0加速到420/s所需要的时间t=0.4s,则其角加速度 负载启动惯性矩

33、（不计静磨擦力矩）。由于步进电机不具有瞬时过载能力，故取安全系数为2（不同），则步进电机输出的启动转矩。由于必须小于步进电机的最大静转矩，所以选择如下二相步进电机：型号:42HSM02。最大步距角保持转矩为2.4，步矩角1.8，质量为0.23kg.3.2.2 腕部俯仰关节的设计腕部俯仰是由步进电机直接驱动的，手爪回转装置及物体的重心到回转中心的距离，腕部当量回转半径，则腕部俯仰时其转动惯量式中，手爪回转装置及物体总质量约为2。5kg;腕部总质量约为0.1kg;设机器人腕部俯仰角速度从加到所需时间t=0.2s,则腕部俯仰角加速度，腕部俯仰启动惯性矩 负载静转矩（静磨擦力矩忽略不计）。由于,故惯性

34、矩忽略不计，则腕部俯仰总转矩。则步进电机输出的启动转矩为所以，选择如下二相步进电机：型号：42HS14；最大静转矩：步矩角：1.8;质量：2。6kg.3.2.3 腕部材料的选择 结合要求与设计过程，选腕部结构材料为合金结构钢，无经淬火与回火处理。3.3 大臂和小臂结构设计3.3.1小臂的结构设计当小臂与末端执行器均处于水平状态时，各部分对回转中心产生的静转矩最大，其代数和为选择减速器如下：型号为：EPL040007。则步进电机输出的启动转矩为。所以，选择如下四相混合式步进电机；型号：86HS43；最大静转矩：；步矩角；1.8;质量：2.6kg.3.3.2 大臂的结构设计 当大臂与小臂，末端执行

35、器均处于水平状态时，各部分对回转中心产生的静转矩最大。选择减速器如下：型号EPL064007。则步进电机输出的启动转矩为所以，选择如下四相步进电机： 型号：86HS80；额定转矩：；步矩角：。质量：3.8kg3.3.3臂部材料的选择结合要求与设计过程，选大臂与小臂的结构材料为合金结构钢，无经淬火与回火处理。3.4腰部结构的设计腰部回转关节由液压驱动。当腰部回转体与大臂，小臂，末端执行器处于水平状态时，各部分对回转中心产生的转动惯量最大，其代数和为初步规定机器人腰部回转角速度从加速到所需要的时间为，则腰部回转角加速度则腰部回转启动惯性矩假设两齿轮间的传动比i=3.5，传动效率 =97%；则液压缸

36、的输出转矩 则选择如下取液压缸：选取液压缸型号为UBFZD40。3.4.1腰部材料的选择结合要求与设计过程，选大臂与小臂的结构材料为合金结构钢，无经淬火与回火处理。3.5底座结构设计基于底座在本次设计中的作用，选取底座的材料为铸铁，且设计底座尺寸为：长宽高=520mm500mm60mm。3.6轴承的选择滚动轴承是现代机器广泛应用的部件之一，它依靠主要元件间的滚动接触来支撑转动零件的。滚动轴承大多数已经标准化，并且具有摩擦阻力小，功率消耗少，启动容易等优点。根据以上叙述及实际的情况，初步选用滚动轴承。(1)根据实际要求，腰部转动选取角接触轴承，因为它可以同时承受径向载荷及轴向载荷。则腰部的角接触

37、轴承的型号为：7412C (内径d=70mm)(2)大臂与腰部关节处的轴承选用深沟球轴承，该轴承主要承受径向载荷，同时也可以承受小的轴向载荷。则该轴承的型号为：6305（内径d=25mm）。(3)大臂与小臂关节处的轴承选用深沟球轴承，该轴承主要承受径向载荷，同时也可以承受小的轴向载荷。则该轴承的型号为：6204（内径d=20mm）(4)腕关节处的轴承选用深沟球轴承，该轴承主要承受径向载荷，同时也可以承受小的轴向载荷。则该轴承的型号为：6000（内径d=10mm）第4章 五自由度机器人的三维造型4.1概述Pro /E是美国参数技术公司（PTC）推出的新一代CAD/CAE/CAM软件，是目前全球用

38、户最多的三维CAD软件之一。Pro /E提供了一套完整的机械产品解决方案，内容包括工业设计、机械设计、模具设计、加工制造、机构分析、有限元分析以及产品数据库管理，为业界认识提供了一个理想的设计环境。4.1.1Pro /E的主要功能（1）Pro /ENGINEER 模块 Pro /ENGINEER是Pro /E野火版的基本模块。其功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型、三维实体着色渲染、产生工程图等。Pro /E是一个功能定义系统，即通过各种不同的专门功能来实现造型，其中包括筋、槽、倒角和抽壳等；该系统的参数化功能允许；利用关系式自由定义形体尺寸和它们之间的位置关系，从而保证任何一个尺寸参数

39、改变时，其它所有相关的特征都会自动修改，提高了设计效率。Pro /E还提供了丰富的标准数据交换格式，不仅能与其他众多的二维、三维图形软件进行数据交流，而且还能把设计结果方便的输出到绘图机或一些支持Postscript 格式的彩色打印机上。此外，用户还可配上Pro /E软件的其他模块或利用C/C+语言编程进行二次开发，以增强软件的功能。（2）Pro/EASSEMBLY 模块 Pro/EASSEMBLY是一个参数化组装管理系统，能提供用户自定义手段去生成一组组装系列及自动的更换零件。Pro/EASSEMBLY是Pro/ADSSEMBLY的一个扩展选项模块，只能在Pro /E环境下运行。(3)Pro

40、/DESIGN 模块 Pro/DESIGN可以加速设计大型及复杂的顺序零件，可以进行二维平面图布置的非参数化组装概念设计，参数化概念分析，以及3D部件平面布置，还能使用2D平面图自动组装零件。它必须在Pro/E环境下运行。(4)Pro/DETAIL 模块 Pro/E提供了一个很宽的生成工程图的能力，包括：自动尺寸标注、参数特征生成、全尺寸修饰，自动生成各种类型的投影图和剖面图。Pro/DETAIL 扩展了Pro/E的上述功能，允许直接从Pro/E的实体造型产生符合ANSI/ISO/JIS/DIN标准的工程图。Pro/DETAIL也包括2D非参数化制图功能，用于生成不需要3D模型的产品图。(5)

41、Pro/DRAFT 模块 Pro/DRAFT是一个二维绘图系统，用户可直接产生和绘制工程图，而无需先进行三维造型。Pro/DRAFT允许用户通过IGES及DXF等文件接口接受其他CAD系统产生的工程图。（6）. Pro/FEATURE 模块 Pro/FEATURE扩展了Pro/E内的有效特征，包括用户定义的习惯特征，如各种曲面造型（Prpfited Domes）、零件抽壳(Shells)、三维扫描造型(3D Sweep)、多截面造型(Blending)、薄片设计等等。通过将Pro/E任意数量特征组合形成用户定义的特征，就可以快捷地生成新的复杂特征模型。（7）Pro/SHEETMETAL 模块

42、Pro/SHEETMETAL扩展了Pro/E的设计功能，用户可建立参数化的钣金造型和组装，它包括生成金属板设计模型以及将它们放平成平面图形。Pro/SHEETMETAL提供了通过参照弯板库模型的弯曲和放平能力。（8）.Pro/MANUFACTURING 模块 Pro/MANUFACTURING将产生生产过程规划、刀路轨迹，并能根据生产规划做出时间上及价格、成泵上的估计。其间，任何实际上的改变，都能自动的将相关程序和资料进行更新，而无需用户自行修改。它允许用户采用参数化的方法定义NC加工路径，接这作后期处理并产生NC代码。（9）Pro/SURFACE 模型 Pro/SURFACE扩展了Pro/E

43、的生成、输入和编辑复杂曲线的功能。Pro/ SURFACE提供了一系列必须的工具，使得用户能利用曲线和曲面进行特别复杂的造型设计。（10）Pro/MESH 模块 Pro/MESH提供了实体模型和薄壁模型的有限元网格自动生成能力，即自动的将实体模型划分成有限元网格，以便进行有限元分析。所有参数在和和边界条件可直接在实体模型上定义，并自动生成四边形或三角形实体模型。(11)Pro/INTERFACE 模型 Pro/INTERFACE是一个完整的工业标准数据传输系统，提供了Pro/E与其他CAD系统之间的各种标准数据交换格式，用于Pro/E几何的输入和输出。例如，对从其他CAD系统输入的2D图形参数

44、化并构造成Pro/E内的任意特征类型，或者将三维线框图形、任意形状曲面、三维表面模型等输入给Pro/E，在Pro/E中进行“修补”和应用。(12)Pro/LIBRARYACCESS N模块 Pro/LIBRARYACCESS N提供了一个超过两万个通用标准零件和特征的扩展库，用户可方便地从菜单里拾取任意工业标准特征或零件，并将它们揉合进零件或部件的设计中。（13）Pro/PROJECT 模块 Pro/PROJECT提供了一系列管理工具，用于大规模浮躁设计上的数据管理，设和多组设计人员同步运行的工程作业环境，用户可集中管理所有设计文档。从概念性设计到加工制造工序，Pro/PROJECT的各项功能

45、对Pro/E或非Pro/E类型的数据操控自如。(14)Pro/REPORT 模型 Pro/REPORT是Pro/E的一个选项模块，它提供了一个将字符、图标、表格和数据组合在一起以形成一个动态报告的格式环境。使用它能方便的生成材料报表（BOM），并可根据数据的多少自动改变表格的大小。(15)Pro/DEVELOP 模块 Pro/DEVELOP是一个用户开发工具，可利用该工具将自己编写或第三家的应用软件结合并运行在Pro/E环境下。Pro/DEVELOP包括C语言的副程序库，用于支援Pro/E的接口，以及直接存取Pro/E数据库。4.1.2 主要特征 Pro/E是基于特征的、参数化实体造型系统，该

46、系统的主要特性：(1).基于特征建模 特征是一种继承对象，用于在更高层次上表达产品的功能和形状信息。对于不同的设计阶段和应用领域又有不同的特征定义，例如功能特征、加工特征、形状特征、精度特征等。 在Pro/E中，特征是指所有的实体、嵌片和对象等，它是由参数驱动的。也就是说，Pro/ E中的所有模型都是由若干个特征组成的，特征是组成的模型的最基本要素。如果改变了与特征相关的各种数据信息，就直接改变了模型的外形等。(2).参数化设计Pro/ E是第一个引入参数化概念的CAD软件。所谓参数化，是指特征之间又一定的关联关系，这种关系可通过一定的参数（既可以是关系式，也可以是关系式）来表达。当外部变化量

47、发生变化时，受其影响的参数也会自动发生相应变化，而不需要一一修改或重新绘制。参数化设计实际上是通过尺寸驱动来实现的。所谓尺寸驱动，就是以模型的尺寸来决定的模型的形状。一个模型是由一组具有一定关联关系的尺寸进行定义的。Pro/ E中定义的参数包括几何形状参数和定位尺寸参数两种。(3).全数据相关性 Pro/ E的所有模块都是相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括零件模型、装配体、工程图、制造数据等。全相关性鼓励在开发周期的任一时刻进行设计修改，而且不会产生任何损失，使并行工程成为可能。(4).单一集成数据库 与一些传统的CAD/CAM系统所不同的是，Pro/ E是建立在单一数据库基础之上。所谓单一数据库，就是工程中所使用的数据信息全部来