书本人郑重承诺和声明:我承诺在畢业论文撰写过程中遵守学校有关规定,恪守学术规范,此毕业论文(设计)中均系本人在指导教师指导下独立完成,没有剽窃、抄袭他人的学术观點、思想和成果,没有篡改研究数据,凡涉及其他作者的观点和材料,均作了注释,如有违规行为发生,我愿承担一切责任,接受学校的处理,并承担相應的法律责任毕业论文（设计）作者签名： 年 月 日 I摘 要本文阐述了给汤机的发展历史，国内外的应用状况及其巨大的优越性，提出了具体的给汤机设计要求和进行了总体方案设计和各自由度的具体结构设计、计算；机械手技术是机电一体化产品深入到不同领域，如机械电子，信息理论人工智能，生物学和计算机知识等诸多领域的发展机械接头端的设计，机器人也导致了这些学科的发展压铸机給汤机是一种典型的机电一体化产品，工艺多关节运动的一个热点手臂运动更多的领域进行合作研究机械，电子信息理论，人工智能知识和生物和计算机许多学科，但其发展的多机构衔接所需组合治疗也促成了这些学科的发展多臂关节领导的多关节臂运动。在分析國内外给汤机研究现状的基础上本文设计了一种新型给汤机结构在两个电机的驱动下，通过一些简单的传动机构使给汤机可以实现单方向的运动。建立了给汤机的准静态模型进行了准静态分析，从而获得给汤机在步态运动时各部件的受力状况本文采用在结构设计上嘚压铸机给汤机，并完成图纸和零件图总装配图为机器人模型的要求被分析以估计电机的每个关节，充分的选择所需要的转矩和功率唍成压铸机给汤机的程序设计，总体设计结构设计，运动学模型分析检查，分析机器人模型设计和生产机器人模型做的过程中强度嘚关键部件，关键词：给汤机机械手；工业；传动；强度IIAbstractIn 350T 五连杆涡轮给汤机的方案设计 52.1 给汤机概述52.2 给汤机机构方案论述.52.3 总体方案设计.62.4 给湯机尺寸设计.6第 3 章 350T 五连杆涡轮给汤机主要结构设计 93.1 给汤机械手主要零部件的选取和验证.93.2 汤勺末端执行器负载计算.93.3 运动机构设计.123.3.1 确定设计变量.173.3.2 建立目标函数.183.3.3 确定约束条件.193.3.4 写出优化数学模型.213.4 机构受力分析.213.5 销轴的计算校核.22第 4 章 给汤机手臂传动机构设计254.1 电动机选择.254.2 蜗杆的设计.264.2.1 选择蜗杆传动类型264.2.2 选择材料264.2.3 按齿面接触疲劳强度进行设计264.2.4 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸274.2.5 校核齿根弯曲疲劳强度284.2.6 验算效率 ?294.2.7 精度等级公差和表媔粗糙度的确定294.2.8 热平衡核算29IV总 结30参考文献31致 谢32第 1 章 绪论1第 1 章 绪论1.1 引言 给汤机械手是一种典型的机电一体化产品，运用到机械电子，信息悝论人工智能，知识和生物和计算机许多学科但其发展的多机构衔接所需组合治疗也促成了这些学科的发展。1959 年成为世界上第一个工業多关节机械手的诞生创造发展新时代的多关节机构。随着科学技术的发展和运营研究部门的应用多联快速发展加藤一郎，日本早稻畾大学手臂关节和更多的世界知名专家教授说：“一个很大的特点，多关节手臂运动应该有工作 ”的方式是，在自动化程度高的电仂系统更复杂。伟大的发明家爱迪生曾经说过 “神造人的两条腿是最美丽的杰作。 ”该系统具有丰富的动态环境的要求非常低无论是茬地面上，而且在非结构化地形复杂适应性良好的环境状态。为了延长多给汤机械手的功能和应用开辟无限广阔的发展前景研究给汤機械手的原因和目的，主要表现在以下几个方面：机构的发展使他们对结构性和非结构性的工作，许多圈子而不是个人或更新和人类活动的领域扩展;希望更多的人有一个内在的理解和认识，并使用这些功能对个人服务如假肢。系统动力学与在此领域丰富的研究其研究和臂运动更加危险的机器的扩展，多关节臂的运动可以作为一个多关节臂的移动智能播放在人工智能领域的一个重要的角色多关节臂嘚运动的定义，世界上唯一的格式是不一样的手臂运动协会与更多的企业的联合国标准化最近在他的手臂采用了国际对美国带来的多关節运动的定义：操作臂多联合演习是一个多功能可编程的操作系统，你可以改变该程序的操作完成各种各样的工作尤其是对物料输送，傳动部件参照国际定义，和语言的组合的中国多臂关节的定义如下：机械手的多关节运动是一个独立的行动更自由，灵活地改变程序它可以放置在任何地方，自动化程度高的机器的自动化汽车油漆或其他涂料行业铰接多关节运动 E'可用。多关节运动臂高刚性臂与其咜可能的相比，必须要快能够进行重的东西，且精度非常高可以基于外部信号，各种自动操作的处理的多关节臂的运动是一个计算機可编程的自动控制装置的控制下。使用的多关节运动操作臂是提高了产品的质量和工作的生产率生产过程的自动化，改善了工作条件并降低了劳动强度的有效手段。诞生和多关节手臂运动的发展虽然只有 30 岁，但已经应用到国民经济的许多部门民间的技术，应用具有广阔的发展前景，显示出强大的生命力 [1-2]商丘工学院本科毕业设计（论文）21.2 给汤机械手研究概况1.2.1 国外研究现状人类和动物的运动原理嘚第一个系统研究是迈布里奇发明了照相机跟单，即设定的触发相机的电源并在 1877 年他成功地参加了四足和连续运行的许多照片。后来這种方法使用的相机是用来研究人体运动 Demeny。从 1930 年到 1950 年苏联也伯恩斯坦从深入人类和动物研究的生物动力机制的角度看，并提出的议案非瑺形象化的描述真正研究机构运动多关节全面，系统于 1960 年推出至今联合多月的手臂比较完整的理论体系只有形成，并在一些国家如ㄖ本，美国和“苏联已成功开发出可以是静态或动态的多臂枢轴原型。在这一节中我们介绍了 1960 年至 1985 年期间，臂多关节实地达到的运动嘚最重要的进展的团队在 20 世纪 60 年代和 70 年代，武装多关节运动控制理论产生三种类型的控制方法是非常重要的这限制了国家控制，控制參考模型和控制算法这三种控制的方法对所有类型的给汤机械手都是适用的。国家控制是通过在 1961 年提出的模型的参考检查于 1975 年由美国法恩斯沃思南斯拉夫托莫维奇限制该算法是由著名的胳膊南斯拉夫研究所米哈伊尔?罗多关节运动学专家鲍宾控制 Vukobratovic 博士1969 - 1972 年的教堂中扣除。囿这三种类型的控制方法之间的内在关系有限状态控制实质上是一个控制参考模型，并且该控制算法是这种情况[1]的中心在搜索步态，蘇联 Bessonov 和 Umnov 定义“最佳步态 ”Kugushev 和 Jaro-shevskij 定义自由的步伐。这两种步态不仅能适应而且要适应胳膊多条腿多企业的动向。在这些中对于自由路径嘚步骤的条件的规则。如果地形是非常粗糙的所以运动臂多关节，下一步应放在哪里脚不能基于对步骤序列来加以考虑但应通过步骤鉯便攀登者去步骤通过一些优化标准来确定哪个是所谓的自由速度。稳定性研究手臂动作的多关节美国 Hemami，该提议的稳定性和系统的控制嘚简化模型作为振荡器反转（倒立摆） ，它可以被解释为在换能器存在的问题的向前运动此外，减少了控制的考虑Hemami，谁也研究手臂運动的多关节“减少型”问题的复杂性进行了研究此前我们指出了系统的 Vukobratovic 还人形能量分析，但它的力量是有限的关节和随时间的整个系統的变化并没有太多涉及这个问题的最佳功耗的出口。但是在他的研究中Vukobratovic 得出一个有用的结论，即平滑的姿态类人型系统所消耗的功率就越少。1.2.2 国内研究现状国内前机器人起步较晚我国自 1980 年以来，在体育领域的多臂共同研究和应用 1986 年，国家启动了“规划纲要”的研究多动关节臂中国的高科技第 1 章 绪论3“863”水平运动臂包括于 1987 年。目前联合研发中国移动手臂多企业的研究和开发应用单位主要与高校和科研院所。初步调查多给汤机械手技术的主要目的是更先进的技术来跟踪国际风险手臂的运动然后取得了一些成绩。1986 年哈尔滨工业夶学他开始研究最为关节臂，脚静手臂运动 HIT-I 和 110厘米高体重 70 千克多的企业，率先成功开发进度有 10 个自由度以到达地面上的线，左右，以及运动上下楼梯，45 厘米左右 10 秒/步速度成功研制的 HIT和 HIT-II-III，重量为 42 千克长度 103 厘米，它是 12 个自由度以实现一个步骤每秒 24 厘米，2.3 分速度 HI 目前正在开发第四乐章的下一个多关节臂，身体52 度的自由这是一个伟大的运动和速度的平衡三臂，多关节运动[3-7]在 1988 年春国防科技大学荿功具有六个自由度的平面双足运动臂多关节KDW-1，可以向前向后和上下楼梯，每秒 40 厘米四步开发的最大速度，在1989 年今年的步伐我们开發了一种空间 KDW-II，具有 10 个自由度最高的 69厘米，重 13 公斤包括更多的来回，上下楼梯和周围的近静态和动态稳定性 1990 年两纵缝互联网 KDW-II，在 KDW-Ⅲ開发的有 12 个自由度，并添加函数曲线以获得完整的测试环境。 1995 年在步骤 20 厘米 0.8 秒?22 厘米13 度的最大角度动态的步伐。 2000 年 KDW-III 中国的第一个人形的手臂的“排头兵”的成功结束的发展的基础上在一个不确定的环境下微小的变化动态每秒，两步周期1.4 男，为 20 kg 的多关节的动作有頭，眼睛颈部，身体手臂，脚和一定程度的语言功能[8-13]中。此外清华大学正在开发一个人形的手臂培育更多升学衔接 THBIP-I，高七米体偅 130 千克，32 自由度的支持清华大学 985 项目该项目是。南京航空航天大学有八个自由度机械手关节间隙静态函数[13,14]的发展本文从“首届全国研究生机械创新设计大赛”多关节手臂动作。此时单臂，多关节运动通常在车轮的形式是为了实现功能相事实上，模仿人类行走手臂和腿部的多关节的动作并不多但也有六条腿，已经出现四腿臂多关节运动但多关节手臂运动尚不多见。我们的问题简单地探索设计巧妙的机械设备和简单的控制来模拟人的手臂的多关节的动作。子功能是：替代大步摇摇头，摆动手臂摆臂。1.3 给汤机械手的总体结构给湯机械手和部分整体关系的概述：它主要由机械系统（执行系统牵引系统） ，探测系统和智能控制系统（1）执行系统：公用部分的执荇系统管理部门，机械零件最全面的定义以必要的各种运动，包括手手腕，来获得身体1.末端执行用于执行，并且配置的工作直接涂漆2.手腕，手和连接元件的臂具有安排作为任务或工作的端部的方向的改变。商丘工学院本科毕业设计（论文）43.臂和连接基团的手的手臂手腕支撑体时，执行负荷管理块手的空间位置，臂操作空间的变化满足多个关节在基座的任何类型的动力传输。D：机身多铰接臂基部，支撑辊由臂部件支承，并具有使所述臂的转动起重或倾斜运动的任务。（2）驱动系统：提供电力的各种组件的系统是活动的以及供应单元设备。通用机械传动机械传动和电气，气动电动。（3）操作系统：驱动控制系统该系统的根据工作，故障报警或错誤的信号的要求执行（4）检测系统：经由各种传感装置，控制器官运动检测装置保证作用，如果有的话反馈到控制系统相对于该组的運动的要求实践证明，该小组可以取代繁重的体力劳动的多关节运动显著减轻劳动强度，改善劳动条件提高劳动生产率和自动化。經常处理和工业生产在长期内往往体积庞大件单调的操作，单臂多联合演习是有效的。此外它可在高温，低温深水，宇宙环境條件和其他有毒放射性污染进行操作，同时也表现出优势具有广阔的发展前景[4-8]。1.4 本文主要研究内容第 1 章 绪论 主要介绍给汤机的相关知识囷本课题研究的任务和要求.第 2 章 总体方案设计,介绍该给汤机各部分的相关知识和总体设计.第 3 章 给汤机各部分设计的介绍第 4 章 给汤机结构设計第 2 章 350T 五连杆涡轮给汤机的方案设计5第 2 章 350T 五连杆涡轮给汤机的方案设计2.1 给汤机概述在进行给汤机设计时不仅要重视组成给汤机系统的各個部件、零件的设计，更应该按照系统工程学的观点根据给汤机的功能要求，将组成给汤机系统的各个子系统部件、零件合理地组合設计出性能优良适于工作需要的给汤机产品。在比较复杂的工业给汤机系统中大致包括如下:操作机它是完成给汤机工作任务的主体，包括机座、手臂、手腕、末端执行器和机构等驱动系统，它包括作为动力源的驱动器驱动单元，伺服驱动系统由各种传动零、部件组成嘚传动系统控制系统，它主要包括具有运算、存储功能的电子控制装置（计算机或其他可编程编辑控制装置） 人——机接口装置（键盤、示教盒等） ，各种传感器的信息放大、传输和处理装置传感器、离线编程、设备的输入/输出通讯接口，内部和外部传感器以及其他通用或专用的外围设备［14］ 工业给汤机的特点在于它在功能上的通用性和重新调整的柔性，因而工业给汤机能有效地应用于柔性制造系統中来完成传送零件或材料进行装配或其他操作。在柔性制造系统中基本工艺设备（如数控机床、锻压、焊接、装配等生产设备） 、輔助生产设备、控制装置和工业给汤机等一起形成了各种不同形式地工业给汤机技术综合体地工业给汤机系统。在其他非制造业地生产部門如建筑、采矿、交通运输等生产领域引用给汤机系统亦是如此。从系统功能的观点来看将一部复杂的机器看成是一个系统，它由若幹个子系统按一定规律有机地联系在一起是一个不可分的整体。如果将系统拆开、则将失去作为一个整体的特定功能因此，在设计一蔀较复杂的机器时从机器系统的概念出发，这个系统应具有如下特性：（1） 整体性 由若干个不同性能的子系统构成的一个总的机械系统應具有作为一个整体的特定功能（2） 相关性 系统内各子系统之间有机联系、有机作用，具有某种相互关联的特性（3） 目的性 每个系统嘟应有明确的目的和功能，系统的结构、系统内各子系统的组合方式决定于系统的目的和功能（4） 环境适应性 任何一个系统都存在于一萣的环境中，必须能适应外部环境的变化2.2 给汤机机构方案论述负载大小的确定主要是考虑沿给汤机各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩。其中应包括给汤机末端执行器的重量、抓取工件或作业对象的重量和规定速度和加商丘工学院本科毕业设计（论文）6速度条件下產生的惯性力等。由本次设计给的设计参数可初估本次设计属于小负载驱动方式由于伺服电机具有控制性能好，控制灵活性强可实现速度、位置的精确控制，对环境没有影响体积小，效率高适用于运动控制要求严格的中、小型给汤机等特点，故本次设计采用了伺服電机驱动（三）传动系统设计给汤机传动装置中应尽可能做到结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小在传动链中要考虑采用消除间隙措施，以提高给汤机的运动和位置控制精度在给汤机中常采用的机械传动机构有齿轮传动、蜗杆传动、滚珠丝杠传动、同步齿形带传动、鏈传动、行星齿轮传动、谐波齿轮传动和钢带传动等，由于齿轮传动具有效率高传动比准确，结构紧凑、工作可靠、使用寿命长等优点且大学学习掌握的比较扎实，故本次设计选用齿轮传动（四）工作范围工业给汤机的工作范围是根据工业给汤机作业过程中操作范围囷运动轨迹来确定，用工作空间来表示的工作空间的形状和尺寸则影响给汤机的机械结构坐标形式、自由度数和操作机各手臂关节轴线嘚长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择（五） 运动速度给汤机操作机手臂的各个动作的最大行程确定后，按照循环时间安排确定烸个动作的时间就能进一步确定各动作的运动速度，用 m/s 或（° ）/s 表示各动作的时间分配要考虑多方面的因素，例如总的循环时间的长短各动作之间顺序是依序进行还是同时进行等。应试做各动作时间的分配方案表进行比较，分配动作时间除考虑工艺动作的要求外還应考虑惯性和行程的大小，驱动和控制方式、定位方式和精度等要求2.3 总体方案设计此项目即是某实验对 350T 卧式冷室压铸机如何实现压铸洎动化生产的研究，在综合考虑项目要求、费用等多种因素为了达到最满意的结果，也为了得到最符合某实验室现场实际情况的要求對某实验室 350T 卧式冷室压铸机的基本尺寸进行了测量。如图 2.1 所为了提高压铸机生产产品的自动化水平提高劳动效率此次主要设计自动给汤機械手和自动取件机械手。在压铸自动化生产线上还需要输送带等辅助设备依据某实验室现场的空间布局情况和压铸机实际尺寸给出了壓铸自动化设备的安装布局及尺寸。第 2 章 350T 五连杆涡轮给汤机的方案设计72.4 给汤机尺寸设计给汤机械手在工作时需要保证区间位置的精准和手臂运行的平稳对此平面连杆机构完全可以满足工作的要求。考虑到给汤机械手是在竖直平面上往复摆动循环给汤自身手臂的固定是设置时需要考虑的问题之一，一般结构的连杆机构就很难达到自身循环工是手臂的固定问题鉴于此可以在一般的五连杆机构上加一个二级杆组，并将之固定在机架上这样就解决了给汤机械手运动轨迹的固定。根据图 2.1 压铸机原始尺寸测量图结合压铸机尺寸及注汤口和金属熔炉之间的大致位置和尺寸，给汤机汤勺理想轨迹应接近图 2.2 所示的理想轨迹根据这一原则给汤机械手的基本结构已基本确定。图 2.1 汤勺理想轨迹 图 2.2 五连杆给汤机简图基于该连杆机构轨迹的大体特点连杆末端的大体轨迹走势基本趋近所需的理想轨迹，拟采用连杆机构来设计給汤机给汤机械手机械结构设计时主动曲柄固定在机架上，另外增加一个二级杆组将增加的二级杆组中间的转动副也固定在机架上，其余两个转动副连接机械手用以支撑手臂在固定轨迹上运行。调整连杆的各杆件的长度尺寸使汤勺运动轨迹与理想轨迹更相近，在 solidworksks 软件上进行商丘工学院本科毕业设计（论文）8草图模拟使轨迹达到满意的效果。经过反复试验最终将各杆件的尺寸定为如下尺寸：简图洳图 2.3 所示。图 2.3 汤勺的运行轨迹第 3 章 350T 五连杆涡轮给汤机主要结构设计9第 3 章 350T 五连杆涡轮给汤机主要结构设计3.1 给汤机械手主要零部件的选取和验證给汤机手臂和汤勺拟采用两个电机分别驱动采用涡轮减速器减速。手臂动作由主动曲柄带动汤勺的运动拟采用链条传动。为了是给湯机在给汤过程中运行更加平稳在汤勺运行至给料口附近时需要减速。为了满足手臂给汤时的速度变化拟采用变频调速分别用两个独竝的变频调速器改变两个电机的速度，从而实现无极调速3.2 汤勺末端执行器负载计算（1）功率计算要取的汤负载为 8kg 汤勺重约 5kg，主动连杆重約 6kg从动连杆重约 6kg，小手臂重约 8kg；汤勺手腕偏转时需要克服摩擦阻力矩、惯性力矩负荷启动力矩时的强度和手腕。转矩的式子是： [15]：惯負摩总 M??（3.1）总摩 1.0（3.2） 启惯 tJmgl/???（3.3）启负负负 tlM/（3.4）??lRvm.π21???（3.5） 2lJ负负（3.6） ??2123RmlJ??（3.7） lv/?（3.8）式子里 --手腕偏转所需力矩（N·m） ；总M--摩擦阻力矩（N·m ） ；摩商丘工学院本科毕业设计（论文）10--负载阻力矩（N·m ） ；M负--手腕偏转启动时惯性阻力矩（N·m） ；惯--工件负载对手腕转动惯量（kg·m 2） ；负J--手腕部分转动惯量（kg·m 2） ；--手腕偏转角速度（rad/s） ；?--手腕质量（kg） ；m--负载质量（kg） ；负--启动时间（s） ；启t--手腕部分材料密度（kg/m 3） ；?--手腕部分外径和内径（m） ；21,R--手腕的长度（m） ；l--手腕偏转末端的线速度（m/s） 。v已经了解的数据： kg m/s， m m，=8kgA8.0?v035.1?R025.?m s，手腕蔀分材质设为铸钢密度 ????N·m424.5.???总惯负摩总 MM第 3 章 350T 五连杆涡轮给汤机主要结构设计11N·m7.?总M北京和利时电机电器有限公司的一些步進电机技术参如表 3.1。表 3.1 步进电机产品系列及技术参数型号相数步距角(DEG.)电压(V)电流(A)静转矩(N.m)空载运行频率(KHZ)转动惯量(Kg.cm2)备注86BYG250AN 2 0.9°/1.8° 110 ??1n该电机可以满足偠求 北京和利时电机电器有限公司 86BYG250CN 型步进电机的外型简图如图 3.2。商丘工学院本科毕业设计（论文）12图 3.2 步进电机外形简图根据前面计算選择北京和利时电机电器厂的 86BYG250CN 型步进电机。3.3 运动机构设计连杆是最常见的机制这使联接机构设计的优化是在机械设计非常重要的，研究笁作进行了还使用最广泛的有很多文献介绍有关四连杆机构，扁五具尸体一个灵活的耦合机制，优化程序如何曲轴离合器片离合器机構凸轮离合器的组合机制，离合器齿轮等机构鉴于典型的四杆连杆机构部的再现优化设计的这种四杆连杆机构组合功能，离合机构所描述的一般的优化方法和过程五连杆设计优化参数特定的运动和机构最小流量之间的四连杆范围内的优化。因此四连杆机构设计优化過程中，从而使四连杆机构是找到一组最小的运动误差的机械设计参数后确定所述四连杆机构的设计参数可被认为是达到设定的优化设計。四连杆机构的优化设计包括一个四连杆机构的优化模型和优化模型解决了两个主要过程因为四连杆分析优化程序来确定，以确定设計参数中由于目标函数和机制设计的局限性，如钓竿长度的情况下传输角度条件等写入相应的限制，设计优化机制来创建模型下面介绍设计模型的四连杆机构的功能重现优化。切换功能的设计主要由输入部件的选择和根据多个位置的一个输出元件再现时确定的参数機制与图形方法或机制分析。图图 1 示出一个典型的四铰链机构 、 、 和 代表四个构件的长度， AB 杆是输入构件假设图 1 所示的平面铰链四杆機构再现给定函数为，那么 机构的位置由 、 、 、 铰链 A第 3 章 350T 五连杆涡轮给汤机主要结构设计13的位置 来决定的、AD 与机架 x 轴夹角 以及输人构件轉角 等七个变量。为简化问题可令 A 的位置为 ， 构件的长度为 1(参考构件)，由此可将问题维数降为四维并不影响构件输入、输出的函数關系。由此可以得到输出构件转角 外与输入构件转角 之间的函数关系式：（1）机构优化设计目标就是使得输出构件转角与给定值在 所有位置上的误差最小。因此机构优化设计的目标函数可用下式表示：（2）当输入构件转角为 时输出构件转角 外从下面式子算出：（3）式子裏，所以（4）将上式代入式（3）并令 代表设计变量 、 、 及 ，机构优化设计目标函数可写为：商丘工学院本科毕业设计（论文）14（5）应根據机构设计的实际情况来确定优化设计例如，如果曲柄摇杆四连杆机构以满足下列关系：或（6）如果机构要求传动灵活可靠，则传动角 应满足：或其中从上面式子知道传动角 随着 的变化而变化，当 为最大值时则最小， 在最小值时 则最大。要满足条件约束方程式孓是：曲柄摇杆机构有 ，因此约束方程式子是：第 3 章 350T 五连杆涡轮给汤机主要结构设计15（7）当所选定的设计变量为构件长度时，则构件长喥必须是正数那么约束式子是：式子里 是为了使构件长度不小于 而设的。此外由于具体结构尺寸的限制，往往对某些构件的长度限定茬某一范围内选取比如，连杆 BC 的长度 最短是 的 倍最长是 的 倍，那么列出式子关系如下：约束式子是：（8）以下介绍再现函数是 的曲柄摇杆机构的优化设计。先变换给定函数为 并设输人构件初始角为 ，输出构件初始角为选取输入构件的转角为 ,输出构件的转角为 。当輸入构件从 转到时输出构件从 转到 ，输入构件从 转到 时输出构件则从 回到 。显然有 及 那么 及。代入函数式 算出：设将输入构件的转角 均分成 20 等分那么 ，设定权因子 再令 代表设计变量 、 、 及 ，从式子（5）得曲柄连杆机构优化目标函数为商丘工学院本科毕业设计（论攵）16曲柄摇杆机构优化设计约束条件如下：从式子（6）得出：要求传动角满足 从式子（7）逄出：根据该结构的大小的控制机构，各组分楿对于尺寸的给定范围内的壳体要求的长度从式子(8)算出：所以，曲柄摇杆机构优化设计模型如下：Min. 第 3 章 350T 五连杆涡轮给汤机主要结构设计17s.t.采用内点惩罚函数法和 POWELL 法求解曲柄摇杆机构优化设计模型选择初始惩罚参数 ，递减函数 e = 0.01初始点，取惩罚函数法收敛精度 POWELL法目标函数徝收敛精度 ，一维搜索精度 3.3.1 确定设计变量根据设计变量的机械原理知识设计要求 L1、L2、L3、L4 、 。曲轴长度作为?长度为 1 的单元并且剩余的彡个长度 L1 可以表示为的倍数。的几何关系图 3.4的： ??????????43221)(arcosL?=杆长的函数进一步根据在该装置的机构许可的空间，是在机架仩适当地预?选长度 L4 其中 L 4= 100，上面的分析后仅 L2L3 的两个独立的变量，因此设商丘工学院本科毕业设计（论文）18计变量的优化问题： ??TTLX321,,?因此。本优化设计为一个二维优化问题3.3.2 建立目标函数根据轨迹的优化设计，可把连杆的 M 点 和预期轨迹点坐标偏差最小为??miyx,寻优目标它的偏差式子是 和 ，如 3.5由iix???ii????nx,21?此，跷 2-5 间隔分成 N 个部分中M 点的坐标对应的对应点。每个被称为参考点 i根据均方根差可建立其目标函数，那么： ???????i2/12???iMiyxXf ?sn3Lyi?co?iiix2S 为运动区间的分段数)1(???si ????????43221)(arcosL?因此，从上面的表达式可以是目標函数的对应于各机构设计的形状的数学表达式（给定 ） 就可计算出均方根差 。21,X??Xf图 3.4 几何关系图第 3 章 350T 五连杆涡轮给汤机主要结构设计19圖 3.5 轨迹的优化设计图 3.6 整体三维实体图3.3.3 确定约束条件根据该草案的条件限制，该机构有两个方面：一是最小传动角大于 50 度的过程中传递运動二是四曲柄机构，以确保满足存在的条件线束的优化来创建为基础的条件。①保证传动角 ?50??商丘工学院本科毕业设计（论文）20圖 3.7 机构位置图按传动条件根据图 3 可能发生传动角最小值的位置图，由余弦定理6428.05cos??（见图 3.7（a ） ）6428.0arcos)(ar3221????L?所以（a）3232419.)( LL?（见图 3（b） ）648.0arcos)(arcos3214?????L?所以（b）3214239.)(LL?式子（a）和（ b）是两个约束条件把 ， ， 代入式1?5412x?23L（a） 、 （b） 摆出式子如下： ??069.21211 ????xxg2?②曲柄存在的條件按曲柄存在条件，由机械原理知识了解， 12L?13 324L??，4??43把它们写成不等式约束条件（将 ， 代到上面式子，1?512x?23得出 ??013?xg24?615???42x017?g综合分析后上面的七个约束条件式子里， 和 =紧约束条件??Xg12第 3 章 350T 五连杆涡轮给汤机主要结构设计21=松约束条件，那也满足 和 的 必满足不等式??Xg73~??01?Xg??2X，所以本优化问题实际起作用的只有 和 两个不等??0?g1??2式约束条件3.3.4 写出优化数学模型以上得出，可嘚本优化问题的数学模型为 ???????????si iMiyxXf0 2/12min?TTL321,,ts. ???xg??22 ??x即本优化问题具有两个不等式约束的二维约束优化问题3.4 机构受力汾析该步行机构的受力情况。由于该机构中所有连杆均为二力杆即只受轴向力作用。设图中所有连杆所受的拉力为正压力为负。Ⅳ为哋面对车轮的支撑力月川为 11 个连杆的内力， 2 分别为连杆 9 和连杆 5 与水平线的夹角 y1、r2 分别为连杆 10 和连杆 6 与水平线的夹角，妒为曲轴 11 与水平線的夹角由力的平衡条件可得方程组：以上五个方程，联立方程 3.1 和 3-6 可以通过适当的支撑力Ⅳ曲轴 11 的水平角度，来解决≯时在每个行赱时足部机制联系起来的力量的大小。假设在曲轴11 标准轮的权力面前旋转每一个环节的内在力量也将发生变化。并运行曲轴旋转的模拟你可以得到曲轴旋转一圈，连杆足功率曲线的内脏每个链路可以是依赖于功率条件为每个链接大小合理的设计横截面面积，以优化机淛 。商丘工学院本科毕业设计（论文）223.5 销轴的计算校核轴的受力图见下方：图 3.8 轴的受力图知道的条件：作用在销轴上的圆周力 NdTF2.????徑向力 r .tan.tan0??法相力 NFa 7.132cos.94????1)求垂直面的支撑反力： NLdarv3.17.8251034.?????????NFVrV 6.12 ?2)水平面的支撑反力：tH6.4721?3）F 在支撑点产生的反力：第 截面最危险其当量转矩为：??22TMae??如认为轴脉动循环应变力，设折合系数 a=0.6带入上式可得： ????mNae..7222????10）算出危险截面处轴的直径轴用 45#钢，調质处理商丘工学院本科毕业设计（论文）24找出表格得出 δB=650Mp,从表格 14-3 找出表格得出[δ -1b]=60Mpa,那么：??mMdbe 8.3 ??????因键槽影响轴的尺寸，把 d 值加大 5%所以：d=22.8*1.05=24mm32mm满足条件上。因 a-a 处剖面左侧弯矩大有转矩，且有键槽故 a-a 左侧为危险截面其弯曲截面系数为： ????34 6mdtbW?????????抗扭截面系数式子是：弯曲应力为：????34

1本科毕业论文（设计）350T 五连杆涡轮给汤机 学 院 小三号黑体居中（下同）专 业学 号学生姓名指导教师提交日期 年 月 日2015-JXLW商 丘 工学院 专业代码-编号2诚 信 承 诺 书本人郑重承诺和声明我承诺在毕业论文撰写过程中遵守学校有关规定,恪守学術规范,此毕业论文设计中均系本人在指导教师指导下独立完成,没有剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果,没有篡改研究数据,凡涉及其他莋者的观点和材料,均作了注释,如有违规行为发生,我愿承担一切责任,接受学校的处理,并承担相应的法律责任。毕业论文（设计）作者签名 年 朤 日 I摘 要本文阐述了给汤机的发展历史国内外的应用状况，及其巨大的优越性提出了具体的给汤机设计要求和进行了总体方案设计和各自由度的具体结构设计、计算；机械手技术是机电一体化产品，深入到不同领域如机械，电子信息理论，人工智能生物学和计算機，知识等诸多领域的发展机械接头端的设计机器人也导致了这些学科的发展。压铸机给汤机是一种典型的机电一体化产品工艺多关節运动的一个热点手臂运动更多的领域进行合作研究。机械电子，信息理论人工智能，知识和生物和计算机许多学科但其发展的多機构衔接所需组合治疗也促成了这些学科的发展。多臂关节领导的多关节臂运动在分析国内外给汤机研究现状的基础上，本文设计了一種新型给汤机结构在两个电机的驱动下通过一些简单的传动机构，使给汤机可以实现单方向的运动建立了给汤机的准静态模型，进行叻准静态分析从而获得给汤机在步态运动时各部件的受力状况。本文采用在结构设计上的压铸机给汤机并完成图纸和零件图总装配图。为机器人模型的要求被分析以估计电机的每个关节充分的选择所需要的转矩和功率。完成压铸机给汤机的程序设计总体设计，结构設计运动学模型分析，检查分析机器人模型，设计和生产机器人模型做的过程中强度的关键部件关键词给汤机，机械手；工业；传動；强度IIAbstractIn 本文主要研究内容.4第 2 章 350T 五连杆涡轮给汤机的方案设计 52.1 给汤机概述52.2 给汤机机构方案论述.52.3 总体方案设计.62.4 给汤机尺寸设计.6第 3 章 350T 五连杆涡輪给汤机主要结构设计 93.1 给汤机械手主要零部件的选取和验证.93.2 汤勺末端执行器负载计算.93.3 运动机构设计.123.3.1 确定设计变量.173.3.2 建立目标函数.183.3.3 确定约束条件.193.3.4 写出优化数学模型.213.4 机构受力分析.213.5 销轴的计算校核.22第 4 章 给汤机手臂传动机构设计254.1 电动机选择.254.2 蜗杆的设计.264.2.1 选择蜗杆传动类型264.2.2 选择材料264.2.3 按齿面接触疲劳强度进行设计264.2.4 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸274.2.5 校核齿根弯曲疲劳强度284.2.6 验算效率 ?294.2.7 精度等级公差和表面粗糙度的确定294.2.8 热平衡核算29IV總 结30参考文献31致 谢32第 1 章 绪论1第 1 章 绪论1.1 引言 给汤机械手是一种典型的机电一体化产品运用到机械，电子信息理论，人工智能知识和生粅和计算机许多学科，但其发展的多机构衔接所需组合治疗也促成了这些学科的发展1959 年成为世界上第一个工业多关节机械手的诞生，创慥发展新时代的多关节机构随着科学技术的发展和运营研究部门的应用多联快速发展。加藤一郎日本早稻田大学手臂关节和更多的世堺知名专家，教授说“一个很大的特点多关节手臂运动应该有工作。 ”的方式是在自动化程度高的，电力系统更复杂伟大的发明家愛迪生曾经说过， “神造人的两条腿是最美丽的杰作 ”该系统具有丰富的动态环境的要求非常低，无论是在地面上而且在非结构化地形复杂，适应性良好的环境状态为了延长多给汤机械手的功能和应用开辟无限广阔的发展前景。研究给汤机械手的原因和目的主要表現在以下几个方面机构的发展，使他们对结构性和非结构性的工作许多圈子，而不是个人或更新和人类活动的领域扩展;希望更多的人有┅个内在的理解和认识并使用这些功能对个人服务，如假肢系统动力学与在此领域丰富的研究，其研究和臂运动更加危险的机器的扩展多关节臂的运动可以作为一个多关节臂的移动智能播放在人工智能领域的一个重要的角色。多关节臂的运动的定义世界上唯一的格式是不一样的。手臂运动协会与更多的企业的联合国标准化最近在他的手臂采用了国际对美国带来的多关节运动的定义操作臂多联合演习昰一个多功能可编程的操作系统你可以改变该程序的操作完成各种各样的工作，尤其是对物料输送传动部件。参照国际定义和语言嘚组合的中国多臂关节的定义如下机械手的多关节运动是一个独立的行动，更自由灵活地改变程序，它可以放置在任何地方自动化程喥高的机器的自动化。汽车油漆或其他涂料行业铰接多关节运动 E 可用多关节运动臂高刚性臂，与其它可能的相比必须要快，能够进行偅的东西且精度非常高，可以基于外部信号各种自动操作的。处理的多关节臂的运动是一个计算机可编程的自动控制装置的控制下使用的多关节运动操作臂是提高了产品的质量和工作的生产率，生产过程的自动化改善了工作条件，并降低了劳动强度的有效手段诞苼和多关节手臂运动的发展，虽然只有 30 岁但已经应用到国民经济的许多部门，民间的技术应用，具有广阔的发展前景显示出强大的苼命力 [1-2]。商丘工学院本科毕业设计（论文）21.2 给汤机械手研究概况1.2.1 国外研究现状人类和动物的运动原理的第一个系统研究是迈布里奇发明了照相机跟单即设定的触发相机的电源，并在 1877 年他成功地参加了四足和连续运行的许多照片后来，这种方法使用的相机是用来研究人体運动 Demeny从 1930 年到 1950 年，苏联也伯恩斯坦从深入人类和动物研究的生物动力机制的角度看并提出的议案非常形象化的描述。真正研究机构运动哆关节全面系统于 1960 年推出至今，联合多月的手臂比较完整的理论体系只有形成并在一些国家，如日本美国和“苏联已成功开发出可鉯是静态或动态的，多臂枢轴原型在这一节中，我们介绍了 1960 年至 1985 年期间臂多关节实地达到的运动的最重要的进展的团队。在 20 世纪 60 年代囷 70 年代武装多关节运动控制理论产生三种类型的控制方法是非常重要的，这限制了国家控制控制参考模型和控制算法。这三种控制的方法对所有类型的给汤机械手都是适用的国家控制是通过在 1961 年提出的模型的参考检查于 1975 年由美国法恩斯沃思南斯拉夫托莫维奇限制，该算法是由著名的胳膊南斯拉夫研究所米哈伊尔罗多关节运动学专家鲍宾控制 Vukobratovic 博士1969 - 1972 年的教堂中扣除有这三种类型的控制方法之间的内在关系。有限状态控制实质上是一个控制参考模型并且该控制算法是这种情况[1]的中心。在搜索步态苏联 Bessonov 和 Umnov 定义“最佳步态 ”，Kugushev 和 Jaro-shevskij 定义自由嘚步伐这两种步态不仅能适应，而且要适应胳膊多条腿多企业的动向在这些中，对于自由路径的步骤的条件的规则如果地形是非常粗糙的，所以运动臂多关节下一步应放在哪里脚不能基于对步骤序列来加以考虑，但应通过步骤以便攀登者去步骤通过一些优化标准来確定哪个是所谓的自由速度稳定性研究手臂动作的多关节，美国 Hemami该提议的稳定性和系统的控制的简化模型作为振荡器，反转（倒立摆） 它可以被解释为在换能器存在的问题的向前运动。此外减少了控制的考虑，Hemami谁也研究手臂运动的多关节“减少型”问题的复杂性進行了研究。此前我们指出了系统的 Vukobratovic 还人形能量分析但它的力量是有限的关节和随时间的整个系统的变化，并没有太多涉及这个问题的朂佳功耗的出口但是在他的研究中，Vukobratovic 得出一个有用的结论即平滑的姿态，类人型系统所消耗的功率就越少1.2.2 国内研究现状国内前机器囚起步较晚，我国自 1980 年以来在体育领域的多臂共同研究和应用。 1986 年国家启动了“规划纲要”的研究多动关节臂，中国的高科技第 1 章 绪論3“863”水平运动臂包括于 1987 年目前联合研发，中国移动手臂多企业的研究和开发应用单位主要与高校和科研院所初步调查多给汤机械手技术的主要目的是更先进的技术来跟踪国际风险手臂的运动，然后取得了一些成绩1986 年哈尔滨工业大学，他开始研究最为关节臂脚静手臂运动 HIT-I 和 110厘米高，体重 70 千克多的企业率先成功开发进度有 10 个自由度，以到达地面上的线左，右以及运动，上下楼梯45 厘米左右 10 秒/步，速度成功研制的 HIT和 HIT-II-III重量为 42 千克，长度 103 厘米它是 12 个自由度，以实现一个步骤每秒 24 厘米2.3 分速度。 HI 目前正在开发第四乐章的下一个多关節臂身体52 度的自由，这是一个伟大的运动和速度的平衡三臂多关节运动[3-7]。在 1988 年春国防科技大学成功具有六个自由度的平面双足运动臂哆关节KDW-1可以向前，向后和上下楼梯每秒 40 厘米，四步开发的最大速度在1989 年今年的步伐，我们开发了一种空间 KDW-II具有 10 个自由度，最高的 69厘米重 13 公斤，包括更多的来回上下楼梯和周围的近静态和动态稳定性。 1990 年两纵缝互联网 KDW-II在 KDW-Ⅲ开发的，有 12 个自由度并添加函数曲线，以获得完整的测试环境 1995 年在步骤 20 厘米 0.8 秒?22 厘米，13 度的最大角度动态的步伐 2000 年 KDW-III 中国的第一个人形的手臂的“排头兵”的成功结束的发展的基础上，在一个不确定的环境下微小的变化动态每秒两步周期，1.4 男为 20 kg 的多关节的动作，有头眼睛，颈部身体，手臂脚，和┅定程度的语言功能[8-13]中此外，清华大学正在开发一个人形的手臂培育更多升学衔接 THBIP-I高七米，体重 130 千克32 自由度的支持清华大学 985 项目，該项目是南京航空航天大学有八个自由度机械手关节间隙静态函数[13,14]的发展。本文从“首届全国研究生机械创新设计大赛”多关节手臂动莋此时，单臂多关节运动通常在车轮的形式是为了实现功能相。事实上模仿人类行走手臂和腿部的多关节的动作并不多，但也有六條腿已经出现四腿臂多关节运动，但多关节手臂运动尚不多见我们的问题，简单地探索设计巧妙的机械设备和简单的控制来模拟人的掱臂的多关节的动作子功能是替代大步，摇摇头摆动手臂，摆臂1.3 给汤机械手的总体结构给汤机械手和部分整体关系的概述它主要由機械系统（执行系统，牵引系统） 探测系统和智能控制系统。（1）执行系统公用部分的执行系统管理部门机械零件最全面的定义，以必要的各种运动包括手，手腕来获得身体。1.末端执行用于执行并且配置的工作直接涂漆。2.手腕手和连接元件的臂，具有安排作为任务或工作的端部的方向的改变商丘工学院本科毕业设计（论文）43.臂和连接基团的手的手臂，手腕支撑体时执行负荷管理块，手的空間位置臂操作空间的变化满足多个关节，在基座的任何类型的动力传输D机身，多铰接臂基部支撑辊，由臂部件支承并具有使所述臂的转动，起重或倾斜运动的任务（2）驱动系统提供电力的各种组件的系统是活动的，以及供应单元设备通用机械传动，机械传动和電气气动，电动（3）操作系统驱动控制系统，该系统的根据工作故障报警或错误的信号的要求执行。（4）检测系统经由各种传感装置控制器官运动检测装置，保证作用如果有的话反馈到控制系统相对于该组的运动的要求。实践证明该小组可以取代繁重的体力劳動的多关节运动，显著减轻劳动强度改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化经常处理和工业生产在长期内往往体积庞大件，单调的操作单臂，多联合演习是有效的此外，它可在高温低温，深水宇宙，环境条件和其他有毒放射性污染进行操作同时也表现出优勢，具有广阔的发展前景[4-8]1.4 本文主要研究内容第 1 章 绪论 主要介绍给汤机的相关知识和本课题研究的任务和要求.第 2 章 总体方案设计,介绍该给湯机各部分的相关知识和总体设计.第 3 章 给汤机各部分设计的介绍第 4 章 给汤机结构设计第 2 章 350T 五连杆涡轮给汤机的方案设计5第 2 章 350T 五连杆涡轮给湯机的方案设计2.1 给汤机概述在进行给汤机设计时，不仅要重视组成给汤机系统的各个部件、零件的设计更应该按照系统工程学的观点，根据给汤机的功能要求将组成给汤机系统的各个子系统部件、零件合理地组合，设计出性能优良适于工作需要的给汤机产品在比较复雜的工业给汤机系统中大致包括如下操作机，它是完成给汤机工作任务的主体包括机座、手臂、手腕、末端执行器和机构等。驱动系统它包括作为动力源的驱动器，驱动单元伺服驱动系统由各种传动零、部件组成的传动系统。控制系统它主要包括具有运算、存储功能的电子控制装置（计算机或其他可编程编辑控制装置） ，人机接口装置（键盘、示教盒等） 各种传感器的信息放大、传输和处理装置，传感器、离线编程、设备的输入/输出通讯接口内部和外部传感器以及其他通用或专用的外围设备［14］ 。工业给汤机的特点在于它在功能上的通用性和重新调整的柔性因而工业给汤机能有效地应用于柔性制造系统中来完成传送零件或材料，进行装配或其他操作在柔性淛造系统中，基本工艺设备（如数控机床、锻压、焊接、装配等生产设备） 、辅助生产设备、控制装置和工业给汤机等一起形成了各种不哃形式地工业给汤机技术综合体地工业给汤机系统在其他非制造业地生产部门，如建筑、采矿、交通运输等生产领域引用给汤机系统亦昰如此从系统功能的观点来看，将一部复杂的机器看成是一个系统它由若干个子系统按一定规律有机地联系在一起，是一个不可分的整体如果将系统拆开、则将失去作为一个整体的特定功能。因此在设计一部较复杂的机器时，从机器系统的概念出发这个系统应具囿如下特性（1） 整体性 由若干个不同性能的子系统构成的一个总的机械系统应具有作为一个整体的特定功能。（2） 相关性 系统内各子系统の间有机联系、有机作用具有某种相互关联的特性。（3） 目的性 每个系统都应有明确的目的和功能系统的结构、系统内各子系统的组匼方式决定于系统的目的和功能。（4） 环境适应性 任何一个系统都存在于一定的环境中必须能适应外部环境的变化。2.2 给汤机机构方案论述负载大小的确定主要是考虑沿给汤机各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩其中应包括给汤机末端执行器的重量、抓取工件或作业對象的重量和规定速度和加商丘工学院本科毕业设计（论文）6速度条件下，产生的惯性力等由本次设计给的设计参数可初估本次设计属於小负载。驱动方式由于伺服电机具有控制性能好控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制对环境没有影响，体积小效率高，適用于运动控制要求严格的中、小型给汤机等特点故本次设计采用了伺服电机驱动（三）传动系统设计给汤机传动装置中应尽可能做到結构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小，在传动链中要考虑采用消除间隙措施以提高给汤机的运动和位置控制精度。在给汤机中常采用嘚机械传动机构有齿轮传动、蜗杆传动、滚珠丝杠传动、同步齿形带传动、链传动、行星齿轮传动、谐波齿轮传动和钢带传动等由于齿輪传动具有效率高，传动比准确结构紧凑、工作可靠、使用寿命长等优点，且大学学习掌握的比较扎实故本次设计选用齿轮传动。（㈣）工作范围工业给汤机的工作范围是根据工业给汤机作业过程中操作范围和运动轨迹来确定用工作空间来表示的。工作空间的形状和呎寸则影响给汤机的机械结构坐标形式、自由度数和操作机各手臂关节轴线的长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择（五） 运动速喥给汤机操作机手臂的各个动作的最大行程确定后按照循环时间安排确定每个动作的时间，就能进一步确定各动作的运动速度用 m/s 或（° ）/s 表示，各动作的时间分配要考虑多方面的因素例如总的循环时间的长短，各动作之间顺序是依序进行还是同时进行等应试做各动莋时间的分配方案表，进行比较分配动作时间除考虑工艺动作的要求外，还应考虑惯性和行程的大小驱动和控制方式、定位方式和精喥等要求。2.3 总体方案设计此项目即是某实验对 350T 卧式冷室压铸机如何实现压铸自动化生产的研究在综合考虑项目要求、费用等多种因素。為了达到最满意的结果也为了得到最符合某实验室现场实际情况的要求，对某实验室 350T 卧式冷室压铸机的基本尺寸进行了测量如图 2.1 所为叻提高压铸机生产产品的自动化水平提高劳动效率。此次主要设计自动给汤机械手和自动取件机械手在压铸自动化生产线上还需要输送帶等辅助设备。依据某实验室现场的空间布局情况和压铸机实际尺寸给出了压铸自动化设备的安装布局及尺寸第 2 章 350T 五连杆涡轮给汤机的方案设计72.4 给汤机尺寸设计给汤机械手在工作时需要保证区间位置的精准和手臂运行的平稳。对此平面连杆机构完全可以满足工作的要求栲虑到给汤机械手是在竖直平面上往复摆动循环给汤，自身手臂的固定是设置时需要考虑的问题之一一般结构的连杆机构就很难达到自身循环工是手臂的固定问题。鉴于此可以在一般的五连杆机构上加一个二级杆组并将之固定在机架上，这样就解决了给汤机械手运动轨跡的固定根据图 2.1 压铸机原始尺寸测量图。结合压铸机尺寸及注汤口和金属熔炉之间的大致位置和尺寸给汤机汤勺理想轨迹应接近图 2.2 所礻的理想轨迹。根据这一原则给汤机械手的基本结构已基本确定图 2.1 汤勺理想轨迹 图 2.2 五连杆给汤机简图基于该连杆机构轨迹的大体特点，連杆末端的大体轨迹走势基本趋近所需的理想轨迹拟采用连杆机构来设计给汤机。给汤机械手机械结构设计时主动曲柄固定在机架上叧外增加一个二级杆组，将增加的二级杆组中间的转动副也固定在机架上其余两个转动副连接机械手，用以支撑手臂在固定轨迹上运行调整连杆的各杆件的长度尺寸，使汤勺运动轨迹与理想轨迹更相近在 solidworksks 软件上进行商丘工学院本科毕业设计（论文）8草图模拟，使轨迹達到满意的效果经过反复试验，最终将各杆件的尺寸定为如下尺寸简图如图 2.3 所示图 2.3 汤勺的运行轨迹第 3 章 350T 五连杆涡轮给汤机主要结构设計9第 3 章 350T 五连杆涡轮给汤机主要结构设计3.1 给汤机械手主要零部件的选取和验证给汤机手臂和汤勺拟采用两个电机分别驱动，采用涡轮减速器減速手臂动作由主动曲柄带动，汤勺的运动拟采用链条传动为了是给汤机在给汤过程中运行更加平稳，在汤勺运行至给料口附近时需偠减速为了满足手臂给汤时的速度变化拟采用变频调速，分别用两个独立的变频调速器改变两个电机的速度从而实现无极调速。3.2 汤勺末端执行器负载计算（1）功率计算要取的汤负载为 8kg 汤勺重约 5kg主动连杆重约 6kg，从动连杆重约 6kg小手臂重约 8kg；汤勺手腕偏转时，需要克服摩擦阻力矩、惯性力矩负荷启动力矩时的强度和手腕转矩的式子是 [15]惯负摩总 M??（3.1）总摩 1.0（3.2） 启惯 tJmgl/???（3.3）启负负负 tlM/（3.4）??lRvm.π21???（3.5） 2lJ负负（3.6） ??2123RmlJ??（3.7） lv/?（3.8）式子里， --手腕偏转所需力矩（N·m） ；总M--摩擦阻力矩（N·m ） ；摩商丘工学院本科毕业设计（论文）10--负载阻仂矩（N·m ） ；M负--手腕偏转启动时惯性阻力矩（N·m） ；惯--工件负载对手腕转动惯量（kg·m 2） ；负J--手腕部分转动惯量（kg·m 2） ；--手腕偏转角速度（rad/s） ；?--手腕质量（kg） ；m--负载质量（kg） ；负--启动时间（s） ；启t--手腕部分材料密度（kg/m 3） ；?--手腕部分外径和内径（m） ；21,R--手腕的长度（m） ；l--手腕偏转末端的线速度（m/s） v已经了解的数据 kg， m/s m， m8kgA8.0?v035.1?R025.?m， s手腕部分材质设为铸钢，密度 ????N·m424.5.???总惯负摩总 MM第 3 章 350T 五连杆涡轮給汤机主要结构设计11N·m7.?总M北京和利时电机电器有限公司的一些步进电机技术参如表 3.1表 3.1 步进电机产品系列及技术参数型号相数步距角DEG.电壓V电流A静转矩N.m空载运行频率KHZ转动惯量Kg.cm2备注86BYG250AN 2 0.9°/1.8° 110 3.6 2.4 ≥15 北京和利时电机电器有限公司 86BYG250CN 型步进电机的外型简图如图 3.2。商丘工学院本科毕业设计（论攵）12图 3.2 步进电机外形简图根据前面计算选择北京和利时电机电器厂的 86BYG250CN 型步进电机。3.3 运动机构设计连杆是最常见的机制这使联接机构设計的优化是在机械设计非常重要的，研究工作进行了还使用最广泛的有很多文献介绍有关四连杆机构，扁五具尸体一个灵活的耦合机淛，优化程序如何曲轴离合器片离合器机构凸轮离合器的组合机制，离合器齿轮等机构鉴于典型的四杆连杆机构部的再现优化设计的這种四杆连杆机构组合功能，离合机构所描述的一般的优化方法和过程五连杆设计优化参数特定的运动和机构最小流量之间的四连杆范圍内的优化。因此四连杆机构设计优化过程中，从而使四连杆机构是找到一组最小的运动误差的机械设计参数后确定所述四连杆机构嘚设计参数可被认为是达到设定的优化设计。四连杆机构的优化设计包括一个四连杆机构的优化模型和优化模型解决了两个主要过程因為四连杆分析优化程序来确定，以确定设计参数中由于目标函数和机制设计的局限性，如钓竿长度的情况下传输角度条件等写入相应嘚限制，设计优化机制来创建模型下面介绍设计模型的四连杆机构的功能重现优化。切换功能的设计主要由输入部件的选择和根据多个位置的一个输出元件再现时确定的参数机制与图形方法或机制分析。图图 1 示出一个典型的四铰链机构 、 、 和 代表四个构件的长度， AB 杆昰输入构件假设图 1 所示的平面铰链四杆机构再现给定函数为，那么 机构的位置由 、 、 、 铰链 A第 3 章 350T 五连杆涡轮给汤机主要结构设计13的位置 来决定的、AD 与机架 x 轴夹角 以及输人构件转角 等七个变量。为简化问题可令 A 的位置为 ， 构件的长度为 1参考构件，由此可将问题维数降為四维并不影响构件输入、输出的函数关系。由此可以得到输出构件转角 外与输入构件转角 之间的函数关系式（1）机构优化设计目标就昰使得输出构件转角与给定值在 所有位置上的误差最小。因此机构优化设计的目标函数可用下式表示（2）当输入构件转角为 时输出构件转角 外从下面式子算出（3）式子里，所以（4）将上式代入式（3）并令 代表设计变量 、 、 及 ，机构优化设计目标函数可写为商丘工学院夲科毕业设计（论文）14（5）应根据机构设计的实际情况来确定优化设计例如，如果曲柄摇杆四连杆机构以满足下列关系或（6）如果机構要求传动灵活可靠，则传动角 应满足或其中从上面式子知道传动角 随着 的变化而变化，当 为最大值时则最小， 在最小值时 则最大。要满足条件约束方程式子是曲柄摇杆机构有 ，因此约束方程式子是第 3 章 350T 五连杆涡轮给汤机主要结构设计15（7）当所选定的设计变量为構件长度时，则构件长度必须是正数那么约束式子是式子里 是为了使构件长度不小于 而设的。此外由于具体结构尺寸的限制，往往对某些构件的长度限定在某一范围内选取比如，连杆 BC 的长度 最短是 的 倍最长是 的 倍，那么列出式子关系如下约束式子是（8）以下介绍洅现函数是 的曲柄摇杆机构的优化设计。先变换给定函数为 并设输人构件初始角为 ，输出构件初始角为选取输入构件的转角为 ,输出构件的转角为 。当输入构件从 转到时输出构件从 转到 ，输入构件从 转到 时输出构件则从 回到 。显然有 及 那么 及。代入函数式 算出设将輸入构件的转角 均分成 20 等分那么 ，设定权因子 再令 代表设计变量 、 、 及 ，从式子（5）得曲柄连杆机构优化目标函数为商丘工学院本科畢业设计（论文）16曲柄摇杆机构优化设计约束条件如下从式子（6）得出要求传动角满足 从式子（7）逄出根据该结构的大小的控制机构，各组分相对于尺寸的给定范围内的壳体要求的长度从式子8算出所以，曲柄摇杆机构优化设计模型如下Min. 第 3 章 350T 五连杆涡轮给汤机主要结构设計17s.t.采用内点惩罚函数法和 POWELL 法求解曲柄摇杆机构优化设计模型选择初始惩罚参数 ，递减函数 e 0.01初始点，取惩罚函数法收敛精度 POWELL法目标函數值收敛精度 ，一维搜索精度 3.3.1 确定设计变量根据设计变量的机械原理知识设计要求 L1、L2、L3、L4 、 。曲轴长度作为?长度为 1 的单元并且剩余嘚三个长度 L1 可以表示为的倍数。的几何关系图 3.4的 ??????????43221arcosL?杆长的函数进一步根据在该装置的机构许可的空间，是在机架仩适当地预?选长度 L4 其中 L 4 100，上面的分析后仅 L2L3 的两个独立的变量，因此设商丘工学院本科毕业设计（论文）18计变量的优化问题 ??TTLX321,,?洇此。本优化设计为一个二维优化问题3.3.2 建立目标函数根据轨迹的优化设计，可把连杆的 M 点 和预期轨迹点坐标偏差最小为??miyx,寻优目标咜的偏差式子是 和 ，如 3.5由iix???ii????nx,21?此，跷 2-5 间隔分成 N 个部分中M 点的坐标对应的对应点。每个被称为参考点 i根据均方根差可建竝其目标函数，那么 ???????i2/12???iMiyxXf ?sn3Lyi?co?iiix2S 为运动区间的分段数1???si ????????43221arcosL?因此，从上面的表达式可以是目标函數的对应于各机构设计的形状的数学表达式（给定 ） 就可计算出均方根差 。21,X??Xf图 3.4 几何关系图第 3 章 350T 五连杆涡轮给汤机主要结构设计19图 3.5 轨跡的优化设计图 3.6 整体三维实体图3.3.3 确定约束条件根据该草案的条件限制，该机构有两个方面一是最小传动角大于 50 度的过程中传递运动二昰四曲柄机构，以确保满足存在的条件线束的优化来创建为基础的条件。①保证传动角 ?50??商丘工学院本科毕业设计（论文）20图 3.7 机构位置图按传动条件根据图 3 可能发生传动角最小值的位置图，由余弦定理6428.05cos??（见图 3.7（a ） ）6428.0arcosar3221????L?所以（a）3232419. LL?（见图 3（b） ）648.0arcosarcos3214?????L?所以（b）3214239.LL?式子（a）和（ b）是两个约束条件把 ， ， 代入式1?5412x?23L（a） 、 （b） 摆出式子如下 ??069.21211 ????xxg2?②曲柄存在的条件按曲柄存在条件，由机械原理知识了解， 12L?13 324L??，4??43把它们写成不等式约束条件（将 ， 代到上面式子，1?512x?23得出 ??013?xg24?615???42x017?g綜合分析后上面的七个约束条件式子里， 和 紧约束条件??Xg12第 3 章 350T 五连杆涡轮给汤机主要结构设计21松约束条件，那也满足 和 的 必满足鈈等式??Xg73??01?Xg??2X，所以本优化问题实际起作用的只有 和 两个不等??0?g1??2式约束条件3.3.4 写出优化数学模型以上得出，可得本优化問题的数学模型为 ???????????si iMiyxXf0 2/12min?TTL321,,ts. ???xg??22 ??x即本优化问题具有两个不等式约束的二维约束优化问题3.4 机构受力分析该步荇机构的受力情况。由于该机构中所有连杆均为二力杆即只受轴向力作用。设图中所有连杆所受的拉力为正压力为负。Ⅳ为地面对车輪的支撑力月川为 11 个连杆的内力， 2 分别为连杆 9 和连杆 5 与水平线的夹角 y1、r2 分别为连杆 10 和连杆 6 与水平线的夹角，妒为曲轴 11 与水平线的夹角由力的平衡条件可得方程组以上五个方程，联立方程 3.1 和 3-6 可以通过适当的支撑力Ⅳ曲轴 11 的水平角度，来解决≯时在每个行走时足部机淛联系起来的力量的大小。假设在曲轴11 标准轮的权力面前旋转每一个环节的内在力量也将发生变化。并运行曲轴旋转的模拟你可以得箌曲轴旋转一圈，连杆足功率曲线的内脏每个链路可以是依赖于功率条件为每个链接大小合理的设计横截面面积，以优化机制 。商丘笁学院本科毕业设计（论文）223.5 销轴的计算校核轴的受力图见下方图 3.8 轴的受力图知道的条件作用在销轴上的圆周力 NdTF2.????径向力 r 45钢调质處理，商丘工学院本科毕业设计（论文）24找出表格得出 δB650Mp,从表格 14-3 找出表格得出[δ -1b]60Mpa,那么??mMdbe 8.3 ??????因键槽影响轴的尺寸把 d 值加大 5，所以d22.8*1.0524mm32mm满足条件上因 a-a 处剖面左侧弯矩大，有转矩且有键槽，故 a-a 左侧为危险截面其弯曲截面系数为 ????34 6mdtbW?????????抗扭截面系数式子是弯曲应力为????34 6166dtbT?????????MpaWMb08.5.74?扭切应力为 Tb 9.105.23841????根据合成强度计算使转换系数＝0.6 的当量应力 ????Mpabe721.5 94.????????从表格找出 45 钢调质抗拉强度极限 b640Mpa，则从表格找出表格得出轴应力[δ