河北工业大学城市学院
毕 业 论 文
作 者： 周** 学 号： *****
系(专业)： 机械系 专 业： 机械设计与制造及其自动化 题 目： 全转动副三自由度并联机器人
指导者： 李** 教授
(姓 名) (专业技术职务)
评阅者：
(姓 名) (专业技术职务)
2015 年 6月 11 日
目录
1 绪论 ........................................................................................................................ - 4 -
1.1 引言 .............................................................................................................. - 4 -
1.2 此次课题研究背景和意义 ........................................................................ - 4 -
1.3 串并联机器人的国内外研究现状、使用范围及发展趋势 ...................... - 5 -
1. 4 本次毕业设计主要完成工作 ..................................................................... - 6 -
1.4.1 基本内容 ............................................................................................ - 6 -
1.4.2 课题研究拟采用的手段和工作路线 ................................................ - 6 - 2 总体方案的设计 .................................................................................................... - 7 -
2．1 总体布局的设计 ....................................................................................... - 7 - 3 由基本参数选定标准件的型号 .......................................................................... - 10 -
3.1 减速机的选择 .......................................................................................... - 10 -
3.2 选择伺服电机并对其检验 ...................................................................... - 12 -
3.3 轴承的选择及校核 .................................................................................... - 15 -
3.4 联轴器的选择 .......................................................................................... - 17 -
4.1 支链尺寸的确定 ........................................................................................ - 19 -
4.2 对主动轴尺寸的确定及校核 .................................................................... - 20 -
4.3 对支链上转动副的设计 ............................................................................ - 22 -
4.4 支链末端设计 ............................................................................................ - 25 - 5 机构的整体布局设计及机架设计 ...................................................................... - 26 - 结 论 ...................................................................................................................... - 29 - 参考文献 .................................................................................................................... - 31 - 致谢 ............................................................................................................................ - 32 -
1 绪论
1.1 引言
自从Hunt教授提出以Stewart平台结构为基础设计机器人，机器人技术的发展也是日新月异，尤其是工业机器人能够将人从繁重的体力劳动中解放出来具有十分广阔的应用前景，尤其是在工业发展领域，因此工业机器人的发展尤为迅速。并联机器人是机器人种类中一个十分重要的发展方向，但由于受到科学技术等原因的影响，并联机器人的发展在90年代才开始兴起直到现在并联机器人的研发成为机器人发展的一个热点。
机器人种类可以分为很多种，其中并联机器人和串联机器人是机器人大家族中的两类，串联机器人和并联机器人在结构方面有很大的不同，这也导致其性能功能有很大差别，致使并联机器人与串联机器人形成了功能与结构上的互补。并联机器人作为机器人中一种全新的可以和串联机器人媲美的机器人种类，由于自身结构的优势使其具有刚度大、承载能力强、高精度、自重符合比小、优秀的动力性能、易于控制等一系列优点。所以并联机器人应用于工业领域是未来发展的一个必然趋势。
1.2 此次课题研究背景和意义
在文献[1]指出：机器人本身就是高精尖技术的聚集体，并联机器人更是一个尖端知识密集型的机构，并联机器人机构学问题十分复杂，她是属于空间多自由度多环机构学理论学科，此理论是随着对并联机器人的深入研究发展起来的，这本来就是理论对实践的指导，而实践又是完善理论的方法，所以研究并联机器人机构学理论对掌握、研制和控制并联机器人在实际应用和并联机器人的理论发展上都是有着特殊意义。在一切机器人的研究中机器人的机构是关键中的关键，并联机器人所具有的优势关键也在结构上，因此它引起了国内外机器人研究者的广泛关注，他们在此项研究中投入相当大的精力。并联机器人的结构与串联机器人相比具有结构较简、成本低等优势。因此越来越多的将并联机器人的研究与工业领域相结合也使得
并联机器人的研究也越来越深入。
在文献[2]中：主要研究是三自由度并联机器人，这是一种有多变量和本质为非线性组成的复杂机构系统，在并联机器人及液压驱动系统的设计中以运动学分析前提。作者开始时先是采用坐标变化及求导的方法对三自由度并联机器人运动学进行了分析。利用动力学和分析动力学的原理设计出系统的动力机构。作者采用ADMS技术建立了失误的虚拟样机模型系统，并运用仿真软件对运动学、动力学和控制系统的可行性进行了联合仿真实验分析，采用上述仿真试验验证的方法可以十分真实的模拟实际中的三自由度并联机器人运动过程验证其性能。为研究提供了很好的设计依据。
在文献[3]中：江苏科技大学机械工程学院的王波、李小满、朱振华学者主要针对三自由度平面P-R-R型并联机器人，三位学者的研究成果是：“成功建立了三自由度并联机器人的动力学模型系统，他们在研究中将同步控制技术应用在机器人上在实现了机器人轨迹的精确控制的同也对机器人的运动达到了同步控制，在研究中三位学者提出了一个新概念——同步误差。具体做法是：通过对多个线性闭环控制进行组合，列出同时满足各个闭环控制的控制方程并对其进行求解。之所以采用这种方法是因为此种方法直观、高效，提高了对并联三自由度平面P-R-R型并联机器人轨迹的运动精度，并可以同时满足了多个闭环控制系统的组合控制。
1.3 串并联机器人的国内外研究现状、使用范围及发展趋势
Hunt教授提出Stewart机构作为机器人，直到现在国内外众多专家学者投入到机器人的研究中。但并联机器人是在90年代才开始成为热门研究方向。并联及其人在许多方面都有重要的应用，如航海航空、机电工业、医疗器械等各个领域。并且并联机器人与串联机器人并不是相互对立排斥的，他们是可以形成互补，使机器人技术变得更全面实用。关于这些机器人的研究都是值得重视的具有现实意义。
根据我查到的资料了解在国内燕山大学的黄真教授并联机构的研究十分出色。通过阅读《基于螺旋理论三自由度并联机器人型综合新方法》[4]中了解到东北大学的罗继曼、蔡光起等学者机器人并联机构研究也比较深入，他们通过合理的选择约束链能够组合出新的并联机器人。
自从1987年，Hunt提出并联机器人结构之后，英国、德国、俄罗斯等一些欧美国家都投入了大量人力物力财力进行并联机器人研究，并且取得了巨大的发展。
日本的田和雄、内山胜等则用并联机构开发航空航天领域机器人。
1. 4 本次毕业设计主要完成工作
1.4.1 基本内容
课程设计方法要求：
（1）设计要求为设计出一台全转动副三自由度并联机器人，提出几种设计方案之后，进行最后研确定最终设计方案和传动方案，之后设计机身与机架零件并对其进行力学分析，材料分析；
（2）设计并联机器人机械结构如转动副及支链等；
（3）最后绘制机械系统装配图和零件图三维装配图；
（4）对整个设计过程进行整理，编写设计说明书，说明设计原理等具体内容。
1.4.2 课题研究拟采用的手段和工作路线
课程设计方法要求：
（1）根据任务设计要求，进行机械结构设计和传动结构设计，找到最佳设计方案。
（2）根据最后所确定的设计方案，进行相关分析、计算、检验，对其中关键零件进行强度、刚度、寿命等的计算、校核确定其符合设计要求，对零件组成的结构要保证其合理使用；最后绘制出机器人装配图并根据装配图，画出主要零件的零件图（在说明书说上说明标准件选择原理）。
（3）设计到最后，对整个毕业设计过程进行总结，完成设计说明。
2 总体方案的设计
2．1 总体布局的设计
图2.1方案草图
图2.1是此次设计中所采用的方案草图，此草图中们可以清楚的表达出动静平台及三个运动支链的运动情况。
方案规划：
1.首先利用任务书中所给出的最大平动速度、最大负载、平动范围等数据估算出电机的功率；
2.影响全转动副三自由度并联机器人的运动范围的是平行四边形机构的连架杆的长度及其摆动角度大小，摆动角度的大小会直接影响连架杆末端在平方向上的速度分量，因此在设计时要注意连架杆的长度与其自身的摆动角度之间的古关系以防止支链出现碰撞等冲突；
3.根据任务书所给出的动平台的运动范围，最初选定连架杆的长度及连架杆的摆动角度的最大范围；
4.根据任务书上的要求动平台的最大平动速度为0.4m/s，在动平台整个运动过程中必须有一点能够达到此速度然后选取极限位置进行速度计算，利用公式转换就可以可以求出系统机构中输入轴的速度；
5.任务书要求运动平台的重复精度为＜+/-0.025mm，因为伺服电机编码盘的分辨率可以影响重复定位精度。因此在分析重复精度时，在支链运动轨迹上选取极值点进行运动分析，可以求出机器人系统中输入轴的最小转角，然后依据选出的减速机的减速比转换到电机的输入轴上，最后利用公式换算出所需电机编码盘的分辨率，这也是用来选择电机的一条重要因素；
6.运动副中对轴承的选定，采用运动分析的方法选定，首先分析轴承的轴向与径向的承载情况，再结合转动副的特点选出转动副需要中安装轴承的类别之后再进一步确定型号，最后需要对轴承尽心检验计算；
7.通过减速机输出轴及主轴的直径大小与对机器人支链的主动轴的运动精度要求，还有是否需要考虑轴向移动来选择是需要刚性联轴器还是弹性联轴器，确定之后在选择。
2.2 初步确定机构中的一些基本参数：
图2.2 连架杆在摆动过程的速度分析图
行程s=2l/sinθM>220mm；
l>110/cosθM；
进行速度分析，根据任务书要求：vx>0.4m/s；
由图一进行分析得：vxmin=vθM⨯cosθM=l⋅w⋅cosθM>400mm/s；
整理得到：w⋅l>400/cosθM；
θM的取值可以有多重情况，初步选定值为45°或60°。当θM取60°时输出角范围为（30°,150°）。
l>110/cosθM=110/cos60°=220㎜；
当θM取45°时输出角范围为（45°,135°）。
l>110/cosθM=110/cos45°≈155mm，由此可以初选l=160mm；
由于考虑到在支撑架上可能还要安装极限开关需要一定的空间，并且为了让整个装置更加紧凑，所以暂时选定θM取45°。
w>400mm/s÷(l⋅cos45)=3.54rad/s，通过图一及单位转换可以得出：
3.54rad/s=67.56rpm。
由于三个支链的结构是相同的，所以设计出一个即可，支链的结构示意图如下：
图2.4 支链的结构示意图
3 由基本参数选定标准件的型号
3.1 减速机的选择
初步确定减速比i 3000/67.56=44.4
选择减速机时要必须保证任务书上的要求，即机构末端的运动平台速度能够达到0.4m/s，所以减速比通过上式计算出i必须小于44.4，所以经过圆整选取i=40; 通过查找《机械设计手册》标准系列的减速机。所选减速机的型号为行星减速机构PL60，i=40,2级输出转矩为29N·m;其具体参数如下：
表3-1 减速机型号一览表
型号段数 PL60 定位凸台直径（h7）
40
尺寸 1 中心孔 M5X10
外壳直径 60 键到轴端距离 2.5
键宽 5 键长 25
键高 16 轴长（自定位圆） 30
安装螺
安装孔输出轴
纹X深
分布园 径（h6）
度 4XM5X
52 14
8 躯体长 44.3 59
轴长（自端面） 35
定位凸台厚度 3
选取的减速机是上海爵顺传动机械有限公司生产的，其性能优越。这家公司的减速机机壳材料为高压压铸铝合金，在制作工艺上采取新的生产工艺，大大增强了工件精度。 电机连接板在制作中使用黑色阳极氧化处理的先进工艺，齿轮箱表面经过特殊电解工艺处理增强其强度，增加整个箱体对外部环境抗腐蚀的能力，并且采用此种工艺处理使机身重量更轻，导热性能也有所提高，这样就会使机身内部温度不至于过高使电机烧毁，电机的使用寿命提高；
速比范围：速比5～10000，此减速器的使实用设计能够使转矩与转速达到完美的匹配；
回差间隙小具有极高的传递精度，因此可以保证在高输入转速下结合介面的同心度能够实现零背隙的动力传递；
采用先进的IP65防护等级的密封设计，密封设计良好，因此不会出现泄漏情况，所以此电机能够实现全部首次注入润滑油后油终生免添加润滑脂润滑，顒可以终生免保养；
对减速机连接板和轴衬的模组化设计为同轴输出，法兰定位标准，结构简单实用；有很高的互换性能；
减速器整体设计紧凑结构，体积小巧，齿轮箱和内环齿轮采是采用一体式的设计，与市场上现有同型号减速器相比，精密度高，体积最小，减速器中对螺旋齿面作齿形及导程的修整，此项工艺可以用来降低齿轮在转动时啮入及啮出的冲击和噪音，因此与同等材质制作的齿轮系相比其使用寿命更高；
此减速器对噪音偶遇严格的控制标准，运转时噪音
综合上述内容，此型号的减速器在同等精度条件下性价比高。
其实物图如下：
图3.1 减速器
其结构尺寸如下：
图3.2 减速器尺寸图
3.2 选择伺服电机并对其检验
w=(3000rpm/40)×3.14/60=3.925rad/s； vmax=l⋅w=0.160×3.9=0.624m/s；
设机构动平台的加减速时间为0.2s-05s,所以可以计算得到加速度为： a=v/t=0.4/0.2=2m/s2。
任务书中要求机构最大负载要大于1.5kg（包括末端操作手），所以计算得载荷阻力：
Fmax=m×(a＋g)=1.5×(2+10)=18N;
因此可计算出系统运转所需的最大驱动功率为：
Pmax=Fmax⋅vmax=18×0.624w=11.23w。
查表选择标准系列的电动机P=32w的直流伺服电动机。其具体型号为JSF 60-15-30-CF-1000，SFC+。
表3-2 电机参数表
SFC+的配置适用于过载倍数要求高，并且能够承受在单位时间内电机频繁启停，同时也适用于高速重载的场合；由于在此机器人系统机构中，动平台的往复平动是由动力系统提供动力传递至连架杆，有连架杆带动实现往复摆动，而连杆架的往复摆动需要电机频繁的进行正反转交替，所以必须要求电机能够有很好的频繁起停性能，因此选用SFC+的配置电机。
表3-3 JSF系列伺服电机型号说明表
JSF 1
60 2
40 3
30 4
D 5
F 6
1000 7
1.JF——表示电机无刷伺服电机 2——表示电机外径，单位：mm、
3——表示电机额定功率，以10w为单位，40表示40×10w=2000w、
4——表示电机运转时额定转速，100rpm为单位，30表示30×100rpm=3000rpm、 5——表示电机运转的额定电压，A：24v B：36v；C：48v；D：72、
6——表示装配选项，K—键槽；F—扁平轴；S—光轴；G—减速机适配;P—特殊制作、7——表示电机编码器的分辨率。
JSF系列直流伺服电机的主要特点如下：
（1）调速范围宽；（2）在使用过程中噪音小、功率高、运行平稳，整体性能优越，具有很高的性价比；（3）利用高性能铷硼磁钢材料设计能够提供三倍以上峰值扭矩，可以很好的保障其传动性能。
（1）对所选电机进行转矩及编码盘精度检验校核： 转矩的校核：
机构输入轴的转矩计算
图3.3 转轴受力分析图
当平动速度垂直与连杆时转矩为最大，此时M=F⋅l=18×0.16Nm；
将上述转矩转化为电机的输出轴所承受的转矩载荷：
T=M/i=2.88/40=0.072Nm，由此，T=0.072Nm
矩合格。
对伺服电机编码盘校核：
易知，在此机构中运动支链在与动平台垂直时对编码盘精度要求最高，所以以动平台与支链垂直的点为检验校核点：∆x=l⨯∆ϕ
∆x
0.025
rad=0.001563rad=0.56︒ 160
带入公式计算出伺服电机输出轴角度误差为：∆θ=i⨯∆ϕ=40⨯0.056=2.24； 由上式得出需要编码盘分辨率为N>360/2.24=161，所选电机分辨率N
图3.4 电机尺寸图
3.3 轴承的选择及校核
在此机构中，系统动平台运动为x，y，z三个方向上的平动，在实际设计中需
要考虑到动平台和连杆以及转动副的质量，而且在转动中转动副中的轴所受载荷既有径向也有轴向，所以经过对不同种类的轴承进行比较考虑，认为角接触轴承可以符合要求角接触球轴承有单个使用和成对使用之分，在此我们选取单个分装的角接触球轴承。经过查阅《机械设计实用手册》，本设计中选用型号为7002C。其内径为15mm，外径为32mm的一组轴承为转动副连接处所用轴承。
图3.5
图3.6
此图是角接触球轴承在此机器人中的应用。
上图是查找到的角接触球轴承的几种使用情况，用来参考设计。
表3-4 轴承的基本参数
轴承代号 d(mm) D B 基本额定载荷
极限转速（脂）
质量
7002C 15 32 9 6.25kN 17000r/min 0.028kg
7000C 10 26 8 4.92kN 19000r/min 0.018kg
7001C 12 28 8 5.42kN 18000r/min 0.02kg
此表格中为所选用角接触球轴承的基本参数。现在对上述选用的角接触球轴承进行检验校核。
设计任务书中给出最大负载为1.5kg，在此基础上还要考虑到支链的重量，所以可以假设支链重量为1kg，在平行四边形机构中一共有两对轴承对支链起到支撑作用，所以每对轴承所承受的径向力Fr=2.5kg⨯2m/s2÷2=12.5N。轴向载荷为
Fa=ma=1.5kg⨯2m/s2=3N，通过轴承上轴的转速得出轴承转速为n=75r/min；
求比值：
Fa3==0.24
12.5+1.41×3）=12.605N P2=fp(0.67Fr+1.41Fa)=1*（0.67×
在此给定轴承的预计寿命，假设轴承可以连续工作一年（每年按200个工作日计算），所以轴承的预计寿命：Lh=200×24×1=4800h。 该轴承所具有的基本额定动载荷C=35.1；
此载荷小于轴承的额定动载荷，所以选择此型号的轴承合格。同理7000C和7001C型号的轴承也按此种方法进行检验校核均满足要求，所以所选轴承均合适。
3.4 联轴器的选择
减速器的输出周的轴径为14mm并且也通过计算主动轴上与减速器轴相连接部分的直径为12mm，所以选择联轴器为凸缘联轴器，其具体尺寸如下：
表3-5 联轴器尺寸表
型号
公称转矩
许用转速
轴孔直径 12,14
轴孔长度J 27
D
D1
b
b1
S
转动惯量I
质量m/kg 1.16
GY1
Tn(25 N⋅m)12000
80 30 26 42 6 0.0008
对联轴器进行校核，由于此传动刚性联轴器足以满足机构对各方面的要求，所以选择刚性联轴器。
应按联轴器上最大转矩作为工作转矩Tca=KAT 通过在《机械设计》中查工况系数：KA=1.3
选用刚性联轴器即可满足要求：
p=p额定电机⨯0.97=0.15kw⨯0.97=0.1455kw
载荷计算：Tca=9.55⨯106⨯查KA=1.3
p0.1455
=9.55⨯=18.527N⋅mm n75
所以得Tca=KA⋅T=1.3×18.527=24.0851Nm
Tca≤25。
4 动平台支链的结构设计及具体尺寸的确定
4.1 支链尺寸的确定
为了要达到所需要的动平台运动范围给定支链的尺寸如下：
100
图3.7 支链尺寸图
4.2 对主动轴尺寸的确定及及校核
图3.8 主动轴尺寸图
上图为主动轴的具体尺寸，下面对主动轴进行强度校核计算：
P
T≤[τT] （1） τT==3WT0.2d
τT——代表扭转切应力，选取轴材料为45号刚取τT=40MPa；
T——代表轴所受的扭矩，在前面已经计算出T=0.072N·mm； n——轴的转速，n=75r/min；
P——代表轴的传递功率，在前面参数计算中以算出P=0.15KW； d——代表计算截面处轴的直径，mm； 由上式得轴的直径：d≥P9550000P
=A0=11,6 （2）
n0.2τTn
所以，经过元整之后轴的最小直径取12mm可以符合要求即d=12mm。 将数据带入（1）式得τT=5,49MPa≤[τT]=40MPa，所以轴的强度符合要求。 轴的刚度校核:
轴在轴向载荷和径向载荷作用下，将产生弯曲或者扭转变形。如果变形量超过最大允许值，轴的精度收到影响就会导致轴上零件不能正常工作。因为此轴为阶梯轴，要求此轴能承受规定要求的载荷，计算精度要求不太高，所以我们可以用当量直径法做近似计算用于校核。当量直径dv。
dv=
L
∑d
i=1
z
li
4i
（3）
di——表示阶梯轴第i段直径，mm；
因为对主动轴的载荷作用于悬臂端，所以，L=l+K（K为轴的悬臂长度，mm） 将具体数据带入（3）得出当量直径为：
dv=
Lli
∑4i=1di
z
=
15
=12.99mm
27+34+2+12+16124+154+194+124+104
轴的弯曲刚度条件为： 挠度 y≤[y] 偏转角θ≤[θ]
轴的允许挠度为y=0.002l=0.002×43=0.086； 偏转角θ= 0.005 ； 轴的扭转刚度校核：
轴的扭转刚度采用扭转角表示，扭转角即轴单位长度上的扭转变形用字母ϕ来表示。
1zTili
（4） ϕ=5.37⨯10∑LGi=1Ipi
4
G——表示轴的材料的剪切弹性模量，单位MPa，查《机械设计》钢材G=8.1⨯104MPa；
Ip——轴截面的极惯性矩，mm，圆轴届满惯性矩公式为：Ip=
4
πd4
32
；
Ti、li、Ipi——分别代表阶梯轴上第i段所受的扭矩，长度和极惯性矩的大小；
轴的扭转刚度条件为ϕ≤[ϕ] 取[ϕ]=0.5-1 /m；
带入具体数据计算出ϕ=0.68.所以满足要求。
()
4.3 对支链上转动副的设计
A1
A2
B1
图3.9 转动副实物图
在转动副设计中A1、A2、A3是结构相同的转动副，并且A1和A2是对称的载荷情况相同的转动副。因为动平台是在x,y,z轴上做往复运动，因此要求转动副
的运动是往复能够实现正反转运动。要想实现此种转动需要用到轴承，经过考虑需要同时受到轴向和径向方向两个力，所以最后选择角接触球轴承，以使转动副能够正常往复转动。在润滑方面考虑采用脂润滑的形式（因为机构比较小巧，采用外部供油不太方便），采用少量脂润滑可以很好的满足润滑要求，轴承内圈采用螺母固定，外圈利用轴承端盖固定，并能起到密封防尘的作用，轴承端盖采用螺栓固定。在此转动副中轴承是采用单个分装对称布置的形式，具体结构如下图所示：
图3.10 轴承图
安装轴承时，一段轴承内圈用内径10mm长3mm的套筒定位，另一端用垫圈及紧固螺夹紧定位，轴承并采用轴承端盖密封，轴承端盖用M4螺母紧固定位。
转动副B1的设计：
图3.11 转动副
此转动副的轴为一个对称轴，靠阶梯给轴承定位轴承外圈还有弹性挡圈定位，轴承内圈利用弹性单圈定位，之后加上轴承端盖，在上图C处用阶梯固定零件1，这根轴受
双向载荷因此采用角接触球轴承，并且需要采用单个轴承对称装配才能承受双向载荷，零件1用垫圈加紧固螺母固定。之后安装轴承端盖，轴承端盖采用M4螺栓定位，轴承润滑采用脂润滑。
连接件D1和D2采用螺栓螺母定位，安装方便，D1和D2要加工成光孔。
4.4 支链末端设计
图3.12 支链末端实物图 图3.13 支链末端设计图
支链末端设计成如上图所示形状，主要原因是结构简单，并且对动平台与支链末端采用螺栓螺母固定，能够使质量更好的推动动平台在想x,y,z轴上的运动。
5 机构的整体布局设计及机架设计
5.1 机构整体布局设计
根据任务书中对机构运动的要求，机构的整体布局需要满足的条件为：三条支链方向必须相互垂直，每条支链分别由伺服电机驱动，即在x,y,z三个方向上提供机构运动所需要的动力。机构的整体布置的难点在与要防止机构在运动中出现冲突，这就致使给每条支链提供的空间必须在相等的同时要足够大。支链的运动过程为：电动机提供转动动力通过减速器，减速器传递给主动轴，主动轴带动平行四边形机构的主动杆转动，平行四边形机构做往复运动。运动的角度为45º，平行四边形机构上的连架杆做平动来带动在连架杆上的支链运动，在此支链上海有一个转动副可以在动平台运动时通过支链末端提供的力来转动，一次实现整条支链带动动平台的运动。因此支链在运动的同不能和机架及另外两条支链发生碰撞，所以对机构的整体布局需要用到机构的运动学分析。
连架杆终点在摆动过程中的运动分析图：
图3.14 连杆运动分析图
图3.15 布置图
连架杆终点在摆动过程中的运动分析图：上图为整个支链的运动情况图，表明了两个极限位置尺寸。并且当一条支链运动到极限位置时必须要保证其不能与另外两条支链发生冲突，并且还要使另外两条支链运动到与此支链相配合的位置。总之，三条支链的运动必须是在三个电机提供动力的情况下相互配合不发生冲突实现合理的运动。
5.2 机架的设计
图3.14 机架实物图 图3.15机架实物图
机架的外观图如上，具体尺寸详见二维图。下面具体详述机架设计需要注意的因素。要此全转动副三自由度并联机器人能够顺利按预定的设计轨迹运动，支链的设计十分重要，但支链是安装在机架上的，机架是保证支链顺利运转关键，所以机架在整个设计中很重要，而此设计的机架上安装轴承的地方必须严格保证精度的准确性，所以这对机架的加工提高了要求。另外支架与地面之间的接触也是在设计中要认真考虑的一点，本设计中是才用地脚螺栓来保证机器人工作时整个装置不会与地面之间发生相对移动以至于破坏整个装置运动准确性（地脚螺栓并未在三维图上表现出来）。
结 论
本次毕业设计首先通过指导教师所给的任务书来进行多种方案构思，在之后经过方案对比选出最优方案。方案最终确定后在进行具体的结构方的细节设计，这也是整个毕业设计中最重要的一个环节。
全转动副三自由度并联机器人整个结构简单又实用，这十分符合工程领域对现在机器人性能的要求。结构简单意味着加工制造容易，从加工成本方面考虑，成本低廉，就会为真正的投入到工业领域进行生产有了一个良好的开端。
整个结构都是严格按照毕业设计任务书来完成的，所设计的支链机构中平行四边形机构是通过参考本科学习《机械原理》课程中的平行四边形机构，所选用的标准件军事严格按照《机械原理》、《机械设计》、《机械原理·课程设计参考书》等资料中规定的选择原则进行选择应用。三条支链的运动在设计时也利用机械结构运动分析进行了运动分析，即，对平行四边形连杆的长度，主动连杆运动时转过的角度的选取及各个转动副的设计等都进行了精心设计，以防止出现机械冲突。以上设计所做的设计及检验等工作保证了机构运动的精度，也提高了承受载荷的能力，使整体机器人的安全系数得到保障。
进行实质的绘图工作步骤是先绘制草图并从所绘制的草图检查整个机构有无结构方面的冲突，一次来达到对整个设计进行一个检验、修改。在检验无误后进行正视图绘制。
对于工科生来说课程设计和毕业设计占据整个大学学习中非常重要的环节，是我们在进入工作岗位前的一次次的结合实际的练兵机会，让我们真正学以致用。在设计过程中查找资料收集资料的能力必不可少，因为工程设计并不是天马行空漫无边际的想象。正相反，工程设计是一个十分严谨甚至有些呆板的事情，所应用的零件，材料的各种性能均需要反复验证检验。在我认为每一次工程设计都是一个自我提高、自我检验的机会。它在我将课本上的知识与实际相融合在一起的同时，也让我积累了更多设计方面的经验方法，提高了我的学习能力，与其他设计人员的沟通
能力、查找资料的能力等。当然，也是我认识到要想得到一个完美的设是多么困难，因为每一份设计不论大小均有缺陷，一些产品设计过程中就会有不可调和的矛盾。
参考文献
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[2] 张振涛. 三自由度并联机器人分析与设计[D].哈尔滨工业大学,2008.
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致谢
大四下学期，也是我大学生活的最后一个学期，有紧张有忙碌也有迷茫，在这种状态中我用两个多月来完成我的毕业设计。毕业设计，这算是对我大学四年的学习成果的一个检测也是对我本科期间所掌握的专业知识的一个总结。
在毕业设计期间我得到了老师同学的热情帮助，让我对专业知识的掌握更加透彻的同时也对他们心存感激。我的毕设导师是李为民教授，李教授在科研和教学方面十分严谨认真。他教学认真，严谨治学，对我们的毕设要求也是十分严格，这无形中就使我在毕设中变得更加认真踏实，对所有的数据结构都要进行严格的检验校准。李教授不光以身作则给我们树立良好的工程设计者形象，他还没轴最少给我们进行三次面对面答疑的机会，对我们的毕业设计进行耐心细心指导，对我们存在的错误进行纠正。我能够顺利完成此次毕业设计李教授扮演了必不可少的角色。并且他对科学知识的严谨态度，他的言谈举止偶读深深的影响着我也激励着我。在毕设将要结束之际，我要为李教授献上我最诚挚的敬意与感谢。
另外，对我身边的同学也要说一声谢谢，尤其是和寝室里五个兄弟，我们在一起讨论计算，在这个过程有过争执，但更多是集思广益互相帮助，有困难大家齐心协力想办法克服。和他们在一起做毕设让我认识到一个团队的重要性，现如今社会，团队协作至关重要。这也算是我们进入社会之前的一次练习吧。
再一次感谢你们。
河北工业大学城市学院
毕 业 论 文
作 者： 周** 学 号： *****
系(专业)： 机械系 专 业： 机械设计与制造及其自动化 题 目： 全转动副三自由度并联机器人
指导者： 李** 教授
(姓 名) (专业技术职务)
评阅者：
(姓 名) (专业技术职务)
2015 年 6月 11 日
目录
1 绪论 ........................................................................................................................ - 4 -
1.1 引言 .............................................................................................................. - 4 -
1.2 此次课题研究背景和意义 ........................................................................ - 4 -
1.3 串并联机器人的国内外研究现状、使用范围及发展趋势 ...................... - 5 -
1. 4 本次毕业设计主要完成工作 ..................................................................... - 6 -
1.4.1 基本内容 ............................................................................................ - 6 -
1.4.2 课题研究拟采用的手段和工作路线 ................................................ - 6 - 2 总体方案的设计 .................................................................................................... - 7 -
2．1 总体布局的设计 ....................................................................................... - 7 - 3 由基本参数选定标准件的型号 .......................................................................... - 10 -
3.1 减速机的选择 .......................................................................................... - 10 -
3.2 选择伺服电机并对其检验 ...................................................................... - 12 -
3.3 轴承的选择及校核 .................................................................................... - 15 -
3.4 联轴器的选择 .......................................................................................... - 17 -
4.1 支链尺寸的确定 ........................................................................................ - 19 -
4.2 对主动轴尺寸的确定及校核 .................................................................... - 20 -
4.3 对支链上转动副的设计 ............................................................................ - 22 -
4.4 支链末端设计 ............................................................................................ - 25 - 5 机构的整体布局设计及机架设计 ...................................................................... - 26 - 结 论 ...................................................................................................................... - 29 - 参考文献 .................................................................................................................... - 31 - 致谢 ............................................................................................................................ - 32 -
1 绪论
1.1 引言
自从Hunt教授提出以Stewart平台结构为基础设计机器人，机器人技术的发展也是日新月异，尤其是工业机器人能够将人从繁重的体力劳动中解放出来具有十分广阔的应用前景，尤其是在工业发展领域，因此工业机器人的发展尤为迅速。并联机器人是机器人种类中一个十分重要的发展方向，但由于受到科学技术等原因的影响，并联机器人的发展在90年代才开始兴起直到现在并联机器人的研发成为机器人发展的一个热点。
机器人种类可以分为很多种，其中并联机器人和串联机器人是机器人大家族中的两类，串联机器人和并联机器人在结构方面有很大的不同，这也导致其性能功能有很大差别，致使并联机器人与串联机器人形成了功能与结构上的互补。并联机器人作为机器人中一种全新的可以和串联机器人媲美的机器人种类，由于自身结构的优势使其具有刚度大、承载能力强、高精度、自重符合比小、优秀的动力性能、易于控制等一系列优点。所以并联机器人应用于工业领域是未来发展的一个必然趋势。
1.2 此次课题研究背景和意义
在文献[1]指出：机器人本身就是高精尖技术的聚集体，并联机器人更是一个尖端知识密集型的机构，并联机器人机构学问题十分复杂，她是属于空间多自由度多环机构学理论学科，此理论是随着对并联机器人的深入研究发展起来的，这本来就是理论对实践的指导，而实践又是完善理论的方法，所以研究并联机器人机构学理论对掌握、研制和控制并联机器人在实际应用和并联机器人的理论发展上都是有着特殊意义。在一切机器人的研究中机器人的机构是关键中的关键，并联机器人所具有的优势关键也在结构上，因此它引起了国内外机器人研究者的广泛关注，他们在此项研究中投入相当大的精力。并联机器人的结构与串联机器人相比具有结构较简、成本低等优势。因此越来越多的将并联机器人的研究与工业领域相结合也使得
并联机器人的研究也越来越深入。
在文献[2]中：主要研究是三自由度并联机器人，这是一种有多变量和本质为非线性组成的复杂机构系统，在并联机器人及液压驱动系统的设计中以运动学分析前提。作者开始时先是采用坐标变化及求导的方法对三自由度并联机器人运动学进行了分析。利用动力学和分析动力学的原理设计出系统的动力机构。作者采用ADMS技术建立了失误的虚拟样机模型系统，并运用仿真软件对运动学、动力学和控制系统的可行性进行了联合仿真实验分析，采用上述仿真试验验证的方法可以十分真实的模拟实际中的三自由度并联机器人运动过程验证其性能。为研究提供了很好的设计依据。
在文献[3]中：江苏科技大学机械工程学院的王波、李小满、朱振华学者主要针对三自由度平面P-R-R型并联机器人，三位学者的研究成果是：“成功建立了三自由度并联机器人的动力学模型系统，他们在研究中将同步控制技术应用在机器人上在实现了机器人轨迹的精确控制的同也对机器人的运动达到了同步控制，在研究中三位学者提出了一个新概念——同步误差。具体做法是：通过对多个线性闭环控制进行组合，列出同时满足各个闭环控制的控制方程并对其进行求解。之所以采用这种方法是因为此种方法直观、高效，提高了对并联三自由度平面P-R-R型并联机器人轨迹的运动精度，并可以同时满足了多个闭环控制系统的组合控制。
1.3 串并联机器人的国内外研究现状、使用范围及发展趋势
Hunt教授提出Stewart机构作为机器人，直到现在国内外众多专家学者投入到机器人的研究中。但并联机器人是在90年代才开始成为热门研究方向。并联及其人在许多方面都有重要的应用，如航海航空、机电工业、医疗器械等各个领域。并且并联机器人与串联机器人并不是相互对立排斥的，他们是可以形成互补，使机器人技术变得更全面实用。关于这些机器人的研究都是值得重视的具有现实意义。
根据我查到的资料了解在国内燕山大学的黄真教授并联机构的研究十分出色。通过阅读《基于螺旋理论三自由度并联机器人型综合新方法》[4]中了解到东北大学的罗继曼、蔡光起等学者机器人并联机构研究也比较深入，他们通过合理的选择约束链能够组合出新的并联机器人。
自从1987年，Hunt提出并联机器人结构之后，英国、德国、俄罗斯等一些欧美国家都投入了大量人力物力财力进行并联机器人研究，并且取得了巨大的发展。
日本的田和雄、内山胜等则用并联机构开发航空航天领域机器人。
1. 4 本次毕业设计主要完成工作
1.4.1 基本内容
课程设计方法要求：
（1）设计要求为设计出一台全转动副三自由度并联机器人，提出几种设计方案之后，进行最后研确定最终设计方案和传动方案，之后设计机身与机架零件并对其进行力学分析，材料分析；
（2）设计并联机器人机械结构如转动副及支链等；
（3）最后绘制机械系统装配图和零件图三维装配图；
（4）对整个设计过程进行整理，编写设计说明书，说明设计原理等具体内容。
1.4.2 课题研究拟采用的手段和工作路线
课程设计方法要求：
（1）根据任务设计要求，进行机械结构设计和传动结构设计，找到最佳设计方案。
（2）根据最后所确定的设计方案，进行相关分析、计算、检验，对其中关键零件进行强度、刚度、寿命等的计算、校核确定其符合设计要求，对零件组成的结构要保证其合理使用；最后绘制出机器人装配图并根据装配图，画出主要零件的零件图（在说明书说上说明标准件选择原理）。
（3）设计到最后，对整个毕业设计过程进行总结，完成设计说明。
2 总体方案的设计
2．1 总体布局的设计
图2.1方案草图
图2.1是此次设计中所采用的方案草图，此草图中们可以清楚的表达出动静平台及三个运动支链的运动情况。
方案规划：
1.首先利用任务书中所给出的最大平动速度、最大负载、平动范围等数据估算出电机的功率；
2.影响全转动副三自由度并联机器人的运动范围的是平行四边形机构的连架杆的长度及其摆动角度大小，摆动角度的大小会直接影响连架杆末端在平方向上的速度分量，因此在设计时要注意连架杆的长度与其自身的摆动角度之间的古关系以防止支链出现碰撞等冲突；
3.根据任务书所给出的动平台的运动范围，最初选定连架杆的长度及连架杆的摆动角度的最大范围；
4.根据任务书上的要求动平台的最大平动速度为0.4m/s，在动平台整个运动过程中必须有一点能够达到此速度然后选取极限位置进行速度计算，利用公式转换就可以可以求出系统机构中输入轴的速度；
5.任务书要求运动平台的重复精度为＜+/-0.025mm，因为伺服电机编码盘的分辨率可以影响重复定位精度。因此在分析重复精度时，在支链运动轨迹上选取极值点进行运动分析，可以求出机器人系统中输入轴的最小转角，然后依据选出的减速机的减速比转换到电机的输入轴上，最后利用公式换算出所需电机编码盘的分辨率，这也是用来选择电机的一条重要因素；
6.运动副中对轴承的选定，采用运动分析的方法选定，首先分析轴承的轴向与径向的承载情况，再结合转动副的特点选出转动副需要中安装轴承的类别之后再进一步确定型号，最后需要对轴承尽心检验计算；
7.通过减速机输出轴及主轴的直径大小与对机器人支链的主动轴的运动精度要求，还有是否需要考虑轴向移动来选择是需要刚性联轴器还是弹性联轴器，确定之后在选择。
2.2 初步确定机构中的一些基本参数：
图2.2 连架杆在摆动过程的速度分析图
行程s=2l/sinθM>220mm；
l>110/cosθM；
进行速度分析，根据任务书要求：vx>0.4m/s；
由图一进行分析得：vxmin=vθM⨯cosθM=l⋅w⋅cosθM>400mm/s；
整理得到：w⋅l>400/cosθM；
θM的取值可以有多重情况，初步选定值为45°或60°。当θM取60°时输出角范围为（30°,150°）。
l>110/cosθM=110/cos60°=220㎜；
当θM取45°时输出角范围为（45°,135°）。
l>110/cosθM=110/cos45°≈155mm，由此可以初选l=160mm；
由于考虑到在支撑架上可能还要安装极限开关需要一定的空间，并且为了让整个装置更加紧凑，所以暂时选定θM取45°。
w>400mm/s÷(l⋅cos45)=3.54rad/s，通过图一及单位转换可以得出：
3.54rad/s=67.56rpm。
由于三个支链的结构是相同的，所以设计出一个即可，支链的结构示意图如下：
图2.4 支链的结构示意图
3 由基本参数选定标准件的型号
3.1 减速机的选择
初步确定减速比i 3000/67.56=44.4
选择减速机时要必须保证任务书上的要求，即机构末端的运动平台速度能够达到0.4m/s，所以减速比通过上式计算出i必须小于44.4，所以经过圆整选取i=40; 通过查找《机械设计手册》标准系列的减速机。所选减速机的型号为行星减速机构PL60，i=40,2级输出转矩为29N·m;其具体参数如下：
表3-1 减速机型号一览表
型号段数 PL60 定位凸台直径（h7）
40
尺寸 1 中心孔 M5X10
外壳直径 60 键到轴端距离 2.5
键宽 5 键长 25
键高 16 轴长（自定位圆） 30
安装螺
安装孔输出轴
纹X深
分布园 径（h6）
度 4XM5X
52 14
8 躯体长 44.3 59
轴长（自端面） 35
定位凸台厚度 3
选取的减速机是上海爵顺传动机械有限公司生产的，其性能优越。这家公司的减速机机壳材料为高压压铸铝合金，在制作工艺上采取新的生产工艺，大大增强了工件精度。 电机连接板在制作中使用黑色阳极氧化处理的先进工艺，齿轮箱表面经过特殊电解工艺处理增强其强度，增加整个箱体对外部环境抗腐蚀的能力，并且采用此种工艺处理使机身重量更轻，导热性能也有所提高，这样就会使机身内部温度不至于过高使电机烧毁，电机的使用寿命提高；
速比范围：速比5～10000，此减速器的使实用设计能够使转矩与转速达到完美的匹配；
回差间隙小具有极高的传递精度，因此可以保证在高输入转速下结合介面的同心度能够实现零背隙的动力传递；
采用先进的IP65防护等级的密封设计，密封设计良好，因此不会出现泄漏情况，所以此电机能够实现全部首次注入润滑油后油终生免添加润滑脂润滑，顒可以终生免保养；
对减速机连接板和轴衬的模组化设计为同轴输出，法兰定位标准，结构简单实用；有很高的互换性能；
减速器整体设计紧凑结构，体积小巧，齿轮箱和内环齿轮采是采用一体式的设计，与市场上现有同型号减速器相比，精密度高，体积最小，减速器中对螺旋齿面作齿形及导程的修整，此项工艺可以用来降低齿轮在转动时啮入及啮出的冲击和噪音，因此与同等材质制作的齿轮系相比其使用寿命更高；
此减速器对噪音偶遇严格的控制标准，运转时噪音
综合上述内容，此型号的减速器在同等精度条件下性价比高。
其实物图如下：
图3.1 减速器
其结构尺寸如下：
图3.2 减速器尺寸图
3.2 选择伺服电机并对其检验
w=(3000rpm/40)×3.14/60=3.925rad/s； vmax=l⋅w=0.160×3.9=0.624m/s；
设机构动平台的加减速时间为0.2s-05s,所以可以计算得到加速度为： a=v/t=0.4/0.2=2m/s2。
任务书中要求机构最大负载要大于1.5kg（包括末端操作手），所以计算得载荷阻力：
Fmax=m×(a＋g)=1.5×(2+10)=18N;
因此可计算出系统运转所需的最大驱动功率为：
Pmax=Fmax⋅vmax=18×0.624w=11.23w。
查表选择标准系列的电动机P=32w的直流伺服电动机。其具体型号为JSF 60-15-30-CF-1000，SFC+。
表3-2 电机参数表
SFC+的配置适用于过载倍数要求高，并且能够承受在单位时间内电机频繁启停，同时也适用于高速重载的场合；由于在此机器人系统机构中，动平台的往复平动是由动力系统提供动力传递至连架杆，有连架杆带动实现往复摆动，而连杆架的往复摆动需要电机频繁的进行正反转交替，所以必须要求电机能够有很好的频繁起停性能，因此选用SFC+的配置电机。
表3-3 JSF系列伺服电机型号说明表
JSF 1
60 2
40 3
30 4
D 5
F 6
1000 7
1.JF——表示电机无刷伺服电机 2——表示电机外径，单位：mm、
3——表示电机额定功率，以10w为单位，40表示40×10w=2000w、
4——表示电机运转时额定转速，100rpm为单位，30表示30×100rpm=3000rpm、 5——表示电机运转的额定电压，A：24v B：36v；C：48v；D：72、
6——表示装配选项，K—键槽；F—扁平轴；S—光轴；G—减速机适配;P—特殊制作、7——表示电机编码器的分辨率。
JSF系列直流伺服电机的主要特点如下：
（1）调速范围宽；（2）在使用过程中噪音小、功率高、运行平稳，整体性能优越，具有很高的性价比；（3）利用高性能铷硼磁钢材料设计能够提供三倍以上峰值扭矩，可以很好的保障其传动性能。
（1）对所选电机进行转矩及编码盘精度检验校核： 转矩的校核：
机构输入轴的转矩计算
图3.3 转轴受力分析图
当平动速度垂直与连杆时转矩为最大，此时M=F⋅l=18×0.16Nm；
将上述转矩转化为电机的输出轴所承受的转矩载荷：
T=M/i=2.88/40=0.072Nm，由此，T=0.072Nm
矩合格。
对伺服电机编码盘校核：
易知，在此机构中运动支链在与动平台垂直时对编码盘精度要求最高，所以以动平台与支链垂直的点为检验校核点：∆x=l⨯∆ϕ
∆x
0.025
rad=0.001563rad=0.56︒ 160
带入公式计算出伺服电机输出轴角度误差为：∆θ=i⨯∆ϕ=40⨯0.056=2.24； 由上式得出需要编码盘分辨率为N>360/2.24=161，所选电机分辨率N
图3.4 电机尺寸图
3.3 轴承的选择及校核
在此机构中，系统动平台运动为x，y，z三个方向上的平动，在实际设计中需
要考虑到动平台和连杆以及转动副的质量，而且在转动中转动副中的轴所受载荷既有径向也有轴向，所以经过对不同种类的轴承进行比较考虑，认为角接触轴承可以符合要求角接触球轴承有单个使用和成对使用之分，在此我们选取单个分装的角接触球轴承。经过查阅《机械设计实用手册》，本设计中选用型号为7002C。其内径为15mm，外径为32mm的一组轴承为转动副连接处所用轴承。
图3.5
图3.6
此图是角接触球轴承在此机器人中的应用。
上图是查找到的角接触球轴承的几种使用情况，用来参考设计。
表3-4 轴承的基本参数
轴承代号 d(mm) D B 基本额定载荷
极限转速（脂）
质量
7002C 15 32 9 6.25kN 17000r/min 0.028kg
7000C 10 26 8 4.92kN 19000r/min 0.018kg
7001C 12 28 8 5.42kN 18000r/min 0.02kg
此表格中为所选用角接触球轴承的基本参数。现在对上述选用的角接触球轴承进行检验校核。
设计任务书中给出最大负载为1.5kg，在此基础上还要考虑到支链的重量，所以可以假设支链重量为1kg，在平行四边形机构中一共有两对轴承对支链起到支撑作用，所以每对轴承所承受的径向力Fr=2.5kg⨯2m/s2÷2=12.5N。轴向载荷为
Fa=ma=1.5kg⨯2m/s2=3N，通过轴承上轴的转速得出轴承转速为n=75r/min；
求比值：
Fa3==0.24
12.5+1.41×3）=12.605N P2=fp(0.67Fr+1.41Fa)=1*（0.67×
在此给定轴承的预计寿命，假设轴承可以连续工作一年（每年按200个工作日计算），所以轴承的预计寿命：Lh=200×24×1=4800h。 该轴承所具有的基本额定动载荷C=35.1；
此载荷小于轴承的额定动载荷，所以选择此型号的轴承合格。同理7000C和7001C型号的轴承也按此种方法进行检验校核均满足要求，所以所选轴承均合适。
3.4 联轴器的选择
减速器的输出周的轴径为14mm并且也通过计算主动轴上与减速器轴相连接部分的直径为12mm，所以选择联轴器为凸缘联轴器，其具体尺寸如下：
表3-5 联轴器尺寸表
型号
公称转矩
许用转速
轴孔直径 12,14
轴孔长度J 27
D
D1
b
b1
S
转动惯量I
质量m/kg 1.16
GY1
Tn(25 N⋅m)12000
80 30 26 42 6 0.0008
对联轴器进行校核，由于此传动刚性联轴器足以满足机构对各方面的要求，所以选择刚性联轴器。
应按联轴器上最大转矩作为工作转矩Tca=KAT 通过在《机械设计》中查工况系数：KA=1.3
选用刚性联轴器即可满足要求：
p=p额定电机⨯0.97=0.15kw⨯0.97=0.1455kw
载荷计算：Tca=9.55⨯106⨯查KA=1.3
p0.1455
=9.55⨯=18.527N⋅mm n75
所以得Tca=KA⋅T=1.3×18.527=24.0851Nm
Tca≤25。
4 动平台支链的结构设计及具体尺寸的确定
4.1 支链尺寸的确定
为了要达到所需要的动平台运动范围给定支链的尺寸如下：
100
图3.7 支链尺寸图
4.2 对主动轴尺寸的确定及及校核
图3.8 主动轴尺寸图
上图为主动轴的具体尺寸，下面对主动轴进行强度校核计算：
P
T≤[τT] （1） τT==3WT0.2d
τT——代表扭转切应力，选取轴材料为45号刚取τT=40MPa；
T——代表轴所受的扭矩，在前面已经计算出T=0.072N·mm； n——轴的转速，n=75r/min；
P——代表轴的传递功率，在前面参数计算中以算出P=0.15KW； d——代表计算截面处轴的直径，mm； 由上式得轴的直径：d≥P9550000P
=A0=11,6 （2）
n0.2τTn
所以，经过元整之后轴的最小直径取12mm可以符合要求即d=12mm。 将数据带入（1）式得τT=5,49MPa≤[τT]=40MPa，所以轴的强度符合要求。 轴的刚度校核:
轴在轴向载荷和径向载荷作用下，将产生弯曲或者扭转变形。如果变形量超过最大允许值，轴的精度收到影响就会导致轴上零件不能正常工作。因为此轴为阶梯轴，要求此轴能承受规定要求的载荷，计算精度要求不太高，所以我们可以用当量直径法做近似计算用于校核。当量直径dv。
dv=
L
∑d
i=1
z
li
4i
（3）
di——表示阶梯轴第i段直径，mm；
因为对主动轴的载荷作用于悬臂端，所以，L=l+K（K为轴的悬臂长度，mm） 将具体数据带入（3）得出当量直径为：
dv=
Lli
∑4i=1di
z
=
15
=12.99mm
27+34+2+12+16124+154+194+124+104
轴的弯曲刚度条件为： 挠度 y≤[y] 偏转角θ≤[θ]
轴的允许挠度为y=0.002l=0.002×43=0.086； 偏转角θ= 0.005 ； 轴的扭转刚度校核：
轴的扭转刚度采用扭转角表示，扭转角即轴单位长度上的扭转变形用字母ϕ来表示。
1zTili
（4） ϕ=5.37⨯10∑LGi=1Ipi
4
G——表示轴的材料的剪切弹性模量，单位MPa，查《机械设计》钢材G=8.1⨯104MPa；
Ip——轴截面的极惯性矩，mm，圆轴届满惯性矩公式为：Ip=
4
πd4
32
；
Ti、li、Ipi——分别代表阶梯轴上第i段所受的扭矩，长度和极惯性矩的大小；
轴的扭转刚度条件为ϕ≤[ϕ] 取[ϕ]=0.5-1 /m；
带入具体数据计算出ϕ=0.68.所以满足要求。
()
4.3 对支链上转动副的设计
A1
A2
B1
图3.9 转动副实物图
在转动副设计中A1、A2、A3是结构相同的转动副，并且A1和A2是对称的载荷情况相同的转动副。因为动平台是在x,y,z轴上做往复运动，因此要求转动副
的运动是往复能够实现正反转运动。要想实现此种转动需要用到轴承，经过考虑需要同时受到轴向和径向方向两个力，所以最后选择角接触球轴承，以使转动副能够正常往复转动。在润滑方面考虑采用脂润滑的形式（因为机构比较小巧，采用外部供油不太方便），采用少量脂润滑可以很好的满足润滑要求，轴承内圈采用螺母固定，外圈利用轴承端盖固定，并能起到密封防尘的作用，轴承端盖采用螺栓固定。在此转动副中轴承是采用单个分装对称布置的形式，具体结构如下图所示：
图3.10 轴承图
安装轴承时，一段轴承内圈用内径10mm长3mm的套筒定位，另一端用垫圈及紧固螺夹紧定位，轴承并采用轴承端盖密封，轴承端盖用M4螺母紧固定位。
转动副B1的设计：
图3.11 转动副
此转动副的轴为一个对称轴，靠阶梯给轴承定位轴承外圈还有弹性挡圈定位，轴承内圈利用弹性单圈定位，之后加上轴承端盖，在上图C处用阶梯固定零件1，这根轴受
双向载荷因此采用角接触球轴承，并且需要采用单个轴承对称装配才能承受双向载荷，零件1用垫圈加紧固螺母固定。之后安装轴承端盖，轴承端盖采用M4螺栓定位，轴承润滑采用脂润滑。
连接件D1和D2采用螺栓螺母定位，安装方便，D1和D2要加工成光孔。
4.4 支链末端设计
图3.12 支链末端实物图 图3.13 支链末端设计图
支链末端设计成如上图所示形状，主要原因是结构简单，并且对动平台与支链末端采用螺栓螺母固定，能够使质量更好的推动动平台在想x,y,z轴上的运动。
5 机构的整体布局设计及机架设计
5.1 机构整体布局设计
根据任务书中对机构运动的要求，机构的整体布局需要满足的条件为：三条支链方向必须相互垂直，每条支链分别由伺服电机驱动，即在x,y,z三个方向上提供机构运动所需要的动力。机构的整体布置的难点在与要防止机构在运动中出现冲突，这就致使给每条支链提供的空间必须在相等的同时要足够大。支链的运动过程为：电动机提供转动动力通过减速器，减速器传递给主动轴，主动轴带动平行四边形机构的主动杆转动，平行四边形机构做往复运动。运动的角度为45º，平行四边形机构上的连架杆做平动来带动在连架杆上的支链运动，在此支链上海有一个转动副可以在动平台运动时通过支链末端提供的力来转动，一次实现整条支链带动动平台的运动。因此支链在运动的同不能和机架及另外两条支链发生碰撞，所以对机构的整体布局需要用到机构的运动学分析。
连架杆终点在摆动过程中的运动分析图：
图3.14 连杆运动分析图
图3.15 布置图
连架杆终点在摆动过程中的运动分析图：上图为整个支链的运动情况图，表明了两个极限位置尺寸。并且当一条支链运动到极限位置时必须要保证其不能与另外两条支链发生冲突，并且还要使另外两条支链运动到与此支链相配合的位置。总之，三条支链的运动必须是在三个电机提供动力的情况下相互配合不发生冲突实现合理的运动。
5.2 机架的设计
图3.14 机架实物图 图3.15机架实物图
机架的外观图如上，具体尺寸详见二维图。下面具体详述机架设计需要注意的因素。要此全转动副三自由度并联机器人能够顺利按预定的设计轨迹运动，支链的设计十分重要，但支链是安装在机架上的，机架是保证支链顺利运转关键，所以机架在整个设计中很重要，而此设计的机架上安装轴承的地方必须严格保证精度的准确性，所以这对机架的加工提高了要求。另外支架与地面之间的接触也是在设计中要认真考虑的一点，本设计中是才用地脚螺栓来保证机器人工作时整个装置不会与地面之间发生相对移动以至于破坏整个装置运动准确性（地脚螺栓并未在三维图上表现出来）。
结 论
本次毕业设计首先通过指导教师所给的任务书来进行多种方案构思，在之后经过方案对比选出最优方案。方案最终确定后在进行具体的结构方的细节设计，这也是整个毕业设计中最重要的一个环节。
全转动副三自由度并联机器人整个结构简单又实用，这十分符合工程领域对现在机器人性能的要求。结构简单意味着加工制造容易，从加工成本方面考虑，成本低廉，就会为真正的投入到工业领域进行生产有了一个良好的开端。
整个结构都是严格按照毕业设计任务书来完成的，所设计的支链机构中平行四边形机构是通过参考本科学习《机械原理》课程中的平行四边形机构，所选用的标准件军事严格按照《机械原理》、《机械设计》、《机械原理·课程设计参考书》等资料中规定的选择原则进行选择应用。三条支链的运动在设计时也利用机械结构运动分析进行了运动分析，即，对平行四边形连杆的长度，主动连杆运动时转过的角度的选取及各个转动副的设计等都进行了精心设计，以防止出现机械冲突。以上设计所做的设计及检验等工作保证了机构运动的精度，也提高了承受载荷的能力，使整体机器人的安全系数得到保障。
进行实质的绘图工作步骤是先绘制草图并从所绘制的草图检查整个机构有无结构方面的冲突，一次来达到对整个设计进行一个检验、修改。在检验无误后进行正视图绘制。
对于工科生来说课程设计和毕业设计占据整个大学学习中非常重要的环节，是我们在进入工作岗位前的一次次的结合实际的练兵机会，让我们真正学以致用。在设计过程中查找资料收集资料的能力必不可少，因为工程设计并不是天马行空漫无边际的想象。正相反，工程设计是一个十分严谨甚至有些呆板的事情，所应用的零件，材料的各种性能均需要反复验证检验。在我认为每一次工程设计都是一个自我提高、自我检验的机会。它在我将课本上的知识与实际相融合在一起的同时，也让我积累了更多设计方面的经验方法，提高了我的学习能力，与其他设计人员的沟通
能力、查找资料的能力等。当然，也是我认识到要想得到一个完美的设是多么困难，因为每一份设计不论大小均有缺陷，一些产品设计过程中就会有不可调和的矛盾。
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致谢
大四下学期，也是我大学生活的最后一个学期，有紧张有忙碌也有迷茫，在这种状态中我用两个多月来完成我的毕业设计。毕业设计，这算是对我大学四年的学习成果的一个检测也是对我本科期间所掌握的专业知识的一个总结。
在毕业设计期间我得到了老师同学的热情帮助，让我对专业知识的掌握更加透彻的同时也对他们心存感激。我的毕设导师是李为民教授，李教授在科研和教学方面十分严谨认真。他教学认真，严谨治学，对我们的毕设要求也是十分严格，这无形中就使我在毕设中变得更加认真踏实，对所有的数据结构都要进行严格的检验校准。李教授不光以身作则给我们树立良好的工程设计者形象，他还没轴最少给我们进行三次面对面答疑的机会，对我们的毕业设计进行耐心细心指导，对我们存在的错误进行纠正。我能够顺利完成此次毕业设计李教授扮演了必不可少的角色。并且他对科学知识的严谨态度，他的言谈举止偶读深深的影响着我也激励着我。在毕设将要结束之际，我要为李教授献上我最诚挚的敬意与感谢。
另外，对我身边的同学也要说一声谢谢，尤其是和寝室里五个兄弟，我们在一起讨论计算，在这个过程有过争执，但更多是集思广益互相帮助，有困难大家齐心协力想办法克服。和他们在一起做毕设让我认识到一个团队的重要性，现如今社会，团队协作至关重要。这也算是我们进入社会之前的一次练习吧。
再一次感谢你们。