六自由度系统集成设计(二)

（需微要信 swan165本科毕业设计说明书学校代码： 10128 企鹅号： 1663714557 题 目：六自由度伸缩式并联机床结构设计 学生姓名： 学 院：机械学院 系 别：机械系 专 业：机械电子工程 班 级：机电10-4班 指导教师：讲师摘红字要并联系联机微床信，也可叫获取做整套并联结构机床(Parallel Structured Machine Tools)、虚拟轴机床(Virtual Axis Machine Tools)，曾经被称为六条腿机床、六足虫(Hexapods)。

并联机床是近年来国内外机床研究的方向，它具有多自由度、刚度高、精度高、传动链短、制造成本低等优点。

但其也不足之处，其中位置正解复杂就是关键的一条。

6-THRT伸缩式并联机床是Stewart 机床的一种变形结构形式，它主要构成是运动和静止的两个平台上的6个关节点分别分布在同一个平面上，且构成的形状相似。

并联机床是一种气动机械，集气（液），在一个典型的机电一体化设备的控制技术，它是很容易实现“六轴联动”，在第二十一世纪将成为主要的高速数控加工设备。

本次毕业设计题目结合本院实验室现有的六自由度并联机床机构进行设计，使其能根据工艺要求进行加工。

提高学生的工程素质、创新能力、综合实践及应用能力。

此次毕业设计的主要内容是对并联机床结构设计，其内容主要包括机器人结构设计总体方案的确定，机器人机构设计的相关计算，以及滚珠丝杠螺母副、步进电机、滚动轴承、联轴器等主要零部件的计算选用，并利用CAXA软件绘制各相关零部件的零件图和总装配图，以期达到能直观看出并联机床实体机构的效果。

关键词：并联机床；步进电动机；空间变换矩阵；滚珠丝杠螺母副AbstractPMT (Parallel Machine Tools), also known as the parallel structure machine (Parallel Structured Machine Tools), Virtual Axis Machine Tool, has also been known as the six-legged machine, six-legged insects (Hexapods).Parallel machine is in recent years the domestic machine tool research hot spot, it has multiple degrees of freedom, high rigidity, high precision, short transmission chain, with low manufacturing cost.But its shortcomings, in which the forward solution of position of a complex is the key. 6-THRT telescopic type parallel machine tool is Stewart machine tools, a deformable structure form, it is the main characteristics of dynamic, static platform on the 6joints are respectively distributed on the same plane, and form the shape similarity.Parallel machine is a mechanical, pneumatic (hydraulic), control technology in one of the typical electrical and mechanical integration equipment. Parallel machine is easy to achieve "six-axis", is expected to become the 21st century, the main high-speed light CNC machining equipment. The combination of hospital laboratory construction project, located six-DOF parallel machine tool sector, so that it can be processed according to process requirements. Improve their engineering quality, innovation, comprehensive practice and application of skills.The main topics for the design of parallel machine tool design, its content includes the determination of robot design, robot design and calculation, and the ball screw pair, stepping motor, bearings, couplings, limit switch, spindle ,and other major components using CAXA software to draw the relevant parts of the parts drawings, and assembly drawings to achieve the parallel machine tool can directly see the effect of physical bodies.Keywords: parallel machine；Six axis linkage；space transformation matrix；ball screw pair目录第一章绪论 (1)1.1 课题的研究背景 (1)1.2 课题研究的意义 (2)1.3 课题的研究内容步骤 (2)1.3.1并联机构介绍 (3)1.3.2并联机床设计类型的选定 (3)1.3.3 并联机床结构设计的相关计算 (4)1.3.4 各零部件与装配图的设计出图 (4)第二章并联机床部件设计与计算 (6)2.1 6-THRT 伸缩式并联机床位置逆解计算与分析 (6)2.1.1 6-THRT并联机器人机械结构简介 (7)2.1.2坐标系的建立 (7)2.1.3 初始条件的确立 (8)2.1.4 空间变换矩阵的求解 (9)2.1.5 新坐标及各轴滑块移动量的计算 (10)2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (12)2.2.1 最大工作载荷的计算 (12)2.2.2 最大动载荷的计算 (13)2.2.3 规格型号的初选 (13)2.2.4 传动效率的计算 (13)2.2.5 刚度的验算 (14)2.2.6 稳定性的校验 (15)2.3 滚动轴承的选用 (15)2.3.1 基本额定载荷 (15)2.3.2 滚动轴承的选择 (16)2.3.3 轴承的校核 (16)2.4 步进电动机的计算与选型 (17)2.4.1 步进电机转轴上总转动惯量的计算 (17)2.4.2 步进电机转轴上等效负载转矩的计算 (18)2.4.3 步进电动机尺寸 (21)2.5 联轴器的选用 (21)第三章并联机床的结构设计 (23)3.1 机床中的并联机构 (23)3.1.1概念设计 (23)3.1.2运动学设计 (23)3.2杆件的配置 (23)3.2.1 杆件设计 (24)3.2.2 伸缩套筒 (25)3.3铰链的设计（虎克铰） (25)3.4机床框架和床身的设计 (26)第四章并联机床的装配出图 (28)4.1 Pro/E软件的概述 (28)4.2 Pro/E的功能 (28)4.3 CAXA电子图版简介 (28)4.4 二维图的绘制处理 (29)第五章并联机床面临的主要技术问题及前景 (30)5.1 引言 (30)5.2机床的关节运动精度问题 (30)5.3 并联机床的未来展望 (31)结论 (32)参考文献 (33)谢辞 (34)第一章绪论1.1 课题的研究背景为了改善生产环境的适应性，满足快速变化的市场需求，近年来制造设备和系统，全球机床制造业正在积极探索和开发新的功能，其中在机床结构技术上的突破性进展当属90年代中期问世的并联机床(Parallel Machine Tools)，又称虚(拟)轴机床(Virtual Axis Machine Tool)或并联运动学机器(Parallel Kinematics Machine)[12]。

《新型六自由度运动模拟器的性能分析与设计》篇一一、引言六自由度运动模拟器，以其精确模拟多种复杂动态环境的能力，正逐渐在航空航天、汽车驾驶模拟、虚拟现实、医疗康复等领域展现出广泛的应用前景。

本文将着重对新型六自由度运动模拟器的性能进行分析，并对其设计方法进行详细探讨。

二、新型六自由度运动模拟器性能分析（一）运动性能新型六自由度运动模拟器可以实现平动、转动和复杂运动的模拟，包括前后左右移动、俯仰、翻滚和偏航等。

通过精确的传感器和控制系统，运动模拟器能够准确反映动态环境的真实状态，提高模拟的真实性和可靠性。

（二）动力学性能该模拟器在动力学性能方面具有出色的表现。

其精确的动力学模型能够模拟出复杂的动态过程，为科学研究提供真实可靠的实验数据。

此外，该模拟器还具有高响应速度和低误差率的特点，能够快速响应外部环境的改变，保证模拟的实时性。

（三）环境适应性新型六自由度运动模拟器具有较好的环境适应性。

其结构设计灵活，可根据不同的应用场景进行定制化设计。

同时，该模拟器还具有较高的耐久性和稳定性，能够在各种复杂环境下长时间稳定运行。

三、新型六自由度运动模拟器的设计（一）硬件设计硬件设计是新型六自由度运动模拟器的关键部分。

设计过程中，需要选择合适的电机、传感器和控制模块等部件。

其中，电机是驱动运动模拟器进行各种运动的核心部件，传感器则用于实时监测运动状态，控制模块则负责协调各部件的工作。

此外，还需考虑硬件的布局和结构，以保证其稳定性和可靠性。

（二）软件设计软件设计是实现新型六自由度运动模拟器各项功能的关键。

在软件设计中，需要建立精确的动力学模型，以反映动态环境的真实状态。

此外，还需设计合理的控制算法和界面交互程序，以实现模拟器的精确控制和人机交互。

在编程过程中，应采用模块化设计思想，以提高代码的可读性和可维护性。

（三）系统集成与测试系统集成与测试是新型六自由度运动模拟器设计的最后一步。

在系统集成过程中，需要将硬件和软件各部分进行整合，确保其协同工作。

六自由度轻载搬运机器人控制系统设计引言：一、机器人建模和运动学分析机器人的建模和运动学分析是控制系统设计的基础。

通过建模和运动学分析，可以确定机器人的运动范围和运动学方程，为后续的控制系统设计提供基本参数。

二、传感器选择和安装为了对机器人的姿态和位置进行实时监测，需要选择合适的传感器进行安装。

常用的传感器包括编码器、惯性测量单元（IMU）、视觉传感器等。

传感器的选择应根据机器人的特点和工作环境进行综合考虑。

三、运动控制算法设计机器人的运动控制算法设计是控制系统设计的核心。

常用的运动控制算法包括逆运动学算法、轨迹规划算法和运动控制算法。

逆运动学算法用于确定机器人关节的运动参数，轨迹规划算法用于生成机器人的轨迹，运动控制算法用于实现轨迹的跟踪和运动控制。

四、控制器设计和实现控制器是实现运动控制的关键组件。

根据机器人的特点和运动控制要求，可以选择合适的控制器类型，如PID控制器、模糊控制器或神经网络控制器等。

控制器的设计和实现应考虑控制精度、实时性和计算复杂度等因素。

五、通信和接口设计为了实现机器人与外部设备的通信和数据交换，需要设计合适的通信和接口模块。

常用的通信和接口模块包括以太网通信、串口通信和CAN总线通信等。

通信和接口设计应考虑通信速率、数据处理能力和数据安全性等因素。

六、系统集成和测试系统集成和测试是控制系统设计的最后一个阶段。

在系统集成和测试过程中，需要将各个组件进行整合，并进行系统级测试和验证。

测试结果可以用于对系统性能进行评估和改进。

结论：六自由度轻载搬运机器人控制系统设计是一项复杂且关键的工作。

通过建模和运动学分析，传感器选择和安装，运动控制算法设计，控制器设计和实现，通信和接口设计以及系统集成和测试等过程，可以设计出一个稳定、高效的控制系统。

同时，不同的机器人应根据其特点和工作环境进行系统的个性化设计，以满足特定的应用需求。

六自由度机械臂控制系统设计随着世界各地恐怖事件的不断爆发，采用六自由度机械臂实现对爆炸物的排除已成为现如今防恐事业的一项重要手段，机械臂在进行作业的过程中，排爆需要灵活的操作和细致的动作。

机械臂的自由度往往在四五个左右，为了满足排爆工程的需求，就需要加强机械臂的操作自由度，因此设计六自由度机械臂就显得尤为重要。

标签：六自由度；机械臂；控制系统设计1.六自由度机械臂控制系统设计要求六自由度机械臂的运动控制硬件分别是机械手的运动控制、驱动电路的底层控制、远程通信以及远程控制、视觉传感和辅助传感系统和上层控制的人机交互。

在整个自由度机械臂控制系统中，上位机控制系统的主要功能是给操作者提供良好的人机交互界面，而且机械臂的操作能够通过配套的便携手柄而实现，所以上位机要对手柄所发射的信号进行有机的掌握和控制，对下位机系统的控制还需要上位机系统给出，同时还要将下位机及机械臂运动状态信息能够及时反馈给操作者。

操作手柄和下位机作为移动设备而言，上位机控制系统除了能够提供有线的控制，还要提供相应的无线通信系统，其控制的有效距离在100米左右实现控制的指令和运动反馈的信号达成。

在移动载体的设计上，除了放置机械手实现对抓取的射线图像检测仪，机械臂和车身上还装置了两台CCD摄像机和两个自由度的云台，并相应地配备录像机以对排爆过程进行全程的记录。

这些信息的反馈就是通过无线图像模块实现的。

在机械臂手部的设计过程中，因为机器人的抓手在整个机械臂系统中作为最末端的执行器，在抓取和实现操作工作的时候，其可以根据需要分为钳式和吸附式。

在这个层面上我们主要考虑的是机械臂在进行工具抓取的时候，需要采用钳式的爪手，在爪手上的电机，我们选择的是MICRO-STd伺服电机，在电机的尺寸设计上，要保证电力能够在最小的空间占比和最轻的质量占比，从而满足于机械臂的灵活性。

在机器人的机械臂设计中，机械臂是由四到五个伺服的电机组成的，对伺服电机的控制能够保障机械臂在不同使用需求上的不同位置和方向的自由变化。

《新型六自由度运动模拟器的性能分析与设计》篇一一、引言随着科技的不断进步，模拟器技术在众多领域得到了广泛的应用。

其中，六自由度（6DOF）运动模拟器作为一种高级的模拟系统，在军事、航天、汽车、医疗等多个领域发挥着重要作用。

本文将针对新型六自由度运动模拟器的性能进行分析，并探讨其设计思路和方法。

二、六自由度运动模拟器概述六自由度运动模拟器是一种能够模拟三维空间中六个方向上运动特性的设备，包括沿X、Y、Z轴的平移以及绕这三个轴的旋转运动。

它能够模拟各种复杂环境下的运动状态，为实验和训练提供逼真的体验。

三、新型六自由度运动模拟器的性能分析（一）高精度运动控制新型六自由度运动模拟器采用先进的控制系统和传感器技术，能够实现高精度的运动控制。

通过精确的算法和反馈机制，模拟器能够准确模拟各种复杂环境下的运动状态，提高实验和训练的准确性。

（二）大范围运动空间新型六自由度运动模拟器具有较大的运动空间，能够满足不同场景下的模拟需求。

通过优化机械结构和控制系统，模拟器能够在较大的空间范围内实现精确的运动控制。

（三）高稳定性与可靠性新型六自由度运动模拟器采用高强度材料和先进的制造工艺，具有较高的稳定性和可靠性。

同时，通过优化设计和严格的测试流程，确保模拟器在长时间运行过程中能够保持优良的性能。

（四）易于集成与维护新型六自由度运动模拟器具有良好的集成性和维护性。

通过采用模块化设计，方便用户进行安装、调试和维修。

同时，提供友好的用户界面和丰富的接口，方便与其他系统的集成。

四、新型六自由度运动模拟器的设计思路与方法（一）需求分析在进行新型六自由度运动模拟器的设计之前，首先要进行需求分析。

明确模拟器的应用场景、使用人群、所需功能等关键要素，为后续的设计提供依据。

（二）总体设计根据需求分析结果，进行总体设计。

确定模拟器的结构形式、机械布局、控制系统等关键要素。

同时，考虑模块化设计，方便后续的安装、调试和维护。

（三）硬件设计硬件设计是新型六自由度运动模拟器设计的关键环节。

六自由度运动平台设计方案1概述YYPT原理样机用原库房留存的345厂的直流电机作为动力源，直流驱动器及工控机作为控制系统元件，采用VB软件进行控制软件的编制，因设计及器件选型的原因，导致YYPT原理样机，在速度、精度、运动规律上等几个技术指标无法满足原规定的指标要求，现在此基础上进行优化方案的设计。

2原理样机技术状态2.1原理样机方案2.1.1组成原理样机采用工控机作为系统的控制单元，工控机内配有研华PCI1716和PCI1723作为A/D和D/A模拟量卡，驱动器采用AMC公司的型号为12A8的伺服驱动器，并配有直流可调电源其输出电流可达到150A，采用KH08XX（3）电动缸作为运动平台的六条支腿，电动缸上安装有电阻尺作为位置反馈器件，上平台与电动缸连接采用球笼联轴器，下平台与电动缸连接采用虎克铰链方式。

具体产品组成表见表2.1。

2.1.2结构方案六自由度运动平台是由六条电动缸通过虎克铰链和球笼万向节联轴器将上、下两个平台连接而成，下平台固定在基础上，借助六条电动缸的伸缩运动，完成上平台在三维空间六个自由度（X，丫，Z，a，B, 丫）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。

图1六自由度平台外形图a）球笼联轴器（如图2所示）采用球笼铰链与上平面连接。

球笼铰链结构简单、体积小、运转灵活、易于维护。

初选球笼铰链型号BJB （JB/T6139-1992）,公称转矩Tn=2000N/m，工作角度40度，外径D=68mm,轴孔选用圆柱孔d=24mm,总长度L1=148mm ,转动惯量为0.00008kg.m2，重量5kg。

图2球笼联轴器b）虎克铰链（如图3所示）采用虎克铰链与下平面连接。

万向节铰链传动效率高，允许两轴间的角位移大，适用于有大角位移的两轴之间的连接，一般两轴的轴间角最大可达35o~45o,噪音小，对润滑要求不高，传递转矩大，而且使用可靠，因此获得广泛的应用。

图3虎克铰链F固定板的连接（如图4所示）F 固定板与电动缸用法兰连接初选深沟球轴承型号61808 (GB/T276-1994),额定载荷 Cr=5.1kN ，外径D=52mm ，轴承孔选用 d=40mm ，宽 B=7mm ，重量 0.26kg 。

六自由度机械平台设计方案
1. 简介
本文档旨在提供一个六自由度机械平台的设计方案，为读者提供一个了解该机械平台的整体结构和功能的概述。

2. 设计要求
在设计六自由度机械平台时，需要考虑以下要求：
- 高精度和高稳定性；
- 具有较大的工作空间；
- 快速和准确的运动；
- 可以承受适应各种工作环境的负载。

3. 设计方案
为满足上述要求，本设计方案包括以下几个关键方面：
3.1 结构设计
- 采用六个自由度，包括三个旋转自由度和三个平移自由度；
- 结构采用刚性框架设计，以确保稳定性和刚性；
- 使用高强度材料来提供足够的负载能力。

3.2 驱动系统
- 使用先进的电机和驱动器来实现快速和准确的运动；
- 采用闭环控制系统以确保精确的位置控制；
- 考虑使用减震和防护装置来减小外界干扰对机械平台运动的影响。

3.3 传感器系统
- 配备合适的传感器来监测机械平台的位置和状态；
- 包括位置传感器、力传感器和姿态传感器等。

3.4 控制系统
- 设计一套先进的控制系统以实现对机械平台的准确控制；
- 使用合适的控制算法来实现运动轨迹规划和运动控制。

4. 总结
本文档提供了一个六自由度机械平台设计的概述，包括结构设计、驱动系统、传感器系统和控制系统等关键方面。

希望通过该设计方案能够满足高精度和高稳定性的需求，并能在各种工作环境下快速和准确地运动。

摘要摘要本文对一种新型的6-(P-2P-S)并联机器人的精度进行了分析，这种机器人是由Stewart平台经过变异得到的。

介绍了该并联机器人的特点，利用空间机构学理论分析了机构的位置正反解，并分析了该机构在正交位姿的运动解耦性能。

基于该并联机器人的结构约束，研究了该机构的工作空间，并定量分析了该机构参数对工作空间体积大小的影响。

定义了线速度各向同性性能评价指标，并给出各向同性性能指标在工作空间内的分布情况。

采用对并联机构运动学方程取微分的方法求得各主要误差源和末端误差的映射关系，使用叠加原理获得了在综合多种误差影响因素作用下并联机构的几何误差模型，利用蒙特卡洛技术对终端平台误差进行了分析。

采用绝对误差敏感度和误差方向敏感度这两个误差评价指标，将主要误差影响因素对机构终端误差的影响进行了分析。

以该并联机构的全域各向同性性能指标和全域综合误差指标为依据对该机构进行了参数设计。

关键词并联机器人；正交结构；性能指标；几何误差；蒙特卡洛方法燕山大学工学硕士学位论文AbstractThe thesis focuses on the accuracy research on a novel 6-(P-2P-S) orthogonal parallel robot, the robot is developed based on the Stewart platform mechanism.Its layout feature is presented according to the previous research results. The forward and reverse position are established by using spatial mechanisms. The paper also shows that the novel parallel robot is characterized by decoupling at its orthogonal position.Base on the architecture constraints, its workspace is investigated. The effects of the design parameters to the workspace volume are studied quantitatively.Kinematics transmission isotropy evaluation criteria is defined. The distribution of the defined evaluation criteria are presented on the workspace.To get the mapping relationship between the influencing factors and the end error of the 6-(P-2P-S) parallel robot, the kinematics equation are differentiated. The analytic expression of the geometric error of the 6-(P-2P-S) parallel robot is obtained by using the superposition theorem and comprehensively considering the influencing factor. The distribution on terminal platform errors is discussed using Monte-Carlo method. By comprehensively considering the two evaluation indicators: absolute error sensitivity and error isotropy sensitivity, the influence of the influencing factor effecting on the end effector is analyzed.Based on the workspace of a novel 6-(P-2P-S) parallel robot, geometry parameter of the parallel mechanism is optimized which depend on the glob kinematics and the glob equal errors.Keywords Parallel robot; Orthogonal structure; Performance evaluation criteria;Geometric error; Monte-Carlo method目录目录摘要 (Ⅰ)Abstract (Ⅱ)第 1 章绪论 (1)1.1并联机器人概述 (1)1.2并联机器人发展状况 (2)1.3本论文的选题意义及主要研究内容 (8)第2章新型6-(P-2P-S)并联机器人的位置分析 (10)2.1概述 (10)2.2 6-(P-2P-S)并联机器人的机构描述 (10)2.2.1结构布局 (10)2.2.2机构特点 (11)2.3 6-(P-2P-S)并联机器人的位置分析 (12)2.3.1动平台姿态描述 (13)2.3.2位置分析 (14)2.3.3正交位姿解耦分析 (17)2.4本章小结 (18)第3章新型6-(P-2P-S)并联机器人工作空间分析 (20)3.1概述 (20)3.2工作空间定义 (20)3.3工作空间分析 (22)3.3.1 约束分析 (22)3.3.2 工作空间的搜索方法 (23)3.3.3 工作空间形状分析 (26)3.4 结构尺寸对工作空间的影响 (28)燕山大学工学硕士学位论文3.5 本章小结 (30)第4章新型6-(P-2P-S)并联机器人的运动学传递性能分析 (31)4.1概述 (31)4.2运动学传递性能分析 (31)4.2.1 雅可比矩阵的求解 (31)4.2.2 运动学传递各向同性性能评价指标 (33)4.2.3正交位姿时运动学传递各向同性性能分析 (39)4.3本章小结 (40)第5章新型6-(P-2P-S)并联机器人的精度分析 (41)5.1 概述 (41)5.2 误差模型的建立 (41)5.2.1建模方法综述 (41)5.2.2模型建立 (42)5.2.3考虑间隙误差和垂直度误差的误差模型 (45)5.3 基于蒙特卡洛方法的误差分析 (46)5.3.1 制造误差随机量抽样 (46)5.3.2 球铰间隙误差随机量抽样 (46)5.3.3 误差的蒙特卡洛模拟 (47)5.4 误差的评价指标 (52)5.5 本章小结 (55)第6章6-(P-2P-S)并联机器人的结构参数设计 (56)6.1概述 (56)6.2并联机器人的结构参数设计 (56)6.2.1结构参数对工作空间大小的影响 (57)6.2.2结构参数对运动学性能的影响 (58)6.2.3结构参数对全域综合误差的影响 (59)6.3本章小结 (62)结论 (63)参考文献 (64)目录攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果 (69)致谢 (70)作者简介 (71)燕山大学工学硕士学位论文第1章绪论第 1 章绪论1.1 并联机器人概述机器人的出现充分体现人类的创造力，是人类智慧的结晶。