機(jī)械手-集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),機(jī)械手,集裝箱,波紋,焊接,機(jī)器人,機(jī)構(gòu),運(yùn)動(dòng)學(xué),分析,車(chē)體,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1小車(chē)行走結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 這里主要是做了三方面的工作：對(duì)小車(chē)行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇；對(duì)電機(jī)功率的估計(jì)并選擇出小車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)；對(duì)根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的齒輪、齒條傳動(dòng)的接觸疲勞強(qiáng)度、彎曲疲勞強(qiáng)度校核。 3.1.1 車(chē)體結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇 根據(jù)一些移動(dòng)機(jī)器人本體設(shè)計(jì)的研究文獻(xiàn)及直動(dòng)關(guān)節(jié)的知識(shí)可獲得兩個(gè)車(chē)體結(jié)構(gòu)方案。這兩個(gè)方案的示意圖如圖所示： 方案1：其中傳動(dòng)順序?yàn)椋弘姍C(jī)齒輪箱車(chē)輪軸上齒輪（通過(guò)車(chē)輪軸）驅(qū)動(dòng)輪。這也是在移動(dòng)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上較為常用的一種車(chē)體結(jié)構(gòu)方案，布置比較對(duì)稱(chēng)合理。 方案2：其中傳動(dòng)順序?yàn)椋弘姍C(jī)圓柱齒輪固定齒條（通過(guò)反推動(dòng)）車(chē)體結(jié)構(gòu)。這里的設(shè)計(jì)有借鑒將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)里有齒輪、齒條這么一種傳動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)比較容易。 方案間的比較： 表1兩車(chē)體機(jī)構(gòu)方案的比較 方案 比較方面 方案1 方案2 設(shè)計(jì)方面 較復(fù)雜 較簡(jiǎn)單 結(jié)構(gòu)方面 稍復(fù)雜 稍簡(jiǎn)單 布置方面 對(duì)稱(chēng)點(diǎn) 有點(diǎn)偏移 效率方面 較低 較高 精度方面 高 稍差 用材方面 還好 有長(zhǎng)齒條 根據(jù)實(shí)際的工作條件：希望設(shè)計(jì)能夠比較簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，焊接小車(chē)的移動(dòng)效率高一點(diǎn)，精度要求并不是很高，。故可從表1可選擇出方案2作為該小車(chē)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案。 3.1.2 小車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的確定 1、電機(jī)功率的估計(jì) 根據(jù)機(jī)器人的重量、小車(chē)運(yùn)行速度、輪胎直徑來(lái)確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率。 假定小車(chē)在軌道上行走，不考慮小車(chē)行駛中的空氣阻力，分析小車(chē)的受力情況，以便估計(jì)小車(chē)所需的驅(qū)動(dòng)力矩。此時(shí)，應(yīng)把輪胎看成一個(gè)彈性體來(lái)考慮。 前面也提到了，在這里，由于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是通過(guò)齒輪、齒條的嚙合來(lái)驅(qū)動(dòng)，故該小車(chē)的四輪都為從動(dòng)輪。 這里先分析車(chē)輪的受力情況： 圖 車(chē)輪受力簡(jiǎn)圖 假設(shè)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，輪子做純滾動(dòng)。 設(shè)小車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度為，相應(yīng)的車(chē)輪角加速度為。 根據(jù)可推得： 其中v為小車(chē)速度，w為車(chē)輪角速度，r為車(chē)輪的半徑。 圖 畫(huà)出了該小車(chē)的車(chē)輪在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力簡(jiǎn)圖，圖中 P車(chē)輪上的載荷，m 車(chē)輪的質(zhì)量，N地面對(duì)車(chē)輪的法向反作用力，U為車(chē)輪的切向反作用力，X車(chē)輪軸的車(chē)輪的推力。 根據(jù)平衡條件有 （3-1） （3-2） 為車(chē)輪滾動(dòng)阻力矩，其值為；J為車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 根據(jù)式（3-1）、（3-2）有 （3-3） 由此可知，推動(dòng)車(chē)輪前進(jìn)要克服兩種阻力，即車(chē)輪的滾動(dòng)阻力和車(chē)輪的加速阻力。而后者又由平移質(zhì)量產(chǎn)生的加速阻力和由旋轉(zhuǎn)質(zhì)量產(chǎn)生的加速阻力所組成。 齒輪、齒條傳動(dòng)作為該小車(chē)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，故驅(qū)動(dòng)力矩設(shè)為， 進(jìn)而可將理解為小車(chē)的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力，為齒輪的半徑。 故以小車(chē)車(chē)體做分析對(duì)象，在水平方向上，應(yīng)用牛頓第二定律可得： （3-4） 其中為機(jī)器人總質(zhì)量。 將式（3-3）中的X帶入上式得； （3-5） 由上式可得出結(jié)論為：小車(chē)的驅(qū)動(dòng)力用來(lái)克服車(chē)輪的滾動(dòng)阻力和機(jī)器人的平移質(zhì)量的加速阻力和車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)阻力。 可根據(jù)式（3-5）粗估出驅(qū)動(dòng)力矩： 其中：車(chē)輪半徑 ，（查理論力學(xué) P120 表5-2 滾動(dòng)摩阻系數(shù)。），； 估為40 kg ,車(chē)輪質(zhì)量估計(jì)為0.8kg ,J估計(jì)為，牛； 由于這里的焊接速度為，故可一定程度上估出。 將上述數(shù)據(jù)帶入式（3-5）得： 進(jìn)而根據(jù)要求的運(yùn)行速度為v ,初步確定電機(jī)的功率P： （3-6） 其中：K為估計(jì)系數(shù)，考慮到該焊接機(jī)器人其上的關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，可取為5。 解之得： 2. 電機(jī)的選擇 前面已初步估計(jì)出了驅(qū)動(dòng)力矩，電機(jī)的功率。 在實(shí)際的操作中，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)，使用的電機(jī)類(lèi)型主要有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)等?？紤]到步進(jìn)電機(jī)通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)調(diào)速。能夠快速啟動(dòng)、制動(dòng)，有較強(qiáng)的阻礙偏離穩(wěn)定的抗力。又由于這里的位置精度要求并不高，而步進(jìn)電機(jī)在機(jī)器人無(wú)位置反饋的位置控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 這里選定步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，考慮到在實(shí)際的選擇中應(yīng)考慮到一定的裕度。 這里選用的是杭州日升生產(chǎn)的永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)： 型號(hào)：130BYG2501； 步距角：0.9/1.8度； 電壓：120-310v 相數(shù)：2 ； 電流：6 A; 靜轉(zhuǎn)矩：270 ； 空載運(yùn)行頻率：； 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：； 3.1.3齒輪、齒條傳動(dòng)的校核 這里齒輪、齒條的傳動(dòng)是按照結(jié)構(gòu)聯(lián)系上來(lái)設(shè)計(jì)的，故這里對(duì)齒輪進(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核、接觸強(qiáng)度校核。 其參數(shù)為：齒輪直徑，齒寬為，模數(shù)為，齒數(shù)為80。 前面也對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩做出估計(jì)并給出轉(zhuǎn)速，，。 這里參考《機(jī)械設(shè)計(jì)》P209里的帶式輸送機(jī)減速器的高級(jí)級(jí)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行校核。 由于這里的齒條可以理解為半徑無(wú)窮大的圓柱齒輪，故不存在疲勞強(qiáng)度是否符合要求，對(duì)齒條的強(qiáng)度無(wú)需校核，這里只需校核齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度。 1.選定齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料 1）這里以直齒圓柱齒輪齒條傳動(dòng)。 2）該焊接機(jī)器人速度不高，故選用7級(jí)精度（GB10095-88）。 3）由表10-1選擇齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，齒條材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。 2.按齒面接觸強(qiáng)度校核 按照公式（10-9a）進(jìn)行校核： （3-7） 1） 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 （1）計(jì)算載荷系數(shù)K 根據(jù)，7級(jí)精度，由表10-8查得動(dòng)載系數(shù)； 由表10-2查得使用系數(shù)； 直齒輪，調(diào)質(zhì)，及。查表10-3的； 由表10-4查的7級(jí)精度、小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)， 將數(shù)據(jù)帶入后得： 由查圖10-13得； 故載荷系數(shù) 。 （2）齒寬系數(shù)。 （3）由表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)。 （4）由圖10-21d 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限。 （5）由式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 。 （7）由圖10-19查得接觸疲勞系數(shù)。 （8）JI計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率1%，安全系數(shù)，由式（10-12）得 （9）由于這里是齒輪、齒條傳動(dòng)，故可認(rèn)為傳動(dòng)比 2） 計(jì)算 將上面計(jì)算的各項(xiàng)數(shù)據(jù)帶入式（3-7）得： 而這里設(shè)計(jì)該傳動(dòng)的齒輪半徑，顯然滿(mǎn)足接觸疲勞強(qiáng)度。 3.按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核 這里按照公式（10-5）進(jìn)行校核： 1） 確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值 （1） 由圖10-20c查得齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 （2） 由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù) （3） 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù)，由式（10-12）得 （4）計(jì)算載荷系數(shù)K （5）查取齒形系數(shù) 由表10-5查得 （6）查取應(yīng)力校正系數(shù) 由表10-5可查的得 2）計(jì)算 而這里設(shè)計(jì)的是，顯然滿(mǎn)足彎曲疲勞強(qiáng)度，故校核結(jié)果符合要求。 4、結(jié)論 綜上，所設(shè)計(jì)的齒輪參數(shù)符合要求，校核完畢。 3.2 擺動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)選擇 考慮到擺動(dòng)關(guān)節(jié)的實(shí)際情況，對(duì)電機(jī)的要求：質(zhì)量輕，體積小，頻繁的正反轉(zhuǎn)，換向性能好，較好的運(yùn)動(dòng)控制精度，功率為二十多瓦。故這里選擇直流伺服電機(jī)中的印刷繞組直流永磁式。 該類(lèi)型直流伺服電機(jī)又稱(chēng)盤(pán)式電機(jī)，有特點(diǎn)：快速響應(yīng)性能好；可以頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)工作；轉(zhuǎn)子無(wú)鐵損，效率高；換向性能好；壽命長(zhǎng)；負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速變化率小，輸出力矩平穩(wěn)。 這里選擇的型號(hào)是Maxon 組合體系： 電機(jī)：Maxon DC Motor F2260 功率為40W; 行星輪減速箱：GP 62（11501）傳動(dòng)比約為19：1； 編碼器：HEDS 55。 3.3 本章小結(jié) 這里主要是進(jìn)行了車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：方案選擇；功率估計(jì)；電機(jī)選擇；校核。 第四章 結(jié)論 1、對(duì)該集裝箱波紋板三自由度焊接機(jī)器人進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，證明該方案可行，能夠滿(mǎn)足集裝箱波紋板焊接的要求，能夠提高在直線(xiàn)段與在波內(nèi)斜邊段的焊縫成形的一致性，提高集裝箱的生產(chǎn)質(zhì)量。 2、完成了車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：車(chē)體結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇；驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的估計(jì)計(jì)算與選擇；齒輪齒條傳動(dòng)的接觸疲勞強(qiáng)度與彎曲疲勞強(qiáng)度校核。還有擺動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇。 3、其它方面：車(chē)輪與選用導(dǎo)軌的匹配設(shè)計(jì)，關(guān)節(jié)間的聯(lián)接匹配設(shè)計(jì)。這些都是直接在圖紙上設(shè)計(jì)出來(lái)了。