1312-機(jī)器人集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1312-機(jī)器人集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),機(jī)器人,集裝箱,波紋,焊接,機(jī)構(gòu),運(yùn)動(dòng)學(xué),分析,車體,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 小車行走結(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 車輪軸上齒輪 （通過車輪軸）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體結(jié)構(gòu)方案，布置比較對(duì)稱合理。方案 2：其中傳動(dòng)順序?yàn)椋弘姍C(jī) 圓柱齒輪 固定齒條 （通過反推動(dòng)）車體結(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 作為該小車的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案。3.1.2 小車驅(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、小車運(yùn)行速度、輪胎直徑來確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率。假定小車在軌道上行走，不考慮小車行駛中的空氣阻力，分析小車的受力情況，以便估計(jì)小車所需的驅(qū)動(dòng)力矩。此時(shí)，應(yīng)把輪胎看成一個(gè)彈性體來考慮。前面也提到了，在這里，由于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是通過齒輪、齒條的嚙合來驅(qū)動(dòng)，故該小車的四輪都為從動(dòng)輪。這里先分析車輪的受力情況：vPXmg?UN圖 車輪受力簡(jiǎn)圖假設(shè)在運(yùn)動(dòng)過程中，輪子做純滾動(dòng)。設(shè)小車運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度為 ，相應(yīng)的車輪角加速度為 。dvt dwt根據(jù) 可推得：vwr?1dt其中 v 為小車速度，w 為車輪角速度，r 為車輪的半徑。圖 畫出了該小車的車輪在運(yùn)動(dòng)過程中的受力簡(jiǎn)圖，圖中P 車輪上的載荷，m 車輪的質(zhì)量，N 地面對(duì)車輪的法向反作用力，U 為車輪的切向反作用力，X 車輪軸的車輪的推力。根據(jù)平衡條件有（3-dvUt??1）（3-fwrMJt2）為車輪滾動(dòng)阻力矩，其值為 ；J 為車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。f N??根據(jù)式（3-1） 、 （3-2）有（3-2fJdvXmrt?????????3）由此可知，推動(dòng)車輪前進(jìn)要克服兩種阻力，即車輪的滾動(dòng)阻力和車輪的加速阻力。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。dvmt 2Jdvrt?齒輪、齒條傳動(dòng)作為該小車的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，故驅(qū)動(dòng)力矩設(shè)為 ， 進(jìn)而可將 理解dMdr?為小車的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力， 為齒輪的半徑。r?故以小車車體做分析對(duì)象，在水平方向上，應(yīng)用牛頓第二定律可得：（3-04()dMdvXmrt??4）其中 為機(jī)器人總質(zhì)量。0將式（3-3）中的 X 帶入上式得；（3-0244fdMJdvmrtr??????????5）由上式可得出結(jié)論為：小車的驅(qū)動(dòng)力用來克服車輪的滾動(dòng)阻力和機(jī)器人的平移質(zhì)量的加速阻力和車輪的旋轉(zhuǎn)阻力?？筛鶕?jù)式（3-5）粗估出驅(qū)動(dòng)力矩：其中：車輪半徑 ， （查理論力學(xué) P120 表 5-2 滾動(dòng)摩阻系數(shù) 。60rm?2? ?） ， ；40r??估為 40 kg ,車輪質(zhì)量估計(jì)為 0.8kg ,J 估計(jì)為 ，m 426.10kgm???牛；??0(0.8)1944gN???由于這里的焊接速度為 ，故可一定程度上估出 。.2min2dvst?將上述數(shù)據(jù)帶入式（3-5）得： 4.29()dM??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-dvPKr???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： 10.73w?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)通過改變脈沖頻率來調(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 ；kgcm?空載運(yùn)行頻率： ；18?轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： ；2?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。80m351m前面也對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩做出估計(jì)并給出轉(zhuǎn)速， ， 。4.29dM?.inv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-??2132. EdHKTZu????????????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) ；.2minv? 1.05vK?由表 10-2 查得使用系數(shù) ；1A?直齒輪，調(diào)質(zhì)，及 。查表 10-334.290.6105tKFNbm???的 ；1.HFK??由表 10-4 查的 7 級(jí)精度、小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱布置時(shí)， 31.2080.21HKb???????2d（ +.6）將數(shù)據(jù)帶入后得： 6由 查圖 10-13 得 ；35.,.2.1Hbh??? .FK??故載荷系數(shù)。.051.61.345AvHK???（2）齒寬系數(shù) 。437d??（3）由表 10-6 查得材料的彈性影響系數(shù) 。1289.EZMPa?（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 。lim60HPa??（5）由式 10-13 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。7160301(2405).481hNnjL???（7）由圖 10-19 查得接觸疲勞系數(shù) 。.9HNK?（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1S??lim0.5670HNMPa??（9）由于這里是齒輪、齒條傳動(dòng)，故可認(rèn)為傳動(dòng)比 u??2） 計(jì)算將上面計(jì)算的各項(xiàng)數(shù)據(jù)帶入式（3-7）得： 19.4d?而這里設(shè)計(jì)該傳動(dòng)的齒輪半徑 ，顯然滿足接觸疲勞強(qiáng)度。80?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： ??132FaSdYKTmz?????????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 50FEMPa??（2） 由圖 10-18 查得彎曲疲勞壽命系數(shù) .92NK（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1.4S???1092538.6.FNEK???（4）計(jì)算載荷系數(shù) K 1.051.305AvFK??????（5）查取齒形系數(shù)由表 10-5 查得 2.8FaY（6）查取應(yīng)力校正系數(shù)由表 10-5 可查的得 1.73Sa?2）計(jì)算 0.3m?而這里設(shè)計(jì)的是 ，顯然滿足彎曲疲勞強(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。該類型直流伺服電機(jī)又稱盤式電機(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，能夠滿足集裝箱波紋板焊接的要求，能夠提高在直線段與在波內(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、完成了車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：車體結(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)出來了。