垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人位置控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（臂部關(guān)節(jié)）,垂直,關(guān)節(jié),機(jī)器人,位置,控制,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),臂部 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文) 作 者: 3號(hào)楷體 學(xué) 號(hào)： 3號(hào)楷體 學(xué)院(系): 3號(hào)楷體 專(zhuān) 業(yè): 3號(hào)楷體 題 目: 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人位置控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（臂部關(guān)節(jié)） 3號(hào)楷體 3號(hào)楷體 指導(dǎo)者： (姓 名) (專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù)) 3號(hào)楷體 3號(hào)楷體 評(píng)閱者： (姓 名) (專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù)) 2014 年 6 月 36 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）中文摘要 機(jī)器人既有人對(duì)環(huán)境的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說(shuō)它是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。如今，機(jī)器人工業(yè)已成為世界各國(guó)備受關(guān)注的產(chǎn)業(yè)。 本課題設(shè)計(jì)的噴漆機(jī)器人的小臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)，介紹了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成，確定了基本技術(shù)參數(shù)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，手臂配置形式，電動(dòng)機(jī)的選擇，小臂部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及計(jì)算繪圖以及減速器的造型等等方面內(nèi)容來(lái)完成此次設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞： 機(jī)器人；工業(yè)；傳動(dòng)；小臂，設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）外文摘要 Title ：Spray Painting Robot Smaller Arm System Design Abstract Robot as a man on the environment of rapid response and analytical skills, and the machine can work continuously for long time, high accuracy, anti adverse circumstance ability, in the sense that it is the product of the evolution of the machine, it is an important production and industrial and non industrial sector, service equipment, automation equipment and field advanced manufacturing technology, an indispensable. Now, the robot industry around the world has become the concern of the industry. Design of small arms system designed in this thesis, the painting robot, the robot structure, the basic technical parameters, the drive system, the arm configuration, the choice of motor, small arms parts of the structure design and calculation of drawing and the other on the face side down to complete this design. Keywords ：Robot; Industrial; Transmission; Small arm, Design 目 錄 1 緒論 1 1.1 機(jī)器人概念 1 1.2 課題研究的背景和意義 2 1.3 國(guó)內(nèi)機(jī)器人的研究 3 1.4機(jī)器人的組成 3 1.4.1執(zhí)行機(jī)構(gòu) 3 1.4.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 3 1.4.3控制機(jī)構(gòu) 4 1.5噴漆機(jī)器人 4 1.6 本課題研究?jī)?nèi)容 4 2 機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 5 2.1 確定基本技術(shù)參數(shù) 5 2.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型的選擇 5 2.1.2 額定負(fù)載 6 2.1.3 工作范圍 6 2.1.4 操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 2.1.5 控制系統(tǒng)選擇 7 2.1.6 確定機(jī)器人手臂的配置形式 7 2.2 機(jī)器人臂材料選擇 8 2.3 噴漆機(jī)器人工作空間的計(jì)算 9 3 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 11 3.2 小臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12 3.3 小臂電機(jī)及減速器選型 13 3.3.1.傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式的選擇 14 3.3.2.幾何參數(shù)的計(jì)算 14 3.4 凸輪波發(fā)生器及其薄壁軸承的計(jì)算 15 3.4.1柔輪齒面的接觸強(qiáng)度的計(jì)算 16 3.4.2柔輪疲勞強(qiáng)度的計(jì)算 17 3.5 軸結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 18 3.6 軸的受力分析及計(jì)算 19 3.7 軸承的壽命校核 20 3.8 小臂平衡裝置設(shè)計(jì) 22 總 結(jié) 33 參考文獻(xiàn) 34 致 謝 35 1 緒論 1.1 機(jī)器人概念 機(jī)器人（Robot）是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它既可以接受人類(lèi)指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類(lèi)工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險(xiǎn)的工作。它是高級(jí)整合控制論、機(jī)械電子、計(jì)算機(jī)、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物。在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人圖 現(xiàn)在，國(guó)際上對(duì)機(jī)器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般來(lái)說(shuō)，人們都可以接受這種說(shuō)法，即機(jī)器人是靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功能的操作機(jī)；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可用電腦改變和可編程動(dòng)作的專(zhuān)門(mén)系統(tǒng)?！彼転槿祟?lèi)帶來(lái)許多方便之處。 機(jī)器人是近30年發(fā)展起來(lái)的一種典型的、機(jī)電一體化的、獨(dú)立的自動(dòng)化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中，應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術(shù)革命的一個(gè)重要內(nèi)容。 1.2 課題研究的背景和意義 機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類(lèi)生產(chǎn)和社會(huì)進(jìn)步的需要，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工具進(jìn)化的必然。機(jī)器人一詞最早出現(xiàn)于1920年捷克作家Karel Capek的劇本《羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人》中，在該劇中，機(jī)器人“Robota”這個(gè)詞的本意是指苦力，是劇作家筆下的一個(gè)具有人的外表、特征和功能的機(jī)器，是一種人造的勞動(dòng)力。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人類(lèi)生活領(lǐng)域，研制具有人類(lèi)外觀特征、可模擬人類(lèi)行走和其他動(dòng)作的機(jī)器人一直是人類(lèi)的夢(mèng)想之一。 機(jī)器人是一門(mén)綜合性很強(qiáng)的科學(xué)，有著極其廣泛的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息融合技術(shù)、機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、仿生科學(xué)以及人工智能等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，它不僅涉及到線性、非線性、基于多種傳感器信息控制以及實(shí)時(shí)控制技術(shù)，而且還包括復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的建模、數(shù)字仿真技術(shù)及混合系統(tǒng)的控制研究等方面的技術(shù)。 機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)中的一個(gè)重要研究課題，而雙足機(jī)器人是機(jī)器人研究的前奏。步行技術(shù)是人與大多數(shù)動(dòng)物所具有的移動(dòng)方式，是一種高度自動(dòng)化的運(yùn)動(dòng)，雙足步行系統(tǒng)具有非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)于環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，它相對(duì)輪式、履帶式機(jī)器人具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，它可以進(jìn)入狹窄的作業(yè)空間，也可跨越障礙、上下臺(tái)階、斜坡及在不平整地面上工作，可以護(hù)理老人、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及在一般家庭的家政服務(wù)都可以應(yīng)用。它適應(yīng)環(huán)境的能力更強(qiáng)，因此具有更加廣泛的應(yīng)用前景。 在機(jī)器人的研制中，機(jī)器人仿真是機(jī)器人研究的一項(xiàng)重要的內(nèi)容，它涉及機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、機(jī)器人零件建模、仿真機(jī)器人三維實(shí)現(xiàn)和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，是一項(xiàng)綜合性有創(chuàng)新意義和實(shí)用價(jià)值的研究課題。仿真利用計(jì)算機(jī)可視化和面向?qū)ο蟮氖侄危M機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性，幫助研究人員了解機(jī)器人工作空間的形態(tài)及極限，提示機(jī)構(gòu)的合理運(yùn)動(dòng)方案及有效的控制算法，從而解決在機(jī)器人設(shè)計(jì)、制造以及運(yùn)行過(guò)程中的問(wèn)題，避免了直接操作實(shí)體可能會(huì)造成的事故或者不必要的損失。仿真也為機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，并在這臺(tái)機(jī)器上模擬能都實(shí)現(xiàn)的功能，使用戶直接看到設(shè)計(jì)效果，及時(shí)找出缺點(diǎn)和不足進(jìn)行改進(jìn)，避免了大量的物力、人力的浪費(fèi)[1，2]。 1.3 國(guó)內(nèi)機(jī)器人的研究 我國(guó)已在“七五”計(jì)劃中把機(jī)器人列人國(guó)家重點(diǎn)科研規(guī)劃內(nèi)容，撥巨款在沈陽(yáng)建立了全國(guó)第一個(gè)機(jī)器人研究示范工程，全面展開(kāi)了機(jī)器人基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)元器件研究。十幾年來(lái)，相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運(yùn)、點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配等門(mén)類(lèi)齊全的工業(yè)機(jī)器人及水下作業(yè)、軍用和特種機(jī)器人。目前，示教再現(xiàn)型機(jī)器人技術(shù)已基本成熟，并在工廠中推廣應(yīng)用。我國(guó)自行生產(chǎn)的機(jī)器人噴漆流水線在長(zhǎng)春第一汽車(chē)廠及東風(fēng)汽車(chē)廠投入運(yùn)行。1986年3月開(kāi)始的國(guó)家863高科技發(fā)展規(guī)劃已列入研究、開(kāi)發(fā)智能機(jī)器人的內(nèi)容。就目前來(lái)看，我們應(yīng)從生產(chǎn)和應(yīng)用的角度出發(fā)，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，加快生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉的實(shí)用型機(jī)器人和某些特種機(jī)器人。 國(guó)內(nèi)機(jī)器人的研究也在863計(jì)劃和自然科學(xué)基金的支持下持續(xù)開(kāi)展了多年，如國(guó)防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等，都先后開(kāi)始研制機(jī)器人樣機(jī)[4]。 1.4機(jī)器人的組成 工業(yè)機(jī)器人是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。 1.4.1執(zhí)行機(jī)構(gòu) 一般機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、緩沖與定位，還有行走機(jī)構(gòu)組成。 1.4.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等形式。不過(guò)目前還是以液壓和氣動(dòng)用的最多。 液壓驅(qū)動(dòng)具有體積小、出力大、控制性能好、動(dòng)作平穩(wěn)等特點(diǎn)，它利用油缸、馬達(dá)加上齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；利用擺動(dòng)油缸、馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)具有潤(rùn)滑性能好、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好。定位精度高，克實(shí)現(xiàn)任意位置開(kāi)停。有很多專(zhuān)業(yè)機(jī)器人能直接利用主機(jī)的液壓系統(tǒng)。但缺點(diǎn)是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、氣源方便，所需的壓縮氣源一般工廠都有，并且無(wú)污染，一般采用的壓力0.4-0.6MPa，最高可達(dá)1MPa。缺點(diǎn)是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤(rùn)滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。 電動(dòng)由于減速和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜, 很少采用。機(jī)械式用于簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。 1.4.3控制機(jī)構(gòu) 機(jī)器人的控制方式有點(diǎn)動(dòng)和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)是用插銷(xiāo)板進(jìn)行點(diǎn)位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，采用凸輪、磁盤(pán)磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。 1.5噴漆機(jī)器人 噴漆機(jī)器人又叫垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人（spray painting robot）， 是可進(jìn)行自動(dòng)噴漆或噴涂其他涂料的工業(yè)機(jī)器人，1969年由挪威Trallfa公司（后并入ABB集 團(tuán)）發(fā)明。噴漆機(jī)器人主要由機(jī)器人本體、計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成，液壓驅(qū)動(dòng)的噴漆機(jī)器人還包括液壓油源，如油泵、油箱和電機(jī)等。多采用5或6自由度關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運(yùn)動(dòng)空間，并可做復(fù)雜的軌跡運(yùn)動(dòng)，其腕部一般有2～3個(gè)自由度，可靈活運(yùn)動(dòng)。較先進(jìn)的噴漆機(jī)器人腕部采用柔性手腕，既可向各個(gè)方向彎曲，又可轉(zhuǎn)動(dòng)，其動(dòng)作類(lèi)似人的手腕，能方便地通過(guò)較小的孔伸入工件內(nèi)部，噴涂其內(nèi)表面。噴漆機(jī)器人一般采用液壓驅(qū)動(dòng)，具有動(dòng)作速度快、防爆性能好等特點(diǎn)，可通過(guò)手把手示教或點(diǎn)位示數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)示教。噴漆機(jī)器人廣泛用于汽車(chē)、儀表、電器、搪瓷等工藝生產(chǎn)部門(mén)。 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)：（1）柔性大，工作范圍大。（2）提高噴涂質(zhì)量和材料使用率。（3）易于操作和維護(hù)，可離線編程，大大的縮短現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間。（4）設(shè)備利用率高，垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人的利用率可達(dá)90%-95%。 1.6 本課題研究?jī)?nèi)容 本課題的主要任務(wù)是對(duì)噴漆機(jī)器人的小臂及傳動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并完成總裝配圖和零件圖的繪制。要求對(duì)機(jī)器人模型進(jìn)行力學(xué)分析，估算各關(guān)節(jié)所需轉(zhuǎn)矩和功率，完成電機(jī)和減速器的選型。其次從電機(jī)和減速器的連接和固定出發(fā)，設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，并對(duì)機(jī)構(gòu)中的重要連接件進(jìn)行強(qiáng)度校核。 主要任務(wù)： （1）機(jī)器人小臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) （2）機(jī)器人小臂受力計(jì)算與校核 （3）機(jī)器人關(guān)節(jié)傳動(dòng)設(shè)計(jì) （4）重要零件圖及裝配圖繪制 （5）伺服電機(jī)選型 （6）撰寫(xiě)1萬(wàn)字以上設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份 2 機(jī)器人總體設(shè)計(jì) 2.1 確定基本技術(shù)參數(shù) 2.1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型的選擇 為實(shí)現(xiàn)總體機(jī)構(gòu)在空間的位置提供的5個(gè)自由度，可以有不同的運(yùn)動(dòng)組合，根據(jù)本課題可以將其設(shè)計(jì)成以下五種方案： a.圓柱坐標(biāo)型 這種運(yùn)動(dòng)形式是通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩個(gè)移動(dòng)，共三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的工作空間條件下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大。 b.直角坐標(biāo)型 直角坐標(biāo)型工業(yè)機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)部分由三個(gè)相互垂直的直線移動(dòng)組成，其工作空間圖形為長(zhǎng)方體。它在各個(gè)軸向的移動(dòng)距離，可在各坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算，定位精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但機(jī)體所占空間體積大、靈活性較差。 c.球坐標(biāo)型 又稱(chēng)極坐標(biāo)型，它由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)直線移動(dòng)所組成，即一個(gè)回轉(zhuǎn)，一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮運(yùn)動(dòng)組成，其工作空間圖形為一個(gè)球形，它可以作上下俯仰運(yùn)動(dòng)并能夠抓取地面上或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 d. 又稱(chēng)回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類(lèi)似，其前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機(jī)器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和使大臂作俯仰擺動(dòng)，小臂作俯仰擺動(dòng)。其特點(diǎn)使工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)、能抓取靠進(jìn)機(jī)座的物體。 e.平面 采用兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)；兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運(yùn)動(dòng)，而移動(dòng)關(guān)節(jié)則實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，其工作空間的軌跡圖形，它的縱截面為矩形的同轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動(dòng)關(guān)節(jié)的行程長(zhǎng)，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體橫截面的大小、形狀。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。 對(duì)以上五種方案進(jìn)行比較：方案一不能夠完全實(shí)現(xiàn)本課題所要求的動(dòng)作；方案二體積大，靈活性差；方案三結(jié)構(gòu)復(fù)雜；方案五無(wú)法實(shí)現(xiàn)本課題的動(dòng)作。結(jié)合本課題綜合考慮決定采用方案四：機(jī)器人。此方案所占空間少，工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，工藝操作精度高。 2.1.2 額定負(fù)載 目前,國(guó)內(nèi)外使用的工業(yè)機(jī)器人中,其負(fù)載能力的范圍很大,最小的額定負(fù)載在5N以下,最大可達(dá)9000N。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)方向作用于機(jī)械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對(duì)象的重量和在規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力矩。本課題的任務(wù)要求是保證手腕部能承受的最大載荷是5kg。 2.1.3 工作范圍 工業(yè)機(jī)器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中的操作范圍和運(yùn)動(dòng)的軌跡來(lái)確定的,用工作空間來(lái)表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)型式、自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線間的長(zhǎng)度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動(dòng)范圍的選擇。 2.1.4 操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)器人本體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它們常和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)成一體，驅(qū)動(dòng)臂桿和載荷完成指定的運(yùn)動(dòng)。通常的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下四種: a.步進(jìn)電機(jī)：可直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反饋就能對(duì)位置和速度進(jìn)行控制。但是由于采用開(kāi)環(huán)控制，沒(méi)有誤差校正能力，運(yùn)動(dòng)精度較差，負(fù)載和沖擊震動(dòng)過(guò)大時(shí)會(huì)造成“失步”現(xiàn)象。 b.直流伺服電機(jī)：直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動(dòng)力矩，相對(duì)功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，成本低。 c.交流伺服電機(jī)：交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī)相比價(jià)格要貴一些。隨著可關(guān)斷晶閘管GTO，大功率晶閘管GTR和場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)(PWM)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機(jī)在調(diào)速性能方面可以與直流電機(jī)媲美。采用16位CPU+32位DSP三環(huán)(位置、速度、電流)全數(shù)字控制，增量式碼盤(pán)的反饋可達(dá)到很高的精度。三倍過(guò)載輸出扭矩可以實(shí)現(xiàn)很大的啟動(dòng)功率，提供很高的響應(yīng)速度。 d.液壓伺服馬達(dá)：液壓伺服馬達(dá)具有較大的功率/體積比，運(yùn)動(dòng)比較平穩(wěn)，定位精度較高，負(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動(dòng)，從體積、重量及要求的驅(qū)動(dòng)功率這幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個(gè)合適的選擇方案。但是，其費(fèi)用較高，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類(lèi)問(wèn)題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動(dòng)方式。 常用的驅(qū)動(dòng)器有電機(jī)和液壓、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置等。其中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)是最常用的驅(qū)動(dòng)方式。電極驅(qū)動(dòng)具有精度高，可靠性好，能以較大的變速范圍滿足機(jī)器人應(yīng)用要求等特點(diǎn)。所以在這次設(shè)計(jì)中我選擇了直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器。因?yàn)樗哂畜w積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。 本課題的機(jī)器人將采用直流伺服電動(dòng)機(jī)。因?yàn)樗哂畜w積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。 2.1.5 控制系統(tǒng)選擇 對(duì)于垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人這種精度要求不高的工業(yè)機(jī)器人，大多采用示教再現(xiàn)編程。示教方式作為一種成熟的技術(shù)，易被熟悉工作任務(wù)的人員掌握。無(wú)論是手把手示教或示教盒示教，都是以在線編程，由示教操作人員操作移動(dòng)末端執(zhí)行器和手臂到所需的位置。然后記錄（存儲(chǔ)）下這些操作和數(shù)據(jù)。示教過(guò)程完成后，即可應(yīng)用，機(jī)器人以再現(xiàn)方式重復(fù)進(jìn)行示教時(shí)存于存儲(chǔ)器的點(diǎn)位、軌跡和各種操作。再現(xiàn)過(guò)程的速度可以與示教時(shí)速度不同。 利用示教手柄由人工引導(dǎo)末端執(zhí)行器經(jīng)過(guò)所要求的軌跡，此時(shí)位置傳感器就檢測(cè)出機(jī)器人操作機(jī)上各關(guān)節(jié)處的坐標(biāo)（或轉(zhuǎn)角）值，控制系統(tǒng)的裝置記錄（儲(chǔ)存）下這些數(shù)字化的數(shù)據(jù)信息。再現(xiàn)時(shí)，機(jī)器人控制系統(tǒng)重復(fù)再現(xiàn)示教者示教的軌跡和操作技能。手把手示教也能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制，所不同的是它只記錄各軌跡程序段的兩端位置。軌跡運(yùn)動(dòng)速度則按各軌跡程序段對(duì)應(yīng)的功能數(shù)據(jù)輸入。 2.1.6 確定機(jī)器人手臂的配置形式 手臂的配置形式反映了機(jī)器人操作機(jī)的總體布局。根據(jù)任務(wù)要求,要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人噴涂功能,則機(jī)器人的工作范圍要廣,所以我選擇了立柱式的配置方式。其特點(diǎn)是占地面積小,工作范圍大,機(jī)器人手臂可繞立柱回轉(zhuǎn)。 根據(jù)分析,可將機(jī)器人的參數(shù)列在表2-1中： 表2-1機(jī)器人的主要參數(shù) 技術(shù)要求： 自由度數(shù)： 5 驅(qū)動(dòng)方式： 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 負(fù)載重量： 2 kg 運(yùn)動(dòng)范圍： 機(jī)身 ±130o 大臂 前俯30o,后仰10o 小臂 俯仰±30o 腕轉(zhuǎn) ±120o 腕擺 ±120o 工作空間： 2500╳1200╳1100 m 噴槍最大工作速度： ≥0.8 m/s 控制方式： 開(kāi)環(huán)連續(xù)軌跡控制 重復(fù)定位精度： ±3~±5 mm 示教方式： 手把手CP示教 2.2 機(jī)器人臂材料選擇 機(jī)器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來(lái)選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人手臂要完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件，它應(yīng)是輕型材料。而另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這將大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。因此，在選擇材料時(shí)，需要對(duì)質(zhì)量、剛度、阻尼進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動(dòng)態(tài)性能。 機(jī)器人手臂材料首先應(yīng)是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時(shí)，不應(yīng)有變形和斷裂。從力學(xué)角度看，即要具有一定的強(qiáng)度。手臂材料應(yīng)選擇高強(qiáng)度材料，如鋼、鑄鐵、合金鋼等。機(jī)器人手臂是運(yùn)動(dòng)的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比較輕。綜合而言，應(yīng)該優(yōu)先選擇強(qiáng)度大而密度小的材料做手臂。其中，非金屬材料有尼龍6、聚乙烯和碳素纖維等；金屬材料以輕合金為主。在我們的設(shè)計(jì)中為減輕機(jī)器人本體的重量選用鑄鋁材料。 2.3 噴漆機(jī)器人工作空間的計(jì)算 對(duì)于噴漆機(jī)器人工作空間和噴槍軌跡的計(jì)算是相對(duì)比較復(fù)雜的過(guò)程，可參考查閱的研究資料較多，因此在本課題的設(shè)計(jì)中不作詳細(xì)的研究。根據(jù)已給出的技術(shù)要求工作空間為 2500╳1200╳1100 mm3， 確定噴漆機(jī)器人在長(zhǎng)、寬、高三個(gè)方向的極限位置，從二維空間工作圖中模擬噴槍的軌跡，如圖2.3所示，即可通過(guò)聯(lián)立方程組（2.1）求出大、小臂長(zhǎng)度的近似值。 圖2.3 噴漆機(jī)器人工作空間示意圖 圖中，、分別為大臂、小臂的長(zhǎng)度。 列出方程組計(jì)算： （2.1） 經(jīng)過(guò)計(jì)算圓整得出大、小臂長(zhǎng)度：為900mm，為800mm。 3 垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為JG1、JG2、JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為: （3-1） 、、分別為10kg(包括負(fù)載2kg)、5kg、12kg。、、分別為重心到第一關(guān)節(jié)軸的距離，其值分別為185mm、800mm、1500mm，在式（3-1）中、、故、、可忽略不計(jì)。所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： （3-2） = = 同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量: = = 式中：——小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 。 —— 腕部重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 。 則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下 （3-3） 式中：——旋轉(zhuǎn)開(kāi)始的轉(zhuǎn)矩 ——角加速度 使機(jī)器人主軸從到/s所需時(shí)間為:則： 若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn) 開(kāi)始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為 電動(dòng)機(jī)的功率可按下式估算 （3-4） 式中： ——電動(dòng)機(jī)功率 ； ——負(fù)載力矩 ； ——負(fù)載轉(zhuǎn)速 ； ——傳動(dòng)裝置的效率，初步估算取0.9； 系數(shù)1.5～2.5為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取1.5 估算后就可選取電機(jī)，使其額定功率滿足下式 （3-5） 選擇QZD-08串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) 表3-1 QZD-08串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù) 功率（W） 額定電壓 （V） 額定電流 （A） 額定轉(zhuǎn)速 （r/min） 濾磁方式 絕緣等級(jí) 工作制 （min） 800 24 46.2 1750 串勵(lì) B 60 3.2 小臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 小臂殼體采用鑄鋁，方形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強(qiáng)度大。 3.3 小臂電機(jī)及減速器選型 本垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人小臂部?jī)蓚€(gè)自由度是平面旋轉(zhuǎn)，若軸承是光滑的，則旋轉(zhuǎn)所需的靜轉(zhuǎn)矩比較小。因?yàn)閷⒈凵扉_(kāi)呈一條直線時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)可產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩不足。如圖3-1所示，設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為JG1、JG2、JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22+JG3+M3L32 （3.1） 其中：M1，M2，M3分別為負(fù)載2Kg，手臂1Kg，腕部4Kg；L1，L2，L3分別其長(zhǎng)度。JG1〈〈M1L12、JG2〈〈M2L22、JG3〈〈M3L32，故可忽略不計(jì)，以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： J1= M1L12+M2L22+M3L32 (3.2) =4×0.1432+1×0.4452+4×0.5422 =1.46kg.m2 同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： M2=2Kg，L4=97mm；M3=4Kg，L5=194mm。 J2=M2L42+M3L52 (3.3) =1×0.0972+4×0.1942 =0.16kg.m2 設(shè)小臂轉(zhuǎn)速，角速度從0加到所需加速時(shí)間，則同步帶應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩為： (3.7) 若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為10N.m，取安全系數(shù)為2，則諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為： (3.5)選擇諧波減速器： ⑴型號(hào)：XB3-50-100 額定輸出轉(zhuǎn)矩：20N.m 減速比：i1=100 設(shè)諧波減速器的的傳遞效率為：，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為： (3.6) 選擇BF反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 型號(hào)：55BF003 靜轉(zhuǎn)矩：0.686N.m 步距角：1.5° 3.3.1.傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式的選擇 該減速器是電傳動(dòng)減速的諧波齒輪裝置。要求其傳動(dòng)比較大﹑結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊﹑效率較高﹑承載力較高﹑通用性良好。因此本設(shè)計(jì)方案所選的結(jié)構(gòu)形式為剛輪固定﹑波發(fā)生器主動(dòng)和柔輪從動(dòng)比較合適。為了便于采用標(biāo)準(zhǔn)刀具來(lái)加工柔輪和剛輪，特選取壓力角的漸開(kāi)線齒廓。 3.3.2.幾何參數(shù)的計(jì)算 齒數(shù)的確定 柔輪齒數(shù)： 剛輪齒數(shù)： 已知模數(shù)：，則 柔輪分度圓直徑： 鋼輪分度圓直徑： 柔輪齒圈處的厚度： 重載時(shí)，為了增大柔輪的剛性， 允許將δ1計(jì)算值增加20%，即 柔輪筒體壁厚： 為了提高柔輪的剛度，取 輪齒寬度： 輪轂凸緣長(zhǎng)度：取 柔輪筒體長(zhǎng)度： 輪齒過(guò)渡圓角半徑： 為了減少應(yīng)力集中，以提高柔輪抗疲勞能力，取 由于采用壓力角的漸開(kāi)線齒廓，傳動(dòng)的嚙合參數(shù)可按考慮到構(gòu)件柔度的計(jì)算公式，即按如下公式進(jìn)行計(jì)算。 3.4 凸輪波發(fā)生器及其薄壁軸承的計(jì)算 滾珠直徑： 柔輪齒圈處的內(nèi)徑： 則： 軸承外環(huán)厚度：由于工藝上的要求，可將外環(huán)做成無(wú)滾道的 軸承內(nèi)環(huán)厚度： 內(nèi)環(huán)滾道深度： 式中的是考慮到外環(huán)無(wú)滾道而內(nèi)環(huán)滾道加深量。 軸承內(nèi)外環(huán)寬度：所用為滾珠軸承，近似等于齒寬 軸承外環(huán)外徑： 軸承內(nèi)環(huán)內(nèi)徑： 為了便于制造，采用雙偏心凸輪波發(fā)生器。 則凸輪圓弧半徑： 其中ｅ是偏心距： （—?jiǎng)傒喎侄葓A直徑，—柔輪分度圓直徑） 則凸輪圓弧半徑： 凸輪長(zhǎng)半軸： 凸輪短半軸： 3.4.1柔輪齒面的接觸強(qiáng)度的計(jì)算 根據(jù)諧波傳動(dòng)傳動(dòng)比大的特點(diǎn)，其柔輪和剛輪的齒數(shù)較多，齒形很接近于直線。故實(shí)際諧波齒輪傳動(dòng)的載荷能力主要應(yīng)由柔輪齒側(cè)工作表面的最大接觸應(yīng)力所限制。因此，諧波齒輪傳動(dòng)的柔輪齒側(cè)面應(yīng)滿足如下接觸強(qiáng)度條件： 接觸強(qiáng)度計(jì)算公式： —輸出轉(zhuǎn)矩 —柔輪節(jié)圓半徑 —柔輪輪齒寬 —?jiǎng)傒唹毫? —接觸系數(shù)（0.4~0.9） 對(duì)于一般雙波傳動(dòng)，輪齒寬許用接觸應(yīng)力 則： 所以滿足齒面的接觸強(qiáng)度要求。 3.4.2柔輪疲勞強(qiáng)度的計(jì)算 諧波齒輪傳動(dòng)中輪齒的工作特點(diǎn)是：齒面的摩擦滑移接觸和柔輪承受著反復(fù)的交變載荷。為了使柔輪在循環(huán)的彈性變形下能正常工作，除滿足耐磨條件外，還必須進(jìn)行柔輪的疲勞強(qiáng)度計(jì)算。 柔輪材料采用 調(diào)制硬度229~269。 計(jì)算柔輪在反復(fù)彈性變形狀態(tài)下工作時(shí)所產(chǎn)生的交變應(yīng)力幅和平均應(yīng)力為 截面處正應(yīng)力： 切應(yīng)力： 由扭矩產(chǎn)生的剪切應(yīng)力： 其中： 則： 驗(yàn)算安全系數(shù)： 疲勞極限應(yīng)力： 應(yīng)力安全系數(shù)： 其中，抗拉屈服極限： 剪切應(yīng)力集中系數(shù)： 則滿足疲勞強(qiáng)度條件。 3.5 軸結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 考慮到軸的載荷較大，材料選用45,熱處理調(diào)質(zhì)處理,取材料系數(shù) 所以,有該軸的最小軸徑為: 考慮到鍵槽的影響，所以dmin取值為17MM,具體結(jié)構(gòu)如下： 3.6 軸的受力分析及計(jì)算 軸的受力模型簡(jiǎn)化(見(jiàn)圖7)及受力計(jì)算 圖 軸的受力分析知： 3.7 軸承的壽命校核 鑒于調(diào)整間隙的方便,軸承均采用正裝.預(yù)設(shè)軸承壽命為3年即12480h. 校核步驟及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表: 表1 軸承壽命校核步驟及計(jì)算結(jié)果 計(jì)算步驟及內(nèi)容 計(jì)算結(jié)果 6014 A端 B端 由手冊(cè)查出Cr、C0r及e、Y值 Cr=98.5kN C0r=86.0kN e=0.68 計(jì)算比值Fa/Fr FaA /FrA e 確定X、Y值 XA=1 YA =0 查載荷系數(shù)fP 1.2 計(jì)算當(dāng)量載荷 P=Fp(XFr+YFa) PA=5796.24 PB=6759.14 計(jì)算軸承壽命 763399h 大于 12480h 由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)軸承6014AC、6007均合格，最終選用軸承6014。 四、軸的強(qiáng)度校核 經(jīng)分析知C、D兩處為可能的危險(xiǎn)截面， 現(xiàn)來(lái)校核這兩處的強(qiáng)度： （1）、合成彎矩 （2）、扭矩T圖 （3）、當(dāng)量彎矩 （4）、校核 由手冊(cè)查材料45的強(qiáng)度參數(shù) C截面當(dāng)量彎曲應(yīng)力： 由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)C截面安全。 各軸鍵、鍵槽的選擇及其校核 因減速器中的鍵聯(lián)結(jié)均為靜聯(lián)結(jié),因此只需進(jìn)行擠壓應(yīng)力的校核. 一、 電機(jī)鍵的選擇及校核: 帶輪處鍵:按照帶輪處的軸徑及軸長(zhǎng)選 鍵B8X7,鍵長(zhǎng)50,GB/T1096 聯(lián)結(jié)處的材料分別為: 45鋼(鍵) 、40Cr(軸) (1) 剛輪處鍵: 按照輪轂處的軸徑及軸長(zhǎng)選 鍵B14X9GB/T1096 聯(lián)結(jié)處的材料分別為: 20Cr (輪轂) 、45鋼(鍵) 、20Cr(軸) 此時(shí), 鍵聯(lián)結(jié)合格. (2)輸出軸處鍵: 按照聯(lián)軸器處的軸徑及軸長(zhǎng)選 鍵16X10,鍵長(zhǎng)100,GB/T1096 聯(lián)結(jié)處的材料分別為: 45鋼 (聯(lián)軸器) 、45鋼(鍵) 、45(軸) 其中鍵的強(qiáng)度最低,因此按其許用應(yīng)力進(jìn)行校核,查手冊(cè)其 該鍵聯(lián)結(jié)合格. 3.8 小臂平衡裝置設(shè)計(jì) 彈簧平衡和質(zhì)量平衡是比較常用的平衡方法，可控力平衡由于配備附加裝置，在此不采用?？傮w方案的論證中，為了減輕噴漆機(jī)器人的整體質(zhì)量，避免影響所選電機(jī)的正常工作，延緩噴漆機(jī)器人的工作速度，所以選擇彈簧進(jìn)行平衡，如圖3.8所示，對(duì)整體小臂作受力平衡分析。 圖3.8 小臂受力示意圖 圖中： —彈簧拉力（N）； —小臂重力（N）； —手腕與負(fù)載重力（N）。 根據(jù)力矩平衡原理，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得出，N,N?？紤]超載問(wèn)題，后面計(jì)算采用F=600N來(lái)計(jì)算。 彈簧在工作中的拉力會(huì)隨小臂位置形態(tài)的改變而變化?？紤]到小臂體中的傳動(dòng)零件和小臂末端的偏置手腕會(huì)對(duì)平衡提出較高的要求。所以設(shè)計(jì)兩處彈簧互拉平衡，分散小臂平衡所需總的彈簧拉力，如圖3.9所示，達(dá)到更好的平衡效果。 彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算 圓柱螺旋彈簧受壓或受拉時(shí)，彈簧絲的受力情況是完全一樣的?，F(xiàn)就下圖<圓柱螺旋壓縮彈簧的受力及應(yīng)力分析>所示的圓形截面彈簧絲的壓縮彈簧承受軸向載荷P的情況進(jìn)行分析。 由圖<圓柱螺旋壓縮彈簧的受力及應(yīng)力分析a>(圖中彈簧下部斷去，末示出)可知，由于彈簧絲具有升角α，故在通過(guò)彈簧軸線 的截面上，彈簧絲的截面A-A呈橢圓形，該截面上作用著力F及扭矩。因而在彈簧 絲的法向截面B-B上則作用有橫向力Fcosα、軸向力Fsinα、彎矩M=Tsinα及扭矩Tˊ= Tcosα。 由于彈簧的螺旋升角一般取為α=5°～9°，故sinα≈0；cosα≈1(下圖<圓柱螺旋壓縮彈簧的受力及應(yīng)力分析b>)，則截面B-B上的應(yīng)力(下圖<圓柱螺旋壓縮彈簧的受力及應(yīng)力分析c>)可近似地取為  式中C=D2/d 稱(chēng)為旋繞比(或彈簧指數(shù))。為了使彈簧本身較為穩(wěn)定，不致顫動(dòng)和過(guò)軟，C值不能太大；但為避免卷繞時(shí)彈簧絲受到強(qiáng)烈彎曲，C值又不應(yīng)太小。C值的范圍為4～16(表<常用旋繞比C值>), 常用值為5～8。 圓柱螺旋壓縮彈簧的受力及應(yīng)力分析 常用旋繞比C值 d(mm) 0.2～0.4 0.45～1 1.1～2.2 2.5～6 7～16 18～42 C=D2/d 7～14 5～12 5～10 4～9 4～8 4～6 為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常在上式中取1+2C≈2C(因?yàn)楫?dāng)C=4～16時(shí)，2C>>l，實(shí)質(zhì)上即為略去了 τp)，由于彈簧絲升角和曲率的影響，彈簧絲截面中的應(yīng)力分布將如圖<圓柱螺旋壓縮彈簧的受力及應(yīng)力分析>c中的粗實(shí)線所示。由圖可知，最大應(yīng)力產(chǎn)生在彈簧絲截面內(nèi)側(cè)的m點(diǎn)。實(shí)踐證明，彈簧的破壞也大多由這點(diǎn)開(kāi)始。為了考慮彈簧絲的升角和曲率對(duì)彈簧絲中應(yīng)力的影響，現(xiàn)引進(jìn)一個(gè)補(bǔ)償系數(shù)K(或稱(chēng)曲度系數(shù))，則彈簧絲內(nèi)側(cè)的最大應(yīng)力及強(qiáng)度條件可表示為   式中補(bǔ)償系數(shù)K，對(duì)于圓截面彈簧絲可按下式計(jì)算：  圓柱螺旋壓縮(拉伸)彈簧受載后的軸向變形量λ可根據(jù)材料力學(xué)關(guān)于圓柱螺旋彈簧變形量的公式求得: 式中：n—彈簧的有效圈數(shù)； G—彈簧材料的切變模量，見(jiàn)前一節(jié)表<彈簧常用材料及其許用應(yīng)力>。如以Pmax代替P則 最大軸向變形量為： 1) 對(duì)于壓縮彈簧和無(wú)預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧：  2）對(duì)于有預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧：  拉伸彈簧的初拉力(或初應(yīng)力)取決于材料、彈簧絲直徑、彈簧旋繞比和加工方法。 用不需淬火的彈簧鋼絲制成的拉伸彈簧，均有一定的初拉力。如不需要初拉力時(shí)，各圈間應(yīng) 有間隙。經(jīng)淬火的彈簧，沒(méi)有初拉力。當(dāng)選取初拉力時(shí)，推薦初應(yīng)力τ0'值在下圖的陰影區(qū)內(nèi)選取。 初拉力按下式計(jì)算：  使彈簧產(chǎn)生單位變形所需的載荷kp稱(chēng)為彈簧剛度，即  彈簧初應(yīng)力的選擇范圍 彈簧剛度是表征彈簧性能的主要參數(shù)之一。它表示使彈簧產(chǎn)生單位變形時(shí)所需的力，剛度愈大，需要的力愈大，則彈簧的彈力就愈大。但影響彈簧剛度的因素很多，由于kp與C的三次方成反比，即C值對(duì)kp的影響很大。所以，合理地選擇C值就能控制彈簧的彈力。 另外，kp還和G、d、n有關(guān)。在調(diào)整彈簧剛度時(shí)，應(yīng)綜合考慮這些因素的影響。 （四) 承受靜載荷的圓柱螺旋壓縮(拉伸)彈簧的設(shè)計(jì) 彈簧的靜載荷是指載荷不隨時(shí)間變化，或雖有變化但變化平穩(wěn)，且總的重復(fù)次數(shù)不超過(guò)次的交變載荷或脈動(dòng)載荷而言。在這些情況下，彈簧是按靜載強(qiáng)度來(lái)設(shè)計(jì)的。 在設(shè)計(jì)時(shí)，通常是根據(jù)彈簧的最大載荷、最大變形、以及結(jié)構(gòu)要求(例如安裝空間對(duì)彈簧尺寸的限制)等來(lái)決定彈簧絲直徑、彈簧中徑、工作圈數(shù)、彈簧的螺旋升角和長(zhǎng)度等。 具體設(shè)計(jì)方法和步驟如下: 1) 根據(jù)工作情況及具體條件選定材料，并查取其機(jī)械性能數(shù)據(jù)。 2) 選擇旋繞比C，通?？扇≈5～8(極限狀態(tài)時(shí)不小于4或超過(guò)16)，并算出補(bǔ)償系數(shù) K值。 3) 根據(jù)安裝空間初設(shè)彈簧中徑D2，乃根據(jù)C值估取彈簧絲直徑d，并查取彈簧絲的許用應(yīng)力。 4) 試算彈簧絲直徑d '  必須注意，鋼絲的許用應(yīng)力決定于其σB，而σB是隨著鋼絲的直徑變化的,又因[τ]是按估取的d值查得σB的H計(jì)算得來(lái)的，所以此時(shí)試算所得的d '值，必須與原來(lái)估取的d值相比較，如果兩者相等或很接近，即可按標(biāo)準(zhǔn)圓整為鄰近的標(biāo)準(zhǔn)彈簧鋼絲直徑d，并按D2=Cd 以求出 ；如果兩者相差較大，則應(yīng)參考計(jì)算結(jié)果重估d值，再查其而計(jì)算[τ]，代入上式進(jìn)行試算，直至滿意后才能計(jì)算D2.計(jì)算出的D2，值也要按表<普通圓柱螺旋彈簧尺寸系列>進(jìn)行圓整。 5) 根據(jù)變形條件求出彈簧工作圈數(shù)： 對(duì)于有預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧 對(duì)于壓縮彈簧或無(wú)預(yù)應(yīng)力的拉伸彈簧 6) 求出彈簧的尺寸D、D1、H0,并檢查其是否符合安裝要求等。如不符合，則應(yīng)改選有關(guān)參數(shù)(例如C值)重新設(shè)計(jì)。 7) 驗(yàn)算穩(wěn)定性。對(duì)于壓縮彈簧，如其長(zhǎng)度較大時(shí)，則受力后容易失去穩(wěn)定性(如下圖a)，這在工作中是不允許的。為了便于制造及避免失穩(wěn)現(xiàn)象，建議一般壓縮彈簧的長(zhǎng)細(xì)比b=H0/D2按下列情況選?。? 當(dāng)兩端固定時(shí)，取b<5.3； 當(dāng)一端固定，另一端自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，取b<3.7； 當(dāng)兩端自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，取b<2.6。 壓縮彈簧失穩(wěn)及對(duì)策 當(dāng)b大于上述數(shù)值時(shí)，要進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，并應(yīng)滿足 Fc=CukpH0>Fmax 式中：Fc——穩(wěn)定時(shí)的臨界載荷； Cu——不穩(wěn)定系數(shù)，從下圖<不穩(wěn)定系數(shù)線圖>中查得； Fmax——彈簧的最大工作載荷。 如 Fmax>Fc時(shí)，要重新選取參數(shù)，改變b值，提高Fc值，使其大于Fmax值，以保證彈簧的穩(wěn)定性。如條件受到限制而不能改變參數(shù)時(shí)，則應(yīng)加裝導(dǎo)桿(如上圖b)或?qū)?如上圖c)。導(dǎo)桿(導(dǎo)套)與彈簧間的間隙c值(直徑差)按下表(導(dǎo)桿（導(dǎo)套）與彈簧間的間隙表)的規(guī)定選取。 不穩(wěn)定系數(shù)線圖 導(dǎo)桿（導(dǎo)套）與彈簧間的間隙 中徑D2/(mm) ≤5 >5～10 >10～18 >18～30 >30～50 >50～80 >80～120 >120～150 間隙c/(mm) 0.6 1 2 3 4 5 6 7 8) 進(jìn)行彈簧的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如對(duì)拉伸彈簧確定其鉤環(huán)類(lèi)型等，并按表<普通圓柱螺旋壓縮及拉伸彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸（mm）計(jì)算公式>計(jì)算出全部有關(guān)尺寸。 具體設(shè)計(jì)方法和步驟 1) 工作時(shí)，假設(shè)彈簧所受最大工作載荷為600N，工作環(huán)境有腐蝕性，故選擇材料為1Cr18Ni9，類(lèi)彈簧，許用切應(yīng)力，許用彎曲應(yīng)力， 彈性模量 ，切變模量 ，此種材料耐腐蝕，耐高溫，有良好的工藝性，適用于小彈簧。 2) 選擇旋繞比 ，暫取 ， 則根據(jù)公式 計(jì)算出曲度系數(shù) 3）根據(jù)安裝空間，初定彈簧中徑， 則根據(jù)公式 計(jì)算出 4）計(jì)算彈簧絲直徑 取 5）對(duì)于壓縮彈簧，工作圈數(shù)根據(jù)公式 計(jì)算 實(shí)際工作中正常情況下 ，為保證檢測(cè)時(shí)鉆桿過(guò)度偏向一邊時(shí)的儀器的安全，這里取 彈簧內(nèi)徑 彈簧外徑 彈簧節(jié)距 彈簧自由長(zhǎng)度 因在實(shí)際安裝中，允許的空間滿足不了所設(shè)計(jì)的彈簧自由高度值，也即過(guò)大，不符合實(shí)際應(yīng)用要求，需重新設(shè)計(jì)。 重新設(shè)計(jì)如下: 重選 則 曲度系數(shù)： 彈簧絲直徑： 取 彈簧中徑： 彈簧內(nèi)徑： 彈簧外徑： 彈簧節(jié)距： 彈簧工作圈數(shù)： 取 彈簧自由長(zhǎng)度： 取 7）驗(yàn)算穩(wěn)定性：細(xì)長(zhǎng)比 符合兩端固定彈簧的選擇標(biāo)準(zhǔn)，故不需要進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。 8）疲勞強(qiáng)度和靜應(yīng)力強(qiáng)度的驗(yàn)算 疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算公式 已知： 由 可得 對(duì)于變應(yīng)力作用下的普通圓柱螺旋壓縮彈簧，疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)值按公式 計(jì)算， 式中： --彈簧疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)安全系數(shù)，當(dāng)彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算和材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)精確性高時(shí)，??； --彈簧材料的脈動(dòng)循環(huán)剪切疲勞極限，按變載荷作用次數(shù)N，由下表查取； 表3-1 彈簧參數(shù)表 變載荷作用次數(shù)N 取 故設(shè)計(jì)合理。 上面設(shè)計(jì)的彈簧僅能檢測(cè)5寸鉆桿的現(xiàn)場(chǎng)使用情況，對(duì)于5寸以下的鉆桿卻無(wú)能為力。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們可以調(diào)整設(shè)計(jì)，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)多種鉆桿尺寸的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。這里主要是改變浮動(dòng)彈簧的工作變形量，依據(jù)上面的設(shè)計(jì)原則，重新設(shè)計(jì)如下： 1）選材： 1Cr18Ni9 2）旋繞比：取， 則 3）彈簧中徑： 4）彈簧絲直徑： 取 5）對(duì)于壓縮彈簧工作圈數(shù)根據(jù)公式 計(jì)算，其中 在實(shí)際工作中正常情況下 這里取 則 取 6）計(jì)算彈簧內(nèi)徑，外徑，節(jié)距，自由長(zhǎng)度： 彈簧內(nèi)徑 彈簧外徑 彈簧節(jié)距 彈簧自由長(zhǎng)度 取 7）驗(yàn)算穩(wěn)定性：細(xì)長(zhǎng)比 符合兩端固定彈簧的選擇標(biāo)準(zhǔn)，故不需要進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。 8）疲勞強(qiáng)度和靜應(yīng)力強(qiáng)度的驗(yàn)算 疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算公式 由 可得 對(duì)于變應(yīng)力作用下的普通圓柱螺旋壓縮彈簧，疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)值 按公式 演算 即 故彈簧設(shè)計(jì)合理。 大彈簧的有關(guān)參數(shù)如下表： 表3-2 彈簧參數(shù)表 參數(shù)名稱(chēng)及代號(hào) 計(jì)算公式 結(jié)果 中徑 30mm 內(nèi)徑 25mm 外徑 35mm 旋繞比 6 長(zhǎng)細(xì)比 3.67 自由長(zhǎng)度 110mm 工作長(zhǎng)度 30.15mm 有效圈數(shù) 11.5圈 總?cè)?shù) 13.5圈 節(jié)距 9mm 軸向間距 4mm 展開(kāi)長(zhǎng)度 1277.5mm 螺旋角 5.458° 質(zhì)量 0.203Kg 總 結(jié) 我國(guó)機(jī)器人的研究和應(yīng)用起步較晚，但是隨著國(guó)內(nèi)外機(jī)器人的快速發(fā)展、社會(huì)需求的增大和技術(shù)的進(jìn)步，垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人得到了迅速的發(fā)展，多品種、少批量生產(chǎn)方式和為提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的生產(chǎn)工藝需求，是推動(dòng)裝垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人發(fā)展的直接動(dòng)力。機(jī)器人在輕型、較簡(jiǎn)單且要求機(jī)器人價(jià)格較低的噴涂作業(yè)中大顯了身手。本課題正是在這種背景下提出來(lái)的，這是一項(xiàng)具有重要意義的課題。 參考文獻(xiàn) [1] 汪愷. 機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊(cè)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社. 1997.8. 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[13] 馬香峰.工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計(jì)[M].冶金工業(yè)出版社. 致 謝 畢業(yè)設(shè)計(jì)是將大學(xué)所學(xué)的知識(shí)融合在一起，綜合運(yùn)用所有的相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，是課本知識(shí)在實(shí)際中的應(yīng)用。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我的專(zhuān)業(yè)知識(shí)在原有的基礎(chǔ)上得到更加的鞏固和提高，這離不開(kāi)老師和同學(xué)們的幫助。本設(shè)計(jì)分析是在老師的指導(dǎo)下完成的，在分析的過(guò)程中，尹長(zhǎng)城老師給了我很大的鼓勵(lì)，在設(shè)計(jì)分析中引導(dǎo)我去思考了更多的設(shè)計(jì)思路，增強(qiáng)了我的學(xué)習(xí)能力，與我們一起討論問(wèn)題，使我對(duì)分析有了更清晰明確的認(rèn)識(shí)，使我受益非淺。 畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們專(zhuān)業(yè)知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，這是我們邁向社會(huì)、從事職業(yè)工作前一個(gè)必不可少的過(guò)程。“千里之行始于足下”，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我深深體會(huì)到這句千古言的真正含義。我今天認(rèn)真地進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)腳踏實(shí)地地邁開(kāi)這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會(huì)大潮中奔跑打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 說(shuō)實(shí)話，畢業(yè)設(shè)計(jì)真是有點(diǎn)累。然而一著手清理自己的設(shè)計(jì)結(jié)果，仔細(xì)回味畢業(yè)設(shè)計(jì)的心路歷程，一種少有的成功喜悅即刻使我倦意頓消。雖然這是我剛學(xué)會(huì)走完的第一部，是我人生中的一點(diǎn)小小的勝利，然而它令我感到自己成熟了許多。 通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我深深體會(huì)到，干任何事都必須耐心、細(xì)致。課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，許多計(jì)算有時(shí)不免令我感到有些心煩意亂；有時(shí)應(yīng)為不小心計(jì)算出錯(cuò)，只能毫不留情地重做。但一想起老師平時(shí)多耐心的教導(dǎo)，想到今后自己應(yīng)當(dāng)承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任，想到世界上因?yàn)槟承┘?xì)小失誤而出現(xiàn)的令世人無(wú)比震驚的事故，我不禁時(shí)刻提醒自己，一定要養(yǎng)成一種高度負(fù)責(zé)、一絲不茍的良好習(xí)慣。 由于畢業(yè)時(shí)間的倉(cāng)促，很多本來(lái)應(yīng)該弄懂弄透的地方都沒(méi)有時(shí)間去細(xì)細(xì)追究來(lái)源，比如網(wǎng)格劃分的控制、坐標(biāo)系的理解、求解器的選擇等，這使我明白了大學(xué)里學(xué)的只是一個(gè)大體上的方向，離實(shí)際應(yīng)用還有太遠(yuǎn)的距離。但我相信方向才是最重要的，因?yàn)榉较虼_定了，就會(huì)用最少的精力做好事情，這對(duì)于我以后的工作至關(guān)重要。因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)生活中，要從事的工種是千差萬(wàn)別的，只有從中找到自己最拿手，最有發(fā)展前途的崗位，個(gè)人才有更多的熱情，也最可能在自己的崗位做出一些貢獻(xiàn)。