機械手-集裝箱波紋板焊接機器人機構(gòu)運動學(xué)分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計,機械手,集裝箱,波紋,焊接,機器人,機構(gòu),運動學(xué),分析,車體,結(jié)構(gòu)設(shè)計 第三章 結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1小車行走結(jié)構(gòu)設(shè)計 這里主要是做了三方面的工作：對小車行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇；對電機功率的估計并選擇出小車的驅(qū)動電機；對根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的齒輪、齒條傳動的接觸疲勞強度、彎曲疲勞強度校核。 3.1.1 車體結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇 根據(jù)一些移動機器人本體設(shè)計的研究文獻及直動關(guān)節(jié)的知識可獲得兩個車體結(jié)構(gòu)方案。這兩個方案的示意圖如圖所示： 方案1：其中傳動順序為：電機齒輪箱車輪軸上齒輪（通過車輪軸）驅(qū)動輪。這也是在移動機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計上較為常用的一種車體結(jié)構(gòu)方案，布置比較對稱合理。 方案2：其中傳動順序為：電機圓柱齒輪固定齒條（通過反推動）車體結(jié)構(gòu)。這里的設(shè)計有借鑒將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動里有齒輪、齒條這么一種傳動方式，結(jié)構(gòu)比較簡單，設(shè)計比較容易。 方案間的比較： 表1兩車體機構(gòu)方案的比較 方案 比較方面 方案1 方案2 設(shè)計方面 較復(fù)雜 較簡單 結(jié)構(gòu)方面 稍復(fù)雜 稍簡單 布置方面 對稱點 有點偏移 效率方面 較低 較高 精度方面 高 稍差 用材方面 還好 有長齒條 根據(jù)實際的工作條件：希望設(shè)計能夠比較簡單，結(jié)構(gòu)比較簡單，焊接小車的移動效率高一點，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)計結(jié)構(gòu)方案。 3.1.2 小車驅(qū)動電機功率的確定 1、電機功率的估計 根據(jù)機器人的重量、小車運行速度、輪胎直徑來確定驅(qū)動電機的功率。 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，以便估計小車所需的驅(qū)動力矩。此時，應(yīng)把輪胎看成一個彈性體來考慮。 前面也提到了，在這里，由于電機的驅(qū)動是通過齒輪、齒條的嚙合來驅(qū)動，故該小車的四輪都為從動輪。 這里先分析車輪的受力情況： 圖 車輪受力簡圖 假設(shè)在運動過程中，輪子做純滾動。 設(shè)小車運動時的加速度為，相應(yīng)的車輪角加速度為。 根據(jù)可推得： 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動過程中的受力簡圖，圖中 P車輪上的載荷，m 車輪的質(zhì)量，N地面對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 （3-1） （3-2） 為車輪滾動阻力矩，其值為；J為車輪的轉(zhuǎn)動慣量。 根據(jù)式（3-1）、（3-2）有 （3-3） 由此可知，推動車輪前進要克服兩種阻力，即車輪的滾動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。 齒輪、齒條傳動作為該小車的驅(qū)動機構(gòu)，故驅(qū)動力矩設(shè)為， 進而可將理解為小車的實際驅(qū)動力，為齒輪的半徑。 故以小車車體做分析對象，在水平方向上，應(yīng)用牛頓第二定律可得： （3-4） 其中為機器人總質(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：小車的驅(qū)動力用來克服車輪的滾動阻力和機器人的平移質(zhì)量的加速阻力和車輪的旋轉(zhuǎn)阻力。 可根據(jù)式（3-5）粗估出驅(qū)動力矩： 其中：車輪半徑 ，（查理論力學(xué) P120 表5-2 滾動摩阻系數(shù)。），； 估為40 kg ,車輪質(zhì)量估計為0.8kg ,J估計為，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： 進而根據(jù)要求的運行速度為v ,初步確定電機的功率P： （3-6） 其中：K為估計系數(shù)，考慮到該焊接機器人其上的關(guān)節(jié)的運動，可取為5。 解之得： 2. 電機的選擇 前面已初步估計出了驅(qū)動力矩，電機的功率。 在實際的操作中，機器人的驅(qū)動，使用的電機類型主要有步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機等。考慮到步進電機通過改變脈沖頻率來調(diào)速。能夠快速啟動、制動，有較強的阻礙偏離穩(wěn)定的抗力。又由于這里的位置精度要求并不高，而步進電機在機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。 這里選定步進電機為驅(qū)動電機，考慮到在實際的選擇中應(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)子式步進電機： 型號：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 ； 空載運行頻率：； 轉(zhuǎn)動慣量：； 3.1.3齒輪、齒條傳動的校核 這里齒輪、齒條的傳動是按照結(jié)構(gòu)聯(lián)系上來設(shè)計的，故這里對齒輪進行彎曲強度校核、接觸強度校核。 其參數(shù)為：齒輪直徑，齒寬為，模數(shù)為，齒數(shù)為80。 前面也對驅(qū)動力矩做出估計并給出轉(zhuǎn)速，，。 這里參考《機械設(shè)計》P209里的帶式輸送機減速器的高級級齒輪傳動設(shè)計進行校核。 由于這里的齒條可以理解為半徑無窮大的圓柱齒輪，故不存在疲勞強度是否符合要求，對齒條的強度無需校核，這里只需校核齒輪的彎曲疲勞強度、接觸疲勞強度。 1.選定齒輪類型、精度等級、材料 1）這里以直齒圓柱齒輪齒條傳動。 2）該焊接機器人速度不高，故選用7級精度（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.按齒面接觸強度校核 按照公式（10-9a）進行校核： （3-7） 1） 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 （1）計算載荷系數(shù)K 根據(jù)，7級精度，由表10-8查得動載系數(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級精度、小齒輪相對支承非對稱布置時， 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度極限。 （5）由式10-13計算應(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，故可認為傳動比 2） 計算 將上面計算的各項數(shù)據(jù)帶入式（3-7）得： 而這里設(shè)計該傳動的齒輪半徑，顯然滿足接觸疲勞強度。 3.按齒根彎曲疲勞強度校核 這里按照公式（10-5）進行校核： 1） 確定公式內(nèi)各計算數(shù)值 （1） 由圖10-20c查得齒輪的彎曲疲勞強度極限 （2） 由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù) （3） 計算彎曲疲勞許用應(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）計算 而這里設(shè)計的是，顯然滿足彎曲疲勞強度，故校核結(jié)果符合要求。 4、結(jié)論 綜上，所設(shè)計的齒輪參數(shù)符合要求，校核完畢。 3.2 擺動關(guān)節(jié)電機選擇 考慮到擺動關(guān)節(jié)的實際情況，對電機的要求：質(zhì)量輕，體積小，頻繁的正反轉(zhuǎn)，換向性能好，較好的運動控制精度，功率為二十多瓦。故這里選擇直流伺服電機中的印刷繞組直流永磁式。 該類型直流伺服電機又稱盤式電機，有特點：快速響應(yīng)性能好；可以頻繁的起動、制動、正反轉(zhuǎn)工作；轉(zhuǎn)子無鐵損，效率高；換向性能好；壽命長；負載變化時轉(zhuǎn)速變化率小，輸出力矩平穩(wěn)。 這里選擇的型號是Maxon 組合體系： 電機：Maxon DC Motor F2260 功率為40W; 行星輪減速箱：GP 62（11501）傳動比約為19：1； 編碼器：HEDS 55。 3.3 本章小結(jié) 這里主要是進行了車體結(jié)構(gòu)設(shè)計：方案選擇；功率估計；電機選擇；校核。 第四章 結(jié)論 1、對該集裝箱波紋板三自由度焊接機器人進行了方案設(shè)計，并對機構(gòu)進行運動學(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：車體結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇；驅(qū)動電機功率的估計計算與選擇；齒輪齒條傳動的接觸疲勞強度與彎曲疲勞強度校核。還有擺動關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的選擇。 3、其它方面：車輪與選用導(dǎo)軌的匹配設(shè)計，關(guān)節(jié)間的聯(lián)接匹配設(shè)計。這些都是直接在圖紙上設(shè)計出來了。