1312-機器人集裝箱波紋板焊接機器人機構運動學分析及車體結構設計,機器人,集裝箱,波紋,焊接,機構,運動學,分析,車體,結構設計 第三章 結構設計3.1 小車行走結構設計這里主要是做了三方面的工作：對小車行走機構的結構方案的比較與選擇；對電機功率的估計并選擇出小車的驅(qū)動電機；對根據(jù)結構設計的齒輪、齒條傳動的接觸疲勞強度、彎曲疲勞強度校核。3.1.1 車體結構方案的比較與選擇根據(jù)一些移動機器人本體設計的研究文獻及直動關節(jié)的知識可獲得兩個車體結構方案。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構設計上較為常用的一種車體結構方案，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）車體結構。這里的設計有借鑒將旋轉(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，結構比較簡單，設計比較容易。方案間的比較：表 1 兩車體機構方案的比較方案比較方面方案 1方案 2設計方面 較復雜較簡單結構方面 稍復雜 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：希望設計能夠比較簡單，結構比較簡單，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 作為該小車的設計結構方案。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：vPXmg?UN圖 車輪受力簡圖假設在運動過程中，輪子做純滾動。設小車運動時的加速度為 ，相應的車輪角加速度為 。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-dvUt??1）（3-fwrMJt2）為車輪滾動阻力矩，其值為 ；J 為車輪的轉(zhuǎn)動慣量。f N??根據(jù)式（3-1） 、 （3-2）有（3-2fJdvXmrt?????????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。dvmt 2Jdvrt?齒輪、齒條傳動作為該小車的驅(qū)動機構，故驅(qū)動力矩設為 ， 進而可將 理解dMdr?為小車的實際驅(qū)動力， 為齒輪的半徑。r?故以小車車體做分析對象，在水平方向上，應用牛頓第二定律可得：（3-04()dMdvXmrt??4）其中 為機器人總質(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?？筛鶕?jù)式（3-5）粗估出驅(qū)動力矩：其中：車輪半徑 ， （查理論力學 P120 表 5-2 滾動摩阻系數(shù) 。60rm?2? ?） ， ；40r??估為 40 kg ,車輪質(zhì)量估計為 0.8kg ,J 估計為 ，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??進而根據(jù)要求的運行速度為 v ,初步確定電機的功率 P：（3-dvPKr???6）其中：K 為估計系數(shù)，考慮到該焊接機器人其上的關節(jié)的運動，可取為 5。解之得： 10.73w?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?？紤]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 ；kgcm?空載運行頻率： ；18?轉(zhuǎn)動慣量： ；2?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構聯(lián)系上來設計的，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。80m351m前面也對驅(qū)動力矩做出估計并給出轉(zhuǎn)速， ， 。4.29dM?.inv這里參考《機械設計》P209 里的帶式輸送機減速器的高級級齒輪傳動設計進行校核。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-??2132. EdHKTZu????????????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) ；.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 級精度、小齒輪相對支承非對稱布置時， 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度極限 。lim60HPa??（5）由式 10-13 計算應力循環(huán)次數(shù)。7160301(2405).481hNnjL???（7）由圖 10-19 查得接觸疲勞系數(shù) 。.9HNK?（8）JI 計算接觸疲勞許用應力取失效概率 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，故可認為傳動比 u??2） 計算將上面計算的各項數(shù)據(jù)帶入式（3-7）得： 19.4d?而這里設計該傳動的齒輪半徑 ，顯然滿足接觸疲勞強度。80?3.按齒根彎曲疲勞強度校核這里按照公式（10-5）進行校核： ??132FaSdYKTmz?????????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 50FEMPa??（2） 由圖 10-18 查得彎曲疲勞壽命系數(shù) .92NK（3） 計算彎曲疲勞許用應力取彎曲疲勞安全系數(shù) ，由式（10-12）得1.4S???1092538.6.FNEK???（4）計算載荷系數(shù) K 1.051.305AvFK??????（5）查取齒形系數(shù)由表 10-5 查得 2.8FaY（6）查取應力校正系數(shù)由表 10-5 可查的得 1.73Sa?2）計算 0.3m?而這里設計的是 ，顯然滿足彎曲疲勞強度，故校核結果符合要求。4、結論綜上，所設計的齒輪參數(shù)符合要求，校核完畢。3.2 擺動關節(jié)電機選擇考慮到擺動關節(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 本章小結這里主要是進行了車體結構設計：方案選擇；功率估計；電機選擇；校核。第四章 結論1、對該集裝箱波紋板三自由度焊接機器人進行了方案設計，并對機構進行運動學逆解，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、完成了車體結構設計：車體結構方案的比較與選擇；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。還有擺動關節(jié)驅(qū)動電機的選擇。3、其它方面：車輪與選用導軌的匹配設計，關節(jié)間的聯(lián)接匹配設計。這些都是直接在圖紙上設計出來了。