噴涂機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

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機器人有三個發(fā)展階段，那么也就是說，我們習慣于把機器人分成三類，一種是第一代機器人，那么也叫示教再現(xiàn)型機器人，它是通過一個計算機，來控制一個多自由度的一個機械，通過示教存儲程序和信息，工作時把信息讀取出來，然后發(fā)出指令，這樣的話機器人可以重復的根據(jù)人當時示教的結(jié)果，再現(xiàn)出這種動作，比方說汽車的點焊機器人，它只要把這個點焊的過程示教完以后，它總是重復這樣一種工作，它對于外界的環(huán)境沒有感知，這個力操作力的大小，這個工件存在不存在，焊的好與壞，它并不知道，那么實際上這種從第一代機器人，也就存在它這種缺陷，因此，在20世紀70年代后期，人們開始研究第二代機器人，叫帶感覺的機器人，這種帶感覺的機器人是類似人在某種功能的感覺，比如說力覺、觸覺、滑覺、視覺、聽覺和人進行相類比，有了各種各樣的感覺，比方說在機器人抓一個物體的時候，它實際上力的大小能感覺出來，它能夠通過視覺，能夠去感受和識別它的形狀、大小、顏色。抓一個雞蛋，它能通過一個觸覺，知道它的力的大小和滑動的情況。 那么第三代機器人，也是我們機器人學中一個理想的所追求的最高級的階段，叫智能機器人，那么只要告訴它做什么，不用告訴它怎么去做，它就能完成運動，感知思維和人機通訊的這種功能和機能，那么這個目前的發(fā)展還是相對的只是在局部有這種智能的概念和含義，但真正完整意義的這種智能機器人實際上并沒有存在，而只是隨著我們不斷的科學技術(shù)的發(fā)展，智能的概念越來越豐富，它內(nèi)涵越來越寬。 機器人有三個發(fā)展階段，那么也就是說，我們習慣于把機器人分成三類，一種是第一代機器人，那么也叫示教再現(xiàn)型機器人，它是通過一個計算機，來控制一個多自由度的一個機械，通過示教存儲程序和信息，工作時把信息讀取出來，然后發(fā)出指令，這樣的話機器人可以重復的根據(jù)人當時示教的結(jié)果，再現(xiàn)出這種動作，比方說汽車的點焊機器人，它只要把這個點焊的過程示教完以后，它總是重復這樣一種工作，它對于外界的環(huán)境沒有感知，這個力操作力的大小，這個工件存在不存在，焊的好與壞，它并不知道，那么實際上這種從第一代機器人，也就存在它這種缺陷，因此，在20世紀70年代后期，人們開始研究第二代機器人，叫帶感覺的機器人，這種帶感覺的機器人是類似人在某種功能的感覺，比如說力覺、觸覺、滑覺、視覺、聽覺和人進行相類比，有了各種各樣的感覺，比方說在機器人抓一個物體的時候，它實際上力的大小能感覺出來，它能夠通過視覺，能夠去感受和識別它的形狀、大小、顏色。抓一個雞蛋，它能通過一個觸覺，知道它的力的大小和滑動的情況。 那么第三代機器人，也是我們機器人學中一個理想的所追求的最高級的階段，叫智能機器人，那么只要告訴它做什么，不用告訴它怎么去做，它就能完成運動，感知思維和人機通訊的這種功能和機能，那么這個目前的發(fā)展還是相對的只是在局部有這種智能的概念和含義，但真正完整意義的這種智能機器人實際上并沒有存在，而只是隨著我們不斷的科學技術(shù)的發(fā)展，智能的概念越來越豐富，它內(nèi)涵越來越寬。 我設(shè)計的噴吐機器人主要運用于房屋墻壁的噴漆，汽車表面噴途等用途。我。 本論2.2.1電動機的設(shè)計假設(shè)手腕的最大負荷重量3kg，初估腕部的重量3kg，最大運動速度V=1.5m/s 功率P=fv=mgv=6101.5=90kw取安全系數(shù)為1.2，考慮到傳動損失和摩擦，最終的電機功率P=110W。查表選擇75BF004型號反應式步進電動機。具體參數(shù)如下表型號相數(shù)步距角最大精轉(zhuǎn)矩安裝外徑長度軸徑重量75BF00431.50.882NM75mm75mm6mm1.58kg小臂減速比的確定求角速度 W=3.75r/s 其中W為角速度（r/s） V為運動速度（m/s） R為小臂連桿的長度（400mm） 在求實際轉(zhuǎn)速 N=36r/min 最后求得總傳動比：i= 步進電動機轉(zhuǎn)速為 n 其中為步距角 f為控制脈沖頻率 由電動機型號查表求得f2500hz則 n=625r/min則i=17.3 取i整17查表采用行星齒輪結(jié)構(gòu)的 諧波減速器具體機構(gòu)及參數(shù)如下所示：行星齒輪減速器自齒輸出端軸承滾珠軸承最大 允許軸向載荷150N最大允許安裝力300N推薦輸入速度800rpm減速比17：1輸出最大轉(zhuǎn)矩15N.M允許瞬間輸出轉(zhuǎn)矩22.5N.M具體安裝尺寸見下圖所示：2.2.2機座電動機和大臂電動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計同小臂采用相同原理 大臂電動機的設(shè)計：初步估計大臂電動機的 負載為16kg 最大運動速度為1.5m/s 同理求得P=288W查相關(guān)手冊選步進電動機的型號為：90BF003具體參數(shù)如下：電動機型號相數(shù)步距角最大靜轉(zhuǎn)矩最大啟動功率90BF00331.51.961500HZ質(zhì)量外徑長度軸徑最大運行頻率4.2kg90mm125mm9mm8000hz由以上數(shù)據(jù)可得步進電動機的轉(zhuǎn)速為 由公式n=2000r/min 又由W=2.14r/s實際轉(zhuǎn)速n=20r/min由公式得 i總=100查表采用行星齒輪結(jié)構(gòu)的諧波減速器，具體參數(shù)如下表：行星齒輪減速器直齒輸出端軸承滾珠軸承最大允許軸向載荷250N最大安裝力410N推薦輸入速度8000rpm減速比100：1輸出最大轉(zhuǎn)矩26N.M允許瞬間輸出轉(zhuǎn)矩36N.M具體安裝尺寸見下圖： 2.23機座電動機的設(shè)計 初步估計電動機最大載荷重量為m=30kg 最大運動速度V1.5m/s 功率PFV=mgv=30101.5450W 取安全系數(shù)為1.2 則PP1.2540W考慮到傳動損失和摩擦，最終的電動機功率確定為P額=560W查表找出電動機的具體參數(shù)如下表電動機型號相數(shù)步距角最大靜轉(zhuǎn)矩最大啟動功率90BF00141.83.922000HZ質(zhì)量外徑長度軸徑最大運行頻率4.5kg90mm145mm9mm8000hz求基座電動機的諧波減速比： 由公式n=2400r/min 又由基座傳動軸與噴槍幾乎處在 同一直線的特殊位置故：W=15r/s實際轉(zhuǎn)速n=143最后求得總傳動比i總=16.7取i整17基座電動機也采用同諧波減速器相聯(lián)一體的結(jié)構(gòu)。具體參見下圖，安裝尺寸見下：行星齒輪減速器直齒輸出端軸承滾珠軸承最大允許軸向載荷250N最大安裝力410N推薦輸入速度8000rpm減速比17：1輸出最大轉(zhuǎn)矩26N.M允許瞬間輸出轉(zhuǎn)矩36N.M3.軸的設(shè)計和校核 軸的結(jié)構(gòu)決定與受力情況，軸上零件的布置和固定方式，軸承的類型和尺寸，軸的毛坯和制造，裝配工藝，以及運輸，安裝等條件，軸的結(jié)構(gòu)，應使軸受力合理，避免或減輕應力集中。3.1基座傳動軸的設(shè)計 取軸的材料為45鋼。調(diào)制處理。a.軸經(jīng)同電動機輸出軸相同大小故d=9mm b. 各段軸徑的確定 初估軸徑后，就可按照軸上零件的安裝順序從出開始逐段確定軸徑，上面是軸段1的直徑。 軸段1上 用套筒開通鍵和電動機輸出軸相連。由于套筒幾乎不受軸向力故在套筒上開一緊盯螺釘螺釘采用。 軸段2上安裝套筒。右端用軸肩固定，考慮到軸的強度取軸徑18mm 軸段3上要安裝軸承，其直徑應該便于軸承安裝，故取軸段3的直徑為d=30mm軸段4左端用軸肩固定軸承，有軸承的安裝尺寸可得40mm。根據(jù)尺寸結(jié)構(gòu)和便于控制軸段4末端采用圓孔型結(jié)構(gòu)。具體尺寸見圖。C. 各段長度的確定根據(jù)套筒及箱體結(jié)構(gòu)的尺寸取40mm考慮到套筒長及箱體的長度取38mm根據(jù)軸承寬度取34mm由機器人的噴涂范圍及基座總長等因素取126mm軸的結(jié)構(gòu)見下圖所示：3.2軸的強度校核 軸在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計后，進行校核計算，計算準則是滿足軸的強度或剛度要求，進行軸的強度校核計算時，應根據(jù)軸的具體受載及應力情況，采取相應的方法，并恰當?shù)剡x取其許用應力。 a 計算軸上的轉(zhuǎn)矩T主軸上的傳遞功率 =0.7kw T=9.55* =9.55*=4.67*Nb 軸的受力分析 軸傳遞的轉(zhuǎn)矩：=4.67*N=9.55* c 按彎矩合成強度校核軸的強度 （1）。繪制軸受力簡圖。見圖a （2）。繪制垂直面彎矩圖b 軸承支撐力 =mg=32*10=320 又有*L=* =計算彎矩 截面C右側(cè)彎矩 NM 截面C左側(cè)彎矩 NMd 繪制水平面彎矩圖 由于軸承水平面幾乎不受外力?？梢院雎圆凰恪 繪制彎矩圖 NM NMf 繪制轉(zhuǎn)矩圖 轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的扭剪應力按脈動循環(huán)變化取0.6 截面C處的當量彎矩為 g 校核危險截面C的強度 故滿足強度要求3.3基座傳動軸上零件的校核 3.31鍵的校核：根據(jù)軸徑的大小選擇鍵的類型，由GB1096-79查表取鍵的規(guī)格：b*h=3*3 取鍵的系列長度L=12mm鍵的材料選用45剛校核擠壓強度：又有L=12-3=9mm 。 查表求得許用擠壓應力(120150)MP 故 擠壓強度足夠3.3.2傳動軸上軸承的校核 滾動軸承的主要失效形式為疲勞點蝕和塑性變形。滾動軸承的計算準為針對疲勞點蝕進行壽命計算，針對塑性變形進行靜強度計算，對于轉(zhuǎn)速較承除進行壽命計算外還需要計算軸承的極限轉(zhuǎn)速。課題中選用的軸承規(guī)格為：30206型。具體參數(shù)如下表： 型號DdTBC額定動載荷額定靜載荷30206623017.5161441.2KN29.5KN如下圖所示： a. 求當量動載荷P:對于只受徑向載荷為主的軸承，當量動載荷為： 其中3340N 查表得1.2 根據(jù)公式計算：=1.2*3340=4008N 軸承的壽命計算公式為： 查表得到：C=41200N 對于球類軸承=3 則有 ：116108612599820000h故滿足壽命要求。 b.軸承的精強度校核： 求當量精載荷 由于軸承只承受徑向載荷，由于則 =17668.6靜強度選擇軸承的計算公式為： 查表=2則=3533.7N 查表后得到：=505*N 故滿足要求。3.4大臂軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計軸的材料選擇45號剛，調(diào)制處理。各段軸徑的確定軸段1由于和電動機配合故9mm考慮到在軸段2上裝上套筒故取軸徑d=20mm軸段3上安裝軸承，其直徑因該便于軸承的安裝，又因該符合軸承的內(nèi)徑系列。即軸段3的直徑和軸承型號的選則同時進行，軸承型號為6.6型的深溝球軸承，故30mm軸段4的右端固定軸承故取35mm 各段長度的確定 各段長度主要根據(jù)軸上零件的配合部分長度確定，還和箱體及軸承蓋等零件又關(guān)。 考慮到套筒長取軸段130mm 軸段2上安裝套筒，取長為26mm 根據(jù)軸承的尺寸取軸段314mm 根據(jù)機器人的整體結(jié)構(gòu)取軸段483mm3.4.1 軸的強度校核 大臂傳動軸式一個傳動力矩的軸如下圖所使的結(jié)構(gòu)： a 軸上轉(zhuǎn)矩 主軸上傳遞的功率 又公式代入d9mm c=110 則NMb 畫出垂直面彎矩圖（如下圖） 水平面的支撐反力： 軸承支撐反力，由 則軸承支撐反力為：計算彎矩，取截面C處研究對象。 經(jīng)計算：C 繪制水平面彎矩圖 由于水平面幾乎不受力的作用，故不予考慮。d 繪制合成彎矩圖 e 繪制轉(zhuǎn)矩圖：如下圖所示 轉(zhuǎn)矩T9.555250NMf 繪制當量彎矩圖 轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的扭剪應力按脈動循環(huán)變化取0.6 截面C處的當量彎矩為： 3150NMg 校核危險截面強度 完全滿足要求。3.5大臂上零件的校核3.51軸段1上鍵的校核 由軸的直徑確定鍵的類型，根據(jù)GB1096-79選取鍵的類型 B*h=3*3 其中L=12mm校核擠壓強度：，又有L=12-3=9mm又由轉(zhuǎn)矩T=5.25* 故故強度滿足要求3.52軸承的校核。滾動軸承的計算準為針對疲勞點蝕進行壽命計算，針對塑性變形進行靜強度計算，對于轉(zhuǎn)速較承除進行壽命計算外還需要計算軸承的極限轉(zhuǎn)速。大臂傳動軸選用的軸承規(guī)格為：6006型。 求當量動載荷 式中為徑向載荷 為軸向載荷 為載荷系數(shù)由于軸承主要承受徑向載荷故當量動載荷為：其中424.7N又根據(jù)工作條件查表得到1.2 則1.2424.7509。64N根據(jù)公式計算壽命： 查表C=10200N 對于球類軸承3 則66790.620000h故滿足要求。靜強度校核： 求當量靜載荷 軸承主要承受徑向載荷，取 則293.04靜強度校核選用公式: 查表取2則有：查表得到=50500N 則可得到：。符合靜強度要求。箱體的設(shè)計。 結(jié)論。，。 謝辭 在此我要特別感謝我們的指導教師常主任給我的無盡的幫助，對我的指導，陪伴我們做畢業(yè)設(shè)計，使我們能夠按時保質(zhì)的完成畢業(yè)設(shè)計，同時我還要感謝我同組的同學對我的幫助和大力支持，使我能夠盡可能在短的時間完成畢業(yè)設(shè)計。 參考文獻機械設(shè)計基礎(chǔ)機械制造技術(shù)基礎(chǔ)機械制圖。附錄：六張圖紙噴吐機器人的裝配圖。河南理工大學萬方科技學院研究采用拉瓦爾噴管的冷噴涂技術(shù)模型中參數(shù)對粒子速度的影響關(guān)鍵詞：冷噴涂技術(shù)；模型；九孔拉瓦爾噴管；粒子速度摘要單孔和九孔拉瓦爾噴管的模擬超音速流場是在液體動力學的基礎(chǔ)上進行計算。在研究中，對于單孔和九孔拉瓦爾噴管，相隔距離和粒子直徑對銅粒子的沖擊速度影響是不同的。結(jié)果表示在相隔距離相同的情況下，九孔拉瓦爾噴管中的粒子速度高于單孔拉瓦爾噴管中的粒子速度，并且相隔距離越小，九孔拉瓦爾噴管也能獲得更高的粒子速度。此外，在研究中發(fā)現(xiàn)不同的噴射壓力和溫度對銅粒子的粒子速度也有影響。模型研究表明較高的噴射壓力和溫度可以獲得較好的粒子噴射速度。介紹冷噴涂的過程中，噴嘴和基體之間的相隔距離（SoD）是重要參數(shù)之一，它直接影響了粒子的沖擊速度。許多學者已經(jīng)把研究重心集中在這一個問題。pattison1 發(fā)現(xiàn)當SoD很小時，一個噴流弓形激波會在超音速射流和基體之見的沖擊區(qū)域內(nèi)成型，并且當它減少粒子沖擊速度時，噴流弓形激波對工作過程是有害的。他的研究也表明堆積效率接近SoD，和噴流弓形激波的堆積效率被壓縮在SoD的40% ，小于60毫米或者更少時要使用一個定做的氦氣噴嘴，在2.0 MPa和200 C 條件下工作。Alkhimov2發(fā)現(xiàn)，當噴射空氣和氦時，噴流弓形激波和基體之間所造的壓縮層的厚度取決SoD，而SoD越小，壓縮層越厚。他的研究也表明鋁粒子作為直徑小于5微米的粒子，在壓縮層中明顯減速。Gilmore3 和 Dykhuizen4 也發(fā)現(xiàn)直徑小于5微米的粒能被減速甚至從噴流弓形激波中遠離基體。這項研究要表明九孔拉瓦爾噴管與單孔拉瓦爾噴管相比，減少噴流弓形激波對粒子速度沖擊所帶來的不利的影響，在相同狀態(tài)之下會獲得比較好的噴射效果。理論模型數(shù)學模型?？蓧嚎s的流量是一種非常復雜、廣泛的現(xiàn)象，并且噴嘴的實際流量是在實際條件下不恒定的等熵流量。噴嘴的流量內(nèi)部被認為是一個穩(wěn)定的等熵流量在理論上是為了簡化模擬。用方程5描述這個過程。 連續(xù)方程：動量方程：能量方程： 狀態(tài)方程：u、p和T分別表示流量速度、壓力和溫度；p、和k分別表示流量密度，黏性應力張量和熱傳導性，相應的；e，D分別表示每一單位容積內(nèi)的黏著性和粘性耗散。粒子可以被視為離散階段連續(xù)氣流，球形粒子的加速度氣流可以由方程6來表達，粒子之間的相互作用和重力可以被忽略。，分別表示粒子速度、直徑和密度；是阻力系數(shù)而且=，和相互聯(lián)系，是是雷諾數(shù)目并被定義為： ，u 是液體動力粘度，而且這方程際地被應用于50000.幾何學的模型。冷噴涂過程的噴射流量是由噴管的內(nèi)部流量和自由的噴射流量組成。由于九孔噴管的使用，一個三維模型建立在這一研究中。圖1是九孔噴管的截面圖，有八個小孔直徑為1.67毫米均勻分布一個直徑為2.6毫米的中心孔周圍，整個圓的直徑為6.4毫米。距離 L（如圖1所示）是小孔于中心孔的距離2.25 毫米，這九個孔的總面積等于直徑為5.4毫米的單孔的面積。在其他方面九孔拉瓦爾噴管與單孔拉瓦爾噴管是一樣的，圖2表示單孔拉瓦爾噴管的截面和計算域，其主要尺寸見表1。圖1 九孔拉瓦爾噴管的橫截面表一 單孔拉瓦爾噴管的主要尺寸接口條件及解決方法圖2 單孔拉瓦爾噴管的結(jié)構(gòu)和計算區(qū)域如圖2所示，入口氣體為選定的壓力入口邊界條件，和出口氣體為選定的壓力出口邊界條件，都在常溫常壓下進行。并且選定空氣為加速狀態(tài)。標準湍流模型是作為分散氣體湍流流場，和標準壁面函數(shù)能被用來處理近壁區(qū)。二階逆風離散化方案用于解方程。分散相的計算連續(xù)的流場。結(jié)果與討論SoD對粒子速度的影響直徑為2微米單孔拉瓦爾噴管和九孔拉瓦爾噴管對銅粒子沖擊速度的影響如圖3所示，當噴射壓力P是2.5MPa 和噴射溫度T為700K兩者情況是不同的。明顯看出在相同模擬條件下，九孔拉瓦爾噴管中的粒子速度要高于單孔拉瓦爾噴管。并且SoD越小，九孔拉瓦爾噴管內(nèi)的粒子速度越高。從圖中也明顯看到單孔拉瓦爾噴管在P=2.5MPa和T=700K情況，SoD值為40毫米。圖3 SoD對粒子速度的影響 圖4 粒子直徑對粒子速度的影響當使用單孔拉瓦爾噴管時，一系列壓縮波由于基體前的超音速氣流壓縮而生產(chǎn)。壓縮波相互疊加時，沖擊波就會發(fā)生。當沖擊波，壓力，密度，氣流溫度急劇上升，馬赫數(shù)急劇下降時，超音速氣流將變成亞音速氣流。由于沖擊波的影響粒子的速度不斷減小，增強基體的抗沖擊強度和減少SoD的距離，對粒子速度沒有影響。所以在九孔拉瓦爾噴管中的粒子速度會使氣流趨于穩(wěn)定。粒子直徑對粒子速度的影響。圖4表示在模擬狀態(tài)SoD=40mm, P=2.5MPa ，T=700K下，銅粒子通過拉瓦爾噴口撞擊基體時，粒子直徑對粒子速度的影響。它明顯的說明用不同的拉瓦爾噴管會獲得不同的粒子速度，在相同條件下，使用九孔拉瓦爾噴管的粒子速度高于使用單孔拉瓦爾噴管的粒子速度。因為小粒子具有低質(zhì)量、低慣性，并且易受氣體影響，所以沖擊基體之前，粒子速度的沖擊波將減小。若使用九孔拉瓦爾噴管，沖擊波減弱時，粒子速度變化不大。較大的粒子具有較高的質(zhì)量，較大的慣性并且不易被氣體所加速，因此這樣的粒子速度不能影響沖擊基體的沖擊波。因此九孔拉瓦爾噴管適用與小粒子。壓力對粒子速度的影響圖5所示在模擬條件SoD=40mm, T=700K下，直徑為2微米的銅粒子通過九孔拉瓦爾噴嘴沖擊基體時壓力對粒子速度的影響。如圖5所示的距離噴嘴進口到基體的距離為X。它明顯的表示了在噴嘴和基體之間，粒子的速度變化小并且在出口處趨于穩(wěn)定。隨著噴射壓力的增加，噴嘴內(nèi)的粒子速度有輕微變化，噴嘴外的粒子速度有少量的增大。因此說明壓力對粒子速度影響不大。圖5 壓力對粒子速度的影響 圖6 溫度對粒子速度的影響溫度對粒子速度的影響圖6所示在模擬條件SoD=40mm, T=700K下，直徑為2微米的銅粒子通過九孔拉瓦爾噴嘴沖擊基體時溫度對粒子速度的影響。從圖中明顯看出溫度對粒子速度的影響是很大的，溫度越高，粒子速度越高。此外，大量的塑性變形容易發(fā)生在入射粒子和高溫的基體之間。結(jié)論（1）在相隔距離相同的情況下，九孔拉瓦爾噴管比單孔拉瓦爾噴管獲得的粒子速度更高，且相隔距離越小，九孔拉瓦爾噴管獲得的粒子速度越高。（2）在相同條件下，九孔拉瓦爾噴管中的較小粒子也可以獲得較高的粒子速度。（3）在較高的噴射壓力和溫度下，使用九孔拉瓦爾噴管可以使粒子噴射獲得更高的速度。- 7 -