機械手-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

機械手-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,機械手,集裝箱,波紋,焊接,機器人,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運動轉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，由于電機的驅動是通過齒輪、齒條的嚙合來驅動，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。 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。而后者又由平移質量產(chǎn)生的加速阻力和由旋轉質量產(chǎn)生的加速阻力所組成。 齒輪、齒條傳動作為該小車的驅動機構，故驅動力矩設為， 進而可將理解為小車的實際驅動力，為齒輪的半徑。 故以小車車體做分析對象，在水平方向上，應用牛頓第二定律可得： （3-4） 其中為機器人總質量。 將式（3-3）中的X帶入上式得； （3-5） 由上式可得出結論為：小車的驅動力用來克服車輪的滾動阻力和機器人的平移質量的加速阻力和車輪的旋轉阻力。 可根據(jù)式（3-5）粗估出驅動力矩： 其中：車輪半徑 ，（查理論力學 P120 表5-2 滾動摩阻系數(shù)。），； 估為40 kg ,車輪質量估計為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動力矩，電機的功率。 在實際的操作中，機器人的驅動，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; 靜轉矩：270 ； 空載運行頻率：； 轉動慣量：； 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。 前面也對驅動力矩做出估計并給出轉速，，。 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（調質），硬度為280HBS，齒條材料為45鋼（調質），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，調質，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）查取應力校正系數(shù) 由表10-5可查的得 2）計算 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：質量輕，體積小，頻繁的正反轉，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、正反轉工作；轉子無鐵損，效率高；換向性能好；壽命長；負載變化時轉速變化率小，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)質量。 2、完成了車體結構設計：車體結構方案的比較與選擇；驅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。