油箱內(nèi)噴漆機(jī)器人直線伸縮關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)【噴涂機(jī)器人】【說(shuō)明書(shū)+CAD】
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0 目 錄 1 緒論 .1 2 總體機(jī)構(gòu) .1 3 工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo) .2 4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .2 4.1 傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì) .3 4.1.1 電動(dòng)機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)形式 .3 4.1.2 選擇電機(jī)容量 .3 4.1.3 確定電機(jī)轉(zhuǎn)速 .4 4.1.4 分配各級(jí)傳動(dòng)比 .4 4.1.5 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) .4 4.2 傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 .5 4.2.1 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算數(shù)值 .5 4.2.2 幾何尺寸計(jì)算 .7 4.3 軸的設(shè)計(jì) .7 4.3.1 初步確定軸的最小直徑 .7 4.3.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .8 5 直線伸縮關(guān)節(jié) .9 5.1 絲杠的設(shè)計(jì) .9 5.2 手臂機(jī)構(gòu)尺寸的初步確定 .12 5.3 操作機(jī)位置與姿態(tài)的確定 .12 5.4 速度和加速度分析 .13 5.5 角速度和角加速度分析 .13 6 尺寸優(yōu)化 .13 6.1 初步確定尺寸 .13 6.2 設(shè)計(jì)分析 .14 6.2.1 抗拉強(qiáng)度分析 .14 6.2.2 抗剪強(qiáng)度條件 .14 6.2.3 剛度條件 .15 6.2.4 結(jié)構(gòu)尺寸限制 .15 7 建立數(shù)學(xué)模型 .15 8 優(yōu)化計(jì)算 .16 9 力學(xué)分析 .17 9.1 慣量匹配 .18 9.2 轉(zhuǎn)矩匹配 .19 10 旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)關(guān)節(jié) .19 11 關(guān)節(jié)控制 .20 12 結(jié)語(yǔ) .20 致謝 .21 參考文獻(xiàn) .22 0 1 緒論 車用油箱系列產(chǎn)品其外形呈橢圓柱狀, 上方開(kāi)有一圓形入口, 整個(gè)油箱在縱 向被兩塊隔油板分成三個(gè)儲(chǔ)油區(qū),該系列油箱用于汽車燃油的儲(chǔ)運(yùn), 在其制造 過(guò)程中, 其內(nèi)腔壁需經(jīng)三層漆料的噴涂, 要求噴涂均勻, 涂層厚薄一致, 無(wú)遺漏 點(diǎn); 并要求不掉漆, 不起泡, 以保證油箱的防腐蝕 , 增加油箱的使用壽命和確保 儲(chǔ)運(yùn)的動(dòng)力燃油的清潔,但受油箱結(jié)構(gòu)的限制, 人工噴漆的操作環(huán)境極為惡劣, 為此, 筆者研究設(shè)計(jì)了一種能替代人工噴漆作業(yè)的 380L 油箱內(nèi)噴漆機(jī)器人的直 線伸縮關(guān)節(jié),由于工業(yè)機(jī)器人能夠根據(jù)作業(yè)對(duì)象完成多種復(fù)雜動(dòng)作, 因此, 使用 機(jī)器人完成噴漆作業(yè)是一種有效的方法, 噴漆質(zhì)量和生產(chǎn)率也較易保證。 工業(yè)機(jī)器人通常有執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)和智能系統(tǒng)四部分 組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴以完成各種作業(yè)的主體部分,通常為空間連桿機(jī)構(gòu); 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)- 傳動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成,它們通常與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連為一 體,此機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器采用伺服電機(jī);控制系統(tǒng)一般有控制計(jì)算機(jī)和伺服控制 器組成,前者發(fā)出指令協(xié)調(diào)各有關(guān)驅(qū)動(dòng)器之間的運(yùn)動(dòng),后者控制各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器, 使各桿能按預(yù)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)動(dòng);智能系統(tǒng)有感知系統(tǒng)和分析決策系統(tǒng)組成, 分別由傳感器及軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。 機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)與一般的機(jī)械設(shè)計(jì)相比, 既具有類似性, 又有其獨(dú)特性。 從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來(lái)看, 機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)可看作是一系列連桿通過(guò)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、 移動(dòng)關(guān)節(jié)組成,具有靈巧性和空間可達(dá)性等, 但由于開(kāi)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)實(shí)際上是一系 列懸臂桿件串聯(lián)而成的, 機(jī)械誤差和彈性變形的累計(jì) , 會(huì)影響到機(jī)器人的剛度和 精度。因此, 機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)既要滿足強(qiáng)度要求,又要滿足剛度要求和精度 要求。另一方面,機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu), 特別是關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng), 是整個(gè)機(jī)器人伺服 系統(tǒng)中的重要組成部分, 無(wú)論是結(jié)構(gòu)的緊湊性、靈巧性, 還是在運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性、 快速性等伺服性能, 都比一般機(jī)構(gòu)有更高的要求。380L 型油箱內(nèi)噴漆機(jī)器人屬 于多關(guān)節(jié)型, 由直線伸縮關(guān)節(jié)和旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)關(guān)節(jié)將肩、臂和腕部連接在一起。由 于手部的噴漆運(yùn)動(dòng)是靠各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)組合而成的, 因此, 各關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)和控制便 成為多關(guān)節(jié)型機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵,設(shè)計(jì)中從被噴油箱系列產(chǎn)品的通用性出發(fā), 采用了模塊化和快換式結(jié)構(gòu), 從而能夠方便地實(shí)現(xiàn)各手臂的加長(zhǎng)和互換, 制造和 調(diào)試維修也比較方便。 2 總體機(jī)構(gòu) 噴漆機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)有機(jī)座、肩部、臂部、腕部等組成,機(jī)座位于油箱外 的后側(cè), 由固定底座、立柱、橫梁等組成, 對(duì)機(jī)械臂起支承和定位作用;臂部包 括與其伸縮、屈伸或旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)有關(guān)的構(gòu)件,并裝有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、導(dǎo)向 1 定位裝置、支承連接和位置檢測(cè)元件等, 臂部又可分為肩部、大臂、小臂、腕 關(guān)節(jié)及噴槍、它們所產(chǎn)生的直線運(yùn)動(dòng)和擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的組合完成機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)的姿 態(tài)調(diào)整;肩部由直線升降關(guān)節(jié)、擺動(dòng)關(guān)節(jié)等組成, 其作用是使機(jī)械手進(jìn)入箱內(nèi) 并擺動(dòng)伸入隔油板的偏心孔內(nèi);大臂由擺動(dòng)關(guān)節(jié)、回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和伸縮關(guān)節(jié)組成, 其作用是帶動(dòng)小臂及腕部縱向移動(dòng)并進(jìn)行 360回轉(zhuǎn), 實(shí)現(xiàn)各表面的噴漆運(yùn)動(dòng); 小臂由肘關(guān)節(jié)(擺動(dòng)關(guān)節(jié)) 和小臂伸縮關(guān)節(jié)組成, 它們的運(yùn)動(dòng)使腕部帶動(dòng)噴槍實(shí) 現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)位姿; 腕關(guān)節(jié)為一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) , 它旋轉(zhuǎn)一定角度以滿足噴槍始終與被 噴涂表面垂直。 圖 1 機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)示意圖 3 工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo) (1)自由度:用來(lái)確定相對(duì)機(jī)座的位置和姿態(tài)的獨(dú)立參變數(shù)的數(shù)目,它等 于操作機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)數(shù)目,它是反映操作機(jī)的通用性和適應(yīng)性的一項(xiàng)重要 指標(biāo),此機(jī)器人手臂要完成伸縮和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),有兩個(gè)自由度。 (2)工作空間:即操作機(jī)的工作范圍,通常以手腕中心點(diǎn)在操作機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí) 所占有的體積來(lái)表示,我們把操作機(jī)能對(duì)操作對(duì)象完成操作的那部分空間成為 工作區(qū)域此機(jī)器人要完成全面噴涂,工作空間為 380L。 (3)靈活度:指操作機(jī)末端執(zhí)行器在工作時(shí),所能采取的姿態(tài)的多少,此 靈活度雖非很大,但它避免了人在惡劣的環(huán)境下,保證了人的身心健康,提高 了噴漆質(zhì)量。 4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)機(jī)器人既要完成正表面噴涂時(shí)的直線前進(jìn)后退任務(wù),又要完成過(guò)渡曲 面的噴涂,所以手臂的結(jié)構(gòu)選為直線伸縮關(guān)節(jié)和旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)關(guān)節(jié),直線伸縮關(guān)節(jié) 用來(lái)完成正表面的噴涂,旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)關(guān)節(jié)用來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)渡曲面的噴涂。 2 4.1 傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì) 有三種方案可供選擇:a 方案采用二級(jí)圓柱齒輪減速器,適合于繁重及惡 劣條件下長(zhǎng)期工作,使用維護(hù)方便,但結(jié)構(gòu)尺寸較大;b 方案,采用蝸桿減速 器,結(jié)構(gòu)緊湊,但傳動(dòng)效率較低;c 方案,采用一級(jí)圓柱齒輪減速器和開(kāi)式齒 輪傳動(dòng),工藝簡(jiǎn)單,成本低,效率高,根據(jù)機(jī)器手的工作條件,初步選定 c 方 案,在設(shè)計(jì)過(guò)程可能還要不斷修改和完善。一級(jí)圓柱齒輪減速器的簡(jiǎn)圖如下 : 圖 2 一級(jí)圓柱齒輪減速器 4.1.1 電動(dòng)機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)形式 噴漆機(jī)器手需要經(jīng)常啟動(dòng)和反轉(zhuǎn),要求電機(jī)有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和較大的過(guò)載 能力,選用三相異步電機(jī) YZR 型,結(jié)構(gòu)形式選用防爆型 1 。 4.1.2 選擇電機(jī)容量 在變化較小的載荷下長(zhǎng)期工作的機(jī)器,只要負(fù)載不超過(guò)額定植,電機(jī)便不 會(huì)過(guò)熱,所需電機(jī)功率: (1)wdpk 式中: 工作機(jī)實(shí)際需要的電動(dòng)機(jī)輸出功率;dp -工作機(jī)所需的輸入功率;w -電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)之間傳動(dòng)裝置的總效率; -般取 0.7 至 0.8,此處取 0.75。 (2)92.613.507wdp 3 4.1.3 確定電機(jī)轉(zhuǎn)速 按照工作機(jī)轉(zhuǎn)速要求和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的合理傳動(dòng)比范圍,可推算出電機(jī)轉(zhuǎn)速的 可選范圍: (3)12,nwi 總傳動(dòng)比選為 3.2i 根據(jù)選定電機(jī)的類型,結(jié)構(gòu),容量和轉(zhuǎn)速,選電機(jī) YZR132M2-6.它的額定 功率為 ,滿載轉(zhuǎn)速為 。4.0k90mir 4.1.4 分配各級(jí)傳動(dòng)比 總傳動(dòng)比 (4)3.2mwni 各軸分配 , 0.4i1.57i 傳動(dòng)裝置的實(shí)際傳動(dòng)比要由選定的齒數(shù)準(zhǔn)確計(jì)算,因此可能有誤差,此誤 差不應(yīng)該超過(guò)35。 4.1.5 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 設(shè)計(jì)計(jì)算傳動(dòng)件時(shí),需要知道各軸的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩或功率,需將工作機(jī)的轉(zhuǎn) 速、轉(zhuǎn)矩或功率推算到各軸上: 各軸的轉(zhuǎn)速: 從電動(dòng)機(jī)到工作機(jī)有二軸,依次記為 1,2 軸,則 (5) 1094.min.mnri (6) 12281.0i.57i 式中: -電機(jī)的滿載轉(zhuǎn)速。mn , -分別為 1,2 軸的轉(zhuǎn)速。12 各軸的功率 (7)101.260.912dpw (8)25 各軸的轉(zhuǎn)矩 (9) 0.126950.349ddmpTNmn 4 (10) 101342.0962.dTi Nm (11)257.30 式中: -電動(dòng)機(jī)軸的輸出轉(zhuǎn)矩;dT 4.2 傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 聯(lián)軸器不僅具有連接兩軸并傳遞轉(zhuǎn)矩的功能,還具有補(bǔ)償兩軸因制造和安 裝誤差造成的軸線偏移的功能,以及緩沖吸振安全保護(hù)的功能。電動(dòng)機(jī)軸和減 速器高速軸聯(lián)結(jié)用的聯(lián)軸器,由于軸的轉(zhuǎn)速較高,為減小啟動(dòng)載荷,緩沖吸振, 應(yīng)選較小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和具有彈性的聯(lián)軸器,一般選彈性柱銷聯(lián)軸器。選用 聯(lián)2HL 軸器, 其公稱轉(zhuǎn)矩為 315N.m,許用轉(zhuǎn)速為 2。 50minr 在減速器外,采用開(kāi)式直齒齒輪傳動(dòng),精度等級(jí)選為 7 級(jí),小齒輪材料選 為 40Cr,硬度為 280HBS,大齒輪材料為 45 鋼,硬度為 240HBS,兩者的硬度 材料差為 40HBS。 選小齒輪齒數(shù) ,大齒輪齒數(shù) ,取 =49 241z2148.96zu2z 4.2.1 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算數(shù)值 由設(shè)計(jì)計(jì)算式進(jìn)行試算,即 (12) 2112.3tEtdHKTuzd (1) 確定各計(jì)算數(shù)值 1)確定載荷系數(shù) .tk 2)計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 (13)1.3Tkw 3)查表選取齒寬系數(shù) d 4)查表查得材料的彈性影響系數(shù) 1289EZMPa 5)按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 ;大齒輪的60Hima 接觸疲勞強(qiáng)度極限 ;250HimPa 6)計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) (14) 9169612830154.70hNnjL (15)9924.7.6 5 7)查得接觸疲勞壽命系數(shù) , 10.9HNK20.95HN 8)計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為 1%.安全系數(shù)為 S=1。 (16) 1.64MPa (17)209552.Ha (2)計(jì)算 小齒輪分度圓直徑 d1,代入 中較小的值1 2 21 33 61.204189.2. . .53.5t EdHKTuZd m 1)計(jì)算圓周速度 v (18)18.5.60601tnmss 2)計(jì)算齒寬 b (19)1.3dt 3)計(jì)算齒寬與齒高之比 bh 模數(shù) (20)18.530.74ttmmz 齒高 (21)2.th (22) 18531056.74b 4)計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù) ,7 級(jí)精度,查得動(dòng)載荷系數(shù) ;0.428mvs 1.2vK 查得 ,1AK1.2HF (23) .2.43.9AVHK 5)按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑得 (24)3311.98521.06tdm 6)計(jì)算模數(shù) (25)12.06.84mz 就近圓整為 ,算出小齒輪齒數(shù) 6 (26)12z (27) 3.476.8u 大齒輪齒數(shù)取 76。 這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng),滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度,并結(jié)構(gòu)緊湊,節(jié)省浪 費(fèi)。 4.2.2 幾何尺寸計(jì)算 計(jì)算分度圓直徑 (28)10.8241.06dzmm (29)293 計(jì)算中心距 (30) 12.a 計(jì)算齒輪寬度 (31)061db 取 , 。21Bm130 大齒輪如圖 3 4.3 軸的設(shè)計(jì) 4.3.1 初步確定軸的最小直徑 (32)33min1.528.3PdAm 輸出軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處軸的直徑,為了使所選軸的直徑與 聯(lián)軸器孔徑相適應(yīng),同時(shí)選取聯(lián)軸器型號(hào)。 聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩 (33)21.39507.caATKNm 考慮到轉(zhuǎn)矩變化不大,故取 按照計(jì)算轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩的條件,查手冊(cè),選用 型彈性柱2HL 銷聯(lián)軸器,其公稱轉(zhuǎn)矩為 ,半聯(lián)軸器的孔徑 ,故取 50.N0d ;半聯(lián)軸器的長(zhǎng)度 ,與軸配合的轂孔長(zhǎng)度 ,故120dm38L1m 選 7l 4.3.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (1)為滿足半聯(lián)軸器軸向定位要求,右端制出一個(gè)軸肩,故 (34)23124dhm (2)初步選擇滾動(dòng)軸承。因滾針軸承工作時(shí)允許內(nèi)外圈有少量的軸向錯(cuò)動(dòng), 7 有較大的徑向承受能力,摩擦系數(shù)較大,故選此軸承,參照工作要求并根據(jù) ,有軸承目錄產(chǎn)品中初步選取 ,其尺寸為234dm 4905NA 圖 3 大齒輪零件圖 ,故 ,而 。25417dDTm235dm230l 右端滾動(dòng)軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位,由手冊(cè)查得它的定位軸肩高度 ,因此取 。1.h458d (3)取安裝齒輪處的軸段的直徑 ,齒輪的左端與左軸承間采用套568 筒定位,已知齒輪輪轂的寬度 ,為了使套筒端面可靠地壓緊齒輪,此軸L 段應(yīng)略小于輪轂寬度,故取 ,齒輪右端采用軸肩定位,軸肩高度230lm ,取 ,則軸環(huán)處的直徑 ,軸環(huán)寬度 ,取 0.7hdh5632d1.4bd6lm 各軸段的長(zhǎng)度和直徑如下圖: 圖 4 減速器軸段 5 直線伸縮關(guān)節(jié) 圖 5 為直線伸縮關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu), 該關(guān)節(jié)由滾珠絲桿、直線軸承、交流伺 服電動(dòng)機(jī)( 或帶制動(dòng)器) 、雙向滾柱式超越離合器等組成。雙向滾柱式超越離合 器起自鎖保護(hù)作用。圖 6 示出了直線伸縮關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。 它是利用絲杠的螺旋部分將螺桿的螺旋運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)器手的直線運(yùn)動(dòng),它 的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是能獲得很大的減速比和力的增益,具有傳動(dòng)效率高,起動(dòng)力 8 矩小,傳動(dòng)平穩(wěn),使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn),但它也具有制造工藝比較復(fù)雜,需要花 費(fèi)較大的人力和物力等缺陷。 圖 5 直線伸縮關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu) 5.1 絲杠的設(shè)計(jì) (1)初算滾珠絲杠副的導(dǎo)程 (35)max101052hVnmP 式中 : -絲杠副最大移動(dòng)速度 maxV - 絲杠副最大相對(duì)轉(zhuǎn)速n 1)估計(jì)滾珠絲杠允許最大的軸向變形 max (36)10.1583ma (37)22c 式中: -重復(fù)定位精度,0.006mm;1m -定位精度, 0.01mm;2 2)估算滾珠絲杠副底徑 , (38) 0fLda 9 圖 6 直線伸縮運(yùn)動(dòng)關(guān)系 (39) 0FW 式中: -支撐方式系數(shù),取 0.078;a -導(dǎo)軌的靜摩擦力;0F -軌靜摩擦因數(shù),取 0.05; L-滾珠絲杠兩軸支撐點(diǎn)距離,mm; 代入得 (40)03065.7812.fLdam (3)確定滾珠絲杠副的其他尺寸 1)滾珠絲杠副的螺紋長(zhǎng)度 2sucL (41) 式中: -有效行程;u -余程,查樣本取 20mm ;c 代入得 (42)235sucLm 2)絲杠全程 綜合考慮各項(xiàng)幾何尺寸要求,取 L 為 38mm. 零件圖如下 圖 7 絲杠 10 絲杠副是一種新型的螺旋傳動(dòng)元件,具有長(zhǎng)壽命,高強(qiáng)度,高效率,高靈 敏度,無(wú)間隙的特點(diǎn),并具有優(yōu)越的高速特性和耐磨損性及運(yùn)動(dòng)可逆性等特性, 同時(shí)它可有專業(yè)廠家生產(chǎn)和供應(yīng),已實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和商業(yè)化 4。 為滿足機(jī)器手高進(jìn)給速度、高定位精度和快速響應(yīng)的要求,必須合理選擇 滾珠絲杠副,絲杠為螺旋副結(jié)構(gòu)。 圖 8 滾珠螺旋工作原理圖 1 齒輪 2 返回滾道 3 螺桿 4 滾珠 5 螺母 6 鍵 7 機(jī)架 5.2 手臂機(jī)構(gòu)尺寸的初步確定 手臂機(jī)構(gòu)的尺寸即手臂的長(zhǎng)度和手臂的關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍應(yīng)該由機(jī)器人要完 成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間尺寸確定,因?yàn)闄C(jī)器人要完成 120mm 80mm 的正平 面和 R 40mm 的中間曲面的噴涂工作,初步確定出手臂的長(zhǎng)度 。 20m 5.3 操作機(jī)位置與姿態(tài)的確定 構(gòu)件的空間位置和姿態(tài)可用其上任一點(diǎn)(稱為基點(diǎn),通常選構(gòu)件的質(zhì)心或 形心基準(zhǔn))在空間的位置和與與構(gòu)件固接的坐標(biāo)系相對(duì)于參考參考坐標(biāo)系來(lái)確 定。 設(shè)有一構(gòu)件 j ,取其上任一點(diǎn) o 為基點(diǎn),以該點(diǎn)為原點(diǎn),在該構(gòu)件上設(shè)置 動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系 ,于是,構(gòu)件的空間位置和姿態(tài)就可用點(diǎn) 的位置矢量 jjoxyz joijR 和坐標(biāo)系 ,相對(duì)參考系 的方向余弦矩陣 來(lái)確定,即ixyzijR 11 (43)Tijijiojijiojrxyz 式中: 稱為構(gòu)件位置列陣;稱為構(gòu)件姿態(tài)矩陣,其右端矩陣中的各元為上述兩ijr 坐標(biāo)系相應(yīng)各軸之間夾角的余弦。 利用上式不難寫(xiě)出坐標(biāo)系 分別繞坐標(biāo)系 的 軸旋轉(zhuǎn) 角;繞ixyzjxyzi 軸旋 角;先繞 軸旋轉(zhuǎn) 角,達(dá)到 位置,再繞 軸旋轉(zhuǎn) 時(shí)各旋轉(zhuǎn)kykzizk 變換矩陣分別為 (44) 10cosiniaRij (45) 01sinijcos 由此可見(jiàn),運(yùn)用旋轉(zhuǎn)變換矩陣的依次連乘,可完成坐標(biāo)系的連續(xù)變換。因 此用這樣的方法就不難寫(xiě)出饒其他坐標(biāo)系連續(xù)變換的矩陣。 為方便起見(jiàn),構(gòu)件空間位置和姿態(tài)通常用一個(gè)坐標(biāo)平移旋轉(zhuǎn)變化鉅陣 來(lái)表示,即ijM (46)01RrijM 矩陣 又稱構(gòu)件的位姿矩陣。 ij 5.4 速度和加速度分析 在操作機(jī)位姿分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步討論操作機(jī)的速度和加速度,在以回 轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)連接的開(kāi)鏈操作機(jī)中,各桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)時(shí) 間導(dǎo)數(shù)為已知,現(xiàn)求操作機(jī)末端執(zhí)行器上一點(diǎn) p 在機(jī)座坐標(biāo)系中的速度 和0v 加速度 ,可有上式對(duì)時(shí)間求一次和二次導(dǎo)求得:0 (47)001231, n nivrrM (48) .0 0121,1,01231, 0n n nijni ij rr M 在上式中,對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié), , 而 為兩相鄰桿 和 間的相對(duì)角速0idi 度,對(duì)于移動(dòng)關(guān)節(jié),則 , 為桿 與 間的相對(duì)速度。iiS 12 5.5 角速度和角加速度分析 根據(jù)速度合成的原理可知,對(duì)于開(kāi)鏈?zhǔn)降牟僮鳈C(jī)末端執(zhí)行器的絕對(duì)角速度 等于操作機(jī)中所有回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角速度 的矢量和 ,由于前面已規(guī)定各回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)i 的軸線沿 軸,所以角速度矢 在坐標(biāo)系 中可表示為 zi ixyz0Tii ,而在機(jī)座坐標(biāo)系中 的角速度Oxyz 0123,1noiiwR (49) 角加速度 (50) 0123,1012.1, n no ii jii jR 6 尺寸優(yōu)化 6.1 初步確定尺寸 機(jī)械手的主參數(shù)為最大抓重量(目前,該值通常為 10 公斤左右,故設(shè)重物 為 10kg,影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度,設(shè)機(jī)械手 最大移動(dòng)速度 1.2m/s,最大回轉(zhuǎn)速度為 ,手臂機(jī)構(gòu)的尺寸即手臂的長(zhǎng)度和120s 手臂的關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍應(yīng)該由機(jī)器人要完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間尺寸確定, 因?yàn)闄C(jī)器人要完成 120mm 80mm 的正平面和 R 40mm 的中間曲面的噴涂工作, 初步確定出手臂的長(zhǎng)度 ;選用合金鋼管作為手臂的原始材料;鋼管的厚20m 度為 為 ;查常用材料手冊(cè)得出,彈性模量為 ,許用T5 5210EMP 彎曲應(yīng)力 ;許用剪切應(yīng)力 ;允許撓度 ;密1MP80PLf 度為 , 求解滿足使用要求前提下手臂的最小質(zhì)量。37.8g 6.2 設(shè)計(jì)分析 手臂運(yùn)動(dòng)由直線伸縮運(yùn)動(dòng)與帶動(dòng)重物旋轉(zhuǎn)的水平回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成,手臂自重 相對(duì)于重物來(lái)說(shuō),對(duì)手臂強(qiáng)度計(jì)算的影響較小,可不作考慮,故設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮 重物 的作用。G 6.2.1 抗拉強(qiáng)度分析 手臂 N 點(diǎn)處受到最大拉應(yīng)力 , 是由彎矩 產(chǎn)生的拉應(yīng)力 與向maxaxM1 心力 產(chǎn)生的應(yīng)力 組成,其中 為抗彎截面系數(shù), 僅與截面形狀、F11tWW 尺寸有關(guān),對(duì)于外徑為 ,內(nèi)徑為 的圓環(huán)截面有 3:Dd (51) 432t MGL 13 (52) 2224DTADT (53 )21FmLw 根據(jù)抗拉強(qiáng)度條件有: (54)maxNstMA 將式(51)(52)(53)及已知數(shù)據(jù)代入式(54),取 (下同)310gm , 計(jì)算整理得 (55)3212097460DLD 6.2.2 抗剪強(qiáng)度條件 手臂 N 點(diǎn)處所受剪應(yīng)力最大,因圓截面壁厚 遠(yuǎn)小于外徑 ,故最大剪應(yīng)TD 力為 (56)max2NQTA 根據(jù)抗剪強(qiáng)度條件有 (57)axt 將已知數(shù)據(jù)代入 ,計(jì)算得 0.2Dc 6.2.3 剛度條件 由受力分析得, 點(diǎn)處撓度 最大,據(jù)剛度條件Mw (58) 3maxGLEI 式中: 為材料的彈性模量 ;E 為截面慣量矩;I (59)46IDd 代入數(shù)據(jù)整理得 (60)3220180.L 6.2.4 結(jié)構(gòu)尺寸限制 (61) DT (62)30Lm 14 7 建立數(shù)學(xué)模型 優(yōu)化設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)是機(jī)械手臂的質(zhì)量 最小, 計(jì)算表達(dá)式為:2m2 (63)12, 0.5.014mxMDTLPDL 式中:設(shè)計(jì)變量 TL 由第二步設(shè)計(jì)分析計(jì)算得 的值約為 5. 故上式可簡(jiǎn)化為 (64)2in0.46mxLD 顯然, , 越小值 越小,據(jù)此可寫(xiě)出優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型LD2i.319700.22864LDT3m 此數(shù)學(xué)模型是一個(gè)單目標(biāo)非線性二維約束優(yōu)化問(wèn)題 5。 8 優(yōu)化計(jì)算 我們將用于求解優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的方法或?qū)?yōu)的方法稱為優(yōu)化計(jì)算方法。 對(duì)于機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題,求解常常需要經(jīng)過(guò)多步迭代,最終收斂得到最優(yōu)解 , 這里運(yùn)用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法的理論,應(yīng)用軟件進(jìn)行輔助優(yōu)化計(jì)算與設(shè)計(jì),以求得機(jī) 械手臂的最佳設(shè)計(jì)參數(shù) . 程序如下 ezplot hold on y=0:0.1:50 x=0.2; plot( x,y,k ) hold on ezplot hold on y=0:0.1:50; x=0.4; 15 plot(x,y,k) hold on x=0:0.1:10; y=40; plot (x,y,m) hold cn title text hold off 應(yīng)用 MATAB 軟件求解 (1)編寫(xiě)目標(biāo)函數(shù)的文件 Obj.fun,m,返回 X 的函數(shù)值 f 。 Function f=objfun(x). f=0.00468*(1)*(2); (2)因設(shè)計(jì)約束含非線性約束,故需編寫(xiě)一個(gè)描述非線性約束的文件 NonLin constr.m Function=non.Lin.str(x); (3)給定函數(shù)的初值,并調(diào)用優(yōu)化函數(shù) 40;B10;xA Ib=zeros(1,1); Opetions=optimiset; (4)計(jì)算結(jié)果 x=3.186 fval=0。7201 exitflag= outplot= iterations:2 funCount:11 slepsize: firstorderopt: 0.184 cgiterations 經(jīng) 11 次迭代計(jì)算后, 求得最優(yōu)方案為 , , , 10Dm1l28lm0.7kg 16 9 力學(xué)分析 手臂所受的力和力矩分別為 (65)1,222cFmgkv (66)12 2Mrlwl 式中: 。0Tk 以上各式中, 分別表示坐標(biāo)系 2 的原點(diǎn)到大、小臂質(zhì)心的矢量 ; ,2,c 2cv , 分別為大、小臂質(zhì)心處的速度和加速度 ; 標(biāo) 和 c2 分別表示大、小臂1w2 1 的質(zhì)心。 由于關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩只是 z 軸方向分量,由此可得不計(jì)摩檫的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩 (67) 11122HhG (68)2 2 式中: 21112cmlllcl222112lcmlHC221cGmlg 采用噴漆機(jī)器人位置逆解模型, 對(duì)上述離散點(diǎn)序?qū)嵤┳儞Q,得到關(guān)節(jié)空間各 伺服軸的相應(yīng)離散點(diǎn)序, 并將它轉(zhuǎn)化成 PVT 格式,送入多軸運(yùn)動(dòng)控制器的循環(huán)緩 沖區(qū),利用多軸控制器所提供的 PVT 插補(bǔ)模式,對(duì)伺服軸上的離散點(diǎn)序進(jìn)行細(xì) 分,并通過(guò)伺服放大器驅(qū)動(dòng)電機(jī)使噴漆機(jī)器人按預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng),該插補(bǔ)可被認(rèn)為 是對(duì)噴漆機(jī)器人數(shù)控的精插補(bǔ),在這種控制方式中,加速度是時(shí)間的線性函數(shù),由 此可以得到伺服電機(jī)在任意時(shí)刻的加速度、速度和位置函數(shù) (69)0tat (70)21tv (71)006tptat 式中: 2316v0a -PVT 方式時(shí)間段 , -積分常數(shù)0VP 通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析,代入優(yōu)化出的尺寸,可得大、小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大輸出扭 17 矩 分別為 3N m 和 4N m。 9.1 慣量匹配 系統(tǒng)的慣量匹配對(duì)于系統(tǒng)的靈敏度影響很大, 若負(fù)載慣量過(guò)大, 則伺服電 機(jī)加減速的時(shí)間較長(zhǎng), 同時(shí)還影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性,因此一般應(yīng)滿足下式 0.50.8Jmf (72) 式中: 為伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量( ) , 可由伺服電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品樣本查mJ 2.kg 得; 為折算到伺服電動(dòng)機(jī)軸上的全部負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, 或稱為等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(f2.kg )。 設(shè)系統(tǒng)中三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)零件(兩個(gè)齒輪, 一個(gè)絲桿) 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩分 別用 , 和 表示, 移動(dòng)部分的總質(zhì)量、移動(dòng)速度和所受的力分別用 m、v 和JiwiT F 來(lái)表示, 則運(yùn)動(dòng)部分的總能量: (73) 3221iEJwmv 將其轉(zhuǎn)化到速度為 ( ) 的伺服電動(dòng)機(jī)的輸出軸上,設(shè)其等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量iwin 為 ,則輸出軸的能量為:kJ (74)2kkEJ 根據(jù)能量守恒定律, ,則等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:k231()()4ifikkvmn (75) 將各部件的參數(shù)代入式(7),求得 后用 72)進(jìn)行驗(yàn)算。fJ 9.2 轉(zhuǎn)矩匹配 對(duì)于 380L 型機(jī)器人, 各直線伸縮關(guān)節(jié)動(dòng)作時(shí), 只是帶動(dòng)相應(yīng)的臂和腕部運(yùn) 動(dòng), 因此只存在由系統(tǒng)質(zhì)量移動(dòng)引起的負(fù)載, 而沒(méi)有其他外加的載荷, 伺服電動(dòng) 機(jī)空載加速啟動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由下式給出 (76)maxrnT 式中: 為空載啟動(dòng)時(shí)折算到伺服電機(jī)輸出軸上的加速轉(zhuǎn)矩(Nm ) ;ax 為折算到伺服電機(jī)輸出軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩;f 為由于絲桿預(yù)緊而引起的折算到伺服電機(jī)輸出軸上的附加轉(zhuǎn)矩( 此項(xiàng)較0 18 小, 可以忽略)。 (77)maxax260dfnTJt 式中: 為快速啟動(dòng)時(shí), 伺服電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速( inr) ; maxn t 為系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)(s) , 可由伺服電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品樣本查得。 對(duì)于圖 5, 設(shè)絲桿的導(dǎo)程為 P , 兩齒輪的齒數(shù)分別為 1z和 2, 則 (78)maxzvnp (79)2zgfT 式中:f 為直線軸承在滑桿上的摩擦系數(shù); 為系統(tǒng)的總機(jī)械效率, 一般取 0.7-0.85。 實(shí)踐說(shuō)明的是, 在上述慣量匹配和轉(zhuǎn)矩匹配的計(jì)算過(guò)程中, 代入所求數(shù)據(jù)滿 足要求。 10 旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)關(guān)節(jié) 5 個(gè)旋轉(zhuǎn)(擺動(dòng)) 關(guān)節(jié)采用了相同的結(jié)構(gòu), 由于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)主要承受扭矩, 因此 采用了傳動(dòng)比大和傳動(dòng)效率高的擺線針輪減速器與伺服電機(jī)直接相連,不同的 關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)不同的參數(shù)要求, 因此在每一關(guān)節(jié)的伺服電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)確定,依據(jù)所 需的扭矩來(lái)進(jìn)行。 11 關(guān)節(jié)控制 有兩套備選方案,PLC 控制和單片機(jī)控制。使用單片機(jī)的好處是相對(duì)而言 成本比較低,加上碼盤(pán)記數(shù)控制精度相當(dāng)高。但是由于是自制且功能比較復(fù)雜, 不能保證其較高的可靠性,同時(shí)制作時(shí)間比較長(zhǎng),且加裝碼盤(pán)比較復(fù)雜,所以 在完成了一個(gè)帶碼盤(pán)的電機(jī)架后放棄了這個(gè)方案。又因?yàn)镻LC的價(jià)格太高且需 要大量的繼電器進(jìn)行驅(qū)動(dòng),也覺(jué)得不理想。所以決定對(duì)兩個(gè)方案折中修改。 最終選定經(jīng)簡(jiǎn)化的單片機(jī)的控制方案,由于使用的基本都是現(xiàn)成的工業(yè)組 件產(chǎn)品,非常容易買到,價(jià)格也比較低。單片機(jī)選用ATMEL AT89C51,驅(qū)動(dòng) 電路選擇了ST L298N,其允許控制的電流可以直接驅(qū)動(dòng)電機(jī),從而省略了繼電 器。 由于每個(gè)手指僅有一個(gè)力傳感器和兩個(gè)位置傳感器(分別為完全伸展的起 始位置和完全收攏的終止位置)所以必須通過(guò)延時(shí)控制來(lái)使每個(gè)手指停留在特 定的位置。經(jīng)過(guò)測(cè)試,雖然電機(jī)在空載和滿負(fù)荷時(shí)的轉(zhuǎn)速特性有很大的不同, 但是各個(gè)電機(jī)之間的個(gè)體差異非常小,且轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。這就使延時(shí)控制成為可能, 19 雖然這樣無(wú)法提供像碼盤(pán)記數(shù)這樣的精確度,但也足夠滿足要求了。只需將空 載和滿負(fù)荷時(shí)的延時(shí)作出不同的定義即可。 每個(gè)電機(jī)通過(guò)力傳感器中的微動(dòng)開(kāi)關(guān)接出,由單片機(jī)控制正反轉(zhuǎn)。微動(dòng)為 兩向兩路,不但提供單片機(jī)反饋信號(hào),同時(shí)也起到一個(gè)硬保護(hù)的作用,因?yàn)樗?直接作用于電機(jī)的供電電路,當(dāng)其被觸動(dòng)后電機(jī)停轉(zhuǎn)后只能反轉(zhuǎn)。當(dāng)手指到達(dá) 兩個(gè)最終位置時(shí)單片機(jī)也會(huì)得到反饋信號(hào),使電機(jī)停轉(zhuǎn),由于這兩個(gè)傳感器不 會(huì)造成結(jié)構(gòu)上的損壞,所以在這兩個(gè)位置沒(méi)有提供類似的硬保護(hù),僅負(fù)責(zé)提供 開(kāi)關(guān)量信號(hào)。 由于采用延時(shí)控制,當(dāng)機(jī)械手通過(guò)延時(shí)完成一個(gè)動(dòng)作之后,必須復(fù)位一次, 即回到完全伸展的狀態(tài),記時(shí)器全部清零后才能完成下一個(gè)動(dòng)作。這是這種控 制方式最大的不足。 當(dāng)然如果時(shí)間允許,完全可以使用單片機(jī)來(lái)進(jìn)行精確控制,所需要做的工 作就是給每個(gè)電機(jī)加上碼盤(pán)和相應(yīng)的電路,由于在設(shè)計(jì)上完全預(yù)留了幾何空間 (這是原先的方案),所以完全可以根據(jù)需要進(jìn)行升級(jí)。 12 結(jié)語(yǔ) 機(jī)器人的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)整機(jī)的伺服性能有很大的影響,因此其結(jié)構(gòu)的合 理與精心設(shè)計(jì)是整機(jī)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵,由于機(jī)械在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,各構(gòu)件會(huì)受到較大 的慣性力,兼之截面直徑較小,剛度較弱,構(gòu)件易受到較大變形,易產(chǎn)生振動(dòng), 從而降低了機(jī)械工作的準(zhǔn)確性。本文設(shè)計(jì)了機(jī)器人的直線伸縮關(guān)節(jié),從強(qiáng)度, 剛度,轉(zhuǎn)矩等方面進(jìn)行的相應(yīng)的校核,克服了以往構(gòu)件的截面直徑較小,剛度 較弱,因而構(gòu)件易受到較大的變形,易產(chǎn)生振動(dòng)的缺點(diǎn),從而保證了它的剛度 和強(qiáng)度要求,提高了工作效率,降低了生產(chǎn)成本,維護(hù)了人的身心健康。 致謝 本文是在指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)下完成的,指導(dǎo)老師具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度, 豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在治學(xué)及做人方面都給予我很大的幫助,使我少走了許多彎 路,衷心感謝劉老師對(duì)我的關(guān)心指導(dǎo)和幫助。 同時(shí)也感謝三利集團(tuán)的崔工和史工以及其他的不知名的好心員工的大力幫 助,他們豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)使我受益匪淺,也向曾經(jīng)給予過(guò)我?guī)椭钠渌蠋熀?同學(xué)深表感謝。 20 參考文獻(xiàn) 1魏延斌。智能傳感器研究J。交通科技與經(jīng)濟(jì),2002 ,28(3) :249252 2尹琦。某縣級(jí)電網(wǎng)區(qū)域無(wú)功電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)研究J。四川電力技術(shù),2006(4) 3王學(xué)通,王偉,王理?,F(xiàn)代電子技術(shù)J。多 agent 系統(tǒng)研究概述, 2001,2(3): 4952 4鄧劉海,祁連杰。設(shè)備管理與維修J 。VDL-1000 立式加工中心性能分析,2003(3) 5陳捷,王振宇,馬慶鑫。設(shè)備管理和維J 。K778 型數(shù)控滑枕銑床簡(jiǎn)介,2006,2(6): 90100 6林宇邱,婷婷,邱林敏。鳳凰紙業(yè)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的改造R 。中華紙業(yè),2006(3) 7周志堅(jiān),邱春玲。設(shè)備管理和維護(hù)J 。 基于 NPX-I 傳感器的遠(yuǎn)程壓力監(jiān)視模塊的設(shè) 計(jì),2006(3)100106 8張錦水,何春陽(yáng),潘耀忠。基于 SVM 的多源信息復(fù)合的高空間分辨率遙控?cái)?shù)據(jù)分類研 究M 。北京:北京航空航天大學(xué)自動(dòng)控制系,1998 9陳劍洪。利用 PLC 控制鑄造區(qū)中間罐車M 。中國(guó)科技信息,2006(5) 10吳展遙。電能質(zhì)量數(shù)據(jù)采集和諧波分析方法的實(shí)現(xiàn)M 。北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 1996 11龔振邦.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)M 。北京:電子工業(yè)出版社, 1995 12 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫(xiě)組,機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)M 。第三版,北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 1995 13馬香峰。工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計(jì)M 。北京:冶金工業(yè)出版社, 1996 14郭武。噴漆機(jī)器人的功能、選型及應(yīng)用J 。機(jī)器人, 1990,12(6)5459 15孫桓,陳作模。機(jī)械原理M 。北京:高等教育出版社, 2001 21
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