油箱內(nèi)噴漆機(jī)器人直線(xiàn)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(lèi)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(xiàn)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(chē)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(chē)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(xiàn)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(lài)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(lèi)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(mǎn)足強(qiáng)度要求，又要滿(mǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(mǎn)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(xiàn)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(xiàn)伸縮關(guān)節(jié)和旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)關(guān)節(jié)，直線(xiàn)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(lèi)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(lèi)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(mǎn)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(mǎn)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(xiàn)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(xiāo)聯(lián)軸器。選用 聯(lián)2HL 軸器， 其公稱(chēng)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(mǎn)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(chēng)轉(zhuǎn)矩的條件，查手冊(cè)，選用 型彈性柱2HL 銷(xiāo)聯(lián)軸器，其公稱(chēng)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(mǎn)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(xiàn)伸縮關(guān)節(jié) 圖 5 為直線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(zhuān)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(mǎn)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(chēng)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(chēng)為構(gòu)件位置列陣；稱(chēng)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(chēng)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(xiàn)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(mǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(chēng)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(xiàn)性約束，故需編寫(xiě)一個(gè)描述非線(xiàn)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(xiàn)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(mǎn)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(chēng)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(xiàn)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(xiàn)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(mǎn) 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(xiàn)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(mǎi)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(mǎn)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(mǎn)足要求了。只需將空 載和滿(mǎn)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(lèi)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(xiàn)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) 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n車(chē)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(chē)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)的油箱內(nèi)噴漆機(jī)器人。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。2總體機(jī)構(gòu)n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(xiàn)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(xiàn)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)，旋轉(zhuǎn)一定角度以滿(mǎn)足噴槍始終與被噴涂表面垂直。3.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) n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。3.1傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)n電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)形式電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)形式選用三相異步電機(jī)選用三相異步電機(jī)YZR型，結(jié)構(gòu)形式選用防爆型。型，結(jié)構(gòu)形式選用防爆型。n選擇電機(jī)容量選擇電機(jī)容量在在變變化化較較小小的的載載荷荷下下長(zhǎng)長(zhǎng)期期工工作作的的機(jī)機(jī)器器，只只要要負(fù)負(fù)載載不不超超過(guò)過(guò)額額定定植植，電電機(jī)機(jī)便便不不會(huì)會(huì)過(guò)熱，所需電機(jī)功率：過(guò)熱，所需電機(jī)功率：n確定電機(jī)轉(zhuǎn)速確定電機(jī)轉(zhuǎn)速根根據(jù)據(jù)選選定定電電機(jī)機(jī)的的類(lèi)類(lèi)型型，結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，容容量量和和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速，選選電電機(jī)機(jī)YZR132M2-6.它它的額定功率為：的額定功率為：滿(mǎn)載轉(zhuǎn)速為：滿(mǎn)載轉(zhuǎn)速為：n 分配各級(jí)傳動(dòng)比分配各級(jí)傳動(dòng)比總傳動(dòng)比：總傳動(dòng)比：各軸分配各軸分配：計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)式中:電動(dòng)機(jī)軸的輸出轉(zhuǎn)矩 3.2傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算n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(xiàn)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(xiāo)聯(lián)軸器,選用HL2聯(lián)軸器，n其公稱(chēng)轉(zhuǎn)矩為315N.m，許用轉(zhuǎn)速為500r/min.n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。n選小齒輪齒數(shù)，大齒輪齒數(shù)取49。按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算數(shù)值按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算數(shù)值1)計(jì)算分度圓直徑 n計(jì)算中心距 n計(jì)算齒輪寬度 n取 ，大齒輪如下圖 4 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)n（1)為滿(mǎn)足半聯(lián)軸器軸向定位要求，右端制出一個(gè)軸肩，故 n(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)，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dDT=25mm42mm17mm，故 ；而 。n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h=1.5mm，因此取d=48mm。n(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，取h=2mm，軸環(huán)寬度 各軸段的長(zhǎng)度圖和直徑如下：圖4減速器軸段5直線(xiàn)伸縮關(guān)節(jié)直線(xiàn)伸縮關(guān)節(jié)n圖5為直線(xiàn)伸縮關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，該關(guān)節(jié)由滾珠絲桿、滾針軸承、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6 絲杠的設(shè)計(jì)絲杠的設(shè)計(jì)n(1)初算滾珠絲杠副的導(dǎo)程n2)估算滾珠絲杠副底徑n(3)確定滾珠絲杠副的其他尺寸 綜合考慮各項(xiàng)幾何尺寸要求，取L為38mm.1）滾珠絲杠副的螺紋長(zhǎng)度2）絲杠全程滾珠絲杠螺旋原理圖滾珠絲杠螺旋原理圖1齒輪2返回滾道3螺桿4滾珠5螺母6鍵7機(jī)架7手臂機(jī)構(gòu)尺寸的初步確定手臂機(jī)構(gòu)尺寸的初步確定根據(jù)機(jī)器手的工作空間，初步確定出手臂的長(zhǎng)度。操作機(jī)位置與姿態(tài)的確定操作機(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(chēng)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。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)速度為1.2m/s，最大回轉(zhuǎn)速度為120/s，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20mm80mm的正平面和R40mm的中間曲面的噴涂工作，初步確定出手臂的長(zhǎng)度小于20mm，選用合金鋼管作為手臂的原始材料；鋼管的厚度為5mm，求解滿(mǎn)足使用要求前提下手臂的最小質(zhì)量。7.1抗拉強(qiáng)度分析抗拉強(qiáng)度分析7.2抗剪強(qiáng)度條件抗剪強(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)力為根據(jù)抗剪強(qiáng)度條件有將已知數(shù)據(jù)代入，計(jì)算得7.3剛度條件n由受力分析得，點(diǎn)處撓度最大，據(jù)剛度條件代入數(shù)據(jù)整理得8建立數(shù)學(xué)模型n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)n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。Functionf=objfun(x).f=0.00468*(1)*(2);(2)因設(shè)計(jì)約束含非線(xiàn)性約束，故需編寫(xiě)一個(gè)描述非線(xiàn)性約束的文件NonLinconstr.mFunction=non.Lin.str(x);(3)給定函數(shù)的初值，并調(diào)用優(yōu)化函數(shù)Ib=zeros(1,1);Opetions=optimiset;(4)計(jì)算結(jié)果x=3.186fval=0。7201exitflag=outplot=iterations：2funCount：11slepsize:firstorderopt:0.184cgiterations經(jīng)11次迭代計(jì)算后,求得最優(yōu)方案為慣量匹配系統(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(mǎn)足下式式中：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.轉(zhuǎn)矩匹配n對(duì)于380L型機(jī)器人，各直線(xiàn)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 通過(guò)相應(yīng)的計(jì)算，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(mǎn)足要求，在論文中有詳細(xì)的論述，在此不再詳述。結(jié)束語(yǔ)n本文設(shè)計(jì)了機(jī)器人的直線(xiàn)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。致致謝謝n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。n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)椭钠渌蠋熀屯瑢W(xué)深表感謝。
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