油箱內噴漆機器人直線伸縮關節(jié)設計【噴涂機器人】【說明書+CAD】

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?áóDoüo?μ?D§1?￡???1???′òμ1oó￡??í??×??-?·??μ??-ê?2???′?×ˉ?￡ ????IN?-ê?2???′?×ˉ(BONECIRCLEVILLAGE) ??????è?oó￡?óéóú??ò?ò??-2???￡?í??ò?éò ?????????????????????????????????????????? ???????????????????????????????????????? ?í??òó|??oü?ì?éò???±é￡??ú?a±??éò??òμ?μú??????￡?í??ùê1ó???ê3￡?áíía?ú??·??ó?ó?a??·?′|óDò?èo??ò?￡?ó?èa???????1±￥oó￡??í?éò?°????????eà′￡?????à′μ??÷·??ó?ó￡?í??ù??è?oó￡ ????????????```??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 畢業(yè)論文（設計）任務書 題目名稱 油箱內噴漆機器人直線伸縮關節(jié)設計 學生姓名 所學專業(yè) 機電技術教育 班級 指導教師 所學專業(yè) 機電一體化 機械設計制造 職稱 完成期限 2007年1月20日 至 2007年5月20日 一、 論文（設計）主要內容及主要技術指標 1．主要內容 要求設計出油箱內噴漆機器人的直線伸縮關節(jié)。 2．技術指標 （1）能夠完成直線伸縮。 （2）傳動平穩(wěn)。 （3）能夠保證強度和剛度要求。 二、畢業(yè)論文（設計）的基本要求 1．畢業(yè)設計（論文）一份：有400字左右的中英文摘要，正文后有15篇左右的參考文獻，正文中要引用5篇以上文獻，并注明文獻出處。論文字數(shù)在6000字以上； 2．有不少于2000漢字的與本課題有關的外文翻譯資料； 3．畢業(yè)設計總字數(shù)在10000字以上； 4．裝配圖一張（要求: 有CAD圖或手繪圖）。 三、畢業(yè)論文（設計）進度安排 1．2007年1月8日-1月20日，下達畢業(yè)設計任務書；寒假期間完成外文資料翻譯和開題報告。 2．2007年3月5- 11日（第1周），指導教師審核開題報告和設計方案。 3．2007年3月12日-4月15日（第2-6周），畢業(yè)設計單元部分設計。 4．2007年4月16-22日（第7周），畢業(yè)設計中期檢查。 5．2007年4月22-5月13日（第7-10周），整理、撰寫畢業(yè)設計（論文）。 6．2007年5月14-20日（第11周）上交畢業(yè)論文，指導、評閱教師審查評閱論文，畢業(yè)設計答辯資格審查，學生修改整理論文,畢業(yè)設計（論文）答辯。 畢業(yè)論文（設計）課題審核表 院（系）名稱 機電學院 專業(yè)名稱 機電技術教育 指導教師 姓名及職稱 課題名稱 油箱內噴漆機器人直線伸縮關節(jié)設計 課題來源 立題理由 和所具備 的條件 在噴漆行業(yè)，人工噴漆不僅環(huán)境惡劣，嚴重地影響了人的身心健康，而且制約了生產效率的提高，而噴漆機器人具有不怕酷熱寒暑，不怕輻射和污染，不怕危險的優(yōu)點，從而縮短了生產周期，降低了生產成本，減少了噴漆廢品，提高了噴漆質量，并且保證了噴漆操作在時間和空間上的延續(xù)性和連續(xù)性，因而，噴漆機器人不可避免地成為一個發(fā)展方向，在科技發(fā)展的今天和工程師們的努力下，不久的將來，三利集團將實現(xiàn)噴漆自動化。 教研室 審批意見 教研室主任簽字： 年 月 日 畢業(yè)論文（設 計）工作領導 小組審批意見 組長簽字：： 年 月 日 注：本表經(jīng)教務處復審后存院（系）備查。 XX學院 2007屆本科畢業(yè)設計 論文題目：油箱內噴漆機器人直線伸縮關節(jié)設計 學生姓名： 所在院系： 所學專業(yè)： 導師姓名： 完成時間：2007年5 月20 日 XX學院 2007屆本科畢業(yè)設計 論文題目：油箱內噴漆機器人直線伸縮關節(jié)設計 學生姓名： 所在院系： 機電學院 所學專業(yè)： 導師姓名： 完成時間：2007年5 月20 日 摘 要 在噴漆行業(yè)，人工噴漆嚴重影響了人的身心健康，制約了生產效率的提高，為避免人在有毒、易燃、易爆的惡劣環(huán)境下工作，減少噴漆廢品，提高噴漆質量，提高勞動生產率，迫切需要實現(xiàn)噴漆自動化，而噴漆機器人不怕酷熱寒暑，不怕輻射和污染，不怕危險，效率高，縮短了生產周期，降低了生產成本，并且保證了噴漆操作在時間和空間上的延續(xù)性與連續(xù)性，文章首先進行了噴漆機器人傳動裝置的分析，接著討論了該機器人的直線伸縮關節(jié)，通過工作空間分析進行結構設計，并進行了抗拉、抗剪和剛度校核，給出了慣量匹配、轉矩匹配等控制參數(shù)的調節(jié)計算方法。 關鍵詞：噴漆機器人，直線伸縮關節(jié)，結構設計，參數(shù)調節(jié) The Design of Linear Expansion Joints of Fuel Tank Painting Robot Abstract In the painting industry, artificial painting has a serious impact on people's physical and mental health, and prevents the enhancement of production efficiency, it is urgent to achieve automation in painting. The sprayed painting robot is not afraid of hot summers, radiation, pollution, and danger. It works highly in efficiency, and shortens the cycle and reduces the cost of production, and ensures that the painting operation continuity in time and space. This paper firstly analysizes the painting robot gear, discuss the robot straight telescopic joints, designs the Structural through their working space analysis, then check the tensile, shear stiffness and verification, gives the adjustment calculation of the inertia matching and torque control matching. Keywords: Painting Robot; Linear telescopic joints; Sructural design; Parameter adjustment 本科畢業(yè)論文（設計）中期進展情況檢查表 學生姓名 班級 指導教師 論文（設計） 題目 油罐內噴漆機器人直線伸縮關節(jié)設計 目前已完成任務 1．完成兩千余字的外文翻譯。 2．查閱大量相關文獻。 3．基本完成論文草稿。 4．根據(jù)草稿完善開題報告。 5．完成了傳動裝置的設計。 是否符合任務書要求進度：符合 尚需完成的任務 1．繼續(xù)對論文材料進行組織和整理。 2．按照論文提綱，有步驟有計劃的開展論文工作，存在問題要及時與老師及工程師溝通。 3． 對已完成的論文內容進行檢查審核，力求把問題降到最少。 4．到規(guī)定的時間完成論文初稿。 5．根據(jù)指導老師的指導意見和全部材料完成論文。 6．畫裝配圖。 能否按期完成論文（設計）：能 存在問題和解決辦法 存 在 問 題 ? 在機構設計中碰到了許多公式和圖片的處理 擬 采 取 的 辦 法 學習公式的處理的基本方法和圖片處理工具Fireworks的基本操作方法 指導師簽 字 ? 日期 年 月 日 教學院長（主任）意 見 ? 負責人簽字： 年 月 日 0 目 錄 1 緒論? ....................................................1 2 總體機構 .................................................1 3 工業(yè)機器人的技術指標 .......................................2 4 結構設計 .................................................2 4.1 傳動方案的設計 ................................................3 4.1.1 電動機的類型和結構形式 ....................................3 4.1.2 選擇電機容量 ..............................................3 4.1.3 確定電機轉速 ..............................................4 4.1.4 分配各級傳動比 ............................................4 4.1.5 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù) ..............................4 4.2 傳動零件的設計計算 ............................................5 4.2.1 按齒面接觸疲勞強度計算數(shù)值 ................................5 4.2.2 幾何尺寸計算 ..............................................7 4.3 軸的設計 ......................................................7 4.3.1 初步確定軸的最小直徑 ......................................7 4.3.2 軸的結構設計 ..............................................8 5 直線伸縮關節(jié) ..............................................9 5.1 絲杠的設計 ....................................................9 5.2 手臂機構尺寸的初步確定 .......................................12 5.3 操作機位置與姿態(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 設計分析 .....................................................14 6.2.1 抗拉強度分析 .............................................14 6.2.2 抗剪強度條件 .............................................14 6.2.3 剛度條件 .................................................15 6.2.4 結構尺寸限制 .............................................15 7 建立數(shù)學模型 .............................................15 8 優(yōu)化計算 ................................................16 9 力學分析 ................................................17 9.1 慣量匹配 .....................................................18 9.2 轉矩匹配 .....................................................19 10 旋轉擺動關節(jié) ............................................19 11 關節(jié)控制 ...............................................20 12 結語 ...................................................20 致謝 .....................................................21 參考文獻 ..................................................22 0 1 緒論? 車用油箱系列產品其外形呈橢圓柱狀, 上方開有一圓形入口, 整個油箱在縱 向被兩塊隔油板分成三個儲油區(qū)，該系列油箱用于汽車燃油的儲運, 在其制造 過程中, 其內腔壁需經(jīng)三層漆料的噴涂, 要求噴涂均勻, 涂層厚薄一致, 無遺漏 點; 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 儲運的動力燃油的清潔，但受油箱結構的限制, 人工噴漆的操作環(huán)境極為惡劣， 為此, 筆者研究設計了一種能替代人工噴漆作業(yè)的 380L 油箱內噴漆機器人的直 線伸縮關節(jié)，由于工業(yè)機器人能夠根據(jù)作業(yè)對象完成多種復雜動作, 因此, 使用 機器人完成噴漆作業(yè)是一種有效的方法, 噴漆質量和生產率也較易保證。 工業(yè)機器人通常有執(zhí)行機構、驅動-傳動機構、控制系統(tǒng)和智能系統(tǒng)四部分 組成。執(zhí)行機構是機器人賴以完成各種作業(yè)的主體部分，通常為空間連桿機構； 機器人的驅動- 傳動裝置由驅動器和傳動機構組成，它們通常與執(zhí)行機構連為一 體，此機器人的驅動器采用伺服電機；控制系統(tǒng)一般有控制計算機和伺服控制 器組成，前者發(fā)出指令協(xié)調各有關驅動器之間的運動，后者控制各關節(jié)驅動器， 使各桿能按預定的運動規(guī)律運動；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實現(xiàn)。 機器人的機械設計與一般的機械設計相比, 既具有類似性, 又有其獨特性。 從機構學的角度來看, 機器人的機械結構可看作是一系列連桿通過旋轉關節(jié)、 移動關節(jié)組成，具有靈巧性和空間可達性等, 但由于開鏈式結構實際上是一系 列懸臂桿件串聯(lián)而成的, 機械誤差和彈性變形的累計 , 會影響到機器人的剛度和 精度。因此, 機器人的機械設計既要滿足強度要求，又要滿足剛度要求和精度 要求。另一方面，機器人的機械結構, 特別是關節(jié)傳動系統(tǒng), 是整個機器人伺服 系統(tǒng)中的重要組成部分, 無論是結構的緊湊性、靈巧性, 還是在運動時的穩(wěn)定性、 快速性等伺服性能, 都比一般機構有更高的要求。380L 型油箱內噴漆機器人屬 于多關節(jié)型, 由直線伸縮關節(jié)和旋轉擺動關節(jié)將肩、臂和腕部連接在一起。由 于手部的噴漆運動是靠各關節(jié)的運動組合而成的, 因此, 各關節(jié)的結構和控制便 成為多關節(jié)型機器人實現(xiàn)的關鍵，設計中從被噴油箱系列產品的通用性出發(fā), 采用了模塊化和快換式結構, 從而能夠方便地實現(xiàn)各手臂的加長和互換, 制造和 調試維修也比較方便。 2 總體機構 噴漆機器人的總體結構有機座、肩部、臂部、腕部等組成,機座位于油箱外 的后側, 由固定底座、立柱、橫梁等組成, 對機械臂起支承和定位作用；臂部包 括與其伸縮、屈伸或旋轉等運動有關的構件,并裝有傳動機構、驅動裝置、導向 1 定位裝置、支承連接和位置檢測元件等, 臂部又可分為肩部、大臂、小臂、腕 關節(jié)及噴槍、它們所產生的直線運動和擺動運動的組合完成機械臂的運動的姿 態(tài)調整；肩部由直線升降關節(jié)、擺動關節(jié)等組成, 其作用是使機械手進入箱內 并擺動伸入隔油板的偏心孔內；大臂由擺動關節(jié)、回轉關節(jié)和伸縮關節(jié)組成, 其作用是帶動小臂及腕部縱向移動并進行 360°回轉, 實現(xiàn)各表面的噴漆運動； 小臂由肘關節(jié)(擺動關節(jié)) 和小臂伸縮關節(jié)組成, 它們的運動使腕部帶動噴槍實 現(xiàn)各種運動位姿; 腕關節(jié)為一個回轉關節(jié) , 它旋轉一定角度以滿足噴槍始終與被 噴涂表面垂直。 圖 1 機器人的總體結構示意圖 3 工業(yè)機器人的技術指標 （1）自由度：用來確定相對機座的位置和姿態(tài)的獨立參變數(shù)的數(shù)目，它等 于操作機獨立驅動的關節(jié)數(shù)目，它是反映操作機的通用性和適應性的一項重要 指標，此機器人手臂要完成伸縮和旋轉運動，有兩個自由度。 （2）工作空間：即操作機的工作范圍，通常以手腕中心點在操作機運動時 所占有的體積來表示，我們把操作機能對操作對象完成操作的那部分空間成為 工作區(qū)域此機器人要完成全面噴涂，工作空間為 380L。 （3）靈活度：指操作機末端執(zhí)行器在工作時，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 了噴漆質量。 4 結構設計 根據(jù)機器人既要完成正表面噴涂時的直線前進后退任務，又要完成過渡曲 面的噴涂，所以手臂的結構選為直線伸縮關節(jié)和旋轉擺動關節(jié)，直線伸縮關節(jié) 用來完成正表面的噴涂，旋轉擺動關節(jié)用來實現(xiàn)過渡曲面的噴涂。 2 4.1 傳動方案的設計 有三種方案可供選擇：a 方案采用二級圓柱齒輪減速器，適合于繁重及惡 劣條件下長期工作，使用維護方便，但結構尺寸較大；b 方案，采用蝸桿減速 器，結構緊湊，但傳動效率較低；c 方案，采用一級圓柱齒輪減速器和開式齒 輪傳動，工藝簡單，成本低，效率高，根據(jù)機器手的工作條件，初步選定 c 方 案，在設計過程可能還要不斷修改和完善。一級圓柱齒輪減速器的簡圖如下 ： 圖 2 一級圓柱齒輪減速器 4.1.1 電動機的類型和結構形式 噴漆機器手需要經(jīng)常啟動和反轉，要求電機有較小的轉動慣量和較大的過載 能力，選用三相異步電機 YZR 型,結構形式選用防爆型 [1] 。 4.1.2 選擇電機容量 在變化較小的載荷下長期工作的機器，只要負載不超過額定植，電機便不 會過熱，所需電機功率： (1)wdpk?? 式中： –工作機實際需要的電動機輸出功率;dp -工作機所需的輸入功率；w -電動機至工作機之間傳動裝置的總效率； ? -般取 0.7 至 0.8，此處取 0.75。 (2)92.613.507wdp?? 3 4.1.3 確定電機轉速 按照工作機轉速要求和傳動結構的合理傳動比范圍，可推算出電機轉速的 可選范圍： (3)??12,nwi?? 總傳動比選為 3.2i? 根據(jù)選定電機的類型，結構，容量和轉速，選電機 YZR132M2-6.它的額定 功率為 ，滿載轉速為 。4.0k90mir 4.1.4 分配各級傳動比 總傳動比 (4)3.2mwni? 各軸分配 ， 0.4i1.57i 傳動裝置的實際傳動比要由選定的齒數(shù)準確計算，因此可能有誤差，此誤 差不應該超過±﹝3～5﹞％。 4.1.5 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù) 設計計算傳動件時，需要知道各軸的轉速、轉矩或功率，需將工作機的轉 速、轉矩或功率推算到各軸上： 各軸的轉速： 從電動機到工作機有二軸，依次記為 1，2 軸，則 (5) 1094.min.mnri? (6) 12281.0i.57i 式中： -電機的滿載轉速。mn ， -分別為 1，2 軸的轉速。12 各軸的功率 (7)101.260.912dpw???? (8)25 各軸的轉矩 (9) 0.126950.349ddmpTNmn??? 4 (10) 101342.0962.dTi Nm???? (11)257.30 式中: -電動機軸的輸出轉矩；dT 4.2 傳動零件的設計計算 聯(lián)軸器不僅具有連接兩軸并傳遞轉矩的功能，還具有補償兩軸因制造和安 裝誤差造成的軸線偏移的功能，以及緩沖吸振安全保護的功能。電動機軸和減 速器高速軸聯(lián)結用的聯(lián)軸器，由于軸的轉速較高，為減小啟動載荷，緩沖吸振， 應選較小轉動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， 其公稱轉矩為 315N.m，許用轉速為 [2]。 50minr 在減速器外，采用開式直齒齒輪傳動，精度等級選為 7 級，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 =49 241?z2148.96zu?2z 4.2.1 按齒面接觸疲勞強度計算數(shù)值 由設計計算式進行試算，即 (12) 2112.3tEtdHKTuzd?????????? (1) 確定各計算數(shù)值 1）確定載荷系數(shù) .tk? 2）計算小齒輪傳遞的轉矩 (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度極限 ；大齒輪的60Hima?? 接觸疲勞強度極限 ；250HimPa?? 6)計算應力循環(huán)次數(shù) (14) ??9169612830154.70hNnjL?? (15)9924.7.6?? 5 7)查得接觸疲勞壽命系數(shù) , 10.9HNK?20.95HN 8)計算接觸疲勞許用應力 取失效概率為 1%.安全系數(shù)為 S=1。 (16) ??1.64MPa?? (17)209552.Ha?? (2)計算 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)計算圓周速度 v (18)18.5..60601tnmss???? 2)計算齒寬 b (19)1.3dt? 3)計算齒寬與齒高之比 bh 模數(shù) (20)18.530.74ttmmz?? 齒高 (21)2..th (22) 18531056.74b? 4)計算載荷系數(shù) 根據(jù) ，7 級精度，查得動載荷系數(shù) ；0.428mvs? 1.2vK? 查得 ,1AK1.2HF??? (23) .2.43.9AVHK?? 5)按實際的載荷系數(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。 這樣設計出的齒輪傳動，滿足了齒面接觸疲勞強度，并結構緊湊，節(jié)省浪 費。 4.2.2 幾何尺寸計算 計算分度圓直徑 (28)10.8241.06dzmm??? (29)293 計算中心距 (30) 12.a? 計算齒輪寬度 (31)061db???? 取 ， 。21Bm?130 大齒輪如圖 3 4.3 軸的設計 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，同時選取聯(lián)軸器型號。 聯(lián)軸器的計算轉矩 (33)21.39507.caATKNm??? 考慮到轉矩變化不大，故取 按照計算轉矩應小于聯(lián)軸器公稱轉矩的條件，查手冊，選用 型彈性柱2HL 銷聯(lián)軸器，其公稱轉矩為 ，半聯(lián)軸器的孔徑 ，故取 50.N0d? ；半聯(lián)軸器的長度 ，與軸配合的轂孔長度 ，故120dm?38L?1m 選 7l 4.3.2 軸的結構設計 (1)為滿足半聯(lián)軸器軸向定位要求，右端制出一個軸肩，故 (34)23124dhm?? (2)初步選擇滾動軸承。因滾針軸承工作時允許內外圈有少量的軸向錯動， 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) ，有軸承目錄產品中初步選取 ，其尺寸為234dm? 4905NA 圖 3 大齒輪零件圖 ，故 ,而 。25417dDTm???235dm?230l? 右端滾動軸承采用軸肩進行軸向定位，由手冊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 0.7hd?h5632d?1.4bd?6lm? 各軸段的長度和直徑如下圖： 圖 4 減速器軸段 5 直線伸縮關節(jié) 圖 5 為直線伸縮關節(jié)的機械結構, 該關節(jié)由滾珠絲桿、直線軸承、交流伺 服電動機( 或帶制動器) 、雙向滾柱式超越離合器等組成。雙向滾柱式超越離合 器起自鎖保護作用。圖 6 示出了直線伸縮關節(jié)的運動關系。 它是利用絲杠的螺旋部分將螺桿的螺旋運動轉換為機器手的直線運動，它 的一個主要優(yōu)點是能獲得很大的減速比和力的增益，具有傳動效率高，起動力 8 矩小，傳動平穩(wěn)，使用壽命長的特點，但它也具有制造工藝比較復雜，需要花 費較大的人力和物力等缺陷。 圖 5 直線伸縮關節(jié)的機械結構 5.1 絲杠的設計 (1)初算滾珠絲杠副的導程 (35)max101052hVnmP???? 式中 ： -絲杠副最大移動速度 maxV - 絲杠副最大相對轉速n 1)估計滾珠絲杠允許最大的軸向變形 max? (36)10.1583ma??? (37)22c 式中： ---重復定位精度，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 直線伸縮運動關系 (39) 0FW?? 式中： --支撐方式系數(shù)，取 0.078；a --導軌的靜摩擦力；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元件，具有長壽命，高強度，高效率，高靈 敏度，無間隙的特點，并具有優(yōu)越的高速特性和耐磨損性及運動可逆性等特性， 同時它可有專業(yè)廠家生產和供應，已實現(xiàn)標準化和商業(yè)化 [4]。 為滿足機器手高進給速度、高定位精度和快速響應的要求，必須合理選擇 滾珠絲杠副,絲杠為螺旋副結構。 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 機架 5.2 手臂機構尺寸的初步確定 手臂機構的尺寸即手臂的長度和手臂的關節(jié)的轉角范圍應該由機器人要完 成作業(yè)任務提出的工作空間尺寸確定,因為機器人要完成 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度 。? 20m? 5.3 操作機位置與姿態(tài)的確定 構件的空間位置和姿態(tài)可用其上任一點（稱為基點，通常選構件的質心或 形心基準）在空間的位置和與與構件固接的坐標系相對于參考參考坐標系來確 定。 設有一構件 j ，取其上任一點 o 為基點，以該點為原點，在該構件上設置 動態(tài)坐標系 ,于是，構件的空間位置和姿態(tài)就可用點 的位置矢量 jjoxyz joijR 和坐標系 ，相對參考系 的方向余弦矩陣 來確定，即ixyzijR 11 (43)Tijijiojijiojrxyz????? 式中: 稱為構件位置列陣；稱為構件姿態(tài)矩陣，其右端矩陣中的各元為上述兩ijr 坐標系相應各軸之間夾角的余弦。 利用上式不難寫出坐標系 分別繞坐標系 的 軸旋轉 角；繞ixyzjxyzi? 軸旋 角；先繞 軸旋轉 角，達到 位置，再繞 軸旋轉 時各旋轉ky?kz?izk 變換矩陣分別為 (44) 10cosiniaRij?????????? (45) 01sinijcos ???????? 由此可見，運用旋轉變換矩陣的依次連乘，可完成坐標系的連續(xù)變換。因 此用這樣的方法就不難寫出饒其他坐標系連續(xù)變換的矩陣。 為方便起見，構件空間位置和姿態(tài)通常用一個坐標平移旋轉變化鉅陣 來表示，即ijM (46)01RrijM ??????? 矩陣 又稱構件的位姿矩陣。 ij 5.4 速度和加速度分析 在操作機位姿分析的基礎上，進一步討論操作機的速度和加速度，在以回 轉關節(jié)和移動關節(jié)連接的開鏈操作機中，各桿的結構參數(shù)和關節(jié)運動參數(shù)對時 間導數(shù)為已知，現(xiàn)求操作機末端執(zhí)行器上一點 p 在機座坐標系中的速度 和0v 加速度 ，可有上式對時間求一次和二次導求得：0? (47)001231, n nivrrM???? ???? ???? ????? (48) .0 0121,1,01231, 0n n nijni ij rr M??? ??? ????? ???? ???? ? ? 在上式中，對于轉動關節(jié)， , 而 為兩相鄰桿 和 間的相對角速0id?i?? 度,對于移動關節(jié)，則 , 為桿 與 間的相對速度。i??iS 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，對于開鏈式的操作機末端執(zhí)行器的絕對角速度 等于操作機中所有回轉關節(jié)的角速度 的矢量和 ,由于前面已規(guī)定各回轉關節(jié)i?? 的軸線沿 軸，所以角速度矢 在坐標系 中可表示為 zi ixyz0Tii???????? ，而在機座坐標系中 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，故設重物 為 10kg，影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉的速度，設機械手 最大移動速度 1.2m/s,最大回轉速度為 ，手臂機構的尺寸即手臂的長度和120s? 手臂的關節(jié)的轉角范圍應該由機器人要完成作業(yè)任務提出的工作空間尺寸確定， 因為機器人要完成 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 ；查常用材料手冊得出，彈性模量為 ，許用T5 5210EMP?? 彎曲應力 ；許用剪切應力 ；允許撓度 ；密??1MP????80P???Lf 度為 ， 求解滿足使用要求前提下手臂的最小質量。37.8g? 6.2 設計分析 手臂運動由直線伸縮運動與帶動重物旋轉的水平回轉運動組成，手臂自重 相對于重物來說，對手臂強度計算的影響較小，可不作考慮，故設計時僅考慮 重物 的作用。G 6.2.1 抗拉強度分析 手臂 N 點處受到最大拉應力 ， 是由彎矩 產生的拉應力 與向max?axM1? 心力 產生的應力 組成，其中 為抗彎截面系數(shù), 僅與截面形狀、F1?1tW?W 尺寸有關，對于外徑為 ，內徑為 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? ， 計算整理得 (55)3212097460DLD???? 6.2.2 抗剪強度條件 手臂 N 點處所受剪應力最大，因圓截面壁厚 遠小于外徑 ，故最大剪應TD 力為 (56)max2NQTA? 根據(jù)抗剪強度條件有 (57)axt 將已知數(shù)據(jù)代入 ，計算得 0.2Dc? 6.2.3 剛度條件 由受力分析得， 點處撓度 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 結構尺寸限制 (61) DT? (62)30Lm? 14 7 建立數(shù)學模型 優(yōu)化設計追求的目標是機械手臂的質量 最小， 計算表達式為：2m2 (63)????12, 0.5.014mxMDTLPDL????????? 式中：設計變量 ??TL 由第二步設計分析計算得 的值約為 5. 故上式可簡化為 (64)??2in0.46mxLD? 顯然， ， 越小值 越小，據(jù)此可寫出優(yōu)化設計的數(shù)學模型LD2i.31970?????0.22864LDT3m? 此數(shù)學模型是一個單目標非線性二維約束優(yōu)化問題 [5]。 8 優(yōu)化計算 我們將用于求解優(yōu)化設計數(shù)學模型的方法或尋優(yōu)的方法稱為優(yōu)化計算方法。 對于機械優(yōu)化設計問題，求解常常需要經(jīng)過多步迭代，最終收斂得到最優(yōu)解 ， 這里運用數(shù)學規(guī)劃方法的理論，應用軟件進行輔助優(yōu)化計算與設計，以求得機 械手臂的最佳設計參數(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 應用 MATAB 軟件求解 (1)編寫目標函數(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)因設計約束含非線性約束，故需編寫一個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，并調用優(yōu)化函數(shù) ??40;B??10;xA? Ib=zeros(1,1); Opetions=optimiset; (4)計算結果 x=3.186 fval=0。7201 exitflag= outplot= iterations：2 funCount：11 slepsize: firstorderopt: 0.184 cgiterations 經(jīng) 11 次迭代計算后, 求得最優(yōu)方案為 , , ， 10Dm?1l28lm?0.7kg 16 9 力學分析 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， 分別表示坐標系 2 的原點到大、小臂質心的矢量 ； ，2,c 2cv ， 分別為大、小臂質心處的速度和加速度 ； 標 和 c2 分別表示大、小臂1w2 1 的質心。 由于關節(jié)驅動力矩只是 z 軸方向分量,由此可得不計摩檫的關節(jié)驅動力矩 (67) 11122HhG?????? (68)2 2 式中： ??21112cmlllcl222???112lcmlHC??221cGmlg 采用噴漆機器人位置逆解模型, 對上述離散點序實施變換,得到關節(jié)空間各 伺服軸的相應離散點序, 并將它轉化成 PVT 格式,送入多軸運動控制器的循環(huán)緩 沖區(qū)，利用多軸控制器所提供的 PVT 插補模式，對伺服軸上的離散點序進行細 分,并通過伺服放大器驅動電機使噴漆機器人按預定軌跡運動，該插補可被認為 是對噴漆機器人數(shù)控的精插補，在這種控制方式中,加速度是時間的線性函數(shù),由 此可以得到伺服電機在任意時刻的加速度、速度和位置函數(shù) (69)0tat??? (70)21tv (71)006tptat? 式中： 2316v??????0a? -PVT 方式時間段 , -積分常數(shù)0VP 通過動力學分析，代入優(yōu)化出的尺寸，可得大、小臂驅動電機最大輸出扭 17 矩 分別為 3N ·m 和 4N ·m。 9.1 慣量匹配 系統(tǒng)的慣量匹配對于系統(tǒng)的靈敏度影響很大, 若負載慣量過大, 則伺服電 機加減速的時間較長, 同時還影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此一般應滿足下式 0.50.8Jmf?? (72) 式中： 為伺服電動機轉子的轉動慣量( ) , 可由伺服電動機的產品樣本查mJ 2.kg 得； 為折算到伺服電動機軸上的全部負載轉動慣量, 或稱為等效轉動慣量(f2.kg )。 設系統(tǒng)中三個轉動零件(兩個齒輪, 一個絲桿) 的轉動慣量、轉速和轉矩分 別用 , 和 表示, 移動部分的總質量、移動速度和所受的力分別用 m、v 和JiwiT F 來表示, 則運動部分的總能量： (73) 3221iEJwmv??? 將其轉化到速度為 （ ） 的伺服電動機的輸出軸上,設其等效轉動慣量iwin 為 ，則輸出軸的能量為：kJ (74)2kkEJ 根據(jù)能量守恒定律, ,則等效轉動慣量為：k?231()()4ifikkvmn??? (75) 將各部件的參數(shù)代入式(7５),求得 后用 72)進行驗算。fJ 9.2 轉矩匹配 對于 380L 型機器人, 各直線伸縮關節(jié)動作時, 只是帶動相應的臂和腕部運 動, 因此只存在由系統(tǒng)質量移動引起的負載, 而沒有其他外加的載荷, 伺服電動 機空載加速啟動時的負載轉矩由下式給出 (76)maxrnT?? 式中： 為空載啟動時折算到伺服電機輸出軸上的加速轉矩(Nm ) ;ax 為折算到伺服電機輸出軸上的摩擦轉矩;f 為由于絲桿預緊而引起的折算到伺服電機輸出軸上的附加轉矩( 此項較0 18 小, 可以忽略)。 (77)??maxax260dfnTJt??? 式中: 為快速啟動時, 伺服電動機的最高轉速( inr) ; maxn t 為系統(tǒng)的時間常數(shù)(s) , 可由伺服電動機的產品樣本查得。 對于圖 5, 設絲桿的導程為 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)的總機械效率, 一般取 0.7-0.85。 實踐說明的是, 在上述慣量匹配和轉矩匹配的計算過程中, 代入所求數(shù)據(jù)滿 足要求。? 10 旋轉擺動關節(jié) 5 個旋轉(擺動) 關節(jié)采用了相同的結構, 由于旋轉關節(jié)主要承受扭矩, 因此 采用了傳動比大和傳動效率高的擺線針輪減速器與伺服電機直接相連，不同的 關節(jié)對應不同的參數(shù)要求, 因此在每一關節(jié)的伺服電機的具體結構確定,依據(jù)所 需的扭矩來進行。 11 關節(jié)控制 有兩套備選方案，PLC 控制和單片機控制。使用單片機的好處是相對而言 成本比較低，加上碼盤記數(shù)控制精度相當高。但是由于是自制且功能比較復雜， 不能保證其較高的可靠性，同時制作時間比較長，且加裝碼盤比較復雜，所以 在完成了一個帶碼盤的電機架后放棄了這個方案。又因為PLC的價格太高且需 要大量的繼電器進行驅動，也覺得不理想。所以決定對兩個方案折中修改。 最終選定經(jīng)簡化的單片機的控制方案，由于使用的基本都是現(xiàn)成的工業(yè)組 件產品，非常容易買到，價格也比較低。單片機選用ATMEL AT89C51，驅動 電路選擇了ST L298N，其允許控制的電流可以直接驅動電機，從而省略了繼電 器。 由于每個手指僅有一個力傳感器和兩個位置傳感器（分別為完全伸展的起 始位置和完全收攏的終止位置）所以必須通過延時控制來使每個手指停留在特 定的位置。經(jīng)過測試，雖然電機在空載和滿負荷時的轉速特性有很大的不同， 但是各個電機之間的個體差異非常小，且轉速穩(wěn)定。這就使延時控制成為可能， 19 雖然這樣無法提供像碼盤記數(shù)這樣的精確度，但也足夠滿足要求了。只需將空 載和滿負荷時的延時作出不同的定義即可。 每個電機通過力傳感器中的微動開關接出，由單片機控制正反轉。微動為 兩向兩路，不但提供單片機反饋信號，同時也起到一個硬保護的作用，因為它 直接作用于電機的供電電路，當其被觸動后電機停轉后只能反轉。當手指到達 兩個最終位置時單片機也會得到反饋信號，使電機停轉，由于這兩個傳感器不 會造成結構上的損壞，所以在這兩個位置沒有提供類似的硬保護，僅負責提供 開關量信號。 由于采用延時控制，當機械手通過延時完成一個動作之后，必須復位一次， 即回到完全伸展的狀態(tài)，記時器全部清零后才能完成下一個動作。這是這種控 制方式最大的不足。 當然如果時間允許，完全可以使用單片機來進行精確控制，所需要做的工 作就是給每個電機加上碼盤和相應的電路，由于在設計上完全預留了幾何空間 （這是原先的方案），所以完全可以根據(jù)需要進行升級。 12 結語 機器人的關節(jié)結構設計對整機的伺服性能有很大的影響，因此其結構的合 理與精心設計是整機實現(xiàn)的關鍵，由于機械在運動過程中，各構件會受到較大 的慣性力，兼之截面直徑較小，剛度較弱，構件易受到較大變形，易產生振動， 從而降低了機械工作的準確性。本文設計了機器人的直線伸縮關節(jié)，從強度， 剛度，轉矩等方面進行的相應的校核，克服了以往構件的截面直徑較小，剛度 較弱，因而構件易受到較大的變形，易產生振動的缺點，從而保證了它的剛度 和強度要求，提高了工作效率，降低了生產成本，維護了人的身心健康。 致謝 本文是在指導老師的悉心指導下完成的，指導老師具有嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度， 豐富的實踐經(jīng)驗，在治學及做人方面都給予我很大的幫助，使我少走了許多彎 路，衷心感謝劉老師對我的關心指導和幫助。 同時也感謝三利集團的崔工和史工以及其他的不知名的好心員工的大力幫 助，他們豐富的實踐經(jīng)驗使我受益匪淺，也向曾經(jīng)給予過我?guī)椭钠渌蠋熀?同學深表感謝。 20 參考文獻 [1]魏延斌。智能傳感器研究［J］。交通科技與經(jīng)濟，2002 ，28(3) ：249～252 [2]尹琦。某縣級電網(wǎng)區(qū)域無功電壓自動控制系統(tǒng)研究［J］。四川電力技術，2006(4) [3]王學通，王偉，王理。現(xiàn)代電子技術［J］。多 agent 系統(tǒng)研究概述， 2001，2(3)： 49～52 [4]鄧劉海，祁連杰。設備管理與維修［J］ 。VDL-1000 立式加工中心性能分析，2003(3) [5]陳捷，王振宇，馬慶鑫。設備管理和維［J］ 。K778 型數(shù)控滑枕銑床簡介，2006，2(6)： 90～100 [6]林宇邱，婷婷，邱林敏。鳳凰紙業(yè)汽輪機控制系統(tǒng)的改造［R］ 。中華紙業(yè)，2006(3) [7]周志堅，邱春玲。設備管理和維護［J］ 。 基于 NPX-I 傳感器的遠程壓力監(jiān)視模塊的設 計，2006(3)100～106 [8]張錦水，何春陽，潘耀忠。基于 SVM 的多源信息復合的高空間分辨率遙控數(shù)據(jù)分類研 究［M］ 。北京：北京航空航天大學自動控制系，1998 [9]陳劍洪。利用 PLC 控制鑄造區(qū)中間罐車［M］ 。中國科技信息，2006(5) [10]吳展遙。電能質量數(shù)據(jù)采集和諧波分析方法的實現(xiàn)［M］ 。北京：化學工業(yè)出版社， 1996 [11]龔振邦.機器人機械設計［M］ 。北京：電子工業(yè)出版社， 1995 [12] 機械設計手冊編寫組，機械設計手冊［M］ 。第三版，北京：化學工業(yè)出版社， 1995 [13]馬香峰。工業(yè)機器人的操作機設計［M］ 。北京：冶金工業(yè)出版社， 1996 [14]郭武。噴漆機器人的功能、選型及應用［J］ 。機器人， 1990，12（6）54～59 [15]孫桓，陳作模。機械原理［M］ 。北京：高等教育出版社， 2001 21