油箱内喷漆机器人直线伸缩关节设计【4张CAD图纸+PDF图】
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论文题目：油箱内喷漆机器人直线伸缩关节设计,学生姓名： 张海玉 学 号：20030314127 班 级：机教031班 导师姓名：刘法治 崔杭平,摘 要,在喷漆行业，人工喷漆严重影响了人的身心健康，制约了生产效率的提高，为避免人在有毒、易燃、易爆的恶劣环境下工作，减少喷漆废品，提高喷漆质量，提高劳动生产率，迫切需要实现喷漆自动化，而喷漆机器人不怕酷热寒暑，不怕辐射和污染，不怕危险，干活快，缩短了生产周期，降低了生产成本，并且保证了喷漆操作在时间和空间上的延续性与连续性，文章首先进行了喷漆机器人传动装置的分析，接着讨论了该机器人的直线伸缩关节，通过工作空间分析确定出操作手的尺寸，进而进行了抗拉、抗剪和刚度校核，给出了惯量匹配、转矩匹配等控制参数的调节计算方法。,1 绪论,车用油箱系列产品其外形呈椭圆柱状，上方开有一圆形入口，整个油箱在纵向被两块隔油板分成三个储油区 ,该系列油箱用于汽车燃油的储运，在其制造过程中，其内腔壁需经三层漆料的喷涂，要求喷涂均匀， 涂层厚薄一致，无遗漏点，并要求不掉漆，不起泡，以保证油箱的防腐蚀， 增加油箱的使用寿命和确保储运的动力燃油的清洁。但受油箱结构的限制，人工喷漆的操作环境极为恶劣,为此，笔者研究设计了一种能替代人工喷漆作业的油箱内喷漆机器人。由于工业机器人能够根据作业对象完成多种复杂动作，因此，使用机器人完成喷漆作业是一种有效的方法，喷漆质量和生产率也较易保证。,2 总体机构,喷漆机器人的总体结构有机座、肩部、臂部、腕部等组成，机座位于油箱外的后侧， 由固定底座、立柱、横梁等组成， 对机械臂起支承和定位作用。臂部包括与其伸缩、屈伸或旋转等运动有关的构件，并装有传动机构、驱动装置、导向定位装置、支承连接和位置检测元件等，臂部又可分为肩部、大臂、小臂、腕关节及喷枪、它们所产生的直线运动和摆动运动的组合完成机械臂的运动的姿态调整。肩部由直线升降关节、摆动关节等组成, 其作用是使机械手进入箱内并摆动伸入隔油板的偏心孔内。大臂由摆动关节、回转关节和伸缩关节组成, 其作用是带动小臂及腕部纵向移动并进行360回转, 实现各表面的喷漆运动，小臂由肘关节(摆动关节) 和小臂伸缩关节组成, 它们的运动使腕部带动喷枪实现各种运动位姿; 腕关节为一个回转关节，旋转一定角度以满足喷枪始终与被喷涂表面垂直。,3.结构设计,有三种方案可供选择：a方案采用二级圆柱齿轮减速器，适合于繁重及恶劣条件下长期工作，使用维护方便，但结构尺寸较大；b方案，采用蜗杆减速器，结构紧凑，但传动效率较低；c方案，采用一级圆柱齿轮减速器和开式齿轮传动，工艺简单，成本低，效率高，根据机器手的工作条件，初步选定c方案，在设计过程可能还要不断修改和完善。,3.1传动方案的设计,电动机的类型和结构形式 选用三相异步电机YZR型，结构形式选用防爆型。 选择电机容量 在变化较小的载荷下长期工作的机器，只要负载不超过额定植，电机便不会 过热，所需电机功率： 确定电机转速 根据选定电机的类型，结构，容量和转速，选电机YZR132M2-6.它的额定功率为： 满载转速为：,分配各级传动比 总传动比： 各轴分配 ：,计算传动装置的运动和动力参数,式中:,电动机轴的输出转矩,3.2传动零件的设计计算,联轴器不仅具有连接两轴并传递转矩的功能，还具有补偿两轴因制造和安装误差造成的轴线偏移的功能，以及缓冲吸振安全保护的功能。电动机轴和减速器高速轴联结用的联轴器，由于轴的转速较高，为减小启动载荷，缓冲吸振，应选较小转动惯量和具有弹性的联轴器，一般选弹性柱销联轴器,选用HL2联轴器， 其公称转矩为315N.m，许用转速为500r/min. 在减速器外，采用开式直齿齿轮传动，精度等级选为7级，小齿轮材料选为40Cr，硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢，硬度为240HBS，两者的硬度材料差为40HBS。 选小齿轮齿数，大齿轮齿数取49。,按齿面接触疲劳强度计算数值,1)计算分度圆直径 计算中心距 计算齿轮宽度 取 ，,大齿轮如下图,4 轴的结构设计,（1)为满足半联轴器轴向定位要求，右端制出一个轴肩，故 (2)初步选择滚动轴承。因滚针轴承工作时允许内外圈有少量的轴向错动，有较大的径向承受能力，摩擦系数较大，故选此轴承。参照工作要求并根据 ，有轴承目录产品中初步选取 ，其尺寸为dDT=25mm42mm17mm ，故 ；而 。 右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位，由手册查得它的定位轴肩高度h=1.5mm ，因此取d =48mm。 (3)取安装齿轮处的轴段的直径 ，齿轮的左端与左轴承间采用套筒定位，已知齿轮轮毂的宽度，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略小于轮毂宽度，故取 ，齿轮右端采用轴肩定位，轴肩高度，取h=2mm，轴环宽度,各轴段的长度图和直径如下：,图4 减速器轴段,5 直线伸缩关节,图5为直线伸缩关节的机械结构， 该关节由滚珠丝杆、滚针轴承、交流伺服电动机(或带制动器)、双向滚柱式超越离合器等组成。双向滚柱式超越离合器起自锁保护作用,6 丝杠的设计,(1)初算滚珠丝杠副的导程 2)估算滚珠丝杠副底径 (3)确定滚珠丝杠副的其他尺寸,综合考虑各项几何尺寸要求，取 L为38mm.,1）滚珠丝杠副的螺纹长度,2）丝杠全程,滚珠丝杠螺旋原理图,1 齿轮 2 返回滚道 3 螺杆 4 滚珠 5 螺母 6 键 7机架,7 手臂机构尺寸的初步确定,根据机器手的工作空间， 初步确定出手臂的长度 。 操作机位置与姿态的确定 构件的空间位置和姿态可用其上任一点（称为基点，通常选构件的 质心或形心基准）在空间的位置和与与构件固接的坐标系相对于参考参考坐 标系来确定。,机械手的主参数为最大抓重量（目前，该值通常为10公斤左右，故设重物为10kg，影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度，设机械手最大移动速度为1.2m/s，最大回转速度为120/s，手臂机构的尺寸即手臂的长度和手臂的关节的转角范围应该由机器人要完成作业任务提出的工作空间尺寸确定，因为机器人要完成20mm 80mm的正平面和R40mm的中间曲面的喷涂工作，初步确定出手臂的长度小于20mm，选用合金钢管作为手臂的原始材料；钢管的厚度为5mm，求解满足使用要求前提下手臂的最小质量。,7.1抗拉强度分析,7.2抗剪强度条件,手臂 N点处所受剪应力最大，因圆截面壁厚远小于外径，故最大剪应力为,根据抗剪强度条件有,将已知数据代入 ，计算得,7.3刚度条件,由受力分析得，点处挠度最大，据刚度条件,代入数据整理得,8 建立数学模型,运用数学规划方法的理论，应用软件进行辅助优化计算与设计，以求得机械手臂的最佳设计参数 应用MATAB软件求解 (1)编写目标函数的文件 Obj.fun,m,返回X的函数值 f 。 Function f=objfun(x). f=0.00468*(1)*(2); (2)因设计约束含非线性约束，故需编写一个描述非线性约束的文件 NonLin constr.m Function=non.Lin.str(x); (3)给定函数的初值，并调用优化函数 Ib=zeros(1,1); Opetions=optimiset; (4)计算结果 x=3.186 fval=0。7201 exitflag= outplot= iterations：2 funCount：11 slepsize: firstorderopt: 0.184 cgiterations,经11次迭代计算后, 求得最优方案为,惯量匹配,系统的惯量匹配对于系统的灵敏度影响很大, 若负载惯量过大, 则伺服电 机加减速的时间较长, 同时还影响系统的稳定性，因此一般应满足下式,式中：,为伺服电动机转子的转动惯量(,) , 可由伺服电动机的产品样本查得;,为折算到伺服电动机轴上的全部负载转动惯量.,转矩匹配,对于380L型机器人， 各直线伸缩关节动作时， 只是带动相应的 臂和腕部运动， 因此只存在由系统质量移动引起的负载，而没 有其他外加的载荷， 伺服电动机空载加速启动时的负载转矩由 下式给出,通过相应的计算，在上述惯量匹配和转矩匹配的计算过 程中，代入所求数据满足要求，在论文中有详细的论述，在此不再详述。,结束语,本文设计了机器人的直线伸缩关节，从强度刚度，转矩等方面进行的相应的校核，克服了以往构件的截面直径较小，刚度较弱，因而构件受到较大的变形，易产生振动 的缺点，从而保证了它的刚度和强度要求，提高了工作效率，
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