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机器人
焊接
机械设计
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机器人焊接机器人机械设计,机器人,焊接,机械设计
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第三章 结构设计3.1小车行走结构设计这里主要是做了三方面的工作：对小车行走机构的结构方案的比较与选择；对电机功率的估计并选择出小车的驱动电机；对根据结构设计的齿轮、齿条传动的接触疲劳强度、弯曲疲劳强度校核。3.1.1 车体结构方案的比较与选择根据一些移动机器人本体设计的研究文献及直动关节的知识可获得两个车体结构方案。这两个方案的示意图如图所示：方案1：其中传动顺序为：电机齿轮箱车轮轴上齿轮（通过车轮轴）驱动轮。这也是在移动机器人本体结构设计上较为常用的一种车体结构方案，布置比较对称合理。方案2：其中传动顺序为：电机圆柱齿轮固定齿条（通过反推动）车体结构。这里的设计有借鉴将旋转运动转化为直线运动里有齿轮、齿条这么一种传动方式，结构比较简单，设计比较容易。方案间的比较：表1两车体机构方案的比较 方案比较方面方案1 方案2 设计方面 较复杂 较简单结构方面稍复杂稍简单布置方面对称点 有点偏移效率方面较低较高精度方面高稍差用材方面还好有长齿条根据实际的工作条件：希望设计能够比较简单，结构比较简单，焊接小车的移动效率高一点，精度要求并不是很高，。故可从表1可选择出方案2作为该小车的设计结构方案。3.1.2 小车驱动电机功率的确定1、电机功率的估计根据机器人的重量、小车运行速度、轮胎直径来确定驱动电机的功率。假定小车在轨道上行走，不考虑小车行驶中的空气阻力，分析小车的受力情况，以便估计小车所需的驱动力矩。此时，应把轮胎看成一个弹性体来考虑。前面也提到了，在这里，由于电机的驱动是通过齿轮、齿条的啮合来驱动，故该小车的四轮都为从动轮。这里先分析车轮的受力情况：图 车轮受力简图假设在运动过程中，轮子做纯滚动。设小车运动时的加速度为，相应的车轮角加速度为。根据可推得： 其中v为小车速度，w为车轮角速度，r为车轮的半径。图 画出了该小车的车轮在运动过程中的受力简图，图中P车轮上的载荷，m 车轮的质量，N地面对车轮的法向反作用力，U为车轮的切向反作用力，X车轮轴的车轮的推力。根据平衡条件有 （3-1） （3-2）为车轮滚动阻力矩，其值为；J为车轮的转动惯量。根据式（3-1）、（3-2）有 （3-3）由此可知，推动车轮前进要克服两种阻力，即车轮的滚动阻力和车轮的加速阻力。而后者又由平移质量产生的加速阻力和由旋转质量产生的加速阻力所组成。齿轮、齿条传动作为该小车的驱动机构，故驱动力矩设为， 进而可将理解为小车的实际驱动力，为齿轮的半径。故以小车车体做分析对象，在水平方向上，应用牛顿第二定律可得： （3-4）其中为机器人总质量。将式（3-3）中的X带入上式得； （3-5）由上式可得出结论为：小车的驱动力用来克服车轮的滚动阻力和机器人的平移质量的加速阻力和车轮的旋转阻力。可根据式（3-5）粗估出驱动力矩：其中：车轮半径 ，（查理论力学 P120 表5-2 滚动摩阻系数。），；估为40 kg ,车轮质量估计为0.8kg ,J估计为，牛；由于这里的焊接速度为，故可一定程度上估出。将上述数据带入式（3-5）得：进而根据要求的运行速度为v ,初步确定电机的功率P： （3-6）其中：K为估计系数，考虑到该焊接机器人其上的关节的运动，可取为5。解之得：2. 电机的选择前面已初步估计出了驱动力矩，电机的功率。在实际的操作中，机器人的驱动，使用的电机类型主要有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等。考虑到步进电机通过改变脉冲频率来调速。能够快速启动、制动，有较强的阻碍偏离稳定的抗力。又由于这里的位置精度要求并不高，而步进电机在机器人无位置反馈的位置控制系统中得到了广泛的应用。这里选定步进电机为驱动电机，考虑到在实际的选择中应考虑到一定的裕度。这里选用的是杭州日升生产的永磁感应子式步进电机：型号：130BYG2501；步距角：0.9/1.8度；电压：120-310v相数：2 ；电流：6 A;静转矩：270 ；空载运行频率：；转动惯量：；3.1.3齿轮、齿条传动的校核这里齿轮、齿条的传动是按照结构联系上来设计的，故这里对齿轮进行弯曲强度校核、接触强度校核。其参数为：齿轮直径，齿宽为，模数为，齿数为80。前面也对驱动力矩做出估计并给出转速，。这里参考机械设计P209里的带式输送机减速器的高级级齿轮传动设计进行校核。由于这里的齿条可以理解为半径无穷大的圆柱齿轮，故不存在疲劳强度是否符合要求，对齿条的强度无需校核，这里只需校核齿轮的弯曲疲劳强度、接触疲劳强度。1.选定齿轮类型、精度等级、材料1）这里以直齿圆柱齿轮齿条传动。2）该焊接机器人速度不高，故选用7级精度（GB10095-88）。3）由表10-1选择齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280HBS，齿条材料为45钢（调质），硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。2.按齿面接触强度校核按照公式（10-9a）进行校核： （3-7）1） 确定公式内的各计算数值（1）计算载荷系数K根据，7级精度，由表10-8查得动载系数；由表10-2查得使用系数；直齿轮，调质，及。查表10-3的；由表10-4查的7级精度、小齿轮相对支承非对称布置时，将数据带入后得：由查图10-13得；故载荷系数。（2）齿宽系数。（3）由表10-6查得材料的弹性影响系数。（4）由图10-21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限。（5）由式10-13计算应力循环次数。（7）由图10-19查得接触疲劳系数。（8）JI计算接触疲劳许用应力 取失效概率1%，安全系数，由式（10-12）得（9）由于这里是齿轮、齿条传动，故可认为传动比2） 计算将上面计算的各项数据带入式（3-7）得：而这里设计该传动的齿轮半径，显然满足接触疲劳强度。3.按齿根弯曲疲劳强度校核这里按照公式（10-5）进行校核：1） 确定公式内各计算数值（1） 由图10-20c查得齿轮的弯曲疲劳强度极限（2） 由图10-18查得弯曲疲劳寿命系数（3） 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数，由式（10-12）得（4）计算载荷系数K（5）查取齿形系数由表10-5查得（6）查取应力校正系数由表10-5可查的得2）计算而这里设计的是，显然满足弯曲疲劳强度，故校核结果符合要求。4、结论综上，所设计的齿轮参数符合要求，校核完毕。3.2 摆动关节电机选择考虑到摆动关节的实际情况，对电机的要求：质量轻，体积小，频繁的正反转，换向性能好，较好的运动控制精度，功率为二十多瓦。故这里选择直流伺服电机中的印刷绕组直流永磁式。该类型直流伺服电机又称盘式电机，有特点：快速响应性能好；可以频繁的起动、制动、正反转工作；转子无铁损，效率高；换向性能好；寿命长；负载变化时转速变化率小，输出力矩平稳。这里选择的型号是Maxon 组合体系：电机：Maxon DC Motor F2260 功率为40W;行星轮减速箱：GP 62（11501）传动比约为19：1；编码器：HEDS 55。3.3 本章小结这里主要是进行了车体结构设计：方案选择；功率估计；电机选择；校核。第四章 结论1、对该集装箱波纹板三自由度焊接机器人进行了方案设计，并对机构进行运动学逆解，证明该方案可行，能够满足集装箱波纹板焊接的要求，能够提高在
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