全氣動多自由度關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(編輯修改稿)
2025-07-20 06:43 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 中齒輪的分度圓直徑：D=mm下面來說明同步帶傳動的設(shè)計計算步驟。（1）帶輪轉(zhuǎn)速，在其行程范圍L=100mm內(nèi)運動時間約為T=4s，=mm/s。所以帶輪的設(shè)計轉(zhuǎn)速n=r/min。（2）設(shè)計功率同步帶傳動的動力源是SMC公司的ML2B氣缸。[33]。 SMC ML2B氣缸理論輸出力 (N)缸徑(mm)活塞面積(mm2)使用壓力（MPa）2549098147196245194343292328041612413224024835636434012562513775026287548791005本系統(tǒng)使用的氣缸型號為ML2B32 100,=483N。由此可算得，所以設(shè)計功率kw，其中：－工況系數(shù)，查表選取=。（3）選取帶型根據(jù)設(shè)計功率和帶輪轉(zhuǎn)速，查手冊可知，選取圓弧齒行同步帶帶型為8M。（4）選取帶輪直徑根據(jù)機器人工作空間的要求，優(yōu)化后的腰部回轉(zhuǎn)運動空間設(shè)計為,所以帶輪同步帶裝配后，帶節(jié)線之間的寬度為mm，綜合考慮機器人的工作空間的需要，查表后選取齒數(shù)為26，帶輪直徑節(jié)徑d=。（5）初定中心距根據(jù)氣缸的外形尺寸，初估中心距mm。（6）確定帶長初定同步帶節(jié)線度:mm,查表選取最接近的帶長=1000,帶長代號為1000，齒數(shù)。（7）確定中心距mm，（8）同步帶與帶輪的嚙合齒數(shù)（9）基準額定功率查表可查得基準額定功率kw。（10）計算帶輪帶寬mm，其中:－選定型號的基準寬度，8M型圓弧帶；－圓弧齒形帶長系數(shù)，查表得；－嚙合齒數(shù)系數(shù)，這里=。查表后選取帶寬為25，帶寬代號為25。（11）計算作用在軸上的力帶傳動作用在軸上的力為：N，其中:－矢量相加修正系數(shù)，查圖可得。 機架軸承的選用根據(jù)同步帶傳動的特點，軸承主要承受的是徑向載荷，因此軸承應(yīng)選用深溝球軸承為宜。對于低速旋轉(zhuǎn)的軸承應(yīng)分別計算軸承的額定動載荷和額定靜載荷，根據(jù)其中較大的值來選用軸承。（1）計算額定動載荷C ()其中：－壽命因數(shù)；－力矩載荷因數(shù)，這里選；－沖擊載荷因數(shù)；－速度因數(shù)；－溫度因數(shù)；P－量動載荷，這里即為軸承承受的軸向力F。kN（2）計算額定靜載荷 ()其中：－安全因數(shù)，查表得，kN選取軸承時應(yīng)使得 ,，其中：－基本額定動載荷,kN；－基本額定靜載荷,kN。查表的當(dāng)軸的設(shè)計直徑d=30mm時,根據(jù)結(jié)構(gòu)的總體尺寸我們選取的軸承型號為61806。： 61806軸承主要參數(shù)內(nèi)徑d外徑D軸承厚度基本額定動載荷基本額定靜載荷30mm42mm7mm 機械結(jié)構(gòu)的強度校核 帶輪軸的強度校核 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)只是改變了機器人本體以下的結(jié)構(gòu)，機器人工作部分的結(jié)構(gòu)沒有改變，這里沿用原有系統(tǒng)的靜力計算公式，通過受力分析，如圖 ，估算出機器人本體對同步帶輪軸的作用力。G1—G7對B點的力臂分別為L1—L7圖 氣動機器人靜力學(xué)結(jié)構(gòu)受力分析通過估算對B點的彎矩約為：=+++++3+=F為了校核同步帶輪軸的強度，首先需要對軸進行受力分析，對于同步帶后輪軸，其受到的主要力即同步帶在傳動時作用在軸上的力。其受力圖如下：l1l2R1R2圖 同步帶后輪軸受力分析圖中，F(xiàn)－帶輪軸傳動時受到的徑向力，F(xiàn)=, mm,mm。由此可計算出支反力：N，N，M1由此畫出軸受的彎矩圖為：圖 同步帶后輪軸彎矩圖Nmm， ()對于實心軸，計算準則為： ()查表得MPa，mm，符合強度要求。F同步帶前輪軸是驅(qū)動氣動機器人工作部分進行旋轉(zhuǎn)的，因此它除了受到帶傳動時的軸向力外，還受到機器人本體對它產(chǎn)生的彎矩。l2l1P2MR2R1P1圖 同步帶前輪軸受力分析此時求支反力：N，N，M2畫出彎矩圖為：M1圖 同步帶前輪軸彎矩圖由彎矩圖可見此時危險轉(zhuǎn)折點有兩個，其中：Nmm，Nmm，，針對該危險截面進行強度校核，同樣由式(34)得到：mm，這里危險點處的軸徑為23mm，也符合強度要求。 平鍵的強度校核本課題在機器人本體和同步帶傳動裝置聯(lián)結(jié)時用到了普通平鍵的聯(lián)接。用于靜聯(lián)接的普通平鍵其主要的實效形式是工作面被壓潰。進行校核時忽略摩擦，假定載荷在鍵的工作面上均勻分布，平鍵聯(lián)接的強度條件為： () 式中：T－鍵聯(lián)接傳遞的扭矩，這里T==Nm，F(xiàn)為氣缸輸出力(N)，d為帶輪直徑(mm)， K－鍵與輪轂的接觸高度，k=7mm，L－鍵的工作長度,這里l=20mm，－軸的工作直徑,這里mm，－鍵、輪轂、軸中最弱材料中的許用擠壓應(yīng)力，MPa。MPa,查表可知許用擠壓應(yīng)力=100MPa，所以鍵聯(lián)接滿足強度要求。 受力較大的螺紋聯(lián)接強度校核同步帶傳動裝置中了很多地方都用了螺紋螺栓連接，連接的可靠與否將影響整個傳動的可靠性，下面對受力較大處的聯(lián)接進行強度的計算。綜合分析發(fā)現(xiàn)機架與地板聯(lián)接螺釘?shù)氖芰ψ畲?。下面對此進行強度計算。機架與底板的聯(lián)接示意圖如圖 。MVPVPV圖 機架與底板連接示意圖通過對其進行受力分析可得，螺釘聯(lián)接承受的載荷有：徑向拉力：N，F(xiàn)為軸向力，N,傾覆力矩：Nmm，H為同步帶輪的高度，螺釘是四個對稱分布，因此每個螺釘受到的軸向力為：N在徑向力的作用下，建立機架與底板結(jié)合面不產(chǎn)生滑移的條件為： ()其中：f－接合面的摩擦系數(shù)，由表查得f=, z－螺釘數(shù)量，z=4， －螺釘?shù)南鄬偠?，這里選， －防滑系數(shù)，這里選取為， ，－螺釘?shù)念A(yù)緊力和殘余預(yù)緊力，N。設(shè)計要求為： ()N，N，螺釘?shù)脑O(shè)計要求為直徑： ()查表得其中MPa，mm，在這里我們選用的是M8的螺釘，滿足強度要求。此外螺紋受力較大的地方為機器人本體與支座聯(lián)接處的螺栓聯(lián)接，其校核方法與以上方法相似，這里不再重復(fù)說明。4 全氣動關(guān)節(jié)型機器人的腰關(guān)節(jié)控制方案研究本文中控制腰部轉(zhuǎn)動所運用的氣缸是SMC公司生產(chǎn)的ML2B伺服氣缸。要實現(xiàn)氣缸在行程內(nèi)精確定位，通常有兩種方法：第一、采用氣動比例/伺服技術(shù)；第二、直接選用帶制動的行程可精確讀出氣缸（也稱為比例制動氣缸）。前一種方法能夠得到較高的精度，但控制較為復(fù)雜，成本較高，實現(xiàn)起來周期長；而后者恰好相反，定位精度稍低（），但控制較為簡單，氣缸的剛性也很好。在工業(yè)貨物拾放場合，本系統(tǒng)即采用了后一種控制方式。 ML2B伺服氣缸基本特性分析ML2B帶制動的行程可讀出氣缸（下面簡稱ML2B），是機械連接式的無桿氣缸[33]。普通無桿氣缸的結(jié)構(gòu)如圖 。在氣缸筒軸向開有一條槽，與普通氣缸一樣，在氣缸兩端設(shè)置空氣緩沖裝置?；钊麕优c負載相連的滑塊一起在槽內(nèi)移動，且借助缸體上的一個管狀溝槽防止其產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。為了防止泄漏及防塵需要，在開口部采用聚氨脂密封帶和防塵的不銹鋼帶，并固定在兩端蓋上。76543211 －節(jié)流閥 2－緩沖柱塞 3－密封帶 4－防塵不銹鋼帶 5－活塞 6－滑塊 7－管狀體圖 無桿氣缸結(jié)構(gòu)原理圖帶制動的行程可讀出氣缸（ML2B）在結(jié)構(gòu)上以機械連接式無桿氣缸為基礎(chǔ)，并且設(shè)計了制動裝置以及磁性位移檢測裝置，從而能使ML2B能夠完成在行程內(nèi)任意位置精確定位的功能。其外形結(jié)構(gòu)如圖 。圖 ML2B氣缸的外形結(jié)構(gòu)圖ML2B氣缸內(nèi)部裝有一個磁性傳感器，，正因為如此，ML2B氣缸在工作時不能有強磁場的干擾（145高斯），否則該氣缸就會出現(xiàn)故障。氣缸刻度的輸出與位移的關(guān)系，由圖 。圖 氣缸輸出脈沖與位移關(guān)系圖圖 。當(dāng)氣缸開始制動時，由彈簧產(chǎn)生的彈力和制動工作口提供的氣體壓力，作用在制動墊1上，制動墊1安裝在制動壓板上，使制動墊1壓緊制動板，同時在滑臺一側(cè)的制動墊2也壓緊制動板，使滑臺停下來。當(dāng)氣缸要取消制動時，由制動取消口提供的空氣壓壓力作用在氣缸的隔板上，克服裝在制動壓板上的彈簧壓力，使制動墊1和2松開，這樣制動就消除了。由于在制動結(jié)構(gòu)設(shè)計上的優(yōu)化，使得在制動過程中不會增加氣缸的負載，從而保證了氣缸的性能。圖 ML2B氣缸的制動機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖 CEU2專用控制器要使氣缸能在其行程內(nèi)達到精確定位，還需要有控制器，ML2B系列氣缸有專用的控制器，即CEU2控制器。該控制器有很多優(yōu)點，下面作一個簡要的介紹[15]：（1） 通過控制器的面板可以方便地設(shè)定氣缸的行程、定位點及定位允許誤差等參數(shù)。（2） 在控制器中固化有預(yù)測控制及自學(xué)習(xí)算法。在使用過程中，算法中的控制參數(shù)會隨著負載的變化而變化，總是趨向最優(yōu)，使系統(tǒng)保持良好的控制性能。（3） 如果由于負載的變化或在定位過程中干擾的影響，使得氣缸定位在允許誤差范圍之外，控制器中的“重新開始”函數(shù)會使氣缸重新開始定位，并且修正控制參數(shù)。（4） 該控制器有豐富的輸入及輸出信號，可以很方便地作為下位機與其它控制器相連。ML2B氣缸能夠在行程內(nèi)精確定位，主要得益于控制器的預(yù)測控制功能和自學(xué)習(xí)機能，下面我們作一個簡要的分析。如圖 ，ML2B氣缸在第一次定位時，假設(shè)的目標(biāo)位置在B點，根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)（系統(tǒng)的工作壓力、設(shè)定的負載率、所用氣缸的基本參數(shù)等），系統(tǒng)預(yù)測控制在A點開始制動，氣缸實際定位在C點
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