【文章內(nèi)容簡介】 0mm,排列區(qū)域尺寸為100mm85mm,兩者之間間距為50mm，各距離機器人底架為100mm，因此設(shè)定X向行程為：120+50+100+100=370mm，Y向行程為：85+150=235mm,Z向?qū)С虨?0+60mm。目前世界上生產(chǎn)直線導(dǎo)軌的制造生產(chǎn)商，有中國大陸VAV導(dǎo)軌、臺灣ABBA直線導(dǎo)軌、臺灣上銀HIWIN直線導(dǎo)軌等，根據(jù)上述要求，再考慮價格等因素，決定選用上銀集團HIWIN型直線導(dǎo)軌，具體型號為:EGH15SA其中：EG——低載荷系列代號，H——滑塊為四方型，15——尺寸系列，S——中負荷，A——滑塊固定方式為上鎖式。滑軌的長度由式21確定L=2E+(n1)P （21）式中參數(shù)見圖26所示。圖26 滑軌長度的確定該系列中P=60mm，E=20mm，標準長度為160、2280、3460、6820等。因此選擇X向滑軌長度為460mm,Y向?qū)к夐L度為280mm，Z向?qū)к墳?60mm。 滑塊采用與該系列導(dǎo)軌配套的通用四方形雙螺栓滑塊。結(jié)構(gòu)和具體尺寸參照圖27所示。圖27雙螺栓上鎖式滑塊 滾珠絲杠選擇 滾珠絲杠的特點滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。與傳統(tǒng)的滑動絲杠相比，它有以下的特點:驅(qū)動力矩相比減小為1/3。高精度；微進給可能；無側(cè)隙、剛性高；實現(xiàn)高速進給；由于滾珠絲杠的諸多優(yōu)點，目前滾珠絲杠已經(jīng)取代了梯形絲杠占領(lǐng)了市場的95%以上的位置，成為直線運動的主要選擇。 滾珠絲杠的選擇目前，世界上主要的滾珠絲杠生產(chǎn)廠商包括：日本黑田精工KURODA、日本THK滾珠絲杠、臺灣上銀HIWIN、臺灣ABBA、韓國SBC和日本NBK等滾珠絲杠。由于導(dǎo)軌選用了上銀HIWIN系列，為了使用和售后的方便，在滿足精度等前提下，選擇臺灣上銀HIWIN生產(chǎn)的滾珠絲杠，型號代號為：轉(zhuǎn)造級RSVType 。轉(zhuǎn)造級代表了精度和載荷的等級為中級，R——圓帽，S——單螺帽，V——回流管高于螺帽外徑，8——螺桿直徑，——導(dǎo)程，2——滾珠直徑。HIWIN轉(zhuǎn)造級螺桿具有高順暢、長壽命、低價格等優(yōu)點，用于比較精密的場合。RSV_Type 。圖28 RSVType 具體參數(shù)參照表24。表24 RSVType 型號規(guī)格珠徑珠卷數(shù)動負荷C(kgf)靜負荷C0(kgf)螺帽鎖定螺紋鎖定螺紋長度回流管寬度回流管高度公稱直徑導(dǎo)程LDMJWH812183172818M18*1P101515根據(jù)導(dǎo)軌的長度和設(shè)計的行程長度，確定各向絲杠的長度如表25所示。表25 各向絲杠長度表絲杠種類X向絲杠Y向絲杠Z向絲杠絲杠長度(mm)400250100該型號導(dǎo)軌的導(dǎo)程精度選用C7級，導(dǎo)程精度定義為：在有效螺紋長度內(nèi)，任意300mm的累積導(dǎo)程誤差的容許值。 機械手爪選擇機械手爪的作用是抓取單科輔助排牙塊。保持手爪對輔助排牙塊的定位與緊固，然后在機器人的運動支持下，確定輔助排牙塊的位姿，因此，選擇合適的手爪至關(guān)重要。在眾多的機械手爪中，多以直線移動方式實現(xiàn)手爪的張合，而且多是對于圓柱形物體的抓取，雖然可以中心定位，當時在抓取的過程中仍然存在誤差；同時，因為舵機的尺寸和受力比較小，在懸臂的條件小，直線驅(qū)動帶動手爪開合勢必占用更大的空間，產(chǎn)生的力更大，因此在考慮上述條件以后，決定采用旋轉(zhuǎn)方式驅(qū)動手爪張合，如圖29所示。螺旋桿的兩次的螺旋方向相反，當電機帶動螺旋桿轉(zhuǎn)動時，上面的手爪將向兩側(cè)平行移動。不僅可以抓取圓形物體，而且可以抓取長方體，不存在在抓取過程中對心不準的問題。如圖29所示。圖29 手爪示意圖 本章小結(jié)本章確定了直角坐標式排牙機器人的驅(qū)動方式，選擇了合適的步進電機和舵機，確定了總體方案。在總體方案的基礎(chǔ)上，選擇了臺灣上銀HIWIN生產(chǎn)的直線導(dǎo)軌和滾珠絲杠，同時選擇了合適的手爪以實現(xiàn)對輔助排牙塊的抓取。第3章 結(jié)構(gòu)設(shè)計與三維建模 直角坐標式排牙機器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計直角坐標式排牙機器人總體尺寸為425mm525mm425mm，包括支架、X、Y和Z向?qū)к?，滾珠絲杠、配套螺母、舵機和U形架組成的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以及手爪、輔助排牙塊和排列用的精雕油泥及加熱裝置。輔助排牙塊在模型庫里面，排牙區(qū)域在另外一側(cè)，機械手爪在該范圍內(nèi)可以實現(xiàn)排牙塊的任意移動和姿態(tài)的調(diào)整。采用ProEngineer Wildfire ，總體結(jié)構(gòu)圖如圖3圖32所示。圖31 排牙機器人側(cè)視圖圖32 直角坐標式排牙機器人主視圖直角坐標式排牙機器人的移動方式全部采用直線導(dǎo)軌和滾珠絲杠、滑塊組合的方式。在X向滑塊上連接有支撐板，在上面固定了Y向?qū)к壓碗姍C及其連接架；在Y向滑塊上同樣有支撐板，以連接Z向?qū)к?、電機；在Z向滑塊上采用舵機支架固定RZ方向的舵機，RZ舵機輸出軸的對應(yīng)兩側(cè)有輔助的旋轉(zhuǎn)連接件，將U形架連接在舵機上，從而可以連接RY方向舵機，同理，RY電機的U形連接架連接RX方向舵機；最后，在U形架上，連接機械手爪部件。 直角坐標式排牙機器人支架尺寸與結(jié)構(gòu)設(shè)計支架是直角坐標式排牙機器人的基本零件，所有的零件都是在它上面定位的。底座由截面積為25mm25mm的角鋼焊接而成，由于X向直線導(dǎo)軌的長度為400mm,Y向?qū)к墳?60mm，Z向?qū)к墳?60mm，加上輔助排牙塊庫的高度等，最終確定整體尺寸為425mm525mm425mm。由于X向步進電機的徑向尺寸較大，為57mm57mm，因此，X向直線導(dǎo)軌的位置應(yīng)該比電機的最底側(cè)高，所以，采用角鋼焊接出距離最高平面長度為50mm的支架。支架兩端分別和主框架焊接在一起，因此受力均勻，剛度大。如圖33所示。圖33 支架 支架板的結(jié)構(gòu)設(shè)計 X支撐板的結(jié)構(gòu)設(shè)計X支撐板的作用是連接Y向一對直線導(dǎo)軌上的4個滑塊，采用螺栓連接，將之在一個適合的空間范圍內(nèi)組成一個可以在Y向移動的平臺。因此X支撐板的定位精度非常重要，是精度保證的前提。X支撐板沒有高度差的一側(cè)連接Y向直線導(dǎo)軌的4個滑塊，同一直線導(dǎo)軌上的滑塊距離為51mm，相對的另一側(cè)滑塊的螺紋孔，內(nèi)側(cè)間距224mm,外側(cè)間距276mm，為了保證定位精度，在X支撐板的另一側(cè)，銑有2mm的高度差，用來與導(dǎo)軌定位，保證了垂直度和平行度的要求。在圖34中，左側(cè)間距為15mm30mm的M3的4個螺紋孔，用來連接X向步進電機連接架，從而實現(xiàn)X向電機的定位。，用于連接Y向滑塊連接架。Y向滑塊連接架，與Y向的滾珠絲杠上的滑動螺母固連在一起，當滑動螺母移動的時候，Y向滑塊連接架將與X支撐板和Y向滑塊一起移動。因此在中間位置有4個間距為42mm12mm的M3螺紋孔，用來連接Y向滑塊連接架。X支撐板二維結(jié)構(gòu)、三維建模分別如圖3圖35所示。圖34 X支撐板的二維結(jié)構(gòu)圖35 X軸支撐板的三維建模X支撐板的上面一側(cè)沒有高度差，需要在上面連接X向直線導(dǎo)軌和X向電機支撐件，和X向滾珠絲杠等。采用的導(dǎo)軌長度為220mm，因此兩側(cè)分別有5個螺紋孔，用以連接導(dǎo)軌。X支撐板上連接了眾多的零件，它的定位精度是直角坐標式排牙機器人能夠成功排牙的前提。 Z向?qū)к壠脚_的結(jié)構(gòu)設(shè)計Z向?qū)к壠脚_二維結(jié)構(gòu)如圖36所示（三維建模如圖37所示），用于連接X向?qū)к壣系膬蓚€滑塊，設(shè)計成中間帶凸起的形狀，是為了在空下去的區(qū)域按照Z向步進電機和與X向絲杠螺母的固定塊連接。如圖337所示。圖36 Z向?qū)к壠脚_的二維結(jié)構(gòu)圖37 Z向?qū)к壠脚_的三維建模兩側(cè)的對應(yīng)的間距為26mm的孔用來連接X向滑塊，這樣，Z向?qū)к壠脚_就可以實現(xiàn)X向的移動。為了保證連接的穩(wěn)定性。因為X向?qū)к壍拈L度不允許4個滑塊，因此采用2個滑塊，這就要求Z向?qū)к壠脚_的寬度不能超過1個滑塊的長度太多，以免造成受力過大，發(fā)生變形。左視圖中設(shè)計有間距為4個直徑為的35mm12mm的螺紋孔，作用是連接Z向?qū)к壍闹渭?。在俯視圖上中間直徑為的孔，用于定位Z向步進電機，周圍的孔用于電機的固定。左側(cè)30mm，可以隨著Y向螺母的移動而移動。 RZ平臺支撐架的結(jié)構(gòu)設(shè)計RZ平臺支撐架的作用是支撐RZ舵機及相應(yīng)的連接件。RZ平臺支撐架連接在Z向直線導(dǎo)軌的滑塊直接，為RZ舵機提供定位的平臺。如圖38所示。為了保證RZ平臺支撐架和滑塊的連接不產(chǎn)生額外的壓力，要嚴格保證兩側(cè)連接架的平面度和平行度，才能知Z向?qū)к墝ζ渲尾划a(chǎn)生壓力。在平臺的中間地方間距為30mm14mm的螺紋孔，用于連接RZ舵機連接架。如圖38所示。圖38 RZ平臺支撐架 舵機支架及U形架的結(jié)構(gòu)設(shè)計 舵機支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計舵機支架作為舵機專門的連接架，具有通用性。在本設(shè)計中，有3個舵機支架。因為舵機的重量較輕，體積較小，因此舵機支架采用鈑金件的制作工藝。在兩端。中間設(shè)計有4個小孔，可以與U形架連接在一起。二維結(jié)構(gòu)如圖39所示（三維建模如圖310所示）。 圖39 舵機支架二維結(jié)構(gòu) 圖310 舵機支架三維建模 U形架的結(jié)構(gòu)設(shè)計U形架（如圖31圖312）是專門用于舵機輸出軸連接的零件。采用鋁合金，鈑金工藝制作。為了保證與舵機連接的穩(wěn)定性，舵機的輸出軸設(shè)計有齒形連接法蘭盤，均布8個的小孔，用于和U形架的一端實現(xiàn)穩(wěn)定的連接。為了保證U形架的剛度，中間兩側(cè)專門設(shè)計彎起900，高度3mm的支撐板，可以使U形架與其他零件連接的時候不會變形過大。如圖311所示。 圖311 U形架二維結(jié)構(gòu) 圖312 U形架三維建模 手爪部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計由于牙齒外形的多邊型與復(fù)雜型，我們將牙齒的包絡(luò)長方體(在這里，采用將標準牙套按照一定距離切割開)放進設(shè)計好的輔助排牙塊中，輔助排牙塊如圖312所示（三維建模如圖313所示），它有2個伸出的圓錐狀的尖端，兩側(cè)，有定位與抓緊用的半圓柱形的形狀，在對精雕油泥加熱的時候，采用機器人帶動手爪抓取輔助排牙塊的兩側(cè)，經(jīng)過一定的位姿變換，插入到排牙區(qū)域中，即加熱后的精雕油泥中，保持一段時間，冷卻后，手爪松開，開始下一個輔助排牙塊的抓取工作，因此，手爪的設(shè)計非常重要。如圖31313所示。 圖312 輔助排牙塊 圖313輔助排牙塊三維建模為了對心，輔助排牙塊的兩側(cè)設(shè)計成半圓柱狀，所以手爪指端設(shè)計成“V”型，實現(xiàn)對輔助排牙塊的準確定位與夾緊?！癡”型指端與可以平行移動的零件（手指）固定連接，使之可以隨著平行移動而張開或夾緊。手指是結(jié)構(gòu)完全相同的零件，內(nèi)有螺紋孔，但是旋向相反，與手指開合螺柱配合。手指開合螺柱中間為光軸，靠兩側(cè)軸肩的定位，保持軸向位置不竄動。一端在手爪執(zhí)行電機的帶動下旋轉(zhuǎn)，由于光軸兩側(cè)的螺旋旋向相反，因此，手指會隨著電機的轉(zhuǎn)動而相互間的距離增大或者縮小，實現(xiàn)張合功能。手爪二維結(jié)構(gòu)與三維建模分別如下圖31圖315所示。 圖314 手爪二維結(jié)構(gòu) 圖315 手爪三維建模 本章小結(jié)本章中在確定總體方案的基礎(chǔ)上，主要做了以下的工作：1. 根據(jù)選定的導(dǎo)軌，滾珠絲杠和其他設(shè)計要求，設(shè)計了最重要的支架零件，確定了具體的尺寸和采用角鋼制作的方法；2. 在機器人的移動副的實現(xiàn)上，設(shè)計了X向支撐板、Z向?qū)к壠脚_、RZ平臺支撐架；3. 在機器人的轉(zhuǎn)動副的實現(xiàn)上，設(shè)計了舵機支架和U形連接架，因為采用了3個的舵機，所以，對舵機支架和U形連接架進行了統(tǒng)一的設(shè)計，使其具有通用性；4. 在用輔助排牙塊代替牙齒排牙的方法的前提下，設(shè)計了手爪，實現(xiàn)輔助排牙塊的抓取動作。第4章 關(guān)鍵零件的受力分析與校核 導(dǎo)軌的受力分析與校核本設(shè)計中選用的是臺灣上銀HIWIN生產(chǎn)的直線導(dǎo)軌，具體型號為：EGH15SA。載荷參數(shù)參見表41表41 EGH15SA額定載荷參數(shù)型號動載荷C（kN）額定靜載荷C0（kN）EGH15SA 由于本設(shè)計中共選用3種長度系列的導(dǎo)軌，分別為460mm、220mm和160mm，容易看出，由于X向?qū)к?，?60mm長的導(dǎo)軌，承擔所有其他零部件的重量，因此，受力最大，所以對該長度導(dǎo)軌進行受力分析和校核。 工作靜載荷計算直線導(dǎo)軌在靜止時候受到的載荷過大時候，會導(dǎo)致珠道與滾珠產(chǎn)生局部的永久變形；當變形超過某一限度時，將妨礙直線導(dǎo)軌運動的平穩(wěn)性?；绢~定靜載荷C0是容許變形量的極限載荷。依照HIWIN的定義：載荷的方向和大小不變的狀態(tài)下，在收到最大應(yīng)力接觸面處，鋼珠與珠道表明的總變形量恰為鋼珠直徑的萬分之一時的靜止載荷。容許靜力矩M0包括三個方向的力矩MR 、MP 、MY，分別為空間繞X、Y、Z軸線方向的力矩。工作載荷的計算方式隨實際受力分布的情形而發(fā)生變化，例如承載物體本身中心的距離，實力的距離等。在X向直線導(dǎo)軌中，受力點在平臺的中間位置，因此根據(jù)HIWIN的工作載荷受力圖情況，可以選擇如圖41所示的工況進行力的計算。 (41) (42) (43) (44) (45)圖41 導(dǎo)軌受力示意圖在上式（41～45）中，——為滑塊受到的垂直壓力；，——導(dǎo)軌在X、Y、Z向的偏移量；W——平面上的零件的重力，為負值。重力估算不超過3kg,，滾珠絲杠給滑塊的推力，為F作用點距離導(dǎo)軌規(guī)定點的距離，經(jīng)計算，為同一導(dǎo)軌上