【正文】 因?yàn)閲娖釞C(jī)器人的主體部分都安裝在腰部回轉(zhuǎn)盤，所以要求整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定以及手臂運(yùn)行過程中的平衡。此外還要求腰部回轉(zhuǎn)盤的運(yùn)動精度較高，要在驅(qū)動元件上安裝傳感器，檢測電機(jī)的旋轉(zhuǎn)精度。由于測量的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的精度，故在這里采用增量編碼器。 傳感器的選擇 為保證噴漆機(jī)器人位置精度需要為各關(guān)節(jié)選擇 傳感器。各個(gè)關(guān)節(jié)所作的運(yùn)動都是回轉(zhuǎn)運(yùn)動，綜合考慮各種傳感器，選用增量型編碼器。增量型編碼器能夠物體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)生信號。增量型編碼器主要應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床及機(jī)械附件 、機(jī)器人、自動裝配機(jī)、包裝機(jī)械等 機(jī)器人位置精度為 , 所以大臂、小臂、腰關(guān)節(jié)的位置精度為。 小臂轉(zhuǎn)速 ω =? /2 rad/s，長為 , 傳感器線數(shù)為： ns=2? /(iθ )=2? /(100180。 )=418 小臂選用南京中科天文儀器有限公司的 增量 編碼器 YGM610，ns=480。 大臂轉(zhuǎn)速 ω =? /2 rad/s，長為 1m, 傳感器線數(shù)為： ns=2? /(iθ )=2? /(100180。 )=524 大臂選用南京中科天文儀器有限公司的 增量 編碼器 YGM610，ns=600。 腰部轉(zhuǎn)速 ω =? /2 rad/s，小臂大臂伸直時(shí)總長為 ,傳 感器線數(shù)為： ns=2? /(iθ )=2? /(5180。 )=9425 腰部角位移測量 選杭州霍德利電子科技有限公司 的 HTL 系列空心軸編碼器 ， ns=10800[15]。 本章小結(jié) 本章首先用簡單的空間立體幾何方法建立了噴漆機(jī)器人的工作空哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 35 間的數(shù)學(xué)模型，驗(yàn)證了假設(shè)條件中的噴漆機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的 尺寸是符合工作要求的。然后計(jì)算各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量，根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量得出計(jì)算力矩和功率，從而選擇合理的驅(qū)動元件。選擇了驅(qū)動元件之后計(jì)算了大臂和小臂傳動機(jī)構(gòu)的尺寸，包括鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的尺寸以及兩個(gè)齒輪組的尺寸的計(jì)算和強(qiáng)調(diào)度校核。最后根據(jù)噴漆機(jī)器人的定位精度，合理選擇了各個(gè)關(guān)節(jié)的傳感元件。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 36 第 4 章 軸、螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)與校核 大軸 1 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 大軸 1 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 大軸 1 的傳動方案 確定大軸 1 上的 零件的裝配方案 大軸 1 上的零件的裝配方案如圖 所示。 確定大軸 1 的材料以及各段直徑和長度 大軸 1 的材料為 40Cr，調(diào)制處理。 由于密封箱的壁厚為 45mm，孔徑為 150mm，因?yàn)橥獠窟€要裝端蓋，這段軸頸上還要裝配軸承，所以 ab 段的長度為 41mm，直徑為 85mm,裝配的軸承為角接觸球軸承，型號是 7217C。固定軸承的軸肩高度為。 bc 段為過渡段，長度為 80mm，直徑 92mm，固定齒輪的軸肩高度為 。 由于大齒輪的齒寬為 65mm，軸頭的長度應(yīng)該小于輪轂的長度，所以 de 段的長度為 60mm，直徑為 90mm。為了齒輪的周向定位，這段軸上還要開有鍵槽，來安裝平鍵。根 據(jù)這段軸的直徑和長度，鍵槽的寬度第 4 章 軸、螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)與校核 37 為 25mm，長度為 50mm，鍵槽的鍵槽深為 7mm。 ef 段要安裝用于齒輪的軸向固定和軸承的軸向固定的軸套，考慮到另一半的密封箱的壁厚和孔徑以及大齒輪輪轂比軸頭多出的長度，這段軸頸的長度為 60mm，直徑為 85mm。裝配的軸承為角接觸球軸承，型號是 7217C。 fg 段為過渡段，長度為 45mm，直徑為 80mm。 gh 段與大臂相連，大臂在此處的厚度為 39mm，孔徑為 90mm。而且這段軸與大臂的連接方式是脹緊聯(lián)結(jié)，通過脹緊套使大軸 1 與大臂連接在一起。因此這段軸的長度為60mm，直徑 為 60mm。脹緊套選用 Z2 型脹緊套。 大軸 1 的強(qiáng)度校核 計(jì)算齒輪的受力 大齒輪和小齒輪的受力大小相等，方向相反。故在這里只計(jì)算小齒輪的受力。 轉(zhuǎn)矩 T 1 =10 6 ? ?11/Pn? =10 6 (3/75) =378180N mm 圓周力 tF = 112/Td=12606N 徑向力 rF = tantF ?? = 計(jì)算支撐反力 水平面受力圖如圖 (a)所示。 1HF + rF = 2HF rF = 2HF (+) 故 1HF =， 2HF = 垂直面受力圖如圖 (b)所示。 1VF + 2VF +F= tF 1VF (+) tF =0 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 38 故 1VF =， 2VF = 、畫軸彎矩圖 水平面彎矩圖見圖 (c) HM 圖。垂直面彎矩圖見圖 (d) VM 圖。合成彎矩圖見圖 (e)圖，合成彎矩 M= 22VHMM? 。 、畫轉(zhuǎn)矩圖 軸受轉(zhuǎn)矩 T= T1 ，轉(zhuǎn)矩 圖見圖 (f) 1T 圖。 (a) (b) (c) 第 4 章 軸、螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)與校核 33 39 (d) (e) (f) 圖 大軸 1 的受力分析 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 40 、按彎扭合成應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核 de 段的中間截面為危險(xiǎn)截面。取 ? =。 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 T? =378180=226908 N mm ? ?22 /e M T W???? =，查表知 ? ?1b?? =70MPa，所以 e? ? ?1b?? 。因此大軸 1 的強(qiáng)度滿足要求，故安全 [2630]。 大軸 2 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 大軸 2 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 大軸 2 的傳動方案 確定大軸 2 上的零件的裝配方案 大軸 2 上的零件的裝配方案如圖 所示。 確定大軸 2 的材料以及各段直徑和長度 大軸 2 的材料為 40Cr，調(diào)制處理。 由于密封箱的壁厚為 45mm，孔徑為 150mm，因?yàn)橥獠窟€要裝端蓋，這段軸頸上還要裝配軸承，所以 gh 段的長度為 41mm，直徑為 85mm,裝配的軸承為角接觸球軸承，型號是 7217C。固定軸承的軸肩高度為。 fg 段為過渡段，長度為 80mm，直徑 92mm，固定齒輪的軸肩高度為 。 第 4 章 軸、螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)與校核 41 由于大齒輪的齒寬為 75mm，軸頭的長度應(yīng)該小于輪轂的長度，所以 de 段的長度為 60mm，直徑為 90mm。為了齒輪的周向定位，這段軸上還要開有鍵槽，來安裝平鍵。根據(jù)這段軸的直徑和長度，鍵槽的寬度為 25mm，長度為 50mm，鍵槽的鍵槽深為 7mm。 cd 段要安裝用于齒輪的軸向固定和軸承的軸向固定的軸套，考慮到另一半的密封箱的壁厚和孔徑以及大齒輪的輪轂比軸頭多出的長度，這段軸頸的長度為 45mm，直徑為 85mm。裝配的軸承為角接 觸球軸承，型號是 7217C。 bc 段為過渡段，長度為 ，直徑為 80mm。 ab 段與鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的底桿相連，并且穿過大臂末端的通孔，大臂在此處的厚度為 39mm，孔徑為 95mm，底桿的厚度為 40mm，孔徑為90mm，這段軸與底桿的連接方式是脹緊聯(lián)結(jié)，通過脹緊套使大軸 2 與底桿連接在一起。根據(jù)以上條件這段軸的長度為 ，直徑為60mm。脹緊套選用 Z2 型脹緊套。 大軸 2 的強(qiáng)度校核 大軸 1 是帶動大臂實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動的軸，大軸 2 是帶動鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動的軸。從第三章可知大軸 1 受到的轉(zhuǎn)矩是 378180 N mm，而且同時(shí)承受大臂和小臂的總重量。大軸 2 受到的轉(zhuǎn)矩是 50400 N mm，但是只承受底桿的重量。兩根軸的主體機(jī)構(gòu)和材料以及熱處理方式一樣，大軸 2 的受力比大軸 1 的受力小得多，當(dāng)大軸 1 滿足強(qiáng)度條件時(shí)，大軸 2必然滿足強(qiáng)度條件。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 42 小軸 1 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 小軸 1 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 小 軸 1 的傳動方案 確定小軸 1 上的零件的裝配方案 小軸 1 上的零件的裝配方案如圖 所示 。 確定小軸 1 的材料以及各段直徑和長度 小軸 1 的材料為 40Cr，調(diào)制處理。 ab 段的主要用處是通過聯(lián)軸器與電機(jī)相連，電機(jī)輸出端的軸徑是24mm，再根據(jù)凸緣軸器的寬度， ab 段的長度為 35mm，直徑為 24mm。這一段由于和聯(lián)軸器連接，所以開有鍵槽，具體尺寸和電機(jī)輸出端的一樣。 bc 段是過渡段，長度為 40mm，直徑為 28mm。 由于密封箱的壁厚為 45mm，孔徑為 62mm，因?yàn)橥獠窟€要裝端蓋，這段軸頸上還要裝配軸承，所以 cd 段的長度為 25mm，直徑為 30mm，裝配的軸承為角接觸球軸承，型號是 7206C。固定軸承 的軸肩高度為4mm。 ef 段為過渡段，長度為 95mm，直徑 38mm。 由于小齒輪的齒寬為 70mm，軸頭的長度應(yīng)該小于輪轂的長度，所以 fg段的長度為 67mm，直徑為 35mm。為了齒輪的周向定位，這段軸上還要開有鍵槽，來安裝平鍵。根據(jù)這段軸的直徑和長度，鍵槽的寬度為 12mm，長度為 56mm，鍵槽的鍵槽深為 5mm。固定齒輪的軸肩高度為 。 gh 段要安裝用于齒輪的軸向固定和軸承的軸向固定的軸套，考慮到另一半的密封箱的壁厚和孔徑以及大齒輪輪轂比軸頭多出的長度，這段軸頸的長度為 50mm，直徑為 30mm。裝配 的軸承為角接觸球軸承，型號是 7206C。 第 4 章 軸、螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)與校核 43 小軸 1 的強(qiáng)度校核 計(jì)算齒輪的受力 轉(zhuǎn)矩 T 1 =10 6 ? ?11/Pn? =10 6 (3/75) =378180N mm 圓周力 tF = 112/Td=12606N 徑向力 rF = tantF ?? = 計(jì)算支撐反力 水平面受力圖如圖 (a)所示。 1HF + rF = 2HF rF 153= 2HF (67+153) 故 1HF =， 2HF = 垂直面受力圖如圖 (b)所示。 1VF + 2VF = tF 1VF (67+153)= tF 67 故 1VF =， 2VF = 畫軸彎矩圖 水平面彎矩圖見圖 (c) HM 圖。垂直面彎矩圖見圖 (d) VM 圖。合成彎矩圖見圖 (e)圖，合成彎矩 M= 22VHMM? 。 畫軸轉(zhuǎn)矩圖 軸受轉(zhuǎn)矩 T= T1 ，轉(zhuǎn)矩圖見圖 (f) 1T 圖。 (a) 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 44 (b) (c) (d) (e) 第 4 章 軸、螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)與校核 45 (f) 圖 小 軸 1 的受力分析 按彎扭合成應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核 fg 段的中間截面為危險(xiǎn)截面。取 ? =。 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 T? =378180=226908 N mm ? ?22 /e M T W???? =，查表知 ? ?1b?? =70MPa，所以 e? ? ?1b?? 。因此小軸 1 的強(qiáng)度滿足要求，故安全。 小軸 2 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 小軸 2 的結(jié)構(gòu)與小軸 1 一樣，但驅(qū)動元件的輸出轉(zhuǎn)矩較小。上面校核的小軸 1 的強(qiáng)度滿足要 求，故小軸 2 的強(qiáng)度必然滿足要求。 回轉(zhuǎn)底盤與腰部主軸連接螺釘?shù)男：? 腰部回轉(zhuǎn)所需轉(zhuǎn)矩 T=? 。 選取的螺釘材料為 Q235，直徑為 12mm，固定用的螺栓數(shù)目為 6。 取可靠系數(shù) C=，結(jié)合面摩擦系數(shù) f=， ir =65mm。 預(yù)緊力 60 1/ ( )iiF C T f r????= 342 1. 63 10 1. 1 / ( 0. 16 6 65 )? ? ? ?= 查表取材料屈服極限 S? =240MPa 查表取安全系數(shù) S= 故需用應(yīng)力 ??? = /S S? =160MPa 由此螺釘?shù)闹睆?? ?01 .3 / ( )4dF ? ??= 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 46 所以預(yù)選取的螺釘滿足強(qiáng)度要求。 本章小結(jié) 本章對 噴漆機(jī)器人的重 要 傳動零 件 進(jìn)行了強(qiáng)度校核。對大軸 1 、大軸 小軸 小軸 2 的各個(gè)段的尺寸進(jìn)行了確定，同時(shí)確定了安裝在軸上的軸承的類型和型號，最后按照 彎扭合成力矩對軸進(jìn)行了校核。同時(shí)根據(jù)腰部的運(yùn)動形式對腰部回轉(zhuǎn)底盤處的連接螺釘 強(qiáng)度校核 。 經(jīng)計(jì)算均滿足強(qiáng)度的條件 。 結(jié) 論 本文完成了 6 自由度關(guān)節(jié)式噴漆機(jī)器人的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在180。 180。 3m 的最大覆蓋范圍內(nèi)自動噴漆的功能，達(dá)到了 預(yù)期目標(biāo)。 主要完成了以下工作： 完成了對噴漆機(jī)器人的 方案 設(shè)計(jì)。機(jī)器人 可實(shí)現(xiàn) 6 個(gè)自由度 的運(yùn)動， 分別為：腕部 噴槍 的 回轉(zhuǎn) 運(yùn)動 ，腕部回轉(zhuǎn)套 的 回轉(zhuǎn) 運(yùn)動 ，小臂 的俯仰 運(yùn)動 ，大臂 的 俯仰 運(yùn)動 ，腰部 的 回轉(zhuǎn) 運(yùn)動 。 用簡單的空間幾何的方法建立了噴漆機(jī)器人的運(yùn)動空間的數(shù)學(xué)模型并對其進(jìn)行研究。論證分析過程用到極限點(diǎn)法，即證明能夠滿足各個(gè) 極限點(diǎn) ，則其它各 點(diǎn) 必然滿足。結(jié)果證明本文設(shè)計(jì)的噴漆機(jī)器人能夠滿足作業(yè)空間 要求。 完成了驅(qū)動元件 和傳感器 的選擇 。 第 4 章 軸、螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)與校核 47