【正文】 速輸出軸轉(zhuǎn)速許用輸入功率許用輸出功率XB3280A328050028 軸承的強(qiáng)度校核滾動(dòng)軸承是現(xiàn)代機(jī)器中廣泛應(yīng)用的部件之一，它是依靠主要元件間的滾動(dòng)軸承來(lái)支撐零件的。滾動(dòng)軸承絕大多數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，并由專(zhuān)業(yè)工廠大量制造及供應(yīng)各種常用規(guī)格的軸承。滾動(dòng)軸承具有摩擦阻力小，功率消耗少，起動(dòng)容易等特點(diǎn)。所以，本文所選取的是角接觸球軸承7207C，查機(jī)械手冊(cè)可知它的額定載荷C=30500N，基本額定靜載荷Co=20000N，軸承的預(yù)算壽命為15000h。如圖43所示的軸系受力分析：圖43 軸的受力分析 Axis stress analysis由資料可得，m，轉(zhuǎn)換成力為Fr=1100N求兩軸承受到的徑向載荷Fr1和Fr2，由力分析可知： （41）求兩軸承的計(jì)算軸向力Fa1和Fa2對(duì)于70000C型軸承，按表43[9]，軸承派生軸向力，其中e為判斷系數(shù)，其值由的大小來(lái)確定，但現(xiàn)在軸承軸向力Fa未知，故先2初取e=，因此可估算 （42）進(jìn)行差值計(jì)算，得 ，再計(jì)算 （43）兩次計(jì)算的的值相差不大，因此確定e1=,e2=,Fa2=。求軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷P1和P2因?yàn)? （44）查手冊(cè)可得徑向載荷系數(shù)和軸向載荷系數(shù)為對(duì)軸承1 X1= Y1=對(duì)軸承2 X2=1 Y2=0因軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中有中等沖擊載荷，按表44[9]，取。則 （45）驗(yàn)算軸承壽命因?yàn)镻1P2，所以按軸承1的受力大小驗(yàn)算 （46）故所選的軸承滿(mǎn)足壽命要求。 表43 約有半數(shù)滾動(dòng)軸承接觸時(shí)派生軸向力Fd的計(jì)算公式Table 43 About half of the rolling contact of the derived formula for calculating the axial force Fd圓錐滾子軸承角接觸球軸承70000C(α=15?)70000AC(α=25?)70000B(α=40?)表44 載荷系數(shù)fpTable 44 Load factor fp載荷性質(zhì)舉例無(wú)沖擊或輕微沖擊～電動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)、通風(fēng)機(jī)、水泵等中等沖擊或中等慣性沖擊～車(chē)輛、動(dòng)力機(jī)械、起重機(jī)、造紙機(jī)、冶金機(jī)械、選礦機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、機(jī)床等強(qiáng)大沖擊～破碎機(jī)、軋鋼機(jī)、鉆探機(jī)、振動(dòng)篩等進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采用相應(yīng)的計(jì)算方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其需用應(yīng)力。對(duì)于僅僅（或主要）承受扭矩的軸（傳動(dòng)軸），應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算；對(duì)于只承受彎矩的軸（心軸），應(yīng)按彎曲強(qiáng)度計(jì)算；對(duì)于既承受彎矩又承受扭矩的軸（轉(zhuǎn)軸），應(yīng)按彎扭合成強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算，需要時(shí)還應(yīng)按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確校核，以免產(chǎn)生過(guò)強(qiáng)的塑性變形。本文中中心軸主要承受的是扭轉(zhuǎn)力矩，所以應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算。軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為 （47）式中：—扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa； T—軸所受的轉(zhuǎn)矩，Nmm； —軸的抗扭截面系數(shù)，； n—軸的轉(zhuǎn)速，r/min； P—軸傳遞的功率，kW； d—計(jì)算截面處軸的直徑，mm； []—許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，MPa，見(jiàn)表45。 表45 軸常見(jiàn)幾種材料的[]及Ao的值Table 45 Axis of Common Materials [] and the value of Ao軸的材料Q235A、20Q2735（1Cr18Ni9Ti）4540Cr、35SiMn38SiMnMo、3Cr1315～2520～3525～4535～55Ao149～126135～112126～103112～97由上式可得軸的直徑 （48）式中，,查表43。代入數(shù)據(jù)得d150=18mm.所設(shè)計(jì)軸的直徑都大于18mm,所以軸符合強(qiáng)度要求。5基于Matlab 的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 機(jī)器人焊槍末端的位置規(guī)劃焊槍末端位置規(guī)劃是指使焊槍端部按照位置不斷地去擬合焊縫軌跡，對(duì)于本文機(jī)器人來(lái)說(shuō)就是使得焊槍坐標(biāo)系和焊縫的坐標(biāo)系不斷地重合，而暫時(shí)不考慮焊槍的姿態(tài)。設(shè)Γ是三維空間中連續(xù)的光滑曲線，則在該曲線上任意一點(diǎn)的切向、法向和次法向方向上的單位矢量分別用 ，和來(lái)表示。這3個(gè)矢量成為曲線的弗萊納—雪列矢量，使其適當(dāng)?shù)嘏帕谐蛇@列即可描述Γ在任一點(diǎn)的方向，即該點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)矩陣。同時(shí)由這3個(gè)矢量構(gòu)成的坐標(biāo)系稱(chēng)為弗萊納—雪列坐標(biāo)系。設(shè)s為該曲線上從給定起始點(diǎn)沿曲線Γ到當(dāng)前點(diǎn)的弧長(zhǎng)，r表示任一點(diǎn)的坐標(biāo)矢量，則弗萊納—雪列矢量的定義如下[10]： （51）式中：表示，表示。而且在實(shí)際問(wèn)題中，參數(shù)的幾何意義更加明顯，因此常用參數(shù)方程來(lái)表示軌跡曲線，需要用參數(shù)的形式來(lái)表示位置矢量。假設(shè)2個(gè)變量s和θ符合單調(diào)關(guān)系，則對(duì)于任一矢量v（θ）： （52）在這里，因此。這個(gè)關(guān)系對(duì)于標(biāo)量同樣適用。因此弗萊納—雪列矢量表達(dá)式可以改寫(xiě)成[11]： （53）相貫線曲線方程化為參數(shù)方程可得： 。 （54） 因此，可以通過(guò)公式計(jì)算弗萊納—雪列三元矢量的各項(xiàng)：， （55） ， （56）（57）， （58）， （59）式中。 。 （510）矩陣即表示相貫線上焊點(diǎn)的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)矩陣。求解該相貫線的坐標(biāo)矩陣方程，可得如圖51所示的坐標(biāo)矩陣圖形，從圖看到采用弗萊納—雪列三元矢量表示的相貫線上焊點(diǎn)旋轉(zhuǎn)矩陣可以滿(mǎn)足焊接過(guò)程中的焊縫位置表示要求。圖51 相貫線上焊點(diǎn)旋轉(zhuǎn)矩陣的弗萊納—雪列三元矢量表示 Line intersecting joints of the rotation matrix Fu Laina snow out three yuan vector representation 利用Matlab建模Matlab Toolbox工具箱中有很多種建立機(jī)器人模型的方法，本文選用函數(shù)LINK([alpha A theta D sigma], 39。modified39。)[12]利用Matlab Toolbox工具箱建立焊接機(jī)器人模型的程序如下:close allL1 = link([ 0 0 0 0 1],39。modified39。)。%一號(hào)連桿參數(shù)，以下類(lèi)似L2 = link([ 0 0 0 0 0],39。modified39。)。L3 = link([ 0 40 0 40 0],39。modified39。)。L4 = link([ pi/2 0 0 20 0],39。modified39。)。L5 = link([ pi/2 0 0 0 0],39。modified39。)。PAC=ROBOT({L1,L2,L3,L4,L5})。%構(gòu)建機(jī)器人=39。welding robot39。%機(jī)器人命名=trotx(pi/2)。%基座旋轉(zhuǎn)pi/2=transl(0,10,0)。 %焊槍長(zhǎng)度10cmq0=[1 0 pi/2 pi/2 0]。%初始角度plot(PAC,q0)。drivebot(PAC)。 %機(jī)器人驅(qū)動(dòng)命令利用Matlab Toolbox工具箱建立的機(jī)器人模型如圖52：圖52 焊接機(jī)器人模型圖 Welding robot model diagram運(yùn)用MATLAB對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行編程，各個(gè)程序模塊結(jié)合起來(lái)，組成一個(gè)完整的程序?qū)C(jī)械臂的焊接軌跡進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖53，文章給出了3個(gè)不同方向的方針效果圖，可以看到不同時(shí)間機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)情況:圖53 焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真 Welding robot motion simulation圖中，可以看出機(jī)械臂末端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡與錨鏈焊接所要求的馬鞍形曲線是相吻合的。機(jī)械臂末端點(diǎn)能夠很好地走出所需要的焊接軌跡，但在某些位置，機(jī)械臂的姿態(tài)并不是很好，需要局部調(diào)整才能夠更好地滿(mǎn)足仿真焊接要求。6結(jié)論在焊接生產(chǎn)中，錨鏈的焊接是一種常見(jiàn)的焊接形式。對(duì)于大型船用錨鏈相貫線的焊接，很多工廠仍用手工焊來(lái)完成，制造周期長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，焊接質(zhì)量難以保持穩(wěn)定；對(duì)于大型錨鏈在焊接的過(guò)程中，需要對(duì)焊接部位進(jìn)行預(yù)熱，在高溫下人工操作環(huán)境非常惡劣。目前我國(guó)還沒(méi)有掌握這類(lèi)自動(dòng)焊接系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)展具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的相貫線自動(dòng)焊接系統(tǒng)與產(chǎn)品成為當(dāng)前的迫切需要?；诖?，本文深入地研究了馬鞍形曲線焊縫的形狀特征，設(shè)計(jì)了專(zhuān)用錨鏈焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。本文的主要貢獻(xiàn)：(1)建立了支管坐標(biāo)系下的相貫線方程。通過(guò)數(shù)學(xué)方程式可以看出，支管坐標(biāo)系下的相貫線描述比主管坐標(biāo)系下的相貫線方程描述要簡(jiǎn)單，更能體現(xiàn)出相貫線的特點(diǎn):將相貫線分解為圓周運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)的合成。本文運(yùn)用相貫線這個(gè)特點(diǎn)將機(jī)器人的操作機(jī)設(shè)計(jì)成三個(gè)自由度，每個(gè)自由度對(duì)應(yīng)相貫線的一個(gè)特征。另外由于錨鏈結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，為了能使焊槍到達(dá)指定的焊點(diǎn)，所以本文采用的兩個(gè)自由度對(duì)焊槍的姿態(tài)進(jìn)行控制，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制更直觀。(2)設(shè)計(jì)了基于PMAC卡控制的專(zhuān)用錨鏈焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。完成了自動(dòng)焊接機(jī)中機(jī)械部分的設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)錨鏈的制作過(guò)程進(jìn)行分析，完成了對(duì)主要部件的計(jì)算和校核。完成了錨鏈馬鞍型曲線的自動(dòng)焊接和自動(dòng)焊接過(guò)程中的手動(dòng)調(diào)節(jié)功能。利用Solidworks對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬裝配，來(lái)驗(yàn)證部件間的裝配關(guān)系是否合理和部件間是否發(fā)生干涉，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 (3)對(duì)焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了基于matlab的運(yùn)動(dòng)仿真。由于實(shí)驗(yàn)條件限制，所做的工作還有待于進(jìn)一步深化和完善。今后，本課題還需在焊接機(jī)器人軌跡規(guī)劃優(yōu)化和焊縫跟蹤控制等方面進(jìn)行更加深入的研究，從而推動(dòng)焊接機(jī)器人研究領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展。未來(lái)的弧焊機(jī)器人和其焊縫跟蹤系統(tǒng)中還有相當(dāng)多有意義的工作等待解決，同時(shí)它們也是非常有挑戰(zhàn)性的。本文雖然對(duì)錨鏈自動(dòng)焊接機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為深入的研究，但隨著焊接自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展，還有許多課題有待研究： （1）通用馬鞍型曲線焊縫插補(bǔ)算法的研究。 （2）增加焊接電壓和焊接電流等工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)控制的系統(tǒng)的研究。 （3）利用三次B樣條實(shí)現(xiàn)對(duì)任意復(fù)雜空間曲線插補(bǔ)的研究。 （4）基于嵌入式操作系統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)