【正文】 桿機(jī)構(gòu)的目的是把直流伺服電機(jī)放到腰部回轉(zhuǎn)盤上面，避免直接放到小臂與大臂的連接處，減輕小臂的重量，降低大臂驅(qū)動裝置的負(fù)載，減少運(yùn)動過程中產(chǎn)生的動載荷與沖擊，提高整個噴漆機(jī)器人的響應(yīng)速度。　鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計此處的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)共有三種設(shè)計方案，分別是雙曲柄機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。對于雙曲柄機(jī)構(gòu)來說機(jī)架為最短邊，又因為大臂為機(jī)架而且長度為 1000mm，如果采用雙曲柄機(jī)構(gòu)，其它桿的桿長太長，而且上一章確定小臂的長度為 800mm，因此雙曲柄機(jī)構(gòu)不符合要求。對于雙搖桿機(jī)構(gòu)來說機(jī)架為最短邊的對邊，既大臂與最短桿相對。如果采用雙搖桿機(jī)構(gòu)，會導(dǎo)致其他兩桿的長度過長，在一定方向上占有的空間太大，而且小臂的俯仰角度不好確定，勢必會增加設(shè)計難度。綜合以上分析，在這里采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)具體如圖 所示。ab 邊代表大臂，長度為 1000mm，ad 邊代表底桿,長度為 400mm，dc 邊代表后桿，長度為1000mm，bc 邊代表小臂長兩個連接點間的部分，長度為 200mm。ab邊為機(jī)架，ad 邊為搖桿， bc 邊為曲柄。這種結(jié)構(gòu)首先滿足了 bc 邊長度小于小臂長度這一條件，而且所占的空間小，底桿和后桿的質(zhì)量比其他兩種方案要小。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計28圖 　實現(xiàn)小臂俯仰的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖　液壓缸的選擇與設(shè)計首先計算動態(tài)轉(zhuǎn)矩，計算動態(tài)轉(zhuǎn)矩需計算轉(zhuǎn)動慣量。我們只需要計算出轉(zhuǎn)動慣量最大時的情況，既當(dāng)小臂與大臂共線時，小臂可視為繞 i 軸旋轉(zhuǎn)，此時整個小臂體對 i 軸的轉(zhuǎn)矩最大。小臂總體質(zhì)量的計算 [2125]小臂的大體結(jié)構(gòu)為分段空心圓柱，材料為鋁合金體積 V=lA = /4＋ 178。/4－ 178。/4??? = m3質(zhì)量 m= V?= =腕部結(jié)構(gòu)對 i 軸的轉(zhuǎn)動慣量腕部繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為 = m(b2+h2) 39。1I = kg m2平移到 i 軸上 = +m1I39。21r第 3 章 噴漆機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計29 =+5(+＋) 2 = m2回轉(zhuǎn)套支架對 i 軸的轉(zhuǎn)動慣量回轉(zhuǎn)套支架繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為 = m(b2+h2)39。2I1 = kg m2平移到 i 軸上 = +m2I39。2r =+7(＋) 2= m2小臂結(jié)構(gòu)對 i 軸的轉(zhuǎn)動慣量由于小臂是階梯狀前一段體積 = m31V質(zhì)量 = =，此外還要加上電機(jī)減速器軸聯(lián)軸器短軸的質(zhì)?量共 8kg。小臂前段繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為 = (3 R2+L2)39。3I1m = kg m2平移到 i 軸上 = +m3I39。23r =+8(＋) 2 = m2后一段體積 =質(zhì)量 = =?小臂后段繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為 = (3 R2+L2)39。4I1 = m2平移到 i 軸上 = +m4I39。24r =+ = m2 帶動小臂轉(zhuǎn)動的后桿和底桿對 i 軸的轉(zhuǎn)動慣量燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計30兩圓桿為鋁合金材料，圓形實心直桿。后桿的尺寸為1001000，底桿的尺寸為 100400。當(dāng)兩桿共線時，兩桿對 i 軸的φ φ轉(zhuǎn)動慣量最大。兩桿的體積之和 = /414= ?=m總 ?總　 = =27kg兩段同一直線時繞兩段質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為：= (3 R2+L2)39。5I1總= m2平移到 i 軸上 = +m5I39。25r =+27 = m2對 i 軸總的轉(zhuǎn)動慣量以上計算的 、 、 、 、 均是在轉(zhuǎn)動慣量最大的情況下計算1I23I45I得到的，所以用這些轉(zhuǎn)動慣量計算出的總力矩和功率，從而選擇的電機(jī)必然滿足噴漆機(jī)器人在其他工作狀態(tài)下的工作要求。對 i 軸總的轉(zhuǎn)動慣量為：= + + + + = kg m2I總 123I45總力矩和功率的計算取小臂的轉(zhuǎn)動角速度 = /2 rad/s，轉(zhuǎn)速為 n=15r/min??取啟動時間為 1 s由此轉(zhuǎn)動角加速度為 = /2 rad/s2　?慣性力矩 T =1I總　　　　　 = /2? = m靜態(tài)力矩 T ：由于小臂的俯仰機(jī)構(gòu)采用的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，小臂自2燕山大學(xué)本科生畢業(yè)論文31身基本可以平衡，所以靜態(tài)力矩可以忽略不計。摩擦力矩 T ：摩擦力矩近似等于 倍的慣性力矩3綜上所述總力矩 T =T = N m總 1 小臂驅(qū)動油缸鉸接點 固定在轉(zhuǎn)臺上，傳動原理同上。計算39。O大臂處于垂直位置時的小臂動作范圍。由結(jié)構(gòu)尺寸知：， ， ，mO18039。32?85032?39。3?，39。，最小時 ，則活塞全行程為 220mm。39。3 .7239。3經(jīng)計算可得：227。=12186。45’03’’活塞行程為 220mm 時：β =107186。14’27’’2活塞行程為零時 186。43’57’’361??則小臂總轉(zhuǎn)角 186。30’30’’702??燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計32活塞行程為零時小臂與大臂夾角 Φ =β +227。=49186。29’，相對水平位301置分配 θ 時可得： 39。314093??????下 5923下上　 大臂的設(shè)計　大臂設(shè)計的總體要求噴漆機(jī)器人大臂的主要作用是用來承受小臂的重量和固定鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的底桿，因此噴漆機(jī)器人的大臂對整個機(jī)器人能否保持穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。大臂的傳動形式與小臂相同，都是由液壓缸驅(qū)動實現(xiàn)大臂的俯仰運(yùn)動。大臂的整體結(jié)構(gòu)為長方體實心結(jié)構(gòu)，這樣做的目的是為了提高其力學(xué)性能包括大臂的剛度、強(qiáng)度以及抗彎能力。鋁合金的密度低、強(qiáng)燕山大學(xué)本科生畢業(yè)論文33度高、具有良好的抗腐蝕能力而且力學(xué)性能上接近或超過合金鋼。因此選用鋁合金作為大臂的材料，這樣可以減輕大臂的重量，從而減小驅(qū)動元件的負(fù)載，而且可以進(jìn)一步也減輕用于驅(qū)動腰部回轉(zhuǎn)的驅(qū)動元件的負(fù)載。大臂總體質(zhì)量的計算大臂的大體結(jié)構(gòu)為長方體并且兩端中空，鉆有小孔。所以實際體積要小一些，在這里計算體積時帶入一折減系數(shù)，假設(shè)折減系數(shù)為。材料為鋁合金。體積 V=hA =1 =質(zhì)量 m= V?= =大臂對 i 軸的轉(zhuǎn)動慣量大臂繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為 = m(b2+a2)39。1I = m2平移到 i 軸上 = +m1I39。21r =+ = m2小臂對 i 軸的轉(zhuǎn)動慣量小臂對 i 軸的轉(zhuǎn)動慣量 = m22I大臂和小臂對 i 軸的轉(zhuǎn)動慣量的總和= + =+= m2I總 12 總力矩的計算取大臂的轉(zhuǎn)動角速度 = /2 rad/s，轉(zhuǎn)速為 n=15r/min??取啟動時間為 1 s燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計34由此轉(zhuǎn)動角加速度為 = /2 rad/s2??慣性力矩 T =1I總　　　　　 = /2 = m靜態(tài)力矩 T ：當(dāng)大臂和小臂在一條直線時靜態(tài)力矩最大，此時 T2=mgr=(++) = m2 摩擦力矩 T ：摩擦力矩近似等于 倍的靜態(tài)力矩3綜上所述總力矩 T =T + T = m總 21一般對驅(qū)動元件有以下幾方面要求：（1）慣量小，動力大。驅(qū)動元件在噴漆機(jī)器人中主要用于回轉(zhuǎn)運(yùn)動，所以轉(zhuǎn)動慣量要小，同時比功率要大一些。（2）體積小，重量輕。主要評價的性能指標(biāo)是功率密度，由于驅(qū)動元件是安裝在腰部回轉(zhuǎn)盤上的，如果驅(qū)動元件過大，就會導(dǎo)致腰部回轉(zhuǎn)盤過大，所以這里要求驅(qū)動元件的功率密度應(yīng)該盡可能的大些。（3）位置控制精度高，快速響應(yīng)性好，調(diào)速范圍大，低速平穩(wěn)。（4）振動小，噪聲小，安全可靠，運(yùn)行平穩(wěn)。（5）效率高，消耗的能源要盡可能的小。所以，采用液壓馬達(dá)驅(qū)動。大臂擺動軸軸心 與驅(qū)動油缸的鉸接點 均固定與轉(zhuǎn)臺上。相對2O39。2O轉(zhuǎn)臺來說，大臂和油缸可視作一帶滑動副的平面連桿機(jī)構(gòu)，活塞桿的移動通過餃點 B 傳遞給大臂，使之作前后擺動。第 3 章 噴漆機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計35結(jié)構(gòu)尺寸： 、 ，油缸兩支點距離最大mO16539。2?mC6502?燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計36時 ，最小時 ，39。2?2?200mm。 。經(jīng)計算可得出 227。=11186。49’.C1339?；钊畲笮谐虨?200mm 時：Φ =118186。21’10”2活塞行程為零時：Φ =43186。39’52”1則大臂總轉(zhuǎn)角 ?=Φ Φ =74186。41’18”2活塞最大行程時大臂與 線夾角為 =180186。Φ 227。=49186。49’47”39。2O20?2則大臂相對垂直時的運(yùn)動范圍為。186。1339。04902??????前 5前后　 腰關(guān)節(jié)的設(shè)計噴漆機(jī)器人的腰部關(guān)節(jié)的主要作用是承受大臂、小臂、腕部以及驅(qū)動元件和傳動系統(tǒng)的重量。腰部主軸與腰部回轉(zhuǎn)盤的通過螺釘連接在一起，電機(jī)帶動腰部主軸旋轉(zhuǎn)，從而使腰部回轉(zhuǎn)盤繞其中心旋轉(zhuǎn)完成所要求的動作。因為噴漆機(jī)器人的主體部分都安裝在腰部回轉(zhuǎn)盤，所以要求整個結(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。3小臂轉(zhuǎn)速 = /2 rad/s，長為 , 傳感器線數(shù)為：ω?哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計37ns=2 /(i )=2 /(100 )=418?θ180。小臂選用南京中科天文儀器有限公司的增量編碼器YGM610，n s=480。大臂轉(zhuǎn)速 = /2 rad/s，長為 1m, 傳感器線數(shù)為：ωns=2 /(i )=2 /(100 )=524?θ180。大臂選用南京中科天文儀器有限公司的增量編碼器YGM610，n s=600。腰部轉(zhuǎn)速 = /2 rad/s，小臂大臂伸直時總長為 ,傳感器線數(shù)為：ns=2 /(i )=2 /(5 )=9425?θ180。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，n s=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)器人的工作空間的數(shù)學(xué)模型，驗證了假設(shè)條件中的噴漆機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)的尺寸是符合工作要求的。然后計算各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量，根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量得出計算力矩和功率，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)的尺寸以及兩個齒輪組的尺寸的計算和強(qiáng)調(diào)度校核。最后根據(jù)噴漆機(jī)器人的定位精度，合理選擇了各個關(guān)節(jié)的傳感元件。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計38第 4 章 　 軸、螺釘?shù)脑O(shè)計與校核第 4 章 軸、螺釘?shù)脑O(shè)計與校核39　 大軸 1 的結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核　大軸 1 的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖 　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，因為外部還要裝端蓋，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，考慮燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計40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。故在這里只計算小齒輪的受力。轉(zhuǎn)矩 T =10 =10 (3/75) 16??1/Pn?6=378180N mm圓周力 = =12606NtF12/d