畢業(yè)設(shè)計資料 結(jié)構(gòu)設(shè)計

第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1小車行走結(jié)構(gòu)設(shè)計這里主要是做了三方面的工作：對小車行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇；對電機(jī)功率的估計并選擇出小車的驅(qū)動電機(jī)；對根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的齒輪、齒條傳動的接觸疲勞強(qiáng)度、彎曲疲勞強(qiáng)度校核。3.1.1根據(jù)一些移動機(jī)器人本體設(shè)計的研究文獻(xiàn)及直動關(guān)節(jié)的知識可獲得兩個車體結(jié)構(gòu)方案。這兩個方案的示意圖如圖所示：方案1：其中傳動順序為：電機(jī)齒輪箱車輪軸上齒輪（通過車輪軸）驅(qū)動輪。這也是在移動機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計上較為常用的一種車體結(jié)構(gòu)方案，布置比較對稱合理。方案2：其中傳動順序為：電機(jī)圓柱齒輪固定齒條（通過反推動）車體結(jié)構(gòu)。這里的設(shè)計有借鑒將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動里有齒輪、齒條這么一種傳動方式，結(jié)構(gòu)比較簡單，設(shè)計比較容易。方案間的比較：表1兩車體機(jī)構(gòu)方案的比較方案比較方面方案1方案2設(shè)計方面較復(fù)雜較簡單結(jié)構(gòu)方面稍復(fù)雜稍簡單布置方面對稱點有點偏移效率方面較低較高精度方面高稍差用材方面還好有長齒條根據(jù)實際的工作條件：希望設(shè)計能夠比較簡單，結(jié)構(gòu)比較簡單，焊接小車的移動效率高一點，精度要求并不是很高，。故可從表1可選擇出方案2作為該小車的設(shè)計結(jié)構(gòu)方案。3.1.21、電機(jī)功率的估計根據(jù)機(jī)器人的重量、小車運行速度、輪胎直徑來確定驅(qū)動電機(jī)的功率。假定小車在軌道上行走，不考慮小車行駛中的空氣阻力，分析小車的受力情況，以便估計小車所需的驅(qū)動力矩。此時，應(yīng)把輪胎看成一個彈性體來考慮。前面也提到了，在這里，由于電機(jī)的驅(qū)動是通過齒輪、齒條的嚙合來驅(qū)動，故該小車的四輪都為從動輪。這里先分析車輪的受力情況：圖車輪受力簡圖假設(shè)在運動過程中，輪子做純滾動。設(shè)小車運動時的加速度為，相應(yīng)的車輪角加速度為。根據(jù)可推得：其中v為小車速度，w為車輪角速度，r為車輪的半徑。圖畫出了該小車的車輪在運動過程中的受力簡圖，圖中P車輪上的載荷，m車輪的質(zhì)量，N地面對車輪的法向反作用力，U為車輪的切向反作用力，X車輪軸的車輪的推力。根據(jù)平衡條件有（3-1）（3-2）為車輪滾動阻力矩，其值為；J為車輪的轉(zhuǎn)動慣量。根據(jù)式（3-1）、（3-2）有（3-3）由此可知，推動車輪前進(jìn)要克服兩種阻力，即車輪的滾動阻力和車輪的加速阻力。而后者又由平移質(zhì)量產(chǎn)生的加速阻力和由旋轉(zhuǎn)質(zhì)量產(chǎn)生的加速阻力所組成。齒輪、齒條傳動作為該小車的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，故驅(qū)動力矩設(shè)為，進(jìn)而可將理解為小車的實際驅(qū)動力，為齒輪的半徑。故以小車車體做分析對象，在水平方向上，應(yīng)用牛頓第二定律可得：（3-4）其中為機(jī)器人總質(zhì)量。將式（3-3）中的X帶入上式得；（3-5）由上式可得出結(jié)論為：小車的驅(qū)動力用來克服車輪的滾動阻力和機(jī)器人的平移質(zhì)量的加速阻力和車輪的旋轉(zhuǎn)阻力?？筛鶕?jù)式（3-5）粗估出驅(qū)動力矩：其中：車輪半徑，（查理論力學(xué)P120表5-2滾動摩阻系數(shù)。），；估為40kg,車輪質(zhì)量估計為0.8kg,J估計為，牛；由于這里的焊接速度為，故可一定程度上估出。將上述數(shù)據(jù)帶入式（3-5）得：進(jìn)而根據(jù)要求的運行速度為v,初步確定電機(jī)的功率P：（3-6）其中：K為估計系數(shù)，考慮到該焊接機(jī)器人其上的關(guān)節(jié)的運動，可取為5。解之得：2.電機(jī)的選擇前面已初步估計出了驅(qū)動力矩，電機(jī)的功率。在實際的操作中，機(jī)器人的驅(qū)動，使用的電機(jī)類型主要有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)等?？紤]到步進(jìn)電機(jī)通過改變脈沖頻率來調(diào)速。能夠快速啟動、制動，有較強(qiáng)的阻礙偏離穩(wěn)定的抗力。又由于這里的位置精度要求并不高，而步進(jìn)電機(jī)在機(jī)器人無位置反饋的位置控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。這里選定步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動電機(jī)，考慮到在實際的選擇中應(yīng)考慮到一定的裕度。這里選用的是杭州日升生產(chǎn)的永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)：型號：130BYG2501；步距角：0.9/1.8度；電壓：120-310v相數(shù)：2；電流：6A;靜轉(zhuǎn)矩：270；空載運行頻率：；轉(zhuǎn)動慣量：；3.1.3齒輪、齒條傳動的校核這里齒輪、齒條的傳動是按照結(jié)構(gòu)聯(lián)系上來設(shè)計的，故這里對齒輪進(jìn)行彎曲強(qiáng)度校核、接觸強(qiáng)度校核。其參數(shù)為：齒輪直徑，齒寬為，模數(shù)為，齒數(shù)為80。前面也對驅(qū)動力矩做出估計并給出轉(zhuǎn)速，，。這里參考《機(jī)械設(shè)計》P209里的帶式輸送機(jī)減速器的高級級齒輪傳動設(shè)計進(jìn)行校核。由于這里的齒條可以理解為半徑無窮大的圓柱齒輪，故不存在疲勞強(qiáng)度是否符合要求，對齒條的強(qiáng)度無需校核，這里只需校核齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度、接觸疲勞強(qiáng)度。1.選定齒輪類型、精度等級、材料1）這里以直齒圓柱齒輪齒條傳動。2）該焊接機(jī)器人速度不高，故選用7級精度（GB10095-88）。3）由表10-1選擇齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，齒條材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。2.按齒面接觸強(qiáng)度校核按照公式（10-9a（3-7）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值（1）計算載荷系數(shù)K根據(jù)，7級精度，由表10-8查得動載系數(shù)；由表10-2查得使用系數(shù)；直齒輪，調(diào)質(zhì)，及。查表10-3的；由表10-4查的7級精度、小齒輪相對支承非對稱布置時，將數(shù)據(jù)帶入后得：由查圖10-13得；故載荷系數(shù)。（2）齒寬系數(shù)。（3）由表10-6查得材料的彈性影響系數(shù)。（4）由圖10-21d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限。（5）由式10-13計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。（7）由圖10-19查得接觸疲勞系數(shù)。（8）JI計算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率1%，安全系數(shù)，由式（10-12）得（9）由于這里是齒輪、齒條傳動，故可認(rèn)為傳動比計算將上面計算的各項數(shù)據(jù)帶入式（3-7）得：而這里設(shè)計該傳動的齒輪半徑，顯然滿足接觸疲勞強(qiáng)度。3.按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核這里按照公式（10-5）進(jìn)行校核：確定公式內(nèi)各計算數(shù)值由圖10-20c查得齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)計算彎曲疲勞許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù)，由式（10-12）得（4）計算載荷系數(shù)K（5）查取齒形系數(shù)由表10-5查得（6）查取應(yīng)力校正系數(shù)由表10-5可查的得2）計算而這里設(shè)計的是，顯然滿足彎曲疲勞強(qiáng)度，故校核結(jié)果符合要求。4、結(jié)論綜上，所設(shè)計的齒輪參數(shù)符合要求，校核完畢。3.2擺動關(guān)節(jié)電機(jī)選擇考慮到擺動關(guān)節(jié)的實際情況，對電機(jī)的要求：質(zhì)量輕，體積小，頻繁的正反轉(zhuǎn)，換向性能好，較好的運動控制精度，功率為二十多瓦。故這里選擇直流伺服電機(jī)中的印刷繞組直流永磁式。該類型直流伺服電機(jī)又稱盤式電機(jī)，有特點：快速響應(yīng)性能好；可以頻繁的起動、制動、正反轉(zhuǎn)工作；轉(zhuǎn)子無鐵損，效率高；換向性能好；壽命長；負(fù)載變化時轉(zhuǎn)速變化率小，輸出力矩平穩(wěn)。這里選擇的型號是Maxon組合體系：電機(jī)：MaxonDCMotorF2260功率為40W;行星輪減速箱：GP62（11501）傳動比約為19：1；編碼器：HEDS55。3.3本章小結(jié)這里主要是進(jìn)行了車體結(jié)構(gòu)設(shè)計：方案選擇；功率估計；電機(jī)選擇；校核。第四章結(jié)論1、對該集裝箱波紋板三自由度焊接機(jī)器人進(jìn)行了方案設(shè)計，并對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)逆解，證明該方案可行，能夠滿足集裝