第三章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1小車(chē)行走結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這里主要是做了三方面的工作：對(duì)小車(chē)行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇；對(duì)電機(jī)功率的估計(jì)并選擇出小車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)；對(duì)根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的齒輪、齒條傳動(dòng)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(dòng)機(jī)器人本體設(shè)計(jì)的研究文獻(xiàn)及直動(dòng)關(guān)節(jié)的知識(shí)可獲得兩個(gè)車(chē)體結(jié)構(gòu)方案。這兩個(gè)方案的示意圖如圖所示：方案1：其中傳動(dòng)順序?yàn)椋弘姍C(jī)齒輪箱車(chē)輪軸上齒輪（通過(guò)車(chē)輪軸）驅(qū)動(dòng)輪。這也是在移動(dòng)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上較為常用的一種車(chē)體結(jié)構(gòu)方案，布置比較對(duì)稱(chēng)合理。方案2：其中傳動(dòng)順序?yàn)椋弘姍C(jī)圓柱齒輪固定齒條（通過(guò)反推動(dòng)）車(chē)體結(jié)構(gòu)。這里的設(shè)計(jì)有借鑒將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)里有齒輪、齒條這么一種傳動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)比較容易。方案間的比較：表1兩車(chē)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(jì)方面較復(fù)雜較簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)方面稍復(fù)雜稍簡(jiǎn)單布置方面對(duì)稱(chēng)點(diǎn)有點(diǎn)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(zhǎng)齒條根據(jù)實(shí)際的工作條件：希望設(shè)計(jì)能夠比較簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，焊接小車(chē)的移動(dòng)效率高一點(diǎn)，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(chē)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案。3.1.21、電機(jī)功率的估計(jì)根據(jù)機(jī)器人的重量、小車(chē)運(yùn)行速度、輪胎直徑來(lái)確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率。假定小車(chē)在軌道上行走，不考慮小車(chē)行駛中的空氣阻力，分析小車(chē)的受力情況，以便估計(jì)小車(chē)所需的驅(qū)動(dòng)力矩。此時(shí)，應(yīng)把輪胎看成一個(gè)彈性體來(lái)考慮。前面也提到了，在這里，由于電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是通過(guò)齒輪、齒條的嚙合來(lái)驅(qū)動(dòng)，故該小車(chē)的四輪都為從動(dòng)輪。這里先分析車(chē)輪的受力情況：圖車(chē)輪受力簡(jiǎn)圖假設(shè)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，輪子做純滾動(dòng)。設(shè)小車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度為，相應(yīng)的車(chē)輪角加速度為。根據(jù)可推得：其中v為小車(chē)速度，w為車(chē)輪角速度，r為車(chē)輪的半徑。圖畫(huà)出了該小車(chē)的車(chē)輪在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力簡(jiǎn)圖，圖中P車(chē)輪上的載荷，m車(chē)輪的質(zhì)量，N地面對(duì)車(chē)輪的法向反作用力，U為車(chē)輪的切向反作用力，X車(chē)輪軸的車(chē)輪的推力。根據(jù)平衡條件有（3-1）（3-2）為車(chē)輪滾動(dòng)阻力矩，其值為；J為車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。根據(jù)式（3-1）、（3-2）有（3-3）由此可知，推動(dòng)車(chē)輪前進(jìn)要克服兩種阻力，即車(chē)輪的滾動(dòng)阻力和車(chē)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(dòng)作為該小車(chē)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，故驅(qū)動(dòng)力矩設(shè)為，進(jìn)而可將理解為小車(chē)的實(shí)際驅(qū)動(dòng)力，為齒輪的半徑。故以小車(chē)車(chē)體做分析對(duì)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(chē)的驅(qū)動(dòng)力用來(lái)克服車(chē)輪的滾動(dòng)阻力和機(jī)器人的平移質(zhì)量的加速阻力和車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)阻力。可根據(jù)式（3-5）粗估出驅(qū)動(dòng)力矩：其中：車(chē)輪半徑，（查理論力學(xué)P120表5-2滾動(dòng)摩阻系數(shù)。），；估為40kg,車(chē)輪質(zhì)量估計(jì)為0.8kg,J估計(jì)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(yùn)行速度為v,初步確定電機(jī)的功率P：（3-6）其中：K為估計(jì)系數(shù)，考慮到該焊接機(jī)器人其上的關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，可取為5。解之得：2.電機(jī)的選擇前面已初步估計(jì)出了驅(qū)動(dòng)力矩，電機(jī)的功率。在實(shí)際的操作中，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)，使用的電機(jī)類(lèi)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(guò)改變脈沖頻率來(lái)調(diào)速。能夠快速啟動(dòng)、制動(dòng)，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(wú)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(dòng)電機(jī)，考慮到在實(shí)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(hào)：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(yùn)行頻率：；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：；3.1.3齒輪、齒條傳動(dòng)的校核這里齒輪、齒條的傳動(dòng)是按照結(jié)構(gòu)聯(lián)系上來(lái)設(shè)計(jì)的，故這里對(duì)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(duì)驅(qū)動(dòng)力矩做出估計(jì)并給出轉(zhuǎn)速，，。這里參考《機(jī)械設(shè)計(jì)》P209里的帶式輸送機(jī)減速器的高級(jí)級(jí)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行校核。由于這里的齒條可以理解為半徑無(wú)窮大的圓柱齒輪，故不存在疲勞強(qiáng)度是否符合要求，對(duì)齒條的強(qiáng)度無(wú)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(lèi)型、精度等級(jí)、材料1）這里以直齒圓柱齒輪齒條傳動(dòng)。2）該焊接機(jī)器人速度不高，故選用7級(jí)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(jì)算數(shù)值（1）計(jì)算載荷系數(shù)K根據(jù)，7級(jí)精度，由表10-8查得動(dòng)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(jí)精度、小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)，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(jì)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(jì)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(dòng)，故可認(rèn)為傳動(dòng)比計(jì)算將上面計(jì)算的各項(xiàng)數(shù)據(jù)帶入式（3-7）得：而這里設(shè)計(jì)該傳動(dòng)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算而這里設(shè)計(jì)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(jì)的齒輪參數(shù)符合要求，校核完畢。3.2擺動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)選擇考慮到擺動(dòng)關(guān)節(jié)的實(shí)際情況，對(duì)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(yùn)動(dòng)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(lèi)型直流伺服電機(jī)又稱(chēng)盤(pán)式電機(jī)，有特點(diǎn)：快速響應(yīng)性能好；可以頻繁的起動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)工作；轉(zhuǎn)子無(wú)鐵損，效率高；換向性能好；壽命長(zhǎng)；負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速變化率小，輸出力矩平穩(wěn)。這里選擇的型號(hào)是Maxon組合體系：電機(jī)：MaxonDCMotorF2260功率為40W;行星輪減速箱：GP62（11501）傳動(dòng)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(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：方案選擇；功率估計(jì)；電機(jī)選擇；校核。第四章結(jié)論1、對(duì)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(jì)，并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，證明該方案可行，能夠滿足集裝