油箱內(nèi)噴漆機(jī)器人直線伸縮關(guān)節(jié)設(shè)計【噴涂機(jī)器人】【說明書+CAD】

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n車用油箱系列產(chǎn)品其外形呈橢圓柱狀，上方開有一圓形入口，整個油箱在縱向被兩塊隔油板分成三個儲油區(qū),該系列油箱用于汽車燃油的儲運(yùn)，在其制造過程中，其內(nèi)腔壁需經(jīng)三層漆料的噴涂，要求噴涂均勻，涂層厚薄一致，無遺漏點(diǎn)，并要求不掉漆，不起泡，以保證油箱的防腐蝕，增加油箱的使用壽命和確保儲運(yùn)的動力燃油的清潔。但受油箱結(jié)構(gòu)的限制，人工噴漆的操作環(huán)境極為惡劣,為此，筆者研究設(shè)計了一種能替代人工噴漆作業(yè)的油箱內(nèi)噴漆機(jī)器人。由于工業(yè)機(jī)器人能夠根據(jù)作業(yè)對象完成多種復(fù)雜動作，因此，使用機(jī)器人完成噴漆作業(yè)是一種有效的方法，噴漆質(zhì)量和生產(chǎn)率也較易保證。2總體機(jī)構(gòu)n噴漆機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)有機(jī)座、肩部、臂部、腕部等組成，機(jī)座位于油箱外的后側(cè)，由固定底座、立柱、橫梁等組成，對機(jī)械臂起支承和定位作用。臂部包括與其伸縮、屈伸或旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動有關(guān)的構(gòu)件，并裝有傳動機(jī)構(gòu)、驅(qū)動裝置、導(dǎo)向定位裝置、支承連接和位置檢測元件等，臂部又可分為肩部、大臂、小臂、腕關(guān)節(jié)及噴槍、它們所產(chǎn)生的直線運(yùn)動和擺動運(yùn)動的組合完成機(jī)械臂的運(yùn)動的姿態(tài)調(diào)整。肩部由直線升降關(guān)節(jié)、擺動關(guān)節(jié)等組成,其作用是使機(jī)械手進(jìn)入箱內(nèi)并擺動伸入隔油板的偏心孔內(nèi)。大臂由擺動關(guān)節(jié)、回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和伸縮關(guān)節(jié)組成,其作用是帶動小臂及腕部縱向移動并進(jìn)行360回轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)各表面的噴漆運(yùn)動，小臂由肘關(guān)節(jié)(擺動關(guān)節(jié))和小臂伸縮關(guān)節(jié)組成,它們的運(yùn)動使腕部帶動噴槍實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動位姿;腕關(guān)節(jié)為一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，旋轉(zhuǎn)一定角度以滿足噴槍始終與被噴涂表面垂直。3.結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計 n有三種方案可供選擇：a方案采用二級圓柱齒輪減速器，適合于繁重及惡劣條件下長期工作，使用維護(hù)方便，但結(jié)構(gòu)尺寸較大；b方案，采用蝸桿減速器，結(jié)構(gòu)緊湊，但傳動效率較低；c方案，采用一級圓柱齒輪減速器和開式齒輪傳動，工藝簡單，成本低，效率高，根據(jù)機(jī)器手的工作條件，初步選定c方案，在設(shè)計過程可能還要不斷修改和完善。3.1傳動方案的設(shè)計傳動方案的設(shè)計n電動機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)形式電動機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)形式選用三相異步電機(jī)選用三相異步電機(jī)YZR型，結(jié)構(gòu)形式選用防爆型。型，結(jié)構(gòu)形式選用防爆型。n選擇電機(jī)容量選擇電機(jī)容量在在變變化化較較小小的的載載荷荷下下長長期期工工作作的的機(jī)機(jī)器器，只只要要負(fù)負(fù)載載不不超超過過額額定定植植，電電機(jī)機(jī)便便不不會會過熱，所需電機(jī)功率：過熱，所需電機(jī)功率：n確定電機(jī)轉(zhuǎn)速確定電機(jī)轉(zhuǎn)速根根據(jù)據(jù)選選定定電電機(jī)機(jī)的的類類型型，結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)，容容量量和和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速，選選電電機(jī)機(jī)YZR132M2-6.它它的額定功率為：的額定功率為：滿載轉(zhuǎn)速為：滿載轉(zhuǎn)速為：n 分配各級傳動比分配各級傳動比總傳動比：總傳動比：各軸分配各軸分配：計算傳動裝置的運(yùn)動和動力參數(shù)計算傳動裝置的運(yùn)動和動力參數(shù)式中:電動機(jī)軸的輸出轉(zhuǎn)矩 3.2傳動零件的設(shè)計計算傳動零件的設(shè)計計算n聯(lián)軸器不僅具有連接兩軸并傳遞轉(zhuǎn)矩的功能，還具有補(bǔ)償兩軸因制造和安裝誤差造成的軸線偏移的功能，以及緩沖吸振安全保護(hù)的功能。電動機(jī)軸和減速器高速軸聯(lián)結(jié)用的聯(lián)軸器，由于軸的轉(zhuǎn)速較高，為減小啟動載荷，緩沖吸振，應(yīng)選較小轉(zhuǎn)動慣量和具有彈性的聯(lián)軸器，一般選彈性柱銷聯(lián)軸器,選用HL2聯(lián)軸器，n其公稱轉(zhuǎn)矩為315N.m，許用轉(zhuǎn)速為500r/min.n在減速器外，采用開式直齒齒輪傳動，精度等級選為7級，小齒輪材料選為40Cr，硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼，硬度為240HBS，兩者的硬度材料差為40HBS。n選小齒輪齒數(shù)，大齒輪齒數(shù)取49。按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算數(shù)值按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算數(shù)值1)計算分度圓直徑 n計算中心距 n計算齒輪寬度 n取 ，大齒輪如下圖 4 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計n（1)為滿足半聯(lián)軸器軸向定位要求，右端制出一個軸肩，故 n(2)初步選擇滾動軸承。因滾針軸承工作時允許內(nèi)外圈有少量的軸向錯動，有較大的徑向承受能力，摩擦系數(shù)較大，故選此軸承。參照工作要求并根據(jù) ，有軸承目錄產(chǎn)品中初步選取 ，其尺寸為dDT=25mm42mm17mm，故 ；而 。n右端滾動軸承采用軸肩進(jìn)行軸向定位，由手冊查得它的定位軸肩高度h=1.5mm，因此取d=48mm。n(3)取安裝齒輪處的軸段的直徑 ，齒輪的左端與左軸承間采用套筒定位，已知齒輪輪轂的寬度，為了使套筒端面可靠地壓緊齒輪，此軸段應(yīng)略小于輪轂寬度，故取 ，齒輪右端采用軸肩定位，軸肩高度，取h=2mm，軸環(huán)寬度 各軸段的長度圖和直徑如下：圖4減速器軸段5直線伸縮關(guān)節(jié)直線伸縮關(guān)節(jié)n圖5為直線伸縮關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，該關(guān)節(jié)由滾珠絲桿、滾針軸承、交流伺服電動機(jī)(或帶制動器)、雙向滾柱式超越離合器等組成。雙向滾柱式超越離合器起自鎖保護(hù)作用6 絲杠的設(shè)計絲杠的設(shè)計n(1)初算滾珠絲杠副的導(dǎo)程n2)估算滾珠絲杠副底徑n(3)確定滾珠絲杠副的其他尺寸 綜合考慮各項幾何尺寸要求，取L為38mm.1）滾珠絲杠副的螺紋長度2）絲杠全程滾珠絲杠螺旋原理圖滾珠絲杠螺旋原理圖1齒輪2返回滾道3螺桿4滾珠5螺母6鍵7機(jī)架7手臂機(jī)構(gòu)尺寸的初步確定手臂機(jī)構(gòu)尺寸的初步確定根據(jù)機(jī)器手的工作空間，初步確定出手臂的長度。操作機(jī)位置與姿態(tài)的確定操作機(jī)位置與姿態(tài)的確定構(gòu)件的空間位置和姿態(tài)可用其上任一點(diǎn)（稱為基點(diǎn)，通常選構(gòu)件的質(zhì)心或形心基準(zhǔn)）在空間的位置和與與構(gòu)件固接的坐標(biāo)系相對于參考參考坐標(biāo)系來確定。機(jī)械手的主參數(shù)為最大抓重量（目前，該值通常為10公斤左右，故設(shè)重物為10kg，影響機(jī)械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度，設(shè)機(jī)械手最大移動速度為1.2m/s，最大回轉(zhuǎn)速度為120/s，手臂機(jī)構(gòu)的尺寸即手臂的長度和手臂的關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍應(yīng)該由機(jī)器人要完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間尺寸確定，因?yàn)闄C(jī)器人要完成20mm80mm的正平面和R40mm的中間曲面的噴涂工作，初步確定出手臂的長度小于20mm，選用合金鋼管作為手臂的原始材料；鋼管的厚度為5mm，求解滿足使用要求前提下手臂的最小質(zhì)量。7.1抗拉強(qiáng)度分析抗拉強(qiáng)度分析7.2抗剪強(qiáng)度條件抗剪強(qiáng)度條件手臂N點(diǎn)處所受剪應(yīng)力最大，因圓截面壁厚遠(yuǎn)小于外徑，故最大剪應(yīng)力為根據(jù)抗剪強(qiáng)度條件有將已知數(shù)據(jù)代入，計算得7.3剛度條件n由受力分析得，點(diǎn)處撓度最大，據(jù)剛度條件代入數(shù)據(jù)整理得8建立數(shù)學(xué)模型n運(yùn)用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法的理論，應(yīng)用軟件進(jìn)行輔助優(yōu)化計算與設(shè)計，以求得機(jī)械手臂的最佳設(shè)計參數(shù)n應(yīng)用MATAB軟件求解(1)編寫目標(biāo)函數(shù)的文件Obj.fun,m,返回X的函數(shù)值f。Functionf=objfun(x).f=0.00468*(1)*(2);(2)因設(shè)計約束含非線性約束，故需編寫一個描述非線性約束的文件NonLinconstr.mFunction=non.Lin.str(x);(3)給定函數(shù)的初值，并調(diào)用優(yōu)化函數(shù)Ib=zeros(1,1);Opetions=optimiset;(4)計算結(jié)果x=3.186fval=0。7201exitflag=outplot=iterations：2funCount：11slepsize:firstorderopt:0.184cgiterations經(jīng)11次迭代計算后,求得最優(yōu)方案為慣量匹配系統(tǒng)的慣量匹配對于系統(tǒng)的靈敏度影響很大,若負(fù)載慣量過大,則伺服電機(jī)加減速的時間較長,同時還影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此一般應(yīng)滿足下式式中：為伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量(),可由伺服電動機(jī)的產(chǎn)品樣本查得;為折算到伺服電動機(jī)軸上的全部負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量.轉(zhuǎn)矩匹配n對于380L型機(jī)器人，各直線伸縮關(guān)節(jié)動作時，只是帶動相應(yīng)的臂和腕部運(yùn)動，因此只存在由系統(tǒng)質(zhì)量移動引起的負(fù)載，而沒有其他外加的載荷，伺服電動機(jī)空載加速啟動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由下式給出 通過相應(yīng)的計算，在上述慣量匹配和轉(zhuǎn)矩匹配的計算過程中，代入所求數(shù)據(jù)滿足要求，在論文中有詳細(xì)的論述，在此不再詳述。結(jié)束語n本文設(shè)計了機(jī)器人的直線伸縮關(guān)節(jié)，從強(qiáng)度剛度，轉(zhuǎn)矩等方面進(jìn)行的相應(yīng)的校核，克服了以往構(gòu)件的截面直徑較小，剛度較弱，因而構(gòu)件受到較大的變形，易產(chǎn)生振動的缺點(diǎn)，從而保證了它的剛度和強(qiáng)度要求，提高了工作效率，降低了生產(chǎn)成本，維護(hù)了人的身心健康。致致謝謝n本文是在指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)下完成的，指導(dǎo)老師具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在治學(xué)及做人方面都給予我很大的幫助，使我少走了許多彎路，衷心感謝劉老師對我的關(guān)心指導(dǎo)和幫助。n同時也感謝三利集團(tuán)的崔工和史工以及其他的不知名的好心員工的大力幫助，他們豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)使我受益匪淺，也向曾經(jīng)給予過我?guī)椭钠渌蠋熀屯瑢W(xué)深表感謝。