（机械电子工程专业论文）汽车换挡机构寿命试验操纵机器人设计.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑蕾声叫：所呈交的硕士学位论文汽车换挡机构寿命试验操纵机器人 设计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取 ! = 的成果。除文中已 经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰；过的作 品成果。对本文的研究做出熏要贡献的个人和集体，均已在文。p 以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者虢亟亟垂皿年上jj 且1 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位沦文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定“，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位沧文的 复印件和电f 版允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理 ，大学可以将本学位 沦文的令部或f i | j 分内存编入有关数据库进行检索也可采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和y r 编学位论文。 作者箍名 指导导师签名 啦皿吐d蓦| 皿邋磁 摘要 本文设计的汽车换挡机构寿命试验操纵机器人，采用关节掣机器人设计，主 要的任务足月 机器人手臂模拟人手进行选挡和换挡的操作，i t 帅十进行各项数据的 采集，从总体r 剥汽车换挡机构在安全性能e 有一个准确的训估。 机器人手借的尺寸是以人手臂的尺寸为依据，结构是参照内外优秀的关节 型机器人束设计的。通过对手动换挡机构选挡和换挡的研究，建蒂空问运动轨迹t 通过对并个关节电机的控制，使机器人手臂按轨迹运动。通过各种传感器对换挡 机构苒个性能指标进行数据的采集。虽后设汁程序实现人机交l 式功能，方便操 作者粜控制整个流程。 本i 父设计经过多改的实验、改进和优化，确保了汽车换挡机构寿命试验操纵 机器人运行的稳定性。采集的数据准确、精度高，能够很好的满足国家对于换挡 寿命试验测试性能指标的要求。 关键字：汽车换挡机构操纵机器人寿命实验测试系统 a b s t r a c t i n t h i sp a p e l id e s i g naa u t o m o b i l eg e a r s h i f t m e c h a n i s m l i f e t e s to f m a n i p u l a t i o n r o b o t st h em a i nt a s ku s et h er o b o ta r ms i m u l a t i o nh u m a na r mt os h i f ta n ds e l e c t o r o p e r a t i o na tt h es a m et i m et oa c q u i r ed a t a i tc a nm a k e sa na c c u r a l ee v a l u a t i o no f t h e s a f e t yo f a u t o m o b i l eg e a r s h i f tm e c h a n i s m r o b o tm ss i z ei sb a s e do nh u m a n ss i z es t r u c t u r ed e s i g ni sr e f e rt ot h e o u t s t a n d i n ga r t i c u l a t e d r o b o tir e s e a r c ht h em a n u a l g e a r s h i f t s e l e c t o ra n ds h i f t e s t a b l i s ht h es p a c et r a j e c t o r y u s ej o i n tm o t o r st oc o n t r o lt h er o b o ta r mt om o v e v a r i o u ss e n s o r so nt h eg e a rs h i f tm e c h a n i s ma c q u i r e p e r f o r m a n c ei n d e xd a t a d e s i g n i n gt h ei f t a n m a c h i n ei n t e r a c t i v ef u t t c t i o nl oc o n t r o lt h ew h o l ep r o c e s s a f t e rm a n ye x p e r i m e n t s i m p r o v e m e n ta n do p t i m i z a t i o n ，a u t o m o b i l eg e a r s h i f t m a n i p u l a t i n gr o b o to p e r a t i o nl i f e t e s tb e c o m er e l i a b l e h i g hp r e c i s i o ni ti sa b l et o m e e tt h es t a t er e q u i r e m e n t sf o rs h i f t i n g jt e s tp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：a u t o m o b i l eg e a r s h i r tm e c h a n i s m a r t i c u l a t e dr o b o tl i f et e s t t e s ts ) s t e m 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论 目录 1 l 课题研究的背景 1 2 课题研究的目的和意义 13 凼内外研究发腱现状 l4 本文研究的主要内容 1 j 论文的内容和安排 第二章汽车换挡机构寿命试验操纵机器人总体设计方案 21 汽乍换捎机构的工作原理 22 机器人手臂的机械结构 23 测试系统 发的基本原理 24 寿命实验测试系统总体垃汁 第三章汽车换挡机构寿命试验操纵机器人结构设计 31 机器人r 臂j t 寸和质量设计 32 机器人手臂传动部件设计和强度校核 第四章汽车换挡机构寿命试验操纵机器人控制系统设计 4i 机器人下臂控制系统驱动| 盐计 42 机器人下臂控制系统空日j 轨迹发计 43 机器人干臂运动控制系统设计 第五章汽车换挡机构寿命实验系统和实验结果分析 5i 汽乍换挡机构寿命试验系统设计 52 汽车换捎机构寿命实验系统介绍 53 汽1 ：换挡机构寿命实验的宴验结果分析 结论 致谢 参考文献 5 i，0儿懈盯盯赫蛇惦礼轧晒驰 1 课题研究的背景 第一章绪论 在现代社会巾汽车是重要的代步交通 具标志着国家科学技术发展的水平， 汽车对1 二发达的l 业国家是国民经济建设中重要的支柱产业。从第辆汽车生产出柬 到现在己绎有百多年的历史了汽车产业飞速发展，从无到有，并且技术不断创新， 产量不断增大。陆地上的主要的交通工具就是汽车。汽车是确许多“总成”组成。“总 成”是哲安全、u r 靠，决定了汽车是否安全町靠。而传动系统就是汽乍众多“总成” 叶 比较重要的部分。它可以根据使用者的要求束变换各种速度、方向，实现停车和 倒车等要求。高速公路不断的网络化和扩大化，随之而束的址汽车的增多和速度的力 快。为了避免事放的出现。要对汽车组成的“总成”生产进行严格的监管。国家出台 了系列对于检测汽车“总成”的办法和指标。变速箱作为传动“总成”中的最重要 部件，1 一要功能是实现h ；同的速度而换挡机构能够实现这一功能。所阻一个优良的 换挡装置是能使汽车在行驶中变樗平稳、减小噪声、操作灵活、降低油耗。并且个 好的换挡装置能增加变速齿轮换挡丰t 等零件的寿命。为了使螭个换挡机构变得安全、 可靠、耐j j 就耍设计出合理的换挡机构这就要对整个换挡机构的一曲数据进行测 量，根据这些数捌束优化结构设计。但是要靠人手术完成上f 次的操作柬获得相关数 据显然是不可能的。所以要用现代化设备柬模拟人手束进行换挡工作，进而完成对 数据的采集。这样做不仅提高了效率，同时也提高了检测的精度。所以要研究出高精 度、高水平、智能化的测试设备是非常重要的。 2 课题研究的目的和意义 汽车速度的变化离不开变速器的作用，而使变速器发生作j j 的是变速器的换挡机 构，所以提高槎个换挡机构的性能是非常有必要的，要提商性能就要根掘一些指标参 数对机械机构进行优化设计。手动换挡变速器因为其技术的j j l 热性、价格的优辫在 现代汽车巾有着j 泛的应用。所以汽车换挡机构的可靠性实验田内外汽年厂商都做了 很深入的研究其中换捎机构的寿命实验是换挡机构实验中的重要组成部分。由干测 试的参数较多，要求的精度较高所以要设计专用的设备。本文设计的汽车换挡机构 寿命实验操纵机器人就是为了完成对换挡机构寿命试验性能指柄；进行检测和采集的装 置。 本文研究的足汽车换挡机构的寿命实验系统。壬要足设计 i 机器人手臂束模拟人 手对汽车换挡机构进行选挡和换挡的工作 器人手臂上千次的选挡、换挡操作过程中 采用伺服电机控制机器人手臂运动在机 通过不同的传媾器对换挡机构进行数据的 采集，摄后通过对数据的分析进而进行优化设计。从而牛产出更加稳定，高嫂，性 能更加完善的换挡机构。采用机器人手臂柬进行选捎和换挡操作，方面提高了整个 实验操作的效率另方面提高了检测数据准确性和可靠性。检测得出的数据能够很 好的满足l 习家肘于汽车换挡机构寿命试验检测的标准，能很好对汽车换挡机构的安全 水平做出正确的评估。整个测试系统设计周期短，检测精度商，成本较低，具有较高 的市场竞争力。 13 国内外研究发展现状 31 国内外汽车操纵换挡机构试验台发展现状 汽车换挡机构试验系统发展至今，国内外都有一套规范的检测标准和相应的实验 设备。国外由丁发展较早，所以相应的测试手段比较成熟，测试的水平也很高，能够 实现多样化和钾能化的参数化检测能够较准确和全面的完成换挡机构一些特性的检 测。可以进行在有负载的情况下，检测加、减速换挡性能。甚至是倒挡，还包括各种 l 抛噪声的检测在空载的情况卜也可以进行检测口】。针对汽午变速器换挡的荐种性能 测试，丌发出满足各种性能要求的专j 4 】的设备。如汽车传动机构性能试验台，汽车换 捎机构性能测试试验台、换挡机构动、静强度测试试验台等。 我国争家经过多年的研究和实验。为产品的可靠性设计和质量验证提供了科学依 据。并颁靠了相关的国家法律规定：q c t 2 9 0 6 3 1 9 9 2 汽车机械式变速器总成的技术条 件：j b t 9 7 2 0 2 0 0 1 机械1 二程变速器性能的试验方法i m i il 。 换捎机构州埔e 的测试是汽车变速器性能测试实验中的重要的项。国外对汽车变 速器换挡机构的性能测试技术有较早的研究。美国在这方面技术领先，其中宝克公司 设计的工业机械人手臂进行的换挡机构测试实验，驱动方式采用电机，主要考虑到电 机相对柬澄可以实现较好的控制、不需要液压、油源，整体的系统简洁，能够驱动的 精度高i7 1 。h 本在机器人设计方面发展报快，其中a u t o m a x 公司设计的换挡机构机 器人手臂，驱动方式是液压驱动，粱度好、性能稳定、可靠，驱动精度较高。 田内的些汽车科研院和汽车厂商也对汽乍换挡机构经_ ：j _ 了测试系统的丌发，取 得了u r 存的成绩。但是和国外的技术相比，技术水平、智能化和自动化的程度都较低。 并且多数为手动示范操作这样无法保证精度和准确率。并 j 测试参数少，数据无法 矗观的显h i 和比较。 32 国内外工业操纵机器人发展现状 由于科技技术水平的发展，第一台机器人由荧国于1 9 6 2 年研制出来，h 奉在随后 的叫、“年终行了丈蛄的研究。取得了，| _ = 错的成果。机器人技术是结合了机械学科技 术、力学技术、电子学技术、传感器技术、通信技术等的高新技术i ”。随着科学技术的 发展机器人代替人柬工作是势在必行的趋势。 我国对机器人技术的涉及是从8 0 年代开始，通过“七五”和“八 ”技术的攻关。 对于i 业机器凡的制造技术，控制系统的设计等，都能够基本掌握。先后研制出焊接、 装配、喷涂等机器人，主要构件都采用自主研发q 二产其中喷涂机器人1 8 0 多台麻 用在3 5 条喷滁生产线上，在2 0 余家企业得到规模应用。弧焊机器人麻片j 广泛大量 汽车制造厂商都有应用。随着工业科技的发展，我国的机器人需求会进一步j j u 大，将 会成为亚洲第一大工业机器人需求国。 从狭义设计到广义研究，这是机器人技术发展的总体趋势，这体现在最初的机器 人h 能针对一个方面解决问题。就是只是拥有单一功能的机器人到现在综合性、智 能化的机器人。未柬的机器人的发鹱趋势将是具有自主学习能力，结构简单精巧，活 动灵活，能满址多种需要等特点p j 。 33 国内外测试技术发展现状 和过去相比，测试技术在快速的发展，许多新的技术融合进来。目前变速器换挡测 试系统中有计算机技术和微电子技术，并且加入了大量的通信技术懂得采集的数据， 能以曲线和数掘相结合的方式显示出来 l 。从整体的水平t 看，崮内的科研院所和汽 车商所制造的设备，技术水平和测试方法相对落后，相对l i l 外，测量的精度低。仳 是总整体上看，在换挡机构测试系统的研究已经取得了很大帕进步。目前正向着测试 系统更加智能化，更加人性化的目标前进。 1 4 本文研究的主要内容 本文设计的汽车换挡机构寿命试验操纵机器人，采用的是关节型机器人束模拟人 手实现选挡和换捎的操作。针对国内外优秀的机器人手臂进行研究设汁出符合国家 对汽乍机构毒命试验大纲要求的机器人手臂。最后对机器人于臂机构和传动机构做出 优化，设i , i 四关节能够实现j 自由度运动的关节型机器人于臂。通过腰部、大臂、小 臂、术端连接_ 器的配合运动，能够实现选档和换挡的柔顺操作。 通过对换挡机构的换挡过程和宅删坐标的研究，求得了机器人手臂术端的运动审 问模型，然后埘机器人手臂运动情况进行分析，运用仿真软什，求得机器人手臂的未 端运动空，最后证明出设计的机器人手臂能够满足使用要求。使用运动控制卡完成 对机器人手臂q 电机的控制，进而对机器人手臂的运动进行控制。采用传感器对数掘 进行采集，仵数据采集过程中采用相应措施进行抗干扰设计，使得数赫l 的采集更加准 确和町靠。 在汽车换挡机构寿命测试系统卜采刷c + + 米进行设计运加多线 控制技术聚 用白i 而r 的模块化设计方法，设计出人机交互式的界面，力便操作者进行操作。 本次设刮的机器人手臂结合了光、机、电等先进技术 要完成换挡机构总成的 以下试验测试j 力能： i能够完成换挡机构总成的耐久性能试验测试： 2 能够完成换挡机构总成的力行程测量试验： 3 能够完成换挡机构总成的极限负荷性能试验铡试： 4 能够完成换挡机构总成的行程叫隙试验测试。 15 论文的内容和安排 本文并章啦t 要内容概况妞下： 第磬主要包括课题的研究背景、日的和意义，介绍了阳内外汽车操纵换挡机构 试验台，l 鲴内外工业操纵机器人，国内外测试技术的发展现状。最后对文章的主要内 容进行了洋细的叙述。 第章阐述了汽乍换挡机构寿命试验操纵机器人总体设汁方案。通过对汽车换挡 机构工作原理的了解对机器人手臂的机械结构的了解，对测试系统原理的了解，最 后对汽车换捎机构寿命试验操纵机器人的寿命试验系统进行总体的设计。 第i 章对汽车换挡机构寿命试验操纵机器人的机构进行改汁。主要包括汽车换挡 机构寿命试验操纵机器人手臂结构的设计，传动系统进行设最后针对传动系统的 主要部件进行丁强度的校核。 第四章对汽车换挡机构寿命试验操纵机器人的控制系统进行了设计。主要包括电 机的选择，电路的设计、采集系统的设计。采用运动控制卡控制悄服电机运动，从而 实现对机器人手臂的运动控制。最后控制系统进行软件的丌发。 第h 章对所设汁的汽车换挡机构寿命试验操纵机器人参数系统，挡位标定系统， 工控设置系统和对寿命实验系统进行解释和说明。最后对汽4 换挡机构寿命试验操纵 机器人的实验结果进行分析并得出结论。 第二章汽车换挡机构寿命试验操纵机器人总体设计方案 21 汽车换挡机构的工作原理 汽车换挡的寿命试验主要是检测和采集在选挡和换挡过程一中的一些参数指标，进而 对换挡机构有卟总体的分析，方便进行结构的优化，所以丁解汽车换挡机构的工作 原理是非常重要的。汽车变速箱是一个齿轮传动装置与换挡机构紧密相连，主要是 用于通过改变输出轴和输入轴的不同的齿轮啮合方式，实现速度的改变。传动机构和 变速机构组合矗：一起，装在个壳体中组成变速器，在传动系统中是比较常见的传 动装置l 。变述器主要的作用是实现发动机和驱动轴驱动后轮的连接作用，主要是实 现后轮的转速的变化，满足车辆 ? 驶一”对f 不同速度的要求。 本文研究的汽车挟挡机构是采用宝来汽车的手动换挡机构，手动换挡机构是汽车 中最常见的换挡机构，技术成熟，便于制造和维护。j 二作原理是用两根或三根平行轴 通过轴l 连接的直齿轮或斜齿轮进行传动和输出速度。主要由换挡卡下、输入轴、输出 轴、同步器、侧捎轴等构成换挡机构主体| i “。驾驶员通过换捎杆的运动能够实现输入、 输出轴l 齿轮的不同啮合。 手动变速器换挡和选挡经过四个步骤： 1 ) 驾驶员操作换挡杆，使连杆机构选择选换挡轴。 2 ) 选挡轴运动，使得拨叉运动。 3 ) 同步器在拨叉推力的作用下形成摩擦力矩，实现锥齿轮转速的同步。 4 ) 同步器齿套结合齿轮实现换挡。 换挡过程有曲个阶段组成，首先完成静忐换挡最后完成动态同步。换挡过 程原理埘i 图2l 所示。静态过程嚏i ( 1 ) 、( 2 ) 组成。动态同步过程由( 3 ) 、( 4 ) 组 成，这一过程 坚是输入轴转速和作用力相互作用的结果。 幽2 【变速器i 作原理凹 22 机器人手臂的机械结构 机械结构部分、控制部分、传感器部分这三大方面组成了一个完整的机器人手臂。 其中机械结构部分分为机械结构系统和传动系统，控制部分分为驱动系统和控制系统 传感部分为人机交互系统。 机器人手臂分为机身、末端操作器、手臂三大组成部分。都有若干自由度在每一 部分中构成一个机械多自由度系统。本文采用的是关节机器人柬实现换挡操作，机 器人的执行部件足关节。一个关节机器人要根据需要确定关节的数量。每个关节的作 用是连接运动部件，传递运动力和运动感知。它常采用电机作为驱动部件，通过运动 控制卡、编码器、线束等装置实现电机转动控制。通过多个电机的共同作用，实现机 器人手臂的空叫运动，所以结构的设计和将电机、线束、编码器等测量元件实现匹配 是关键。 机器人的传动部分，考虑到整个机器人手臂的径向力和轴向力等力矩。所以采用 回转关节设计，这样还能保证很好的刚度和运动精度。本文因为传动的速度要求_ = f = = 高， 传动的距离也不是很大，腰部采用的是高刚性r v 减速器。有些工业机器人手臂为了实 现某些功能，也采用摆线针轮传动或谐波传动。肘关节因为活动范围较大和转速较高， 常采用谐波传动或齿轮传动。本文采用的是齿轮传动设计。 机器人于臂的结构必须要考虑要实现什么目的而设计。抓取的重量、实现的位姿、 运动精度这些都要综合的考虑加进去。并且在内部的传动的设计电需要充分的考虑、 分析。臂部设计的基本要求是： ( j ) 导向性要好：在直线运动中，沿运动轴可能发生相对转动。为了防止这种现 象，设计导向装置或方形等臂杆。 ( 2 ) 刚度耍高：机器人手臂承担支撑末端工作的任务。臂音【；在运动中会出现变形， 要将这种变形挖制束1 个合理的范围内，所以手臂的截面形状要合理发计。所以支撑 板一般为工字钢，导向杆为钢管。 ( 3 ) 质量要轻：机器人手臂_ t 作多为回转运动，质量大的f ! 最大。容易产生冲击 和震动。所以要从材料和结构上考虑尽量减小质量。 ( 4 ) 运动婴f 稳：机器人手臂的运动是属丁高精度的运动，如粜运动不平稳就会 产生波动，影响准确性| l 。所以在臂部结构紧凑的基础上，要采用缓冲装置。 机器人的木端操作器是为了进行作业丽设计的，因为作业对象和作、止内容的不同 设计的筹异性很大，针对性很强。 d i k 机器人山t - 产品加工的需要分为移动式机器人和固定式机器人。移动式机器 人主要是完成物料的搬运在自动化，l 产线中，实际上是一个搬运物体的过程。在搬运 的过程中能体现f j l 机器人的灵活性和机动性。大大增大了牛产的效率。根据移动机器 人行走方式的不同，分为无轨引导机器人和有轨运输机器人。本文采用的是固定式机 器人。冈为j 二耍实现换挡运动，是针对换挡机构，所以水需要移动，机构相对简单。 多采用铆接在_ i 作台上或地面上| l ”。本文设计的是固定在i ：作台上工作的机器人手臂。 硬件控制部分，具备编码器反馈控制的为闭环控制。没有反馈的去执行完成规定 运动功能的是刀：环控制系统。挣制系统有适应性控制、模糊控制和神经元控制。本文 采用的是模糊控制系统。根据运动轨迹可以分为连续轨迹控制和点1 划孛制。 外部和内部传感器组成了工业机器人的传感器音| f 分。传感器部分主要是实现数据 的捕捉和运动的反馈作用。从内传感器中得到信息，与原信息x , j _ l l ，进而减少扰动， 提高机器人手f 的机动性，适应性。 23 测试系统开发的基本原理 测试系统的丌发会因为应用对象的不同而有不同的设训方法。而对r 同- z , j - 象柬 | 兑，不同的设汁理念也会导致不同的没计方法。 从硬件开发柬考虑，其基本原则： ( 1 ) 经济台理：首要考虑的是高的性价比，即在满足要求的自“提下，降低成本。 这是个最优先考虑的因素在产品硬件j 发中。这样能提高产品的竞争力在商品市场 r 卜。 ( 2 ) 安全可靠：价值低会造成产品的质量f 降考虑到设备要r 作的环境。是在 适应震动、压力、粉尘、高温等环境。要保证准确的输入输出安全可靠也是一个重 要的因素。 ( 3 ) 抗干扰能力：6 口边提到了安全可靠，怎么样在众多干扰中不受到影响或者| 兑 将扰动的影响降到最低最好的方法是提高设备的抗干扰能力i 。这样爿能保证足够 的精度要求。 软件的丌发是一个测试系统中必不可少的，其琏本原则： ( 1 ) 结构合理：个程序的好坏很大程度上要看这个程序安1 1 的足否合理。其基 本的理念是采用自r 而上的设汁或者是自上而下的设计。这样有利于程序的升级。后 期的维护等。对母一个子模块设计要做到层次分明，必要时篓在程序后注释程序实现 的功能易r 阅读和理解。要尽最减少程序对内存的r 寺用。为了避免程序修改后的混 乱应该采用参数化的设计理念。 ( 2 ) 操作方便：程序设计者设计程序时要充分考虑到这点。枷序使j = l j 臂h 需要 了解操作就可以，不必知道程序的内容。这是现在化程序设计的发展趋势，采用操作 人员熟悉的人机交互式设计，便于操作，能提高工作效率。 ( 3 ) ：满足使用婴求的基础上，还要保证系统安全可靠。所以就要设计保护装置， 例如过电流保护装置，自动报臀装霄等i ”。 在硬件和软件都设计好之后。进行聚集系统的设计，来集系统应满足要求： ( 】) 采样要求高：当换挡机器人手臂经行换挡操作时，捎位的不断变化会引起电 机转速的不断变化，这样采集数据的难度也相应的增加了。根据条李斯特采样定理 信号最高频率的两倍是采样频率，r 不会 1 1 现失真的波形。所以应将采样的频率提高 到定范围内这样采数据彳能真实有效。 ( 2 ) 精度要求高：一个测试仪器的质量的好坏取决检测精度的高低。这就要求不 仪要实现自动的换挡和选挡。还要能准确的表示出换挡力、拽捎位移等参数的变化。 这和所设计的程序和所选的硬件都有很人的关系。 ( 3 ) 界面友蚶操作方便：所设计的界面必须是操作者所熟知的，还必须保证其 稳定性和，r 靠性。所以本文设计的是基于人机交互式类型界面1 这样能使得使用者直 观、熟练的进行操作。 ( 4 ) 数据管理：设计的程序能够实时的检测信号，并且能显示测试结果，以曲线 和数据结合的方式| l “。能够对采集的数据经行保存、删除等操作能够实现文件的检 索、调用、对比、打印等功能。 塌后对测试软件进行优化殴计，卡要是减少错误的程序和进行算法的优化。其目 的是提高运算的效率和减少运算时间。选用c 十+ 设计程序。采用面对对蒙的设计方法。 引用r 叮视化编程技术使得界面编辑更加方便容易快捷i “i 。l 司叫c + + 包含一个b o r l a j a d d a t a b a s ee n g i n e 局部拷贝的具有强大的数据库功能允许用广创建访问不同格式的数 捌库如p a r a d o x 、a c c e s s 等。 24 寿命实验测试系统总体设计 本文设计的测试系统童要是针对换挡机器人手臂所设计的，机器人于臂t 要完成 的是选挡和换挡的操作，通过对机器人手臂关节上的电机的摔制。实现机器人手臂模 拟人手臂进行选挡、换挡操作。图22 为测试系统的工作原理i 划。 嘲2 2 测试系统的l 作原理圈 在选挡和换挡过程中通过力、位移等传感器采集所需数据，然后以图形和数据的方 式硅示“ 柬。设计出的测试系统具有控制精度高，采集数据准确，操作简便，自动化 程度岛，维护简单片便等优点，其汽车按挡机构寿命试验操纵机器人三维装配如图23 所示。 幽2 3 汽1 换挡机杜j 寿命试验操纵机器人维装配幽 第三章汽车换挡机构寿命试验操纵机器人结构设计 从7 0 年代开始，科学技术得到飞速发展。传统的手工流水线已经无法满足生产的 需要。逐渐的在一些机械；自n 3 2 的过程中丌始有工业机器人的参与。丌始的是些功能 简单的i , l k 机器人。随着人类对自身安全性的进一步重视和机器人技术的不断发展， 机器人涉及到各行备业的诸多领域，使得生产效率大幅提高，现今i ：业机器人已经成 为现代生产中重要的组成部分。 国内外学肯研究机器人主要集中研究机器人手臂。机器人手臂主要是模仿人的手 臂动作t 柬完成些大量的重复性的工作或者是一砦高危险的1 ：作。主要是按照预定 的程序完成操作1 2 。目前机械手广泛应用于机械零件制造、冶会运输、电子焊接等场 合。 本文蹬汁的机器人手臂足根掘国家对换挡机构总成试验，、纲要求柬完成设计的。 其要求如f ： 1 ) 换挡额定行程：3 0 0 r a m ： 2 ) 选拙额定行程：15 0 胁； 3 ) 换挡力测量范围及精度：0 - 5 0 0 n ；10 f s 。 4 ) 选挡力测量范围及精度：0 3 0 0 n ；4 - _ 1o f s 。 j ) 下潜额定行程：5 0 m m ： 6 ) f 潜力钡l i 最范围及精度：0 3 0 0 n l 0 f s 。 7 ) 换挡速度控制范围及精度：o i2 m s ：l0 。 8 ) 换挡频率：0 0 5 03 l l z 。 1 0 ) 转速测量范围及精度：0 5 0 0 0 r m ln ：1 r m l n 。 1 1 ) 转速控制测量范围及精度：o 3 5 0 0 r m i 1 ；2 r m jn 。 1 2 ) 挡位位置控制精度：2 m m 。 31 机器人手臂尺寸和质量设计 本文所设计的机器人手臂，运动空问必须满足换挡行程要求。所i 5 计机器人手臂尺 寸足以人的手臂k 寸为依据设计出来的。初步设计大臂的长度约为2 4 0 m r a ，小臂的长 度约为2 3 0 m m 。腰部尺十为5 5 0 r a m ，采j ；| j 合金铡作为材料。通过对一些优秀的机器人 手臂的分析研究t 设计 i 台理的机构。以前的验证方法是做 i 样机，然后进行大量的 实验柬分析机构是否合理，这样既费时叉费力。随着虚拟系统的快速发腱，在报多领 域都得到了丈量应用。本文就是采用m a t l a b 软件对机器人结构进行分析，在满足尺 的基础h ，得出最优的质量，这样节省丁时问、提高了效率，可时节约了成本，达到 了优化的1 4 的。 以小臂为例束介绍质量的优化设计，大臂的设计方法相同考虑到经济适用性 采用采用等强度截面进行设汁。手臂的机构町简化为图31 所4 j 。 。 2 3 0 m m ；选用合会钢作为手臂材料：厚度t 取2 m m 。奇 常用材料手册得出弹性模量e - 2 1 0 5 m p a 允许挠度【，l - l 1 0 0 0 ：许j ；f i 弯曲应力 【d 。1 = 1 2 0 m p a ：许用剪切应力【7 】：g o m p a ：取g - l o r e s 。，密艘p = 7 8 9 f c m 3 。求解满 足这些要求的i | 玎提下机器人手臂小臂的最优质量”i 。手臂运动足山换挡杆旋转的运动 和潜水方向的垂直运动组成。 机器人手臂应该满足的抗拉强度条件： 如图3 i 所示，最大拉应力巧一是在手臂n 点处t 出弯瓤产4 ：的拉应力4 和向 心力f 产啦的成力吐组成。4 = 万m ( 雌为抗弯截面系数) ，j ，= ；( a 为手臂横截面 秘) 。d 为手臂截断形状和尺寸d 相关。 雌= 等卜， t ， m = ( t i ( 3 2 ) 嗍争2 一( 竿忏ii i z ( 2 d t - t2 ) ( 1 f = l w ： ( 31 j 根韬抗拉强腰条件有： 靠= 鲁+ 丢啦 s ， 将( 31 ) ( 32 ) ( 33 ) ( 34 ) 和己知数据代入( 3 5 ) 中， i 算整理得； 1 2 0 d 3 9 7 0 d ：+ 3 4 d 一64 l d 0 机器人手臂应该满足的剪切强度条件： 根据图31 分析可知所受剪应力最大为手臂n 点处。因d 远大于面壁厚t ，故蛙大 剪应力可表示为：r 岫= 2 鲁 根据抗剪强度条件有： r = 2 鲁印】 6 ) 将q 和a 代入式( 36 ) 得： d 26 m m 机器人于臂麻泼满足的刚度条件： 根据图3i 所示，受力分析得挠度w 最大点在m 点处。 根矩；刚度条件： w 黼= j g 百l m 】- 而l 而e 为材料的弹性模量：【为截面喷性矩) ，= 吾( n n 将式( 38 ) 代入式( 3 7 ) ，计算整理得： 3 0 d 一1 8 d2 一o6 4 l 2 0 斌过以上对于机器人手臂的强度和刚度分析。建立数学模型可得： 机械手臂：的质量是优化设计所得解。卅，的计算表达式一叮裘示为为： 2 ( x ) 2 m ( x i , x 2 ) 2 = 1f 峨一( d 一2 t ) 2 l p - 00 0 5 1 ，d 一00 0 1 l 殳计变量z = i x , x2 卜k 驯7 。通过上式可以看出l 、d 越小，恍值越小 论依据；出优化设讣的数学模型： r a i n m 2 ( j ) = o 0 0 4 6 l dr = ，d i 。 ：j7 ) 38 ) ( 39 ) 以此为理 2 0 d 9 7 0 d 2 + 3 4 d64 l d 0 3 0 d 一1 8 d 2 06 4 f 0 0 26 c md 2 tl 2 3 0 r a m ： 这是单目枷、非线性二维约束优化模型问题，将对此模g ! 经行优化设计。 机械设计z h 求解最优化模型常常需要经过多次的迭代运算爿能得出收敛的虽优 解。奉义运j ；| m a t l a b 这个强大的数学运算软件，通过对数学模型的建立分析规划方 法就可以求樽机器人手臂的最佳质量。函数的性态分析如f ： k 川= m e s h g r i d ( 1 i m ? a c e ( o ，2 6 ) 1 i n s p a c e ( o ，8 0 ，6 ) ) ：根据函数的定义划分网格区域 n00 4 8 * x * v 目标函数 m e s h ( x ，y ，、) 模拟目标函数图形 运行程序可画出目标函数的三维图形如图32 所示，从图中可以看出目标函数的 性态和规则能站满足使 j 要求。 幽3 2 目标函数的二位图形 通过m a t l a b 编辑山各约束函数，程序如下： e z p l ol ( l2 0 * x 39 7 x “2 + 3 4 x 一64 * x * y ， 0 ，1 0 ，0 2 5 0 ) 抗托强度条件的图 h ( ) i do n y o ：00 ：2 5 0 ： xo2 ： p l o t ( x ，y ，k ) 抗剪强度条件的图形，k 为颜色为黑； e z p l o t ( 3 0 * x 3 1 8 * x 206 4 v 2 ， 0 ，1 0 ，0 ，2 5 0 ) 刚度条件的图形 h i ldo n y = o ：0 0 ：2 5 0 ： 1 4 蕊鍪一 糕溅黼黼 矗鍪鏊目嗣o一紫 蚴 即 o o x - o4 ： p l o t ( x y ，k ) 面尺寸边界条件图形； h 0 1 do n x = o ：00 ：l o ： y - 2 3 0 ： p l o t ( x ，y ，k ) 长度尺寸边界条件图形： h o ldo n t l t l e ( 各个约束函数图象) 标注图形名称 t e x t ( 4 ，4 5 ，可行域) 注明可行域区域： h o i do f f 运行之后结果如图33 所示 2 8 0 2 4 0 2 0 0 y 1 6 ( ) 1 2 0 8 0 4 0 o 山1 7 吵x 3 9 7 + 。“2 + 3 4 8 、。6 4 1 y o x 一。4 z ：3 。x “，- - s x “z _ 。n 。，“：一。 ) + 2 l23456789l o 幽33 约粜幽数幽形 从图33 可看出，能起到约束作用的时间上只有： ( i ) 刚度条件：刚度条件：3 0 d 3 1 8 d 2 0 6 4 l 2 0 ( 2 ) 结构尺寸：限制条件：l 2 3 0 m m 这样简化了计算过程，达到了优化的目的。下面通过编程求解最优解。因为含有 非线性约柬，所依要编写一个m 文件柬描述非线性约束目标函数o b j f u nm 返回x 处的函数值h 程序如下： o n l i n c o n s t rm f u n c t l o n c ，c e q - n o n l l n c o n s t r ( x ) c - 3 0 * x 31 8 * x 206 4 x ( 2 ) 2 ： c e q - ： 调用优化函数，在给定变量的初值的情况下求解： x o = 4 ，2 3 0 ； a = 0 ，1 ： b - 0 ，一2 3 0 ： lb = z e r o s 1 ，1 ： 叩t i o i l s - o p t i m s e t ( d i s p l y ，i t e r ，l a r g e s c a l e ，o f f ) ； x ，f v a l e x i t f l a g o u t p u t = f m i n c o n ( o b j f u n ，x o a b ，眠 ，b 1 ，口，n o n l i n c o n s t r + ，o p t l o n s ) 最终结果如下： x = 最后的优化结果 3 81 7 6 d = 3 8l7 6 咖 2 3 00 0 0 0 l - 2 3 0 m m f v a i =优化后的最小质量 28 4 2 2 m 2 。= 29 4 2 2 培 e x i t f l a g = 算法退出处条件 o h l p i o t 2 i t e r a t i ) n ：2 函数调用次数 f u n c c o u n t ：1 0 函数哦值次数 s t e p s j z e ：1 步长 a l g o r i t h m ：m e d i u m s c a l e ：s q p ，q u a s in e w t o n ，l i ns e a r c h 算法 r i r s t o r d e r o p t ：o1 8 3 0 第一优化命令的长度 c g i t e r a t i o t i s ： 经1 0 次讣算求得迭代最优解质量为3 k g 。 故机器人小臂的质量为3 k g 。同样的方法可求得大臂的质量为4 k g ，手腕的质量为 09 k g 。 32 机器人手臂传动部件设计和强度校核 本文设计的机器人手臂，传动机构如图3 4 所示，腰关节为同转关节。不仅要县各 很高的精度，还要承受整个机器人手臂大臂、小臂、腕部的苇量和旋转时产，l 径向力、 轴向力等力矩。所以本文设计的机器人手臂的腰关节采用平行轴式高刚性的r v 减速器 传动；电机l 例置，z i 腰部的齿轮配台，电机旋转，带动挂个齿轮的旋转，进而带动 燎个腰部的转动。设计的标准使得机器人手臂的质心能够尽量括近转动轴。 人臂_ f | l 小臂都采用齿轮传动，电机2 和电机3 都为水平放凸_ ，直接刷直齿轮啮合传 动t 方向不正确t 无法实现机器人手臂绕轴的转动，这样就需要先进择个锥齿轮用 联轴器与电机相连t 这样啮合能实现转动方向的改变，最后通过直齿轮传动实现机器 人手臂的大臂和小臂的绕轴的转动。 腕关节要实现终端操作器的俯仰运动，也是绕轴的转盂j j ，但因为绕轴的方向不同， 所以先使用联轴器和直齿轮连接，虽后用锥齿轮传动连接实现蝼个终端操作器的俯仰 运动。设汁中机器人手臂术端操作器实现的传动力、速度、扭矩都不大，所示设计的 电机是安装在机器人手臂小臂内部的。 斟3 4 机器人f 臂传动系统示意酗 321 传动锥齿轮设计和强度校核 锥齿轮的强度设计和校核，首先选择齿轮村料，热处理：l ：艺。采用的是闭式齿轮 传动- 因为本文设计的机器人手臂的传动功率小大。所以选样以选择软齿齿面，材料 选择4 5 钢e 小齿轮调质，齿面硬度2 3 0 2 4 0 h b s 。大齿轮f 火，齿面硬度1 9 0 2 0 0 h b s 。 精度为8 1 2 - 。1 t 2 3 1 1 2 “。现在汁算齿轮的齿数、齿宽系数等： 选取：f 2 1 9 t ：= i 。+ ：l - 3 x 1 9 = 5 7 选择锥齿轮齿宽系数为p 。= 0 2 5 。计算确定相关系数 c o s d ，：兰：! 二：09 4 8 4 。”1 2 了i 2 而“4 “ c o s 、：占：03 1 6 3 l + “ 当量齿数为： 乙2 击2 淼。2 去钏。 当量齿轮端面重合度为： 一s s 。z c 去+ 去，叫s s 按齿面接触强度设计 对翻j 式软齿轮齿面传动，承载能力般取决于齿面接触强度，故按接触强度设计 校核齿根弯曲强度。 啦j 鼎c 许r m m 确定式中备项数值 l q 5 5 。i ，= 9 5 5 02 1 4 1 5 3 型。2 1 4 0 6 n m m 其中月= 只_ 。仉_ ，- 2 24 6 09 9 x 0 9 7 09 9 - 2 13 5 冈载荷半稳可选载荷系数为k ，- 14 由机械手册查的z ，= 1 9 88 m p a 对口- - 2 0 。占齿锥齿轮z 。= 2 5 0 _ n i = 6 0 n 儿= 6 0 1 4 5 0 x 8 x 3 0 0 x 8 - 16 7 x 1 0 9 肛竿= ! 塑竽t s s 一8 允许一定的点蚀t 查的k ”- 09 7 ，k h ，= l0 2 小齿轮齿- 向硬度按平均值2 35 h b s 束计算- 在m q 和m l 2 _ l l i j ，查得d 胁- 5 4 0 m p a 口h 1 _ 3 9 0 m p a a 选取s 。= 乩= 丛# m ：5 4 0 。0 9 7 = 5 2 4 o 1 1 m i c r t t 2 = 警一s 般b k ! = 3 9 8 设计齿轮传动参数。 删啦j 百嵩1 蠹c 许心”一v 吼( 一o5 ) 2 “、pl 。4 v ；型- ! ! ：! 坐j 坐塑：07 0 m 。 6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0 由机械手册查的： 。2 1 0k 。2 11 k 。= 10k 口= 则k 2 k _ k k 。k a = 13 。 蝴叫，癔踟疳。o m m m = 当= 百9 , 0 = 。4 7 选取第。系列标准模数m = 0 5 。 校核齿根弯曲癌劳强度： q 2 而蔷犏zm 嘲卵( 1 05 卵) ：i + “2 盎机械于- 册得： 一。1 2 27 6 _ 。1 2 2 】3k l = 15 6k 2 = l8 6 k f n l 。08 8k h 、，2 0 9 1 按小齿轮齿面硬度均值2 3 5 h b s 盘得口十1 = 3 4 0 m p a ，asi , m2 = 3 1 0 m p a 选取s h 。= j2 5 p = ! 业芸i ：生坐= 2 3 5 m p a ，b k ：里! 号兰盟：2 2 3 m p a ”fm m u ，m m 将得出的各项数值代入弯曲校核公式得： o - ，l = 6 2 m p a o - 。，q ，= 6 b 】，： 没计出的齿轮齿根弯曲强度疲劳强度合格。其余锥齿轮的设计和校核过程一样。 322 传动直齿轮设计和强度校核 因为本次设计的机器人手臂的传递功率不人，所以选择以选择软齿齿面，材料选 择4 5 钢。小齿轮调质，齿面硬度2 3 0 - - 2 4 0 h b s 。大齿轮正火，齿面硬度1 9 0 2 0 0 h b s 。 首先选取齿轮齿数： 由于采用的是闭式软齿面齿轮传动所以选择z = 2 8 ，i - 57 ，则z ，= i z ，= 1 5 96 。取 z ，2 1 6 0 。 按齿面接触疲劳强度设计： 闭式软