噴漆機器人設計-機身系統(tǒng)設計,噴漆機器人設計-機身系統(tǒng)設計,噴漆,機器人,設計,機身,系統(tǒng) 南京理工大學泰州科技學院 畢業(yè)設計說明書(論文) 作 者: 3號楷體 學 號： 3號楷體 學院(系): 3號楷體 專 業(yè): 3號楷體 題 目: 噴漆機器人設計-機身系統(tǒng)設計 3號楷體 3號楷體 指導者： (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務) 3號楷體 3號楷體 評閱者： (姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務) 2014 年 6 月 畢業(yè)設計說明書（論文）中文摘要 機器人是一種機械技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合的高技術(shù)產(chǎn)品。采用機器人是提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動生產(chǎn)率，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件，減輕勞動強度的一種有效手段。它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預定要求輸送工件或握持工具進行操作的自動化技術(shù)裝備。機器人可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運和長期、頻繁、單調(diào)的操作，采用機器人是有效的；此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其它有毒、污染環(huán)境條件下進行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。 本課題的主要內(nèi)容是采用機器人代替人來進行噴漆作業(yè)，機器人可以代替很多重復性的體力勞動，從而減輕工人的勞動強度，提高生產(chǎn)效率。結(jié)合設計的各方面的知識，在設計過程中學會怎樣發(fā)現(xiàn)問題。解決問題.研究問題。并且在設計中融入自己的想法和構(gòu)思，提高自己的創(chuàng)新能力。盡力使機器人使用方便，結(jié)構(gòu)簡單。 關(guān)鍵詞： 機器人；結(jié)構(gòu)設計；步進電機；回轉(zhuǎn) 畢業(yè)設計說明書（論文）外文摘要 Title ： The design of the painting robot design Abstract A robot is a mechanical technology and electronic technology, the combination of high technology products. The robot is to improve product quality and labor productivity, and achieve the production process automation, improve working conditions, reduce the labor intensity of an effective means of. It is a copy of the upper part of the human body functions, in accordance with a predetermined transfer request or the workpiece hold the tools to operate the automation technology and equipment. Industrial production often appears in the heavy work, frequent handling and long-term, monotonous operation, the robot is effective; The main content of this paper is the use of robots to paint, robots can take the place of a lot of repetitive manual work, thereby reducing the labor intensity of workers, improve the production efficiency. Combined with the design of the various aspects of knowledge, in the design process to learn how to find problems. To solve the problem of problem. And in the design into their thoughts and ideas, enhance own innovation ability. Try to make the robot has the advantages of convenient use, simple structure. Keywords ： Robot； Structure design； Stepper motor； Rotary 目 錄 1 緒 論 1 1.1機器人的特點 1 1.2機器人的組成 2 1.2.1執(zhí)行機構(gòu) 2 1.2.2驅(qū)動機構(gòu) 2 1.2.3控制機構(gòu) 2 1.4 本文研究主要內(nèi)容 3 2 機器人機構(gòu)總體方案設計 4 2.1噴漆機器人的基本技術(shù)參數(shù)確定 4 2.1.1自由度 4 2.1.2坐標形式的選擇 4 2.1.3規(guī)格參數(shù) 6 2.1.4有效負載 6 2.1.5運動特性 6 2.1.6 工作范圍（工作半徑） 7 2.2 噴漆機器人材料的選擇 7 2.3機械臂的運動方式 8 2.4噴漆機器人的驅(qū)動元件 8 2.5 機構(gòu)整體設計 9 3 噴漆機器人機身結(jié)構(gòu)設計 11 3.1 電動機的選擇 11 3.2 計算傳動裝置的總傳動比和分配各級傳動比 13 3.3 軸的設計計算 13 3.3.1 計算各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率 13 3.3.2 確定三根軸的具體尺寸 14 3.4 確定齒輪的參數(shù) 18 3.4.1選擇材料 18 3.4.2 壓力角的選擇 18 3.4.3 齒數(shù)和模數(shù)的選擇 18 3.4.4齒寬系數(shù) 18 3.4.5 確定齒輪傳動的精度 19 3.4.6 齒輪的校核 20 3.5 殼體設計 23 3.6小結(jié) 23 總 結(jié) 24 致 謝 25 參考文獻 26 1 緒 論 隨著人類科技的進步，社會經(jīng)濟的發(fā)展，機器人學成為近幾十年來迅速發(fā)展的一門綜合學科。它體現(xiàn)了光機電一體化技術(shù)的最新成就，機器人作為其中的佼佼者更是發(fā)揮了不可磨滅的作用。在人類社會中，凡是有機械活動的地方，都能看到機器人的身影。機器人產(chǎn)品的應用已經(jīng)由核工業(yè)和軍事科技等高端科學領域向醫(yī)療、農(nóng)業(yè)甚至是服務娛樂等民用領域發(fā)展了，并且各式各樣的機器人正在涌現(xiàn)出來，以驚人的速度延伸到人類活動的各個領域。機器人是由于人類期望生產(chǎn)水平的提高，為了提升生產(chǎn)效率而出現(xiàn)的。然而由于機器人善于完成重復的，單調(diào)的，精確度要求高的工作，能取代人在惡劣的環(huán)境中完成人類不能或者不愿完成的工作，因此，機器人的出現(xiàn)又大大解放了人類的生產(chǎn)力。所以說機器人的發(fā)展是社會發(fā)展的結(jié)果，也是社會發(fā)展的必然趨勢?，F(xiàn)在，很多發(fā)達國家都追逐著機器人這一發(fā)展趨勢，積極地進行著機器人的各種開發(fā)和研制的工作，并且其中一些國家已經(jīng)取代了不錯的成果，研制出了許多新型且實用的機器人或者是機器人。例如：日本的跳舞機器人、犬型機器人愛寶(AIBO)；英國研制的履帶式“手推車”及“超級手推車”排爆機器人；美國iRobot公司推出了能避開障礙，自動設計行進路線吸塵器機器人Roomba；上海世博會使用過的福娃機器人等等。 由于機器人的迅猛發(fā)展，機器人進入學校教學是必然的。三自由度機器人作為是機器人的典型產(chǎn)品，其設計及應用對機電一體化、機械結(jié)構(gòu)工藝、機械制造、自動化、電子信息等專業(yè)的教學及研究都有著很重要的意義。 1.1機器人的特點 1機器人能進行自動化生產(chǎn)，降低成本。就本次設計的噴漆機器人而言，它能不間斷的搬運零件和各種材料的輸送。這樣既提高了生產(chǎn)率又降低了生產(chǎn)成本。 2機器人能使產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定，減少人工污染。人工生產(chǎn)會使產(chǎn)品質(zhì)量受工人狀態(tài)起伏而影響。對于某些高精度產(chǎn)品，人工送取會產(chǎn)生人工污染。 3機器人能改善勞動條件，避免各種工傷。在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，人工操作會有危險，機器人能代替人工作，改善了人們的勞動條件。 4機器人能持久、耐勞，可以把人從繁重的勞動中解放出來，人在連續(xù)工作幾個小時后，總會感到疲勞或厭倦，以機器人代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 5機器人的靈活性、通用性強。它能通過更換部件來適應不同產(chǎn)品的生產(chǎn)。并通過改變程序和自由度來達到迅速改變作業(yè)的可能性。這樣機器人能滿足各種各樣的零件生產(chǎn)，在生產(chǎn)中發(fā)揮重大作用。 1.2機器人的組成 工業(yè)機器人是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)三部分組成。 1.2.1執(zhí)行機構(gòu) 一般機器人的執(zhí)行機構(gòu)由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、緩沖與定位，還有行走機構(gòu)組成。 1.2.2驅(qū)動機構(gòu) 驅(qū)動機構(gòu)主要有液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動、電動驅(qū)動和機械驅(qū)動等形式。不過目前還是以液壓和氣動用的最多。 液壓驅(qū)動具有體積小、出力大、控制性能好、動作平穩(wěn)等特點，它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動具有潤滑性能好、壽命長的特點，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好。定位精度高，克實現(xiàn)任意位置開停。有很多專業(yè)機器人能直接利用主機的液壓系統(tǒng)。但缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復雜成本較高。 氣動驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、氣源方便，所需的壓縮氣源一般工廠都有，并且無污染，一般采用的壓力0.4-0.6MPa，最高可達1MPa。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。 電動由于減速和回轉(zhuǎn)運動變往復運動機構(gòu)復雜, 很少采用。機械式用于簡單的場合。 1.2.3控制機構(gòu) 機器人的控制方式有點動和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)是用插銷板進行點位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機數(shù)字控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。 1.3噴漆機器人 噴漆機器人又叫噴涂機器人（spray painting robot）， 是可進行自動噴漆或噴涂其他涂料的工業(yè)機器人，1969年由挪威Trallfa公司（后并入ABB集 團）發(fā)明。噴漆機器人主要由機器人本體、計算機和相應的控制系統(tǒng)組成，液壓驅(qū)動的噴漆機器人還包括液壓油源，如油泵、油箱和電機等。多采用5或6自由度關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運動空間，并可做復雜的軌跡運動，其腕部一般有2～3個自由度，可靈活運動。較先進的噴漆機器人腕部采用柔性手腕，既可向各個方向彎曲，又可轉(zhuǎn)動，其動作類似人的手腕，能方便地通過較小的孔伸入工件內(nèi)部，噴涂其內(nèi)表面。噴漆機器人一般采用液壓驅(qū)動，具有動作速度快、防爆性能好等特點，可通過手把手示教或點位示數(shù)來實現(xiàn)示教。噴漆機器人廣泛用于汽車、儀表、電器、搪瓷等工藝生產(chǎn)部門　。 噴漆機器人的主要優(yōu)點：（1）柔性大，工作范圍大。（2）提高噴涂質(zhì)量和材料使用率。（3）易于操作和維護，可離線編程，大大的縮短現(xiàn)場調(diào)試時間。（4）設備利用率高，噴漆機器人的利用率可達90%-95%。 1.4 本文研究主要內(nèi)容 通過利用網(wǎng)絡工具、圖書館的書籍和各類期刊、雜志查閱了解噴漆機器人的相關(guān)知識，確定本設計符合要求，滿足需要。具體設計方法如下： 1、查閱資料、結(jié)合所學專業(yè)課程，產(chǎn)生噴漆機器人結(jié)構(gòu)設計的基本思路； 2、查閱各類機械機構(gòu)手冊，確定合理的噴漆機器人結(jié)構(gòu)； 3、根據(jù)給定技術(shù)參數(shù)來選擇合適的手部、腕部、臂部等部位； 4、重點對驅(qū)動機構(gòu)及控制機構(gòu)進行設計研究； 5、通過研究國內(nèi)外情況，確定本設計課題的重點設計； 6、完成2D裝配圖的設計和繪制，并由此繪制零件圖； 7、編寫設計說明書； 8、檢查并完善本設計課題。 本設計采用的方法是理論設計與經(jīng)驗設計相結(jié)合的方案，所運用的資料來源廣泛，內(nèi)容充足。 27 2 機器人機構(gòu)總體方案設計 本文的重要任務是完成噴漆機器人的設計，本章內(nèi)容是圍繞噴漆機器人機構(gòu)設計任務來展開，介紹噴漆機器人執(zhí)行機構(gòu)設計思路。 2.1噴漆機器人的基本技術(shù)參數(shù)確定 表示機器人特性的基本技術(shù)參數(shù)主要有自由度、坐標形式的選擇。 2.1.1自由度 自由度是指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目，但是一般不包括手部（末端操作器）的開合自由度。自由度表示了機器人靈活的尺度，在三維空間中描述一個物體的位置和姿態(tài)需要六個自由度。 噴漆機器人的自由度越多，越接近人手的動作機能，其通用性就越好，但是結(jié)構(gòu)也越復雜，自由度的增加也意味著噴漆機器人整體重量的增加。輕型化與靈活性和抓取能力是一對矛盾，此外還要考慮到由此帶來的整體結(jié)構(gòu)剛性的降低，在靈活性和輕量化之間必須做出選擇。工業(yè)機器人基于對定位精度和重復定位精度以及結(jié)構(gòu)剛性的考慮，往往體積龐大，負荷能力與其自重相比往往非常小。一般通用噴漆機器人有5～6個自由度即可滿足使用要求（其中臂部有3個自由度，腕部和行走裝置有2～3個自由度），專用噴漆機器人有1～2個自由度即可滿足使用要求。 2.1.2坐標形式的選擇 噴漆機器人的坐標形式主要可分為：直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型、關(guān)節(jié)坐標型另外還有比較復雜的SCARA型和并聯(lián)型 。 1直角坐標型噴漆機器人：這類噴漆機器人就是如圖2-1(a)得直移型，其手部空間位置的改變通過沿三個互相垂直軸線的移動來實現(xiàn)，該形式噴漆機器人具有位置精度高，控制無耦合、簡單，壁障性好等特點。但結(jié)構(gòu)較龐大，動作范圍小，靈活性差，且移動軸的結(jié)構(gòu)復雜，占地面積大，而且需架空線路。 2圓柱坐標型噴漆機器人：這種噴漆機器人如圖2-1（b）的回轉(zhuǎn)型噴漆機器人，通過兩個移動和一個轉(zhuǎn)動實現(xiàn)手部空間位置的改變，手臂的運動系由垂直立柱平面內(nèi)的伸縮和沿立柱的升降兩個直線運動及手臂繞立柱的轉(zhuǎn)動復合而成。這種噴漆機器人，占地面積小而活動范圍較大，結(jié)構(gòu)亦較簡單，并能達到較高的定位精度，因而應用范圍較廣泛。機身采用立柱式，噴漆機器人側(cè)面行走，順利完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能。但是結(jié)構(gòu)也比較龐大，兩個移動軸的設計較為復雜。 3球坐標型機器人： 這類噴漆機器人如圖2-1（c）的俯仰型噴漆機器人，其手臂沿X方向伸縮，繞Y軸俯仰和繞Z軸回轉(zhuǎn)。這類噴漆機器人具有占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊、重量較輕、位置精度尚可等特點，能與其他機器人協(xié)調(diào)工作，但避障性差，存在著平衡問題，位置誤差與臂長有關(guān)。 4關(guān)節(jié)坐標型噴漆機器人：如圖2-1（d）的屈伸型噴漆機器人，主要由立柱、前臂和后臂組成。機器人的運動由前、后臂的俯仰及立柱的回轉(zhuǎn)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，工作空間最大，能與其他機器人協(xié)調(diào)工作，避障性好，但是位置精度較低，存在平衡以及控制耦合的問題，故比較復雜。 圖2. 1噴漆機器人的坐標形式[22] 圖2.2 噴漆機器人基本形式示意圖[9] 2.1.3規(guī)格參數(shù) 用途：噴漆 1、大臂伸縮范圍200mm—1500mm，回轉(zhuǎn)角270o。 2、小臂伸縮范圍200mm—800mm，回轉(zhuǎn)角210o。 3、手腕旋轉(zhuǎn)角度150o。 4、步進電機驅(qū)動。 2.1.4有效負載 有效負載是指機器人操作臂在工作時臂端可能搬運的物體重量或所能承受的力或力矩，它表示了噴漆機器人的負載能力。機器人的載荷不僅僅取決于負載的質(zhì)量，還與機器人運動的速度和加速度的大小及方向有關(guān)。為了安全起見，有效負載是指高速運行時的有效負載。 2.1.5運動特性 速度和加速度是表明機器人運動特性的主要指標。它反映了機器人的使用效率和生產(chǎn)水平，噴漆機器人的運動速度越高，則其使用效率越高，生產(chǎn)水平越高。但速度越快產(chǎn)生的沖擊和震動也越大，因此提高機器人的加減速速能力，保證機器人加速過程的平穩(wěn)性是非常重要的。對于本文中的噴漆機器人，在沒有負載時可以適當?shù)丶涌炱溥\動速度;而在其有負載時，末端執(zhí)行器(手爪)通常要和物體直接接觸，為了安全起見，務必要盡量減少手臂的運動速度?？偟膩碚f，噴漆機器人的速度在一定范圍內(nèi)要是可調(diào)的，這樣才能滿足在各種不同情況下的使用需要。 2.1.6 工作范圍（工作半徑） 工業(yè)機器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機器人作業(yè)過程中的操作范圍和運動的軌跡來確定的,用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機器人的機械結(jié)構(gòu)坐標型式、自由度數(shù)和操作機各手臂關(guān)節(jié)軸線間的長度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動范圍的選擇。 2.2 噴漆機器人材料的選擇 機器人手臂的材料應根據(jù)手臂的實際工作情況來進行選擇，在滿足機器人的設計和運動要求前提下。從設計的理論出發(fā)，機器人手臂要進行各種運動。因此，對材料的一個要求是作為運動的部件，它應是輕型材料并要求有一定剛度。另一方面，手臂在運動過程中往往會產(chǎn)生沖擊和振動，這必然大大降低它的運動精度。所以在選擇材料時，需要對質(zhì)量、剛度、強度、彈性進行綜合考慮，以便有效地提高手臂的運動性能。此外，機器人手臂選用的材料與一般的結(jié)構(gòu)材料不同。機器人手臂是要受到控制的，必須考慮它的可控性。在選擇手臂材料時，可控性還要和材料的可加工性、成本、質(zhì)量等性質(zhì)一起考慮。 總之，選擇機器人手臂的材料時，要綜合考慮強度、剛度、重量、彈性、抗震性、外觀及價格等多方面因素。下面介紹幾種機器人手臂常用的材料 (l)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼等高強度鋼：這類材料強度好，尤其是合金結(jié)構(gòu)鋼強度增加了很多倍、彈性模量大、抗變形能力強，是應用最廣泛的材料; (2)鋁、鋁合金及其它輕合金材料：其共同特點是重量輕、彈性模量不大，但是材料密度小，但仍可與鋼材相比; (3)陶瓷：陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大，可加工性不高，一般用于和金屬連接的特殊部位。然而，國外已經(jīng)設計出純陶瓷的噴漆機器人臂了。 從本文設計的噴漆機器人的角度來看，在選用材料時不需要很大的負載能力，也不需要很高的彈性模量和抗變形能力，此外還要考慮材料的成本，可加工性等因素。在衡量了各種因素和結(jié)合工作狀況的條件下，初步選用鋁合金作為機械臂的構(gòu)件材料。 2.3機械臂的運動方式 根據(jù)主要的運動參數(shù)選擇運動形式是結(jié)構(gòu)設計的基礎。常見的機器人的運動形式有五種：直角坐標型、圓柱坐標型、極坐標型、關(guān)節(jié)型和SCARA型。同一種運動形式為適應不同生產(chǎn)工藝的需要，可采用不同的結(jié)構(gòu)。具體選用哪種形式，必須根據(jù)作業(yè)要求、工作現(xiàn)場、位置以及搬運前后工件中心線方向的變化等情況，分析比較并擇優(yōu)選取。 考慮到噴漆機器人的作業(yè)特點，即要求其動作靈活、有較大的工作空間、且要求結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小等特點，故選用關(guān)節(jié)型噴漆機器人。這類噴漆機器人一般由2個肩關(guān)節(jié)和1個肘關(guān)節(jié)進行定位，由2個或3個腕關(guān)節(jié)進行定向。其中，一個肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)，另一個肩關(guān)節(jié)實現(xiàn)俯仰。這兩個肩關(guān)節(jié)軸線正交。肘關(guān)節(jié)平行于第二個肩關(guān)節(jié)軸線，如圖所示。這種構(gòu)形動作靈活、工作空間大、在作業(yè)時空間內(nèi)手臂的干涉最小、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、關(guān)節(jié)上相對運動部位容易密封防塵。但是這類噴漆機器人運動學比較復雜，運動學的反解比較困難；確定末端桿件的姿態(tài)不夠直觀，且在進行控制時，計算量比較大。 圖2.4 常見的運動方式[9] 2.4噴漆機器人的驅(qū)動元件 在機器人驅(qū)動系統(tǒng)中，電氣驅(qū)動是利用各種電動機產(chǎn)生的力或力矩，直接或經(jīng)過減速機構(gòu)去驅(qū)動機器人的關(guān)節(jié)，來獲得動力。電氣驅(qū)動主要有步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機、直線電動機以及最近幾年出現(xiàn)的超聲波電機和HD電動機【10】等幾種。 步進電機是一種用電脈沖信號進行控制，每輸入一個脈沖，步進電機就進行回轉(zhuǎn)一定的角度，脈沖數(shù)與角度數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)方向取決于輸入脈沖的順序。步進電機可在很寬的范圍內(nèi)，通過脈沖頻率同步，能夠按照脈沖要求進行起動、停止、反轉(zhuǎn)和制動變速，有較強的阻礙偏離穩(wěn)定的能力。在機器人中位置控制系統(tǒng)中得到了極大的應用。主要有永磁式、反應式、永磁感應子式三種。 直流伺服電機是用直流電供電的電動機。其功能是將輸入的受控電壓/電流能量轉(zhuǎn)換為電樞軸上的角位移或角速度輸出。直流伺服電機的工作原理和基本結(jié)構(gòu)均與普通動力用直流電機相同。特點是穩(wěn)定性好、可控性好、響應迅速、轉(zhuǎn)矩大。一般有永磁式和電磁式，在機器人驅(qū)動系統(tǒng)中多采用永磁式直流伺服電機。. 交流伺服電機的使用情況與直流伺服電機相同，但交流伺服電機與直流伺服電機相比，結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、功率大、過載能力強、無電刷、維修方便，因而交流伺服電機是今后機器人用電機的主流。 低速電機主要用于系統(tǒng)精度要求高的機器人。為了提高功率效率比，伺服電機制成高轉(zhuǎn)速，經(jīng)齒輪減速后帶動機械負載。由于齒輪傳動存在間隙，系統(tǒng)精度不易提高，若對功率效率比要求不十分嚴格，而對于精度有嚴格的要求，則最好取消減速齒輪，采用大力矩的低速電機，配以高分辨率的光電編碼器及高靈敏度的測速發(fā)電機，實現(xiàn)直接驅(qū)動。環(huán)形超聲波電動機具有低速大轉(zhuǎn)矩的特點，使用在機器人的關(guān)節(jié)處，不需齒輪減速，可直接驅(qū)動負載，因而可大大改善功率重量比，并可利用其中空結(jié)構(gòu)傳遞信息。HD電動機是一種小型大轉(zhuǎn)矩(大推力)的電動機，電動機可直接與負載連接，可應用在系統(tǒng)定位精度要求高的機器人產(chǎn)品中。 通過上述對幾種機器人常用電機的分析和比較，綜合考慮本文噴漆機器人臂并不要求有很高的扭矩，但是要求有較高精度并要求能夠快速啟動和制動，所以選擇應用較為廣泛的步進電機作為驅(qū)動電機。 2.5 機構(gòu)整體設計 綜合考慮噴漆機器人的作業(yè)任務和作業(yè)環(huán)境，采用了5 個自由度的關(guān)節(jié)型機器人。整個機構(gòu)的水平運動采用來實現(xiàn)，即整個機構(gòu)裝在一個上。整個執(zhí)行機構(gòu)是一個4 自由度的串行機構(gòu)，且大臂與小臂關(guān)節(jié)的軸線相互平行。這種結(jié)構(gòu)動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，工作空間大，占地面積小，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，關(guān)節(jié)需要的驅(qū)動力矩小，能量消耗較少，關(guān)節(jié)相對運動部位容易密封防塵。噴漆機器人部件組成由、立柱回轉(zhuǎn)部件、大臂、小臂、末端執(zhí)行器（噴涂頭）組成。 各部分的功能如下： 1) 底座，是機器人的基礎部分，整個執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)都安裝在基座上。 2) 立柱是手臂的支撐部分，通過安裝在底座上的步進電機驅(qū)動，立柱可以在機座上轉(zhuǎn)動。 3) 手臂包括大臂和小臂，是執(zhí)行機構(gòu)中的主要運動部件，以實現(xiàn)空間位置的3 個坐標分量的要求，用來支承腕關(guān)節(jié)，并使其在工作空間內(nèi)運動。為了使末端執(zhí)行器能達到工作空間的任意位置，手臂和機身的運動設計上具有4 個自由度。 4) 腕關(guān)節(jié)是連接手臂與末端執(zhí)行器的部件，用于調(diào)整末端執(zhí)行器的方向和姿態(tài)。手部一般是夾持裝置，主要用來夾緊作業(yè)工具—噴涂頭。 3 噴漆機器人機身結(jié)構(gòu)設計 通過總體分析后,確定了機器人的結(jié)構(gòu)。所設計的機身部分采用二級齒輪減速傳動。 圖3-1 機器人關(guān)節(jié)齒輪傳動機構(gòu)簡圖 3.1 電動機的選擇 設兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為JG1、JG2、JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為: （3-1） 、、分別為10kg、5kg、12kg。、、分別為重心到第一關(guān)節(jié)軸的距離，其值分別為300mm、700mm、1500mm，在式（3-1）中、、故、、可忽略不計。所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為： （3-2） = = 同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量: = = 式中：——小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 。 —— 腕部重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 。 設主軸速度為219°/s，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下 （3-3） 式中：——旋轉(zhuǎn)開始的轉(zhuǎn)矩 ——角加速度 使機器人主軸從到/s所需時間為:則： 若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn) 開始時的啟動轉(zhuǎn)矩可假定為 電動機的功率可按下式估算 （3-4） 式中： ——電動機功率 ； ——負載力矩 ； ——負載轉(zhuǎn)速 ； ——傳動裝置的效率，初步估算取0.9； 系數(shù)1.5～2.5為經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取1.5 估算后就可選取電機，使其額定功率滿足下式 （3-5） 選擇QZD-08串勵直流電動機 表3-1 QZD-08串勵直流電動機技術(shù)數(shù)據(jù) 功率（W） 額定電壓 （V） 額定電流 （A） 額定轉(zhuǎn)速 （r/min） 濾磁方式 絕緣等級 工作制 （min） 800 24 46.2 1750 串勵 B 60 3.2 計算傳動裝置的總傳動比和分配各級傳動比 根據(jù)經(jīng)驗取主軸的轉(zhuǎn)速≤4rad/s。傳動裝置總傳動比取48，分二級傳動，第一級是加工在軸上的齒輪與小齒輪嚙合，傳動比=4；第二級傳動比為 ==12 (3-6) 3.3 軸的設計計算 3.3.1 計算各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率 a.各軸轉(zhuǎn)速 Ⅰ軸 (3-7) Ⅱ軸 (3-8) Ⅲ軸 nⅢ= (3-9) b.各軸輸入功率 Ⅰ軸 (3-10) —制動器效率 Ⅱ軸 (3-11) —齒輪嚙合的效率 — 角接觸球軸承的效率 Ⅲ軸 PⅢ==748.9×0.98=733.9 W (3-12) c.各軸輸入扭矩 Ⅰ軸 (3-13) Ⅱ軸 (3-14) Ⅲ軸 T3=9550 (3-15) 3.3.2 確定三根軸的具體尺寸 兩實心軸的材料均選用45號鋼，查表知軸的許用扭剪應力= 30MPa，由許用應力確定的系數(shù)為C=120. A. 第一根軸設計及校核 a.此軸傳遞扭矩 （3-16） 因為軸是齒輪軸,所以可以將軸的軸徑加工的大一點,以滿足齒輪嚙合時強度的要求。 齒輪的分度圓直徑為50mm,齒輪兩端裝有軸承,加工一段軸肩來定位軸承.齒輪軸上裝型號為 滾動軸承7206AC,內(nèi)徑為30mm。具體尺寸如圖3-2所示。 圖3-2 第一級齒輪軸結(jié)構(gòu)圖 b.軸在初步完成結(jié)構(gòu)設計后，進行校核計算。計算準則是滿足軸的強度或剛度要求。進行軸的強度校核計算時，應根據(jù)軸的具體受載及應力情況，采取相應的方法，并恰當?shù)剡x取其許用應力，對于用于傳遞轉(zhuǎn)矩的軸應按扭轉(zhuǎn)強度條件計算，對于只受彎矩的軸（心軸）應按彎曲強度條件計算，兩者都具備的按疲勞強度條件進行精確校核等。 圖3－3軸的受力分析和彎扭矩圖 求作用在齒輪上的力： (3-17) 畫軸的受力簡圖 見圖3－3 計算軸的支承反力 在水平面上 (3-18) (3-19) 在垂直面上 (3-20) 畫彎矩圖 見圖3－3 在水平面上，剖面左側(cè) (3-21) 剖面右側(cè) (3-21) 在垂直面上 (3-22) 合成彎矩，剖面左側(cè) (3-23) 剖面右側(cè) (3-24) 畫轉(zhuǎn)矩圖 見圖3－3 (3-25) 判斷危險截面 截面左右的合成彎矩左側(cè)相對右側(cè)大些，扭矩為T，則判斷左側(cè)為危險截面，只要左側(cè)滿足強度校核就行了。 軸的彎扭合成強度校核 許用彎曲應力，， 截面左側(cè) (3-26) (3-27) c.軸的疲勞強度安全系數(shù)校核 查得抗拉強度 ，彎曲疲勞強度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)， 截面左側(cè) (3-28) 查得，；查得絕對尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)。則 彎曲應力 ， (3-29) 應力幅 平均應力 切應力 (3-30) 安全系數(shù) (3-31) (3-32) (3-33) 查許用安全系數(shù)，顯然，則剖面安全。其它軸用相同方法計算，結(jié)果都滿足要求。 B.中間軸設計 此軸傳遞扭矩,轉(zhuǎn)速,傳遞功率為,則 （3-34） 安裝軸承部分軸徑最小,由于整個軸上零件較復雜,在兩軸承之間有車在軸上的齒輪,還有安裝在軸上的小齒輪,以及軸套和軸承,所以可取大一點,這里取,軸承部分,軸承選為單列角接觸球軸承,軸承型號為 滾動軸承7206AC,其余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定.由于載荷不大,軸承選的較大,強度足夠,這里不再詳算。中間軸大體結(jié)構(gòu)及尺寸如圖3-4所示。 圖3-4中間軸結(jié)構(gòu)圖 C. 主軸的設計 主軸是連接機身與大臂的結(jié)構(gòu)，因結(jié)構(gòu)體積比較大,為節(jié)省材料減輕重量,故需設計成空心軸,主要承受軸向拉力,取內(nèi)徑,外徑,用圓錐滾子軸承支承,軸承型號為 滾動軸承30205。主軸材料選用型號為ZAlCu5Mn的鑄鋁合金。 3.4 確定齒輪的參數(shù) 3.4.1選擇材料 根據(jù)表7-1,選擇齒輪的材料為45鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)硬度HBS可達229～286。 3.4.2 壓力角的選擇 由機械原理知識可知,增大壓力角,能使輪齒的齒厚和節(jié)點處的齒廓曲率半徑增大,可提高齒輪的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度。此處，壓力角可取20°。 3.4.3 齒數(shù)和模數(shù)的選擇 對軟齒面的閉式齒輪傳動,其承載能力主要取決于齒面接觸疲勞強度。而齒面接觸應力的大小與小齒輪的分度圓直徑有關(guān),即與齒數(shù)和模數(shù)的積有關(guān)。因此在滿足彎曲疲勞強度的前提下,宜選擇較小的模數(shù)和較多的齒數(shù)。這樣除能增大重合度,改善傳動的平穩(wěn)性外,還因模數(shù)的減小而降低齒高,從而減小金屬的切削量,減少滑動速度,減少磨損,提高抗膠合能力。軸上齒輪齒數(shù)取25,小齒輪齒數(shù)取100,軸上軸齒輪齒數(shù)取25,大齒輪齒數(shù)取300,模數(shù)m取2。 3.4.4齒寬系數(shù) 由強度公式可知,當載荷一定時,增大齒寬可以減小齒輪直徑,降低齒輪圓周速度。但增大齒寬,齒面上的載荷分布不均勻性也將增大。查表7-7,中間軸上的齒輪與大齒輪嚙合時取齒寬系數(shù)為1.0;懸臂上的齒輪與小齒輪嚙合時取為0.5。根據(jù)公式 ,計算結(jié)果圓整為5的整數(shù)倍,作為大齒輪的齒寬,小齒輪齒寬取,以補償加工裝配誤差。 所以 軸上齒輪 與之嚙合的小齒輪齒寬 軸上的齒輪齒寬 ,與之嚙合的大齒輪齒寬 3.4.5 確定齒輪傳動的精度 根據(jù)GB10095-1988規(guī)定,齒輪精度等級分為12級,1級最高,12級最低,常用6～9級。根據(jù)表7-8 選用7級精度的齒輪。 表3-2 第一級嚙合齒輪的幾何尺寸 名稱 符號 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒全高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 基圓直徑 齒距 齒厚 齒槽寬 中心距 頂隙 表3-3 第二級嚙合齒輪的幾何尺寸 名稱 符號 公式 分度圓直徑 齒頂高 齒根高 齒全高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 基圓直徑 齒距 齒厚 齒槽寬 中心距 頂隙 3.4.6 齒輪的校核 已選定齒輪采用45鋼，鍛造毛坯，軟齒面，齒輪滲碳淬火HRC56～62，齒輪精度用7級，軟齒表面粗糙度為，對于需校核的一對的齒輪，齒數(shù)分別為，，模數(shù)為2，傳動比，扭矩T=16.76N·m。 a.設計準則 按齒面接觸疲勞強度設計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。 b.按齒面接觸疲勞強度計算 。 （3-35） 式中：—節(jié)點區(qū)域系數(shù)，用來考慮節(jié)點齒廓形狀對接觸應力的影響，取=2.5； —材料系數(shù)，單位為，查表7-5，取189.8； —重合度系數(shù)，取=0.90； —齒寬系數(shù)，取=1； u—齒數(shù)比，其值為大齒輪齒數(shù)與小齒輪齒數(shù)之比，u=12。 選擇材料的接觸疲勞極限應力為： 選擇齒根彎曲疲勞極限應力為： 應力循環(huán)次數(shù)N計算可得 ×437.5×16×300×8=10.08× （3-36） 則 （3-37） 查得接觸疲勞壽命系數(shù)為 查得彎曲疲勞壽命系數(shù)為 查得接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù)，又為試驗齒輪的應力修正系數(shù)，按國家標準取2.0，試選1.3， 求許用接觸應力和許用彎曲應力： （3-38） （3-39） （3-40） （3-41） 將有關(guān)值帶入公式（3-35）得： = =29.78mm 則 （3-42） （3-43） 查圖得；查得， 查得，取，則 （3-44） 修正，mm 取標準模數(shù)m=2mm，與前面選定的模數(shù)相同，所以m=2mm符合要求。 c.計算幾何尺寸 ， （3-45） ， （3-46） d.校核齒根彎曲疲勞強度 查得，取 校核兩齒輪的彎曲強度 （3-47） （3-48） 所以齒輪完全達到要求。 圖3-5 大齒輪結(jié)構(gòu)圖 圖3-6 小齒輪結(jié)構(gòu)圖 3.5 殼體設計 基座部分采用球墨鑄鐵材料,方形結(jié)構(gòu),壁厚在15mm左右。立柱采用鑄鋁,空心圓柱形狀,起固定軸承外圈的作用。其他部分具體尺寸由結(jié)構(gòu)確定,這里不一一敘述,詳見圖紙。 3.6小結(jié) 本章針對機身的齒輪、大齒輪軸、小齒輪軸進行了設計和校核，另外還表述了設計上的見解。通過校核可知設計的齒輪、軸均符合強度要求。 總 結(jié) 本文設計了一種噴漆機器人，詳細地設計了移動噴漆機器人的各個部分，在全面分析各個系統(tǒng)的基礎上，對系統(tǒng)研究過程中所遇到的一些問題也進行了深入的研究。 噴漆機器人是一種具有很大的研究價值和應用前景的機器人，在不方便操作的地方都扮演著很重要的角色，本次設計對機器人的結(jié)構(gòu)進行了設計，包括機身、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)和手爪，主要工作如下： l 通過功能和設計任務的分析，初步制定了機器人的總體方案。 l 接下來進行了機械手結(jié)構(gòu)的設計。 l 重要零部件的受力分析與校核。 l 電機選型與計算。 l 主要零件工程圖繪制。 通過本次設計，把大學期間所學的知識都綜合的利用起來，這再次加深了我對所學知識的印象，提高了我對知識的利用能力。但是，由于本人的水平和能力有限，本次設計一定存在一些不合理之處，希望老師給予批評和指正。 展望: 本文所完成的工作達到了預期的目標，但是仍有進一步研究的必要，需要進一步改進的工作是本文在設計時考慮到的移動噴漆機器人的工作范圍仍然是有限的，在將來可以集成更多的傳感器在的車身上，以便移動平臺能夠更好的適應室外的工作環(huán)境。 在設計過程中，我通過查閱大量有關(guān)資料，與同學交流經(jīng)驗和自學，并向老師請教等方式，使自己學到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在設計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學習工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中的探索的艱難和成功的喜悅。雖然做得還不是很完善，但是在設計過程中所學到的東西是這次設計的最大收獲和財富，使我終身受益。 致 謝 本論文是在導師XX的悉心指導下完成的，在這次畢業(yè)設計中，老師給了我很大的幫助，不僅讓我在規(guī)定時間能完成了畢業(yè)設計，還使我學到了很多有用的經(jīng)驗。在這里我衷心的感謝高老師。我還要感謝這四年能教授我知識的老師們，還有曾經(jīng)幫過我的同學們。 經(jīng)過幾個月的努力，畢業(yè)設計已經(jīng)接近尾聲。由于實踐經(jīng)驗的匱乏，本次設計難免有考慮不周的地方。如果沒有老師的悉心指導以及本組人員的支持，恐怕設計不會這么順利完成。自開題一來老師一直認真指導設計的每個環(huán)節(jié)，從資料的查閱到具體方案的修改，老師都提出了寶貴的建議，讓我受益匪淺。除此之外，老師科學嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和淵博的專業(yè)知識更是我永遠學習的榜樣。再次對老師及本組的同學表示衷心的感謝！ 最后還要感謝曾指導過和給我?guī)椭睦蠋?！是你們曾?jīng)辛勤的付出才有了我今天知識的積累。 參考文獻 [1] 成大先. 《機械設計手冊》 [M]. 北京：化學工業(yè)出版社,2008． [2] 尚久浩. 《自動機械設計》[M]. 北京：中國輕工業(yè)出版社,2006． [3] 顧曉勤.工程力學ⅠⅡ[M]. 北京：機械工業(yè)出版社,2008． [4] 盧秉恒.機械制造技術(shù)基礎[M] ．北京：機械工業(yè)出版社,2008． [5] 單輝祖. 材料力學[M]．北京：高等教育出版社， 2010． [6] 張鐵,謝存禧.機器人學[M].廣州:華南理工大學出版社,2001. 17-18 [7] 余達太,馬香峰.工業(yè)機器人應用工程[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2001. 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