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1、 摘　　要 由于目前使用的油漆大多含有苯，笨是一種極易揮發(fā)，并且能致癌的化學(xué)物質(zhì)。在沒有任何防護(hù)的情況下進(jìn)展噴漆作業(yè)對工人的危害極大的，因此各種各樣的噴漆機(jī)器人應(yīng)運而生。 本文設(shè)計了一種關(guān)節(jié)式噴漆機(jī)器人，具有六個自由度，其中手腕關(guān)節(jié)具有三個自由度，其它的關(guān)節(jié)各具有一個自由度，各個關(guān)節(jié)采用液壓驅(qū)動。 本文設(shè)計的噴漆機(jī)器人采用了類似于鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)造形式。驅(qū)動小臂運動的電機(jī)安裝在腰部回轉(zhuǎn)盤的上面，通過帶動鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)間接驅(qū)動小臂實現(xiàn)俯仰運動，這樣防止了把液壓缸直接安裝在大臂和小臂的連接處，從而減小了小臂自身的重量，同時減小了驅(qū)動大臂和腰關(guān)節(jié)的液壓缸所需要的功率與力矩，這種鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)

2、還使小臂實現(xiàn)自身的重力平衡從而減小了靜力矩。噴漆機(jī)器人的主體采用了鋁合金材料，減輕了自身的重量。噴漆機(jī)器人的整體動態(tài)性能也因此提高。 關(guān)鍵詞：噴漆機(jī)器人；關(guān)節(jié)式；構(gòu)造設(shè)計 51 / 56 Abstract Nowadays most paint contains benzene．The benzene is very volatile，toxic and carcinogenic．It does harm to the workers heavily when the protection is absent．So dif

3、ferent kinds of painting robots appeared and developed greatly． A joint type painting robot was designed in this paper．It had six degrees of freedom．The wrist had three degrees of freedom and the other joints had three degrees of freedom．The painting robot’s joints were driven by hydraulic pressur

4、e ． Parallelogram structure was used in the robot．The hydraulic cylinder which was installed on the waist turning table droved the forearm indirectly through the parallelogram structure．The structure avoided installing the hydraulic cylinder directly on the joint to reduce the forearm’s weight．So t

5、he burden of the hydraulic cylinder which drive the upper arm and the waist were reduced．Also this structure made the forearm realize balance itself and reduce the static torque．Aluminum alloy was used greatly in the robot，so the weight of the robot was reduced．Also the dynamic performance was impro

6、ved． Keywords：painting robot；joint；structure design 目 錄 摘　　要I ABSTRACT II 目 錄III 第一章 緒論1 1.1 課題研究的背景及意義1 1.2噴涂機(jī)器人的特點及其開展現(xiàn)狀2 1.3 課題國外現(xiàn)狀及研究的主要成果4 1.3.1 國研究現(xiàn)狀4 1.3.2 國外研究現(xiàn)狀5 1.5 本文研究主要容以及背景和意義7 第2章 總體構(gòu)造設(shè)計9 2.1 確定驅(qū)動系統(tǒng)9 2.1.1 驅(qū)動系統(tǒng)9 2.1.2 確定驅(qū)動件和自由度10 2.2 噴漆機(jī)器人的運動參數(shù)11

7、 2.3 各個關(guān)節(jié)的構(gòu)造形式和平衡方式11 2.3.1小臂12 2.3.2大臂13 2.3.3 小臂的傳動機(jī)構(gòu)16 2.3.4 大臂的傳動機(jī)構(gòu)17 2.3.5 腰部的傳動機(jī)構(gòu)18 2.4 本章小結(jié)18 第3章 噴漆機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計19 3.1 噴漆機(jī)器人數(shù)學(xué)模型的建立與分析19 3.2 腕部設(shè)計22 3.2.1 電機(jī)的選擇22 3.3 小臂的設(shè)計24 3.3.1 小臂設(shè)計的總體要求24 3.3.2　鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計25 3.3.3　液壓缸的選擇與設(shè)計26 3.4　大臂的設(shè)計29 3.4.1　大臂設(shè)計的總體要求29 3.5　腰關(guān)節(jié)的設(shè)計

8、32 3.6 傳感器的選擇33 3.7　本章小結(jié)33 第4章　軸、螺釘?shù)脑O(shè)計與校核35 4.1　大軸1的構(gòu)造設(shè)計與校核35 4.1.1　大軸1的構(gòu)造設(shè)計35 4.1.2 大軸1的強(qiáng)度校核36 4.2.1　大軸2的構(gòu)造設(shè)計39 4.2.2　大軸2的強(qiáng)度校核40 4.3　小軸1的構(gòu)造設(shè)計與校核41 4.3.1 小軸1的構(gòu)造設(shè)計41 4.3.2 小軸1的強(qiáng)度校核42 4.4　小軸2的構(gòu)造設(shè)計與校核44 4.5　回轉(zhuǎn)底盤與腰部主軸連接螺釘?shù)男：?5 4.6　本章小結(jié)45 參考文獻(xiàn)47 附錄一 開題報告 附錄二 文獻(xiàn)綜述 附錄三 外文文獻(xiàn)

9、 第一章 緒論 1.1 課題研究的背景及意義 機(jī)器人是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的機(jī)械電子裝置,既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反響和分析判斷能力,又有機(jī)器持續(xù)工作時間長、準(zhǔn)確度高、抗惡劣環(huán)境的能力,從某種意義上說它也是機(jī)器進(jìn)化過程的產(chǎn)物。機(jī)器人技術(shù)綜合了計算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù),是當(dāng)代研究十分活潑、應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況,是一個國家自動化水平的重要標(biāo)志。 機(jī)器人是用于完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化的自動化生產(chǎn)設(shè)備。機(jī)器人的廣泛應(yīng)用,不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量,而且對保障人身平安,改善勞動環(huán)境,減輕勞動

10、強(qiáng)度,提高勞動生產(chǎn)率,節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)本錢,有著十分重要的意義。 自從1962年美國研制出世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人以來,經(jīng)過五十多年的開展,機(jī)器人己在越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。如在毛坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)、機(jī)械加工、焊接、熱處理、外表涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中,機(jī)器人已逐步取代了人工作業(yè)。在農(nóng)業(yè)方面,機(jī)器人在國外農(nóng)場應(yīng)用也比擬廣泛,如果蔬采摘機(jī)器人、植保機(jī)器人、噴(霧)藥機(jī)器人和高壓靜電滅蝗機(jī)器人等是農(nóng)業(yè)自動化領(lǐng)域的廣闊科研工作者研究的熱點。 用于外表涂覆工作的機(jī)器人稱為噴涂(或噴漆)機(jī)器人,它是機(jī)器人技術(shù)與外表噴涂工藝相結(jié)合的產(chǎn)物,是機(jī)器人產(chǎn)品中的一個特殊

11、品種,主要用于工業(yè)領(lǐng)域的外表涂裝作業(yè),靜電噴霧技術(shù)同時也廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中噴藥殺蟲和除草等植保作業(yè)。采用噴涂機(jī)器人的主要優(yōu)點在于實現(xiàn)了噴涂生產(chǎn)作業(yè)的自動化,防止了工人始終處于有毒環(huán)境中而造成急性或慢性中毒,提高了產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性,同時能減少涂料和能量的消耗,提高生產(chǎn)效率。 1.2噴涂機(jī)器人的特點及其開展現(xiàn)狀 大局部機(jī)電類產(chǎn)品在其制造過程中,都涉及到外表涂裝作業(yè)。對于傳統(tǒng)機(jī)械行業(yè)(如機(jī)床、輕工機(jī)械、紡織機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、起重機(jī)械、工程機(jī)械、礦山機(jī)械、冶金機(jī)械等)、電機(jī)電器行業(yè)(如電機(jī)、變壓器、電控柜等)、儀器儀表行業(yè)、家電行業(yè)、以及交通運輸行業(yè)等,用戶對其產(chǎn)品外觀質(zhì)量的要求都很高,而外表涂裝

12、技術(shù)是到達(dá)這一要求的重要環(huán)節(jié)。對于某些機(jī)電產(chǎn)品如家電、輕工、汽車、摩托車等來講,產(chǎn)品的外觀質(zhì)量甚至影響到該產(chǎn)品在市場上的競爭力,因此對外表涂裝技術(shù)提出了更高要求。 傳統(tǒng)的外表噴涂(漆)技術(shù)都是以手工方式進(jìn)展產(chǎn)品外表的噴涂(漆)作業(yè),在此過程中產(chǎn)生的大量的有害物質(zhì)及氣體,如:苯、醛類、胺類等造成環(huán)境污染,影響到操作工人的身體安康及勞動情緒,因此噴涂質(zhì)量受工人的技術(shù)水平和情緒等因素影響較大,制約了生產(chǎn)能力。自動噴涂機(jī)的出現(xiàn)那么克制了這一缺點。但由于噴涂機(jī)只能完成一些簡單的往復(fù)直線運動,而被涂工件外表的多樣性及復(fù)雜性使得噴涂機(jī)的使用受到一定的限制。隨著機(jī)器人技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展,機(jī)器人也被

13、用來進(jìn)展涂裝作業(yè),進(jìn)而產(chǎn)生了一個新的機(jī)器人品種—噴涂機(jī)器人。 噴涂機(jī)器人最顯著的特點就是不受噴涂車間有害氣體環(huán)境的影響,可以重復(fù)進(jìn)展一樣的操作動作而不厭其煩,因此噴涂質(zhì)量比擬穩(wěn)定;其次機(jī)器人的操作動作是程序控制的,對于同樣的零件控制程序是固定不變的,因此可以得到均勻的外表涂層:機(jī)器人的操作動作控制程序是可以重新編制的,不同的程序針對不同的工件,所以可以適應(yīng)多種噴涂對象在同一條噴涂線上進(jìn)展噴漆。有鑒于此,噴涂機(jī)器人在涂裝領(lǐng)域越來越受到重視,尤其是在汽車制造業(yè)中,如圖1一l所示機(jī)器人噴涂汽車車 身的情景。 圖1一1機(jī)器人噴涂汽車車身 噴涂機(jī)器人與其它品種

14、的工業(yè)機(jī)器人比擬其主要不同之處在于噴涂機(jī)器人用于在封閉的噴涂室噴涂工件外外表,由于噴涂室的漆霧是易燃易爆的,如果機(jī)器人的某個部件產(chǎn)生火花或溫度過高,就會引燃噴涂室的易燃物質(zhì),引起噴涂室的大火。甚至引起爆炸,所以,防爆系統(tǒng)的設(shè)計是設(shè)計電動噴涂機(jī)器人很重要的一局部。其次,由于噴涂在工件外表的油漆是勃性流體介質(zhì),需要枯燥后才能固化,在噴涂過程中,機(jī)器人不得接觸己噴涂的工件外表,否那么將破壞外表噴漆質(zhì)量,因此噴槍輸漆管路等都不得在機(jī)器人手臂外部懸掛,而是從手臂中穿過,這在一定程度上影響機(jī)器人的關(guān)節(jié)角轉(zhuǎn)動圍。最后噴涂機(jī)器人需配置涂料流量控制系統(tǒng)與換色系統(tǒng),以適應(yīng)不同色彩的需要。 1.3 課題國外

15、現(xiàn)狀及研究的主要成果 噴涂機(jī)器人是可以進(jìn)展自動噴涂或噴漆的一種新型工業(yè)機(jī)器人，1969年由挪威一家公司創(chuàng)造。噴漆機(jī)器人主要由機(jī)器人本體、計算機(jī)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成，液壓驅(qū)動的噴漆機(jī)器人還包括液壓油源，如油泵、油箱和電機(jī)等。多采用5或6自由度關(guān)節(jié)式構(gòu)造，手臂有較大的運動空間，并可做復(fù)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(jìn)的噴漆機(jī)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部，噴涂其外表。噴漆機(jī)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(jī)器人廣泛用于汽車、儀表、電

16、器等工藝生產(chǎn)部門。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷完善，噴涂精度得到顯著提高。我國的華南理工大學(xué)、華中科技大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)先后對噴涂機(jī)器人技術(shù)進(jìn)展深入的研究，取得了不少進(jìn)展。航天航空部的703所、625所使用熱噴涂機(jī)器人進(jìn)展作業(yè)，用來噴涂一些重要而特殊航空部件。目前在我國，還沒有完全意義上的獨立生產(chǎn)噴涂機(jī)器人的廠家，機(jī)器人市場大多為歐美、日本、國等國的生產(chǎn)廠家所壟斷。 1.3.1 國研究現(xiàn)狀 我國的一些企業(yè)積極與高校開展噴涂機(jī)器人的工程合作，進(jìn)一步推動我國噴涂機(jī)器人技術(shù)的成熟，普及與應(yīng)用。 近年來國亦擁有相當(dāng)數(shù)量的噴漆機(jī)器人如南航研制的PR-1型噴漆機(jī)器人。噴漆機(jī)器人在國外早已廣泛應(yīng)用于汽車等產(chǎn)品的涂

17、裝生產(chǎn)線,國外機(jī)器人己取得的進(jìn)展主要表現(xiàn)在如下幾個方面: 1)操作機(jī)器人:通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的運用,操作機(jī)器人己實現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計。以德國KUKA公司為代表的機(jī)器人公司,己將機(jī)器人并聯(lián)平行四邊形構(gòu)造改為開鏈?zhǔn)綐?gòu)造,拓展了機(jī)器人的工作圍,加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用,大大提高了機(jī)器人的性能。此外采用先進(jìn)的RV減速器及交流伺服電機(jī),使機(jī)器人操作機(jī)幾乎成為免維護(hù)系統(tǒng)。 2)并聯(lián)機(jī)器人:采用并聯(lián)機(jī)構(gòu),利用機(jī)器人技術(shù)實現(xiàn)高精度測量及加工。意大利AU公司和日本FANUC等公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品。 3)控制系統(tǒng):控制系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高,己由過去控制標(biāo)準(zhǔn)的6軸機(jī)器人開展到現(xiàn)在能夠

18、控制21軸,甚至27軸,實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。人機(jī)界面更加友好,基于圖形操作的界面也己問世。編程方式仍以示教編程為主,但離線編程己在某些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)實用化。 4)傳感系統(tǒng):激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器已成功應(yīng)用于機(jī)器人系統(tǒng)中,并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)線上物體的自動定位以及精細(xì)裝配作業(yè)等,大大改善了機(jī)器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。日本的KAWASAKI、丫ASKA場叭、FANUC和瑞典的ABB、德國的KUKA、REIS等公司都有此類產(chǎn)品。 5)網(wǎng)絡(luò)通信功能:日本的YASKA場人和德國的KUKA公司的最新機(jī)器人控制器己實現(xiàn)了與現(xiàn)場總線CanbuS、ProfibuS及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)

19、接,使機(jī)器人由過去的獨立應(yīng)用轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用。 6)可靠性:由于微電子技術(shù)的快速開展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用,使機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性一般為幾千小時,而現(xiàn)在已到達(dá)5萬小時,可以滿足任何場合的需求。 1.3.2 國外研究現(xiàn)狀 在國外,近年來機(jī)器人領(lǐng)域的開展有如下幾個趨勢: l)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性),而其價格不斷下降。 2)機(jī)械構(gòu)造向模塊化、可重構(gòu)化開展。如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化;由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組裝方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)。 3)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向開展,有利于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;

20、器件集成度提高,采用模塊化構(gòu)造;機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性大大提高。 4)機(jī)器人中傳感器的作用日益突出,除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外,裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺傳感器、力覺傳感器,而遙控機(jī)器人那么采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的信息融合技術(shù)來進(jìn)展環(huán)境建模及決策控制。 5)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用己從仿真開展到用于過程控制,如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中操縱機(jī)器人的感覺。 1.4. 存在問題和未來解決問題 1.4.1 噴涂工件CAD造型的獲取 噴涂機(jī)器人離線編程的第一步是必須獲取噴涂工件的CAD數(shù)據(jù)，隨著計算機(jī)視覺技術(shù)的成熟，

21、可以利用模式識別技術(shù)先識別出待噴涂的工件，再利用圖像處理技術(shù)提取工件外表的特征點，形成數(shù)據(jù)點云，最后通過圖像的三維重構(gòu)獲取工件的CAD數(shù)據(jù)。 1.4.2 噴涂路徑規(guī)劃 路徑規(guī)劃是噴涂機(jī)器人離線編程的另一項關(guān)鍵技術(shù)。路徑規(guī)劃的好壞，直接關(guān)系到噴涂作業(yè)的效率以及工件外表的涂層是否均勻，對噴涂工件的質(zhì)量的影響巨大。 1.4.3 噴涂機(jī)器人的位姿精度與標(biāo)定 影響噴涂機(jī)器人位姿的精度有多方面的原因，從大體上講可分為靜態(tài)與動態(tài)因素。靜態(tài)因素包括了制造、裝配時所帶來的機(jī)器人本體機(jī)械構(gòu)造上的誤差；由外界溫度的改變和長期的磨損而引起的機(jī)械部件的尺寸變化，由此造成機(jī)器人

22、位姿的誤差。動態(tài)因素主要是由外力所引起的機(jī)械部件本身的彈性變形所帶來的機(jī)器人運動誤差。為解決以上因素所造成的機(jī)器人位姿誤差，必須在使用前對機(jī)器人進(jìn)展標(biāo)定，建立機(jī)器人的參照模型，目前用于機(jī)器人標(biāo)定的技術(shù)有基于三坐標(biāo)測量儀的標(biāo)定、基于激光跟蹤儀的機(jī)器人標(biāo)定以及基于CCD的機(jī)器人標(biāo)定。根據(jù)機(jī)器人實際運行時的位姿與參照模型間的誤差，建立機(jī)器人補(bǔ)償機(jī)制，以進(jìn)一步提高機(jī)器人噴涂作業(yè)的精度。 1.4.4 噴涂機(jī)器人的控制 噴涂機(jī)器人的控制較為常用的仍是傳統(tǒng)的PID理論，在實際的應(yīng)用中，噴涂機(jī)器人機(jī)械臂的長度往往很長，當(dāng)整個機(jī)械臂伸展開時大約可到達(dá)2m的長度，且運行速度較高，各關(guān)節(jié)間的動力

23、學(xué)效應(yīng)非常顯著，不能忽略，從而造成機(jī)器人各關(guān)節(jié)的被控對象模型是時變的。而傳統(tǒng)PID理論的比例〔P〕、積分〔I〕、微分〔D〕參數(shù)的整定是建立在關(guān)節(jié)傳遞函數(shù)模型為定值根底之上的，這對傳統(tǒng)的基于系統(tǒng)動力模型的控制理論帶來了挑戰(zhàn)。此外，實際工業(yè)現(xiàn)場往往存在有各種不確定的干擾，也會對PID控制器造成影響。以上兩個因素決定了PID控制器必須具備一定的自適應(yīng)性，其比例、積分、微分參數(shù)應(yīng)能夠隨著外界環(huán)境的改變而自動的變化。智能控制理論的提出與開展為問題的解決帶來了新的思路。智能控制是人工智能、生物學(xué)與自動控制原理結(jié)合的產(chǎn)物，是一種模仿生物某些運行機(jī)制的、非傳統(tǒng)的控制方法。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論、人工免疫、遺傳進(jìn)

24、化等智能控制算法與PID理論相結(jié)合，用于PID參數(shù)的整定，成為未來機(jī)器人控制開展的趨勢。 1.5 本文研究主要容以及背景和意義 隨著改革開放和我國參加世貿(mào)組織，近幾年來我國的汽車制造業(yè)高速開展起來。汽車制造業(yè)在自身開展的同時也促進(jìn)了機(jī)械制造業(yè)的開展，其中對工業(yè)機(jī)器人開展的促進(jìn)作用尤為顯著。在汽車制造生產(chǎn)過程中，汽車車身的涂裝是最主要的生產(chǎn)工藝之一。涂裝質(zhì)量的上下決定了汽車外表的耐腐蝕能力的強(qiáng)弱、使用壽命的長短、汽車是否美觀，而且人們在購置汽車時，對于汽車產(chǎn)品最直接的評價就來源于汽車的外觀，因此噴涂質(zhì)量的上下直接影響了一個汽車產(chǎn)品在市場中的競爭能力和生產(chǎn)廠家的經(jīng)濟(jì)效益。 噴漆機(jī)器人具有軌

25、跡靈活、柔性大、操作簡單、維修方便、利用率高等特點。所以在汽車制造業(yè)中噴漆機(jī)器人應(yīng)該是首選的涂裝設(shè)備。然而我國的工業(yè)機(jī)器人的起步較晚、技術(shù)比擬落后，間接導(dǎo)致了我國自行生產(chǎn)的噴漆機(jī)器人在控制精度、軌跡運行精度、噴涂質(zhì)量、工作穩(wěn)定性、使用壽命、性價比等方面上與興旺國的噴漆機(jī)器人存在著較大的差距。目前我國的局部汽車生產(chǎn)廠家還在使用軌跡靈活度較低、柔性差的自動噴涂機(jī)來進(jìn)展汽車車身的涂裝，少數(shù)企業(yè)雖然采用了外國設(shè)備制造商的噴漆機(jī)器人，但是仍然存在著價格昂貴、維護(hù)費用高、兼容性低等問題，從而導(dǎo)致了競爭力和經(jīng)濟(jì)效益的下降。因此實現(xiàn)高質(zhì)量的噴漆機(jī)器人的國產(chǎn)化，對于我國工業(yè)機(jī)器人的開展和汽車制造業(yè)的開展具有十分

26、重要的意義。 本文以用于汽車車身的噴漆機(jī)器人為研究對象，對噴漆機(jī)器人的構(gòu)造設(shè)計進(jìn)展了研究。全文主要容如下： 1.閱讀工業(yè)機(jī)器人和包裝機(jī)械的相關(guān)書籍，確定了各個關(guān)節(jié)的傳動方案。根據(jù)設(shè)計 要求里的工作空間的要求，通過簡單的計算方法，確定了兩個手臂的長度。 2.初步設(shè)計了傳動局部的構(gòu)造和連接形式，并用CAD繪制出了主要零部件的零件圖和一總裝圖以及腰部回轉(zhuǎn)局部的部裝圖與腕部回轉(zhuǎn)局部的部裝圖。 3.運用所學(xué)到的理論力學(xué)、材料力學(xué)、動力學(xué)、物理學(xué)的知識并且根據(jù)機(jī)器人技術(shù)參數(shù)計算出各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動力矩和功率，再查找機(jī)械設(shè)計手冊，選擇了符合要求的驅(qū)動部件和傳感器。 4.進(jìn)展了主要的傳動部件的設(shè)計計算

27、和校核。 第2章 總體構(gòu)造設(shè)計 2.1 確定驅(qū)動系統(tǒng) 2.1.1 驅(qū)動系統(tǒng) 工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)是直接驅(qū)動整個機(jī)器人完成指定動作的機(jī)構(gòu)，而且工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)是機(jī)器人上的一個十分重要的機(jī)構(gòu)，對工業(yè)機(jī)器人的性能和功能以及維修是否方便有很大的影響。如果沒有一個有效的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，無論機(jī)器人具有多么準(zhǔn)確的控制系統(tǒng)和多么敏感的傳感的系統(tǒng)，也是無濟(jì)于事的。 當(dāng)今世界上工業(yè)機(jī)器人的動作自由度都比擬多，以便能完成復(fù)雜的動作，其中多為五自由度和六自由度。這些工業(yè)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)速度和直線移動速度都比擬快，而且定位精度十分高，它們的驅(qū)動元件大多安裝在活動支架上。而且由于施工現(xiàn)場的空

28、間是有限的，所以絕大多數(shù)時候要求工業(yè)機(jī)器人所占的空間要盡可能的小，以便在有限的空間盡可能的完成多個工序。綜合以上特點，設(shè)計時要求工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計原那么是必須做到外型小、重量輕、工作穩(wěn)定可靠。另外，由于工業(yè)機(jī)器人能在工作空間任意多點定位，而且控制以及驅(qū)動程序又是靈活多變的，所以在一些構(gòu)造比擬復(fù)雜和多自由度的工業(yè)機(jī)器人中，通常采用伺服驅(qū)動系統(tǒng)。 目前，工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、電機(jī)驅(qū)動和氣壓驅(qū)動三種。液壓驅(qū)動系統(tǒng)的特點主要是運行穩(wěn)定可靠，運動件的慣性小，快速相應(yīng)的靈敏度高，傳動比擬大，低速性能好，容易實現(xiàn)無極調(diào)速，操作和控制都比擬容易。氣壓驅(qū)動的特點主要是響應(yīng)速比擬度快，廣泛應(yīng)

29、用于數(shù)控機(jī)床等設(shè)備中，但是存在管路漏氣的現(xiàn)象，維修比擬麻煩。電機(jī)驅(qū)動方式具有以下特點：動力源簡單、負(fù)載小、調(diào)速圍大、無需 配管、維修及使用方便、使用壽命長等特點。此外，由于近年來液壓控制系統(tǒng)的逐漸完善，此次設(shè)計選擇液壓驅(qū)動。 2.1.2 確定驅(qū)動件和自由度 由于工作需求的不同以及工作對象的不同，因此工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動機(jī)型有多種構(gòu)造形式，主要包括直角坐標(biāo)系機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)機(jī)器人、極坐標(biāo)機(jī)器人、多關(guān)節(jié)機(jī)器人 直角坐標(biāo)系機(jī)器人只能在x、y、z三個方向上作直線運動，因此控制方便，構(gòu)造十分簡單，設(shè)計比擬方便。但是其只能作直線運動，所以局限性比擬大，只能在特定的工作場合下工作。圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的

30、工作圍是一個類似于圓柱面的外表，操作方便和控制方便是它最大的優(yōu)勢，但是它跟直角坐標(biāo)系機(jī)器人一樣有著極大的工作局限性。極坐標(biāo)機(jī)器人是一種可以做腰部的旋轉(zhuǎn)運動，手臂局部的一個旋轉(zhuǎn)運動以及一個直線運動的工業(yè)機(jī)器人。多關(guān)節(jié)型機(jī)器人的運動空間比前三者大，可以完成十分復(fù)雜的動作，運動軌跡靈活多變，自由度多而且構(gòu)造相對簡單。綜上所述，噴漆機(jī)器人的驅(qū)動機(jī)型選用多關(guān)節(jié)型。又因噴漆機(jī)器人的負(fù)荷小，運動速度低，而且根據(jù)設(shè)計要求，所以采用六自由度。因此本文設(shè)計的噴漆機(jī)器人是一種六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人。 2.2 噴漆機(jī)器人的運動參數(shù) 工程 技術(shù)參數(shù) 構(gòu)造形式 關(guān)節(jié)式 自由度

31、 6 活動圍 ?1 ?2 ?3 ?4 ?5 ?6 100o 75o 70o 210o 210o 420o 最大速度 2m/s 手腕最大負(fù)荷 5kg 驅(qū)動方式 電液伺服驅(qū)動 重復(fù)定位精度 ±2mm 示教方式 示教手柄直接示教或修正盤示教 電源 AC100V，單向50/60Hz,260VA 防爆級 本質(zhì)平安防爆 環(huán)境溫度 0~40 2.3 各個關(guān)節(jié)的構(gòu)造形式和平衡方式 一般的工業(yè)機(jī)器人有5個左右的構(gòu)造復(fù)雜的構(gòu)造件，即：底座、腰部轉(zhuǎn)動臺支架、大臂、小臂和手腕部。目前大臂和小臂的構(gòu)造比擬流行的是中間有多層圓筒形套裝梁構(gòu)造，外型像啞鈴，

32、多為焊鑄件組合構(gòu)造。還有就是箱形構(gòu)造，就整體來說就是比擬復(fù)雜的箱體，多為鑄件。為了減輕小臂的重量和大臂的負(fù)載，小臂采用空心管構(gòu)造，材料是鋁合金。為了增強(qiáng)大臂的強(qiáng)度，同時盡可能的降低大臂的重量，大臂采用實心的立方體構(gòu)造，材料同樣是鋁合金。 手臂的平衡：為了減小驅(qū)動力矩和增加運動的平穩(wěn)性，大臂和小臂原那么上說都要進(jìn) 行平衡。但當(dāng)負(fù)載較小，臂桿的重量較輕，關(guān)節(jié)力矩不大，驅(qū)動裝置有足夠的容量時，可以省去平衡。對于噴漆機(jī)器人的設(shè)計，由于末端執(zhí)行器的重量約為3kg，大臂和小臂的總重量約為60kg至70kg，因此在這里采取一定的平衡措施。對于小臂的平衡，在這里小臂采用鉸鏈四桿的構(gòu)造方式，這種構(gòu)造通過

33、后桿的質(zhì)量來平衡腕部的質(zhì)量。 該機(jī)器人的大臂小臂均采用彈簧平衡裝置，如下列圖所示。經(jīng)計算其平衡彈簧力未能做到手臂的完全平衡，但不平衡力矩量值不大。 2.3.1小臂 小臂的平衡彈簧鉸接在平衡支架的A點上，另一端固定焊接在小臂的彈簧座上。平衡支架、大臂、拉桿和轉(zhuǎn)臺組成一平行四連桿機(jī)構(gòu)。它使平衡支架在下臂運動時做平面運動，保證小臂在大臂運動時其夾角?不變。 小臂的不平衡力矩不僅隨轉(zhuǎn)角變化，也隨轉(zhuǎn)角變化，其算法如下： 小臂對轉(zhuǎn)軸軸線的偏重力矩M為 式中：G-小臂及手腕部件重量 —小臂及手腕部件的合重心與O的距離 —小臂梁與水平線的夾角 彈簧的平衡力矩M= 式中：—小臂平衡彈簧剛性

34、系數(shù) —小臂平衡彈簧變形量 —彈簧力對O的力臂 通過構(gòu)造的尺寸關(guān)系可算得： 式中=為彈簧長度〔包括支撐螺栓等長度〕是隨β角變化的值，為安裝時彈簧的預(yù)變形量。 由于存在著驅(qū)動油缸活塞與剛桶的靜阻力，其方向沿活塞桿，它對的力矩亦起著平衡一局部偏重力矩的作用，因而小臂的平衡力矩 式中M為油缸對的靜阻力矩。 2.3.2大臂 大臂的平衡由對稱于大臂中心線的左右兩根彈簧承當(dāng)，同理大臂的不平衡力矩也同時受轉(zhuǎn)角的影響，另外，小臂沒有完全平衡，在計算時還應(yīng)考慮小臂加于大臂上部的力和力矩作用。 此時，大臂的偏重力矩應(yīng)為 —關(guān)節(jié)軸3的重量〔包括軸上零件〕 a—大臂長 L—大臂

35、合重心矩的長度 其算法與小臂一樣。 考慮大臂驅(qū)動油缸的靜阻力矩那么可得大臂的不平衡力矩 大小臂平衡彈簧參數(shù) 小臂彈簧 大臂彈簧 彈簧直徑〔mm〕 彈簧鋼絲直徑〔mm〕 圈數(shù) 70 40 剛度系數(shù)〔kgf/mm〕 0.8493 0.8666 彈簧總長度 708 410 螺旋方向 右旋 右旋 平衡彈簧材料選用60siMnA 2.3.3 小臂的傳動機(jī)構(gòu) 圖2.3　小臂關(guān)節(jié)構(gòu)造示意圖 小臂關(guān)節(jié)的傳動系統(tǒng)構(gòu)造簡圖如圖2.3所示。小臂做+135o至-

36、90o圍的俯仰運動，從而調(diào)節(jié)整個腕部的空間位置。小臂軸和大臂末端連接在一起，連接形式可以是鍵連接或者是無鍵連接，由于此處的鍵連接的軸向定位比擬麻煩，所以這里采用無鍵連接，具體采用在包裝機(jī)械中被廣泛運用的脹緊套。脹緊套具有對中精度高、安裝/拆卸方便、強(qiáng)度高、連接穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。這里的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的后桿與底桿可以平衡手腕局部和局部小臂的重量，減少大臂所承受的負(fù)載。這個四桿機(jī)構(gòu)在設(shè)計時應(yīng)該盡可能的減少底桿和后桿的重量，使之與腕部的質(zhì)量接近，而且其所占空間也應(yīng)該盡可能的小，綜合考慮選擇曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，具體尺寸會在下一章根據(jù)工作空間所設(shè)計的手臂的長度給出。 2.3.4 大臂的傳動機(jī)構(gòu) 圖2

37、.4　大臂關(guān)節(jié)構(gòu)造示意圖 大臂關(guān)節(jié)的傳動系統(tǒng)示意圖如圖2.4。 大臂的俯仰運動和小臂的俯仰運動的配合將實現(xiàn)手腕局部在工作空間的定位。大臂一端與底座連接，一端與小臂連接液壓缸在外側(cè)驅(qū)動，一同固定在轉(zhuǎn)臺上，能隨轉(zhuǎn)臺一起轉(zhuǎn)動。 這種傳動方案的優(yōu)點是構(gòu)造簡潔有效、傳動精度較高、通過自身的調(diào)速減輕了整個腰部的負(fù)載。在安裝時，驅(qū)動大臂的電機(jī)和驅(qū)動小臂的液壓缸對稱布置的方式這樣有利于腰部回轉(zhuǎn)盤的重量平衡，使整個構(gòu)造穩(wěn)定，防止了顛覆。這種構(gòu)造也減小了腰部回轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動力矩，減輕了帶動腰部回轉(zhuǎn)的液壓缸的負(fù)擔(dān)。 2.3.5 腰部的傳動機(jī)構(gòu) 圖2.5　腰部關(guān)節(jié)構(gòu)造示意圖 腰關(guān)節(jié)的構(gòu)造示意圖如

38、圖2.5。 腰部旋轉(zhuǎn)和大臂的俯仰以及小臂的俯仰共同配合將實現(xiàn)腕部在空間任意位置定位。腰部主軸與腰部回轉(zhuǎn)盤用螺釘相聯(lián)，大臂和小臂的驅(qū)動電機(jī)固定在腰部回轉(zhuǎn)盤上的電機(jī)座上。腰部主軸是空心軸，通過鍵與力矩電機(jī)相連。因此，力矩電機(jī)帶動腰部主軸旋轉(zhuǎn)，從而使腰部回轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)。精度控制方面，會在電機(jī)后部安裝光柵編碼器來實現(xiàn)對電機(jī)回轉(zhuǎn)角度的控制[15]。 這種傳動方案是通過直流力矩電機(jī)直接帶動整個腰部回轉(zhuǎn)，免去了不必要的構(gòu)造，簡潔有效，降低了本錢。 2.4 本章小結(jié) 本章主要介紹了噴漆機(jī)器人的驅(qū)動方案的選擇以及確定了技術(shù)指標(biāo)。完成了機(jī)器人的總體傳動系統(tǒng)的設(shè)計。并給出了各關(guān)節(jié)的傳動方案，同時進(jìn)展了必要的分

39、析論證，在這之后設(shè)計了各個關(guān)節(jié)傳動機(jī)構(gòu)和大體上的連接方案。說明了每個傳動方案的優(yōu)點和缺乏，并給出了需要校正的零部件的方法。 第3章 噴漆機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計 3.1 噴漆機(jī)器人數(shù)學(xué)模型的建立與分析 設(shè)計的噴漆機(jī)器人所需要到達(dá)的最大覆蓋圍是1.31.31.3。根據(jù)設(shè)計方案和預(yù)先假設(shè)，暫定大臂長1m，俯仰圍+135o至-90o，小臂長0.8m，俯仰圍是+168o至-80o，腰部直徑1.5m，回轉(zhuǎn)圍是±170°。 在建立數(shù)學(xué)模型之前，假設(shè)噴槍是一個不計體積的點，由于小臂末端至噴槍的距離約為0.4m，所以在討論時小臂的長度為原小臂桿長度加上0.4m，一共為1.2m。需要論證的數(shù)學(xué)模型是：

40、假設(shè)大臂和小臂為不計體積的細(xì)長直桿1和直桿2，長度分別為1m和1.2m。細(xì)桿1固定在回轉(zhuǎn)圍是±170°的圓盤上，其俯仰圍是+135o至-90o。細(xì)桿1的另一端連接著細(xì)桿2，細(xì)桿2的長度是1.2m，同時細(xì)桿2可以相對于細(xì)桿1做俯仰圍是+168o至-80o俯仰運動。需要驗證的是，細(xì)桿2末端的最大運動圍是否是噴漆機(jī)器人的最大覆蓋圍1.31.31.3。如果超過噴漆機(jī)器人的最大覆蓋圍，那么假設(shè)的尺寸符合要求，如果小于噴漆機(jī)器人的最大覆蓋圍，那么需要重新制定各局部的尺寸。 圖3.1　工作的空間模型 論證的細(xì)桿2末端所要到達(dá)的運動圍如圖3.1所示。在論證時，假設(shè)大臂與腰部回轉(zhuǎn)盤的點i在線段da的延長

41、線上，由于腰部回轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)圍是±170°，所以只需要驗證一般空間即可，另一半與之對稱。綜上所述，我們現(xiàn)在的論證空間是abcd-efgh，在論證時只需要驗證細(xì)桿2的末端能否到達(dá)空間abcd-efgh的八個頂點即可。如果能在各個細(xì)桿的運動圍到達(dá)這八個頂點，那么細(xì)桿2的末端必然能夠到達(dá)空間的其他點。 圖3.2　平面abcd 工作極限位置模型 假設(shè)細(xì)桿1和圓盤的連接點i在da線段的延長線上，ij代表細(xì)桿1，i與a的距離為0.5m。如圖3.2所示，當(dāng)工作平面在abcd時，到達(dá)各極限位置時細(xì)桿1與細(xì)桿2的位置狀態(tài)。讀圖可知到達(dá)d點時，細(xì)桿1的俯仰角度最大為51 o，根據(jù)設(shè)計方案知細(xì)桿1的最大俯

42、仰角為+135 o。到達(dá)a點時，細(xì)桿2相對于細(xì)桿1的俯仰角度最小為-75 o，根據(jù)設(shè)計方案知細(xì)桿2相對于細(xì)桿1的最小俯仰角度-80 o。讀圖可知當(dāng)?shù)竭_(dá)其他位置時，細(xì)桿1與細(xì)桿2相對于細(xì)桿1的俯仰角度均小于設(shè)計方案中規(guī)定的極限值。所以當(dāng)工作面為abcd時，手臂長度符合要求。 當(dāng)圓盤回轉(zhuǎn)過一定角度時，使得細(xì)桿2的末端ife平面運動時，如圖3.3所示細(xì)桿1和細(xì)桿2的極限位置。讀圖可知到達(dá)e點時，細(xì)桿2相對于細(xì)桿1的俯仰角度最小-55 o，根據(jù)設(shè)計方案知細(xì)桿2相對于細(xì)桿1的最小俯仰角度-80 o。讀圖可知當(dāng)?shù)竭_(dá)其他位置時，細(xì)桿1與細(xì)桿2相對于細(xì)桿1的俯仰角度均小于設(shè)計方案中規(guī)定的極限值。所以當(dāng)工作面

43、為ife時，手臂長度符合要求。 圖3.3　到達(dá)f、e極限時位置模型 圖3.4　到達(dá)g、h極限時位置模型 同理，當(dāng)圓盤再次回轉(zhuǎn)一個角度時，使得細(xì)桿2的末端igh平面運動時，如圖3.4所示細(xì)桿1和細(xì)桿2的極限位置。讀圖可知到達(dá)h點時，細(xì)桿1的俯仰角度最大為45 o，根據(jù)設(shè)計方案知細(xì)桿1的最大俯仰角度為+135 o。讀圖可知當(dāng)?shù)竭_(dá)其他位置時，細(xì)桿1與細(xì)桿2相對于細(xì)桿1的俯仰角度均小于設(shè)計方案中規(guī)定的極限值。所以當(dāng)工作面為igh時，手臂長度符合要求。 經(jīng)過上面的計算和分析可證明小臂的末端可達(dá)的覆蓋圍大于空間abcd-efgh。由于論證時的前提條件是把噴漆機(jī)器人的最大覆蓋圍一分為二。

44、所以滿足一半覆蓋圍時，必然能夠到達(dá)對整個機(jī)器人提出的覆蓋圍的要求1.31.31.3。故噴漆機(jī)器人足可滿足要求的最大覆蓋圍，證明方案正確，小臂和大臂的長度和俯仰角度確定的適宜。 3.2 腕部設(shè)計 3.2.1 電機(jī)的選擇 手腕局部的電機(jī)的安裝：帶動噴槍旋轉(zhuǎn)的減速電機(jī)1安裝在回轉(zhuǎn)套帶動噴槍夾做旋轉(zhuǎn)運動，從而使噴槍時刻正對被加工。在回轉(zhuǎn)套外，帶動回轉(zhuǎn)套回轉(zhuǎn)的減速電機(jī)2安裝在回轉(zhuǎn)套支架的外側(cè)，帶動整個回轉(zhuǎn)套做回轉(zhuǎn)運動。這兩處的電機(jī)的安裝如圖2.2所示。帶動整個腕部旋轉(zhuǎn)的減速電機(jī)3與安裝在回轉(zhuǎn)套外側(cè)的帶有法蘭盤的空心軸通過脹緊套連接在也一起，這個安裝面與電機(jī)2的安裝面垂直，減速電機(jī)3帶動整個腕部

45、做回轉(zhuǎn)運動。 電機(jī)1帶動噴頭做旋轉(zhuǎn)運動，故此電機(jī)應(yīng)小巧靈便以減輕電機(jī)2的負(fù)擔(dān)，因此電機(jī)1應(yīng)該質(zhì)量輕、體積小且能滿足功率滿要求。同時電機(jī)軸要與噴槍夾末端的空心軸通過脹緊套連接在一起，因此電機(jī)輸出端的軸要進(jìn)展適當(dāng)?shù)募哟旨娱L?；剞D(zhuǎn)套的質(zhì)量也要盡量的小，所以材料為鋁合金類材料。假設(shè)噴頭的尺寸為φ50×200的圓柱體，由條件知質(zhì)量為3 kg。 圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量為：J=m(3 R2+L2) =×3×(3×+) =0.01 kg.m2 取噴槍的轉(zhuǎn)動角速度為ω=2rad/s，n=60r/min 取啟動時

46、間為0.1s 由此轉(zhuǎn)動角加速度=20rad/s2 計算力矩T為：T=J=0.628N.m P=Tω=0.628×2=3.94 故訂做的減速電機(jī)1的額定電壓為220V，輸出功率至少為4w，輸出轉(zhuǎn)矩至少為1N.m，轉(zhuǎn)速為1400r/min，減速箱的減速比為23。電機(jī)輸出軸端進(jìn)展適當(dāng)?shù)募哟旨娱L。 電機(jī)2帶動回轉(zhuǎn)套做回轉(zhuǎn)運動。設(shè)回轉(zhuǎn)套為200×200×200的立方體。設(shè)回轉(zhuǎn)套、電機(jī)、減速器、短軸、鍵、噴槍及噴槍夾的質(zhì)量共5kg。 長方體的轉(zhuǎn)動慣量公式為：J=m() 由于回轉(zhuǎn)套為正方體，故b=h=0.2m 所以繞回轉(zhuǎn)套回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量為： J=×5×()=0.03kg.m2 取回

47、轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)動角速度為ω=2rad/s, n=60 r/min 取啟動時間為0.1s 由此轉(zhuǎn)動角加速度=20rad/s2 計算力矩T為：T=J=1.884N.m P=Tω=1.884×2=11.83 w 故訂做的減速電機(jī)2的額定電壓為220V，輸出功率至少為12w，輸出轉(zhuǎn)矩至少為2N.m，轉(zhuǎn)速為1400r/min，減速箱的減速比為23。電機(jī)輸出軸端進(jìn)展適當(dāng)?shù)募哟旨娱L，并且在末端開鍵槽。 電機(jī)3帶動整個腕部做回轉(zhuǎn)運動。電機(jī)通過脹緊套連接空心軸，所以電機(jī)輸出軸也要進(jìn)展適當(dāng)?shù)募哟旨娱L。設(shè)回轉(zhuǎn)套為232×100×350的立方體。設(shè)整個腕部、回轉(zhuǎn)套支架、聯(lián)軸器、短軸、電機(jī)、減速器等部件的質(zhì)量估算

48、為12kg。 長方體的轉(zhuǎn)動慣量公式為：J=m() 由于回轉(zhuǎn)套為正方體，故b=0.232m,h=0.1m 所以繞回轉(zhuǎn)套回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量為： J=×5×()=0.064kg.m2 取回轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)動角速度為ω=rad/s，轉(zhuǎn)速為n=30r/min 取啟動時間為0.1s 由此轉(zhuǎn)動角加速度=10rad/s2 計算力矩T為：T=J=2.01N.m P=Tω=2.01×2=6.23w 故訂做的減速電機(jī)3的額定電壓為220V，輸出功率至少為7w，輸出轉(zhuǎn)矩至少為3N.m，轉(zhuǎn)速為1400r/min，減速箱的減速比為46。電機(jī)輸出軸端進(jìn)展適當(dāng)?shù)募哟旨娱L[16-20]。 3.3 小臂的設(shè)

49、計 3.3.1 小臂設(shè)計的總體要求 手臂桿的質(zhì)量應(yīng)該盡可能的小，從而減輕支撐它的大臂桿及它的驅(qū)動電機(jī)的負(fù)擔(dān)。同時小臂桿還要承受整個手腕的重量以及在運動中產(chǎn)生的動載荷。 噴漆機(jī)器人的最大覆蓋圍與各個手臂的長度、手臂間的關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動圍密切相關(guān)。因此設(shè)計手臂時，該充分考慮根據(jù)機(jī)器人所要完成任務(wù)而提出設(shè)計要求，從而確定手臂桿的大體構(gòu)造和長度。根據(jù)盡量減小手臂質(zhì)量同時保持一定強(qiáng)度的原那么，從而合理的選擇手臂的截面形狀和所用的材料，既滿足強(qiáng)度要求又最大限度的降低自身重量。盡量減少對其關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量以及偏重力矩，以減少驅(qū)動裝置的負(fù)載，同時注意減少運動的動載荷與沖擊。設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運動誤差提高運

50、動的準(zhǔn)確性和運動剛度，可采用緩沖和定位裝置，從而提高定位精度。 噴漆機(jī)器人的小臂俯仰機(jī)構(gòu)通過鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)來完成，安裝在腰部回轉(zhuǎn)盤上的直流伺服電機(jī)通過鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動小臂實現(xiàn)俯仰運動。采用鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的目的是把直流伺服電機(jī)放到腰部回轉(zhuǎn)盤上面，防止直接放到小臂與大臂的連接處，減輕小臂的重量，降低大臂驅(qū)動裝置的負(fù)載，減少運動過程中產(chǎn)生的動載荷與沖擊，提高整個噴漆機(jī)器人的響應(yīng)速度。 3.3.2　鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計 此處的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)共有三種設(shè)計方案，分別是雙曲柄機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)、曲柄搖 桿機(jī)構(gòu)。對于雙曲柄機(jī)構(gòu)來說機(jī)架為最短邊，又因為大臂為機(jī)架而且長度為1000mm，如果采用雙曲柄機(jī)構(gòu)，其它桿的

51、桿長太長，而且上一章確定小臂的長度為800mm，因此雙曲柄機(jī)構(gòu)不符合要求。對于雙搖桿機(jī)構(gòu)來說機(jī)架為最短邊的對邊，既大臂與最短桿相對。如果采用雙搖桿機(jī)構(gòu)，會導(dǎo)致其他兩桿的長度過長，在一定方向上占有的空間太大，而且小臂的俯仰角度不好確定，勢必會增加設(shè)計難度。綜合以上分析，在這里采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)具體如圖3.5所示。ab邊代表大臂，長度為1000mm，ad邊代表底桿,長度為400mm，dc邊代表后桿，長度為1000mm，bc邊代表小臂長兩個連接點間的局部，長度為200mm。ab邊為機(jī)架，ad邊為搖桿，bc邊為曲柄。這種構(gòu)造首先滿足了bc邊長度小于小臂長度這一條件，而且所占的空間小，底桿和后桿的質(zhì)量比其

52、他兩種方案要小。 圖3.5　實現(xiàn)小臂俯仰的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)造示意圖 3.3.3　液壓缸的選擇與設(shè)計 首先計算動態(tài)轉(zhuǎn)矩，計算動態(tài)轉(zhuǎn)矩需計算轉(zhuǎn)動慣量。我們只需要計算出轉(zhuǎn)動慣量最大時的情況，既當(dāng)小臂與大臂共線時，小臂可視為繞i軸旋轉(zhuǎn)，此時整個小臂體對i軸的轉(zhuǎn)矩最大。 1、小臂總體質(zhì)量的計算[21-25] 小臂的大體構(gòu)造為分段空心圓柱，材料為鋁合金 體積V=l×A =0.4××/4＋0.4××0.22/4－0.8××0.162/4 =0.007 m3 質(zhì)量m=V =2.7××0.007 =18.9kg 2、腕部構(gòu)造對i軸的

53、轉(zhuǎn)動慣量 腕部繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為=× m×(b2+h2) =0.03 kgm2 平移到i軸上=+m =0.03+5×(0.16+0.18＋0.8)2 =6.53kgm2 3、回轉(zhuǎn)套支架對i軸的轉(zhuǎn)動慣量 回轉(zhuǎn)套支架繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為=× m×(b2+h2) =0.064 kgm2 平移到i軸上=+m =0.064+7×(0.18＋0.8)2 =6.79kgm2 4、小臂構(gòu)造對i軸的轉(zhuǎn)動慣量 由于小臂是階梯狀 前一段體積=0.002 m3 質(zhì)量==5.4kg，此外還要加上電機(jī)減速器軸聯(lián)軸器短

54、軸的質(zhì)量共8kg。 小臂前段繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為=(3 R2+L2) =0.22 kgm2 平移到i軸上=+m =0.22+8×(0.18＋0.8)2 =20.7kgm2 后一段體積=0.005m3 質(zhì)量==13.5kg 小臂后段繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為=(3 R2+L2) =0.64kgm2 平移到i軸上=+m =0.67+13.5×0.82 =27.14kgm2 5、帶動小臂轉(zhuǎn)動的后桿和底桿對i軸的轉(zhuǎn)動慣量 兩圓桿為鋁合金材料，圓形實心直桿

55、。后桿的尺寸為100×1000，底桿的尺寸為100×400。當(dāng)兩桿共線時，兩桿對i軸的轉(zhuǎn)動慣量最大。 兩桿的體積之和=×/4×14=0.01m3 = =2.7××0.01 =27kg 兩段同一直線時繞兩段質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為： =(3 R2+L2) =4.48kgm2 平移到i軸上=+m =4.48+27× =17.71kgm2 6、對i軸總的轉(zhuǎn)動慣量 以上計算的、、、、均是在轉(zhuǎn)動慣量最大的情況下計算得到的，所以用這些轉(zhuǎn)動慣量計算出的總力矩和功率，從而選擇的電機(jī)必然滿足噴漆機(jī)器人在其他工作狀態(tài)下的工作要求。 對i軸總的轉(zhuǎn)動慣量為： =++++=78.87 kgm2 7

56、、總力矩和功率的計算 取小臂的轉(zhuǎn)動角速度=/2 rad/s，轉(zhuǎn)速為n=15r/min 取啟動時間為1 s 由此轉(zhuǎn)動角加速度為=/2 rad/s2 慣性力矩T= 　　　　　 =78.87×/2 =123.88Nm 靜態(tài)力矩T：由于小臂的俯仰機(jī)構(gòu)采用的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，小臂自身根本可以平衡，所以靜態(tài)力矩可以忽略不計。 摩擦力矩T：摩擦力矩近似等于0.05倍的慣性力矩 綜上所述總力矩T=1.05×T=124.49 Nm 小臂驅(qū)動油缸鉸接點固定在轉(zhuǎn)臺上，傳動原理同上。計算大臂處于垂直位置時的小臂動作圍。由構(gòu)造尺寸知：，，，，油缸兩支點距離最大時，最小時，那么活塞全行程為2

57、20mm。 經(jīng)計算可得：?=12o45’03’’ 活塞行程為220mm時：β=107o14’27’’ 活塞行程為零時o43’57’’ 那么小臂總轉(zhuǎn)角o30’30’’ 活塞行程為零時小臂與大臂夾角Φ=β+?=49o29’，相對水平位置分配θ時可得： 3.4　大臂的設(shè)計 3.4.1　大臂設(shè)計的總體要求 噴漆機(jī)器人大臂的主要作用是用來承受小臂的重量和固定鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的底桿，因此噴漆機(jī)器人的大臂對整個機(jī)器人能否保持穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。大臂的傳動形式與小臂一樣，都是由液壓缸驅(qū)動實現(xiàn)大臂的俯仰運動。 大臂的整體構(gòu)造為長方體實心構(gòu)造，這樣做的目的是為了提高其力學(xué)性能包括大

58、臂的剛度、強(qiáng)度以及抗彎能力。鋁合金的密度低、強(qiáng)度高、具有良好的抗腐蝕能力而且力學(xué)性能上接近或超過合金鋼。因此選用鋁合金作為大臂的材料，這樣可以減輕大臂的重量，從而減小驅(qū)動元件的負(fù)載，而且可以進(jìn)一步也減輕用于驅(qū)動腰部回轉(zhuǎn)的驅(qū)動元件的負(fù)載。 1、大臂總體質(zhì)量的計算 大臂的大體構(gòu)造為長方體并且兩端中空，鉆有小孔。所以實際體積要小一些，在這里計算體積時帶入一折減系數(shù)，假設(shè)折減系數(shù)為0.85。材料為鋁合金。 體積V=h×A =0.2×0.12×1 =0.024m3 質(zhì)量m=0.85V =0.85×2.7××0.024 =55.08kg 2、大臂對i軸

59、的轉(zhuǎn)動慣量 大臂繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為=× m×(b2+a2) =4.77kgm2 平移到i軸上=+m =4.77+55.08×0.52 =18.54kgm2 3、小臂對i軸的轉(zhuǎn)動慣量 小臂對i軸的轉(zhuǎn)動慣量=78.87kgm2 4、大臂和小臂對i軸的轉(zhuǎn)動慣量的總和 =+=18.54+78.87=97.41kgm2 5、總力矩的計算 取大臂的轉(zhuǎn)動角速度=/2 rad/s，轉(zhuǎn)速為n=15r/min 取啟動時間為1 s 由此轉(zhuǎn)動角加速度為=/2 rad/s2 慣性力矩T= 　　　　　 =97.41×/2 =153.01Nm 靜態(tài)力矩T：當(dāng)大臂和小臂在一條直線時

60、靜態(tài)力矩最大，此時T=mgr=(55.08×0.5+13.5×1.6+29.7×0.9) ×9.8=743.53Nm 摩擦力矩T：摩擦力矩近似等于0.05倍的靜態(tài)力矩 綜上所述總力矩T=1.05×T+ T=933.71Nm 一般對驅(qū)動元件有以下幾方面要求： 〔1〕慣量小，動力大。驅(qū)動元件在噴漆機(jī)器人中主要用于回轉(zhuǎn)運動，所以轉(zhuǎn)動慣量要小，同時比功率要大一些。 〔2〕體積小，重量輕。主要評價的性能指標(biāo)是功率密度，由于驅(qū)動元件是安裝在腰部回轉(zhuǎn)盤上的，如果驅(qū)動元件過大，就會導(dǎo)致腰部回轉(zhuǎn)盤過大，所以這里要求驅(qū)動元件的功率密度應(yīng)該盡可能的大些。 〔3〕位置控制精度高，快速響應(yīng)性好，調(diào)速圍大，低

61、速平穩(wěn)。 〔4〕振動小，噪聲小，平安可靠，運行平穩(wěn)。 〔5〕效率高，消耗的能源要盡可能的小。 所以，采用液壓馬達(dá)驅(qū)動。 大臂擺動軸軸心與驅(qū)動油缸的鉸接點均固定與轉(zhuǎn)臺上。相對轉(zhuǎn)臺來說，大臂和油缸可視作一帶滑動副的平面連桿機(jī)構(gòu)，活塞桿的移動通過餃點B傳遞給大臂，使之作前后擺動。 構(gòu)造尺寸：、，油缸兩支點距離最大時，最小時，那么活塞最大行程為200mm。。經(jīng)計算可得出?=11o49’. 活塞最大行程為200mm時：Φ=118o21’10〞 活塞行程為零時：Φ=43o39’52〞 那么大臂總轉(zhuǎn)角?=Φ-Φ=74o41’18〞 活塞最大行程時大臂與線夾角為=180o-Φ-?=49o

62、49’47〞 那么大臂相對垂直時的運動圍為; o 3.5　腰關(guān)節(jié)的設(shè)計 噴漆機(jī)器人的腰部關(guān)節(jié)的主要作用是承受大臂、小臂、腕部以及驅(qū)動元件和傳動系統(tǒng)的重量。腰部主軸與腰部回轉(zhuǎn)盤的通過螺釘連接在一起，電機(jī)帶動腰部主軸旋轉(zhuǎn)，從而使腰部回轉(zhuǎn)盤繞其中心旋轉(zhuǎn)完成所要求的動作。因為噴漆機(jī)器人的主體局部都安裝在腰部回轉(zhuǎn)盤，所以要求整個構(gòu)造的穩(wěn)定以及手臂運行過程中的平衡。此外還要求腰部回轉(zhuǎn)盤的運動精度較高，要在驅(qū)動元件上安裝傳感器，檢測電機(jī)的旋轉(zhuǎn)精度。由于測量的是旋轉(zhuǎn)運動的精度，故在這里采用增量編碼器。 3.6 傳感器的選擇 為保證噴漆機(jī)器人位置精度需要為各關(guān)節(jié)選擇傳感器。各個關(guān)節(jié)所作的運動都

63、是回轉(zhuǎn)運動，綜合考慮各種傳感器，選用增量型編碼器。增量型編碼器能夠物體的旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生信號。增量型編碼器主要應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床及機(jī)械附件、機(jī)器人、自動裝配機(jī)、包裝機(jī)械等 機(jī)器人位置精度為0.2mm, 所以大臂、小臂、腰關(guān)節(jié)的位置精度為0.2/=0.12mm。 小臂轉(zhuǎn)速=/2 rad/s，長為0.8m, 傳感器線數(shù)為： ns=2/(i)=2/(1000.12/800)=418 小臂選用中科天文儀器的增量編碼器YGM610，ns=480。 大臂轉(zhuǎn)速=/2 rad/s，長為1m, 傳感器線數(shù)為： ns=2/(i)=2/(1000.12/1000)=524 大臂選用中科天文儀器的增量編碼器

64、YGM610，ns=600。 腰部轉(zhuǎn)速=/2 rad/s，小臂大臂伸直時總長為1.8m,傳感器線數(shù)為： ns=2/(i)=2/(50.12/1800)=9425 腰部角位移測量選霍德利電子科技的HTL系列空心軸編碼器，ns=10800[15]。 3.7　本章小結(jié) 本章首先用簡單的空間立體幾何方法建立了噴漆機(jī)器人的工作空間的數(shù)學(xué)模型，驗證了假設(shè)條件中的噴漆機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)的尺寸是符合工作要求的。然后計算各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量，根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量得出計算力矩和功率，從而選擇合理的驅(qū)動元件。選擇了驅(qū)動元件之后計算了大臂和小臂傳動機(jī)構(gòu)的尺寸，包括鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的尺寸以及兩個齒輪組的尺寸的計算和強(qiáng)調(diào)度校核

65、。最后根據(jù)噴漆機(jī)器人的定位精度，合理選擇了各個關(guān)節(jié)的傳感元件。 第4章　軸、螺釘?shù)脑O(shè)計與校核 4.1　大軸1的構(gòu)造設(shè)計與校核 4.1.1　大軸1的構(gòu)造設(shè)計 圖4.1　大軸1的傳動方案 1、 確定大軸1上的零件的裝配方案 大軸1上的零件的裝配方案如圖4.1所示。 2、 確定大軸1的材料以及各段直徑和長度 大軸1的材料為40Cr，調(diào)制處理。 由于密封箱的壁厚為45mm，孔徑為150mm，因為外部還要裝端蓋，這段軸頸上還要裝配軸承，所以ab段的長度為41mm，直徑為85mm,裝配的軸承為角接觸球軸承，型號是7217C。固定軸承

66、的軸肩高度為3.5mm。 bc段為過渡段，長度為80mm，直徑92mm，固定齒輪的軸肩高度為6.5mm。 由于大齒輪的齒寬為65mm，軸頭的長度應(yīng)該小于輪轂的長度，所以de段的長度為60mm，直徑為90mm。為了齒輪的周向定位，這段軸上還要開有鍵槽，來安裝平鍵。根據(jù)這段軸的直徑和長度，鍵槽的寬度為25mm，長度為50mm，鍵槽的鍵槽深為7mm。 ef段要安裝用于齒輪的軸向固定和軸承的軸向固定的軸套，考慮到另一半的密封箱的壁厚和孔徑以及大齒輪輪轂比軸頭多出的長度，這段軸頸的長度為60mm，直徑為85mm。裝配的軸承為角接觸球軸承，型號是7217C。 fg段為過渡段，長度為45mm，直徑為80mm。 gh段與大臂相連，大臂在此處的厚度為39mm，孔徑為90mm。而且這段軸與大臂 的連接方式是脹緊聯(lián)結(jié)，通過脹緊套使大軸1與大臂連接在一起。因此這段軸的長度為 60mm，直徑為60mm。脹緊套選用Z2型脹緊套。 4.1.2 大軸1的強(qiáng)度校核 4.1.2.1 計算齒輪的受力 大齒輪和小齒輪的受力大小相等，方向相反。故在這里只計算小齒輪的受力。 轉(zhuǎn)矩T=9.55×10=9.