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河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院
研究采用拉瓦爾噴管的冷噴涂技術(shù)模型中
參數(shù)對粒子速度的影響
關(guān)鍵詞：冷噴涂技術(shù)；模型；九孔拉瓦爾噴管；粒子速度
摘要
單孔和九孔拉瓦爾噴管的模擬超音速流場是在液體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算。在研究中，對于單孔和九孔拉瓦爾噴管，相隔距離和粒子直徑對銅粒子的沖擊速度影響是不同的。結(jié)果表示在相隔距離相同的情況下，九孔拉瓦爾噴管中的粒子速度高于單孔拉瓦爾噴管中的粒子速度，并且相隔距離越小，九孔拉瓦爾噴管也能獲得更高的粒子速度。此外，在研究中發(fā)現(xiàn)不同的噴射壓力和溫度對銅粒子的粒子速度也有影響。模型研究表明較高的噴射壓力和溫度可以獲得較好的粒子噴射速度。
介紹
冷噴涂的過程中，噴嘴和基體之間的相隔距離（SoD）是重要參數(shù)之一，它直接影響了粒子的沖擊速度。許多學(xué)者已經(jīng)把研究重心集中在這一個(gè)問題。pattison［1] 發(fā)現(xiàn)當(dāng)SoD很小時(shí)，一個(gè)噴流弓形激波會(huì)在超音速射流和基體之見的沖擊區(qū)域內(nèi)成型，并且當(dāng)它減少粒子沖擊速度時(shí)，噴流弓形激波對工作過程是有害的。他的研究也表明堆積效率接近SoD，和噴流弓形激波的堆積效率被壓縮在SoD的40% ，小于60毫米或者更少時(shí)要使用一個(gè)定做的氦氣噴嘴，在2.0 MPa和200 °C 條件下工作。Alkhimov［2]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴射空氣和氦時(shí)，噴流弓形激波和基體之間所造的壓縮層的厚度取決SoD，而SoD越小，壓縮層越厚。他的研究也表明鋁粒子作為直徑小于5微米的粒子，在壓縮層中明顯減速。Gilmore［3] 和 Dykhuizen［4] 也發(fā)現(xiàn)直徑小于5微米的粒能被減速甚至從噴流弓形激波中遠(yuǎn)離基體。
這項(xiàng)研究要表明九孔拉瓦爾噴管與單孔拉瓦爾噴管相比，減少噴流弓形激波對粒子速度沖擊所帶來的不利的影響，在相同狀態(tài)之下會(huì)獲得比較好的噴射效果。
理論模型
數(shù)學(xué)模型。
可壓縮的流量是一種非常復(fù)雜、廣泛的現(xiàn)象，并且噴嘴的實(shí)際流量是在實(shí)際條件下不恒定的等熵流量。噴嘴的流量內(nèi)部被認(rèn)為是一個(gè)穩(wěn)定的等熵流量在理論上是為了簡化模擬。用方程[5]描述這個(gè)過程。
連續(xù)方程：
動(dòng)量方程：
能量方程：
狀態(tài)方程：
u、p和T分別表示流量速度、壓力和溫度；p、和k分別表示流量密度，黏性應(yīng)力張量和熱傳導(dǎo)性，相應(yīng)的；e，D分別表示每一單位容積內(nèi)的黏著性和粘性耗散。
粒子可以被視為離散階段連續(xù)氣流，球形粒子的加速度氣流可以由方程［6]來表達(dá)，粒子之間的相互作用和重力可以被忽略。
，，分別表示粒子速度、直徑和密度；是阻力系數(shù)而且=，和相互聯(lián)系，是是雷諾數(shù)目并被定義為： ，u 是液體動(dòng)力粘度，而且這方程際地被應(yīng)用于＜50000.
幾何學(xué)的模型。
冷噴涂過程的噴射流量是由噴管的內(nèi)部流量和自由的噴射流量組成。由于九孔噴管的使用，一個(gè)三維模型建立在這一研究中。圖1是九孔噴管的截面圖，有八個(gè)小孔直徑為1.67毫米均勻分布一個(gè)直徑為2.6毫米的中心孔周圍，整個(gè)圓的直徑為6.4毫米。距離 L（如圖1所示）是小孔于中心孔的距離2.25 毫米，這九個(gè)孔的總面積等于直徑為5.4毫米的單孔的面積。在其他方面九孔拉瓦爾噴管與單孔拉瓦爾噴管是一樣的，圖2表示單孔拉瓦爾噴管的截面和計(jì)算域，其主要尺寸見表1。
圖1 九孔拉瓦爾噴管的橫截面
表一 單孔拉瓦爾噴管的主要尺寸
接口條件及解決方法
圖2 單孔拉瓦爾噴管的結(jié)構(gòu)和計(jì)算區(qū)域
如圖2所示，入口氣體為選定的壓力入口邊界條件，和出口氣體為選定的壓力出口邊界條件，都在常溫常壓下進(jìn)行。并且選定空氣為加速狀態(tài)。
標(biāo)準(zhǔn)湍流模型是作為分散氣體湍流流場，和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)能被用來處理近壁區(qū)。二階逆風(fēng)離散化方案用于解方程。分散相的計(jì)算連續(xù)的流場。
結(jié)果與討論
SoD對粒子速度的影響
直徑為2微米單孔拉瓦爾噴管和九孔拉瓦爾噴管對銅粒子沖擊速度的影響如圖3所示，當(dāng)噴射壓力P是2.5MPa 和噴射溫度T為700K兩者情況是不同的。明顯看出在相同模擬條件下，九孔拉瓦爾噴管中的粒子速度要高于單孔拉瓦爾噴管。并且SoD越小，九孔拉瓦爾噴管內(nèi)的粒子速度越高。從圖中也明顯看到單孔拉瓦爾噴管在P=2.5MPa和T=700K情況，SoD值為40毫米。
圖3 SoD對粒子速度的影響 圖4 粒子直徑對粒子速度的影響
當(dāng)使用單孔拉瓦爾噴管時(shí)，一系列壓縮波由于基體前的超音速氣流壓縮而生產(chǎn)。壓縮波相互疊加時(shí)，沖擊波就會(huì)發(fā)生。當(dāng)沖擊波，壓力，密度，氣流溫度急劇上升，馬赫數(shù)急劇下降時(shí)，超音速氣流將變成亞音速氣流。由于沖擊波的影響粒子的速度不斷減小，增強(qiáng)基體的抗沖擊強(qiáng)度和減少SoD的距離，對粒子速度沒有影響。
所以在九孔拉瓦爾噴管中的粒子速度會(huì)使氣流趨于穩(wěn)定。
粒子直徑對粒子速度的影響。
圖4表示在模擬狀態(tài)SoD=40mm, P=2.5MPa ，T=700K下，銅粒子通過拉瓦爾噴口撞擊基體時(shí)，粒子直徑對粒子速度的影響。它明顯的說明用不同的拉瓦爾噴管會(huì)獲得不同的粒子速度，在相同條件下，使用九孔拉瓦爾噴管的粒子速度高于使用單孔拉瓦爾噴管的粒子速度。
因?yàn)樾×Ｗ泳哂械唾|(zhì)量、低慣性，并且易受氣體影響，所以沖擊基體之前，粒子速度的沖擊波將減小。若使用九孔拉瓦爾噴管，沖擊波減弱時(shí)，粒子速度變化不大。較大的粒子具有較高的質(zhì)量，較大的慣性并且不易被氣體所加速，因此這樣的粒子速度不能影響沖擊基體的沖擊波。因此九孔拉瓦爾噴管適用與小粒子。
壓力對粒子速度的影響
圖5所示在模擬條件SoD=40mm, T=700K下，直徑為2微米的銅粒子通過九孔拉瓦爾噴嘴沖擊基體時(shí)壓力對粒子速度的影響。如圖5所示的距離噴嘴進(jìn)口到基體的距離為X。它明顯的表示了在噴嘴和基體之間，粒子的速度變化小并且在出口處趨于穩(wěn)定。隨著噴射壓力的增加，噴嘴內(nèi)的粒子速度有輕微變化，噴嘴外的粒子速度有少量的增大。因此說明壓力對粒子速度影響不大。
圖5 壓力對粒子速度的影響 圖6 溫度對粒子速度的影響
溫度對粒子速度的影響
圖6所示在模擬條件SoD=40mm, T=700K下，直徑為2微米的銅粒子通過九孔拉瓦爾噴嘴沖擊基體時(shí)溫度對粒子速度的影響。從圖中明顯看出溫度對粒子速度的影響是很大的，溫度越高，粒子速度越高。此外，大量的塑性變形容易發(fā)生在入射粒子和高溫的基體之間。
結(jié)論
（1）在相隔距離相同的情況下，九孔拉瓦爾噴管比單孔拉瓦爾噴管獲得的粒子速度更高，且相隔距離越小，九孔拉瓦爾噴管獲得的粒子速度越高。
（2）在相同條件下，九孔拉瓦爾噴管中的較小粒子也可以獲得較高的粒子速度。
（3）在較高的噴射壓力和溫度下，使用九孔拉瓦爾噴管可以使粒子噴射獲得更高的速度。
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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 35 頁 共 35 頁
1 前言
1.1 國內(nèi)外發(fā)展概況
機(jī)械手首先是美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。
1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate（即萬能自動(dòng)）。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動(dòng)公司,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。
1962年美國機(jī)械制造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Vewrsatran機(jī)械手。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。
1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院研究Unimate-Vicarm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國機(jī)械制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于噴涂、起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。
聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種噴涂機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。
日本是機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)兩種機(jī)械手后大力從事機(jī)械手的研究。
前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展和應(yīng)用機(jī)械手，至1977年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進(jìn)口。
目前，工業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機(jī)械手具有感覺機(jī)能。
第三代機(jī)械手則能獨(dú)立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。
1.1.1 研究現(xiàn)狀
自上世紀(jì)90年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。原本用于生產(chǎn)制造的工業(yè)機(jī)器人水平不斷提高，各種用于非制造業(yè)的先進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)也有了長足的進(jìn)展。機(jī)器人的各種功能被相繼開發(fā)并得到不斷增強(qiáng)，機(jī)器人的種類不斷增多，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也從最初的工業(yè)控制拓展到各行各業(yè)，從軍事到民用，從天上到地下，從工業(yè)到農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，從科研探索到醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)，從生產(chǎn)領(lǐng)域到娛樂服務(wù)行業(yè)，甚至還進(jìn)入尋常百姓家。
工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式很多，常用的有直角坐標(biāo)式、柱面坐標(biāo)式、球面坐標(biāo)式、多關(guān)節(jié)坐標(biāo)式、伸縮式、爬行式等等，根據(jù)不同的用途還在不斷發(fā)展之中。噴涂機(jī)器人根據(jù)不同的應(yīng)用場合可采取不同的結(jié)構(gòu)形式，但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多關(guān)節(jié)式的機(jī)器人，這是因?yàn)槎嚓P(guān)節(jié)式機(jī)器人的手臂靈活性最大，可以使噴槍的空間位置和姿態(tài)調(diào)至任意狀態(tài)，以滿足噴涂需要。理論上講，機(jī)器人的關(guān)節(jié)愈多，自由度也愈多，關(guān)節(jié)冗余度愈大，靈活性愈好；但同時(shí)也給機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的坐標(biāo)變換和各關(guān)節(jié)位置的控制帶來復(fù)雜性。因?yàn)閲娡窟^程中往往需要把以空間直角坐標(biāo)表示的工件上的噴涂位置轉(zhuǎn)換為噴槍端部的空間位置和姿態(tài)，再通過機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算轉(zhuǎn)換為對機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)角度位置的控制，而這一變換過程的解往往不是唯一的，冗余度愈大，解愈多。如何選取最合適的解對機(jī)器人噴涂過程中運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性很重要。不同的機(jī)器人控制系統(tǒng)對這一問題的處理方式不盡相同。
1.1.2 發(fā)展趨勢
工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用水乳交融。在第一代工業(yè)機(jī)器人普及的基礎(chǔ)上，第二代已經(jīng)推廣，成為主流安裝機(jī)型，第三代智能機(jī)器人已占有一定比重。以應(yīng)用為龍頭拉動(dòng)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，其重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域與技術(shù)特點(diǎn)體現(xiàn)在下述方面：
（1） 機(jī)械結(jié)構(gòu)
（a） 以關(guān)節(jié)型為主流，80年代發(fā)明的適用于裝配作業(yè)的平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人約占總量的l／3(目前世界工業(yè)機(jī)器人總數(shù)約為750000臺(tái))，90年代初開發(fā)的適用于窄小空間、快節(jié)奏、360度全工作空間范圍的垂直關(guān)節(jié)型機(jī)器人大量用于噴涂、焊接和上下料。
（b） 應(yīng)3K(煉鋼、煉鐵、鑄鍛)行業(yè)和汽車、建筑、橋梁等行業(yè)需求，噴涂機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。
（c） 己普遍采用CAD、CAM等技術(shù)用于設(shè)計(jì)、仿真與制造中。
（2） 控制技術(shù)
（a） 大多數(shù)采用32位CPU，控制軸多達(dá)27軸，NC技術(shù)和離線編程技術(shù)大量采用。
（b） 協(xié)調(diào)控制技術(shù)日趨成熟，實(shí)現(xiàn)了多手與變位機(jī)、多機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制，正逐步實(shí)現(xiàn)多智能體的協(xié)調(diào)控制。
（c） 基于PC的開放式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)由于成本低并具有標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)功能，己成為一股潮流。
（3） 驅(qū)動(dòng)技術(shù)
上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的AC伺服驅(qū)動(dòng)已成為主流驅(qū)動(dòng)技術(shù)用于工業(yè)機(jī)器人中。日本23家機(jī)器人公司于1998年生產(chǎn)的168種型號(hào)機(jī)器人產(chǎn)品，其中采用AC伺服驅(qū)動(dòng)的有156種，占93.4％。直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)則廣泛用于裝配機(jī)器人中。新一代的伺服電機(jī)與基于微處理器的智能伺服控制器相結(jié)合，已由日本FANUC 公司開發(fā)并用于工業(yè)機(jī)器人中；在遠(yuǎn)程控制中已采用了分布式智能驅(qū)動(dòng)新技術(shù)。
（4） 智能化的傳感器多有應(yīng)用
在上述167種機(jī)型中，裝有視覺傳感器的有94種，占56.3％，不少機(jī)器人裝有兩種傳感器，有些機(jī)器人留下了多種傳感器接口。
（5） 高速、高精度、多功能化
目前所知最快的裝配機(jī)器人最大合成速度為16.5m/s;高精度機(jī)器人的位置重復(fù)性為正負(fù)0.01mm.有一種大直角坐標(biāo)噴涂機(jī)器人，其最大合成速度達(dá)80m/s;而另一種并聯(lián)機(jī)構(gòu)的NC機(jī)器人，其位置重復(fù)性達(dá)l um。90年代末的機(jī)器人一般都具有兩、三種功能。最近瑞典Neos公司開發(fā)出一種高精度、高可靠性的可噴涂、切割、鉆孔、銑削、磨削、裝配、搬運(yùn)的多功能機(jī)器人，用于多家著名汽車廠和飛機(jī)公司。
（6） 集成化與系統(tǒng)化
1998年ABB公司推出IRbl400系列小機(jī)器人，其循環(huán)時(shí)間只有0.4s，控制器包括軟件、高壓電、驅(qū)動(dòng)器、用戶接口等皆集成于一柜，只有洗衣機(jī)變換器那樣大小。FANUC公司2000年9月宣稱它的控制器為世界最小。
工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用從單機(jī)、單元向系統(tǒng)發(fā)展。多達(dá)百臺(tái)以上的機(jī)器人群與微機(jī)及周邊智能設(shè)備和操作人員形成一個(gè)大群體(多智能體)。跨國大集團(tuán)的壟斷和全球化的生產(chǎn)將世界眾多廠家的產(chǎn)品聯(lián)接在一起，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化的“虛擬制造”，為工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)化的發(fā)展推波助瀾。
在國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展噴涂、鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工人作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)以及根據(jù)不同類型的加緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機(jī)構(gòu)，即可組成不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造，有便于更換工件，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。
此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。
在國外機(jī)械制造業(yè)中工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。
此外，國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，并作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測，重點(diǎn)是研究視覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。
視覺功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測距儀（即距離傳感器）以及微型計(jì)算機(jī)。工作是電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào)，然后送給計(jì)算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。
更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。
1.2 課題來源
本設(shè)計(jì)的課題是噴涂機(jī)器人臂部與手部的設(shè)計(jì)，主要是臂部和腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其零件設(shè)計(jì)。此課題來源于生產(chǎn)實(shí)際，是針對目前手工噴涂效率低，操作環(huán)境差，而且對操作員技術(shù)熟練程度要求高，因此采用機(jī)器人技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)噴涂工作的柔性自動(dòng)化，提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化，改善勞動(dòng)條件。
1.3 技術(shù)要求及預(yù)期效果
根據(jù)設(shè)計(jì)要達(dá)到以下要求：
對噴涂機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)及小臂自重平衡系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
噴涂工件外形尺寸800mm x500mm x500mm(長x寬x髙)；
機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)尺寸為：大臂長約700mm左右，小臂長約800mm左右，臂桿橫截面尺寸 ≤ 100mm x100mm；手部尺寸約150mm左右；小臂擺角80°（上擺30°，下擺50°）。
對影響自重平衡的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與計(jì)算，示教時(shí)的不平衡力≤2kg。
此次設(shè)計(jì)的垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)大臂小臂的旋轉(zhuǎn),手腕的旋轉(zhuǎn)與擺動(dòng)。此裝置應(yīng)用在噴涂生產(chǎn)線上將大大提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，能夠帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
1.4 本課題要解決的主要問題及設(shè)計(jì)總體思路
本課題要解決的問題有以下二個(gè)：
（1） 手腕處于手臂末端，需減輕手臂的載荷，力求手腕部的結(jié)構(gòu)緊湊，減少重量和體積。
（2） 設(shè)計(jì)小臂的平衡系統(tǒng)，使小臂在撤除驅(qū)動(dòng)力的情況不會(huì)發(fā)生突發(fā)性轉(zhuǎn)動(dòng)。
針對上述問題有了以下設(shè)計(jì)思路：
（1） 手腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置采用分離傳動(dòng)，采用傳動(dòng)軸，將驅(qū)動(dòng)器安置在小臂的后端。
（2） 驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器與傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)一對圓柱齒輪和一對圓錐齒輪傳動(dòng)來帶動(dòng)手腕作偏擺運(yùn)動(dòng)。
（3） 手部的驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在小臂內(nèi)部，以此來減輕手部的重量，讓手部能夠作靈活的運(yùn)動(dòng)。
（4） 對于小臂平衡是采用重力平衡的方式，及在小臂末端放置鐵塊。
2 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的確定
為實(shí)現(xiàn)總體機(jī)構(gòu)在空間位置提供的4個(gè)自由度，可以有不同的運(yùn)動(dòng)組合，根據(jù)本課題的要求現(xiàn)可以將其設(shè)計(jì)成關(guān)節(jié)型機(jī)器人。關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類似，其前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機(jī)器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和使大臂作俯仰擺動(dòng)，小臂作俯仰擺動(dòng)。其特點(diǎn)是工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)，工藝操作精度高。
圖2.1 整體原理圖
2.2 傳動(dòng)方案的確定
圖2.1是機(jī)器人小臂與腕部機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的簡圖。機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)共有4個(gè)齒輪，為了實(shí)現(xiàn)在同一平面改變傳遞方向90°,有2個(gè)齒輪為圓錐齒輪,有利于簡化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。如果采用蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu),則必然以空間交叉方式變向,就不利于簡化系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程式的結(jié)構(gòu)形式。其中有2個(gè)齒輪為直齒圓柱齒輪，用于減速。小臂的結(jié)構(gòu)形式是由內(nèi)部鋁制的整體鑄件骨架與外表面很薄的鋁板殼相互膠接而成。關(guān)節(jié)電機(jī)安裝在小臂后面用于帶動(dòng)傳動(dòng)軸與齒輪的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)手腕的擺動(dòng)。
圖2.2小臂腕部傳動(dòng)原理圖
2.3 工作空間的確定
工作空間是機(jī)器人學(xué)中一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。但在實(shí)際應(yīng)用中，可以簡化這一問題，把工作空間看作是機(jī)器人操作機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，手腕參考點(diǎn)（如定位機(jī)構(gòu)的軸線正交，取交點(diǎn)為參考點(diǎn)）在空間的活動(dòng)范圍，或者說該點(diǎn)可達(dá)位置在空間所占有的體積。根據(jù)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)確定工作空間，工作空間是指機(jī)器人正常工作運(yùn)行時(shí)，手腕參考點(diǎn)能在空間活動(dòng)的最大范圍，是機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)。
圖2.3 機(jī)器人的工作空間位置圖
2.4 手腕結(jié)構(gòu)的確定
手腕是操作機(jī)的小臂和末端執(zhí)行器之間的聯(lián)接部件。其功用是利用自身的活動(dòng)度確定被噴涂物體的空間姿態(tài)，也可以說是確定末端執(zhí)行器的姿態(tài)。故手腕也稱作機(jī)器人的姿態(tài)機(jī)構(gòu)。對一般商用機(jī)器人，末桿（即與末端執(zhí)行器相聯(lián)接的桿）都有獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的自轉(zhuǎn)功能，若該桿再能在空間取任意方位，那么與之相聯(lián)的末端執(zhí)行器就可在空間取任意姿態(tài)，即達(dá)到完全靈活的境地。對于任一桿件的姿態(tài)（即方向），可用兩個(gè)方位角確定，如圖2.4所示。
圖2.4 末桿姿態(tài)示意圖
１-大臂 ?。?小臂 ３-末桿
在圖2.4中末桿Ln的圖示姿態(tài)可以看作是由處于方向的原始位置先繞在平面內(nèi)轉(zhuǎn)角，然后再向上轉(zhuǎn)角得到的?？梢娛怯蓛山菦Q定了末桿的方向（姿態(tài)）。從理論上講，如果，則末桿在空間取任意方向。如果末桿的自轉(zhuǎn)角（即）也滿足，就說該操作機(jī)具有最大的靈活度，即可自任意方向抓取物體并可把抓取的物體在空間擺成任意姿態(tài)。為了定量的說明操作機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的靈活程度，定義組合靈度（dex)為：
(2-1)
上式取加的形式但一般不進(jìn)行加法運(yùn)算，因?yàn)榉珠_更能表示機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)。
腕結(jié)構(gòu)最重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)就是dex值。若為三個(gè)百分之百，該手腕就是最靈活的手腕。一般說來、的最大值取，而值可取的更大一些，如果擰螺釘，最好無上限。
腕結(jié)構(gòu)是操作機(jī)中最為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，而且因傳動(dòng)系統(tǒng)互相干擾，更增加了腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求是：重量輕，dex的組合值必須滿足工作要求并留有一定的裕量（約5%-10%），傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單并有利于小臂對整機(jī)的靜力平衡。
2.5 驅(qū)動(dòng)裝置的選擇
2.5.1 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的分析和選擇
通常的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有以下三種：
（1） 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)
電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器是目前使用最廣泛的驅(qū)動(dòng)器。它的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，但它們多與減速裝置相連，直接驅(qū)動(dòng)比較困難。
電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器又分為直流（DC）、交流（AC）伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。后者多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng)。直流伺服電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，但它的電刷易磨損，且易形成火花。隨著技術(shù)的進(jìn)步，近年來交流伺服電機(jī)正逐漸取代直流伺服電機(jī)而成為機(jī)器人的主要驅(qū)動(dòng)器。
（2） 液壓驅(qū)動(dòng)器
液壓驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是功率大，結(jié)構(gòu)簡單，可省去減速裝置，能直接與被驅(qū)動(dòng)的桿件相連，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動(dòng)具有較高的精度，但需要增設(shè)液壓源，而且易產(chǎn)生液體泄露，故液壓驅(qū)動(dòng)目前多用于特大功率的機(jī)器人系統(tǒng)。
（3） 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器
氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的能源，結(jié)構(gòu)都比較簡單，但與液壓驅(qū)動(dòng)器相比，同體積條件下功率較?。ㄒ驂毫Φ停?，而且速度不易控制，所以多用于精度不高的點(diǎn)位控制系統(tǒng) 。
通過比較以上三種驅(qū)動(dòng)方式，因此本課題的機(jī)器人將采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器中的直流伺服電動(dòng)機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。因?yàn)橹绷魉欧姍C(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動(dòng)力矩，相對功率大及快速響應(yīng)等特點(diǎn)，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，成本低。而交流伺服電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠，使用維修方便，與步進(jìn)電機(jī)相比價(jià)格要貴一些。
2.5.2 手腕電機(jī)的選擇
（1） 轉(zhuǎn)腕及腕部內(nèi)電機(jī)的選擇
手腕的最大負(fù)荷重量初估腕部的重量，最大運(yùn)動(dòng)速度V=1m/s，則：
功率；
取安全系數(shù)為1.2，
考慮到傳動(dòng)損失和摩擦，最終的電機(jī)功率
又因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)周期T=0.3sec，即；
則所需電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速為；
根據(jù)設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)腕部分的電機(jī)后緊跟輸出軸和聯(lián)軸器，直接帶動(dòng)手腕旋轉(zhuǎn)，故在此選擇轉(zhuǎn)速較低的型號(hào)電機(jī)，又由于要求手腕的重量較輕，便于靈活的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，因此要求腕部內(nèi)電機(jī)較小，故選SZYX81寬調(diào)速永磁直流伺服電機(jī)，其安裝尺寸為42mm，電機(jī)重量僅為0.35Kg，詳細(xì)參數(shù)見表2-1。
表2-1 SZYX81寬調(diào)速永磁直流伺服電機(jī)技術(shù)參數(shù)
規(guī)格型號(hào)
額定功率
額定轉(zhuǎn)矩
額定電壓
SZYX81
0.1KW
0.35N.M
24V
最高電流
最高轉(zhuǎn)速
允許轉(zhuǎn)速差10%
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
2.7A
800r/min
50
100kg.cm.s
該電機(jī)具有精度高，響應(yīng)快，調(diào)速范圍寬，加速度大，力矩波動(dòng)小，線性度好，過載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
2.6 傳動(dòng)比的確定及分配
2.6.1. 傳動(dòng)比的確定
由電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可知所需的總傳動(dòng)比為i=10。
2.6.2 傳動(dòng)比的分配
傳動(dòng)比分配時(shí)要充分考慮到各級(jí)傳動(dòng)的合理性，以及齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸，要做到結(jié)構(gòu)合理。因此擺腕傳動(dòng)比分配為：擺腕總的傳動(dòng)比＝10，該傳動(dòng)為兩級(jí)傳動(dòng)，第一級(jí)傳動(dòng)為圓柱齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比＝2，第二級(jí)傳動(dòng)為圓錐齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比。
3 齒輪的設(shè)計(jì)
3.1 齒輪強(qiáng)度的設(shè)計(jì)與校核
3.1.1 第一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)
齒輪材料采用45號(hào)鋼，鍛造毛坯，小齒輪調(diào)質(zhì)處理，表面硬度為210HBS；大齒輪正火處理后齒面硬度為180HBS，因載荷平穩(wěn)，齒輪速度不高，初選齒輪精度等級(jí)為7級(jí)。取。
（1） 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。
（2） 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
齒面接觸疲勞強(qiáng)度條件的設(shè)計(jì)表達(dá)式
(3-1)
式中，-載荷系數(shù),取；
-齒寬系數(shù)，取，；
-材料系數(shù)，取。
小齒輪傳遞扭矩
(3-2)
大小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極根應(yīng)力為：
；
選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為：
；
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由下列公式計(jì)算可得
（3-3）
則
接觸疲勞壽命系數(shù),；
彎曲疲勞壽命系數(shù)；
接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù)。
許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：
將有關(guān)值代入（3-1）得：
計(jì)算圓周速度:
計(jì)算載荷系數(shù):動(dòng)載荷系數(shù)Kv=1.0；使用系數(shù)；動(dòng)載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)，則。
修正 ；
；
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。
（3） 計(jì)算基本尺寸
取
（4） 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
齒形系數(shù)，，取，校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度
（3-4）
=3.7MPa<[]
所以齒輪完全達(dá)到要求。由于小齒輪分度圓直徑較小，考慮到結(jié)構(gòu)，將小齒輪做成齒輪軸。圓柱齒輪的幾何參數(shù)見表3-1。
表3-1 圓柱齒輪的幾何尺寸
名稱
符號(hào)
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
3.1.2 第二級(jí)圓錐齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)
齒輪材料采用45號(hào)鋼，小齒輪調(diào)質(zhì)處理表面硬度為210HBS；大齒輪正火處理后齒面硬度為180HBS，齒輪精度等級(jí)為7級(jí)。取
（1） 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。
（2） 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
齒面接觸疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)表達(dá)式
(3-5)
其中， 取，；
，；
選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為：
；
選擇材料的接觸疲勞極根應(yīng)力為：
；
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由下式計(jì)算可得
則
接觸疲勞壽命系數(shù),；
彎曲疲勞壽命系數(shù)；
接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù),又，試選。
許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：
將有關(guān)值代入（3-5）得：
則
動(dòng)載荷系數(shù)；使用系數(shù)；齒向載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)取，則。
修正
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。
（3）計(jì)算基本尺寸
（4） 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
復(fù)合齒形系數(shù)，，取。
校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度
（3-6）
所以齒輪完全達(dá)到要求。
由于小齒輪的分度圓直徑較小，所以作成齒輪軸。
表3-2 圓錐齒輪的幾何參數(shù)
名稱
符號(hào)
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒頂角
齒根角
分度圓錐角
頂錐角
根錐角
錐距
齒寬
4 軸的設(shè)計(jì)
軸的結(jié)構(gòu)決定于受力情況、軸上零件的布置和固定方式、軸承的類型和尺寸、軸的毛坯，制造和裝配工藝、以及運(yùn)輸、安裝等條件。軸的結(jié)構(gòu)，應(yīng)使軸受力合理，避免或減輕應(yīng)力集中，有良好的工藝性，并使軸上零件定位可靠、裝配方便。對于要求剛度大的軸，還應(yīng)該從結(jié)構(gòu)上考慮減少軸的變形。
4.1 擺腕傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)
4.1.1 圓柱齒輪軸的設(shè)計(jì)
由于主軸傳遞的功率不大，對其重量和尺寸也無特殊要求，故選常用材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理。
（1） 初估軸徑， C=106~117,取C=106則
（4-1）
=5.4mm
（2） 各段軸徑的確定
初估軸徑后，就可按照軸上零件的安裝順序從處開始逐段確定軸徑，上面計(jì)算的是軸段1的直徑，由于軸段1上安裝聯(lián)軸器，因此軸段1處直徑的確定和聯(lián)軸器型號(hào)同時(shí)進(jìn)行。故取軸徑＝10mm。
在軸段2上要安裝軸承，其直徑應(yīng)該便于軸承安裝，又應(yīng)該符合軸承內(nèi)徑系列，即軸段2處的直徑應(yīng)與軸承型號(hào)的選擇同時(shí)進(jìn)行?，F(xiàn)取角接觸球軸承型號(hào)為7000C，其內(nèi)徑＝10mm。通常一根軸上的兩個(gè)軸承取相同型號(hào)，故取軸段6的直徑＝10mm。軸段3上用軸肩固定軸承，故?。?4mm。軸段4上作成齒輪軸，尺寸與齒輪相同。根據(jù)結(jié)構(gòu)確定軸段5的直徑＝22mm。
（3） 各軸段長度的確定
各軸段長度主要根據(jù)軸上零件的轂長或軸上零件配合部分的長度確定。另一些軸段長度，除與軸上零件有關(guān)外，還與箱體及軸承蓋等零件有關(guān)。
根據(jù)聯(lián)軸器選取軸段一的長度，此時(shí)又要考慮此段軸長不應(yīng)與大臂和小臂連接處的軸在工作時(shí)相互干涉，因此選取此段軸長。根據(jù)軸承寬度取 。 根據(jù)結(jié)構(gòu) ， 。
圖4.1 圓柱齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖
4.2.2 軸的強(qiáng)度校核
軸在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，進(jìn)行校核計(jì)算。計(jì)算準(zhǔn)則是滿足軸的強(qiáng)度或剛度要求。進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力，對于用于傳遞轉(zhuǎn)矩的軸應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算，對于只受彎矩的軸（心軸）應(yīng)按彎曲強(qiáng)度條件計(jì)算，兩者都具備的按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確校核等。
圖4.2 軸的受力分析和彎扭矩圖
(1) 軸上的轉(zhuǎn)矩T
主軸上的傳遞的功率：
（4-2）
求作用在齒輪上的力：
（2） 畫軸的受力簡圖
軸的受力如圖4.2所示。
（3） 計(jì)算軸的支撐反力
在水平面上
在垂直面上
（4） 畫彎矩圖
彎矩圖如圖4.2所示。
在水平面上，剖面左側(cè)
剖面右側(cè)
在垂直面上
合成彎矩，剖面左側(cè)
剖面右側(cè)
（5） 畫轉(zhuǎn)矩圖,見圖4.2
（6） 判斷危險(xiǎn)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(xiǎn)截面，只要左側(cè)滿足強(qiáng)度校核就行了。
（7）軸的彎扭合成強(qiáng)度校核
，，則 。
截面左側(cè)
（8） 軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核
查得抗拉強(qiáng)度 ，彎曲疲勞強(qiáng)度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)， 。
截面左側(cè)
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(yīng)力
應(yīng)力幅
平均應(yīng)力
切應(yīng)力
安全系數(shù)
查許用安全系數(shù)，顯然，則剖面安全。
其它軸用相同方法計(jì)算，結(jié)果都滿足要求。
4.2.3 圓錐齒輪軸的設(shè)計(jì)
由于此軸傳遞的功率不大，對其重量和尺寸也無特殊要求，故選常用材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理。
（1） 初估軸徑， C=106~117,取C=106
根據(jù)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和額定功率可知與圓柱齒輪軸相嚙合的大齒輪的轉(zhuǎn)速為
則根據(jù)公式4-1可得：
=6.8mm
（2） 各段軸徑的確定
初估軸徑后，就可按軸上零件的安裝順序，從dmin處開始逐段確定直徑。軸段1為外螺紋部分此段螺紋用于安裝擋板與螺栓，以便于對齒輪作軸向固定故取，軸段2安裝齒輪，根據(jù)齒輪的幾何尺寸故取并在此段軸上開設(shè)鍵槽以便于對軸上齒輪作周向固定。軸段3作為軸肩，對軸段2處安裝的齒輪作軸向固定，故取軸段4,6處安裝軸承，根據(jù)要求選用7000C型號(hào)的軸承，根據(jù)軸承型號(hào)與軸徑的大小同時(shí)選擇故確定軸段4和軸段6的直徑為。軸段5處用于安裝套筒以便對軸上安裝的軸承進(jìn)行軸向固定故取。軸段7用作軸肩以此來用于對軸承作軸向固定故取。軸段8處為錐齒輪部分，根據(jù)以上的設(shè)計(jì)計(jì)算可知此處軸徑。
（3） 各軸段長度的確定
軸段1上裝M6的螺栓和擋板，故取。軸段2處裝齒輪，其長度與齒輪的寬度相同，故取。軸段3處利用軸肩作軸向固定，取。軸段4與軸段6處裝軸承，取，。軸段5處裝套筒，其長度為套筒的長度，故取。軸段7處作軸肩，取。軸段8處為錐齒輪部分，其長度。為保證軸承7000C內(nèi)圈端面緊靠定位軸肩的端面，根據(jù)軸承手冊推薦，取軸肩圓角半徑為0.3mm。為方便加工，其它軸肩圓角半徑均取1mm。
圖4.3 圓錐齒輪軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖
4.2.4 手腕連接軸的設(shè)計(jì)
由于此軸傳遞的功率不大，對其重量和尺寸也無特殊要求，故選常用材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理。
（1） 初估軸徑，C=106~117,取C=106
根據(jù)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和額定功率可知與手腕箱體連接軸的轉(zhuǎn)速為
則根據(jù)公式4-1可得：
＝ 106
=11.6mm
（2） 各段軸徑的確定
初估軸徑后，就可按軸上零件的安裝順序，從dmin處開始逐段確定直徑。軸段1為外螺紋部分此段螺紋用于安裝擋板與螺栓，以便于作軸向固定故取，取軸段2處，并在此處開設(shè)鍵槽用來傳遞扭矩其尺寸為。軸段3處安裝軸承，根據(jù)要求選用7001C型號(hào)的軸承，并在軸的另一段安裝大錐齒輪，也在此處開設(shè)鍵槽用來傳遞扭矩其尺寸為，根據(jù)軸承型號(hào)與軸徑的大小同時(shí)選擇故取。軸段4用作軸肩以此來用于對大錐齒輪作軸向固定故取。軸段5處用來安裝7001C軸承,軸承內(nèi)徑與軸徑的大小取同一尺寸，故取。
（3） 各軸段長度的確定
軸段1上裝M6的螺栓和擋板，故取。軸段2處裝鍵槽，用于傳遞扭矩，其鍵槽尺寸為，其長度取。軸段3處裝軸承與大錐齒輪，中間用套筒對其軸向固定，對大錐齒輪進(jìn)行周向固定的鍵取尺寸為，故取。軸段4處利用軸肩作軸向固定，取。由于軸承應(yīng)成對使用，所以軸段5處裝軸承，其類型代號(hào)與軸段3處一樣，取。
圖4.4 手腕連接軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖
4.2.5 大臂小臂連接軸的設(shè)計(jì)
由于此軸傳遞的功率不大，對其重量和尺寸也無特殊要求，故選常用材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理。
（1） 初估軸徑， c=106~117,取c=106則根據(jù)公式4-1得
=14.03mm
（2） 各段軸徑的確定
初估軸徑后，就可按軸上零件的安裝順序，從dmin處開始逐段確定直徑。軸段1處要安裝壓板和齒輪用來固定此軸.故。軸段2處與4處安裝7004C類型軸承,其軸徑大小應(yīng)與軸承內(nèi)徑大小一致,故取,。軸段3處取。
（3）各軸段長度的確定
各軸段長度主要根據(jù)軸上零件的轂長或軸上零件配合部分的長度確定。另一些軸段長度，除與軸上零件有關(guān)外，還與箱體及軸承蓋等零件有關(guān)。軸段1處要安裝壓板和齒輪用來固定此軸，因此此段軸的長度應(yīng)取長些，故取。軸段2的長度與軸承有關(guān),取。軸段3處的選取長度為。軸段4 的長度與軸段2 處一樣,取。
圖4.5 大臂小臂連接軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草圖
5 軸承的設(shè)計(jì)
5.1 軸承的選擇
軸承是支承軸或軸上回轉(zhuǎn)體的部件。根據(jù)工作時(shí)接觸面間的摩擦性質(zhì)，分為滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩大類。滾動(dòng)軸承依靠元件間的滾動(dòng)接觸來承受載荷，相對于滑動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承具有摩擦阻力小，效率高，起動(dòng)容易，潤滑簡便等優(yōu)點(diǎn)。因此我在做本課題設(shè)計(jì)時(shí)所選用的軸承全為滾動(dòng)軸承。軸承的內(nèi)外圈和滾動(dòng)體，一般是用軸承鉻鋼（如GCr GCr15SiMn）制造，熱處理后硬度應(yīng)達(dá)到60～65HRC。保持架有沖壓的和實(shí)體的兩種結(jié)構(gòu)。沖壓保持架一般用低碳鋼板沖壓制成,它與滾動(dòng)體間有較大間隙,工作時(shí)噪聲大；實(shí)體保持架常用銅合金，鋁合金或酚醛樹脂等高分子材料制成，有較好的隔離和定心作用,又因?yàn)閷?shí)體保持架比沖壓保持架允許更高的轉(zhuǎn)速。所以本課題選用的保持架為實(shí)體的。從受載荷方面來考慮，我所設(shè)計(jì)的機(jī)器人承受載荷力不大，且適用在振動(dòng)與沖擊不大的場合；而且球軸承比滾子軸承有較高的極限轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)精度；再從經(jīng)濟(jì)性方面考慮球軸承比滾子軸承便宜。綜合以上因素，所以選取7000c系列的角接觸球軸承。
5.2 軸承的壽命計(jì)算
圓柱齒輪軸的軸承壽命計(jì)算：
經(jīng)查表可知：載荷系數(shù)=1.2 ，溫度系數(shù)徑，基本額定動(dòng)載荷，基本額定靜載荷。
由以上計(jì)算可知：徑向力，。
派生軸向力 （5-1）
計(jì)算并確定e值，
根據(jù)0.05，查表可得e=0.4。
計(jì)算當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷
查表可得：徑向載荷系數(shù)X=0.44,軸向載荷系數(shù)Y=1.4。
(5-2)
（5-3）
取
計(jì)算軸承壽命 （5-4）
=3413.8h
根據(jù)以上計(jì)算可知，其余幾跟軸上的軸承也完全滿足工作要求。
6 其它零部件的選用
6.1 鍵連接的選用
鍵連接分為平鍵連接、半圓鍵連接、楔鍵連接和切向鍵連接。由于平鍵的兩側(cè)面是工作面，工作時(shí)靠鍵與鍵槽側(cè)面間的擠壓來傳遞轉(zhuǎn)矩。鍵的上表面與輪轂間留有間隙，因此，平鍵連接定心性好，結(jié)構(gòu)簡單裝拆方便，所以本次設(shè)計(jì)我選用的是平鍵連接中的圓頭平鍵。
鍵連接的選擇包括類型選擇和尺寸選擇兩個(gè)方面。鍵連接的類型可根據(jù)連接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使用要求和工作條件來選擇；鍵的尺寸則按符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格和強(qiáng)度要求來取定。鍵的主要尺寸為截面尺寸b、h和長度L。b、h可根據(jù)軸徑d由標(biāo)準(zhǔn)中查?。婚L度L可參照輪轂長度Ｂ從標(biāo)準(zhǔn)中選取。
6.2 殼體的設(shè)計(jì)
小臂和手腕的外殼是支承整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的框架，采用鑄鋁材料，質(zhì)量輕，剛度大，小臂的外框結(jié)構(gòu)的厚度為6mm、蓋子厚度為6 mm、電機(jī)后蓋厚度為6mm。手腕的外框結(jié)構(gòu)厚度為3mm,機(jī)器人手部為鑄造鋁合金。其他部分的具體尺寸由結(jié)構(gòu)定，詳見裝配圖。
6.3 機(jī)器人手臂材料的選擇
機(jī)器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人手臂只要轉(zhuǎn)動(dòng)工作。因此對材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)部件，它應(yīng)是輕型材料。而另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這將大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。因此在選擇材料時(shí)，需要對質(zhì)量，剛度，阻尼進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動(dòng)態(tài)性能。
機(jī)器人手臂材料應(yīng)先是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時(shí)，不應(yīng)有變形和斷裂。從力學(xué)角度看，即要有一定的強(qiáng)度。手臂材料應(yīng)選擇高強(qiáng)度材料，如鋼，鑄鐵，合金鋼等。機(jī)器人手臂是運(yùn)動(dòng)的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比較輕。綜合而言，應(yīng)該優(yōu)先選擇強(qiáng)度大而密度小的材料做手臂。其中，非金屬材料有尼龍6，聚乙烯（PEH）和碳素纖維等；金屬材料以輕合金（特別是鋁合金）為主。所以我所設(shè)計(jì)的機(jī)器人手臂的材料選擇為鑄造鋁合金中的鋁銅合金。
6.4 機(jī)器人臂部連接件的選用
本設(shè)計(jì)中采用常規(guī)聯(lián)軸器：小臂部分采用DIN6885型號(hào)。該聯(lián)軸器的特點(diǎn)是圓周方向剛度大而軸向彎曲方向柔度較大，既能起到可靠的傳動(dòng)又適合調(diào)整和補(bǔ)償軸之間的偏差。
圖6-1 聯(lián)軸器
8 總結(jié)
8.1 所完成的工作
（1） 對機(jī)器人手臂傳動(dòng)所需要的力計(jì)算
本文通過收集實(shí)際運(yùn)用中噴涂機(jī)器人手臂噴涂所需要的力從而進(jìn)行一系列計(jì)算并選取合適的電機(jī)、軸、齒輪、軸承。
（2） 對小臂平衡系統(tǒng)的完善
由于機(jī)器人手臂在實(shí)際運(yùn)行后需要關(guān)閉手臂的驅(qū)動(dòng)裝置，為防止小臂在沒有驅(qū)動(dòng)力之后不會(huì)放生突然小臂下擺，需要對小臂的自身平衡系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對此本文采用的是重力平衡系統(tǒng)。
8.2 設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)
（1） 軸承架和小臂不采用連體
小臂內(nèi)部的軸承架如果和小臂連接采用連體的方式，這樣不僅造成小臂的加工麻煩降低生產(chǎn)效率，而且不利于小臂組件的運(yùn)輸。
（2） 最好安裝機(jī)械制動(dòng)裝置
僅依靠程序來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)并不可靠，例如突然掉電，將無法制動(dòng)。
8.3 誤差分析
本文中每個(gè)關(guān)節(jié)的角度誤差在±2°左右，由于是開環(huán)機(jī)構(gòu)，所以綜合疊加起來，末端誤差可能會(huì)較大，并且重復(fù)精度不夠。
下面簡要分析一下誤差的來源：
工作臺(tái)、基座的上下表面平行度誤差，腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的垂直度誤差，以及其它關(guān)節(jié)之間的平行度誤差，齒輪、軸承的間隙，齒形帶的變形不均勻裝配誤差
（1） 各關(guān)節(jié)軸的回轉(zhuǎn)誤差，各連桿的受力變形誤差；
（2） 運(yùn)行時(shí)，機(jī)械部分的振動(dòng)。
結(jié)束語
此次設(shè)計(jì)的機(jī)器人為垂直多關(guān)節(jié)機(jī)器人，采用了直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過一系列的軸和齒輪傳動(dòng)順利實(shí)現(xiàn)了小臂和手部的旋轉(zhuǎn)與擺動(dòng)。為了使小臂空間內(nèi)結(jié)構(gòu)緊湊，故在小臂內(nèi)安裝電機(jī)來實(shí)現(xiàn)手腕的旋轉(zhuǎn)與擺動(dòng)，并且腕部材料選擇鑄造鋁合金中的鋁銅合金，選取了SZYX81寬調(diào)速永磁直流伺服電機(jī)，其重量僅為0.35KG。此裝置應(yīng)用于噴涂生產(chǎn)線上將大大提高生產(chǎn)效率和噴涂質(zhì)量，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，能夠帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)節(jié)型機(jī)器人是在輕型、操作較簡便且要求機(jī)器人價(jià)格較低并能夠降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度的條件下提出的一種新型機(jī)械裝置。本課題正是在這種背景下提出來的，這是一項(xiàng)具有重要意義的課題。本機(jī)器人設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，通用性強(qiáng)。此設(shè)備制造成本合理，拆裝方便，便于維護(hù)。
此次我們設(shè)計(jì)的噴涂機(jī)器人手臂是中小型機(jī)器人手臂，實(shí)現(xiàn)的傳動(dòng)比不大，今后在技術(shù)允許的條件下可以在手臂內(nèi)增加減速器，以便實(shí)現(xiàn)更大的傳動(dòng)比。
致 謝
本畢業(yè)設(shè)計(jì)論文是在周建平老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。半年來，周老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時(shí)還在思想、生活上給我以無微不至的關(guān)懷，在此謹(jǐn)向周老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。
另外，感謝學(xué)校給我們提供設(shè)計(jì)場地，和系領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)心和指導(dǎo)，在設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合工作體會(huì)和經(jīng)歷，提出了許多建設(shè)性的觀點(diǎn)，為我完成設(shè)計(jì)給予了極大的幫助。
在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!同時(shí)感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們！
最后感謝我的母校南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院四年來對我的栽培。
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