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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 36 頁 共 36 頁
1 引言
1．1 噴涂機(jī)器人的研究與應(yīng)用
1.1.1 概述
從1962年美國研制出第一臺工業(yè)機(jī)器人以來，工業(yè)機(jī)器人至今已經(jīng)走過了4O多年的歷程。由于噴涂作業(yè)屬于有害作業(yè)，這些作業(yè)的勞動強(qiáng)度大，技術(shù)水平要求高，并且手工噴涂人員會因技術(shù)、體力等因素造成產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，因此為了改善勞動條件和提高產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)量降低成本，這個領(lǐng)域中大量地使用了機(jī)器人[1]。
國外從60年代開始研究噴漆機(jī)器人，直到60年代末挪威率先推出針對噴漆實(shí)際情況而設(shè)計(jì)的專用噴漆機(jī)器人。從此，噴漆機(jī)器人的研制和應(yīng)用發(fā)展十分迅速，噴漆機(jī)器人在工業(yè)發(fā)達(dá)國家80年代已達(dá)到普及階段。例如美國的FUDGE公司和德國的HATEL公司以及總部設(shè)在瑞士的ABB公司等都生產(chǎn)了各種型號的噴涂機(jī)器人。它廣泛地應(yīng)用于汽車、農(nóng)機(jī)、發(fā)動機(jī)，工程機(jī)械、機(jī)床、家電等大、中型企業(yè)的實(shí)際噴涂作業(yè)[2]。機(jī)器人噴涂作為工業(yè)機(jī)器人的一個主要應(yīng)用領(lǐng)域，主要包括噴漆、等離子噴涂、靜電噴涂、高速火焰噴涂等幾大類，采用工業(yè)機(jī)器人噴涂成形工藝，不僅可以改善工藝操作環(huán)境，還可以對噴涂軌跡和過程進(jìn)行數(shù)字化描述、精確控制，從而顯著提高噴涂成形工藝的質(zhì)量和穩(wěn)定性[3]。
縱觀噴涂機(jī)器人這幾十年的發(fā)展，其經(jīng)歷了三次變革：第一次發(fā)生在1988年，從液壓傳動變成電傳動，第二次變革是從簡單的動作控制到過程控制，第三次變革是從2000年之后，利用電腦軟件控制機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)為客戶定制機(jī)器人，比如可以控制機(jī)器人噴漆時(shí)的空氣流量和油漆流量、噴涂范圍和形狀以及噴涂的色彩種類等等[4]。目前，工業(yè)機(jī)器人在噴漆方面的應(yīng)用比例美國可達(dá)12％，世界平均可達(dá)5.1％[5]。
我國的噴涂行業(yè)特別是在陶瓷行業(yè)普遍采用人工作業(yè)的方式進(jìn)行施釉，工人勞動強(qiáng)度大，特別是對工人身體有巨大傷害。而我國的相關(guān)的噴涂機(jī)器人行業(yè)起步較晚，僅有上海交大研制的上海III號噴涂機(jī)器人，國家機(jī)械工業(yè)局北京自動化所研制的PJ一1噴涂機(jī)器人等幾種相關(guān)產(chǎn)品。
1.1.2 噴涂機(jī)器人的應(yīng)用
西方發(fā)達(dá)國家90年代以來汽車涂裝中的各噴涂工序普遍實(shí)現(xiàn)了自動化，隨著科技的發(fā)展，近十年機(jī)器人在工業(yè)現(xiàn)場已呈現(xiàn)出廣泛使用的趨勢。由于使用機(jī)器人噴涂均勻性好，重復(fù)精確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工，因此避免了手工噴涂人員因技術(shù)、情緒、體力等因素造成的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，使工件噴涂質(zhì)量有了根本性的保障。由于噴涂作業(yè)屬于有害作業(yè)，采用機(jī)器人作業(yè)可大大降低工人的勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)由于機(jī)器人在噴涂過程中流量、扇面、霧化的大小均可隨時(shí)調(diào)整，可大大減少油漆的損耗，提高油漆的利用率[6]。
噴涂機(jī)器人的離線編程技術(shù)現(xiàn)已比較成熟，其編程技術(shù)已普遍應(yīng)用于機(jī)器人噴涂。而噴涂機(jī)器人智能上也有較大的發(fā)展，歐盟曲面噴涂項(xiàng)目已實(shí)現(xiàn)了對凸形零件的自動噴涂[7]。
在我國，噴涂機(jī)器人主要運(yùn)用于汽車制造業(yè)。靜電噴涂、等離子噴涂、冷噴涂等噴涂技術(shù)應(yīng)用于噴涂機(jī)器人上，使其噴涂質(zhì)量有了一定的提高[8,9]。而近些年開發(fā)出的柔性仿形自動噴涂系統(tǒng)，使噴涂機(jī)器人在汽車生產(chǎn)中越來越高效、高自動化[10]。
隨著ABB公司開發(fā)出了小型IRB52噴涂機(jī)器人,使噴涂機(jī)器人被用于消費(fèi)類電產(chǎn)
品（蘋果公司的IPOD）的噴涂。繼噴涂機(jī)器人用于消費(fèi)電子產(chǎn)品的噴涂，其逐漸被包裝業(yè)、建筑業(yè)等行業(yè)使用。除了在工業(yè)上的應(yīng)用，噴涂機(jī)器人還被用于軍事上，
聞名于全球的F-22飛機(jī)就是運(yùn)用噴涂機(jī)器人對機(jī)身實(shí)施噴涂的[11]。
噴涂機(jī)器人的離線編程系統(tǒng)在未來將得到更成熟的發(fā)展和更廣泛的應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用中可能遇到更為復(fù)雜的曲面上的噴涂作業(yè)，這就涉及到曲面分片后的噴槍路徑組合問題以及每一片邊界上的噴槍軌跡優(yōu)化問題。面向復(fù)雜曲面的噴涂機(jī)器人噴槍軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)是下一步工作研究的方向[12]。隨著加工制造業(yè)的不斷發(fā)展和自動控制水平的不斷提高，機(jī)器人將在未來得到更加廣泛的應(yīng)用。噴涂機(jī)器人技術(shù)也必然隨之不斷的提高和進(jìn)步，其他各種適合不同需求的涂裝機(jī)器人也將在不久的將來得以實(shí)現(xiàn)。
1.1.3 噴涂機(jī)器人實(shí)例
TRALLFA噴涂機(jī)器人
該噴涂機(jī)器人是l969年在挪威研制成功的。挪威的TRALLFA公司抓住了噴漆作業(yè)要求連續(xù)不問斷的特點(diǎn)，使得該機(jī)型的設(shè)計(jì)是成功的， 目前這種機(jī)型占世界噴漆機(jī)器人總擁有量的8O%。該機(jī)器人手臂為多關(guān)節(jié)式，采用電液驅(qū)動，由電腦控制，是一種示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人。TRALLFA噴涂機(jī)器人手腕部分細(xì)長，近似于人的手腕，動作靈活，操作輕便，可伸到狹窄空間進(jìn)行噴涂，手腕采用萬向節(jié)，易于示教，存儲裝置的存儲容量大，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡和點(diǎn)位控制， 編程容易， 動作平滑。后來該公司還推出了TR-4000型噴涂機(jī)器人，其采用了多項(xiàng)新技術(shù)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)配有新的平衡系統(tǒng)；采用可簡化執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作編程的新型分離活塞油缸；新型控制裝置存儲容量很大，具有很強(qiáng)的編輯功能和自診斷功能。
PJ- 1型噴涂機(jī)器
我國第一臺國產(chǎn)噴涂機(jī)器人是PJ—1型噴涂機(jī)器人。由北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所研制并生產(chǎn)，是具有微機(jī)控制、示教再現(xiàn)、電液伺服驅(qū)動、5個自由度、關(guān)節(jié)式噴涂機(jī)器人。該機(jī)器人解決了許多機(jī)器人存儲容量小的問題，使機(jī)器人示教時(shí)間超過了當(dāng)時(shí)國際先進(jìn)水平的TRALLFA—400經(jīng)濟(jì)型噴涂機(jī)器人，實(shí)際應(yīng)用效果也與其相當(dāng)。PJ—1型噴漆機(jī)器人是我國最成熟、應(yīng)用量最多的機(jī)器人。
紫外線自噴涂裝設(shè)備
2003年日本推出一種紫外線自動噴涂設(shè)備，有噴涂槍和噴涂機(jī)器人兩種[13]。它采用低壓噴槍，可節(jié)省涂料20%~30%，減少了有機(jī)廢氣，并避免臭氧層的破壞，由于噴涂是用紫外線輻射，干燥時(shí)間短，涂層硬度高。
IRB52小型噴涂機(jī)器人
2007年，瑞士ABB公司推出新款機(jī)器人——IRB52[14]。其噴涂解決方案以其獨(dú)特的集成工藝系統(tǒng)（IPS）為核心，可幫助現(xiàn)代制造企業(yè)提高噴涂品質(zhì)，優(yōu)化涂料消耗、縮短節(jié)拍時(shí)間，實(shí)現(xiàn)精確快速的工藝控制并簡化生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的收集，全面提升了應(yīng)用設(shè)備的人性化水平。
1．2 噴涂機(jī)器人的特點(diǎn)和組成
1.2.1 噴涂機(jī)器人的特點(diǎn)
噴涂機(jī)器人是一種機(jī)體獨(dú)立、動作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動化程度高的自動噴涂機(jī)械。噴涂機(jī)器人除了具有示教再現(xiàn)功能外，還具有操作靈活方便、占地小、操作空間大、手腕緊湊、負(fù)載輕、精度較低、防爆等特征。
噴涂機(jī)器人可分為專用和通用型。前者操作噴槍運(yùn)動的自由度不大于4個，適合于大批量生產(chǎn)流水作業(yè)，對形態(tài)變化不大的工件表面進(jìn)行噴涂，動作比較簡單。后者操作噴槍的自由度不少于5個，它能十分靈活地模仿人的手臂和手腕的動作，對各種復(fù)雜的空間曲面進(jìn)行噴涂。
噴涂機(jī)器人的臂部運(yùn)動形式多采用關(guān)節(jié)式。其手臂由大臂和小臂兩部分組成，大臂與小臂之間以及大臂與機(jī)身之間均有關(guān)節(jié)(鉸鏈)連接，并有人手臂的某些特征。多關(guān)節(jié)式手臂有較強(qiáng)的越障礙物的功能，動作范圍是四種形式中最大的，非常適合于噴涂作業(yè)。由于噴涂工作的表面形狀大多較復(fù)雜，數(shù)學(xué)模擬極為困難，所以通用噴涂機(jī)器人必須配備示教再現(xiàn)編程方式。
1.2.2 噴涂機(jī)器人的組成
噴涂機(jī)器人系統(tǒng)主要由執(zhí)行系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及檢測機(jī)構(gòu)組成，噴涂及其輔助設(shè)備沒有什么特殊要求。
圖1—1 ABB公司噴涂機(jī)器人
1．3 噴涂機(jī)器人發(fā)展趨勢
隨著機(jī)器人生產(chǎn)商為客戶定制機(jī)器人，噴涂機(jī)器人需在以下幾個方面進(jìn)一步展，
以滿足越來越多客戶的使用需求，使噴涂機(jī)器人的應(yīng)用范圍更為廣泛。
（1）為客戶提供更加完整的解決方案，設(shè)計(jì)出超越客戶所提要求的機(jī)器人。
（2）研究和發(fā)展噴涂裝置的小型化，以滿足越來越多如消費(fèi)類電子產(chǎn)品等小零
件的噴涂和特殊環(huán)境下的噴涂[15]。
（3）開發(fā)開放式結(jié)構(gòu)機(jī)器人控制器，使用戶可以方便的擴(kuò)展和改進(jìn)其性能。
（4）實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)器人的模塊化，使其方便安裝和維護(hù)，并且緊湊可靠[16]。
（5）優(yōu)先考慮“系統(tǒng)發(fā)展方式”，實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)器人與外界設(shè)備的互聯(lián)和協(xié)調(diào)工作，
并制定機(jī)器人語言規(guī)范，特別是動作級的編程語言規(guī)范[17]。
（6）大力研究開發(fā)對復(fù)雜自由曲面進(jìn)行無人干涉的全過程自動噴涂的智能噴涂
系統(tǒng)。
1．4 課題研究意義
隨著國際制造業(yè)交流的日益廣泛，中國的制造業(yè)正面臨著與國際接軌，參與國際競爭的局面。適應(yīng)快速變化的國內(nèi)外市場需求，以高質(zhì)量、低成本、快速反應(yīng)的手段在市場中取得生存和發(fā)展是我國企業(yè)必須向國外同行學(xué)習(xí)并提高自身競爭力的根本。工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)很好的解決了傳統(tǒng)制造業(yè)中的一些難題，使得工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)中有很大的市場。噴涂機(jī)器人如今應(yīng)用在很多領(lǐng)域，如噴釉機(jī)器人、噴漆機(jī)器人、噴漿機(jī)器人等。噴涂機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，需求也越來越大，再加上其經(jīng)濟(jì)性也隨著科技的進(jìn)步而愈發(fā)突出，所以對噴涂機(jī)器人的研究是相當(dāng)有意義的。
本課題設(shè)計(jì)的是一種經(jīng)濟(jì)型的簡易噴涂機(jī)器人，能完成大小臂的俯仰，手腕的上下和左右擺動，機(jī)身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，它可以應(yīng)用于汽車車身噴涂生產(chǎn)線中，結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用。
2 總體方案設(shè)計(jì)
2．1 機(jī)械結(jié)構(gòu)類型的確定
工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)形式有直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型和平面關(guān)節(jié)型[18]。
（1）直角坐標(biāo)式機(jī)器人
這種機(jī)器人的外形輪廓與數(shù)控鏜銑床或三坐標(biāo)測量機(jī)相似。這種形式的主要特點(diǎn)
是：a.結(jié)構(gòu)剛度高，多做成大型龍門式或框架式機(jī)器人；b.3個關(guān)節(jié)的運(yùn)動相互獨(dú)立，沒有耦合，不影響手爪的姿態(tài)，運(yùn)動學(xué)求解簡單，不產(chǎn)生奇異狀態(tài)；c.工件的裝卸、夾具的安裝等受到立柱、橫梁等構(gòu)件的限制；d.占地面積大，動作范圍??；e.它的控制方式與數(shù)控機(jī)床類似；f.操作靈活性較差。
（2）圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人
SCARA機(jī)器人有3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向。
一個關(guān)節(jié)是移動關(guān)節(jié)，用于完成末端件在垂直于平面的運(yùn)動。手腕參考點(diǎn)的位置是
由兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角位移及移動關(guān)節(jié)的唯一決定。這類機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快，運(yùn)動速度比一般關(guān)節(jié)式機(jī)器人快數(shù)倍。它最適用于平面定位，垂直方向進(jìn)行裝配的作業(yè)。
（3）球（極）坐標(biāo)式機(jī)器人
這類機(jī)器人占地面積小，工作空間較大，移動關(guān)節(jié)不易防護(hù)。
（4）關(guān)節(jié)式機(jī)器人
這類機(jī)器人由兩個肩關(guān)節(jié)和一個肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由2個或3個腕關(guān)節(jié)進(jìn)行定向。這種構(gòu)件動作靈活，工作空間大，在作業(yè)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(yùn)動部位容易密封防塵，這類機(jī)器人運(yùn)動學(xué)較復(fù)雜，運(yùn)動學(xué)反解困難；確定末端件的位姿不直觀，進(jìn)行控制時(shí)，計(jì)算量比較大。
由上面中各種坐標(biāo)形式的比較，初步選用關(guān)節(jié)坐標(biāo)型。課題中要求實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)器人的連續(xù)軌跡控制（CP），查閱現(xiàn)代工業(yè)中實(shí)際使用的機(jī)器人，如挪威生產(chǎn)的TRALLFE噴涂機(jī)器人為關(guān)節(jié)型機(jī)器人，6自由度，采用示教—再現(xiàn)方式，既可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制，也可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，則最終確定噴涂機(jī)器人采用關(guān)節(jié)坐標(biāo)型。
2．2 自由度數(shù)的確定
自由度是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動的數(shù)目，不應(yīng)包括手抓（末端操作器）的開合自由度[19]。在三維空間中描述一個物體的位置和姿態(tài)（簡稱位姿）需要六個自由度。但是，工業(yè)機(jī)器人的自由度是根據(jù)其用途而設(shè)計(jì)的，可能小于六個自由度，也可能大于六個自由度。本課題設(shè)計(jì)要求機(jī)身左右旋轉(zhuǎn)110°，大臂前仰30°，后仰10°，小臂俯仰±30°，腕部左右擺動±110°，上下擺動±110°，因此可知噴涂機(jī)器人的自由度為五個。五個自由度中，機(jī)身的左右旋轉(zhuǎn)、大臂的前后俯仰和小臂的前后俯仰三個自由度實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)器人的位置移動，腕部的左右擺動和上下擺動兩個自由度實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)器人的姿態(tài)變化。
2．3 驅(qū)動方式的確定
驅(qū)動裝置是使機(jī)器人各個關(guān)節(jié)運(yùn)行起來的傳動裝置。機(jī)器人的驅(qū)動方法一般有三種：液壓、氣動、電動[20]。
液壓驅(qū)動以高壓油為工作介質(zhì)。液壓驅(qū)動機(jī)器人的抓取能力可達(dá)上百公斤，液壓力可達(dá)7MPa，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)且動作靈敏，但對密封的要求較高，且不宜在高溫或低溫的場合工作，要求的制造精度較高，成本較高。
氣壓傳動時(shí)最簡單的驅(qū)動方法，原理與液壓相似。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，動作迅速，價(jià)格低廉。由于空氣具有可壓縮性，因此這種機(jī)器人的工作速度慢，穩(wěn)定性差；其氣壓一般為0.7MPa，故此類機(jī)器人適宜抓取力要求較小的場合。
電動傳動是目前在工業(yè)機(jī)器人中用得最多的一種，這不僅是因?yàn)殡妱訖C(jī)品種眾多可供選擇，更因?yàn)榭梢赃\(yùn)用多種靈活的控制方法。電力驅(qū)動是利用各種電動機(jī)產(chǎn)生的力或力矩，直接或經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)器人，以獲得所需的位置、速度、加速度。電力驅(qū)動具有無環(huán)境污染，易于控制，運(yùn)動精度高，成本低，驅(qū)動效率高等優(yōu)點(diǎn)。電力驅(qū)動可分為步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動、直流伺服電動機(jī)驅(qū)動、無刷伺服電動機(jī)驅(qū)動等。
機(jī)器人的控制一般可分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制。查閱噴涂機(jī)器人實(shí)例，可知噴涂機(jī)器人多采用開環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)一般用在開環(huán)伺服系統(tǒng)中，這種系統(tǒng)沒有位置反饋裝置，控制精度相對較低。交、直流伺服電機(jī)用于閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，這種系統(tǒng)中有位置反饋裝置，控制精度很高。
本課題中其噴涂機(jī)器人的位置精度不高，結(jié)合表2—1中各電機(jī)性能特點(diǎn)，確定噴涂機(jī)器人采用步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。
表2—1電機(jī)性能特性對比表
電機(jī)類型
分類
原 理
控 制
特 點(diǎn)
步進(jìn)電機(jī)
可變磁阻式
永磁式
感應(yīng)式
直接將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角，每輸入一個脈沖，步進(jìn)電機(jī)就回轉(zhuǎn)一定的角度，其角度的大小與脈沖數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)方向取決于輸入脈沖的順序。
由脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器、功率放大器進(jìn)行控制。
可在很寬的范圍內(nèi)通過改變脈沖頻率來調(diào)速，能夠快速器動、反轉(zhuǎn)和制動，有較強(qiáng)的阻礙偏離穩(wěn)定的抗力。控制精度不高，輸出的轉(zhuǎn)矩隨著脈沖頻率的升高而減小，速度太高時(shí)會出現(xiàn)失步、振蕩以至停轉(zhuǎn)。
直流伺服電機(jī)
永磁式
他激式
并激式
串激式
直流電機(jī)有定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成，定子上有磁極（繞組式或永磁式），轉(zhuǎn)子有繞組，通電后，轉(zhuǎn)子上也形成磁場（磁極），定子和轉(zhuǎn)子的磁極之間有一個夾角，在定轉(zhuǎn)子磁場（N極和S極之間）的相互吸引下，是電機(jī)旋轉(zhuǎn)。改變電刷的位子，就可以改變定轉(zhuǎn)子磁極夾角（假設(shè)以定子的磁極為夾角起始邊，轉(zhuǎn)子的磁極為另一邊，由轉(zhuǎn)子的磁極指向定子的磁極的方向就是電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向）的方向，從而改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。
由電樞控制或激磁控制。
電機(jī)的慣量小，快速響應(yīng)性能好，可以頻繁地起動、制動、正反轉(zhuǎn)工作，換向性能好，壽命長，輸出力矩平穩(wěn)負(fù)載力矩變化時(shí)，對轉(zhuǎn)速的影響不大，機(jī)械特性很硬。
但電刷易磨損，且易形成火花。
續(xù)表2—1
交流伺服電機(jī)
同步
異步
與直流伺服電機(jī)的工作原理相似。
有幅值控制、相位控制、幅相控制等控制方法。
由于沒有電刷等磨損元件，比直流電機(jī)的結(jié)果簡單、運(yùn)行可靠以及維修方便；外形尺寸小；能在重載下高速運(yùn)行；加速性能好；能實(shí)現(xiàn)動態(tài)制動；能實(shí)現(xiàn)平滑運(yùn)動；控制復(fù)雜。
2．4 傳動方式的確定
傳動機(jī)構(gòu)用來把驅(qū)動器的運(yùn)動傳遞到關(guān)節(jié)和動作部位。機(jī)器人中常用的傳動機(jī)構(gòu)有齒輪傳動、螺旋傳動、帶傳動及鏈傳動、流體傳動和連桿機(jī)構(gòu)與凸輪傳動。下表2—2列出了一些常用傳動機(jī)構(gòu)的性能對比表。
表2—2常用傳動性能對比表
序號
類別
特點(diǎn)
軸間距
應(yīng)用場合
⑴
齒輪傳動
響應(yīng)快，扭矩大，剛性好，可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)方向的改變和復(fù)合傳動
不大
腰、腕關(guān)節(jié)
⑵
諧波傳動
大速比，同軸線，響應(yīng)快，體積小，重量輕，轉(zhuǎn)矩大
零
所有關(guān)節(jié)
⑶
擺線針輪行星
傳動（RV）
大比速，同軸線，響應(yīng)快，剛性好，體積小，重量輕，回差小，轉(zhuǎn)矩大
零
前三關(guān)節(jié)，特別是腕關(guān)節(jié)
⑷
渦輪傳動
大比速，交錯軸，體積小，回差小，響應(yīng)快，剛性好，轉(zhuǎn)矩大，效率低，發(fā)熱大
交錯
不大
腕關(guān)節(jié)
手抓機(jī)構(gòu)
⑸
鏈傳動
速比小，扭矩大，剛性與張緊裝置有關(guān)
大
腕關(guān)節(jié)
⑹
齒形帶傳動
速比小，轉(zhuǎn)矩小，剛性差，無間隙
大
各關(guān)節(jié)的一級傳動
續(xù)表2—2
⑺
鋼帶傳動
速比小，轉(zhuǎn)矩小，剛性與張緊裝置有關(guān)，無間隙
大
腕關(guān)節(jié)
⑻
鋼繩傳動
速比小，無間隙
特大
腕關(guān)節(jié)，
手抓機(jī)構(gòu)
⑼
連桿及搖塊傳動
回差小，剛性好，扭矩中等，可保持特定位移，速比不均
大
腕關(guān)節(jié)，臂關(guān)節(jié)
⑽
滾動螺旋傳動
效率高，精度好，剛性好，無回差，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動方式改變，速比大
零
直動關(guān)節(jié)，
手抓機(jī)構(gòu)
⑾
齒輪齒條傳動
效率高，精度好，剛性好，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動方式改變
交錯
直動關(guān)節(jié)，手抓機(jī)構(gòu)
工業(yè)機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)有以下幾項(xiàng)基本要求[21]：
（1）結(jié)構(gòu)緊湊，即具有相同的傳動功率和傳動比時(shí)體積最小，重量最輕。
（2）傳動剛度大，即由驅(qū)動器的出軸到桿件的轉(zhuǎn)軸在相同的扭矩時(shí)角度變形要小，這樣可以提高整機(jī)的固有頻率，并大大減輕整機(jī)的低頻振動。
（3）回差要小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時(shí)空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度。
（4）壽命長、價(jià)格低。
2.4.1 機(jī)身傳動方式的確定
由本課題中的設(shè)計(jì)要求可知，機(jī)器人的大臂連接在機(jī)座上，機(jī)座的旋轉(zhuǎn)帶動整個大小臂一起旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)器人位置的變化，轉(zhuǎn)矩相比而言較大。
比較表2—2中的各種傳動方式的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際要求初步選擇齒輪傳動和諧波傳動。查閱機(jī)器人中的常用的齒輪傳動機(jī)構(gòu)可知行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)和諧波傳動機(jī)構(gòu)是機(jī)器人上用得較多的。在本課題中采用漸開線圓柱直齒輪傳動。這種傳動的優(yōu)點(diǎn)是：①消除了軸向力，降低了對軸承和箱體的要求；②徑向力與傳動負(fù)載的大小成正比，對于壓力角為20°的標(biāo)準(zhǔn)齒輪，徑向力大約是傳動的0.35倍；③傳動的速度和功率范圍很大；④傳動效率高，高精度齒輪傳動效率可達(dá)99﹪；⑤瞬時(shí)傳動比恒定，工作平穩(wěn)性較高；⑥結(jié)構(gòu)緊湊。但其傳動有噪音、沖擊和振動，且需要調(diào)隙[22]。
為了降低傳動過程中的噪音和振動，可以提高傳動齒輪的制造精度，這樣可明顯降低傳動過程中的噪音和振動，提高抗沖擊的能力，而且傳動間隙可減小，提高傳動的平穩(wěn)性。
2.4.2 大小臂傳動方式的確定
本課題設(shè)計(jì)中要求噴涂機(jī)器人的大臂繞大臂與機(jī)座的轉(zhuǎn)動中心前仰30°，后仰10°，小臂俯仰±30°。根據(jù)設(shè)計(jì)要求查看表2—2，初步選擇諧波傳動、滾動螺旋傳動。
滾動螺旋傳動有以下特點(diǎn)[22]：
①傳動效率高達(dá)0.9～0.98，平均為滑動螺旋的2～3倍，可節(jié)省動力1/2～3/4，
有利于主機(jī)的小型化及減輕勞動強(qiáng)度。
②摩擦力矩小，接觸剛度高，使溫升及熱變形減小，有利于改善主機(jī)的動態(tài)特性和提高工作精度。
③工作壽命長，平均可達(dá)滑動螺旋的10倍左右。
④傳動無間隙，無爬行，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，傳動精度高。
⑤具有很好的高速性能。
⑥具有傳動的可逆性，既可把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變?yōu)橹本€運(yùn)動，也可把直線運(yùn)動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，且逆?zhèn)鲃有逝c正傳動效率相近。
⑦已經(jīng)實(shí)現(xiàn)系列尺寸標(biāo)準(zhǔn)化，并出現(xiàn)了冷軋滾珠絲杠，提供了多用途的廉價(jià)產(chǎn)品，應(yīng)用于精度要求不是很高的場合，節(jié)能并延長壽命。
諧波傳動相比滾動螺旋傳動，其剛度沒有后者高，傳動有間隙，傳動效率只達(dá)到
80﹪～90﹪，柔輪有疲勞問題，扭轉(zhuǎn)剛度低。最終選擇滾動螺旋傳動來實(shí)現(xiàn)大小臂的俯仰運(yùn)動。
2.4.3 腕部傳動方式的確定
腕部是機(jī)器人的小臂與末端執(zhí)行器（手部或稱手抓）之間的連接部件，其作用是利用自身的活動度確定手部的空間姿態(tài)。手腕的驅(qū)動方式一般有遠(yuǎn)程驅(qū)動和直接驅(qū)動兩種。直接驅(qū)動傳動線路短，剛度好，但腕部的尺寸和質(zhì)量大，慣量大。本課題中采用遠(yuǎn)程驅(qū)動，其電機(jī)安裝在機(jī)器人的大臂、機(jī)座或小臂遠(yuǎn)端上，通過連桿、鏈條或其他傳動機(jī)構(gòu)間接驅(qū)動腕部關(guān)節(jié)運(yùn)動，因而手腕的結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸和質(zhì)量小，對改善機(jī)器人的整體動態(tài)性能有好處。
本課題中噴涂機(jī)器人的腕部上下擺動并左右擺動，是二自由度手腕。根據(jù)表2—2，
初步選擇齒輪傳動和鏈傳動。
查閱資料，發(fā)現(xiàn)一小型電動噴涂機(jī)器人EP—500S。其為關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，有5個自由度，操作機(jī)腕部布置兩個相互垂直的伺服軸，能方便地產(chǎn)生噴槍的姿態(tài)變化動作。小臂和減速機(jī)之間用鏈條、鏈輪傳動。這種機(jī)構(gòu)既把大、小臂之間的運(yùn)動分開，互不影響，又可實(shí)現(xiàn)小臂平衡機(jī)構(gòu)的力矩傳遞。該機(jī)構(gòu)緊湊，傳動簡單。
根據(jù)實(shí)例，本課題最終采用鏈條、鏈輪傳動，電機(jī)輸出動力后，由鏈條、鏈輪將運(yùn)動上傳到小臂前端，再通過錐齒輪傳動給腕部，實(shí)現(xiàn)腕部的上下擺動和左右擺動。
2．5 平衡方式的確定
機(jī)身和臂部的運(yùn)動較多，質(zhì)量較大，如果運(yùn)動速度和負(fù)載又較大，當(dāng)運(yùn)動狀態(tài)變化時(shí)，將產(chǎn)生沖擊和振動。這將不僅影響機(jī)器人的精確定位，甚至?xí)蛊洳荒苷＿\(yùn)轉(zhuǎn)。為了提高工作平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取有效地緩沖裝置吸收能量。
臂桿作為主要的運(yùn)動部件需要重點(diǎn)考慮。為了減少驅(qū)動力矩和增加運(yùn)動的平穩(wěn)性，大、小臂桿一般都需要進(jìn)行動力平衡。臂桿平衡技術(shù)對提高操作機(jī)的整體性能和動態(tài)特性十分重要，也是簡化編程和控制的重要措施。常見操作機(jī)臂桿的平衡技術(shù)有四種，即質(zhì)量平衡法、彈簧平衡法、氣動或液壓平衡法和采用平衡電機(jī)。
彈簧平衡一般可以使用長彈簧。分析表明，在關(guān)節(jié)模型中，只要采用合適剛度和長度的彈簧平衡系統(tǒng)，可以全部平衡關(guān)節(jié)模型重力項(xiàng)。本課題采用彈簧平衡，其結(jié)構(gòu)簡單，通過適當(dāng)改變彈簧的長度和剛度的修正即可達(dá)到所需的平衡要求。
2．6 噴涂機(jī)器人總體裝配示意圖
總結(jié)以上各種方案的選擇，確定噴涂機(jī)器人的總體裝配示意圖如下圖所示：
圖2—3噴涂機(jī)器人總體裝配示意圖
3 噴涂機(jī)器人大臂設(shè)計(jì)
3．1 大臂和小臂長的設(shè)計(jì)
圖3—1是關(guān)節(jié)型機(jī)器人工作空間的示意圖。
圖3—1 機(jī)器人工作空間的示意圖
圖中， 、分別為大臂和小臂的長度；
、分別為大臂的俯仰角度；
、分別為小臂的俯仰角度。
根據(jù)工作空間的范圍：長×寬×高=2600×1200×900mm3 ,結(jié)合示意圖可以得到以下關(guān)系式：
(3.1)
(3.2)
(3.3)
由于，，，，將數(shù)據(jù)代入上述關(guān)系式可求解得到：
=1004.5㎜
=1186.4㎜
根具所得值圓整：
=1100㎜
=1200㎜
3．2 大臂臂身的設(shè)計(jì)
3.2.1 大小臂連接處的設(shè)計(jì)
考慮到小臂系統(tǒng)、腕部是由鏈輪鏈條和錐齒輪傳動，帶動手腕部分上下擺動和左右擺動，應(yīng)選用遠(yuǎn)距離間接傳動方式，所以手腕部分的驅(qū)動電機(jī)設(shè)計(jì)在機(jī)座上，可以減輕小臂和大臂的質(zhì)量，使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定。因此在大臂小臂連接的關(guān)節(jié)處就需要安裝鏈輪實(shí)現(xiàn)二級傳動。大臂和小臂采用的連接方式如圖3—2。
圖3—2大小臂連接關(guān)節(jié)剖視圖
3.2.2 小臂驅(qū)動電機(jī)安裝位置
小臂驅(qū)動方式采用的是螺旋驅(qū)動，因此，小臂驅(qū)動系統(tǒng)需要安裝在大臂臂身上進(jìn)行固定?？紤]到系統(tǒng)配重問題，在系統(tǒng)工作過程中增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)重量，在大臂上伸出的板上做耳環(huán)，用來固定小臂驅(qū)動電機(jī)。其安裝的具體結(jié)構(gòu)如圖3—3所示。
圖3—3 小臂驅(qū)動電機(jī)的安裝
3.2.3 腕部驅(qū)動電機(jī)安裝關(guān)節(jié)
一般機(jī)器人腕部驅(qū)動電機(jī)安裝在機(jī)器人的小臂或大臂上，這種安裝方法會增加機(jī)器人臂部的重量，降低機(jī)器人臂部運(yùn)行的靈活性?？紤]到減輕機(jī)器人臂部重量的因素，采取將腕部電動機(jī)安裝在機(jī)座上，通過聯(lián)軸器與伸入大臂內(nèi)部的軸相連，在通過鏈輪鏈條將動力傳至機(jī)器人手腕，實(shí)現(xiàn)腕部的上下擺動和左右擺動。由于大臂要做前后俯仰運(yùn)動，因此腕部電機(jī)需要鉸接在機(jī)座上，使腕部驅(qū)動電機(jī)隨大臂前后俯仰。其腕部驅(qū)動電機(jī)的具體安裝如圖3—4所示。
圖3—4腕部驅(qū)動電機(jī)安裝關(guān)節(jié)
3.2.4 大臂殼體結(jié)構(gòu)
（1）材料的選擇
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人手臂要求完成各種運(yùn)動。因此，對材料的一個要求是作為運(yùn)動的部件，它應(yīng)是輕型材料。而另一個方面，手臂在運(yùn)動過程中往往會產(chǎn)生振動，這將大大降低它的運(yùn)動精度。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態(tài)性能。
機(jī)器人手臂選用的材料與一般結(jié)構(gòu)材料不同。機(jī)器人手臂是一種伺服機(jī)構(gòu)，要受到控制，因此要考慮它的可控性。在選擇手臂材料時(shí)，可控性應(yīng)和材料的可加工性、結(jié)構(gòu)性、質(zhì)量等性質(zhì)受到同等重視。
常用的機(jī)器人手臂材料有結(jié)構(gòu)材料（如鋼，鑄鐵等）、輕型材料（如鎂合金、鋁合金等）、剛性材料和防震材料。本課題采用ZL401，其為鋁鋅合金，其鑄造性好，符合材料的選用要求。
（2）截面的確定
機(jī)器人連桿設(shè)計(jì)一般要求受到許多條件限制，有些甚至是相互矛盾的。這些限制可分為：
①為了給電線、信號線、軟管、功率傳送裝置及控制桿等提供通道，機(jī)器人連桿內(nèi)部要留有空腔部分；
②為了減少浪費(fèi)工作空間，手臂的外形尺寸要受到限制；
③為了減少慣性力，連桿應(yīng)盡可能的輕，同時(shí)有能承受電機(jī)和驅(qū)動器產(chǎn)生的最大負(fù)載；
④在連桿質(zhì)量確定后，連桿應(yīng)具有盡可能高的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度。
通過選擇合理的連桿截面形狀，可較好地滿足上述限制。機(jī)器人連桿截面的基本形狀為空心圓截面和空心矩形截面。當(dāng)質(zhì)量相同時(shí)，正方形空心截面不僅比空心圓截面的壁更薄，而且剛度還提高了40﹪～60﹪。另外，正方形截面的內(nèi)部空腔面積比圓面積都要大43﹪～76﹪。
結(jié)合上述所提要求和截面對比，本課題中采用空心矩形截面，其具體結(jié)構(gòu)如下圖
3—5所示。
（3）大臂的形狀
通過上步對截面形狀的確定，此時(shí)只需選擇合適的尺寸，以滿足工作空間的要求和大臂內(nèi)部部件的放置的合理性。設(shè)計(jì)示意圖如圖3—6所示。
圖3—5大臂截面
圖3—6大臂結(jié)構(gòu)剖視圖
3．3 大臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.3.1 大臂驅(qū)動電機(jī)安裝
大臂系統(tǒng)的驅(qū)動采用的是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠螺母相對于絲杠做直線往復(fù)運(yùn)動，以推動大臂擺動。大臂驅(qū)動電機(jī)就需要固連在轉(zhuǎn)盤上以找到支撐點(diǎn)。由于大臂是做擺動，固連在大臂上的支點(diǎn)走過的路徑就是一條弧線。這就需要大臂驅(qū)動電機(jī)鉸接的固定在機(jī)座的轉(zhuǎn)盤上，在機(jī)器人工作時(shí)隨機(jī)器人大臂進(jìn)行一定角度的旋轉(zhuǎn)，以保證絲杠與大臂始終保持垂直的關(guān)系，否則對電機(jī)、絲杠就會造成損害。絲杠螺母固定在大臂體中，其中心距大臂與底座的轉(zhuǎn)動中心200m。下圖3—7給出了大臂驅(qū)動電機(jī)安裝在機(jī)座轉(zhuǎn)盤上的方法。
圖3—7 大臂驅(qū)動電機(jī)安裝做臂于機(jī) 設(shè)計(jì)求和截面對比，本課題中采用空心矩形截面，其具體結(jié)果