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摘 要 本文將機器人自動控制技術(shù)與人機一體化技術(shù)結(jié)合起來，使用Solidworks、CAD分析等軟件設(shè)計研究樹干噴涂機器人，使其能夠完成樹干噴涂機器人的設(shè)計任務、理論分析任務、加工制作任務、控制系統(tǒng)檢測任務。在進行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，充分利用Solidworks軟件的功能，使設(shè)計具有圖形化、模塊化、層次化的結(jié)構(gòu)，提高了設(shè)計效率。在進行設(shè)計結(jié)構(gòu)分析過程中，充分利用有Solidworks、CAD軟件的功能，使分析過程更加合理，分析結(jié)果準確。在設(shè)計完成后，進行加工制造，發(fā)現(xiàn)加工過程中的問題，進一步完善作品。最后使用Arduino控制板。對樹干噴涂機器人進行了控制。所以本課題設(shè)計研究的樹干噴涂機器人，對于機電一體會技術(shù)的應用、軟件的分析處理功能的應用、制造過程中問題的解決都具有重要意義。 關(guān)鍵字：樹干噴涂技術(shù)，機電一體化技術(shù)，Solidworks，CAD，Arduino ABSTRACT In this paper, we combined The robot automatic control technology and man-machine integration technology combined with Solidworks, CAD analysis software design of trunk spraying robot, which can complete the design task of trunk spraying robot, task analysis, task processing, detection task control system. The mechanical structure design process, make full use of Solidworks software functions. The design has the graphical, modular, hierarchical structure and improve the design efficiency. In the course of structural analysis, make full use of Solidworks, the function of CAD software, make the analysis more Reasonable and accurate analysis results. Upon completion of the design, manufacturing, processing and found problems in the process, to further improve the work. Finally, using the Arduino control panel. The trunk spraying robot was controlled. So this topic design of trunk spraying robot, the application of mechatronic technology, application analysis software that is of great significance to solve the problems in the manufacturing process. Key words: Trunk spraying technology, mechatronic technology, Solidworks, CAD, Arduino - 2 - 目 錄 - 3 - 1. 緒論 1 1.1 課題的目的和意義 1 1.2 國內(nèi)外噴涂機器人發(fā)展概況 1 1.3 本論文研究的主要內(nèi)容 3 2. 樹干噴涂機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 4 2.1 樹干噴涂機器人車身設(shè)計 4 2.2 樹干噴涂機器人石灰水箱設(shè)計 8 2.3 電機、車輪、水泵的選型 11 2.4 本章總結(jié) 15 3. 樹干噴涂機器人機械手設(shè)計 16 3.1 機械手設(shè)計 16 3.2機械手升降結(jié)構(gòu)設(shè)計 19 3.3 軸承的選型與設(shè)計 23 3.4 四桿機構(gòu)運動示意圖 24 3.5 本章小結(jié) 24 4. 控制結(jié)構(gòu)設(shè)計 25 4.1 Arduino控制方案 25 4.2 控制程序設(shè)計流程圖 26 4.3 本章小結(jié) 27 5. 樹干噴涂機器人實物制作 27 5.1 制作過程中遇到的問題 27 5.2 問題的解決方案 27 5.3 實物展示 28 6. 結(jié)論 30 參考文獻 31 致謝 32 附錄1 外文翻譯 33 附錄2 外文原文 43 - 1 - 2 樹干噴涂機器人設(shè)計 1.緒論 1.1 課題的的目的和意義 噴涂機器人又叫噴漆機器人（spray painting robot）， 是可以進行自動噴漆工作或輔助其他設(shè)備進行其他材料的噴涂。噴漆機器人具備四大優(yōu)點，其一是自身結(jié)構(gòu)柔性大，自身實現(xiàn)工作的范圍大；其二是相比人工噴涂它可提高噴涂質(zhì)量和材料使用率；其三是整體結(jié)構(gòu)易于操作和維護，可進行離線編程，大大的縮短現(xiàn)場調(diào)試時間；其四是設(shè)備運轉(zhuǎn)利用率高，利用率可達90%-95%。噴涂機器人的大量運用，使得在危險環(huán)境下工作的勞動力得以解放，同時也提高了汽車生產(chǎn)制造的生產(chǎn)效率，并保證了極高的噴涂質(zhì)量，降低成品返修率，同時使得油漆利用率得到提高，減少了廢油漆、廢溶劑的排放量，有助于構(gòu)建新型環(huán)保的綠色工廠。 樹干噴涂機器人與傳統(tǒng)的人力噴涂相比，它的工作效率很高，它自身攜帶大容量的石灰水箱，還有石灰水灌入機構(gòu)，可以勾兌石灰水，往自身的石灰水箱罐裝石灰水，提升了自身的作業(yè)時間，可以長時間工作。 樹干噴涂機器人未來如果推廣將迅速占領(lǐng)整個市場，將取代傳統(tǒng)的人工噴涂作業(yè)，用機器自主工作。在國內(nèi)隨處都可以看見很多大大小小的樹木，那么對其在冬天的涂白工作將是很繁重的工作，所以我們的樹干噴涂機器人將會迅速占領(lǐng)市場。 樹干噴涂機器人所帶來的經(jīng)濟效益是一筆巨大的財產(chǎn)。 1.2 國內(nèi)外噴涂機器人發(fā)展概況 國外工業(yè)機器人技術(shù)在當今已經(jīng)相當成熟，且在自動化生產(chǎn)過程中已裝備機器人數(shù)量龐大，從剛開始各類通用和專業(yè)機器人的研制生產(chǎn)，到現(xiàn)在發(fā)展成為一種標準設(shè)備被工業(yè)界廣泛應用。工業(yè)機器人及自動化生產(chǎn)線成套裝備，己成為高端裝備的重要組成部分，這也成為一種自動化生產(chǎn)的發(fā)展趨勢。在汽車生產(chǎn)線、機械加工行業(yè)、立體式自動停車庫、電子電氣行業(yè)、食品加工工業(yè)、物流、制造業(yè)等領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應用工業(yè)機器人。在全球出現(xiàn)了一批有競爭力的知名機器人公司，包括：ABB Robotics、American Robot、KUKA、FANUC、S-T Robotics、YASKAWA、Adept Technology、Emerson等，這些世界級的公司進行研發(fā)得時間早、目前技術(shù)成熟，它們開發(fā)的機器人已經(jīng)向高性能、結(jié)構(gòu)模塊化和可重構(gòu)化、可感知范圍越來越廣和人機交互功能更強等方面發(fā)展，其機器人大規(guī)模生產(chǎn)水平高，并能制造出先進的自動化生產(chǎn)線，基本上壟斷了世界工業(yè)機器人市場。其中，日本擁有機器人的數(shù)量和產(chǎn)量最多，日本和德國的工業(yè)機器人及其生產(chǎn)線在全世界中生產(chǎn)應用最廣、最為先進。 面對國外成熟技術(shù)和國內(nèi)薄弱的機器人基礎(chǔ)，中國的機器人行業(yè)正面臨著如何與國際接軌、參與國際分工的巨大挑戰(zhàn)。因此加快進行工業(yè)機器人的研究、開發(fā)與生產(chǎn)是我國從制造大國邁向制造強國的重要手段和必要途徑，必須堅持不懈的努力發(fā)展高、精、尖、智能化的工業(yè)機器人。 我國現(xiàn)代機器人研究和開發(fā)開始于20世紀70年代，到80年代中期進入現(xiàn)代機器人的快速發(fā)展階段，在二十一世紀開始進入到機器人產(chǎn)業(yè)化階段，經(jīng)過十多年努力，我國機器人裝機容量實現(xiàn)很大的突破，開始向機器人全產(chǎn)業(yè)鏈的生產(chǎn)制造發(fā)展。國家大力扶持機器人技術(shù)和產(chǎn)業(yè),國家科技攻關(guān)計劃、國家高技術(shù)研究與發(fā)展計劃等，都將機器人的研究和開發(fā)列為我國機器人行業(yè)發(fā)展的重點。 我國機器人的研究開發(fā)，主要集中在高等院校的重點實驗室和各研究所中，如清華大學、北京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學、中國科學研究院大學、上海交通大學、南開大學等高校，他們在機器人的基礎(chǔ)技術(shù)研究以及原理性樣機研制方面做了大量的研究工作，并為國內(nèi)機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)，生產(chǎn)制作的試驗樣機在很多方面取得接近或超過國際先進水平的一系列成果，但距離投入實際生產(chǎn)應用，還存在很大的差距，研究的成果不能在短時間內(nèi)投入到工業(yè)生產(chǎn)應用中進行產(chǎn)業(yè)化、大批量的工業(yè)生產(chǎn)。目前，我國對于機器人的研發(fā)主要包括數(shù)控機床關(guān)鍵技術(shù)與裝備、機器人各類自動生產(chǎn)線、優(yōu)化機器人各種操作、智能控制以及對應的軟硬件設(shè)計和機器人運動軌跡規(guī)劃等。 噴涂機器人的應用范圍很廣,我國目前的主要應用市場還在汽車行業(yè), 機械、電子、輕工行業(yè)，這些行業(yè)對噴涂機器人的需求比例也在逐年上升。國內(nèi)研制生產(chǎn)了至少5個品種40余臺,但是其中真正用于生產(chǎn)的只有不到30臺。其中機械電子部北京自動化研究所生產(chǎn)的PT系列噴漆機器人得到了較好的評價。 噴涂機器人是一種主要用于表面加工、與進行美化工作的特殊機器人，可以實現(xiàn)環(huán)保、高效率和柔性加工生產(chǎn)的需要，因而在現(xiàn)代化的自動噴涂生產(chǎn)線上有望取代人工進行噴涂工作。涂層的厚度、均勻度、光澤度和豐滿度等是涂裝表面質(zhì)量進行評價的重要指標也是噴涂機器人的重要檢測指標。噴涂機器人實現(xiàn)安全環(huán)保、高效和高質(zhì)量的噴涂工作，是未來自動化涂裝生產(chǎn)線上必不可少的噴涂設(shè)備。采用噴漆機器人進行噴漆工作的主要優(yōu)點是可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和加工穩(wěn)定性，減少廢品率，同時減少噴涂材料和能量的浪費，實現(xiàn)涂裝的自動化生產(chǎn)，提高勞動生產(chǎn)效率。 在我國眾多的中、小型家具、家用電器和小型機械設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品加工過程中,雖然在漆料控制、物料傳送以及烘干過程等中運用不同程度的機械化、自動化裝備,但是在面對像噴涂這樣一個單調(diào)、重復的動作時，仍多采用人工噴漆或刷漆,這樣的加工過程，環(huán)境惡劣且操作的隨意性大,很難保證噴漆質(zhì)量的穩(wěn)定性。因此,開發(fā)經(jīng)濟實用的噴漆機器人有很重要的現(xiàn)實意義。 1.3 本論文研究的主要內(nèi)容 本文通過對工業(yè)機器人的研究學習，在對工業(yè)噴漆機器人進行深入了解之后，將工業(yè)噴漆技術(shù)應用到樹干涂白工作，用噴漆機器人取代人工去完成樹干涂白工作，或者作為輔助設(shè)備，幫助人們?nèi)ネ瓿蓸涓赏堪坠ぷ鳌涓蓢娡繖C器人是將機械和電子控制結(jié)合在一起的機電一體化產(chǎn)品，機械結(jié)構(gòu)主要采用滾珠絲杠結(jié)構(gòu)、四桿機構(gòu)（平行四邊形原理）、車身設(shè)計等，控制結(jié)構(gòu)主要采用Ardunio控制軟件控制各部分機械結(jié)構(gòu)的運動。樹干噴涂機器人的三維建模圖如圖1-1所示。 本論文設(shè)計的主要內(nèi)容如下： （1）樹干噴涂機器人的三維建模模型。 （2）車身結(jié)構(gòu)、噴涂機械手、噴嘴、機械手升降機構(gòu)、石灰箱、石灰水罐裝機等機構(gòu)的設(shè)計。 （3）各種機構(gòu)的設(shè)計計算說明。 （4）控制程序設(shè)計。 （5）實物制作及制作過程中問題的解決。 圖1-1樹干噴涂機器人三維建模圖 2 樹干噴涂機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1樹干噴涂機器人車身設(shè)計 2.1.1設(shè)計信息采集 在連大校園內(nèi)有很多樹木，我們通過隨機采樣，在校園內(nèi)采集100顆樹木的周長，對這些數(shù)據(jù)進行研究，以確定機械手的大小。將采集到的信息繪制成如表2-1所示的信息表格。信息主要來源于防火通道、紀念園、博學樓、日新樓、圖書館輔樓等地域。 表2-1 樹干周長數(shù)據(jù)采集表 樹干周長數(shù)據(jù)采集表(單位mm) 第一組 820 452 553 675 386 643 589 712 623 675 第二組 635 662 658 521 489 623 716 489 636 710 第三組 860 526 812 536 713 537 612 659 732 649 第四組 667 676 692 472 589 610 709 761 351 489 第五組 872 743 638 532 616 731 698 543 578 649 第六組 359 796 742 543 487 618 637 483 569 616 第七組 803 433 1543 428 627 584 716 598 629 389 第八組 576 652 1375 506 489 537 645 572 613 716 第九組 623 489 536 623 754 1232 631 598 703 812 第十組 498 267 562 581 629 638 710 529 533 596 在校園內(nèi)進行隨機采樣，收集了20顆樹木的涂白高度，如表2-2所示。 表2-2樹干涂白高度信息表 樹干涂白高度（單位mm） 第一組 1052 1092 1011 1048 1073 1100 1046 1013 1089 598 第二組 578 1043 1038 1058 1036 1073 1035 1029 1047 1053 在校園內(nèi)進行隨機采樣，收集了10個樹木圍欄尺寸，如表2-3所示。 表2-3樹干圍欄尺寸信息表 樹干圍欄尺寸（單位mm） 圍欄尺寸 1286 1105 1147 1242 1156 1238 1167 1138 1256 1249 2.1.2 信息處理結(jié)果 采用繪制散點圖、折線圖等數(shù)據(jù)處理方法，對所采集到的信息進行處理，處理結(jié)果如圖2-1、圖2-2、圖2-3所示。 圖2-1樹干周長采集散點圖 圖2-2樹干涂白高度折線圖 圖2-3樹干圍欄尺寸折線圖 通過散點圖、折線圖可以直觀的看出，樹干周長主要集中在500mm—700mm之間，樹干涂白高度主要集中在1000mm—1100mm之間，樹干圍欄尺寸主要集中在1100mm—1300mm之間。 2.1.3車身設(shè)計參數(shù)選擇 根據(jù)取樣調(diào)查結(jié)果顯示，樹干涂白高度在1000—1100mm之間，為了方便車身結(jié)構(gòu)設(shè)計，我們選用1050mm作為樹干涂白高度。 根據(jù)取樣調(diào)查結(jié)果顯示，樹干周長主要集中在500-700mm之間，通過公式，得樹干的半徑是在79.58—111.41之間，因為樹干噴涂機器人的機械手要完全包裹住樹干，故機械手的半徑要大于111.41mm，取整之后我們采用半徑為120mm的機械手。 根據(jù)取樣調(diào)查結(jié)果顯示，樹干圍欄尺寸在1100—1300mm之間，且主要集中分布在1200mm左右，為了方便車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計，我們采用1200mm的樹干圍欄尺寸，圍欄面積為，假設(shè)每棵樹都種在圍欄的中間位置，那么根據(jù)結(jié)果計算出樹干的圓心到圍欄邊的尺寸為600mm。 最終確定車身尺寸為：450*390*1200mm,第一層高度240mm,第二層高度700mm。 2.1.4車身結(jié)構(gòu)方案 車身結(jié)構(gòu)采用雙層結(jié)構(gòu)，主體噴涂機構(gòu)由噴涂機械手臂、龍門架及對應的支撐運動等部分組成，第一層主要放置驅(qū)動機構(gòu)，放置四個伺服驅(qū)動電機、一個滾珠絲杠驅(qū)動電機、石灰水箱與機械手連接的水泵。第二層主要放置石灰水箱與石灰水灌裝機。第一層與第二層之間進行焊接，將它們連接在一起。然后，將機械手升降機構(gòu)安裝在車身上組成完整的樹干噴涂機器人的車身結(jié)構(gòu)。設(shè)計圖如2-4所示。 圖2-4樹干噴涂機器人三維模型圖 2.2 樹干噴涂機器人石灰水箱設(shè)計 2.2.1 石灰水箱尺寸設(shè)計 樹干噴涂機器人為了適應長時間的作業(yè)，就需要大容量的石灰水箱與其相配合，更有效的進行工作。 根據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，樹干的半徑為79.58—111.41mm，通過公式得樹干的底面積為19895.05—38992.89，根據(jù)調(diào)查顯示，樹干的涂白高度為1200mm，通過公式得樹干涂白源體積為23874054.4—46791468.0。 假設(shè)樹干的涂白厚度為0.5mm。 通過計算得樹干的涂白后的體積為24175710.6—47213795.0，通過計算的樹干的涂白層厚度的體積為301656.2—422327.02，折算后涂層體積為0.30—0.42L。 在噴涂機器人車身的第二層設(shè)計了石灰水箱，尺寸為,石灰水箱的容積為54.87L，能夠噴涂樹木個數(shù)為182—130棵。 這樣的石灰水箱可以為樹干噴涂機器人提供長達180棵樹木的噴涂工作，實現(xiàn)了樹干噴涂機器人的長時間、高效率的作業(yè)功能。 2.2.2石灰水的罐裝設(shè)計 樹干噴涂機器人作業(yè)需要石灰水的罐裝，車載石灰水箱的容積為54.87升。在一次作業(yè)完畢后，需要罐裝新的石灰水，所以需要設(shè)計石灰水罐裝機構(gòu)。 石灰水是由生石灰10份、水30份、食鹽1份，粘著劑（如粘土、油脂等）1份等組成，其中具有殺菌治蟲的作用是生石灰，延長作用時間的成分是食鹽和粘著劑，還可并在其中加入有針對性的殺蟲劑以提高整體效果。 所以石灰水罐裝機構(gòu)需要考慮到石灰水中的顆粒、殘渣等雜質(zhì)，通過對比調(diào)查我們最終選用，石灰水罐裝口徑為105mm，罐裝口深80mm，過濾網(wǎng)口寬度3mm，石灰水罐裝輸水口口徑50mm，側(cè)注水口口徑18mm。如圖2-5所示。圖2-6是實物制作石灰水罐裝管道圖，圖2-7是石灰水罐裝機構(gòu)罐裝口圖。 圖2-5 石灰水注水裝置外形圖 圖2-6石灰水罐裝管道圖 圖2-7石灰水罐裝機構(gòu)罐裝口圖 2.3電機、車輪、水泵的選型 2.3.1 電機的選型 樹干噴涂機器人將要工作在磚瓦路，因為路面不平，且常常會出小大大小小的縫隙、與大小不一的石子。所以電機的選擇很重要。 圖2-8車輪電機圖 機械所需輸入功率Pw由機器工作阻力和運動參數(shù)計算求得,即 輸出功率計算： 取P =1.2×0.25=0.3 KW 根據(jù)表2-9電機選用要點選擇電機。 選擇要點一 根據(jù)機械負載特性、生產(chǎn)工藝、電網(wǎng)要求、建設(shè)費用、運行費用綜合指標，合理選擇電動機的類型。 選擇要點二 根據(jù)機械負載所要求的過載能力、啟動轉(zhuǎn)矩、工作制及工況條件，合理選擇電動機的功率，使功率匹配合理，并具有適當?shù)膫溆霉β?，力求運行安全、經(jīng)濟可靠。 選擇要點三 根據(jù)使用場所的環(huán)境，選擇電動機的防護等級和結(jié)構(gòu)型式。 選擇要點四 根據(jù)生產(chǎn)機械的最高機械轉(zhuǎn)速和傳動調(diào)速系統(tǒng)的要求，選擇電動機的轉(zhuǎn)速。 選擇要點五 根據(jù)使用環(huán)境溫度，維修檢修方便、安全可靠等要求，選擇電動機的轉(zhuǎn)速。 選擇要點六 根據(jù)電網(wǎng)電壓、頻率，選擇電動機的額定電壓、頻率。 總結(jié) 在選用電動機時，要努力執(zhí)行國家技術(shù)經(jīng)濟政策，積極采用節(jié)能產(chǎn)品和新產(chǎn)品，提高綜合經(jīng)濟效益。 表2-4電機選用要點 最后選用24V直流伺服電機。 2.3.2車輪的選型 樹干噴涂機器人的作業(yè)場地不平，且常常會出小大大小小的縫隙、與大小不一的石子。所以車輪為了能夠適應工作場合，需要加寬輪轂的寬度，且增加輪胎橡膠層以防過度磨損。 圖2-10車輪圖 輪轂尺寸為：輪轂厚20mm，輪轂直徑80mm， 車輪尺寸：橡膠層厚度為10mm，輪胎直徑100mm 選擇較寬的車輪，目的在于讓樹干噴涂機器人能夠適應作業(yè)場地的作業(yè)環(huán)境。 2.3.3水泵的設(shè)計 樹干噴涂機器人要將石灰水箱中的石灰水輸送到樹干噴涂機器人的機械手噴嘴，進行噴涂作用。所以在噴涂機械手臂與石灰水箱要安裝一個水泵，將石灰水輸送到噴涂機械手。 石灰水的輸送管道采用6mm的塑料管，通過水泵將石灰水從石灰水箱中抽出來，然后通過管道連接器，將6mm塑料管中的石灰水轉(zhuǎn)換到4mm的塑料管中，加大石灰水的壓力，輸送到樹干噴涂機械手臂上的噴嘴，然后通過霧化裝置將石灰水霧化，然后再噴涂到樹干上。 采用水管連接器，一分器、二分器、三分器，管徑選擇為4mm、6mm。圖2-11是水管連接器圖 、圖2-12是連接器的應用圖。 圖2-11水管連接器圖 圖2-12連接器的應用圖 水泵的要求如下: （1） 為了實現(xiàn)長時間的作業(yè)，我們必須選擇高效的水泵。 （2） 水泵的壓力必須能夠?qū)⑹宜畯撵F化噴嘴口處壓出，且石灰水還具有一定的壓力。 表2-4水泵參數(shù)選擇表 最后我們選用KQYH25-200葉輪代號D系列的水泵 2.4、本章總結(jié) 車身尺寸：450*390*1200mm；樹干涂白高度：1050mm；水箱設(shè)計尺寸：390*210*670mm； 石灰水罐裝機構(gòu)設(shè)計：輸水口口徑50mm，濾網(wǎng)口徑3mm；輪轂尺寸為：輪轂厚20mm；輪轂直徑80mm；車輪尺寸：橡膠層厚度為10mm，輪胎直徑100mm 3、樹干噴涂機器人機械手設(shè)計 3.1、機械手設(shè)計 3.1.1 機械手設(shè)計方案 方案一：面噴涂機械手 機械手采用U字型機械手，通過夾持裝置，夾持住樹干的兩個側(cè)邊面，先對其進行噴涂，之后機械手隨著車身做周轉(zhuǎn)運動與上下升降運動完成整棵樹的涂白工作。機械手結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。 圖3-1面噴涂機械手圖 方案二：整體包裹噴涂機械手 整體包裹噴涂機械手是利用關(guān)節(jié)的原理，首先先將機械手打開，將樹干放入到其中，在機械手關(guān)閉的整個過程中，機械手上的各個噴涂小塊定軸轉(zhuǎn)動，一個接著一個動，最終實現(xiàn)樹干的包裹，然后利用樹干噴涂機器人的升降機構(gòu)帶動機械手自上而下的進行移動，一個周期后，便可完成樹干的涂白工作。機械手結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。 圖3-2整體包裹噴涂機械手圖 方案三：噴嘴霧化機械手 噴嘴霧化機械手是利用霧化器將石灰水在機械手噴嘴處霧化后噴涂到樹干的原理。 機械手在作業(yè)前首先處于張開狀態(tài)，運動到距離樹干合適距離時，逐步慢慢控制機械手的關(guān)閉。關(guān)閉后的狀態(tài)是：樹干噴涂機械手的噴嘴距離樹干有一定的距離，在石灰水通過水泵運輸?shù)綑C械手噴嘴處時，通過霧化器，能夠?qū)⑹宜苯訃娡康綐涓杀砻?。機械手關(guān)閉后，在升降機構(gòu)的帶動下，自上而下進行作業(yè)，一個周期后，完成樹干的噴涂作業(yè)。如圖3-3所示。 圖3-3噴嘴霧化機械手 3.1.2 機械手設(shè)計方案選擇 樹干噴涂機器人設(shè)計的核心是噴涂機械手的選擇，我們首先對噴涂機器人機械手臂的設(shè)計方案進行比較。比較方案如表3-1所示。 表3-1噴涂機械手方案比較表 噴涂效率 噴涂質(zhì)量 適用范圍 制作難易程度 方案一 低 良好 窄 簡單 方案二 較高 較好 較寬 難 方案三 最高 最好 最寬 較難 在對機械手的三種設(shè)計方案進行對比之后發(fā)現(xiàn)，方案三是最好的，它的制作雖然比較難，但是它的噴涂效率、噴涂質(zhì)量、適用范圍等衡量指標都是最優(yōu)的，所以通過比較選擇，我們選用方案三做為我們的機械手設(shè)計方案。 3.1.3 機械手張開、閉合設(shè)計 機械手張開設(shè)計： 樹干噴涂機器人機械手張開設(shè)計，主要采用四連桿結(jié)構(gòu)，通過四連桿的運動，帶動機械手的張開與閉合。 機械手的開口角度由連桿的最大角來確定，最終實現(xiàn)對樹干的包圍。 3.1.4 機械手石灰水注入設(shè)計 機械手上總共安裝8個噴嘴，每個噴嘴都是由總注水口注入石灰水，然后連接霧化噴嘴，以張角為120度，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)樹干的整體全部噴涂以及一次性噴涂任務。 3.2機械手升降結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.2.1 設(shè)計方案 方案一：鑒于叉車的機械臂通過鏈條的傳動，可以實現(xiàn)高效率的工作，提高了機械手的可載重量，且設(shè)計結(jié)構(gòu)比較簡單。借鑒叉車機械臂的鏈條傳動結(jié)構(gòu)，我們采用鏈傳動結(jié)構(gòu)，對樹干噴涂機械手進行傳動，使其實現(xiàn)上下的升降運動。 方案二：預采用滾珠絲杠結(jié)構(gòu)對機械手進行上下的升降運動，絲杠結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的傳動，且運動平穩(wěn)。 表3-2鏈傳動與絲杠傳動比較表 鏈傳動 絲杠傳動 1、鏈傳動沒有彈性滑動，能保持準確的平均傳動比； 2、鏈傳動需要的張緊力小，作用于軸的壓力也小，可減少軸承的摩擦損失； 3、結(jié)構(gòu)緊湊； 4、能在溫度較高、有油污等惡劣環(huán)境條件下工作； 5、平均傳動比準確,傳動效率高，軸間距離適應范圍較大，能在溫度較高、濕度較大的環(huán)境中使用； 6、但鏈傳動一般只能用作平行軸間傳動，且其瞬時傳動比波動，傳動噪聲較大。 1、滾珠絲杠傳動效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠副的傳動效率可高達92%一99%，功率消耗相當于普通絲杠傳動的1/4一1/3，同時由于發(fā)熱小，可以實現(xiàn)高速運動； 2、滾珠絲杠傳動平穩(wěn)，不易產(chǎn)生爬行。 3、定位精度、傳動剛度高。 4、不能自鎖，具有可逆性。既能將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成克線運動，也能將直線運動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運動。因此絲杠在垂直狀態(tài)使用時，應增加制動裝置； 5、同步性能好，無側(cè)隙、剛性高。 通過對鏈傳動與滾珠絲杠傳動做比較，最終決定采用滾珠絲杠結(jié)構(gòu)。 3.2.2 升降結(jié)構(gòu)參數(shù)計算 由2.1節(jié)設(shè)計可得，樹干的涂白高度為1050mm，故我們設(shè)計的機械手升降高度大于1050，可實現(xiàn)作業(yè)高度要控制在1050mm，這樣才能保證對每棵樹的噴涂高度是一致的。 絲杠結(jié)構(gòu)設(shè)計： 滾珠絲杠結(jié)構(gòu)是將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動的理想結(jié)構(gòu)。本設(shè)計采用將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動的滾珠絲杠結(jié)構(gòu)。 由螺桿、螺母和滾珠組成滾珠絲杠。滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成線性運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)化成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。 滾珠絲杠設(shè)計計算： （1）絲杠副的導程 最高移動速度； 電機最大轉(zhuǎn)速 ； 傳動比 電機與絲杠之間為齒輪連接式，； 查得電機的轉(zhuǎn)速為 得 查《現(xiàn)代機床設(shè)計手冊》取 （2）初選滾珠絲杠副 由公式知 (3-1) 查表得 代入數(shù)據(jù)可求得 （3）確定允許的最小螺紋底徑 ?估算絲杠允許的最大軸向變形量 (3-2) (3-3) 重復定位精度 定位精度 推導得 (3-4) (3-5) 取兩種結(jié)果中的最小值 ?估計最小螺紋底徑 絲杠取兩端固定的支撐方式 (3-6) (3-7) 靜摩擦力 已知行程 代入數(shù)據(jù)得 （4）確定滾珠絲杠副的代號 選用內(nèi)循環(huán)浮動式法蘭，直筒螺母型墊片預緊形式 由計算出在《現(xiàn)代機床設(shè)計手冊》中選取相應滾珠絲杠副為 （5）確定滾珠絲杠副預緊力 (3-8) 其中 (6)行程補償值與拉伸力 ?行程補償值 (3-9) 式中 (3-10) 查《現(xiàn)代機床設(shè)計手冊》得 代入數(shù)據(jù)得 ?預拉伸力 (3-11) 代入得 (7)確定滾珠絲杠副支撐用的軸承 ?軸承所受最大軸向載荷 ?軸承類型 兩端固定的支撐形式 軸承內(nèi)經(jīng) 代入數(shù)據(jù)得 軸承預緊力： ?根據(jù)《現(xiàn)代機床使用手冊》選取軸承型號規(guī)格 當,所以選7602030TVP軸承 （8） 傳動系統(tǒng)剛度 ?絲杠最小抗壓剛度 (3-12) 其中 代入得 ?絲杠最大抗壓剛度 (3-13) 代入數(shù)據(jù)得 ?支撐軸承組合剛度 一對預緊軸承的組合剛度 (3-14) 其中： 查《現(xiàn)代機床制造手冊》得7602030TVP軸承室預加載荷的3倍 支撐軸承組合剛度 滾珠絲杠副滾珠和滾道的接觸剛度 (3-15) 其中： 代入數(shù)據(jù)得 （10） 剛度驗算以及精度的選擇 ? (3-16) 代入得 (3-17) 代入得 (3-18) 已知 其中 ?驗證傳動系統(tǒng)剛度 ?傳動系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差 (3-19) （11） 確定精度以及規(guī)格代號 ?確定精度 ：對系統(tǒng)而言任意300mm內(nèi)行程變動量 ，定位精度為 ?確定絲杠副的規(guī)格代號 已確定的型號為：FFZD 公稱直徑：10mm，導程：5 螺紋長度1050，絲杠長度：1100 P類5級精度 所選規(guī)格型號：FFZD4005-3-P5/1100*1 3.3 軸承的選型與設(shè)計 機器人軸承設(shè)計與選用分析 圖3-4軸承圖 滾動軸承的基本結(jié)構(gòu) 1-外圈；2-密封；3-引導環(huán)；4-滾動體；5-內(nèi)圈；6-保持架 (1)選擇 合理選擇軸承的類型、尺寸系列、內(nèi)徑以及諸如公差等級、特殊結(jié)構(gòu)；綜合考慮， 選擇軸承608 (2)計算 徑向力 （3－20） 派生力 ， （3－21） 軸向力 由于， 所以軸向力為， （3－22） 當量載荷 由于： ，， 所以，，，。 由于為一般載荷，所以載荷系數(shù)為，故當量載荷為 （3－23） 軸承壽命的校核 （3-24） 所以軸承符合設(shè)計要求。 3.4 四桿機構(gòu)運動示意圖 圖3-5四桿機構(gòu)運動示意圖 3.5 本章小結(jié) 本章主要進行了機械手設(shè)計、滾珠絲杠設(shè)計與軸承的校核。機械手設(shè)計方案：噴嘴霧化機械手。滾珠絲杠結(jié)構(gòu)設(shè)計：型號為：FFZD；公稱直徑：10mm，導程：5；螺紋長度1050，絲杠長度：1100；P類5級精度；所選規(guī)格型號：FFZD4005-3-P5/1100*1。軸承的校核，經(jīng)校核軸承的選擇符合預定設(shè)計目標。 4.控制結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.1 Arduino控制方案 一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，適合初學者學習。其中包含硬件部分（各種型號的Arduino開發(fā)板）和軟件部分（Arduino IDE）。 Arduino是由歐洲開發(fā)團隊于2005年開發(fā)。 Arduino構(gòu)建于開放原始碼simple I/O界面板，并且具有類似Java、C語言的Processing\Wiring開發(fā)環(huán)境。主要包含兩個主要部分：硬件部分是可以用來做電路連接的Arduino電路板，另一個軟件部分則是Arduino IDE。你只需在IDE中編寫程序代碼，并將其寫到電路板上，程序便會告訴Arduino電路板要做的動作。 Arduino能通過裝在上邊的各種傳感器來對周圍環(huán)境進行感知，通過控制燈光、馬達和其他的裝置來反饋、影響環(huán)境。控制器可以通過編程語句來編寫，編譯成二進制文件，燒寫進微控制器。 編程時利用基于Wiring的編程語句和基于Processing的Arduino 開發(fā)環(huán)境來實現(xiàn)。 對Arduino 進行開發(fā)不僅可以節(jié)省很多的時間，同時還會減輕設(shè)計者的負擔而且還可以通過這個平臺非常方便快捷的與同道中人進行交流學習。 本控制程序主要實現(xiàn)： （1） 樹干噴涂機器人的運行。 （2） 樹干噴涂機械手的升降運行 4.2、控制程序設(shè)計流程圖 開始 傳感器檢測是否有樹 否 是 機械手舵機工作機械手張開 距離傳感器檢測機械手到樹干的距離 機械手閉合 絲杠電機工作 否 水泵開啟 絲杠末端觸碰傳感器 是 絲杠電機停止 水泵停止工作 機械手舵機工作機械手張開 樹干噴涂機器人后退 機械手舵機工作機械手閉合 結(jié)束 4.3 本章小結(jié) 完成了對樹干噴涂機器人的控制程序設(shè)計。 5樹干噴涂機器人實物制作 5.1 制作過程中遇到的問題 在對樹干噴涂機器人進行整體設(shè)計完之后，我們又對其進行了實際的制作，將我們的設(shè)計理念付諸于實踐。但是在制作過程中我們又遇到了很多問題。 （1） 如何進行車身的固定與連接。 （2） 如何將車輪固定到車架。 （3） 機械手在滾珠絲杠螺母上的固定。 5.2 問題的解決方案 面對如此多的問題，我們在老師指導下，對問題逐步進行了解決。 （1） 面對車身固定連接問題：在設(shè)計初期，采用角鐵與螺栓螺母配合，對車架進行固定?？墒窃趯嶋H動手制作過程中發(fā)現(xiàn)，在25*25的方鋼上打孔首先難到我們，因為25*25方鋼比較厚，在打孔過程中不易打穿，而且很容易折斷鉆頭，一時間無法進行下去。我們想能否采用鉚接的方法將其固定，可是最終發(fā)現(xiàn)鉚釘不能穿過方鋼。最后在研究了方鋼的特性后發(fā)現(xiàn)，其使用焊接方式很容易固定，而且不易斷裂。最終我們在學習焊接技術(shù)后，采用焊接技術(shù)將車身進行了固定，完美解決問題。 （2） 面對車輪與車架的固定問題：在設(shè)計初期，采用螺釘連接，將車輪固定到車身上?？墒窃趯嶋H制作過程中發(fā)現(xiàn)，打孔過程很難在已經(jīng)安裝好的車架上進行打孔，打到的孔也不能與車輪架很好的配合，因為很難做到在一條直線上。在經(jīng)過討論之后，我們采用緊定螺釘直接固定的方式將車輪架與車身固定。 （3） 在面對機械手在滾珠絲杠螺母上的固定問題：在設(shè)計初期，我們采用螺栓組配合進行固定?？墒窃谥谱鬟^程中發(fā)現(xiàn)，這樣固定會出現(xiàn)頭重腳輕的問題，因為機械手的整體質(zhì)量太大，而固定不能將其配平，所以出現(xiàn)了機械手前面一部分下垂的問題。為了能夠?qū)崿F(xiàn)機械手的功能，我們在后端拉鋼絲繩，這樣能夠減輕頭重腳輕的問題。 5.3 實物展示 圖5-1樹干噴涂機器人實物效果圖 圖5-2樹干噴涂機器人機械手與絲杠結(jié)構(gòu)圖 6. 結(jié)論： 本文詳細地闡述了樹干噴涂機器人的總體設(shè)計、結(jié)構(gòu)的設(shè)計、設(shè)計參數(shù)的計算、采用零部件型號的選擇，以及樹干噴涂機器人運動仿真。 (1)按照樹干的涂白高度、涂層厚度的要求，首先設(shè)計了車身結(jié)構(gòu)。 (2)根據(jù)設(shè)計目標，選擇結(jié)構(gòu)。設(shè)計滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)、噴嘴霧化機械手、石灰水箱設(shè)計、石灰水勾兌與罐裝機構(gòu)設(shè)計、車輪的設(shè)計。 (3)對滾珠絲杠螺母副、軸承壽命進行校核。 （4）根據(jù)設(shè)計，制作實物。 （5）控制程序的設(shè)計。 最終樹干噴涂機器人基本可以完成預想的工作任務。 受時間和條件的限制，該系統(tǒng)還有一些工作需要進一步完善，希望工作后有機會繼續(xù)改進，也希望各位老師能夠提出改進意見。 參考文獻 [1] 楊書評，宮迎輝，王海丹，王思斯 北京機械工業(yè)自動化所. 機器人自動化及生產(chǎn) 線關(guān)鍵標準研究[J]. 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