摘 要
機(jī)器人是一種機(jī)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(jī)器人是提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)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(yù)定要求輸送工件或握持工具進(jìn)行操作的自動(dòng)化技術(shù)裝備。機(jī)器人可以代替人手的繁重勞動(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動(dòng)化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運(yùn)和長(zhǎng)期、頻繁、單調(diào)的操作，采用機(jī)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(jìn)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(jī)器人代替人來(lái)進(jìn)行噴漆作業(yè)，機(jī)器人可以代替很多重復(fù)性的體力勞動(dòng)，從而減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。結(jié)合設(shè)計(jì)的各方面的知識(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中學(xué)會(huì)怎樣發(fā)現(xiàn)問(wèn)題．解決問(wèn)題.研究問(wèn)題。并且在設(shè)計(jì)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(jī)器人使用方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
關(guān)鍵詞：機(jī)器人，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，步進(jìn)電機(jī)，回轉(zhuǎn)
III
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. The robot can replace the staff of the heavy labor, significantly reduced labor intensity of workers, improve working conditions, improve labor productivity and production level of automation. Industrial production often appears in the heavy work, frequent handling and long-term, monotonous operation, the robot is effective; in addition, it can be in high temperature, low temperature, water, the universe, radioactive and other toxic, pollution of the environment under the conditions of operation, but also show its superiority, there are broad development prospects.
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.
Key Words: Robot, structure design, stepper motor, rotary
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒 論 1
1.1機(jī)器人的特點(diǎn) 1
1.2機(jī)器人的組成 2
1.2.1執(zhí)行機(jī)構(gòu) 2
1.2.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 2
1.2.3控制機(jī)構(gòu) 2
1.3噴涂機(jī)器人 3
1.3 本文研究主要內(nèi)容 3
第2章 機(jī)器人機(jī)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì) 4
2.1噴涂機(jī)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(biāo)形式的選擇 4
2.1.3規(guī)格參數(shù) 6
2.1.4有效負(fù)載 6
2.1.4運(yùn)動(dòng)特性 6
2.2 噴涂機(jī)器人材料的選擇 7
2.3機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式 8
2.4噴涂機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)元件 8
2.5 機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì) 9
2.6 立柱回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 10
第3章 噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12
3.1 機(jī)器人腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 12
3.2 機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
3.3 機(jī)器人腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
3.4 機(jī)器人末端執(zhí)行器（手爪）的設(shè)計(jì) 15
3.6 大小臂(關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3)電機(jī)的計(jì)算與型號(hào)選擇 15
3.6.1 電機(jī)的計(jì)算 15
3.7 主要零件材料的選擇與強(qiáng)度校核 16
3.7.1 齒輪系材料的選擇 16
3.7.2 齒輪副的強(qiáng)度校核 17
3.8本章小結(jié) 20
第4章 大、小臂部結(jié)構(gòu) 20
4.1 大、小臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 20
4.2 大、小臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22
總結(jié)與展望 26
參考文獻(xiàn) 27
致 謝 29
第1章 緒論
第1章 緒 論
隨著人類科技的進(jìn)步，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)器人學(xué)成為近幾十年來(lái)迅速發(fā)展的一門綜合學(xué)科。它體現(xiàn)了光機(jī)電一體化技術(shù)的最新成就，機(jī)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(huì)中，凡是有機(jī)械活動(dòng)的地方，都能看到機(jī)器人的身影。機(jī)器人產(chǎn)品的應(yīng)用已經(jīng)由核工業(yè)和軍事科技等高端科學(xué)領(lǐng)域向醫(yī)療、農(nóng)業(yè)甚至是服務(wù)娛樂(lè)等民用領(lǐng)域發(fā)展了，并且各式各樣的機(jī)器人正在涌現(xiàn)出來(lái)，以驚人的速度延伸到人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。機(jī)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(jī)器人善于完成重復(fù)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(jī)器人的出現(xiàn)又大大解放了人類的生產(chǎn)力。所以說(shuō)機(jī)器人的發(fā)展是社會(huì)發(fā)展的結(jié)果，也是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。現(xiàn)在，很多發(fā)達(dá)國(guó)家都追逐著機(jī)器人這一發(fā)展趨勢(shì)，積極地進(jìn)行著機(jī)器人的各種開發(fā)和研制的工作，并且其中一些國(guó)家已經(jīng)取代了不錯(cuò)的成果，研制出了許多新型且實(shí)用的機(jī)器人或者是機(jī)器人。例如：日本的跳舞機(jī)器人、犬型機(jī)器人愛(ài)寶(AIBO)；。英國(guó)研制的履帶式“手推車”及“超級(jí)手推車”排爆機(jī)器人；美國(guó)iRobot公司推出了能避開障礙，自動(dòng)設(shè)計(jì)行進(jìn)路線吸塵器機(jī)器人Roomba；上海世博會(huì)使用過(guò)的福娃機(jī)器人等等。
由于機(jī)器人的迅猛發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入學(xué)校教學(xué)是必然的。三自由度機(jī)器人作為是機(jī)器人的典型產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)及應(yīng)用對(duì)機(jī)電一體化、機(jī)械結(jié)構(gòu)工藝、機(jī)械制造、自動(dòng)化、電子信息等專業(yè)的教學(xué)及研究都有著很重要的意義。
1.1機(jī)器人的特點(diǎn)
1機(jī)器人能進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)，降低成本。就本次設(shè)計(jì)的噴涂機(jī)器人而言，它能不間斷的搬運(yùn)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(jī)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(huì)使產(chǎn)品質(zhì)量受工人狀態(tài)起伏而影響。對(duì)于某些高精度產(chǎn)品，人工送取會(huì)產(chǎn)生人工污染。
3機(jī)器人能改善勞動(dòng)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(chǎng)合中，人工操作會(huì)有危險(xiǎn)，機(jī)器人能代替人工作，改善了人們的勞動(dòng)條件。
4機(jī)器人能持久、耐勞，可以把人從繁重的勞動(dòng)中解放出來(lái)，人在連續(xù)工作幾個(gè)小時(shí)后，總會(huì)感到疲勞或厭倦，以機(jī)器人代替人進(jìn)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(jī)器人的靈活性、通用性強(qiáng)。它能通過(guò)更換部件來(lái)適應(yīng)不同產(chǎn)品的生產(chǎn)。并通過(guò)改變程序和自由度來(lái)達(dá)到迅速改變作業(yè)的可能性。這樣機(jī)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(jī)器人的組成
工業(yè)機(jī)器人是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。
1.2.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)
一般機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)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(jī)構(gòu)組成。
1.2.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等形式。不過(guò)目前還是以液壓和氣動(dòng)用的最多。
液壓驅(qū)動(dòng)具有體積小、出力大、控制性能好、動(dòng)作平穩(wěn)等特點(diǎn)，它利用油缸、馬達(dá)加上齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；利用擺動(dòng)油缸、馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)具有潤(rùn)滑性能好、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好。定位精度高，克實(shí)現(xiàn)任意位置開停。有很多專業(yè)機(jī)器人能直接利用主機(jī)的液壓系統(tǒng)。但缺點(diǎn)是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。
氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉。氣源方便，所需的壓縮氣源一般工廠都有，并且無(wú)污染，一般采用的壓力0.4-0.6MPa,最高可達(dá)1MPa。缺點(diǎn)是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤(rùn)滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。
電動(dòng)由于減速和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜, 很少采用。機(jī)械式用于簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。
1.2.3控制機(jī)構(gòu)
機(jī)器人的控制方式有點(diǎn)動(dòng)和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)是用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)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(biāo)位置，并注意其加速度特性。
1.3噴涂機(jī)器人
噴涂機(jī)器人又叫噴漆機(jī)器人（spray painting robot）， 是可進(jìn)行自動(dòng)噴漆或噴涂其他涂料的工業(yè)機(jī)器人，1969年由挪威Trallfa公司（后并入ABB集 團(tuán)）發(fā)明。噴漆機(jī)器人主要由機(jī)器人本體、計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成，液壓驅(qū)動(dòng)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)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運(yùn)動(dòng)空間，并可做復(fù)雜的軌跡運(yùn)動(dòng)，其腕部一般有2～3個(gè)自由度，可靈活運(yùn)動(dòng)。較先進(jìn)的噴漆機(jī)器人腕部采用柔性手腕，既可向各個(gè)方向 彎曲，又可轉(zhuǎn)動(dòng)，其動(dòng)作類似人的手腕，能方便地通過(guò)較小的孔伸入工件內(nèi)部，噴涂其內(nèi)表面。噴漆機(jī)器人一般采用液壓驅(qū)動(dòng)，具有動(dòng)作速度快、防爆性能好等特 點(diǎn)，可通過(guò)手把手示教或點(diǎn)位示數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)示教。噴漆機(jī)器人廣泛用于汽車、儀表、電器、搪瓷等工藝生產(chǎn)部門。[1][2]
噴涂機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)（1）柔性大。工作范圍大大。（2）提高噴涂質(zhì)量和材料使用率。（3）易于操作和維護(hù)?？呻x線編程，大大的縮短現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間。（4）設(shè)備利用率高。噴涂機(jī)器人的利用率可達(dá)90%-95%。
1.3 本文研究主要內(nèi)容
通過(guò)利用網(wǎng)絡(luò)工具、圖書館的書籍和各類期刊、雜志查閱了解噴涂機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)，確定本設(shè)計(jì)符合要求，滿足需要。具體設(shè)計(jì)方法如下：
1、查閱資料、結(jié)合所學(xué)專業(yè)課程，產(chǎn)生噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本思路，
2、查閱各類機(jī)械機(jī)構(gòu)手冊(cè)，確定合理的噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)；
3根據(jù)給定技術(shù)參數(shù)來(lái)選擇合適的手部、腕部、臂部等部位
4、重點(diǎn)對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究；
5、通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外情況，確定本設(shè)計(jì)課題的重點(diǎn)設(shè)計(jì)；
6、完成2D裝配圖的設(shè)計(jì)和繪制，并由此繪制零件圖：
7、編寫設(shè)計(jì)說(shuō)明書；
8、檢查并完善本設(shè)計(jì)課題。
本設(shè)計(jì)采用的方法是理論設(shè)計(jì)與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合的方案，所運(yùn)用的資料來(lái)源廣泛，內(nèi)容充足。
31
第2章 本章標(biāo)題
第2章 機(jī)器人機(jī)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì)
本文的重要任務(wù)是完成噴涂機(jī)器人的設(shè)計(jì)，本章內(nèi)容是圍繞噴涂機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)來(lái)展開，介紹噴涂機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。
2.1噴涂機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)確定
表示機(jī)器人特性的基本技術(shù)參數(shù)主要有自由度、坐標(biāo)形式的選擇、
2.1.1自由度
自由度是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)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(jī)器人靈活的尺度，在三維空間中描述一個(gè)物體的位置和姿態(tài)需要六個(gè)自由度。
噴涂機(jī)器人的自由度越多，越接近人手的動(dòng)作機(jī)能，其通用性就越好，但是結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜，自由度的增加也意味著噴涂機(jī)器人整體重量的增加。輕型化與靈活性和抓取能力是一對(duì)矛盾，，此外還要考慮到由此帶來(lái)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(jī)器人基于對(duì)定位精度和重復(fù)定位精度以及結(jié)構(gòu)剛性的考慮，往往體積龐大，負(fù)荷能力與其自重相比往往非常小。一般通用噴涂機(jī)器人有5～6個(gè)自由度即可滿足使用要求（其中臂部有3個(gè)自由度，腕部和行走裝置有2～3個(gè)自由度），專用噴涂機(jī)器人有1～2個(gè)自由度即可滿足使用要求。
2.1.2坐標(biāo)形式的選擇
噴涂機(jī)器人的坐標(biāo)形式主要可分為：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型另外還有比較復(fù)雜的SCARA型和并聯(lián)型
1直角坐標(biāo)型噴涂機(jī)器人：這類噴涂機(jī)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(guò)沿三個(gè)互相垂直軸線的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該形式噴涂機(jī)器人具有位置精度高，控制無(wú)耦合、簡(jiǎn)單，壁障性好等特點(diǎn)。但結(jié)構(gòu)較龐大，動(dòng)作范圍小，靈活性差，且移動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積大。而且需架空線路。
2圓柱坐標(biāo)型噴涂機(jī)器人：這種噴涂機(jī)器人如圖2-1（b）的回轉(zhuǎn)型噴涂機(jī)器人，通過(guò)兩個(gè)移動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手部空間位置的改變，手臂的運(yùn)動(dòng)系由垂直立柱平面內(nèi)的伸縮和沿立柱的升降兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)及手臂繞立柱的轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合而成。這種噴涂機(jī)器人，占地面積小而活動(dòng)范圍較大，結(jié)構(gòu)亦較簡(jiǎn)單，并能達(dá)到較高的定位精度，因而應(yīng)用范圍較廣泛。機(jī)身采用立柱式，噴涂機(jī)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(gè)移動(dòng)軸的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。
3球坐標(biāo)型機(jī)器人： 這類噴涂機(jī)器人如圖2-1（c）的俯仰型噴涂機(jī)器人，其手臂沿X方向伸縮，繞Y軸俯仰和繞Z軸回轉(zhuǎn)。這類噴涂機(jī)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(diǎn)，能與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，但避障性差，存在著平衡問(wèn)題，位置誤差與臂長(zhǎng)有關(guān)。
4關(guān)節(jié)坐標(biāo)型噴涂機(jī)器人：如圖2-1（d）的屈伸型噴涂機(jī)器人，主要由立柱、前臂和后臂組成。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(jī)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(wèn)題，故比較復(fù)雜。
圖2. 1噴涂機(jī)器人的坐標(biāo)形式
圖2- 2 噴涂機(jī)器人基本形式示意圖
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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
2.1.4有效負(fù)載
有效負(fù)載是指機(jī)器人操作臂在工作時(shí)臂端可能搬運(yùn)的物體重量或所能承受的力或力矩，它表示了噴涂機(jī)器人的負(fù)載能力。機(jī)器人的載荷不僅僅取決于負(fù)載的質(zhì)量，還與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(fù)載是指高速運(yùn)行時(shí)的有效負(fù)載。
2.1.4運(yùn)動(dòng)特性
速度和加速度是表明機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性的主要指標(biāo)。它反映了機(jī)器人的使用效率和生產(chǎn)水平，噴涂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(dòng)也越大，因此提高機(jī)器人的加減速速能力，保證機(jī)器人加速過(guò)程的平穩(wěn)性是非常重要的。對(duì)于本文中的噴涂機(jī)器人，在沒(méi)有負(fù)載時(shí)可以適當(dāng)?shù)丶涌炱溥\(yùn)動(dòng)速度;而在其有負(fù)載時(shí)，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(wù)必要盡量減少手臂的運(yùn)動(dòng)速度?？偟膩?lái)說(shuō)，噴涂機(jī)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。
2.2 噴涂機(jī)器人材料的選擇
機(jī)器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的實(shí)際工作情況來(lái)進(jìn)行選擇，在滿足機(jī)器人的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)要求前提下。從設(shè)計(jì)的理論出發(fā)，機(jī)器人手臂要進(jìn)行各種運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件，它應(yīng)是輕型材料并要求有一定剛度。另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)，這必然大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。所以在選擇材料時(shí)，需要對(duì)質(zhì)量、剛度、強(qiáng)度、彈性進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的運(yùn)動(dòng)性能。此外，機(jī)器人手臂選用的材料與一般的結(jié)構(gòu)材料不同。機(jī)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(shí)，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(jī)器人手臂的材料時(shí)，要綜合考慮強(qiáng)度、剛度、重量、彈性、抗震性、外觀及價(jià)格等多方面因素。下面介紹幾種機(jī)器人手臂常用的材料
7]：
(l)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼等高強(qiáng)度鋼:這類材料強(qiáng)度好，尤其是合金結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度增加了很多倍、彈性模量大、抗變形能力強(qiáng)，是應(yīng)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(diǎn)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(guó)外已經(jīng)設(shè)計(jì)出純陶瓷的噴涂機(jī)器人臂了。
從本文設(shè)計(jì)的噴涂機(jī)器人的角度來(lái)看，在選用材料時(shí)不需要很大的負(fù)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(jī)械臂的構(gòu)件。
2.3機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式
根據(jù)主要的運(yùn)動(dòng)參數(shù)選擇運(yùn)動(dòng)形式是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。常見的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式有五種:直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型和SCARA型。同一種運(yùn)動(dòng)形式為適應(yīng)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(chǎng)、位置以及搬運(yùn)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。
考慮到噴涂機(jī)器人的作業(yè)特點(diǎn)，即要求其動(dòng)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(diǎn)，故選用關(guān)節(jié)型噴涂機(jī)器人。這類噴涂機(jī)器人一般由2個(gè)肩關(guān)節(jié)和1個(gè)肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由2個(gè)或3個(gè)腕關(guān)節(jié)進(jìn)行定向。其中，一個(gè)肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)肩關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)俯仰。這兩個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線正交。肘關(guān)節(jié)平行于第二個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線，如圖所示。這種構(gòu)形動(dòng)作靈活、工作空間大、在作業(yè)時(shí)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(duì)運(yùn)動(dòng)部位容易密封防塵。但是這類噴涂機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)比較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)學(xué)的反解比較困難;確定末端桿件的姿態(tài)不夠直觀，且在進(jìn)行控制時(shí)，計(jì)算量比較大。
圖2.4 常見的運(yùn)動(dòng)方式
2.4噴涂機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)元件
在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電氣驅(qū)動(dòng)是利用各種電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力或力矩，直接或經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)，來(lái)獲得動(dòng)力。電氣驅(qū)動(dòng)主要有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)、直線電動(dòng)機(jī)以及最近幾年出現(xiàn)的超聲波電機(jī)和HD電動(dòng)機(jī)
等幾種。
步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就進(jìn)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(jìn)電機(jī)可在很寬的范圍內(nèi)，通過(guò)脈沖頻率同步，能夠按照脈沖要求進(jìn)行起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)變速，有較強(qiáng)的阻礙偏離穩(wěn)定的能力。在機(jī)器人中位置控制系統(tǒng)中得到了極大的應(yīng)用。主要有永磁式、反應(yīng)式、永磁感應(yīng)子式三種。
直流伺服電機(jī)是用直流電供電的電動(dòng)機(jī)。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(jī)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)均與普通動(dòng)力用直流電機(jī)相同。特點(diǎn)是穩(wěn)定性好、可控性好、響應(yīng)迅速、轉(zhuǎn)矩大。一般有永磁式和電磁式，在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中多采用永磁式直流伺服電機(jī)。.
交流伺服電機(jī)的使用情況與直流伺服電機(jī)相同，但交流伺服電機(jī)與直流伺服電機(jī)相.比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、功率大、過(guò)載能力強(qiáng)、無(wú)電刷、維修方便，因而交流伺服電機(jī)是今后機(jī)器人用電機(jī)的主流。
低速電機(jī)主要用于系統(tǒng)精度要求高的機(jī)器人。為了提高功率效率比，伺服電機(jī)制成高轉(zhuǎn)速，經(jīng)齒輪減速后帶動(dòng)機(jī)械負(fù)載。由于齒輪傳動(dòng)存在間隙，系統(tǒng)精度不易提高，若對(duì)功率效率比要求不十分嚴(yán)格，而對(duì)于精度有嚴(yán)格的要求，則最好取消減速齒輪，采用大力矩的低速電機(jī)，配以高分辨率的光電編碼器及高靈敏度的測(cè)速發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。環(huán)形超聲波電動(dòng)機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，使用在機(jī)器人的關(guān)節(jié)處，不需齒輪減速，可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)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(dòng)機(jī)是一種小型大轉(zhuǎn)矩(大推力)的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)可直接與負(fù)載連接，可應(yīng)用在系統(tǒng)定位精度要求高的機(jī)器人產(chǎn)品中。
通過(guò)上述對(duì)幾種機(jī)器人常用電機(jī)的分析和比較，綜合考慮本文噴涂機(jī)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(dòng)和制動(dòng)，所以選擇應(yīng)用較為廣泛
的直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
2.5 機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)
綜合考慮噴涂機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)和作業(yè)環(huán)境，采用了5 個(gè)自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)器人。整個(gè)機(jī)構(gòu)的水平運(yùn)動(dòng)采用小車來(lái)實(shí)現(xiàn)，即整個(gè)機(jī)構(gòu)裝在一個(gè)小車上。整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一個(gè)4 自由度的串行機(jī)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(dòng)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(dòng)力矩小，能量消耗較少，關(guān)節(jié)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部位容易密封防塵。噴涂機(jī)器人部件組成由小車、立柱回轉(zhuǎn)部件、大臂、小臂、末端執(zhí)行器（噴涂頭）組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1。該機(jī)器人的5 個(gè)自由度分別為：小車的移動(dòng)、立柱回轉(zhuǎn)、大臂回轉(zhuǎn)、小臂肘部回轉(zhuǎn)、腕部仰俯（噴涂頭部分的仰俯）。
各部分的功能如下：
1) 小車是行走機(jī)構(gòu)，是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都安裝在小車的基座上。
2) 立柱是手臂的支撐部分，通過(guò)安裝在小車底座上的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，立柱可以在機(jī)座上轉(zhuǎn)動(dòng)。
3) 手臂包括大臂和小臂，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要運(yùn)動(dòng)部件，以實(shí)現(xiàn)空間位置的3 個(gè)坐標(biāo)分量的要求，用來(lái)支承腕關(guān)節(jié)，并使其在工作空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)。為了使末端執(zhí)行器能達(dá)到工作空間的任意位置，手臂和腰部的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)上具有4 個(gè)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(lái)夾緊作業(yè)工具—噴涂頭。
2.6 立柱回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)
立柱的回轉(zhuǎn)關(guān)鍵由基座、帶減速裝置的步進(jìn)電機(jī)、回轉(zhuǎn)軸組成，如圖2。執(zhí)行機(jī)構(gòu)在基座上回轉(zhuǎn)。
由于機(jī)器人為開鏈結(jié)構(gòu)，整個(gè)大臂、小臂、手腕、噴涂頭的重量均由肩關(guān)節(jié)承擔(dān)，因此肩關(guān)節(jié)所受的驅(qū)動(dòng)力矩較大。手腕由轉(zhuǎn)軸、殼體部、減速器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸等組成。通過(guò)連軸器、驅(qū)動(dòng)軸來(lái)帶動(dòng)手腕工作。機(jī)器人在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，除了小車的運(yùn)動(dòng)和腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)外，其他的運(yùn)動(dòng)是相互耦合的。
大臂和小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)如圖3。
1、帶減速裝置的電機(jī)；2、聯(lián)軸器；3、轉(zhuǎn)動(dòng)軸；4、螺釘連接；5、卡環(huán)；6、悶蓋；7、鍵連接；8、軸承連接
圖3 大臂和小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)裝配圖
大臂和小臂回轉(zhuǎn)通過(guò)帶有減速裝置的電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。除立柱回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)之外的3 個(gè)回轉(zhuǎn)
第3章 噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 機(jī)器人腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
工業(yè)機(jī)器人腰座，就是圓柱坐標(biāo)機(jī)器人，球坐標(biāo)機(jī)器人及關(guān)節(jié)型機(jī)器人的回轉(zhuǎn)基座。它是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部分全部安裝在腰座上，它承受了機(jī)器人的全部重量[4]。在設(shè)計(jì)機(jī)器人腰座結(jié)構(gòu)時(shí)，要注意以下設(shè)計(jì)原則：
(1) 腰座要有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)器人在工作時(shí)整體安裝的穩(wěn)定性。
(2) 腰座要承受機(jī)器人全部的重量和載荷，因此，機(jī)器人的基座和腰部軸及軸承的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力。
(3) 機(jī)器人的腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對(duì)機(jī)器人末端的運(yùn)動(dòng)精度影響最大，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意腰部軸系及傳動(dòng)鏈的精度與剛度的保證。
(4) 腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置，它包括驅(qū)動(dòng)器（電動(dòng)、液壓及氣動(dòng)）及減速器。驅(qū)動(dòng)裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動(dòng)器。
(5) 腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。腰部與機(jī)器人手臂的聯(lián)結(jié)要有可靠的定位基準(zhǔn)面，以保證各關(guān)節(jié)的相互位置精度。要設(shè)有調(diào)整機(jī)構(gòu)，用來(lái)調(diào)整腰部軸承間隙及減速器的傳動(dòng)間隙。
(6) 為了減輕機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分的慣量，提高機(jī)器人的控制精度，一般腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部分的殼體是由比重較小的鋁合金材料制成，而不運(yùn)動(dòng)的基座是用鑄鐵或鑄鋼材料制成。
腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)形式要么是電機(jī)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，要么是通過(guò)擺動(dòng)液壓缸或液壓馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)，目前的趨勢(shì)是用前者。因?yàn)殡妱?dòng)方式控制的精度能夠很高，而且結(jié)構(gòu)緊湊，不用設(shè)計(jì)另外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件?？紤]到腰座是機(jī)器人的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對(duì)機(jī)器人的最終精度影響大，故采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[5]。一般電機(jī)都不能直接驅(qū)動(dòng)，考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求，采用大傳動(dòng)比的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行減速和扭矩的放大。因?yàn)辇X輪傳動(dòng)存在著齒側(cè)間隙，影響傳動(dòng)精度，故采用一級(jí)齒輪傳動(dòng)，采用大的傳動(dòng)比（大于100），同時(shí)為了減小機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)，齒輪采用高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造，盡量減小因齒輪傳動(dòng)造成的誤差。
基座是一個(gè)鋁制的整體鑄件，其上裝有關(guān)節(jié)1的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在基座內(nèi)安置了關(guān)節(jié)1的回轉(zhuǎn)軸及其軸承、軸承座等。
3.2 機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人所要求的工作空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)[6]。在進(jìn)行機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循下述原則；
(1) 應(yīng)盡可能使機(jī)器人手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點(diǎn)，這樣可以使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆運(yùn)算簡(jiǎn)化，有利于機(jī)器人的控制。
(2) 機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機(jī)器人手臂的長(zhǎng)度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有密切的關(guān)系。但機(jī)器人手臂末端工作空間并沒(méi)有考慮機(jī)器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對(duì)機(jī)器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實(shí)現(xiàn)的空間要小于上述沒(méi)有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。
(3) 為了提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度與控制精度，應(yīng)在保證機(jī)器人手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，通常選用高強(qiáng)度鋁合金制造機(jī)器人手臂。目前，在國(guó)外，也在研究用碳纖維復(fù)合材料制造機(jī)器人手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度高，抗振性好，比重小（其比重相當(dāng)于鋼的1/4，相當(dāng)于鋁合金的2/3），但是，其價(jià)格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復(fù)雜形狀工件的工藝上尚存在問(wèn)題，故還未能在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。目前比較有效的辦法是用有限元法進(jìn)行機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證所需強(qiáng)度與剛度的情況下，減輕機(jī)器人手臂的重量。
(4) 機(jī)器人各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。因此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。
(5) 機(jī)器人的手臂相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對(duì)減小電機(jī)負(fù)載和提高機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度是非常有利的[7]。在設(shè)計(jì)機(jī)器人的手臂時(shí)，應(yīng)盡可能利用在機(jī)器人上安裝的機(jī)電元器件與裝置的重量來(lái)減小機(jī)器人手臂的不平衡重量，必要時(shí)還要設(shè)計(jì)平衡機(jī)構(gòu)來(lái)平衡手臂殘余的不平衡重量。
(6) 機(jī)器人手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開關(guān)和具有一定緩沖能力的機(jī)械限位塊，以及驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其它元件的安裝。
機(jī)器人的俯仰關(guān)節(jié)手臂（大臂）和俯仰關(guān)節(jié)手臂（大臂）。直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)一般是氣動(dòng)傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)以及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現(xiàn)?？紤]到機(jī)器人的動(dòng)態(tài)性能及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，安全性，對(duì)手臂的剛度有較高的要求。不用再設(shè)計(jì)另外的執(zhí)行件了；而且液壓缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的控制。
因?yàn)橐簤合到y(tǒng)能提供很大的驅(qū)動(dòng)力，因此在驅(qū)動(dòng)力和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都是比較容易實(shí)現(xiàn)的，關(guān)鍵是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和剛度的滿足。因此手臂液壓缸的設(shè)計(jì)原則是缸的直徑取得大一點(diǎn)（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進(jìn)行強(qiáng)度的較核。
同時(shí)，因?yàn)榭刂坪途唧w工作的要求，機(jī)器人的手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅僅通過(guò)增大液壓缸的缸徑來(lái)增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)另外增設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，小臂增設(shè)了兩個(gè)導(dǎo)桿，與活塞桿一起構(gòu)成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設(shè)了四個(gè)導(dǎo)桿，成正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個(gè)導(dǎo)桿均采用空心結(jié)構(gòu)。通過(guò)增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問(wèn)題。
3.3 機(jī)器人腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)器人的手臂運(yùn)動(dòng)（包括腰座的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)），給出了機(jī)器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動(dòng)位置，而安裝在機(jī)器人手臂末端的手腕，則給出了機(jī)器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)[8]。機(jī)器人手腕是機(jī)器人操作機(jī)的最末端，它與機(jī)器人手臂配合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動(dòng)作。
(1) 機(jī)器人手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來(lái)設(shè)計(jì)。機(jī)器人手腕自由度數(shù)目愈多，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度愈大，則機(jī)器人腕部的靈活性愈高，機(jī)器人對(duì)對(duì)作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強(qiáng)。但是，自由度的增加，也必然會(huì)使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，機(jī)器人的控制更困難，成本也會(huì)增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求來(lái)確定。在滿足作業(yè)要求的前提下，應(yīng)使自由度數(shù)盡可能的少。一般的機(jī)器人手腕的自由度數(shù)為2至3個(gè)，有的需要更多的自由度，而有的機(jī)器人手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運(yùn)動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)作業(yè)要求的任務(wù)。因此，要具體問(wèn)題具體分析，考慮機(jī)器人的多種布局，運(yùn)動(dòng)方案，選擇滿足要求的最簡(jiǎn)單的方案[9]。
(2) 機(jī)器人腕部安裝在機(jī)器人手臂的末端，在設(shè)計(jì)機(jī)器人手腕時(shí)，應(yīng)力求減少其重量和體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊。為了減輕機(jī)器人腕部的重量，腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器采用分離傳動(dòng)。腕部驅(qū)動(dòng)器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅(qū)動(dòng)，并選用高強(qiáng)度的鋁合金制造。
(3) 機(jī)器人手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)接法蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。
(4) 機(jī)器人的手腕機(jī)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證力與運(yùn)動(dòng)的傳遞。
(5) 要設(shè)有可靠的傳動(dòng)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動(dòng)精度。
(6) 手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)要有限位開關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機(jī)械損壞。
3.4 機(jī)器人末端執(zhí)行器（手爪）的設(shè)計(jì)
機(jī)器人末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)器人手腕上用來(lái)進(jìn)行某種操作或作業(yè)的附加裝置。機(jī)器人末端執(zhí)行器的種類很多，以適應(yīng)機(jī)器人的不同作業(yè)及操作要求[10]。末端執(zhí)行器可分為搬運(yùn)用、加工用和測(cè)量用等。
搬運(yùn)用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來(lái)抓取或吸附被搬運(yùn)的物體。
加工用末端執(zhí)行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機(jī)器人附加裝置，用來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的加工作業(yè)。
機(jī)器人夾持器及機(jī)器人手爪。一般工業(yè)機(jī)器人手爪，多為雙指手爪。按手指的運(yùn)動(dòng)方式，可分為回轉(zhuǎn)型和型，按夾持方式來(lái)分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種[12]。機(jī)器人夾持器
電動(dòng)驅(qū)動(dòng)手爪應(yīng)用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動(dòng)力和力矩。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式可實(shí)現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅(qū)動(dòng)方式不能用于有防爆要求的條件下，因?yàn)殡姍C(jī)有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。
3.6 大小臂(關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3)電機(jī)的計(jì)算與型號(hào)選擇
3.6.1 電機(jī)的計(jì)算
在確定握力時(shí)，考慮傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和震動(dòng)，以保證夾持安全可靠。另外，電動(dòng)機(jī)根據(jù)運(yùn)行距離及電機(jī)的脈沖當(dāng)量算出脈沖數(shù)，將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，可以達(dá)到非常高的位姿準(zhǔn)確度。綜上所述，本文選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)為機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式。
假設(shè)本文設(shè)計(jì)攜帶噴漆物料 m=3Kg，設(shè)螺紋為 M8，其中徑 r=3.6mm，螺距 P=1mm，當(dāng)量摩擦系數(shù) f=0.1，Q為軸向載荷，M為螺紋驅(qū)動(dòng)力矩。手指材料為鋁合金，鋁合金與常用材料的磨擦系數(shù)如表3.1所示:
表3.1 主要工程材料摩擦系數(shù)
摩擦副材料
靜摩擦系數(shù)
鋁合金
黃 銅
0.27
青 銅
0.22
鋼
0.3
膠 木
0.34
鋼 紙
0.32
樹 脂
0.28
硬橡膠
0.25
石 板
0.26
從表3.1可以看出鋁合金與不同材料的靜摩擦系數(shù)趨近于0.3，所以取末端執(zhí)行器手指之間的靜摩擦系數(shù)，則：
(3-1)
螺紋增力比
（3-2）
式中 ——當(dāng)量摩擦角，= ；
——螺紋升角，=
帶入數(shù)據(jù),得, 得
（3-3）
選用齒輪傳動(dòng)比 n=1:1，忽略齒輪傳動(dòng)摩擦及軸承滾動(dòng)摩擦力矩，根據(jù)上述計(jì)算，我們選擇了博美德(黃岡)機(jī)械有限公司公司生產(chǎn)的 SM40-001-30LFB 型伺服電機(jī)，它的保持轉(zhuǎn)矩為 100，滿足設(shè)計(jì)要求。
3.7 主要零件材料的選擇與強(qiáng)度校核
3.7.1 齒輪系材料的選擇
對(duì)齒輪材料性能的基本要求為齒面要硬，齒心要韌。鋼材韌性好，耐沖擊，容易通過(guò)熱處理來(lái)改善其機(jī)械性能和提高硬度，是制造齒輪最常用的材料。
對(duì)于強(qiáng)度、速度和精度要求不高的齒輪傳動(dòng)，可以采用軟齒面齒輪。軟齒面齒輪的齒面硬度低于350HBS，熱處理方法為調(diào)制或正火，常用材料有45號(hào)鋼和40Cr等。加工方法一般為熱處理后切齒，切制后即為成品，精度一般為8級(jí)。本文設(shè)計(jì)的齒輪副速度要求不高，所以設(shè)計(jì)選用40Cr為材料，軟齒面即可滿足傳動(dòng)要求。
3.7.2 齒輪副的強(qiáng)度校核
輪齒在受載荷時(shí)，齒根所受的彎矩最大，因此齒根處的彎曲疲勞強(qiáng)度最弱。對(duì)于制造精度較低的傳動(dòng)齒輪，由于制造誤差大，實(shí)際上多由在齒頂處咬合的輪齒分擔(dān)較多的載荷，為便于計(jì)算，通常按全部載荷作用于齒頂來(lái)計(jì)算齒根的彎曲強(qiáng)度。
本文設(shè)計(jì)的是直齒圓柱齒輪，齒數(shù)Z=30，模數(shù)=1 mm，齒寬b=4mm,節(jié)圓直徑，齒形角度，齒輪副的傳動(dòng)比u=1:1。電機(jī)傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩T=90。那么齒輪所受的圓周力
（3-4）
對(duì)于齒輪的校核將從兩方面來(lái)計(jì)算：
1) 齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核
齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核公式為；
（3-5）
式中： 為區(qū)域系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)直齒輪=2.5；
K為載荷系數(shù)，此處取K=1.8；
為彈性影響系數(shù)，查得=188；
為接觸疲勞許用應(yīng)力
（3-6）
其中： 為接觸疲勞壽命系數(shù)，取=0.95；
齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限，查得=550；
S為安全系數(shù)，取S=1。
從而求得： =522.5
將所有已知量帶入(3-6)式，求得：
=199.5=522.5
從齒面接觸疲勞強(qiáng)度上來(lái)說(shuō)，齒輪是合格的。
(2）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核）
本文設(shè)計(jì)中的齒輪為一懸臂梁。
齒根危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)度條件式為
（3-7）
式中：為齒根危險(xiǎn)截面處的理論彎曲應(yīng)力；
為載荷作用于齒頂時(shí)的應(yīng)力校正系數(shù)，取=1.625；
為載荷作用于齒頂時(shí)的齒形系數(shù)，取=2.52；
為彎曲疲勞許用應(yīng)力
（3-8）
其中： 為彎曲疲勞壽命系數(shù)，查得=0.88；
為彎曲疲勞強(qiáng)度極限，取=380；
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4。
從而求得： =238.86
將所有已知量帶入(7)式，求得：
=5.53=238.86
以上計(jì)算可知，設(shè)計(jì)的齒輪副是合格的。
(3)殼體件材料的選擇
機(jī)械手臂的殼體可以全部選用硬鋁合金分段鑄造加工而成。本文選用的是ZAlSi9Mg，這是一種硬鋁材料，強(qiáng)度大、質(zhì)量輕，完全符合本文的設(shè)計(jì)要求。
機(jī)械手指不是殼體機(jī)構(gòu)，它是實(shí)體的。本文設(shè)計(jì)的手指材料也選用同樣的鋁合金。這有利于材料的購(gòu)買，同樣這種材料是滿足設(shè)計(jì)要求的。材料ZAlSi9Mg的彎曲應(yīng)力240，手指抓去的最大質(zhì)量為3000g，重力為29.4N。對(duì)比兩者的力學(xué)性能和受力情況，很顯然此材料來(lái)制造手指遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足設(shè)計(jì)中的要求。，不會(huì)出現(xiàn)手指彎曲變形的情況。
(4)本體支撐件材料的選擇和校核
（a）材料的選擇
機(jī)械臂支撐件由于與連接件之間為滑動(dòng)摩擦,需要選取一種耐摩擦,同時(shí)要求強(qiáng)度大,質(zhì)量輕,價(jià)格便宜的材料來(lái)制造。
工程塑料擁有良好的綜合性能,其強(qiáng)度、剛度、沖擊韌性、抗疲勞等不較高,特別是擁有很高的耐磨性。它可以在無(wú)潤(rùn)滑油的情況下有效的進(jìn)行工作。由于它相對(duì)密度小,因此其強(qiáng)度高。
聚甲醛(POM)是一種比較常用的工程塑料。它是以線性結(jié)晶高聚甲醛樹脂為基礎(chǔ)的。它有著高強(qiáng)度、高彈性模量等優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。其強(qiáng)度和金屬近似,摩擦因數(shù)小并有自潤(rùn)滑性,因而耐磨性好。聚甲醛材料是一種相當(dāng)便宜的材料。
由于本設(shè)計(jì)中的負(fù)荷低,機(jī)構(gòu)的速度不快,從而此處選擇有聚甲醛這種工程塑料來(lái)制造手部的導(dǎo)向軸。
（b）支撐件的校核
支撐件是用來(lái)支撐機(jī)器人主要機(jī)械機(jī)構(gòu)的，本文中共用兩個(gè)支撐件，直徑各為8mm,手部的兩個(gè)導(dǎo)向軸受力幾乎一樣。手部要把持噴漆物料重量為3Kg。這樣每個(gè)導(dǎo)向軸受到的重量有3Kg。受到的重力僅為29.4N。聚甲醛分為均聚和共聚兩種，使用時(shí)應(yīng)注意它們性能上的區(qū)別。共聚甲醛在短期內(nèi)強(qiáng)度好而均聚甲醛柔軟性好。共聚物比均聚物軟化點(diǎn)高10℃，受載荷時(shí)熱變形溫度高，熱穩(wěn)定性好，成型溫度范圍廣。聚甲醛成型材料的一般性質(zhì)如表3.3所示：
表3.3 聚甲醛成型材料的一般性質(zhì)(23℃)
?
項(xiàng)目
單位
試驗(yàn)方法ASTM
一般型號(hào)
CF增強(qiáng)型號(hào)
均聚物
共聚物
均聚物
共聚物
物理機(jī)械性能
比重
吸水率(24h浸漬)
吸水率*
抗張強(qiáng)度
相對(duì)伸長(zhǎng)
拉伸模量
抗彎強(qiáng)度
彎曲模量
壓縮強(qiáng)度(10%)
剪切強(qiáng)度
懸臂梁（缺口）
沖擊強(qiáng)度(無(wú)缺口)
洛氏硬度
錐度摩擦
摩擦系數(shù)(對(duì)鋼)
摩擦系數(shù)[同材料]
-
%
%
MPa
%
GPa
MPa
GPa
MPa
MPa
J/cm
J/cm
-
Mg/千周
-
-
-
D570
D570
D638
D638
D638
D790
D790
D695
D732
D256
D256
D785
D1044
D1894
-
1.42
0.25
0.22
68.6
40
3.1
97.1
2.82
124.5
65.7
0.745
1.284
M94
-
-
-
1.41
0.22
0.16
60.8
60
2.82
96.1
2.59
107.9
53.0
0.637
11.17
M80
14
0.15
0.35
1.56
0.25
0.20
58.8
12
6.21
73.5
5.03
124.5
65.7
0.431
-
M90
-
-
-
1.61
0.29
-
127.5
3
8.63
193.2
7.55
117.7
66.7
0.843
4.31
M79
40
0.15
0.35
表注: 1. 吸水率*（23℃，50%RH平衡）
聚甲醛的抗壓強(qiáng)度為124.5，抗彎強(qiáng)度為97.1，整個(gè)零件的強(qiáng)度和剛度是非常大的。從每個(gè)件的受力來(lái)看，材料聚甲醛的各個(gè)力學(xué)性能完全滿足本文的設(shè)計(jì)要求。由于聚甲醛的耐摩擦性好，而機(jī)器人速度慢，從摩擦的角度來(lái)說(shuō)，聚甲醛也是理想的支撐件材料。聚甲醛與其他塑料相比，具有自潤(rùn)滑性及低摩擦系數(shù)、低磨耗等特點(diǎn)。其動(dòng)摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)相近，粘接較困難。有報(bào)導(dǎo)與鋼進(jìn)行摩擦試驗(yàn)結(jié)果如表3.4所示：
表3.4 與硬鋁進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)結(jié)果
動(dòng)摩擦系數(shù)
0.21 1
(P1：0.27MPa)
(v1：25cm／s)
比因耗
1.32mm3／(N．m)
臨界Pv值
122kPa. m／s
?
3.8本章小結(jié)
本章介紹手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求及傳動(dòng)方式的選擇的比較，手指的設(shè)計(jì)方案的比較，電機(jī)的計(jì)算與型號(hào)選擇。機(jī)器人機(jī)械臂各零部件所要求的強(qiáng)度、剛度等都不同，應(yīng)該選用不同的材料來(lái)制造加工。所以本章就依據(jù)機(jī)器人在工作過(guò)程中各零部件不同受力情況，以及機(jī)械設(shè)計(jì)的要求選用了不同的材料來(lái)制造零件，并對(duì)零件進(jìn)行了強(qiáng)度校核，使其達(dá)到工作要求。
第4章 大、小臂部結(jié)構(gòu)
4.1 大、小臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求
手臂部件是機(jī)械手的主要部件。它的作用是支承手部，并帶動(dòng)它們做空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的:把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)(方位)抓取物體，則臂部自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部設(shè)計(jì)基本要求:
（1）臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕
臂部通常即受彎曲(而且不僅是一個(gè)方向的彎曲)，也受扭轉(zhuǎn)，應(yīng)選用彎和抗扭剛度較高的截面形狀。很明顯，在截面積和單位重量基本相同的情況下，鋼管、工
字鋼和槽鋼的慣性矩要比圓鋼大得多。所以，機(jī)械手常采用無(wú)縫鋼管作為導(dǎo)向桿，用工字鋼（如圖4.1和4.2所示）或槽鋼作為支撐鋼，這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內(nèi)部還可以布置驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)裝置以及管道，這樣就使結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊。
（2)臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小
在一般情況下，手臂的要求勻速運(yùn)動(dòng)，但在手臂的啟動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊，要求啟動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前減速度不能太大，否則引起沖擊和振動(dòng)。
為減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，應(yīng)采取以下措施:
(a) 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料;
(b) 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸
(c) 減少回轉(zhuǎn)半徑
(d) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置
(3)手臂動(dòng)作應(yīng)靈活。
為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。
(4)位置精度要高。
一般來(lái)說(shuō)，直角和圓柱坐標(biāo)系機(jī)械手位置精度高;關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置最難控制，故精度差;在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測(cè)機(jī)構(gòu)，能較好的控制位置精度。
本文采用鋁合金材料設(shè)計(jì)成薄壁件，一方面保證機(jī)械臂的剛度，另一方面可減小機(jī)械臂的重量，減小基座關(guān)節(jié)電機(jī)的載荷，并且提高了機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。砂型鑄造鑄件最小壁厚的設(shè)計(jì)。最小壁厚：每種鑄造合金都有其適宜的壁厚，不同鑄造合金所能澆注出鑄件的“最小壁厚”也不相同，主要取決于合金的種類和鑄件的大小，見表4.1所示：
鑄件尺寸
鑄鋼
灰鑄鐵
球墨鑄鐵
可鍛鑄鐵
鋁合金
銅合金
＜200×200
200×200~500×500
＞500×500
5~8
10~12
15~20
3~5
4~10
10~15
4~6
8~12
12~20
3~5
6~8
—
3~3.5
4~6
—
3~5
6~8
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表4.1 砂型鑄造鑄件最小壁厚計(jì)（mm）
以上介紹的只是砂型鑄造鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在特種鑄造方法中，應(yīng)根據(jù)每種不同的鑄造方法及其特點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文機(jī)械臂殼體采用鑄造鋁合金。具體尺寸見總裝配圖。
4.2 大、小臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
大臂部結(jié)構(gòu)如圖4.1所示
圖4.1 大臂結(jié)構(gòu)圖
大臂的應(yīng)力圖解如下圖
安全圖解如下圖
大臂的安全系統(tǒng)在接近15之間,說(shuō)明結(jié)構(gòu)很安全的,完全能滿足給定的要求.
小臂部工字鋼結(jié)構(gòu)圖如圖4.2所示：
圖4.2 小臂部結(jié)構(gòu)圖
小臂應(yīng)力圖解
安全系數(shù)圖解
小臂的安全系統(tǒng)在12-15之間,說(shuō)明結(jié)構(gòu)很安全的,完全能滿足給定的要求.
總結(jié)與展望
總結(jié)與展望
總結(jié):
木文設(shè)計(jì)了一種噴涂機(jī)器人，詳細(xì)地設(shè)計(jì)了移動(dòng)噴涂機(jī)器人的各個(gè)部分，在全面分析各個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)研究過(guò)程中所遇到的一些問(wèn)題也進(jìn)行了深入的研究。
噴涂機(jī)器人是一種具有很大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景的機(jī)器人，在不方便操作的地方都扮演著很重要的角色，本次設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括腰關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)和手抓，主要工作如下：
1. 通過(guò)功能和設(shè)計(jì)任務(wù)的分析，初步制定了機(jī)器人的總體方案。
2. 接下來(lái)進(jìn)行了機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
3. 重要零部件的受力分析與校核。
4. 電機(jī)選型與計(jì)算。
5. 主要零件工程圖繪制。
通過(guò)本次設(shè)計(jì)，把大學(xué)期間所學(xué)的知識(shí)都綜合的利用起來(lái)，這再次加深了我對(duì)所學(xué)知識(shí)的印象，提高了我對(duì)知識(shí)的利用能力。但是，由于本人的水平和能力有限，本次設(shè)計(jì)一定存在一些不合理之處，希望老師給予批評(píng)和指正。
展望:
本文所完成的工作達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，但是仍有進(jìn)一步研究的必要，需要進(jìn)一步改進(jìn)的工作是本文在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到的移動(dòng)噴涂機(jī)器人的工作范圍仍然是有限的，在將來(lái)可以集成更多的傳感器在小車的車身上，以便移動(dòng)平臺(tái)能夠更好的適應(yīng)室外的工作環(huán)境。
在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我通過(guò)查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，并向老師請(qǐng)教等方式，使自己學(xué)到了不少知識(shí)，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在設(shè)計(jì)中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹立了對(duì)自己工作能力的信心，相信會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動(dòng)手的能力，使我充分體會(huì)到了在創(chuàng)造過(guò)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(shè)計(jì)過(guò)程中所學(xué)到的東西是這次設(shè)計(jì)的最大收獲和財(cái)富，使我終身受益。
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
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