噴漆機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（機(jī)械CAD圖紙）

1、學(xué) 號_ 密 級_噴漆機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Construction Design of Painting Robot學(xué)生姓名學(xué)生姓名：xxxx所在學(xué)院所在學(xué)院：xxxxxxxxxxxxxxxx所在專業(yè)所在專業(yè)：xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師：xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx職職 稱稱：xxxxxxxxxxxxxxxxxx所在單位所在單位：xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx論文提交日期論文提交日期：xxxxxxxx 年年 x x 月月 xxxx 日日論文答辯日期論文答辯日期：xxxxxxxx 年年 x x 月月 x

2、xxx 日日學(xué)位授予單位學(xué)位授予單位：xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx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)行噴漆作業(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(yùn)而生。本文設(shè)計(jì)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)采用電機(jī)驅(qū)動。本文設(shè)計(jì)的噴漆機(jī)器人采用了類似于鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式。驅(qū)動小臂運(yùn)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(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動，這樣避免了把電機(jī)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

3、，同時減小了驅(qū)動大臂和腰關(guān)節(jié)的電機(jī)所需要的功率與力矩，這種鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)還使小臂實(shí)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；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)AbstractNowadays most paint contains benzeneThe benzene is very volatile，toxic and carcinogenicIt does harm to the workers heavily when the protection is absentSo different kinds of

4、 painting robots appeared and developed greatlyA joint type painting robot was designed in this paperIt had six degrees of freedomThe wrist had three degrees of freedom and the other joints had three degrees of freedomThe painting robots joints were driven by motorsParallelogram structure was used i

5、n the robotThe motor which was installed on the waist turning table droved the forearm indirectly through the parallelogram structureThe structure avoided installing the motor directly on the joint to reduce the forearms weightSo the burden of the motors which drive the upper arm and the waist were

6、reducedAlso this structure made the forearm realize balance itself and reduce the static torqueAluminum alloy was used greatly in the robot，so the weight of the robot was reducedAlso the dynamic performance was improvedKeywords：painting robot；joint；structure design目 錄摘 要.IABSTRACT.II第 1 章 緒論.11.1 機(jī)器

7、人的研究發(fā)展現(xiàn)狀 .11.2 機(jī)器人發(fā)展趨勢 .11.3 國內(nèi)外噴漆機(jī)器人的研究概況 .41.3.1 國外噴漆機(jī)器人的研究概況.41.3.2 國內(nèi)噴漆機(jī)器人的研究概況.41.4 本文研究主要內(nèi)容以及背景和意義 .6第 2 章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).72.1 確定驅(qū)動系統(tǒng) .72.1.1 驅(qū)動系統(tǒng).72.1.2 確定驅(qū)動機(jī)型和自由度.72.2 噴漆機(jī)器人的運(yùn)動參數(shù) .82.3 各個關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式和平衡方式 .82.3.1 腕關(guān)節(jié)的傳動機(jī)構(gòu).92.3.2 小臂的傳動機(jī)構(gòu) .102.3.3 大臂的傳動機(jī)構(gòu).112.3.4 腰部的傳動機(jī)構(gòu).122.4 本章小結(jié) .12第 3 章 噴漆機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).133.1

8、 噴漆機(jī)器人數(shù)學(xué)模型的建立與分析 .133.2 腕部設(shè)計(jì) .153.2.1 電機(jī)的選擇.153.3 小臂的設(shè)計(jì) .173.3.1 小臂設(shè)計(jì)的總體要求.173.3.2鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì).173.3.3電機(jī)的選擇.183.3.4齒輪的設(shè)計(jì)與校核計(jì)算.213.4大臂的設(shè)計(jì).243.4.1大臂設(shè)計(jì)的總體要求.243.4.2 電機(jī)的選擇.243.4.3 齒輪的設(shè)計(jì)與校核計(jì)算.263.5腰關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì).283.5.1腰關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的總體要求.283.5.2電機(jī)的選擇.283.6 傳感器的選擇 .293.7本章小結(jié).30第 4 章軸、螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)與校核.314.1大軸 1 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核.314.1.1大軸 1

9、的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).314.1.2 大軸 1 的強(qiáng)度校核.324.2大軸 2 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核.344.2.1大軸 2 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).344.2.2大軸 2 的強(qiáng)度校核.354.3小軸 1 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核.354.3.1 小軸 1 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).354.3.2 小軸 1 的強(qiáng)度校核.364.4小軸 2 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核.394.5回轉(zhuǎn)底盤與腰部主軸連接螺釘?shù)男：?394.6本章小結(jié).39結(jié) 論.39參考文獻(xiàn).40攻讀學(xué)士學(xué)位期間發(fā)表的論文和取得的科研成果.42致 謝.43第 1 章 緒論1.1 機(jī)器人的研究發(fā)展現(xiàn)狀機(jī)器人有 50 至 60 年的發(fā)展歷史。1959 年美國的發(fā)明家英格伯格和德沃爾制造出世界

10、上第一臺機(jī)器人，機(jī)器人第一次出現(xiàn)在人們的視野中。英格伯格在大學(xué)時攻讀的伺服電機(jī)理論，伺服電機(jī)理論是一種研究機(jī)構(gòu)如何能更好地跟蹤控制信號的理論。德沃爾于 1946 年發(fā)明了一種可以“重演”記錄的運(yùn)動的機(jī)器。德沃爾又于 1954 年獲得可編程機(jī)械手專利，這種機(jī)械手臂能夠按程序進(jìn)行工作，同時也可以根據(jù)不同的工作需要以及工作對象編制不同的控制程序，因此在實(shí)際工作中具有很好通用性和靈活性。英格伯格和德沃爾都是研究機(jī)器人的著名發(fā)明家，他們都認(rèn)為汽車工業(yè)是最適于用機(jī)器人的行業(yè)，因?yàn)槠囍圃煨袠I(yè)是用重型機(jī)器進(jìn)行工作的，而且生產(chǎn)過程比較固定。英格伯格和德沃爾又于 1959 年聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機(jī)器人。這種機(jī)器

11、人外形類似于坦克炮塔，基座上安裝有一個大機(jī)械臂，大臂可繞軸在基座上轉(zhuǎn)動，大臂的末端又可以伸出一個小機(jī)械臂，它相對大臂可以做伸縮運(yùn)動。小臂的末端裝有一個手腕，可繞小臂的軸線旋轉(zhuǎn)。手腕的末端裝有機(jī)械手。這臺工業(yè)機(jī)器人成為世界上第一臺真正可以用于實(shí)際工作的工業(yè)機(jī)器人。此后英格伯格和德沃爾成立了尤尼梅遜公司，進(jìn)而創(chuàng)辦了世界上第一家機(jī)器人制造工廠。他們因此被稱為機(jī)器人之父。1962 年美國機(jī)械與鑄造公司也制造出工業(yè)機(jī)器人，稱為“沃爾薩特蘭”，意思是“萬能搬動”。這兩家公司制造的工業(yè)機(jī)器人成為了世界上最早的而且至今仍在使用的工業(yè)機(jī)器人。近六十年來機(jī)器人的發(fā)展史，大致經(jīng)歷了三個重要的階段。第一階段為簡單個體

12、類機(jī)器人， 第二階段為群體勞動類機(jī)器人，第三階段為類似人類的智能機(jī)器人。機(jī)器人發(fā)展是向著有知覺、有思維、能與人對話的方向發(fā)展的。到了二十世紀(jì)九十年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也有了質(zhì)的飛躍。除了工業(yè)機(jī)器人的性能不斷提高之外，各種各樣的用于其他行業(yè)的機(jī)器人也有了巨大的進(jìn)展。工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展非常迅速，下面對幾個重要的研究的方向做簡單的介紹。機(jī)器人操作機(jī)：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用，機(jī)器人操作機(jī)已實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)。并聯(lián)機(jī)器人：主體采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，利用機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度測量及加工，這是機(jī)器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和數(shù)控技術(shù)一

13、體化奠定了基礎(chǔ)。控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，已由過去控制標(biāo)準(zhǔn)的 6 軸機(jī)器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制 21 軸甚至 27 軸，并且實(shí)現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機(jī)器人系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用，并實(shí)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密裝配作業(yè)等，大大提高了機(jī)器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。網(wǎng)絡(luò)通信功能：日本 YASKAWA 和德國 KUKA 公司的最新機(jī)器人控制器已實(shí)現(xiàn)了與 Canbus、Profibus 總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機(jī)器人由過去的獨(dú)立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步，也使機(jī)器人由過去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備發(fā)展。由于微電子技術(shù)的快

14、速發(fā)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。先進(jìn)機(jī)器人的發(fā)展也異常迅速。近年來，人類的活動領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，機(jī)器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。下面就幾個研究熱點(diǎn)做一簡單的介紹。水下機(jī)器人：目前主要用于海洋石油開采、海底勘查、落水人員救撈、管道鋪以及電纜的鋪設(shè)和維護(hù)。主要有有纜水下機(jī)器人和無纜水下機(jī)器人兩大類?？臻g機(jī)器人：空間機(jī)器人技術(shù)一直是機(jī)器人的重要研究領(lǐng)域。目前美、俄、加拿大等國已研制出各種空間機(jī)器人。如美國 NASA 的空間機(jī)器人等。美國 NASA 的空間機(jī)器人是一輛自主移動車，重量為 11.5kg，外型尺寸 630 48mm，有 6 個車輪，它在火星探測上的成功應(yīng)

15、用，引起了全球范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。核工業(yè)用機(jī)器人：國外的研究方向主要集中在機(jī)構(gòu)靈巧、動作準(zhǔn)確可靠、響應(yīng)速度快、重量輕、剛度和強(qiáng)度良好、裝有便于裝卸與維修的高性能伺服機(jī)械手以及能半自主和自主移動到任意位置。地下機(jī)器人：地下機(jī)器人主要有挖掘機(jī)器人和地下管道檢修機(jī)器人兩大類。目前日、美、德等發(fā)達(dá)國家已研制出了用于石油、天然氣輸送管道檢修的地下機(jī)器人。各種挖掘機(jī)器人以及自動化系統(tǒng)也正在研制當(dāng)中。醫(yī)用機(jī)器人：主要用于醫(yī)療外科手術(shù)的規(guī)劃與仿真、機(jī)器人輔助外科手術(shù)、最小損傷外科、臨場感外科手術(shù)等。建筑機(jī)器人：如用于高層建筑的抹灰機(jī)器人、預(yù)制件安裝機(jī)器人、室內(nèi)裝修機(jī)器人、地面拋光機(jī)器人、用于擦玻璃的機(jī)器人等，并

16、已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際生活中。軍用機(jī)器人：近年來，美、英、法、德等國已研制出第二代軍用智能機(jī)器人。其特點(diǎn)是采用自主控制方式，能完成偵察、作戰(zhàn)和后勤支援等任務(wù)，在戰(zhàn)場上具有看、嗅和觸摸等能力，能夠自動跟蹤地形和選擇道路，并且具有自動搜索、識別和消滅敵方目標(biāo)的功能1?？梢灶A(yù)見，在 21 世紀(jì)各種先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)將會進(jìn)入人類生活的各個領(lǐng)域，成為人類良好的助手和親密的伙伴。1.2 機(jī)器人發(fā)展趨勢 目前國際上各國都在加大機(jī)器人的研究力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。研究內(nèi)容主要有以下 10 個方面：1、工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)：探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步增強(qiáng)負(fù)載/自重

17、比。向著模塊化、可重構(gòu)的方向發(fā)展。2、機(jī)器人控制技術(shù)：重點(diǎn)研究開放式和模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加清楚明朗，語言、圖形編程界面還正在研制當(dāng)中。機(jī)器人控制器向著標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，基于 PC 機(jī)網(wǎng)絡(luò)式的控制器已成為當(dāng)今世界研究的熱點(diǎn)。對于編程技術(shù)，除了進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實(shí)用化將成為研究重點(diǎn)。3、多傳感系統(tǒng)：為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能性和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是這個問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)在于研制出有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一個問題就是傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。4、機(jī)器人的結(jié)構(gòu)越來越靈巧，控制系統(tǒng)也越來越小

18、，二者正朝著一體化的方向發(fā)展。5、機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機(jī)器人半自主和自主技術(shù)，多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。6、虛擬機(jī)器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙感操作和人機(jī)交互。7、多智能體調(diào)控制技術(shù)：這是目前機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個嶄新領(lǐng)域。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。8、微型和微小機(jī)器人技術(shù)：這是機(jī)器人研究的一個新的領(lǐng)域和重點(diǎn)發(fā)展方向。過去該領(lǐng)域的研究幾乎是空白的，因此該領(lǐng)域研究的進(jìn)展將會引起機(jī)器

19、人技術(shù)的一場革命，并且對社會進(jìn)步和人類活動的各個方面產(chǎn)生不可估量的影響，微小型機(jī)器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動方式、控制方法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。9、軟機(jī)器人技術(shù)：主要用于醫(yī)療、護(hù)理、休閑和娛樂場合。傳統(tǒng)機(jī)器人在設(shè)計(jì)是沒有考慮與人緊密共處，因此其所用材料多為金屬或硬性材料。軟機(jī)器人技術(shù)要求其結(jié)構(gòu)、控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機(jī)器人意外地與環(huán)境或人碰撞時是安全的。10、仿人和仿生技術(shù)：這是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的最高境界，目前僅在某些方面進(jìn)行一些基礎(chǔ)研究2-5。1.3 國內(nèi)外噴漆機(jī)器人的研究概況1.3.1 國外噴漆機(jī)器人的研究概況在國外噴漆機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造是一項(xiàng)十分成熟的技術(shù)，已

20、經(jīng)有三十年以上的發(fā)展歷史。噴漆機(jī)器人最早是由挪威 Trallfa 公司（后并入 ABB 集團(tuán)）于 1969 年發(fā)明的。最早運(yùn)用該技術(shù)的是美國的 Minhit 公司、德國的 Hatel 公司、英國的 Fudge 公司等，對機(jī)器人和印刷業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生過深遠(yuǎn)的影響。當(dāng)時使用的是 MK 的 h16 機(jī)器人，采用的是氣體和液體相結(jié)合的流量控制系統(tǒng)。80 年代初期 Hatel 公司在 h16 機(jī)器人上首次采用氣壓控制的 流量控制系統(tǒng)， 同時裝備了帶 有抽吸裝置的內(nèi)置閥，可避免初始污染。 90 年代初首次在 Bergerlahr 機(jī)器人自動噴涂設(shè)備上試裝了涂料流量控制裝置，使噴涂質(zhì)量有了巨大的飛躍。隨著噴涂機(jī)

21、器人的 設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的不斷創(chuàng)新， 噴漆機(jī)器人的噴涂精度得到了巨大的提高，使得噴漆機(jī)器人在世界發(fā)達(dá)國家 得到了廣泛的 應(yīng)用。1.3.2 國內(nèi)噴漆機(jī)器人的研究概況國內(nèi)的噴涂機(jī)器人的研究始于二十世紀(jì)八十年代。最早的噴涂機(jī)器人的研究是由北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所機(jī)器人中心所進(jìn)行的，從七十年代初就開始了工業(yè)機(jī)器人的制造技術(shù)及其應(yīng)用方面的研究。改革開放以來由于國內(nèi)的汽車制造業(yè)和大型的機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展和需求，國內(nèi)的許多汽車制造廠家和大型機(jī)械的制造公司也正在開發(fā)和研究適合自己企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)狀況的噴涂機(jī)器人。同時許多國外的知名噴涂機(jī)器人制造廠家也紛紛與國內(nèi)的企業(yè)合作或者是在國內(nèi)設(shè)立分公司。如日本的安川 Motom

22、an 公司與國內(nèi)首鋼合作，生產(chǎn)和研發(fā)多種用途的工業(yè)機(jī)器人；ABB 公司也在上海和北京設(shè)立分公司，主要銷售用于噴涂和非用于噴涂的兩類工業(yè)機(jī)器人。到目前為止，噴涂機(jī)器人己成為國內(nèi)市場上數(shù)量最多的工業(yè)機(jī)器人之一，但國內(nèi)生產(chǎn)廠家自主研發(fā)和生產(chǎn)的噴涂機(jī)器人一般性能不夠穩(wěn)定、重復(fù)定位精度低、使用壽命短、噴涂質(zhì)量不好，至今還未成功地應(yīng)用于汽車車身涂裝生產(chǎn)線或者是其他需要包裝機(jī)械的生產(chǎn)線。國內(nèi)使用噴涂機(jī)器人進(jìn)行汽車車身涂裝的汽車制造廠家基本上是采用國外噴漆機(jī)器人制造商的噴涂機(jī)器人和生產(chǎn)線，但是普遍存在故障排除困難、兼容性差、維修困難、升級困難等問題，從而難以真正發(fā)揮設(shè)備本身的作用。絕大部分中小型企業(yè)還是采用人

23、工噴涂，絕大多數(shù)噴涂產(chǎn)品的質(zhì)量不太理想，同時噴漆的浪費(fèi)比較大，工人勞動強(qiáng)度大，工作時間短，而且涂料內(nèi)的揮發(fā)物質(zhì)對人體健康有很大的損害，因而開發(fā)研究和制造生產(chǎn)適合于國內(nèi)廠家生產(chǎn)實(shí)際狀況的高精度的噴涂機(jī)器人是十分必要的。1.4 本文研究主要內(nèi)容以及背景和意義隨著改革開放和我國加入世貿(mào)組織，近幾年來我國的汽車制造業(yè)高速發(fā)展起來。汽車制造業(yè)在自身發(fā)展的同時也促進(jìn)了機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，其中對工業(yè)機(jī)器人發(fā)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)量的高低決定了汽車表面的耐腐蝕能力的強(qiáng)弱、使用壽命的長短、汽車是否美觀，而且人們在購買汽車時，對于汽車產(chǎn)品最直接的評價

24、就來源于汽車的外觀，因此噴涂質(zhì)量的高低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)器人具有軌跡靈活、柔性大、操作簡單、維修方便、利用率高等特點(diǎn)。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)比較落后，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(yùn)行精度、噴涂質(zhì)量、工作穩(wěn)定性、使用壽命、性價比等方面上與發(fā)達(dá)國的噴漆機(jī)器人存在著較大的差距。目前我國的部分汽車生產(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)行汽車車身的涂裝，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(fèi)用高、兼容性低等問題，從而

25、導(dǎo)致了競爭力和經(jīng)濟(jì)效益的下降。因此實(shí)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)器人的發(fā)展和汽車制造業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。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)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。全文主要內(nèi)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(jì)要求里的工作空間的要求，通過簡單的計(jì)算方法，確定了兩個手臂的長度。2.初步設(shè)計(jì)了傳動部分的結(jié)構(gòu)和連接形式，并用 CAD 繪制出了主要零部件的零件圖和一張總裝圖以及腰部回轉(zhuǎn)部分的部裝圖與腕部回轉(zhuǎn)部分的部裝圖。3.運(yùn)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(jì)算出各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動

26、力矩和功率，再查找機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，選擇了符合要求的驅(qū)動部件和傳感器。4.進(jìn)行了主要的傳動部件的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核。第 2 章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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)器人具有多么精確的控制系統(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較多，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較快，而且定位精度十

27、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(diǎn)，設(shè)計(jì)時要求工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是必須做到外型小、重量輕、工作穩(wěn)定可靠。另外，由于工業(yè)機(jī)器人能在工作空間內(nèi)任意多點(diǎn)定位，而且控制以及驅(qū)動程序又是靈活多變的，所以在一些結(jié)構(gòu)比較復(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(diǎn)主要是運(yùn)行穩(wěn)定可靠，但是速度比其他兩種驅(qū)動慢而且外部管路較多，容易泄露。氣壓驅(qū)動的特點(diǎn)主要是響應(yīng)速比較度

28、快，廣泛應(yīng)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，維修比較麻煩。電機(jī)驅(qū)動方式具有以下特點(diǎn)：動力源簡單、負(fù)載小、調(diào)速范圍大、無需配管、維修及使用方便、使用壽命長等特點(diǎn)。此外，由于近年來電機(jī)都采用新型磁性材料，伺服電機(jī)的特性得到提高，同是又研制出電子線路穩(wěn)定性好、效率高的電驅(qū)動方式，而且這種驅(qū)動方式和控制系統(tǒng)信號可以保持一致，又便于和計(jì)算機(jī)連接或者是單片機(jī)相連，能實(shí)現(xiàn)精密控制，可用于程序復(fù)雜、運(yùn)動軌跡精度要求嚴(yán)格的工業(yè)機(jī)器人。因此，綜合考慮后決定電驅(qū)動方式6-13。2.1.2 確定驅(qū)動機(jī)型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)型有多種結(jié)構(gòu)形式，主要包括直角坐標(biāo)系

29、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(yùn)動，因此控制方便，結(jié)構(gòu)十分簡單，設(shè)計(jì)比較方便。但是其只能作直線運(yùn)動，所以局限性比較大，只能在特定的工作場合下工作。圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的工作范圍是一個類似于圓柱面的表面，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(yùn)動，手臂部分的一個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動以及一個直線運(yùn)動的工業(yè)機(jī)器人。多關(guān)節(jié)型機(jī)器人的運(yùn)動空間比前三者大，可以完成十分復(fù)雜的動作，運(yùn)動軌跡靈活多變，自由度多而且結(jié)構(gòu)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

30、機(jī)器人的負(fù)荷小，運(yùn)動速度低，而且根據(jù)設(shè)計(jì)要求，所以采用六自由度。因此本文設(shè)計(jì)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(yùn)動參數(shù)關(guān)節(jié) 1，既腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)范圍：170，角加速度：/2 rad/s。關(guān)節(jié) 2，既大臂的俯仰運(yùn)動，俯仰范圍：+135 至-90，角加速度：/2 rad/s。關(guān)節(jié) 3，既小臂的俯仰運(yùn)動，俯仰范圍：+168 至-80，角加速度：/2 rad/s。關(guān)節(jié) 4，既腕部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)范圍：185，角加速度：rad/s。關(guān)節(jié) 5，既噴槍的俯仰運(yùn)動，俯仰范圍：120，角加速度：2rad/s。關(guān)節(jié) 6，既噴槍的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)范圍：360，角加速度：2rad/s。噴

31、漆機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)形式：鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。手腕的負(fù)載能力：5kg，手臂的負(fù)載能力：10kg。重復(fù)定位精度：0.2mm。驅(qū)動類型：直流伺服電機(jī)。自由度數(shù)：6。安裝方式：水平地面。2.3 各個關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式和平衡方式一般的工業(yè)機(jī)器人有 5 個左右的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，即：底座、腰部轉(zhuǎn)動臺支架、大臂、小臂和手腕部。目前大臂和小臂的結(jié)構(gòu)比較流行的是中間有多層圓筒形套裝梁結(jié)構(gòu)，外型像啞鈴，多為焊鑄件組合結(jié)構(gòu)。還有就是箱形結(jié)構(gòu)，就整體來說就是比較復(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，小臂采用空心管結(jié)構(gòu)，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(shí)心的立方體結(jié)構(gòu)，材料同

32、樣是鋁合金。手臂的平衡：為了減小驅(qū)動力矩和增加運(yùn)動的平穩(wěn)性，大臂和小臂原則上說都要進(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(jì)，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結(jié)構(gòu)方式，這種結(jié)構(gòu)通過后桿的質(zhì)量來平衡腕部的質(zhì)量，同時電機(jī)也可以放在腰部回轉(zhuǎn)盤上，從而減輕大臂的負(fù)載14。2.3.1 腕關(guān)節(jié)的傳動機(jī)構(gòu)圖 2.1腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖 1圖 2.2腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖 2腕關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2.1 和圖 2.2 所示。圖 2

33、.1 為腕部的俯視圖，圖 2.2 為腕部的主視圖。如圖所示，腕部有三個自由度，分別由三個減速電機(jī)驅(qū)動的。因?yàn)槭袌錾系臏p速電機(jī)的輸出端的軸的軸徑都比較小而且十分短，故這三個減速電機(jī)需要訂做，對輸出端的軸進(jìn)行適當(dāng)?shù)募哟旨娱L。這里采用減速電機(jī)的原因是：減速電機(jī)是由減速器和電機(jī)組成的整體，減速電機(jī)的驅(qū)動力矩比較大而起減速電機(jī)比較容易安裝固定。如圖，減速電機(jī) 1 帶動回轉(zhuǎn)套繞 z 軸回轉(zhuǎn)，減速電機(jī) 2 帶動噴槍繞 y 旋轉(zhuǎn)，減速電機(jī) 3 帶動整個腕部繞 x 軸旋轉(zhuǎn)。帶動整個腕部旋轉(zhuǎn)的減速電機(jī) 3 固定在一個圓盤上，由于小臂是空心管的結(jié)構(gòu)形式，故減速電機(jī)可以放入小臂內(nèi)部，再通過圓盤固定在小臂末端。帶動回轉(zhuǎn)

34、套旋轉(zhuǎn)的減速電機(jī) 1 和安裝在回轉(zhuǎn)套內(nèi)部的減速電機(jī) 2 可以使噴槍分別繞 x 軸旋轉(zhuǎn)和繞 y 旋轉(zhuǎn)，這樣的兩個運(yùn)動的合運(yùn)動可以使噴槍每一時刻都正對噴涂表面，提高噴涂質(zhì)量，使噴漆均勻。三個運(yùn)動的合運(yùn)動可以使噴槍運(yùn)動到工作范圍的各個角度，能十分有效的運(yùn)用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件噴涂加工中。2.3.2 小臂的傳動機(jī)構(gòu)圖 2.3小臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖小臂關(guān)節(jié)的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖 2.3 所示。小臂做+135 至-90 范圍內(nèi)的俯仰運(yùn)動，從而調(diào)節(jié)整個腕部的空間位置。大齒輪和小齒輪組成一個具有一定減速比的齒輪組，其中大齒輪所在的軸通過大臂底部的通孔與底桿連接在一起，連接形式可以是鍵連接或者是無鍵連接，由于此處的鍵連

35、接的軸向定位比較麻煩，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(yùn)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(diǎn)。小齒輪所在的軸通過聯(lián)軸器與減速電機(jī)連接。電機(jī)布置在回轉(zhuǎn)盤上，這樣既能減少大臂的負(fù)載，同時也可以和大臂桿的驅(qū)動電機(jī)形成一定的平衡。因此，電機(jī)帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，然后小齒輪帶動與之嚙合的大齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動底桿轉(zhuǎn)動，通過鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)小臂的俯仰運(yùn)動。這里的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的后桿與底桿既可以平衡手腕部分和部分小臂的重量，也可以使驅(qū)動電機(jī)置于腰部回轉(zhuǎn)盤上，避免電機(jī)安裝小臂末端，減少大臂所承受的負(fù)載。這個四桿機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)時應(yīng)該盡可能的減少底桿和后桿的重量，使之與腕

36、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(jì)的手臂的長度給出。2.3.3 大臂的傳動機(jī)構(gòu)圖 2.4大臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)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(yùn)動和小臂的俯仰運(yùn)動的配合將實(shí)現(xiàn)手腕部分在工作空間內(nèi)的定位。大齒輪和小齒輪組成具有一定減速比的齒輪組。大齒輪所在軸與大臂底部的通孔連接，具體形式和底桿的連接形式相同，采用脹緊套連接。小齒輪所在的軸通過聯(lián)軸器與減速電機(jī)相連。電機(jī)布置在腰部回轉(zhuǎn)盤上，與驅(qū)動小臂的電機(jī)對稱布置。因此，減速電機(jī)帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，再帶動大齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動整個大臂做俯仰運(yùn)動。這種傳動方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)

37、簡潔有效、傳動精度較高、通過電機(jī)自身的調(diào)速省去了一對齒輪組從而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)動小臂的電機(jī)對稱布置的方式這樣有利于腰部回轉(zhuǎn)盤的重量平衡，使整個結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，防止了顛覆。這種結(jié)構(gòu)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)的電機(jī)的負(fù)擔(dān)。2.3.4 腰部的傳動機(jī)構(gòu)圖 2.5腰部關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖腰關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 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(shí)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)

38、。精度控制方面，會在電機(jī)后部安裝光柵編碼器來實(shí)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)，免去了不必要的結(jié)構(gòu)，簡潔有效，降低了成本。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(jì)。并給出了各關(guān)節(jié)的傳動方案，同時進(jìn)行了必要的分析論證，在這之后設(shè)計(jì)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(diǎn)和不足，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(jì)3.1 噴漆機(jī)器人數(shù)學(xué)模型的建立與分析設(shè)計(jì)的噴漆機(jī)器人所需要達(dá)到的最大覆蓋范圍是 1.3 1.3 1.3。根據(jù)設(shè)計(jì)方案3m和預(yù)

39、先假設(shè)，暫定大臂長 1m，俯仰范圍+135 至-90，小臂長 0.8m，俯仰范圍是+168 至-80，腰部直徑 1.5m，回轉(zhuǎn)范圍是170。在建立數(shù)學(xué)模型之前，假設(shè)噴槍是一個不計(jì)體積的點(diǎn)，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：假設(shè)大臂和小臂為不計(jì)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)范圍是170的圓盤上，其俯仰范圍是+135 至-90。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 做俯仰范圍是+168 至-

40、80 俯仰運(yùn)動。需要驗(yàn)證的是，細(xì)桿 2 末端的最大運(yùn)動范圍是否是噴漆機(jī)器人的最大覆蓋范圍 1.3 1.3 1.3。如果超過噴漆機(jī)器人的最大覆3m蓋范圍，則假設(shè)的尺寸符合要求，如果小于噴漆機(jī)器人的最大覆蓋范圍，則需要重新制定各部分的尺寸。圖 3.1工作的空間模型論證的細(xì)桿 2 末端所要達(dá)到的運(yùn)動范圍如圖 3.1 所示。在論證時，假設(shè)大臂與腰部回轉(zhuǎn)盤的鏈接點(diǎn) i 在線段 da 的延長線上，由于腰部回轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)范圍是170，所以只需要驗(yàn)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(yàn)證細(xì)桿 2 的末端能否達(dá)到空間 abcd-efgh 的八個頂點(diǎn)即可

41、。如果能在各個細(xì)桿的運(yùn)動范圍內(nèi)達(dá)到這八個頂點(diǎn)，那么細(xì)桿 2 的末端必然能夠達(dá)到空間內(nèi)的其他點(diǎn)。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(diǎn) 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，達(dá)到各極限位置時細(xì)桿 1 與細(xì)桿 2 的位置狀態(tài)。讀圖可知達(dá)到 d 點(diǎn)時，細(xì)桿 1 的俯仰角度最大為 51 ，根據(jù)設(shè)計(jì)方案知細(xì)桿 1 的最大俯仰角為+135 。達(dá)到 a 點(diǎn)時，細(xì)桿 2 相對于細(xì)桿 1 的俯仰角度最小為-75 ，根據(jù)設(shè)計(jì)方案知細(xì)桿 2 相對于細(xì)桿 1 的最小俯仰角度-80 。讀圖可知當(dāng)達(dá)

42、到其他位置時，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(jì)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(yùn)動時，如圖 3.3 所示細(xì)桿1 和細(xì)桿 2 的極限位置。讀圖可知達(dá)到 e 點(diǎn)時，細(xì)桿 2 相對于細(xì)桿 1 的俯仰角度最小-55 ，根據(jù)設(shè)計(jì)方案知細(xì)桿 2 相對于細(xì)桿 1 的最小俯仰角度-80 。讀圖可知當(dāng)達(dá)到其他位置時，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(jì)方案中規(guī)定的極限值。所以當(dāng)工作面為 ife 時，手臂長度符合要求。圖 3.3達(dá)到 f、e 極限時位置模型圖 3.4達(dá)到 g

43、、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(yùn)動時，如圖 3.4所示細(xì)桿 1 和細(xì)桿 2 的極限位置。讀圖可知達(dá)到 h 點(diǎn)時，細(xì)桿 1 的俯仰角度最大為 45 ，根據(jù)設(shè)計(jì)方案知細(xì)桿 1 的最大俯仰角度為+135 。讀圖可知當(dāng)達(dá)到其他位置時，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(jì)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(jì)算和分析可證明小臂的末端可達(dá)的覆蓋范圍大于空間 abcd-efgh。由于論證時的前提條件是把噴漆機(jī)器人的最大覆蓋范圍一分為二。所以滿足一半覆蓋范圍時，必然能夠達(dá)到對整個機(jī)器人提出的覆

44、蓋范圍的要求 1.3 1.3 1.3。故噴漆機(jī)3m器人足可滿足要求的最大覆蓋范圍，證明方案正確，小臂和大臂的長度和俯仰角度確定的合適。3.2 腕部設(shè)計(jì)3.2.1 電機(jī)的選擇手腕部分的電機(jī)的安裝：帶動噴槍旋轉(zhuǎn)的減速電機(jī) 1 安裝在回轉(zhuǎn)套內(nèi)帶動噴槍夾做旋轉(zhuǎn)運(yùn)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(yùn)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 帶動整個腕部做回轉(zhuǎn)運(yùn)動。電機(jī) 1 帶動噴頭做旋

45、轉(zhuǎn)運(yùn)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)行適當(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 50200 的圓柱體，由已知條件知質(zhì)量為 3 kg。圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量為：J =m(3 R2+L2)112 =3(3+)11220.02520.2 =0.01 kg.m2取噴槍的轉(zhuǎn)動角速度為=2rad/s，n=60r/min取啟動時間為 0.1s由此轉(zhuǎn)動角加速度=20rad/s2計(jì)算力矩 T 為：T=J=0.628N.mP=T=0.62

46、82=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)行適當(dāng)?shù)募哟旨娱L。電機(jī) 2 帶動回轉(zhuǎn)套做回轉(zhuǎn)運(yùn)動。設(shè)回轉(zhuǎn)套為 200200200 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()11222bh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()=0.03 kg.m2112220.20.2取回轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)動角速度為=2rad/s, n=60 r/min取啟動時間為 0.1s由此轉(zhuǎn)動角加

47、速度=20rad /s2計(jì)算力矩 T 為：T=J=1.884N.mP=T=1.8842=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)行適當(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(yùn)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)行適當(dāng)?shù)募哟旨娱L。設(shè)回轉(zhuǎn)套為 232100350 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)量估算為 12kg。長方體的轉(zhuǎn)動慣量公式為：J=m()11222bh由于回轉(zhuǎn)套為正方體，故 b=0.2

48、32m,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.m2112220.20.2取回轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)動角速度為=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(jì)算力矩 T 為：T=J=2.01N.mP=T=2.012=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)行適當(dāng)?shù)募哟旨娱L16-20。3.3 小臂的設(shè)計(jì)3.3.1 小臂設(shè)計(jì)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

49、負(fù)擔(dān)。同時小臂桿還要承受整個手腕的重量以及在運(yùn)動中產(chǎn)生的動載荷。噴漆機(jī)器人的最大覆蓋范圍與各個手臂的長度、手臂間的關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍密切相關(guān)。因此設(shè)計(jì)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(jì)要求，從而確定手臂桿的大體結(jié)構(gòu)和長度。根據(jù)盡量減小手臂質(zhì)量同時保持一定強(qiáng)度的原則，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(yùn)動的動載荷與沖擊。設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動誤差提高運(yùn)動的精確性和運(yùn)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，

50、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(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)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，避免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(yùn)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(jì)此處的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)共有三種設(shè)計(jì)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?yàn)榇蟊蹫闄C(jī)架而且長度為1000mm，如果采用雙曲柄機(jī)構(gòu)，其它桿的桿長太長，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

51、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(jì)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(diǎn)間的部分，長度為 200mm。ab 邊為機(jī)架，ad 邊為搖桿，bc 邊為曲柄。這種結(jié)構(gòu)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)量比其他兩種方案要小圖 3.5實(shí)現(xiàn)小臂俯仰的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖3.3.3電機(jī)的選擇首先計(jì)算動態(tài)轉(zhuǎn)矩，

52、計(jì)算動態(tài)轉(zhuǎn)矩需計(jì)算轉(zhuǎn)動慣量。由于電機(jī)安裝在腰部回轉(zhuǎn)盤上所以計(jì)算轉(zhuǎn)動慣量需要折算到大臂軸 i 軸上，我們只需要計(jì)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(jì)算21-25小臂的大體結(jié)構(gòu)為分段空心圓柱，材料為鋁合金體積 V=lA =0.4/40.40.2/40.80.16/420.18 =0.007 m3質(zhì)量 m=V=2.70.007310 =18.9kg2、腕部結(jié)構(gòu)對i軸的轉(zhuǎn)動慣量腕部繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為= m(b2+h2) 1I112 = 0.03 kg m2平移到 i 軸上=+m1I1I21r =0.03+5

53、(0.16+0.180.8)2 =6.53kg m23、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)2I112 =0.064 kg m2平移到 i 軸上=+m2I2I22r =0.064+7(0.180.8)2=6.79kg m24、小臂結(jié)構(gòu)對i軸的轉(zhuǎn)動慣量由于小臂是階梯狀前一段體積=0.002 m31V質(zhì)量=5.4kg，此外還要加上電機(jī)減速器軸聯(lián)軸器短軸的質(zhì)量共 8kg。1m1V小臂前段繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為=(3 R2+L2)3I1121m =0.22 kg m2平移到 i 軸上=+m3I3I23r =0.22+8(0.180.8)2 =20.7kg m2后一

54、段體積=0.005m32V質(zhì)量=13.5kg2m2V小臂后段繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為=(3 R2+L2)4I1122m =0.64kg m2平移到 i 軸上=+m4I4I24r =0.67+13.50.82 =27.14kg m2 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(shí)心直桿。后桿的尺寸為1001000，底桿的尺寸為100400。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=/414=0.01m3V總20.1=m總V總 =2.70.01310 =27kg兩段同一直線時繞兩段質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為：=(3 R2+L2)5I112m總=4.48kg m2平移到

55、i 軸上=+m5I5I25r =4.48+27 20.4 =17.71kg m26、對i軸總的轉(zhuǎn)動慣量以上計(jì)算的、均是在轉(zhuǎn)動慣量最大的情況下計(jì)算得到的，所以1I2I3I4I5I用這些轉(zhuǎn)動慣量計(jì)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 kg m2I總1I2I3I4I5I7、總力矩和功率的計(jì)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 =1I總 =78.87/2 =123.88N m靜態(tài)力矩 T ：由于小臂的俯仰機(jī)構(gòu)采用的鉸鏈四桿

56、機(jī)構(gòu)，小臂自身基本可以平衡，2所以靜態(tài)力矩可以忽略不計(jì)。摩擦力矩 T ：摩擦力矩近似等于 0.05 倍的慣性力矩3綜上所述總力矩 T=1.05T =124.49 N m總1取電機(jī)的轉(zhuǎn)速為=1500 r/min，即角速度為=50rad/sn電機(jī)電機(jī)則總的傳動比為:=/n=157/1.57=100i總n電機(jī)故電機(jī)輸出端的負(fù)載力矩為 T= T/電機(jī)總i總 =124.49/100 =1.24N m電機(jī)輸出端的功率為 P= T電機(jī)電機(jī) =1.2450 =194.77w8、選擇電機(jī)的型號一般對驅(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(yùn)動，所以轉(zhuǎn)動慣量要小，同時比功

57、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)速范圍大，低速平穩(wěn)。（4）振動小，噪聲小，安全可靠，運(yùn)行平穩(wěn)。（5）效率高，消耗的能源要盡可能的小。直流電動機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性、調(diào)速平滑、方便、調(diào)速范圍大、轉(zhuǎn)速比可以達(dá)到 1:200、過載能力大、軋鋼用直流電動機(jī)短時過轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的 2.5 倍以上，特殊要求時可以達(dá)到 10。綜合考慮各種電機(jī)，這里選用遼寧本溪山城電機(jī)廠生產(chǎn)電磁式直流伺服電動機(jī)，型號為 Z2-1

58、1，額定電壓 110/220V，功率 0.4kw，轉(zhuǎn)速 1500r/min，重量 32kg。電機(jī)需要調(diào)速，調(diào)速后轉(zhuǎn)速為 75r/min，減速比為 20。3.3.4齒輪的設(shè)計(jì)與校核計(jì)算電磁式直流伺服電機(jī)經(jīng)調(diào)速后要通過一個齒輪組來傳遞動力，再通過齒輪帶動鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)小臂的俯仰運(yùn)動。1、選定材料、熱處理方式、精度等級及齒數(shù)（1）因?yàn)殡姶攀街绷魉欧姍C(jī)是經(jīng)過調(diào)速的，所以輸出端的速度較低，因此低速級選用直齒圓柱齒輪傳動。（2）選擇小齒輪材料 40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度 241-286HBS。大齒輪材料ZG35CrMo，調(diào)制處理，硬度 190-240HBS，精度 8 級。（3）取小齒輪齒數(shù)=2

59、4，則=524=120，大齒輪齒數(shù) Z2120。1Z211Zi Z2、按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)mm13121EHdHKTZZd.確定各個參數(shù)數(shù)值（1）T =9.5510 =9.5510 (0.4/0.75) 0.99=5.0410 Nmm1611/P n64（2）初選載荷系數(shù)為=1.4tK（3）查表取齒寬系數(shù)為=1d（4）查表取彈性系數(shù)為 ZE=188.9（5）查表取節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)為=2.5HZ（6）根據(jù)齒輪的硬度查表取小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為=1150 MPa，大齒lim1H輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為=1120MPa。lim2H（7）取工作壽命為 15 年，每年工作 250 天，2 班制小齒輪的應(yīng)

60、力循環(huán)次數(shù) N1=60n1jLh=60751525016=2.7810大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N2=N1/5=5.7710（8）查表取接觸疲勞壽命系數(shù)為=1.08，=1.191NZ2NZ（9）取安全系數(shù)為=1HS=1242MPa1Hlim11.HNHZS=1332.8MPa2Hlim22.HNHZS確定傳動尺寸（1）初算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值1tdH =29.04mm24312 1.4 5.04 105 1188.9 2.5151242td（2）按 K 值對進(jìn)行修正1td由圓周速度=2.28m/s 查表取動載荷系數(shù)為=1.075vK 查表取齒間載荷分布系數(shù)為=1.2K 查表取齒向載荷分