噴漆機器人小臂設(shè)計方案

1、噴漆機器人小臂設(shè)計方案緒論噴漆機器人【spray painting robot 】 可進行自動噴漆或噴涂其他涂料的工業(yè)機器人。中國研制出幾種型號的噴漆機器人并投入使用，取得了較好的經(jīng)濟效果。噴漆機器人主要由機器人本體、計算機和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成，液壓驅(qū)動的噴漆機器人還包括液壓油源，如油泵、油箱和電機等。多采用5 或 6 自由度關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運動空間，并可做復(fù)雜的軌跡運動，其腕部一般有2,3 個自由度，可靈活運動。較先進的噴漆機器人腕部采用柔性手腕，既可向各個方向彎曲，又可轉(zhuǎn)動，其動作類似人的手腕，能方便地通過較小的孔伸入工件內(nèi)部，噴涂其內(nèi)表面。噴漆機器人一般采用液壓驅(qū)動，具有動作速度

2、快、防爆性能好等特點，可通過手把手示教或點位示數(shù)來實現(xiàn)示教。噴漆機器人廣泛用于汽車、儀表、電器、搪瓷等工藝生產(chǎn)部門。機器人首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機器人。它的結(jié)構(gòu)特點是機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969 年從美國引進兩種典型機器人后，大力從事機器人的研究。目前工業(yè)機器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制; 控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力; 改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機器人正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想

3、的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息進行反饋，使機器人具有感覺機能。第三代機器人（ 機器人 ） 則能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS（Flexible ManufacturingSystem） 和柔性制造單元FMC（Flexible Manufacturing Cell）中的重要一環(huán)。隨著工業(yè)機器人研究制造和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動開展很多。國際工業(yè)機器人會議ISIR 決定每年召開一次會議，討論和研究機器人的發(fā)展及應(yīng)用問題。目前，工業(yè)機器人主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄鍛和熱處

4、理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)機器人代替人工操作的，主要是在危險作業(yè)（ 廣義的 ） 、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機器人應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機器人本身的損壞。隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會的進步，針對于上述各個領(lǐng)域的機器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強大的編程

5、環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計算機集成制造（CIM）要求機器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高機器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專用控制器，一般采用專用計算機作為上層主控計算機，使用專用機器人語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在EPROMs這種專用系統(tǒng)很難 （ 或不可能 ） 集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價是非常昂貴的，如果不進行重新設(shè)計，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結(jié)構(gòu)的機器人系統(tǒng)。

6、美國工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個階段:(1)1963-1967 年為試驗定型階段。1963-1966 年， 萬能自動化公司制造的工業(yè)機器人供用戶做工藝試驗。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機器人定型為1900型。(2)1968-1970 年為實際應(yīng)用階段。這一時期，工業(yè)機器人在美國進入應(yīng)用階段，例如，美國通用汽車公司1968 年訂購了68 臺工業(yè)機器人;1969 年該公司又自行研制出SA雨工業(yè)機器人，并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動線；又如，美國克萊斯勒汽車公司32 條沖壓自動線上的448 臺沖床都用工業(yè)機器人傳遞工件。(3)1970 年至今一直處于推廣應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展階段。1970

7、-1972 年，工業(yè)機器人處于技術(shù)發(fā)展階段。1970年 4月美國在伊利斯工學(xué)院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機器人會議。其他國家，如日本、蘇聯(lián)、西歐，大多是從1967， 1968 年開始以美國的“Versatran ”和“ Unimate”型機器人為藍本開始進行研制的。就日本來說， 1967年，日本豐田織機公司引進美國的“Versatran ” , 川崎重工公司引進“Unimate”，并獲得迅速發(fā)展。通過引進技術(shù)、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國產(chǎn)化機器人，技術(shù)水平很快趕上美國并超過其他國家。經(jīng)過大約10 年的實用化時期以后，從1980 年開始進入廣泛的普及時代。我國雖然開始研制工業(yè)機器人比較慢，但是

8、由于種種原因，工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展還是很迅速的。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業(yè)機器人技術(shù)，通過引進、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機器人將會獲得快速的發(fā)展。因此，從長遠看，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本還會大大降低。而機器人價格的降低使一些中企業(yè)投資購買機器人變得輕而易舉。因此，工業(yè)機器人的應(yīng)用在各行各業(yè)得到飛速發(fā)展。1 噴漆機器人小臂工作原理手臂伸縮驅(qū)動裝置上在終端焊有法蘭的管子組成的氣缸。在氣缸內(nèi)裝著空心活塞桿，在其前端固定夾持器。法蘭上固接倆個殼體。在殼體中壓入黃銅襯套，它是活塞桿的導(dǎo)向套。在活塞桿上剛性連接著卡箍，在其上固定著帶有使活塞桿限位的兩個擋塊的桿。沿桿移動擋塊可以調(diào)節(jié)手臂的行程。擋塊的位置由螺

9、釘固緊。氣缸的活塞桿腔經(jīng)常處于壓力之下。為使手臂深處，壓縮空氣進入該氣缸的相反腔內(nèi)，由于活塞的有效面積之差，活塞桿連同桿和擋塊開始向左移動，實現(xiàn)手臂的深處，直至位置傳感器帶壓縮彈簧的指桿碰到擋塊為止。傳感器發(fā)出伸縮機構(gòu)動作信號，傳到控制系統(tǒng)中。為將手臂縮回，使活塞桿腔中的壓力降低，而活塞在活塞桿腔中空氣壓力作用下開始向后運動。為增加手臂縮回的速度，在網(wǎng)路中的空氣傳輸管道中裝有快速排氣閥。在殼體中裝有雙聯(lián)液壓緩沖器，它保證手臂向前或向后運動接近定位點是的制動。與活塞桿一起運動的手臂作用在擋塊上市，它們壓在滑閥的伸出活塞桿上，將其壓入殼體中。當滑閥運動時，油通過殼體中由錐形尾部和孔所形成的環(huán)形孔從

10、腔中流出。在滑閥移動時，環(huán)形孔截面減小，平穩(wěn)的增加手臂運動阻力。以產(chǎn)生手臂的制動。制動效果可有節(jié)流閥調(diào)節(jié)。2 機器人的執(zhí)行機構(gòu)2.1 腕部腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)焊槍的方位，以擴大焊槍的工作范圍，并使手部變的更靈巧，適應(yīng)性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉(zhuǎn)運動上下擺動、左右擺動。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運動再增加一個上下擺動即可滿足工作出所需的零件。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計的焊接機器人的腕部是利用液壓缸實現(xiàn)手部的旋轉(zhuǎn)運動。設(shè)計的焊接機器人的腕部的運動為一個自由度的回轉(zhuǎn)運動，運動參數(shù)是實現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)的角度控制在 -9090腕部的驅(qū)動方式采用直接驅(qū)

11、動的方式，由于腕部裝在手臂的末端，所以必須設(shè)計的十分緊湊可以把驅(qū)動源裝在手腕上。機器人手腕的回轉(zhuǎn)運動是由回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)的。將夾緊活塞缸的外殼與擺動油缸的動片連接在一起; 當回轉(zhuǎn)液壓缸中不同的油腔中進油時即可實現(xiàn)手腕不同方向的回轉(zhuǎn)。2.2 臂部手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（ 包括工作或夾具 ） ，并帶動他們做空間運動。臂部運動的目的: 把手部送到直線運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（ 方位 ） ，則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有一個自由度就能滿足基本要求，即臂部的伸縮運動。臂部的運動通常用驅(qū)動機構(gòu)（ 如液壓缸或者氣缸） 和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂

12、部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部的靜、動載荷。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。本次設(shè)計實現(xiàn)臂部的前后伸縮運動。臂部的運動參數(shù)：伸縮行程：1850mm伸縮速度:1200mm/s1400mm/s機器人臂部的伸縮使其手臂的工作長度發(fā)生變化，在直角坐標式結(jié)構(gòu)中，手臂的最大工作長度決定其末端所能達到的最遠距離。伸縮式臂部機構(gòu)的驅(qū)動可采用液壓缸直接驅(qū)動。本次課程設(shè)計主要采用氣缸為主要動力機構(gòu)。3 設(shè)計主要技術(shù)參數(shù)3.1 小臂伸縮行程600mm伸縮速度: 1200mm/s1400mm/s回轉(zhuǎn)范圍: -90 +90 3.2 腕部回轉(zhuǎn)范圍: -90 +9

13、04 腕部的設(shè)計和計算4.1 基本要求與結(jié)構(gòu)(1) 具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)它具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點而 被廣腕部回轉(zhuǎn)，總力矩從，需要克服以下幾種阻力: 克服啟動慣性所用。回轉(zhuǎn)角 由動片和靜片之問允許同轉(zhuǎn)的角度來決定(一般小于270o > o(2)力齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)在要求回轉(zhuǎn)角大于270。的情況下，可采用齒 條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)外形尺寸較大。3 3) 具有兩個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動 的兩個自由度。4 4) 機 -液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。5 .2 驅(qū)動結(jié)構(gòu)的選擇腕部結(jié)構(gòu)選擇具有 一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)，采用液壓驅(qū)動。6 .3 腕部設(shè)計

14、及計算6.3.1 手腕靜載荷分析手腕自重35kg,機器人滿載，即手部夾取100kg重物，手腕質(zhì)心可認為位于腕部連接軸的軸線上，且手腕質(zhì)量分布均勻，重物距腕部軸線400mm取2g=9.8m/s。1、水平位置載荷分析如裝備圖中所示，手腕處于水平位置，將手腕簡化為桿，左端受到重物的拉力F,右端受到腕部連接軸對其的反力 F,與手腕同軸的鏈輪上的扭矩 M,及12 手腕的自重G其受力如圖1所示。F2M AB F G 1圖1圖中各載荷：F=1000N G=240N F, M,待求解；AB=600mm 12由于小臂處于靜止狀態(tài)，故各分力合力為零，由此可列出方程組：F , F, G,021M, F, AB,01

15、解方程組可得：F=1240N M=600N?m 25小臂的設(shè)計與計算5.1 小臂設(shè)計的基本要求臂部設(shè)計首先要實現(xiàn)所要求的運動，為此，需要滿足下列各項基本要求：一、臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕對于機械手臂部或機身的承載能力，通常取決于其剛度。以臂部為例，一般 結(jié)構(gòu)上較多采用懸鑄梁形式（水平或垂直懸仲。顯然仲縮鱷桿的懸仲長度愈大，則剛度愈差。而且其剛度隨著臂桿的伸縮不斷變化。對機械手的運動性能、位置精度和負荷能力影響很大。為提高剛度，除盡可能縮短臂桿的懸伸長度外，尚應(yīng)注意以下幾方面:(1) 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸;(2) 合理布置作用力的位置和方向(3) 注意簡化結(jié)構(gòu)(4)

16、提高配合精度二、臂部運動速度要高，慣性要小機械手手部的運動速度是機械手的主要參數(shù)之一，它反映機械手的生產(chǎn)水平。對于高速度運動的機械手，其最大移動速度設(shè)計在最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計在內(nèi)，大部分平均移動速度為，平均回轉(zhuǎn)角速度在。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的愔況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此機械手臂部要盡可能的輕。三、手臂動作應(yīng)該靈活為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機械手，其傳動件、導(dǎo)向件和定位件布置合理，使手臂運動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機構(gòu)卡死( 自鎖現(xiàn)象 ) 。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件錯誤四、位置

17、精度要求高一般來說，直角和圓柱坐標式機械手位置精度要求較高; 關(guān)節(jié)式機械手的位置精度最難控制，故精度差; 在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測結(jié)構(gòu)，能較好地控制位置精度，檢測裝置最好裝在最后的運動環(huán)節(jié)以減少或消除傳動、嚙合件間的間隙。總結(jié) : 除此之外，要求機械手的通用性要好，能適合多種作業(yè)的要求; 工藝性好，便于加工和安裝; 用于熱加工的機械手，還要考慮隔熱、冷卻; 用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機械手還要設(shè)置防塵裝置等。以上要求是相互制約的，應(yīng)該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設(shè)計出完美的、性能良好的機械手。5.2 小臂運動機構(gòu)的選擇5.2.1 通過以上，綜合考慮，本次設(shè)計選擇液壓缸緩沖機構(gòu)，使用液壓驅(qū)動。和氣

18、壓缸伸縮機構(gòu)，使氣壓驅(qū)動5.3 手臂直線運動的驅(qū)動力計算首先進行粗略的計算，或者類比同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關(guān)機構(gòu)的主要尺寸，在進行校核計算，修正設(shè)計。如此反復(fù)，最終繪出結(jié)構(gòu)圖。做水平運動伸縮直線運動的氣壓驅(qū)動力，應(yīng)根據(jù)氣壓缸運動時所克服的摩擦力合慣性力幾個方面的阻力確定?；钊麠U驅(qū)動力計算公式:F=(A1P1-A2P2)5.3.1 小臂摩擦力的計算Ma,0,G總 L,aFbY,0 得 ,G總，F(xiàn)b,FaF摩,Fa 摩，F(xiàn)b摩,Fa -Fb 得2L， a，？F 摩 ,G 總 ,a ，式中G為參與運動的零部件所受的總重力(N)L 為手臂與運動零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的前端的距離(m)

19、 a 為導(dǎo)向支撐的長度(m)，為摩擦系數(shù)，對于靜摩擦切無潤滑時：鋼對青銅:取=0.10.15 ,鋼對鑄鐵:取=0.180.3 ,選取:G=500N, L=1.21m, a 設(shè)計為 0.016m.將數(shù)據(jù)帶入并計算：2L, a2, 1.414, 0.16, , ,F 摩,G,500 , 0.3, ,989.3N, a0.16,5.3.2 小臂慣性力的計算本設(shè)計要求手臂平動V=1200m/s;假定：在計算慣性力的時候，設(shè)置啟動時間, 啟動速度：G總,vF 慣,g,tG總,v1070N, 1.2m/sF 慣,65.5N = g,t9.8N/kg, 0.02s5.3.3 臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩的計算臂部回

20、轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩應(yīng)根據(jù)啟動時產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦 力矩來計算。由于啟動過程一般不是等加速運動，故最大驅(qū)動力矩要比理論平均值 大些，一般取平均值的1.3倍。故驅(qū)動力矩Tq可按下式計算。Tq=1.3(Tm+Tg)(N?m)式中，Tm-各支承處的總摩擦阻力矩；Tg一啟動時的慣性力矩，可按下式計算Tg=Jw/式中，J一手臂部件對其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量；w一回轉(zhuǎn)臂的工作角速度；一回轉(zhuǎn)臂啟動時間。如果零件作為質(zhì)點，它對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量為P2Ja=G/g如果零件重心位置與回轉(zhuǎn)軸線不重合，則它對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量為P2Ja=J0+(G/g)式中，J一零件對其重心的轉(zhuǎn)動慣量；p-零件的重心位置到回

21、轉(zhuǎn)軸線的距離；G一零件的重量；g一重力加速度(10m/) rads當 Tm=1200 p=600mm,w=60寸有：Tq= 1.3, 3600, 1200,5880N/m5.3.4 密封裝置的摩擦阻力不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計中，采用梯形密封，當氣壓缸工作壓力小于10Mpa氣缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：F摩二65N 經(jīng)過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅(qū)動力：F=1243.8N 5.4缸筒設(shè)計參數(shù)及校核,Mpba,其抗拉強度=570 (1)缸筒材料：選擇ZG310-570鑄鋼,(2)缸筒壁厚及校核：取壁諄=7.5mm5,0.08,0.125,0.3D40 因止匕屬于普通壁厚pDm

22、ax,2.33,p,smax缸筒壁厚的校核MpppamaxmaX中:-缸筒內(nèi)最高工作壓力;=7570M,pab,114M,spa,5,s-材料的許用應(yīng)力,-材料的安全系數(shù)=5PD74Q mmmax,1.162.332.311437,，p,smax,校核符合要求(3)缸筒外徑：67mmL大于直徑6活塞桿強度和剛度校核活塞桿的尺寸要滿足氣缸的運動要求和強度要求，對于桿長d15倍以上，按拉、壓強度計算：,F/A活塞桿直徑17mm£度800mm®進行校核,<,F/A,滿足強度要求剛度的校核：2取載荷現(xiàn)按照最小直徑進行校核，為方便計算把其當做一懸臂梁,F=400N L=800m

23、m.2Fl 梁轉(zhuǎn)角：，,2EI3Fl,梁撓度：3EI其中E為材料的彈性模量，E=210GPa-10, 10 I為轉(zhuǎn)動慣量：取I=1.1EI=24? ,-0.00249rad,0.0288mm,所以活塞桿滿足強度要求7 組件的選擇7.1 腕部軸承選型連接軸直徑D=17mm軸受力F=5323.56N,肘部為增加運動柔順度，使用四個軸承，單個軸承受力為F/4=1198.39N 由于該軸承只承受很小的軸向力，故選用深溝球軸承。由以上各條件，可選用單獨鑄造的深溝球軸承。軸承壽命可由下式進行計算:,610C, ，Lh,h1060nP,式中，C一軸承徑向載荷；P一當量動載荷；& 一壽命系數(shù)。球軸承：

24、£ =3;N軸承的轉(zhuǎn)速，r/min。該軸承只承受徑向力，故P=2198.39N,將各值帶入公式中，得軸承壽命為：7L,8.77 ， 10h 10h7.2 殼體連接螺釘?shù)倪x擇t液壓缸工作壓強為P=1Mpa所以螺釘間距小于150mm試選擇2個螺釘，,D , 0.08,0.1256125.6150mmmmm42,所以選擇螺釘數(shù)目合適 Z=2個228032mmmm,222,SRrm,0.0034361164 受力截面6PS100.003436116,所以，F(xiàn)N,2267.84Z2FKF,預(yù)，此處連接要求有密封性，故 k取(1.5-1.8),取K=1.6。FKFNN,， ,1.62267.843628.54 預(yù)FFFNN，, ,， 2267.843628.54=5896.38 總預(yù)所以螺釘材料選擇Q235，,240s 則 ,MPa160,n1.5 ，安全系數(shù)n 取 1.5(1.5-2.2)螺釘?shù)闹睆接上率降贸?1.3, Fd,FF, 總，F(xiàn)為總拉力即41.3， F41.35896.38 ，dmm,7.816,3.1416010 ，,螺釘?shù)闹睆竭x擇d=8mm.7.3 齒輪齒條外部缸體的螺栓選擇