噴涂機器人畢業(yè)設計

1、燕山大學本科生畢業(yè)設計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)，并且能致癌的化學物質。在沒有任何防護的情況下進行噴漆作業(yè)對工人的危害極大的，因此各種各樣的噴漆機器人應運而生。本文設計了一種關節(jié)式噴漆機器人，具有六個自由度，其中手腕關節(jié)具有三個自由度，其它的關節(jié)各具有一個自由度，各個關節(jié)采用液壓驅動。本文設計的噴漆機器人采用了類似于鉸鏈四桿機構的結構形式。驅動小臂運動的電機安裝在腰部回轉盤的上面，通過帶動鉸鏈四桿機構間接驅動小臂實現俯仰運動，這樣避免了把液壓缸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，同時減小了驅動大臂和腰關節(jié)的液壓缸所需要的功率與力矩，這種鉸鏈四桿機構還

2、使小臂實現自身的重力平衡從而減小了靜力矩。噴漆機器人的主體采用了鋁合金材料，減輕了自身的重量。噴漆機器人的整體動態(tài)性能也因此提高。關鍵詞關鍵詞：噴漆機器人；關節(jié)式；結構設計燕山大學里仁學院畢業(yè)論文2燕山大學本科生畢業(yè)設計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 painting

3、 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 hydraulic pressure Parallelogram structure was us

4、ed in the robotThe hydraulic cylinder which was installed on the waist turning table droved the forearm indirectly through the parallelogram structureThe structure avoided installing the hydraulic cylinder directly on the joint to reduce the forearms weightSo the burden of the hydraulic cylinder whi

5、ch drive the upper arm and the waist were 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

6、 design 燕山大學本科生畢業(yè)設計 目 錄摘要.IABSTRACT.II目 錄.III第一章 緒論.11.1 課題研究的背景及意義.11.2 噴涂機器人的特點及其發(fā)展現狀.21.3 課題國內外現狀及研究的主要成果 .41.3.1 國內研究現狀 .41.3.2 國外研究現狀 .51.5 本文研究主要內容以及背景和意義.7第 2 章 總體結構設計.92.1 確定驅動系統(tǒng).92.1.1 驅動系統(tǒng) .92.1.2 確定驅動件和自由度 .102.2 噴漆機器人的運動參數.112.3 各個關節(jié)的結構形式和平衡方式.112.3.1 小臂.122.3.2 大臂.132.3.3 小臂的傳動機構 .16 2.

7、3.4 大臂的傳動機構 .172.3.5 腰部的傳動機構 .182.4 本章小結.18第 3 章 噴漆機器人機構設計.19目錄23.1 噴漆機器人數學模型的建立與分析.193.2 腕部設計.223.2.1 電機的選擇 .223.3 小臂的設計.243.3.1 小臂設計的總體要求 .243.3.2鉸鏈四桿機構的設計 .253.3.3液壓缸的選擇與設計 .263.4大臂的設計 .293.4.1大臂設計的總體要求 .293.5腰關節(jié)的設計 .323.6 傳感器的選擇.333.7本章小結 .33第 4 章軸、螺釘的設計與校核.354.1大軸 1 的結構設計與校核 .354.1.1大軸 1 的結構設計

8、.354.1.2 大軸 1 的強度校核 .364.2.1大軸 2 的結構設計 .394.2.2大軸 2 的強度校核 .404.3小軸 1 的結構設計與校核 .414.3.1 小軸 1 的結構設計 .414.3.2 小軸 1 的強度校核 .424.4小軸 2 的結構設計與校核 .444.5回轉底盤與腰部主軸連接螺釘的校核 .454.6本章小結 .45燕山大學本科生畢業(yè)設計參考文獻.47附錄一 開題報告附錄二 文獻綜述附錄三 外文文獻 燕山大學本科生畢業(yè)設計0第一章第一章 緒論緒論1.11.1 課題研究的背景及意義課題研究的背景及意義機器人是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的機械電子裝置,既有人

9、對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力,又有機器持續(xù)工作時間長、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力,從某種意義上說它也是機器進化過程的產物。機器人技術綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術,是當代研究十分活躍、應用日益廣泛的領域。機器人應用情況,是一個國家自動化水平的重要標志。 機器人是用于完成各種作業(yè)的機電一體化的自動化生產設備。機器人的廣泛應用,不僅可提高產品的質量與產量,而且對保障人身安全,改善勞動環(huán)境,減輕勞動強度,提高勞動生產率,節(jié)約原材料消耗以及降低生產成本,有著十分重要的意義。 自從 1962 年美國研制出世界上第一臺工業(yè)機器人以來,經過五十多

10、年的發(fā)展,機器人己在越來越多的領域得到了應用。如在毛坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)、機械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中,機器人已逐步取代了人工作業(yè)。在農業(yè)方面,機器人在國外農場應用也比較廣泛,如果蔬采摘機器人、植保機器人、噴(霧)藥機器人和高壓靜電滅蝗機器人等是農業(yè)自動化領域的廣大科研工作者研究的熱點。用于表面涂覆工作的機器人稱為噴涂(或噴漆)機器人,它是機器人技術與表面噴涂工藝相結合的產物,是機器人產品中的一個特殊品種,主要用于工業(yè)領域的表面涂裝作業(yè),靜電噴霧技術同時也廣泛應用于農業(yè)生產中噴藥殺蟲和除草等植保作業(yè)。采用噴涂機器人的主要優(yōu)點在于實現了噴涂生產作

11、業(yè)的自動化,避免了工人始終處于有毒環(huán)境中而造第一章 緒論1成急性或慢性中毒,提高了產品質量和穩(wěn)定性,同時能減少涂料和能量的消耗,提高生產效率。1.21.2 噴涂機器人的特點及其發(fā)展現狀噴涂機器人的特點及其發(fā)展現狀大部分機電類產品在其制造過程中,都涉及到表面涂裝作業(yè)。對于傳統(tǒng)機械行業(yè)(如機床、輕工機械、紡織機械、農業(yè)機械、起重機械、工程機械、礦山機械、冶金機械等)、電機電器行業(yè)(如電機、變壓器、電控柜等)、儀器儀表行業(yè)、家電行業(yè)、以及交通運輸行業(yè)等,用戶對其產品外觀質量的要求都很高,而表面涂裝技術是達到這一要求的重要環(huán)節(jié)。對于某些機電產品如家電、輕工、汽車、摩托車等來講,產品的外觀質量甚至影響到

12、該產品在市場上的競爭力,因此對表面涂裝技術提出了更高要求。傳統(tǒng)的表面噴涂(漆)技術都是以手工方式進行產品表面的噴涂(漆)作業(yè),在此過程中產生的大量的有害物質及氣體,如:苯、醛類、胺類等造成環(huán)境污染,影響到操作工人的身體健康及勞動情緒,因此噴涂質量受工人的技術水平和情緒等因素影響較大,制約了生產能力。自動噴涂機的出現則克服了這一缺點。但由于噴涂機只能完成一些簡單的往復直線運動,而被涂工件表面的多樣性及復雜性使得噴涂機的使用受到一定的限制。隨著機器人技術在工業(yè)生產領域的不斷擴展,機器人也被用來進行涂裝作業(yè),進而產生了一個新的機器人品種噴涂機器人。噴涂機器人最顯著的特點就是不受噴涂車間有害氣體環(huán)境的

13、影響,可以重復進行相同的操作動作而不厭其煩,因此噴涂質量比較穩(wěn)定;其次機器人的操作動作是程序控制的,對于同樣的零件控制程序是固定不變的,因此可以得到均勻的表面涂層:機器人的操作動作控制程序是可以重新編制的,不同的程序針對不同的工件,所以可以適應多種噴涂對象在同一條噴涂線上進行噴漆。有鑒于此,噴涂機器人在涂裝領域越來越受到重視,尤其是在汽車制造業(yè)中,如圖 1 一 l 所示機器人噴涂汽車燕山大學本科生畢業(yè)設計2車身的情景。 圖 1 一 1 機器人噴涂汽車車身 噴涂機器人與其它品種的工業(yè)機器人比較其主要不同之處在于噴涂機器人用于在封閉的噴涂室內噴涂工件內外表面,由于噴涂室內的漆霧是易燃易爆的,如果機

14、器人的某個部件產生火花或溫度過高,就會引燃噴涂室內的易燃物質,引起噴涂室內的大火。甚至引起爆炸,所以,防爆系統(tǒng)的設計是設計電動噴涂機器人很重要的一部分。其次,由于噴涂在工件表面的油漆是勃性流體介質,需要干燥后才能固化,在噴涂過程中,機器人不得接觸己噴涂的工件表面,否則將破壞表面噴漆質量,因此第一章 緒論3噴槍輸漆管路等都不得在機器人手臂外部懸掛,而是從手臂中穿過,這在一定程度上影響機器人的關節(jié)角轉動范圍。最后噴涂機器人需配置涂料流量控制系統(tǒng)與換色系統(tǒng),以適應不同色彩的需要。1.31.3 課題國內外現狀及研究的主要成果課題國內外現狀及研究的主要成果 噴涂機器人是可以進行自動噴涂或噴漆的一種新型工

15、業(yè)機器人，1969 年由挪威一家公司發(fā)明。噴漆機器人主要由機器人本體、計算機和相應的控制系統(tǒng)組成，液壓驅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 自由度關節(jié)式結構，手臂有較大的運動空間，并可做復雜的軌跡運動，其腕部一般有 23 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部，噴涂其內表面。噴漆機器人一般采用液壓驅動，具有動作速度快、防爆性能好等特點，可通過手把手示教或點位示數來實現示教。噴漆機器人廣泛用于汽車、儀表、電器等工藝生產部門。隨著機器人技術的不斷完善，噴涂精度得

16、到顯著提高。我國的華南理工大學、華中科技大學等科研機構先后對噴涂機器人技術進行深入的研究，取得了不少進展。航天航空部的 703 所、625 所使用熱噴涂機器人進行作業(yè)，用來噴涂一些重要而特殊航空部件。目前在我國，還沒有完全意義上的獨立生產噴涂機器人的廠家，機器人市場大多為歐美、日本、韓國等國的生產廠家所壟斷。 1.3.11.3.1 國內研究現狀國內研究現狀我國的一些企業(yè)積極與高校開展噴涂機器人的項目合作，進一步推動我國噴涂機器人技術的成熟，普及與應用。 近年來國內亦擁有相當數量的噴漆機器人如南航研制的 PR-1 型噴漆機器人。噴漆機器人在國外早已廣泛應用于汽車等產品的涂裝生產線,國外機器人己取

17、得的進展主要表現在如下幾個方面:燕山大學本科生畢業(yè)設計41)操作機器人:通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設計等現代設計方法的運用,操作機器人己實現了優(yōu)化設計。以德國 KUKA 公司為代表的機器人公司,己將機器人并聯(lián)平行四邊形結構改為開鏈式結構,拓展了機器人的工作范圍,加之輕質鋁合金材料的應用,大大提高了機器人的性能。此外采用先進的 RV 減速器及交流伺服電機,使機器人操作機幾乎成為免維護系統(tǒng)。2)并聯(lián)機器人:采用并聯(lián)機構,利用機器人技術實現高精度測量及加工。意大利 COMAU 公司和日本 FANUC 等公司已開發(fā)出了此類產品。3)控制系統(tǒng):控制系統(tǒng)的性能進一步提高,己由過去控制標準的 6軸機器人

18、發(fā)展到現在能夠控制 21 軸,甚至 27 軸,實現了軟件伺服和全數字控制。人機界面更加友好,基于圖形操作的界面也己問世。編程方式仍以示教編程為主,但離線編程己在某些領域實現實用化。4)傳感系統(tǒng):激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器已成功應用于機器人系統(tǒng)中,并實現了焊縫自動跟蹤和自動化生產線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等,大大改善了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應性。日本的 KAWASAKI、丫 ASKA 場叭、FANUC 和瑞典的 ABB、德國的KUKA、REIS 等公司都有此類產品。5)網絡通信功能:日本的 YASKA 場人和德國的 KUKA 公司的最新機器人控制器己實現了與現場總線 Canb

19、uS、ProfibuS 及一些網絡的聯(lián)接,使機器人由過去的獨立應用轉向網絡化應用。6)可靠性:由于微電子技術的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應用,使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機器人系統(tǒng)的可靠性一般為幾千小時,而現在已達到 5 萬小時,可以滿足任何場合的需求。 1.3.2 國外研究現狀在國外,近年來機器人領域的發(fā)展有如下幾個趨勢:l)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性),而其價格不斷下降。2)機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。如關節(jié)模塊中的伺服電機、第一章 緒論5減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化;由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組裝方式構造機器人整機。3)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機的開放型控

20、制器方向發(fā)展,有利于標準化、網絡化;器件集成度提高,采用模塊化結構;機器人系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性大大提高。4)機器人中傳感器的作用日益突出,除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外,裝配、焊接機器人還應用了視覺傳感器、力覺傳感器,而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的信息融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制。5)虛擬現實技術在機器人領域的應用己從仿真發(fā)展到用于過程控制,如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中操縱機器人的感覺。1.4.1.4. 存在問題和未來解決問題存在問題和未來解決問題 1.4.1 噴涂工件 CAD 造型的獲取 噴涂機器人離線編程的第一步是必須獲取噴涂

21、工件的 CAD 數據，隨著計算機視覺技術的成熟，可以利用模式識別技術先識別出待噴涂的工件，再利用圖像處理技術提取工件表面的特征點，形成數據點云，最后通過圖像的三維重構獲取工件的 CAD 數據。 1.4.2 噴涂路徑規(guī)劃 路徑規(guī)劃是噴涂機器人離線編程的另一項關鍵技術。路徑規(guī)劃的好壞，直接關系到噴涂作業(yè)的效率以及工件表面的涂層是否均勻，對噴涂工件的質量的影響巨大。 1.4.3 噴涂機器人的位姿精度與標定 影響噴涂機器人位姿的精度有多方面的原因，從大體上講可分為靜態(tài)與動態(tài)因素。靜態(tài)因素包括了制造、裝配時所帶來的機器人本體機械結構上的誤差；由外界溫度的改變和長期的磨損而引起的機械部件的尺寸變化，由此造

22、成機器人位姿的誤差。動態(tài)因素主要是由外力所引起的機械部件本身的彈性變形所帶來的機器人運動誤差。為解決燕山大學本科生畢業(yè)設計6以上因素所造成的機器人位姿誤差，必須在使用前對機器人進行標定，建立機器人的參照模型，目前用于機器人標定的技術有基于三坐標測量儀的標定、基于激光跟蹤儀的機器人標定以及基于 CCD 的機器人標定。根據機器人實際運行時的位姿與參照模型間的誤差，建立機器人補償機制，以進一步提高機器人噴涂作業(yè)的精度。 1.4.4 噴涂機器人的控制 噴涂機器人的控制較為常用的仍是傳統(tǒng)的 PID 理論，在實際的應用中，噴涂機器人機械臂的長度往往很長，當整個機械臂伸展開時大約可達到 2m 的長度，且運行

23、速度較高，各關節(jié)間的動力學效應非常顯著，不能忽略，從而造成機器人各關節(jié)的被控對象模型是時變的。而傳統(tǒng)PID 理論的比例（P） 、積分（I） 、微分（D）參數的整定是建立在關節(jié)傳遞函數模型為定值基礎之上的，這對傳統(tǒng)的基于系統(tǒng)動力模型的控制理論帶來了挑戰(zhàn)。此外，實際工業(yè)現場往往存在有各種不確定的干擾，也會對 PID 控制器造成影響。以上兩個因素決定了 PID 控制器必須具備一定的自適應性，其比例、積分、微分參數應能夠隨著外界環(huán)境的改變而自動的變化。智能控制理論的提出與發(fā)展為問題的解決帶來了新的思路。智能控制是人工智能、生物學與自動控制原理結合的產物，是一種模仿生物某些運行機制的、非傳統(tǒng)的控制方法。

24、將神經網絡、模糊理論、人工免疫、遺傳進化等智能控制算法與 PID 理論相結合，用于 PID 參數的整定，成為未來機器人控制發(fā)展的趨勢。1.51.5 本文研究主要內容本文研究主要內容以及背景和意義以及背景和意義隨著改革開放和我國加入世貿組織，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)展的同時也促進了機械制造業(yè)的發(fā)展，其中對工業(yè)機器人發(fā)展的促進作用尤為顯著。在汽車制造生產過程中，汽車車身的涂裝是最主要的生產工藝之一。涂裝質量的高低決定了汽車表面的耐腐蝕能力的強弱、使用壽命的長短、汽車是否美觀，而且人們在購買汽車時，對于汽車產品最直接的評價就來源于汽第一章 緒論7車的外觀，因此噴涂質量

25、的高低直接影響了一個汽車產品在市場中的競爭能力和生產廠家的經濟效益。噴漆機器人具有軌跡靈活、柔性大、操作簡單、維修方便、利用率高等特點。所以在汽車制造業(yè)中噴漆機器人應該是首選的涂裝設備。然而我國的工業(yè)機器人的起步較晚、技術比較落后，間接導致了我國自行生產的噴漆機器人在控制精度、軌跡運行精度、噴涂質量、工作穩(wěn)定性、使用壽命、性價比等方面上與發(fā)達國的噴漆機器人存在著較大的差距。目前我國的部分汽車生產廠家還在使用軌跡靈活度較低、柔性差的自動噴涂機來進行汽車車身的涂裝，少數企業(yè)雖然采用了外國設備制造商的噴漆機器人，但是仍然存在著價格昂貴、維護費用高、兼容性低等問題，從而導致了競爭力和經濟效益的下降。因

26、此實現高質量的噴漆機器人的國產化，對于我國工業(yè)機器人的發(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器人為研究對象，對噴漆機器人的結構設計進行了研究。全文主要內容如下：1.閱讀工業(yè)機器人和包裝機械的相關書籍，確定了各個關節(jié)的傳動方案。根據設計要求里的工作空間的要求，通過簡單的計算方法，確定了兩個手臂的長度。2.初步設計了傳動部分的結構和連接形式，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部分的部裝圖與腕部回轉部分的部裝圖。3.運用所學到的理論力學、材料力學、動力學、物理學的知識并且根據機器人技術參數計算出各個關節(jié)的轉動力矩和功率，再查找機械設計手冊，

27、選擇了符合要求的驅動部件和傳感器。4.進行了主要的傳動部件的設計計算和校核。燕山大學本科生畢業(yè)設計8第第 2 2 章章 總體結構設計總體結構設計2.2.1 1 確定驅動系統(tǒng)確定驅動系統(tǒng)2.1.1 驅動系統(tǒng)工業(yè)機器人的驅動系統(tǒng)是直接驅動整個機器人完成指定動作的機構，而且工業(yè)機器人的驅動系統(tǒng)是機器人上的一個十分重要的機構，對工業(yè)機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動系統(tǒng)，無論機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)，也是無濟于事的。當今世界上工業(yè)機器人的動作自由度都比較多，以便能完成復雜的動作，其中多為五自由度和六自由度。這些工業(yè)機器人的旋轉速度和直線

28、移動速度都比較快，而且定位精度十分高，它們的驅動元件大多安裝在活動支架上。而且由于施工現場的空間是有限的，所以絕大多數時候要求工業(yè)機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，設計時要求工業(yè)機器人驅動系統(tǒng)的設計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)機器人能在工作空間內任意多點定位，而且控制以及驅動程序又是靈活多變的，所以在一些結構比較復雜和多自由度的工業(yè)機器人中，通常采用伺服驅動系統(tǒng)。目前，工業(yè)機器人的驅動方式主要有液壓驅動、電機驅動和氣壓驅動三種。液壓驅動系統(tǒng)的特點主要是運行穩(wěn)定可靠，運動件的慣性小，快速相應的靈敏度高，傳動比較大，低速

29、性能好，容易實現無極調速，操作和控制都比較容易。氣壓驅動的特點主要是響應速比較度快，廣泛應用于數控機床等設備中，但是存在管路漏氣的現象，維修第 2 章 總體結構設計9比較麻煩。電機驅動方式具有以下特點：動力源簡單、負載小、調速范圍大、無需燕山大學本科生畢業(yè)設計10配管、維修及使用方便、使用壽命長等特點。此外，由于近年來液壓控制系統(tǒng)的逐漸完善，此次設計選擇液壓驅動。2.1.2 確定驅動件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)機器人的驅動機型有多種結構形式，主要包括直角坐標系機器人、圓柱坐標機器人、極坐標機器人、多關節(jié)機器人直角坐標系機器人只能在 x、y、z 三個方向上作直線運動，

30、因此控制方便，結構十分簡單，設計比較方便。但是其只能作直線運動，所以局限性比較大，只能在特定的工作場合下工作。圓柱坐標機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，但是它跟直角坐標系機器人一樣有著極大的工作局限性。極坐標機器人是一種可以做腰部的旋轉運動，手臂部分的一個旋轉運動以及一個直線運動的工業(yè)機器人。多關節(jié)型機器人的運動空間比前三者大，可以完成十分復雜的動作，運動軌跡靈活多變，自由度多而且結構相對簡單。綜上所述，噴漆機器人的驅動機型選用多關節(jié)型。又因噴漆機器人的負荷小，運動速度低，而且根據設計要求，所以采用六自由度。因此本文設計的噴漆機器人是一種六自由度關節(jié)型

31、機器人。總體結構設計112.22.2 噴漆機器人的運動參數噴漆機器人的運動參數 項目技術參數結構形式關節(jié)式自由度6123456活動范圍1007570210210420最大速度2m/s手腕最大負荷5kg驅動方式電液伺服驅動重復定位精度2mm示教方式示教手柄直接示教或修正盤示教電源AC100V，單向 50/60Hz,260VA防爆級本質安全防爆2i4G環(huán)境溫度0402.32.3 各個關節(jié)的結構形式和平衡方式各個關節(jié)的結構形式和平衡方式一般的工業(yè)機器人有 5 個左右的結構復雜的結構件，即：底座、燕山大學本科生畢業(yè)設計12腰部轉動臺支架、大臂、小臂和手腕部。目前大臂和小臂的結構比較流行的是中間有多層圓

32、筒形套裝梁結構，外型像啞鈴，多為焊鑄件組合結構。還有就是箱形結構，就整體來說就是比較復雜的箱體，多為鑄件。為了減輕小臂的重量和大臂的負載，小臂采用空心管結構，材料是鋁合金。為了增強大臂的強度，同時盡可能的降低大臂的重量，大臂采用實心的立方體結構，材料同樣是鋁合金。手臂的平衡：為了減小驅動力矩和增加運動的平穩(wěn)性，大臂和小臂原則上說都要進行平衡。但當負載較小，臂桿的重量較輕，關節(jié)力矩不大，驅動裝置有足夠的容量時，可以省去平衡。對于噴漆機器人的設計，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

33、結構方式，這種結構通過后桿的質量來平衡腕部的質量。該機器人的大臂小臂均采用彈簧平衡裝置，如下圖所示。經計算其平衡彈簧力未能做到手臂的完全平衡，但不平衡力矩量值不大。2.3.1 小臂小臂的平衡彈簧鉸接在平衡支架的 A 點上，另一端固定焊接在小臂內的彈簧座上。平衡支架、大臂、拉桿和轉臺組成一平行四連桿機構。它使平衡支架在下臂運動時做平面運動，保證小臂在大臂運動時其夾角 不變。 小臂的不平衡力矩不僅隨轉角變化，也隨轉角變化，其算法32如下：小臂對轉軸軸線的偏重力矩 M為3O3GCOSLGMG333式中：G -小臂及手腕部件重量3 小臂及手腕部件的合重心與 O 的距離3L3 小臂梁與水平線的夾角彈簧的

34、平衡力矩 M=3s333hfK總體結構設計13式中：小臂平衡彈簧剛性系數3K 小臂平衡彈簧變形量3f 彈簧力對 O 的力臂3h3通過結構的尺寸關系可算得：3213/sinlRRh301233)(fRRlf式中=為彈簧長度（包括支撐螺3l)cosRR2RRR(2212211R栓等長度）是隨 角變化的值，為安裝時彈簧的預變形量。30f由于存在著驅動油缸活塞與剛桶的靜阻力，其方向沿活塞桿，DO 3它對的力矩亦起著平衡一部分偏重力矩的作用，因而小臂的平衡力3O矩3333PSGMMMM式中 M為油缸對的靜阻力矩。3p3O燕山大學本科生畢業(yè)設計142.3.2 大臂大臂的平衡由對稱于大臂中心線的左右兩根彈簧

35、承擔，同理大臂的不平衡力矩也同時受轉角的影響，另外，小臂沒有完全平2M3, 2衡，在計算時還應考慮小臂加于大臂上部的力和力矩作用。此時，大臂的偏重力矩應為2GM32222232sin) (MLGaGGMG關節(jié)軸 3 的重量（包括軸上零件）2Ga 大臂長2L 大臂合重心矩的長度22O 其算法與小臂相同。22222hfkMS考慮大臂驅動油缸的靜阻力矩則可得大臂的不平衡力矩2pM2222pSGMMMM總體結構設計15大小臂平衡彈簧參數 小臂彈簧大臂彈簧彈簧直徑（mm）6780彈簧鋼絲直徑（mm）1010圈數7040剛度系數（kgf/mm）0.84930.8666燕山大學本科生畢業(yè)設計16彈簧總長度7

36、08410螺旋方向右旋右旋平衡彈簧材料選用 60si MnA A2總體結構設計17燕山大學本科生畢業(yè)設計182.3.3 小臂的傳動機構圖 2.3小臂關節(jié)結構示意圖小臂關節(jié)的傳動系統(tǒng)結構簡圖如圖 2.3 所示。小臂做+135 至-90范圍內的俯仰運動，從而調節(jié)整個腕部的空間位置。小臂軸和大臂末端連接在一起，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，具體采用在包裝機械中被廣泛運用的脹緊套。脹緊套具有對中精度高、安裝/拆卸方便、強度高、連接穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。這里的鉸鏈四桿機構的后桿與底桿可以平衡手腕部分和部分小臂的重量，減少大臂所承受的負載。這個四桿

37、機構在設計時應該盡可能的減少底桿和后桿的重量，使之與腕總體結構設計19部的質量接近，而且其所占空間也應該盡可能的小，綜合考慮選擇曲柄搖桿機構，具體尺寸會在下一章根據工作空間所設計的手臂的長度給出。 2.3.4 大臂的傳動機構圖 2.4大臂關節(jié)結構示意圖大臂關節(jié)的傳動系統(tǒng)示意圖如圖 2.4。大臂的俯仰運動和小臂的俯仰運動的配合將實現手腕部分在工作空間內的定位。大臂一端與底座連接，一端與小臂連接液壓缸在外側驅動，一同固定在轉臺上，能隨轉臺一起轉動。這種傳動方案的優(yōu)點是結構簡潔有效、傳動精度較高、通過自身的調速減輕了整個腰部的負載。在安裝時，驅動大臂的電機和驅動小臂的液壓缸對稱布置的方式這樣有利于腰

38、部回轉盤的重量平衡，使整個結構穩(wěn)定，防止了顛覆。這種結構也減小了腰部回轉盤的轉動力矩，燕山大學本科生畢業(yè)設計20減輕了帶動腰部回轉的液壓缸的負擔。2.3.5 腰部的傳動機構圖 2.5腰部關節(jié)結構示意圖腰關節(jié)的結構示意圖如圖 2.5。腰部旋轉和大臂的俯仰以及小臂的俯仰共同配合將實現腕部在空間任意位置定位。腰部主軸與腰部回轉盤用螺釘相聯(lián)，大臂和小臂的驅動電機固定在腰部回轉盤上的電機座上。腰部主軸是空心軸，通過鍵與力矩電機相連。因此，力矩電機帶動腰部主軸旋轉，從而使腰部回轉盤旋轉。精度控制方面，會在電機后部安裝光柵編碼器來實現對電機回轉角度的控制15。這種傳動方案是通過直流力矩電機直接帶動整個腰部回

39、轉，免去了不必要的結構，簡潔有效，降低了成本。2.42.4 本章小結本章小結本章主要介紹了噴漆機器人的驅動方案的選擇以及確定了技術指標。完成了機器人的總體傳動系統(tǒng)的設計。并給出了各關節(jié)的傳動方案，同時進行了必要的分析論證，在這之后設計了各個關節(jié)傳動機構和大體上的連接方案。說明了每個傳動方案的優(yōu)點和不足，并給出了需要校正的零部件的方法。第 3 章 噴漆機器人機構設計21第第 3 3 章章 噴漆機器人機構設計噴漆機器人機構設計3.13.1 噴漆機器人數學模型的建立與分析噴漆機器人數學模型的建立與分析設計的噴漆機器人所需要達到的最大覆蓋范圍是 1.3 1.3 1.3。3m根據設計方案和預先假設，暫定

40、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，回轉范圍是170。在建立數學模型之前，假設噴槍是一個不計體積的點，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。需要論證的數學模型是：假設大臂和小臂為不計體積的細長直桿 1 和直桿 2，長度分別為 1m 和 1.2m。細桿 1 固定在回轉范圍是170的圓盤上，其俯仰范圍是+135 至-90。細桿1 的另一端連接著細桿 2，細桿 2 的長度是 1.2m，同時細桿 2 可以相對于細桿 1 做俯仰范圍是+168 至-80 俯仰運

41、動。需要驗證的是，細桿 2末端的最大運動范圍是否是噴漆機器人的最大覆蓋范圍1.3 1.3 1.3。如果超過噴漆機器人的最大覆蓋范圍，則假設的尺寸3m符合要求，如果小于噴漆機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桿 2 末端所要達到的運動范圍如圖 3.1 所示。在論證時，燕山大學本科生畢業(yè)設計22假設大臂與腰部回轉盤的鏈接點 i 在線段 da 的延長線上，由于腰部回轉盤的旋轉范圍是170，所以只需要驗證一般空間即可，另一半與之對稱。綜上所述，我們現在的論證空間是 abcd-efgh，在論證時只需要驗證細桿 2 的末端能否達到空間 abcd-efgh 的八

42、個頂點即可。如果能在各個細桿的運動范圍內達到這八個頂點，那么細桿 2 的末端必然能夠達到空間內的其他點。圖 3.2平面 abcd 工作極限位置模型假設細桿 1 和圓盤的連接點 i 在 da 線段的延長線上，ij 代表細桿1，i 與 a 的距離為 0.5m。如圖 3.2 所示，當工作平面在 abcd 時，達到各極限位置時細桿 1 與細桿 2 的位置狀態(tài)。讀圖可知達到 d 點時，細桿 1 的俯仰角度最大為 51 ，根據設計方案知細桿 1 的最大俯仰角為+135 。達到 a 點時，細桿 2 相對于細桿 1 的俯仰角度最小為-75 ，根據設計方案知細桿 2 相對于細桿 1 的最小俯仰角度-80 。讀圖

43、可知當達到其他位置時，細桿 1 與細桿 2 相對于細桿 1 的俯仰角度均小于設計方案中規(guī)定的極限值。所以當工作面為 abcd 時，手臂長度符合要求。當圓盤回轉過一定角度時，使得細桿 2 的末端 ife 平面運動時，如圖 3.3 所示細桿 1 和細桿 2 的極限位置。讀圖可知達到 e 點時，細桿 2相對于細桿 1 的俯仰角度最小-55 ，根據設計方案知細桿 2 相對于細桿 1 的最小俯仰角度-80 。讀圖可知當達到其他位置時，細桿 1 與細第 3 章 噴漆機器人機構設計23桿 2 相對于細桿 1 的俯仰角度均小于設計方案中規(guī)定的極限值。所以當工作面為 ife 時，手臂長度符合要求。圖 3.3達到

44、 f、e 極限時位置模型圖 3.4達到 g、h 極限時位置模型同理，當圓盤再次回轉一個角度時，使得細桿 2 的末端 igh 平面運動時，如圖 3.4 所示細桿 1 和細桿 2 的極限位置。讀圖可知達到 h 點時，細桿 1 的俯仰角度最大為 45 ，根據設計方案知細桿 1 的最大俯仰角度為+135 。讀圖可知當達到其他位置時，細桿 1 與細桿 2 相對于細桿1 的俯仰角度均小于設計方案中規(guī)定的極限值。所以當工作面為 igh 時，手臂長度符合要求。經過上面的計算和分析可證明小臂的末端可達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器人的最大覆蓋范圍燕山大學本科生畢業(yè)設計2

45、4一分為二。所以滿足一半覆蓋范圍時，必然能夠達到對整個機器人提出的覆蓋范圍的要求 1.3 1.3 1.3。故噴漆機器人足可滿足要求的最3m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。3.23.2 腕部設計腕部設計3.2.1 電機的選擇手腕部分的電機的安裝：帶動噴槍旋轉的減速電機 1 安裝在回轉套內帶動噴槍夾做旋轉運動，從而使噴槍時刻正對被加工。在回轉套外，帶動回轉套回轉的減速電機 2 安裝在回轉套支架的外側，帶動整個回轉套做回轉運動。這兩處的電機的安裝如圖 2.2 所示。帶動整個腕部旋轉的減速電機 3 與安裝在回轉套外側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

46、與電機 2 的安裝面垂直，減速電機3 帶動整個腕部做回轉運動。電機 1 帶動噴頭做旋轉運動，故此電機應小巧靈便以減輕電機 2的負擔，因此電機 1 應該質量輕、體積小且能滿足功率滿要求。同時電機軸要與噴槍夾末端的空心軸通過脹緊套連接在一起，因此電機輸出端的軸要進行適當的加粗加長。回轉套的質量也要盡量的小，所以材料為鋁合金類材料。假設噴頭的尺寸為 50200 的圓柱體，由已知條件知質量為 3 kg。圓柱體的轉動慣量為：J =m(3 R2+L2)112 =3(3+)11220.02520.2 =0.01 kg.m2取噴槍的轉動角速度為=2rad/s，n=60r/min取啟動時間為 0.1s燕山大學本

47、科生畢業(yè)論文25由此轉動角加速度=20rad/s2計算力矩 T 為：T=J=0.628N.mP=T=0.6282=3.94故訂做的減速電機 1 的額定電壓為 220V，輸出功率至少為 4w，輸出轉矩至少為 1N.m，轉速為 1400r/min，減速箱的減速比為 23。電機輸出軸端進行適當的加粗加長。電機 2 帶動回轉套做回轉運動。設回轉套為 200200200 的立方體。設回轉套、電機、減速器、短軸、鍵、噴槍及噴槍夾的質量共5kg。長方體的轉動慣量公式為：J=m()11222bh由于回轉套為正方體，故 b=h=0.2m 所以繞回轉套回轉中心的轉動慣量為：J=5()=0.03 kg.m21122

48、20.20.2取回轉套的轉動角速度為=2rad/s, n=60 r/min取啟動時間為 0.1s由此轉動角加速度=20rad /s2計算力矩 T 為：T=J=1.884N.mP=T=1.8842=11.83 w故訂做的減速電機 2 的額定電壓為 220V，輸出功率至少為 12w，輸出轉矩至少為 2N.m，轉速為 1400r/min，減速箱的減速比為 23。電機輸出軸端進行適當的加粗加長，并且在末端開鍵槽。電機 3 帶動整個腕部做回轉運動。電機通過脹緊套連接空心軸，所以電機輸出軸也要進行適當的加粗加長。設回轉套為 232100350的立方體。設整個腕部、回轉套支架、聯(lián)軸器、短軸、電機、減速器等部

49、件的質量估算為 12kg。長方體的轉動慣量公式為：J=m()11222bh燕山大學本科生畢業(yè)設計26由于回轉套為正方體，故 b=0.232m,h=0.1m 所以繞回轉套回轉中心的轉動慣量為：J=5()=0.064kg.m2112220.20.2取回轉套的轉動角速度為=rad/s，轉速為 n=30r/min取啟動時間為 0.1s由此轉動角加速度=10rad /s2計算力矩 T 為：T=J=2.01N.mP=T=2.012=6.23w故訂做的減速電機 3 的額定電壓為 220V，輸出功率至少為 7w，輸出轉矩至少為 3N.m，轉速為 1400r/min，減速箱的減速比為 46。電機輸出軸端進行適當

50、的加粗加長16-20。3.33.3 小臂的設計小臂的設計3.3.1 小臂設計的總體要求手臂桿的質量應該盡可能的小，從而減輕支撐它的大臂桿及它的驅動電機的負擔。同時小臂桿還要承受整個手腕的重量以及在運動中產生的動載荷。噴漆機器人的最大覆蓋范圍與各個手臂的長度、手臂間的關節(jié)的轉動范圍密切相關。因此設計手臂時，該充分考慮根據機器人所要完成任務而提出設計要求，從而確定手臂桿的大體結構和長度。根據盡量減小手臂質量同時保持一定強度的原則，從而合理的選擇手臂的截面形狀和所用的材料，既滿足強度要求又最大限度的降低自身重量。盡量減少對其關節(jié)的轉動慣量以及偏重力矩，以減少驅動裝置的負載，同時注意減少運動的動載荷與

51、沖擊。設法減小機械間隙引起的運動誤差提高運動的精確性和運動剛度，可采用緩沖和定位裝置，從而提高定位精度。噴漆機器人的小臂俯仰機構通過鉸鏈四桿機構來完成，安裝在腰第 3 章 噴漆機器人機構設計27部回轉盤上的直流伺服電機通過鉸鏈四桿機構驅動小臂實現俯仰運動。采用鉸鏈四桿機構的目的是把直流伺服電機放到腰部回轉盤上面，避免直接放到小臂與大臂的連接處，減輕小臂的重量，降低大臂驅動裝置的負載，減少運動過程中產生的動載荷與沖擊，提高整個噴漆機器人的響應速度。3.3.2鉸鏈四桿機構的設計此處的鉸鏈四桿機構共有三種設計方案，分別是雙曲柄機構、雙搖桿機構、曲柄搖桿機構。對于雙曲柄機構來說機架為最短邊，又因為大臂

52、為機架而且長度為 1000mm，如果采用雙曲柄機構，其它桿的桿長太長，而且上一章確定小臂的長度為 800mm，因此雙曲柄機構不符合要求。對于雙搖桿機構來說機架為最短邊的對邊，既大臂與最短桿相對。如果采用雙搖桿機構，會導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，勢必會增加設計難度。綜合以上分析，在這里采用曲柄搖桿機構具體如圖 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間的部分，長度為 200mm。ab邊為機架，ad 邊為搖桿，bc 邊為曲柄。這種

53、結構首先滿足了 bc 邊長度小于小臂長度這一條件，而且所占的空間小，底桿和后桿的質量比其他兩種方案要小。燕山大學本科生畢業(yè)設計28圖 3.5實現小臂俯仰的鉸鏈四桿機構的結構示意圖3.3.3液壓缸的選擇與設計首先計算動態(tài)轉矩，計算動態(tài)轉矩需計算轉動慣量。我們只需要計算出轉動慣量最大時的情況，既當小臂與大臂共線時，小臂可視為繞 i 軸旋轉，此時整個小臂體對 i 軸的轉矩最大。1、小臂總體質量的計算21-25小臂的大體結構為分段空心圓柱，材料為鋁合金體積 V=lA =0.4/40.40.2/40.80.16/420.18 =0.007 m3質量 m=V=2.70.007310 =18.9kg2、腕部

54、結構對 i 軸的轉動慣量腕部繞其質心的轉動慣量為= m(b2+h2) 1I112 = 0.03 kg m2平移到 i 軸上=+m1I1I21r第 3 章 噴漆機器人機構設計29 =0.03+5(0.16+0.180.8)2 =6.53kg m23、回轉套支架對 i 軸的轉動慣量回轉套支架繞其質心的轉動慣量為= 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、小臂結構對 i 軸的轉動慣量由于小臂是階梯狀前一段體積=0.002 m31V質量=5.4kg，此外還要加上電機減速器軸聯(lián)軸器短軸的質1m1

55、V量共 8kg。小臂前段繞其質心的轉動慣量為=(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后一段體積=0.005m32V質量=13.5kg2m2V小臂后段繞其質心的轉動慣量為=(3 R2+L2)4I1122m =0.64kg m2平移到 i 軸上=+m4I4I24r =0.67+13.50.82 =27.14kg m2 5、帶動小臂轉動的后桿和底桿對 i 軸的轉動慣量燕山大學本科生畢業(yè)設計30兩圓桿為鋁合金材料，圓形實心直桿。后桿的尺寸為1001000，底桿的尺寸為100400。當兩桿共線

56、時，兩桿對 i 軸的轉動慣量最大。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心的轉動慣量為：=(3 R2+L2)5I112m總=4.48kg m2平移到 i 軸上=+m5I5I25r =4.48+27 20.4 =17.71kg m26、對 i 軸總的轉動慣量以上計算的、均是在轉動慣量最大的情況下計算1I2I3I4I5I得到的，所以用這些轉動慣量計算出的總力矩和功率，從而選擇的電機必然滿足噴漆機器人在其他工作狀態(tài)下的工作要求。對 i 軸總的轉動慣量為：=+=78.87 kg m2I總1I2I3I4I5I7、總力矩和功率

57、的計算取小臂的轉動角速度=/2 rad/s，轉速為 n=15r/min取啟動時間為 1 s由此轉動角加速度為=/2 rad/s2慣性力矩 T =1I總 =78.87/2 =123.88N m靜態(tài)力矩 T ：由于小臂的俯仰機構采用的鉸鏈四桿機構，小臂自2燕山大學本科生畢業(yè)論文31身基本可以平衡，所以靜態(tài)力矩可以忽略不計。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 小臂驅動油缸鉸接點固定在轉臺上，傳動原理同上。計算1O大臂處于垂直位置時的小臂動作范圍。由結構尺寸知：，mmOO18032mmOO85032mmOO5 .8683

58、3，油缸兩支點距離最大時mmDODODO35.192333，最小時，則活塞全行程為 220mm。mmDO5 .946 35 .7263DO經計算可得：=124503活塞行程為 220mm 時： =10714272活塞行程為零時4357361則小臂總轉角30307012燕山大學本科生畢業(yè)設計32活塞行程為零時小臂與大臂夾角 = +=4929，相對水平位301置分配 時可得：314090303下 305929333下上3.43.4大臂的設計大臂的設計3.4.1大臂設計的總體要求噴漆機器人大臂的主要作用是用來承受小臂的重量和固定鉸鏈四桿機構的底桿，因此噴漆機器人的大臂對整個機器人能否保持穩(wěn)定性起著至

59、關重要的作用。大臂的傳動形式與小臂相同，都是由液壓缸驅動實現大臂的俯仰運動。大臂的整體結構為長方體實心結構，這樣做的目的是為了提高其力學性能包括大臂的剛度、強度以及抗彎能力。鋁合金的密度低、強燕山大學本科生畢業(yè)論文33度高、具有良好的抗腐蝕能力而且力學性能上接近或超過合金鋼。因此選用鋁合金作為大臂的材料，這樣可以減輕大臂的重量，從而減小驅動元件的負載，而且可以進一步也減輕用于驅動腰部回轉的驅動元件的負載。1、大臂總體質量的計算大臂的大體結構為長方體并且兩端中空，鉆有小孔。所以實際體積要小一些，在這里計算體積時帶入一折減系數，假設折減系數為0.85。材料為鋁合金。體積 V=hA =0.20.12

60、1 =0.024m3質量 m=0.85V=0.852.70.024310 =55.08kg2、大臂對 i 軸的轉動慣量大臂繞其質心的轉動慣量為= m(b2+a2)1I112 =4.77kg m2平移到 i 軸上=+m1I1I21r =4.77+55.080.52 =18.54kg m23、小臂對 i 軸的轉動慣量小臂對 i 軸的轉動慣量=78.87kg m22I4、大臂和小臂對 i 軸的轉動慣量的總和=+=18.54+78.87=97.41kg m2I總1I2I5、總力矩的計算取大臂的轉動角速度=/2 rad/s，轉速為 n=15r/min取啟動時間為 1 s燕山大學本科生畢業(yè)設計34由此轉動