六自由度噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 機(jī)械制造專業(yè)

1、六自由度噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘 要現(xiàn)在制造業(yè)中，隨著生產(chǎn)技術(shù)的提高，噴涂機(jī)器人發(fā)揮著越來越重要的在作用，其應(yīng)用的范圍也越來越廣泛。噴涂機(jī)器人的應(yīng)用在未來有極大的前景，目前，中國市場上的自動(dòng)噴涂機(jī)器人大多依靠進(jìn)口。因此，中國迫切需要克服噴涂機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)，提升競爭力。因此要加快實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)器人和自動(dòng)化設(shè)備的技術(shù)突破，加快我國工業(yè)自動(dòng)化的進(jìn)程。本論文以六自由度噴涂機(jī)器人為研究對象，對其結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，基于有限元理論，運(yùn)用了靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)相關(guān)知識，對其進(jìn)行了力學(xué)分析、靜力校核和仿真，主要內(nèi)容如下：（1）根據(jù)噴涂機(jī)器人的工作特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，確定噴涂機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。本文利用CA

2、D和三維建模軟件Solidworks進(jìn)行繪圖，并初步設(shè)計(jì)了六自由度噴涂機(jī)器人的各個(gè)零部件。（2）根據(jù)噴涂機(jī)器人不同驅(qū)動(dòng)方式以及電機(jī)與減速器的參數(shù)計(jì)算，并根據(jù)參數(shù)選擇電機(jī)與減速器，確定最終傳動(dòng)系統(tǒng)。（3）運(yùn)用有限元軟件和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度理論對噴涂機(jī)器人的關(guān)鍵部位進(jìn)行了靜力學(xué)特征分析，分析了關(guān)鍵部位的變形情況和應(yīng)力分布。（4）在靜力校核的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了關(guān)鍵部位的機(jī)械強(qiáng)度，再次對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)分析，并對比了優(yōu)化前后的分析結(jié)果。關(guān)鍵詞：噴涂機(jī)器人；靜力校核；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - II -六自由度噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)The Structure Design of 6-DOF Spraying RobotAbstract

3、 The spray painting robot is mainly composed of robot body, computer and corresponding control system. It uses 5 or 6 degrees of freedom joint structure. The arm has larger motion space and can do complex trajectory motion. The wrist has 23 freedoms, and it can move flexibly. The wrist of a more adv

4、anced painting robot adopts flexible wrist, which can be flexed in all directions and can be rotated. Its action is similar to that of a mans wrist. It can easily reach the inside of the work piece through smaller holes and spray its inner surface. The paint spraying robot is generally driven by hyd

5、raulics, which has the characteristics of fast action speed and good explosion-proof performance. It can be taught by hand holding instruction or point number display. Spray painting robots are widely used in automobile, instrument, electrical appliances, enamel and other process production departme

6、nts.(1) According to the working characteristics and design requirements of the spraying robot, the relevant technical parameters and structural design plan of the spraying robot are determined. In this paper, CAD and 3D modeling software Solidworks are used for drawing, and each part of the six DOF

7、 sprayed robot is preliminarily designed.(2) According to the different driving modes of the spraying robot and the calculation of the parameters of the motor and retarder, and select the motor and the reducer according to the parameters, the final transmission system is determined.(3) The static ch

8、aracteristics of the key parts of the spraying robot are analyzed by using the finite element software and the structural strength theory, and the deformation and stress distribution of the key parts are analyzed.(4) On the basis of static checking, the mechanical strength of the key parts is optimi

9、zed, and the statics analysis of the structure is carried out again, and the results of the analysis before and after the optimization are compared.Key Words：Spraying Robot；Static Check；Structural Design- VI -目 錄摘 要IAbstractII引 言151緒論161.1課題研究背景和意義161.2噴涂機(jī)器人的研究現(xiàn)狀171.2.1國外的研究現(xiàn)狀171.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀191.3論文研究主

10、要內(nèi)容202.噴涂機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)202.1確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)202.2確定自由度和電機(jī)驅(qū)動(dòng)參數(shù)212.3運(yùn)動(dòng)參數(shù)的確定212.4關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式212.5大臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)222.6底座傳動(dòng)機(jī)構(gòu)232.7小臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)243.噴涂機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)253.1數(shù)學(xué)建模與分析253.2 腕部設(shè)計(jì)263.2.1 電機(jī)的選擇263.3 小臂的設(shè)計(jì)193.3.1小臂設(shè)計(jì)的總體要求193.3.2鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)193.3.3電機(jī)的選擇203.3.4齒輪的設(shè)計(jì)與校核計(jì)算223.4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253.4.3齒輪的設(shè)計(jì)與校核計(jì)算283.5腰關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)293.5.1腰關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

11、的總體要求293.5.2電機(jī)的選擇293.6傳感器的選擇303.7本章小結(jié)324.1大軸1的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核324.1.1大軸1的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)324.1.2大軸1的強(qiáng)度校核334.2大軸2的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核334.2.1大軸2的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)334.2.2大軸2的強(qiáng)度校核364.3小軸1的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核364.3.1小軸1的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)364.3.2小軸1的強(qiáng)度校核364.4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：?94.6本章小結(jié)40六自由度噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)引 言工業(yè)水平的提高，涂裝已從傳統(tǒng)的手工工業(yè)發(fā)展到工業(yè)自動(dòng)化。隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，涂裝生產(chǎn)線的應(yīng)用越來越廣泛，并滲透到國民經(jīng)濟(jì)的許

12、多領(lǐng)域。相對的傳統(tǒng)人工噴涂存在著產(chǎn)量相對較低、厚度控制較差，無法保證均勻厚度、顏色相對較差等缺點(diǎn)。對于常見的產(chǎn)品，傳統(tǒng)人工噴涂已經(jīng)被更具優(yōu)勢的噴涂機(jī)器人取代。噴涂機(jī)器人是一種集合了人類和機(jī)器特長的自動(dòng)執(zhí)行噴涂工作的自動(dòng)化智能機(jī)械裝置，它能夠按照編制的程序運(yùn)行，同時(shí)還具備對不同環(huán)境狀態(tài)做出快速應(yīng)激反應(yīng)的能力，能夠時(shí)間長工作，具有抵抗惡劣環(huán)境的能力。噴涂工作對人體健康有很大的危害，采用噴涂機(jī)器人代替人工是當(dāng)今噴涂行業(yè)的發(fā)展趨勢。但是它還存在很多無法克服的缺陷，如油漆浪費(fèi)大、無法自動(dòng)調(diào)換顏色和進(jìn)行離線編程等。而本設(shè)計(jì)中的六自由度噴涂機(jī)器人，不但能使產(chǎn)品的抗腐蝕性得到提高、使用壽命變長，還能夠更好地呈

13、現(xiàn)出噴涂表面的色彩、亮度和光澤度等質(zhì)量的好壞。噴涂機(jī)器人采用鋁合金材質(zhì)，鋁合金質(zhì)量輕強(qiáng)度好，耐腐蝕性和可加工性良好。采用鋁合金材質(zhì)，能滿足噴涂機(jī)器人的強(qiáng)度要求和使用要求，而且其成本較低。本設(shè)計(jì)的六自由度噴涂機(jī)器人，整體是一個(gè)串聯(lián)單開鏈結(jié)構(gòu)，有六個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副構(gòu)成，手腕關(guān)節(jié)可實(shí)現(xiàn)全角度的回轉(zhuǎn)，極大地滿足了工作的需要。腰部和肘部僅能在限定的工作范圍內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。噴漆機(jī)器人大多有三部分組成：底座，包括大臂和小臂的手臂以及手腕。針對噴涂機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)精度的技術(shù)要求，經(jīng)不同傳動(dòng)方式和驅(qū)動(dòng)裝置的比較后，確定了點(diǎn)擊和減速器相配合的傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并完成了主要參數(shù)的計(jì)算和主要零件的選型。利用三維建模軟件Soildwo

14、rks建立了各部件的結(jié)構(gòu)模型，并完成了整機(jī)的裝配。在本次設(shè)計(jì)中也遇到了許多困難，關(guān)于材料的選擇、零件的強(qiáng)度校核、電機(jī)的選擇，通過和同學(xué)的討論和向指導(dǎo)老師請教，這些問題都得到了解決。 1緒論1.1 課題研究背景和意義近年來，隨著汽車制造行業(yè)在我國的高速發(fā)展，而制造業(yè)從勞動(dòng)密集型向現(xiàn)代化方向發(fā)展，未來的一段時(shí)間，制造業(yè)仍是經(jīng)濟(jì)重要組成部分。伴隨著傳統(tǒng)制造行業(yè)的轉(zhuǎn)型，尤其是汽車、電子等行業(yè)，生產(chǎn)工具在不斷向自動(dòng)化、智能化、信息化升級，這樣就催生了機(jī)器人行業(yè)的不斷發(fā)展。這一現(xiàn)象在汽車制造行業(yè)尤其突出。當(dāng)今，我國對工業(yè)機(jī)器人的需求越來越大，生產(chǎn)力和科技水平的不斷提高，工業(yè)機(jī)器人在制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣，

15、并在精度、速度、可靠性、靈活性、承載能力方面的要求不斷提高。但是目前國內(nèi)的大部分工業(yè)機(jī)器人仍達(dá)不到要求，所以仍然需要不斷在工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)上不斷突破。在汽車制造行業(yè)中，汽車的車身噴涂尤其重要。車身噴涂可以提高汽車的耐腐蝕性延長使用壽命，并且能體現(xiàn)出汽車表面等質(zhì)量，汽車噴涂的優(yōu)劣人們對汽車最直接的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。對于汽車的市場競爭力有最直接的影響。工業(yè)機(jī)器人有很多種，其中最典型代表就是噴涂機(jī)器人，噴涂機(jī)器人的使用范圍很廣，在各行各業(yè)中，制造產(chǎn)品進(jìn)行表面噴涂是不可或缺的一部工序，但因?yàn)殪F化的油漆對人體危害極大，而且為保證噴涂效果，噴涂環(huán)境的通風(fēng)條件無法解決，而且傳統(tǒng)人工噴涂不僅工藝質(zhì)量差、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)

16、度大，同時(shí)無法選擇出最佳的噴涂軌跡，而采用噴涂機(jī)器人徹底解決了這些問題。噴涂生產(chǎn)線主要采用靜電涂裝，是汽車車身涂裝最主要的方法。其具有效率高、污染小等優(yōu)點(diǎn)，噴涂均勻可是用于大規(guī)模生產(chǎn)。實(shí)現(xiàn)靜電涂裝的主要設(shè)備時(shí)自動(dòng)噴涂機(jī)。相對于自動(dòng)噴涂機(jī)，噴涂機(jī)器人有以下優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)軌跡靈活，可完成復(fù)雜表面的噴涂，噴涂軌跡精確，油漆利用率高，可以提高噴涂層的厚度均勻度工作范圍大，可適用于不同的零件噴涂?？蓪?shí)現(xiàn)多種產(chǎn)品的噴涂，針對不同產(chǎn)品進(jìn)行不同的編程。有較高的設(shè)備利用率，易于操作和維護(hù)。維修方便。有利于解放勞動(dòng)力基于以上的優(yōu)點(diǎn)，噴涂機(jī)器人受到各行各業(yè)的高度重視。但是由于我國工業(yè)機(jī)器人發(fā)展起步較晚，技術(shù)不夠完善，自

17、主研發(fā)的機(jī)器人在精度上達(dá)不到要求，目前大多采用國外的噴涂機(jī)器人。這些設(shè)備引用價(jià)格昂貴，后期維護(hù)成本高，維修周期長，一旦出現(xiàn)設(shè)備問題會給企業(yè)造成巨大的損失，因此實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)器人設(shè)備的國產(chǎn)化，打破技術(shù)壁壘，對我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)及工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。1.2 噴涂機(jī)器人的研究現(xiàn)狀1.2.1國外的研究現(xiàn)狀在國外，噴涂機(jī)器人經(jīng)過40多年的研究發(fā)展，目前在發(fā)達(dá)國家該技術(shù)已經(jīng)成熟的應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)。噴涂機(jī)器人最初是由Trallfa在19世紀(jì)60年代末發(fā)明的，美國的minhit公司、美國的fudge公司、德國的hate公司也都較早的研究并運(yùn)用噴涂機(jī)器人技術(shù)。噴涂機(jī)器人普遍應(yīng)用的促進(jìn)了機(jī)器人行業(yè)和噴涂業(yè)發(fā)展。

18、經(jīng)過幾十年科技水平的不斷發(fā)展，噴涂機(jī)器人生產(chǎn)技術(shù)不斷進(jìn)步，不斷成熟，噴涂精度和效率不斷提高，目前工業(yè)機(jī)器人成熟運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國家的標(biāo)志。德國的KUKA公司、日本安川MOTOMAN公司和FANUC公司、瑞士和瑞典的ABB公司以及美國的ADEPT公司是目前國際市場上知名的噴涂機(jī)器人生產(chǎn)商。圖1.2.1 KUKA IRB580-12型噴涂機(jī)器人圖1.2.2 安川 MOTOMAN-EXP 系列噴涂機(jī)器人圖1.2.3 FANUC 噴涂機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)機(jī)器人是現(xiàn)在市場上噴涂機(jī)器人的主流，因此國內(nèi)外普遍采用關(guān)節(jié)坐標(biāo)系來設(shè)計(jì)噴涂機(jī)器人。噴涂機(jī)器人要求工作軌跡靈活，因此手腕設(shè)計(jì)多采用三自由度，三自由度

19、手腕自由度高，可以滿足工作要求。采用D-H坐標(biāo)系來建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由運(yùn)動(dòng)方程體現(xiàn)。目前，國外的研究人員使用Jacobi矩陣來表示執(zhí)行單元運(yùn)動(dòng)和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)之間的映射關(guān)系。雅可比矩陣更適用于自由度高的噴涂機(jī)器人的求解。當(dāng)前噴涂機(jī)器人的重點(diǎn)研究方面如下：1. 機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)普遍采用三維建模、有限元分析與優(yōu)化、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真等先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用開鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)擴(kuò)大了機(jī)器人工作范圍，提高了系統(tǒng)的靈活性，材料多采用輕質(zhì)鋁合金材料。2. 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)采用軟件伺服和全數(shù)字化控制，用離線式編程代替示教編程，操作更加簡單3. 同步系統(tǒng)機(jī)器人控制器與總線和網(wǎng)絡(luò)連接，通過同步系統(tǒng)，機(jī)器人會遠(yuǎn)程接收

20、命令。4. 應(yīng)激性對于不同的突發(fā)狀況，機(jī)器人會做出對應(yīng)的應(yīng)激反應(yīng) 5. 可靠性微電子技術(shù)和集成電路的應(yīng)用，機(jī)器人的可靠性極大地提高1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀中國噴涂機(jī)器人的研究相對較晚。噴涂機(jī)器人在20世紀(jì)70年代初開始應(yīng)用，并開始應(yīng)用自動(dòng)噴涂生產(chǎn)線。最早的噴涂機(jī)器人研究是北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所的機(jī)器人中心。在噴涂機(jī)器人產(chǎn)品方面，開發(fā)了PJ系列伺服噴涂機(jī)器人PJ-1，PJ-1A，PJ-1B，PJ-500和EP系列電動(dòng)噴涂機(jī)器人EPS-500和EPS-600。隨后哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)、上海交通大學(xué)等陸續(xù)研發(fā)出機(jī)器人樣機(jī)。隨著國內(nèi)汽車制造行業(yè)和重型機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展需求，噴涂機(jī)器人的需求也越來越大

21、。許多廠家開始研發(fā)適合國內(nèi)市場需求的噴涂機(jī)器人，同時(shí)，國外知名噴涂機(jī)器人制造商與國內(nèi)企業(yè)合作。目前，噴涂機(jī)器人是市場上應(yīng)用最廣泛的工業(yè)機(jī)器人之一，但國內(nèi)發(fā)展起來的噴涂機(jī)器人在精度、使用壽命、噴涂質(zhì)量等方面還存在許多不足。所以研發(fā)出高精度噴涂機(jī)器人尤為重要。1.3 論文研究主要內(nèi)容本文的目的是設(shè)計(jì)一種用于車身表面噴涂的6自由度關(guān)節(jié)噴涂機(jī)器人，并對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，工作環(huán)境，動(dòng)力學(xué)問題，零部件的選型以及網(wǎng)絡(luò)控制進(jìn)行了深入研究，主要研究內(nèi)容如下：（1）根據(jù)噴涂機(jī)器人的工作要求，選擇出最合適的機(jī)械結(jié)構(gòu)，確定相關(guān)技術(shù)參數(shù)，利用Soildwrks三維建模軟件設(shè)計(jì)各零部件，并完成裝配。（2）

22、根據(jù)技術(shù)參數(shù)和機(jī)械結(jié)構(gòu)，對傳動(dòng)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)，選擇減速器和交流伺服電機(jī)完成對噴涂機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)，按計(jì)算結(jié)果對伺服電機(jī)和減速器進(jìn)行選型。（3）運(yùn)用有限元分析軟件對噴涂機(jī)器人進(jìn)行靜力學(xué)特征分析，在機(jī)械結(jié)構(gòu)上分析應(yīng)力集中情況和應(yīng)變情況，對關(guān)鍵部位進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，對關(guān)鍵部位進(jìn)行模態(tài)分析。（4）對噴涂機(jī)器人進(jìn)行三維建模，對其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)軌跡的正確性。2.噴涂機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)機(jī)器人完成動(dòng)作的重要機(jī)構(gòu)，好的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，會提高機(jī)器人的性能，在器人的維修上有很大方便。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在機(jī)器人的組成上占有很重要的地位。工業(yè)機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要分為液壓驅(qū)動(dòng)、

23、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。主要優(yōu)缺點(diǎn)如下;1. 液壓驅(qū)動(dòng)方式 優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)功率大，裝置結(jié)構(gòu)簡單，可直接與傳動(dòng)連桿連接，具有較高的精度。缺點(diǎn)：產(chǎn)生油液泄漏。2. 氣壓驅(qū)動(dòng)方式 優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)能源清潔，結(jié)構(gòu)簡單。缺點(diǎn)：功率小于液壓驅(qū)動(dòng)，不易控制精度低。3. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式 優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)能源簡單，功率大，變速范圍大精度高便于控制。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用成本高。 比較上述優(yōu)缺點(diǎn)，可以知道液壓驅(qū)動(dòng)適用于特大功率的機(jī)器人系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)用于功率較小的機(jī)器人系統(tǒng)更為合適。而對于噴涂機(jī)器人，要求精度較高，且液壓驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生油液泄漏會影響噴涂機(jī)器人的涂效果，且噴涂機(jī)器人工作所需功率要求較低，因此本次設(shè)計(jì)的噴涂機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)

24、方式最為合理。2.2確定自由度和電機(jī)驅(qū)動(dòng)參數(shù)根據(jù)機(jī)器人的工作情況，確定其自由度。工業(yè)機(jī)器人由多種驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，不同的結(jié)構(gòu)形式是用于不同的工作條件，結(jié)構(gòu)主要分為直角坐標(biāo)系、極坐標(biāo)系、多關(guān)節(jié)機(jī)器人。直角坐標(biāo)系機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，使用范圍最廣，但只能在x、y、z三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，不能滿足噴涂機(jī)器人工作要求，噴涂機(jī)器人工作軌跡復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)空間大，只有多關(guān)節(jié)機(jī)器人能滿足工作要求，所以噴涂機(jī)器人驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)選擇多關(guān)節(jié)型。噴涂機(jī)器人自由度主要為五自由度和六自由度機(jī)器人，本文設(shè)計(jì)的噴涂機(jī)器人用于汽車車身的噴涂，要求的負(fù)載小，運(yùn)動(dòng)速度低。采用六自由度可以滿足設(shè)計(jì)要求。所以機(jī)器人為六自由度關(guān)節(jié)型。2.3運(yùn)動(dòng)參數(shù)的確定 本文設(shè)計(jì)

25、的噴涂機(jī)器人關(guān)節(jié)數(shù)為6，整體結(jié)構(gòu)形式為鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)范圍角加速度關(guān)節(jié)1腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)170/2 rad/s關(guān)節(jié)2大臂的俯仰運(yùn)動(dòng)+135至-90/2 rad/s關(guān)節(jié)3小臂的俯仰運(yùn)動(dòng)+168至-80/2 rad/s關(guān)節(jié)4腕部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)185rad/s關(guān)節(jié)5噴槍的俯仰運(yùn)動(dòng)1202rad/s關(guān)節(jié)6噴槍的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)3602rad/s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(dòng)方式直流伺服電機(jī)自由度6安裝方式水平地面安裝2.4關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式噴涂機(jī)器人具體可以分為底座、腰部、大臂、小臂和手腕五部分。大臂選用圓筒套裝梁結(jié)構(gòu)，鑄件。小臂結(jié)構(gòu)為空心桿結(jié)構(gòu)。為了降低整體重量，增加強(qiáng)

26、度，大臂和小臂均選用鋁合金材料。2.5大臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖2.5大臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖大臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖2.5所示大臂承擔(dān)著噴涂機(jī)器人工作時(shí)的主要受力，工作部位手腕的運(yùn)動(dòng)靠大臂運(yùn)動(dòng)和小臂運(yùn)動(dòng)的配合來實(shí)現(xiàn)。大齒輪和小齒輪可實(shí)現(xiàn)減速，大齒輪與大臂上連接，齒輪組具有一定的減速比，小齒輪與減速電機(jī)通過聯(lián)軸器相連，傳動(dòng)鏈為減速電機(jī)小齒輪大齒輪大臂，來實(shí)現(xiàn)大臂的運(yùn)動(dòng)。這種傳動(dòng)方式結(jié)構(gòu)簡單，傳動(dòng)響應(yīng)時(shí)間快，精度較高，對稱布置使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，減小了結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，整體穩(wěn)定性和底座的強(qiáng)度有顯著提高。2.6底座傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖2.6 底座關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖底座關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.6所知手腕部工作空間定位需要底座旋轉(zhuǎn)、大臂運(yùn)動(dòng)以及小

27、臂運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)配合實(shí)現(xiàn)的。底座的主軸和底盤之間使用螺釘連接，電機(jī)座位于底座的底盤上，電機(jī)座上固定著大臂與小臂的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。底座主軸為減輕零件重量設(shè)置為空心軸，與力矩電機(jī)相連。電機(jī)帶動(dòng)底座主軸旋轉(zhuǎn)。這種傳動(dòng)方案，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)底座運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單。2.7小臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖2.7小臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖小臂關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)見圖2.7 小臂運(yùn)動(dòng)角度范圍+135至-90，小臂的主要作用是調(diào)節(jié)在噴涂過程中噴槍的空間位置。大齒輪軸和底桿通過通孔連接在一起。底桿的另一端與后桿的底端連接。后桿的另一端與小臂連接。驅(qū)動(dòng)是驅(qū)動(dòng)小齒輪運(yùn)動(dòng)的電機(jī)。小齒輪與大齒輪嚙合，大齒輪帶動(dòng)底桿，底桿傳遞后桿，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)小臂的俯仰運(yùn)動(dòng)。這是通過鉸鏈四桿

28、機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。該機(jī)構(gòu)位于小臂后端對稱布置，可以增加結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置在底盤上，可以減輕整體結(jié)構(gòu)重量，提高整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，是傳動(dòng)響應(yīng)速度更快。有助于提高噴涂機(jī)器人工作時(shí)的精度，提高工作效率?？紤]到具體工作空間的限定，具體尺寸還要驗(yàn)證。3.噴涂機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)3.1數(shù)學(xué)建模與分析噴涂機(jī)器人用于汽車車身的噴涂，共做所需要達(dá)到的最大覆蓋范圍是1.31.31.3。根據(jù)工作環(huán)境做出假設(shè)，具體數(shù)據(jù)如下表：部位長度運(yùn)動(dòng)范圍運(yùn)動(dòng)方式大臂1.1m+135至-90俯仰運(yùn)動(dòng)小臂0.9m+168至-80俯仰運(yùn)動(dòng)腰部1.5m170回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在數(shù)學(xué)建模中，假設(shè)噴槍為質(zhì)點(diǎn)，體積忽略不計(jì)，設(shè)置噴槍與小臂距離為0.4m，所以現(xiàn)

29、在小臂長度為1.3m。因此大臂長度為1.1m，小臂長度為1.3m。建立數(shù)學(xué)模型，長度分別為1.1m和1.3m的細(xì)長桿1、2，體積不計(jì)，桿1可做范圍+135至-90的俯仰運(yùn)動(dòng)，桿2可做范圍+168至-80的俯仰運(yùn)動(dòng)，桿1、2首尾連接，需驗(yàn)證桿2末端能否滿足1.31.31.3空間范圍的工作條件。如滿足噴涂機(jī)器人的最大覆蓋范圍且超出范圍10%，則滿足條件，若覆蓋范圍小于工作空間或者超出需要空間10%，考慮工作限制和成本要求，需要重新制定尺寸。圖3.1工作的空間模型桿2末端運(yùn)動(dòng)示意圖如圖3.1。底盤的旋轉(zhuǎn)設(shè)定為范圍170。大臂與底座的連接點(diǎn)位于線段da延長線上，驗(yàn)證桿2末端運(yùn)動(dòng)范圍，根據(jù)對稱原理，只需

30、驗(yàn)證一半空間即可，即驗(yàn)證桿2末端能否到達(dá)abcd-efgh的八個(gè)頂點(diǎn)。如果滿足，則桿2末端能覆蓋工作空間。3.2 腕部設(shè)計(jì)3.2.1 電機(jī)的選擇將電機(jī)安裝在手腕上：旋轉(zhuǎn)噴槍的減速電機(jī)1安裝在旋轉(zhuǎn)套筒內(nèi)，以驅(qū)動(dòng)噴槍夾具進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而對噴槍進(jìn)行直接加工和處理。在旋轉(zhuǎn)套筒外側(cè)，旋轉(zhuǎn)套筒轉(zhuǎn)動(dòng)的齒輪傳動(dòng)電機(jī)2安裝在旋轉(zhuǎn)套筒支架的外側(cè)，以驅(qū)動(dòng)整個(gè)旋轉(zhuǎn)套筒進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。兩臺電機(jī)的安裝如圖2.2所示。用于旋轉(zhuǎn)整個(gè)手腕的減速齒輪馬達(dá)3和安裝在旋轉(zhuǎn)套筒外側(cè)的帶法蘭板的空心軸通過擴(kuò)張?zhí)淄策B接在一起。該安裝表面垂直于電機(jī)2的安裝表面，并且減速電機(jī)3驅(qū)動(dòng)整個(gè)手腕。系做旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。馬達(dá)1驅(qū)動(dòng)噴嘴進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，為了

31、減輕電動(dòng)機(jī)2的負(fù)擔(dān)，電動(dòng)機(jī)應(yīng)當(dāng)是緊湊且柔性的。因此，電動(dòng)機(jī)1應(yīng)當(dāng)重量輕，尺寸小并且能夠滿足全部電力要求。同時(shí)，電機(jī)軸應(yīng)通過膨脹套筒與噴槍夾鉗末端的空心軸連接，使電機(jī)輸出端軸適當(dāng)加厚加長。旋轉(zhuǎn)套筒的質(zhì)量也應(yīng)該盡可能小，因此材料是鋁合金材料。假設(shè)噴嘴的尺寸是?50?200的圓柱體，已知的質(zhì)量為3kg。17六自由度噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J =m(3 R2+L2) =3(3+) =0.01 kg.m2取噴槍的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為=2rad/s，n=60r/min取啟動(dòng)時(shí)間為0.1s由此轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度=20rad/s2計(jì)算力矩T為：T=J=0.628N.mP=T=0.6282=3.94因此，減速電

32、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，減速齒輪箱的減速比為23。電機(jī)的輸出軸端適當(dāng)加厚和加長。馬達(dá)2驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)套筒進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)套是200200200立方體。將旋轉(zhuǎn)套筒，電機(jī)，減速器，短軸，鑰匙，噴槍和噴槍夾子設(shè)置為總共5kg。長方體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式為：J=m()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(dòng)慣量為：J=5()=0.03 kg.m2取回轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為=2rad/s, n=60 r/min取啟動(dòng)時(shí)間為0.1s由此轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度=20rad /s2計(jì)算力矩T為：T=J=1.884N.mP=T=1.8

33、842=11.83 w因此，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，減速齒輪箱的減速比為23。電機(jī)的輸出軸端適當(dāng)加厚，最后打開鍵槽。電機(jī)3驅(qū)動(dòng)整個(gè)手腕進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。電機(jī)通過膨脹套筒連接空心軸，因此電機(jī)的輸出軸也必須適當(dāng)加長和延長。旋轉(zhuǎn)套筒為232100350立方體。整個(gè)手腕，旋轉(zhuǎn)套支架，聯(lián)軸器，短軸，電機(jī)和減速器的質(zhì)量估計(jì)為12kg。長方體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式為：J=m()由于回轉(zhuǎn)套為正方體，故b=0.232m,h=0.1m 所以繞回轉(zhuǎn)套回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：J=5()=0.064kg.m2取回轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為=rad/s，轉(zhuǎn)速為

34、n=30r/min取啟動(dòng)時(shí)間為0.1s由此轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度=10rad /s2計(jì)算力矩T為：T=J=2.01N.mP=T=2.012=6.23w因此，減速電動(dòng)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，減速齒輪箱的減速比為46。電機(jī)的輸出軸端應(yīng)適當(dāng)加厚和加長16-20。3.3 小臂的設(shè)計(jì)3.3.1 小臂設(shè)計(jì)的總體要求臂桿的質(zhì)量應(yīng)盡可能小，以減輕吊桿及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)的負(fù)擔(dān)。同時(shí)，手臂還必須承受手腕的重量和運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷。涂裝機(jī)器人的最大覆蓋范圍與手臂的長度和手臂之間的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)范圍密切相關(guān)。因此，在設(shè)計(jì)ARM時(shí)，應(yīng)根據(jù)機(jī)器人必須完成的任務(wù)充

35、分考慮設(shè)計(jì)要求，從而確定臂桿的總體結(jié)構(gòu)和長度。根據(jù)臂的重量最小，同時(shí)保持強(qiáng)度的原則，合理選擇臂和材料的形狀，既滿足強(qiáng)度要求，又能最大限度地減輕車身重量。減小關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和力矩，減小驅(qū)動(dòng)裝置的載荷，減少運(yùn)動(dòng)的動(dòng)載荷和沖擊。為了減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差，提高運(yùn)動(dòng)的精度和剛度，可以使用緩沖和定位裝置來提高定位精度。漆機(jī)器人的俯仰機(jī)構(gòu)是由鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)完成的，安裝在腰部旋轉(zhuǎn)盤上的直流伺服電機(jī)由鉸接四桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，以驅(qū)動(dòng)俯仰。采用鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的目的是將直流伺服電機(jī)放在腰部的旋轉(zhuǎn)盤上，避免小臂與大臂之間的直接連接，減小小臂的重量，減少大臂驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)載，減少動(dòng)載荷A。運(yùn)動(dòng)過程中的ND影響，提高整個(gè)噴漆機(jī)器

36、人的響應(yīng)速度。3.3.2鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)鉸接四桿機(jī)構(gòu)有三種設(shè)計(jì)方案，即雙曲柄機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)和屈柄連桿機(jī)構(gòu)。對于雙曲柄機(jī)構(gòu)來說，框架是最短的邊，因?yàn)榇蟊凼强蚣?，長度是1000毫米，如果使用雙曲柄機(jī)構(gòu)，另一桿的長度太長，而最后一章確定小臂的長度是800毫米，所以雙曲柄。機(jī)制不符合要求。對于雙搖桿機(jī)構(gòu)，框架是最短側(cè)的相對側(cè)，大臂與最短桿相反。如果采用雙搖桿機(jī)構(gòu)，則兩個(gè)桿的長度太長，某個(gè)方向的空間太大，小臂的俯仰角不好，增加了設(shè)計(jì)難度?；谏鲜龇治?，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)在這里使用，如圖3.5所示。AB代表大臂，長度為1000毫米，AD代表下桿，長度為400毫米，DC代表后桿，長度為1000毫米，BC代表小

37、臂的兩個(gè)連接點(diǎn)之間的部分，長度為200mm。AB邊緣為齒條，廣告?zhèn)葹閾u桿，BC側(cè)為曲柄。該結(jié)構(gòu)首先滿足BC側(cè)長度小于小臂長度的條件，占用空間小。底桿和后桿的質(zhì)量比其他兩種方案小。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(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，并計(jì)算慣性矩以計(jì)算動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。由于電機(jī)安裝在腰部旋轉(zhuǎn)盤上，慣性矩的計(jì)算需要轉(zhuǎn)換為大臂軸的I軸。我們只需要計(jì)算最大慣性矩。當(dāng)小臂和大臂共線時(shí)，小臂可繞I軸旋轉(zhuǎn)，此時(shí)整個(gè)小臂對I軸的扭矩最大。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 =0.4/40.40.2/40.80.16/4 =0.007

38、m3質(zhì)量m=V=2.70.007 =18.9kg2、腕部結(jié)構(gòu)對i軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量腕部繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為= m(b2+h2) = 0.03 kgm2平移到i軸上=+m =0.03+5(0.16+0.180.8)2 =6.53kgm23、回轉(zhuǎn)套支架對i軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量回轉(zhuǎn)套支架繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為= m(b2+h2) =0.064 kgm2平移到i軸上=+m =0.064+7(0.180.8)2=6.79kgm24、小臂結(jié)構(gòu)對i軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由于小臂是階梯狀前一段體積=0.002 m3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。小臂前段繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為=(3 R2+L2) =0

39、.22 kgm2平移到i軸上=+m =0.22+8(0.180.8)2 =20.7kgm2后一段體積=0.005m3質(zhì)量=13.5kg小臂后段繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為=(3 R2+L2) =0.64kgm218六自由度噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平移到i軸上=+m =0.67+13.50.82 =27.14kgm2 5、帶動(dòng)小臂轉(zhuǎn)動(dòng)的后桿和底桿對i軸的轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)，兩桿對i軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大。兩桿的體積之和=/414=0.01m3= =2.70.01 =27kg兩段同一直線時(shí)繞兩段質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：=(3 R2+L

40、2)=4.48kgm2平移到i軸上=+m =4.48+27 =17.71kgm26、對i軸總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以上計(jì)算的、均是在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大的情況下計(jì)算得到的，因此，根據(jù)這些轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算的總轉(zhuǎn)矩和功率將允許選定的電機(jī)在其他操作條件下滿足噴漆機(jī)器人的操作要求。對i軸總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：=+=78.87 kgm27、總力矩和功率的計(jì)算取小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度=/2 rad/s，轉(zhuǎn)速為n=15r/min取啟動(dòng)時(shí)間為1 s由此轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度為=/2 rad/s2慣性力矩T= =78.87/2 =123.88Nm六自由度噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靜力矩T：由于臂的俯仰機(jī)構(gòu)采用鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，臂本身可以平衡，因此靜力矩可以忽略不計(jì)。摩

41、擦力矩T：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大約等于慣性矩的0.05倍?？傊?，總轉(zhuǎn)矩T1.05T124.49 N m。電機(jī)轉(zhuǎn)速1500 r/min，即角速度50 rads。則總的傳動(dòng)比為:=/n=157/1.57=100故電機(jī)輸出端的負(fù)載力矩為T= T/ =124.49/100 =1.24Nm電機(jī)輸出端的功率為P= T =1.2450 =194.77w8、選擇電機(jī)的型號一般對驅(qū)動(dòng)元件有以下幾方面要求：（1）小慣性和大功率。驅(qū)動(dòng)元件主要用于噴漆機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，功率大于功率。（2）體積小，重量輕。主要性能指標(biāo)是功率密度，當(dāng)驅(qū)動(dòng)元件安裝在腰部旋轉(zhuǎn)盤上時(shí)，如果驅(qū)動(dòng)元件太大，腰部旋轉(zhuǎn)盤太大，因此驅(qū)動(dòng)元件的功率密

42、度應(yīng)盡可能大。（3）位置控制具有精度高、響應(yīng)快、速度范圍寬、速度慢等優(yōu)點(diǎn)。（4）振動(dòng)小，噪音小，安全可靠，運(yùn)行平穩(wěn)。（5）效率和能耗應(yīng)盡可能小。直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平穩(wěn)，調(diào)速范圍寬，速比可達(dá)1 200，超載能力，直流電機(jī)轉(zhuǎn)矩可達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的2.5倍，特殊要求可達(dá)10?？紤]到各種電機(jī)，遼寧本溪山城電機(jī)廠用于生產(chǎn)電磁直流伺服電機(jī)。模型為Z2-11，額定電壓為110220V，功率為0.4kW，速度為1500 r/min，重量為32公斤。電機(jī)需要調(diào)速，調(diào)速后轉(zhuǎn)速為75 r/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(gè)齒輪組來傳遞動(dòng)力，再通過齒輪帶

43、動(dòng)鉸鏈19六自由度噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)小臂的俯仰運(yùn)動(dòng)。1、選定材料、熱處理方式、精度等級及齒數(shù)（1）由于電磁直流伺服電機(jī)調(diào)速，輸出端速度低，低速級采用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。（2）選擇小齒輪材料40Cr、調(diào)質(zhì)、硬度241-86HBS。齒輪材料ZG35CRMO，調(diào)制加工，硬度190240HBS，精度等級8。（3）小齒輪齒數(shù)24，然后524120，齒輪齒數(shù)Z2120。2、按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)mm確定各個(gè)參數(shù)數(shù)值（1）T=9.5510=9.5510(0.4/0.75) 0.99=5.0410Nmm（2）初選載荷系數(shù)為=1.4（3）查表取齒寬系數(shù)為=1（4）查表取彈性系數(shù)為ZE=188

44、.9（5）查表取節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)為=2.5（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，大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為=1120MPa。（7）取工作壽命為15年，每年工作250天，2班制小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N1=60n1jLh=60751525016=2.7大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N2=N1/5=5.7（8）查表取接觸疲勞壽命系數(shù)為=1.08，=1.19（9）取安全系數(shù)為=1=1242MPa=1332.8MPa確定傳動(dòng)尺寸（1）初算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值 =29.04mm20六自由度噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（2）按K值對進(jìn)行修正由圓周速度=2.28m/s 查表取動(dòng)載荷系數(shù)為=

45、1.075 查表取齒間載荷分布系數(shù)為=1.2 查表取齒向載荷分布系數(shù)為=1.07 查表取使用系數(shù)為=1.00 所以載荷系數(shù)K=1.38 按K值對進(jìn)行修正 =29.04=28.9mm（4）確定模數(shù)m以及主要尺寸m=1.2mm 為了防止輪齒太小引起的意外折斷，m一般不小于1.5-2mm，故m=3mm。中心距a=m()/2=216mm 分度圓直徑=72mm，=360mm齒寬b=72mm，取小齒輪齒寬=80mm，大齒輪齒寬=75mm齒頂高=3mm，齒根高=3.75mm3、按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核確定各個(gè)參數(shù)數(shù)值（1）查表取彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.95，=0.98（2）查表取齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)=2.65

46、，=1.58=2.16，=1.81（3）查表取彎曲疲勞極限=710MPa，=710MPa（4）取彎曲疲勞系數(shù) =1.25可得=539.6MPa =556.64MPa（5）驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度=58.48MPa21六自由度噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)=54.61MPa彎曲疲勞強(qiáng)度足夠26-30。3.4大臂的設(shè)計(jì)3.4.1大臂設(shè)計(jì)的總體要求漆機(jī)器人臂的主要作用是承受小臂的重量和固定鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的底部，因此噴涂機(jī)器人的大臂在整個(gè)機(jī)器人的穩(wěn)定性中起著至關(guān)重要的作用。大臂的傳動(dòng)形式與由直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的小臂相同，以實(shí)現(xiàn)大臂的俯仰運(yùn)動(dòng)。大臂的整體結(jié)構(gòu)為矩形立體結(jié)構(gòu)。其目的是提高其機(jī)械性能，包括臂的剛度、強(qiáng)度和彎曲能

47、力。鋁合金具有低密度、高強(qiáng)度、良好的耐蝕性和機(jī)械性能接近或超過合金鋼。因此，采用鋁合金作為大臂的材料，可以減小大臂的重量，從而減少驅(qū)動(dòng)元件的負(fù)載，并且可以進(jìn)一步減小驅(qū)動(dòng)元件的驅(qū)動(dòng)載荷，以驅(qū)動(dòng)腰部旋轉(zhuǎn)。3.4.2 電機(jī)的選擇1、大臂總體質(zhì)量的計(jì)算大臂的結(jié)構(gòu)可看為中空長方體，鉆有小孔。所以實(shí)際體積要小一些，在這里計(jì)算體積時(shí)帶入一折減系數(shù)，假設(shè)折減系數(shù)為0.85。材料為鋁合金。體積V=hA =0.20.121 =0.024m3質(zhì)量m=0.85V=0.852.70.024 =55.08kg2、大臂對i軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大臂繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為= m(b2+a2) =4.77kgm2平移到i軸上=+m =4.

48、77+55.080.52 =18.54kgm222六自由度噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3、小臂對i軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小臂對i軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=78.87kgm24、大臂和小臂對i軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的總和=+=18.54+78.87=97.41kgm25、總力矩的計(jì)算取大臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度=/2 rad/s，轉(zhuǎn)速為n=15r/min取啟動(dòng)時(shí)間為1 s由此轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度為=/2 rad/s2慣性力矩T= =97.41/2 =153.01Nm靜態(tài)力矩T：當(dāng)大臂和小臂在一條直線時(shí)靜態(tài)力矩最大，此時(shí)T=mgr=(55.080.5+13.51.6+29.70.9) 9.8=743.53Nm摩擦力矩T：摩擦力矩近似等于0.05倍的靜態(tài)力矩

49、綜上所述總力矩T=1.05T+ T=933.71Nm取電機(jī)的轉(zhuǎn)速為=1500 r/min，即角速度為=50rad/s則總的傳動(dòng)比為:=/n=157/1.57=100故電機(jī)輸出端的負(fù)載力矩為T= T/ =933.71/100 =9.33Nm電機(jī)輸出端的功率為P= T =9.3350 =1464.81w6、選擇電機(jī)的型號一般對驅(qū)動(dòng)元件有以下幾方面要求：（1）慣性小，功率大。驅(qū)動(dòng)元件主要用于噴漆機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，慣性矩小，功率大于功率。（2）體積小，重量輕。主要性能指標(biāo)是功率密度，因?yàn)轵?qū)動(dòng)元件安裝在腰部轉(zhuǎn)盤上，如果驅(qū)動(dòng)元件太大，則腰部轉(zhuǎn)盤太大，所以驅(qū)動(dòng)元件的功率密度應(yīng)該與可能。（3）位置控制精度高，

50、響應(yīng)速度快，速度范圍寬，速度慢。（4）振動(dòng)小，噪音小，安全可靠，運(yùn)行平穩(wěn)。（5）高效率和能耗應(yīng)盡可能小。直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平穩(wěn)，調(diào)速范圍便捷，調(diào)速比可達(dá)1：200，過載能力強(qiáng)，直流電機(jī)軋制的短轉(zhuǎn)矩可達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的2.5倍，特殊要求可達(dá)10。考慮到各種電機(jī)，遼寧本溪山城電機(jī)廠用于生產(chǎn)電磁直流伺服電機(jī)。型號為Z2-41，額定電壓110 / 220V，功率3kw，轉(zhuǎn)速1500r / min，重量88kg。電機(jī)需要調(diào)速，調(diào)速后轉(zhuǎn)速為75r / min，減速比為20。3.4.3 齒輪的設(shè)計(jì)與校核計(jì)算1、選定材料、熱處理方式、精度等級及齒數(shù)（1）由于電磁直流伺服電機(jī)調(diào)速，輸出端速度低，低速級

51、采用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。（2）選擇小齒輪材料40Cr、調(diào)質(zhì)、硬度241-86HBS。齒輪材料ZG35CRMO，調(diào)制加工，硬度190240HBS，精度等級8。（3）小齒輪齒數(shù)20，然后520100，齒輪齒數(shù)Z2100。2、按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)mm確定各個(gè)參數(shù)數(shù)值（1）T=9.5510=9.5510(3/75) 0.99=378180Nmm（2）初選載荷系數(shù)為=1.4（3）查表取齒寬系數(shù)為=1（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=2.5（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，大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為=1120MPa。（7）取工作壽命為1

52、5年，每年工作250天，2班制小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N1=60n1jLh=60751525016=2.7大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N2=N1/5=5.725六自由度噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（8）查表取接觸疲勞壽命系數(shù)為=1.08，=1.19（9）取安全系數(shù)為=1=1242MPa=1332.8MPa確定傳動(dòng)尺寸（1）初算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值=29.04mm（2）按K值對進(jìn)行修正由圓周速度v=4.46m/s 查表取動(dòng)載荷系數(shù)為=1.20 查表取齒間載荷分布系數(shù)為=1.2 查表取齒向載荷分布系數(shù)為=1.07 查表取使用系數(shù)為=1.00 所以載荷系數(shù)K=1.54 按K值對進(jìn)行修正 =58.68mm（4）

53、確定模數(shù)m以及主要尺寸m=2.93mm ，取整m=3mm。中心距a=m()/2=180mm 分度圓直徑=60mm，=300mm齒寬b=60mm，取小齒輪齒寬=70mm，大齒輪齒寬=65mm齒頂高=3mm，齒根高=3.75mm3、按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核確定各個(gè)參數(shù)數(shù)值（1）查表取彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.95，=0.98（2）查表取齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)26六自由度噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)=2.80，=1.55=2.18，=1.79（3）查表取彎曲疲勞極限=710MPa，=710MPa（4）取彎曲疲勞系數(shù) =1.25可得=539.6MPa =556.64MPa（5）驗(yàn)算齒根彎曲疲勞強(qiáng)度=432MPa=388MPa彎