噴涂機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、精選文庫(kù)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(duì)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(gè)自由度，其中手腕關(guān) 節(jié)具有三個(gè)自由度，其它的關(guān)節(jié)各具有一個(gè)自由度，各個(gè)關(guān)節(jié)采用液壓 驅(qū)動(dòng)。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(dòng)小臂運(yùn)動(dòng)的電機(jī)安裝在腰部回轉(zhuǎn)盤的上面，通過帶動(dòng)鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)間 接驅(qū)動(dòng)小臂實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)，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(shí)減小了驅(qū)動(dòng)大臂和腰關(guān)節(jié) 的液壓缸所需要的功率與力矩，這種鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)還使

2、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(dòng)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)精選文庫(kù)AbstractNowadays most paint contains benzene The benzene is very volatile toxic and carcinogenic. It does harm to the workers heavily when the protection is absent So different kinds of painting robots appeared a

3、nd devel oped greatly.A joint type pain ti ng robot was desig ned in this pap erlt had six degrees of freedom. The wrist had three degrees of freedom and the other joints had three degrees of freedom. The painting robot joints were driven by hydraulic p ressure .Parallelogram structure was used in t

4、he robot. The hydraulic cylinder which was in stalled on the waist turni ng table droved the forearm in directlythrough the parallelogram structure. The structure avoided installing the hydraulic cylinder directly on the joint to reduce the forearm. So the s weighburden of the hydraulic cylinder whi

5、ch drive the upper arm and the waist were reduced Also this structure made the forearm realize balanee itself and reduce the static torque Aluminum alloy was used greatly in the robot, so the weight of the robot was reduced. Also the dynamic performanee was impro ved.Keywords : painting robot; joint

6、; structure design精選文庫(kù)ABSTRACT緒論II1.第一章1.11.21.3課題研究的背景及意義噴涂機(jī)器人的特點(diǎn)及其發(fā)展現(xiàn)狀課題國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及研究的主要成果.1.3.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀1.3.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀1.5本文研究主要內(nèi)容以及背景和意義總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).9.2.1確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2.22.32.42.1.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2.1.2確定驅(qū)動(dòng)件和自由度噴漆機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)各個(gè)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式和平衡方式2.3.1小臂101111122.3.22.3.32.3.42.3.5大臂13小臂的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)大臂的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)腰部的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)本章小結(jié)噴漆機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)1718191919精選文庫(kù)精選文庫(kù)3.1噴漆機(jī)

7、器人數(shù)學(xué)模型的建立與分析203.2腕部設(shè)計(jì)3.2.1 電機(jī)的選擇23233.3小臂的設(shè)計(jì)253.43.53.63.74.14.34.44.54.63.3.13.3.23.3.3小臂設(shè)計(jì)的總體要求鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)液壓缸的選擇與設(shè)計(jì)大臂的設(shè)計(jì)3.4.1大臂設(shè)計(jì)的總體要求腰關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)傳感器的選擇本章小結(jié)軸、螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)與校核大軸4.1.14.1.24.2.14.2.2小軸4.3.14.3.2的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核大軸1的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大軸1的強(qiáng)度校核大軸2的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大軸2的強(qiáng)度校核的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核小軸1的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)小軸1的強(qiáng)度校核小軸2的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核回轉(zhuǎn)底盤與腰部主軸連接螺釘?shù)男：吮菊滦〗Y(jié)25262730303

8、33434363636374041424243454546精選文庫(kù)精選文庫(kù)精選文庫(kù)參考文獻(xiàn) 附錄一 附錄二 附錄三開題報(bào)告 文獻(xiàn)綜述 外文文獻(xiàn).4.8精選文庫(kù)1.1課題研究的背景及意義機(jī)器人是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的機(jī)械電子裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器持續(xù)工作時(shí)間 長(zhǎng)、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器進(jìn)化過 程的產(chǎn)物。機(jī)器人技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技 術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍、應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況 ，是一個(gè)國(guó)家自動(dòng)化水平的 重要標(biāo)志。機(jī)器人是用于完成各種作業(yè)的機(jī)

9、電一體化的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。機(jī)器 人的廣泛應(yīng)用，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對(duì)保障人身安全，改 善勞動(dòng)環(huán)境，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低 生產(chǎn)成本,有著十分重要的意義。自從1962年美國(guó)研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來，經(jīng)過五十 多年的發(fā)展，機(jī)器人己在越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。如在毛坯制造 （沖 壓、壓鑄、鍛造等）、機(jī)械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、 裝配、檢測(cè)及倉(cāng)庫(kù)堆垛等作業(yè)中，機(jī)器人已逐步取代了人工作業(yè)。在農(nóng) 業(yè)方面,機(jī)器人在國(guó)外農(nóng)場(chǎng)應(yīng)用也比較廣泛，如果蔬采摘機(jī)器人、植保機(jī) 器人、噴（霧）藥機(jī)器人和高壓靜電滅蝗機(jī)器人等是農(nóng)業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的廣 大科研工作者研究

10、的熱點(diǎn)。 _用于表面涂覆工作的機(jī)器人稱為噴涂（或噴漆）機(jī)器人,它是機(jī)器人 技術(shù)與表面噴涂工藝相結(jié)合的產(chǎn)物 ，是機(jī)器人產(chǎn)品中的一個(gè)特殊品種， 主要用于工業(yè)領(lǐng)域的表面涂裝作業(yè)，靜電噴霧技術(shù)同時(shí)也廣泛應(yīng)用于農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)中噴藥殺蟲和除草等植保作業(yè)。采用噴涂機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)在于 實(shí)現(xiàn)了噴涂生產(chǎn)作業(yè)的自動(dòng)化，避免了工人始終處于有毒環(huán)境中而造成第一章緒論精選文庫(kù)急性或慢性中毒，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性，同時(shí)能減少涂料和能量的 消耗,提高生產(chǎn)效率。1.2噴涂機(jī)器人的特點(diǎn)及其發(fā)展現(xiàn)狀大部分機(jī)電類產(chǎn)品在其制造過程中，都涉及到表面涂裝作業(yè)。對(duì)于 傳統(tǒng)機(jī)械行業(yè)（如機(jī)床、輕工機(jī)械、紡織機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、起重機(jī)械、 工程機(jī)械、

11、礦山機(jī)械、冶金機(jī)械等）、電機(jī)電器行業(yè)（如電機(jī)、變壓器、 電控柜等）、儀器儀表行業(yè)、家電行業(yè)、以及交通運(yùn)輸行業(yè)等 ，用戶對(duì)其 產(chǎn)品外觀質(zhì)量的要求都很高，而表面涂裝技術(shù)是達(dá)到這一要求的重要環(huán) 節(jié)。對(duì)于某些機(jī)電產(chǎn)品如家電、輕工、汽車、摩托車等來講，產(chǎn)品的外觀質(zhì)量甚至影響到該產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力 ，因此對(duì)表面涂裝技術(shù)提出 了更高要求。_傳統(tǒng)的表面噴涂（漆）技術(shù)都是以手工方式進(jìn)行產(chǎn)品表面的噴涂 （漆） 作業(yè),在此過程中產(chǎn)生的大量的有害物質(zhì)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(dòng)情緒，因此噴涂質(zhì)量 受工人的技術(shù)水平和情緒等因素影響較大，制約了生產(chǎn)能力。自動(dòng)噴涂 機(jī)的出現(xiàn)

12、則克服了這一缺點(diǎn)。但由于噴涂機(jī)只能完成一些簡(jiǎn)單的往復(fù)直 線運(yùn)動(dòng),而被涂工件表面的多樣性及復(fù)雜性使得噴涂機(jī)的使用受到一定 的限制。隨著機(jī)器人技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，機(jī)器人也被用來 進(jìn)行涂裝作業(yè)，進(jìn)而產(chǎn)生了一個(gè)新的機(jī)器人品種一噴涂機(jī)器人。噴涂機(jī)器人最顯著的特點(diǎn)就是不受噴涂車間有害氣體環(huán)境的影響，可以重復(fù)進(jìn)行相同的操作動(dòng)作而不厭其煩，因此噴涂質(zhì)量比較穩(wěn)定；其次機(jī)器人的操作動(dòng)作是程序控制的，對(duì)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(jī)器人的操作動(dòng)作控制程序是可 以重新編制的，不同的程序針對(duì)不同的工件，所以可以適應(yīng)多種噴涂對(duì) 象在同一條噴涂線上進(jìn)行噴漆。有鑒于此，噴涂機(jī)器人

13、在涂裝領(lǐng)域越來 越受到重視，尤其是在汽車制造業(yè)中，如圖1 一 I所示機(jī)器人噴涂汽車車精選文庫(kù),就會(huì)引,所以，防，由于噴涂圖1一1機(jī)器人噴涂汽車車身噴涂機(jī)器人與其它品種的工業(yè)機(jī)器人比較其主要不同之處在于噴涂機(jī)器人用于在封閉的噴涂室內(nèi)噴涂工件內(nèi)外表面，由于噴涂室內(nèi)的漆霧是易燃易爆的，如果機(jī)器人的某個(gè)部件產(chǎn)生火花或溫度過高 燃噴涂室內(nèi)的易燃物質(zhì)，引起噴涂室內(nèi)的大火。甚至引起爆炸 爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)電動(dòng)噴涂機(jī)器人很重要的一部分。其次在工件表面的油漆是勃性流體介質(zhì)，需要干燥后才能固化，在噴涂過程 中,機(jī)器人不得接觸己噴涂的工件表面，否則將破壞表面噴漆質(zhì)量，因此 噴槍輸漆管路等都不得在機(jī)器人手臂外部懸掛，

14、而是從手臂中穿過，這身的情景。精選文庫(kù)1.3課題國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及研究的主要成果在一定程度上影響機(jī)器人的關(guān)節(jié)角轉(zhuǎn)動(dòng)范圍。最后噴涂機(jī)器人需配置涂 料流量控制系統(tǒng)與換色系統(tǒng)，以適應(yīng)不同色彩的需要。噴涂機(jī)器人是可以進(jìn)行自動(dòng)噴涂或噴漆的一種新型工業(yè)機(jī)器 人，1969年由挪威一家公司發(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23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

15、地通過較小的孔伸入工件 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)，可通過手把手示教或點(diǎn)位示數(shù)來實(shí)現(xiàn)示教。噴漆機(jī) 器人廣泛用于汽車、儀表、電器等工藝生產(chǎn)部門。隨著機(jī)器人技術(shù)的不 斷完善，噴涂精度得到顯著提高。我國(guó)的華南理工大學(xué)、華中科技大學(xué) 等科研機(jī)構(gòu)先后對(duì)噴涂機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行深入的研究，取得了不少進(jìn)展。 航天航空部的703所、625所使用熱噴涂機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)，用來噴涂一 些重要而特殊航空部件。目前在我國(guó)，還沒有完全意義上的獨(dú)立生產(chǎn)噴 涂機(jī)器人的廠家，機(jī)器人市場(chǎng)大多為歐美、日本、韓國(guó)等國(guó)的生產(chǎn)廠家 所壟斷。1.3.1國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀我國(guó)的一些企業(yè)積極與高校開展

16、噴涂機(jī)器人的項(xiàng)目合作，進(jìn)一步推 動(dòng)我國(guó)噴涂機(jī)器人技術(shù)的成熟，普及與應(yīng)用。近年來國(guó)內(nèi)亦擁有相當(dāng)數(shù)量的噴漆機(jī)器人如南航研制的 P R-1型噴漆機(jī)器人。噴漆機(jī)器人在國(guó) 外早已廣泛應(yīng)用于汽車等產(chǎn)品的涂裝生產(chǎn)線，國(guó)外機(jī)器人己取得的進(jìn)展 主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：1）操作機(jī)器人：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,操作機(jī)器人己實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)。以德國(guó) KUKA公司為代表的 精選文庫(kù)機(jī)器人公司，己將機(jī)器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，拓展了機(jī)器人的工作范圍，加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用，大大提高了機(jī)器人的 性能。此外采用先進(jìn)的RV減速器及交流伺服電機(jī)，使機(jī)器人操作機(jī)幾乎 成為免維護(hù)系統(tǒng)。2）

17、并聯(lián)機(jī)器人：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(cè)量及 加工。意大利COMA公司和日本FANU（等公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品。3）控制系統(tǒng):控制系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，己由過去控制標(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,實(shí)現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字 控制。人機(jī)界面更加友好，基于圖形操作的界面也己?jiǎn)柺?。編程方式仍以示教編程為主，但離線編程己在某些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)實(shí)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(yīng)用于機(jī) 器人系統(tǒng)中，并實(shí)現(xiàn)了焊縫自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)化生產(chǎn)線上物體的自動(dòng)定位 以及精密裝配作業(yè)等，大大改善了機(jī)器人的作業(yè)性能和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。日本的KAWASAKI丫 ASKA場(chǎng)叭、F

18、ANU瑞典的ABB德國(guó)的KUKA REIS等公司都有此類產(chǎn)品。5）網(wǎng)絡(luò)通信功能：日本的YASKA場(chǎng)人和德國(guó)的KUKA公司的最新機(jī)器 人控制器己實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)場(chǎng)總線 CanbuS ProfibuS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)用轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用。6）可靠性：由于微電子技術(shù)的快速發(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。過去機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性一般為幾千小時(shí),而現(xiàn)在已達(dá)到5萬小時(shí),可以滿足任何場(chǎng)合的需求。1.3.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀在國(guó)外,近年來機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展有如下幾個(gè)趨勢(shì)：1）機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性）,而其價(jià)格不 斷下降。2）機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化

19、發(fā)展。如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、 減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組裝方式構(gòu)精選文庫(kù)造機(jī)器人整機(jī)。3）機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，有利于標(biāo) 準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，采用模塊化結(jié)構(gòu)；機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性、 易操作性和可維修性大大提高。4）機(jī)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(jī)器人還應(yīng)用了視覺傳感器、力覺傳感器 ， 而遙控機(jī)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(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制。5）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用己從仿真發(fā)展到用于過程控 制,如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)

20、環(huán)境中操縱機(jī)器人的感 覺。1.4.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(jī)器人離線編程的第一步是必須獲取噴涂工件的CAD數(shù)據(jù)，隨著計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的成熟，可以利用模式識(shí)別技術(shù)先識(shí)別出待噴涂的工 件，再利用圖像處理技術(shù)提取工件表面的特征點(diǎn)，形成數(shù)據(jù)點(diǎn)云，最后 通過圖像的三維重構(gòu)獲取工件的 CAD數(shù)據(jù)。1.4.2噴涂路徑規(guī)劃路徑規(guī)劃是噴涂機(jī)器人離線編程的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。路徑規(guī)劃的好 壞，直接關(guān)系到噴涂作業(yè)的效率以及工件表面的涂層是否均勻，對(duì)噴涂 工件的質(zhì)量的影響巨大。1.4.3噴涂機(jī)器人的位姿精度與標(biāo)定影響噴涂機(jī)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(dòng)態(tài)因素。靜

21、態(tài)因素包括了制造、裝配時(shí)所帶來的機(jī)器人本體機(jī)械 結(jié)構(gòu)上的誤差；由外界溫度的改變和長(zhǎng)期的磨損而引起的機(jī)械部件的尺 寸變化，由此造成機(jī)器人位姿的誤差。動(dòng)態(tài)因素主要是由外力所引起的 機(jī)械部件本身的彈性變形所帶來的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)誤差。為解決以上因素所 造成的機(jī)器人位姿誤差，必須在使用前對(duì)機(jī)器人進(jìn)行標(biāo)定，建立機(jī)器人 精選文庫(kù)的參照模型，目前用于機(jī)器人標(biāo)定的技術(shù)有基于三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x的標(biāo)定、 基于激光跟蹤儀的機(jī)器人標(biāo)定以及基于 CCD的機(jī)器人標(biāo)定。根據(jù)機(jī)器人 實(shí)際運(yùn)行時(shí)的位姿與參照模型間的誤差，建立機(jī)器人補(bǔ)償機(jī)制，以進(jìn)一 步提高機(jī)器人噴涂作業(yè)的精度。144噴涂機(jī)器人的控制噴涂機(jī)器人的控制較為常用的仍是傳統(tǒng)的PID

22、理論，在實(shí)際的應(yīng)用中，噴涂機(jī)器人機(jī)械臂的長(zhǎng)度往往很長(zhǎng)，當(dāng)整個(gè)機(jī)械臂伸展開時(shí)大約可 達(dá)到2m的長(zhǎng)度，且運(yùn)行速度較高，各關(guān)節(jié)間的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)非常顯著， 不能忽略，從而造成機(jī)器人各關(guān)節(jié)的被控對(duì)象模型是時(shí)變的。 而傳統(tǒng)PID 理論的比例（P）、積分（I ）、微分（D）參數(shù)的整定是建立在關(guān)節(jié)傳遞 函數(shù)模型為定值基礎(chǔ)之上的，這對(duì)傳統(tǒng)的基于系統(tǒng)動(dòng)力模型的控制理論 帶來了挑戰(zhàn)。此外，實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)往往存在有各種不確定的干擾，也會(huì) 對(duì)PID控制器造成影響。以上兩個(gè)因素決定了 PID控制器必須具備一定 的自適應(yīng)性，其比例、積分、微分參數(shù)應(yīng)能夠隨著外界環(huán)境的改變而自 動(dòng)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

23、新的思路。 智能控制是人工智能、生物學(xué)與自動(dòng)控制原理結(jié)合的產(chǎn)物，是一種模仿 生物某些運(yùn)行機(jī)制的、非傳統(tǒng)的控制方法。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論、人 工免疫、遺傳進(jìn)化等智能控制算法與 PID理論相結(jié)合，用于PID參數(shù)的 整定，成為未來機(jī)器人控制發(fā)展的趨勢(shì)。1.5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(guó)加入世貿(mào)組織，近幾年來我國(guó)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(shí)也促進(jìn)了機(jī)械制造業(yè)的發(fā) 展，其中對(duì)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(zhǎng)短、汽車是否美觀，而且 人們

24、在購(gòu)買汽車時(shí)，對(duì)于汽車產(chǎn)品最直接的評(píng)價(jià)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(gè)汽車產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)能力和 精選文庫(kù)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(jiǎn)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(guó)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(guó)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(jià)比等方面上與發(fā)達(dá)國(guó)的噴漆機(jī)器人存在著較大的差距。 目前我國(guó)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(dòng) 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(guó)設(shè)備制造商的 噴漆

25、機(jī)器人，但是仍然存在著價(jià)格昂貴、維護(hù)費(fèi)用高、兼容性低等問題, 從而導(dǎo)致了競(jìng)爭(zhēng)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(guó)產(chǎn)化，對(duì)于我國(guó)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(duì)象，對(duì)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(gè)關(guān)節(jié)的傳動(dòng) 方案。根據(jù)設(shè)計(jì)要求里的工作空間的要求，通過簡(jiǎn)單的計(jì)算方法，確定了兩個(gè)手臂 的長(zhǎng)度。2.初步設(shè)計(jì)了傳動(dòng)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

26、學(xué)、材料力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、物理學(xué)的知識(shí)并且 根據(jù)機(jī)器人技術(shù)參數(shù)計(jì)算出各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和功率，再查找機(jī)械設(shè) 計(jì)手冊(cè)，選擇了符合要求的驅(qū)動(dòng)部件和傳感器。4.進(jìn)行了主要的傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核。精選文庫(kù)第2章總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2.1.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是直接驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)器人完成指定動(dòng)作的機(jī) 構(gòu)，而且工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器人上的一個(gè)十分重要的機(jī)構(gòu)，對(duì) 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(gè)有效的伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)作自由度都比較多，以便能完成復(fù)雜的 動(dòng)作，

27、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(dòng)速度都比較快，而且定位精度十分高，它們的驅(qū)動(dòng)元件大多安裝 在活動(dòng)支架上。而且由于施工現(xiàn)場(chǎng)的空間是有限的，所以絕大多數(shù)時(shí)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(gè)工序。綜合以上特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)要求工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)。目前，工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū) 動(dòng)三種。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的

28、特點(diǎn)主要是運(yùn)行穩(wěn)定可靠，運(yùn)動(dòng)件的慣性小， 快速相應(yīng)的靈敏度高，傳動(dòng)比較大，低速性能好，容易實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速， 操作和控制都比較容易。氣壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)主要是響應(yīng)速比較度快，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。 精選文庫(kù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式具有以下特點(diǎn)：動(dòng)力源簡(jiǎn)單、負(fù)載小、調(diào)速范圍大、無需精選文庫(kù)配管、維修及使用方便、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。此外，由于近年來液 壓控制系統(tǒng)的逐漸完善，此次設(shè)計(jì)選擇液壓驅(qū)動(dòng)。2.1.2確定驅(qū)動(dòng)件和自由度由于工作需求的不同以及工作對(duì)象的不同，因此工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng) 機(jī)型有多種結(jié)構(gòu)形式，主要包括直角坐標(biāo)系機(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

29、標(biāo)系機(jī)器人只能在X、y、z三個(gè)方向上作直線運(yùn)動(dòng)，因此控 制方便，結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)比較方便。但是其只能作直線運(yùn)動(dòng)，所以 局限性比較大，只能在特定的工作場(chǎng)合下工作。圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的工作 范圍是一個(gè)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(shì)，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(dòng)，手臂部分的一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及一個(gè) 直線運(yùn)動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人。多關(guān)節(jié)型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間比前三者大，可以 完成十分復(fù)雜的動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)軌跡靈活多變，自由度多而且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。 綜上所述，噴漆機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)型選用多關(guān)節(jié)型。又因噴漆機(jī)器人的負(fù) 荷小，運(yùn)動(dòng)速度低，而且根據(jù)設(shè)計(jì)要

30、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。精選文庫(kù)2.2噴漆機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)結(jié)構(gòu)形式關(guān)節(jié)式自由度6?1?2?3?4?5?6活動(dòng)范圍1000750700210021004200最大速度2m/s手腕最大負(fù)荷5kg驅(qū)動(dòng)方式電液伺服驅(qū)動(dòng)重復(fù)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(jí)本質(zhì)安全防爆i2 G4環(huán)境溫度0402.3各個(gè)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(gè)左右的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，即：底座、腰 部轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)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

31、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。 精選文庫(kù)為了增強(qiáng)大臂的強(qiáng)度，同時(shí)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)，材料同樣是鋁合金。手臂的平衡：為了減小驅(qū)動(dòng)力矩和增加運(yùn)動(dòng)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(dòng)裝置有 足夠的容量時(shí)，可以省去平衡。對(duì)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(duì)于小臂的平衡，在這里小臂采

32、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。該機(jī)器人的大臂小臂均采用彈簧平衡裝置，如下圖所示。經(jīng)計(jì)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。231小臂小臂的平衡彈簧鉸接在平衡支架的 A點(diǎn)上，另一端固定焊接在小臂 內(nèi)的彈簧座上。平衡支架、大臂、拉桿和轉(zhuǎn)臺(tái)組成一平行四連桿機(jī)構(gòu)。 它使平衡支架在下臂運(yùn)動(dòng)時(shí)做平面運(yùn)動(dòng)，保證小臂在大臂運(yùn)動(dòng)時(shí)其夾角 ?不變。小臂的不平衡力矩不僅隨轉(zhuǎn)角3變化，也隨轉(zhuǎn)角2變化，其算法如下：小臂對(duì)轉(zhuǎn)軸軸線O3的偏重力矩MG3為MG3 G3L3COS式中：G-小臂及手腕部件重量L3 小臂及手腕部件的合重心與 O的距離 小臂梁與水平線的夾角彈

33、簧的平衡力矩Ms3 = K3f3h3式中：K3 小臂平衡彈簧剛性系數(shù)f 3 小臂平衡彈簧變形量 h3彈簧力對(duì)O3的力臂 通過結(jié)構(gòu)的尺寸關(guān)系可算得：h3 RiR2si n/I3 f 3 I3 (R2 Rl) f 30式中l(wèi)3 = j2(RiRi R2R2 2R1R2COS )為彈簧長(zhǎng)度(包括支撐螺栓 精選文庫(kù)等長(zhǎng)度)是隨P角變化的值，f30為安裝時(shí)彈簧的預(yù)變形量。由于存在著驅(qū)動(dòng)油缸活塞與剛桶的靜阻力，其方向沿活塞桿03 D ,它對(duì)03的力矩亦起著平衡一部分偏重力矩的作用，因而小臂的平衡力矩M 3 MG3 MS3 MP3式中M P3為油缸對(duì)O3的靜阻力矩。2.3.2大臂大臂的平衡由對(duì)稱于大臂中心線

34、的左右兩根彈簧承擔(dān)，同理大臂的 不平衡力矩 M2也同時(shí)受2, 3轉(zhuǎn)角的影響，另外，小臂沒有完全平衡, 在計(jì)算時(shí)還應(yīng)考慮小臂加于大臂上部的力和力矩作用。此時(shí)，大臂的偏重力矩MG2應(yīng)為MG2 (G3 G2)a2 G2L2sin 2 M 3G2關(guān)節(jié)軸3的重量(包括軸上零件)精選文庫(kù)a2 大臂長(zhǎng)L2 大臂合重心矩02的長(zhǎng)度MS2 2k2f2h2其算法與小臂相同。考慮大臂驅(qū)動(dòng)油缸的靜阻力矩MP2則可得大臂的不平衡力矩M 2 MG2 MS2 MP2精選文庫(kù)Gy大小臂平衡彈簧參數(shù)小臂彈簧大臂彈簧彈簧直徑（mm6780彈簧鋼絲直徑（mm1010圈數(shù)7040剛度系數(shù)（kgf/mm）0.84930.8666圖3-

35、2人臂平衡機(jī)構(gòu)-K彈簧總長(zhǎng)度708410螺旋方向右旋右旋平衡彈簧材料選用60si 2 MnAAM?0 0）NG1G1大*_氣精選文庫(kù)(b233 小臂的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)Qz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(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 2.3所示。小臂做+1350至-900范 圍內(nèi)的俯仰運(yùn)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)整個(gè)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 tk. k. 3X(3 X).0252+0.22) 122 =0.01 kg.m取噴槍的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為3 =2 rad/s, n=60r/min取啟動(dòng)時(shí)間為0.1s由此轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度=20 rad/S2計(jì)算力矩T為

36、：T=J =0.628N.mP=Tw =0.628 送=3.94精選文庫(kù)J=+ X5X 0.22 0.22)=0.03 kg.m2取回轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為 取啟動(dòng)時(shí)間為0.1s 由此轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度 =20計(jì)算力矩T為：T=J3 =2 rad/s, n=60 r/minrad /s2=1.884N.m設(shè)回轉(zhuǎn)套為232X100X350的立故訂做的減速電機(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(zhǎng)。電機(jī)2帶動(dòng)回轉(zhuǎn)套做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。設(shè)回轉(zhuǎn)套為200X200X200的立方體。 設(shè)回轉(zhuǎn)套、電機(jī)、減速器、短軸

37、、鍵、噴槍及噴槍夾的質(zhì)量共5kg 0長(zhǎng)方體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式為：J=一 m( b2 h2)12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：P=T3 =1.884 X =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(zhǎng)，并且在末端開鍵槽。電機(jī)3帶動(dòng)整個(gè)腕部做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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(zhǎng)。方體。設(shè)整個(gè)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(zhǎng)方體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式為

38、：J=m( b2 h2)12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：1 2 2 2精選文庫(kù)J= X5X 0.20.2 ) =0.064kg.m2精選文庫(kù)取回轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為 取啟動(dòng)時(shí)間為0.1s 由此轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度=10計(jì)算力矩T為：T=J3 = rad/s，轉(zhuǎn)速為 n=30r/minrad /S=2.01N.mP=T3 =2.01 鬼 =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L(zhǎng)16-20。3.3 小臂的設(shè)計(jì)3

39、.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(dòng)電機(jī)的負(fù)擔(dān)。同時(shí)小臂桿還要承受整個(gè)手腕的重量以及在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生 的動(dòng)載荷。噴漆機(jī)器人的最大覆蓋范圍與各個(gè)手臂的長(zhǎng)度、手臂間的關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn) 動(dòng)范圍密切相關(guān)。因此設(shè)計(jì)手臂時(shí)，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(zhǎng)度。根據(jù)盡量減小 手臂質(zhì)量同時(shí)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(duì) 其關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及偏重力矩，以減少驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)載，同時(shí)注意減 少運(yùn)動(dòng)的動(dòng)載荷與沖擊。設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差提高運(yùn)動(dòng)

40、的 精確性和運(yùn)動(dòng)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，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(dòng)小臂實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)。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(dòng)裝置的負(fù) 載，減少運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的動(dòng)載荷與沖擊，提高整個(gè)噴漆機(jī)器人的響應(yīng) 速度。332鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)精選文庫(kù)d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(duì)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(zhǎng) 度為1000mm,如果采用雙曲柄機(jī)構(gòu)，其它桿

41、的桿長(zhǎng)太長(zhǎng)，而且上一章 確定小臂的長(zhǎng)度為800mm，因此雙曲柄機(jī)構(gòu)不符合要求。對(duì)于雙搖桿機(jī) 構(gòu)來說機(jī)架為最短邊的對(duì)邊，既大臂與最短桿相對(duì)。如果采用雙搖桿機(jī) 構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致其他兩桿的長(zhǎng)度過長(zhǎng)，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(shì)必會(huì)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(zhǎng)度為1000mm， ad邊代表底桿，長(zhǎng)度為400mm，de邊代表后桿，長(zhǎng)度為1000mm，be邊 代表小臂長(zhǎng)兩個(gè)連接點(diǎn)間的部分，長(zhǎng)度為200mm。ab邊為機(jī)架，ad邊為搖桿，be邊為曲柄。這種結(jié)構(gòu)首先滿足了 be邊長(zhǎng)度小于小臂長(zhǎng)度這 一條件，而且所占的空間小，

42、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333液壓缸的選擇與設(shè)計(jì)首先計(jì)算動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩，計(jì)算動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩需計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。我們只需要計(jì)精選文庫(kù)算出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大時(shí)的情況，既當(dāng)小臂與大臂共線時(shí)，小臂可視為繞i軸旋轉(zhuǎn)，此時(shí)整個(gè)小臂體對(duì)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=l X A=0.4X X O.182/4 + 0.4X X 0.22/4 0.8X X 0.162/4 =0.007 m3質(zhì)量m= V=2.7X 103 X 0.007=18.9kg2、腕部結(jié)構(gòu)對(duì)i軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 1 腕部繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為11

43、 = 12 XmXb2+h2)=0.03 kgXn2平移到i軸上li = l1 +mr12=0.03+5 X0.16+0.18 + 0.8)22=6.53kgXn3、回轉(zhuǎn)套支架對(duì)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12=丄XmX(b2+h2)2 122=0.064 kg Xn平移到i軸上l2 = l2+mX22=0.064+7 X0.18+ 0.8)22=6.79kgXn4、小臂結(jié)構(gòu)對(duì)i軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由于小臂是階梯狀前一段體積 V =0.002 m3質(zhì)量mi =Vi =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13 =丄mi (3 R2+L

44、2)精選文庫(kù)3 122=0.22 kg m2平移到i軸上hRs+mXTs2=0.22+8 (0.18 + 0.8)22=20.7kgm后一段體積V2 =0.005m3質(zhì)量 m2=V2=13.5kg小臂后段繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為14 =丄m2 (3 R+L2)122=0.64kgm平移到i軸上14 = I, +m r42=0.67+13.5 B.82=27.14kgm25、帶動(dòng)小臂轉(zhuǎn)動(dòng)的后桿和底桿對(duì)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 100X1000,底桿的尺寸為 100X400。當(dāng)兩桿共線時(shí)，兩桿對(duì)i軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大。兩桿的體積之和V總=X0.12/4 4=0.01m

45、3mitt = V 總心、心、=2.7 103 X0.01 =27kg兩段同一直線時(shí)繞兩段質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:15 = 12 m總(3 R2+L2)=4.48kgm2精選文庫(kù)12 rad/s2平移到i軸上15 = +m r52=4.48+27 0.42=17.71kgm26、對(duì)i軸總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以上計(jì)算的I1、12、13、14、15均是在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大的情況下計(jì)算 得到的，所以用這些轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)i軸總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：2I 總=11+12+13+ I4 + I5=78.87 kg 和7、總力矩和功率的計(jì)算取小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度

46、=/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=慣性力矩= I總=78.87 X /2 =123.88Nm靜態(tài)力矩T2 :由于小臂的俯仰機(jī)構(gòu)采用的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，小臂自 身基本可以平衡，所以靜態(tài)力矩可以忽略不計(jì)。摩擦力矩T3 :摩擦力矩近似等于0.05倍的慣性力矩綜上所述總力矩T總=1.05只1=124.49 Nm小臂驅(qū)動(dòng)油缸鉸接點(diǎn)01固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，傳動(dòng)原理同上。計(jì)算 大臂處于垂直位置時(shí)的小臂動(dòng)作范圍。由結(jié)構(gòu)尺寸知：0203 180mm ,O2O3 850mm, O3O3 868.5mm, O3D O3D O3D 192.35mm，油 缸兩支點(diǎn)距離最大時(shí)O3D

47、946.5mm，最小時(shí)OD 726.5，則活塞全 行程為220mm。經(jīng)計(jì)算可得：？=12o4503活塞行程為220mm時(shí)：爐=107 014 27精選文庫(kù)大晴rJ4 toQz活塞行程為零時(shí)小臂與大臂夾角 分配0時(shí)可得：30 = BI+?=49C29,相對(duì)水平位置136(43572170(fi0303下 9030 40 313上33下 29 59303.4 大臂的設(shè)計(jì)3.4.1大臂設(shè)計(jì)的總體要求噴漆機(jī)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(jī)構(gòu)的底桿，因此噴漆機(jī)器人的大臂對(duì)整個(gè)機(jī)器人能否保持穩(wěn)定性起 著至關(guān)重要的作用。大臂的傳動(dòng)形式與小臂相同，都是由液壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí) 現(xiàn)大臂的俯仰運(yùn)動(dòng)。

48、D “D0-精選文庫(kù)12 rad/s,轉(zhuǎn)速為 n=15r/min大臂的整體結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)方體實(shí)心結(jié)構(gòu)，這樣做的目的是為了提高其力 學(xué)性能包括大臂的剛度、強(qiáng)度以及抗彎能力。鋁合金的密度低、強(qiáng)度高、 具有良好的抗腐蝕能力而且力學(xué)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(qū)動(dòng)元件的 負(fù)載，而且可以進(jìn)一步也減輕用于驅(qū)動(dòng)腰部回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)元件的負(fù)載。1、大臂總體質(zhì)量的計(jì)算大臂的大體結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)方體并且兩端中空，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=h X A=0.2X 0.12X 1=0.024m3

49、質(zhì)量 m=0.85 V=0.85X 2.7X 103 X 0.024=55.08kg2、大臂對(duì)i軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大臂繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為l1 =丄XmX(b2+a2)1 12 2=4.77kg m2平移到i軸上Ii = I., +mr12=4.77+55.08 X.52=18.54kg m23、小臂對(duì)i軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小臂對(duì)i軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量l2=78.87kgXm24、大臂和小臂對(duì)i軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的總和I 總=11+12=18.54+78.87=97.41kgm25、總力矩的計(jì)算精選文庫(kù)取大臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度精選文庫(kù)12 rad/s2取啟動(dòng)時(shí)間為1 s由此轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度為=慣性力矩= I總=97.41 X /2

50、 =153.01Nm靜態(tài)力矩T2 ：當(dāng)大臂和小臂在一條直線時(shí)靜態(tài)力矩最大，此時(shí)T2=mgr=(55.08 區(qū)5+13.5 tm一般對(duì)驅(qū)動(dòng)元件有以下幾方面要求：(1) 慣量小，動(dòng)力大。驅(qū)動(dòng)元件在噴漆機(jī)器人中主要用于回轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)，所以轉(zhuǎn)動(dòng)慣量要小，同時(shí)比功率要大一些。(2) 體積小，重量輕。主要評(píng)價(jià)的性能指標(biāo)是功率密度，由于驅(qū) 動(dòng)元件是安裝在腰部回轉(zhuǎn)盤上的，如果驅(qū)動(dòng)元件過大，就會(huì)導(dǎo)致腰部回 轉(zhuǎn)盤過大，所以這里要求驅(qū)動(dòng)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(dòng)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。所以，采用

51、液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。大臂擺動(dòng)軸軸心O2與驅(qū)動(dòng)油缸的鉸接點(diǎn)O2均固定與轉(zhuǎn)臺(tái)上。相對(duì) 轉(zhuǎn)臺(tái)來說，大臂和油缸可視作一帶滑動(dòng)副的平面連桿機(jī)構(gòu)，活塞桿的移 動(dòng)通過餃點(diǎn)B傳遞給大臂，使之作前后擺動(dòng)。精選文庫(kù)結(jié)構(gòu)尺寸：OIO2 165mm、O2C 650mm,油缸兩支點(diǎn)距離最大時(shí)O2B 756.5mm，最小時(shí)O2B 556.5mm,則活塞最大行程為 200mm。 BC BC B C 136mm。經(jīng)計(jì)算可得出？=11(ol9.活塞最大行程為200mm時(shí)：2=118C210”活塞行程為零時(shí)：I=43(S952”則大臂總轉(zhuǎn)角？=2 -1=744118”fliljJOO2O2線夾角為20 =180(-0C活塞最大行程時(shí)大

52、臂與則大臂相對(duì)垂直時(shí)的運(yùn)動(dòng)范圍為；2-?=49C4947”前 902040 1013 o前 34 3153.5 腰關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)噴漆機(jī)器人的腰部關(guān)節(jié)的主要作用是承受大臂、小臂、動(dòng)元件和傳動(dòng)系統(tǒng)的重量。腰部主軸與腰部回轉(zhuǎn)盤的通過螺釘連接在一腕部以及驅(qū)精選文庫(kù)精選文庫(kù)YGM610 ,YGM610 ,起，電機(jī)帶動(dòng)腰部主軸旋轉(zhuǎn)，從而使腰部回轉(zhuǎn)盤繞其中心旋轉(zhuǎn)完成所要 求的動(dòng)作。因?yàn)閲娖釞C(jī)器人的主體部分都安裝在腰部回轉(zhuǎn)盤，所以要求 整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定以及手臂運(yùn)行過程中的平衡。此外還要求腰部回轉(zhuǎn)盤的 運(yùn)動(dòng)精度較高，要在驅(qū)動(dòng)元件上安裝傳感器，檢測(cè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)精度。由 于測(cè)量的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的精度，故在這里采用增量編碼器。3

53、.6 傳感器的選擇為保證噴漆機(jī)器人位置精度需要為各關(guān)節(jié)選擇傳感器。各個(gè)關(guān)節(jié)所 作的運(yùn)動(dòng)都是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，綜合考慮各種傳感器，選用增量型編碼器。增 量型編碼器能夠物體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生信號(hào)。增量型編碼器主要應(yīng)用于數(shù) 控機(jī)床及機(jī)械附件、機(jī)器人、自動(dòng)裝配機(jī)、包裝機(jī)械等機(jī)器人位置精度為0.2mm,所以大臂、小臂、腰關(guān)節(jié)的位置精度為0.2/拓=0.12mm。小臂轉(zhuǎn)速3= /2 rad/s，長(zhǎng)為0.8m,傳感器線數(shù)為：ns=2 /(i 0)=2 /(100 0.12/800)=418小臂選用南京中科天文儀器有限公司的增量編碼器ns=480。大臂轉(zhuǎn)速3= 12 rad/s，長(zhǎng)為1m,傳感器線數(shù)為:ns=2 /(i

54、0)=2 心00 0.12/1000)=524大臂選用南京中科天文儀器有限公司的增量編碼器ns=600o腰部轉(zhuǎn)速3= /2 rad/s，小臂大臂伸直時(shí)總長(zhǎng)為1.8m傳感器線數(shù)為：ns=2 /(i 0)=2 /(5 5 0.12/1800)=9425腰部角位移測(cè)量選杭州霍德利電子科技有限公司的HTL系列空心軸編碼器，ns=1080015。3.7本章小結(jié)精選文庫(kù)本章首先用簡(jiǎn)單的空間立體幾何方法建立了噴漆機(jī)器人的工作空 間的數(shù)學(xué)模型，驗(yàn)證了假設(shè)條件中的噴漆機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)的尺寸是符 合工作要求的。然后計(jì)算各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量得出計(jì)算 力矩和功率，從而選擇合理的驅(qū)動(dòng)元件。選擇了驅(qū)動(dòng)元件之后

55、計(jì)算了大 臂和小臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸，包括鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的尺寸以及兩個(gè)齒輪組的 尺寸的計(jì)算和強(qiáng)調(diào)度校核。最后根據(jù)噴漆機(jī)器人的定位精度，合理選擇 了各個(gè)關(guān)節(jié)的傳感元件。精選文庫(kù)2、第4章 軸、螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)與校核4.1大軸1的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核4.1.1 大軸1的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定大軸1上的零件的裝配方案 大軸1上的零件的裝配方案如圖4.1所示。確定大軸1的材料以及各段直徑和長(zhǎng)度大軸1的材料為40Cr,調(diào)制處理。由于密封箱的壁厚為45mm,孔徑為150mm,因?yàn)橥獠窟€要裝端蓋， 這段軸頸上還要裝配軸承，所以 ab段的長(zhǎng)度為41mm，直徑為85mm, 裝配的軸承為角接觸球軸承，型號(hào)是7217C。固定軸承的軸肩高度為3

56、.5mm。be段為過渡段，長(zhǎng)度為80mm，直徑92mm，固定齒輪的軸肩高度 為 6.5mm。由于大齒輪的齒寬為65mm，軸頭的長(zhǎng)度應(yīng)該小于輪轂的長(zhǎng)度，所 以de段的長(zhǎng)度為60mm，直徑為90mm。為了齒輪的周向定位，這段軸 1、精選文庫(kù)=9.55 X0 6 X3/75)上還要開有鍵槽，來安裝平鍵。根據(jù)這段軸的直徑和長(zhǎng)度，鍵槽的寬度為25mm,長(zhǎng)度為50mm,鍵槽的鍵槽深為7mm。ef段要安裝用于齒輪的軸向固定和軸承的軸向固定的軸套，考慮到 另一半的密封箱的壁厚和孔徑以及大齒輪輪轂比軸頭多出的長(zhǎng)度，這段 軸頸的長(zhǎng)度為60mm,直徑為85mm。裝配的軸承為角接觸球軸承，型 號(hào)是7217C。fg段為

57、過渡段，長(zhǎng)度為45mm,直徑為80mm。gh段與大臂相連，大臂在此處的厚度為 39mm,孔徑為90mm。而 且這段軸與大臂的連接方式是脹緊聯(lián)結(jié)，通過脹緊套使大軸1與大臂連接在一起。因此這段軸的長(zhǎng)度為60mm，直徑為60mm。脹緊套選用Z2型脹緊套。4.1.2 大軸1的強(qiáng)度校核4.1.2.1計(jì)算齒輪的受力大齒輪和小齒輪的受力大小相等，方向相反。故在這里只計(jì)算小齒 輪的受力。轉(zhuǎn)矩 T 1=9.55 X0 6 R/ mX).99=378180N97.72=0 故 Fvi=4312.14N, FV2=7893.04N4.123、畫軸彎矩圖水平面彎矩圖見圖4.2(C)MH圖。垂直面彎矩圖見圖4.2(d)

58、Mv圖。 合成彎矩圖見圖4.2(e)圖，合成彎矩M=JMV M4.1.2.4、畫轉(zhuǎn)矩圖精選文庫(kù)軸受轉(zhuǎn)矩T= T1，轉(zhuǎn)矩圖見圖4.2(f)Ti圖。斤(a)F(b)(c)精選文庫(kù)(d)(e)2W3?7M8圖4.2大軸1的受力分析精選文庫(kù)精選文庫(kù)ib =70MPa,所以 e 378180=226908 NK mm e JM/W =10.37MPa,查表知1b。因此大軸1的強(qiáng)度滿足要求，故安全26-30。4.2大軸2的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核圖4.3大軸2的傳動(dòng)方案1、確定大軸2上的零件的裝配方案大軸2上的零件的裝配方案如圖4.3所示。2、確定大軸2的材料以及各段直徑和長(zhǎng)度 大軸2的材料為40Cr,調(diào)制處理。由

59、于密封箱的壁厚為45mm,孔徑為150mm,因?yàn)橥獠窟€要裝端蓋， 這段軸頸上還要裝配軸承，所以 gh段的長(zhǎng)度為41mm,直徑為85mm, 裝配的軸承為角接觸球軸承，型號(hào)是7217C。固定軸承的軸肩高度為3.5mm。fg段為過渡段，長(zhǎng)度為80mm,直徑92mm,固定齒輪的軸肩高度 為 6.5mm。421dD Cg he精選文庫(kù)由于大齒輪的齒寬為75mm,軸頭的長(zhǎng)度應(yīng)該小于輪轂的長(zhǎng)度，所 以de段的長(zhǎng)度為60mm,直徑為90mm。為了齒輪的周向定位，這段軸 上還要開有鍵槽，來安裝平鍵。根據(jù)這段軸的直徑和長(zhǎng)度，鍵槽的寬度 為25mm，長(zhǎng)度為50mm，鍵槽的鍵槽深為7mm。cd段要安裝用于齒輪的軸向固

60、定和軸承的軸向固定的軸套，考慮到另一半的密封箱的壁厚和孔徑以及大齒輪的輪轂比軸頭多出的長(zhǎng)度，這 段軸頸的長(zhǎng)度為45mm,直徑為85mm。裝配的軸承為角接觸球軸承， 型號(hào)是7217C。be段為過渡段，長(zhǎng)度為40.6mm，直徑為80mm。ab段與鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的底桿相連，并且穿過大臂末端的通孔，大臂 在此處的厚度為39mm,孔徑為95mm，底桿的厚度為40mm，孔徑為 90mm,這段軸與底桿的連接方式是脹緊聯(lián)結(jié)，通過脹緊套使大軸2與底桿連接在一起。根據(jù)以上條件這段軸的長(zhǎng)度為104.4 mm,直徑為60mm。脹緊套選用Z2型脹緊套。4.2.2 大軸2的強(qiáng)度校核大軸1是帶動(dòng)大臂實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)的軸，大軸 2