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protection is absent．So different kinds of painting robots appeared and developed greatly． A joint type painting robot was designed in this paper．It had six degrees of freedom．The wrist had three degrees of freedom and the other joints had three degrees of freedom．The painting robot’s joints were driven by hydraulic pressure ． Parallelogram structure was used in the robot．The hydraulic cylinder which was installed on the waist turning table droved the forearm indirectly through the parallelogram structure．The structure avoided installing the hydraulic cylinder directly on the joint to reduce the forearm’s weight．So the burden of the hydraulic cylinder which drive the upper arm and the waist were reduced．Also this structure made the forearm realize balance 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 performance was improved． Keywords：painting robot ；joint；structure design . .I 目 錄 摘 要 I ABSTRACTII 目 錄 .III 第一章 緒論 .1 1.1 課題研究的背景及意義 1 1.2 噴涂機(jī)器人的特點(diǎn)及其發(fā)展現(xiàn)狀 .2 1.3 課題國內(nèi)外現(xiàn)狀及研究的主要成果 4 1.3.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 .4 1.3.2 國外研究現(xiàn)狀 .5 1.5 本文研究主要內(nèi)容以及背景和意義 7 第 2 章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .9 2.1 確定驅(qū)動系統(tǒng) 9 2.1.1 驅(qū)動系統(tǒng) .9 2.1.2 確定驅(qū)動件和自由度 10 2.2 噴漆機(jī)器人的運(yùn)動參數(shù) .11 2.3 各個關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式和平衡方式 .11 2.3.1 小臂 12 2.3.2 大臂 13 2.3.3 小臂的傳動機(jī)構(gòu) 16 2.3.4 大臂的傳動機(jī)構(gòu) .17 2.3.5 腰部的傳動機(jī)構(gòu) 18 2.4 本章小結(jié) .18 第 3 章 噴漆機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) .19 . .II 3.1 噴漆機(jī)器人數(shù)學(xué)模型的建立與分析 .19 3.2 腕部設(shè)計(jì) .22 3.2.1 電機(jī)的選擇 22 3.3 小臂的設(shè)計(jì) .24 3.3.1 小臂設(shè)計(jì)的總體要求 24 3.3.2 鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 25 3.3.3 液壓缸的選擇與設(shè)計(jì) 26 3.4 大臂的設(shè)計(jì) 29 3.4.1 大臂設(shè)計(jì)的總體要求 29 3.5 腰關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì) 32 3.6 傳感器的選擇 .33 3.7 本章小結(jié) 33 第 4 章 軸、螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)與校核 .35 4.1 大軸 1 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 35 4.1.1 大軸 1 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 35 4.1.2 大軸 1 的強(qiáng)度校核 36 4.2.1 大軸 2 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 39 4.2.2 大軸 2 的強(qiáng)度校核 40 4.3 小軸 1 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 41 4.3.1 小軸 1 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 41 4.3.2 小軸 1 的強(qiáng)度校核 42 4.4 小軸 2 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 44 4.5 回轉(zhuǎn)底盤與腰部主軸連接螺釘?shù)男：?45 4.6 本章小結(jié) 45 . .III 參考文獻(xiàn) .47 附錄一 開題報(bào)告 附錄二 文獻(xiàn)綜述 附錄三 外文文獻(xiàn) . .1 第一章 緒論 1.1 課題研究的背景及意義 機(jī)器人是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的機(jī)械電子裝置, 既有人對環(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、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,是一個國家自動化水平 的重要標(biāo)志。 機(jī)器人是用于完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化的自動化生產(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,而且對保障人身安全, 改善勞動環(huán)境,減輕勞動強(qiáng)度,提高勞動生產(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 年美國研制出世界上第一臺工業(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、檢測及倉庫堆垛等作業(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)器人在國外農(nóng)場應(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)自動化 領(lǐng)域的廣大科研工作者研究的熱點(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)的自動化,避免了工人始終處于有毒環(huán)境中而造 . .2 成急性或慢性中毒,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、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 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)品在市場上的競爭力,因此對表面涂裝技術(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。自動噴涂機(jī) 的出現(xiàn)則克服了這一缺點(diǎn)。但由于噴涂機(jī)只能完成一些簡單的往復(fù)直 線運(yùn)動,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)生了一個新的機(jī)器人品種 —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(jī)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(yīng)多種噴涂對 象在同一條噴涂線上進(jìn)行噴漆。有鑒于此,噴涂機(jī)器人在涂裝領(lǐng)域越來 越受到重視,尤其是在汽車制造業(yè)中,如圖 1 一 l 所示機(jī)器人噴涂汽車 . .3 車 身的情景。 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)器人的某個部件產(chǎn)生火花或溫度過高,就會引 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,所以,防 爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)電動噴涂機(jī)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(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 . .4 噴槍輸漆管路等都不得在機(jī)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(jī)器人的關(guān)節(jié)角轉(zhuǎn)動范圍。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。 1.3 課題國內(nèi)外現(xiàn)狀及研究的主要成果 噴涂機(jī)器人是可以進(jìn)行自動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)動空間，并可做復(fù)雜的軌跡運(yùn)動，其腕部一般有 2～3 個自由度， 可靈活運(yùn)動。較先進(jìn)的噴漆機(jī)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(jī)器人一般采用液壓驅(qū)動，具有動 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，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)器人市場大多為歐美、日本、 韓國等國的生產(chǎn)廠家所壟斷。 1.3.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國的一些企業(yè)積極與高校開展噴涂機(jī)器人的項(xiàng)目合作，進(jìn)一步 推動我國噴涂機(jī)器人技術(shù)的成熟，普及與應(yīng)用。 近年來國內(nèi)亦擁有相 當(dāng)數(shù)量的噴漆機(jī)器人如南航研制的 PR-1 型噴漆機(jī)器人。噴漆機(jī)器人在 國外早已廣泛應(yīng)用于汽車等產(chǎn)品的涂裝生產(chǎn)線,國外機(jī)器人己取得的進(jìn) 展主要表現(xiàn)在如下幾個方面: . .5 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 KUKA 公司為代表 的機(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)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(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問世。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,大大改善了機(jī)器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應(yīng)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(chǎn)品。 5)網(wǎng)絡(luò)通信功能:日本的 YASKA 場人和德國的 KUKA 公司的最新機(jī) 器人控制器己實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)場總線 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),可以滿足任何場合的需求。 1.3.2 國外研究現(xiàn)狀 在國外,近年來機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展有如下幾個趨勢: l)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)化發(fā)展。如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、 . .6 減速機(jī)、檢測系統(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) 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)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，可以利用模式識別技術(shù)先識別出待噴涂的 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 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)與動態(tài)因素。靜態(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)動誤差。為解決 . .7 以上因素所造成的機(jī)器人位姿誤差，必須在使用前對機(jī)器人進(jìn)行標(biāo)定， 建立機(jī)器人的參照模型，目前用于機(jī)器人標(biāo)定的技術(shù)有基于三坐標(biāo)測 量儀的標(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。 1.4.4 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 理論，在實(shí)際的應(yīng)用 中，噴涂機(jī)器人機(jī)械臂的長度往往很長，當(dāng)整個機(jī)械臂伸展開時(shí)大約 可達(dá)到 2m 的長度，且運(yùn)行速度較高，各關(guān)節(jié)間的動力學(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(shí)際工業(yè)現(xiàn)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(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(xué)與自動控制原理結(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。 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(shí)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(shí)，對于汽車產(chǎn)品最直接的評價(jià)就來源于汽 . .8 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(jià)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(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。 . .9 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(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，運(yùn)動件的慣性 小，快速相應(yīng)的靈敏度高，傳動比較大，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 . .50 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 . .11 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 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。 2.1.2 確定驅(qū)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(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。 . .12 2.2 噴漆機(jī)器人的運(yùn)動參數(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活動范圍 100o 75o 70o 210o 210o 420o 最大速度 2m/s 手腕最大負(fù)荷 5kg 驅(qū)動方式 電液伺服驅(qū)動 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 本質(zhì)安全防爆 2i4G 環(huán)境溫度 0~40 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、 . .13 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(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(shí)，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。 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。 2.3.1 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)臺組成一平行四連桿機(jī) 構(gòu)。它使平衡支架在下臂運(yùn)動時(shí)做平面運(yùn)動，保證小臂在大臂運(yùn)動時(shí) 其夾角 ? 不變。 小臂的不平衡力矩不僅隨轉(zhuǎn)角 變化，也隨轉(zhuǎn)角 變化，其算法3?2? 如下： 小臂對轉(zhuǎn)軸軸線 的偏重力矩 M 為3O3G?COSL3? 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L3 —小臂梁與水平線的夾角? 彈簧的平衡力矩 M =3s3hfK . .14 式中： —小臂平衡彈簧剛性系數(shù)3K —小臂平衡彈簧變形量f —彈簧力對 O 的力臂3h3 通過結(jié)構(gòu)的尺寸關(guān)系可算得： 3213/sinlR??01)(flf?? 式中 = 為彈簧長度（包括支撐螺3 )cosR21? 栓等長度）是隨 β 角變化的值， 為安裝時(shí)彈簧的預(yù)變形量。30f 由于存在著驅(qū)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 3PSGM??? 式中 M 為油缸對 的靜阻力矩。3pO . .15 2.3.2 大臂 大臂的平衡由對稱于大臂中心線的左右兩根彈簧承擔(dān)，同理大臂 的不平衡力矩 也同時(shí)受 轉(zhuǎn)角的影響，另外，小臂沒有完全平2M?3,2? 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 應(yīng)為2G32232 sin])'[( MLaG????? —關(guān)節(jié)軸 3 的重量（包括軸上零件）' a —大臂長2 L —大臂合重心矩 的長度2O 其算法與小臂相同。22hfkMS? 考慮大臂驅(qū)動油缸的靜阻力矩 則可得大臂的不平衡力矩2p22pSG?? . .16 大小臂平衡彈簧參數(shù) 小臂彈簧 大臂彈簧 彈簧直徑（mm） 67?80? 彈簧鋼絲直徑 （mm） 10?1 圈數(shù) 70 40 剛度系數(shù) （kgf/mm） 0.8493 0.8666 . .17 彈簧總長度 708?410 螺旋方向 右旋 右旋 平衡彈簧材料選用 60si MnA2 . .19 . .20 2.3.3 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+135o 至-90o 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。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(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)。這里的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)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(fù)載。這 個四桿機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡可能的減少底桿和后桿的重量，使之與腕 . .50 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。 2.3.4 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。大臂一端與底座連接，一端與小臂連接液壓缸在外側(cè) 驅(qū)動，一同固定在轉(zhuǎn)臺上，能隨轉(zhuǎn)臺一起轉(zhuǎn)動。 這種傳動方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡潔有效、傳動精度較高、通過自身 的調(diào)速減輕了整個腰部的負(fù)載。在安裝時(shí)，驅(qū)動大臂的電機(jī)和驅(qū)動小 臂的液壓缸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， . .21 減輕了帶動腰部回轉(zhuǎn)的液壓缸的負(fù)擔(dān)。 2.3.5 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)。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(shí)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。 . .22 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 。?3m 根據(jù)設(shè)計(jì)方案和預(yù)先假設(shè)，暫定大臂長 1m，俯仰范圍 +135o 至-90o， 小臂長 0.8m，俯仰范圍是+168o 至-80o，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(shí)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+135o 至-90o。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(shí)細(xì)桿 2 可以相對 于細(xì)桿 1 做俯仰范圍是+168 o 至-80o 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)器人的最大覆蓋范圍，則假設(shè)的尺寸?3m 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(shí)， . .23 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(shí)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。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(shí)，達(dá)到 各極限位置時(shí)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(shí)，細(xì) 桿 1 的俯仰角度最大為 51 o，根據(jù)設(shè)計(jì)方案知細(xì)桿 1 的最大俯仰角為 +135 o。達(dá)到 a 點(diǎn)時(shí)，細(xì)桿 2 相對于細(xì)桿 1 的俯仰角度最小為-75 o，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 o。讀圖可知當(dāng) 達(dá)到其他位置時(shí)，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(shí)，手臂長度符合要求。 當(dāng)圓盤回轉(zhuǎn)過一定角度時(shí)，使得細(xì)桿 2 的末端 ife 平面運(yùn)動時(shí)，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(shí)，細(xì)桿 2 相對于細(xì)桿 1 的俯仰角度最小-55 o，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 o。讀圖可知當(dāng)達(dá)到其他位置時(shí)，細(xì)桿 1 與細(xì) . .24 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(shí)，手臂長度符合要求。 圖 3.3 達(dá)到 f、e 極限時(shí)位置模型 圖 3.4 達(dá)到 g、h 極限時(shí)位置模型 同理，當(dāng)圓盤再次回轉(zhuǎn)一個角度時(shí)，使得細(xì)桿 2 的末端 igh 平面運(yùn) 動時(shí)，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(shí)， 細(xì)桿 1 的俯仰角度最大為 45 o，根據(jù)設(shè)計(jì)方案知細(xì)桿 1 的最大俯仰角 度為+135 o。讀圖可知當(dāng)達(dá)到其他位置時(shí)，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(shí)， 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(shí)的前提條件是把噴漆機(jī)器人的最大覆蓋范圍 . .25 一分為二。所以滿足一半覆蓋范圍時(shí)，必然能夠達(dá)到對整個機(jī)器人提 出的覆蓋范圍的要求 1.3 1.3 1.3 。故噴漆機(jī)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。 3.2 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(shí)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(shí) 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 φ50×200 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)1 = ×3×(3× + )0.52. =0.01 kg.m2 取噴槍的轉(zhuǎn)動角速度為 ω =2 rad/s，n=60r/min? 取啟動時(shí)間為 0.1s . .26 由此轉(zhuǎn)動角加速度 =20 rad/s2?? 計(jì)算力矩 T 為：T= J =0.628N.m P=Tω =0.628×2 =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 200×200×200 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( )122bh? 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.m21220.? 取回轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)動角速度為 ω =2 rad/s, n=60 r/min? 取啟動時(shí)間為 0.1s 由此轉(zhuǎn)動角加速度 =20 rad /s2? 計(jì)算力矩 T 為：T= J =1.884N.m P=Tω =1.884×2 =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 232×100×350 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( )122bh? . .27 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)動慣量為： J= ×5×( )=0.064kg.m21220.? 取回轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)動角速度為 ω = rad/s，轉(zhuǎn)速為 n=30r/min? 取啟動時(shí)間為 0.1s 由此轉(zhuǎn)動角加速度 =10 rad /s2? 計(jì)算力矩 T 為：T= J =2.01N.m P=Tω =2.01×2 =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 [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 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)的負(fù)擔(dān)。同時(shí)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(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(shí)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，安裝在腰 . .28 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。 . .29 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 液壓缸的選擇與設(shè)計(jì) 首先計(jì)算動態(tài)轉(zhuǎn)矩，計(jì)算動態(tài)轉(zhuǎn)矩需計(jì)算轉(zhuǎn)動慣量。我們只需要 計(jì)算出轉(zhuǎn)動慣量最大時(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=l×A =0.4× × /4＋0.4× ×0.22/4－0.8× ×0.162/4?20.18?? =0.007 m3 質(zhì)量 m= V? =2.7× ×0.007310 =18.9kg 2、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) '1I = 0.03 kg m2 平移到 i 軸上 = +m1I'21r . .30 =0.03+5×(0.16+0.18＋0.8) 2 =6.53kg m2× 3、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)'2I1 =0.064 kg m2 平移到 i 軸上 = +m2I'×2r =0.064+7×(0.18＋0.8) 2 =6.79kg m2 4、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。 小臂前段繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為 = (3 R2+L2)'3I1m =0.22 kg m2× 平移到 i 軸上 = +m3I'×23r =0.22+8×(0.18＋0.8) 2 =20.7kg m2 后一段體積 =0.005m32V 質(zhì)量 = =13.5kg? 小臂后段繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為 = (3 R2+L2)'4I1 =0.64kg m2× 平移到 i 軸上 = +m4I'×24r =0.67+13.5×0.82 =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 . .31 兩圓桿為鋁合金材料，圓形實(shí)心直桿。后桿的尺寸為 100×1000，底桿的尺寸為 100×400。當(dāng)兩桿共線時(shí)，兩桿對 i 軸的φ φ 轉(zhuǎn)動慣量最大。 兩桿的體積之和 = × /4×14=0.01m3V總 ?20.1 =m總 ?總 =2.7× ×0.01310 =27kg 兩段同一直線時(shí)繞兩段質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為： = (3 R2+L2)'5I1總 =4.48kg m2× 平移到 i 軸上 = +m5I'25r =4.48+27× 20.4 =17.71kg m2× 6、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1I23I45I 得到的，所以用這些轉(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 123I45× 7、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(shí)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)采用的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)，小臂自2 . .32 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 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 =1.05×T =124.49 N m總 1× 小臂驅(qū)動油缸鉸接點(diǎn) 固定在轉(zhuǎn)臺上，傳動原理同上。計(jì)算'O 大臂處于垂直位置時(shí)的小臂動作范圍。由結(jié)構(gòu)尺寸知： ， ， ，mO180'32?85032?5.86'3? ，油缸兩支點(diǎn)距離最大時(shí)D.19“' ，最小時(shí) ，則活塞全行程為 220mm。5.946'3 .72'3 經(jīng)計(jì)算可得：?=12o45’03’’ 活塞行程為 220mm 時(shí)：β =107o14’27’’2 活塞行程為零時(shí) o43’57’’361?? 則小臂總轉(zhuǎn)角 o30’30’’702?? . .33 活塞行程為零時(shí)小臂與大臂夾角 Φ =β +?=49o29’，相對水平位301 置分配 θ 時(shí)可得： '31409 3??????下 5923下上 3.4 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)器人的大臂對整個機(jī)器人能否保持穩(wěn)定性 起著至關(guān)重要的作用。大臂的傳動形式與小臂相同，都是由液壓缸驅(qū) 動實(shí)現(xiàn)大臂的俯仰運(yùn)動。 大臂的整體結(jié)構(gòu)為長方體實(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) . .34 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)動元件的負(fù)載，而且可以進(jìn)一步也減輕用于驅(qū)動腰部回轉(zhuǎn)的驅(qū)動元 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×A =0.2×0.12×1 =0.024m3 質(zhì)量 m=0.85 V? =0.85×2.7× ×0.02430 =55.08kg 2、大臂對 i 軸的轉(zhuǎn)動慣量 大臂繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為 = × m×(b2+a2)'1I =4.77kg m2 平移到 i 軸上 = +m1I'21r =4.77+55.08×0.52 =18.54kg m2× 3、小臂對 i 軸的轉(zhuǎn)動慣量 小臂對 i 軸的轉(zhuǎn)動慣量 =78.87kg m22I 4、大臂和小臂對 i 軸的轉(zhuǎn)動慣量的總和 = + =18.54+78.87=97.41kg m2I總 12 × 5、總力矩的計(jì)算 取大臂的轉(zhuǎn)動角速度 = /2 rad/s，轉(zhuǎn)速為 n=15r/min?? 取啟動時(shí)間為 1 s . .35 由此轉(zhuǎn)動角加速度為 = /2 rad/s2?? 慣性力矩 T =1I總 =97.41× /2 =153.01N m× 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) T2 =mgr=(55.08×0.5+13.5×1.6+29.7×0.9) ×9.8=743.53N m2 × 摩擦力矩 T ：摩擦力矩近似等于 0.05 倍的靜態(tài)力矩3 綜上所述總力矩 T =1.05×T + T =933.71N m總 21 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(shí)比功率要大一些。 （2）體積小，重量輕。主要評價(jià)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。 所以，采用液壓馬達(dá)驅(qū)動。 大臂擺動軸軸心 與驅(qū)動油缸的鉸接點(diǎn) 均固定與轉(zhuǎn)臺上。相對2O'2O 轉(zhuǎn)臺來說，大臂和油缸可視作一帶滑動副的平面連桿機(jī)構(gòu)，活塞桿的 移動通過餃點(diǎn) B 傳遞給大臂，使之作前后擺動。 . .50 結(jié)構(gòu)尺寸： 、 ，油缸兩支點(diǎn)距離最大mO165'2?mC6502? . .37 時(shí) ，最小時(shí) ，則活塞最大行程為mBO5.76'2?mBO56“2? 200mm。 。經(jīng)計(jì)算可得出 ?=11o49’.C13' 活塞最大行程為 200mm 時(shí)：Φ =118o21’10”2 活塞行程為零時(shí)：Φ =43o39’52”1 則大臂總轉(zhuǎn)角 ?=Φ -Φ =74o41’18”2 活塞最大行程時(shí)大臂與 線夾角為 =180o-Φ -?=49o49’47”'2O20?2 則大臂相對垂直時(shí)的運(yùn)動范圍為; o“13'04902??????前 5前后 3.5 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、腕部以及 驅(qū)動元件和傳動系統(tǒng)的重量。腰部主軸與腰部回轉(zhuǎn)盤的通過螺釘連接 在一起，電機(jī)帶動腰部主軸旋轉(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)動精度較高，要在驅(qū)動元件上安裝傳感器，檢測電機(jī)的 旋轉(zhuǎn)精度。由于測量的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的精度，故在這里采用增量編碼器。 3.6 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。各個關(guān)節(jié) 所作的運(yùn)動都是回轉(zhuǎn)運(yùn)動，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)動產(chǎn)生信號。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/ =0.12mm。3 小臂轉(zhuǎn)速 = /2 rad/s，長為 0.8m, 傳感器線數(shù)為：ω? . .38 ns=2 /(i )=2 /(100 0.12/800)=418?θ′ 小臂選用南京中科天文儀器有限公司的增量編碼器 YGM610，n s=480。 大臂轉(zhuǎn)速 = /2 rad/s，長為 1m, 傳感器線數(shù)為：ω ns=2 /(i )=2 /(100 0.12/1000)=