【正文】 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)器人在涂裝領(lǐng)域越來(lái)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)器人噴涂汽車車 第一章 緒論 3 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(gè)部件產(chǎn)生火花或溫度過(guò)高 ,就會(huì)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(dòng)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(guò)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 ,而是從手臂中穿過(guò) ,這燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 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。 課題國(guó)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(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 2～ 3 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，能方便地通過(guò)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(guò)手把手示教或點(diǎn)位示數(shù)來(lái)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(lái)噴涂一些重要而特殊航空部件。目前在我國(guó)，還沒(méi)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。 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國(guó)的一些企業(yè)積極與高校開(kāi)展噴涂機(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(lái)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 PR1 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(guò)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)第一章 緒論 5 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(kāi)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(cè)量及加工。意大利 COMAU 公司和日本 FANUC 等公司已開(kāi)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(guò)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)柺馈＞幊谭绞饺砸允窘叹幊虨橹?,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(jué)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、 FANUC 和瑞典的 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(guò)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(guò)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(wàn)小時(shí) ,可以滿足任何場(chǎng)合的需求。 國(guó)外研究現(xiàn)狀 在國(guó)外 ,近年來(lái)機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展有如下幾個(gè)趨勢(shì) : 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)、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)燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 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(kāi)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(jué)傳感器、力覺(jué)傳感器 ,而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的信息融合技術(shù)來(lái)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(guò)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(jué)。 . 存在問(wèn)題和未來(lái)解決問(wèn)題 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(jué)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(guò)圖像的三維重構(gòu)獲取工件的 CAD 數(shù)據(jù)。 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。 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。靜態(tài)因素包括了制造、裝配時(shí)所帶來(lái)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(lái)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)器人第一章 緒論 7 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。 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(zhǎng)度往往很長(zhǎng)，當(dāng)整個(gè)機(jī)械臂伸展開(kāi)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(lái)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(wèn)題的解決帶來(lái)了新的思路。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(lái)機(jī)器人控制發(fā)展的趨勢(shì) 。 本文研究主要內(nèi)容以及背景和意義 隨著改革開(kāi)放和我國(guó)加入世貿(mào)組織，近幾年來(lái)我國(guó)的汽車制造業(yè)高速發(fā)展起來(lái)。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(guò)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?cè)谫?gòu)買汽車時(shí)，對(duì)于汽車產(chǎn)品最直接的評(píng)價(jià)就來(lái)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)能力和燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 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(lái)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(wèn)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： ，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(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算方法，確定了兩個(gè)手臂的長(zhǎng)度。 ，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。 、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。 。 第 2 章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 第 2 章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 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(méi)有一個(gè) 有效的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，無(wú)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(wú)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，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(wú)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。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(wú)需燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 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(lái) 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)。 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。 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 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