【正文】 圖 1 一 1 機器人噴涂汽車車身 噴涂機器人與其它品種的工業(yè)機器人比較其主要不同之處在于噴涂機器人用于在封閉的噴涂室內(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)計是設(shè)計電動噴涂機器人很重要的一部分。其次,由于噴涂在工件表面的油漆是勃性流體介質(zhì),需要干燥后才能固化,在噴涂過程中,機器人不得接觸己噴涂的工件表面,否則將破壞表面噴漆質(zhì)量,因此第一章 緒論3噴槍輸漆管路等都不得在機器人手臂外部懸掛,而是從手臂中穿過,這在一定程度上影響機器人的關(guān)節(jié)角轉(zhuǎn)動范圍。最后噴涂機器人需配置涂料流量控制系統(tǒng)與換色系統(tǒng),以適應(yīng)不同色彩的需要。 課題國內(nèi)外現(xiàn)狀及研究的主要成果 噴涂機器人是可以進(jìn)行自動噴涂或噴漆的一種新型工業(yè)機器人，1969 年由挪威一家公司發(fā)明。噴漆機器人主要由機器人本體、計算機和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成，液壓驅(qū)動的噴漆機器人還包括液壓油源，如油泵、油箱和電機等。多采用 5 或 6 自由度關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運動空間，并可做復(fù)雜的軌跡運動，其腕部一般有 2～3 個自由度，可靈活運動。較先進(jìn)的噴漆機器人腕部采用柔性手腕，既可向各個方向彎曲，又可轉(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，可通過手把手示教或點位示數(shù)來實現(xiàn)示教。噴漆機器人廣泛用于汽車、儀表、電器等工藝生產(chǎn)部門。隨著機器人技術(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)等科研機構(gòu)先后對噴涂機器人技術(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立生產(chǎn)噴涂機器人的廠家，機器人市場大多為歐美、日本、韓國等國的生產(chǎn)廠家所壟斷。 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器人的項目合作，進(jìn)一步推動我國噴涂機器人技術(shù)的成熟，普及與應(yīng)用。 近年來國內(nèi)亦擁有相當(dāng)數(shù)量的噴漆機器人如南航研制的 PR1 型噴漆機器人。噴漆機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,國外機器人己取得的進(jìn)展主要表現(xiàn)在如下幾個方面:燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計41)操作機器人:通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計等現(xiàn)代設(shè)計方法的運用,操作機器人己實現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計。以德國 KUKA 公司為代表的機器人公司,己將機器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu),拓展了機器人的工作范圍,加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用,大大提高了機器人的性能。此外采用先進(jìn)的 RV 減速器及交流伺服電機,使機器人操作機幾乎成為免維護(hù)系統(tǒng)。2)并聯(lián)機器人:采用并聯(lián)機構(gòu),利用機器人技術(shù)實現(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軸機器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制 21 軸,甚至 27 軸,實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。人機界面更加友好,基于圖形操作的界面也己問世。編程方式仍以示教編程為主,但離線編程己在某些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)實用化。4)傳感系統(tǒng):激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器已成功應(yīng)用于機器人系統(tǒng)中,并實現(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 公司的最新機器人控制器己實現(xiàn)了與現(xiàn)場總線 CanbuS、ProfibuS 及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接,使機器人由過去的獨立應(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,使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。過去機器人系統(tǒng)的可靠性一般為幾千小時,而現(xiàn)在已達(dá)到 5 萬小時,可以滿足任何場合的需求。 國外研究現(xiàn)狀在國外,近年來機器人領(lǐng)域的發(fā)展有如下幾個趨勢:l)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性),而其價格不斷下降。2)機械結(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、第一章 緒論5減速機、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)造機器人整機。3)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機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)。機器人系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性大大提高。4)機器人中傳感器的作用日益突出,除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外,裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺傳感器、力覺傳感器,而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的信息融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制。5)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人領(lǐng)域的應(yīng)用己從仿真發(fā)展到用于過程控制,如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中操縱機器人的感覺。. 存在問題和未來解決問題 噴涂工件 CAD 造型的獲取 噴涂機器人離線編程的第一步是必須獲取噴涂工件的 CAD 數(shù)據(jù)，隨著計算機視覺技術(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，形成數(shù)據(jù)點云，最后通過圖像的三維重構(gòu)獲取工件的 CAD 數(shù)據(jù)。 噴涂路徑規(guī)劃 路徑規(guī)劃是噴涂機器人離線編程的另一項關(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。 噴涂機器人的位姿精度與標(biāo)定 影響噴涂機器人位姿的精度有多方面的原因，從大體上講可分為靜態(tài)與動態(tài)因素。靜態(tài)因素包括了制造、裝配時所帶來的機器人本體機械結(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械部件的尺寸變化，由此造成機器人位姿的誤差。動態(tài)因素主要是由外力所引起的機械部件本身的彈性變形所帶來的機器人運動誤差。為解決燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計6以上因素所造成的機器人位姿誤差，必須在使用前對機器人進(jìn)行標(biāo)定，建立機器人的參照模型，目前用于機器人標(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器人標(biāo)定以及基于 CCD 的機器人標(biāo)定。根據(jù)機器人實際運行時的位姿與參照模型間的誤差，建立機器人補償機制，以進(jìn)一步提高機器人噴涂作業(yè)的精度。 噴涂機器人的控制 噴涂機器人的控制較為常用的仍是傳統(tǒng)的 PID 理論，在實際的應(yīng)用中，噴涂機器人機械臂的長度往往很長，當(dāng)整個機械臂伸展開時大約可達(dá)到 2m 的長度，且運行速度較高，各關(guān)節(jié)間的動力學(xué)效應(yīng)非常顯著，不能忽略，從而造成機器人各關(guān)節(jié)的被控對象模型是時變的。而傳統(tǒng)PID 理論的比例（P） 、積分（I） 、微分（D）參數(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行機制的、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，成為未來機器人控制發(fā)展的趨勢。 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)展的同時也促進(jìn)了機械制造業(yè)的發(fā)展，其中對工業(yè)機器人發(fā)展的促進(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弱、使用壽命的長短、汽車是否美觀，而且人們在購買汽車時，對于汽車產(chǎn)品最直接的評價就來源于汽第一章 緒論7車的外觀，因此噴涂質(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)濟效益。噴漆機器人具有軌跡靈活、柔性大、操作簡單、維修方便、利用率高等特點。所以在汽車制造業(yè)中噴漆機器人應(yīng)該是首選的涂裝設(shè)備。然而我國的工業(yè)機器人的起步較晚、技術(shù)比較落后，間接導(dǎo)致了我國自行生產(chǎn)的噴漆機器人在控制精度、軌跡運行精度、噴涂質(zhì)量、工作穩(wěn)定性、使用壽命、性價比等方面上與發(fā)達(dá)國的噴漆機器人存在著較大的差距。目前我國的部分汽車生產(chǎn)廠家還在使用軌跡靈活度較低、柔性差的自動噴涂機來進(jìn)行汽車車身的涂裝，少數(shù)企業(yè)雖然采用了外國設(shè)備制造商的噴漆機器人，但是仍然存在著價格昂貴、維護(hù)費用高、兼容性低等問題，從而導(dǎo)致了競爭力和經(jīng)濟效益的下降。因此實現(xiàn)高質(zhì)量的噴漆機器人的國產(chǎn)化，對于我國工業(yè)機器人的發(fā)展和汽車制造業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。本文以用于汽車車身的噴漆機器人為研究對象，對噴漆機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了研究。全文主要內(nèi)容如下：，確定了各個關(guān)節(jié)的傳動方案。根據(jù)設(shè)計要求里的工作空間的要求，通過簡單的計算方法，確定了兩個手臂的長度。，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)、動力學(xué)、物理學(xué)的知識并且根據(jù)機器人技術(shù)參數(shù)計算出各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動力矩和功率，再查找機械設(shè)計手冊，選擇了符合要求的驅(qū)動部件和傳感器。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計8第 2 章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 確定驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)工業(yè)機器人的驅(qū)動系統(tǒng)是直接驅(qū)動整個機器人完成指定動作的機構(gòu)，而且工業(yè)機器人的驅(qū)動系統(tǒng)是機器人上的一個十分重要的機構(gòu)，對工業(yè)機器人的性能和功能以及維修是否方便有很大的影響。如果沒有一個有效的伺服驅(qū)動系統(tǒng)，無論機器人具有多么精確的控制系統(tǒng)和多么敏感的傳感的系統(tǒng)，也是無濟于事的。當(dāng)今世界上工業(yè)機器人的動作自由度都比較多，以便能完成復(fù)雜的動作，其中多為五自由度和六自由度。這些工業(yè)機器人的旋轉(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)時候要求工業(yè)機器人所占的空間要盡可能的小，以便在有限的空間盡可能的完成多個工序。綜合以上特點，設(shè)計時要求工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計原則是必須做到外型小、重量輕、工作穩(wěn)定可靠。另外，由于工業(yè)機器人能在工作空間內(nèi)任意多點定位，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)機器人中，通常采用伺服驅(qū)動系統(tǒng)。目前，工業(yè)機器人的驅(qū)動方式主要有液壓驅(qū)動、電機驅(qū)動和氣壓驅(qū)動三種。液壓驅(qū)動系統(tǒng)的特點主要是運行穩(wěn)定可靠，運動件的慣性小，快速相應(yīng)的靈敏度高，傳動比較大，低速性能好，容易實現(xiàn)無極調(diào)速，操作和控制都比較容易。氣壓驅(qū)動的特點主要是響應(yīng)速比較度快，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床等設(shè)備中，但是存在管路漏氣的現(xiàn)象，維修第 2 章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計9比較麻煩。電機驅(qū)動方式具有以下特點：動力源簡單、負(fù)載小、調(diào)速范圍大、無需燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計10配管、維修及使用方便、使用壽命長等特點。此外，由于近年來液壓控制系統(tǒng)的逐漸完善，此次設(shè)計選擇液壓驅(qū)動。 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)機器人的驅(qū)動機型有多種結(jié)構(gòu)形式，主要包括直角坐標(biāo)系機器人、圓柱坐標(biāo)機器人、極坐標(biāo)機器人、多關(guān)節(jié)機器人直角坐標(biāo)系機器人只能在 x、y、z 三個方向上作直線運動，因此控制方便，結(jié)構(gòu)十分簡單，設(shè)計比較方便。但是其只能作直線運動，所以局限性比較大，只能在特定的工作場合下工作。圓柱坐標(biāo)機器人的工作范圍是一個類似于圓柱面的表面，操作方便和控制方便是它最大的優(yōu)勢，但是它跟直角坐標(biāo)系機器人一樣有著極大的工作局限性。極坐標(biāo)機器人是一種可以做腰部的旋轉(zhuǎn)運動，手臂部分的一個旋轉(zhuǎn)運動以及一個直線運動的工業(yè)機器人。多關(guān)節(jié)型機器人的運動空間比前三者大，可以完成十分復(fù)雜的動作，運動軌跡靈活多變，自由度多而且結(jié)構(gòu)相對簡單。綜上所述，噴漆機器人的驅(qū)動機型選用多關(guān)節(jié)型。又因噴漆機器人的負(fù)荷小，運動速度低，而且根據(jù)設(shè)計要求，所以采用六自由度。因此本文設(shè)計的噴漆機器人是一種六自由度關(guān)節(jié)型機器人?？傮w結(jié)構(gòu)設(shè)計11 噴漆機器人的運動參數(shù) 項目 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100186。 75186。 70186。 210186。 210186。 420186。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 177。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 各個關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式和平衡方式一般的工業(yè)機器人有 5 個左右的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，即：底座、燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計12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。為了增強大臂的強度，同時盡可能的降低大臂的重量，大臂采用實心的立方體結(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，可以