【正文】 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計0第一章 緒論 課題研究的背景及意義機器人是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的機械電子裝置,既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力,又有機器持續(xù)工作時間長、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力,從某種意義上說它也是機器進化過程的產(chǎn)物。本文設(shè)計的噴漆機器人采用了類似于鉸鏈四桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計摘　　要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)。驅(qū)動小臂運動的電機安裝在腰部回轉(zhuǎn)盤的上面，通過帶動鉸鏈四桿機構(gòu)間接驅(qū)動小臂實現(xiàn)俯仰運動，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，同時減小了驅(qū)動大臂和腰關(guān)節(jié)的液壓缸所需要的功率與力矩，這種鉸鏈四桿機構(gòu)還使小臂實現(xiàn)自身的重力平衡從而減小了靜力矩。機器人技術(shù)綜合了計算機、控制論、機構(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),是當代研究十分活躍、應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。 自從 1962 年美國研制出世界上第一臺工業(yè)機器人以來,經(jīng)過五十多年的發(fā)展,機器人己在越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用。采用噴涂機器人的主要優(yōu)點在于實現(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)境中而造第一章 緒論1成急性或慢性中毒,提高了產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性,同時能減少涂料和能量的消耗,提高生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)的表面噴涂(漆)技術(shù)都是以手工方式進行產(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。噴涂機器人最顯著的特點就是不受噴涂車間有害氣體環(huán)境的影響,可以重復(fù)進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。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。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。噴漆機器人廣泛用于汽車、儀表、電器等工藝生產(chǎn)部門。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。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)改為開鏈式結(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。3)控制系統(tǒng):控制系統(tǒng)的性能進一步提高,己由過去控制標準的 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。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。 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。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,有利于標準化、網(wǎng)絡(luò)化。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)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中操縱機器人的感覺。 噴涂機器人的位姿精度與標定 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。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，以進一步提高機器人噴涂作業(yè)的精度。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。 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。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。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。，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。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。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。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。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。綜上所述，噴漆機器人的驅(qū)動機型選用多關(guān)節(jié)型。 75186。 420186。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。但當負載較小，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，可以省去平衡。經(jīng)計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。 不變。3pO燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計14 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，同理大臂的不平衡力矩 也同時受 轉(zhuǎn)角的影響，另外，小臂沒有完全平2M?3,2?衡，在計算時還應(yīng)考慮小臂加于大臂上部的力和力矩作用。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??總體結(jié)構(gòu)設(shè)計15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） 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計16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總體結(jié)構(gòu)設(shè)計17燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計18 小臂的傳動機構(gòu)圖 　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 所示。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，具體采用在包裝機械中被廣泛運用的脹緊套。 大臂的傳動機構(gòu)圖 　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 。在安裝時，驅(qū)動大臂的電機和驅(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。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)動電機固定在腰部回轉(zhuǎn)盤上的電機座上。這種傳動方案是通過直流力矩電機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。說明了每個傳動方案的優(yōu)點和不足，并給出了需要校正的零部件的方法。小臂長 ，俯仰范圍是+168186。在建立數(shù)學(xué)模型之前，假設(shè)噴槍是一個不計體積的點，由于小臂末端至噴槍的距離約為 ，所以在討論時小臂的長度為原小臂桿長度加上 ，一共為 。的圓盤上，其俯仰范圍是+135186。 俯仰運動。在論證時，燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計22假設(shè)大臂與腰部回轉(zhuǎn)盤的鏈接點 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177。如果能在各個細桿的運動范圍內(nèi)達到這八個頂點，那么細桿 2 的末端必然能夠達到空間內(nèi)的其他點。根據(jù)設(shè)計方案知細桿 1 的最大俯仰角為+135 186。所以當工作面為 abcd 時，手臂長度符合要求。讀圖可知當達到其他位置時，細桿 1 與細第 3 章 噴漆機器人機構(gòu)設(shè)計23桿 2 相對于細桿 1 的俯仰角度均小于設(shè)計方案中規(guī)定的極限值。根據(jù)設(shè)計方案知細桿 1 的最大俯仰角度為+135 186。由于論證時的前提條件是把噴漆機器人的最大覆蓋范圍燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計24一分為二。在回轉(zhuǎn)套外，帶動回轉(zhuǎn)套回轉(zhuǎn)的減速電機 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)運動。同時電機軸要與噴槍夾末端的空心軸通過脹緊套連接在一起，因此電機輸出端的軸要進行適當?shù)募哟旨娱L。電機輸出軸端進行適當?shù)募哟旨娱L。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= 所以繞回轉(zhuǎn)套回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量為：J= 5( )= .?取回轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)動角速度為 ω =2 rad/s, n=60 r/min?取啟動時間為 由此轉(zhuǎn)動角加速度 =20 rad /s2?計算力矩 T 為：T= J =P=Tω =2 = w?故訂做的減速電機 2 的額定電壓為 220V，輸出功率至少為 12w，輸出轉(zhuǎn)矩至少為 ，轉(zhuǎn)速為 1400r/min，減速箱的減速比為 23。設(shè)回轉(zhuǎn)套為 232100350的立方體。 小臂的設(shè)計 小臂設(shè)計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)動電機的負擔。根據(jù)盡量減小手臂質(zhì)量同時保持一定強度的原則，從而合理的選擇手臂的截面形狀和所用的材料，既滿足強度要求又最大限度的降低自身重量。采用鉸鏈四桿機構(gòu)的目的是把直流伺服電機放到腰部回轉(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)動裝置的負載，減少運動過程中產(chǎn)生的動載荷與沖擊，提高整個噴漆機器人的響應(yīng)速度。如果采用雙搖桿機構(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)計難度。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。/4－ 178。2I1 = kg m2平移到 i 軸上 = +m2I39。23r =+8(＋) 2 = m2后一段體積 =質(zhì)量 = =?小臂后段繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為 = (3 R2+L2)39。當兩桿共線時，兩桿對 i 軸的φ φ轉(zhuǎn)動慣量最大。對 i 軸總的轉(zhuǎn)動慣量為：= + + + + = kg m2I總 123I45總力矩和功率的計算取小臂的轉(zhuǎn)動角速度 = /2 rad/s，轉(zhuǎn)速為 n=15r/min??取啟動時間為 1 s由此轉(zhuǎn)動角加速度為 = /2 rad/s2　?慣性力矩 T =1I總　　　　　 = /2? = m靜態(tài)力矩 T ：由于小臂的俯仰機構(gòu)采用的鉸鏈四桿機構(gòu)，小臂自2燕山大學(xué)本科生畢業(yè)論文31身基本可以平衡，所以靜態(tài)力矩可以忽略不計。由結(jié)構(gòu)尺寸知：， ， ，mO18039。39。45’03’’活塞行程為 220mm 時：β =107186。=49186。大臂的整體結(jié)構(gòu)為長方體實心結(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、強度以及抗彎能力。所以實際體積要小一些，在這里計算體積時帶入一折減系數(shù)，假設(shè)折減系數(shù)為。21r =+ = m2小臂對 i 軸的轉(zhuǎn)動慣量小臂對 i 軸的轉(zhuǎn)動慣量 = m22I大臂和小臂對 i 軸的轉(zhuǎn)動慣量的總和= + =+= m2I總 12 總力矩的計算取大臂的轉(zhuǎn)動角速度 = /2 rad/s，轉(zhuǎn)速為 n=15r/min??取啟動時間為 1 s燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計34由此轉(zhuǎn)動角加速度為 = /2 rad/s2??慣性力矩 T =1I總　　　　　 = /2 = m靜態(tài)力矩 T ：當大臂和小臂在一條直線時靜態(tài)力矩最大，此時 T2=mgr=(++) = m2 摩擦力矩 T ：摩擦力矩近似等于 倍的靜態(tài)力矩3綜上所述總力矩 T =T + T = 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。（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)。大臂擺動軸軸心 與驅(qū)動油缸的鉸接點 均固定與轉(zhuǎn)臺上。2?mC6502?燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計36時 ，最小時 ，39。=11186。39’52”1則大臂總轉(zhuǎn)角 ?=Φ Φ =74186。49’47”39。04902??????前 5前后　 腰關(guān)節(jié)的設(shè)計噴漆機器人的腰部關(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。由于測量的是旋轉(zhuǎn)運動的精度，故在這里采用增量編碼器。增量型編碼器主要應(yīng)用于數(shù)控機床及機械附件、機器人、自動裝配機、包裝機械等機器人位置精度為 , 所以大臂、小臂、腰關(guān)節(jié)的位置精度為。大臂選用南京中科天文儀器有限公司的增量編碼器YGM610，n s=600。然后計算各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量，根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量得出計算力矩和功率，從而選擇合理的驅(qū)動元件。 確定大軸 1 的材料以及各段直徑和長度大軸 1 的材料為 40Cr，調(diào)制處理。由于大齒輪的齒寬為 65mm，軸頭的長度應(yīng)該小于輪轂的長度，所以 de 段的長度為 60mm，直徑為 90mm。裝配的軸承為角接觸球軸承，型號是 7217C。因此這段軸的長度為60mm，直徑為 60mm。轉(zhuǎn)矩 T =10 =10 (3/75) 16??1/Pn?6=378180N mm圓周力 = =12606NtF12/d徑向力 = =?? 計算支撐反力水平面受力圖如圖 (a)所示。HMVM合成彎矩圖見圖 (e)圖，合成彎矩 M= 。?哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文3443當量轉(zhuǎn)矩 =378180=226908 N mmT?=，查表知 =70MPa，所以 ??22/eMW?????1b??e? 。由于密封箱的壁厚為 45mm，孔徑為 150mm，因為外部還要裝端蓋，這段軸頸上還要裝配軸承，所以 gh 段的長度為 41mm，直徑為85mm,裝配的軸承為角接觸球軸承，型號是 7217C。為了齒輪的周向定位，這段軸上還要開有鍵槽，來安裝平鍵。b