【正文】 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。 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。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。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 : 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)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)。意大利 COMAU 公司和日本 FANUC 等公司已開發(fā)出了此類產(chǎn)品。 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。過去機(jī)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。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)。 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。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。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。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。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 。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，對于汽車產(chǎn)品最直接的評價就來源于汽車的外觀，因此噴涂質(zhì)量的高低直接影響 了一個汽車產(chǎn)品在市場中的競爭能力和燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 生產(chǎn)廠家的經(jīng)濟(jì)效益。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。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。 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)動系統(tǒng) 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。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(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。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。 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。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。 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 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 活動范圍 ?1 ?2 ?3 ?4 ?5 ?6 100186。 210186。目前大臂和小臂的結(jié)構(gòu)比較流行燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 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)。 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。 該機(jī)器人的大臂小臂均采用彈簧平衡裝置，如下圖所示。它使平衡支架在下臂運(yùn)動時做平面運(yùn)動，保證小臂在大臂運(yùn)動時其夾角227。3 ，它對 3O 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3333 PSG MMMM ???? 式中 M 3p 為油缸對 3O 的靜阻力矩。2G — 關(guān)節(jié)軸 3 的重量（包括軸上 零件） a2 — 大臂長 L2 — 大臂合重心矩 2O 的長度 2222 2 hfkMS ? 其算法與小臂相同。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。這個四桿機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)時應(yīng)該盡可能的減少底桿和后桿的重量，使之與腕部的質(zhì)量接近，而且燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 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。 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 。 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。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]。并給出了各關(guān)節(jié)的傳動方案，同時進(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。至 90186。170176。 170176。至 80186。 圖 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 所示。綜上所述，我們現(xiàn)在的論證空間是 abcdefgh，在論證時只需要驗(yàn)第 3 章 噴漆機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 21 證細(xì)桿 2 的末端能否達(dá)到空間 abcdefgh 的八個頂點(diǎn)即可。 讀圖可知達(dá)到 d 點(diǎn)時 ，細(xì)桿 1 的俯仰角度最 大 為 51 186。讀圖可知當(dāng)達(dá)到其他位置時，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。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 80 186。讀圖可知達(dá)到 h 點(diǎn)時，細(xì)桿 1 的俯仰角度最大為 45 186。 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 abcdefgh。 腕部設(shè)計(jì) 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，從而使噴槍時刻正對被加工。 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。 圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量為： J = 112 m(3 R2+L2) = 112 3(3 + 20. ) = 取噴槍的轉(zhuǎn)動角速度為 ω =2? rad/s， n=60r/min 取啟動時間為 由此轉(zhuǎn)動角加速度 ? =20? rad/s2 計(jì)算力矩 T 為： T=J? = P=Tω =2? = 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 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 ，轉(zhuǎn)速為 1400r/min，減速箱的減速比為 23。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。 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。電機(jī)輸出軸端進(jìn)行適當(dāng)?shù)募哟旨娱L [1620]。因此設(shè)計(jì)手臂時，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。 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)動小臂實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動。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。 ab 邊為機(jī)架， ad 邊為搖桿， bc 邊為曲柄。 小臂總體質(zhì)量的計(jì)算 [2125] 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 = ? /4＋ ? 178。1I +m21r =+5(+＋ )2 =m2 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 39。3I = 112 1m(3 R2+L2) = kgm2 平移到 i 軸上 3I =39。后桿的尺寸為 φ 1001000，底桿的尺寸為 φ 100400。5I +m25r =+27 =m2 對 i 軸總的轉(zhuǎn)動慣量 以上計(jì)算的 1I 、 2I 、 3I 、 4I 、 5I 均是在轉(zhuǎn)動慣量最大的情況下計(jì)算得到的，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。計(jì)算大臂處于垂直位置時的小臂動作范圍。 333 ??? ，油缸兩支點(diǎn)距離最大時 mmDO 39。39。45’03’’ 活塞行程為 220mm時： β2 =107186。=49186。3039。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。材料為鋁合金。 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，同時比功率要大一些。 （ 4）振動小，噪聲小 ，安全可靠，運(yùn)行平穩(wěn) 。2O 均固定與轉(zhuǎn)臺上。2 ? ，最小時 mmBO 2 ? ，則活塞最大行程為 200mm。經(jīng) 計(jì)算可得出 227。39’52” 則大臂總轉(zhuǎn)角 ?=Φ 2 Φ 1 =74186。=49186。 539。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。增量型編碼器能夠物體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)生信號。 大臂轉(zhuǎn)速 ω =? /2 rad/s，長為 1m, 傳感器線數(shù)為： ns=2? /(iθ )=2? /(100180。 本章小結(jié) 本章首先用簡單的空間立體幾何方法建立了噴漆機(jī)器人的工作空哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 35 間的數(shù)學(xué)模型，驗(yàn)證了假設(shè)條件中的噴漆機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)的 尺寸是符合工作要求的。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 36 第 4 章 軸、螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)與校核 大軸 1 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核 大軸 1 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 大軸 1 的傳動方案 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 所示。 bc 段為過渡段，長度為 80mm，直徑 92mm，固定齒輪的軸肩高度為 。 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度，這段軸頸的長度為 60mm，直徑為 85mm。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。故在這里只計(jì)算小齒輪的受力。垂直面彎矩圖見圖 (d) VM 圖。取 ? =。 確定大軸 2 的材料以及各段直徑和長度 大軸 2 的材料為 40Cr，調(diào)制處理。 第 4 章 軸、螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)與校核 41 由于大齒輪的齒寬為 75mm，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。脹緊套選用 Z2 型脹緊套。兩根軸的主體機(jī)構(gòu)和材料以及熱處理方式一樣，大軸 2 的受力比大軸 1 的受力小得多，當(dāng)大軸 1 滿足強(qiáng)度條件時，大軸 2必然滿足強(qiáng)度條件。這一段由于和聯(lián)軸器連接，所以開有鍵槽，具體尺寸和電機(jī)輸出端的一樣。 ef 段為過渡段，長度為 95mm，直徑 38mm。固定齒輪的軸肩高度為 。 1HF + rF = 2HF rF 153= 2HF (67+153) 故 1HF =， 2HF = 垂直面受力圖如圖 (b)所示。 畫軸轉(zhuǎn)矩圖 軸受轉(zhuǎn)矩 T= T1 ，轉(zhuǎn)矩圖見圖 (f) 1T 圖。因此小軸 1 的強(qiáng)度滿足要求，故安全。 選取的螺釘材料為 Q235，直徑為 12mm，固定用的螺栓數(shù)目為 6。對大軸 1 、大軸 小軸 小軸 2 的各個段的尺寸進(jìn)行了確定，同時確定了安裝在軸上的軸承的類型和型號，最后按照 彎扭合成力矩對軸進(jìn)行了校核。 180。 用簡單的空間幾何的方法建立了噴漆機(jī)器人的運(yùn)動空間的數(shù)學(xué)模型并對其進(jìn)行研究。 第 4 章 軸、螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)與校核 47