【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噴涂工件內外表面 ,由于噴涂室內的漆霧是易燃易爆的 ,如果機器人的某個部件產生火花或溫度過高 ,就會引燃噴涂室內的易燃物質 ,引起噴涂室內的大火。 課題國內外現狀及研究的主要成果 噴涂機器人是可以進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 。噴漆機器人一般采用液壓驅動，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來實現示教。航天航空部的 703 所 、 625 所使用熱噴涂機器人進行作業(yè)，用來噴涂一些重要而特殊航空部件。噴漆機器人在國外早已廣泛應用于汽車等產品的涂裝生產線 ,國外機器人己取得的進展主要表現在如下幾個方面 : 1)操作機器人 :通過有限元分析 、模態(tài)分析及仿真設計等現代設計第一章 緒論 5 方法的運用 ,操作機器人己實現了優(yōu)化設計。意大利 COMAU 公司和日本 FANUC 等公司已開發(fā)出了此類產品。 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用于機器人系統(tǒng)中 ,并實現了焊縫自動跟蹤和自動化生產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)境的適應性。過去機器人系統(tǒng)的可靠性一般為幾千小時 ,而現在已達到 5 萬小時 ,可以滿足任何場合的需求。由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組裝方式構燕山大學本科生畢業(yè)設計 6 造機器人整機。 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來進行環(huán)境建模及決策控制。路徑規(guī)劃的好壞，直接關系到噴涂作 業(yè)的效率以及工件表面的涂層是否均勻，對噴涂工件的質量的影響巨大。為解決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行標定，建立機器人第一章 緒論 7 的參照模型，目前用于 機器人標定的技術有基于三坐標測量儀的標定、基于激光跟蹤儀的機器人標定以及基于 CCD 的機器人標定。此外，實際工業(yè)現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。將神經網絡、模糊理論、人工免疫、遺傳進化等智能控制 算法與 PID 理論相結合，用于 PID 參數的整定，成為未來機器人控制發(fā)展的趨勢 。涂裝質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，對于汽車產品最直接的評價就來源于汽車的外觀，因此噴涂質量的高低直接影響 了一個汽車產品在市場中的競爭能力和燕山大學本科生畢業(yè)設計 8 生產廠家的經濟效益。目前我國的部分汽車生產廠家還在使用軌跡靈活度較低、柔性差的自動噴涂機來進行汽車車身的涂裝，少數企業(yè)雖然采用了外國設備制造商的噴漆機器人，但是仍然存在 著價格昂貴、維護費用高、兼容性低等問題，從而導致了競爭力和經濟效益的下降。根據設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。 第 2 章 總體結構設計 9 第 2 章 總體結構設計 確定驅動系統(tǒng) 驅動系統(tǒng) 工業(yè)機器人的驅動系統(tǒng)是直接驅動整個機器人完成指定動作的機構，而且工業(yè)機器人的驅動系統(tǒng)是機器人上的一個十分重要的機構，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。而且由于施工現場的空間是有限的，所以絕大多數時候要求工業(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。液壓驅動系統(tǒng)的特點主要是運行穩(wěn)定可靠， 運動件的慣性小，快速相應的靈敏度高，傳動比較大，低速性能好，容易實現無極調速，操作和控制都比較容易。 確定驅動件和自由度 由于工作需求的不同以及工作對象的不同，因此工業(yè)機器人的驅動機型有多種結構形式，主要包括直角坐標系機器人、圓柱坐標機器人、極坐標機器人、多關節(jié)機器人直角坐標系機器人只能在 x、 y、 z 三個方向上作直線運動，因此控制方便，結構十分簡單，設計比較方便。多關節(jié)型機器人的運動空間比前三者大，可以完成十分復雜的動作，運動軌跡靈活多變，自由度多而且結構相對簡單。 總體結構設計 11 噴漆機器人的運動參數 項目 技術參 數 結構形式 關節(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構比較流行燕山大學本科生畢業(yè)設計 12 的是中間有多層圓筒形套裝梁結構，外型像啞鈴，多為焊鑄件組合結構。 手臂的平衡：為了減小驅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行平衡。 該機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動時做平面運動，保證小臂在大臂運動時其夾角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。范圍內的俯仰運動，從而調節(jié)整個腕部的空間位置。這個四桿機構在設計時應該盡可能的減少底桿和后桿的重量，使之與腕部的質量接近，而且燕山大學本科生畢業(yè)設計 18 其所占空間也應該盡可能的小，綜合考慮選擇曲柄搖 桿機構，具體尺寸會在下一章根據工作空間所設計的手臂的長度給出。 這種傳動方案的優(yōu)點是結構簡潔有效 、 傳動精度較高 、通過自身的調速減輕了整個腰部的負載 。 腰部旋轉和大臂的俯仰以及小臂的俯仰共同配合將實現腕部在空間任意位置定位。精度控制方面，會在電機后部安裝光柵編碼器來實現對電機回轉角度的控制 [15]。并給出了各關節(jié)的傳動方案，同時進行了必要的分析論證，在這之后設計了各個關節(jié)傳動機構和大體上的連接方案。至 90186。170176。 170176。至 80186。 圖 工作的空間模型 論證的細桿 2 末端所要達到的運動范圍如圖 所示。綜上所述，我們現在的論證空間是 abcdefgh，在論證時只需要驗第 3 章 噴漆機器人機構設計 21 證細桿 2 的末端能否達到空間 abcdefgh 的八個頂點即可。 讀圖可知達到 d 點時 ，細桿 1 的俯仰角度最 大 為 51 186。讀圖可知當達到其他位置時，細桿 1 與細桿 2 相對于細桿 1 的俯仰角度均小于設計方案中規(guī)定的極限值。根據設計方案知 細桿 2 相對于細桿1 的最小俯仰角度 80 186。讀圖可知達到 h 點時，細桿 1 的俯仰角度最大為 45 186。 經過上面的計算和分析可證明小臂的末端可達的覆蓋范圍大于空間 abcdefgh。 腕部設計 電機的選擇 手腕部分的電機的安裝：帶動噴槍旋轉的減速電機 1 安裝在回轉套內帶動噴槍夾做旋轉運動，從而使噴槍時刻正對被加工。 電機 1 帶動噴頭做旋轉運動，故此電機應小巧靈便以減輕電機 2 的負擔，因此電機 1 應該質量輕、體積小且能滿足功率滿要求。 圓柱體的轉動慣量為： J = 112 m(3 R2+L2) = 112 3(3 + 20. ) = 取噴槍的轉動角速度為 ω =2? rad/s， n=60r/min 取啟動時間為 由此轉動角加速度 ? =20? rad/s2 計算力矩 T 為： T=J? = P=Tω =2? = 燕山大學本科生畢業(yè)設計 24 故訂做的減速電機 1 的額定電壓為 220V，輸出功率至少為 4w，輸出轉矩至少為 ，轉速為 1400r/min，減速箱的減速比為 23。設回轉套 、電機、減速器、短軸、鍵、噴槍及噴槍夾的質量 共 5kg。 電機通過脹緊套連接空心軸，所以電機輸出軸也要進行適當的加粗加長。電機輸出軸端進行適當的加粗加長 [1620]。因此設計手臂時，該充分考慮根據機器人所要完成任務而提出設計要求，從而確定手臂桿的大體結構和長度。 噴漆機器人的小臂俯仰機構通過鉸鏈四桿機構來完成，安裝在腰部回轉盤上的直流伺服電機通過鉸鏈四桿機構驅動小臂實現俯仰運動。對于雙搖桿機構來說機架為最短邊的對邊，既大臂與最短桿相對。 ab 邊為機架， ad 邊為搖桿， bc 邊為曲柄。 小臂總體質量的計算 [2125] 小臂的大體結構為分段空心圓柱，材料為鋁合金 體積 V=l A = ? /4＋ ? 178。1I +m21r =+5(+＋ )2 =m2 回轉套支架對 i 軸的轉動慣量 回轉套支架繞其質心的轉動慣量為 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 軸總的轉動慣量 以上計算的 1I 、 2I 、 3I 、 4I 、 5I 均是在轉動慣量最大的情況下計算得到的，所以用這些轉動慣量計算出的總力矩和功率，從而選擇的電機必然滿足噴漆機器人在 其他工作狀態(tài)下的工作要求。計算大臂處于垂直位置時的小臂動作范圍。 333 ??? ，油缸兩支點距離最大時 mmDO 39。39。45’03’’ 活塞行程為 220mm時： β2 =107186。=49186。3039。鋁合金的密度低、強度高、具有良好的抗腐蝕能力而且力學性能上接近或超過合金鋼。材料為鋁合金。 驅動元件在噴漆機器人中主要用于回轉運動，所以轉動慣量要小，同時比功率要大一些。 （ 4）振動小，噪聲小 ，安全可靠，運行平穩(wěn) 。2O 均固定與轉臺上。2 ? ，最小時 mmBO 2 ? ，則活塞最大行程為 200mm。經 計算可得出 227。39’52” 則大臂總轉角 ?=Φ 2 Φ 1 =74186。=49186。 539。此外還要求腰部回轉盤的運動精度較高，要在驅動元件上安裝傳感器，檢測電機的旋轉精度。增量型編碼器能夠物體的旋轉運動產生信號。 大臂轉速 ω =? /2 rad/s，長為 1m, 傳感器線數為： ns=2? /(iθ )=2? /(100180。 本章小結 本章首先用簡單的空間立體幾何方法建立了噴漆機器人的工作空哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)設計 35 間的數學模型，驗證了假設條件中的噴漆機器人的各個關節(jié)的 尺寸是符合工作要求的。 燕山大學本科生畢業(yè)設計 36 第 4 章 軸、螺釘的設計與校核 大軸 1 的結構設計與校核 大軸 1 的結構設計 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，通過脹緊套使大軸 1 與大臂連接在一起。故在這里只計算小齒輪的受力。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，調制處理。 第 4 章 軸、螺釘的設計與校核 41 由于大齒輪的齒寬為 75mm，軸頭的長度應該小于輪轂的長度，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。兩根軸的主體機構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，當大軸 1 滿足強度條件時，大軸 2必然滿足強度條件。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。 畫軸轉矩圖 軸受轉矩 T= T1 ，轉矩圖見圖 (f) 1T 圖。因此小軸 1 的強度滿足要求，故安全。 選取的螺釘材料為 Q235，直徑為 12mm，固定用的螺栓數目為 6。對大軸 1 、大軸 小軸 小軸 2 的各個段的尺寸進行了確定，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行了校核。 180。 用簡單的空間幾何的方法建立了噴漆機器人的運動空間的數學模型并對其進行研究。 第 4 章 軸、螺釘的設計與校核 47