【正文】 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。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。有鑒于此,噴涂機(jī)器人在涂裝領(lǐng)域越來越受到重視,尤其是在汽車制造業(yè)中,如圖 1 一 l 所示機(jī)器人噴涂汽車燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)2車身的情景。但由于噴涂機(jī)只能完成一些簡單的往復(fù)直線運(yùn)動,而被涂工件表面的多樣性及復(fù)雜性使得噴涂機(jī)的使用受到一定的限制。對于傳統(tǒng)機(jī)械行業(yè)(如機(jī)床、輕工機(jī)械、紡織機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、起重機(jī)械、工程機(jī)械、礦山機(jī)械、冶金機(jī)械等)、電機(jī)電器行業(yè)(如電機(jī)、變壓器、電控柜等)、儀器儀表行業(yè)、家電行業(yè)、以及交通運(yùn)輸行業(yè)等,用戶對其產(chǎn)品外觀質(zhì)量的要求都很高,而表面涂裝技術(shù)是達(dá)到這一要求的重要環(huán)節(jié)。在農(nóng)業(yè)方面,機(jī)器人在國外農(nóng)場應(yīng)用也比較廣泛,如果蔬采摘機(jī)器人、植保機(jī)器人、噴(霧)藥機(jī)器人和高壓靜電滅蝗機(jī)器人等是農(nóng)業(yè)自動化領(lǐng)域的廣大科研工作者研究的熱點(diǎn)。 機(jī)器人是用于完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化的自動化生產(chǎn)設(shè)備。噴漆機(jī)器人的整體動態(tài)性能也因此提高。本文設(shè)計(jì)了一種關(guān)節(jié)式噴漆機(jī)器人，具有六個(gè)自由度，其中手腕關(guān)節(jié)具有三個(gè)自由度，其它的關(guān)節(jié)各具有一個(gè)自由度，各個(gè)關(guān)節(jié)采用液壓驅(qū)動。在沒有任何防護(hù)的情況下進(jìn)行噴漆作業(yè)對工人的危害極大的，因此各種各樣的噴漆機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。噴漆機(jī)器人的主體采用了鋁合金材料，減輕了自身的重量。機(jī)器人應(yīng)用情況,是一個(gè)國家自動化水平的重要標(biāo)志。如在毛坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)、機(jī)械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中,機(jī)器人已逐步取代了人工作業(yè)。 噴涂機(jī)器人的特點(diǎn)及其發(fā)展現(xiàn)狀大部分機(jī)電類產(chǎn)品在其制造過程中,都涉及到表面涂裝作業(yè)。自動噴涂機(jī)的出現(xiàn)則克服了這一缺點(diǎn)。其次機(jī)器人的操作動作是程序控制的,對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)器人的操作動作控制程序是可以重新編制的,不同的程序針對不同的工件,所以可以適應(yīng)多種噴涂對象在同一條噴涂線上進(jìn)行噴漆。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(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,因此第一章 緒論3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,這在一定程度上影響機(jī)器人的關(guān)節(jié)角轉(zhuǎn)動范圍。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)動空間，并可做復(fù)雜的軌跡運(yùn)動，其腕部一般有 2～3 個(gè)自由度，可靈活運(yùn)動。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷完善，噴涂精度得到顯著提高。 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(jī)器人的項(xiàng)目合作，進(jìn)一步推動我國噴涂機(jī)器人技術(shù)的成熟，普及與應(yīng)用。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)。人機(jī)界面更加友好,基于圖形操作的界面也己問世。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(jī)器人控制器己實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)場總線 CanbuS、ProfibuS 及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接,使機(jī)器人由過去的獨(dú)立應(yīng)用轉(zhuǎn)向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用。2)機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。器件集成度提高,采用模塊化結(jié)構(gòu)。. 存在問題和未來解決問題 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(diǎn)，形成數(shù)據(jù)點(diǎn)云，最后通過圖像的三維重構(gòu)獲取工件的 CAD 數(shù)據(jù)。靜態(tài)因素包括了制造、裝配時(shí)所帶來的機(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。 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)械臂的長度往往很長，當(dāng)整個(gè)機(jī)械臂伸展開時(shí)大約可達(dá)到 2m 的長度，且運(yùn)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(jī)器人各關(guān)節(jié)的被控對象模型是時(shí)變的。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。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，其中對工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的促進(jìn)作用尤為顯著。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。本文以用于汽車車身的噴漆機(jī)器人為研究對象，對噴漆機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。、材料力學(xué)、動力學(xué)、物理學(xué)的知識并且根據(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)動力矩和功率，再查找機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，選擇了符合要求的驅(qū)動部件和傳感器。當(dāng)今世界上工業(yè)機(jī)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。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)動系統(tǒng)。電機(jī)驅(qū)動方式具有以下特點(diǎn)：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(jì)10配管、維修及使用方便、使用壽命長等特點(diǎn)。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，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。又因噴漆機(jī)器人的負(fù)荷小，運(yùn)動速度低，而且根據(jù)設(shè)計(jì)要求，所以采用六自由度。 70186。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。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。對于噴漆機(jī)器人的設(shè)計(jì)，由于末端執(zhí)行器的重量約為 3kg，大臂和小臂的總重量約為 60kg 至 70kg，因此在這里采取一定的平衡措施。 小臂小臂的平衡彈簧鉸接在平衡支架的 A 點(diǎn)上，另一端固定焊接在小臂內(nèi)的彈簧座上。 小臂的不平衡力矩不僅隨轉(zhuǎn)角 變化，也隨轉(zhuǎn)角 變化，其算法3?2?如下：小臂對轉(zhuǎn)軸軸線 的偏重力矩 M 為3O3G?COSL3?式中：G 小臂及手腕部件重量3 —小臂及手腕部件的合重心與 O 的距離L3 —小臂梁與水平線的夾角?彈簧的平衡力矩 M =3s3hfK總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)13式中： —小臂平衡彈簧剛性系數(shù)3K —小臂平衡彈簧變形量f —彈簧力對 O 的力臂3h3通過結(jié)構(gòu)的尺寸關(guān)系可算得： 3213/sinlR??01)(flf??式中 = 為彈簧長度（包括支撐螺3 )cosR21?栓等長度）是隨 β 角變化的值， 為安裝時(shí)彈簧的預(yù)變形量。此時(shí)，大臂的偏重力矩 應(yīng)為2G32232 sin])39。小臂做+135186。脹緊套具有對中精度高、安裝/拆卸方便、強(qiáng)度高、連接穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。大臂的俯仰運(yùn)動和小臂的俯仰運(yùn)動的配合將實(shí)現(xiàn)手腕部分在工作空間內(nèi)的定位。這種結(jié)構(gòu)也減小了腰部回轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動力矩，燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)20減輕了帶動腰部回轉(zhuǎn)的液壓缸的負(fù)擔(dān)。腰部主軸是空心軸，通過鍵與力矩電機(jī)相連。 本章小結(jié)本章主要介紹了噴漆機(jī)器人的驅(qū)動方案的選擇以及確定了技術(shù)指標(biāo)。第 3 章 噴漆機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)21第 3 章 噴漆機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 噴漆機(jī)器人數(shù)學(xué)模型的建立與分析設(shè)計(jì)的噴漆機(jī)器人所需要達(dá)到的最大覆蓋范圍是 。 至80186。需要論證的數(shù)學(xué)模型是：假設(shè)大臂和小臂為不計(jì)體積的細(xì)長直桿 1 和直桿 2，長度分別為 1m 和 。 至90186。需要驗(yàn)證的是，細(xì)桿 2末端的最大運(yùn)動范圍是否是噴漆機(jī)器人的最大覆蓋范圍 。170176。圖 　平面 abcd 工作極限位置模型假設(shè)細(xì)桿 1 和圓盤的連接點(diǎn) i 在 da 線段的延長線上，ij 代表細(xì)桿1，i 與 a 的距離為 。達(dá)到 a 點(diǎn)時(shí)，細(xì)桿 2 相對于細(xì)桿 1 的俯仰角度最小為75 186。當(dāng)圓盤回轉(zhuǎn)過一定角度時(shí)，使得細(xì)桿 2 的末端 ife 平面運(yùn)動時(shí)，如圖 所示細(xì)桿 1 和細(xì)桿 2 的極限位置。所以當(dāng)工作面為 ife 時(shí)，手臂長度符合要求。讀圖可知當(dāng)達(dá)到其他位置時(shí)，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。所以滿足一半覆蓋范圍時(shí)，必然能夠達(dá)到對整個(gè)機(jī)器人提出的覆蓋范圍的要求 。這兩處的電機(jī)的安裝如圖 所示?；剞D(zhuǎn)套的質(zhì)量也要盡量的小，所以材料為鋁合金類材料。電機(jī) 2 帶動回轉(zhuǎn)套做回轉(zhuǎn)運(yùn)動。電機(jī)輸出軸端進(jìn)行適當(dāng)?shù)募哟旨娱L，并且在末端開鍵槽。設(shè)整個(gè)腕部、回轉(zhuǎn)套支架、聯(lián)軸器、短軸、電機(jī)、減速器等部件的質(zhì)量估算為 12kg。同時(shí)小臂桿還要承受整個(gè)手腕的重量以及在運(yùn)動中產(chǎn)生的動載荷。盡量減少對其關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量以及偏重力矩，以減少驅(qū)動裝置的負(fù)載，同時(shí)注意減少運(yùn)動的動載荷與沖擊。　鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)此處的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)共有三種設(shè)計(jì)方案，分別是雙曲柄機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。綜合以上分析，在這里采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)具體如圖 所示。燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)28圖 　實(shí)現(xiàn)小臂俯仰的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖　液壓缸的選擇與設(shè)計(jì)首先計(jì)算動態(tài)轉(zhuǎn)矩，計(jì)算動態(tài)轉(zhuǎn)矩需計(jì)算轉(zhuǎn)動慣量。/4??? = m3質(zhì)量 m= V?= =腕部結(jié)構(gòu)對 i 軸的轉(zhuǎn)動慣量腕部繞其質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為 = m(b2+h2) 39。2r =+7(＋) 2= m2小臂結(jié)構(gòu)對 i 軸的轉(zhuǎn)動慣量由于小臂是階梯狀前一段體積 = m31V質(zhì)量 = =，此外還要加上電機(jī)減速器軸聯(lián)軸器短軸的質(zhì)?量共 8kg。4I1 = m2平移到 i 軸上 = +m4I39。兩桿的體積之和 = /414= ?=m總 ?總　 = =27kg兩段同一直線時(shí)繞兩段質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量為：= (3 R2+L2)39。摩擦力矩 T ：摩擦力矩近似等于 倍的慣性力矩3綜上所述總力矩 T =T = N m總 1 小臂驅(qū)動油缸鉸接點(diǎn) 固定在轉(zhuǎn)臺上，傳動原理同上。32?85032?39。3 .7239。14’27’’2活塞行程為零時(shí) 186。29’，相對水平位301置分配 θ 時(shí)可得： 39。鋁合金的密度低、強(qiáng)燕山大學(xué)本科生畢業(yè)論文33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(shí)比功率要大一些。（4）振動小，噪聲小，安全可靠，運(yùn)行平穩(wěn)。相對2O39。2?2?200mm。49’.C1339。41’18”2活塞最大行程時(shí)大臂與 線夾角為 =180186。2O20?2則大臂相對垂直時(shí)的運(yùn)動范圍為。腰部主軸與腰部回轉(zhuǎn)盤的通過螺釘連接在一起，電機(jī)帶動腰部主軸旋轉(zhuǎn)，從而使腰部回轉(zhuǎn)盤繞其中心旋轉(zhuǎn)完成所要求的動作。 傳感器的選擇為保證噴漆機(jī)器人位置精度需要為各關(guān)節(jié)選擇傳感器。3小臂轉(zhuǎn)速 = /2 rad/s，長為 , 傳感器線數(shù)為：ω?哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)37ns=2 /(i )=2 /(100 )=418?θ180。腰部轉(zhuǎn)速 = /2 rad/s，小臂大臂伸直時(shí)總長為 ,傳感器線數(shù)為：ns=2 /(i )=2 /(5 )=9425?θ180。選擇了驅(qū)動元件之后計(jì)算了大臂和小臂傳動機(jī)構(gòu)的尺寸，包括鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的尺寸以及兩個(gè)齒輪組的尺寸的計(jì)算和強(qiáng)調(diào)度校核。由于密封箱的壁厚為 45mm，孔徑為 150mm，因?yàn)橥獠窟€要裝端蓋，這段軸頸上還要裝配軸承，所以 ab 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。fg 段為過渡段，長度為 45mm，直徑為 80mm。脹緊套選用 Z2 型脹緊套。+ =1HFr2= (+)H故 =， =垂直面受力圖如圖 (b)所示。2VH?、畫轉(zhuǎn)矩圖軸受轉(zhuǎn)矩 T= T ，轉(zhuǎn)矩圖見圖 (f) 圖。因此大1b?軸 1 的強(qiáng)度滿足要求，故安全 [2630]。固定軸承的軸肩高度為 。根據(jù)這段軸的直徑和長度，鍵槽的寬度為 25mm，長度為 50mm，鍵槽的鍵槽深為 7mm。ab 段與鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的底桿相連，并且穿過大臂末端的通孔，大臂在此處的厚度為 39mm，孔徑為 95mm，底桿的厚度為 40mm，孔徑為 90mm，這段軸與底桿的連接方式是脹緊聯(lián)結(jié)，通過脹緊套使大軸 2與底桿連接在一起。從第三章可知大軸 1 受到的轉(zhuǎn)矩是 378180 N mm，而且同時(shí)承受大臂和小臂的總重量。確定小軸 1 的材料以及各段直徑和長度小軸 1 的材料為 40Cr，調(diào)制處理。由于密封箱的壁厚為 45mm，孔徑為 62mm，因?yàn)橥獠窟€要裝端蓋，這段軸頸上還要裝配軸承，所以 cd 段的長度為 25mm，直徑為30mm，裝配的軸承為角接觸球軸承，型號是 7206C。為了齒輪的周向定位，這段軸上還要開有鍵槽，來安裝平鍵。裝配的軸承為角接觸球軸承，型號是 7206C。垂直面彎矩圖見圖 (d) 圖。取 =。上面校核的小軸 1 的強(qiáng)度滿足要求，故小軸 2 的強(qiáng)度必然滿足要求。ir預(yù)緊力 = =601/()iFTfr????./(65)??查表取材料屈服極限 =240MPaS?查表取安全系數(shù) S=故需用應(yīng)力 = =160MPa??/由此螺釘?shù)闹睆?=??()4dF??所以預(yù)選取的螺釘滿足強(qiáng)度要求。經(jīng)計(jì)算均滿足強(qiáng)度的條件。機(jī)器人可實(shí)現(xiàn) 6 個(gè)自由度的運(yùn)動，分別為：腕部噴槍的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，腕部回轉(zhuǎn)套的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，小臂的俯仰運(yùn)動，大臂的俯仰運(yùn)動，腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。完成了驅(qū)動元件和傳感器的選擇。這種結(jié)構(gòu)的好處是避免把驅(qū)動元件直接安裝到關(guān)節(jié)上，從而解決了小臂質(zhì)量大、轉(zhuǎn)矩大