【文章內容簡介】 自由度 6 活動范圍 ?1 ?2 ?3 ?4 ?5 ?6 100186。 75186。 70186。 210186。 210186。 420186。 最大速度 2m/s 手腕最大負荷 5kg 驅動方式 電液伺服驅動 重復定位精度 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 本質安全防爆 2i 4G 環(huán)境溫度 0~40 各個關節(jié)的結構形式和平衡方式 一般的工業(yè)機器人有 5 個左右的結構復雜的結構件，即：底座 、 腰部轉動臺支架 、大臂、小臂和手腕部。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。還有就是箱形結構，就整體來說就是比較復雜的箱體，多為鑄件。為了減輕小臂的重量和大臂的負載，小臂采用空心管結構，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構，材料同樣是鋁合金。 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。但當負載較小，臂桿的重量較輕，關節(jié)力矩不大，驅動裝置有足夠的容量時，可以省去平衡。對于噴漆機器人的設計，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。對于小臂的平衡，在這里小臂采用鉸鏈四桿的結構方式，這種結構通過后桿的質量來平衡腕部的質量。 該機器人的大臂小臂均采用彈簧平衡裝置，如下圖所示。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。 小臂 小臂的平衡彈簧鉸接在平衡支架的 A 點上，另一端固定焊接在小臂內的彈簧座上。平衡支架、大臂、拉桿和轉臺組成一平行四連桿機構。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。 不變。 小臂的不平衡力矩不僅隨轉角 3? 變化，也隨轉角 2? 變化，其算法如下： 小臂對轉軸軸線 3O 的偏重力矩 M3G 為 ?COSLGM G 333 ? 式中： G3 小臂及手腕部件重量 3L — 小臂及手腕部件的合重心與 O3 的距離 ? — 小臂梁與水平線的夾角 彈簧的平衡力矩 M3s = 333 hfK 式中： 3K — 小臂平衡彈簧剛性系數(shù) 總體結構設計 13 3f — 小臂平衡彈簧變形量 3h — 彈簧力對 O3 的力臂 通過結構的尺寸關系可算得： 3213 /sin lRRh ?? 301233 )( fRRlf ???? 式中 3l = )c o sRR2RRR(2 212211 ???R 為彈簧長度（包括支撐螺栓等長度）是隨 β 角變化的值， 30f 為安裝時彈簧的預變形量。 由于存在著驅動油缸活塞與剛桶的靜阻力，其方向沿活塞桿 DO39。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。 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，同理大臂的燕山大學本科生畢業(yè)設計 14 不平衡力矩 2M? 也同時受 3,2?? 轉角的影響，另外，小臂沒有完全平衡，在計算時還應考慮小臂加于大臂上部的力和力矩作用。 此時，大臂的偏重力矩 2GM 應為 32222232 s i n])39。[( MLGaGGM G ????? ? 39。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。 考慮大臂驅動油缸的靜阻力矩 2pM 則可得大臂的不平衡力矩 2222 pSG MMMM ???? 總體結構設計 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? 10? 圈數(shù) 70 40 剛度系數(shù)（ kgf/mm） 彈簧總長度 ? 708 410 螺旋方向 右旋 右旋 燕山大學本科生畢業(yè)設計 16 平衡彈簧材料選用 60si2 MnA 總體結構設計 17 小臂的傳動機構 圖 小臂關節(jié)結構示意圖 小臂關節(jié)的傳動系統(tǒng)結構簡圖如圖 所示。 小臂做 +135186。至 90186。范圍內的俯仰運動，從而調節(jié)整個腕部的空間位置。 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。脹緊套具有對中精度高、安裝 /拆卸方便、強度高、連接穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。這里的鉸鏈四桿機構的后桿與底桿可以平衡手腕部分和部分小臂的重量，減少大臂所承受的負載。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(jù)工作空間所設計的手臂的長度給出。 大臂的傳動機構 圖 大臂關節(jié)結構示意圖 大臂關節(jié)的傳動系統(tǒng)示意圖如圖 。 大臂的俯仰運動和小臂的俯仰運動的配合將實現(xiàn)手腕部分在工作空間內的定位。 大臂一端與底座連接，一端與小臂連接液壓缸在外側驅動，一同固定在轉臺上，能隨轉臺一起轉動 。 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 。在安裝時，驅動大臂的電機和驅動小臂的液壓缸 對稱布置的方式這樣有利于腰部回轉盤的重量平衡，使整個結 構穩(wěn)定，防止了顛覆。這種結構也減小了腰部回轉盤的轉動力矩，減輕了帶動腰部回轉的 液壓缸 的負擔。 第 2 章 總體結構設計 19 腰部的傳動機構 圖 腰部關節(jié)結構示意圖 腰關節(jié)的結構示意圖如圖 。 腰部旋轉和大臂的俯仰以及小臂的俯仰共同配合將實現(xiàn)腕部在空間任意位置定位。腰部主軸與腰部回轉盤用螺釘相聯(lián)，大臂和小臂的驅動電機固定在腰部回轉盤上的電機座上。腰部主軸是空心軸，通過鍵與力矩電機相連。因此，力矩電機帶動腰部主軸旋轉，從而使腰部回轉盤旋轉。精度控制方面，會在電機后部安裝光柵編碼器來實現(xiàn)對電機回轉角度的控制 [15]。 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，免去了不必要的結構，簡潔有效，降低了成本。 本章小結 本章主要介紹了噴漆機器人的驅動方案的選擇以及確定了技術指標。完成了機器人的總體傳動系統(tǒng)的設計。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。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。 第 3 章 噴漆機器人機構設計 燕山大學本科生畢業(yè)設計 20 噴漆機器人數(shù)學模型的建立與分析 設計的噴漆機器人所需要達到的最大覆蓋范圍是 ? ? 3m 。根據(jù)設計方案和預先假設，暫定大臂長 1m，俯仰范圍 +135186。至 90186。，小臂長 ，俯仰范圍是 +168186。至 80186。，腰部直徑 ，回轉范圍是177。170176。 在建立數(shù)學模型之前，假設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 。需要論證的數(shù)學模型是：假設 大臂和小臂為不計體積的細長直桿 1 和直桿 2，長度分別為 1m和 。細桿 1 固定在回轉范圍是177。 170176。的圓盤上，其俯仰范圍是 +135186。至 90186。細桿 1 的另一端連接著細桿 2，細桿 2 的長度是 ，同時細桿 2 可以相對于細桿1 做俯仰范圍是 +168186。至 80186。俯仰運動。需要驗證的是，細桿 2 末端的最大運動范圍是否是噴漆機器人的最大覆蓋范圍 ? ? 3m 。如果超過噴漆機器人的最大覆蓋范圍，則假設的尺寸符合要求，如果小于噴漆機器人的最大覆蓋范圍，則需要重新制定各部分的尺寸。 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。在論證時，假設大臂與腰部回轉盤的鏈接點 i 在線段 da 的延長線上，由于腰部回轉盤的旋轉范圍是 177。 170176。，所以只需要驗證一般空間即可，另一半與之對稱。綜上所述，我們現(xiàn)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。如果能在各個細桿的運動范圍內達到這八個頂點 ，那么細桿 2 的末端必然能夠達到空間內的其他點。 圖 平面 abcd 工作極限位置模型 假設細桿 1 和圓盤的連接點 i 在 da 線段的 延長線上， ij 代表細桿 1，i 與 a 的距離為 。如圖 所示，當工作平面在 abcd 時，達到各極限位置時細桿 1 與細桿 2 的位置狀態(tài)。 讀圖可知達到 d 點時 ，細桿 1 的俯仰角度最 大 為 51 186。， 根據(jù)設計方案知細桿 1 的最大俯仰角為 +135 186。達到 a 點時，細桿 2 相對于細桿 1 的俯仰角度最小為 75 186。，根據(jù)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。所以當工作面為 abcd 時，手臂長度符合要求。 當圓盤回轉過一定角度時，使得細桿 2 的末端 ife 平面運動時，如圖 所示細桿 1 和細桿 2 的極限位置。讀圖可知達到 e 點時，細桿 2相對于細桿 1 的俯仰角度最小 55 186。，根據(jù)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。所以當工作面為 ife 時，手臂長度符合要求。 燕山大學本科生畢業(yè)設計 22 圖 達到 f、 e 極限時位置模型 圖 達到 g、 h 極限時位置模型 同理，當 圓盤 再次回轉一個角度 時，使得細桿 2 的末端 igh 平面運動時 ， 如圖 所示細桿 1 和細桿 2 的極限位置。讀圖可知達到 h 點時，細桿 1 的俯仰角度最大為 45 186。，根據(jù)設計方案知 細桿 1 的最大俯仰角度為 +135 186。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。所以當工作面為 igh 時，手臂長度符合要求。 經(jīng)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。由于論證時的前提條件是把噴漆機器人的最大覆蓋范圍一分為二 。所以滿足一半覆蓋范圍時，必然能夠達到對整個機器人提出的覆蓋范圍的要求 ? ? 3m 。故噴漆機器人足可滿足要求的最大覆第 3 章 噴漆機器人機構設計 23 蓋范圍，證明方案正確，小臂和大臂的長度和俯仰角度確定的合適。 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。在回轉套外，帶動回轉套回轉的減速電機 2 安裝在回轉套支架的外側，帶動整個回轉套做回轉運動。這兩處的電機的安裝如圖 所示。帶動整個腕部旋轉的減速電機 3 與安裝在回轉套外側的帶有法蘭盤的空心軸通過脹緊套連接在也一起，這個安裝面與電機 2 的安裝面垂直，減速電機 3 帶動整個腕部做回轉運動。 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。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?；剞D套的質量也要盡量的小，所以材料為鋁合金類材料。假設噴頭的尺寸為φ 50200 的圓柱體，由已知條件知質量為 3 kg。 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。電機輸出軸端進行適當?shù)募哟旨娱L。 電 機 2 帶動回轉套做回轉運動。設回轉套為 200200200 的立方體。設回轉套 、電機、減速器、短軸、鍵、噴槍及噴槍夾的質量 共 5kg。 長方體的轉動慣量公式為： J=112 m( 22bh? ) 由于回轉套為正方體，故 b=h= 所以繞回轉套回轉中