【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 自由度 6 活動(dòng)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(fù)荷 5kg 驅(qū)動(dòng)方式 電液伺服驅(qū)動(dòng) 重復(fù)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(jí) 本質(zhì)安全防爆 2i 4G 環(huán)境溫度 0~40 各個(gè)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式和平衡方式 一般的工業(yè)機(jī)器人有 5 個(gè)左右的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，即：底座 、 腰部轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)支架 、大臂、小臂和手腕部。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)。還有就是箱形結(jié)構(gòu)，就整體來(lái)說(shuō)就是比較復(fù)雜的箱體，多為鑄件。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。為了增強(qiáng)大臂的強(qiáng)度，同時(shí)盡可能的降 低大臂的重量，大臂采用實(shí)心的立方體結(jié)構(gòu)，材料同樣是鋁合金。 手臂的平衡：為了減小驅(qū)動(dòng)力矩和增加運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，大臂和小臂原則上說(shuō)都要進(jìn)行平衡。但當(dāng)負(fù)載較小，臂桿的重量較輕，關(guān)節(jié)力矩不大，驅(qū)動(dòng)裝置有足夠的容量時(shí)，可以省去平衡。對(duì)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。對(duì)于小臂的平衡，在這里小臂采用鉸鏈四桿的結(jié)構(gòu)方式，這種結(jié)構(gòu)通過(guò)后桿的質(zhì)量來(lái)平衡腕部的質(zhì)量。 該機(jī)器人的大臂小臂均采用彈簧平衡裝置，如下圖所示。經(jīng)計(jì)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(diǎn)上，另一端固定焊接在小臂內(nèi)的彈簧座上。平衡支架、大臂、拉桿和轉(zhuǎn)臺(tái)組成一平行四連桿機(jī)構(gòu)。它使平衡支架在下臂運(yùn)動(dòng)時(shí)做平面運(yùn)動(dòng)，保證小臂在大臂運(yùn)動(dòng)時(shí)其夾角227。 不變。 小臂的不平衡力矩不僅隨轉(zhuǎn)角 3? 變化，也隨轉(zhuǎn)角 2? 變化，其算法如下： 小臂對(duì)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 3f — 小臂平衡彈簧變形量 3h — 彈簧力對(duì) O3 的力臂 通過(guò)結(jié)構(gòu)的尺寸關(guān)系可算得： 3213 /sin lRRh ?? 301233 )( fRRlf ???? 式中 3l = )c o sRR2RRR(2 212211 ???R 為彈簧長(zhǎng)度（包括支撐螺栓等長(zhǎng)度）是隨 β 角變化的值， 30f 為安裝時(shí)彈簧的預(yù)變形量。 由于存在著驅(qū)動(dòng)油缸活塞與剛桶的靜阻力，其方向沿活塞桿 DO39。3 ，它對(duì) 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(duì) 3O 的靜阻力矩。 大臂 大臂的平衡由對(duì)稱于大臂中心線的左右兩根彈簧承擔(dān)，同理大臂的燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 不平衡力矩 2M? 也同時(shí)受 3,2?? 轉(zhuǎn)角的影響，另外，小臂沒有完全平衡，在計(jì)算時(shí)還應(yīng)考慮小臂加于大臂上部的力和力矩作用。 此時(shí)，大臂的偏重力矩 2GM 應(yīng)為 32222232 s i n])39。[( MLGaGGM G ????? ? 39。2G — 關(guān)節(jié)軸 3 的重量（包括軸上 零件） a2 — 大臂長(zhǎng) L2 — 大臂合重心矩 2O 的長(zhǎng)度 2222 2 hfkMS ? 其算法與小臂相同。 考慮大臂驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(zhǎng)度 ? 708 410 螺旋方向 右旋 右旋 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 平衡彈簧材料選用 60si2 MnA 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 小臂的傳動(dòng)機(jī)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(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 所示。 小臂做 +135186。至 90186。范圍內(nèi)的俯仰運(yùn)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)整個(gè)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(wú)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(wú)鍵連接，具體采用在包裝機(jī)械中被廣泛運(yùn)用的脹緊套。脹緊套具有對(duì)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)。這里的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)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(fù)載。這個(gè)四桿機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)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(huì)在下一章根據(jù)工作空間所設(shè)計(jì)的手臂的長(zhǎng)度給出。 大臂的傳動(dòng)機(jī)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(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖 。 大臂的俯仰運(yùn)動(dòng)和小臂的俯仰運(yùn)動(dòng)的配合將實(shí)現(xiàn)手腕部分在工作空間內(nèi)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(cè)驅(qū)動(dòng)，一同固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，能隨轉(zhuǎn)臺(tái)一起轉(zhuǎn)動(dòng) 。 這種傳動(dòng)方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔有效 、 傳動(dòng)精度較高 、通過(guò)自身的調(diào)速減輕了整個(gè)腰部的負(fù)載 。在安裝時(shí)，驅(qū)動(dòng)大臂的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)小臂的液壓缸 對(duì)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(gè)結(jié) 構(gòu)穩(wěn)定，防止了顛覆。這種結(jié)構(gòu)也減小了腰部回轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，減輕了帶動(dòng)腰部回轉(zhuǎn)的 液壓缸 的負(fù)擔(dān)。 第 2 章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 腰部的傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 圖 腰部關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖 腰關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 。 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。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(dòng)電機(jī)固定在腰部回轉(zhuǎn)盤上的電機(jī)座上。腰部主軸是空心軸，通過(guò)鍵與力矩電機(jī)相連。因此，力矩電機(jī)帶動(dòng)腰部主軸旋轉(zhuǎn)，從而使腰部回轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)。精度控制方面，會(huì)在電機(jī)后部安裝光柵編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)回轉(zhuǎn)角度的控制 [15]。 這種傳動(dòng)方案是通過(guò)直流力矩電機(jī)直接帶動(dòng)整個(gè)腰部回轉(zhuǎn)，免去了不必要的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)潔有效，降低了成本。 本章小結(jié) 本章主要介紹了噴漆機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方案的選擇以及確定了技術(shù)指標(biāo)。完成了機(jī)器人的總體傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。并給出了各關(guān)節(jié)的傳動(dòng)方案，同時(shí)進(jìn)行了必要的分析論證，在這之后設(shè)計(jì)了各個(gè)關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和大體上的連接方案。說(shuō)明了每個(gè)傳動(dòng)方案的優(yōu)點(diǎn)和不足，并給出了需要校正的零部件的方法。 第 3 章 噴漆機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 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 ? ? 3m 。根據(jù)設(shè)計(jì)方案和預(yù)先假設(shè)，暫定大臂長(zhǎng) 1m，俯仰范圍 +135186。至 90186。，小臂長(zhǎng) ，俯仰范圍是 +168186。至 80186。，腰部直徑 ，回轉(zhuǎn)范圍是177。170176。 在建立數(shù)學(xué)模型之前，假設(shè)噴槍是一個(gè)不計(jì)體積的點(diǎn)，由于小臂末端至噴槍的距離約為 ，所以在討論時(shí)小臂的長(zhǎng)度為原小臂桿長(zhǎng)度加上 ，一共為 。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(zhǎng)直桿 1 和直桿 2，長(zhǎng)度分別為 1m和 。細(xì)桿 1 固定在回轉(zhuǎn)范圍是177。 170176。的圓盤上，其俯仰范圍是 +135186。至 90186。細(xì)桿 1 的另一端連接著細(xì)桿 2，細(xì)桿 2 的長(zhǎng)度是 ，同時(shí)細(xì)桿 2 可以相對(duì)于細(xì)桿1 做俯仰范圍是 +168186。至 80186。俯仰運(yùn)動(dòng)。需要驗(yàn)證的是，細(xì)桿 2 末端的最大運(yùn)動(dòng)范圍是否是噴漆機(jī)器人的最大覆蓋范圍 ? ? 3m 。如果超過(guò)噴漆機(jī)器人的最大覆蓋范圍，則假設(shè)的尺寸符合要求，如果小于噴漆機(jī)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(xì)桿 2 末端所要達(dá)到的運(yùn)動(dòng)范圍如圖 所示。在論證時(shí)，假設(shè)大臂與腰部回轉(zhuǎn)盤的鏈接點(diǎn) i 在線段 da 的延長(zhǎng)線上，由于腰部回轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)范圍是 177。 170176。，所以只需要驗(yàn)證一般空間即可，另一半與之對(duì)稱。綜上所述，我們現(xiàn)在的論證空間是 abcdefgh，在論證時(shí)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(gè)頂點(diǎn)即可。如果能在各個(gè)細(xì)桿的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)達(dá)到這八個(gè)頂點(diǎn) ，那么細(xì)桿 2 的末端必然能夠達(dá)到空間內(nèi)的其他點(diǎn)。 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(zhǎng)線上， ij 代表細(xì)桿 1，i 與 a 的距離為 。如圖 所示，當(dāng)工作平面在 abcd 時(shí)，達(dá)到各極限位置時(shí)細(xì)桿 1 與細(xì)桿 2 的位置狀態(tài)。 讀圖可知達(dá)到 d 點(diǎn)時(shí) ，細(xì)桿 1 的俯仰角度最 大 為 51 186。， 根據(jù)設(shè)計(jì)方案知細(xì)桿 1 的最大俯仰角為 +135 186。達(dá)到 a 點(diǎn)時(shí)，細(xì)桿 2 相對(duì)于細(xì)桿 1 的俯仰角度最小為 75 186。，根據(jù)設(shè)計(jì)方案知 細(xì)桿 2 相對(duì)于細(xì)桿 1 的最小俯仰角度 80 186。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(duì)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。所以當(dāng)工作面為 abcd 時(shí)，手臂長(zhǎng)度符合要求。 當(dāng)圓盤回轉(zhuǎn)過(guò)一定角度時(shí)，使得細(xì)桿 2 的末端 ife 平面運(yùn)動(dòng)時(shí)，如圖 所示細(xì)桿 1 和細(xì)桿 2 的極限位置。讀圖可知達(dá)到 e 點(diǎn)時(shí)，細(xì)桿 2相對(duì)于細(xì)桿 1 的俯仰角度最小 55 186。，根據(jù)設(shè)計(jì)方案知 細(xì)桿 2 相對(duì)于細(xì)桿1 的最小俯仰角度 80 186。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(duì)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。所以當(dāng)工作面為 ife 時(shí)，手臂長(zhǎng)度符合要求。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 圖 達(dá)到 f、 e 極限時(shí)位置模型 圖 達(dá)到 g、 h 極限時(shí)位置模型 同理，當(dāng) 圓盤 再次回轉(zhuǎn)一個(gè)角度 時(shí)，使得細(xì)桿 2 的末端 igh 平面運(yùn)動(dòng)時(shí) ， 如圖 所示細(xì)桿 1 和細(xì)桿 2 的極限位置。讀圖可知達(dá)到 h 點(diǎn)時(shí)，細(xì)桿 1 的俯仰角度最大為 45 186。，根據(jù)設(shè)計(jì)方案知 細(xì)桿 1 的最大俯仰角度為 +135 186。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(duì)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。所以當(dāng)工作面為 igh 時(shí)，手臂長(zhǎng)度符合要求。 經(jīng)過(guò)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。由于論證時(shí)的前提條件是把噴漆機(jī)器人的最大覆蓋范圍一分為二 。所以滿足一半覆蓋范圍時(shí)，必然能夠達(dá)到對(duì)整個(gè)機(jī)器人提出的覆蓋范圍的要求 ? ? 3m 。故噴漆機(jī)器人足可滿足要求的最大覆第 3 章 噴漆機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 23 蓋范圍，證明方案正確，小臂和大臂的長(zhǎng)度和俯仰角度確定的合適。 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(dòng)噴槍旋轉(zhuǎn)的減速電機(jī) 1 安裝在回轉(zhuǎn)套內(nèi)帶動(dòng)噴槍夾做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而使噴槍時(shí)刻正對(duì)被加工。在回轉(zhuǎn)套外，帶動(dòng)回轉(zhuǎn)套回轉(zhuǎn)的減速電機(jī) 2 安裝在回轉(zhuǎn)套支架的外側(cè)，帶動(dòng)整個(gè)回轉(zhuǎn)套做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這兩處的電機(jī)的安裝如圖 所示。帶動(dòng)整個(gè)腕部旋轉(zhuǎn)的減速電機(jī) 3 與安裝在回轉(zhuǎn)套外側(cè)的帶有法蘭盤的空心軸通過(guò)脹緊套連接在也一起，這個(gè)安裝面與電機(jī) 2 的安裝面垂直，減速電機(jī) 3 帶動(dòng)整個(gè)腕部做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 電機(jī) 1 帶動(dòng)噴頭做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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。同時(shí)電機(jī)軸要與噴槍夾末端的空心軸通過(guò)脹緊套連接在一起，因此電機(jī)輸出端的軸要進(jìn)行適當(dāng)?shù)募哟旨娱L(zhǎng)。回轉(zhuǎn)套的質(zhì)量也要盡量的小，所以材料為鋁合金類材料。假設(shè)噴頭的尺寸為φ 50200 的圓柱體，由已知條件知質(zhì)量為 3 kg。 圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： J = 112 m(3 R2+L2) = 112 3(3 + 20. ) = 取噴槍的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為 ω =2? rad/s， n=60r/min 取啟動(dòng)時(shí)間為 由此轉(zhuǎn)動(dòng)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。電機(jī)輸出軸端進(jìn)行適當(dāng)?shù)募哟旨娱L(zhǎng)。 電 機(jī) 2 帶動(dòng)回轉(zhuǎn)套做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。設(shè)回轉(zhuǎn)套為 200200200 的立方體。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。 長(zhǎng)方體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式為： J=112 m( 22bh? ) 由于回轉(zhuǎn)套為正方體，故 b=h= 所以繞回轉(zhuǎn)套回轉(zhuǎn)中