【文章內(nèi)容簡介】 省去平衡。對于噴漆機(jī)器人的設(shè)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(jié)構(gòu)方式，這種結(jié)構(gòu)通過后桿的質(zhì)量來平衡腕部的質(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)臺組成一平行四連桿機(jī)構(gòu)。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。 不變。 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， 為安裝時彈簧的預(yù)變形量。30f由于存在著驅(qū)動油缸活塞與剛桶的靜阻力，其方向沿活塞桿 ，DO39。3它對 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3O矩 3PSGM???式中 M 為油缸對 的靜阻力矩。3pO燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計14 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(dān)，同理大臂的不平衡力矩 也同時受 轉(zhuǎn)角的影響，另外，小臂沒有完全平2M?3,2?衡，在計算時還應(yīng)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 應(yīng)為2G32232 sin])39。[( MLaG?????—關(guān)節(jié)軸 3 的重量（包括軸上零件）39。a —大臂長2L —大臂合重心矩 的長度2O 其算法與小臂相同。22hfkMS?考慮大臂驅(qū)動油缸的靜阻力矩 則可得大臂的不平衡力矩2p22pSG??總體結(jié)構(gòu)設(shè)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?1圈數(shù) 70 40剛度系數(shù)（kgf/mm） 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計16彈簧總長度 708?410螺旋方向 右旋 右旋平衡彈簧材料選用 60si MnA2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計17燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計18 小臂的傳動機(jī)構(gòu)圖 　小臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖小臂關(guān)節(jié)的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖 所示。小臂做+135186。 至90186。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。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(jī)械中被廣泛運(yùn)用的脹緊套。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)。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。這個四桿機(jī)構(gòu)在設(shè)計時應(yīng)該盡可能的減少底桿和后桿的重量，使之與腕總體結(jié)構(gòu)設(shè)計19部的質(zhì)量接近，而且其所占空間也應(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)計的手臂的長度給出。 大臂的傳動機(jī)構(gòu)圖 　大臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖大臂關(guān)節(jié)的傳動系統(tǒng)示意圖如圖 。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。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，一同固定在轉(zhuǎn)臺上，能隨轉(zhuǎn)臺一起轉(zhuǎn)動。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。在安裝時，驅(qū)動大臂的電機(jī)和驅(qū)動小臂的液壓缸對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)動力矩，燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計20減輕了帶動腰部回轉(zhuǎn)的液壓缸的負(fù)擔(dān)。 腰部的傳動機(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，通過鍵與力矩電機(jī)相連。因此，力矩電機(jī)帶動腰部主軸旋轉(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]。這種傳動方案是通過直流力矩電機(jī)直接帶動整個腰部回轉(zhuǎn)，免去了不必要的結(jié)構(gòu)，簡潔有效，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)器人的總體傳動系統(tǒng)的設(shè)計。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)計了各個關(guān)節(jié)傳動機(jī)構(gòu)和大體上的連接方案。說明了每個傳動方案的優(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21第 3 章 噴漆機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計 噴漆機(jī)器人數(shù)學(xué)模型的建立與分析設(shè)計的噴漆機(jī)器人所需要達(dá)到的最大覆蓋范圍是 。?3m根據(jù)設(shè)計方案和預(yù)先假設(shè)，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(zhuǎn)范圍是177。170176。在建立數(shù)學(xué)模型之前，假設(shè)噴槍是一個不計體積的點(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(xué)模型是：假設(shè)大臂和小臂為不計體積的細(xì)長直桿 1 和直桿 2，長度分別為 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 的長度是 ，同時細(xì)桿 2 可以相對于細(xì)桿 1 做俯仰范圍是+168 186。 至80186。 俯仰運(yùn)動。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 。如果超過噴漆機(jī)器人的最大覆蓋范圍，則假設(shè)的尺寸?3m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)動范圍如圖 所示。在論證時，燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計22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(yàn)證細(xì)桿 2 的末端能否達(dá)到空間 abcdefgh 的八個頂點(diǎn)即可。如果能在各個細(xì)桿的運(yùn)動范圍內(nèi)達(dá)到這八個頂點(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，達(dá)到各極限位置時細(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，細(xì)桿 1 的俯仰角度最大為 51 186。，根據(jù)設(shè)計方案知細(xì)桿 1 的最大俯仰角為+135 186。達(dá)到 a 點(diǎn)時，細(xì)桿 2 相對于細(xì)桿 1 的俯仰角度最小為75 186。，根據(jù)設(shè)計方案知細(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)計方案中規(guī)定的極限值。所以當(dāng)工作面為 abcd 時，手臂長度符合要求。當(dāng)圓盤回轉(zhuǎn)過一定角度時，使得細(xì)桿 2 的末端 ife 平面運(yùn)動時，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，細(xì)桿 2相對于細(xì)桿 1 的俯仰角度最小55 186。，根據(jù)設(shè)計方案知細(xì)桿 2 相對于細(xì)桿 1 的最小俯仰角度80 186。讀圖可知當(dāng)達(dá)到其他位置時，細(xì)桿 1 與細(xì)第 3 章 噴漆機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計23桿 2 相對于細(xì)桿 1 的俯仰角度均小于設(shè)計方案中規(guī)定的極限值。所以當(dāng)工作面為 ife 時，手臂長度符合要求。圖 　達(dá)到 f、e 極限時位置模型圖 　達(dá)到 g、h 極限時位置模型同理，當(dāng)圓盤再次回轉(zhuǎn)一個角度時，使得細(xì)桿 2 的末端 igh 平面運(yùn)動時，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，細(xì)桿 1 的俯仰角度最大為 45 186。，根據(jù)設(shè)計方案知細(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，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)計方案中規(guī)定的極限值。所以當(dāng)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(dá)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(jī)器人的最大覆蓋范圍燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計24一分為二。所以滿足一半覆蓋范圍時，必然能夠達(dá)到對整個機(jī)器人提出的覆蓋范圍的要求 。故噴漆機(jī)器人足可滿足要求的最?3m大覆蓋范圍，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(shè)計 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。在回轉(zhuǎn)套外，帶動回轉(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)，帶動整個回轉(zhuǎn)套做回轉(zhuǎn)運(yùn)動。這兩處的電機(jī)的安裝如圖 所示。帶動整個腕部旋轉(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脹緊套連接在也一起，這個安裝面與電機(jī) 2 的安裝面垂直，減速電機(jī)3 帶動整個腕部做回轉(zhuǎn)運(yùn)動。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。同時電機(jī)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(jī)輸出端的軸要進(jìn)行適當(dāng)?shù)募哟旨娱L?；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。假設(shè)噴頭的尺寸為 φ50200 的圓柱體，由已知條件知質(zhì)量為 3 kg。圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量為：J = m(3 R2+L2)1 = 3(3 + ). = 取噴槍的轉(zhuǎn)動角速度為 ω =2 rad/s，n=60r/min?取啟動時間為 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)論文25由此轉(zhuǎn)動角加速度 =20 rad/s2??計算力矩 T 為：T= J =P=Tω =2 =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。電機(jī) 2 帶動回轉(zhuǎn)套做回轉(zhuǎn)運(yùn)動。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。長方體的轉(zhuǎn)動慣量公式為：J= m( )122bh?由于回轉(zhuǎn)套為正方體，故 b=h= 所以繞回轉(zhuǎn)套回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量為：J= 5( )= .?取回轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)動角速度為 ω =2 rad/s, n=60 r/min?取啟動時間為 由此轉(zhuǎn)動角加速度 =20 rad /s2?計算力矩 T 為：T= J =P=Tω =2 = w?故訂做的減速電機(jī) 2 的額定電壓為 220V，輸出功率至少為 12w，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，并且在末端開鍵槽。電機(jī) 3 帶動整個腕部做回轉(zhuǎn)運(yùn)動。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。設(shè)回轉(zhuǎn)套為 232100350的立方體。設(shè)整個腕部、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。長方體的轉(zhuǎn)動慣量公式為：J= m( )122bh?燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計26由于回轉(zhuǎn)套為正方體，故 b=,h= 所以繞回轉(zhuǎn)套回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量為：J= 5( )=.?取回轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)動角速度為 ω = rad/s，轉(zhuǎn)速為 n=30r/min?取啟動時間為 由此轉(zhuǎn)動角加速度 =10 rad /s2?計算力矩 T 為：T= J =P=Tω =2 =?故訂做的減速電機(jī) 3 的額定電壓為 220V，輸出功率至少為 7w，輸出轉(zhuǎn)矩至少為 ，轉(zhuǎn)速為 1400r/min，減速箱的減速比為 46。電機(jī)輸出軸端進(jìn)行適當(dāng)?shù)募哟旨娱L [1620]。 小臂的設(shè)計 小臂設(shè)計的總體要求手臂桿的質(zhì)量應(yīng)該盡可能的小，從而減輕支撐它的大臂桿及它的驅(qū)動電機(jī)的負(fù)擔(dān)。同時小臂桿還要承受整個手腕的重量以及在運(yùn)動中產(chǎn)生的動載荷。噴漆機(jī)器人的最大覆蓋范圍與各個手臂的長度、手臂間的關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍密切相關(guān)。因此設(shè)計手臂時，該充分考慮根據(jù)機(jī)器人所要完成任務(wù)而提出設(shè)計要求，從而確定手臂桿的大體結(jié)構(gòu)和長度。根據(jù)盡量減小手臂質(zhì)量同時保持一定強(qiáng)度的原則，從而合理的選擇手臂的截面形狀和所用的材料，既滿足強(qiáng)度要求又最大限度的降低自身重量。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，同時注意減少運(yùn)動的動載荷與沖擊。設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動誤差提高運(yùn)動的精確性和運(yùn)動剛度，可采用緩沖和定位裝置，從而提高定位精度。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，安裝在腰第 3 章 噴漆機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計27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。采用鉸鏈四