【文章內(nèi)容簡介】 省去平衡。對于噴漆機器人的設(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(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構(gòu)。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(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，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燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計18 小臂的傳動機構(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(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載。這個四桿機構(gòu)在設(shè)計時應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該盡可能的小，綜合考慮選擇曲柄搖桿機構(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(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載。在安裝時，驅(qū)動大臂的電機和驅(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)的液壓缸的負擔。 腰部的傳動機構(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)動電機固定在腰部回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，從而使腰部回轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)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(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器人的驅(qū)動方案的選擇以及確定了技術(shù)指標。完成了機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)傳動機構(gòu)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(gòu)設(shè)計21第 3 章 噴漆機器人機構(gòu)設(shè)計 噴漆機器人數(shù)學模型的建立與分析設(shè)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(shè)計方案和預先假設(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)學模型之前，假設(shè)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(shè)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(zhuǎn)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+168 186。 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 。如果超過噴漆機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，燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計22假設(shè)大臂與腰部回轉(zhuǎn)盤的鏈接點 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(nèi)達到這八個頂點，那么細桿 2 的末端必然能夠達到空間內(nèi)的其他點。圖 　平面 abcd 工作極限位置模型假設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(zhuǎn)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(shè)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 與細第 3 章 噴漆機器人機構(gòu)設(shè)計23桿 2 相對于細桿 1 的俯仰角度均小于設(shè)計方案中規(guī)定的極限值。所以當工作面為 ife 時，手臂長度符合要求。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(zhuǎn)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(shè)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(shè)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燕山大學本科生畢業(yè)設(shè)計24一分為二。所以滿足一半覆蓋范圍時，必然能夠達到對整個機器人提出的覆蓋范圍的要求 。故噴漆機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 電機的選擇手腕部分的電機的安裝：帶動噴槍旋轉(zhuǎn)的減速電機 1 安裝在回轉(zhuǎn)套內(nèi)帶動噴槍夾做旋轉(zhuǎn)運動，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 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)運動。這兩處的電機的安裝如圖 所示。帶動整個腕部旋轉(zhuǎn)的減速電機 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 2 的安裝面垂直，減速電機3 帶動整個腕部做回轉(zhuǎn)運動。電機 1 帶動噴頭做旋轉(zhuǎn)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(zhì)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。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 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 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。電機輸出軸端進行適當?shù)募哟旨娱L。電機 2 帶動回轉(zhuǎn)套做回轉(zhuǎn)運動。設(shè)回轉(zhuǎn)套為 200200200 的立方體。設(shè)回轉(zhuǎn)套、電機、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 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。電機輸出軸端進行適當?shù)募哟旨娱L，并且在末端開鍵槽。電機 3 帶動整個腕部做回轉(zhuǎn)運動。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?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、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 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。電機輸出軸端進行適當?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)動電機的負擔。同時小臂桿還要承受整個手腕的重量以及在運動中產(chǎn)生的動載荷。噴漆機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)動裝置的負載，同時注意減少運動的動載荷與沖擊。設(shè)法減小機械間隙引起的運動誤差提高運動的精確性和運動剛度，可采用緩沖和定位裝置，從而提高定位精度。噴漆機器人的小臂俯仰機構(gòu)通過鉸鏈四桿機構(gòu)來完成，安裝在腰第 3 章 噴漆機器人機構(gòu)設(shè)計27部回轉(zhuǎn)盤上的直流伺服電機通過鉸鏈四桿機構(gòu)驅(qū)動小臂實現(xiàn)俯仰運動。采用鉸鏈四