【正文】 用鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)的目的是把直流伺服電機(jī)放到腰部回轉(zhuǎn)盤上面，避免直接放到小臂與大臂的連接處，減輕小臂的重量，降低大臂驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)載，減少運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的動(dòng)載荷與沖擊，提高整個(gè)噴漆機(jī)器人的響應(yīng)速度。設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差提高運(yùn)動(dòng)的精確性和運(yùn)動(dòng)剛度，可采用緩沖和定位裝置，從而提高定位精度。根據(jù)盡量減小手臂質(zhì)量同時(shí)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。 噴漆機(jī)器人的最大覆蓋范圍與各個(gè)手臂的長(zhǎng)度、手臂間的關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍密切相關(guān)。 小臂的設(shè)計(jì) 小臂設(shè)計(jì)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(dòng)電機(jī)的負(fù)擔(dān)。 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)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： J= 112 5( ? )= 第 3 章 噴漆機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 25 取回轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為 ω =? rad/s，轉(zhuǎn)速為 n=30r/min 取啟動(dòng)時(shí)間為 由此轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度 ? =10? rad /s2 計(jì)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。 設(shè)回轉(zhuǎn)套為 232100350 的立方體。 電 機(jī) 3 帶 動(dòng)整個(gè)腕部 做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 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)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： J= 112 5( ? )= 取回轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為 ω =2? rad/s, n=60 r/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? = 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。設(shè)回轉(zhuǎn)套為 200200200 的立方體。電機(jī)輸出軸端進(jìn)行適當(dāng)?shù)募哟旨娱L(zhǎng)。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。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)。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)。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)。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。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 。所以當(dāng)工作面為 igh 時(shí)，手臂長(zhǎng)度符合要求。根據(jù)設(shè)計(jì)方案知 細(xì)桿 1 的最大俯仰角度為 +135 186。 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。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。所以當(dāng)工作面為 abcd 時(shí)，手臂長(zhǎng)度符合要求。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。 根據(jù)設(shè)計(jì)方案知細(xì)桿 1 的最大俯仰角為 +135 186。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)。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)。所以只需要驗(yàn)證一般空間即可，另一半與之對(duì)稱。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。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。俯仰運(yùn)動(dòng)。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。的圓盤上，其俯仰范圍是 +135186。細(xì)桿 1 固定在回轉(zhuǎn)范圍是177。 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 。腰部直徑 ，回轉(zhuǎn)范圍是177。小臂長(zhǎng) ，俯仰范圍是 +168186。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。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。完成了機(jī)器人的總體傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 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。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)。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。 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 。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。 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) 。 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 。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。 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。至 90186。 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。[( MLGaGGM G ????? ? 39。 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(méi)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。 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。 不變。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)。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。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。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。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。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。 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。 420186。 210186。 75186。因此本文設(shè)計(jì)的噴漆機(jī)器人是一種六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人。綜上所述，噴漆機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)型選用多關(guān)節(jié)型。極坐標(biāo)機(jī)器人是一種可以做腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，手臂部分的一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人。但是其只能作直線運(yùn)動(dòng)，所以局限性比較大，只能在特定的工作場(chǎng)合下工作。此外，由于近年來(lái) 液壓控制系統(tǒng)的逐漸完善，此次設(shè)計(jì)選擇液壓驅(qū)動(dòng)。 氣壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)主要是響應(yīng)速比較度快，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床等設(shè)備中，但是存在管路漏氣的現(xiàn)象，維修比較麻煩。 目前，工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)三種。綜合以上特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)要求工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是必須做到外型小、重量輕、工作穩(wěn)定可靠。這些工業(yè)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)速度和直線移動(dòng)速度都比較快，而且定位精度十分高，它們的驅(qū)動(dòng)元件大多安裝在活動(dòng)支架上。如果沒(méi)有一個(gè) 有效的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，無(wú)論機(jī)器人具有多么精確的控制系統(tǒng)和多么敏感的傳感的系統(tǒng)，也是無(wú)濟(jì)于事的。 。 ，并用 CAD 繪制出了主要零部件的零件圖和一張總裝圖以及腰部回 轉(zhuǎn)部分的部裝圖與腕部回轉(zhuǎn)部分的部裝圖。全文主要內(nèi)容如下： ，確定了各個(gè)關(guān)節(jié)的傳動(dòng)方案。因此實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的噴漆機(jī)器人的國(guó)產(chǎn)化，對(duì)于我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展和汽車制造業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。然而我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人的起步較晚、技術(shù)比較落后，間接導(dǎo)致了我國(guó)自行生產(chǎn)的噴漆機(jī)器人在控制精度、軌跡運(yùn)行精度、噴涂質(zhì)量、工作穩(wěn)定性、使用壽命、性價(jià)比等方面上與發(fā)達(dá)國(guó)的噴漆機(jī)器人存在著較大的差距。 噴漆機(jī)器人具有軌跡靈活、柔性大、操作簡(jiǎn)單、維修方便、利用率高等特點(diǎn)。在汽車制造生產(chǎn)過(guò)程中，汽車車身的涂裝是最主要的生產(chǎn)工藝之一。 本文研究主要內(nèi)容以及背景和意義 隨著改革開(kāi)放和我國(guó)加入世貿(mào)組織，近幾年來(lái)我國(guó)的汽車制造業(yè)高速發(fā)展起來(lái)。智能控制是人工智能、生物學(xué)與自動(dòng)控制原理結(jié)合的產(chǎn)物，是一種模仿生物某些運(yùn)行機(jī)制的、非傳統(tǒng)的控制方法。以上兩個(gè)因素決定了 PID 控制器必須具備一定的自適應(yīng)性，其比例、積分、微分參數(shù)應(yīng)能夠隨著外界環(huán)境的改變而自動(dòng)的變化。而傳統(tǒng) PID理論的比例（ P）、 積分（ I）、微分（ D）參數(shù)的整定是建立在關(guān)節(jié)傳遞函數(shù)模型為定值基礎(chǔ)之上的，這對(duì)傳統(tǒng)的基于系統(tǒng)動(dòng)力模型的控制理論帶來(lái)了挑戰(zhàn)。根據(jù)機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行時(shí)的位姿與參照模型間的誤差，建立機(jī)器人補(bǔ)償機(jī)制，以進(jìn)一步提高機(jī)器人噴涂作業(yè)的精度。動(dòng)態(tài)因素主要是由外力所引起的機(jī)械部件本身的彈性變形所帶來(lái)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)誤差。 噴涂機(jī)器人的位姿精度與標(biāo)定 影響噴涂機(jī)器人位姿的精度有多方面的原因，從大體上講可分為靜態(tài)與動(dòng)態(tài)因素。 噴涂路徑規(guī)劃 路徑規(guī)劃是噴涂機(jī)器人離線編程的另一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。 5)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用己從仿真發(fā)展到用 于過(guò)程控制 ,如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中操縱機(jī)器人的感覺(jué)。機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性大大提高。 3)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于 PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展 ,有利于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化 。如關(guān)節(jié)模塊中的 伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化 。 國(guó)外研究現(xiàn)狀 在國(guó)外 ,近年來(lái)機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展有如下幾個(gè)趨勢(shì) : l)機(jī)器人性能不斷提高 (高速度、高精度、高可靠性 ),而其價(jià)格不斷下降。 6)可靠性 :由于微電子技術(shù)的快速發(fā)展和大規(guī)模集成電路的應(yīng)用 ,使機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。日本的 KAWASAKI、丫 ASKA 場(chǎng)叭、 FANUC 和瑞典的 ABB、德國(guó)的 KUKA、REIS 等公司都有此類產(chǎn)品。編程方式仍以示教編程為主 ,但離線編程己在某些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)實(shí)用化。 3)控制系統(tǒng) :控制系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高 ,己由過(guò)去控制標(biāo)準(zhǔn)的 6軸機(jī)器人發(fā)展到現(xiàn)在能 夠控制 21 軸 ,甚至 27 軸 ,實(shí)現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。 2)并聯(lián)機(jī)器人 :采用并聯(lián)機(jī)構(gòu) ,利用機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量及加工。以德國(guó) KUKA 公司為代表的機(jī)器人公司 ,己將機(jī)器人并聯(lián)平行四邊形結(jié)構(gòu)改為開(kāi)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu) ,拓展了機(jī)器人的工作范圍 ,加之輕質(zhì)鋁合金材料的應(yīng)用 ,大大提高了機(jī)器人的性能。 近 年來(lái)國(guó)內(nèi)亦擁有相當(dāng)數(shù)量的噴漆機(jī)器人如南航研制的 PR1 型噴漆機(jī)器人。目前在我國(guó)，還沒(méi)有完全意義上的獨(dú)立生產(chǎn)噴涂機(jī)器人的廠家，機(jī)器人市場(chǎng)大多為歐美、日本、韓國(guó)等國(guó)的生產(chǎn)廠家所壟斷。我國(guó)的華南理工大學(xué)、華中科技大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)先后對(duì)噴涂機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行深入的研究，取得了不少進(jìn)展。噴漆機(jī)器人廣泛用于 汽車 、 儀表 、 電器 等工藝生產(chǎn)部門。較先進(jìn)的噴漆機(jī)器人腕部采用柔性手腕，既可向各個(gè)方向彎曲，又可轉(zhuǎn)動(dòng)，其動(dòng)作類似人的手腕，能方便地通過(guò)較小的孔伸入工件內(nèi)部，噴涂其內(nèi)表面。噴漆機(jī)器人主要由機(jī)器人本體、計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成，液壓驅(qū)動(dòng)的噴漆機(jī)器人還包括液壓油源，如油泵、油箱和電機(jī)等。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。甚至引起爆炸 ,所以 ,防爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)電動(dòng)噴涂機(jī)