【正文】 機(jī)器人。核工業(yè)用機(jī)器人：國(guó)外的研究方向主要集中在機(jī)構(gòu)靈巧、動(dòng)作準(zhǔn)確可靠、響應(yīng)速度快、重量輕、剛度和強(qiáng)度良好、裝有便于裝卸與維修的高性能伺服機(jī)械手以及能半自主和自主移動(dòng)到任意位置。如美國(guó)NASA的空間機(jī)器人等?？臻g機(jī)器人：空間機(jī)器人技術(shù)一直是機(jī)器人的重要研究領(lǐng)域。水下機(jī)器人：目前主要用于海洋石油開采、海底勘查、落水人員救撈、管道鋪以及電纜的鋪設(shè)和維護(hù)。近年來，人類的活動(dòng)領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，機(jī)器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。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。傳感系統(tǒng)：激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機(jī)器人系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)了焊縫自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)化生產(chǎn)線上物體的自動(dòng)定位以及精密裝配作業(yè)等，大大提高了機(jī)器人的作業(yè)性能和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。1哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文并聯(lián)機(jī)器人：主體采用并聯(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，這是機(jī)器人技術(shù)向數(shù)控技術(shù)的拓展，為將來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和數(shù)控技術(shù)一體化奠定了基礎(chǔ)。工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展非常迅速，下面對(duì)幾個(gè)重要的研究的方向做簡(jiǎn)單的介紹。到了二十世紀(jì)九十年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也有了質(zhì)的飛躍。第一階段為簡(jiǎn)單個(gè)體類機(jī)器人， 第二階段為群體勞動(dòng)類機(jī)器人，第三階段為類似人類的智能機(jī)器人。這兩家公司制造的工業(yè)機(jī)器人成為了世界上最早的而且至今仍在使用的工業(yè)機(jī)器人。他們因此被稱為機(jī)器人之父。這臺(tái)工業(yè)機(jī)器人成為世界上第一臺(tái)真正可以用于實(shí)際工作的工業(yè)機(jī)器人。小臂的末端裝有一個(gè)手腕，可繞小臂的軸線旋轉(zhuǎn)。英格伯格和德沃爾又于1959年聯(lián)手制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。德沃爾又于1954年獲得可編程機(jī)械手專利，這種機(jī)械手臂能夠按程序進(jìn)行工作，同時(shí)也可以根據(jù)不同的工作需要以及工作對(duì)象編制不同的控制程序，因此在實(shí)際工作中具有很好通用性和靈活性。英格伯格在大學(xué)時(shí)攻讀的伺服電機(jī)理論，伺服電機(jī)理論是一種研究機(jī)構(gòu)如何能更好地跟蹤控制信號(hào)的理論。第1章 緒論噴漆機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器人的研究發(fā)展現(xiàn)狀機(jī)器人有50至60年的發(fā)展歷史。1959年美國(guó)的發(fā)明家英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺(tái)機(jī)器人，機(jī)器人第一次出現(xiàn)在人們的視野中。德沃爾于1946年發(fā)明了一種可以“重演”記錄的運(yùn)動(dòng)的機(jī)器。英格伯格和德沃爾都是研究機(jī)器人的著名發(fā)明家，他們都認(rèn)為汽車工業(yè)是最適于用機(jī)器人的行業(yè)，因?yàn)槠囍圃煨袠I(yè)是用重型機(jī)器進(jìn)行工作的，而且生產(chǎn)過程比較固定。這種機(jī)器人外形類似于坦克炮塔，基座上安裝有一個(gè)大機(jī)械臂，大臂可繞軸在基座上轉(zhuǎn)動(dòng)，大臂的末端又可以伸出一個(gè)小機(jī)械臂，它相對(duì)大臂可以做伸縮運(yùn)動(dòng)。手腕的末端裝有機(jī)械手。此后英格伯格和德沃爾成立了尤尼梅遜公司，進(jìn)而創(chuàng)辦了世界上第一家機(jī)器人制造工廠。1962年美國(guó)機(jī)械與鑄造公司也制造出工業(yè)機(jī)器人，稱為“沃爾薩特蘭”，意思是“萬能搬動(dòng)”。近六十年來機(jī)器人的發(fā)展史，大致經(jīng)歷了三個(gè)重要的階段。機(jī)器人發(fā)展是向著有知覺、有思維、能與人對(duì)話的方向發(fā)展的。除了工業(yè)機(jī)器人的性能不斷提高之外，各種各樣的用于其他行業(yè)的機(jī)器人也有了巨大的進(jìn)展。機(jī)器人操作機(jī)：通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的運(yùn)用，機(jī)器人操作機(jī)已實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，已由過去控制標(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，并且實(shí)現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制。網(wǎng)絡(luò)通信功能：日本YASKAWA和德國(guó)KUKA公司的最新機(jī)器人控制器已實(shí)現(xiàn)了與Canbus、Profibus總線及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)接，使機(jī)器人由過去的獨(dú)立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步，也使機(jī)器人由過去的專用設(shè)備向標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備發(fā)展。先進(jìn)機(jī)器人的發(fā)展也異常迅速。下面就幾個(gè)研究熱點(diǎn)做一簡(jiǎn)單的介紹。主要有有纜水下機(jī)器人和無纜水下機(jī)器人兩大類。目前美、俄、加拿大等國(guó)已研制出各種空間機(jī)器人。美國(guó)NASA的空間機(jī)器人是一輛自主移動(dòng)車，外型尺寸630~ 48mm，有6個(gè)車輪，它在火星探測(cè)上的成功應(yīng)用，引起了全球范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。地下機(jī)器人：地下機(jī)器人主要有挖掘機(jī)器人和地下管道檢修機(jī)器人兩大類。各種挖掘機(jī)器人以及自動(dòng)化系統(tǒng)也正在研制當(dāng)中。建筑機(jī)器人：如用于高層建筑的抹灰機(jī)器人、預(yù)制件安裝機(jī)器人、室內(nèi)裝修機(jī)器人、地面拋光機(jī)器人、用于擦玻璃的機(jī)器人等，并已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際生活中。其特點(diǎn)是采用自主控制方式，能完成偵察、作戰(zhàn)和后勤支援等任務(wù)，在戰(zhàn)場(chǎng)上具有看、嗅和2第1章 緒論觸摸等能力，能夠自動(dòng)跟蹤地形和選擇道路，并且具有自動(dòng)搜索、識(shí)別和消滅敵方目標(biāo)的功能[1]。 機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì) 目前國(guó)際上各國(guó)都在加大機(jī)器人的研究力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。向著模塊化、可重構(gòu)的方向發(fā)展。機(jī)器人控制器向著標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，基于PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式的控制器已成為當(dāng)今世界研究的熱點(diǎn)。　多傳感系統(tǒng)：為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能性和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是這個(gè)問題解決的關(guān)鍵。另一個(gè)問題就是傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機(jī)器人半自主和自主技術(shù)，多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時(shí)延的情況下，建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。多智能體調(diào)控制技術(shù)：這是目前機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。微型和微小機(jī)器人技術(shù)：這是機(jī)器人研究的一個(gè)新的領(lǐng)域和重點(diǎn)發(fā)展方向。軟機(jī)器人技術(shù)：主要用于醫(yī)療、護(hù)理、休閑和娛樂場(chǎng)合。軟機(jī)器人技術(shù)要求其結(jié)構(gòu)、控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機(jī)器人意外地與環(huán)境或人碰撞時(shí)是安全的。 國(guó)內(nèi)外噴漆機(jī)器人的研究概況 國(guó)外噴漆機(jī)器人的研究概況在國(guó)外噴漆機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造是一項(xiàng)十分成熟的技術(shù)，已經(jīng)有三十年以上的發(fā)展歷史。最早運(yùn)用該技術(shù)的是美國(guó)的Minhit公司、德國(guó)的Hatel公司、英國(guó)的Fudge公司等，對(duì)機(jī)器人和印刷業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生過深遠(yuǎn)的影響。80年代初期Hatel公司在h16機(jī)器人上首次采用氣壓控制的流量控制系統(tǒng)，同時(shí)裝備了帶有抽吸裝置的內(nèi)置閥，可避免初始污染。隨著噴涂機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的不斷創(chuàng)新，噴漆機(jī)器人的噴涂精度得到了巨大的提高，使得噴漆機(jī)器人在世界發(fā)達(dá)國(guó)家得到了廣泛的應(yīng)用。最早的噴涂機(jī)器人的研究是由北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所機(jī)器人中心所進(jìn)行的，從七十年代初就開始了工業(yè)機(jī)器人的制造技術(shù)及其應(yīng)用方面的研究。同時(shí)許多國(guó)外的知名噴涂機(jī)器人制造廠家也紛紛與國(guó)內(nèi)的企業(yè)合作或者是在國(guó)內(nèi)設(shè)立分公司。到目前為止，噴涂機(jī)器人己成為國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上數(shù)量最多的工業(yè)機(jī)器人之一，但國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家自主研發(fā)和生產(chǎn)的噴涂機(jī)器人一般性能不夠穩(wěn)定、重復(fù)定位精度低、使用壽命短、噴涂質(zhì)量不好，至今還未成功地應(yīng)用于汽車車身涂裝生產(chǎn)線或者是其他需要包裝機(jī)械的生產(chǎn)線。絕大部分中小型企業(yè)還是采用人工噴涂，絕大多數(shù)噴涂產(chǎn)品的質(zhì)量不太理想，同時(shí)噴漆的浪費(fèi)比較大，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作時(shí)間短，而且涂料內(nèi)的揮發(fā)物質(zhì)對(duì)人體健康有很大的損害，因而開發(fā)研究和制造生產(chǎn)適合于國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)實(shí)際狀況的高精度的噴涂機(jī)器人是十分必要的。汽車制造業(yè)在自身發(fā)展的同時(shí)也促進(jìn)了機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，其中對(duì)工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的促進(jìn)作用尤為顯著。涂裝質(zhì)量的高低決定了汽車表面的耐腐蝕能力的強(qiáng)弱、使用壽命的長(zhǎng)短、汽車是否美觀，而且人們?cè)谫徺I汽車時(shí)，對(duì)于汽車產(chǎn)品最直接的評(píng)價(jià)就來源于汽車的外觀，因此噴涂質(zhì)量的高低直接影響了一個(gè)汽車產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)能力和生產(chǎn)廠家的經(jīng)濟(jì)效益。所以在汽車制造業(yè)中噴漆機(jī)器人應(yīng)該是首選的涂裝設(shè)備。目前我國(guó)的部分汽車生產(chǎn)廠家還在使用軌跡靈活度較低、柔性差的自動(dòng)噴涂機(jī)來進(jìn)行汽車車身的涂裝，少數(shù)企業(yè)雖然采用了外國(guó)設(shè)備制造商的噴漆機(jī)器人，但是仍然存在著價(jià)格昂貴、維護(hù)費(fèi)用高、兼容性低等問題，從而導(dǎo)致了競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)效益的下降。本文以用于汽車車身的噴漆機(jī)器人為研究對(duì)象，對(duì)噴漆機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。根據(jù)設(shè)計(jì)5哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文要求里的工作空間的要求，通過簡(jiǎn)單的計(jì)算方法，確定了兩個(gè)手臂的長(zhǎng)度。、材料力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、物理學(xué)的知識(shí)并且根據(jù)機(jī)器人技術(shù)參數(shù)計(jì)算出各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩和功率，再查找機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，選擇了符合要求的驅(qū)動(dòng)部件和傳感器。6第2章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)第2章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是直接驅(qū)動(dòng)整個(gè)機(jī)器人完成指定動(dòng)作的機(jī)構(gòu)，而且工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器人上的一個(gè)十分重要的機(jī)構(gòu)，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的性能和功能以及維修是否方便有很大的影響。當(dāng)今世界上工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)作自由度都比較多，以便能完成復(fù)雜的動(dòng)作，其中多為五自由度和六自由度。而且由于施工現(xiàn)場(chǎng)的空間是有限的，所以絕大多數(shù)時(shí)候要求工業(yè)機(jī)器人所占的空間要盡可能的小，以便在有限的空間盡可能的完成多個(gè)工序。另外，由于工業(yè)機(jī)器人能在工作空間內(nèi)任意多點(diǎn)定位，而且控制以及驅(qū)動(dòng)程序又是靈活多變的，所以在一些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜和多自由度的工業(yè)機(jī)器人中，通常采用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)主要是運(yùn)行穩(wěn)定可靠，但是速度比其他兩種驅(qū)動(dòng)慢而且外部管路較多，容易泄露。電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式具有以下特點(diǎn)：動(dòng)力源簡(jiǎn)單、負(fù)載小、調(diào)速范圍大、無需配管、維修及使用方便、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。因此，綜合考慮后決定電驅(qū)動(dòng)方式[613]。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。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。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。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。170186。關(guān)節(jié)2，既大臂的俯仰運(yùn)動(dòng)，俯仰范圍：+135186。角加速度：/2 rad/s。至80186。關(guān)節(jié)4，既腕部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)范圍：177。角加速度：rad/s。120186。關(guān)節(jié)6，既噴槍的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)范圍：177。角加速度：2rad/s。手腕的負(fù)載能力：5kg，手臂的負(fù)載能力：10kg。驅(qū)動(dòng)類型：直流伺服電機(jī)。安裝方式：水平地面。目前大臂和小臂的結(jié)構(gòu)比較流行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)。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。7第2章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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都要進(jìn)9哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文行平衡。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。8哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 腕關(guān)節(jié)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)　腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖1　腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖2。因?yàn)槭袌?chǎng)上的減速電機(jī)的輸出端的軸的軸徑都比較小而且十分短，故這三個(gè)減速電機(jī)需要訂做，對(duì)輸出端的軸進(jìn)行適當(dāng)?shù)募哟旨娱L(zhǎng)。如圖，減10第2章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)速電機(jī)1帶動(dòng)回轉(zhuǎn)套繞z軸回轉(zhuǎn)，減速電機(jī)2帶動(dòng)噴槍繞y旋轉(zhuǎn)，減速電機(jī)3帶動(dòng)整個(gè)腕部繞x軸旋轉(zhuǎn)。帶動(dòng)回轉(zhuǎn)套旋轉(zhuǎn)的減速電機(jī)1和安裝在回轉(zhuǎn)套內(nèi)部的減速電機(jī)2可以使噴槍分別繞x軸旋轉(zhuǎn)和繞y旋轉(zhuǎn)，這樣的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)可以使噴槍每一時(shí)刻都正對(duì)噴涂表面，提高噴涂質(zhì)量，9第2章 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使噴漆均勻。 小臂的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)　小臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖。至90186。大齒輪和小齒輪組成一個(gè)具有一定減速比的齒輪組，其中大齒輪所在的軸通過大臂底部的通孔與底桿連接在一起，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。小齒輪所在的軸通過聯(lián)軸器與減速電機(jī)連接。因此，電機(jī)帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，然后小齒輪帶動(dòng)與之嚙合的大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)底桿轉(zhuǎn)動(dòng)，通過鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)小臂的俯仰運(yùn)動(dòng)。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10哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文桿的重量，使之與腕部的質(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(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。大齒輪所在軸與大臂底部的通孔連接，具體形式和底桿的連接形式相同，采用脹緊套連接。電機(jī)布置在腰部回轉(zhuǎn)盤上，與驅(qū)動(dòng)小臂的電機(jī)對(duì)稱布置。12第2章 總