【正文】 人己實現了優(yōu)化設計。此外采用先進的 RV 減速器及交流伺服電機,使機器人操作機幾乎成為免維護系統(tǒng)。意大利 COMAU 公司和日本 FANUC 等公司已開發(fā)出了此類產品。人機界面更加友好,基于圖形操作的界面也己問世。4)傳感系統(tǒng):激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器已成功應用于機器人系統(tǒng)中,并實現了焊縫自動跟蹤和自動化生產線上物體的自動定位以及精密裝配作業(yè)等,大大改善了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應性。5)網絡通信功能:日本的 YASKA 場人和德國的 KUKA 公司的最新機器人控制器己實現了與現場總線 CanbuS、ProfibuS 及一些網絡的聯(lián)接,使機器人由過去的獨立應用轉向網絡化應用。過去機器人系統(tǒng)的可靠性一般為幾千小時,而現在已達到 5 萬小時,可以滿足任何場合的需求。2)機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組裝方式構造機器人整機。器件集成度提高,采用模塊化結構。4)機器人中傳感器的作用日益突出,除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外,裝配、焊接機器人還應用了視覺傳感器、力覺傳感器,而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的信息融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制。. 存在問題和未來解決問題 噴涂工件 CAD 造型的獲取 噴涂機器人離線編程的第一步是必須獲取噴涂工件的 CAD 數據，隨著計算機視覺技術的成熟，可以利用模式識別技術先識別出待噴涂的工件，再利用圖像處理技術提取工件表面的特征點，形成數據點云，最后通過圖像的三維重構獲取工件的 CAD 數據。路徑規(guī)劃的好壞，直接關系到噴涂作業(yè)的效率以及工件表面的涂層是否均勻，對噴涂工件的質量的影響巨大。靜態(tài)因素包括了制造、裝配時所帶來的機器人本體機械結構上的誤差；由外界溫度的改變和長期的磨損而引起的機械部件的尺寸變化，由此造成機器人位姿的誤差。為解決燕山大學本科生畢業(yè)設計6以上因素所造成的機器人位姿誤差，必須在使用前對機器人進行標定，建立機器人的參照模型，目前用于機器人標定的技術有基于三坐標測量儀的標定、基于激光跟蹤儀的機器人標定以及基于 CCD 的機器人標定。 噴涂機器人的控制 噴涂機器人的控制較為常用的仍是傳統(tǒng)的 PID 理論，在實際的應用中，噴涂機器人機械臂的長度往往很長，當整個機械臂伸展開時大約可達到 2m 的長度，且運行速度較高，各關節(jié)間的動力學效應非常顯著，不能忽略，從而造成機器人各關節(jié)的被控對象模型是時變的。此外，實際工業(yè)現場往往存在有各種不確定的干擾，也會對 PID 控制器造成影響。智能控制理論的提出與發(fā)展為問題的解決帶來了新的思路。將神經網絡、模糊理論、人工免疫、遺傳進化等智能控制算法與 PID 理論相結合，用于 PID 參數的整定，成為未來機器人控制發(fā)展的趨勢。汽車制造業(yè)在自身發(fā)展的同時也促進了機械制造業(yè)的發(fā)展，其中對工業(yè)機器人發(fā)展的促進作用尤為顯著。涂裝質量的高低決定了汽車表面的耐腐蝕能力的強弱、使用壽命的長短、汽車是否美觀，而且人們在購買汽車時，對于汽車產品最直接的評價就來源于汽第一章 緒論7車的外觀，因此噴涂質量的高低直接影響了一個汽車產品在市場中的競爭能力和生產廠家的經濟效益。所以在汽車制造業(yè)中噴漆機器人應該是首選的涂裝設備。目前我國的部分汽車生產廠家還在使用軌跡靈活度較低、柔性差的自動噴涂機來進行汽車車身的涂裝，少數企業(yè)雖然采用了外國設備制造商的噴漆機器人，但是仍然存在著價格昂貴、維護費用高、兼容性低等問題，從而導致了競爭力和經濟效益的下降。本文以用于汽車車身的噴漆機器人為研究對象，對噴漆機器人的結構設計進行了研究。根據設計要求里的工作空間的要求，通過簡單的計算方法，確定了兩個手臂的長度。、材料力學、動力學、物理學的知識并且根據機器人技術參數計算出各個關節(jié)的轉動力矩和功率，再查找機械設計手冊，選擇了符合要求的驅動部件和傳感器。燕山大學本科生畢業(yè)設計8第 2 章 總體結構設計 確定驅動系統(tǒng) 驅動系統(tǒng)工業(yè)機器人的驅動系統(tǒng)是直接驅動整個機器人完成指定動作的機構，而且工業(yè)機器人的驅動系統(tǒng)是機器人上的一個十分重要的機構，對工業(yè)機器人的性能和功能以及維修是否方便有很大的影響。當今世界上工業(yè)機器人的動作自由度都比較多，以便能完成復雜的動作，其中多為五自由度和六自由度。而且由于施工現場的空間是有限的，所以絕大多數時候要求工業(yè)機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工序。另外，由于工業(yè)機器人能在工作空間內任意多點定位，而且控制以及驅動程序又是靈活多變的，所以在一些結構比較復雜和多自由度的工業(yè)機器人中，通常采用伺服驅動系統(tǒng)。液壓驅動系統(tǒng)的特點主要是運行穩(wěn)定可靠，運動件的慣性小，快速相應的靈敏度高，傳動比較大，低速性能好，容易實現無極調速，操作和控制都比較容易。電機驅動方式具有以下特點：動力源簡單、負載小、調速范圍大、無需燕山大學本科生畢業(yè)設計10配管、維修及使用方便、使用壽命長等特點。 確定驅動件和自由度由于工作需求的不同以及工作對象的不同，因此工業(yè)機器人的驅動機型有多種結構形式，主要包括直角坐標系機器人、圓柱坐標機器人、極坐標機器人、多關節(jié)機器人直角坐標系機器人只能在 x、y、z 三個方向上作直線運動，因此控制方便，結構十分簡單，設計比較方便。圓柱坐標機器人的工作范圍是一個類似于圓柱面的表面，操作方便和控制方便是它最大的優(yōu)勢，但是它跟直角坐標系機器人一樣有著極大的工作局限性。多關節(jié)型機器人的運動空間比前三者大，可以完成十分復雜的動作，運動軌跡靈活多變，自由度多而且結構相對簡單。又因噴漆機器人的負荷小，運動速度低，而且根據設計要求，所以采用六自由度?？傮w結構設計11 噴漆機器人的運動參數 項目 技術參數結構形式 關節(jié)式自由度 6?1 ?2 ?3 ?4 ?5 ?6活動范圍100186。 70186。 210186。最大速度 2m/s手腕最大負荷 5kg驅動方式 電液伺服驅動重復定位精度 177。目前大臂和小臂的結構比較流行的是中間有多層圓筒形套裝梁結構，外型像啞鈴，多為焊鑄件組合結構。為了減輕小臂的重量和大臂的負載，小臂采用空心管結構，材料是鋁合金。手臂的平衡：為了減小驅動力矩和增加運動的平穩(wěn)性，大臂和小臂原則上說都要進行平衡。對于噴漆機器人的設計，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。該機器人的大臂小臂均采用彈簧平衡裝置，如下圖所示。 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的彈簧座上。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。 小臂的不平衡力矩不僅隨轉角 變化，也隨轉角 變化，其算法3?2?如下：小臂對轉軸軸線 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總體結構設計13式中： —小臂平衡彈簧剛性系數3K —小臂平衡彈簧變形量f —彈簧力對 O 的力臂3h3通過結構的尺寸關系可算得： 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。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。此時，大臂的偏重力矩 應為2G32232 sin])39。a —大臂長2L —大臂合重心矩 的長度2O 其算法與小臂相同。小臂做+135186。范圍內的俯仰運動，從而調節(jié)整個腕部的空間位置。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。這個四桿機構在設計時應該盡可能的減少底桿和后桿的重量，使之與腕總體結構設計19部的質量接近，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，具體尺寸會在下一章根據工作空間所設計的手臂的長度給出。大臂的俯仰運動和小臂的俯仰運動的配合將實現手腕部分在工作空間內的定位。這種傳動方案的優(yōu)點是結構簡潔有效、傳動精度較高、通過自身的調速減輕了整個腰部的負載。這種結構也減小了腰部回轉盤的轉動力矩，燕山大學本科生畢業(yè)設計20減輕了帶動腰部回轉的液壓缸的負擔。腰部旋轉和大臂的俯仰以及小臂的俯仰共同配合將實現腕部在空間任意位置定位。腰部主軸是空心軸，通過鍵與力矩電機相連。精度控制方面，會在電機后部安裝光柵編碼器來實現對電機回轉角度的控制 [15]。 本章小結本章主要介紹了噴漆機器人的驅動方案的選擇以及確定了技術指標。并給出了各關節(jié)的傳動方案，同時進行了必要的分析論證，在這之后設計了各個關節(jié)傳動機構和大體上的連接方案。第 3 章 噴漆機器人機構設計21第 3 章 噴漆機器人機構設計 噴漆機器人數學模型的建立與分析設計的噴漆機器人所需要達到的最大覆蓋范圍是 。 至90186。 至80186。170176。需要論證的數學模型是：假設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 。170176。 至90186。 至80186。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 。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。170176。綜上所述，我們現在的論證空間是 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。圖 　平面 abcd 工作極限位置模型假設細桿 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 。讀圖可知達到 d 點時，細桿 1 的俯仰角度最大為 51 186。達到 a 點時，細桿 2 相對于細桿 1 的俯仰角度最小為75 186。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計方案中規(guī)定的極限值。當圓盤回轉過一定角度時，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。根據設計方案知細桿 2 相對于細桿 1 的最小俯仰角度80 186。所以當工作面為 ife 時，手臂長度符合要求。讀圖可知達到 h 點時，細桿 1 的俯仰角度最大為 45 186。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計方案中規(guī)定的極限值。經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。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 。 腕部設計 電機的選擇手腕部分的電機的安裝：帶動噴槍旋轉的減速電機 1 安裝在回轉套內帶動噴槍夾做旋轉運動，從而使噴槍時刻正對被加工。這兩處的電機的安裝如圖 所示。電機 1 帶動噴頭做旋轉運動，故此電機應小巧靈便以減輕電機 2的負擔，因此電機 1 應該質量輕、體積小且能滿足功率滿要求?；剞D套的質量也要盡量的小，所以材料為鋁合金類材料。圓柱體的轉動慣量為：J = m(3 R2+L2)1 = 3(3 + ). = 取噴槍的轉動角速度為 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，輸出轉矩至少為 ，轉速為 1400r/min，減速箱的減速比為 23。電機 2 帶動回轉套做回轉運動。設回轉套、電機、減速器、短軸、鍵、噴槍及噴槍夾的質量共5kg。電機輸出軸端進行適當的加粗加長，并且在末端開鍵槽。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的加粗加長。設整個腕部、回轉套支架、聯(lián)軸器、短軸、電機、減速器等部件的質量估算為 12kg。電機輸出軸端進行適當的加粗加長 [1620]。同時小臂桿還要承受整個手腕的重量以及在運動中產生的動載荷。因此設計手臂時，該充分考慮根據機器人所要完成任務而提出設計要求，從而確定手臂桿的大體結構和長度。盡量減少對其關節(jié)的轉動慣量以及偏重力矩，以減少驅動裝置的負載，同時注意減少運動的動載荷與沖擊。噴漆機器人的小臂俯仰機構通過鉸鏈四桿機構來完成，安裝在腰第 3 章 噴漆機器人機構設計27部回轉盤上的直流伺服電機通過鉸鏈四桿機構驅動小臂實現俯仰運動?！°q鏈四桿機構的設計此處的鉸鏈四桿機構共有三種設計方案，分別是雙曲柄機構、雙搖桿機構、曲柄搖桿機構。對于雙搖桿機構來說機架為最短邊的對邊，既大臂與最短桿相對。綜合以上分析，在這里采用曲柄搖桿機構具體如圖 所示。ab邊為機架，ad 邊為搖桿， bc 邊為曲柄。燕山大學本科生畢業(yè)設計28圖 　實現小臂俯仰的鉸鏈四桿機構的結構示意圖　液壓缸的選擇與設計首先計算動態(tài)轉矩，計算動態(tài)轉矩需計算轉動慣量。小臂總體質量的計算 [2125]小臂的大體結構為分段空心圓柱，材料為鋁合金體積 V=lA = /4＋ 178。/4??? = m3質量 m= V?= =腕部結構對 i 軸的轉動