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油箱内喷漆机器人直线伸缩关节设计【4张CAD图纸和说明书】

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资源描述：

摘要

在喷漆行业，人工喷漆严重影响了人的身心健康，制约了生产效率的提高，为避免人在有毒、易燃、易爆的恶劣环境下工作，减少喷漆废品，提高喷漆质量，提高劳动生产率，迫切需要实现喷漆自动化，而喷漆机器人不怕酷热寒暑，不怕辐射和污染，不怕危险，效率高，缩短了生产周期，降低了生产成本，并且保证了喷漆操作在时间和空间上的延续性与连续性，文章首先进行了喷漆机器人传动装置的分析，接着讨论了该机器人的直线伸缩关节，通过工作空间分析进行结构设计，并进行了抗拉、抗剪和刚度校核，给出了惯量匹配、转矩匹配等控制参数的调节计算方法。

关键词：喷漆机器人，直线伸缩关节，结构设计，参数调节

The Design of Linear Expansion Joints of Fuel Tank Painting Robot

Abstract

In the painting industry, artificial painting has a serious impact on people's physical and mental health, and prevents the enhancement of production efficiency, it is urgent to achieve automation in painting. The sprayed painting robot is not afraid of hot summers, radiation, pollution, and danger. It works highly in efficiency, and shortens the cycle and reduces the cost of production, and ensures that the painting operation continuity in time and space. This paper firstly analysizes the painting robot gear, discuss the robot straight telescopic joints, designs the Structural through their working space analysis, then check the tensile, shear stiffness and verification, gives the adjustment calculation of the inertia matching and torque control matching.

Keywords: Painting Robot; Linear telescopic joints; Sructural design; Parameter adjustment

1 绪论

车用油箱系列产品其外形呈椭圆柱状, 上方开有一圆形入口, 整个油箱在纵向被两块隔油板分成三个储油区，该系列油箱用于汽车燃油的储运, 在其制造过程中, 其内腔壁需经三层漆料的喷涂, 要求喷涂均匀, 涂层厚薄一致, 无遗漏点; 并要求不掉漆, 不起泡, 以保证油箱的防腐蚀, 增加油箱的使用寿命和确保储运的动力燃油的清洁，但受油箱结构的限制, 人工喷漆的操作环境极为恶劣，为此, 笔者研究设计了一种能替代人工喷漆作业的380L油箱内喷漆机器人的直线伸缩关节，由于工业机器人能够根据作业对象完成多种复杂动作, 因此, 使用机器人完成喷漆作业是一种有效的方法, 喷漆质量和生产率也较易保证。

工业机器人通常有执行机构、驱动-传动机构、控制系统和智能系统四部分组成。执行机构是机器人赖以完成各种作业的主体部分，通常为空间连杆机构；机器人的驱动-传动装置由驱动器和传动机构组成，它们通常与执行机构连为一体，此机器人的驱动器采用伺服电机；控制系统一般有控制计算机和伺服控制器组成，前者发出指令协调各有关驱动器之间的运动，后者控制各关节驱动器，使各杆能按预定的运动规律运动；智能系统有感知系统和分析决策系统组成，分别由传感器及软件来实现。

机器人的机械设计与一般的机械设计相比, 既具有类似性, 又有其独特性。从机构学的角度来看, 机器人的机械结构可看作是一系列连杆通过旋转关节、移动关节组成，具有灵巧性和空间可达性等, 但由于开链式结构实际上是一系列悬臂杆件串联而成的, 机械误差和弹性变形的累计, 会影响到机器人的刚度和精度。因此, 机器人的机械设计既要满足强度要求，又要满足刚度要求和精度要求。另一方面，机器人的机械结构, 特别是关节传动系统, 是整个机器人伺服系统中的重要组成部分, 无论是结构的紧凑性、灵巧性, 还是在运动时的稳定性、快速性等伺服性能, 都比一般机构有更高的要求。380L型油箱内喷漆机器人属于多关节型, 由直线伸缩关节和旋转摆动关节将肩、臂和腕部连接在一起。由于手部的喷漆运动是靠各关节的运动组合而成的, 因此, 各关节的结构和控制便成为多关节型机器人实现的关键，设计中从被喷油箱系列产品的通用性出发, 采用了模块化和快换式结构, 从而能够方便地实现各手臂的加长和互换, 制造和调试维修也比较方便。

2 总体机构

喷漆机器人的总体结构有机座、肩部、臂部、腕部等组成,机座位于油箱外的后侧, 由固定底座、立柱、横梁等组成, 对机械臂起支承和定位作用；臂部包括与其伸缩、屈伸或旋转等运动有关的构件,并装有传动机构、驱动装置、导向定位装置、支承连接和位置检测元件等, 臂部又可分为肩部、大臂、小臂、腕关节及喷枪、它们所产生的直线运动和摆动运动的组合完成机械臂的运动的姿态调整；肩部由直线升降关节、摆动关节等组成, 其作用是使机械手进入箱内并摆动伸入隔油板的偏心孔内；大臂由摆动关节、回转关节和伸缩关节组成, 其作用是带动小臂及腕部纵向移动并进行360°回转, 实现各表面的喷漆运动；小臂由肘关节(摆动关节) 和小臂伸缩关节组成, 它们的运动使腕部带动喷枪实现各种运动位姿; 腕关节为一个回转关节, 它旋转一定角度以满足喷枪始终与被喷涂表面垂直。

图1 机器人的总体结构示意图

3 工业机器人的技术指标

（1）自由度：用来确定相对机座的位置和姿态的独立参变数的数目，它等于操作机独立驱动的关节数目，它是反映操作机的通用性和适应性的一项重要指标，此机器人手臂要完成伸缩和旋转运动，有两个自由度。

（2）工作空间：即操作机的工作范围，通常以手腕中心点在操作机运动时所占有的体积来表示，我们把操作机能对操作对象完成操作的那部分空间成为工作区域此机器人要完成全面喷涂，工作空间为380L。

（3）灵活度：指操作机末端执行器在工作时，所能采取的姿态的多少，此灵活度虽非很大，但它避免了人在恶劣的环境下，保证了人的身心健康，提高了喷漆质量。

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内容简介：: 毕业论文（设计）任务书题目名称油箱内喷漆机器人直线伸缩关节设计学生姓名所学专业班级指导教师李保国王保国所学专业机电一体化机械设计制造职称教授工程师完成期限 2007年1月20日至 2007年5月20日一、论文（设计）主要内容及主要技术指标1主要内容要求设计出油箱内喷漆机器人的直线伸缩关节。2技术指标（1）能够完成直线伸缩。（2）传动平稳。（3）能够保证强度和刚度要求。二、毕业论文（设计）的基本要求1毕业设计（论文）一份：有400字左右的中英文摘要，正文后有15篇左右的参考文献，正文中要引用5篇以上文献，并注明文献出处。论文字数在6000字以上；2有不少于2000汉字的与本课题有关的外文翻译资料；3毕业设计总字数在10000字以上；4装配图一张（要求: 有CAD图或手绘图）。三、毕业论文（设计）进度安排12007年1月8日-1月20日，下达毕业设计任务书；寒假期间完成外文资料翻译和开题报告。 22007年3月5- 11日（第1周），指导教师审核开题报告和设计方案。 32007年3月12日-4月15日（第2-6周），毕业设计单元部分设计。 42007年4月16-22日（第7周），毕业设计中期检查。 52007年4月22-5月13日（第7-10周），整理、撰写毕业设计（论文）。 62007年5月14-20日（第11周）上交毕业论文，指导、评阅教师审查评阅论文，毕业设计答辩资格审查，学生修改整理论文,毕业设计（论文）答辩。课题审核表院（系）名称机电学院专业名称机电技术教育指导教师姓名及职称课题名称油箱内喷漆机器人直线伸缩关节设计课题来源新乡三利立题理由和所具备的条件在喷漆行业，人工喷漆不仅环境恶劣，严重地影响了人的身心健康，而且制约了生产效率的提高，而喷漆机器人具有不怕酷热寒暑，不怕辐射和污染，不怕危险的优点，从而缩短了生产周期，降低了生产成本，减少了喷漆废品，提高了喷漆质量，并且保证了喷漆操作在时间和空间上的延续性和连续性，因而，喷漆机器人不可避免地成为一个发展方向，在科技发展的今天和工程师们的努力下，不久的将来，三利集团将实现喷漆自动化。教研室审批意见教研室主任签字：年月日毕业论文（设计）工作领导小组审批意见组长签字：年月日注：本表经教务处复审后存院（系）备查。2007届本科毕业设计论文题目：油箱内喷漆机器人直线伸缩关节设计学生姓名：所在院系：所学专业：导师姓名：完成时间：2007年5 月20 日 2007届本科毕业设计论文题目：油箱内喷漆机器人直线伸缩关节设计学生姓名：所在院系：所学专业：导师姓名：完成时间：2007年5 月20 日摘要在喷漆行业，人工喷漆严重影响了人的身心健康，制约了生产效率的提高，为避免人在有毒、易燃、易爆的恶劣环境下工作，减少喷漆废品，提高喷漆质量，提高劳动生产率，迫切需要实现喷漆自动化，而喷漆机器人不怕酷热寒暑，不怕辐射和污染，不怕危险，效率高，缩短了生产周期，降低了生产成本，并且保证了喷漆操作在时间和空间上的延续性与连续性，文章首先进行了喷漆机器人传动装置的分析，接着讨论了该机器人的直线伸缩关节，通过工作空间分析进行结构设计，并进行了抗拉、抗剪和刚度校核，给出了惯量匹配、转矩匹配等控制参数的调节计算方法。关键词：喷漆机器人，直线伸缩关节，结构设计，参数调节The Design of Linear Expansion Joints of Fuel Tank Painting RobotAbstract In the painting industry, artificial painting has a serious impact on peoples physical and mental health, and prevents the enhancement of production efficiency, it is urgent to achieve automation in painting. The sprayed painting robot is not afraid of hot summers, radiation, pollution, and danger. It works highly in efficiency, and shortens the cycle and reduces the cost of production, and ensures that the painting operation continuity in time and space. This paper firstly analysizes the painting robot gear, discuss the robot straight telescopic joints, designs the Structural through their working space analysis, then check the tensile, shear stiffness and verification, gives the adjustment calculation of the inertia matching and torque control matching. Keywords: Painting Robot; Linear telescopic joints; Sructural design; Parameter adjustment 本科毕业论文（设计）中期进展情况检查表学生姓名班级指导教师论文（设计）题目油罐内喷漆机器人直线伸缩关节设计目前已完成任务 1完成两千余字的外文翻译。2查阅大量相关文献。3基本完成论文草稿。4根据草稿完善开题报告。5完成了传动装置的设计。是否符合任务书要求进度：符合尚需完成的任务 1继续对论文材料进行组织和整理。 2按照论文提纲，有步骤有计划的开展论文工作，存在问题要及时与老师及工程师沟通。3 对已完成的论文内容进行检查审核，力求把问题降到最少。 4到规定的时间完成论文初稿。 5根据指导老师的指导意见和全部材料完成论文。6画装配图。能否按期完成论文（设计）：能存在问题和解决办法存在问题在机构设计中碰到了许多公式和图片的处理拟采取的办法学习公式的处理的基本方法和图片处理工具Fireworks的基本操作方法指导师签字日期年月日教学院长（主任）意见负责人签字：年月日 1 绪论绪论车用油箱系列产品其外形呈椭圆柱状, 上方开有一圆形入口, 整个油箱在纵向被两块隔油板分成三个储油区，该系列油箱用于汽车燃油的储运, 在其制造过程中, 其内腔壁需经三层漆料的喷涂, 要求喷涂均匀, 涂层厚薄一致, 无遗漏点; 并要求不掉漆, 不起泡, 以保证油箱的防腐蚀, 增加油箱的使用寿命和确保储运的动力燃油的清洁，但受油箱结构的限制, 人工喷漆的操作环境极为恶劣，为此, 笔者研究设计了一种能替代人工喷漆作业的 380L 油箱内喷漆机器人的直线伸缩关节，由于工业机器人能够根据作业对象完成多种复杂动作, 因此, 使用机器人完成喷漆作业是一种有效的方法, 喷漆质量和生产率也较易保证。工业机器人通常有执行机构、驱动-传动机构、控制系统和智能系统四部分组成。执行机构是机器人赖以完成各种作业的主体部分，通常为空间连杆机构；机器人的驱动-传动装置由驱动器和传动机构组成，它们通常与执行机构连为一体，此机器人的驱动器采用伺服电机；控制系统一般有控制计算机和伺服控制器组成，前者发出指令协调各有关驱动器之间的运动，后者控制各关节驱动器，使各杆能按预定的运动规律运动；智能系统有感知系统和分析决策系统组成，分别由传感器及软件来实现。机器人的机械设计与一般的机械设计相比, 既具有类似性, 又有其独特性。从机构学的角度来看, 机器人的机械结构可看作是一系列连杆通过旋转关节、移动关节组成，具有灵巧性和空间可达性等, 但由于开链式结构实际上是一系列悬臂杆件串联而成的, 机械误差和弹性变形的累计, 会影响到机器人的刚度和精度。因此, 机器人的机械设计既要满足强度要求，又要满足刚度要求和精度要求。另一方面，机器人的机械结构, 特别是关节传动系统, 是整个机器人伺服系统中的重要组成部分, 无论是结构的紧凑性、灵巧性, 还是在运动时的稳定性、快速性等伺服性能, 都比一般机构有更高的要求。380L 型油箱内喷漆机器人属于多关节型, 由直线伸缩关节和旋转摆动关节将肩、臂和腕部连接在一起。由于手部的喷漆运动是靠各关节的运动组合而成的, 因此, 各关节的结构和控制便成为多关节型机器人实现的关键，设计中从被喷油箱系列产品的通用性出发, 采用了模块化和快换式结构, 从而能够方便地实现各手臂的加长和互换, 制造和调试维修也比较方便。。 2 总总体机构体机构喷漆机器人的总体结构有机座、肩部、臂部、腕部等组成,机座位于油箱外的后侧, 由固定底座、立柱、横梁等组成, 对机械臂起支承和定位作用；臂部包括与 2 其伸缩、屈伸或旋转等运动有关的构件,并装有传动机构、驱动装置、导向定位装置、支承连接和位置检测元件等, 臂部又可分为肩部、大臂、小臂、腕关节及喷枪、它们所产生的直线运动和摆动运动的组合完成机械臂的运动的姿态调整；肩部由直线升降关节、摆动关节等组成, 其作用是使机械手进入箱内并摆动伸入隔油板的偏心孔内；大臂由摆动关节、回转关节和伸缩关节组成, 其作用是带动小臂及腕部纵向移动并进行 360回转, 实现各表面的喷漆运动；小臂由肘关节(摆动关节) 和小臂伸缩关节组成, 它们的运动使腕部带动喷枪实现各种运动位姿; 腕关节为一个回转关节, 它旋转一定角度以满足喷枪始终与被喷涂表面垂直。图 1 机器人的总体结构示意图 3 工工业业机器人的技机器人的技术术指指标标（1）自由度：用来确定相对机座的位置和姿态的独立参变数的数目，它等于操作机独立驱动的关节数目，它是反映操作机的通用性和适应性的一项重要指标，此机器人手臂要完成伸缩和旋转运动，有两个自由度。（2）工作空间：即操作机的工作范围，通常以手腕中心点在操作机运动时所占有的体积来表示，我们把操作机能对操作对象完成操作的那部分空间成为工作区域此机器人要完成全面喷涂，工作空间为 380L。（3）灵活度：指操作机末端执行器在工作时，所能采取的姿态的多少，此灵活度虽非很大，但它避免了人在恶劣的环境下，保证了人的身心健康，提高了喷漆质量。 4 结结构构设计设计根据机器人既要完成正表面喷涂时的直线前进后退任务，又要完成过渡曲面的喷涂，所以手臂的结构选为直线伸缩关节和旋转摆动关节，直线伸缩关节用来完成正表面的喷涂，旋转摆动关节用来实现过渡曲面的喷涂。 3 4.1 传动传动方案的方案的设计设计有三种方案可供选择：a 方案采用二级圆柱齿轮减速器，适合于繁重及恶劣条件下长期工作，使用维护方便，但结构尺寸较大；b 方案，采用蜗杆减速器，结构紧凑，但传动效率较低；c 方案，采用一级圆柱齿轮减速器和开式齿轮传动，工艺简单，成本低，效率高，根据机器手的工作条件，初步选定 c 方案，在设计过程可能还要不断修改和完善。一级圆柱齿轮减速器的简图如下：图 2 一级圆柱齿轮减速器 4.1.1 电动电动机的机的类类型和型和结结构形式构形式喷漆机器手需要经常启动和反转，要求电机有较小的转动惯量和较大的过载能力，选用三相异步电机 YZR 型,结构形式选用防爆型1 。 4.1.2 选择电选择电机容量机容量在变化较小的载荷下长期工作的机器，只要负载不超过额定植，电机便不会过热，所需电机功率： (1) w d p kwp 式中：工作机实际需要的电动机输出功率; d p -工作机所需的输入功率； w p -电动机至工作机之间传动装置的总效率； -般取 0.7 至 0.8，此处取 0.75。 (2) 92.6 123.5 0.75 w d p pw 4 4.1.3 确定确定电电机机转转速速按照工作机转速要求和传动结构的合理传动比范围，可推算出电机转速的可选范围： (3) 12 , , nw ni iin 总传动比选为 3.2i 根据选定电机的类型，结构，容量和转速，选电机 YZR132M2-6.它的额定功率为，满载转速为。4.0kw900 min r 4.1.4 分配各分配各级传动级传动比比总传动比 (4)3.2 m w n i n 各轴分配， 0 2.04i 1 1.57i 传动装置的实际传动比要由选定的齿数准确计算，因此可能有误差，此误差不应该超过35。 4.1.5 计计算算传动传动装置的运装置的运动动和和动动力参数力参数设计计算传动件时，需要知道各轴的转速、转矩或功率，需将工作机的转速、转矩或功率推算到各轴上：各轴的转速：从电动机到工作机有二轴，依次记为 1，2 轴，则 (5) 1 0 900 441.2 min 2.04 m n r n i (6) 1 2 1 441.2 281.0 min 1.57 n r n i 式中：-电机的满载转速。 m n ，-分别为 1，2 轴的转速。 1 n 2 n 各轴的功率 (7) 101 0.1260.96121 d ppw (8) 21 12 121 0.95115ppw 各轴的转矩 5 (9) 0.126 955095501.34 . 0.96 d d m p TN m n (10) 1001 134 2.04 0.96262 . d TT iN m (11) 1 21 12 2.62 1.57 0.95390 .TTiN m 式中:-电动机轴的输出转矩； d T 4.2 传动传动零件的零件的设计计设计计算算联轴器不仅具有连接两轴并传递转矩的功能，还具有补偿两轴因制造和安装误差造成的轴线偏移的功能，以及缓冲吸振安全保护的功能。电动机轴和减速器高速轴联结用的联轴器，由于轴的转速较高，为减小启动载荷，缓冲吸振，应选较小转动惯量和具有弹性的联轴器，一般选弹性柱销联轴器。选用联轴器，2HL 其公称转矩为 315N.m，许用转速为 2。 500 min r 在减速器外，采用开式直齿齿轮传动，精度等级选为 7 级，小齿轮材料选为 40Cr，硬度为 280HBS，大齿轮材料为 45 钢，硬度为 240HBS，两者的硬度材料差为 40HBS。选小齿轮齿数，大齿轮齿数，取=49 24 1 z 21 48.96zuz 2 z 4.2.1 按按齿齿面接触疲面接触疲劳强劳强度度计计算数算数值值由设计计算式进行试算，即 (12) 2 1 1 2.32 ttE t dH K T uz d u (1) 确定各计算数值 1）确定载荷系数1.3 t k 2）计算小齿轮传递的转矩 (13) 1 1.3Tkw 3)查表选取齿宽系数1 d 4)查表查得材料的弹性影响系数 12 1898 E ZMPa 5)按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的 1 60 Him MPa 接触疲劳强度极限； 2 550 Him MPa 6)计算应力循环次数 (14) 9 11 6060 960 128 300 154.147 10 h Nn jL 6 (15) 9 9 2 4.147 10 1.296 10 3.2 N 7)查得接触疲劳寿命系数, 1 0.90 HN K 2 0.95 HN K 8)计算接触疲劳许用应力取失效概率为 1%.安全系数为 S=1。 (16) 1 0.9 600540 H MPaMPa (17)20.95 550522.5 H MPaMPa (2)计算小齿轮分度圆直径 d1，代入中较小的值 H 1 2 2 1 1 33 1262 1.32.04 1189.8 2.322.3218.533 12.04522.5 t E dH K T uZ dmm u 1)计算圆周速度 v (18) 11 18.533 441.2 0.428 60 100060 1000 t d n mm v ss 2)计算齿宽 b (19) 1 18.533 dt bdmm 3)计算齿宽与齿高之比 b h 模数 (20) 1 1 18.533 0.77 44 t t d mmmmm z 齿高 (21)2.251.74 t hm (22) 18.533 10.56 1.74 b h 4)计算载荷系数根据，7 级精度，查得动载荷系数；0.428mv s 1.12 v K 查得 ,1 A K 1.2 HF KK (23) 1 1.12 1.2 1.4231.913 AVHH KK K KK 5)按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径得 (24) 3 3 1 1.193 18.5321.06 1.3 t K ddmmmm K 6)计算模数 7 (25) 1 1 21.06 0.88 24 d mmmmm z 就近圆整为，算出小齿轮齿数1mmm (26) 1 21z (27) 21 3.2 2476.8zuz 大齿轮齿数取 76。这样设计出的齿轮传动，满足了齿面接触疲劳强度，并结构紧凑，节省浪费。 4.2.2 几何尺寸几何尺寸计计算算计算分度圆直径 (28) 11 0.88 2421.06dz mmm (29) 22 49 0.8843.12dz mmm 计算中心距 (30) 12 64.06 2 dd amm 计算齿轮宽度 (31) 1 1 21.0621.06 d bdmm 取，。 2 21Bmm 1 30Bmm 大齿轮如图 3 4.3 轴轴的的设计设计 4.3.1 初步确定初步确定轴轴的最小直径的最小直径 (32) 3 3 3 min 3 1.15 11218.35 281 P dAmmmm n 输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径，为了使所选轴的直径与联轴器孔径相适应，同时选取联轴器型号。联轴器的计算转矩 (33) 2 1.3 3.95070 . caA TK TN mm 考虑到转矩变化不大，故取 1.3 A K 按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件，查手册，选用型弹性柱销2HL 联轴器，其公称转矩为，半联轴器的孔径，故取 315000 .N mm20dmm ；半联轴器的长度，与轴配合的毂孔长度，故选 12 20dmm38Lmm 1 20Lmm 12 17lmm 8 4.3.2 轴轴的的结结构构设计设计 (1)为满足半联轴器轴向定位要求，右端制出一个轴肩，故 (34) 2312 224ddhmm (2)初步选择滚动轴承。因滚针轴承工作时允许内外圈有少量的轴向错动，有较大的径向承受能力，摩擦系数较大，故选此轴承,参照工作要求并根据，有轴承目录产品中初步选取，其尺寸为 23 24dmm4905NA 图 3 大齿轮零件图，故,而。254217dD Tmmmmmm 23 25dmm 23 30lmm 右端滚动轴承采用轴肩进行轴向定位，由手册查得它的定位轴肩高度，因此取。1.5hmm 45 28dmm (3)取安装齿轮处的轴段的直径，齿轮的左端与左轴承间采用套 56 28dmm 筒定位,已知齿轮轮毂的宽度，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴65Lmm 段应略小于轮毂宽度，故取，齿轮右端采用轴肩定位，轴肩高度 23 60lmm ，取，则轴环处的直径,轴环宽度，取 0.007hd2hmm 56 32dmm1.4bd 6lmm 各轴段的长度和直径如下图：图 4 减速器轴段 5 直直线线伸伸缩缩关关节节图 5 为直线伸缩关节的机械结构, 该关节由滚珠丝杆、直线轴承、交流伺服 9 电动机(或带制动器)、双向滚柱式超越离合器等组成。双向滚柱式超越离合器起自锁保护作用。图 6 示出了直线伸缩关节的运动关系。它是利用丝杠的螺旋部分将螺杆的螺旋运动转换为机器手的直线运动，它的一个主要优点是能获得很大的减速比和力的增益，具有传动效率高，起动力矩小，传动平稳，使用寿命长的特点，但它也具有制造工艺比较复杂，需要花费较大的人力和物力等缺陷。图 5 直线伸缩关节的机械结构 5.1 丝丝杠的杠的设计设计 (1)初算滚珠丝杠副的导程 (35) maxmax 1000 10 10005 2000 h Vnmm P 式中：-丝杠副最大移动速度 max V - 丝杠副最大相对转速 max n 1)估计滚珠丝杠允许最大的轴向变形 max (36) 1 1 0.00158 3 ma mm (37) 2 1 0.002 3 m cmm 式中：-重复定位精度，0.006mm; 1m -定位精度，0.01mm; 2m 10 2)估算滚珠丝杠副底径 , (38) 0 f L da 图 6 直线伸缩运动关系 (39) 00 FW 式中：-支撑方式系数，取 0.078；a -导轨的静摩擦力； 0 F -轨静摩擦因数，取 0.05； 0 L-滚珠丝杠两轴支撑点距离，mm；代入得 (40) 0 30 650 0.007812 1.5 f L damm (3)确定滚珠丝杠副的其他尺寸 1）滚珠丝杠副的螺纹长度 2 suc LLL （41）式中：-有效行程； u L -余程，查样本取 20mm ； c L 代入得 (42)235 suc LLLmm 2）丝杠全程综合考虑各项几何尺寸要求，取 L 为 38mm. 零件图如下 11 图 7 丝杠丝杠副是一种新型的螺旋传动元件，具有长寿命，高强度，高效率，高灵敏度，无间隙的特点，并具有优越的高速特性和耐磨损性及运动可逆性等特性，同时它可有专业厂家生产和供应，已实现标准化和商业化4。为满足机器手高进给速度、高定位精度和快速响应的要求，必须合理选择滚珠丝杠副,丝杠为螺旋副结构。图 8 滚珠螺旋工作原理图 1 齿轮 2 返回滚道 3 螺杆 4 滚珠 5 螺母 6 键 7 机架 5.2 手臂机构尺寸的初步确定手臂机构尺寸的初步确定手臂机构的尺寸即手臂的长度和手臂的关节的转角范围应该由机器人要完成作业任务提出的工作空间尺寸确定,因为机器人要完成 120mm 80mm 的正平面和 R40mm 的中间曲面的喷涂工作，初步确定出手臂的长度。20mm 5.3 操作机位置与姿操作机位置与姿态态的确定的确定构件的空间位置和姿态可用其上任一点（称为基点，通常选构件的质心或形心基准）在空间的位置和与与构件固接的坐标系相对于参考参考坐标系来确定。设有一构件 j ，取其上任一点 o 为基点，以该点为原点，在该构件上设置动态坐标系 ,于是，构件的空间位置和姿态就可用点的位置矢量和坐 jjjj o x y z j o ij R 标系，相对参考系的方向余弦矩阵来确定，即 jjj x y z iii x y z ij R 12 (43) T ijijiojiojioj rooxyz 式中: 称为构件位置列阵；称为构件姿态矩阵，其右端矩阵中的各元为上述两坐 ij r 标系相应各轴之间夹角的余弦。利用上式不难写出坐标系分别绕坐标系的轴旋转角；绕 iii x y z jjj x y z i x 轴旋角；先绕轴旋转角，达到位置，再绕轴旋转时各旋转变换 k y k z iii x y z k x 矩阵分别为 (44) 100 0cossin 0sin a Rij cos (45) cos0sin 010 sin0 Rij cos 由此可见，运用旋转变换矩阵的依次连乘，可完成坐标系的连续变换。因此用这样的方法就不难写出饶其他坐标系连续变换的矩阵。为方便起见，构件空间位置和姿态通常用一个坐标平移旋转变化钜阵来表示，即 ij M (46) 01 Rr ijij Mij 矩阵又称构件的位姿矩阵。 ij M 5.4 速度和加速度分析速度和加速度分析在操作机位姿分析的基础上，进一步讨论操作机的速度和加速度，在以回转关节和移动关节连接的开链操作机中，各杆的结构参数和关节运动参数对时间导数为已知，现求操作机末端执行器上一点 p 在机座坐标系中的速度和加速 0v 度，可有上式对时间求一次和二次导求得： 0 (47) 00 0112231, 1 001 n n nn i vrr MMMM (48) 0 0 01121,1, 0112231, 111 2 010 0 nnn nn iijj nn iij rr r M MMM MMMM 在上式中，对于转动关节，, 而为两相邻杆和间的相对角速度,对0 i d i i1i 于移动关节，则 , 为杆与间的相对速度。0 i i i d S i1i 13 5.5 角速度和角加速度分析角速度和角加速度分析根据速度合成的原理可知，对于开链式的操作机末端执行器的绝对角速度等于操作机中所有回转关节的角速度的矢量和,由于前面已规定各回转关节 i 的轴线沿轴，所以角速度矢在坐标系中可表示为，z i iii x y z00 T ii 而在机座坐标系中的角速度 OOO x y z 011223,1 1 n oi ni ii i wR R RR (49) 角加速度 (50) 011223,10112.11, 111 nnn oi ni iij jiii iij R R RRR RRR 6 尺寸尺寸优优化化 6.1 初步确定尺初步确定尺寸寸机械手的主参数为最大抓重量（目前，该值通常为 10 公斤左右，故设重物为 10kg，影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度，设机械手最大移动速度 1.2m/s,最大回转速度为，手臂机构的尺寸即手臂的长度和手臂120 s 的关节的转角范围应该由机器人要完成作业任务提出的工作空间尺寸确定，因为机器人要完成 120mm 80mm 的正平面和 R40mm 的中间曲面的喷涂工作，初步确定出手臂的长度；选用合金钢管作为手臂的原始材料；钢管的厚度20mm 为为；查常用材料手册得出，弹性模量为，许用T5mm 5 2 10EMP 弯曲应力；许用剪切应力；允许挠度；密度为 120MP 80MP 1000 L f ，求解满足使用要求前提下手臂的最小质量。 3 7.8g m 6.2 设计设计分析分析手臂运动由直线伸缩运动与带动重物旋转的水平回转运动组成，手臂自重相对于重物来说，对手臂强度计算的影响较小，可不作考虑，故设计时仅考虑重物的作用。G 6.2.1 抗拉抗拉强强度分析度分析手臂 N 点处受到最大拉应力，是由弯矩产生的拉应力与向心 max max M 1 力产生的应力组成，其中为抗弯截面系数,仅与截面形状、尺F 1 1 t M W W 寸有关，对于外径为，内径为的圆环截面有3：Dd (51) 4 3 1 32 t Dd W D MGL 14 (52) 22 2 2 224 DDT ADTT (53 ) 2 1 Fm Lw 根据抗拉强度条件有： (54) max N s t MF wA 将式（51）（52）（53）及已知数据代入式（54），取（下同），计算整 3 10 g g m 理得 (55) 32 12097034640DDDLD 6.2.2 抗剪抗剪强强度条件度条件手臂 N 点处所受剪应力最大，因圆截面壁厚远小于外径，故最大剪应TD 力为 (56) max 2 N Q T A 根据抗剪强度条件有 (57) max 2 N Q t A 将已知数据代入，计算得 0.2Dcm 6.2.3 刚刚度条件度条件由受力分析得，点处挠度最大，据刚度条件Mw (58) 3 3 max GL ww EI 式中：为材料的弹性模量；E 为截面惯量矩；I (59) 44 64 IDd 代入数据整理得 (60) 322 30180.640DDL 6.2.4 结结构尺寸限制构尺寸限制 (61) 2DT (62)30Lmm 15 7 建立数学模型建立数学模型优化设计追求的目标是机械手臂的质量最小，计算表达式为： 2m2m (63) 2 12 1 ,20.0050.001 4 m xMDDTLPLDL x x 式中：设计变量, T xL D 由第二步设计分析计算得的值约为D5.5mm 故上式可简化为 (64) 2 min0.0046mxLD 显然，越小值越小，据此可写出优化设计的数学模型LD 2 m 2 min0.0046mxL 32 12097346.40DDDLD 0.2Dmm 222 30180.640DDL 2DT 30Lmm 此数学模型是一个单目标非线性二维约束优化问题5。 8 优优化化计计算算我们将用于求解优化设计数学模型的方法或寻优的方法称为优化计算方法。对于机械优化设计问题，求解常常需要经过多步迭代，最终收敛得到最优解，这里运用数学规划方法的理论，应用软件进行辅助优化计算与设计，以求得机械手臂的最佳设计参数 . 程序如下 ezplot hold on y=0:0.1:50 x=0.2; plot( x,y,k ) hold on ezplot hold on y=0:0.1:50; x=0.4; 16 plot(x,y,k) hold on x=0:0.1:10; y=40; plot (x,y,m) hold cn title text hold off 应用 MATAB 软件求解 (1)编写目标函数的文件 Obj.fun,m,返回 X 的函数值 f 。 Function f=objfun(x). f=0.00468*(1)*(2); (2)因设计约束含非线性约束，故需编写一个描述非线性约束的文件 NonLin constr.m Function=non.Lin.str(x); (3)给定函数的初值，并调用优化函数 40 ;B 0 410 ;x 01 ;A Ib=zeros(1,1); Opetions=optimiset; (4)计算结果 x=3.186 fval=0。7201 exitflag= outplot= iterations：2 funCount：11 slepsize: firstorderopt: 0.184 cgiterations 经 11 次迭代计算后, 求得最优方案为 , , ， 10Dmm 1 10lmm 2 28lmm0.7mkg 17 9 力学分析力学分析手臂所受的力和力矩分别为 (65) 1,22222c Fm gkm v (66) 122222222222c Mrm gkm vl wwl w 式中：。 2 010 T k 以上各式中，分别表示坐标系 2 的原点到大、小臂质心的矢量；， 2, 2cr2cv1w ，分别为大、小臂质心处的速度和加速度；标和 c2 分别表示大、小臂的质心 2w 1c 。由于关节驱动力矩只是 z 轴方向分量,由此可得不计摩檫的关节驱动力矩 (67) 1 111 112212221 HHhG (68) 2 2222211211 12 HHhG 式中： 22 111112111 222 2 c Hmllmlll l cl 22 2222121221 222 2 c Hm llmll Gl l c 2 12212 12 222 2 m l lcm llHH C C 11221211 1 cC Gm l Cm g l Cl C 采用喷漆机器人位置逆解模型, 对上述离散点序实施变换,得到关节空间各伺服轴的相应离散点序, 并将它转化成 PVT 格式,送入多轴运动控制器的循环缓冲区，利用多轴控制器所提供的 PVT 插补模式，对伺服轴上的离散点序进行细分,并通过伺服放大器驱动电机使喷漆机器人按预定轨迹运动，该插补可被认为是对喷漆机器人数控的精插补，在这种控制方式中,加速度是时间的线性函数,由此可以得到伺服电机在任意时刻的加速度、速度和位置函数 (69) 0t aat (70) 2 00 1 2 t vva tt (71) 2 000 11 26 t ppv ta tt 式中： 23 12612vvv 0 2 v a -PVT 方式时间段 ,-积分常数 0 V 0 P 通过动力学分析，代入优化出的尺寸，可得大、小臂驱动电机最大输出扭矩 18 分别为 3N m 和 4N m。 9.1 惯惯量匹配量匹配系统的惯量匹配对于系统的灵敏度影响很大, 若负载惯量过大, 则伺服电机加减速的时间较长, 同时还影响系统的稳定性，因此一般应满足下式 0.50.8 Jm JmJf (72) 式中：为伺服电动机转子的转动惯量() , 可由伺服电动机的产品样本查 m J 2 .kgm 得；为折算到伺服电动机轴上的全部负载转动惯量, 或称为等效转动惯量( f J 2 .kg m )。设系统中三个转动零件(两个齿轮, 一个丝杆) 的转动惯量、转速和转矩分别用,和表示, 移动部分的总质量、移动速度和所受的力分别用 m、v 和 F Ji i w i T 来表示, 则运动部分的总能量： (73) 3 22 1 11 22 ii i EJ wmv 将其转化到速度为（）的伺服电动机的输出轴上,设其等效转动惯量为 i w i n ，则输出轴的能量为： k J (74) 2 1 2 kkk EJ w 根据能量守恒定律, ,则等效转动惯量为： k EE 2 3 22 1 1 ()() 4 i fi i kk v m n JJ nn (75) 将各部件的参数代入式(7),求得后用 72)进行验算。 f J 9.2 转转矩匹配矩匹配对于 380L 型机器人, 各直线伸缩关节动作时, 只是带动相应的臂和腕部运动, 因此只存在由系统质量移动引起的负载, 而没有其他外加的载荷, 伺服电动机空载加速启动时的负载转矩由下式给出 (76) maxrn TTTT 式中：为空载启动时折算到伺服电机输出轴上的加速转矩(Nm ) ; max T 为折算到伺服电机输出轴上的摩擦转矩; f T 为由于丝杆预紧而引起的折算到伺服电机输出轴上的附加转矩(此项较 0 T 小, 可以忽略)。 19 (77) max max 2 60 dfm n TJJ t 式中: 为快速启动时, 伺服电动机的最高转速( min r ) ; max n t 为系统的时间常数(s) , 可由伺服电动机的产品样本查得。对于图 5, 设丝杆的导程为 P , 两齿轮的齿数分别为 1z和2z, 则 (78) max z z v n p (79) 2 z z mgpf T 式中：f 为直线轴承在滑杆上的摩擦系数; 为系统的总机械效率, 一般取 0.7-0.85。实践说明的是, 在上述惯量匹配和转矩匹配的计算过程中, 代入所求数据满足要求。 10 旋旋转摆动转摆动关关节节 5 个旋转(摆动) 关节采用了相同的结构, 由于旋转关节主要承受扭矩, 因此采用了传动比大和传动效率高的摆线针轮减速器与伺服电机直接相连，不同的关节对应不同的参数要求, 因此在每一关节的伺服电机的具体结构确定,依据所需的扭矩来进行。 11 关关节节控制控制有两套备选方案，PLC控制和单片机控制。使用单片机的好处是相对而言成本比较低，加上码盘记数控制精度相当高。但是由于是自制且功能比较复杂，不能保证其较高的可靠性，同时制作时间比较长，且加装码盘比较复杂，所以在完成了一个带码盘的电机架后放弃了这个方案。又因为PLC的价格太高且需要大量的继电器进行驱动，也觉得不理想。所以决定对两个方案折中修改。最终选定经简化的单片机的控制方案，由于使用的基本都是现成的工业组件产品，非常容易买到，价格也比较低。单片机选用ATMEL AT89C51，驱动电路选择了ST L298N，其允许控制的电流可以直接驱动电机，从而省略了继电器。由于每个手指仅有一个力传感器和两个位置传感器（分别为完全伸展的起始位置和完全收拢的终止位置）所以必须通过延时控制来使每个手指停留在特定的位置。经过测试，虽然电机在空载和满负荷时的转速特性有很大的不同，但是各个电机之间的个体差异非常小，且转速稳定。这就使延时控制成为可能，虽然这 20 样无法提供像码盘记数这样的精确度，但也足够满足要求了。只需将空载和满负荷时的延时作出不同的定义即可。每个电机通过力传感器中的微动开关接出，由单片机控制正反转。微动为两向两路，不但提供单片机反馈信号，同时也起到一个硬保护的作用，因为它直接作用于电机的供电电路，当其被触动后电机停转后只能反转。当手指到达两个最终位置时单片机也会得到反馈信号，使电机停转，由于这两个传感器不会造成结构上的损坏，所以在这两个位置没有提供类似的硬保护，仅负责提供开关量信号。由于采用延时控制，当机械手通过延时完成一个动作之后，必须复位一次，即回到完全伸展的状态，记时器全部清零后才能完成下一个动作。这是这种控制方式最大的不足。当然如果时间允许，完全可以

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