毕业设计（论文）-基于线结构光三维扫描的智能喷漆装置设计.doc

目录目录-11绪论-11.1结构光技术概述-11.2三维扫描技术概述-41.3线结构光三维扫描技术概述-71.4智能喷漆装置的应用现状-91.5本文研究内容及意义-112总体设计-123喷漆装置的设计-143.1机身的设计-143.2大臂的设计-153.3小臂的设计-183.4轴的设计计算-21总结-25参考文献-26全套图纸加扣全套图纸加扣30122505821绪论绪论1.11.1结构光技术概述结构光技术概述干涉测量法是常用的高精度、高分辨率测量方法之一，它是利用光的干涉原理对物体进行测量的。当物体波前与参考波前满足干涉条件时，物体波前与参考波前发生干涉产生干涉条纹，从干涉条纹形变情况可以测出被测物体的几何形状传统的干涉测量法多采用条纹细化技术得到千涉条纹中心，然后检测条纹中心相对参考基准的偏移量来计算物体的几何形状。由于计算条纹中心位置的误差较大，所以采用此方法的测量误差较大。随着激光技术的发展，出现了双光束干涉、多光束干涉、外差干涉、全息千涉等方法。全息干涉测量对测量环境的要求较高，系统侧量稳定性易受到光学散斑、震动、湿度、气压以及温度等因素影响，若采用共光路设计和同时相移技术，可以有效地抑制震动对测量结果的影响。结构光方法(是一种主动式光学测t技术，其基本原理是由结构光投射器向被测物体表面投射可控制的光点、光条或光面结构，并由图像传感器(如摄像机)获得图像，通过系统几何关系，利用三角原理计算得到物体的三维坐标。结构光测量方法具有计算简单、体积小、价格低、大盆程、便于安装和维护的特点，在实际三维轮廓测量中被广泛使用，但是测量精度受物理光学的限制，存在遮挡问题，测量精度与速度相互矛盾，难以同时得到提高。光点式结构光测量方法需要通过逐点扫描物体进行测量，图像摄取和图像处理需要的时间随着被测物体的增大而急剧增加，难以完成实时测量。用线结构光代替点光源，只需要进行一维扫描就可以获得物体的深度图，图像获取和图像处理的时间大大减少。如图1.3为线结构光的示意图，利用辅助的机械装置旋转光条投影部分，从而完成对整个被测物体的扫描。当采用光面结构光时，将二维的结构光图案投射到物体表面上，这样不需要进行扫描就可以实现三维轮廓测量，测量速度很快，光面结构光中最常用的方法是投影光栅条纹到物体表面mi2。如图1.4所示为面结构光的示意图。当投影的结构光图案比较复杂时，为了确定物体表面点与其图像像素点之间的对应关系，需要对投射的图案进行编码，因而这类方法又称为编码结构光测量法。图案编码分为空域编码和时域编码。空域编码方法只需要一次投射就可获得物体深度图，适合于动态测量，但是目前分辨率和处理速度还无法满足实时三维测量要求，而且对译码要求很高。时域编码需要将多个不同的投射编码图案组合起来解码，这样比较容易实现解码，但要求投射的空间位置不变，而且难以实现实时测量.主要的编码方法有二进制编码、二维网格图案编码、随机图案编码、彩色编码、灰度编码、邻域编码、相位编码以及混合编码等结构光方法还有一类测量方法，原理是将光栅图案投射到被测物表面，受物体高度的调制，光栅条纹发生形变，这种变形条纹可解释为相位和振幅均被调制的空间载波信号。采集变形条纹并且对其进行解调可以得到包含高度信息的相位变化，最后根据三角法原理计算出高度，这类方法又称为相位法。基于相位测量的三维轮廓测量技术的理论依据也是光学三角法，但与光学三角法的轮廓术有所不同，它不直接去寻找和判断由于物体高度变动后的像点，而是通过相位测量间接地实现，由于相位信息的参与，使得这类方法与单纯光学三角法有很大区别。目前编码结构光法和相位法已成为三维轮廓测盘中的两个发展方向。相对编码结构光法而言，相位测量法不需要复杂的编码，同时由于每一个图像像素点都可以获得三维数据，可以实现真正的全场测量，并且分辨率高，但是相位测量法需要对折叠相位进行展开，而目前大多数的相位展开方法都需要人为干预，这是实现该方法自动化的最大障碍。本文采用基于投影正弦光栅的相位测量法。近年来基于相位的光栅投影三维轮廓测童技术有了很大的发展，出现了很多新的方法和算法，但是离实际应用要求还有很大的差距。光栅条纹所包含的相位信息是关心的重点，相位法三维轮廓测量的处理步骤主要包括相位解调、相位展开、物体高度与相位关系标定和三维数据计算。就目前而言，相位法的主要难点在于投影方式、相位展开和系统标定:新出现的投影仪可以在计算机的控制下改变投影图案，具有很好的适应性，但是分辨率不高对于相位展开问题，尽管人们提出了很多相位展开算法，但是都只是针对某一种干扰，无法满足一般要求。对于结构光三维轮廓测量方法，目前也出现了一种发展趋势，即相位法与其它编码技术的综合。光栅投影技术实际上也是一种相位编码方式，如投影正弦光栅，与其它方式相比其优点在于可实现较高的测量分辨率，不足之处在于由于投影的正弦条纹具有周期性，以及其他不利因素的影响使得相位展开困难.编码结构光测量方法缺点在于测量的离散性，每一条光栅有一个离散值，因此仅能进行有限的条纹数编码，限制了测量的精度，在要求较高测量精度时，需要复杂的编码方式.将两种方法综合起来成为解决两种方法缺点的很好选择，如将格雷编码(GSMGrayCode)与相移法综合。将结构光图像投射到被测物表面，从另一角度可以观察到由于受物体高度的调制而变形的条纹，这种变形可解释为相位和振幅均被调制的空间载波信号。采集变形条纹并对其进行解调，恢复出相位信息，进而由相位确定出高度，这就是基于相位的结构光方法的基本原理。这里以典型的交叉光轴系统来说明测量原理，如图2.1aOP是投影系统透镜的光轴，它与成像透镜的光轴OC交于点DoOX所在平面为参考平面(可以是虚拟的，也可以是真实存在的)，OC垂直参考面。P和C分别为投影透镜出瞳中心和成像透镜的入瞳中心，两点的连线与参考面平行，距离为d，离参考平面的距离为1。正交坐标系的XOY平面位于参考平面上，Y轴垂直于XOZ平面与X轴交于O点，Z轴平行于成像透镜光轴。投射光栅交于物体表面点HH成像在像面上H1.21.2三维扫描技术概述三维扫描技术概述三维扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术，通过测量空间物体表面点的三维坐标值，得到物体表面的点云信息，并转化为计算机可以直接处理的三维模型，又称为“实景复制技术”。三维扫描技术是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表面的空间坐标，用软件来进行三维重建计算，在虚拟世界中创建实际物体的数字模型。这些模型具有相当广泛的用途，举凡工业设计、瑕疵检测、逆向工程、装置导引、地貌测量、医学信息、生物信息、刑事鉴定、数字文物典藏、电影制片、游戏创作素材等等都可见其应用，示了巨大的技术先进性和强大的生命力。三维扫描仪主要分为以下几类：三维扫描仪分类接触式测量又称为机械测量，这是目前应用最广的自由曲面三维模型数字化方法之一。三坐标测量机是接触式三维测量仪中的典型代表，它以精密机械为基础，综合应用了电子技术、计算机技术、光学技术和数控技术等先进技术。根据测量传感器的运动方式和触发信号的产生方式的不同，一般将接触式测量方法分为单点触发式和连续扫描式两种。接触式三维扫描适用性强、精度高（可达微米级别）；不受物体光照和颜色的限制；适用于没有复杂型腔、外形尺寸较为简单的实体的测量；由于采用接触式测量，可能损伤探头和被测物表面，也不能对软质的物体进行测量，应用范围受到限制；受环境温湿度影响；同时扫描速度受到机械运动的限制，测量速度慢、效率低；无法实现全自动测量；接触测头的扫描路径不可能遍历被测曲面的所有点，它获取的只是关键特征点，因而，它的测量结果往往不能反映整个零件的形状。在行业中的应用具有极大的限制。现代计算机技术和光电技术的发展使得基于光学原理、以计算机图像处理为主要手段的三维自由曲面非接触式测量技术得到了快速发展，各种各样的新型测量方法不断产生，它们具有非接触、无损伤、高精度、高速度以及易于在计算机控制下实行自动化测量等一系列特点，已经成为现代三维面形测量的重要途径及发展方向。三维激光扫描仪和三维照相式扫描仪占据了及其重要的位置。三维激光扫描仪按照扫描成像方式的不同，激光扫描仪可分为一维(单点)扫描仪、二维(线列)扫描仪和三维(面列)扫描仪。而按照不同工作原理来分类，可分为脉冲测距法（亦称时间差测量法）和三角测量法。脉冲测距法：激光扫描仪由激光发射体向物体在时间t1发送一束激光，由于物体表面可以反射激光，所以扫描仪的接收器会在时间t2接收到反射激光。由光速c，时间t1，t2算出扫描仪与物体之间的距离d=(t2-t1)c2。脉冲测距法原理图显而易见的，脉冲测距式3D激光扫描仪，其测量精度受到扫描仪系统准确地量测时间的限制。当用该方式测量近距离物体的时候，由于时间太短，就会产生很大误差。所以该方法比较适合测量远距离物体，如地形扫描，但是不适合于近景扫描。三角测距法：用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用CCD（图像传感器）光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度。然后综合己知激光光源与CCD之间的基线长度d，经由三角形几何关系推求扫描仪与物体之间的距Ldtan。三角测距法原理图手持激光扫描仪通过上述的三角形测距法建构出3D图形：通过手持式设备，对待测物发射出激光光点或线性激光。以两个或两个以上的侦测器测量待测物的表面到手持激光产品的距离，通常还需要借助特定参考点通常是具黏性、可反射的贴片用来当作扫描仪在空间中定位及校准使用。这些扫描仪获得的数据，会被导入电脑中，并由软件转换成3D模型。三角测量法的特点：结构简单、测量距离大、抗干扰、测量点小（几十微米）、测量准确度高。但是会受到学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直径大小以及被测物体的表面特征等因素的影响。三维激光扫描仪的特点：非接触测量，主动扫描光源；数据采样率高；高分辨率、高精度；数字化采集、兼容性好；可与外置数码相机、GPS系统配合使用，极大地扩展了三维激光扫描技术的使用范围。1.31.3线结构光三维扫描技术概述线结构光三维扫描技术概述三维扫描仪采用一种综合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术，称为“结构光三维扫描仪”。采用这种测量原理，使得对物体进行照相测量成为可能，所谓照相测量，就是类似于照相机对视野内的物体进行照相，不同的是照相机摄取的是物体的二维图象，而研制的测量仪获得的是物体的三维信息。三维扫描仪采用非接触式光学扫描，除覆盖接触式扫描的适用范围之外，可以用于对柔软、易碎物体的扫描以及难于接触或不允许接触扫描的场合。高速的扫描使得用户在很短时间内得到所需的数据，大大缩短了产品的开发周期，三维扫描仪广泛应用于逆向工程、人体测量、质量检测及控制、艺术品制作复原及保护等各种领域。采用一种综合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术。所以又称之为“三维结构光扫描仪”。采用这种测量技术，使得对物体进行照相测量成为可能，所谓照相测量，就是类似于照相机对视野内的物体进行照相，不同的是照相机摄取的是物体的二维图像，而研制的测量仪获得的是物体的三维信息。与传统的三维扫描仪不同的是，该扫描仪能同时测量一个面。测量时光栅投影装置投影数幅特定编码的结构光到待测物体上，成一定夹角的两个摄像头同步采得相应图象，然后对图象进行解码和相位计算，并利用匹配技术、三角形测量原理，解算出两个摄像机公共视区内像素点的三维坐标。三维扫描技术能实现非接触测量，且具有速度快、精度高的优点。而且其测量结果能直接与多种软件接口，这使它在CAD、CAM、CIMS等技术应用日益普及的今天很受欢迎。在发达国家的制造业中，三维扫描仪作为一种快速的立体测量设备，因其测量速度快、精度高，非接触，使用方便等优点而得到越来越多的应用。三维扫描仪就是空间扫描仪，而我们熟悉的像复印机一样的扫描仪是平面扫描仪，或者叫二维扫描仪。三维扫描仪是对一个空间物体的表面实行扫描，一般只识别记录物体表面的形状而不管其表面的颜色图案等。建立一个三维立体坐标系，把对象物体表面各部分的点排列在这个坐标系里，输出或记录。严格讲这里的所谓“三维”是打折扣的，只是记录了曲面（物体外表面）坐标，而不是像医院里的核磁共振仪一样，记录的是一个实体内部的每一个点，所以叫2.5维似乎更贴切三维扫描系统采用世界领先的光栅式照相技术，在短时间内获取物体表面三维数据，广泛应用于模具设计、逆向工程、质量检测和控制、医学测量等领域，产品主要具有以下特点：1.扫描速度与精度的完美综合单面扫描时间少于5秒；采用全自动拼接技术，拼接精度可达0.04mmm。非接触式扫描采用非接触光栅式照相扫描技术，避免了因扫描头磨损而影响精度，具有很高的稳定性。适用于橡胶类、皮革类等表面易变形物体及人体扫描。2.操作简便操作界面简洁明了，初学者易上手，短时间内可熟练操作。3.采用安全的结构光光源系列三维扫描仪采用安全的结构光光源，对人体无伤害。对环境要求不敏感，不需要在暗室中操作。4.全自动拼接运用标志点拼接技术，扫描过程中不用人为干预，对大型物体多次拍摄，对复杂物体多角度扫描，可得到完整、精确的三维点云数据。5.精细拼接采用独特的系统，将扫描所得数据的公共部分中所有点进行最佳匹配运算，该算法拼合精度高、运算速度快，使工件的整体误差控制在一定范围内，解决了拼接过程中可能会出现的分层问题。6.自动提取工件边界由普通非接触扫描仪采集的点云数据在工件边缘处都会产生圆角，使工程师在制图时很难准确地提取出工件的边界。三维扫描仪具有独特的边界提取功能，在扫描过程中即可自动提取出工件边界，从而减少工程制图中繁琐的工作，提高工作效率。7.数据兼容性强扫描数据可输出成asc、ply、iges等格式，能够直接用于ImageWare、UG、ProE、CATIA、Geomagic、Polyworks等软件。1.41.4智能喷漆装置的应用现状智能喷漆装置的应用现状在工业革命后，一个世纪内，随着工业水平的发展。直到美国在20世纪六十年代，发明了第一台工业装置，长远看去，已经经过了好几十年了。在这个年代，喷漆工作存在很大的危险，由于这些喷漆工作工作量比较大，对工作人员的技术要求比较高，而且用人力进行喷漆工作的时候，会由于技术人员的水平、工作环境等原因造成生产出来的东西出现质量方面的问题，所以为了在这方面，提高产品的质量，减少生产成本，喷漆装置在很多领域得到了广泛应用1。其他工业发达国家在上世纪60年代就已经开始研究喷漆装置，到70年代初，西方国家先发明对于实际要求而应用的喷漆装置。随着科技进步和人类的不断创新，之后十年间，科学家不断研究和创新，取得了骄人的成绩。比如在美国的FUDGE公司和德国的HATEL公司等都根据自己的研究方向，各自研究并生产了喷漆装置。由于应用的很广泛，比如在内燃机、发电机、汽车喷漆、机床等各大公司的喷漆工作2。用装置喷漆在工业发展中处于很重要的地位，喷漆装置主要分为高速度火焰喷漆、等离子喷漆、喷漆等，喷漆装置在工业发展中，对各个成型工艺进行喷漆，有利于提高工作人员的工作环境，还可以精确的控制喷漆的过程并能有效的描述，对生产产品的质量和稳定性的提高有明显的帮助3。在这工业飞速发展几十年间，喷漆装置的发展有三次跨时代发展：在1988年的时候，在传动方式上，电传动代替了液压传动，之后再控制方式上，过程控制代替了容易的动作控制。，后来从2000年之后，开发出电脑软件后，直接控制喷漆装置，可以应用到为客户定制，可以全方位的服务，直接控制喷漆时的油漆和空气的流量、轨迹和工作空间还有喷漆的颜色等等4。现在，美国的喷漆装置的应用远远领先于其他国家，其他国家也在努力研究并发展5。在我国，喷漆装置的研究稍微晚于其他国家，在这个行业，大部分还是采用人工进行喷漆，对于工作人员，会比较吃力，对身体也有危害。我国对于的这方面的研究也比较少。由于西方某些国家在喷漆装置的应用中发展较快，从上世纪90年代开始，就已经自动在汽车的喷漆中实现自动喷漆，经济和工业技术的发展，2000以来，喷漆装置的应用越来越广泛。用人力进行喷漆工作的时候，会由于技术要求、自身错误方面的问题造成生产的产品出现问题，用喷漆代替人力，会有效的避免这些问题，而且喷漆的比较全面均衡，大大保障了质量问题。油漆大部分都是有毒的，装置代替人力，可以减少工人的工作强度，提高工作效率，在人力喷漆过程中，会由于不小心等很多原因造成油漆的损失，装置可以大大的减少油漆的浪费，从而成本会降低，对于国家的发展是有利而无害的7。装置的编程技术的发展也非常迅速，在很宽的范围内的喷漆装置的离线编程得到广泛应用。在欧洲喷漆项目，在智能上也有突破进展。可以进行对凸形的东西喷漆7。在中国，汽车制造业，普遍利用于汽车制造业中。比如静电喷漆、等离子喷漆、冷喷漆等喷漆技术，这些技术使汽车喷漆质量不断提升89。最近几年国家的研发出的柔性仿形自动喷漆系统，使汽车制造业在喷漆过程中效率越来越高，已经普遍代替人力10。今后离线编程技术的发展会变得越来越快，越来越成熟。这对于喷漆装置是至关重要的。我们在喷漆过程中，遇到的喷漆对象可能会更复杂，更曲面化。面对这些问题，这对于我们的喷漆装置的要求会越来越高。我们必须使喷漆轨迹优化，这也是我们接下去要研究的方向12。我们国家的重工业的迅速发展和自动优化水平的不断加强，用装置替代劳动力会实现飞速发展。经济的腾飞才会让国家变的更加强大，我们必须经常观察人类的特性，这要求我们有一颗善于发现的心，并利用这些特性为人类服务，例如：假肢。系统具有丰富的动力学特性，在这方面的研究可以拓宽力学及装置的研究方向。由于喷漆装置的自动化，大大降低了废品率，从而保证了生产质量和稳定性能，降低了劳动强度，代替了人力劳动，避免浪费了油漆材料和能源的利用，有效的代替人力，之前，人力喷漆会由于油漆的毒性而生病，工业快速发展下，保证工人了身体安全。在现在这个阶段，虽然喷漆装置应用非常广泛，比如汽车的外壳、家电产品、塑料方面的产品等，这些方面中，应用于汽车表面的喷漆最广泛。汽车表面的喷漆多应用往复自动的喷漆装置，这方面的优点相比于工人手工操作。实用性非常好。所以在现阶段，喷漆制造行业正迅猛发展，时代的进步会慢慢实现。喷漆装置有几种分类，最主要是专用和通用型的。专用喷漆装置小臂喷枪的自由度小于等于4个，应用于大批的生产中，比较适合表面不是太复杂的零件，也是比较方便简单的。通用型的喷漆装置的小臂喷枪的自由度大于等于5个，由于像人的手一样非常灵活，比较适合各个复杂的曲面。喷漆装置的大小臂像人的手臂一样。分为小臂和大臂，它们之间都是用关节连接，大臂和机身也是的，它的原理跟人的手臂是一样的，但是关节式的手臂功能比较优越，工作空间是比较大的，对于喷漆工作非常有利。喷漆装置的编程方式也是需要配齐的，由于零件的表面可能会很复杂。喷漆装置由执行系统、驱动系统、控制系统、还有检测系统组成。以及辅助设备，但对其要求不大。喷漆装置的应用越来越广泛，生产的厂家也会越来越多，然而对于喷漆装置的要求也越来越高，竞争也越来越大。所以在有些方面还有很大的改进。应该根据每个产家的需求，设计并生产出应用于不同领域的喷漆装置。提高喷枪的速度，从而使效率不断提高，生产力才是根本。为了空间的要求，我们要求喷漆装置会质量越来越轻，功能越来越强大，并能更容易适应各个条件下的喷漆。离线编程示教，应用于各种复杂的曲面。要求无人干涉的协调全自动智能喷漆。1.51.5本文研究内容及意义本文研究内容及意义随着科技生产力的发展，国际制造业已经达到了很高的水平，我国的工业发展在国际上是非常慢的。虽落后于西方发达国家，但也慢慢的与国际接轨，竞争是残酷的，这就要求我们不断创新，不断进步。根据国内外的发展，市场方面的需求，不断提高质量，降低成本，向先进国家学习，并慢慢提高，在这个世界上生存。我们也随着满足国内的发展需求，做了研究喷漆装置的课题，喷漆装置的高效率，生产成本的降低，喷漆质量的提高，正在不断地被我们国家的制造业所接收。随着时代的进步，喷漆装置的出现。它也能够慢慢地体现出一个国家的制造业的发展，我们对于它的需求也会越来越大。这就是我们研究它的目的，主要研究的是小臂手腕的上下左右摆动，小臂的摆动，大臂的俯仰和机身的旋转。在汽车喷漆上非常实用，简单又实际。2总体设计初步拟定总体设计方案及主要技术参数：自由度数：5驱动方式：步进电机驱动负载重量：2kg运动范围：机身130o大臂前俯30o后仰10o小臂俯仰30o腕转120o腕摆120o工作空间：250012001100m3m喷枪最大工作速度：0.8ms控制方式：开环连续轨迹控制重复定位精度：35mm示教方式：手把手CP示教工业装置的坐标形式分别为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型和平面关节型18。（1）直角坐标式装置这种装置的设计要求高，需要很多人去完成，但是应用非常广泛，往往针对客户需求去专门设计。由于它的末端工具操作的区别，它可以服务于各种自动化的工作，其特点：a.运动自由度之间的空间夹角为直角；b.所有的工作必须根据程序进行；c.灵活性能差，多功能因操作工具的不同功能也不同。；d.体积大，工作范围小；e.在环境不允许的条件下，也可以正常工作，维修也很方便。如图2-1(a)。（2）圆柱坐标式装置这种装置的运动分两部分，如图2-1(b)，分为一个回转运动和两个直线运动，由于它的内部结构相对于其他的比较少，但是精度挺高的，应用于搬运东西。（3）球（极）坐标式装置这类装置的工作空间是一个类球形的空间，如图2-1(c)。（4）关节式装置关节装置的工作范围比较大，由三个回转运动构成，但是体积比较小。计算比较复杂，但是应用广泛。所以在很多实践过程中，一般采用这种装置，如图2-1(d)。在这次设计中，我们采用关节式装置，设计大小臂，可以实现大小臂的俯仰，手腕的俯仰、旋转自由度。要求大臂实现前俯30o，后仰10o，所以一般多为关节型。(a)直角坐标型(b)圆柱坐标型(c)球坐标型(d)关节型图2-1四种装置坐标形式驱动装置最主要的是传递动力的装置。一般分为三种：液压、气动、电动20。用液压驱动的话，一般采用高压油为工作介质。驱动力非常大，里面结构很稠密，传动比较稳并且快速高效，但是对于密封要求很高，成本很高，不适合在恶劣的地方工作，精度要求也高。气压传动相似于液压传动，容易达到高速，最主要的是对于环境的污染小。成本比较低，但是效率低，一般适合要求低的作业。由于伺服电机的性能很好，可以准确的控制速度，实现位置的准确定位，不会污染环境，由于此次设计的装置体积不大，非常适合中小型装置，综合表21中各电机性能特点，所以选择伺服步进电机。传动机构可以把动力传递到各个部位。装置中常用的传动机构有齿轮传动、滚珠丝杠传动、同步齿形带传动、螺旋传动及链传动、流体传动和连杆机构与凸轮传动。下表22一些传动方式的特点。对于喷漆装置的要求：效率高，传动比准确，结构紧凑、质量轻、工作可靠、使用寿命长，所以我选择齿轮传动。在高速工作情况下，承受的压力会变大，为了使大臂和机身在运动时平稳，必须要加一个平衡装置。当运动方向突然改变，容易使装置因承受不了压力，失去平衡，这将会使装置在工作中无法精确定位，为了使平稳性稳定，必须要添加一个平衡装置。平衡方式大概分为液压和气压，还有弹簧平衡。其工作的方式都差不多，最明显的是平衡时，负载压力是不变的，考虑到经济还有方便。弹簧平衡是最值得考虑的，它质量很轻，结构也很少，可以通过弹簧的长短变换和刚度的变换达到平衡要求。3喷漆装置的设计3.13.1机身的设计机身的设计通过总体分析后确定了装置的结构。所设计的机身部分采用二级齿轮减速传动。图3-1装置关节齿轮传动机构简图设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2、JG3，根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为:（3-1）2333222221111lmJlmJlmJJGGG、分别为10kg、5kg、12kg。、分别为重心到第一关节轴的1m2m3m1l2l3l距离，其值分别为300mm、700mm、1500mm，在式（3-1）中、2111lmJG、故、可忽略不计。所以绕第一关节轴的转动2222lmJG2333lmJG1GJ2GJ2GJ惯量为：（3-2）2332222111lmlmlmJ=2225.1127.053.010=225.30mkg同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量:2532422lmlmJ=228.0124.05=248.8mkg式中：小臂重心距第二关节轴的水平距离。4lmm腕部重心距第二关节轴的水平距离。5lmm设主轴速度为219s，则旋转开始时的转矩可表示如下（3-3）JT式中：旋转开始的转矩TmN角加速度w2srad使装置主轴从到s所需时间为:则：00w0219w1ts01111.2230.25115.61wwTJwJNmt若考虑绕装置手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为120Nm电机的功率可按下式估算（3-4）LPLPmPM)5.25.1(式中：电机功率；mPW负载力矩；LPMmN负载转速；LPsrad传动装置的效率，初步估算取0.9；系数1.52.5为经验数据，取1.51203.821.50.9mP764Nm估算后就可选取电机，使其额定功率满足下式mPrP（3-5）rPmP选择QZD-08串励直流电机根据经验取主轴的转速4rads。传动装置总传动比取48，分二级传动，第总i一级是加工在轴上的齿轮与小齿轮啮合，传动比=4；第二级传动比为1i=2i148124ii总3.23.2大臂的设计大臂的设计对于喷漆装置工作空间和喷枪轨迹的计算是相对比较复杂的过程，可参考查阅的研究资料较多，因此在本课题的设计中不作详细的研究。根据已给出的技术要求工作空间为250012001100mm3，确定喷漆装置在长、宽、高三个方向的极限位置，从二维空间工作图中模拟喷枪的轨迹，如图31所示，即可通过联立方程组求出大、小臂长度的近似值。图31装置工作空间的示意图图中，、分别为大臂和小臂的长度；1l2l、分别为大臂的俯仰角度；min1max1、分别为小臂的俯仰角度。min2max2根据工作空间的范围：长宽高=250012001000mm3综合示意图可以得到以下关系式：(3.1)2500)sin(22max11ll(3.2)1200)cos(sinsinmin2min12min112max11llll(3.3)1000coscos)sin()sin(max11min11min1min22max2min22llll由于，将数据代入上述关系式可10min130max130min230max2求解得到：=9001l=8002l大臂的结构是喷漆装置的一个很重要的组成部分，它的作用很大，带动小臂作空间运动，并支撑着小臂。大臂的前俯10度，后仰30度的目的:可以将小臂的手腕在空间随意运动。假设将小臂和手腕的方位改变并进行工作，则必须利用大臂进行配合。所以，对于大臂的设计的要求:大臂质量轻，抗压力大，刚性好大臂既可以弯曲，也可以旋转，大臂的截面形状要选择在弯矩和抗扭强度比较高的情况下。为了降低大臂的重量和提高它的刚度，常常用无缝钢管作为导向管，这样的话，大臂内部空心可以装驱动结构、传动结构还有管道，使大臂内部整齐，外形简单。（2）大臂的运行速度快，但惯性小在喷漆装置开始工作和停止工作的时候，运动速度会随之变化的，这样带来的冲击力。对于启动时和停止前的加速度的要求变高，否则引起冲击和振动。以下方法降低转动惯量（a）降低手臂质量，采用铝合金材质(b)减少手臂运动件的轮廓尺寸(c)减少回转半径(d)驱动系统中设有缓冲装置手臂动作应灵活应该尽量降低手臂间的摩擦力，可以添加润滑油。位置精度要高其实，关节式喷漆装置精度很差，由于它的位置很难控制。必须在手臂上安装定位系统，可以方便精确位置精度。这个设计是采用铝合金材料制造大臂壁件，最主要是为了降低自身重量，加强大臂的刚度，降低电机载荷。砂型铸造铸件最小壁厚的设计。见表3.1本次设计采用铸造铝合金大臂壳体采用铸铝，型号是ZL401自身重量低，抗疲劳强度大。假设小臂及腕部绕第二关节轴的重量：M2=2Kg，M3=4KgJ2=M2L42+M3L52=10.0972+40.1942=0.16kg.m2J2总转动惯量kg.m2L4-距离m设大臂速度为，当开始工作时的转矩可表示如下：s301JT式中：T-旋转开始时转矩N.mJ转动惯量kg.m2-角加速度rads2使机械手大臂从到所需的时间为：则：00s301st1.0(3.4)mNtJJT.64.71.0646.101111刚开始工作时的启动转矩假设为10N.m，取安全系数为2，那么谐波减速器所需输出的最小转矩为：(3.5)选择谐波减速器：mNTT.20152201型号：XB3-50-120（XB3型扁平式谐波减速器）额定输出转矩：20N.m减速比：i1=120设谐波减速器的的传递效率为：，步进电机应输出力矩为：%90(3.6)mNiTTout.185.09.012020011选择BF反应式步进电机型号：55BF003静转矩：0.686N.m步距角：1.53.33.3小臂的设计小臂的设计设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2、JG3，根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为:2333222221111lmJlmJlmJJGGG、分别为10kg(包括负载2kg)、5kg、12kg。、分别为重心1m2m3m1l2l3l到第一关节轴的距离，其值分别为185mm、800mm、1500mm，在式（3-1）中、故、可忽略不计。所以绕第一2111lmJG2222lmJG2333lmJG1GJ2GJ2GJ关节轴的转动惯量为：（3-2）2332222111lmlmlmJ=222100.18550.8121.5=225.30mkg同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量:2532422lmlmJ=228.0124.05=248.8mkg式中：小臂重心距第二关节轴的水平距离。4lmm腕部重心距第二关节轴的水平距离。5lmm则旋转开始时的转矩可表示如下（3-3）JT式中：旋转开始的转矩TmN角加速度w2srad使装置主轴从到s所需时间为:则：00w0w1ts01111.2230.25115.61wwTJwJNmt若考虑绕装置手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为120Nm电机的功率可按下式估算（3-4）LPLPmPM)5.25.1(式中：电机功率；mPW负载力矩；LPMmN负载转速；LPsrad传动装置的效率，初步估算取0.9；系数1.52.5为经验数据，取1.51203.821.50.9mP764Nm估算后就可选取电机，使其额定功率满足下式mPrP（3-5）rPmP选择QZD-08串励直流电机小臂壳体采用铸铝，方形结构，质量轻，强度大。本喷漆装置小臂部两个自由度是平面旋转，若轴承是光滑的，则旋转所需的静转矩比较小。由于将臂伸开呈一条直线时转动惯量最大，所以在旋转开始时可产生步进电机的转矩不足。如图3-1所示，设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2、JG3，根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为：J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22+JG3+M3L32（3.1）其中：M1，M2，M3分别为负载2Kg，手臂1Kg，腕部4Kg；L1，L2，L3分别其长度。JG1M1L12、JG2M2L22、JG3M3L32，故可忽略不计，以绕第一关节轴的转动惯量为：J1=M1L12+M2L22+M3L32(3.2)=40.1432+10.4452+40.5422=1.46kg.m2同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量：M2=2Kg，L4=97mm；M3=4Kg，L5=194mm。J2=M2L42+M3L52(3.3)=10.0972+40.1942=0.16kg.m2设小臂转速，角速度从0加到所需加速时间，则同步s1522st2.0带应输出转矩为：(3.7)mNJT.21.02.01216.0222若考虑绕装置手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为10N.m，取安全系数为2，则谐波减速器所需输出的最小转矩为：mNTT.20152201选择谐波减速器：型号：XB3-50-100额定输出转矩：20N.m减速比：i1=100设谐波减速器的的传递效率为：，步进电机应输出力矩为：%90011200.222.1000.9outTTNmi选择BF反应式步进电机型号：55BF003静转矩：0.686N.m步距角：1.53.43.4轴的设计计算轴的设计计算计算各轴转速、转矩和输入功率a.各轴转速轴(3-7)min1750rn轴(3-8)min5.43741750rn轴n=(3-9)min46.36125.437rb.各轴输入功率轴(3-10)WPPz76898.08000制动器效率z轴(3-11)WPPba9.748995.098.0768齿轮啮合的效率角接触球轴承的效率ab轴P=748.90.98=733.9W(3-12)aPc.各轴输入扭矩轴(3-13)mNnpT4.417508.0955095501轴(3-14)mNnPT76.165.437768.0955095502轴T3=9550(3-15)mNnP23.19246.367339.0两实心轴的材料均选用45号钢，查表知轴的许用扭剪应力=30MPa，由许用应力确定的系数为C=120.A.第一根轴设计及校核a.此轴传递扭矩mNT4.41min1750rnWP768mmnPCd12.91750768.012033由于轴是齿轮轴所以可以将轴的轴径加工的大一点以满足齿轮啮合时强度的要求。齿轮的分度圆直径为50mm齿轮两端装有轴承加工一段轴肩来定位轴承.齿轮轴上装型号为滚动轴承7206AC内径为30mm。b.轴在初步完成结构设计后，进行校核计算。计算准则是满足轴的强度或刚度要求。进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的方法，并恰当地选取其许用应力，对于用于传递转矩的轴应按扭转强度条件计算，对于只受弯矩的轴（心轴）应按弯曲强度条件计算，两者都具备的按疲劳强度条件进行精确校核等。图33轴的受力分析和弯扭矩图求作用在齿轮上的力：(3-17)(07.8020tan220tan)(22040440022)(50252NFFNdTFmmzmdtrtt画轴的受力简图见图33计算轴的支承反力在水平面上(3-18)NllFrlFHR72.4030293007.803231(3-19)NFFrFHRHR35.3972.40-80.07-12在垂直面上(3-20)NFFFtVRVR110212画弯矩图见图33在水平面上，剖面左侧aa(3-21)mmNlFMHRaH9.11802972.4011剖面右侧aa(3-21)mmNlFMHRaH15.11412935.3922在垂直面上(3-22)mmNlFMMVRavaV31902911011合成弯矩，剖面左侧aa(3-23)mmNMMMaaVaH7.340431909.11892222剖面右侧aa(3-24)mmNMMaMaVaH9.3387319015.11412222画转矩图见图33(3-25)mmNdFTt55002502202判断危险截面截面左右的合成弯矩左侧相对右侧大些，扭矩为T，则判断左侧为危险截aa面，只要左侧满足强度校核就行了。轴的弯扭合成强度校核许用弯曲应力，Mpab601=Mpab1000=6.01006001=bb截面左侧aa(3-26)33312500105010mmdW(3-27)MpaWTMe379.012500)55006.0(7.3404)(2222c.轴的疲劳强度安全系数校核查得抗拉强度，弯曲疲劳强度，剪切疲劳极限MpaB650=Mpa3001，等效系数，Mpa15512.0=1.0=截面左侧aa(3-28)333250005505mmdWT查得，；查得绝对尺寸系数，；轴经磨削加1=K8.1=K95.092.0工，表面质量系数。则0.1=弯曲应力，(3-29)MPaWMTb54.0250007.3404应力幅Mpaba66.1平均应力0=m切应力(3-30)MpaWTTT22.0250005500MpaTma11.02安全系数(3-31)7.18002.066.195.00.113001maKS(3-32)10073.01.073.092.00.18.11551maKS(3-33)15.881007.1801007.1802222SSSSS查许用安全系数，显然，则剖面安全。其它轴用相同5.13.1=SSSaa方法计算，结果都满足要求。B.中间轴设计此轴传递扭矩转速传递功率为mNT76.162min5.4