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树干 喷漆 机器人 设计 CAD

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附录1 外文翻译并行工作空间与动态性能评估喷漆设备中的操纵器摘要本文所要介绍的是工作空间和PRRPRR并联机器人在喷涂设备中的动态性能评价。平面完全并联机器人的功能工作空间往往是LIM 它因其机械部件之间的限制。该平面三自由度并行机械手的两连接移动平台的基本运动链可以在减少干扰性的同时仍然保持3自由度。在运动学分析的基础上，分析了四种工作方式，并对其奇异性进行了研究。工作空间的调查和逆动力学制定使用虚功原理。动态性能评价指标的设计，理论上的最大和最小幅度的加速度矢量的移动平台所产生的单位驱动力。该指标不仅可以评价机械手的加速性能，而且能反映加速性能的各向同性。进行了工作区和四种模式的动态性能在主振型的比较，确定了锥面大物体的最佳工作方式。1、介绍 并联机器人在学术界和工业界备受关注，因为它们在高动态和高精度结合结构的封闭运动回路 1 。并行主机在工业领域广泛应用，如飞行模拟器 2 、并联机床 3 和并联运动学机器输送机预处理和电泳车身 4 。平面并联机器人主要用于操纵平面上的物体。一个平面被认为是一个平面机制，如果所有的移动件都在这个平面内移动，那么他们彼此间将进行平行的平面运动。平面并联机器人作为并联机器人的一个重要分支、，因为结构简单等特点被广泛应用于工业领域，例如，选择和应用 5 ，并联机床6,7，和医疗设备 8 。自并联机器人是很简单的，也有一般并联机器人的优点，它们是开发喷涂设备 9 最好的备选对象。 随着并联机器人在机床和机器人中的应用，动态性能评价越来越受到重视。这是动态优化的基础设计相比于动态性能的检测措施，动态性能的检测措施是稀缺的。广义惯性椭球 10 和动态可操作椭球 11 是动态可操作椭球机械手动态性能评价的两种常规调节指标。作为广义惯性椭球和动态可操作椭球的延伸，哈提卜 12 提出了一种带惯性椭球研究机器人的动态性能，和 Tadokoro等人 13 提出的基于随机间随机动态的可操作性机械手运动的解释，黎等 14 提出了局部和全局指数在艰难方向可操作度应该被考虑其中。亚济德曼苏里和瓦里 15 提出了一种机器人智能均匀性测量，基于功率概念的机器人性能检测措施。这项措施可以用来评估具有旋转和平移自由度的机械手的操作。虽然这些指标可以评价机械手的动态性能，他们大多不考虑动态性能的各向同性。本文所设计的喷漆设备用复杂的表面绘制大对象。因此，喷漆设备需要频繁的加速或减速，以提高喷涂效率。因此，对于运动性能的评价，动态性能也是必要的，特别是在所有方向的加速或减速性能。 在本文中，提出了用于喷涂机器人的三自由度并联机器人的动态性能评价指标。该指数不仅可以评估的动态性能机械手，也能反映动力学性能的各向同性。从结构描述和运动学出发，确定了四种工作模式和工作空间。逆动力学是运用虚功原理。动态性能评价指标设计的基础是最大和最小幅度的加速度矢量产生的移动平台B 单位驱动力。比较了四种工作模式下的动态性能。本文的结构安排如下：第2节给出了结构描述和运动学。奇点与工作并联机器人的空间在第3节研究。第4节推导的逆动力学模型，这是用来研究在第5节的动态性能。6节论述了数值模拟。结论见第7节2、系统结构与运动学2.1建筑规范 喷涂一个长有锥形表面的物体，喷漆设备至少应有五个自由度。在绘画过程中，画的对象可以分为两部分各部分分别喷涂。基于喷涂的过程，一个五自由度喷涂设备的设计，如图1所示。喷漆设备由一个龙门架，两个串联并行机构和工作台进给机构。进给工作台可在底座上移动，被喷涂物体固定在进给工作台上。串并联机构可以沿龙门架上下移动。串行并联机构由PRRPRR机械手和一个转动自由度的手臂。旋转臂连接的PRRPRR并联机器人运动平台。当串并联机构位于机架的某一位置，平行机械手的工作平面如图1所示，工作平面与工作面相交对象的运动轨迹。同样，当串并联机构在不同的位置，不同的轨迹可以得到和PRRPRR机器人任务空间得到的相似，可以认为这些轨迹与图1所示的轨迹形状相似。设计的PRRPRR机械手需要满足工作空间要求。相比三条腿连接的移动平台的完全并联机器人，并联机器人有两条腿和PRR腿有双重的功能作为一个链路和致动器16,17。 这种妥协失去了一些刚度，减少了并行机构，增加了功能的工作空间。在本文中，工作空间和PRRPRR的机械手的动态性能是ST 研究。2.2 反向动力学 图2显示了一个并联机器人的运动模型在绘画设备。并联机器人组成的导轨，两个滑块和，连接和,移动平台。滑块和是通过安装在导轨丝杠上的两个伺服电机驱动。连接杆是由固定在滑块上的伺服电机进行驱动。整个结构确保了移动平台在平面和围绕机械手运动平面轴线的旋转。 一个基准坐标与轴垂直放置连接到导轨的一端。移动坐标系统是连接在移动平台上，同时轴能够沿着运动平台轴线移动。连接杆的链接路径约束方程可以写成： （1）其中是点在坐标系中的坐标。是点在坐标系中的位置向量。是相对于坐标系的位置向量。R是从坐标系到坐标系的旋转矩阵，是移动平台的旋转角度。和是连接杆的长度和单位向量。，是连接杆的旋转角度，。将代入到等式（1）中，可以推导出 （2）基于等式（1）和等式（2），可以被表达成 （3）当一个或多个奇异值是零，直接运动奇异性的发生和运动平台可以拥有即使在所有的致动器都在某些方向上的无穷小运动完全锁定。这种类型的奇点发生时。基于等式（10）， 人们可以看到，直接运动最规律时，连接杆和是共线的。如图4所示。在工作模式1和3中，图4（a）的配置可以在时发生。图4（b）的配置可以发生在工作模式2和4时，。 机械手可以沿导轨和范围移动取决于导轨的长度。因此，是独立的。这里只研究Y和的极限工作空间。移动平台到达上下限时，让Y最大值和y最小值成为质量中心的y坐标。因为Y当为特定时，可以根据，Y和y最小值来确定。此外，的范围可以根据喷涂要求。然后，并联机器人的工作空间可以被发现。 如图5所示，滑块的运动轨迹是L 1和L 2的半径的圆，和B 1和B 2为中心。对于给定的，y极大值等于y坐标 当连接杆是垂直的。如果0、y 的最小值等于当连接杆与导轨平行时点的y坐标。如果 0，工作模式1和3有更大的工作空间。与此相反，模式2和4有一个更大的工作空间 当 0的配置，并且模式2和4更适合与 0时有更大的工作区。工作模式2 和4有更大的工作空间时， 0。在四种工作模式下，随着Y坐标的增加，加速能力变差。工作模式1和4有一个很大的。工作模式1 和3有一个很大的的变化，在一个小范围内的工作空间。考虑到加速性能和加速性能的各向同性，工作模式1是最好的在四种模式之中。 附录2 外文原文树干喷涂机器人设计摘 要本文将机器人自动控制技术与人机一体化技术结合起来，使用Solidworks、CAD分析等软件设计研究树干喷涂机器人，使其能够完成树干喷涂机器人的设计任务、理论分析任务、加工制作任务、控制系统检测任务。在进行机械结构设计的过程中，充分利用Solidworks软件的功能，使设计具有图形化、模块化、层次化的结构，提高了设计效率。在进行设计结构分析过程中，充分利用有Solidworks、CAD软件的功能，使分析过程更加合理，分析结果准确。在设计完成后，进行加工制造，发现加工过程中的问题，进一步完善作品。最后使用Arduino控制板。对树干喷涂机器人进行了控制。所以本课题设计研究的树干喷涂机器人，对于机电一体会技术的应用、软件的分析处理功能的应用、制造过程中问题的解决都具有重要意义。关键字：树干喷涂技术，机电一体化技术，Solidworks，CAD，ArduinoABSTRACT In this paper, we combined The robot automatic control technology and man-machine integration technology combined with Solidworks, CAD analysis software design of trunk spraying robot, which can complete the design task of trunk spraying robot, task analysis, task processing, detection task control system. The mechanical structure design process, make full use of Solidworks software functions. The design has the graphical, modular, hierarchical structure and improve the design efficiency. In the course of structural analysis, make full use of Solidworks, the function of CAD software, make the analysis more Reasonable and accurate analysis results. Upon completion of the design, manufacturing, processing and found problems in the process, to further improve the work. Finally, using the Arduino control panel. The trunk spraying robot was controlled. So this topic design of trunk spraying robot, the application of mechatronic technology, application analysis software that is of great significance to solve the problems in the manufacturing process.Key words: Trunk spraying technology, mechatronic technology, Solidworks, CAD, Arduino- 2 -目 录- 3 -1. 绪论1 1.1 课题的目的和意义1 1.2 国内外喷涂机器人发展概况1 1.3 本论文研究的主要内容32. 树干喷涂机器人结构设计4 2.1 树干喷涂机器人车身设计4 2.2 树干喷涂机器人石灰水箱设计8 2.3 电机、车轮、水泵的选型11 2.4 本章总结153. 树干喷涂机器人机械手设计16 3.1 机械手设计16 3.2机械手升降结构设计19 3.3 轴承的选型与设计23 3.4 四杆机构运动示意图24 3.5 本章小结244. 控制结构设计25 4.1 Arduino控制方案25 4.2 控制程序设计流程图26 4.3 本章小结275. 树干喷涂机器人实物制作27 5.1 制作过程中遇到的问题27 5.2 问题的解决方案27 5.3 实物展示286. 结论30参考文献31致谢32附录1 外文翻译33附录2 外文原文43- 1 -2树干喷涂机器人设计1.绪论 1.1 课题的的目的和意义喷涂机器人又叫喷漆机器人（spray painting robot）， 是可以进行自动喷漆工作或辅助其他设备进行其他材料的喷涂。喷漆机器人具备四大优点，其一是自身结构柔性大，自身实现工作的范围大；其二是相比人工喷涂它可提高喷涂质量和材料使用率；其三是整体结构易于操作和维护，可进行离线编程，大大的缩短现场调试时间；其四是设备运转利用率高，利用率可达90%-95%。喷涂机器人的大量运用，使得在危险环境下工作的劳动力得以解放，同时也提高了汽车生产制造的生产效率，并保证了极高的喷涂质量，降低成品返修率，同时使得油漆利用率得到提高，减少了废油漆、废溶剂的排放量，有助于构建新型环保的绿色工厂。树干喷涂机器人与传统的人力喷涂相比，它的工作效率很高，它自身携带大容量的石灰水箱，还有石灰水灌入机构，可以勾兑石灰水，往自身的石灰水箱罐装石灰水，提升了自身的作业时间，可以长时间工作。树干喷涂机器人未来如果推广将迅速占领整个市场，将取代传统的人工喷涂作业，用机器自主工作。在国内随处都可以看见很多大大小小的树木，那么对其在冬天的涂白工作将是很繁重的工作，所以我们的树干喷涂机器人将会迅速占领市场。树干喷涂机器人所带来的经济效益是一笔巨大的财产。 1.2 国内外喷涂机器人发展概况国外工业机器人技术在当今已经相当成熟，且在自动化生产过程中已装备机器人数量庞大，从刚开始各类通用和专业机器人的研制生产，到现在发展成为一种标准设备被工业界广泛应用。工业机器人及自动化生产线成套装备，己成为高端装备的重要组成部分，这也成为一种自动化生产的发展趋势。在汽车生产线、机械加工行业、立体式自动停车库、电子电气行业、食品加工工业、物流、制造业等领域已经广泛应用工业机器人。在全球出现了一批有竞争力的知名机器人公司，包括：ABB Robotics、American Robot、KUKA、FANUC、S-T Robotics、YASKAWA、Adept Technology、Emerson等，这些世界级的公司进行研发得时间早、目前技术成熟，它们开发的机器人已经向高性能、结构模块化和可重构化、可感知范围越来越广和人机交互功能更强等方面发展，其机器人大规模生产水平高，并能制造出先进的自动化生产线，基本上垄断了世界工业机器人市场。其中，日本拥有机器人的数量和产量最多，日本和德国的工业机器人及其生产线在全世界中生产应用最广、最为先进。面对国外成熟技术和国内薄弱的机器人基础，中国的机器人行业正面临着如何与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战。因此加快进行工业机器人的研究、开发与生产是我国从制造大国迈向制造强国的重要手段和必要途径，必须坚持不懈的努力发展高、精、尖、智能化的工业机器人。 我国现代机器人研究和开发开始于20世纪70年代，到80年代中期进入现代机器人的快速发展阶段，在二十一世纪开始进入到机器人产业化阶段，经过十多年努力，我国机器人装机容量实现很大的突破，开始向机器人全产业链的生产制造发展。国家大力扶持机器人技术和产业,国家科技攻关计划、国家高技术研究与发展计划等，都将机器人的研究和开发列为我国机器人行业发展的重点。我国机器人的研究开发，主要集中在高等院校的重点实验室和各研究所中，如清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、中国科学研究院大学、上海交通大学、南开大学等高校，他们在机器人的基础技术研究以及原理性样机研制方面做了大量的研究工作，并为国内机器人产业的发展打下了良好的基础，生产制作的试验样机在很多方面取得接近或超过国际先进水平的一系列成果，但距离投入实际生产应用，还存在很大的差距，研究的成果不能在短时间内投入到工业生产应用中进行产业化、大批量的工业生产。目前，我国对于机器人的研发主要包括数控机床关键技术与装备、机器人各类自动生产线、优化机器人各种操作、智能控制以及对应的软硬件设计和机器人运动轨迹规划等。 喷涂机器人的应用范围很广,我国目前的主要应用市场还在汽车行业, 机械、电子、轻工行业，这些行业对喷涂机器人的需求比例也在逐年上升。国内研制生产了至少5个品种40余台,但是其中真正用于生产的只有不到30台。其中机械电子部北京自动化研究所生产的PT系列喷漆机器人得到了较好的评价。喷涂机器人是一种主要用于表面加工、与进行美化工作的特殊机器人，可以实现环保、高效率和柔性加工生产的需要，因而在现代化的自动喷涂生产线上有望取代人工进行喷涂工作。涂层的厚度、均匀度、光泽度和丰满度等是涂装表面质量进行评价的重要指标也是喷涂机器人的重要检测指标。喷涂机器人实现安全环保、高效和高质量的喷涂工作，是未来自动化涂装生产线上必不可少的喷涂设备。采用喷漆机器人进行喷漆工作的主要优点是可以提高产品质量和加工稳定性，减少废品率，同时减少喷涂材料和能量的浪费，实现涂装的自动化生产，提高劳动生产效率。在我国众多的中、小型家具、家用电器和小型机械设备生产企业的产品加工过程中,虽然在漆料控制、物料传送以及烘干过程等中运用不同程度的机械化、自动化装备,但是在面对像喷涂这样一个单调、重复的动作时，仍多采用人工喷漆或刷漆,这样的加工过程，环境恶劣且操作的随意性大,很难保证喷漆质量的稳定性。因此,开发经济实用的喷漆机器人有很重要的现实意义。 1.3 本论文研究的主要内容 本文通过对工业机器人的研究学习，在对工业喷漆机器人进行深入了解之后，将工业喷漆技术应用到树干涂白工作，用喷漆机器人取代人工去完成树干涂白工作，或者作为辅助设备，帮助人们去完成树干涂白工作。树干喷涂机器人是将机械和电子控制结合在一起的机电一体化产品，机械结构主要采用滚珠丝杠结构、四杆机构（平行四边形原理）、车身设计等，控制结构主要采用Ardunio控制软件控制各部分机械结构的运动。树干喷涂机器人的三维建模图如图1-1所示。 本论文设计的主要内容如下： （1）树干喷涂机器人的三维建模模型。 （2）车身结构、喷涂机械手、喷嘴、机械手升降机构、石灰箱、石灰水罐装机等机构的设计。 （3）各种机构的设计计算说明。 （4）控制程序设计。 （5）实物制作及制作过程中问题的解决。 图1-1树干喷涂机器人三维建模图2 树干喷涂机器人结构设计 2.1树干喷涂机器人车身设计 2.1.1设计信息采集在连大校园内有很多树木，我们通过随机采样，在校园内采集100颗树木的周长，对这些数据进行研究，以确定机械手的大小。将采集到的信息绘制成如表2-1所示的信息表格。信息主要来源于防火通道、纪念园、博学楼、日新楼、图书馆辅楼等地域。表2-1 树干周长数据采集表树干周长数据采集表(单位mm)第一组820452553675386643589712623675第二组635662658521489623716489636710第三组860526812536713537612659732649第四组667676692472589610709761351489第五组872743638532616731698543578649第六组359796742543487618637483569616第七组8034331543428627584716598629389第八组5766521375506489537645572613716第九组6234895366237541232631598703812第十组498267562581629638710529533596 在校园内进行随机采样，收集了20颗树木的涂白高度，如表2-2所示。表2-2树干涂白高度信息表树干涂白高度（单位mm）第一组105210921011104810731100104610131089598第二组578104310381058103610731035102910471053在校园内进行随机采样，收集了10个树木围栏尺寸，如表2-3所示。表2-3树干围栏尺寸信息表树干围栏尺寸（单位mm）围栏尺寸1286110511471242115612381167113812561249 2.1.2 信息处理结果 采用绘制散点图、折线图等数据处理方法，对所采集到的信息进行处理，处理结果如图2-1、图2-2、图2-3所示。 图2-1树干周长采集散点图 图2-2树干涂白高度折线图 图2-3树干围栏尺寸折线图 通过散点图、折线图可以直观的看出，树干周长主要集中在500mm700mm之间，树干涂白高度主要集中在1000mm1100mm之间，树干围栏尺寸主要集中在1100mm1300mm之间。 2.1.3车身设计参数选择 根据取样调查结果显示，树干涂白高度在10001100mm之间，为了方便车身结构设计，我们选用1050mm作为树干涂白高度。 根据取样调查结果显示，树干周长主要集中在500-700mm之间，通过公式，得树干的半径是在79.58111.41之间，因为树干喷涂机器人的机械手要完全包裹住树干，故机械手的半径要大于111.41mm，取整之后我们采用半径为120mm的机械手。 根据取样调查结果显示，树干围栏尺寸在11001300mm之间，且主要集中分布在1200mm左右，为了方便车身结构的设计，我们采用1200mm的树干围栏尺寸，围栏面积为，假设每棵树都种在围栏的中间位置，那么根据结果计算出树干的圆心到围栏边的尺寸为600mm。 最终确定车身尺寸为：450*390*1200mm,第一层高度240mm,第二层高度700mm。 2.1.4车身结构方案 车身结构采用双层结构，主体喷涂机构由喷涂机械手臂、龙门架及对应的支撑运动等部分组成，第一层主要放置驱动机构，放置四个伺服驱动电机、一个滚珠丝杠驱动电机、石灰水箱与机械手连接的水泵。第二层主要放置石灰水箱与石灰水灌装机。第一层与第二层之间进行焊接，将它们连接在一起。然后，将机械手升降机构安装在车身上组成完整的树干喷涂机器人的车身结构。设计图如2-4所示。 图2-4树干喷涂机器人三维模型图 2.2 树干喷涂机器人石灰水箱设计 2.2.1 石灰水箱尺寸设计树干喷涂机器人为了适应长时间的作业，就需要大容量的石灰水箱与其相配合，更有效的进行工作。根据调查结果显示，树干的半径为79.58111.41mm，通过公式得树干的底面积为19895.0538992.89，根据调查显示，树干的涂白高度为1200mm，通过公式得树干涂白源体积为23874054.446791468.0。假设树干的涂白厚度为0.5mm。通过计算得树干的涂白后的体积为24175710.647213795.0，通过计算的树干的涂白层厚度的体积为301656.2422327.02，折算后涂层体积为0.300.42L。在喷涂机器人车身的第二层设计了石灰水箱，尺寸为,石灰水箱的容积为54.87L，能够喷涂树木个数为182130棵。这样的石灰水箱可以为树干喷涂机器人提供长达180棵树木的喷涂工作，实现了树干喷涂机器人的长时间、高效率的作业功能。 2.2.2石灰水的罐装设计树干喷涂机器人作业需要石灰水的罐装，车载石灰水箱的容积为54.87升。在一次作业完毕后，需要罐装新的石灰水，所以需要设计石灰水罐装机构。石灰水是由生石灰10份、水30份、食盐1份，粘着剂（如粘土、油脂等）1份等组成，其中具有杀菌治虫的作用是生石灰，延长作用时间的成分是食盐和粘着剂，还可并在其中加入有针对性的杀虫剂以提高整体效果。所以石灰水罐装机构需要考虑到石灰水中的颗粒、残渣等杂质，通过对比调查我们最终选用，石灰水罐装口径为105mm，罐装口深80mm，过滤网口宽度3mm，石灰水罐装输水口口径50mm，侧注水口口径18mm。如图2-5所示。图2-6是实物制作石灰水罐装管道图，图2-7是石灰水罐装机构罐装口图。 图2-5 石灰水注水装置外形图 图2-6石灰水罐装管道图图2-7石灰水罐装机构罐装口图 2.3电机、车轮、水泵的选型 2.3.1 电机的选型树干喷涂机器人将要工作在砖瓦路，因为路面不平，且常常会出小大大小小的缝隙、与大小不一的石子。所以电机的选择很重要。 图2-8车轮电机图 机械所需输入功率Pw由机器工作阻力和运动参数计算求得,即 输出功率计算： 取P =1.20.25=0.3 KW根据表2-9电机选用要点选择电机。 选择要点一根据机械负载特性、生产工艺、电网要求、建设费用、运行费用综合指标，合理选择电动机的类型。选择要点二根据机械负载所要求的过载能力、启动转矩、工作制及工况条件，合理选择电动机的功率，使功率匹配合理，并具有适当的备用功率，力求运行安全、经济可靠。选择要点三根据使用场所的环境，选择电动机的防护等级和结构型式。选择要点四根据生产机械的最高机械转速和传动调速系统的要求，选择电动机的转速。选择要点五根据使用环境温度，维修检修方便、安全可靠等要求，选择电动机的转速。选择要点六根据电网电压、频率，选择电动机的额定电压、频率。总结在选用电动机时，要努力执行国家技术经济政策，积极采用节能产品和新产品，提高综合经济效益。表2-4电机选用要点最后选用24V直流伺服电机。 2.3.2车轮的选型 树干喷涂机器人的作业场地不平，且常常会出小大大小小的缝隙、与大小不一的石子。所以车轮为了能够适应工作场合，需要加宽轮毂的宽度，且增加轮胎橡胶层以防过度磨损。 图2-10车轮图 轮毂尺寸为：轮毂厚20mm，轮毂直径80mm， 车轮尺寸：橡胶层厚度为10mm，轮胎直径100mm 选择较宽的车轮，目的在于让树干喷涂机器人能够适应作业场地的作业环境。 2.3.3水泵的设计 树干喷涂机器人要将石灰水箱中的石灰水输送到树干喷涂机器人的机械手喷嘴，进行喷涂作用。所以在喷涂机械手臂与石灰水箱要安装一个水泵，将石灰水输送到喷涂机械手。石灰水的输送管道采用6mm的塑料管，通过水泵将石灰水从石灰水箱中抽出来，然后通过管道连接器，将6mm塑料管中的石灰水转换到4mm的塑料管中，加大石灰水的压力，输送到树干喷涂机械手臂上的喷嘴，然后通过雾化装置将石灰水雾化，然后再喷涂到树干上。采用水管连接器，一分器、二分器、三分器，管径选择为4mm、6mm。图2-11是水管连接器图 、图2-12是连接器的应用图。 图2-11水管连接器图 图2-12连接器的应用图 水泵的要求如下:（1） 为了实现长时间的作业，我们必须选择高效的水泵。（2） 水泵的压力必须能够将石灰水从雾化喷嘴口处压出，且石灰水还具有一定的压力。表2-4水泵参数选择表 最后我们选用KQYH25-200叶轮代号D系列的水泵 2.4、本章总结 车身尺寸：450*390*1200mm；树干涂白高度：1050mm；水箱设计尺寸：390*210*670mm； 石灰水罐装机构设计：输水口口径50mm，滤网口径3mm；轮毂尺寸为：轮毂厚20mm；轮毂直径80mm；车轮尺寸：橡胶层厚度为10mm，轮胎直径100mm3、树干喷涂机器人机械手设计 3.1、机械手设计 3.1.1 机械手设计方案方案一：面喷涂机械手机械手采用U字型机械手，通过夹持装置，夹持住树干的两个侧边面，先对其进行喷涂，之后机械手随着车身做周转运动与上下升降运动完成整棵树的涂白工作。机械手结构如图3-1所示。图3-1面喷涂机械手图方案二：整体包裹喷涂机械手整体包裹喷涂机械手是利用关节的原理，首先先将机械手打开，将树干放入到其中，在机械手关闭的整个过程中，机械手上的各个喷涂小块定轴转动，一个接着一个动，最终实现树干的包裹，然后利用树干喷涂机器人的升降机构带动机械手自上而下的进行移动，一个周期后，便可完成树干的涂白工作。机械手结构如图3-2所示。图3-2整体包裹喷涂机械手图方案三：喷嘴雾化机械手喷嘴雾化机械手是利用雾化器将石灰水在机械手喷嘴处雾化后喷涂到树干的原理。机械手在作业前首先处于张开状态，运动到距离树干合适距离时，逐步慢慢控制机械手的关闭。关闭后的状态是：树干喷涂机械手的喷嘴距离树干有一定的距离，在石灰水通过水泵运输到机械手喷嘴处时，通过雾化器，能够将石灰水直接喷涂到树干表面。机械手关闭后，在升降机构的带动下，自上而下进行作业，一个周期后，完成树干的喷涂作业。如图3-3所示。图3-3喷嘴雾化机械手 3.1.2 机械手设计方案选择 树干喷涂机器人设计的核心是喷涂机械手的选择，我们首先对喷涂机器人机械手臂的设计方案进行比较。比较方案如表3-1所示。表3-1喷涂机械手方案比较表喷涂效率喷涂质量适用范围制作难易程度方案一低良好窄简单方案二较高较好较宽难方案三最高最好最宽较难 在对机械手的三种设计方案进行对比之后发现，方案三是最好的，它的制作虽然比较难，但是它的喷涂效率、喷涂质量、适用范围等衡量指标都是最优的，所以通过比较选择，我们选用方案三做为我们的机械手设计方案。 3.1.3 机械手张开、闭合设计 机械手张开设计： 树干喷涂机器人机械手张开设计，主要采用四连杆结构，通过四连杆的运动，带动机械手的张开与闭合。 机械手的开口角度由连杆的最大角来确定，最终实现对树干的包围。 3.1.4 机械手石灰水注入设计 机械手上总共安装8个喷嘴，每个喷嘴都是由总注水口注入石灰水，然后连接雾化喷嘴，以张角为120度，这样能够实现树干的整体全部喷涂以及一次性喷涂任务。 3.2机械手升降结构设计 3.2.1 设计方案 方案一：鉴于叉车的机械臂通过链条的传动，可以实现高效率的工作，提高了机械手的可载重量，且设计结构比较简单。借鉴叉车机械臂的链条传动结构，我们采用链传动结构，对树干喷涂机械手进行传动，使其实现上下的升降运动。 方案二：预采用滚珠丝杠结构对机械手进行上下的升降运动，丝杠结构能够实现高效率的传动，且运动平稳。表3-2链传动与丝杠传动比较表链传动丝杠传动1、链传动没有弹性滑动，能保持准确的平均传动比；2、链传动需要的张紧力小，作用于轴的压力也小，可减少轴承的摩擦损失；3、结构紧凑；4、能在温度较高、有油污等恶劣环境条件下工作；5、平均传动比准确,传动效率高，轴间距离适应范围较大，能在温度较高、湿度较大的环境中使用；6、但链传动一般只能用作平行轴间传动，且其瞬时传动比波动，传动噪声较大。1、滚珠丝杠传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠副的传动效率可高达92%一99%，功率消耗相当于普通丝杠传动的1/4一1/3，同时由于发热小，可以实现高速运动；2、滚珠丝杠传动平稳，不易产生爬行。3、定位精度、传动刚度高。4、不能自锁，具有可逆性。既能将旋转运动转换成克线运动，也能将直线运动转换成旋转运动。因此丝杠在垂直状态使用时，应增加制动装置；5、同步性能好，无侧隙、刚性高。 通过对链传动与滚珠丝杠传动做比较，最终决定采用滚珠丝杠结构。 3.2.2 升降结构参数计算 由2.1节设计可得，树干的涂白高度为1050mm，故我们设计的机械手升降高度大于1050，可实现作业高度要控制在1050mm，这样才能保证对每棵树的喷涂高度是一致的。 丝杠结构设计： 滚珠丝杠结构是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想结构。本设计采用将回转运动转化为直线运动的滚珠丝杠结构。 由螺杆、螺母和滚珠组成滚珠丝杠。滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转化成线性运动，或将扭矩转化成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。滚珠丝杠设计计算： （1）丝杠副的导程 最高移动速度； 电机最大转速 ； 传动比 电机与丝杠之间为齿轮连接式，； 查得电机的转速为 得 查现代机床设计手册取 （2）初选滚珠丝杠副 由公式知 (3-1) 查表得 代入数据可求得 （3）确定允许的最小螺纹底径 估算丝杠允许的最大轴向变形量 (3-2) (3-3) 重复定位精度 定位精度 推导得 (3-4) (3-5) 取两种结果中的最小值 估计最小螺纹底径 丝杠取两端固定的支撑方式 (3-6) (3-7) 静摩擦力 已知行程 代入数据得 （4）确定滚珠丝杠副的代号 选用内循环浮动式法兰，直筒螺母型垫片预紧形式 由计算出在现代机床设计手册中选取相应滚珠丝杠副为 （5）确定滚珠丝杠副预紧力 (3-8) 其中 (6)行程补偿值与拉伸力行程补偿值 (3-9)式中 (3-10) 查现代机床设计手册得 代入数据得 预拉伸力 (3-11) 代入得 (7)确定滚珠丝杠副支撑用的轴承 轴承所受最大轴向载荷 轴承类型 两端固定的支撑形式 轴承内经 代入数据得 轴承预紧力： 根据现代机床使用手册选取轴承型号规格 当,所以选7602030TVP轴承 （8） 传动系统刚度丝杠最小抗压刚度 (3-12) 其中 代入得 丝杠最大抗压刚度 (3-13) 代入数据得 支撑轴承组合刚度一对预紧轴承的组合刚度 (3-14) 其中：查现代机床制造手册得7602030TVP轴承室预加载荷的3倍 支撑轴承组合刚度滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度 (3-15) 其中： 代入数据得（10） 刚度验算以及精度的选择 (3-16) 代入得 (3-17) 代入得 (3-18) 已知 其中 验证传动系统刚度 传动系统刚度变化引起的定位误差 (3-19)（11） 确定精度以及规格代号 确定精度 ：对系统而言任意300mm内行程变动量 ，定位精度为 确定丝杠副的规格代号 已确定的型号为：FFZD 公称直径：10mm，导程：5 螺纹长度1050，丝杠长度：1100 P类5级精度 所选规格型号：FFZD4005-3-P5/1100*1 3.3 轴承的选型与设计 机器人轴承设计与选用分析 图3-4轴承图 滚动轴承的基本结构 1-外圈；2-密封；3-引导环；4-滚动体；5-内圈；6-保持架 (1)选择 合理选择轴承的类型、尺寸系列、内径以及诸如公差等级、特殊结构；综合考虑， 选择轴承608 (2)计算 径向力 （320） 派生力， （321） 轴向力 由于，所以轴向力为， （322） 当量载荷 由于： ， 所以，。 由于为一般载荷，所以载荷系数为，故当量载荷为 （323） 轴承寿命的校核 （3-24） 所以轴承符合设计要求。 3.4 四杆机构运动示意图图3-5四杆机构运动示意图 3.5 本章小结 本章主要进行了机械手设计、滚珠丝杠设计与轴承的校核。机械手设计方案：喷嘴雾化机械手。滚珠丝杠结构设计：型号为：FFZD；公称直径：10mm，导程：5；螺纹长度1050，丝杠长度：1100；P类5级精度；所选规格型号：FFZD4005-3-P5/1100*1。轴承的校核，经校核轴承的选择符合预定设计目标。4.控制结构设计 4.1 Arduino控制方案 一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，适合初学者学习。其中包含硬件部分（各种型号的Arduino开发板）和软件部分（Arduino IDE）。 Arduino是由欧洲开发团队于2005年开发。 Arduino构建于开放原始码simple I/O界面板，并且具有类似Java、C语言的ProcessingWiring开发环境。主要包含两个主要部分：硬件部分是可以用来做电路连接的Arduino电路板，另一个软件部分则是Arduino IDE。你只需在IDE中编写程序代码，并将其写到电路板上，程序便会告诉Arduino电路板要做的动作。Arduino能通过装在上边的各种传感器来对周围环境进行感知，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。控制器可以通过编程语句来编写，编译成二进制文件，烧写进微控制器。 编程时利用基于Wiring的编程语句和基于Processing的Arduino 开发环境来实现。对Arduino 进行开发不仅可以节省很多的时间，同时还会减轻设计者的负担而且还可以通过这个平台非常方便快捷的与同道中人进行交流学习。本控制程序主要实现：（1） 树干喷涂机器人的运行。（2） 树干喷涂机械手的升降运行 4.2、控制程序设计流程图 开始 传感器检测是否有树否 是 机械手舵机工作机械手张开 距离传感器检测机械手到树干的距离 机械手闭合 丝杠电机工作否 水泵开启 丝杠末端触碰传感器 是 丝杠电机停止 水泵停止工作 机械手舵机工作机械手张开 树干喷涂机器人后退 机械手舵机工作机械手闭合 结束 4.3 本章小结 完成了对树干喷涂机器人的控制程序设计。5树干喷涂机器人实物制作 5.1 制作过程中遇到的问题 在对树干喷涂机器人进行整体设计完之后，我们又对其进行了实际的制作，将我们的设计理念付诸于实践。但是在制作过程中我们又遇到了很多问题。（1） 如何进行车身的固定与连接。（2） 如何将车轮固定到车架。（3） 机械手在滚珠丝杠螺母上的固定。 5.2 问题的解决方案面对如此多的问题，我们在老师指导下，对问题逐步进行了解决。（1） 面对车身固定连接问题：在设计初期，采用角铁与螺栓螺母配合，对车架进行固定。可是在实际动手制作过程中发现，在25*25的方钢上打孔首先难到我们，因为25*25方钢比较厚，在打孔过程中不易打穿，而且很容易折断钻头，一时间无法进行下去。我们想能否采用铆接的方法将其固定，可是最终发现铆钉不能穿过方钢。最后在研究了方钢的特性后发现，其使用焊接方式很容易固定，而且不易断裂。最终我们在学习焊接技术后，采用焊接技术将车身进行了固定，完美解决问题。（2） 面对车轮与车架的固定问题：在设计初期，采用螺钉连接，将车轮固定到车身上。可是在实际制作过程中发现，打孔过程很难在已经安装好的车架上进行打孔，打到的孔也不能与车轮架很好的配合，因为很难做到在一条直线上。在经过讨论之后，我们采用紧定螺钉直接固定的方式将车轮架与车身固定。（3） 在面对机械手在滚珠丝杠螺母上的固定问题：在设计初期，我们采用螺栓组配合进行固定。可是在制作过程中发现，这样固定会出现头重脚轻的问题，因为机械手的整体质量太大，而固定不能将其配平，所以出现了机械手前面一部分下垂的问题。为了能够实现机械手的功能，我们在后端拉钢丝绳，这样能够减轻头重脚轻的问题。 5.3 实物展示图5-1树干喷涂机器人实物效果图图5-2树干喷涂机器人机械手与丝杠结构图6. 结论：本文详细地阐述了树干喷涂机器人的总体设计、结构的设计、设计参数的计算、采用零部件型号的选择，以及树干喷涂机器人运动仿真。(1)按照树干的涂白高度、涂层厚度的要求，首先设计了车身结构。(2)根据设计目标，选择结构。设计滚珠丝杠螺母副结构、喷嘴雾化机械手、石灰水箱设计、石灰水勾兑与罐装机构设计、车轮的设计。(3)对滚珠丝杠螺母副、轴承寿命进行校核。 （4）根据设计，制作实物。 （5）控制程序的设计。 最终树干喷涂机器人基本可以完成预想的工作任务。受时间和条件的限制，该系统还有一些工作需要进一步完善，希望工作后有机会继续改进，也希望各位老师能够提出改进意见。参考文献1 杨书评，宫迎辉，王海丹，王思斯 北京机械工业自动化所. 机器人自动化及生产 线关键标准研究J. 2 赵俊英,戈美净,王青云 ,温国强天津中德职业技术学院. 机器人自动喷涂系统的方案设计与三维建模M. 3 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J.)11 孟慧杰，尹志新.广西大学机械工程学院.喷漆机器人工艺分析及优化研究J12 A Novel Trajectory Planning Scheme for Parallel Machining Robots Enhanced with NURBS Curves Javad JahanpourMehdi Motallebi Mojtaba Porghoveh J Intell Robot Syst (2016) 82:25727513 OPTIMAL VELOCITY TRAJECTORY GENERATION FOR SPRAY PAINTING ROBOT IN OFFLINE MODE ，Mayur V Andulkar Shital S Chiddarwar Anshul K Paigwa，Department of Mechanical Engineering, Visvesvaraya National Institute of Technology, Nagpur14 Workspace and dynamic performance evaluation of the parallel manipulators in a spray-painting equipment, Jun Wu, Ying Gao , Binbin Zhang,Li Pi wang, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing 44 (2017) 19920715 机械设计手册、现代机床设计手册 致谢 本论文是在导师李洋流老师的细心指导下完成的。导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不禁使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处事的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导新完成的，倾注了导师大量的心血。在此谨向导师表示崇高的敬意和感谢! 其次，还要感谢这四年来教我知识的老师们，毕业论文能够顺利完成，你们也都有很大的功劳。 最后，要向这四年大学生活期间所有帮助过我的同学们以及各位朋友们说一声谢谢。 这次的毕业设计,对于培养我们理论联系实际的设计思想;训练综合运用机械设计和有关先修课程的理论,结合生产实际反系和解决工程实际问题的能力;巩固、加深和扩展有关机械设计方面的知识等方面有重要的作用。 写作毕业论文是一次再系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新、生活的开始。希望大家在将来的生活中继续追逐最初的梦想，永不放弃。附录1 外文翻译并行工作空间与动态性能评估喷漆设备中的操纵器摘要本文所要介绍的是工作空间和PRRPRR并联机器人在喷涂设备中的动态性能评价。平面完全并联机器人的功能工作空间往往是LIM 它因其机械部件之间的限制。该平面三自由度并行机械手的两连接移动平台的基本运动链可以在减少干扰性的同时仍然保持3自由度。在运动学分析的基础上，分析了四种工作方式，并对其奇异性进行了研究。工作空间的调查和逆动力学制定使用虚功原理。动态性能评价指标的设计，理论上的最大和最小幅度的加速度矢量的移动平台所产生的单位驱动力。该指标不仅可以评价机械手的加速性能，而且能反映加速性能的各向同性。进行了工作区和四种模式的动态性能在主振型的比较，确定了锥面大物体的最佳工作方式。1、介绍 并联机器人在学术界和工业界备受关注，因为它们在高动态和高精度结合结构的封闭运动回路 1 。并行主机在工业领域广泛应用，如飞行模拟器 2 、并联机床 3 和并联运动学机器输送机预处理和电泳车身 4 。平面并联机器人主要用于操纵平面上的物体。一个平面被认为是一个平面机制，如果所有的移动件都在这个平面内移动，那么他们彼此间将进行平行的平面运动。平面并联机器人作为并联机器人的一个重要分支、，因为结构简单等特点被广泛应用于工业领域，例如，选择和应用 5 ，并联机床6,7，和医疗设备 8 。自并联机器人是很简单的，也有一般并联机器人的优点，它们是开发喷涂设备 9 最好的备选对象。 随着并联机器人在机床和机器人中的应用，动态性能评价越来越受到重视。这是动态优化的基础设计相比于动态性能的检测措施，动态性能的检测措施是稀缺的。广义惯性椭球 10 和动态可操作椭球 11 是动态可操作椭球机