喷漆机器人结构设计.doc

第1章 绪论喷漆机器人结构设计1.1 机器人的研究发展现状机器人有50至60年的发展历史。1959年美国的发明家英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台机器人，机器人第一次出现在人们的视野中。英格伯格在大学时攻读的伺服电机理论，伺服电机理论是一种研究机构如何能更好地跟踪控制信号的理论。德沃尔于1946年发明了一种可以“重演”记录的运动的机器。德沃尔又于1954年获得可编程机械手专利，这种机械手臂能够按程序进行工作，同时也可以根据不同的工作需要以及工作对象编制不同的控制程序，因此在实际工作中具有很好通用性和灵活性。英格伯格和德沃尔都是研究机器人的著名发明家，他们都认为汽车工业是最适于用机器人的行业，因为汽车制造行业是用重型机器进行工作的，而且生产过程比较固定。英格伯格和德沃尔又于1959年联手制造出第一台工业机器人。这种机器人外形类似于坦克炮塔，基座上安装有一个大机械臂，大臂可绕轴在基座上转动，大臂的末端又可以伸出一个小机械臂，它相对大臂可以做伸缩运动。小臂的末端装有一个手腕，可绕小臂的轴线旋转。手腕的末端装有机械手。这台工业机器人成为世界上第一台真正可以用于实际工作的工业机器人。此后英格伯格和德沃尔成立了尤尼梅逊公司，进而创办了世界上第一家机器人制造工厂。他们因此被称为机器人之父。1962年美国机械与铸造公司也制造出工业机器人，称为“沃尔萨特兰”，意思是“万能搬动”。这两家公司制造的工业机器人成为了世界上最早的而且至今仍在使用的工业机器人。近六十年来机器人的发展史，大致经历了三个重要的阶段。第一阶段为简单个体类机器人， 第二阶段为群体劳动类机器人，第三阶段为类似人类的智能机器人。机器人发展是向着有知觉、有思维、能与人对话的方向发展的。到了二十世纪九十年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术的迅速发展，机器人技术也有了质的飞跃。除了工业机器人的性能不断提高之外，各种各样的用于其他行业的机器人也有了巨大的进展。工业机器人的发展非常迅速，下面对几个重要的研究的方向做简单的介绍。机器人操作机：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。1哈尔滨工程大学本科生毕业论文并联机器人：主体采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。网络通信功能：日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。先进机器人的发展也异常迅速。近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。下面就几个研究热点做一简单的介绍。水下机器人：目前主要用于海洋石油开采、海底勘查、落水人员救捞、管道铺以及电缆的铺设和维护。主要有有缆水下机器人和无缆水下机器人两大类。空间机器人：空间机器人技术一直是机器人的重要研究领域。目前美、俄、加拿大等国已研制出各种空间机器人。如美国NASA的空间机器人等。美国NASA的空间机器人是一辆自主移动车，重量为11.5kg，外型尺寸630 48mm，有6个车轮，它在火星探测上的成功应用，引起了全球范围内的广泛关注。核工业用机器人：国外的研究方向主要集中在机构灵巧、动作准确可靠、响应速度快、重量轻、刚度和强度良好、装有便于装卸与维修的高性能伺服机械手以及能半自主和自主移动到任意位置。地下机器人：地下机器人主要有挖掘机器人和地下管道检修机器人两大类。目前日、美、德等发达国家已研制出了用于石油、天然气输送管道检修的地下机器人。各种挖掘机器人以及自动化系统也正在研制当中。医用机器人：主要用于医疗外科手术的规划与仿真、机器人辅助外科手术、最小损伤外科、临场感外科手术等。建筑机器人：如用于高层建筑的抹灰机器人、预制件安装机器人、室内装修机器人、地面抛光机器人、用于擦玻璃的机器人等，并已经应用于实际生活中。军用机器人：近年来，美、英、法、德等国已研制出第二代军用智能机器人。其特点是采用自主控制方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任务，在战场上具有看、嗅和2第1章 绪论触摸等能力，能够自动跟踪地形和选择道路，并且具有自动搜索、识别和消灭敌方目标的功能1。可以预见，在21世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲密的伙伴。1.2 机器人发展趋势 目前国际上各国都在加大机器人的研究力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。研究内容主要有以下10个方面：1、工业机器人的操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步增强负载/自重比。向着模块化、可重构的方向发展。2、机器人控制技术：重点研究开放式和模块化控制系统，人机界面更加清楚明朗，语言、图形编程界面还正在研制当中。机器人控制器向着标准化和网络化的方向发展，基于PC机网络式的控制器已成为当今世界研究的热点。对于编程技术，除了进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。3、多传感系统：为进一步提高机器人的智能性和适应性，多种传感器的使用是这个问题解决的关键。其研究热点在于研制出有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一个问题就是传感系统的实用化。4、机器人的结构越来越灵巧，控制系统也越来越小，二者正朝着一体化的方向发展。5、机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。6、虚拟机器人技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥感操作和人机交互。7、多智能体调控制技术：这是目前机器人研究领域中的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。8、微型和微小机器人技术：这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。过去该领域的研究几乎是空白的，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微小型机器人技术的3哈尔滨工程大学本科生毕业论文研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。9、软机器人技术：主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。传统机器人在设计是没有考虑与人紧密共处，因此其所用材料多为金属或硬性材料。软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的。10、仿人和仿生技术：这是机器人技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进行一些基础研究2-5。1.3 国内外喷漆机器人的研究概况1.3.1 国外喷漆机器人的研究概况在国外喷漆机器人的设计与制造是一项十分成熟的技术，已经有三十年以上的发展历史。喷漆机器人最早是由挪威Trallfa公司（后并入ABB集团）于1969年发明的。最早运用该技术的是美国的Minhit公司、德国的Hatel公司、英国的Fudge公司等，对机器人和印刷业的发展产生过深远的影响。当时使用的是MK的h16机器人，采用的是气体和液体相结合的流量控制系统。80年代初期Hatel公司在h16机器人上首次采用气压控制的流量控制系统，同时装备了带有抽吸装置的内置阀，可避免初始污染。90年代初首次在Bergerlahr机器人自动喷涂设备上试装了涂料流量控制装置，使喷涂质量有了巨大的飞跃。随着喷涂机器人的设计与制造技术的不断创新，喷漆机器人的喷涂精度得到了巨大的提高，使得喷漆机器人在世界发达国家得到了广泛的应用。1.3.2 国内喷漆机器人的研究概况国内的喷涂机器人的研究始于二十世纪八十年代。最早的喷涂机器人的研究是由北京机械工业自动化研究所机器人中心所进行的，从七十年代初就开始了工业机器人的制造技术及其应用方面的研究。改革开放以来由于国内的汽车制造业和大型的机械制造业的发展和需求，国内的许多汽车制造厂家和大型机械的制造公司也正在开发和研究适合自己企业实际生产状况的喷涂机器人。同时许多国外的知名喷涂机器人制造厂家也纷纷与国内的企业合作或者是在国内设立分公司。如日本的安川Motoman公司与国内首钢4第1章 绪论合作，生产和研发多种用途的工业机器人；ABB公司也在上海和北京设立分公司，主要销售用于喷涂和非用于喷涂的两类工业机器人。到目前为止，喷涂机器人己成为国内市场上数量最多的工业机器人之一，但国内生产厂家自主研发和生产的喷涂机器人一般性能不够稳定、重复定位精度低、使用寿命短、喷涂质量不好，至今还未成功地应用于汽车车身涂装生产线或者是其他需要包装机械的生产线。国内使用喷涂机器人进行汽车车身涂装的汽车制造厂家基本上是采用国外喷漆机器人制造商的喷涂机器人和生产线，但是普遍存在故障排除困难、兼容性差、维修困难、升级困难等问题，从而难以真正发挥设备本身的作用。绝大部分中小型企业还是采用人工喷涂，绝大多数喷涂产品的质量不太理想，同时喷漆的浪费比较大，工人劳动强度大，工作时间短，而且涂料内的挥发物质对人体健康有很大的损害，因而开发研究和制造生产适合于国内厂家生产实际状况的高精度的喷涂机器人是十分必要的。1.4 本文研究主要内容以及背景和意义随着改革开放和我国加入世贸组织，近几年来我国的汽车制造业高速发展起来。汽车制造业在自身发展的同时也促进了机械制造业的发展，其中对工业机器人发展的促进作用尤为显著。在汽车制造生产过程中，汽车车身的涂装是最主要的生产工艺之一。涂装质量的高低决定了汽车表面的耐腐蚀能力的强弱、使用寿命的长短、汽车是否美观，而且人们在购买汽车时，对于汽车产品最直接的评价就来源于汽车的外观，因此喷涂质量的高低直接影响了一个汽车产品在市场中的竞争能力和生产厂家的经济效益。喷漆机器人具有轨迹灵活、柔性大、操作简单、维修方便、利用率高等特点。所以在汽车制造业中喷漆机器人应该是首选的涂装设备。然而我国的工业机器人的起步较晚、技术比较落后，间接导致了我国自行生产的喷漆机器人在控制精度、轨迹运行精度、喷涂质量、工作稳定性、使用寿命、性价比等方面上与发达国的喷漆机器人存在着较大的差距。目前我国的部分汽车生产厂家还在使用轨迹灵活度较低、柔性差的自动喷涂机来进行汽车车身的涂装，少数企业虽然采用了外国设备制造商的喷漆机器人，但是仍然存在着价格昂贵、维护费用高、兼容性低等问题，从而导致了竞争力和经济效益的下降。因此实现高质量的喷漆机器人的国产化，对于我国工业机器人的发展和汽车制造业的发展具有十分重要的意义。本文以用于汽车车身的喷漆机器人为研究对象，对喷漆机器人的结构设计进行了研究。全文主要内容如下：1.阅读工业机器人和包装机械的相关书籍，确定了各个关节的传动方案。根据设计5哈尔滨工程大学本科生毕业论文要求里的工作空间的要求，通过简单的计算方法，确定了两个手臂的长度。2.初步设计了传动部分的结构和连接形式，并用CAD绘制出了主要零部件的零件图和一张总装图以及腰部回转部分的部装图与腕部回转部分的部装图。3.运用所学到的理论力学、材料力学、动力学、物理学的知识并且根据机器人技术参数计算出各个关节的转动力矩和功率，再查找机械设计手册，选择了符合要求的驱动部件和传感器。4.进行了主要的传动部件的设计计算和校核。6第2章 总体结构设计第2章 总体结构设计2.1 确定驱动系统2.1.1 驱动系统工业机器人的驱动系统是直接驱动整个机器人完成指定动作的机构，而且工业机器人的驱动系统是机器人上的一个十分重要的机构，对工业机器人的性能和功能以及维修是否方便有很大的影响。如果没有一个有效的伺服驱动系统，无论机器人具有多么精确的控制系统和多么敏感的传感的系统，也是无济于事的。当今世界上工业机器人的动作自由度都比较多，以便能完成复杂的动作，其中多为五自由度和六自由度。这些工业机器人的旋转速度和直线移动速度都比较快，而且定位精度十分高，它们的驱动元件大多安装在活动支架上。而且由于施工现场的空间是有限的，所以绝大多数时候要求工业机器人所占的空间要尽可能的小，以便在有限的空间尽可能的完成多个工序。综合以上特点，设计时要求工业机器人驱动系统的设计原则是必须做到外型小、重量轻、工作稳定可靠。另外，由于工业机器人能在工作空间内任意多点定位，而且控制以及驱动程序又是灵活多变的，所以在一些结构比较复杂和多自由度的工业机器人中，通常采用伺服驱动系统。目前，工业机器人的驱动方式主要有液压驱动、电机驱动和气压驱动三种。液压驱动系统的特点主要是运行稳定可靠，但是速度比其他两种驱动慢而且外部管路较多，容易泄露。气压驱动的特点主要是响应速比较度快，广泛应用于数控机床等设备中，但是存在管路漏气的现象，维修比较麻烦。电机驱动方式具有以下特点：动力源简单、负载小、调速范围大、无需配管、维修及使用方便、使用寿命长等特点。此外，由于近年来电机都采用新型磁性材料，伺服电机的特性得到提高，同是又研制出电子线路稳定性好、效率高的电驱动方式，而且这种驱动方式和控制系统信号可以保持一致，又便于和计算机连接或者是单片机相连，能实现精密控制，可用于程序复杂、运动轨迹精度要求严格的工业机器人。因此，综合考虑后决定电驱动方式6-13。2.1.2 确定驱动机型和自由度由于工作需求的不同以及工作对象的不同，因此工业机器人的驱动机型有多种结构形式，主要包括直角坐标系机器人、圆柱坐标机器人、极坐标机器人、多关节机器人7哈尔滨工程大学本科生毕业论文直角坐标系机器人只能在x、y、z三个方向上作直线运动，因此控制方便，结构十分简8第2章 总体结构设计单，设计比较方便。但是其只能作直线运动，所以局限性比较大，只能在特定的工作场合下工作。圆柱坐标机器人的工作范围是一个类似于圆柱面的表面，操作方便和控制方便是它最大的优势，但是它跟直角坐标系机器人一样有着极大的工作局限性。极坐标机器人是一种可以做腰部的旋转运动，手臂部分的一个旋转运动以及一个直线运动的工业机器人。多关节型机器人的运动空间比前三者大，可以完成十分复杂的动作，运动轨迹灵活多变，自由度多而且结构相对简单。综上所述，喷漆机器人的驱动机型选用多关节型。又因喷漆机器人的负荷小，运动速度低，而且根据设计要求，所以采用六自由度。因此本文设计的喷漆机器人是一种六自由度关节型机器人。2.2 喷漆机器人的运动参数关节1，既腰部的旋转运动，旋转范围：170，角加速度：/2 rad/s。关节2，既大臂的俯仰运动，俯仰范围：+135至-90，角加速度：/2 rad/s。关节3，既小臂的俯仰运动，俯仰范围：+168至-80，角加速度：/2 rad/s。关节4，既腕部的旋转运动，旋转范围：185，角加速度：rad/s。关节5，既喷枪的俯仰运动，俯仰范围：120，角加速度：2rad/s。关节6，既喷枪的旋转运动，旋转范围：360，角加速度：2rad/s。喷漆机器人的整体结构形式：铰链四杆机构。手腕的负载能力：5kg，手臂的负载能力：10kg。重复定位精度：0.2mm。驱动类型：直流伺服电机。自由度数：6。安装方式：水平地面。2.3 各个关节的结构形式和平衡方式一般的工业机器人有5个左右的结构复杂的结构件，即：底座、腰部转动台支架、大臂、小臂和手腕部。目前大臂和小臂的结构比较流行的是中间有多层圆筒形套装梁结构，外型像哑铃，多为焊铸件组合结构。还有就是箱形结构，就整体来说就是比较复杂的箱体，多为铸件。为了减轻小臂的重量和大臂的负载，小臂采用空心管结构，材料是铝合金。为了增强大臂的强度，同时尽可能的降低大臂的重量，大臂采用实心的立方体结构，材料同样是铝合金。7第2章 总体结构设计手臂的平衡：为了减小驱动力矩和增加运动的平稳性，大臂和小臂原则上说都要进9哈尔滨工程大学本科生毕业论文行平衡。但当负载较小，臂杆的重量较轻，关节力矩不大，驱动装置有足够的容量时，可以省去平衡。对于喷漆机器人的设计，由于末端执行器的重量约为3kg，大臂和小臂的总重量约为60kg至70kg，因此在这里采取一定的平衡措施。对于小臂的平衡，在这里小臂采用铰链四杆的结构方式，这种结构通过后杆的质量来平衡腕部的质量，同时电机也可以放在腰部回转盘上，从而减轻大臂的负载14。8哈尔滨工程大学本科生毕业设计2.3.1 腕关节的传动机构图2.1腕关节结构示意图1图2.2腕关节结构示意图2腕关节的结构示意图如图2.1和图2.2所示。图2.1为腕部的俯视图，图2.2为腕部的主视图。如图所示，腕部有三个自由度，分别由三个减速电机驱动的。因为市场上的减速电机的输出端的轴的轴径都比较小而且十分短，故这三个减速电机需要订做，对输出端的轴进行适当的加粗加长。这里采用减速电机的原因是：减速电机是由减速器和电8哈尔滨工程大学本科生毕业论文机组成的整体，减速电机的驱动力矩比较大而起减速电机比较容易安装固定。如图，减10第2章 总体结构设计速电机1带动回转套绕z轴回转，减速电机2带动喷枪绕y旋转，减速电机3带动整个腕部绕x轴旋转。带动整个腕部旋转的减速电机3固定在一个圆盘上，由于小臂是空心管的结构形式，故减速电机可以放入小臂内部，再通过圆盘固定在小臂末端。带动回转套旋转的减速电机1和安装在回转套内部的减速电机2可以使喷枪分别绕x轴旋转和绕y旋转，这样的两个运动的合运动可以使喷枪每一时刻都正对喷涂表面，提高喷涂质量，9第2章 总体结构设计使喷漆均匀。三个运动的合运动可以使喷枪运动到工作范围的各个角度，能十分有效的运用于结构复杂的零件喷涂加工中。2.3.2 小臂的传动机构图2.3小臂关节结构示意图小臂关节的传动系统结构简图如图2.3所示。小臂做+135至-90范围内的俯仰运动，从而调节整个腕部的空间位置。大齿轮和小齿轮组成一个具有一定减速比的齿轮组，其中大齿轮所在的轴通过大臂底部的通孔与底杆连接在一起，连接形式可以是键连接或者是无键连接，由于此处的键连接的轴向定位比较麻烦，所以这里采用无键连接，具体采用在包装机械中被广泛运用的胀紧套。胀紧套具有对中精度高、安装/拆卸方便、强度9第2章 总体结构设计高、连接稳定可靠等优点。小齿轮所在的轴通过联轴器与减速电机连接。电机布置在回11哈尔滨工程大学本科生毕业论文转盘上，这样既能减少大臂的负载，同时也可以和大臂杆的驱动电机形成一定的平衡。因此，电机带动小齿轮转动，然后小齿轮带动与之啮合的大齿轮转动，从而带动底杆转动，通过铰链四杆机构实现小臂的俯仰运动。这里的铰链四杆机构的后杆与底杆既可以平衡手腕部分和部分小臂的重量，也可以使驱动电机置于腰部回转盘上，避免电机安装小臂末端，减少大臂所承受的负载。这个四杆机构在设计时应该尽可能的减少底杆和后10哈尔滨工程大学本科生毕业论文杆的重量，使之与腕部的质量接近，而且其所占空间也应该尽可能的小，综合考虑选择曲柄摇杆机构，具体尺寸会在下一章根据工作空间所设计的手臂的长度给出。2.3.3 大臂的传动机构图2.4大臂关节结构示意图大臂关节的传动系统示意图如图2.4。大臂的俯仰运动和小臂的俯仰运动的配合将实现手腕部分在工作空间内的定位。大齿轮和小齿轮组成具有一定减速比的齿轮组。大齿轮所在轴与大臂底部的通孔连接，具体形式和底杆的连接形式相同，采用胀紧套连接。小齿轮所在的轴通过联轴器与减速电机相连。电机布置在腰部回转盘上，与驱动小臂的电机对称布置。因此，减速电机带动10哈尔滨工程大学本科生毕业论文小齿轮转动，再带动大齿轮转动，从而带动整个大臂做俯仰运动。12第2章 总体结构设计这种传动方案的优点是结构简洁有效、传动精度较高、通过电机自身的调速省去了一对齿轮组从而减轻了整个腰部的负载。在安装时，驱动大臂的电机和驱动小臂的电机对称布置的方式这样有利于腰部回转盘的重量平衡，使整个结构稳定，防止了颠覆。这种结构也减小了腰部回转盘的转动力矩，减轻了带动腰部回转的电机的负担。11第2章 总体结构设计2.3.4 腰部的传动机构图2.5腰部关节结构示意图腰关节的结构示意图如图2.5。腰部旋转和大臂的俯仰以及小臂的俯仰共同配合将实现腕部在空间任意位置定位。腰部主轴与腰部回转盘用螺钉相联，大臂和小臂的驱动电机固定在腰部回转盘上的电机座上。腰部主轴是空心轴，通过键与力矩电机相连。因此，力矩电机带动腰部主轴旋转，从而使腰部回转盘旋转。精度控制方面，会在电机后部安装光栅编码器来实现对电机回转角度的控制15。这种传动方案是通过直流力矩电机直接带动整个腰部回转，免去了不必要的结构，简洁有效，降低了成本。2.4 本章小结本章主要介绍了喷漆机器人的驱动方案的选择以及确定了技术指标。完成了机器人的总体传动系统的设计。并给出了各关节的传动方案，同时进行了必要的分析论证，在这之后设计了各个关节传动机构和大体上的连接方案。说明了每个传动方案的优点和不足，并给出了需要校正的零部件的方法。11第3章 喷漆机器人机构设计第3章 喷漆机器人机构设计3.1 喷漆机器人数学模型的建立与分析设计的喷漆机器人所需要达到的最大覆盖范围是1.31.31.3。根据设计方案和预先假设，暂定大臂长1m，俯仰范围+135至-90，小臂长0.8m，俯仰范围是+168至-80，腰部直径1.5m，回转范围是170。在建立数学模型之前，假设喷枪是一个不计体积的点，由于小臂末端至喷枪的距离约为0.4m，所以在讨论时小臂的长度为原小臂杆长度加上0.4m，一共为1.2m。需要论证的数学模型是：假设大臂和小臂为不计体积的细长直杆1和直杆2，长度分别为1m和1.2m。细杆1固定在回转范围是170的圆盘上，其俯仰范围是+135至-90。细杆1的另一端连接着细杆2，细杆2的长度是1.2m，同时细杆2可以相对于细杆1做俯仰范围是+168至-80俯仰运动。需要验证的是，细杆2末端的最大运动范围是否是喷漆机器人的最大覆盖范围1.31.31.3。如果超过喷漆机器人的最大覆盖范围，则假设的尺寸符合要求，如果小于喷漆机器人的最大覆盖范围，则需要重新制定各部分的尺寸。图3.1工作的空间模型论证的细杆2末端所要达到的运动范围如图3.1所示。在论证时，假设大臂与腰部回转盘的链接点i在线段da的延长线上，由于腰部回转盘的旋转范围是170，所以只需要验证一般空间即可，另一半与之对称。综上所述，我们现在的论证空间是abcd-efgh，在论证时只需要验证细杆2的末端能否达到空间abcd-efgh的八个顶点即可。如果能在各个细杆的运动范围内达到这八个顶点，那么细杆2的末端必然能够达到空间内的其他点。13哈尔滨工程大学本科生毕业论文图3.2平面abcd 工作极限位置模型假设细杆1和圆盘的连接点i在da线段的延长线上，ij代表细杆1，i与a的距离为0.5m。如图3.2所示，当工作平面在abcd时，达到各极限位置时细杆1与细杆2的位置状态。读图可知达到d点时，细杆1的俯仰角度最大为51 ，根据设计方案知细杆1的最大俯仰角为+135 。达到a点时，细杆2相对于细杆1的俯仰角度最小为-75 ，根据设计方案知细杆2相对于细杆1的最小俯仰角度-80 。读图可知当达到其他位置时，细杆1与细杆2相对于细杆1的俯仰角度均小于设计方案中规定的极限值。所以当工作面为abcd时，手臂长度符合要求。当圆盘回转过一定角度时，使得细杆2的末端ife平面运动时，如图3.3所示细杆1和细杆2的极限位置。读图可知达到e点时，细杆2相对于细杆1的俯仰角度最小-55 ，根据设计方案知细杆2相对于细杆1的最小俯仰角度-80 。读图可知当达到其他位置时，细杆1与细杆2相对于细杆1的俯仰角度均小于设计方案中规定的极限值。所以当工作面为ife时，手臂长度符合要求。14第3章 喷漆机器人机构设计图3.3达到f、e极限时位置模型图3.4达到g、h极限时位置模型同理，当圆盘再次回转一个角度时，使得细杆2的末端igh平面运动时，如图3.4所示细杆1和细杆2的极限位置。读图可知达到h点时，细杆1的俯仰角度最大为45 ，根据设计方案知细杆1的最大俯仰角度为+135 。读图可知当达到其他位置时，细杆1与细杆2相对于细杆1的俯仰角度均小于设计方案中规定的极限值。所以当工作面为igh时，手臂长度符合要求。经过上面的计算和分析可证明小臂的末端可达的覆盖范围大于空间abcd-efgh。由于论证时的前提条件是把喷漆机器人的最大覆盖范围一分为二。所以满足一半覆盖范围时，必然能够达到对整个机器人提出的覆盖范围的要求1.31.31.3。故喷漆机器人足可满足要求的最大覆盖范围，证明方案正确，小臂和大臂的长度和俯仰角度确定的合适。3.2 腕部设计3.2.1 电机的选择手腕部分的电机的安装：带动喷枪旋转的减速电机1安装在回转套内带动喷枪夹做旋转运动，从而使喷枪时刻正对被加工。在回转套外，带动回转套回转的减速电机2安装在回转套支架的外侧，带动整个回转套做回转运动。这两处的电机的安装如图2.2所示。带动整个腕部旋转的减速电机3与安装在回转套外侧的带有法兰盘的空心轴通过胀紧套连接在也一起，这个安装面与电机2的安装面垂直，减速电机3带动整个腕部做回转运动。电机1带动喷头做旋转运动，故此电机应小巧灵便以减轻电机2的负担，因此电机1应该质量轻、体积小且能满足功率满要求。同时电机轴要与喷枪夹末端的空心轴通过胀紧套连接在一起，因此电机输出端的轴要进行适当的加粗加长。回转套的质量也要尽量的小，所以材料为铝合金类材料。假设喷头的尺寸为50200 的圆柱体，由已知条件知质量为3 kg。15哈尔滨工程大学本科生毕业论文圆柱体的转动惯量为：J =m(3 R2+L2) =3(3+) =0.01 kg.m2取喷枪的转动角速度为=2rad/s，n=60r/min取启动时间为0.1s由此转动角加速度=20rad/s2计算力矩T为：T=J=0.628N.mP=T=0.6282=3.94故订做的减速电机1的额定电压为220V，输出功率至少为4w，输出转矩至少为1N.m，转速为1400r/min，减速箱的减速比为23。电机输出轴端进行适当的加粗加长。电机2带动回转套做回转运动。设回转套为200200200的立方体。设回转套、电机、减速器、短轴、键、喷枪及喷枪夹的质量共5kg。长方体的转动惯量公式为：J=m()由于回转套为正方体，故b=h=0.2m 所以绕回转套回转中心的转动惯量为：J=5()=0.03 kg.m2取回转套的转动角速度为=2rad/s, n=60 r/min取启动时间为0.1s由此转动角加速度=20rad /s2计算力矩T为：T=J=1.884N.mP=T=1.8842=11.83 w故订做的减速电机2的额定电压为220V，输出功率至少为12w，输出转矩至少为2N.m，转速为1400r/min，减速箱的减速比为23。电机输出轴端进行适当的加粗加长，并且在末端开键槽。电机3带动整个腕部做回转运动。电机通过胀紧套连接空心轴，所以电机输出轴也要进行适当的加粗加长。设回转套为232100350的立方体。设整个腕部、回转套支架、联轴器、短轴、电机、减速器等部件的质量估算为12kg。长方体的转动惯量公式为：J=m()16第3章 喷漆机器人机构设计由于回转套为正方体，故b=0.232m,h=0.1m 所以绕回转套回转中心的转动惯量为：J=5()=0.064kg.m2取回转套的转动角速度为=rad/s，转速为n=30r/min取启动时间为0.1s由此转动角加速度=10rad /s2计算力矩T为：T=J=2.01N.mP=T=2.012=6.23w故订做的减速电机3的额定电压为220V，输出功率至少为7w，输出转矩至少为3N.m，转速为1400r/min，减速箱的减速比为46。电机输出轴端进行适当的加粗加长16-20。3.3 小臂的设计3.3.1 小臂设计的总体要求手臂杆的质量应该尽可能的小，从而减轻支撑它的大臂杆及它的驱动电机的负担。同时小臂杆还要承受整个手腕的重量以及在运动中产生的动载荷。喷漆机器人的最大覆盖范围与各个手臂的长度、手臂间的关节的转动范围密切相关。因此设计手臂时，该充分考虑根据机器人所要完成任务而提出设计要求，从而确定手臂杆的大体结构和长度。根据尽量减小手臂质量同时保持一定强度的原则，从而合理的选择手臂的截面形状和所用的材料，既满足强度要求又最大限度的降低自身重量。尽量减少对其关节的转动惯量以及偏重力矩，以减少驱动装置的负载，同时注意减少运动的动载荷与冲击。设法减小机械间隙引起的运动误差提高运动的精确性和运动刚度，可采用缓冲和定位装置，从而提高定位精度。喷漆机器人的小臂俯仰机构通过铰链四杆机构来完成，安装在腰部回转盘上的直流伺服电机通过铰链四杆机构驱动小臂实现俯仰运动。采用铰链四杆机构的目的是把直流伺服电机放到腰部回转盘上面，避免直接放到小臂与大臂的连接处，减轻小臂的重量，降低大臂驱动装置的负载，减少运动过程中产生的动载荷与冲击，提高整个喷漆机器人的响应速度。3.3.2铰链四杆机构的设计此处的铰链四杆机构共有三种设计方案，分别是双曲柄机构、双摇杆机构、曲柄摇17哈尔滨工程大学本科生毕业论文杆机构。对于双曲柄机构来说机架为最短边，又因为大臂为机架而且长度为1000mm，如果采用双曲柄机构，其它杆的杆长太长，而且上一章确定小臂的长度为800mm，因此双曲柄机构不符合要求。对于双摇杆机构来说机架为最短边的对边，既大臂与最短杆相对。如果采用双摇杆机构，会导致其他两杆的长度过长，在一定方向上占有的空间太大，而且小臂的俯仰角度不好确定，势必会增加设计难度。综合以上分析，在这里采用曲柄摇杆机构具体如图3.5所示。ab边代表大臂，长度为1000mm，ad边代表底杆,长度为400mm，dc边代表后杆，长度为1000mm，bc边代表小臂长两个连接点间的部分，长度为200mm。ab边为机架，ad边为摇杆，bc边为曲柄。这种结构首先满足了bc边长度小于小臂长度这一条件，而且所占的空间小，底杆和后杆的质量比其他两种方案要小图3.5实现小臂俯仰的铰链四杆机构的结构示意图3.3.3电机的选择首先计算动态转矩，计算动态转矩需计算转动惯量。由于电机安装在腰部回转盘上所以计算转动惯量需要折算到大臂轴i轴上，我们只需要计算出转动惯量最大时的情况，既当小臂与大臂共线时，小臂可视为绕i轴旋转，此时整个小臂体对i轴的转矩最大。1、小臂总体质量的计算21-25小臂的大体结构为分段空心圆柱，材料为铝合金体积V=lA =0.4/40.40.2/40.80.16/4 =0.007 m318第3章 喷漆机器人机构设计质量m=V=2.70.007 =18.9kg2、腕部结构对i轴的转动惯量腕部绕其质心的转动惯量为= m(b2+h2) = 0.03 kgm2平移到i轴上=+m =0.03+5(0.16+0.180.8)2 =6.53kgm23、回转套支架对i轴的转动惯量回转套支架绕其质心的转动惯量为= m(b2+h2) =0.064 kgm2平移到i轴上=+m =0.064+7(0.180.8)2=6.79kgm24、小臂结构对i轴的转动惯量由于小臂是阶梯状前一段体积=0.002 m3质量=5.4kg，此外还要加上电机减速器轴联轴器短轴的质量共8kg。小臂前段绕其质心的转动惯量为=(3 R2+L2) =0.22 kgm2平移到i轴上=+m =0.22+8(0.180.8)2 =20.7kgm2后一段体积=0.005m3质量=13.5kg小臂后段绕其质心的转动惯量为=(3 R2+L2) =0.64kgm219哈尔滨工程大学本科生毕业论文平移到i轴上=+m =0.67+13.50.82 =27.14kgm2 5、带动小臂转动的后杆和底杆对i轴的转动惯量两圆杆为铝合金材料，圆形实心直杆。后杆的尺寸为1001000，底杆的尺寸为100400。当两杆共线时，两杆对i轴的转动惯量最大。两杆的体积之和=/414=0.01m3= =2.70.01 =27kg两段同一直线时绕两段质心的转动惯量为：=(3 R2+L2)=4.48kgm2平移到i轴上=+m =4.48+27 =17.71kgm26、对i轴总的转动惯量以上计算的、均是在转动惯量最大的情况下计算得到的，所以用这些转动惯量计算出的总力矩和功率，从而选择的电机必然满足喷漆机器人在其他工作状态下的工作要求。对i轴总的转动惯量为：=+=78.87 kgm27、总力矩和功率的计算取小臂的转动角速度=/2 rad/s，转速为n=15r/min取启动时间为1 s由此转动角加速度为=/2 rad/s2惯性力矩T= =78.87/2 =123.88Nm20第3章 喷漆机器人机构设计静态力矩T：由于小臂的俯仰机构采用的铰链四杆机构，小臂自身基本可以平衡，所以静态力矩可以忽略不计。摩擦力矩T：摩擦力矩近似等于0.05倍的惯性力矩综上所述总力矩T=1.05T=124.49 Nm取电机的转速为=1500 r/min，即角速度为=50rad/s则总的传动比为:=/n=157/1.57=100故电机输出端的负载力矩为T= T/ =124.49/100 =1.24Nm电机输出端的功率为P= T =1.2450 =194.77w8、选择电机的型号一般对驱动元件有以下几方面要求：（1）惯量小，动力大。驱动元件在喷漆机器人中主要用于回转运动，所以转动惯量要小，同时比功率要大一些。（2）体积小，重量轻。主要评价的性能指标是功率密度，由于驱动元件是安装在腰部回转盘上的，如果驱动元件过大，就会导致腰部回转盘过大，所以这里要求驱动元件的功率密度应该尽可能的大些。（3）位置控制精度高，快速响应性好，调速范围大，低速平稳。（4）振动小，噪声小，安全可靠，运行平稳。（5）效率高，消耗的能源要尽可能的小。直流电动机具有优良的调速特性、调速平滑、方便、调速范围大、转速比可以达到1:200、过载能力大、轧钢用直流电动机短时过转矩可以达到额定转矩的2.5倍以上，特殊要求时可以达到10。综合考虑各种电机，这里选用辽宁本溪山城电机厂生产电磁式直流伺服电动机，型号为Z2-11，额定电压110/220V，功率0.4kw，转速1500r/min，重量32kg。电机需要调速，调速后转速为75r/min，减速比为20。3.3.4齿轮的设计与校核计算电磁式直流伺服电机经调速后要通过一个齿轮组来传递动力，再通过齿轮带动铰链21哈尔滨工程大学本科生毕业论文四杆机构运动，从而实现小臂的俯仰运动。1、选定材料、热处理方式、精度等级及齿数（1）因为电磁式直流伺服电机是经过调速的，所以输出端的速度较低，因此低速级选用直齿圆柱齿轮传动。（2）选择小齿轮材料40Cr，调质处理，硬度241-286HBS。大齿轮材料ZG35CrMo，调制处理，硬度190-240HBS，精度8级。（3）取小齿轮齿数=24，则=524=120，大齿轮齿数Z2120。2、按齿面接触疲劳强度设计mm确定各个参数数值（1）T=9.5510=9.5510(0.4/0.75) 0.99=5.0410Nmm（2）初选载荷系数为=1.4（3）查表取齿宽系数为=1（4）查表取弹性系数为ZE=188.9（5）查表取节点区域系数为=2.5（6）根据齿轮的硬度查表取小齿轮的接触疲劳强度极限为=1150 MPa，大齿轮的接触疲劳强度极限为=1120MPa。（7）取工作寿命为15年，每年工作250天，2班制小齿轮的应力循环次数N1=60n1jLh=60751525016=2.7大齿轮的应力循环次数N2=N1/5=5.7（8）查表取接触疲劳寿命系数为=1.08，=1.19（9）取安全系数为=1=1242MPa=1332.8MPa确定传动尺寸（1）初算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值 =29.04mm22第3章 喷漆机器人机构设计（2）按K值对进行修正由圆周速度=2.28m/s 查表取动载荷系数为=1.075 查表取齿间载荷分布系数为=1.2 查表取齿向载荷分布系数为=1.07 查表取使用系数为=1.00 所以载荷系数K=1.38 按K值对进行修正 =29.04=28.9mm（4）确定模数m以及主要尺寸m=1.2mm 为了防止轮齿太小引起的意外折断，m一般不小于1.5-2mm，故m=3mm。中心距a=m()/2=216mm 分度圆直径=72mm，=360mm齿宽b=72mm，取小齿轮齿宽=80mm，大齿轮齿宽=75mm齿顶高=3mm，齿根高=3.75mm3、按齿根弯曲疲劳强度校核确定各个参数数值（1）查表取弯曲疲劳寿命系数=0.95，=0.98（2）查表取齿形系数和应力校正系数=2.65，=1.58=2.16，=1.81（3）查表取弯曲疲劳极限=710MPa，=710MPa（4）取弯曲疲劳系数 =1.25可得=539.6MPa =556.64MPa（5）验算齿根弯曲疲劳强度=58.48MPa23哈尔滨工程大学本科生毕业论文=54.61MPa弯曲疲劳强度足够26-30。3.4大臂的设计3.4.1大臂设计的总体要求喷漆机器人大臂的主要作用是用来承受小臂的重量和固定铰链四杆机构的底杆，因此喷漆机器人的大臂对整个机器人能否保持稳定性起着至关重要的作用。大臂的传动形式与小臂相同，都是由直流伺服电机驱动齿轮组实现大臂的俯仰运动。大臂的整体结构为长方体实心结构，这样做的目的是为了提高其力学性能包括大臂的刚度、强度以及抗弯能力。铝合金的密度低、强度高、具有良好的抗腐蚀能力而且力学性能上接近或超过合金钢。因此选用铝合金作为大臂的材料，这样可以减轻大臂的重量，从而减小驱动元件的负载，而且可以进一步也减轻用于驱动腰部回转的驱动元件的负载。3.4.2 电机的选择1、大臂总体质量的计算大臂的大体结构为长方体并且两端中空，钻有小孔。所以实际体积要小一些，在这里计算体积时带入一折减系数，假设折减系数为0.85。材料为铝合金。体积V=hA =0.20.121 =0.024m3质量m=0.85V=0.852.70.024 =55.08kg2、大臂对i轴的转动惯量大臂绕其质心的转动惯量为= m(b2+a2) =4.77kgm2平移到i轴上=+m =4.77+55.080.52 =18.54kgm224第3章 喷漆机器人机构设计3、小臂对i轴的转动惯量小臂对i轴的转动惯量=78.87kgm24、大臂和小臂对i轴的转动惯量的总和=+=18.54+78.87=97.41kgm25、总力矩的计算取大臂的转动角速度=/2 rad/s，转速为n=15r/min取启动时间为1 s由此转动角加速度为=/2 rad/s2惯性力矩T= =97.41/2 =153.01Nm静态力矩T：当大臂和小臂在一条直线时静态力矩最大，此时T=mgr=(55.080.5+13.51.6+29.70.9) 9.8=743.53Nm摩擦力矩T：摩擦力矩近似等于0.05倍的静态力矩综上所述总力矩T=1.