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本科生毕业设计（论文）选题、审题表 学院（系） 指导 教师 姓 名 系（教研室） 制造工程及自动化系 专业技术 职 务 课题名称 喷涂 机器人设计 大 臂系统设计 适用专业 机械工程及自动化 课题性质 A B C D E 课题来源 A B C D 课题预计 工作量大小 大 适中 小 课题预计 难易程度 难 适中 易 是否 军工课题 是 否 课题简介 喷 涂机器人广泛应用于机床 、 汽车 、 家电等机电一体化产品制造领域 ,可以大大提高生 产率 、改善 产品质量 , 能够降低生产成本 、改善劳动条件 ,能迅速适应快速变化的市场需求 . 通过本机器人的设计 ,使学生将过去所学的理论知识和技能综合运用起来 ,可以培养学生独立分析工程问题、解决工程技术问题的实际能力以及创新能力 ,养成团体合作精神 ,同时锻炼学生收集资料、综述文献、应用技术工具以及绘制工程图纸和编制设计说明书的能力 . 课题应完成的任务和对学生的要求 应完成的任务： 课题调研，查阅资料，撰写开题报告及外文翻译； 总体方案论证及选择； 大 臂系统的部件设计；主要零件的设计和计算； 绘制总体装 配图、部件装配图和零件图；撰写设计说明书。 对学生的要求： 先修课程包括： 机械设计、机械制造、机器人技术、计算机应用技术及设计绘图软件的使用，如 ； 独立工作，善于思考； 具有团队协作精神；勤奋向上，积极主动，认真负责。 所在专业审定意见： 专业负责人 (签名 )： 年 月 日 注：本课题由 同学选定，学号： 注： 1该表由 指导 教师填写，经所在专业负责人签名后生效 ，作为 该专业 学生毕业设计（论文）选题使用； 2有关内容的填写见背面的 填表说明 ，并在表中相应栏内打“ ”； 3课题一旦被学生选定，此表须放在学生“毕业设计（论文）资料袋”中存档。 填 表 说 明 1 该表的填写只针对 1 名学生做毕业设计（论文）时选择使用，如同一课题由 2名及 2 名以上同学选择，应在申报课题的 名称上加以区别（加副标题），并且在“设计（论文）要求”一栏中说明 。 2 “ 课题性质” 一栏： A 产品 设计； B工程技术研究； C软件 开发 ； D 研究论文或调研报告 E其它。 3 “课题来源” 一栏： A自然 （社会） 科学基金与 省（ 部 ） 、市级以上科研课题； B企、事业单位委托课题； C校、院（系）级基金课题； D自拟课题。 4 “课题简介” 一栏： 主要指该课题的背景介绍 、理论意义或实用价值 。 学生毕业设计（论文）中期检查表 学生姓名 学 号 指导教师 选题情况 课题名称 喷涂机器人设计 大臂系统设计 难易程度 偏难 适中 偏易 工作量 较大 合理 较小 符合规范化的要求 任务书 有 无 开题报告 有 无 外文翻译质量 优 良 中 差 学习态度、出勤情况 好 一般 差 工作进度 快 按计划进行 慢 中期工作汇报及解答问题情况 优 良 中 差 中期成绩评定： 良 所在专业 意见： 负责人： 2010 年 5 月 8 日 南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院 毕业设计 (论文 )前期工作材料 学生姓名 : 学 号： 系 ： 机械工程系 专 业 : 机械工程及自动化 设计 (论文 )题目 : 喷涂机器人设计 大 臂 系 统 设 计 指导教师 : (姓 名 ) (专业技术职务 ) 材 料 目 录 序号 名 称 数量 备 注 1 毕业设计 (论文 )选题、审题表 1 2 毕业设计 (论文 )任务书 1 3 毕业设计 (论文 )开题报告含文献综述 1 4 毕业设计 (论文 )外文资料翻译含原文 1 5 毕业设计（论文）中期检查表 1 2010 年 3 月 注：毕业设计（论文）中期检查工作结束后，请将该封面与目录中各材料 合订成册 ，并统一存放在学生“ 毕业设计（论文）资料袋 ”中（打印件一律用 型）。 南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院 毕业设计 (论文 )外文资料翻译 系： 机械工程系 专 业： 机械工程与自动化 姓 名： 蒋 明 学 号： 060104235 外文出处： 11, 2002 附 件： 指导教师评语： 译文基本准确地翻译出原文的意思，层次清楚，具有条理，语句通畅，大体符合中文的表达习惯，翻译质量教好。但是，个别专业术语翻译不准，一些句子表达欠妥。 签名： 年 月 日 注： 请将该封面与附件装订成册。 (用外文写 ) - 1 - 附件 1：外文资料翻译译文 多品种 小批量生产零件的机器人 自动 喷漆 摘要：随着 信息 技术的发展，传感器和工艺处理能力可全面实现工业任务上的自动机器人编程。本文 对欧盟曲面喷涂项目 做了阐述，该项目设计出一种自动生成未知零件喷涂的机器人 程序方法 。其解决方案采取了四个步骤：激光三角法感测，几何特征检测， 喷枪 路径规划，生成 无碰撞的 可执行机器人程序。在工业伙伴展示中显示出了它的结果。 关键词：自动机器人编程，特 征检测，轨迹生成，碰撞避免，喷 漆 欧盟 曲面喷涂 项目 的目的在于实现小批量 多品种 零件 喷涂 的自动机器人编程。由于机器人程序是根据每个单一 品种 零件而建立的（使用离线编程 /人工示教编程）， 近来 机器人喷涂在大批量规模生产上是经济可行的。该 项目的目的是提供在大部分零件（见图 1）的喷涂中使用机器人的经济 可能性。其目标是要减少近75的人类编程工作和 90的人类喷漆 工作。 该技术的挑战是建立一种可以类似 漆工 那样 喷涂 从未见过的几何形状以完成喷涂任务的方法。一种可能的解决方案是利用 据计算 喷涂的路径并测量实际的 零件 位置。然而，三维 据往往不充分，因此这种方法只限于少数的应用中使用。 曲面喷涂中的“逆算法”已被开发出，它不需要任何 据。 该方法 是自动从 距离 传感 口 数据得到机器人的喷涂路径并自动生成可行的、完整的、可执行的机器人程序。这种方法用来处理广泛范围的零配件，例如电机齿轮、框架零件（车镜、板、管等）或大型压缩机 油箱 。对于每个工业 客户 零件系列 是已知的 （包括多达 70 个变种）。其目标是能够喷涂沿着传送带传送的 任何次序 零件。该技术的挑战是检测传送带上零件的几何形状，根据零件的几何 形状自动推断出机器人的喷涂轨迹并自动生成无碰撞机器人程序。 关工作 相关工作是自动生成一个三维喷涂路径，这已在 目中进行 了尝试。喷涂的运动是通过 虚拟地 折叠出的被涂曲面而生成的。显示出喷涂的运动和 - 2 - 折叠后的曲面，让喷涂的运动按照这个折叠曲面而运动。然而，这种方法只适用于当 物体 3D 模型是可以利用的并且 物体 的曲率相对比较小的情况下。从 “ 先进机器人技术 ” 取得的专利技术采用了二维数码照片作为输入 美国专利 专利号： 429689。用户在屏幕上决定 采 用喷涂 三维 的位置，然后由 机器人自动完成对喷涂轨迹的规划。 获取自动刀具的 3D 路径 第一种方法是由 考虑 平 截面 铣 削涡轮叶片 情况下使用网格单元格的方法 而得到的 。 曲面喷涂 方法 的 建立 基 于 以下 观察 ，即对于整个产品系列零件由 大量 带典型特征的初等几何元素 形成。 例如肋板 结构（冷却肋 板 ），圆柱形表面（典型的如马达）和腔体（典型的如空心结构或要获取刚度结构）。另一种类型的表面，例如后视镜的表面。这些表面是自由过渡的光滑表面，而且很难用简单的几何属性 表达 ， 例如圆筒、球形、和箱体。根据初等几何 ， 这项技术目标变成了指定这些初 等几何用于几何方法检测，实现路径规划的可开发，在应用中见到的各种几何包含在初等几何中。 初等几何类型的 技术参数 是根据观察到的零件几何结构和喷涂过程中的 约束来确定的。 其 主要思想是检测喷涂过程中的初等几何使其可以链接到一个特定的 工艺 模型。例如平几何的表面 可以用简单的直线模式进行喷涂。更为复杂的几何形状，例如腔体或肋板 状物需要特定的喷涂方法，喷涂腔体和喷涂与肋 骨 取向平行的要分开来。 初等几何类型在几何库中已定义并且与 工艺 库中规定的 工艺 知识有关。完整的曲面喷涂方法如图 2 所示。接下来的章节将概述其主要 组成部分。 激光三角测量传感器 的 零件 测量 当工件在传送带上运动，激光测距传感器 装置 扫描零件并获得该对象的三维测量点数据。扫描由 输 送机的实际零件 的 运动而触发（见图 3） 。 对于大小为一米的零件，获得了高于一毫米的分辨率。 它采取了高达 700 每秒的扫描速度。如图 4 所示，这是通过 标定 取得的。 往往 一些零件是安放在框架或垫木上 的 。这种情况下，框架或垫木被扫描并且从最后的图像中除去。图 5 显示了一个例子，零件与框架一起被测量并且零件的数据被自动提取。对于每一个 检测 的 零件 ，所有其他 工艺步骤都是单独执行的。最后， - 3 - 如果零件相互靠得近，较大机器人的喷涂运动是从 一次 行 程 喷涂多个零件而获得。 征检测器 由 件几何的任务。输出是扫描零件 使用初等几何 表面的说明。 特征检测器检测 与 喷涂 工艺相关 的 三 种 特征：自由曲面、腔体和肋状部分。传统的 距离 图像处理通常从分割开始。检测出的特征 限于 已定义几何性质 ，如平面或二次曲线。 三种特征的具体几何特征并不清楚， 它们只是用来进行特征定义。因此需要 一个通用 方法 进行 特征检测。 图 6 总结了 已开发的图像处理过程 。 采用 被分割成单个部分 的 标定 图像 并且通过具体过程来检测三种基本特征，这个具体过程下面将简要概述。具体可见参考8。 首先 腔体和肋骨状结构被检测出 后 ，所有剩余的零件表面 将被认为是自由曲面。腔体被定义为一个表面点比周围边缘 （通常意义上的外表面） 局部上 低的区域。其挑战是建立 一个 弹 健的 方法 来处理 距离 数据 噪音和阴影。 腔体边缘的检测精度在某种程度上取决于其分辨率。通过使用 插 值点法 被 发现的腔体还包括 传感器阴影的 潜在 区域。这一点对于在喷涂 工艺 中检测整个腔体区域很重要。腔体然 后表示为网格，以涵盖整个开放的腔体。图 7 显示了完整 零件的网格表示。开放的腔体 用 黑网 表示 。网格表示也有它的好处，它可以显著减少数据使喷涂轨迹的自动生成速度快。 图 7 表明了噪音容错 方法的缺陷 。最终的网格在 表 示两个套接的腔体之间的直拐角和极 窄 边 （ 3 像素）上有一定困难。然而改善三角测量凹面区域的方法已经在开发中。 肋状部分是用 最少数量等距平行线而定义的。边缘检测后，原始的 直 线段 根据共线性、邻近性和重叠性分为长线段。使用平行性将这些线进行编组。最终，形成所有线段组的特征向量 (距离、重叠、长度、线 数 )， 并用来分类肋 板 结构。图 8 给出了一个分组结果的例子。 涂规划 器 在接下来的 工艺步骤中喷枪的喷涂轨迹是根据每个初等几何计算而来。邻近的喷涂 行 程相连接 以 获得更长、更流畅的喷涂轨迹。最终的结果是一个完整的喷枪喷 - 4 - 涂轨迹。 另外生产喷涂轨迹模块 如图 2 所示，它指定一个满足 期望 喷涂 质量的喷枪轨迹。在 该 模块中，只有喷枪的运动被认为与工艺 质量有关。 对 机器人 没有约束，不考虑喷枪和它所工作环境之间的碰撞。为了规划 出喷枪的 运动轨迹，这个模块使用了几何库和 工艺 库。几何库为每一个几何基元指 定了一个或多个喷涂步骤，这些步骤 可 以应用于喷涂特定类型的几何基元。喷涂步骤中指 定 了如何使 喷枪的运动 适应所喷涂表面以获得良好工艺 要求。 工艺 库是通过实验工作建立的。 它的基本思路是为了确保 喷涂行 程的规划 连续地贯穿于整个零件 ，即使不同的几何基元必须 沿着这些表面覆盖 ,而 连续机器人运动不能沿着零件表面 。该系统将尝试 使用面向少数 主要方向上的较大平面区域（虚拟表面） 去 逼 近曲面模型 的三角曲面 。图 9 显示了一个由不同 规格的三角形曲面构成的变速箱几何模型。 在图 10 中，曲面是近似曲面，并且曲面被划分为虚拟曲面。喷涂 步骤的执行与这些虚拟曲面有关。每 一个虚拟曲面只代表 一种类型的几何基元， 相同的喷涂步骤 因此 可以使用于 整个零件表面。如果不同的几何基元随着表面呈现出来，系统将会尝试 去建立 连续 喷枪运动 覆盖 虚拟曲面，而这些虚拟曲面 彼此相互连续 。喷枪的运动是根据喷涂路径而 指定 的，例如图 11 中的说明 。 通过这个和图 10 所示，可以看出喷涂路线遵循指定方向 和虚拟曲面的平面位置。喷涂 工艺 指定了 执行 多少 必须沿着喷涂路径喷涂行 程，并指定了 哪些喷涂参数应用于这些冲程中的每一个行 程。 一种对系列化未知 零件的自动喷涂方法已被提出。这种方法在喷涂单元的前面使用 了传感单元 ，而喷涂单元处可以获得零件的几何形状。从零件的几何特征提取出工艺相关特征，找出相应的喷涂路 径 ，分组得到最优喷涂轨迹。 最终生成无碰撞机器人运动轨迹和可执行机器人程序。 所有的步骤都是自动的，不需 要任何操作人员的干预。个性化的工具（特征检测器、轨迹规划器、喷枪 规划器）存在于原型版本中。在工业客户中的 首 次实施表明了 该 方法是可行的。 扫描 零件 ， 自动生成 机器人程序 ， 使用常规的微机技术 其 速率 为每分钟一个零件 。 目前只有凸形零件可以自动喷涂，尽管 L 形零件也可以。复杂凹形结构，例如图 15 中载重汽车的 地盘是不能够 自动 喷涂的。 人们计划 提高曲面喷涂 工艺 ，即使用机器人 内置 式传感器扫描用固定传感器而 - 5 - 不能看见的零件部分 。另一个拓展将会用于实施“示教”除已有几何特征的其它特征。 尽管该项目主要是为了实现机器人喷涂，但提出来的“逆向法”可以应用于在表面处理领域上的大范围工艺中获取工艺运动。这种方法有望应用的工艺 例子有：粉末喷涂 、 液体洗涤和清洗（包括高压清洗） 、 物理接触式 洗涤和清洗 工具与零件之间的部分 、脱脂、喷砂、抛光、密封、研磨、 去毛刺和胶合。 南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院 毕业设计 (论文 )开题报告 学 生 姓 名： 学 号： 专 业 ： 机械工程 及 自动化 设计 (论文 )题目 ： 喷涂机器人设计 大臂系统设 计 指 导 教 师 : 2010 年 3 月 19 日 - 1 - 开题报告填写要求 1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师 签署意见及所在专业审查后生效； 2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见； 3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于 15篇（不包括辞典、手册）； 4 有关年月日等日期的填写，应当按照国标 7408 2005数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“ 2007 年 3 月 15 日”或“ 2007 - 2 - 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写 2000 字左右的文献综述： 文 献 综 述 摘要 喷涂机器人是一种典型的涂装自动化装备， 广泛的运用在自动化生产领域 中， 在工业制造业中扮演了重要的角色 。本 文 归纳了喷涂机器人在 自动化生产中 的关键问题，介绍了喷涂机器人的发展历史和发展现状，同时指出了喷涂机器人的有关不足之处，在此基础上对喷涂机器人在 自动化生产 中的发展前景进行了展望。 关键词 喷涂机器人 自动 化生产 示教 离线编程 喷涂轨迹优化 1 引言 对于诸如汽车、家电及家具等产品， 其表面的喷涂效果对质量有非常大的影响。喷涂作业中采用喷涂机器人可以提高产品质量和稳定性，减少涂料和能源的消耗，避免了人工喷涂时工人始终处于有毒环境而造成急性或慢性中毒，提高了劳动生产效率 1。 因此，喷涂机器人在制造业中的应用越来越得到人们的重视。 而随着制造业的发展，对制造的 柔性要求越来越高，喷涂机器人由于其柔性大、 工 作范围大的特点被应用于现代柔性制造业中。喷涂机器人及其柔性控制系统的研究和发 展，对于降低生 产成本、提高生产质量、强化企业的竞争力具有深远的影响。 2 喷涂机器人的 发展历史 所谓喷涂机器人，就是一个拥有 5 个或更多自由度的比较复杂且能快速自动实现喷涂的运动机构 ，它由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成 2。国际上将机器人应用到喷涂领域已有四十几年的历史，最早将机器人技术应用于喷涂的有 美国的司、 司、德国 司等 3。 早期的喷涂机器人采用示教模式工作 。但随着工业的发展和所加工表面越来越复杂，这种工作方式存在着任务改变即需重新示教、复杂运动轨迹难用示教 方式实现和运动轨迹规划失误导致碰撞情况发生的问题 4。面对这些问题，人们开始研究喷涂机器人的离线编程。机器人离线编程 利用 计算机图形的成果，建立几何模型 再 进行编程， 并 生成一些代码，然后对编程的结果进行三维图形动画仿真，以检测编程的正确性，最后生成代码传到机器人控制柜，以控制机器人运动，完成给定任务 5。 在离线编程的基础上， - 3 - 人们 以平面和规则曲面为作业对象 ，对 喷涂机器人的喷涂轨迹 进行优化 6。对于自由曲面， 研究人员 采用“ 法和分段常函数来进行目标优化。 纵观喷涂机器人这几十年的发展， 其经历了三次变革：第一次发生在 1988 年，从液压传动变成电传动，第二次变革是从简单的动作控制到过程控制，第三次变革是从2000 年之后，利用电脑软件控制机器人，实现为客户定制机器人，比如可以控制机器人喷漆时的空气流量和油漆流量、喷涂范围和形状以及喷涂的色彩种类等等 7。 3 喷涂机器人的发展 现状 目前，喷涂机器人主要生产商有日本的 川崎 、 安川 、 松下 、 德国的 典的 意大利的 奥地利的工 司。 喷涂机器人的离线编程技术现已比较 成熟 ，其编程技术已普遍应用于机器人喷涂 8。 而喷涂机器人智能上也有较大的发展， 欧盟曲面喷涂项目 已实现了对凸形零件的自动 喷涂 9。 在我国，喷涂机器人主要运用于汽车制造业。 静电喷涂、等离子喷涂 、 冷喷涂 等喷 涂 技术 应用于喷涂机器人上，使其喷涂质量有了一定的提高 10,11。而近些年开发出 的柔 性仿形自动喷涂系统 ，使喷涂机器人在汽车 生产中越来越高效、高自动化 12。 随着 司开发出 了 小型 涂机器人 ,使喷涂机器人被用于消费类电子 产 品（苹果公司的 喷涂 13。继喷涂机器人 用于消费电子产品的喷涂，其也逐 渐 被包装业、建筑业等行业使用。除了在工业上的应用，喷涂机器人还被用于军事上， 闻 名于全球的 机就是运用喷涂机器人对机身实施喷涂的 14。 虽然喷涂机器人技术上的发展已 达到很高的水平 ，但其还存在着一些问题，如复杂 曲面喷涂上的自动化难以实现，控制器的开放性差，软件独立性差，喷涂装置还不够小 型化等。 4 喷涂机器人的未来趋势 随着机器人生产商 为客户定制机器人， 喷涂机器人需在以下 几个方面进一步发展， 以满足越来越多客户的使用需求，使喷涂机器人的应用范围 更为广泛。 （ 1） 为客户提供更加完整的解决方案，设计出超越客户所提要求的机器人。 （ 2） 研究和发展喷涂装置的小型化 ，以满足越来越多如消费类电子产品等小型零 件的喷涂和特殊环境下的喷涂。 （ 3） 开发开放式结构机器人控制器，使用户可以方便的扩展和改进其性能。 - 4 - （ 4） 实现喷涂机器人的模块化 ，使其方便安装和维护，并且紧凑可靠 15。 （ 5） 优先考虑“系统发展方式”，实现喷涂机器人与外界设备的互联和协调工作， 并制定 机器人语言规范，特别是动作级的编程语言规范 16。 （ 6） 大力研究开发对复杂自由曲面进行无人干涉的全过程自动喷涂的智能喷涂系 统。 5 结论 喷涂机器人作为自动化生产中的一种柔性 涂装 装备，其 产生和发展使现代工业喷涂 作业在一定程度上实现了自动化。对于喷涂机器人编程、控制系统等方面的研究和开发， 使其运用于现代工业生产中的多种行业。喷涂机器人的技术发展至今还未成熟，在现实 运用上还有一定的限制。但随着人们对喷涂机器人技术的深度研究开发，必定能突破现 状，让其在现代自动化生产中更为广泛的运用。 - 5 - 参 考 文 献 1 刘鸫根，张铁，陈世健，谢存禧 . 基于 喷涂机器人控制系统 J. 微计算机信息， 2008,（ 26）： 242 夏鲲，徐涛，李静锋，孔斌 . 工业机器人的发展与应用研究 D. 湖北 :长江大学， 2007. 3 白金元，徐滨士，许一，魏世丞，陈永雄 . 自动化电弧喷涂技术的研究应用现状 J. 中国表面工程， 2006， 19（ 2674 丁汉 . 机器人的余度控制和离线规划的研究 D. 武汉 : 华中理工大学， 1989. 5 赵东波 . 机器人离线编程系统及其实用化关键技术的研究 D. 武汉 : 华中理工 大学， 1996. 6 李发忠，赵德安，姬伟，王津京 . 面向凹凸结构曲面的喷涂机器人轨迹优化研究 J. 江苏科技大学学报， 2008， 22（ 4）： 647 张永贵 . 喷涂机器人若干关键技术研究 D. 西安：西安理工大学， 2008. 8 丁度坤，谢存禧，张铁，等 . 喷涂机器人控制系统的开发与研究 J. 机床与液压， 2009（ 3）： 139 ， ， M. f . 33（ 1）： 710 王锡春 . 我国汽车涂装的现况及发展趋向 J. 涂料工业， 2009， 39（ 10）： 1 11 赵爱娃，王晓放，吴杰，熊天英 . 冷喷涂技术的发展与工业应用 J. 振动工程 学报， 2004,（ 17）： 65112 刘新，王长民，王薇 . 轿车柔性仿形自动喷涂控制系统 J. 制造业自动化， 2006, （ 28）： 26213 石银文 . 快速发展的机器人自动喷涂技术 J. 机器人技术与应用， 2007,（ 5）， 1814 石闻 . 斗机的机器人表面喷涂 J. 航空制造工程， 1997,（ 8）： 2215 刘明尧，谈大龙，李斌 . 可重构模块化机器人现状和发展 J. 机器人， 2001， 23（ 3）： 27516 蒋新松 . 未来机器人技术发展方向的探讨 J. 机器人， 1996,(5)： 285 - 6 - 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）： 1） 本课题设计的是 喷涂 机器人的总体方案以及 大 臂 系统的结构，结合 喷涂 机器人有 关技术要求，主要研究的问题有结构型式、自由度数、 平衡方式 、驱动方式 、 传动方式 的确定。 2） 采用的 研究手段 根据以上要研究的问题及技术要求，拟采用的研究途径如下： （ 1）结构型式 工业 机器人的坐标 形式 直角坐标 型 、圆柱坐标 型 、 球 坐标 型、关节坐标型 和 平面 掼节型 。本课题 喷涂 机器人采用的是 关节坐标型 ，因为采用关节坐标型， 结构最紧凑 ， 灵活性大，占地面积最小，工作空间最大，避障性好，便于实现 连续轨迹控制 。 （ 2）自由度数 在三维空间中描述一个物体的位置和姿态（简称位姿）需要六个自由度。但是 ， 工 业机器人的自由度是根据其用途而设计的， 本课题 喷涂 机器人 机身 、 大臂 、小臂 的三个 自由度实现位置移动，腕部的旋转和摆动两个自由度实现姿态的变化，所以最 终有五个 自由度。 （ 3） 平衡方式 机身和臂部的运动较多，质量较大，运动状态变化时将产生 冲击和振动，影响机器 人的精确定位， 需要进行动力平衡。常见操作机臂杆的平衡技术有四种，及质量平衡 法、弹簧平衡法、气动或液压平衡法和采用平衡电机。本课题中采用弹簧平衡，其结 构简单，通过适当改变弹簧的长度和刚度的修正即可达到所需平衡要求。 （ 4）驱动方式 电气驱动是目前在工业机器人中用得最多的一种，可分为 步进电机 驱动、直流伺服 电机 驱动和交流伺服电机驱动三种形式。步进电机驱动一般用在开环伺服系统中，这种 系统没有位置反馈装置，控制精度相对较低。交、直流伺服电机用于闭环和半闭环伺服 系统中，控制精度很高。本课 题中采用开环控制且控制精度相对较低，因此采用步进电 机驱动方式。 - 7 - （ 5）传动方式 工业机器人的传动系统要求结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小，要求消除传动 间隙，提高其运动和位置精度，一般传动装置有齿轮、蜗杆传动、链传动、滚珠丝杠、 谐波齿轮等。 直齿轮传动是传动机构中最常见的形式，在机器人中得到了广泛的应用 ， 其瞬时传动比恒定、工作平稳性较高、传动效率高、结构紧凑 。本课题 中喷涂机器人的 精度不是很高， 拟采用直齿轮传动机构。为了减小齿轮传动空回，提高运动精度，需提 高齿轮及相关零件的精度和采用各种传动 间隙调整机构。 - 8 - 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 指导教师意见 ： 1对“文献综述”的评语： 文献综述查阅了较多、较新的国内外文献资料，概括了国内、国外喷涂机器人的发展现状以及未来趋势，对课题研究有一定参考意义。综述条理清楚、语句通顺，格式符合规范。 2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测： 该课题拟从事喷涂机器人的总体方案设计及大臂系统的设计，具有一定的深度和广度，工作量适中，经过该同学的努力工作、认真设计， 预估能够完 成规定的毕业设计任务，取得较好的设计结果。 指导教师： 年 月 日 所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日 毕业设计说明书 (论文 ) 作 者 : 学 号： 系 : 机械工程 系 专 业 : 机械工程及自动化 题 目 : 喷涂 机器人机械设计 大臂系统设计 指导者： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 评阅者： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 副教授 毕业设计说明 书（论文）中文摘要 本课题设计了一种经济型 喷涂 机器人，可 应 用于汽车车身 喷涂等涂装生产线中。该机器人由步进电机驱动 ，采用关节型坐标结构，具有五个自由度，其工作空间范围为 2600 1200 900 3 机器人机身采用齿轮传动，上下臂用滚珠丝杠和摇杆机构传动，手腕采用链传动和齿轮传动。机器人的控制方式为开环连续轨迹控制， 采用手把手 教的方法示教。本文的设计重点是 喷涂 机器人的大臂系统， 其大臂系统主要是指机械系统，并不包括控制系统。本设计 包括大 臂系统材料的选定， 截面形状的 确定，外形结构的确定 和驱动 关键词 喷涂 机器人 大臂系统 步进电机 手把手 教 滚珠丝杠 毕业设计说明书（论文）外文摘要 of a of in so on in by of 6001200on in P is to as as by 本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 34 页 1 引言 1 1 喷涂 机器人的研究与应用 概述 从 1962年美国研制出第一台工业机器人以来， 工业机器人至今已经走过了 4由于喷涂作业属于有害作业， 这些作业的劳动强度大，技术水平要求高， 并且手工喷涂人员会因技术、体力等因素造成产品质量缺陷，因此为了改善劳动条件和提高产品质量产量降低成本，这个领域中大量地使用了机器人 1。 国外 从 60年代开始研究喷漆机器人，直到 60年代末挪威率先推出针对喷漆实际情况而设计的专用喷漆机器人。从此，喷漆机器人的研制和应用发展十分迅速，喷漆机器人在工业 发 达 国家 80 年代已达到普及阶 段。 例如美国的 司和德国的司以及总部设在瑞士的 司等都生产了各种型号的喷涂机器人。 它广泛地应用于汽车、农机、发动机，工程机械、机床、家电等大、 中型企业的实际 喷涂 作业 2。 机器人喷涂作为工业机器人的一个主要应用领域 ， 主要包括喷漆 、 等离子喷涂 、静电喷涂 、 高速火焰喷涂等几大类 ， 采用工业机器人喷涂成形工艺 ， 不仅可以改善工艺操作环境 ， 还可以对喷涂轨迹和过程进行数字化描述、精确控制 ， 从而显著提高喷涂成形工艺的质量和稳定性 3。 纵观喷涂机器人这几十年的发展，其 经历了三次变革：第一次发生在 1988 年，从液压传动变成电传动，第二次变革是从简单的动作控制到过程控制，第三次变革是从 2000 年之后，利用电脑软件控制机器人，实现为客户定制机器人，比如可以控制机器人喷漆时的空气流量和油漆流量、喷涂范围和形状以及喷涂的色彩种类等等 4。目前，工业机器人在喷漆方面的应用比例美国可达 12，世界平均可达 5。 我国的喷涂行业特别是在陶瓷行业普遍采用人工作业的方式进行施釉，工人劳动强度大，特别是对工人身体有巨大伤害。而我国的相关的喷涂机器人行业起步较晚，仅有上海交大研制的 上海 家机械工业局北京自动化所研制的 喷涂机器人等几种相关产品 。 喷涂 机器人的应用 西方发达国家 90年代以来汽车涂装中的各喷涂工序普遍实现了自动化，随着科技的发展，近十年机器人在工业现场已呈现出广泛使用的趋势。由于使用机器人喷涂均 本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 34 页 匀性好，重复精确度远远高于人工，因此避免了手工喷涂人员因技术、情绪、体力等因素造成的产品质量缺陷，使工件喷涂质量有了根本性的保障。由于喷涂作业属于有害作业，采用机器人作业可大大降低工人的劳动强度，提高生产效率，同时由于机器人在喷涂过程中流量、 扇面、雾化的大小均可随时调整，可大大 减少油漆的损耗，提高油漆的 利用率 6。 喷涂机器人的离线编程技术现已比较成熟，其编程技术已普遍应用于机器人喷涂。 而喷涂机器人智能上也有较大的发展，欧盟曲面喷涂项目已实现了对凸形零件的自动喷涂 7。 在我国，喷涂机器人主要运用于汽车制造业。静电喷涂、等离子喷涂、冷喷涂等喷涂技术应用于喷涂机器人上，使其喷涂质量有了一定的提高 8,9。而近些年开发出的柔性仿形自动喷涂系统，使喷涂机器人在汽车生产中越来越高效、高自动化 10。 随着 ,使喷涂机器人被用于消费类电 产 品（苹果公司的 喷涂 。继喷涂机器人用于消费电子产品的喷涂，其 逐渐被包装业、建筑业等行业使用。除了在工业上的应用，喷涂机器人还被用于军事上， 闻名于全球的 机就是运用喷涂机器人对机身实施喷涂的 11。 喷涂机器人的离线编程系统在未来将得到更成熟的发展和更广泛的应用。实际应用中可能遇到更为复杂的曲面上的喷涂作业，这就涉及到曲面分片后的喷枪路径组合问题以及每一片边界上的喷枪轨迹优化问题。面向复杂曲面的喷涂机器人喷枪轨迹优化设计是下一步工作研究的方向 12。随着加工制造业的不断发展和自动控制水平的不断提高，机器人将在未来得到更加广泛的应用。 喷涂 机器人技术也必然随之不断的提高和进步，其他各种适合不同需求的涂装机器人也将在不久的将来得以实现。 涂 机器人实例 器人 该喷涂 机器人是 威的 得该机型的设计是成功的， 目前这种机型占世界喷漆机器人总拥有量的 8O%。该机器人手臂为多关节式，采用电液驱动，由电脑控制，是一种示教再现式工业机器人。 器人手腕部分细长，近似于人的手腕，动作灵活，操作轻便，可伸到狭窄空间进行喷涂，手腕采用万向节，易于示教，存储装置的存储容量大，能实现连续轨迹和点位控制， 编程容易， 动作平滑。后来该公司还推出了 涂 机器人，其采用了多项新技术。执行机构配有新的平衡系统； 本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 34 页 采用可简化执行机构动作编程的新型分离活塞油缸；新型控制装置存储容量很大，具有很强的编辑功能和自诊断功能。 型喷涂 机器 我国第一台国产 喷涂 机器人是 1 型 喷涂 机器人。由北京机械工业自动化研究所研制并生产，是具有微机控制、示教再 现、电液伺服驱动、 5个自由度、关节式喷涂 机器人。该机器人解决了许多机器人存储容量小的问题，使机器人示教时间超过了当时国际先进水平的 400经济型 喷涂 机器人，实际应用效果也与其相当。1型喷漆机器人是我国最成熟、应用量最多的机器人。 紫外线自喷涂 装设备 2003年日本推出一种紫外线自动喷涂 设备，有 喷涂 枪和 喷涂 机器人两种 13。它采用低压喷枪，可节省涂料 20%30%，减少了有机废气，并避免臭氧层的破坏，由于喷涂是用紫外线辐射，干燥时间短，涂层硬度高。 器人 2007 年，瑞士 司推出新款机器人 4。其 喷涂 解决方案以其独特的集成工艺系统（ 核心，可帮助现代制造企业提高 喷涂 品质，优化涂料消耗、缩短节拍时间，实现精确快速的工艺控制并简化生产统计数据的收集，全面提升了应用设备的人性化水平。 1 2 喷涂 机器人的特点和组成 涂 机器人的特点 喷涂机器人是一种机体独立、动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动 喷涂 机械。喷涂 机器人除了具有示教再现功能外，还具有操作灵活方便、占地小 、 操作空间大、手腕紧凑、负载轻、精度 较低、防爆等特征。 喷涂 机器人可分为专用和通用型。前者操作喷枪运动的自由度不大于 4个，适合于大批量生产流水作业，对形态变化不大的工件表面进行 喷涂 ，动作比较简单。后者操作喷枪的自由度不少于 5个， 它能十分灵活地模仿人 的手臂和手腕的动作， 对各种复杂的空间曲面进行 喷涂 。 喷涂 机器人的臂部运动形式多采用关节式。 其 手臂由大臂和小臂两部分组成，大臂与小臂之间以及大臂与机身之间均有关节 (铰链 )连接，并有人手臂的某些特征。多关节式手臂有较强的越障碍物的功能，动作范围是四种形式中最大的，非常适合于喷涂 作业。由于 喷涂 工作的表面形 状大多较复杂，数学模拟极为困难，所以通用 喷涂 机 本科毕业设计说明书（论文） 第 4 页 共 34 页 器人必须配备示教再现编程方式。 涂 机器人的组成 喷涂 机器人系统主要由执行系统，驱动系统、控制系统以及检测机构组成， 喷涂及其辅助设备没有什么特殊要求。 图 1 1 司喷涂机器人 1 3 喷涂机器人发展趋势 随着机器人生产商为客户定制机器人，喷涂机器人需在以下 几个方面进一步 展， 以满足越来越多客户的使用需求，使喷涂机器人的应用范围更为广泛。 （ 1）为客户提供更加完整 的解决方案，设计出超越客户所提要求的机器人。 （ 2）研究和发展喷涂装置的小型化 ，以满足越来越多如消费类电子产品等小 零 件的喷涂和特殊环境下的喷涂 15。 （ 3）开发开放式结构机器人控制器，使用户可以方便的扩展和改进其性能。 （ 4）实现喷涂机器人的模块化，使其方便安装和维护，并且紧凑可靠 16。 （ 5）优先考虑“系统发展方式”，实现喷涂机器人与外界设备的互联和协调工作， 并制定机器人语言规范，特别是动作级的编程语言规范 17。 （ 6）大力研究开发对复杂自由曲面进行 无人干涉的全过程自动喷涂的智能喷涂 系统。 本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 34 页 1 4 课题研究意义 随着国际制造业交流的日益广泛，中国的制造业正面临着与国际接轨，参与国际竞争的局面。适应快速变化的国内外市场需求，以高质量、低成本、快速反应的手段在市场中取得生存和发展是我国企业必须向国外同行学习并提高自身竞争力的根本。工业机器人的出现很好的解决了传统制造业中的一些难题，使得工业机器人在制造业中有很大的市场。喷涂机器人如今应用在很多领域，如喷釉机器人、喷漆机器人、喷浆机器人等。 喷涂 机器人的应用越来越广泛，需求也越来越大，再加上其经济性也随着 科技的进步而愈发突出， 所以对 喷涂 机器人的研究是相当有意义的 。 本课题设计的是一种经济型的简易 喷涂 机器人，能完成大 小 臂的俯仰，手腕的 上下 和 左右摆动 ，机身的回转运动，它可以应用于汽车车身 喷涂 生产线中，结构简单实用。 本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 34 页 2 总体方案设计 2 1 机械结构类型的确定 工业机器人的坐标形式有直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型和平面关节型 18。 （ 1） 直角坐标式机器人 这种机器人的外形轮廓与数控镗铣床或三坐标测量机相似。这种形式的主要特点 是： ，多做成大型龙门式或框架式机器人； 有耦合，不影响手爪的姿态，运动学求解简单，不产生奇异状态； 具的安装等受到立柱、横梁等构件的限制； 作范围小； （ 2） 圆柱坐标 式机器人 个旋转关节，其轴线相互平行，在平面内进行定位和定向。 一个关节是移动关节，用于完成末端件在垂直于平面的运动。手腕参考点的位置是 由两旋转关节的角位移及移动关节的唯一决定。这类机器人结构轻便、 响应快，运动速度比一般关节式机器人快数倍。它最适用于平面定位，垂直方向进行装配的作业。 （ 3） 球（极）坐标式机器人 这类机器人占地面积小，工作空间较大，移动关节不易防护。 （ 4） 关节式机器人 这类机器人由两个肩关节和一个肘关节进行定位，由 2个或 3个腕关节进行定向。这种构件动作灵活，工作空间大，在作业空间内手臂的干涉最小，结构紧凑，占地面积小，关节上相对运动部位容易密封防尘，这类机器人运动学较复杂，运动学反解困难；确定末端件的位姿不直观，进行控制时，计算量比较大。 由上 面 中各种坐标形式的比较，初步选用关节坐标 型。课题中要求实现喷涂机器人的连续轨迹控制（ 查阅现代工业中实际使用的机器人，如挪威生产的 6 自由度，采用示教 再现方式，既可实现点位控制，也可实现连续轨迹控制，则最终确定喷涂机器人采用关节坐标型。 本科毕业设计说明书（论文） 第 7 页 共 34 页 2 2 自由度数的确定 自由度 是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不应包括手抓（末端操作器）的开合自由度 19。在三维空间中描述一个物体的位置和姿态（简称位姿）需要六个自由度。但是 ，工业机器人的自由度是根据其用途而设计的，可能小于六个自由度，也可能大于六 个自由度。 本课题设计要求机身左右旋转 110，大臂前仰 30，后仰10，小臂俯仰 30，腕部左右摆动 110，上下摆动 110，因此可知喷涂机器人的自由度为 五 个。 五 个自由度中，机身的左右旋转、大臂的前后俯仰和小臂的前后俯仰三个自由度实现喷涂机器人的位置移动，腕部的左右摆动和上下摆动两个自由度实现喷涂机器人的姿态变化 。 2 3 驱动方式的确定 驱动 装置是使机器人各个关节运行起来的传动装置。机器人的驱动方法一般有三种：液压、气动、电动 20。 液压驱动以高压油为工作介质。液压驱动机器人的抓取能力可达 上百公斤，液压力可达 7构紧凑，传动平稳且动作灵敏，但对密封的要求较高，且不宜在高温或低温的场合工作，要求的制造精度较高，成本较高。 气压传动时最简单的驱动方法，原理与液压相似。这种机器人结构简单，动作迅速，价格低廉。由于空气具有可压缩 性，因此这种机器人的工作速度慢，稳定性差；其气压一般为 此类机器人适宜抓取力要求较小的场合。 电动传动是目前在工业机器人中用得最多的一种，这不仅是因为电动机品种众多可供选择，更因为可以运用多种灵活的控制方法。电力驱动是利用各种电动机产生的力或力矩，直接或 经过减速机构驱动机器人，以获得所需的位置、速度、加速度。电力 驱动具有无环境污染，易于控制，运动精度高，成本低，驱动效率高等优点。电力驱动可分为步进电动机驱动、直流伺服电动机驱动、无刷伺服电动机驱动等。 机器人的控制一般可分为开环控制、闭环控制和半闭环控制。查阅喷涂机器人实例，可知喷涂机器人多采用开环控制。步进电机一般用在开环伺服系统中，这种系统没有位置反馈装置，控制精度相对较低。交、直流伺服电机用于闭环和半闭环伺服系统中，这种系统中有位置反馈装置，控制精度很高。 本课题中 其喷涂机器人的位置精度不高，结合表 2 1 中各电机性能特点，确定喷涂机器人采用步进电动机进行驱动。 本科毕业设计说明书（论文） 第 8 页 共 34 页 表 2 1电机性能特性 对比 表 电机类型 分类 原 理 控 制 特 点 步进电机 可变磁阻式 永磁式 感应式 直接将电脉冲信号转换成转角，每输入一个脉冲，步进电机就回转一定的角度，其角度的大小与脉冲数成正比，旋转方向取决于输入脉冲的顺序。 由脉冲发生器、环形分配器、功率放大器进行控制。 可在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速，能够快速器动、反转和制动，有较强的阻碍偏离稳定的抗力。控制精度不高，输出的转矩随着脉冲频率的升高而减小，速度太高时会出现失步、振荡以至停转。 直流伺服电机 永磁式 他激式 并激式 串激式 直流电机有定子和转子两大部分组成，定子上有磁极（绕组式或永磁式），转子有绕组，通电后，转子上也形成磁场（磁极），定子和转子的磁极之间有一个夹角，在定转子磁场（ 极之间）的相互吸引下，是电机旋转。改变电刷的位子，就可以改变定转子磁极夹角（假设以定子的磁极为夹角起始边，转子的磁极为另一边，由转子的磁极指向定子的磁极的方向就是电机的旋转方向）的方向，从而改变电机的旋转方向 。 由电枢控制或激磁控制。 电机的惯量小，快速响应性能好，可以频繁地起 动、制动、正反转工作，换向性能好，寿命长，输出力矩平稳负载力矩变化时，对转速的影响不大，机械特性很硬。 但电刷易磨损，且易形成火花。 本科毕业设计说明书（论文） 第 9 页 共 34 页 续表 2 1 交流伺服电机 同步 异步 与直流伺服电机的工作原理相似。 有幅值控制、相位控制、幅相控制等控制方法。 由于没有电刷等磨损元件，比直流电机的结果简单、运行可靠以及维修方便；外形尺寸小；能在重载下高速运行；加速性能好；能实现动态制动；能实现平滑运动；控制复杂。 2 4 传动方式的确定 传动机构用来把驱动器的运动传递到关节和动作部位。机器人中常用的传动机构有齿轮传动、螺旋传动、带传动及链传动、流体传动和连杆机构与凸轮传动。 下表 2 2列出了一些常用传动机构的性能对比表。 表 2 2常用传动性能对比表 序号 类别 特点 轴间距 应用场合 齿轮传动 响应快，扭矩大，刚性好，可实现旋转方向的改变和复合传动 不大 腰、腕关节 谐波传动 大速比，同轴线，响应快，体积小，重量轻，转矩大 零 所有关节 摆线针轮行星 传动（ 大比速，同轴线，响应快，刚性 好，体积小，重量轻，回差小，转矩大 零 前三关节，特别是腕关节 涡轮传动 大比速，交错轴，体积小，回差小，响应快，刚性好，转矩大，效率低，发热大 交错 不大 腕关节 手抓机构 链传动 速比小，扭矩大，刚性与张紧装置有关 大 腕关节 齿形带传动 速比小，转矩小，刚性差，无间隙 大 各关节的一级传动 本科毕业设计说明书（论文） 第 10 页 共 34 页 续表 2 2 钢带传动 速比小， 转矩小，刚性与张紧装置有关，无间隙 大 腕关节 钢绳传动 速比小，无间隙 特大 腕关节， 手抓机构 连杆及摇块传动 回差小，刚性好，扭矩中等，可保持 特定位移，速比不均 大 腕关节， 臂关节 滚动螺旋传动 效率高，精度好，刚性好，无回差，可实现运动方式改变，速比大 零 直动关节， 手抓机构 齿轮齿条传动 效率高，精度好，刚性好，可实现运动方式改变 交错 直动 关节，手抓机构 工业 机器人的传动机构有以下几项基本要求 21： （ 1）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻。 （ 2）传动 刚度大，即由驱动器的出轴到杆件的转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动。 （ 3）回差要小 ，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度。 （ 4）寿命长、价格低。 机身传动方式的确定 由本课题中的设计要求可知，机器人的大臂连接在机座上，机座的旋转带动整个大小臂一起旋转，实现 喷涂机器人位置的变化，转矩相比而言较大。 比较表 2 2 中的各种传动方式的特点，结合实际要求初步选择齿轮传动和谐波传动。查阅机器人中的常用的齿轮传动机构可知行星齿轮传动机构和谐波传动机构是机器人上用得较多的。在本课题中采用 渐开线圆柱 直齿轮 传动。这种传动的优点是：消除了轴向力，降低了对轴承和箱体的要求 ；径向力与传动负载的大小成正比，对于压力角为 20的标准齿轮，径向力大约是传动的 ；传动的速度和功率范围很大；传动效率高，高精度齿轮传动效率可达 99；瞬时传动比恒定，工作平稳性较高；结构紧凑。但其传动有噪音、冲击和振动，且需要调隙 22。 为了降低传动过程中的噪音和振动，可以提高传动齿轮的制造精度， 这样可明显 本科毕业设计说明书（论文） 第 11 页 共 34 页 降低传动过程中的噪音和振动，提高抗冲击的能力，而且传动间隙可减小，提高传动的平稳性。 大小臂传动方式的确定 本课题设计中要求喷涂机器人的大臂绕大臂与机座的转动中心前仰 30，后仰10，小臂俯仰 30。 根据设计要求查看表 2 2，初步选择 谐波传动 、 滚动螺旋传动 。 滚动螺旋传动 有以下特点 22： 传动效率高达 均为滑动螺旋的 2 3倍，可节省 动力 1/2 3/4， 有利于主机的小型化及减轻劳动强度。 摩擦力矩小，接触刚度高，使温升及热变形减小，有利于改善主机的动态 特性和提高工作精度。 工作寿命长，平均可达滑动螺旋的 10倍左右。 传动无间隙，无爬行，运转平稳，传动精度高。 具有很好的高速性能。 具有传动的可逆性，既可把旋转运动变为直线运动，也可把 直线运动转化为旋转运动，且逆传动效率与正传动效率相近。 已经实现系列尺寸标准化，并出现了冷轧滚珠丝杠，提供了多用途的廉价产品，应用于精度要求不是很高的场合，节能并延长寿命。 谐波传动 相比 滚动螺旋传动 ，其刚度没有后者高，传动有间隙，传动效率只达到 80 90，柔轮有疲劳问题，扭转刚度低。最终选择 滚动螺旋传动 来实现大小臂的俯仰运动。 腕部 传动方式的确定 腕部是机器人的小臂与末端执行器（手部或称手抓）之间的连接部件，其作用是利用自身的活动度确定手部的空间姿态。手腕的驱动方式一般有远程驱动和直接 驱动两种。直接驱动传动线路短，刚度好，但腕部的尺寸和质量大，惯量大。本课题中采用远程驱动， 其电机安装在机器人的大臂、机座或小臂远端上，通过连杆、链条或其他传动机构间接驱动腕部关节运动，因而手腕的结构紧凑，尺寸和质量小，对改善机器人的整体动态性能有好处。 本课题中喷涂机器人的腕部上下摆动并左右摆动，是二自由度手腕。 根据表 2 2， 初步选择齿轮传动和链传动。 本科毕业设计说明书（论文） 第 12 页 共 34 页 查阅资料，发现一 小型电动喷涂机器人 500S。其为关节式结构，有 5个自由度，操作机腕部 布置两个相互垂直的伺服轴，能方便地产生喷枪的姿态变化动作。小臂和 减速机之间用链条、链轮传动。这种机构既把大、小臂之间的运动分开，互不影响，又可实现小臂平衡机构的力矩传递。该机构紧凑，传动简单。 根据实例，本课题最终采用链条、链轮传动，电机 输出动力后，由链条、链轮将运动上传到小臂前端，再通过锥齿轮 传动给腕部，实现腕部的上下摆动和左右摆动。 2 5 平衡方式的确定 机身 和臂部的运动较多，质量较大，如果运动速度和负载又较大，当运动状态变化时，将产生冲击和振动。这将不仅影响机器人的精确定位，甚至会使其不能正常运转。为了提高工作平稳性，在设计时应采取有效地缓冲装置吸收能量。 臂 杆作为主要的运动部件需要重点考虑。为了减少驱动力矩和增加运动的平稳性，大、小臂杆一般都需要进行动力平衡。臂杆平衡技术对提高操作机的整体性能和动态特性十分重要，也是简化编程和控制的重要措施。常见操作机臂杆的平衡技术有四种，即质量平衡法、弹簧平衡法、气动或液压平衡法和采用平衡电机。 弹簧平衡一般可以使用长弹簧。分析表明，在关节模型中，只要采用合适刚度和长度的弹簧平衡系统，可以全部平衡关节模型重力项。本课题采用弹簧平衡，其结构简单，通过适当改变弹簧的长度和刚度的修正即可达到所需的平衡要求。 本科毕业设计说明书（论文） 第 13 页 共 34 页 2 6 喷涂机器人 总体装配 示意图 总结以上各种方案的选择，确定 喷涂 机器人的总体装配 示意 图 如下图所示 ： 图 2 3喷涂机器人总体装配 示意 图 本科毕业设计说明书（论文） 第 14 页 共 34 页 3 喷涂机器人 大臂 设计 3 1 大臂和 小臂长的设计 图 3 1是 关节型 机器人工作空间的示意图。 图 3 1 机器人工作空间的示意图 图中， 1l 、 2l 分别为大臂和小臂的长度； 、别为大臂的俯仰角度； 、别为小臂的俯仰角度。 根据 工作空间的范围：长宽高 =2600 1200 900结合示意图可以得到以下关系式： 本科毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 34 页 2 6 0 0)s 2m a (1200)c o s (s i ns i n m i i i a (9 0 0c o sc o s)s i n ()s i n ( m a i i i a i (由于 10， 30 30， 30将数据代入上述关系式可求解得到： 1l = 2l = 根具所得值圆整： 1l =1100 2l =1200 3 2 大臂 臂身的设计 大小 臂连接处的设计 考虑 到小臂系统、腕部是由链轮链条和锥齿轮传动，带动手腕部分上下摆动和左右摆动，应选用远距离间接传动方式，所以手腕部分的驱动电机设计在机座上，可以减轻小臂和大臂的质量，使系统运行更加稳定。因此在大臂小臂 连接的 关节 处就需要安装链轮实现二级传动。大臂和小臂采用的连接方式如图 3 2。 图 3 2大小臂连接关节剖视图 本科毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 34 页 小 臂驱动电机安装位置 小臂驱动 方式采用的是螺旋驱动，因此，小臂驱动系统需要安装在大臂臂身上进行固定。考虑到系统配重问题，在系统工作过程中增加系统稳定性 ，降低系统重量，在大臂上伸出的板上做耳环，用来固定小臂驱动电机。其安装的具体结构如图 3 3所示。 图 3 3 小臂驱动电机的安装 腕部驱动电机安装关节 一般 机器人腕部驱动电机安装在机器人的小臂或大臂上，这种安装方法会增加机器人臂部的重量，降低机器人臂部运行的灵活性。考虑到减轻机器人臂部重量的因素，采取将腕部电动机安装在机座上，通过联轴器与伸入大臂内部的轴相连， 在通过链轮链条将动力传至机器人手腕，实现腕部的上下摆动和左右摆动。由于大臂要做前后俯仰运动，因此腕部电机需要铰接在机座上，使腕部驱动电机随大臂前后俯仰。其腕部驱动电机的具体安装如图 3 4所示。 图 3 4腕部驱动电机安装关节 本科毕业设计说明书（论文） 第 17 页 共 34 页 大臂壳体结构 （ 1）材料的选择 根据 设计要求，机器人手臂要求完成各种运动。因此，对材料的一个要求是作为运动的部件，它应是轻型材料。而另一个方面，手臂在运动过程中往往会产生振动，这将大大降低它的运动精度。因此，在选择材料时，需要对质量、刚度、阻尼进行综合考虑，以便有效地提高手臂的动态性能。 机器人手臂选用的材料与一般结构材料不同。机器人手臂是一种伺服机构，要受到控制，因此要考虑它的可控性。在选择手臂材料时，可控性应和材料的可加工性、结构性、质量 等性质受到同等重视。 常用的机器人手臂材料有结构材 料（如钢，铸铁等）、轻型材料（如镁合金、铝合金等）、刚性材料和防震材料。本课题采用 为铝锌合金，其铸造性好 ，符合材料的选用要求。 （ 2） 截面的确定 机器人连杆设计一般要求受到许多条件限制，有些甚至是相互矛盾的。这些限制可分为： 为了给电线、信号线、软管、功率传送装置及控制杆等提供通道，机器人连杆内部要留有空腔部分； 为了减少浪费工作空间，手臂的外形尺寸要受到限制； 为了减少惯性力，连杆应尽可能的轻，同时有能承受电机和驱动器产生的最大负载； 在连杆质量确定后，连杆应具有尽可能高的弯曲和扭转 刚度。 通过选择合理的连杆截面形状，可较好地满足上述限制。机器人连杆截面的基本形状为空心圆截面和空心矩形截面。当质量相同时，正方形空心截面不仅比空心圆截面的壁更薄，而且刚度还提高了 40 60。另外，正方形截面的内部空腔面积比圆面积都要大 43 76。 结合上述所提要求和截面对比，本课题中采用空心矩形截面，其具体结构 如下图 3 5所示。 （ 3）大臂的形状 通过上步对截面形状的确定，此时只需选择合适的尺寸，以满足工作空间的要求和大臂内部部件的放置的合理性。设计示意图如图 3 6所示。 本科毕业设计说明书（论文） 第 18 页 共 34 页 图 3 5大臂截面 图 3 6大臂结构剖视图 本科毕业设计说明书（论文） 第 19 页 共 34 页 3 3 大臂 系统设计 大臂驱动电机安装 大臂系统的驱动 采用的是步进电机驱动滚珠丝杠转动，丝杠螺母相对于丝杠做直线往复运动，以推动大臂摆动。大臂驱动电机就需要固连在转盘上以找到支撑点。由于大臂是做 摆动，固连在大臂上的支点走过的路径就是一条弧线。这就需要大臂驱动电机铰接的固定在机座的转盘上，在机器人工作时随机器人大臂进行一定角度的旋转，以保证丝杠与大臂始终保持垂直的关系，否则对电机、丝杠就会造成损害。 丝杠螺母 固定在大臂体中，其中心距大臂与底座的转动中心 200m。 下图 3 7 给出了大臂驱动电机安装在机座转盘上的方法。 图 3 7 大臂驱动电机安装 步进电机的选择 （ 1）计算大臂的质量和相应的转动惯量 空实大臂 (实 (空 (空实大臂 (222 )(121 实实 ( 本科毕业设计说明书（论文） 第 20 页 共 34 页 222 )(121 空空 (其中： B 大臂的外宽（）， B=128 H 大臂的外高（）， H=164 b 大臂的内宽（）， b=12816=96 h 大臂的内高（）， h=16416=132 l 大臂的长度（）， l =1100 d 旋转中心的偏移量（）， d=550 大臂材料的密度， =103 入数据得： 实m=103 空m=103 空实大臂 = 考虑到大臂内部其它零件的质量，大臂m= 取大臂m=27 222 ）（实J 222 ）（空J 空实大臂 = （ 2）计算大臂摆动所需的转矩 负载手腕小臂大臂总 (摩惯 l 1(启负载手腕小臂大臂惯 )( (11.0 摩(l(其中：1大臂转动所需的转矩（ N m） 惯M 大臂转动产生的惯性转矩（ N m） 摩M 摩擦所产生的转矩（ N m） 本科毕业设计说明书（论文） 第 21 页 共 34 页 启t 启动时间（ s） ，启t= 大臂前端的工作速度（ m/s） ， =0.6 m/s 大臂的摆动角速度（ s） l 小 臂距离大臂转动中心的距离（ ， l =1100臂J ， 1手腕J ， 2负载J 代入数据得： ls 启负载手腕小臂大臂惯 )( = m 所以有： m 1 m 依此可以初步选择步进电机类型。 表 3 8是北京和利时电机技术有限公司部分 130系列混合式步进电机的技术数据。 表 3 8 130系列混合式步进电机的技术数据 型号 相数 步距角( ) 静态相电流(A) 相电阻() 相电感(保持转矩(Nm) 电压 （ 重量(转动惯量(g 130 3 80350 5000 130 8 25 80350 0000 130 2 35 80350 5000 130 9 45 80350 22 40000 其矩频特性曲线 如下： 本科毕业设计说明书（论文） 第 22 页 共 34 页 图 3 9 矩频特性曲线 根据矩频特性曲线，选取 130号的步进电机，其稳态下输出转矩为 25 N m，大于大臂驱动所需的转动力矩，符合使用要求。 滚珠丝杠的选择及校核 （ 1）丝杠参数初选为： 导程 p=5，公称直径 d=40 ,螺旋升角 =4 33。 丝杠与大臂在距大臂与底座连接轴 d=200 连接处，则丝杠传递的线速度为： 1 0 r m/s (0/ (式 ( H 为滚珠丝杠的轴缘线速度， n 为电机转速， 把上面速度代入公式 a n a n 0 Hm/s 所得结果代入公式 到电机转速： m 430/ 本科毕业设计说明书（论文） 第 23 页 共 34 页 所以 需要电机的转速为 430r/据大臂的运动状态，电机的转速也会随之改变，因为不同的位置大臂末端拥有不同的线速度。 （ 2）滚珠丝杠的校核 等效 轴向工作载荷)2(31 m a x m (式中 ： l a a nt a n/ 1m a x 1)2(31 m i nm a x 等效转速30 静载荷计算 0(式中： F 轴向载荷（ N），变载荷时用K 静载硬度影响系数， =K 载荷系数，轻微的冲击 入数据得： F 6 8 根据上式所得结果和预选的丝杠导程、公称直径等查阅机械手册，可查得： 77000 将查阅到的许用静载荷与计算所得的静载荷相比较，则计算所得静载荷远小于许用最大值，固满足静载荷要求。 寿命计算 ( 本科毕业设计说明书（论文） 第 24 页 共 34 页 式中：寿命系数， 3/1500/ ）（K 工作寿命（ h） ，普通机床000 10000 载荷系数，轻微的冲击 K 动载荷