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喷涂机器人机械设计─大臂系统设计 喷涂 机器人 机械设计 系统 设计

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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： 学 号： (用外文写)外文出处： International Symposium on Robotics October 7 11, 2002 附 件： 1.外文资料翻译译文；2.外文原文。 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。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，喷漆1.引言 欧盟RTD中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CAD数据计算喷涂的路径并测量实际的零件位置。然而，三维CAD数据往往不充分，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CAD数据。 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。1.1相关工作 相关工作是自动生成一个三维喷涂路径，这已在SmartPainter项目中进行了尝试。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：US 5429689。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。2.曲面喷涂方法 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。2.1用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，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。2.2特征检测器 由ACIN开发的特征检测器具有使用几何库的几何定义检测出零件几何的任务。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。2.3喷涂规划器 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。4.结论及展望 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。 - 5 -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 毕业设计（论文）任务书系：机械工程系专 业：机械工程及自动化学 生 姓 名：学 号：设计(论文)题目：喷涂机器人设计 大臂系统设计起 迄 日 期:2010年 2 月 24 日 6 月 5 日设计(论文)地点:指 导 教 师:专业负责人:发任务书日期: 2010 年 2 月 23 日任务书填写要求1毕业设计（论文）任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写，经学生所在专业的负责人审查、系领导签字后生效。此任务书应在毕业设计（论文）开始前一周内填好并发给学生；2任务书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，不得随便涂改或潦草书写，禁止打印在其它纸上后剪贴；3任务书内填写的内容，必须和学生毕业设计（论文）完成的情况相一致，若有变更，应当经过所在专业及系主管领导审批后方可重新填写；4任务书内有关“系”、“专业”等名称的填写，应写中文全称，不能写数字代码。学生的“学号”要写全号；5任务书内“主要参考文献”的填写，应按照国标GB 77142005文后参考文献著录规则的要求书写，不能有随意性；6有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 74082005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“2009年3月15日”或“2009-03-15”。毕 业 设 计（论 文）任 务 书1本毕业设计（论文）课题应达到的目的： 通过毕业设计的锻炼,学会综合运用所学的知识和技能进行实际工程问题的分析、综合及设计。培养调查研究、中外文献检索与阅读的能力; 掌握定性与定量相结合的独立研究与论证的能力; 熟练掌握设计、计算及绘图的能力; 锻炼文字与口头表达能力; 掌握撰写设计说明书的能力。并且能设计出合乎实际要求的喷涂机器人机械系统。2本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：技术要求：自由度数： 5负载重量： 2 kg运动范围： 机身 110大臂 前俯30,后仰10小臂 俯仰30腕转 110腕摆 110 工作空间： 26001200900 m 喷枪最大工作速度： 0.6 m/s 控制方式： 开环连续轨迹控制重复定位精度： 36 mm示教方式： 手把手CP示教工作要求： （1）完成总体方案的论证设计； （2）完成大臂系统的设计； （3）绘制总装图、部件图和零件图；（4）撰写设计说明书。毕 业 设 计（论 文）任 务 书3对本毕业设计（论文）课题成果的要求包括毕业设计论文、图表、实物样品等：(1)开题报告(含文献综述) ：3,000 汉字以上； (2) 外文资料翻译 ： 3,000 汉字以上；(3)总体装配图： 1 张； (4) 部件装配图： 1张； (5)主要零件图： 若干张 (总图数约合3张0号图)；(6)毕业设计说明书,字数不少于10,000字,并附有200300汉字的中文摘要及相应的英文摘要。4主要参考文献：1 （日）渡边茂. 产业机器人的应用M. 北京：机械工业出版社，1986.2 龚振邦 等. 机器人机械设计M. 北京：电子工业出版社，1995.3 马香峰 等. 工业机器人的操作机设计M. 北京：冶金工业出版社，1996.4 余达太 马香峰. 工业机器人应用工程M. 北京：冶金工业出版社，1999.5 程光仁 等. 滚珠螺旋传动设计基础M. 北京：机械工业出版社，1987.6 李中杰 等. 步进电动机应用技术M. 北京：机械工业出版社，1988.7 Ernest L. Hall et l. Robotics: A User-Friendly IntroductionM. New York:CBS College Publishing,1985.8 Yoram Koren. Robotics for EngineersM. McGraw-Hill Book Company, 1985.9 石银文.快速发展的机器人自动喷漆技术J,机器人技术与应用，2007（5），18-22.10 SukSwan Suh，et a1 A Prototype Integrated Robotic Painting System：Software and Hardware DevelopmentCProceedings of the 1993 IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems，1993：47548211 白井良明 著.机器人工程M. 王棣棠 译. 北京：科学出版社， 2001.12 郭洪红. 工业机器人技术M. 西安：西安电子科技大学出版社，2006.13 刘文波 等. 工业机器人M. 沈阳：东北大学出版社，2007.14 周伯英. 工业机器人设计M. 北京：机械工业出版社，1995.15（日）日本机器人学会. 新版机器人技术手册M. 北京：科学出版社，2007.毕 业 设 计（论 文）任 务 书5本毕业设计（论文）课题工作进度计划：起 迄 日 期工 作 内 容2010年 2月24 日 3月18 日 3月 19 日 3月25 日3月 26 日 3月31 日4月 1日 4月 7 日4月8 日 4月20日4月21日 4月30 日5月 1日 5月10日5月11日 5月17日5月18 日 5月25日5月26 日 5月31日6月 1 日 6月5日完成文献综述、开题报告、外文资料翻译总体方案论证工作空间设计运动参数设计、计算动力参数计算、结构设计绘制总装配图绘制部件装配图 绘制相关零件图撰写、提交设计说明书修改设计说明书，准备答辩毕业答辩所在专业审查意见：负责人： 年 月 日系意见：系领导： 年 月 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12毕业设计(论文)任务书13毕业设计(论文)开题报告含文献综述14毕业设计(论文)外文资料翻译含原文15毕业设计（论文）中期检查表12010 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A4纸型）。 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GB/T 74082005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“2007-03-15”。 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MINIHIT公司、FUDGE公司、德国HATEL公司等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，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“bounding box”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FANLUC、川崎、安川、松下、德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的SACHMAN RAMBAUDI及奥地利的工GM公司。 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ABB公司开发出了小型IRB52喷涂机器人,使喷涂机器人被用于消费类电子产品（苹果公司的IPOD）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F-22飞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）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。参 考 文 献1 刘鸫根，张铁，陈世健，谢存禧. 基于 IPC 和PMAC 的喷涂机器人控制系统J. 微计算机信息，2008,（26）：24-26.2 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（S1）：267-270.4 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）：64-67.7 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）：13-15.9 Vincze.A G，Hausler K，Andersen O M. Automatic robot spray painting Of low volume high partsJ. ISR，33（1）：7-11.10 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）：1-4. 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）：651-653.12 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）：262-264.13 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）， 18-22.14 石闻. F-22战斗机的机器人表面喷涂J. 航空制造工程，1997,（8）：22-22.15 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）：275-278.16 蒋新松. 未来机器人技术发展方向的探讨J. 机器人，1996,(5)：285-291. 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）.本课题研究的问题 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）.本课题拟采用的研究手段 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。（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。 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- 10 - 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 副教授指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 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26001200900。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CP示教的方法示教。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-传动装置的设计计算选择以及弹簧平衡的计算。关键词 喷涂机器人 大臂系统 步进电机 手把手CP示教 滚珠丝杠毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Design of a Spray Coating Robot Design of the Big-arm System AbstractThis topic has designed one economy spray coating robot, may apply in the automobile body spray coating and so on paints in the production line. This robot by step-by-steps the motor-driven, uses the joint coordinates structure, has five degrees of freedom, its working space scope for 26001200900.The robot fuselage uses the gear drive, on the forearm with the ball bearing guide screw and the rocker mechanism transmission, the skill uses the chain drive and the gear drive. The robot control mode for the split-ring continual trajectory control, uses hand in hand the CP demonstration method demonstration. This article design key point is the spray coating robot big arm system, his/her the big arm system mainly refers to the mechanical system, not including control system. This design including big arm system material designation, section shape determination, contour structure determination and actuation pneumatic actuator design calculation choice as well as spring balance computation.Keywords Spray coating robot Big-arm system Step motor Teaching by hand Ball screw 本科毕业设计说明书（论文） 第 页 共 页目 次1 引言 11.1 喷涂机器人的研究与应用 11.2 喷涂机器人的特点和组成 31.3 喷涂机器人发展趋势 41.4 课题研究意义 52 总体方案设计 62.1 机械结构类型的确定 62.2 自由度数的确定 72.3 驱动方式的确定 72.4 传动方式的确定92.5 平衡方式的确定122.6 喷涂机器人总体装配示意图133 喷涂机器人大臂设计143.1 大臂和小臂臂长的设计143.2 大臂臂身的设计15 3.3 大臂系统设计194 平衡装置的设计25结论 31致谢 32 参考文献 33 本科毕业设计说明书（论文） 第 36 页 共 36 页1 引言11 喷涂机器人的研究与应用1.1.1 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4O多年的历程。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FUDGE公司和德国的HATEL公司以及总部设在瑞士的ABB公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5.15。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III号喷涂机器人，国家机械工业局北京自动化所研制的PJ一1喷涂机器人等几种相关产品。1.1.2 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ABB公司开发出了小型IRB52喷涂机器人,使喷涂机器人被用于消费类电产品（苹果公司的IPOD）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F-22飞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。1.1.3 喷涂机器人实例TRALLFA喷涂机器人该喷涂机器人是l969年在挪威研制成功的。挪威的TRALLFA公司抓住了喷漆作业要求连续不问断的特点，使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。TRALLFA喷涂机器人手腕部分细长，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TR-4000型喷涂机器人，其采用了多项新技术。执行机构配有新的平衡系统；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。PJ- 1型喷涂机器我国第一台国产喷涂机器人是PJ1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TRALLFA400经济型喷涂机器人，实际应用效果也与其相当。PJ1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。 IRB52小型喷涂机器人2007年，瑞士ABB公司推出新款机器人IRB5214。其喷涂解决方案以其独特的集成工艺系统（IPS）为核心，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。12 喷涂机器人的特点和组成1.2.1 喷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，所以通用喷涂机器人必须配备示教再现编程方式。1.2.2 喷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11 ABB公司喷涂机器人13 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。14 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。2 总体方案设计21 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：a.结构刚度高，多做成大型龙门式或框架式机器人；b.3个关节的运动相互独立，没有耦合，不影响手爪的姿态，运动学求解简单，不产生奇异状态；c.工件的装卸、夹具的安装等受到立柱、横梁等构件的限制；d.占地面积大，动作范围小；e.它的控制方式与数控机床类似；f.操作灵活性较差。 （2）圆柱坐标式机器人 SCARA机器人有3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（CP），查阅现代工业中实际使用的机器人，如挪威生产的TRALLFE喷涂机器人为关节型机器人，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。22 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。23 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7MPa，结构紧凑，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0.7MPa，故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21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。表21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（N极和S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。 续表21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。24 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22列出了一些常用传动机构的性能对比表。表22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（RV）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续表22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。2.4.1 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22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0.35倍；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。2.4.2 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22，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0.90.98，平均为滑动螺旋的23倍，可节省动力1/23/4，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8090，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。2.4.3 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22，初步选择齿轮传动和链传动。查阅资料，发现一小型电动喷涂机器人EP500S。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。25 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。26 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23喷涂机器人总体装配示意图3 喷涂机器人大臂设计31 大臂和小臂长的设计图31是关节型机器人工作空间的示意图。 图31 机器人工作空间的示意图 图中， 、分别为大臂和小臂的长度； 、分别为大臂的俯仰角度； 、分别为小臂的俯仰角度。根据工作空间的范围：长宽高=26001200900mm3 ,结合示意图可以得到以下关系式： (3.1) (3.2) (3.3)由于，将数据代入上述关系式可求解得到： =1004.5 =1186.4根具所得值圆整： =1100 =120032 大臂臂身的设计3.2.1 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32。 图32大小臂连接关节剖视图3.2.2 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33所示。 图33 小臂驱动电机的安装3.2.3 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34所示。 图34腕部驱动电机安装关节3.2.4 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ZL401，其为铝锌合金，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4060。另外，正方形截面的内部空腔面积比圆面积都要大4376。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35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36所示。 图35大臂截面图36大臂结构剖视图33 大臂系统设计3.3.1 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37给出了大臂驱动电机安装在机座转盘上的方法。图37 大臂驱动电机安装做臂于机 设计求和截面对比，本课题中采用空心矩形截面，其具体结果3.3.2 步进电机的选择（1）计算大臂的质量和相应的转动惯量 (3.4) (3.5) (3.6) (3.7) (3.8) (3.9)其中：B大臂的外宽（），B=128H大臂的外高（），H=164b大臂的内宽（），b=128-216=96h大臂的内高（），h=164-216=132大臂的长度（），=1100d旋转中心的偏移量（），d=550大臂材料的密度，=2.7103m3代入数据得： =2.71030.1280.1641.1=62.346 =2.71030.0960.1321.1=37.636 =62.346-37.636=24.71考虑到大臂内部其它零件的质量，=24.711.1=27.181取=27 =19.08-11.47=7.61（2）计算大臂摆动所需的转矩 (3.10) (3.11) (3.12) (3.13) (3.14)其中：大臂转动所需的转矩（Nm） 大臂转动产生的惯性转矩（Nm） 摩擦所产生的转矩（Nm） 启动时间（s），=0.5s 大臂前端的工作速度（m/s），=0.6 m/s 大臂的摆动角速度（rad/s）小臂距离大臂转动中心的距离（mm），=1100mm，代入数据得： rad/s =19.9 Nm所以有：0.9=19.9 Nm =22.1 Nm依此可以初步选择步进电机类型。表38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38 130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(mH)保持转矩(N m)电压（VDC）重量(Kg)转动惯量(g cm2)130BYG350CH-SAKRMA-060230.6/1.261.7514.6238035013.525000130BYG350DH-SAKRMA-060230.6/1.262.018258035016.530000130BYG350EH-SAKRMA-060230.6/1.262.322358035017.535000130BYG350FH-SAKRMA-060230.6/1.263.02945803502240000其矩频特性曲线如下：图39 矩频特性曲线根据矩频特性曲线，选取130BYG350DH-SAKRMA-0602型号的步进电机，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。3.3.3 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=433。 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：m/s (3.15) (3.16) 式(3.15)中为滚珠丝杠的轴缘线速度，为电机转速， 把上面速度代入公式3.15得： m/s 所得结果代入公式3.16中，得到电机转速： 所以需要电机的转速为430r/min，根据大臂的运动状态，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 (3.17) 式中： 等效转速 静载荷计算 (3.18) 式中：轴向载荷（N），变载荷时用代入， 静载硬度影响系数，=1.0 载荷系数，轻微的冲击=1.01.2 代入数据得： 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： 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 (3.18)式中：寿命系数，工作寿命（h），普通机床=500010000 载荷系数，轻微的冲击=1.01.2 动载荷硬度影响系数，=1.0 短行程系数，=1.0 转速系数， 工作转速（r/min），变转速时用代入，=430r/min 代入数据得： =10611N 查表得10611，满足寿命要求。4 平衡装置的设计为了减小驱动力矩和保证大臂的运动平稳，需要给大臂安装平衡装置。机构的平衡有质量平衡、弹簧力平衡和气动和液压平衡方法三种。质量平衡就是在质量较轻的一侧增加重物块，使机构两侧达到平衡。但这种平衡方法适用于运动平稳和重心位置移动不大的机构，本课题的涂装机器人大臂需要做前后的俯仰运动，重心位置随大臂的位置变化，同时如果采用质量平衡将凭空增加机器人的质量，影响机器人的运动特性。气动和液压力平衡的原理和弹簧力平衡的原理相似，其显著的优点是平衡缸中的压力是恒定的，不会随臂杆位置的变化而变化；同时平衡缸的压力很容易得到调节和控制。但平衡缸的制造和安装比较复杂，考虑经济性和工艺性，决定不用气缸平衡。弹簧结构简单，对整体质量影响不大而且不需要动力源，所以应用很普遍，而且给弹簧加上调节装置可在安装机器人时将机器人的平衡调节到最佳位置。所以采用弹簧来进行实现大臂的平衡。当大臂带上弹簧时的受力情况如图310所示。 图310带平衡弹簧时的大臂受力图分别为小臂、腕部和负载的重力，为弹簧因形变产生的拉力 (3.19)可利用大臂旋转中心两侧的力矩平衡先求得弹簧需要提供的拉力。大臂前俯30时位置情况如图311所示：大臂质量 小臂质量 腕部质量 负载质量由公式3.19有： 图311大臂前俯30时位置图大臂垂直状态时的位置情况如图312所示： 图312大臂垂直时的位置图由公式3.19有： 大臂后仰10