机械毕业设计（论文）喷漆机器人机身系统设计【全套图纸】 .doc

1、 南京理工大学泰州科技学院毕业设计说明书(论文)作 者:3号楷体学 号：3号楷体学院(系):3号楷体专 业:3号楷体题 目:喷漆机器人设计-机身系统设计3号楷体3号楷体指导者： (姓 名) (专业技术职务)3号楷体3号楷体评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2014 年 6 月毕业设计说明书（论文）中文摘要机器人是一种机械技术与电子技术相结合的高技术产品。采用机器人是提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度的一种有效手段。它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术装备。机器人可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强

2、度，改善劳动条件，提高劳动生产率和生产自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期、频繁、单调的操作，采用机器人是有效的；此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其它有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。本课题的主要内容是采用机器人代替人来进行喷漆作业，机器人可以代替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度，提高生产效率。结合设计的各方面的知识，在设计过程中学会怎样发现问题。解决问题.研究问题。并且在设计中融入自己的想法和构思，提高自己的创新能力。尽力使机器人使用方便，结构简单。 关键词： 机器人；结构设计；步进电机；回转毕业设计说明书（论文）外文摘

3、要title ： the design of the painting robot designabstracta robot is a mechanical technology and electronic technology, the combination of high technology products. the robot is to improve product quality and labor productivity, and achieve the production process automation, improve working conditions

4、, reduce the labor intensity of an effective means of. it is a copy of the upper part of the human body functions, in accordance with a predetermined transfer request or the workpiece hold the tools to operate the automation technology and equipment. industrial production often appears in the heavy

5、work, frequent handling and long-term, monotonous operation, the robot is effective; the main content of this paper is the use of robots to paint, robots can take the place of a lot of repetitive manual work, thereby reducing the labor intensity of workers, improve the production efficiency. combine

6、d with the design of the various aspects of knowledge, in the design process to learn how to find problems. to solve the problem of problem. and in the design into their thoughts and ideas, enhance own innovation ability. try to make the robot has the advantages of convenient use, simple structure.

7、keywords ： robot； structure design； stepper motor； rotary目 录1 绪 论11.1 课题研究的背景和意义11.2 国内机器人的研究21.3机器人的特点31.4 喷涂机器人概述31.5喷涂机器人功能31.6 喷涂机器人的发展41.7 喷涂机器人的总体结构41.4 本文研究主要内容72 机器人机构总体方案设计82.1喷漆机器人的基本技术参数确定82.1.1自由度82.1.2坐标形式的选择82.1.3规格参数102.1.4有效负载102.1.5运动特性102.1.6 工作范围（工作半径）112.2 喷漆机器人材料的选择112.3机械臂的运动方式

8、122.4喷漆机器人的驱动元件122.5 机构整体设计133 喷漆机器人机身结构设计153.1 电动机的选择153.2 计算传动装置的总传动比和分配各级传动比173.3 轴的设计计算173.3.1 计算各轴转速、转矩和输入功率173.3.2 确定三根轴的具体尺寸183.4 确定齿轮的参数223.4.1选择材料223.4.2 压力角的选择223.4.3 齿数和模数的选择223.4.4齿宽系数223.4.5 确定齿轮传动的精度233.4.6 齿轮的校核243.5 壳体设计273.6小结27总 结28致 谢29参考文献301 绪 论随着人类科技的进步，社会经济的发展，机器人学成为近几十年来迅速发展的

9、一门综合学科。它体现了光机电一体化技术的最新成就，机器人作为其中的佼佼者更是发挥了不可磨灭的作用。在人类社会中，凡是有机械活动的地方，都能看到机器人的身影。机器人产品的应用已经由核工业和军事科技等高端科学领域向医疗、农业甚至是服务娱乐等民用领域发展了，并且各式各样的机器人正在涌现出来，以惊人的速度延伸到人类活动的各个领域。机器人是由于人类期望生产水平的提高，为了提升生产效率而出现的。然而由于机器人善于完成重复的，单调的，精确度要求高的工作，能取代人在恶劣的环境中完成人类不能或者不愿完成的工作，因此，机器人的出现又大大解放了人类的生产力。所以说机器人的发展是社会发展的结果，也是社会发展的必然趋势

10、。现在，很多发达国家都追逐着机器人这一发展趋势，积极地进行着机器人的各种开发和研制的工作，并且其中一些国家已经取代了不错的成果，研制出了许多新型且实用的机器人或者是机器人。例如：日本的跳舞机器人、犬型机器人爱宝(aibo)；英国研制的履带式“手推车”及“超级手推车”排爆机器人；美国irobot公司推出了能避开障碍，自动设计行进路线吸尘器机器人roomba；上海世博会使用过的福娃机器人等等。由于机器人的迅猛发展，机器人进入学校教学是必然的。三自由度机器人作为是机器人的典型产品，其设计及应用对机电一体化、机械结构工艺、机械制造、自动化、电子信息等专业的教学及研究都有着很重要的意义。全套图纸，加15

11、38937061.1 课题研究的背景和意义机器人的出现和应用是人类生产和社会进步的需要，是科学技术发展和生产工具进化的必然。机器人一词最早出现于1920年捷克作家karel capek的剧本罗萨姆的万能机器人中，在该剧中，机器人“robota”这个词的本意是指苦力，是剧作家笔下的一个具有人的外表、特征和功能的机器，是一种人造的劳动力。随着现代科技的发展，机器人技术已经广泛应用于人类生活领域，研制具有人类外观特征、可模拟人类行走和其他动作的机器人一直是人类的梦想之一。机器人是一门综合性很强的科学，有着极其广泛的研究和应用领域。机器人技术是综合了计算机技术、信息融合技术、机构学、传感技术、仿生科学

12、以及人工智能等多学科而形成的高新技术，它不仅涉及到线性、非线性、基于多种传感器信息控制以及实时控制技术，而且还包括复杂机电系统的建模、数字仿真技术及混合系统的控制研究等方面的技术。机器人是机器人技术中的一个重要研究课题，而双足机器人是机器人研究的前奏。步行技术是人与大多数动物所具有的移动方式，是一种高度自动化的运动，双足步行系统具有非常复杂的动力学特性，对于环境具有很强的适应性，它相对轮式、履带式机器人具有无可比拟的优越性，它可以进入狭窄的作业空间，也可跨越障碍、上下台阶、斜坡及在不平整地面上工作，可以护理老人、康复医学以及在一般家庭的家政服务都可以应用。它适应环境的能力更强，因此具有更加广泛

13、的应用前景。在机器人的研制中，机器人仿真是机器人研究的一项重要的内容，它涉及机器人机构学、机器人运动学、机器人零件建模、仿真机器人三维实现和机器人的运动控制，是一项综合性有创新意义和实用价值的研究课题。仿真利用计算机可视化和面向对象的手段，模拟机器人的动态特性，帮助研究人员了解机器人工作空间的形态及极限，提示机构的合理运动方案及有效的控制算法，从而解决在机器人设计、制造以及运行过程中的问题，避免了直接操作实体可能会造成的事故或者不必要的损失。仿真也为机器人本体结构方案设计提供参考依据，并在这台机器上模拟能都实现的功能，使用户直接看到设计效果，及时找出缺点和不足进行改进，避免了大量的物力、人力的

14、浪费1，2。1.2 国内机器人的研究我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986年3月开始的国家863高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些

15、特种机器人。国内机器人的研究也在863计划和自然科学基金的支持下持续开展了多年，如国防科技大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学、清华大学、上海交通大学、中国科学技术大学等，都先后开始研制机器人样机4。1.3机器人的特点1机器人能进行自动化生产，降低成本。就本次设计的喷漆机器人而言，它能不间断的搬运零件和各种材料的输送。这样既提高了生产率又降低了生产成本。2机器人能使产品品质稳定，减少人工污染。人工生产会使产品质量受工人状态起伏而影响。对于某些高精度产品，人工送取会产生人工污染。3机器人能改善劳动条件，避免各种工伤。在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间

16、狭窄的场合中，人工操作会有危险，机器人能代替人工作，改善了人们的劳动条件。4机器人能持久、耐劳，可以把人从繁重的劳动中解放出来，人在连续工作几个小时后，总会感到疲劳或厌倦，以机器人代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。5机器人的灵活性、通用性强。它能通过更换部件来适应不同产品的生产。并通过改变程序和自由度来达到迅速改变作业的可能性。这样机器人能满足各种各样的零件生产，在生产中发挥重大作用。1.4 喷涂机器人概述目前，喷涂机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机器人协会给喷涂机器人下的定义：喷涂机器人是一种可重复编程的多功能操作装

17、置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对喷涂机器人作如下定义：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操作机械。是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人。喷涂机器人以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。喷涂机器人是在计算机控制下可编程的自动机器。采用喷涂机器人是提高产品质量与劳动生产率，实现生产过程自动化，改善劳动条件，减轻劳动强度的一种有效手段。机器人的诞生和发展虽只有30多年的

18、历史，但它已应用到国民经济，民事技术等众多的领域，具有广阔的应用和发展前景，显示出强大的生命力1-2。1.5喷涂机器人功能 根据所处的环境和作业需求，喷涂机器人具有可进行自动喷漆或喷涂其他涂料功能（如视觉，力觉，触觉等）。以及语音功能及至逻辑思维，判断决策功能等。从而使其能在要求的环境中代替人进行作业。本次设计就是在这一思维下展开的。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型喷涂机器人，利用锥齿轮传动实现机器人的旋转，利用机电缸实现其移动以及对零件自动喷漆或喷涂。在步进电机的控制下，机器达到精确的回转运动3-4。1.6 喷涂机器人的发展喷涂机器人的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展过程可

19、分为三代：第一代喷涂机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型喷涂机器人，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。第二代机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代喷涂机器人要复杂得多，这种机器人从1980年开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。第三代喷涂机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务

20、。并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。这种机器人还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用4。1.7 喷涂机器人的总体结构喷涂机器人的组成及各部分关系概述：它主要由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制检测系统及智能系统组成。(1) 执行系统：执行系统是喷涂机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。(a) 末端执行器：机器人为了进行作业而配置的操作机构，直接喷漆工件。(b) 腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变末端执行器的工作方位。(c) 臂部：联接机座和手部的部分，是支承腕部的部件，作用是承受工件的管理管理荷重，改变手部的空间位置

21、，满足机器人的作业空间，将各种载荷传递到机座。(d) 机身：机器人的基础部分，起支撑作用，是支撑手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。(2) 驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的有机械传动、机电传动、气压传动和电传动。(3) 控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。(4) 检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需 要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。 实践证明，喷涂机器人可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自

22、动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机器人是有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途4-8。喷涂机器人的驱动方式可分为四种：(1) 气力驱动式的机器人：气源压力一般只有60mpa左右，适宜小的场合。(2) 液力驱动式的机器人：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。(3) 电力驱动式的机器人：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，其运用最为广泛。(4) 新型驱动式的机器人：例如静电驱动器，

23、压电驱动器，形状记忆合金驱动器，人工肌肉及光驱动器等4。1.7.1 机器人结构(1) 手部：是机器人与工件接触的部件。由于与物体接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。由于本课题的工件是圆柱状棒料，所以采用夹持式。由手指和传力机构所构成，手指与工件接触而传力机构则通过手指夹紧力来完成夹放工件的任务。(2) 手腕：是联接手部和手臂的部件，起调整或改变工件方位的作用。(3) 手臂：支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。(4) 立柱：是支承手臂的部件。手臂的回转运动和升降运动均与立柱有密切的联系。机器人的立柱通常为固定不动的。(5) 机座：是机器人的基础部分。机器人执行机构的各部件和驱动系

24、统均安装于机座上，故起支承和联接的作用7。1.7.2 机器人的分类(1)根据所承担的作业的特点，喷涂机器人可分为以下三类：(a)承担搬运工作的机器人：这种机器人在主要工艺设备运行时，用来完成辅助作业，如装卸毛坯、工件和工喷漆机器人。(b)生产工业用机器人：可用于完成工艺过程中的主要作业，如装配、焊接、涂漆、弯曲、切断等。(c) 专用喷涂机器人：其用途广泛，可以完成各种工艺作业9。 (3)按驱动方式分：(a)机电传动机器人(b)气压传动机器人(c)机械传动机器人(4)按控制方式分：(a)固定程序机器人：控制系统是一个固定程序的控制器。程序简单，程序数少，而且是固定的，行程可调但不能任意点定位。(

25、b)可编程序机器人：控制系统是一个可变程序控制器。其程序可按需要编排，行程能很方便改变10-15。喷漆机器人又叫喷涂机器人（spray painting robot）， 是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人，1969年由挪威trallfa公司（后并入abb集 团）发明。喷漆机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成，液压驱动的喷漆机器人还包括液压油源，如油泵、油箱和电机等。多采用5或6自由度关节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有23个自由度，可灵活运动。较先进的喷漆机器人腕部采用柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动作类似人的手腕，能方便地通过

26、较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。喷漆机器人一般采用液压驱动，具有动作速度快、防爆性能好等特点，可通过手把手示教或点位示数来实现示教。喷漆机器人广泛用于汽车、仪表、电器、搪瓷等工艺生产部门。 喷漆机器人的主要优点：（1）柔性大，工作范围大。（2）提高喷涂质量和材料使用率。（3）易于操作和维护，可离线编程，大大的缩短现场调试时间。（4）设备利用率高，喷漆机器人的利用率可达90%-95%。1.4 本文研究主要内容通过利用网络工具、图书馆的书籍和各类期刊、杂志查阅了解喷漆机器人的相关知识，确定本设计符合要求，满足需要。具体设计方法如下：1、查阅资料、结合所学专业课程，产生喷漆机器人结构设计的基本思

27、路；2、查阅各类机械机构手册，确定合理的喷漆机器人结构；3、根据给定技术参数来选择合适的手部、腕部、臂部等部位；4、重点对驱动机构及控制机构进行设计研究；5、通过研究国内外情况，确定本设计课题的重点设计；6、完成2d装配图的设计和绘制，并由此绘制零件图；7、编写设计说明书；8、检查并完善本设计课题。本设计采用的方法是理论设计与经验设计相结合的方案，所运用的资料来源广泛，内容充足。2 机器人机构总体方案设计本文的重要任务是完成喷漆机器人的设计，本章内容是围绕喷漆机器人机构设计任务来展开，介绍喷漆机器人执行机构设计思路。2.1喷漆机器人的基本技术参数确定表示机器人特性的基本技术参数主要有自由度、坐

28、标形式的选择。2.1.1自由度自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，但是一般不包括手部（末端操作器）的开合自由度。自由度表示了机器人灵活的尺度，在三维空间中描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度。喷漆机器人的自由度越多，越接近人手的动作机能，其通用性就越好，但是结构也越复杂，自由度的增加也意味着喷漆机器人整体重量的增加。轻型化与灵活性和抓取能力是一对矛盾，此外还要考虑到由此带来的整体结构刚性的降低，在灵活性和轻量化之间必须做出选择。工业机器人基于对定位精度和重复定位精度以及结构刚性的考虑，往往体积庞大，负荷能力与其自重相比往往非常小。一般通用喷漆机器人有56个自由度即可满足使用要求（其

29、中臂部有3个自由度，腕部和行走装置有23个自由度），专用喷漆机器人有12个自由度即可满足使用要求。2.1.2坐标形式的选择喷漆机器人的坐标形式主要可分为：直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型另外还有比较复杂的scara型和并联型。1直角坐标型喷漆机器人：这类喷漆机器人就是如图2-1(a)得直移型，其手部空间位置的改变通过沿三个互相垂直轴线的移动来实现，该形式喷漆机器人具有位置精度高，控制无耦合、简单，壁障性好等特点。但结构较庞大，动作范围小，灵活性差，且移动轴的结构复杂，占地面积大，而且需架空线路。2圆柱坐标型喷漆机器人：这种喷漆机器人如图2-1（b）的回转型喷漆机器人，通过两个移动和

30、一个转动实现手部空间位置的改变，手臂的运动系由垂直立柱平面内的伸缩和沿立柱的升降两个直线运动及手臂绕立柱的转动复合而成。这种喷漆机器人，占地面积小而活动范围较大，结构亦较简单，并能达到较高的定位精度，因而应用范围较广泛。机身采用立柱式，喷漆机器人侧面行走，顺利完成上料、翻转、转位等功能。但是结构也比较庞大，两个移动轴的设计较为复杂。3球坐标型机器人： 这类喷漆机器人如图2-1（c）的俯仰型喷漆机器人，其手臂沿x方向伸缩，绕y轴俯仰和绕z轴回转。这类喷漆机器人具有占地面积小、结构紧凑、重量较轻、位置精度尚可等特点，能与其他机器人协调工作，但避障性差，存在着平衡问题，位置误差与臂长有关。4关节坐标

31、型喷漆机器人：如图2-1（d）的屈伸型喷漆机器人，主要由立柱、前臂和后臂组成。机器人的运动由前、后臂的俯仰及立柱的回转构成，其结构最紧凑，灵活性大，占地面积最小，工作空间最大，能与其他机器人协调工作，避障性好，但是位置精度较低，存在平衡以及控制耦合的问题，故比较复杂。 图2. 1喷漆机器人的坐标形式22 图2.2 喷漆机器人基本形式示意图92.1.3规格参数用途：喷漆1、大臂伸缩范围200mm1500mm，回转角270。2、小臂伸缩范围200mm800mm，回转角210。 3、手腕旋转角度150。4、步进电机驱动。 2.1.4有效负载有效负载是指机器人操作臂在工作时臂端可能搬运的物体重量或所能

32、承受的力或力矩，它表示了喷漆机器人的负载能力。机器人的载荷不仅仅取决于负载的质量，还与机器人运动的速度和加速度的大小及方向有关。为了安全起见，有效负载是指高速运行时的有效负载。2.1.5运动特性速度和加速度是表明机器人运动特性的主要指标。它反映了机器人的使用效率和生产水平，喷漆机器人的运动速度越高，则其使用效率越高，生产水平越高。但速度越快产生的冲击和震动也越大，因此提高机器人的加减速速能力，保证机器人加速过程的平稳性是非常重要的。对于本文中的喷漆机器人，在没有负载时可以适当地加快其运动速度;而在其有负载时，末端执行器(手爪)通常要和物体直接接触，为了安全起见，务必要尽量减少手臂的运动速度。总

33、的来说，喷漆机器人的速度在一定范围内要是可调的，这样才能满足在各种不同情况下的使用需要。2.1.6 工作范围（工作半径）工业机器人的工作范围是根据工业机器人作业过程中的操作范围和运动的轨迹来确定的,用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响机器人的机械结构坐标型式、自由度数和操作机各手臂关节轴线间的长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择。2.2 喷漆机器人材料的选择机器人手臂的材料应根据手臂的实际工作情况来进行选择，在满足机器人的设计和运动要求前提下。从设计的理论出发，机器人手臂要进行各种运动。因此，对材料的一个要求是作为运动的部件，它应是轻型材料并要求有一定刚度。另一方面，手臂在运动过

34、程中往往会产生冲击和振动，这必然大大降低它的运动精度。所以在选择材料时，需要对质量、刚度、强度、弹性进行综合考虑，以便有效地提高手臂的运动性能。此外，机器人手臂选用的材料与一般的结构材料不同。机器人手臂是要受到控制的，必须考虑它的可控性。在选择手臂材料时，可控性还要和材料的可加工性、成本、质量等性质一起考虑。总之，选择机器人手臂的材料时，要综合考虑强度、刚度、重量、弹性、抗震性、外观及价格等多方面因素。下面介绍几种机器人手臂常用的材料(l)碳素结构钢和合金结构钢等高强度钢：这类材料强度好，尤其是合金结构钢强度增加了很多倍、弹性模量大、抗变形能力强，是应用最广泛的材料;(2)铝、铝合金及其它轻合

35、金材料：其共同特点是重量轻、弹性模量不大，但是材料密度小，但仍可与钢材相比;(3)陶瓷：陶瓷材料具有良好的品质，但是脆性大，可加工性不高，一般用于和金属连接的特殊部位。然而，国外已经设计出纯陶瓷的喷漆机器人臂了。从本文设计的喷漆机器人的角度来看，在选用材料时不需要很大的负载能力，也不需要很高的弹性模量和抗变形能力，此外还要考虑材料的成本，可加工性等因素。在衡量了各种因素和结合工作状况的条件下，初步选用铝合金作为机械臂的构件材料。2.3机械臂的运动方式根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。常见的机器人的运动形式有五种：直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型、关节型和scara型。同一种运动形

36、式为适应不同生产工艺的需要，可采用不同的结构。具体选用哪种形式，必须根据作业要求、工作现场、位置以及搬运前后工件中心线方向的变化等情况，分析比较并择优选取。考虑到喷漆机器人的作业特点，即要求其动作灵活、有较大的工作空间、且要求结构紧凑、占用空间小等特点，故选用关节型喷漆机器人。这类喷漆机器人一般由2个肩关节和1个肘关节进行定位，由2个或3个腕关节进行定向。其中，一个肩关节绕铅直轴旋转，另一个肩关节实现俯仰。这两个肩关节轴线正交。肘关节平行于第二个肩关节轴线，如图所示。这种构形动作灵活、工作空间大、在作业时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。但是这类喷漆机

37、器人运动学比较复杂，运动学的反解比较困难；确定末端杆件的姿态不够直观，且在进行控制时，计算量比较大。图2.4 常见的运动方式92.4喷漆机器人的驱动元件在机器人驱动系统中，电气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去驱动机器人的关节，来获得动力。电气驱动主要有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、直线电动机以及最近几年出现的超声波电机和hd电动机【10】等几种。步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，每输入一个脉冲，步进电机就进行回转一定的角度，脉冲数与角度数成正比，旋转方向取决于输入脉冲的顺序。步进电机可在很宽的范围内，通过脉冲频率同步，能够按照脉冲要求进行起动、停止、反转和制动

38、变速，有较强的阻碍偏离稳定的能力。在机器人中位置控制系统中得到了极大的应用。主要有永磁式、反应式、永磁感应子式三种。直流伺服电机是用直流电供电的电动机。其功能是将输入的受控电压/电流能量转换为电枢轴上的角位移或角速度输出。直流伺服电机的工作原理和基本结构均与普通动力用直流电机相同。特点是稳定性好、可控性好、响应迅速、转矩大。一般有永磁式和电磁式，在机器人驱动系统中多采用永磁式直流伺服电机。.交流伺服电机的使用情况与直流伺服电机相同，但交流伺服电机与直流伺服电机相比，结构简单、工作可靠、功率大、过载能力强、无电刷、维修方便，因而交流伺服电机是今后机器人用电机的主流。低速电机主要用于系统精度要求高

39、的机器人。为了提高功率效率比，伺服电机制成高转速，经齿轮减速后带动机械负载。由于齿轮传动存在间隙，系统精度不易提高，若对功率效率比要求不十分严格，而对于精度有严格的要求，则最好取消减速齿轮，采用大力矩的低速电机，配以高分辨率的光电编码器及高灵敏度的测速发电机，实现直接驱动。环形超声波电动机具有低速大转矩的特点，使用在机器人的关节处，不需齿轮减速，可直接驱动负载，因而可大大改善功率重量比，并可利用其中空结构传递信息。hd电动机是一种小型大转矩(大推力)的电动机，电动机可直接与负载连接，可应用在系统定位精度要求高的机器人产品中。通过上述对几种机器人常用电机的分析和比较，综合考虑本文喷漆机器人臂并不

40、要求有很高的扭矩，但是要求有较高精度并要求能够快速启动和制动，所以选择应用较为广泛的步进电机作为驱动电机。2.5 机构整体设计综合考虑喷漆机器人的作业任务和作业环境，采用了5 个自由度的关节型机器人。整个机构的水平运动采用来实现，即整个机构装在一个上。整个执行机构是一个4 自由度的串行机构，且大臂与小臂关节的轴线相互平行。这种结构动作灵活，结构紧凑，工作空间大，占地面积小，在作业空间内手臂的干涉最小，关节需要的驱动力矩小，能量消耗较少，关节相对运动部位容易密封防尘。喷漆机器人部件组成由、立柱回转部件、大臂、小臂、末端执行器（喷涂头）组成。 各部分的功能如下：1) 底座，是机器人的基础部分，整个

41、执行机构和驱动系统都安装在基座上。2) 立柱是手臂的支撑部分，通过安装在底座上的步进电机驱动，立柱可以在机座上转动。3) 手臂包括大臂和小臂，是执行机构中的主要运动部件，以实现空间位置的3 个坐标分量的要求，用来支承腕关节，并使其在工作空间内运动。为了使末端执行器能达到工作空间的任意位置，手臂和机身的运动设计上具有4 个自由度。4) 腕关节是连接手臂与末端执行器的部件，用于调整末端执行器的方向和姿态。手部一般是夹持装置，主要用来夹紧作业工具喷涂头。3 喷漆机器人机身结构设计通过总体分析后,确定了机器人的结构。所设计的机身部分采用二级齿轮减速传动。图3-1 机器人关节齿轮传动机构简图3.1 电动

42、机的选择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） 、分别为10kg、5kg、12kg。、分别为重心到第一关节轴的距离，其值分别为300mm、700mm、1500mm，在式（3-1）中、故、可忽略不计。所以绕第一关节轴的转动惯量为： （3-2） = =同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量: = =式中：小臂重心距第二关节轴的水平距离 。 腕部重心距第二关节轴的水平距离 。设主轴速度为219/s，则旋转开始时的转矩可表示如下 （3-3）式中：旋转开始的转矩 角加速度 使机器人主轴从到/s所需时间为:则： 若考虑绕机

43、器人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 电动机的功率可按下式估算 （3-4）式中： 电动机功率 ； 负载力矩 ； 负载转速 ； 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1.5估算后就可选取电机，使其额定功率满足下式 （3-5）选择qzd-08串励直流电动机表3-1 qzd-08串励直流电动机技术数据功率（w）额定电压（v）额定电流（a）额定转速（r/min）滤磁方式绝缘等级工作制（min）8002446.21750串励b603.2 计算传动装置的总传动比和分配各级传动比根据经验取主轴的转速4rad/s。传动装置总传动比取48，分二级

44、传动，第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=12 (3-6)3.3 轴的设计计算3.3.1 计算各轴转速、转矩和输入功率a.各轴转速轴 (3-7)轴 (3-8)轴 n= (3-9)b.各轴输入功率轴 (3-10) 制动器效率轴 (3-11) 齿轮啮合的效率 角接触球轴承的效率轴 p=748.90.98=733.9 w (3-12)c.各轴输入扭矩轴 (3-13)轴 (3-14)轴 t3=9550 (3-15)3.3.2 确定三根轴的具体尺寸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

45、.此轴传递扭矩 （3-16）因为轴是齿轮轴,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。具体尺寸如图3-2所示。图3-2 第一级齿轮轴结构图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

46、析和弯扭矩图求作用在齿轮上的力： (3-17) 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) (3-19)在垂直面上 (3-20)画弯矩图 见图33在水平面上，剖面左侧 (3-21)剖面右侧 (3-21)在垂直面上 (3-22)合成弯矩，剖面左侧 (3-23)剖面右侧 (3-24)画转矩图 见图33 (3-25)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， 截面左侧 (3-26) (3-27)c.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，等效系数，

47、截面左侧 (3-28)查得，；查得绝对尺寸系数，；轴经磨削加工，表面质量系数。则弯曲应力 ， (3-29) 应力幅 平均应力 切应力 (3-30) 安全系数 (3-31) (3-32) (3-33)查许用安全系数，显然，则剖面安全。其它轴用相同方法计算，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,则 （3-34）安装轴承部分轴径最小,由于整个轴上零件较复杂,在两轴承之间有车在轴上的齿轮,还有安装在轴上的小齿轮,以及轴套和轴承,所以可取大一点,这里取,轴承部分,轴承选为单列角接触球轴承,轴承型号为 滚动轴承7206ac,其余根据结构确定.由于载荷不大,轴承选的较大,强度足够,这

48、里不再详算。中间轴大体结构及尺寸如图3-4所示。图3-4中间轴结构图c. 主轴的设计主轴是连接机身与大臂的结构，因结构体积比较大,为节省材料减轻重量,故需设计成空心轴,主要承受轴向拉力,取内径,外径,用圆锥滚子轴承支承,轴承型号为 滚动轴承30205。主轴材料选用型号为zalcu5mn的铸铝合金。3.4 确定齿轮的参数3.4.1选择材料根据表7-1,选择齿轮的材料为45钢,经调质硬度hbs可达229286。3.4.2 压力角的选择由机械原理知识可知,增大压力角,能使轮齿的齿厚和节点处的齿廓曲率半径增大,可提高齿轮的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度。此处，压力角可取20。3.4.3 齿数和模数的选择

49、对软齿面的闭式齿轮传动,其承载能力主要取决于齿面接触疲劳强度。而齿面接触应力的大小与小齿轮的分度圆直径有关,即与齿数和模数的积有关。因此在满足弯曲疲劳强度的前提下,宜选择较小的模数和较多的齿数。这样除能增大重合度,改善传动的平稳性外,还因模数的减小而降低齿高,从而减小金属的切削量,减少滑动速度,减少磨损,提高抗胶合能力。轴上齿轮齿数取25,小齿轮齿数取100,轴上轴齿轮齿数取25,大齿轮齿数取300,模数m取2。3.4.4齿宽系数 由强度公式可知,当载荷一定时,增大齿宽可以减小齿轮直径,降低齿轮圆周速度。但增大齿宽,齿面上的载荷分布不均匀性也将增大。查表7-7,中间轴上的齿轮与大齿轮啮合时取齿

50、宽系数为1.0;悬臂上的齿轮与小齿轮啮合时取为0.5。根据公式 ,计算结果圆整为5的整数倍,作为大齿轮的齿宽,小齿轮齿宽取,以补偿加工装配误差。所以轴上齿轮 与之啮合的小齿轮齿宽 轴上的齿轮齿宽 ,与之啮合的大齿轮齿宽3.4.5 确定齿轮传动的精度 根据gb10095-1988规定,齿轮精度等级分为12级,1级最高,12级最低,常用69级。根据表7-8 选用7级精度的齿轮。表3-2 第一级啮合齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿全高 齿顶圆直径 齿根圆直径 基圆直径 齿距齿厚齿槽宽中心距顶隙表3-3 第二级啮合齿轮的几何尺寸名称符号公式分度圆直径齿顶高齿根高齿全高 齿顶圆直径 齿

51、根圆直径 基圆直径 齿距齿厚齿槽宽中心距顶隙3.4.6 齿轮的校核已选定齿轮采用45钢，锻造毛坯，软齿面，齿轮渗碳淬火hrc5662，齿轮精度用7级，软齿表面粗糙度为，对于需校核的一对的齿轮，齿数分别为，模数为2，传动比，扭矩t=16.76nm。a.设计准则 按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。b.按齿面接触疲劳强度计算 。 （3-35）式中：节点区域系数，用来考虑节点齿廓形状对接触应力的影响，取=2.5； 材料系数，单位为，查表7-5，取189.8； 重合度系数，取=0.90； 齿宽系数，取=1； u齿数比，其值为大齿轮齿数与小齿轮齿数之比，u=12。选择材料的接触疲劳极限应力

52、为： 选择齿根弯曲疲劳极限应力为： 应力循环次数n计算可得 437.5163008=10.08 （3-36）则 （3-37）查得接触疲劳寿命系数为查得弯曲疲劳寿命系数为查得接触疲劳安全系数，弯曲疲劳安全系数，又为试验齿轮的应力修正系数，按国家标准取2.0，试选1.3，求许用接触应力和许用弯曲应力： （3-38） （3-39） （3-40） （3-41）将有关值带入公式（3-35）得：= =29.78mm则 （3-42） （3-43）查图得；查得，查得，取，则 （3-44）修正，mm取标准模数m=2mm，与前面选定的模数相同，所以m=2mm符合要求。c.计算几何尺寸 ， （3-45） ， （3-

53、46）d.校核齿根弯曲疲劳强度 查得，取校核两齿轮的弯曲强度 （3-47） （3-48） 所以齿轮完全达到要求。图3-5 大齿轮结构图图3-6 小齿轮结构图3.5 壳体设计基座部分采用球墨铸铁材料,方形结构,壁厚在15mm左右。立柱采用铸铝,空心圆柱形状,起固定轴承外圈的作用。其他部分具体尺寸由结构确定,这里不一一叙述,详见图纸。 3.6小结本章针对机身的齿轮、大齿轮轴、小齿轮轴进行了设计和校核，另外还表述了设计上的见解。通过校核可知设计的齿轮、轴均符合强度要求。总 结本文设计了一种喷漆机器人，详细地设计了移动喷漆机器人的各个部分，在全面分析各个系统的基础上，对系统研究过程中所遇到的一些问题也

54、进行了深入的研究。喷漆机器人是一种具有很大的研究价值和应用前景的机器人，在不方便操作的地方都扮演着很重要的角色，本次设计对机器人的结构进行了设计，包括机身、肘关节、腕关节和手爪，主要工作如下：l 通过功能和设计任务的分析，初步制定了机器人的总体方案。l 接下来进行了机械手结构的设计。l 重要零部件的受力分析与校核。l 电机选型与计算。l 主要零件工程图绘制。通过本次设计，把大学期间所学的知识都综合的利用起来，这再次加深了我对所学知识的印象，提高了我对知识的利用能力。但是，由于本人的水平和能力有限，本次设计一定存在一些不合理之处，希望老师给予批评和指正。展望:本文所完成的工作达到了预期的目标，但

55、是仍有进一步研究的必要，需要进一步改进的工作是本文在设计时考虑到的移动喷漆机器人的工作范围仍然是有限的，在将来可以集成更多的传感器在的车身上，以便移动平台能够更好的适应室外的工作环境。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中的探索的艰难和成功的喜悦。虽然做得还不是很完善，但是在设计过程中所学到的东西是这次设计的最大收获和财富，使我终身受益。致 谢本论文是在导师xx的