喷涂机器人优质毕业设计.doc

摘要因为现在使用油漆大多含有苯，笨是一个极易挥发，而且能致癌化学物质。在没有任何防护情况下进行喷漆作业对工人危害极大，所以多种多样喷漆机器人应运而生。本文设计了一个关节式喷漆机器人，含有六个自由度，其中手腕关节含有三个自由度，其它关节各含有一个自由度，各个关节采取液压驱动。本文设计喷漆机器人采取了类似于铰链四杆机构结构形式。驱动小臂运动电机安装在腰部回转盘上面，经过带动铰链四杆机构间接驱动小臂实现俯仰运动，这么避免了把液压缸直接安装在大臂和小臂连接处，从而减小了小臂本身重量，同时减小了驱动大臂和腰关节液压缸所需要功率和力矩，这种铰链四杆机构还使小臂实现本身重力平衡从而减小了静力矩。喷漆机器人主体采取了铝合金材料，减轻了本身重量。喷漆机器人整体动态性能也所以提升。关键词：喷漆机器人；关节式；结构设计AbstractNowadays most paint contains benzeneThe benzene is very volatile，toxic and carcinogenicIt does harm to the workers heavily when the protection is absentSo different kinds of painting robots appeared and developed greatlyA joint type painting robot was designed in this paperIt had six degrees of freedomThe wrist had three degrees of freedom and the other joints had three degrees of freedomThe painting robots joints were driven by hydraulic pressure Parallelogram structure was used in the robotThe hydraulic cylinder which was installed on the waist turning table droved the forearm indirectly through the parallelogram structureThe structure avoided installing the hydraulic cylinder directly on the joint to reduce the forearms weightSo the burden of the hydraulic cylinder which drive the upper arm and the waist were reducedAlso this structure made the forearm realize balance itself and reduce the static torqueAluminum alloy was used greatly in the robot，so the weight of the robot was reducedAlso the dynamic performance was improvedKeywords：painting robot；joint；structure design 目 录摘要IABSTRACTII目 录III第一章 绪论11.1 课题研究背景及意义11.2喷涂机器人特点及其发展现实状况21.3 课题中国外现实状况及研究关键结果41.3.1 中国研究现实状况41.3.2 国外研究现实状况51.5 本文研究关键内容和背景和意义7第2章 总体结构设计92.1 确定驱动系统92.1.1 驱动系统92.1.2 确定驱动件和自由度102.2 喷漆机器人运动参数112.3 各个关节结构形式和平衡方法112.3.1小臂122.3.2大臂132.3.3 小臂传动机构16 2.3.4 大臂传动机构172.3.5 腰部传动机构182.4 本章小结18第3章 喷漆机器人机构设计193.1 喷漆机器人数学模型建立和分析193.2 腕部设计223.2.1 电机选择223.3 小臂设计243.3.1 小臂设计总体要求243.3.2铰链四杆机构设计253.3.3液压缸选择和设计263.4大臂设计293.4.1大臂设计总体要求293.5腰关节设计323.6 传感器选择333.7本章小结33第4章轴、螺钉设计和校核354.1大轴1结构设计和校核354.1.1大轴1结构设计354.1.2 大轴1强度校核364.2.1大轴2结构设计394.2.2大轴2强度校核404.3小轴1结构设计和校核414.3.1 小轴1结构设计414.3.2 小轴1强度校核424.4小轴2结构设计和校核444.5回转底盘和腰部主轴连接螺钉校核454.6本章小结45参考文件47附录一 开题汇报附录二 文件综述附录三 外文文件 第一章 绪论1.1 课题研究背景及意义机器人是综合了人专长和机器专长一个拟人机械电子装置,现有些人对环境状态快速反应和分析判定能力,又有机器连续工作时间长、正确度高、抗恶劣环境能力,从某种意义上说它也是机器进化过程产物。机器人技术综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成高新技术,是现代研究十分活跃、应用日益广泛领域。机器人应用情况,是一个国家自动化水平关键标志。 机器人是用于完成多种作业机电一体化自动化生产设备。机器人广泛应用,不仅可提升产品质量和产量,而且对保障人身安全,改善劳动环境,减轻劳动强度,提升劳动生产率,节省原材料消耗和降低生产成本,有着十分关键意义。 自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来,经过五十多年发展,机器人己在越来越多领域得到了应用。如在毛坯制造(冲压、压铸、铸造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中,机器人已逐步替换了人工作业。在农业方面,机器人在国外农场应用也比较广泛,假如蔬采摘机器人、植保机器人、喷(雾)药机器人和高压静电灭蝗机器人等是农业自动化领域广大科研工作者研究热点。用于表面涂覆工作机器人称为喷涂(或喷漆)机器人,它是机器人技术和表面喷涂工艺相结合产物,是机器人产品中一个特殊品种,关键用于工业领域表面涂装作业,静电喷雾技术同时也广泛应用于农业生产中喷药杀虫和除草等植保作业。采取喷涂机器人关键优点在于实现了喷涂生产作业自动化,避免了工人一直处于有毒环境中而造成急性或慢性中毒,提升了产品质量和稳定性,同时能降低涂料和能量消耗,提升生产效率。1.2喷涂机器人特点及其发展现实状况大部分机电类产品在其制造过程中,全部包含到表面涂装作业。对于传统机械行业(如机床、轻工机械、纺织机械、农业机械、起重机械、工程机械、矿山机械、冶金机械等)、电机电器行业(如电机、变压器、电控柜等)、仪器仪表行业、家电行业、和交通运输行业等,用户对其产品外观质量要求全部很高,而表面涂装技术是达成这一要求关键步骤。对于一些机电产品如家电、轻工、汽车、摩托车等来讲,产品外观质量甚至影响到该产品在市场上竞争力,所以对表面涂装技术提出了更高要求。传统表面喷涂(漆)技术全部是以手工方法进行产品表面喷涂(漆)作业,在此过程中产生大量有害物质及气体,如:苯、醛类、胺类等造成环境污染,影响到操作工人身体健康及劳动情绪,所以喷涂质量受工人技术水平和情绪等原因影响较大,制约了生产能力。自动喷涂机出现则克服了这一缺点。但因为喷涂机只能完成部分简单往复直线运动,而被涂工件表面多样性及复杂性使得喷涂机使用受到一定限制。伴随机器人技术在工业生产领域不停扩展,机器人也被用来进行涂装作业,进而产生了一个新机器人品种喷涂机器人。喷涂机器人最显著特点就是不受喷涂车间有害气体环境影响,能够反复进行相同操作动作而不厌其烦,所以喷涂质量比较稳定;其次机器人操作动作是程序控制,对于一样零件控制程序是固定不变,所以能够得到均匀表面涂层:机器人操作动作控制程序是能够重新编制,不一样程序针对不一样工件,所以能够适应多个喷涂对象在同一条喷涂线上进行喷漆。有鉴于此,喷涂机器人在涂装领域越来越受到重视,尤其是在汽车制造业中,图1一l所表示机器人喷涂汽车车身情景。 图1一1机器人喷涂汽车车身 喷涂机器人和其它品种工业机器人比较其关键不一样之处于于喷涂机器人用于在封闭喷涂室内喷涂工件内外表面,因为喷涂室内漆雾是易燃易爆,假如机器人某个部件产生火花或温度过高,就会引燃喷涂室内易燃物质,引发喷涂室内大火。甚至引发爆炸,所以,防爆系统设计是设计电动喷涂机器人很关键一部分。其次,因为喷涂在工件表面油漆是勃性流体介质,需要干燥后才能固化,在喷涂过程中,机器人不得接触己喷涂工件表面,不然将破坏表面喷漆质量,所以喷枪输漆管路等全部不得在机器人手臂外部悬挂,而是从手臂中穿过,这在一定程度上影响机器人关节角转动范围。最终喷涂机器人需配置涂料流量控制系统和换色系统,以适应不一样色彩需要。1.3 课题中国外现实状况及研究关键结果 喷涂机器人是能够进行自动喷涂或喷漆一个新型工业机器人，1969年由挪威一家企业发明。喷漆机器人关键由机器人本体、计算机和对应控制系统组成，液压驱动喷漆机器人还包含液压油源，如油泵、油箱和电机等。多采取5或6自由度关节式结构，手臂有较大运动空间，并可做复杂轨迹运动，其腕部通常有23个自由度，可灵活运动。较优异喷漆机器人腕部采取柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动作类似人手腕，能方便地经过较小孔伸入工件内部，喷涂其内表面。喷漆机器人通常采取液压驱动，含有动作速度快、防爆性能好等特点，可经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、电器等工艺生产部门。伴随机器人技术不停完善，喷涂精度得到显著提升。中国华南理工大学、华中科技大学等科研机构前后对喷涂机器人技术进行深入研究，取得了不少进展。航天航空部703所、625所使用热喷涂机器人进行作业，用来喷涂部分关键而特殊航空部件。现在在中国，还没有完全意义上独立生产喷涂机器人厂家，机器人市场大多为欧美、日本、韩国等国生产厂家所垄断。 1.3.1 中国研究现实状况中国部分企业主动和高校开展喷涂机器人项目合作，深入推进中国喷涂机器人技术成熟，普及和应用。 多年来中国亦拥有相当数量喷漆机器人如南航研制PR-1型喷漆机器人。喷漆机器人在国外早已广泛应用于汽车等产品涂装生产线,国外机器人己取得进展关键表现在以下多个方面:1)操作机器人:经过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法利用,操作机器人己实现了优化设计。以德国KUKA企业为代表机器人企业,己将机器人并联平行四边形结构改为开链式结构,拓展了机器人工作范围,加之轻质铝合金材料应用,大大提升了机器人性能。另外采取优异RV减速器及交流伺服电机,使机器人操作机几乎成为免维护系统。2)并联机器人:采取并联机构,利用机器人技术实现高精度测量及加工。意大利COMAU企业和日本FANUC等企业已开发出了这类产品。3)控制系统:控制系统性能深入提升,己由过去控制标准6轴机器人发展到现在能够控制21轴,甚至27轴,实现了软件伺服和全数字控制。人机界面愈加友好,基于图形操作界面也己问世。编程方法仍以示教编程为主,但离线编程己在一些领域实现实用化。4)传感系统:激光传感器、视觉传感器和力传感器已成功应用于机器人系统中,并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体自动定位和精密装配作业等,大大改善了机器人作业性能和对环境适应性。日本KAWASAKI、丫ASKA场叭、FANUC和瑞典ABB、德国KUKA、REIS等企业全部有这类产品。5)网络通信功效:日本YASKA场人和德国KUKA企业最新机器人控制器己实现了和现场总线CanbuS、ProfibuS及部分网络联接,使机器人由过去独立应用转向网络化应用。6)可靠性:因为微电子技术快速发展和大规模集成电路应用,使机器人系统可靠性有了很大提升。过去机器人系统可靠性通常为几千小时,而现在已达成5万小时,能够满足任何场所需求。 1.3.2 国外研究现实状况在国外,多年来机器人领域发展有以下多个趋势:l)机器人性能不停提升(高速度、高精度、高可靠性),而其价格不停下降。2)机械结构向模块化、可重构化发展。如关节模块中伺服电机、减速机、检测系统三位一体化;由关节模块、连杆模块用重组装方法结构机器人整机。3)机器人控制系统向基于PC机开放型控制器方向发展,有利于标准化、网络化;器件集成度提升,采取模块化结构;机器人系统可靠性、易操作性和可维修性大大提升。4)机器人中传感器作用日益突出,除采取传统位置、速度、加速度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉传感器、力觉传感器,而遥控机器人则采取视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器信息融合技术来进行环境建模及决议控制。5)虚拟现实技术在机器人领域应用己从仿真发展到用于过程控制,如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中操纵机器人感觉。1.4. 存在问题和未来处理问题 1.4.1 喷涂工件CAD造型获取 喷涂机器人离线编程第一步是必需获取喷涂工件CAD数据，伴随计算机视觉技术成熟，能够利用模式识别技术先识别出待喷涂工件，再利用图像处理技术提取工件表面特征点，形成数据点云，最终经过图像三维重构获取工件CAD数据。 1.4.2 喷涂路径计划 路径计划是喷涂机器人离线编程另一项关键技术。路径计划好坏，直接关系到喷涂作业效率和工件表面涂层是否均匀，对喷涂工件质量影响巨大。 1.4.3 喷涂机器人位姿精度和标定 影响喷涂机器人位姿精度有多方面原因，从大致上讲可分为静态和动态原因。静态原因包含了制造、装配时所带来机器人本体机械结构上误差；由外界温度改变和长久磨损而引发机械部件尺寸改变，由此造成机器人位姿误差。动态原因关键是由外力所引发机械部件本身弹性变形所带来机器人运动误差。为处理以上原因所造成机器人位姿误差，必需在使用前对机器人进行标定，建立机器人参考模型，现在用于机器人标定技术有基于三坐标测量仪标定、基于激光跟踪仪机器人标定和基于CCD机器人标定。依据机器人实际运行时位姿和参考模型间误差，建立机器人赔偿机制，以深入提升机器人喷涂作业精度。 1.4.4 喷涂机器人控制 喷涂机器人控制较为常见仍是传统PID理论，在实际应用中，喷涂机器人机械臂长度往往很长，当整个机械臂伸展开时大约可达成2m长度，且运行速度较高，各关节间动力学效应很显著，不能忽略，从而造成机器人各关节被控对象模型是时变。而传统PID理论百分比（P）、积分（I）、微分（D）参数整定是建立在关节传输函数模型为定值基础之上，这对传统基于系统动力模型控制理论带来了挑战。另外，实际工业现场往往存在有多种不确定干扰，也会对PID控制器造成影响。以上两个原因决定了PID控制器必需含有一定自适应性，其百分比、积分、微分参数应能够伴随外界环境改变而自动改变。智能控制理论提出和发展为问题处理带来了新思绪。智能控制是人工智能、生物学和自动控制原理结合产物，是一个模拟生物一些运行机制、非传统控制方法。将神经网络、模糊理论、人工免疫、遗传进化等智能控制算法和PID理论相结合，用于PID参数整定，成为未来机器人控制发展趋势。1.5 本文研究关键内容和背景和意义伴随改革开放和中国加入世贸组织，近几年来中国汽车制造业高速发展起来。汽车制造业在本身发展同时也促进了机械制造业发展，其中对工业机器人发展促进作用尤为显著。在汽车制造生产过程中，汽车车身涂装是最关键生产工艺之一。涂装质量高低决定了汽车表面耐腐蚀能力强弱、使用寿命长短、汽车是否美观，而且大家在购置汽车时，对于汽车产品最直接评价就起源于汽车外观，所以喷涂质量高低直接影响了一个汽车产品在市场中竞争能力和生产厂家经济效益。喷漆机器人含有轨迹灵活、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涂装设备。然而中国工业机器人起步较晚、技术比较落后，间接造成了中国自行生产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、性价比等方面上和发达国喷漆机器人存在着较大差距。现在中国部分汽车生产厂家还在使用轨迹灵活度较低、柔性差自动喷涂机来进行汽车车身涂装，少数企业即使采取了外国设备制造商喷漆机器人，不过仍然存在着价格昂贵、维护费用高、兼容性低等问题，从而造成了竞争力和经济效益下降。所以实现高质量喷漆机器人国产化，对于中国工业机器人发展和汽车制造业发展含有十分关键意义。本文以用于汽车车身喷漆机器人为研究对象，对喷漆机器人结构设计进行了研究。全文关键内容以下：1.阅读工业机器人和包装机械相关书籍，确定了各个关节传动方案。依据设计要求里工作空间要求，经过简单计算方法，确定了两个手臂长度。2.初步设计了传动部分结构和连接形式，并用CAD绘制出了关键零部件零件图和一张总装图和腰部回转部分部装图和腕部回转部分部装图。3.利用所学到理论力学、材料力学、动力学、物理学知识而且依据机器人技术参数计算出各个关节转动力矩和功率，再查找机械设计手册，选择了符合要求驱动部件和传感器。4.进行了关键传动部件设计计算和校核。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驱动系统是直接驱动整个机器人完成指定动作机构，而且工业机器人驱动系统是机器人上一个十分关键机构，对工业机器人性能和功效和维修是否方便有很大影响。假如没有一个有效伺服驱动系统，不管机器人含有多么正确控制系统和多么敏感传感系统，也是无济于事。当今世界上工业机器人动作自由度全部比较多，方便能完成复杂动作，其中多为五自由度和六自由度。这些工业机器人旋转速度和直线移动速度全部比较快，而且定位精度十分高，它们驱动元件大多安装在活动支架上。而且因为施工现场空间是有限，所以绝大多数时候要求工业机器人所占空间要尽可能小，方便在有限空间尽可能完成多个工序。综合以上特点，设计时要求工业机器人驱动系统设计标准是必需做到外型小、重量轻、工作稳定可靠。另外，因为工业机器人能在工作空间内任意多点定位，而且控制和驱动程序又是灵活多变，所以在部分结构比较复杂和多自由度工业机器人中，通常采取伺服驱动系统。现在，工业机器人驱动方法关键有液压驱动、电机驱动和气压驱动三种。液压驱动系统特点关键是运行稳定可靠，运动件惯性小，快速对应灵敏度高，传动比较大，低速性能好，轻易实现无极调速，操作和控制全部比较轻易。气压驱动特点关键是响应速比较度快，广泛应用于数控机床等设备中，不过存在管路漏气现象，维修比较麻烦。电机驱动方法含有以下特点：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。另外，因为多年来液压控制系统逐步完善，此次设计选择液压驱动。2.1.2 确定驱动件和自由度因为工作需求不一样和工作对象不一样，所以工业机器人驱动机型有多个结构形式，关键包含直角坐标系机器人、圆柱坐标机器人、极坐标机器人、多关节机器人直角坐标系机器人只能在x、y、z三个方向上作直线运动，所以控制方便，结构十分简单，设计比较方便。不过其只能作直线运动，所以不足比较大，只能在特定工作场所下工作。圆柱坐标机器人工作范围是一个类似于圆柱面表面，操作方便和控制方便是它最大优势，不过它跟直角坐标系机器人一样有着极大工作不足。极坐标机器人是一个能够做腰部旋转运动，手臂部分一个旋转运动和一个直线运动工业机器人。多关节型机器人运动空间比前三者大，能够完成十分复杂动作，运动轨迹灵活多变，自由度多而且结构相对简单。总而言之，喷漆机器人驱动机型选择多关节型。又因喷漆机器人负荷小，运动速度低，而且依据设计要求，所以采取六自由度。所以本文设计喷漆机器人是一个六自由度关节型机器人。2.2 喷漆机器人运动参数 项目技术参数结构形式关节式自由度6活动范围1234561007570210210420最大速度2m/s手腕最大负荷5kg驱动方法电液伺服驱动反复定位精度2mm示教方法示教手柄直接示教或修正盘示教电源AC100V，单向50/60Hz,260VA防爆级本质安全防爆环境温度0402.3 各个关节结构形式和平衡方法通常工业机器人有5个左右结构复杂结构件，即：底座、腰部转动台支架、大臂、小臂和手腕部。现在大臂和小臂结构比较流行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箱体，多为铸件。为了减轻小臂重量和大臂负载，小臂采取空心管结构，材料是铝合金。为了增强大臂强度，同时尽可能降低大臂重量，大臂采取实心立方体结构，材料一样是铝合金。手臂平衡：为了减小驱动力矩和增加运动平稳性，大臂和小臂标准上说全部要进行平衡。但当负载较小，臂杆重量较轻，关节力矩不大，驱动装置有足够容量时，能够省去平衡。对于喷漆机器人设计，因为末端实施器重量约为3kg，大臂和小臂总重量约为60kg至70kg，所以在这里采取一定平衡方法。对于小臂平衡，在这里小臂采取铰链四杆结构方法，这种结构经过后杆质量来平衡腕部质量。该机器人大臂小臂均采取弹簧平衡装置，以下图所表示。经计算其平衡弹簧力未能做到手臂完全平衡，但不平衡力矩量值不大。2.3.1小臂小臂平衡弹簧铰接在平衡支架A点上，另一端固定焊接在小臂内弹簧座上。平衡支架、大臂、拉杆和转台组成一平行四连杆机构。它使平衡支架在下臂运动时做平面运动，确保小臂在大臂运动时其夹角不变。 小臂不平衡力矩不仅随转角改变，也随转角改变，其算法以下：小臂对转轴轴线偏重力矩M为式中：G-小臂及手腕部件重量 小臂及手腕部件合重心和O距离 小臂梁和水平线夹角弹簧平衡力矩M=式中：小臂平衡弹簧刚性系数 小臂平衡弹簧变形量 弹簧力对O力臂经过结构尺寸关系可算得：式中=为弹簧长度（包含支撑螺栓等长度）是随角改变值，为安装时弹簧预变形量。因为存在着驱动油缸活塞和刚桶静阻力，其方向沿活塞杆，它正确力矩亦起着平衡一部分偏重力矩作用，所以小臂平衡力矩式中M为油缸正确静阻力矩。2.3.2大臂大臂平衡由对称于大臂中心线左右两根弹簧负担，同理大臂不平衡力矩也同时受转角影响，另外，小臂没有完全平衡，在计算时还应考虑小臂加于大臂上部力和力矩作用。此时，大臂偏重力矩应为关节轴3重量（包含轴上零件）a大臂长L大臂合重心矩长度 其算法和小臂相同。考虑大臂驱动油缸静阻力矩则可得大臂不平衡力矩大小臂平衡弹簧参数 小臂弹簧大臂弹簧弹簧直径（mm）弹簧钢丝直径（mm）圈数7040刚度系数（kgf/mm）0.84930.8666弹簧总长度708410螺旋方向右旋右旋平衡弹簧材料选择60siMnA2.3.3 小臂传动机构图2.3小臂关节结构示意图小臂关节传动系统结构简图图2.3所表示。小臂做+135至-90范围内俯仰运动，从而调整整个腕部空间位置。小臂轴和大臂末端连接在一起，连接形式能够是键连接或是无键连接，因为此处键连接轴向定位比较麻烦，所以这里采取无键连接，具体采取在包装机械中被广泛利用胀紧套。胀紧套含有对中精度高、安装/拆卸方便、强度高、连接稳定可靠等优点。这里铰链四杆机构后杆和底杆能够平衡手腕部分和部分小臂重量，降低大臂所承受负载。这个四杆机构在设计时应该尽可能降低底杆和后杆重量，使之和腕部质量靠近，而且其所占空间也应该尽可能小，综合考虑选择曲柄摇杆机构，具体尺寸会在下一章依据工作空间所设计手臂长度给出。 2.3.4 大臂传动机构图2.4大臂关节结构示意图大臂关节传动系统示意图图2.4。大臂俯仰运动和小臂俯仰运动配合将实现手腕部分在工作空间内定位。大臂一端和底座连接，一端和小臂连接液压缸在外侧驱动，一同固定在转台上，能随转台一起转动。这种传动方案优点是结构简练有效、传动精度较高、经过本身调速减轻了整个腰部负载。在安装时，驱动大臂电机和驱动小臂液压缸对称部署方法这么有利于腰部回转盘重量平衡，使整个结构稳定，预防了颠覆。这种结构也减小了腰部回转盘转动力矩，减轻了带动腰部回转液压缸负担。2.3.5 腰部传动机构图2.5腰部关节结构示意图腰关节结构示意图图2.5。腰部旋转和大臂俯仰和小臂俯仰共同配合将实现腕部在空间任意位置定位。腰部主轴和腰部回转盘用螺钉相联，大臂和小臂驱动电机固定在腰部回转盘上电机座上。腰部主轴是空心轴，经过键和力矩电机相连。所以，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控制15。这种传动方案是经过直流力矩电机直接带动整个腰部回转，免去了无须要结构，简练有效，降低了成本。2.4 本章小结本章关键介绍了喷漆机器人驱动方案选择和确定了技术指标。完成了机器人总体传动系统设计。并给出了各关节传动方案，同时进行了必需分析论证，在这以后设计了各个关节传动机构和大致上连接方案。说明了每个传动方案优点和不足，并给出了需要校正零部件方法。第3章 喷漆机器人机构设计3.1 喷漆机器人数学模型建立和分析设计喷漆机器人所需要达成最大覆盖范围是1.31.31.3。依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点，因为小臂末端至喷枪距离约为0.4m，所以在讨论时小臂长度为原小臂杆长度加上0.4m，一共为1.2m。需要论证数学模型是：假设大臂和小臂为不计体积细长直杆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圆盘上，其俯仰范围是+135至-90。细杆1另一端连接着细杆2，细杆2长度是1.2m，同时细杆2能够相对于细杆1做俯仰范围是+168至-80俯仰运动。需要验证是，细杆2末端最大运动范围是否是喷漆机器人最大覆盖范围1.31.31.3。假如超出喷漆机器人最大覆盖范围，则假设尺寸符合要求，假如小于喷漆机器人最大覆盖范围，则需要重新制订各部分尺寸。图3.1工作空间模型论证细杆2末端所要达成运动范围图3.1所表示。在论证时，假设大臂和腰部回转盘链接点i在线段da延长线上，因为腰部回转盘旋转范围是170，所以只需要验证通常空间即可，另二分之一和之对称。总而言之，我们现在论证空间是abcd-efgh，在论证时只需要验证细杆2末端能否达成空间abcd-efgh八个顶点即可。假如能在各个细杆运动范围内达成这八个顶点，那么细杆2末端肯定能够达成空间内其它点。图3.2平面abcd 工作极限位置模型假设细杆1和圆盘连接点i在da线段延长线上，ij代表细杆1，i和a距离为0.5m。图3.2所表示，当工作平面在abcd时，达成各极限位置时细杆1和细杆2位置状态。读图可知达成d点时，细杆1俯仰角度最大为51 ，依据设计方案知细杆1最大俯仰角为+135 。达成a点时，细杆2相对于细杆1俯仰角度最小为-75 ，依据设计方案知细杆2相对于细杆1最小俯仰角度-80 。读图可知当达成其它位置时，细杆1和细杆2相对于细杆1俯仰角度均小于设计方案中要求极限值。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末端ife平面运动时，图3.3所表示细杆1和细杆2极限位置。读图可知达成e点时，细杆2相对于细杆1俯仰角度最小-55 ，依据设计方案知细杆2相对于细杆1最小俯仰角度-80 。读图可知当达成其它位置时，细杆1和细杆2相对于细杆1俯仰角度均小于设计方案中要求极限值。所以当工作面为ife时，手臂长度符合要求。图3.3达成f、e极限时位置模型图3.4达成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末端igh平面运动时，图3.4所表示细杆1和细杆2极限位置。读图可知达成h点时，细杆1俯仰角度最大为45 ，依据设计方案知细杆1最大俯仰角度为+135 。读图可知当达成其它位置时，细杆1和细杆2相对于细杆1俯仰角度均小于设计方案中要求极限值。所以当工作面为igh时，手臂长度符合要求。经过上面计算和分析可证实小臂末端可达覆盖范围大于空间abcd-efgh。因为论证时前提条件是把喷漆机器人最大覆盖范围一分为二。所以满足二分之一覆盖范围时，肯定能够达成对整个机器人提出覆盖范围要求1.31.31.3。故喷漆机器人足可满足要求最大覆盖范围，证实方案正确，小臂和大臂长度和俯仰角度确定适宜。3.2 腕部设计3.2.1 电机选择手腕部分电机安装：带动喷枪旋转减速电机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，带动回转套回转减速电机2安装在回转套支架外侧，带动整个回转套做回转运动。这两处电机安装图2.2所表示。带动整个腕部旋转减速电机3和安装在回转套外侧带有法兰盘空心轴经过胀紧套连接在也一起，这个安装面和电机2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负担，所以电机1应该质量轻、体积小且能满足功率满要求。同时电机轴要和喷枪夹末端空心轴经过胀紧套连接在一起，所以电机输出端轴要进行合适加粗加长。回转套质量也要尽可能小，所以材料为铝合金类材料。假设喷头尺寸为50200 圆柱体，由已知条件知质量为3 kg。圆柱体转动惯量为：J =m(3 R2+L2) =3(3+) =0.01 kg.m2取喷枪转动角速度为=2rad/s，n=60r/min取开启时间为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故订做减速电机1额定电压为220V，输出功率最少为4w，输出转矩最少为1N.m，转速为1400r/min，减速箱减速比为23。电机输出轴端进行合适加粗加长。电机2带动回转套做回转运动。设回转套为200200200立方体。设回转套、电机、减速器、短轴、键、喷枪及喷枪夹质量共5kg。长方体转动惯量公式为：J=m()因为回转套为正方体，故b=h=0.2m 所以绕回转套回转中心转动惯量为：J=5()=0.03 kg.m2取回转套转动角速度为=2rad/s, n=60 r/min取开启时间为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故订做减速电机2额定电压为220V，输出功率最少为12w，输出转矩最少为2N.m，转速为1400r/min，减速箱减速比为23。电机输出轴端进行合适加粗加长，而且在末端开键槽。电机3带动整个腕部做回转运动。电机经过胀紧套连接空心轴，所以电机输出轴也要进行合适加粗加长。设回转套为232100350立方体。设整个腕部、回转套支架、联轴器、短轴、电机、减速器等部件质量估算为12kg。长方体转动惯量公式为：J=m()因为回转套为正方体，故b=0.232m,h=0.1m 所以绕回转套回转中心转动惯量为：J=5()=0.064kg.m2取回转套转动角速度为=rad/s，转速为n=30r/min取开启时间为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故订做减速电机3额定电压为220V，输出功率最少为7w，输出转矩最少为3N.m，转速为1400r/min，减速箱减速比为46。电机输出轴端进行合适加粗加长16-20。3.3 小臂设计3.3.1 小臂设计总体要求手臂杆质量应该尽可能小，从而减轻支撑它大臂杆及它驱动电机负担。同时小臂杆还要承受整个手腕重量和在运动中产生动载荷。喷漆机器人最大覆盖范围和各个手臂长度、手臂间关节转动范围亲密相关。所以设计手臂时，该充足考虑依据机器人所要完成任务而提出设计要求，从而确定手臂杆大致结构和长度。依据尽可能减小手臂质量同时保持一定强度标准，从而合理选择手臂截面形状和所用材料，既满足强度要求又最大程度降低本身重量。尽可能降低对其关节转动惯量和偏重力矩，以降低驱动装置负载，同时注意降低运动动载荷和冲击。设法减小机械间隙引发运动误差提升运动正确性和运动刚度，可采取缓冲和定位装置，从而提升定位精度。喷漆机器人小臂俯仰机构经过铰链四杆机构来完成，安装在腰部回转盘上直流伺服电机经过铰链四杆机构驱动小臂实现俯仰运动。采取铰链四杆机构目标是把直流伺服电机放到腰部回转盘上面，避免直接放到小臂和大臂连接处，减轻小臂重量，降低大臂驱动装置负载，降低运动过程中产生动载荷和冲击，提升整个喷漆机器人响应速度。3.3.2铰链四杆机构设计此处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，假如采取双曲柄机构，其它杆杆长太长，而且上一章确定小臂长度为800mm，所以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对边，既大臂和最短杆相对。假如采取双摇杆机构，会造成其它两杆长度过长，在一定方向上占有空间太大，而且小臂俯仰角度不好确定，势必会增加设计难度。综合以上分析，在这里采取曲柄摇杆机构具体图3.5所表示。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，而且所占空间小，底杆和后杆质量比其它两种方案要小。图3.5实现小臂俯仰铰链四杆机构结构示意图3.3.3液压缸选择和设计首先计算动态转矩，计算动态转矩需计算转动惯量。我们只需要计算出转动惯量最大时情况，既当小臂和大臂共线时，小臂可视为绕