机械毕业设计（论文）-喷漆机器人的设计【全套图纸】

I 摘要 随着中国加入世贸组织，国内的喷漆行业面临着一个非常严峻的问题，就 是如何引进国外的先进技术提高生产率，其中就有喷漆机器人技术的引进和开 发。在喷漆操作中产生的烟雾、有毒气体和灰尘等对人体的健康有影响，另一 个原因是有些喷漆部位人很难进行操作或者根本不能操作，基于上述的原因国 内的厂家迫切需要用喷漆机器人代替人进行喷漆作业。本次设计的“喷漆机器 人”就是为了解决这些问题。该机器人不但能代替人在危险或有毒害的工作环 境中稳定的工作，而且它又巧妙地解决了喷漆线中某些复杂部位的喷漆。它有 五个自由度，运转灵活，手腕的两个自由度控制直接决定了喷漆的质量和效率。 这次机器人的总体结构设计是机器人设计中重要的部分，它是根据生产中的实 际问题而采取的有效方法，不仅具有理论研究价值，而且具有现实意义。它可 以打开我国的机器人生产品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周 期长、成本高，而且质量、可靠性不稳定的僵局。 关键词：关键词：喷漆机器人；结构设计；大臂；小臂 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 II Abstract Following China joining in the WTO, spray-paint of industry in our country faces a machine for very rigorous problem whatever introduce into advanced technology to increase productivity，spray-paint robot technologys introduce into and open out. Smog、toxicant and dust affect Gods image health in the course of the spray-paint, to all do harm to the human body to is some to spray-paint the part person very difficult proceeding operation or the root cant operate, base on upper reason that internal factory is a impendence thing that require to use spray-paint robot for replacing man to joining work. The design of the spray-paint robot aim to resolve these problem. It can not only replace the person at the work that dangerous or poisonous harm to inside steady, and it is again skillfully to resolve the spray- paint of some and complicated part of inside of spray-paint line. Two free degree controls that it have five free degrees, revolves is vivid, and the wrist come to a decision the weddings quantity with the efficiency. The total construction design of robot of this Arc spray-paint is a Arc spray-paint robot the system inside is extremely important a the part, it is according to the valid method that actual problem within production and then adopt, and not only have the theories research the value, but also have the realistic meaning. it can open the deadlock of our countrys robots lots of variety standards, little of batch, lowness of parts general use, the long cycle of supply, the high cost, and that the quality and dependability is unsteadiness. Keywords: Paint machine; structural design; big arm; forearm III 目录 摘要I Abstract.II 第 1 章 绪论 .1 1.1 概述1 1.2 工业机器人的构成及分类2 1.2.1 工业机器人的构成 .2 1.2.2 机器人的分类 .3 1.3 研究工业机器人的意义和目的5 1.3.1 研究工业机器人的意义 5 1.3.2 研究工业机器人目的 8 第 2 章 喷漆机器人的方案设计 .10 2.1 确定驱动系统10 2.2 确定驱动机型和自由度10 2.3 确定传动方式11 2.4 确定运动杆长和各轴的运动范围11 2.5 确定臂杆结构和平衡方式12 第 3 章 喷漆机器人结构及传动系统设计 .13 3.1 底座及腰部设计13 3.1.1 腰部传动系统设计 13 3.1.2 箱体设计 25 IV 3.2 大臂及小臂设计26 3.2.1 大臂驱动部分的设计 26 3.2.2 小臂驱动部分的设计 35 3.2.3 选择减速器 37 3.2.4 同步带的设计计算 39 3.3 腕部设计41 第 4 章 工业机器人的控制系统 .43 4.1 控制特点与分级43 4.1.1 工业机器人的控制有如下特点 43 4.1.2 机器人控制系统分级 44 4.2 运动控制方式45 4.2.1 点位控制方式 45 4.2.2 连续轨迹控制方式 46 4.3 控制装置的软件系统48 4.3.1 喷漆机器人软件系统 48 4.3.2 喷漆机器人喷漆系统 49 结论 .50 致谢 .51 参考文献 .52 1 第 1 章 绪论 1.1 概述 工业机器人是工业制造及物流自动化中的重要装置之一，是当今世界新技 术革命的一个重要标志。工业机器人是一种典型的机电一体化产品，它大体上 分解为四个部分：机器人本体、末端执行器、传感器和控制器1。在科技界， 科学家会给每一个科技术语一个明确的定义，但机器人问世已有几十年，机器 人的定义仍然仁者见仁，智者见智，没有一个统一的定义。原因之一是机器人 还在发展，新的机型，新的功能不断涌现。根本原因主要是因为机器人涉及到 了人的概念，成为一个难以回答的哲学问题。就像机器人一词最早诞生于科幻 小说之中一样，人们对机器人充满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊， 才给了人们充分的想象和创造空间。 而我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器，所不同 的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、 动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器” 2。在研究和开 发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的 本质是感知、决策、行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本 质认识的加深，机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合 这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的具有感知、决策、行动和交互能 力的特种机器人和各种智能机器，如移动机器人、微机器人、水下机器人、医 疗机器人、军用机器人、空中空间机器人、娱乐机器人等。对不同任务和特殊 环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。这些机器人从外观 上已远远脱离了最初仿人型机器人和工业机器人所具有的形状，更加符合各种 不同应用领域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增强，从而为机器人技术 开辟出更加广阔的发展空间。 而人们一般对机器人作如下的定义：“机器人是一种自动控制的通过编程 可完成某些手工操作或搬运作业的机器”。 机器人的产生和推广是社会生产和发展的需要，也是现代生产和科学发展 2 的新技术产品。机器人已经在工业生产、资源开发、社会服务、排险救灾以及 军事技术等方面发挥着愈来愈多的作用。机器人可以在有毒、噪声、高温、易 燃、易爆等危险有害的环境中代替人长期稳定的工作，从根本上解决了操作者 的安全保障问题。采用机器人更能够扩大人类的活动领域和能力。机器人可以 在诸如深海、高压、辐射、外层空间等人类不能适应的条件下长期可靠的工作， 因此在深海采矿、宇宙探索、卫星的空间维修、高辐射条件下调试等领域，都 可以依靠机器人来操作。随着计算机技术、控制技术、人工智能的发展，机器 人技术得到迅速发展，出现了更为先进的可配视觉、触觉的机器人。 1.2 工业机器人的构成及分类 1.2.1 工业机器人的构成 工业机器人由执行机构、驱动装置、控制系统、智能系统组成， 其中构执行机构(也称操作机)是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由杆件 相关节组成。从功能的角度，执行机构可分为：手部、腕部、臂部、腰部和基 座等。 1.手部 手部又称末端执行器，是工业机器人直接进行工作的部分和各种夹持器。 有时人们也常把诸如电焊枪、油漆喷头等划作机器人的手部。 2.腕部 腕部与手部相连，通常有 3 个自由度，多为轮系结构，主要功用是带动手 部完成预定姿态，是操作机中结构较为复杂的部分。 3.臂部 臂部用以连接腰部和腕部，通常由两个臂杆(小臂和大臂)组成，用以带 动胸部作平面运动。 4.腰部 腰部是连接管和基座的部件，通常是回转部件，腰部的回转运动再加上 臀部的平面运动，就能使腰部作空间运动。腰部是执行机构的关键部件，它 的制造误差、运动精度和平稳性，对机器人的定位精度有决定性的影响。 5.基座 3 基座是整个机器人的支持部分，有固定式和移动式两种。该部件必须具 有足够的刚度和稳定性。 1.2.2 机器人的分类 我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器 人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由 度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人 类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机 器人、农业机器人、机器人化机器等。3在特种机器人中，有些分支发展很快， 有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器 人等。目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制 造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分 类是一致的。 1.按机械手的几何结构分 机器人机械手的机械配置形式多种多样。最常见的结构形式是用其坐标特 性来描述的。这些坐标结构包括笛卡儿坐标结构、柱面坐标结构、极坐标结构、 球面坐标结构和关节式球面坐标结构等。这里简单介绍柱面、球面和关节式球 面坐标结构等三种最常见的机器人。 柱面坐标机器人。柱面坐标机器人主要由垂直柱子、水平手臂(或机械手) 和底座构成。水平机械手装在垂直柱子上，能自由伸缩并可沿垂直柱子上下 运动。垂直柱子安装在底座上，并与水平机械手一起(作为一个部件)能在底座 上移动。这样，这种机器人的工作包迹(区间)就形成一段圆柱面，如图 1-1 所 示。因此，把这种机器人叫做柱面坐标机器人。 4 图 1-1 柱面坐标机器人 球面坐标机器人 。这种机器人如图 1-2 示。它像坦克的炮塔一样。机械 手能够作里外伸缩移动、在垂直平面上摆动以及绕底座在水平面上转动。因此， 这种机器人的工作包迹形成球面的一部分，并被称为球面坐标机器人。 图 1-2 球面坐标机器人 关节式球面坐标机器人。这种机器人主要由底座(或躯干)、上臂和前臂构 成。 器人的工作包迹形成球面的大部分，称为关节式球面机器人10。 2.按用途分 工业机器人按用途和作业类别划分，有焊接机器人、冲压机器人、浇注机 器人、搬运机器人、装配机器人、喷漆机器人、切削加工机器人、检测机器人、 采掘机器人、水下机器人等。 探索机器人，用于进行太空和海洋探亲，也可用于地面和地下探险和探索。 5 服务机器人，一种半自主或全自主工作的机器人，其所从事的服务工作可 使人类生存得更好，使制造业以外的设备工作得更好。 军事机器人，用于军事目的，或进攻性的，或防御性的。它又可分为空中 军用机器人、海洋军用机器人和地面军用机器人。4 1.3 研究工业机器人的意义和目的 1.3.1 研究工业机器人的意义 近年来，国外工业机器人的发展非常迅速。据报导，目前世界上生产中使 用的机械手和工业机器人总台数已达 15 万台，其中示教再现机器人已达 2.8 万台，特别突出的是日本，其工业机器人产值，在 7982 四年中，连续以年 增长 40%的高速度发展，至 1982 年日本已拥有机械手和各种工业机器人 10 万台（即占世界的 2/3） 。另据预测，在今后十年中，美国工业机器人（台数 和产值）将会以几何级数增长。欧洲各国也在加快步伐进行机器人的研制和应 用。 国外为什么要大力发展工业机器人？总体来说，是机器人的特点满足了社 会生产的需要。现在对工业机器人的特点及其带来的经济、社会效益分述如下： 机器人对环境的适应性强，能代替人从事危险、有害的操作。在人无法接 近的地方，或者在长时间工作对人体有害的场所，机器人都不受影响。只要根 据工作环境条件进行合理设计，选用适合的材料和结构，工业机器人就可以在 异常高温或低温，异常压力和有害气体、粉尘、放射线作用下，以及冲压、灭 火等危险环境中胜任工作。如冶炼、锻造、铸造和热处理车间，温度可达几百 度，即使穿防护衣，戴防护面具、手套等，人也难以坚持工作。此外，在焊接 操作中的弧光、高温烟雾和飞溅以及喷漆作用中的毒性有机溶剂等有害人体健 康的场所，都需要采用工业机器人来操作。据不完全统计，1976 年日本全国 工伤事故人数共 113 万人，平均每 30 名工人中有 1 人，其中比较严重的，伤 亡者共 33.3 万人，平均每 100 名工人有 1 人。此外，肺结核、白血症等职业 病很多，成为严重的社会问题，急待企业积极采取措施加以解决。在这种背景 下，日本产业构造审议机械情报产业部在咨询答复报告中强调，首先应当在工 6 伤事故多的工种，即冲压、压铸、热处理等作业中，推广应用工业机器人 7。 此外，在有放射性污染和爆炸危险的场所，也应使用机器人。 机器人能持久、耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大 和延伸人的功能。人在连续工作几小时以后，总会感到疲劳或厌倦，需要有一 段休息的时间。而工业机器人可以不受工作时间和场所的限制，只要对它注意 维护、检修，适当更换易损件就可以了。例如，在汽车总装配中，点焊和拧螺 丝的工作量很大（一辆汽车有数百甚至上千个焊点） ，又由于采用传送带流水 作业，如果由人来进行这些操作，就会紧张到喘气的时间都没有的程度。如果 采用机械手或工业机器人，就可以把人从单调的紧张劳动中解放出来。另一方 面，人一般只能搬运和本身体重大致相同的物体，而工业机器人（包括大型操 作机）具有“钢筋铁臂”，结实耐用。若采用液压驱动，产生较大的输出力，则 可以搬运重达几百公斤的大型炙热锻件。这就是说，工业机器人具有超越人体 能力界限的机械和物理功能。正应为如此，机器人在宇宙和海洋开发中，也将 会发挥重要的作用。在登月舱中装上宇航机器人，能深入宇宙空间，探索星球 的奥秘。水下机器人可以探测海底矿藏，维修水下设备。这些一般都属于超纵 型机器人，操作人员可以坐在远离机器人的安全地带，通过无线电对机器人的 安全地带，通过无线电对机器人进行遥控。 机器人动作准确性高，可保证稳定和提高产品质量。工业机器人不像人那 样，容易受精神和生理因素的影响，它不会因为紧张、马虎、疲劳或视觉差等 原因引起失误。也就是说，工业机器人可以避免人为操作上的错误，而按照设 计精确度（如重复定位精度）保证动作的准确性，从而保证产品质量稳定。对 于一些技术要求较高、难度较大的作业，采用机器人也可以保证产品质量，提 高生产效率。目前，装配机器人定位精度可高达 0.020.05mm，这是人所不能 及的。据日本报导，日本的精密装配机器人可以进行深度 30mm、配合间隙在 10 以下的轴孔配合。若采用触觉反馈和柔性手腕，允许轴心位置有较大的偏 离（5mm） ，也能自动补偿，准确装入零件。作业时间仅需 4s，甚至更短。又 如焊接机器人可以保证焊枪准确定位，能自动跟踪焊缝，进行连续轨迹和运动 速度的控制，保证厚板复杂工件的焊接质量。 有些精密产品，如大规模集成电路装配等，如不采用机器人等自动化设备，而 用手工操作，不能保证产品质量要求。 机器人通用性灵活性好，能适应产品品种迅速变化的要求，满足柔性生产 的需要。现代社会用户对产品的要求不仅是数量上不断增长，更重要的是对品 7 种规格的要求多样化，而且是层出不穷，不断发展。这就迫使制造厂必须不断 改进产品，增加花色品种，以满足用户的各种需求，否则，就有在市场竞争中 被淘汰的危险。 工业机器人由于动作程序和运动位置（或轨迹）可灵活改变，又有较多的 运动自由度，能够迅速改变作业内容，满足生产要求，因此，特别使用于产品 改型、品种变化以及多品种混合生产线的场合。例如在制造汽车车身点焊点数 变化，还是在同一条线上多中车型混合生产的情况，工业机器人都能适应。 工业机器人作为小批或中批量生产自动化工具最能发挥效用，它担任材料 装卸和搬运工作。在更换不同种类零件时，调整既快又容易。在多品种零件加 工的柔性生产系统中，工业机器人起着重要的作用。日本从 1980 年以后慢慢 转向多品种中小批量生产方式，而工业机器人正是迎合这一需要，从 1980 年 进入普及应用阶段。因此，日本人称 1980 年为“工业机器人普及元年”。 日本近年来提出了“3A”革命的口号。 “3A”就是指工厂自动化（FA） 、办公 室自动化（OA）和家庭自动化（HA） 。在工厂自动化中一个重要内容就是发 展柔性制造系统（FMS） 。它是由多台与电子计算机直接相连的数控机床、机 器人、搬运小车和自动化仓库组成，通过接口进行数值控制，是一种具有灵活 性的自动化生产线，它可实现多品种中等批量生产自动化。 采用工业机器人后可明显提高劳动生产率和降低成本。例如，日本山崎机 械公司采用 18 个机器人与数控机床加工单元组成的生产精密机床的自动化系 统，由中央计算机控制全部生产过程，30 天就能完成过去（未采用机器人时） 三个月的生产任务，两年内即可收回全部投资 1800 美元。美国通用电气公司 为某机车制造厂制造的柔性加工系统，生产效率提高 15 倍。日本富士电机公 司建成的电机厂，每月生产伺服电机、主轴电机等一万台，采用机器人后，生 产效率提高 5 倍。 采用机器人可以节省材料和能源消耗，这一点也是很清楚的。例如在喷漆 中可以防止漆雾的飞溅，减少涂料损失（一般可节约油漆 20%30%） ，同时也 节约了空调的能耗。又如，在轧钢过程中，如果人工进行开坯初轧去除表面缺 陷的工作时，需要把钢坯温度由 1200冷却到 400，而在热轧时还要再将坯料 加热到 1200，无形中多耗费了大量热能。而用机器人去除缺陷，则不需要降 温和重新升温的过程，因此显著节省了能耗。 另一方面，当采用专用自动机时，如果产品改型，就要增加大量改造费用 和时间。如果采用通用数控机床配以机器人，便可通过改变工作程序的方法， 8 容易地得到解决，节省了费用和时间。 产品质量的提高带来了可观的经济效果。如日本先驱者电子公司采用 100 台机器人装电子线路板，由于产品质量稳定和提高，不合格率明显下降，生产 成本降低了 75%。 除上述社会经济因素外，工业机器人的发展，还与电子技术和微型计算机 等控制技术的进步有关。由于这些技术的采用以及机器人技术的不断改进，机 器人产品的性能、功能及可靠性都得到了提高，而且成本下降，从而促进了工 业机器人的推广应用。 1.3.2 研究工业机器人目的 由于喷漆造成空气中有大量的化学物质气体和悬浮颗粒因而对人的身体 极为有害。尽管采取劳动保护措施和营养补助，但它对人体的损害是难以改变 的事实。我国从事喷涂业的人数超过 30 万，全世界在这种岗位上的人就更多 了。如何解决这个问题呢?人们自然想到了喷漆的自动化和喷漆机器人。 采用喷漆机器人不但可以改善劳动环境，而且提高了产品的质量和稳定性， 减少了废品的数量，降低了漆量和能量的消耗，提高了劳动生产率。尤其当机 器人对外形复杂的产品进行喷漆时，不会造成任何遗漏，也不会出现喷得厚薄 不勾的现象，因为喷漆的角度、部位、时间、轨迹等，都早已在计算机中规定 好了。随着现代产品更注重个性化发展，汽车除了色彩不同外，还要求有不同 的图案，这样，用机器人按照图案编程和自动换色来喷漆，将有着极大的优越 性。这样的机器人不愧为多采的喷漆匠。 可以想见，更多的“多彩的喷漆匠将帮助人娄从那些有害的工作环境中解 脱出来，更好地装点人类多彩的空间。 9 第 2 章 喷漆机器人的方案设计 2.1 确定驱动系统 工业机器人的驱动系统是直接驱动整个运动部件动作的机构，对工业机 器人的性能和功能影响很大。如果没有有效的伺服驱动系统，无论机器人具 有多么高的智慧和优越的传感系统，也是无济于事的。 工业机器人的动作自由度多，运动速度较快，驱动元件本身大多是安装 在活动机架上的。这些特点要求工业机器人驱动系统的设计必须做到外型小、 重量轻、工作平稳可靠。另外，由于工业机器人能任意多点定位，工作程序 又灵活多变，所以在一些比较复杂的机器人中，通常采用伺服系统。 目前，工业机器人的驱动方式主要有液压、电动、气动三种。电动驱动方 式具有以下特点：动力源简单、负荷较小、速度低、无需配管、维修使用方便、 使用寿命长。此外，由于近年来采用新型磁性材料，伺服电机的特性得到提高， 同时又研制出采用电子线路的稳定性好、效率高的电驱动方式。这种驱动方式 和控制系统信号一致，又便于和计算机连接，能实现精密控制，可适用于程序 复杂、运动轨迹要求严格的工业机器人。因此，综合考虑后决定采用电动驱动 方式。 10 2.2 确定驱动机型和自由度 工业机器人的操作机有多种类型，因关节型机器人有许多的优点，且结 构设计简单，对于这次喷漆机器人的设计决定采用关节型设计，又因喷漆机 器人的负荷较小，速度低，通常 5 个自由度即可进行工作，因此采用 5 自由 度的关节型机器人。 2.3 确定传动方式 齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，形式很多，应用广泛，传递的 功率可达近十万千瓦，圆周速度可达 200m/s。因此本次喷漆机器人的设计中 可以采用齿轮传动(圆柱圆柱齿轮,或圆锥圆柱齿轮传动)的形式。 齿轮传动还有以下特点： 效率高 在常用的机械传动中，以齿轮传动的效率为最高。如一级圆柱 齿轮传动的效率可达 99%。这对大功率传动十分重要，因为即使效率只提高 1%，也有很大的经济意义。 结构紧凑 在同样的使用条件下，齿轮传动所需的空间尺寸一般较小。 液压传动虽然功率较大，但体积也较齿轮传动大，且液压传动的制造成本较 贵，对于本次喷漆机器人，由于所负载的重量不大，且需要的体积尽可能小。 当然，对于气动传动方式来说，虽然体积较小，但由于它的传动精度不高， 传动不易控制，故在这里不考虑它。 工作可靠、寿命长 设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工 作十分可靠，寿命可达一、二十年，这也是其他传动形式不能比拟的。尤其 是对于本次的喷漆机器人，因它的工作环境恶劣（在喷漆环境，温度较高， 空气污染严重等） ，故采用齿轮传动是最佳的方案。 传动比稳定 传动比的稳定直接影响了喷漆机器人的传动性能，因此它 需要有较高的精度，末端位置的控制完全由他的传动性能来决定的。 11 2.4 确定运动杆长和各轴的运动范围 经过参考多本参考资料的查看，和机器人作业场所和空间的需要，一般在 汽车喷漆流水线中的机器人末端执行器的工作位置决定了机器人自身的臂长。 在这里可以采取如下方式 腰部高为 0.65m 大臂有效长度为 0.60m（大臂关节到小臂关节的距离） 小臂有效长度为 0.60m（小臂关节到手腕的距离） 各部分的运动范围采取如下方案： 腰回转为-150+150 大臂摆动为-45 +90 小臂摆动为-240 +60 腕摆动为-105 +105 腕部回转为-255 +225 最大负荷 6kg. 此机器不仅能用于喷漆作业，还可以用于搬运和装配作业。 2.5 确定臂杆结构和平衡方式 一般操作机有 5 个较复杂的结构件,即：底座、腰转台支架、大臂杆、小 臂杆和腕部。大、小臂杆的结构目前较流行的是中间有多层圆筒形套装梁结 构，外形象哑铃，多为焊铸件组合结构。还有就是箱形结构，就整体来说是 比较复杂的箱体，多用铸件。为了减轻整机的重量，特别是为了降低 J2 、J3关节的力矩，大小臂多用轻合金铝铸件。 臂杆的平衡：为了减小驱动力矩和增加运动的平稳性，大小臂杆原则上 说都要进行平衡。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，可以省去平衡装置。对于大负荷（3kg）臂杆（30kg） ， 大都设有平衡装置，这次设计就需要有平衡装置。 对于喷漆机器人的设计， 由于末端执行器（喷枪）的重量约为 6kg，臂杆（包括大臂和小臂的总重） 约为 60kg，因此决定采取一定的平衡措施：小臂杆的平衡：小臂杆通常采用 结构自平衡和重块平衡两种方式。所谓的结构自平衡，就是配置的腕部驱动 和传动装置尽量放在关节旋转轴 的两边，以达到对关节的重力平衡。哑铃 12 状上臂，就是较好的起到了这一作用。但如果臂杆的后部长度（无效长度） 太长，不利于机器人在狭窄环境中工作，所以单采用自平衡对大负荷操作机 还很难取得满意的结果.。 第 3 章 喷漆机器人结构及传动系统设计 3.1 底座及腰部设计 3.1.1 腰部传动系统设计 腰身高为 0.65m 腰部总负载（初步估算）约为 60kg 旋转力矩 T 为：T=150N（估计） kW ( n=15r/min)236 . 0 9550/nTp 根据机械设计手册中查得可以选择伺服电机如下： 电机型号 110SZ59 额定功率 0.4 kW 额定转距 1.274 Nm 额定转速 3000r/min 质量 7.6kg 按推荐的传动比的合理范围，一级开式圆柱齿轮的传动比为 37，圆柱 圆锥齿轮的传动比为 1025，因此两级齿轮总传动比的合理范围为 i=30175， 而选定的工作转速最大为 15r/min 电机转速为 3000r/min 传动比为 i =200， 所以采用 3 级齿轮传动。 1.传动比分配 根据传动比从小到大的原则，一级开式圆柱齿轮的传动比为 37，取 i1=4，分配如下： i =i1 i2 i3 =468.33=200 各轴转速 n1=3000r/min 13 n2= = 4 3000r/min 750r/min n3=125r/min 6 750r/min n4=15r/min 8.33 125r/min 2.各轴输入功率 轴承效率 yr=0.98, 齿轮效率 yg=0.98, 交叉滚子轴承效率 yr1 =0.98 P I= P d01=0.40.99=0.396kW P II= P d12 =0.380 kW P III= P d23=0.365 kW P IV= P d34=0.350 kW 3.各轴的输入转距 T d =9550=9550=1.273Nm m d n P 3000 4 . 0 T1=9550P/ n1=1.261Nm T2=9550P/ n2=4.839Nm T3=9550P/ n3=27.886Nm T4=9550P/ n4=222.833Nm 4.第一级齿轮传动 （1）选择材料 小齿轮材料为 40Cr，调质处理，硬度为 HBS280,大齿轮材料为 45 钢,硬度为 HBS240, 二者材料硬度相差 HBS40。 选小齿轮的齿数 Z1=30,大齿轮的齿数 Z2=304=120。 (2)设计计算 按齿面接触疲劳强度设计，设计计算公式如下： （3-1） 2 3 1 1 ) ( 12 Hd t E Z u uTK d 式中 Kt载荷系数； 14 T1转矩； u传动比； ZE弹性模量； d齿宽系数； H 许用应力（MPa） ； 确定公式内的各计算值 试选载荷系数 Kt=1.3 齿宽系数 1 d 弹性系数 ZE=189.8MPa 小齿轮接触疲劳强度极限Hlim1=600MPa 大齿轮接触疲劳强度极限Hlim2=550MPa 计算循环应力次数 N1=60n1jLh=6030001830015=6.48109 N2=60n21jLh=607501830015=1.62109 取接触疲劳寿命系数 KHN1=0.90 KHN2=0.95 失效概率为 1%，安全系数 S=1 H1= KHNHlim1/S=0.9600=540 MPa H2= KHNHlim2/S=0.9600=540 MPa 将上述各值代入公式(3-1)得 =12.92mm 为安全起见可适当放大取 2 3 1 1 ) ( 12 H H d E ZZ u uKT d d1=30mm 验算圆周速度=4.14m/s 100060 nd 11 计算齿宽 b=dd1t=130=30 求载荷系数： 使用系数 KA =1.25 ；动载系数 KV =1.1 (假定 V=38m/s) ；齿间载荷分配系 数 K=1.2；齿向载荷分配系数 K=1.4。 K=KAKVKK=2.31 按实际载荷系数校核多的分度圆直径 15 d1=d1t=28.6mm3 t K K 计算模数 m=d1/Z1=28.6/30=0.95 按弯曲疲劳强度进行校核，计算公式如下 (3-2) 3 2 1 1 2 F SaFa d YY Z KT m 式中 K载荷系数; T1转矩（N m）; YFa齿形系数; YSa应力校正系数; d齿宽系数; Z1齿数; F 许用接触应力(MPa)； 确定公式内的各计算值 查表得 小齿轮的弯曲疲劳强度 FE1=500MPa 大齿轮的弯曲疲劳强度 FE2=380MPa 弯曲疲劳寿命系数 KFN1=0.85 KFN2=0.88 取弯曲疲劳安全系数 S=1.4,则 F1= KFN1FE1/S=0.855001.4=303.57MPa F2= KFN2FE2/S=0.883801.4=238.86MPa K=KAKVKK=2.31 查取齿形系数 YFa1=2.65 YFa2=2.226 查取应力校正系数 YSa1=1.58 YSa2=1.764 计算大、小齿轮 YFa YSa/F并加以比较 YFa1 YSa1/F1=2.651.58303.57=0.01379 YFa2YSa2/F2=2.2261.764238.86=0.01644 将上述结果代入公式 3-2 得 16 =0.473mm 3 2 01644 . 0 301 126131 . 2 2 m 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算 的模数，故取 m=1 并算出小齿轮的齿数为 Z1=d1/m=28.61=28.6 取 Z1=30 Z2=304=120 计算分度圆直径 d1=Z1m=301=30mm d2=Z2m=1201=120mm 计算中心距 a=( d1+ d2)/2=（30+120）/2=75mm 计算齿轮宽度 b=dd1=130=30mm 取 B2=30mm B1=35mm 5.第二级齿轮传动 (1)选择材料 小齿轮材料为 40Cr，调质处理，硬度为 280HBS,大齿轮材料为 45 钢,硬度为 240HBS, 二者材料硬度相差 40HBS。 选小齿轮的齿数 Z1=17 大齿轮的齿数 Z2=176=102 (2)设计计算 按齿面接触疲劳强度设计，计算公式为（3-1） 确定公式内的各计算值 试选载荷系数 Kt=1.3 齿宽系数1 d 弹性系数 ZE=189.8MPa 小齿轮接触疲劳强度极限Hlim1=600 Mpa 大齿轮接触疲劳强度极限Hlim2=550 MPa 计算循环应力次数 17 N1=60n1jLh=607501830015=1.62109 N2=60n2jLh=601251830015=1.7108 取接触疲劳寿命系数 KHN1=0.90 KHN2=0.95 失效概率为 1%，安全系数 S=1 H1= KHNHlim1/S=0.9600=540 MPa H2= KHNHlim2/S=0.9600=540 MPa 计算工作载荷 T1=9.55106P2/n2 =4839Nmm 初步求小齿轮直径 将上述各值代入公式（3-1） =19.32mm 2 3 1 1 ) ( 12 Hd E Z u uKT d 验算圆周速度：=0.98mm 100060 11 nd V 计算齿宽 b=dd1t=130=30mm 求载荷系数： K=KAKVKK 使用系数 KA =1.25 ；动载系数 KV =1.1 (假定 V=38m/s) ；齿间载荷分配系数 K=1.2；齿向载荷分配系数 K=1.4； K=1.251.11.21.4=2.31 按实际载荷系数校核多的分度圆直径 d1=d1t=（2.3119.321.3）1/3=23.184mm3 t K K 计算模数 m=d1/z1=23.184/17=1.36 取 m=1.5 (3)确定传动尺寸 仿照第一级齿轮传动的计算过程得到该齿轮传动结构的有关尺寸见表 3- 1 表 3-1 第二级齿轮参数表 Z1Z2 18 齿数17102 分度圆直径（mm）25.5153 齿顶圆直径（mm）28.5156 齿根圆直径（mm）21.5149.5 齿宽（mm）3025 压力角（）20 续 Z1Z2 模数15 中心距89.25 6.第三级齿轮传动 (1)选择材料 小齿轮材料为 40Cr，调质处理，硬度为 280HBS,大齿轮材料为 45 钢,硬度为 240HBS, 二者材料硬度相差 40HBS。 选小齿轮的齿数 Z1=17，大齿轮的齿数 Z2=178.33=141.6142 (2)设计计算 按齿面接触疲劳强度设计，计算公式为(3-1) 确定公式内的各计算值 试选载荷系数 Kt=1.3 齿宽系数6 . 0 d 弹性系数 ZE=189.8MPa 小齿轮接触疲劳强度极限Hlim1=600 MPa 大齿轮接触疲劳强度极限Hlim2=550 MPa 计算循环应力次数 N1=60n1jLh=601251830015=1.7108 N2=60n2jLh=60151830015=2.04107 取接触疲劳寿命系数 KHN1=0.93 KHN2=0.96 失效概率为 1%，安全系数 S=1 H1= KHNHlim1/S=0.93600=558MPa 19 H2= KHNHlim2/S=0.96600=576 Mpa 计算工作载荷 T1=9.55106P/n3 =27886NMmm 初步求小齿轮直径 将上述各值代入公式（3-1）有 =32.98mm 2 3 1 1 ) ( 12 Hd E Z u uKT d 验算圆周速度：0.62m/s 100060 d V 11 n 计算齿宽 b=dd1t=132.98=32.98mm 求载荷系数： K=KAKVKK=1.251.11.21.4=2.31 按实际载荷系数校核多的分度圆直径 d1=d1t=（2.3132.981.3）1/3=31.82mm3 t K K 计算模数 m=d1/z1=31.82/17=2.24 取 m=2.5。 （3）确定传动尺寸 同样仿照第一级齿轮传动的计算过程得到该齿轮传动结构的有关尺寸见表 3- 2。 表 3-2 第三级齿轮参数表 7.各齿轮轴的设计 （1）轴的设计 Z1Z2 齿数17142 中心距（mm）89.25 分度圆直径（mm）42.5355 齿顶圆直径（mm）48.75361.25 齿根圆直径（mm）37.5350 20 选择材料、确定许用应力轴的材料 45 钢，调质处理，B =650MPa S=360MPa -1=300MPa -1=155MPa 许用应力：+1=220MPa -1=60MPa 轴的受力分析 小齿轮直径 d1=30mm 大齿轮直径 d2=120mm 轴传递功率 P1=0.396kW 轴的转速 n1=3000r/min 轴的转距 T=9.55106 =1260.6Nm 1 1 n P 齿轮的圆周力 Ft=2T/ d1=84.04N 齿轮的径向力 Fr= Fttg=30.6N 45 钢的材料系数 A=107 则有=107=6.85mm 3 1 1 1 n P Ad 3 3000 396 . 0 考虑到轴上有键槽等因素可取轴的最小直径 d1=10mm，同时也是为了配套查找标 准件的方便。 （2）轴的设计 选择材料、确定许用应力轴的材料选 45 钢，调质处理，B =650MPa S=360MPa -1=300Mpa -1=155MPa。 许用应力：+1=220MPa -1=60MPa 轴的受力分析 大齿轮直径： d1=120mm 小齿轮直径： d2=25mm 轴传递功率： P2=0.380kW 轴的转速： n2=750r/min 轴的转距： T=9.55106 =4838.7Nmm 2 2 n P 大齿轮的圆周力： Ft1=2T/ d1=80.65N 大齿轮的径向力： Fr1= Ft1tg=29.4N 21 小齿轮的圆周力： Ft2=2T/ d2=387N 小齿轮的径向力： Fr2= Ft2tg=140.86N 估计轴的最小直径 (A=107) =107=8.5mm 3 2 2 1 n P Ad 3 750 380 . 0 考虑到轴上有键槽等因素,取轴的最小直径为 d1=12mm。 （3）根据轴的结构进行弯距和扭距的分析如图 3-1。 竖直面反力 RHA和 RHB =273.85N l lFllF R rt HA 31322 )( =83.75N HArtHB RFFR 22 对于竖直面的弯距： 对于剖面 C： =12049.4Nmm 1 lRM HAHC 对于剖面 D： =4355Nmm 3 lRM HBHD 水平面反力 RVA和 RVB =73.89N l lFllF R tr VA 31322 )( =13.68N 21rVAtVB FRFR 对于水平面的弯距： 对于剖面 C： =3251.16Nmm 1 lRM VAVC 对于剖面 D： =711.36Nmm 3 lRM VBVD 合成弯距： =12480.3Nmm 22 VCHCC MMM =4412.71Nmm 22 VDHDD MMM 22 图 3-1 轴受力分析图 根据以上数据得出截面 D 处的弯距最大，计算应力为： =1.35MPa-1 3 1 . 0 d MD ca 从而得到结论：轴的弯曲强度符合条件。其弯矩图见图 3-2 图 3-2 轴弯矩图 23 （4）轴的设计 选择材料、确定许用应力轴的材料选 45 钢，调质处理，B =650MPa S=360MPa -1=300MPa -1=155MPa 许用应力：+1=220MPa -1=60MPa 轴的受力分析 大齿轮直径： d1=40mm 小齿轮直径： d2=150mm 轴传递的功率： P1=0.365kW 轴的转速： n1=125r/min 轴的转距： T=9.55106 P1/ n1=27886Nmm 小齿轮的圆周力：Ft1=2T/ d1=1394.3N 小齿轮的径向力：Fr1= Ft1tg=507.5N 大齿轮的圆周力：Ft2=2T/ d2=371.8N 大齿轮的径向力：Fr2= Ft2tg=135.3N 估计轴的最小直径 (A=107 ) =107=16.35mm 3 3 3 1 n P Ad 125 365 . 0 3 考虑到轴上有键槽等因素,取轴的最小直径为 d1=20mm （5）轴的设计 由于此中间要加传输线路所以最好设计成中间空心轴。选择材料为 45 钢，调 质处理，B =650MPa S=360MPa -1=300MPa -1=155Mpa 许用应力：+1=220MPa -1=60MPa 因为一般在载荷相同的情况下，空心轴的重量只为实心轴 1/31/2，可以 大大减轻重量，节约材料。因为横截面上的剪应力沿规律分布，圆心附近的应 力很小，材料没有充分发挥作用若把轴心附近的材料向边缘移置，使其成为空 心轴，就会增大 IP和 Wt提高轴的强度。 (3-3) 3 4 1 n P Ad 式中 n转速(r/min)； P功率(Kw)； 24 内外径之比； 其中取 n=15r/min;P=0.35Kw; =0.9 将上述各值代入（3-3）得 d44.65mm,取轴的最小直径为 d=50。 3.1.2 箱体设计 1.箱体材料 由于箱体在底部需以地面固定，为增大其稳定性，并考虑到经济效益决定 采用灰铸铁，根据有关手册查得壁厚 =8mm。 2.箱体结构 底部箱体的结构采用如图 3-3 方案，它可使底部的结构尽量紧凑。 3- 3 箱体底部图 25 3.2 大臂及小臂设计 3.2.1 大臂驱动部分的设计 大臂长为 L=600mm 驱动大臂的总负载在一般情况下约为 50kg。 旋转力矩 T 为：T=120N =0.2kW (n=15 r/min) 9550 0 nT P =0.21kW 总 9550 nT Pa Pm(12)( P0 +Pa)= (12)0.41kw 因此，经考虑可以选用型号为 130SZ04（小惯量）的电动机。 具体规格如下所示： 额定功率：0.6kW 额定转距：1.9Nm 额定转速：3000r/min 重 量： 11.8kg 大臂驱动部件采用 3 级半开式圆锥圆柱齿轮传动路线见图 3-4。 图3-6 26 图 3-4 大臂传动简图 各轴转速、输入功率、转距见表 3-3。 表 3-3 大臂各轴情况表 轴 I轴 II轴 III轴 IV 转速（r/min）300075012530 功率(Kw)0.5940.5470.5050.464 转矩 Nm1.896.9738.5147.1 1.第一级锥齿轮传动设计 （1）选择材料 由于机器人大臂旋转部分要求结构较小，质量较轻，同时又要有足够的刚度， 因此要选用一些合金材料。在此，选用材料为： 小锥齿轮：20Cr2Ni4 渗碳淬火，硬度 HB=350,7 级精度； 大锥齿轮：20CrMnTi 渗碳淬火，硬度 HB=300,7 级精度 5。 HRC=5862 取 HRC=60 （2）设计计算 按齿面接触疲劳强度进行计算 寿命系数 Zn 因长期使用，取 Zn1=Zn2=1 接触疲劳强度极限 h h1=1380MPa h2=1380MPa 接触系数 nH=1.2；设周速度 V3m/s；则速度系数 ZV=1 许用接触应力H =1092.5MPa 1 1 1 H VRnOH H n ZZZ 27 =1092.5MPa 2 2 2 H VRnOH H n ZZZ 载荷系数 工作情况系数=1.25；动载荷系数=1.35；载荷分配系数=1.31 A K V K K 则载荷系数 K= =2.21 A K V K K 则。 r rdm u 2 1 2 材料系数 ZE=189.8 节点系数 ZH=2.37 小齿轮转矩 T T=9.55106P1/n1=1890.9Nmm 传动比 i=4 计算小齿轮直径 =15.47mm 3 2 1 1 )5 . 01 ( 4 ) ( u KTZZ d rrH HE 验算圆周速度 V 平均直径 dm1 =(1-0.5r) d1=13.54mm 则 V=1.44m/s 与假定值相符合。 其几何尺寸见表 3-4。 表 3-4 大臂一级齿轮参数表 Z1Z2 齿数1976 节锥角（）14.0475.96 分度圆直径（mm）1976 齿顶圆直径（mm）2178 节锥顶距（mm）39.2 模数1 28 齿宽10 按齿根疲劳强度进行校核 寿命系数 Yn 因长期使用，取 Yn1=Yn2=1 OF2=750MPa 弯曲安全系数 S=2 尺寸系数 Yx1=Yx2=1 许用弯曲应力F F1=OF1YnYx1/nF=375MPa F2=OF2YnYx2/nF=375MPa 齿根应力集中系数弯曲疲劳强度极限 OF1=750MPa 当量齿数： Ze1=Z1/cos1=15.5 Ze2=Z2/cos2=247.3 齿形系数： YF1=3.1 YF2=2.28 力集中系数： Ys1=1.5 Ys2=1.74 载荷系数 K= KAKVK=2.21 弯曲应力 F 11 23 2 1 2 1 1 1)5 . 01 ( 4 SF rr F YY umZ KT =324.3 MPaF1 22 23 2 1 2 2 2 1)5 . 01 ( 4 SF rr F YY umZ KT =17.29 MPaF2 结论：弯曲强度是足够的。 2.第二级圆柱齿轮传动设计 由于机器人大臂旋转部分要求结构较小，质量较轻，同时又要有足够的刚度， 因此要选用一些合金材料。小齿轮材料为 40Cr，调质处理，硬度为 HBS280,大齿 轮材料为 45 钢,硬度为 HBS240, 二者材料硬度相差 HBS40。 选小齿轮的齿数 Z1=20 大齿轮的齿数 Z2=206=120 (1)设计计算 按齿面接触疲劳强度设计，计算公式为(3-1) 29 确定公式内的各计算值 试选载荷系数 Kt=1.4 齿宽系数6 . 0 d 弹性系数 ZE=189.8MPa 小齿轮接触疲劳强度极限Hlim1=60