施釉机器人腰部结构设计

学 号：毕业设计说明书设计题目：施釉机器人腰部结构设计学生姓名：专业班级：学 院：指导教师： 2006年06月16日目录摘要Abstract21绪论31.1课题的提出和意义31.2施釉机器人的国内外发展状况41.3课题内容72 施釉机器人腰部结构设计82.1工业机器人介绍8概述82.1.2 现状及国内外发展趋势82.1.3 工业机器人的特点、结构和分类102.2 施釉机器人腰部构造及传动配置的方案选取14施釉机器人设计方案的提出142.2.2 施釉机器人腰部结构的提出162.3 施釉机器人腰部静动力学分析20静力分析20动力学分析212.4 施釉机器人腰部减速器和电机的选型26减速器的选用26电动机的选用292.5施釉机器人腰部主要零部件的参数设计及优化31交叉滚子轴承选用和校核31键的强度校核343 基于SolidWorks对施釉机器人腰部进行实体建模363.1三维建模技术简介363.2 SolidWorks软件的基本介绍363.3施釉机器人的主要零件虚拟建模373.4施釉机器人的装配过程393.5本章小结39结 论40致 谢42参考文献43 摘要本次毕业设计根据施釉机器人的技术要求，对施釉机器人的腰部进行了结构设计。针对工业机器人腰部运动结构复杂，通过对施釉机器人腰部进行静力学和动力学的分析，得出了腰部关节力矩的计算方式，从而为施釉机器人主要部件的选择提供了依据。设计当中通过对机器人专用RV减速器和交叉滚子轴承进行了研究，减小了体积重量，使结构更加紧凑，为施釉机器人腰部的设计方案提出了新的设计思路。工业机器人结构复杂，零件多，传统的2D图很难直观的表达其结构。本次设计基于SolidWorks软件对施釉机器人的腰部进行了三维建模。在保证结构安全可靠的运行的条件下，提高设计制造的效率，降低成本。通过对施釉机器人的虚拟建模研究，探索了虚拟样机技术在机械设计中的应用方法，为传统机械设计的创新探索了新的思路和方法。关键词：施釉机器人；腰部；RV减速器；交叉滚子轴承；SolidWorks全部设计资料联系小企鹅：2297806921绪论1.1课题的提出和意义施釉是陶瓷产品生产过程中的一个重要工序，是利用干燥坯体的吸水性使泥浆状的釉料粘附在坯体表面上。现有的施釉方法有浸釉、浇釉、荡釉、涂刷釉、甩釉和施釉等。其中施釉是利用压缩空气将釉浆通过施枪或者施釉机雾化，并粘附于坯体上。施枪与坯体的距离、施釉的压力、施釉的次数以及釉浆的相对密度等决定了釉层厚度。由于施釉产生的釉层厚度比较均匀、易于控制，尤其适用于如卫生洁具类大型、薄壁及形状复杂的坯体，因而在卫生洁具生产中得到广泛应用。现有的施釉方法有人工施釉、机械施釉和机器人施釉三种方法。人工施釉釉层厚度不均匀，易于产生质量缺陷，同时，釉料在施涂过程中形成的雾状液体对人体有害；机械施釉采用往复运动的机构带动施枪对坯体施釉，由于卫生洁具，如便盆、水箱等坯料形状复杂，简单运动会导致产品表面釉层厚度变化很大；机器人施釉能够保证釉层厚度均匀，容易实现生产过程的机械化和自动化，可大大提高产品质量，生产率高。据调查，目前国内的卫生陶瓷行业仍普遍采用人工作业的方式进行施釉，少数厂家曾经花巨资引进国外的整条生产线，但普遍存在消化难、维修难、升级难等问题。一些单位曾尝试设计开发机器人施釉生产线，基本思路都是购置通用机器人，并配套生产线。由于施釉现场为高温、高湿环境，系统稳定性差是这些生产线的共同问题。总之，机器人施釉能够提高陶瓷产品釉层质量，降低工人劳动强度，改善工作环境，提高生产率，实现生产过程自动化，是卫生陶瓷生产的发展方向。结合生产实际情况，研制开发具有自主知识产权的施釉机器人及其自动生产线，研究机器人施釉工艺，提高企业市场竞争力，是当前必须解决的当务之急。本项目目的在于开发一种用于卫生洁具施釉的自动机器人系统，样机试制后首先在惠达陶瓷集团公司施釉生产线试用，然后将在该企业配套由多台机器人构成的自动施釉生产线，进而向国内其他卫生陶瓷企业推广。该机器人施釉系统可产生如下经济效益和社会效益：(1) 提高陶瓷的表面质量和一致性，从而提高整体工艺技术水平，提高产品档次。(2) 提高劳动生产率。机器人及其配套生产线可以减少上、下工件，等待晾干等辅助时间，同时，由于机器人施釉可以实现多班连续作业，可大大提高生产效率。(3) 提高釉料利用率，从而降低产品的整体成本。(4) 降低工人劳动强度，改善工作环境。1.2施釉机器人的国内外发展状况陶瓷施釉是指利用干燥坯体的吸水性使泥浆状的釉料粘附在坯体表面上。现有的施釉方法有浸釉、浇釉、荡釉、涂刷釉、甩釉和施釉等，其中施釉是利用压缩空气将釉浆通过施枪或者施釉机雾化，并粘附于坯体上。施釉法适用于类如卫生洁具的大型、薄壁、形状复杂的坯体。釉层厚度决定于施枪与坯体的距离、施釉的压力、施釉的次数以及釉浆的相对密度等多种因素。由于施釉出来的釉层厚度比较均匀、易于控制，容易实现机械化和自动化，因而得到了广泛的应用。为了适应产品的多品种、小批量生产，近年来，意大利、德国、日本等国相继使用机器人在施釉线上进行施釉。据报道，目前日本陶瓷产品的施釉设备已经全部采用了工业化机器人。与人工施釉相比，采用机器人施釉具有如下优点：1. 提高陶瓷的表面质量和一致性，从而提高整体工艺技术水平。根据产品的形状、部位，选择不同的施釉动作程序化装置进行施釉，可有效控制施釉厚度，避免了人工施釉的随机性。2. 提高劳动生产率。由于机器人施釉可以实现多班连续作业，可大大提高生产效率。3. 降低工人劳动强度，减轻环境污染。可采用封闭或半封闭的施涂室，减少施釉过程中形成的雾状釉料对操作工和周围环境的污染。4. 提高釉料利用率。据某厂统计，利用手工施袖每件标准坐便器消耗釉浆2025cm3，坯体实际附着釉浆为900cm3；而采用机械手时，消耗釉浆量1250cm3，坯体附着釉浆l100cm3。釉料利用率的提高减小了釉料准备和回收等辅助工作的工作量，从而降低产品的整体成本。目前，国内的陶瓷施釉生产还主要采用人工作业的方式。一些厂家引进国外生产线，一部分厂家与国内机器人公司合作自行设计和开发了施釉生产线，但是普遍存在投资大、消化难、维护难、升级难等问题。需要指出，现有的施釉机器人均为56自由度通用型关节型机器人，该类机器人通用性强、结构复杂、维护费用高，工作效率相对较低。实际上，由于卫生洁具（如坐便池、洗面器等）均为具有内腔的回转型薄壁型器件，内外表面均需要施釉，如果采用少自由度（23）多手臂同时对其内外表面施釉，会大大提高生产效率。总之，开发以机器人为核心的自动施釉系统，能够为公司带来实质利益，同时改善生产环境，提升企业形象，为企业创造良好的经济效益和社会效益。在国外，机器人施釉是一项较成熟的技术。自二十世纪九十年代初一些发达国家就开始研究开发施釉机器人，现在，意大利、德国、日本等国的卫生洁具生产已经普遍使用机器人进行施釉。国际上一些著名的陶瓷生产设备公司，如德国Lippert公司采用ABB公司生产的5自由度关节机器人与转台结合构成施釉工作站、美国Nutro机械公司将直角坐标施漆机器人改造后用于施釉生产线。随着建筑市场对高档卫生陶瓷的需求量逐年增长，近年来，国内一些厂家花巨资引进了施釉设备。但在实际使用过程中存在两个问题：一是价格高，一套引进的机器人施釉生产线价格达300-500万元人民币，大大增加了产品成本；二是厂家难以维护，更新产品时示教过程复杂。一些单位也曾尝试设计开发机器人施釉生产线，但普遍存在着系统稳定性差的问题，因而没有得到普及应用。通过调查分析得知，这些系统普遍采用单片机或工业控制机作为主控机控制机器人及自动生产线，而施釉现场为高温、高湿环境，控制系统的稳定性受到很大影响。同时，机器人施釉生产线还存在施涂环境参数变化较大和施釉轨迹设计不合理等问题。前者主要包括釉料的物理性质、空压机压力、大气压力、空气湿度和陶坯摆放位置等，后者则主要由对机器人编程的方法和技术人员的水平决定施釉操作与搬运，装配，点焊操作不同，是技艺性很强的操作，起动作在时间上，空间上是连续的，静态操作是绝不允许的，连续动作才是施釉操作的生命。挪威的TRALLFA公司正是抓住了这一点，将人的熟练动作变成机械的动作，于1969年首先试制了施漆机器人。日本的神户制钢所1973年与挪威TRALLFA公司进行技术协作，迅速将这种施漆机器人引进到日本。伺候日本的三菱重工业，TOKIKO，日立制作所、不二越等公司都先后研制了此种类型的机器人。现在，交流伺服电机已经替代液压驱动的施釉机器人。唐山素有“北方瓷都”之称，制瓷历史源远流长。其陶瓷制品工艺精美、质量上乘，深受各国顾客欢迎。唐山陶瓷生产始于明朝永乐年间，距今已有近600年的历史，是著名的中国“北方瓷都”。泥与火在这里锻造出了艺术的精华，一项产业和这里的陶瓷人都经受住了岁月的窑变。 今天的唐山已经形成了以国有特大型企业唐山陶瓷集团有限公司为龙头，以惠达陶瓷集团等规模型企业为支柱，由遍及全市的200余家各类陶瓷企业构成，拥有数万员工，集工业、建筑、卫生、日用、美术各类瓷种为一体，规模宏大、技术先进、门类齐全、综合配套的陶瓷生产基地。唐山陶瓷产品遍销全世界，出口到世界100多个国家和地区，建筑卫生瓷产量全省第一，日用瓷总产量全国第一。 唐山陶瓷集团有限公司是集科、工、贸于一体的国有特大型企业。公司总资产38亿元，员工3万多人。其主导产品在国际、国内陶瓷市场上享有盛誉，其中，“唐陶”牌卫生洁具为国内同行业唯一获金奖产品；“红玫瑰”骨质瓷等五类产品荣获国家银质奖，并拥有省部优产品34个、省级名牌产品24个。公司现为国家520家重点企业、全国120家试点企业集团，拥有国家级技术中心和全国同行业唯一一家企业博士后科研工作站，“唐山陶瓷”A股股票在深圳证券交易所顺利上市。 惠达陶瓷异军突起，已经成为全国卫生陶瓷行业三大陶瓷企业集团之一，市场占有率全国第一，成为河北省先进企业、全国质量效益型先进企业。 面向新世纪，唐山陶瓷产业努力实施“大市场、大名牌”战略，正在全面推进产品结构、产业结构、资本结构的优化和国际化经营，立志要以新的业绩实现历史性跨越，从而向世人更加充分地展示“北方瓷都”的风采。清华大学与唐山陶瓷集团卫陶有限公司共同开发研制成功用于陶瓷生产的施釉机器人，日前通过专家鉴定。这项技术将改变陶瓷施釉以手工操作为主的现状，大大提高陶瓷生产的效率和产品质量，节省原材料。 长期以来，我国陶瓷生产施釉主要是手工操作完成，操作环境恶劣，劳动强度大，生产效率低，产品质量也难以保证，这阻碍了陶瓷产品档次的提高，影响了产品竞争力。因此，生产上迫切需要采用机器人施釉提高陶瓷产品的质量和生产效率，国内一些陶瓷企业也陆续引进或开发了类似的自动施涂生产线，但此类系统在国内陶瓷行业的成功应用还比较少。2002年，唐山市科技局提出了“施釉机器人系统及其配套装置研制”课题，由清华大学与唐山陶瓷集团卫陶有限公司共同研究开发。 陶瓷施釉机器人系统及其配套装置由陶坯输送线、施涂转台、陶坯和托盘位置检测、机器人和系统主控5个单元组成，各单元构成一条以机器人为核心的自动化陶坯施釉生产线。鉴定专家一致认为，该系统采用了工业机器人、视觉定位和位置伺服、转台间歇式转动施涂工艺、激光测距仪辅助示教等技术，技术路线正确，系统机构设计合理实用。它采用人工智能思想设计了间歇式施涂工艺以及相配套的转台系统，便于机器人示教及系统对陶坯偏差进行修正，克服了其他类似系统中连续施涂工艺的缺陷。同时，该技术采用了视频和三维仿真方式的施涂过程显示技术，实现施涂过程中方便的人机交互和对生产过程的监控，便于实现远程控制。1.3课题内容本次毕业设计是围绕施釉机器人的腰部进行结构设计，对腰部主要部件进行选择分析，并对一些关键零部件做出校核。最后针对施釉机器人腰部各个零件做出其实体造型，然后完成其装配。