喷涂机器人毕业设计.doc

. .I 可编辑修改，可打印 别找了你想要的都有！ 精品教育资料 全册教案， ，试卷，教学课件，教学设计等一站式服务 . .II 全力满足教学需求，真实规划教学环节 最新全面教学资源，打造完美教学模式 摘 要 由于目前使用的油漆大多含有苯，笨是一种极易挥发，并且能致 癌的化学物质。在没有任何防护的情况下进行喷漆作业对工人的危害 极大的，因此各种各样的喷漆机器人应运而生。 本文设计了一种关节式喷漆机器人，具有六个自由度，其中手腕 关节具有三个自由度，其它的关节各具有一个自由度，各个关节采用 液压驱动。 本文设计的喷漆机器人采用了类似于铰链四杆机构的结构形式。 驱动小臂运动的电机安装在腰部回转盘的上面，通过带动铰链四杆机 构间接驱动小臂实现俯仰运动，这样避免了把液压缸直接安装在大臂 和小臂的连接处，从而减小了小臂自身的重量，同时减小了驱动大臂 和腰关节的液压缸所需要的功率与力矩，这种铰链四杆机构还使小臂 实现自身的重力平衡从而减小了静力矩。喷漆机器人的主体采用了铝 合金材料，减轻了自身的重量。喷漆机器人的整体动态性能也因此提 高。 关键词：喷漆机器人；关节式；结构设计 . .I . .II Abstract Nowadays 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 greatly A 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 improved Keywords：painting robot ；joint；structure design . .I 目 录 摘 要 I ABSTRACTII 目 录 .III 第一章 绪论 .1 1.1 课题研究的背景及意义 1 1.2 喷涂机器人的特点及其发展现状 .2 1.3 课题国内外现状及研究的主要成果 4 1.3.1 国内研究现状 .4 1.3.2 国外研究现状 .5 1.5 本文研究主要内容以及背景和意义 7 第 2 章 总体结构设计 .9 2.1 确定驱动系统 9 2.1.1 驱动系统 .9 2.1.2 确定驱动件和自由度 10 2.2 喷漆机器人的运动参数 .11 2.3 各个关节的结构形式和平衡方式 .11 2.3.1 小臂 12 2.3.2 大臂 13 2.3.3 小臂的传动机构 16 2.3.4 大臂的传动机构 .17 2.3.5 腰部的传动机构 18 2.4 本章小结 .18 第 3 章 喷漆机器人机构设计 .19 . .II 3.1 喷漆机器人数学模型的建立与分析 .19 3.2 腕部设计 .22 3.2.1 电机的选择 22 3.3 小臂的设计 .24 3.3.1 小臂设计的总体要求 24 3.3.2 铰链四杆机构的设计 25 3.3.3 液压缸的选择与设计 26 3.4 大臂的设计 29 3.4.1 大臂设计的总体要求 29 3.5 腰关节的设计 32 3.6 传感器的选择 .33 3.7 本章小结 33 第 4 章 轴、螺钉的设计与校核 .35 4.1 大轴 1 的结构设计与校核 35 4.1.1 大轴 1 的结构设计 35 4.1.2 大轴 1 的强度校核 36 4.2.1 大轴 2 的结构设计 39 4.2.2 大轴 2 的强度校核 40 4.3 小轴 1 的结构设计与校核 41 4.3.1 小轴 1 的结构设计 41 4.3.2 小轴 1 的强度校核 42 4.4 小轴 2 的结构设计与校核 44 4.5 回转底盘与腰部主轴连接螺钉的校核 45 4.6 本章小结 45 . .III 参考文献 .47 附录一 开题报告 附录二 文献综述 附录三 外文文献 . .1 第一章 绪论 1.1 课题研究的背景及意义 机器人是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的机械电子装置, 既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力,又有机器持续工作时间 长、精确度高、抗恶劣环境的能力,从某种意义上说它也是机器进化过 程的产物。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的高新技术,是当代研究十分 活跃、应用日益广泛的领域。机器人应用情况,是一个国家自动化水平 的重要标志。 机器人是用于完成各种作业的机电一体化的自动化生产设备。机 器人的广泛应用,不仅可提高产品的质量与产量,而且对保障人身安全, 改善劳动环境,减轻劳动强度,提高劳动生产率,节约原材料消耗以及降 低生产成本,有着十分重要的意义。 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 多年的发展,机器人己在越来越多的领域得到了应用。如在毛坯制造 (冲压、压铸、锻造等)、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,机器人已逐步取代了人工作业。 在农业方面,机器人在国外农场应用也比较广泛,如果蔬采摘机器人、 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 领域的广大科研工作者研究的热点。 用于表面涂覆工作的机器人称为喷涂(或喷漆)机器人,它是机器人 技术与表面喷涂工艺相结合的产物,是机器人产品中的一个特殊品种, 主要用于工业领域的表面涂装作业,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。采用喷涂机器人的主要优点在 于实现了喷涂生产作业的自动化,避免了工人始终处于有毒环境中而造 . .2 成急性或慢性中毒,提高了产品质量和稳定性,同时能减少涂料和能量 的消耗,提高生产效率。 1.2 喷涂机器人的特点及其发展现状 大部分机电类产品在其制造过程中,都涉及到表面涂装作业。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、以及交通运输行业等,用户对 其产品外观质量的要求都很高,而表面涂装技术是达到这一要求的重要 环节。对于某些机电产品如家电、轻工、汽车、摩托车等来讲,产品的 外观质量甚至影响到该产品在市场上的竞争力,因此对表面涂装技术提 出了更高要求。 传统的表面喷涂(漆)技术都是以手工方式进行产品表面的喷涂(漆)作 业,在此过程中产生的大量的有害物质及气体,如:苯、醛类、胺类等造 成环境污染,影响到操作工人的身体健康及劳动情绪,因此喷涂质量受 工人的技术水平和情绪等因素影响较大,制约了生产能力。自动喷涂机 的出现则克服了这一缺点。但由于喷涂机只能完成一些简单的往复直 线运动,而被涂工件表面的多样性及复杂性使得喷涂机的使用受到一定 的限制。随着机器人技术在工业生产领域的不断扩展,机器人也被用来 进行涂装作业,进而产生了一个新的机器人品种 喷涂机器人。 喷涂机器人最显著的特点就是不受喷涂车间有害气体环境的影响, 可以重复进行相同的操作动作而不厌其烦,因此喷涂质量比较稳定;其 次机器人的操作动作是程序控制的,对于同样的零件控制程序是固定不 变的,因此可以得到均匀的表面涂层:机器人的操作动作控制程序是可 以重新编制的,不同的程序针对不同的工件,所以可以适应多种喷涂对 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,如图 1 一 l 所示机器人喷涂汽车 . .3 车 身的情景。 图 1 一 1 机器人喷涂汽车车身 喷涂机器人与其它品种的工业机器人比较其主要不同之处在于喷 涂机器人用于在封闭的喷涂室内喷涂工件内外表面,由于喷涂室内的漆 雾是易燃易爆的,如果机器人的某个部件产生火花或温度过高,就会引 燃喷涂室内的易燃物质,引起喷涂室内的大火。甚至引起爆炸,所以,防 爆系统的设计是设计电动喷涂机器人很重要的一部分。其次,由于喷涂 在工件表面的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的工件表面,否则将破坏表面喷漆质量,因此 . .4 喷枪输漆管路等都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的关节角转动范围。最后喷涂机器人需配置 涂料流量控制系统与换色系统,以适应不同色彩的需要。 1.3 课题国内外现状及研究的主要成果 喷涂机器人是可以进行自动喷涂或喷漆的一种新型工业机器人， 1969 年由挪威一家公司发明。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、电器等工艺生产部门。随着 机器人技术的不断完善，喷涂精度得到显著提高。我国的华南理工大 学、华中科技大学等科研机构先后对喷涂机器人技术进行深入的研究， 取得了不少进展。航天航空部的 703 所、625 所使用热喷涂机器人进行 作业，用来喷涂一些重要而特殊航空部件。目前在我国，还没有完全 意义上的独立生产喷涂机器人的厂家，机器人市场大多为欧美、日本、 韩国等国的生产厂家所垄断。 1.3.1 国内研究现状 我国的一些企业积极与高校开展喷涂机器人的项目合作，进一步 推动我国喷涂机器人技术的成熟，普及与应用。 近年来国内亦拥有相 当数量的喷漆机器人如南航研制的 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的涂装生产线,国外机器人己取得的进 展主要表现在如下几个方面: . .5 1)操作机器人:通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计 方法的运用,操作机器人己实现了优化设计。以德国 KUKA 公司为代表 的机器人公司,己将机器人并联平行四边形结构改为开链式结构,拓展 了机器人的工作范围,加之轻质铝合金材料的应用,大大提高了机器人 的性能。此外采用先进的 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:采用并联机构,利用机器人技术实现高精度测量及 加工。意大利 COMAU 公司和日本 FANUC 等公司已开发出了此类产品。 3)控制系统:控制系统的性能进一步提高,己由过去控制标准的 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。人机界面更加友好,基于图形操作的界面也己问世。编程方 式仍以示教编程为主,但离线编程己在某些领域实现实用化。 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的自动定位 以及精密装配作业等,大大改善了机器人的作业性能和对环境的适应性。 日本的 KAWASAKI、丫 ASKA 场叭、FANUC 和瑞典的 ABB、德国的 KUKA、REIS 等公司都有此类产品。 5)网络通信功能:日本的 YASKA 场人和德国的 KUKA 公司的最新机 器人控制器己实现了与现场总线 CanbuS、ProfibuS 及一些网络的联接,使 机器人由过去的独立应用转向网络化应用。 6)可靠性:由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用, 使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性一般 为几千小时,而现在已达到 5 万小时,可以满足任何场合的需求。 1.3.2 国外研究现状 在国外,近年来机器人领域的发展有如下几个趋势: l)机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性),而其价格不 断下降。 2)机械结构向模块化、可重构化发展。如关节模块中的伺服电机、 . .6 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式构 造机器人整机。 3)机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展,有利于 标准化、网络化;器件集成度提高,采用模块化结构;机器人系统的可靠 性、易操作性和可维修性大大提高。 4)机器人中传感器的作用日益突出,除采用传统的位置、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 遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的信息融合技 术来进行环境建模及决策控制。 5)虚拟现实技术在机器人领域的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的感 觉。 1.4. 存在问题和未来解决问题 1.4.1 喷涂工件 CAD 造型的获取 喷涂机器人离线编程的第一步是必须获取喷涂工件的 CAD 数据，随 着计算机视觉技术的成熟，可以利用模式识别技术先识别出待喷涂的 工件，再利用图像处理技术提取工件表面的特征点，形成数据点云， 最后通过图像的三维重构获取工件的 CAD 数据。 1.4.2 喷涂路径规划 路径规划是喷涂机器人离线编程的另一项关键技术。路径规划的 好坏，直接关系到喷涂作业的效率以及工件表面的涂层是否均匀，对 喷涂工件的质量的影响巨大。 1.4.3 喷涂机器人的位姿精度与标定 影响喷涂机器人位姿的精度有多方面的原因，从大体上讲可分为 静态与动态因素。静态因素包括了制造、装配时所带来的机器人本体 机械结构上的误差；由外界温度的改变和长期的磨损而引起的机械部 件的尺寸变化，由此造成机器人位姿的误差。动态因素主要是由外力 所引起的机械部件本身的弹性变形所带来的机器人运动误差。为解决 . .7 以上因素所造成的机器人位姿误差，必须在使用前对机器人进行标定， 建立机器人的参照模型，目前用于机器人标定的技术有基于三坐标测 量仪的标定、基于激光跟踪仪的机器人标定以及基于 CCD 的机器人标 定。根据机器人实际运行时的位姿与参照模型间的误差，建立机器人 补偿机制，以进一步提高机器人喷涂作业的精度。 1.4.4 喷涂机器人的控制 喷涂机器人的控制较为常用的仍是传统的 PID 理论，在实际的应用 中，喷涂机器人机械臂的长度往往很长，当整个机械臂伸展开时大约 可达到 2m 的长度，且运行速度较高，各关节间的动力学效应非常显著， 不能忽略，从而造成机器人各关节的被控对象模型是时变的。而传统 PID 理论的比例（P） 、积分（I） 、微分（D）参数的整定是建立在关节 传递函数模型为定值基础之上的，这对传统的基于系统动力模型的控 制理论带来了挑战。此外，实际工业现场往往存在有各种不确定的干 扰，也会对 PID 控制器造成影响。以上两个因素决定了 PID 控制器必 须具备一定的自适应性，其比例、积分、微分参数应能够随着外界环 境的改变而自动的变化。智能控制理论的提出与发展为问题的解决带 来了新的思路。智能控制是人工智能、生物学与自动控制原理结合的 产物，是一种模仿生物某些运行机制的、非传统的控制方法。将神经 网络、模糊理论、人工免疫、遗传进化等智能控制算法与 PID 理论相 结合，用于 PID 参数的整定，成为未来机器人控制发展的趋势。 1.5 本文研究主要内容以及背景和意义 随着改革开放和我国加入世贸组织，近几年来我国的汽车制造业 高速发展起来。汽车制造业在自身发展的同时也促进了机械制造业的 发展，其中对工业机器人发展的促进作用尤为显著。在汽车制造生产 过程中，汽车车身的涂装是最主要的生产工艺之一。涂装质量的高低 决定了汽车表面的耐腐蚀能力的强弱、使用寿命的长短、汽车是否美 观，而且人们在购买汽车时，对于汽车产品最直接的评价就来源于汽 . .8 车的外观，因此喷涂质量的高低直接影响了一个汽车产品在市场中的 竞争能力和生产厂家的经济效益。 喷漆机器人具有轨迹灵活、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的涂装设备。 然而我国的工业机器人的起步较晚、技术比较落后，间接导致了我国 自行生产的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、性价比等方面上与发达国的喷漆机器人存在着较 大的差距。目前我国的部分汽车生产厂家还在使用轨迹灵活度较低、 柔性差的自动喷涂机来进行汽车车身的涂装，少数企业虽然采用了外 国设备制造商的喷漆机器人，但是仍然存在着价格昂贵、维护费用高、 兼容性低等问题，从而导致了竞争力和经济效益的下降。因此实现高 质量的喷漆机器人的国产化，对于我国工业机器人的发展和汽车制造 业的发展具有十分重要的意义。 本文以用于汽车车身的喷漆机器人为研究对象，对喷漆机器人的 结构设计进行了研究。全文主要内容如下： 1.阅读工业机器人和包装机械的相关书籍，确定了各个关节的传 动方案。根据设计 要求里的工作空间的要求，通过简单的计算方法，确定了两个手 臂的长度。 2.初步设计了传动部分的结构和连接形式，并用 CAD 绘制出了主 要零部件的零件图和一张总装图以及腰部回转部分的部装图与腕部回 转部分的部装图。 3.运用所学到的理论力学、材料力学、动力学、物理学的知识并 且根据机器人技术参数计算出各个关节的转动力矩和功率，再查找机 械设计手册，选择了符合要求的驱动部件和传感器。 4.进行了主要的传动部件的设计计算和校核。 . .9 第 2 章 总体结构设计 2.1 确定驱动系统 2.1.1 驱动系统 工业机器人的驱动系统是直接驱动整个机器人完成指定动作的机 构，而且工业机器人的驱动系统是机器人上的一个十分重要的机构， 对工业机器人的性能和功能以及维修是否方便有很大的影响。如果没 有一个有效的伺服驱动系统，无论机器人具有多么精确的控制系统和 多么敏感的传感的系统，也是无济于事的。 当今世界上工业机器人的动作自由度都比较多，以便能完成复杂 的动作，其中多为五自由度和六自由度。这些工业机器人的旋转速度 和直线移动速度都比较快，而且定位精度十分高，它们的驱动元件大 多安装在活动支架上。而且由于施工现场的空间是有限的，所以绝大 多数时候要求工业机器人所占的空间要尽可能的小，以便在有限的空 间尽可能的完成多个工序。综合以上特点，设计时要求工业机器人驱 动系统的设计原则是必须做到外型小、重量轻、工作稳定可靠。另外， 由于工业机器人能在工作空间内任意多点定位，而且控制以及驱动程 序又是灵活多变的，所以在一些结构比较复杂和多自由度的工业机器 人中，通常采用伺服驱动系统。 目前，工业机器人的驱动方式主要有液压驱动、电机驱动和气压 驱动三种。液压驱动系统的特点主要是运行稳定可靠，运动件的惯性 小，快速相应的灵敏度高，传动比较大，低速性能好，容易实现无极 调速，操作和控制都比较容易。气压驱动的特点主要是响应速比较度 快，广泛应用于数控机床等设备中，但是存在管路漏气的现象，维修 . .50 比较麻烦。电机驱动方式具有以下特点：动力源简单、负载小、调速 范围大、无需 . .11 配管、维修及使用方便、使用寿命长等特点。此外，由于近年来 液压控制系统的逐渐完善，此次设计选择液压驱动。 2.1.2 确定驱动件和自由度 由于工作需求的不同以及工作对象的不同，因此工业机器人的驱 动机型有多种结构形式，主要包括直角坐标系机器人、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，因此控 制方便，结构十分简单，设计比较方便。但是其只能作直线运动，所 以局限性比较大，只能在特定的工作场合下工作。圆柱坐标机器人的 工作范围是一个类似于圆柱面的表面，操作方便和控制方便是它最大 的优势，但是它跟直角坐标系机器人一样有着极大的工作局限性。极 坐标机器人是一种可以做腰部的旋转运动，手臂部分的一个旋转运动 以及一个直线运动的工业机器人。多关节型机器人的运动空间比前三 者大，可以完成十分复杂的动作，运动轨迹灵活多变，自由度多而且 结构相对简单。综上所述，喷漆机器人的驱动机型选用多关节型。又 因喷漆机器人的负荷小，运动速度低，而且根据设计要求，所以采用 六自由度。因此本文设计的喷漆机器人是一种六自由度关节型机器人。 . .12 2.2 喷漆机器人的运动参数 项目 技术参数 结构形式 关节式 自由度 6 1 2 3 4 5 6活动范围 100 75 70 210 210 420 最大速度 2m/s 手腕最大负荷 5kg 驱动方式 电液伺服驱动 重复定位精度 2mm 示教方式 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 2i4G 环境温度 040 2.3 各个关节的结构形式和平衡方式 一般的工业机器人有 5 个左右的结构复杂的结构件，即：底座、 . .13 腰部转动台支架、大臂、小臂和手腕部。目前大臂和小臂的结构比较 流行的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的箱体，多为 铸件。为了减轻小臂的重量和大臂的负载，小臂采用空心管结构，材 料是铝合金。为了增强大臂的强度，同时尽可能的降低大臂的重量， 大臂采用实心的立方体结构，材料同样是铝合金。 手臂的平衡：为了减小驱动力矩和增加运动的平稳性，大臂和小 臂原则上说都要进 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。对于喷漆机器人的设计，由于末端 执行器的重量约为 3kg，大臂和小臂的总重量约为 60kg 至 70kg，因此 在这里采取一定的平衡措施。对于小臂的平衡，在这里小臂采用铰链 四杆的结构方式，这种结构通过后杆的质量来平衡腕部的质量。 该机器人的大臂小臂均采用弹簧平衡装置，如下图所示。经计算 其平衡弹簧力未能做到手臂的完全平衡，但不平衡力矩量值不大。 2.3.1 小臂 小臂的平衡弹簧铰接在平衡支架的 A 点上，另一端固定焊接在小 臂内的弹簧座上。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，保证小臂在大臂运动时 其夹角 不变。 小臂的不平衡力矩不仅随转角 变化，也随转角 变化，其算法32 如下： 小臂对转轴轴线 的偏重力矩 M 为3O3GCOSL3 式中：G -小臂及手腕部件重量3 小臂及手腕部件的合重心与 O 的距离L3 小臂梁与水平线的夹角 弹簧的平衡力矩 M =3s3hfK . .14 式中： 小臂平衡弹簧刚性系数3K 小臂平衡弹簧变形量f 弹簧力对 O 的力臂3h3 通过结构的尺寸关系可算得： 3213/sinlR01)(flf 式中 = 为弹簧长度（包括支撑螺3 )cosR21 栓等长度）是随 角变化的值， 为安装时弹簧的预变形量。30f 由于存在着驱动油缸活塞与刚桶的静阻力，其方向沿活塞杆 ，DO3 它对 的力矩亦起着平衡一部分偏重力矩的作用，因而小臂的平衡力3O 矩 3PSGM 式中 M 为油缸对 的静阻力矩。3pO . .15 2.3.2 大臂 大臂的平衡由对称于大臂中心线的左右两根弹簧承担，同理大臂 的不平衡力矩 也同时受 转角的影响，另外，小臂没有完全平2M3,2 衡，在计算时还应考虑小臂加于大臂上部的力和力矩作用。 此时，大臂的偏重力矩 应为2G32232 sin)( MLaG 关节轴 3 的重量（包括轴上零件） a 大臂长2 L 大臂合重心矩 的长度2O 其算法与小臂相同。22hfkMS 考虑大臂驱动油缸的静阻力矩 则可得大臂的不平衡力矩2p22pSG . .16 大小臂平衡弹簧参数 小臂弹簧 大臂弹簧 弹簧直径（mm） 6780 弹簧钢丝直径 （mm） 101 圈数 70 40 刚度系数 （kgf/mm） 0.8493 0.8666 . .17 弹簧总长度 708410 螺旋方向 右旋 右旋 平衡弹簧材料选用 60si MnA2 . .19 . .20 2.3.3 小臂的传动机构 图 2.3 小臂关节结构示意图 小臂关节的传动系统结构简图如图 2.3 所示。小臂做+135 至-90 范围内的俯仰运动，从而调节整个腕部的空间位置。小臂轴和大臂末 端连接在一起，连接形式可以是键连接或者是无键连接，由于此处的 键连接的轴向定位比较麻烦，所以这里采用无键连接，具体采用在包 装机械中被广泛运用的胀紧套。胀紧套具有对中精度高、安装/拆卸方 便、强度高、连接稳定可靠等优点。这里的铰链四杆机构的后杆与底 杆可以平衡手腕部分和部分小臂的重量，减少大臂所承受的负载。这 个四杆机构在设计时应该尽可能的减少底杆和后杆的重量，使之与腕 . .50 部的质量接近，而且其所占空间也应该尽可能的小，综合考虑选择曲 柄摇杆机构，具体尺寸会在下一章根据工作空间所设计的手臂的长度 给出。 2.3.4 大臂的传动机构 图 2.4 大臂关节结构示意图 大臂关节的传动系统示意图如图 2.4。 大臂的俯仰运动和小臂的俯仰运动的配合将实现手腕部分在工作 空间内的定位。大臂一端与底座连接，一端与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。 这种传动方案的优点是结构简洁有效、传动精度较高、通过自身 的调速减轻了整个腰部的负载。在安装时，驱动大臂的电机和驱动小 臂的液压缸对称布置的方式这样有利于腰部回转盘的重量平衡，使整 个结构稳定，防止了颠覆。这种结构也减小了腰部回转盘的转动力矩， . .21 减轻了带动腰部回转的液压缸的负担。 2.3.5 腰部的传动机构 图 2.5 腰部关节结构示意图 腰关节的结构示意图如图 2.5。 腰部旋转和大臂的俯仰以及小臂的俯仰共同配合将实现腕部在空 间任意位置定位。腰部主轴与腰部回转盘用螺钉相联，大臂和小臂的 驱动电机固定在腰部回转盘上的电机座上。腰部主轴是空心轴，通过 键与力矩电机相连。因此，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 电机回转角度的控制 15。 这种传动方案是通过直流力矩电机直接带动整个腰部回转，免去 了不必要的结构，简洁有效，降低了成本。 2.4 本章小结 本章主要介绍了喷漆机器人的驱动方案的选择以及确定了技术指 标。完成了机器人的总体传动系统的设计。并给出了各关节的传动方 案，同时进行了必要的分析论证，在这之后设计了各个关节传动机构 和大体上的连接方案。说明了每个传动方案的优点和不足，并给出了 需要校正的零部件的方法。 . .22 第 3 章 喷漆机器人机构设计 3.1 喷漆机器人数学模型的建立与分析 设计的喷漆机器人所需要达到的最大覆盖范围是 1.3 1.3 1.3 。3m 根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的点，由于小臂 末端至喷枪的距离约为 0.4m，所以在讨论时小臂的长度为原小臂杆长 度加上 0.4m，一共为 1.2m。需要论证的数学模型是：假设大臂和小臂 为不计体积的细长直杆 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的圆盘上，其俯仰范围是+135 至-90。细杆 1 的另一端连接着细杆 2，细杆 2 的长度是 1.2m，同时细杆 2 可以相对 于细杆 1 做俯仰范围是+168 至-80 俯仰运动。需要验证的是，细杆 2 末端的最大运动范围是否是喷漆机器人的最大覆盖范围 1.3 1.3 1.3 。如果超过喷漆机器人的最大覆盖范围，则假设的尺寸3m 符合要求，如果小于喷漆机器人的最大覆盖范围，则需要重新制定各 部分的尺寸。 图 3.1 工作的空间模型 论证的细杆 2 末端所要达到的运动范围如图 3.1 所示。在论证时， . .23 假设大臂与腰部回转盘的链接点 i 在线段 da 的延长线上，由于腰部回 转盘的旋转范围是170，所以只需要验证一般空间即可，另一半与 之对称。综上所述，我们现在的论证空间是 abcd-efgh，在论证时只需 要验证细杆 2 的末端能否达到空间 abcd-efgh 的八个顶点即可。如果能 在各个细杆的运动范围内达到这八个顶点，那么细杆 2 的末端必然能 够达到空间内的其他点。 图 3.2 平面 abcd 工作极限位置模型 假设细杆 1 和圆盘的连接点 i 在 da 线段的延长线上，ij 代表细杆 1，i 与 a 的距离为 0.5m。如图 3.2 所示，当工作平面在 abcd 时，达到 各极限位置时细杆 1 与细杆 2 的位置状态。读图可知达到 d 点时，细 杆 1 的俯仰角度最大为 51 ，根据设计方案知细杆 1 的最大俯仰角为 +135 。达到 a 点时，细杆 2 相对于细杆 1 的俯仰角度最小为-75 ，根 据设计方案知细杆 2 相对于细杆 1 的最小俯仰角度-80 。读图可知当 达到其他位置时，细杆 1 与细杆 2 相对于细杆 1 的俯仰角度均小于设 计方案中规定的极限值。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 的末端 ife 平面运动时，如 图 3.3 所示细杆 1 和细杆 2 的极限位置。读图可知达到 e 点时，细杆 2 相对于细杆 1 的俯仰角度最小-55 ，根据设计方案知细杆 2 相对于细 杆 1 的最小俯仰角度-80 。读图可知当达到其他位置时，细杆 1 与细 . .24 杆 2 相对于细杆 1 的俯仰角度均小于设计方案中规定的极限值。所以 当工作面为 ife 时，手臂长度符合要求。 图 3.3 达到 f、e 极限时位置模型 图 3.4 达到 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 的末端 igh 平面运 动时，如图 3.4 所示细杆 1 和细杆 2 的极限位置。读图可知达到 h 点时， 细杆 1 的俯仰角度最大为 45 ，根据设计方案知细杆 1 的最大俯仰角 度为+135 。读图可知当达到其他位置时，细杆 1 与细杆 2 相对于细杆 1 的俯仰角度均小于设计方案中规定的极限值。所以当工作面为 igh 时， 手臂长度符合要求。 经过上面的计算和分析可证明小臂的末端可达的覆盖范围大于空 间 abcd-efgh。由于论证时的前提条件是把喷漆机器人的最大覆盖范围 . .25 一分为二。所以满足一半覆盖范围时，必然能够达到对整个机器人提 出的覆盖范围的要求 1.3 1.3 1.3 。故喷漆机器人足可满足要求的最3m 大覆盖范围，证明方案正确，小臂和大臂的长度和俯仰角度确定的合 适。 3.2 腕部设计 3.2.1 电机的选择 手腕部分的电机的安装：带动喷枪旋转的减速电机 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，带动回转套回转的减速电机 2 安装在回转套支架的外侧，带动整 个回转套做回转运动。这两处的电机的安装如图 2.2 所示。带动整个腕 部旋转的减速电机 3 与安装在回转套外侧的带有法兰盘的空心轴通过 胀紧套连接在也一起，这个安装面与电机 2 的安装面垂直，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 的负担，因此电机 1 应该质量轻、体积小且能满足功率满要求。同时 电机轴要与喷枪夹末端的空心轴通过胀紧套连接在一起，因此电机输 出端的轴要进行适当的加粗加长。回转套的质量也要尽量的小，所以 材料为铝合金类材料。假设喷头的尺寸为 50200 的圆柱体，由已知 条件知质量为 3 kg。 圆柱体的转动惯量为：J = m(3 R2+L2)1 = 3(3 + )0.52. =0.01 kg.m2 取喷枪的转动角速度为 =2 rad/s，n=60r/min 取启动时间为 0.1s . .26 由此转动角加速度 =20 rad/s2 计算力矩 T 为：T= J =0.628N.m P=T =0.6282 =3.94 故订做的减速电机 1 的额定电压为 220V，输出功率至少为 4w，输 出转矩至少为 1N.m，转速为 1400r/min，减速箱的减速比为 23。电机 输出轴端进行适当的加粗加长。 电机 2 带动回转套做回转运动。设回转套为 200200200 的立方 体。设回转套、电机、减速器、短轴、键、喷枪及喷枪夹的质量共 5kg。 长方体的转动惯量公式为：J= m( )122bh 由于回转套为正方体，故 b=h=0.2m 所以绕回转套回转中心的转动惯量为： J= 5( )=0.03 kg.m21220. 取回转套的转动角速度为 =2 rad/s, n=60 r/min 取启动时间为 0.1s 由此转动角加速度 =20 rad /s2 计算力矩 T 为：T= J =1.884N.m P=T =1.8842 =11.83 w 故订做的减速电机 2 的额定电压为 220V，输出功率至少为 12w， 输出转矩至少为 2N.m，转速为 1400r/min，减速箱的减速比为 23。电 机输出轴端进行适当的加粗加长，并且在末端开键槽。 电机 3 带动整个腕部做回转运动。电机通过胀紧套连接空心轴， 所以电机输出轴也要进行适当的加粗加长。设回转套为 232100350 的立方体。设整个腕部、回转套支架、联轴器、短轴、电机、减速器 等部件的质量估算为 12kg。 长方体的转动惯量公式为：J= m( )122bh . .27 由于回转套为正方体，故 b=0.232m,h=0.1m 所以绕回转套回转中心的转动惯量为： J= 5( )=0.064kg.m21220. 取回转套的转动角速度为 = rad/s，转速为 n=30r/min 取启动时间为 0.1s 由此转动角加速度 =10 rad /s2 计算力矩 T 为：T= J =2.01N.m P=T =2.012 =6.23w 故订做的减速电机 3 的额定电压为 220V，输出功率至少为 7w，输 出转矩至少为 3N.m，转速为 1400r/min，减速箱的减速比为 46。电机 输出轴端进行适当的加粗加长 16-20。 3.3 小臂的设计 3.3.1 小臂设计的总体要求 手臂杆的质量应该尽可能的小，从而减轻支撑它的大臂杆及它的 驱动电机的负担。同时小臂杆还要承受整个手腕的重量以及在运动中 产生的动载荷。 喷漆机器人的最大覆盖范围与各个手臂的长度、手臂间的关节的 转动范围密切相关。因此设计手臂时，该充分考虑根据机器人所要完 成任务而提出设计要求，从而确定手臂杆的大体结构和长度。根据尽 量减小手臂质量同时保持一定强度的原则，从而合理的选择手臂的截 面形状和所用的材料，既满足强度要求又最大限度的降低自身重量。 尽量减少对其关节的转动惯量以及偏重力矩，以减少驱动装置的负载， 同时注意减少运动的动载荷与冲击。设法减小机械间隙引起的运动误 差提高运动的精确性和运动刚度，可采用缓冲和定位装置，从而提高 定位精度。 喷漆机器人的小臂俯仰机构通过铰链四杆机构来完成，安装在腰 . .28 部回转盘上的直流伺服电机通过铰链四杆机构驱动小臂实现俯仰运动。 采用铰链四杆机构的目的是把直流伺服电机放到腰部回转盘上面，避 免直接放到小臂与大臂的连接处，减轻小臂的重量，降低大臂驱动装 置的负载，减少运动过程中产生的动载荷与冲击，提高整个喷漆机器 人的响应速度。 3.3.2 铰链四杆机构的设计 此处的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，如果采用双曲柄机构，其它杆的杆长太长，而且上一 章确定小臂的长度为 800mm，因此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的对边，既大臂与最短杆相对。如果采用双 摇杆机构，会导致其他两杆的长度过长，在一定方向上占有的空间太 大，而且小臂的俯仰角度不好确定，势必会增加设计难度。综合以上 分析，在这里采用曲柄摇杆机构具体如图 3.5 所示。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的部分，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，而且所占的空间小，底杆和后杆的质量比其 他两种方案要小。 . .29 图 3.5 实现小臂俯仰的铰链四杆机构的结构示意图 3.3.3 液压缸的选择与设计 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的情况，既当小臂与大臂共线时，小臂可视为 绕 i 轴旋转，此时整个小臂体对 i 轴的转矩最大。 1、小臂总体质量的计算 21-25 小臂的大体结构为分段空心圆柱，材料为铝合金 体积 V=lA =0.4 /40.4 0.2/40.8 0.16/420.18 =0.007 m3 质量 m= V =2.7 0.007310 =18.9kg 2、腕部结构对 i 轴的转动惯量 腕部绕其质心的转动惯量为 = m(b2+h2) 1I = 0.03 kg m2 平移到 i 轴上 = +m1I21r . .30 =0.03+5(0.16+0.180.8) 2 =6.53kg m2 3、回转套支架对 i 轴的转动惯量 回转套支架绕其质心的转动惯量为 = m(b2+h2)2I1 =0.064 kg m2 平移到 i 轴上 = +m2I2r =0.064+7(0.180.8) 2 =6.79kg m2 4、小臂结构对 i 轴的转动惯量 由于小臂是阶梯状 前一段体积 =0.002 m31V 质量 = =5.4kg，此外还要加上电机减速器轴联轴器短轴的质 量共 8kg。 小臂前段绕其质心的转动惯量为 = (3 R2+L2)3I1m =0.22 kg m2 平移到 i 轴上 = +m3I23r =0.22+8(0.180.8) 2 =20.7kg m2 后一段体积 =0.005m32V 质量 = =13.5kg 小臂后段绕其质心的转动惯量为 = (3 R2+L2)4I1 =0.64kg m2 平移到 i 轴上 = +m4I24r =0.67+13.50.82 =27.14kg m2 5、带动小臂转动的后杆和底杆对 i 轴的转动惯量 . .31 两圆杆为铝合金材料，圆形实心直杆。后杆的尺寸为 1001000，底杆的尺寸为 100400。当两杆共线时，两杆对 i 轴的 转动惯量最大。 两杆的体积之和 = /414=0.01m3V总 20.1 =m总 总 =2.7 0.01310 =27kg 两段同一直线时绕两段质心的转动惯量为： = (3 R2+L2)5I1总 =4.48kg m2 平移到 i 轴上 = +m5I25r =4.48+27 20.4 =17.71kg m2 6、对 i 轴总的转动惯量 以上计算的 、 、 、 、 均是在转动惯量最大的情况下计算1I23I45I 得到的，所以用这些转动惯量计算出的总力矩和功率，从而选择的电 机必然满足喷漆机器人在其他工作状态下的工作要求。 对 i 轴总的转动惯量为： = + + + + =78.87 kg m2I总 123I45 7、总力矩和功率的计算 取小臂的转动角速度 = /2 rad/s，转速为 n=15r/min 取启动时间为 1 s 由此转动角加速度为 = /2 rad/s2 惯性力矩 T =1I总 =78.87 /2 =123.88N m 静态力矩 T ：由于小臂的俯仰机构采用的铰链四杆机构，小臂自2 . .32 身基本可以平衡，所以静态力矩可以忽略不计。 摩擦力矩 T ：摩擦力矩近似等于 0.05 倍的惯性力矩3 综上所述总力矩 T =1.05T =124.49 N m总 1 小臂驱动油缸铰接点 固定在转台上，传动原理同上。计算O 大臂处于垂直位置时的小臂动作范围。由结构尺寸知： ， ， ，mO18032850325.863 ，油缸两支点距离最大时D.19“ ，最小时 ，则活塞全行程为 220mm。5.9463 .723 经计算可得：=124503 活塞行程为 220mm 时： =10714272 活塞行程为零时 4357361 则小臂总转角 3030702 . .33 活塞行程为零时小臂与大臂夹角 = +=4929，相对水平位301 置分配 时可得： 31409 3下 5923下上 3.4 大臂的设计 3.4.1 大臂设计的总体要求 喷漆机器人大臂的主要作用是用来承受小臂的重量和固定铰链四 杆机构的底杆，因此喷漆机器人的大臂对整个机器人能否保持稳定性 起着至关重要的作用。大臂的传动形式与小臂相同，都是由液压缸驱 动实现大臂的俯仰运动。 大臂的整体结构为长方体实心结构，这样做的目的是为了提高其 力学性能包括大臂的刚度、强度以及抗弯能力。铝合金的密度低、强 . .34 度高、具有良好的抗腐蚀能力而且力学性能上接近或超过合金钢。因 此选用铝合金作为大臂的材料，这样可以减轻大臂的重量，从而减小 驱动元件的负载，而且可以进一步也减轻用于驱动腰部回转的驱动元 件的负载。 1、大臂总体质量的计算 大臂的大体结构为长方体并且两端中空，钻有小孔。所以实际体 积要小一些，在这里计算体积时带入一折减系数，假设折减系数为 0.85。材料为铝合金。 体积 V=hA =0.20.121 =0.024m3 质量 m=0.85 V =0.852.7 0.02430 =55.08kg 2、大臂对 i 轴的转动惯量 大臂绕其质心的转动惯量为 = m(b2+a2)1I =4.77kg m2 平移到 i 轴上 = +m1I21r =4.77+55.080.52 =18.54kg m2 3、小臂对 i 轴的转动惯量 小臂对 i 轴的转动惯量 =78.87kg m22I 4、大臂和小臂对 i 轴的转动惯量的总和 = + =18.54+78.87=97.41kg m2I总 12 5、总力矩的计算 取大臂的转动角速度 = /2 rad/s，转速为 n=15r/min 取启动时间为 1 s . .35 由此转动角加速度为 = /2 rad/s2 惯性力矩 T =1I总 =97.41 /2 =153.01N m 静态力矩 T ：当大臂和小臂在一条直线时静态力矩最大，此时 T2 =mgr=(55.080.5+13.51.6+29.70.9) 9.8=743.53N m2 摩擦力矩 T ：摩擦力矩近似等于 0.05 倍的静态力矩3 综上所述总力矩 T =1.05T + T =933.71N m总 21 一般对驱动元件有以下几方面要求： （1）惯量小，动力大。驱动元件在喷漆机器人中主要用于回转运 动，所以转动惯量要小，同时比功率要大一些。 （2）体积小，重量轻。主要评价的性能指标是功率密度，由于驱 动元件是安装在腰部回转盘上的，如果驱动元件过大，就会导致腰部 回转盘过大，所以这里要求驱动元件的功率密度应该尽可能的大些。 （3）位置控制精度高，快速响应性好，调速范围大，低速平稳。 （4）振动小，噪声小，安全可靠，运行平稳。 （5）效率高，消耗的能源要尽可能的小。 所以，采用液压马达驱动。 大臂摆动轴轴心 与驱动油缸的铰接点 均固定与转台上。相对2O2O 转台来说，大臂和油缸可视作一带滑动副的平面连杆机构，活塞杆的 移动通过饺点 B 传递给大臂，使之作前后摆动。 . .50 结构尺寸： 、 ，油缸两支点距离最大mO1652mC6502 . .37 时 ，最小时 ，则活塞最大行程为mBO5.762mBO56“2 200mm。 。经计算可得出 =1149.C13 活塞最大行程为 200mm 时： =1182110”2 活塞行程为零时： =433952”1 则大臂总转角 = - =744118”2 活塞最大行程时大臂与 线夹角为 =180- -=494947”2O202 则大臂相对垂直时的运动范围为; “1304902前 5前后 3.5 腰关节的设计 喷漆机器人的腰部关节的主要作用是承受大臂、小臂、腕部以及 驱动元件和传动系统的重量。腰部主轴与腰部回转盘的通过螺钉连接 在一起，电机带动腰部主轴旋转，从而使腰部回转盘绕其中心旋转完 成所要求的动作。因为喷漆机器人的主体部分都安装在腰部回转盘， 所以要求整个结构的稳定以及手臂运行过程中的平衡。此外还要求腰 部回转盘的运动精度较高，要在驱动元件上安装传感器，检测电机的 旋转精度。由于测量的是旋转运动的精度，故在这里采用增量编码器。 3.6 传感器的选择 为保证喷漆机器人位置精度需要为各关节选择传感器。各个关节 所作的运动都是回转运动，综合考虑各种传感器，选用增量型编码器。 增量型编码器能够物体的旋转运动产生信号。增量型编码器主要应用 于数控机床及机械附件、机器人、自动装配机、包装机械等 机器人位置精度为 0.2mm, 所以大臂、小臂、腰关节的位置精度为 0.2/ =0.12mm。3 小臂转速 = /2 rad/s，长为 0.8m, 传感器线数为： . .38 ns=2 /(i )=2 /(100 0.12/800)=418 小臂选用南京中科天文仪器有限公司的增量编码器 YGM610，n s=480。 大臂转速 = /2 rad/s，长为 1m, 传感器线数为： ns=2 /(i )=2 /(100 0.12/1000)=