噴漆機械手設計【噴涂機械手設計】【UG】

噴漆機械手設計【噴涂機械手設計】【UG】,噴涂機械手設計,UG,噴漆機械手設計【噴涂機械手設計】【UG】,噴漆,機械手,設計,噴涂 任務書系 別專業(yè)班級學生姓名學號指導教師職稱高級講師題 目噴漆機械手設計及運動仿真論文（設計）的主要任務與具體要求（有實驗環(huán)節(jié)的要提出主要技術指標要求）本課題是為噴漆設計的機械手。工業(yè)機械手是按預定要求，模仿人體上肢功能，完成噴漆自動化操作。是減輕工人勞動強度，改善工作環(huán)境，提高工作效率，實現(xiàn)工業(yè)自動化的重要手段。本課題應用CAD技術對機械手進行結構設計，傳動設計和控制系統(tǒng)的設計,并進行運動仿真。它可以實現(xiàn)噴漆的自動化操作。機械手的自由度, 動作程序和速度按生產(chǎn)實際要求設定。 主要完成1、開題報告（包含文獻綜述），外文資料的翻譯（2000字符以上）；2、完成設計草圖；3、根據(jù)設計草圖完成參數(shù)、尺寸計算；4、完成設計圖紙及CAD圖，（折合2張以上A0圖）；5、完成設計說明書。（8000字以上）。6、UG三維造型。完成運動仿真進度安排（包括時間劃分和各階段主要工作內(nèi)容）第七學期 第八周第十三周 畢業(yè)設計開題報告第七學期 第十四周第十九周 主要設計工作，包括草圖、結構設計及工程圖等第八學期 第三周 中期檢查第八學期 第六周末 上交初稿（包括圖紙、說明書、外文資料），老師審閱初稿，提出修改意見。第八學期 第十一周 上交終稿（上交所有資料的紙質(zhì)和電子版）第八學期 第十二周第十三周(2014.5.24日前) 答辯主要參考文獻1、機械設計手冊編委會：機械設計手冊 機械工業(yè)出版社, 20072、工業(yè)機械手編寫組：工業(yè)機械手-機械結構上 上海科學技術出版社 3、左鍵民主編：液壓與氣壓傳動 機械工業(yè)出版社, 20084、大連理工大學工程畫教研室編：機械制圖 高等教育出版社， 20075、楊可楨主編：機械設計基礎 高等教育出版社， 20066、周曉邑主編：機械制造基礎 北京理工大學出版社， 20087、孫靖民主編：機械優(yōu)化設計 ，機械工業(yè)出版社 20088、陳震邦主編：工業(yè)產(chǎn)品造型設計 機械工業(yè)出版社 20109、叢曉霞主編：機械創(chuàng)新設計 北京大學出版社 2008指導教師簽名系（教研室）審核意見任務接受人（簽名）年 月 日審核人簽名： 年 月 日年 月 日備注：1、本任務書一式三份，由指導教師填寫相關欄目，經(jīng)系審核同意后，系、指導教師和學生各執(zhí)一份。 2、本任務書須裝入學生的畢業(yè)設計（論文）檔案袋存檔。 畢業(yè)設計說明書(論文)作 者:學 號：系:專 業(yè):題 目:噴涂機器人機械設計 副教授指導者： (姓 名) (專業(yè)技術職務)評閱者： (姓 名) (專業(yè)技術職務) 畢業(yè)設計說明書（論文）中文摘要 本課題設計了一種經(jīng)濟型噴涂機器人，可應用于汽車車身噴涂等涂裝生產(chǎn)線中。該機器人由步進電機驅動，采用關節(jié)型坐標結構，具有五個自由度，其工作空間范圍為26001200900。機器人機身采用齒輪傳動，上下臂用滾珠絲杠和搖桿機構傳動，手腕采用鏈傳動和齒輪傳動。機器人的控制方式為開環(huán)連續(xù)軌跡控制，采用手把手CP示教的方法示教。本文的設計重點是噴涂機器人的大臂系統(tǒng)，其大臂系統(tǒng)主要是指機械系統(tǒng)，并不包括控制系統(tǒng)。本設計包括大臂系統(tǒng)材料的選定，截面形狀的確定，外形結構的確定和驅動-傳動裝置的設計計算選擇以及彈簧平衡的計算。關鍵詞 噴涂機器人 大臂系統(tǒng) 手把手CP示教 畢業(yè)設計說明書（論文）外文摘要Title Design of a Spray Coating Robot Design of the Big-arm System AbstractThis topic has designed one economy spray coating robot, may apply in the automobile body spray coating and so on paints in the production line. This robot by step-by-steps the motor-driven, uses the joint coordinates structure, has five degrees of freedom, its working space scope for 26001200900.The robot fuselage uses the gear drive, on the forearm with the ball bearing guide screw and the rocker mechanism transmission, the skill uses the chain drive and the gear drive. The robot control mode for the split-ring continual trajectory control, uses hand in hand the CP demonstration method demonstration. This article design key point is the spray coating robot big arm system, his/her the big arm system mainly refers to the mechanical system, not including control system. This design including big arm system material designation, section shape determination, contour structure determination and actuation pneumatic actuator design calculation choice as well as spring balance computation.Keywords Spray coating robot Big-arm system r Teaching by hand 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 27 頁 共 27 頁1 引言11 噴涂機器人的研究與應用1.1.1 概述從1962年美國研制出第一臺工業(yè)機器人以來，工業(yè)機器人至今已經(jīng)走過了4O多年的歷程。由于噴涂作業(yè)屬于有害作業(yè)，這些作業(yè)的勞動強度大，技術水平要求高，并且手工噴涂人員會因技術、體力等因素造成產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，因此為了改善勞動條件和提高產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)量降低成本，這個領域中大量地使用了機器人1。國外從60年代開始研究噴漆機器人，直到60年代末挪威率先推出針對噴漆實際情況而設計的專用噴漆機器人。從此，噴漆機器人的研制和應用發(fā)展十分迅速，噴漆機器人在工業(yè)發(fā)達國家80年代已達到普及階段。例如美國的FUDGE公司和德國的HATEL公司以及總部設在瑞士的ABB公司等都生產(chǎn)了各種型號的噴涂機器人。它廣泛地應用于汽車、農(nóng)機、發(fā)動機，工程機械、機床、家電等大、中型企業(yè)的實際噴涂作業(yè)2。機器人噴涂作為工業(yè)機器人的一個主要應用領域，主要包括噴漆、等離子噴涂、靜電噴涂、高速火焰噴涂等幾大類，采用工業(yè)機器人噴涂成形工藝，不僅可以改善工藝操作環(huán)境，還可以對噴涂軌跡和過程進行數(shù)字化描述、精確控制，從而顯著提高噴涂成形工藝的質(zhì)量和穩(wěn)定性3。縱觀噴涂機器人這幾十年的發(fā)展，其經(jīng)歷了三次變革：第一次發(fā)生在1988年，從液壓傳動變成電傳動，第二次變革是從簡單的動作控制到過程控制，第三次變革是從2000年之后，利用電腦軟件控制機器人，實現(xiàn)為客戶定制機器人，比如可以控制機器人噴漆時的空氣流量和油漆流量、噴涂范圍和形狀以及噴涂的色彩種類等等4。目前，工業(yè)機器人在噴漆方面的應用比例美國可達12，世界平均可達5.15。我國的噴涂行業(yè)特別是在陶瓷行業(yè)普遍采用人工作業(yè)的方式進行施釉，工人勞動強度大，特別是對工人身體有巨大傷害。而我國的相關的噴涂機器人行業(yè)起步較晚，僅有上海交大研制的上海III號噴涂機器人，國家機械工業(yè)局北京自動化所研制的PJ一1噴涂機器人等幾種相關產(chǎn)品。1.1.2 噴涂機器人的應用西方發(fā)達國家90年代以來汽車涂裝中的各噴涂工序普遍實現(xiàn)了自動化，隨著科技的發(fā)展，近十年機器人在工業(yè)現(xiàn)場已呈現(xiàn)出廣泛使用的趨勢。由于使用機器人噴涂均勻性好，重復精確度遠遠高于人工，因此避免了手工噴涂人員因技術、情緒、體力等因素造成的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，使工件噴涂質(zhì)量有了根本性的保障。由于噴涂作業(yè)屬于有害作業(yè)，采用機器人作業(yè)可大大降低工人的勞動強度，提高生產(chǎn)效率，同時由于機器人在噴涂過程中流量、扇面、霧化的大小均可隨時調(diào)整，可大大減少油漆的損耗，提高油漆的利用率6。噴涂機器人的離線編程技術現(xiàn)已比較成熟，其編程技術已普遍應用于機器人噴涂。而噴涂機器人智能上也有較大的發(fā)展，歐盟曲面噴涂項目已實現(xiàn)了對凸形零件的自動噴涂7。在我國，噴涂機器人主要運用于汽車制造業(yè)。靜電噴涂、等離子噴涂、冷噴涂等噴涂技術應用于噴涂機器人上，使其噴涂質(zhì)量有了一定的提高8,9。而近些年開發(fā)出的柔性仿形自動噴涂系統(tǒng)，使噴涂機器人在汽車生產(chǎn)中越來越高效、高自動化10。隨著ABB公司開發(fā)出了小型IRB52噴涂機器人,使噴涂機器人被用于消費類電產(chǎn)品（蘋果公司的IPOD）的噴涂。繼噴涂機器人用于消費電子產(chǎn)品的噴涂，其逐漸被包裝業(yè)、建筑業(yè)等行業(yè)使用。除了在工業(yè)上的應用，噴涂機器人還被用于軍事上，聞名于全球的F-22飛機就是運用噴涂機器人對機身實施噴涂的11。 噴涂機器人的離線編程系統(tǒng)在未來將得到更成熟的發(fā)展和更廣泛的應用。實際應用中可能遇到更為復雜的曲面上的噴涂作業(yè)，這就涉及到曲面分片后的噴槍路徑組合問題以及每一片邊界上的噴槍軌跡優(yōu)化問題。面向復雜曲面的噴涂機器人噴槍軌跡優(yōu)化設計是下一步工作研究的方向12。隨著加工制造業(yè)的不斷發(fā)展和自動控制水平的不斷提高，機器人將在未來得到更加廣泛的應用。噴涂機器人技術也必然隨之不斷的提高和進步，其他各種適合不同需求的涂裝機器人也將在不久的將來得以實現(xiàn)。1.1.3 噴涂機器人實例TRALLFA噴涂機器人該噴涂機器人是l969年在挪威研制成功的。挪威的TRALLFA公司抓住了噴漆作業(yè)要求連續(xù)不問斷的特點，使得該機型的設計是成功的， 目前這種機型占世界噴漆機器人總擁有量的8O%。該機器人手臂為多關節(jié)式，采用電液驅動，由電腦控制，是一種示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人。TRALLFA噴涂機器人手腕部分細長，近似于人的手腕，動作靈活，操作輕便，可伸到狹窄空間進行噴涂，手腕采用萬向節(jié)，易于示教，存儲裝置的存儲容量大，能實現(xiàn)連續(xù)軌跡和點位控制， 編程容易， 動作平滑。后來該公司還推出了TR-4000型噴涂機器人，其采用了多項新技術。執(zhí)行機構配有新的平衡系統(tǒng)；采用可簡化執(zhí)行機構動作編程的新型分離活塞油缸；新型控制裝置存儲容量很大，具有很強的編輯功能和自診斷功能。PJ- 1型噴涂機器我國第一臺國產(chǎn)噴涂機器人是PJ1型噴涂機器人。由北京機械工業(yè)自動化研究所研制并生產(chǎn)，是具有微機控制、示教再現(xiàn)、電液伺服驅動、5個自由度、關節(jié)式噴涂機器人。該機器人解決了許多機器人存儲容量小的問題，使機器人示教時間超過了當時國際先進水平的TRALLFA400經(jīng)濟型噴涂機器人，實際應用效果也與其相當。PJ1型噴漆機器人是我國最成熟、應用量最多的機器人。紫外線自噴涂裝設備2003年日本推出一種紫外線自動噴涂設備，有噴涂槍和噴涂機器人兩種13。它采用低壓噴槍，可節(jié)省涂料20%30%，減少了有機廢氣，并避免臭氧層的破壞，由于噴涂是用紫外線輻射，干燥時間短，涂層硬度高。 IRB52小型噴涂機器人2007年，瑞士ABB公司推出新款機器人IRB5214。其噴涂解決方案以其獨特的集成工藝系統(tǒng)（IPS）為核心，可幫助現(xiàn)代制造企業(yè)提高噴涂品質(zhì)，優(yōu)化涂料消耗、縮短節(jié)拍時間，實現(xiàn)精確快速的工藝控制并簡化生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的收集，全面提升了應用設備的人性化水平。12 噴涂機器人的特點和組成1.2.1 噴涂機器人的特點噴涂機器人是一種機體獨立、動作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動化程度高的自動噴涂機械。噴涂機器人除了具有示教再現(xiàn)功能外，還具有操作靈活方便、占地小、操作空間大、手腕緊湊、負載輕、精度較低、防爆等特征。噴涂機器人可分為專用和通用型。前者操作噴槍運動的自由度不大于4個，適合于大批量生產(chǎn)流水作業(yè)，對形態(tài)變化不大的工件表面進行噴涂，動作比較簡單。后者操作噴槍的自由度不少于5個，它能十分靈活地模仿人的手臂和手腕的動作，對各種復雜的空間曲面進行噴涂。噴涂機器人的臂部運動形式多采用關節(jié)式。其手臂由大臂和小臂兩部分組成，大臂與小臂之間以及大臂與機身之間均有關節(jié)(鉸鏈)連接，并有人手臂的某些特征。多關節(jié)式手臂有較強的越障礙物的功能，動作范圍是四種形式中最大的，非常適合于噴涂作業(yè)。由于噴涂工作的表面形狀大多較復雜，數(shù)學模擬極為困難，所以通用噴涂機器人必須配備示教再現(xiàn)編程方式。1.2.2 噴涂機器人的組成噴涂機器人系統(tǒng)主要由執(zhí)行系統(tǒng)，驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及檢測機構組成，噴涂及其輔助設備沒有什么特殊要求。 圖11 ABB公司噴涂機器人13 噴涂機器人發(fā)展趨勢隨著機器人生產(chǎn)商為客戶定制機器人，噴涂機器人需在以下幾個方面進一步展，以滿足越來越多客戶的使用需求，使噴涂機器人的應用范圍更為廣泛。 （1）為客戶提供更加完整的解決方案，設計出超越客戶所提要求的機器人。 （2）研究和發(fā)展噴涂裝置的小型化，以滿足越來越多如消費類電子產(chǎn)品等小零件的噴涂和特殊環(huán)境下的噴涂15。 （3）開發(fā)開放式結構機器人控制器，使用戶可以方便的擴展和改進其性能。 （4）實現(xiàn)噴涂機器人的模塊化，使其方便安裝和維護，并且緊湊可靠16。 （5）優(yōu)先考慮“系統(tǒng)發(fā)展方式”，實現(xiàn)噴涂機器人與外界設備的互聯(lián)和協(xié)調(diào)工作，并制定機器人語言規(guī)范，特別是動作級的編程語言規(guī)范17。 （6）大力研究開發(fā)對復雜自由曲面進行無人干涉的全過程自動噴涂的智能噴涂系統(tǒng)。14 課題研究意義隨著國際制造業(yè)交流的日益廣泛，中國的制造業(yè)正面臨著與國際接軌，參與國際競爭的局面。適應快速變化的國內(nèi)外市場需求，以高質(zhì)量、低成本、快速反應的手段在市場中取得生存和發(fā)展是我國企業(yè)必須向國外同行學習并提高自身競爭力的根本。工業(yè)機器人的出現(xiàn)很好的解決了傳統(tǒng)制造業(yè)中的一些難題，使得工業(yè)機器人在制造業(yè)中有很大的市場。噴涂機器人如今應用在很多領域，如噴釉機器人、噴漆機器人、噴漿機器人等。噴涂機器人的應用越來越廣泛，需求也越來越大，再加上其經(jīng)濟性也隨著科技的進步而愈發(fā)突出，所以對噴涂機器人的研究是相當有意義的。本課題設計的是一種經(jīng)濟型的簡易噴涂機器人，能完成大小臂的俯仰，手腕的上下和左右擺動，機身的回轉運動，它可以應用于汽車車身噴涂生產(chǎn)線中，結構簡單實用。2 總體方案設計21 機械結構類型的確定工業(yè)機器人的坐標形式有直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型、關節(jié)坐標型和平面關節(jié)型18。 （1）直角坐標式機器人 這種機器人的外形輪廓與數(shù)控鏜銑床或三坐標測量機相似。這種形式的主要特點是：a.結構剛度高，多做成大型龍門式或框架式機器人；b.3個關節(jié)的運動相互獨立，沒有耦合，不影響手爪的姿態(tài)，運動學求解簡單，不產(chǎn)生奇異狀態(tài)；c.工件的裝卸、夾具的安裝等受到立柱、橫梁等構件的限制；d.占地面積大，動作范圍?。籩.它的控制方式與數(shù)控機床類似；f.操作靈活性較差。 （2）圓柱坐標式機器人 SCARA機器人有3個旋轉關節(jié)，其軸線相互平行，在平面內(nèi)進行定位和定向。一個關節(jié)是移動關節(jié)，用于完成末端件在垂直于平面的運動。手腕參考點的位置是由兩旋轉關節(jié)的角位移及移動關節(jié)的唯一決定。這類機器人結構輕便、響應快，運動速度比一般關節(jié)式機器人快數(shù)倍。它最適用于平面定位，垂直方向進行裝配的作業(yè)。（3）球（極）坐標式機器人這類機器人占地面積小，工作空間較大，移動關節(jié)不易防護。（4）關節(jié)式機器人這類機器人由兩個肩關節(jié)和一個肘關節(jié)進行定位，由2個或3個腕關節(jié)進行定向。這種構件動作靈活，工作空間大，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，結構緊湊，占地面積小，關節(jié)上相對運動部位容易密封防塵，這類機器人運動學較復雜，運動學反解困難；確定末端件的位姿不直觀，進行控制時，計算量比較大。由上面中各種坐標形式的比較，初步選用關節(jié)坐標型。課題中要求實現(xiàn)噴涂機器人的連續(xù)軌跡控制（CP），查閱現(xiàn)代工業(yè)中實際使用的機器人，如挪威生產(chǎn)的TRALLFE噴涂機器人為關節(jié)型機器人，6自由度，采用示教再現(xiàn)方式，既可實現(xiàn)點位控制，也可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，則最終確定噴涂機器人采用關節(jié)坐標型。22 自由度數(shù)的確定自由度是指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目，不應包括手抓（末端操作器）的開合自由度19。在三維空間中描述一個物體的位置和姿態(tài)（簡稱位姿）需要六個自由度。但是，工業(yè)機器人的自由度是根據(jù)其用途而設計的，可能小于六個自由度，也可能大于六個自由度。本課題設計要求機身左右旋轉110，大臂前仰30，后仰10，小臂俯仰30，腕部左右擺動110，上下擺動110，因此可知噴涂機器人的自由度為五個。五個自由度中，機身的左右旋轉、大臂的前后俯仰和小臂的前后俯仰三個自由度實現(xiàn)噴涂機器人的位置移動，腕部的左右擺動和上下擺動兩個自由度實現(xiàn)噴涂機器人的姿態(tài)變化。23 驅動方式的確定驅動裝置是使機器人各個關節(jié)運行起來的傳動裝置。機器人的驅動方法一般有三種：液壓、氣動、電動20。液壓驅動以高壓油為工作介質(zhì)。液壓驅動機器人的抓取能力可達上百公斤，液壓力可達7MPa，結構緊湊，傳動平穩(wěn)且動作靈敏，但對密封的要求較高，且不宜在高溫或低溫的場合工作，要求的制造精度較高，成本較高。氣壓傳動時最簡單的驅動方法，原理與液壓相似。這種機器人結構簡單，動作迅速，價格低廉。由于空氣具有可壓縮性，因此這種機器人的工作速度慢，穩(wěn)定性差；其氣壓一般為0.7MPa，故此類機器人適宜抓取力要求較小的場合。液壓是目前在工業(yè)機器人中用得最多的一種。電液壓驅動是利用各種液壓元器件產(chǎn)生的力或力矩，直接或經(jīng)過減速機構驅動機器人，以獲得所需的位置、速度、加速度。電液壓驅動具有無環(huán)境污染，易于控制，運動精度高，成本低，驅動效率高等優(yōu)點。機器人的控制一般可分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制。查閱噴涂機器人實例，可知噴涂機器人多采用開環(huán)控制。液壓傳動一般用在開環(huán)伺服系統(tǒng)中，這種系統(tǒng)沒有位置反饋裝置，控制精度相對較低。24 傳動方式的確定傳動機構用來把驅動器的運動傳遞到關節(jié)和動作部位。機器人中常用的傳動機構有齒輪傳動、螺旋傳動、帶傳動及鏈傳動、流體傳動和連桿機構與凸輪傳動。下表21列出了一些常用傳動機構的性能對比表。表21常用傳動性能對比表序號類別特點軸間距 應用場合齒輪傳動響應快，扭矩大，剛性好，可實現(xiàn)旋轉方向的改變和復合傳動不大腰、腕關節(jié)諧波傳動大速比，同軸線，響應快，體積小，重量輕，轉矩大零所有關節(jié)擺線針輪行星傳動（RV）大比速，同軸線，響應快，剛性好，體積小，重量輕，回差小，轉矩大零前三關節(jié)，特別是腕關節(jié)渦輪傳動大比速，交錯軸，體積小，回差小，響應快，剛性好，轉矩大，效率低，發(fā)熱大交錯不大腕關節(jié)手抓機構鏈傳動速比小，扭矩大，剛性與張緊裝置有關大腕關節(jié)齒形帶傳動速比小，轉矩小，剛性差，無間隙大各關節(jié)的一級傳動續(xù)表22鋼帶傳動速比小，轉矩小，剛性與張緊裝置有關，無間隙大腕關節(jié)鋼繩傳動速比小，無間隙特大腕關節(jié)，手抓機構連桿及搖塊傳動回差小，剛性好，扭矩中等，可保持特定位移，速比不均大腕關節(jié)，臂關節(jié)滾動螺旋傳動效率高，精度好，剛性好，無回差，可實現(xiàn)運動方式改變，速比大零直動關節(jié)，手抓機構齒輪齒條傳動效率高，精度好，剛性好，可實現(xiàn)運動方式改變交錯直動關節(jié)，手抓機構工業(yè)機器人的傳動機構有以下幾項基本要求21：（1）結構緊湊，即具有相同的傳動功率和傳動比時體積最小，重量最輕。 （2）傳動剛度大，即由驅動器的出軸到桿件的轉軸在相同的扭矩時角度變形要小，這樣可以提高整機的固有頻率，并大大減輕整機的低頻振動。 （3）回差要小，即由正轉到反轉時空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度。（4）壽命長、價格低。2.4.1 機身傳動方式的確定由本課題中的設計要求可知，機器人的大臂連接在機座上，機座的旋轉帶動整個大小臂一起旋轉，實現(xiàn)噴涂機器人位置的變化，轉矩相比而言較大。比較表22中的各種傳動方式的特點，結合實際要求初步選擇齒輪傳動和諧波傳動。查閱機器人中的常用的齒輪傳動機構可知行星齒輪傳動機構和諧波傳動機構是機器人上用得較多的。在本課題中采用漸開線圓柱直齒輪傳動。這種傳動的優(yōu)點是：消除了軸向力，降低了對軸承和箱體的要求；徑向力與傳動負載的大小成正比，對于壓力角為20的標準齒輪，徑向力大約是傳動的0.35倍；傳動的速度和功率范圍很大；傳動效率高，高精度齒輪傳動效率可達99；瞬時傳動比恒定，工作平穩(wěn)性較高；結構緊湊。但其傳動有噪音、沖擊和振動，且需要調(diào)隙22。為了降低傳動過程中的噪音和振動，可以提高傳動齒輪的制造精度，這樣可明顯降低傳動過程中的噪音和振動，提高抗沖擊的能力，而且傳動間隙可減小，提高傳動的平穩(wěn)性。2.4.2 大小臂傳動方式的確定本課題設計中要求噴涂機器人的大臂繞大臂與機座的轉動中心前仰30，后仰10，小臂俯仰30。液壓傳動有以下特點22：傳動效率高達0.90.98，可節(jié)省動力1/23/4，有利于主機的小型化及減輕勞動強度。摩擦力矩小，接觸剛度高，使溫升及熱變形減小，有利于改善主機的動態(tài)特性和提高工作精度。工作壽命長。傳動無間隙，無爬行，運轉平穩(wěn)，傳動精度高。具有很好的高速性能。具有傳動的可逆性，既可把旋轉運動變?yōu)橹本€運動，也可把直線運動轉化為旋轉運動，且逆?zhèn)鲃有逝c正傳動效率相近。已經(jīng)實現(xiàn)系列尺寸標準化，提供了多用途的廉價產(chǎn)品，應用于精度要求不是很高的場合，節(jié)能并延長壽命。2.4.3 腕部傳動方式的確定腕部是機器人的小臂與末端執(zhí)行器（手部或稱手抓）之間的連接部件，其作用是利用自身的活動度確定手部的空間姿態(tài)。手腕的驅動方式一般有遠程驅動和直接驅動兩種。直接驅動傳動線路短，剛度好，但腕部的尺寸和質(zhì)量大，慣量大。本課題中采用遠程驅動，其電機安裝在機器人的大臂、機座或小臂遠端上，通過連桿、鏈條或其他傳動機構間接驅動腕部關節(jié)運動，因而手腕的結構緊湊，尺寸和質(zhì)量小，對改善機器人的整體動態(tài)性能有好處。本課題中噴涂機器人的腕部上下擺動并左右擺動，是二自由度手腕。查閱資料，發(fā)現(xiàn)一小型電動噴涂機器人EP500S。其為關節(jié)式結構，有5個自由度，操作機腕部布置兩個相互垂直的伺服軸，能方便地產(chǎn)生噴槍的姿態(tài)變化動作。小臂和減速機之間用鏈條、鏈輪傳動。這種機構既把大、小臂之間的運動分開，互不影響，又可實現(xiàn)小臂平衡機構的力矩傳遞。該機構緊湊，傳動簡單。25 平衡方式的確定機身和臂部的運動較多，質(zhì)量較大，如果運動速度和負載又較大，當運動狀態(tài)變化時，將產(chǎn)生沖擊和振動。這將不僅影響機器人的精確定位，甚至會使其不能正常運轉。為了提高工作平穩(wěn)性，在設計時應采取有效地緩沖裝置吸收能量。臂桿作為主要的運動部件需要重點考慮。為了減少驅動力矩和增加運動的平穩(wěn)性，大、小臂桿一般都需要進行動力平衡。臂桿平衡技術對提高操作機的整體性能和動態(tài)特性十分重要，也是簡化編程和控制的重要措施。常見操作機臂桿的平衡技術有四種，即質(zhì)量平衡法、彈簧平衡法、氣動或液壓平衡法和采用平衡電機。彈簧平衡一般可以使用長彈簧。分析表明，在關節(jié)模型中，只要采用合適剛度和長度的彈簧平衡系統(tǒng)，可以全部平衡關節(jié)模型重力項。本課題采用彈簧平衡，其結構簡單，通過適當改變彈簧的長度和剛度的修正即可達到所需的平衡要求。26 噴涂機器人總體裝配示意圖總結以上各種方案的選擇，確定噴涂機器人的總體裝配示意圖如下圖所示： 圖23噴涂機器人總體裝配示意圖3 噴涂機器人大臂設計31 大臂和小臂長的設計圖31是關節(jié)型機器人工作空間的示意圖。 圖31 機器人工作空間的示意圖 圖中， 、分別為大臂和小臂的長度； 、分別為大臂的俯仰角度； 、分別為小臂的俯仰角度。根據(jù)工作空間的范圍：長寬高=26001200900mm3 ,結合示意圖可以得到以下關系式： (3.1) (3.2) (3.3)由于，將數(shù)據(jù)代入上述關系式可求解得到： =1004.5 =1186.4根具所得值圓整： =1100 =120032 大臂臂身的設計3.2.1 大小臂連接處的設計考慮到小臂系統(tǒng)、腕部是由液壓缸傳動，帶動手腕部分上下擺動和左右擺動，應選用遠距離間接傳動方式。3.2.2 小臂驅動電機安裝位置小臂驅動方式采用的是液壓驅動，因此，小臂驅動系統(tǒng)需要安裝在大臂臂身上進行固定?？紤]到系統(tǒng)配重問題，在系統(tǒng)工作過程中增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)重量，在大臂上伸出的板上做耳環(huán)。其安裝的具體結構如圖33所示。 圖33 小臂驅動3.2.3 腕部驅動一般機器人腕部驅動電機安裝在機器人的小臂或大臂上，這種安裝方法會增加機器人臂部的重量，降低機器人臂部運行的靈活性?？紤]到減輕機器人臂部重量的因素，采取腕部應用液壓驅動，通過銷軸與小臂相連，實現(xiàn)腕部的上下擺動和左右擺動。其腕部安裝如圖34所示。 圖34腕部驅動電機安裝關節(jié)3.2.4 大臂殼體結構（1）材料的選擇根據(jù)設計要求，機器人手臂要求完成各種運動。因此，對材料的一個要求是作為運動的部件，它應是輕型材料。而另一個方面，手臂在運動過程中往往會產(chǎn)生振動，這將大大降低它的運動精度。因此，在選擇材料時，需要對質(zhì)量、剛度、阻尼進行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動態(tài)性能。機器人手臂選用的材料與一般結構材料不同。機器人手臂是一種伺服機構，要受到控制，因此要考慮它的可控性。在選擇手臂材料時，可控性應和材料的可加工性、結構性、質(zhì)量等性質(zhì)受到同等重視。常用的機器人手臂材料有結構材料（如鋼，鑄鐵等）、輕型材料（如鎂合金、鋁合金等）、剛性材料和防震材料。本課題采用ZL401，其為鋁鋅合金，其鑄造性好，符合材料的選用要求。（2）截面的確定機器人連桿設計一般要求受到許多條件限制，有些甚至是相互矛盾的。這些限制可分為：為了給電線、信號線、軟管、功率傳送裝置及控制桿等提供通道，機器人連桿內(nèi)部要留有空腔部分；為了減少浪費工作空間，手臂的外形尺寸要受到限制；為了減少慣性力，連桿應盡可能的輕，同時有能承受電機和驅動器產(chǎn)生的最大負載；在連桿質(zhì)量確定后，連桿應具有盡可能高的彎曲和扭轉剛度。通過選擇合理的連桿截面形狀，可較好地滿足上述限制。機器人連桿截面的基本形狀為空心圓截面和空心矩形截面。當質(zhì)量相同時，正方形空心截面不僅比空心圓截面的壁更薄，而且剛度還提高了4060。另外，正方形截面的內(nèi)部空腔面積比圓面積都要大4376。結合上述所提要求和截面對比，本課題中采用空心矩形截面，其具體結構如下圖35所示。 （3）大臂的形狀通過上步對截面形狀的確定，此時只需選擇合適的尺寸，以滿足工作空間的要求和大臂內(nèi)部部件的放置的合理性。設計示意圖如圖36所示。 圖35大臂截面圖36大臂結構剖視圖33 大臂系統(tǒng)設計3.3.1 大臂驅動油缸安裝大臂系統(tǒng)的驅動采用的是油缸轉動，活塞桿直線往復運動，以推動大臂擺動。大臂驅動油缸就需要固連在轉盤上以找到支撐點。由于大臂是做擺動，固連在大臂上的支點走過的路徑就是一條弧線。這就需要大臂驅動油缸鉸接的固定在機座的轉盤上，在機器人工作時隨機器人大臂進行一定角度的旋轉，以保證絲杠與大臂始終保持垂直的關系，否則對油缸就會造成損害。下圖37給出了大臂驅動油缸安裝在機座轉盤上的方法。圖37 大臂驅動油缸安裝做臂于機 設計求和截面對比，本課題中采用空心矩形截面，其具體結果3.3.2 油缸的選擇油缸伸縮運動時，首先要克服摩擦阻力，包括油缸與活塞之間的摩擦阻力及導向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還要克服啟動過程中的慣性力及加油背壓等幾方面的阻力。其理論驅動力可按下式計算： 估計參與手臂伸縮運動部件總重量,且重心位置距導向套前端面距離為200mm。 的計算：由于導向桿對稱分布，導向桿受力均衡，可按一個導向桿計算。由 知，又 則 其中： L重心距導向套前端距離,184.5mm a 導向套長度，300mm 當量摩擦系數(shù)，取=0.15 的計算：當液壓缸的工作壓力小于 ，活塞桿直徑為液壓缸直徑的一半，則活塞和活塞桿都采用O型密封圈，此時液壓缸的密封阻力為： 計算： 一般背壓阻力較小，取0.05 的計算：式中：v由靜止加速到常速的變化量t起動過程時間，一般取0.010.5s，取t=0.02s則：得：=305.5N 實際驅動力式中： k安全系數(shù)，k=2；傳力機構機械效率，=0.8.(1) 確定液壓缸的結構尺寸液壓缸內(nèi)徑的結構尺寸，如圖，當進入無桿腔 當油進入有桿腔液壓缸的有效面積：因此，取D=63mm式中：F驅動力 液壓缸的工作壓力 d活塞桿直徑 D液壓缸內(nèi)徑 液壓缸機械效率，在工程機械中用耐油橡膠可取0.95 。(2) 液壓缸臂厚計算此缸工作壓力為，屬低壓，則缸筒臂厚采用薄壁計算公式式中：液壓缸內(nèi)工作壓力 d強度系數(shù)，無縫鋼管=1 C計入管壁公差及侵蝕的附加厚度，一般圓整到標準臂厚值 D液壓缸內(nèi)徑(3) 聯(lián)接螺釘強度計算取螺釘數(shù)目Z=4，工作載荷：預緊力則，查手冊取螺紋直徑，p=0.75,材料為35號鋼的內(nèi)六角螺釘。4 液壓系統(tǒng)的設計(二) 液壓系統(tǒng)簡介 機械手的液壓傳動是以有壓力的油液作為傳遞動力的工作介質(zhì)。電動機帶動油泵輸出壓力油，是將電動機供給的機械能轉換成油液的壓力能。壓力油經(jīng)過管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置等進入油缸，推動活塞桿運動，從而使手臂作伸縮、升降等運動，將油液的壓力能又轉換成機械能。手臂在運動時所能克服的摩擦阻力大小，以及夾持式手部夾緊工件時所需保持的握力大小，均與油液的壓力和活塞的有效工作面積有關。手臂做各種運動的速度決定于流入密封油缸中油液容積的多少。這種借助于運動著的壓力油的容積變化來傳遞動力的液壓傳動稱為容積式液壓傳動，機械手的液壓傳動系統(tǒng)都屬于容積式液壓傳動。 （二）液壓系統(tǒng)的組成 液壓傳動系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成： 油泵 它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動機輸出的機械能轉換為油液的壓力能，用這壓力油驅動整個液壓系統(tǒng)工作。 液動機 壓力油驅動運動部件對外工作部分。手臂做直線運動，液動機就是手臂伸縮油缸。也有回轉運動的液動機一般叫作油馬達，回轉角小于360的液動機，一般叫作回轉油缸（或稱擺動油缸）。 控制調(diào)節(jié)裝置 各種閥類，如單向閥、溢流閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、減壓閥、順序閥等，各起一定作用，使機械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所要求的運動。 (三)機械手液壓系統(tǒng)的控制回路 機械手的液壓系統(tǒng)，根據(jù)機械手自由度的多少，液壓系統(tǒng)可繁可簡，但是總不外乎由一些基本控制回路組成。這些基本控制回路具有各種功能，如工作壓力的調(diào)整、油泵的卸荷、運動的換向、工作速度的調(diào)節(jié)以及同步運動等。1 壓力控制回路 調(diào)壓回路 在采用定量泵的液壓系統(tǒng)中，為控制系統(tǒng)的最大工作壓力，一般都在油泵的出口附近設置溢流閥，用它來調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，并將多余的油液溢流回油箱。 卸荷回路 在機械手各油缸不工作時，油泵電機又不停止工作的情況下，為減少油泵的功率損耗，節(jié)省動力，降低系統(tǒng)的發(fā)熱，使油泵在低負荷下工作，所以采用卸荷回路。此機械手采用二位二通電磁閥控制溢流閥遙控口卸荷回路。 減壓回路 為了是機械手的液壓系統(tǒng)局部壓力降低或穩(wěn)定，在要求減壓的支路前串聯(lián)一個減壓閥，以獲得比系統(tǒng)壓力更低的壓力。 平衡與鎖緊回路 在機械液壓系統(tǒng)中，為防止垂直機構因自重而任意下降，可采用平衡回路將垂直機構的自重給以平衡。 為了使機械手手臂在移動過程中停止在任意位置上，并防止因外力作用而發(fā)生位移，可采用鎖緊回路，即將油缸的回油路關閉，使活塞停止運動并鎖緊。本機械手采用單向順序閥做平衡閥實現(xiàn)任意位置鎖緊的回路。 油泵出口處接單向閥 在油泵出口處接單向閥。其作用有二：第一是保護油泵。液壓系統(tǒng)工作時，油泵向系統(tǒng)供應高壓油液，以驅動油缸運動而做功。當一旦電機停止轉動，油泵不再向外供油，系統(tǒng)中原有的高壓油液具有一定能量，將迫使油泵反方向轉動，結果產(chǎn)生噪音，加速油泵的磨損。在油泵出油口處加設單向閥后，隔斷系統(tǒng)中高壓油液和油泵時間的聯(lián)系，從而起到保護油缸的作用。第二是防止空氣混入系統(tǒng)。在停機時，單向閥把系統(tǒng)能夠和油泵隔斷，防止系統(tǒng)的油液通過油泵流回油箱，避免空氣混入，以保證啟動時的平穩(wěn)性。 2 速度控制回路 液壓機械手各種運動速度的控制，主要是改變進入油缸的流量Q。其控制方法有兩類：一類是采用定量泵，即利用調(diào)節(jié)節(jié)流閥的通流截面來改變進入油缸或油馬達的流量；另一類是采用變量泵，改變油泵的供油量。本機械手采用定量油泵節(jié)流調(diào)速回路。 根據(jù)各油泵的運動速度要求，可分別采用LI型單向節(jié)流閥、LCI型單向節(jié)流閥或QI型單向調(diào)速閥等進行調(diào)節(jié)。 節(jié)流調(diào)速閥的優(yōu)點是：簡單可靠、調(diào)速范圍較大、價格便宜。其缺點是：有壓力和流量損耗，在低速負荷傳動時效率低，發(fā)熱大。 采用節(jié)流閥進行節(jié)流調(diào)速時，負荷的變化會引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其原因是負荷變化會引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其原因是負荷變化會引起節(jié)流閥進出油口的壓差變化，因而使通過節(jié)流閥的流量以至油缸的速度變化。 調(diào)速閥能夠隨負荷的變化而自動調(diào)整和穩(wěn)定所通過的流量，使油缸的運動速度不受負荷變化的影響，對速度的平穩(wěn)性要求高的場合，宜用調(diào)速閥實現(xiàn)節(jié)流調(diào)速。3 方向控制回路 在機械手液壓系統(tǒng)中，為控制各油缸、馬達的運動方向和接通或關閉油路，通常采用二位二通、二位三通、二位四通電磁閥和電液動滑閥，由電控系統(tǒng)發(fā)出電信號，控制電磁鐵操縱閥芯換向，使油缸及油馬達的油路換向，實現(xiàn)直線往復運動和正反向轉動。 目前在液壓系統(tǒng)中使用的電磁閥，按其電源的不同，可分為交流電磁閥（D型）和直流電磁閥（E型）兩種。交流電磁閥的使用電壓一般為220V（也有380V或36V），直流電磁閥的使用電壓一般為24V（或110V）。這里采用交流電磁閥。交流電磁閥起動性能好，換向時間短，接線簡單，價廉，但是如吸不上時容易燒壞，可靠性差，換向時有沖擊，允許換向頻率底，壽命較短。4.1機械手的液壓傳動系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)圖的繪制是設計液壓機械手的主要內(nèi)容之一。液壓系統(tǒng)圖是各種液壓元件為滿足機械手動作要求的有機聯(lián)系圖。它通常由一些典型的壓力控制、流量控制、方向控制回路加上一些專用回路所組成。 繪制液壓系統(tǒng)圖的一般順序是：先確定油缸和油泵，再布置中間的控制調(diào)節(jié)回路和相應元件，以及其他輔助裝置，從而組成整個液壓系統(tǒng)，并用液壓系統(tǒng)圖形符號，畫出液壓原理圖。 圖9 液壓系統(tǒng)圖 液壓系統(tǒng)原理如圖8所示。該系統(tǒng)選用功率N =7.5千瓦的電動機，帶動雙聯(lián)葉片泵YB-35/18 ，其公稱壓力為60*10帕，流量為 35升/分+18升/分=53升/分，系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)為30*10帕，油箱容積選為250升。手臂的升降油缸及伸縮油缸工作時兩個油泵同時供油；手臂及手腕的回轉和手指夾緊用的拉緊油缸以及手臂回轉的定位油缸工作時只有小油泵供油，大泵自動卸荷。 手臂伸縮、手臂升降、手臂回轉、手臂橫向移動和手腕回轉油路采用單向調(diào)速閥（QI-63B、QI-25B、QI-10B）回程節(jié)流，因而速度可調(diào)，工作平穩(wěn)。 手臂升降油缸支路設置有單向順序閥（XI-63B），可以調(diào)整順序閥的彈簧力使之在活塞、活塞桿及其所支承的手臂等自重所引起的油液壓力作用下仍保持斷路。工作時油泵輸出的壓力油進入升降油缸上腔，作用在順序閥的壓力增加使之接通，活塞便向下運動。當活塞要上升時，壓力油液經(jīng)單向閥進入升降油缸下腔而不會被順序閥所阻，這樣采用單向順序閥克服手臂等自重，以防下滑，性能穩(wěn)定可靠。 手指夾緊油缸支路裝有液控單向閥（IY-25B），使手指夾緊工件時不受系統(tǒng)壓力波動的影響，保證保證手指夾持工件牢靠。當反向進油時，油箱通過控制油路將單向閥芯頂開，使回油路接通，油液流回油箱。 在手臂回轉后的定位所用的定位油缸支路要比系統(tǒng)壓力低，為此在定位油缸支路前串有減壓閥（J-10），使定位油缸獲得適應壓力為1518*10帕 ，同時還給電液動滑閥（或稱電液換向閥，34DY-63B）來實現(xiàn)，空載卸荷不致使油溫升高。系統(tǒng)的壓力由溢流閥來調(diào)節(jié)。結 論 經(jīng)過一段時間以來郭鋼老師的指導以及本人和小組成員的共同努力，終于完成了本次畢業(yè)設計的內(nèi)容。本人的設計任務是噴涂機器人大臂系統(tǒng)的設計，由于個人經(jīng)驗和能力有限，尚有許多不足的地方有待完善，懇請老師提出寶貴的意見。在噴涂機器人大臂系統(tǒng)的設計過程中，主要完成了以下任務：1. 通過大量閱讀關于噴涂機器人的資料文獻，對工業(yè)機器人尤其是噴涂機器人的發(fā)展史、意義、用途有了一定的了解。并憑借這些資料，完成了開題報告和外文資料的翻譯任務。2. 在參閱了其他噴涂機器人的設計方案和參觀噴涂機器人的實體模型之后，通過與同組成員的協(xié)商論證，在老師的指導下確定了噴涂機器人的總體方案。、3. 確定了最終方案之后，繪制了總裝配圖、大臂裝配圖以及一定數(shù)量的零件圖，對機械的設計過程有了一定的了解。但是，由于水平有限，加之時間倉促，文中疏忽與不妥之處在所難免，希望老師能夠提出批評并多提指導意見，以便筆者在今后的學習中改進。 致 謝 在本課題的研究和論文的撰寫過程中，導師、舍友、同學、朋友和家人都給予了很多關心、幫助和支持。能夠順利完成本次畢業(yè)設計，我首先要感謝我的畢業(yè)設計指導老師xx教授。Xx老師是一個治學嚴謹、學識淵博的人，為人嚴肅但又不失和藹可親，xx老師給我們小組制定了詳細的任務進度表，每周都抽時間來了解我們的進度，幫我們解決設計過程中遇到的問題。xx老師的敬業(yè)精神和寬厚的人品都讓我受益匪淺，為我們將要邁入社會的學生樹立了一個良好的榜樣，感謝xx老師在幾個月來持續(xù)不斷的諄諄教誨，對我們的進度抓的緊，讓我們從不松懈，從而能夠順利完成畢業(yè)設計，還要感謝xx老師在我遇到困難時的毫無保留的指導，讓我掌握了許多寶貴的實踐知識。本次畢業(yè)設計還有另外兩個隊友和我同組，他們是xx，感謝他們與我的通力合作，一起面對設計過程中的困難和困惑，共同完成了一整套的噴涂機器人設計方案。在此也向評閱我的這份畢業(yè)設計說明書的老師表示衷心的感謝，也希望各位老師能夠不吝指出本人的不足指出，幫助筆者在今后不斷的提高進步。最后，向在本次畢業(yè)設計中為本人提供過幫助的各位老師、同學和朋友們表示由衷的感謝！ 參 考 文 獻1 王薇，趙增強，趙之堅，葛昕機器人在轎車保險杠自動噴涂線上的應用J制造業(yè)自動化，2006，28（6）：77-78.2 張煉涂裝機器人簡介J內(nèi)燃機，1991，(3)：42-44.3 孫明，韓光超，張海鷗機器人等離子噴涂軌跡間距優(yōu)化及實驗研究J北京工商大學學報（自然科學版），2007，25（4）：15-17.4 張永貴. 噴涂機器人若干關鍵技術研究D. 西安：西安理工大學，2008.5 杜亮，張鐵. 四自由度噴涂機器人的運動學分析J.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新， 2007，20(1)：21-23.6 員超,張剛,孫進生等.高層建筑噴涂機器人系統(tǒng)研究J.機器人，2002，24（3）:239-243.7 Vincze.A G，Hausler K，Andersen O M. 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