噴漆機(jī)械手設(shè)計(jì)【噴涂機(jī)械手設(shè)計(jì)】【UG】,噴涂機(jī)械手設(shè)計(jì),UG,噴漆機(jī)械手設(shè)計(jì)【噴涂機(jī)械手設(shè)計(jì)】【UG】,噴漆,機(jī)械手,設(shè)計(jì),噴涂
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 27 頁(yè) 共 27 頁(yè)
1 引言
1．1 噴涂機(jī)器人的研究與應(yīng)用
1.1.1 概述
從1962年美國(guó)研制出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來(lái)，工業(yè)機(jī)器人至今已經(jīng)走過(guò)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(dòng)強(qiáng)度大，技術(shù)水平要求高，并且手工噴涂人員會(huì)因技術(shù)、體力等因素造成產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，因此為了改善勞動(dòng)條件和提高產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)量降低成本，這個(gè)領(lǐng)域中大量地使用了機(jī)器人[1]。
國(guó)外從60年代開(kāi)始研究噴漆機(jī)器人，直到60年代末挪威率先推出針對(duì)噴漆實(shí)際情況而設(shè)計(jì)的專(zhuān)用噴漆機(jī)器人。從此，噴漆機(jī)器人的研制和應(yīng)用發(fā)展十分迅速，噴漆機(jī)器人在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家80年代已達(dá)到普及階段。例如美國(guó)的FUDGE公司和德國(guó)的HATEL公司以及總部設(shè)在瑞士的ABB公司等都生產(chǎn)了各種型號(hào)的噴涂機(jī)器人。它廣泛地應(yīng)用于汽車(chē)、農(nóng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)，工程機(jī)械、機(jī)床、家電等大、中型企業(yè)的實(shí)際噴涂作業(yè)[2]。機(jī)器人噴涂作為工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)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(lèi)，采用工業(yè)機(jī)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(duì)噴涂軌跡和過(guò)程進(jìn)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(jī)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(dòng)變成電傳動(dòng)，第二次變革是從簡(jiǎn)單的動(dòng)作控制到過(guò)程控制，第三次變革是從2000年之后，利用電腦軟件控制機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)為客戶(hù)定制機(jī)器人，比如可以控制機(jī)器人噴漆時(shí)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(lèi)等等[4]。目前，工業(yè)機(jī)器人在噴漆方面的應(yīng)用比例美國(guó)可達(dá)12％，世界平均可達(dá)5.1％[5]。
我國(guó)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(jìn)行施釉，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，特別是對(duì)工人身體有巨大傷害。而我國(guó)的相關(guān)的噴涂機(jī)器人行業(yè)起步較晚，僅有上海交大研制的上海III號(hào)噴涂機(jī)器人，國(guó)家機(jī)械工業(yè)局北京自動(dòng)化所研制的PJ一1噴涂機(jī)器人等幾種相關(guān)產(chǎn)品。
1.1.2 噴涂機(jī)器人的應(yīng)用
西方發(fā)達(dá)國(guó)家90年代以來(lái)汽車(chē)涂裝中的各噴涂工序普遍實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，隨著科技的發(fā)展，近十年機(jī)器人在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)已呈現(xiàn)出廣泛使用的趨勢(shì)。由于使用機(jī)器人噴涂均勻性好，重復(fù)精確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工，因此避免了手工噴涂人員因技術(shù)、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(jī)器人作業(yè)可大大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)由于機(jī)器人在噴涂過(guò)程中流量、扇面、霧化的大小均可隨時(shí)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(jī)器人的離線編程技術(shù)現(xiàn)已比較成熟，其編程技術(shù)已普遍應(yīng)用于機(jī)器人噴涂。而噴涂機(jī)器人智能上也有較大的發(fā)展，歐盟曲面噴涂項(xiàng)目已實(shí)現(xiàn)了對(duì)凸形零件的自動(dòng)噴涂[7]。
在我國(guó)，噴涂機(jī)器人主要運(yùn)用于汽車(chē)制造業(yè)。靜電噴涂、等離子噴涂、冷噴涂等噴涂技術(shù)應(yīng)用于噴涂機(jī)器人上，使其噴涂質(zhì)量有了一定的提高[8,9]。而近些年開(kāi)發(fā)出的柔性仿形自動(dòng)噴涂系統(tǒng)，使噴涂機(jī)器人在汽車(chē)生產(chǎn)中越來(lái)越高效、高自動(dòng)化[10]。
隨著ABB公司開(kāi)發(fā)出了小型IRB52噴涂機(jī)器人,使噴涂機(jī)器人被用于消費(fèi)類(lèi)電產(chǎn)
品（蘋(píng)果公司的IPOD）的噴涂。繼噴涂機(jī)器人用于消費(fèi)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(yīng)用，噴涂機(jī)器人還被用于軍事上，
聞名于全球的F-22飛機(jī)就是運(yùn)用噴涂機(jī)器人對(duì)機(jī)身實(shí)施噴涂的[11]。
噴涂機(jī)器人的離線編程系統(tǒng)在未來(lái)將得到更成熟的發(fā)展和更廣泛的應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用中可能遇到更為復(fù)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(wèn)題以及每一片邊界上的噴槍軌跡優(yōu)化問(wèn)題。面向復(fù)雜曲面的噴涂機(jī)器人噴槍軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dòng)控制水平的不斷提高，機(jī)器人將在未來(lái)得到更加廣泛的應(yīng)用。噴涂機(jī)器人技術(shù)也必然隨之不斷的提高和進(jìn)步，其他各種適合不同需求的涂裝機(jī)器人也將在不久的將來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。
1.1.3 噴涂機(jī)器人實(shí)例
TRALLFA噴涂機(jī)器人
該噴涂機(jī)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(wèn)斷的特點(diǎn)，使得該機(jī)型的設(shè)計(jì)是成功的， 目前這種機(jī)型占世界噴漆機(jī)器人總擁有量的8O%。該機(jī)器人手臂為多關(guān)節(jié)式，采用電液驅(qū)動(dòng)，由電腦控制，是一種示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人。TRALLFA噴涂機(jī)器人手腕部分細(xì)長(zhǎng)，近似于人的手腕，動(dòng)作靈活，操作輕便，可伸到狹窄空間進(jìn)行噴涂，手腕采用萬(wàn)向節(jié)，易于示教，存儲(chǔ)裝置的存儲(chǔ)容量大，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡和點(diǎn)位控制， 編程容易， 動(dòng)作平滑。后來(lái)該公司還推出了TR-4000型噴涂機(jī)器人，其采用了多項(xiàng)新技術(shù)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)配有新的平衡系統(tǒng)；采用可簡(jiǎn)化執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作編程的新型分離活塞油缸；新型控制裝置存儲(chǔ)容量很大，具有很強(qiáng)的編輯功能和自診斷功能。
PJ- 1型噴涂機(jī)器
我國(guó)第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)噴涂機(jī)器人是PJ—1型噴涂機(jī)器人。由北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所研制并生產(chǎn)，是具有微機(jī)控制、示教再現(xiàn)、電液伺服驅(qū)動(dòng)、5個(gè)自由度、關(guān)節(jié)式噴涂機(jī)器人。該機(jī)器人解決了許多機(jī)器人存儲(chǔ)容量小的問(wèn)題，使機(jī)器人示教時(shí)間超過(guò)了當(dāng)時(shí)國(guó)際先進(jìn)水平的TRALLFA—400經(jīng)濟(jì)型噴涂機(jī)器人，實(shí)際應(yīng)用效果也與其相當(dāng)。PJ—1型噴漆機(jī)器人是我國(guó)最成熟、應(yīng)用量最多的機(jī)器人。
紫外線自噴涂裝設(shè)備
2003年日本推出一種紫外線自動(dòng)噴涂設(shè)備，有噴涂槍和噴涂機(jī)器人兩種[13]。它采用低壓噴槍?zhuān)晒?jié)省涂料20%~30%，減少了有機(jī)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(shí)間短，涂層硬度高。
IRB52小型噴涂機(jī)器人
2007年，瑞士ABB公司推出新款機(jī)器人——IRB52[14]。其噴涂解決方案以其獨(dú)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(shí)間，實(shí)現(xiàn)精確快速的工藝控制并簡(jiǎn)化生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的收集，全面提升了應(yīng)用設(shè)備的人性化水平。
1．2 噴涂機(jī)器人的特點(diǎn)和組成
1.2.1 噴涂機(jī)器人的特點(diǎn)
噴涂機(jī)器人是一種機(jī)體獨(dú)立、動(dòng)作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動(dòng)化程度高的自動(dòng)噴涂機(jī)械。噴涂機(jī)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(fù)載輕、精度較低、防爆等特征。
噴涂機(jī)器人可分為專(zhuān)用和通用型。前者操作噴槍運(yùn)動(dòng)的自由度不大于4個(gè)，適合于大批量生產(chǎn)流水作業(yè)，對(duì)形態(tài)變化不大的工件表面進(jìn)行噴涂，動(dòng)作比較簡(jiǎn)單。后者操作噴槍的自由度不少于5個(gè)，它能十分靈活地模仿人的手臂和手腕的動(dòng)作，對(duì)各種復(fù)雜的空間曲面進(jìn)行噴涂。
噴涂機(jī)器人的臂部運(yùn)動(dòng)形式多采用關(guān)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(jī)身之間均有關(guān)節(jié)(鉸鏈)連接，并有人手臂的某些特征。多關(guān)節(jié)式手臂有較強(qiáng)的越障礙物的功能，動(dòng)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(fù)雜，數(shù)學(xué)模擬極為困難，所以通用噴涂機(jī)器人必須配備示教再現(xiàn)編程方式。
1.2.2 噴涂機(jī)器人的組成
噴涂機(jī)器人系統(tǒng)主要由執(zhí)行系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及檢測(cè)機(jī)構(gòu)組成，噴涂及其輔助設(shè)備沒(méi)有什么特殊要求。
圖1—1 ABB公司噴涂機(jī)器人
1．3 噴涂機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)
隨著機(jī)器人生產(chǎn)商為客戶(hù)定制機(jī)器人，噴涂機(jī)器人需在以下幾個(gè)方面進(jìn)一步展，
以滿(mǎn)足越來(lái)越多客戶(hù)的使用需求，使噴涂機(jī)器人的應(yīng)用范圍更為廣泛。
（1）為客戶(hù)提供更加完整的解決方案，設(shè)計(jì)出超越客戶(hù)所提要求的機(jī)器人。
（2）研究和發(fā)展噴涂裝置的小型化，以滿(mǎn)足越來(lái)越多如消費(fèi)類(lèi)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(kāi)發(fā)開(kāi)放式結(jié)構(gòu)機(jī)器人控制器，使用戶(hù)可以方便的擴(kuò)展和改進(jìn)其性能。
（4）實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)器人的模塊化，使其方便安裝和維護(hù)，并且緊湊可靠[16]。
（5）優(yōu)先考慮“系統(tǒng)發(fā)展方式”，實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)器人與外界設(shè)備的互聯(lián)和協(xié)調(diào)工作，
并制定機(jī)器人語(yǔ)言規(guī)范，特別是動(dòng)作級(jí)的編程語(yǔ)言規(guī)范[17]。
（6）大力研究開(kāi)發(fā)對(duì)復(fù)雜自由曲面進(jìn)行無(wú)人干涉的全過(guò)程自動(dòng)噴涂的智能?chē)娡?
系統(tǒng)。
1．4 課題研究意義
隨著國(guó)際制造業(yè)交流的日益廣泛，中國(guó)的制造業(yè)正面臨著與國(guó)際接軌，參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的局面。適應(yīng)快速變化的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求，以高質(zhì)量、低成本、快速反應(yīng)的手段在市場(chǎng)中取得生存和發(fā)展是我國(guó)企業(yè)必須向國(guó)外同行學(xué)習(xí)并提高自身競(jìng)爭(zhēng)力的根本。工業(yè)機(jī)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(jī)器人在制造業(yè)中有很大的市場(chǎng)。噴涂機(jī)器人如今應(yīng)用在很多領(lǐng)域，如噴釉機(jī)器人、噴漆機(jī)器人、噴漿機(jī)器人等。噴涂機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，需求也越來(lái)越大，再加上其經(jīng)濟(jì)性也隨著科技的進(jìn)步而愈發(fā)突出，所以對(duì)噴涂機(jī)器人的研究是相當(dāng)有意義的。
本課題設(shè)計(jì)的是一種經(jīng)濟(jì)型的簡(jiǎn)易噴涂機(jī)器人，能完成大小臂的俯仰，手腕的上下和左右擺動(dòng)，機(jī)身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它可以應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)身噴涂生產(chǎn)線中，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用。
2 總體方案設(shè)計(jì)
2．1 機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型的確定
工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)形式有直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型和平面關(guān)節(jié)型[18]。
（1）直角坐標(biāo)式機(jī)器人
這種機(jī)器人的外形輪廓與數(shù)控鏜銑床或三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)相似。這種形式的主要特點(diǎn)
是：a.結(jié)構(gòu)剛度高，多做成大型龍門(mén)式或框架式機(jī)器人；b.3個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，沒(méi)有耦合，不影響手爪的姿態(tài)，運(yùn)動(dòng)學(xué)求解簡(jiǎn)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(gòu)件的限制；d.占地面積大，動(dòng)作范圍小；e.它的控制方式與數(shù)控機(jī)床類(lèi)似；f.操作靈活性較差。
（2）圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人
SCARA機(jī)器人有3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向。
一個(gè)關(guān)節(jié)是移動(dòng)關(guān)節(jié)，用于完成末端件在垂直于平面的運(yùn)動(dòng)。手腕參考點(diǎn)的位置是
由兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角位移及移動(dòng)關(guān)節(jié)的唯一決定。這類(lèi)機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快，運(yùn)動(dòng)速度比一般關(guān)節(jié)式機(jī)器人快數(shù)倍。它最適用于平面定位，垂直方向進(jìn)行裝配的作業(yè)。
（3）球（極）坐標(biāo)式機(jī)器人
這類(lèi)機(jī)器人占地面積小，工作空間較大，移動(dòng)關(guān)節(jié)不易防護(hù)。
（4）關(guān)節(jié)式機(jī)器人
這類(lèi)機(jī)器人由兩個(gè)肩關(guān)節(jié)和一個(gè)肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由2個(gè)或3個(gè)腕關(guān)節(jié)進(jìn)行定向。這種構(gòu)件動(dòng)作靈活，工作空間大，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，關(guān)節(jié)上相對(duì)運(yùn)動(dòng)部位容易密封防塵，這類(lèi)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)學(xué)反解困難；確定末端件的位姿不直觀，進(jìn)行控制時(shí)，計(jì)算量比較大。
由上面中各種坐標(biāo)形式的比較，初步選用關(guān)節(jié)坐標(biāo)型。課題中要求實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)器人的連續(xù)軌跡控制（CP），查閱現(xiàn)代工業(yè)中實(shí)際使用的機(jī)器人，如挪威生產(chǎn)的TRALLFE噴涂機(jī)器人為關(guān)節(jié)型機(jī)器人，6自由度，采用示教—再現(xiàn)方式，既可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制，也可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，則最終確定噴涂機(jī)器人采用關(guān)節(jié)坐標(biāo)型。
2．2 自由度數(shù)的確定
自由度是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，不應(yīng)包括手抓（末端操作器）的開(kāi)合自由度[19]。在三維空間中描述一個(gè)物體的位置和姿態(tài)（簡(jiǎn)稱(chēng)位姿）需要六個(gè)自由度。但是，工業(yè)機(jī)器人的自由度是根據(jù)其用途而設(shè)計(jì)的，可能小于六個(gè)自由度，也可能大于六個(gè)自由度。本課題設(shè)計(jì)要求機(jī)身左右旋轉(zhuǎn)110°，大臂前仰30°，后仰10°，小臂俯仰±30°，腕部左右擺動(dòng)±110°，上下擺動(dòng)±110°，因此可知噴涂機(jī)器人的自由度為五個(gè)。五個(gè)自由度中，機(jī)身的左右旋轉(zhuǎn)、大臂的前后俯仰和小臂的前后俯仰三個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)器人的位置移動(dòng)，腕部的左右擺動(dòng)和上下擺動(dòng)兩個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)器人的姿態(tài)變化。
2．3 驅(qū)動(dòng)方式的確定
驅(qū)動(dòng)裝置是使機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)行起來(lái)的傳動(dòng)裝置。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方法一般有三種：液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)[20]。
液壓驅(qū)動(dòng)以高壓油為工作介質(zhì)。液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的抓取能力可達(dá)上百公斤，液壓力可達(dá)7MPa，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)且動(dòng)作靈敏，但對(duì)密封的要求較高，且不宜在高溫或低溫的場(chǎng)合工作，要求的制造精度較高，成本較高。
氣壓傳動(dòng)時(shí)最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)方法，原理與液壓相似。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作迅速，價(jià)格低廉。由于空氣具有可壓縮性，因此這種機(jī)器人的工作速度慢，穩(wěn)定性差；其氣壓一般為0.7MPa，故此類(lèi)機(jī)器人適宜抓取力要求較小的場(chǎng)合。
液壓是目前在工業(yè)機(jī)器人中用得最多的一種。電液壓驅(qū)動(dòng)是利用各種液壓元器件產(chǎn)生的力或力矩，直接或經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，以獲得所需的位置、速度、加速度。電液壓驅(qū)動(dòng)具有無(wú)環(huán)境污染，易于控制，運(yùn)動(dòng)精度高，成本低，驅(qū)動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。
機(jī)器人的控制一般可分為開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制。查閱噴涂機(jī)器人實(shí)例，可知噴涂機(jī)器人多采用開(kāi)環(huán)控制。液壓傳動(dòng)一般用在開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)中，這種系統(tǒng)沒(méi)有位置反饋裝置，控制精度相對(duì)較低。
2．4 傳動(dòng)方式的確定
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用來(lái)把驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)傳遞到關(guān)節(jié)和動(dòng)作部位。機(jī)器人中常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有齒輪傳動(dòng)、螺旋傳動(dòng)、帶傳動(dòng)及鏈傳動(dòng)、流體傳動(dòng)和連桿機(jī)構(gòu)與凸輪傳動(dòng)。下表2—1列出了一些常用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能對(duì)比表。
表2—1常用傳動(dòng)性能對(duì)比表
序號(hào)
類(lèi)別
特點(diǎn)
軸間距
應(yīng)用場(chǎng)合
⑴
齒輪傳動(dòng)
響應(yīng)快，扭矩大，剛性好，可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)方向的改變和復(fù)合傳動(dòng)
不大
腰、腕關(guān)節(jié)
⑵
諧波傳動(dòng)
大速比，同軸線，響應(yīng)快，體積小，重量輕，轉(zhuǎn)矩大
零
所有關(guān)節(jié)
⑶
擺線針輪行星
傳動(dòng)（RV）
大比速，同軸線，響應(yīng)快，剛性好，體積小，重量輕，回差小，轉(zhuǎn)矩大
零
前三關(guān)節(jié)，特別是腕關(guān)節(jié)
⑷
渦輪傳動(dòng)
大比速，交錯(cuò)軸，體積小，回差小，響應(yīng)快，剛性好，轉(zhuǎn)矩大，效率低，發(fā)熱大
交錯(cuò)
不大
腕關(guān)節(jié)
手抓機(jī)構(gòu)
⑸
鏈傳動(dòng)
速比小，扭矩大，剛性與張緊裝置有關(guān)
大
腕關(guān)節(jié)
⑹
齒形帶傳動(dòng)
速比小，轉(zhuǎn)矩小，剛性差，無(wú)間隙
大
各關(guān)節(jié)的一級(jí)傳動(dòng)
續(xù)表2—2
⑺
鋼帶傳動(dòng)
速比小，轉(zhuǎn)矩小，剛性與張緊裝置有關(guān)，無(wú)間隙
大
腕關(guān)節(jié)
⑻
鋼繩傳動(dòng)
速比小，無(wú)間隙
特大
腕關(guān)節(jié)，
手抓機(jī)構(gòu)
⑼
連桿及搖塊傳動(dòng)
回差小，剛性好，扭矩中等，可保持特定位移，速比不均
大
腕關(guān)節(jié)，臂關(guān)節(jié)
⑽
滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)
效率高，精度好，剛性好，無(wú)回差，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方式改變，速比大
零
直動(dòng)關(guān)節(jié)，
手抓機(jī)構(gòu)
⑾
齒輪齒條傳動(dòng)
效率高，精度好，剛性好，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方式改變
交錯(cuò)
直動(dòng)關(guān)節(jié)，手抓機(jī)構(gòu)
工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有以下幾項(xiàng)基本要求[21]：
（1）結(jié)構(gòu)緊湊，即具有相同的傳動(dòng)功率和傳動(dòng)比時(shí)體積最小，重量最輕。
（2）傳動(dòng)剛度大，即由驅(qū)動(dòng)器的出軸到桿件的轉(zhuǎn)軸在相同的扭矩時(shí)角度變形要小，這樣可以提高整機(jī)的固有頻率，并大大減輕整機(jī)的低頻振動(dòng)。
（3）回差要小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時(shí)空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度。
（4）壽命長(zhǎng)、價(jià)格低。
2.4.1 機(jī)身傳動(dòng)方式的確定
由本課題中的設(shè)計(jì)要求可知，機(jī)器人的大臂連接在機(jī)座上，機(jī)座的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)整個(gè)大小臂一起旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)器人位置的變化，轉(zhuǎn)矩相比而言較大。
比較表2—2中的各種傳動(dòng)方式的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際要求初步選擇齒輪傳動(dòng)和諧波傳動(dòng)。查閱機(jī)器人中的常用的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可知行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)器人上用得較多的。在本課題中采用漸開(kāi)線圓柱直齒輪傳動(dòng)。這種傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：①消除了軸向力，降低了對(duì)軸承和箱體的要求；②徑向力與傳動(dòng)負(fù)載的大小成正比，對(duì)于壓力角為20°的標(biāo)準(zhǔn)齒輪，徑向力大約是傳動(dòng)的0.35倍；③傳動(dòng)的速度和功率范圍很大；④傳動(dòng)效率高，高精度齒輪傳動(dòng)效率可達(dá)99﹪；⑤瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定，工作平穩(wěn)性較高；⑥結(jié)構(gòu)緊湊。但其傳動(dòng)有噪音、沖擊和振動(dòng)，且需要調(diào)隙[22]。
為了降低傳動(dòng)過(guò)程中的噪音和振動(dòng)，可以提高傳動(dòng)齒輪的制造精度，這樣可明顯降低傳動(dòng)過(guò)程中的噪音和振動(dòng)，提高抗沖擊的能力，而且傳動(dòng)間隙可減小，提高傳動(dòng)的平穩(wěn)性。
2.4.2 大小臂傳動(dòng)方式的確定
本課題設(shè)計(jì)中要求噴涂機(jī)器人的大臂繞大臂與機(jī)座的轉(zhuǎn)動(dòng)中心前仰30°，后仰10°，小臂俯仰±30°。
液壓傳動(dòng)有以下特點(diǎn)[22]：
①傳動(dòng)效率高達(dá)0.9～0.98，可節(jié)省動(dòng)力1/2～3/4，有利于主機(jī)的小型化及減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。
②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(jī)的動(dòng)態(tài)特性和提高工作精度。
③工作壽命長(zhǎng)。
④傳動(dòng)無(wú)間隙，無(wú)爬行，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，傳動(dòng)精度高。
⑤具有很好的高速性能。
⑥具有傳動(dòng)的可逆性，既可把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，也可把直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且逆?zhèn)鲃?dòng)效率與正傳動(dòng)效率相近。
⑦已經(jīng)實(shí)現(xiàn)系列尺寸標(biāo)準(zhǔn)化，提供了多用途的廉價(jià)產(chǎn)品，應(yīng)用于精度要求不是很高的場(chǎng)合，節(jié)能并延長(zhǎng)壽命。
2.4.3 腕部傳動(dòng)方式的確定
腕部是機(jī)器人的小臂與末端執(zhí)行器（手部或稱(chēng)手抓）之間的連接部件，其作用是利用自身的活動(dòng)度確定手部的空間姿態(tài)。手腕的驅(qū)動(dòng)方式一般有遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)兩種。直接驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)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(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)，其電機(jī)安裝在機(jī)器人的大臂、機(jī)座或小臂遠(yuǎn)端上，通過(guò)連桿、鏈條或其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間接驅(qū)動(dòng)腕部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，因而手腕的結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸和質(zhì)量小，對(duì)改善機(jī)器人的整體動(dòng)態(tài)性能有好處。
本課題中噴涂機(jī)器人的腕部上下擺動(dòng)并左右擺動(dòng)，是二自由度手腕。
查閱資料，發(fā)現(xiàn)一小型電動(dòng)噴涂機(jī)器人EP—500S。其為關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，有5個(gè)自由度，操作機(jī)腕部布置兩個(gè)相互垂直的伺服軸，能方便地產(chǎn)生噴槍的姿態(tài)變化動(dòng)作。小臂和減速機(jī)之間用鏈條、鏈輪傳動(dòng)。這種機(jī)構(gòu)既把大、小臂之間的運(yùn)動(dòng)分開(kāi)，互不影響，又可實(shí)現(xiàn)小臂平衡機(jī)構(gòu)的力矩傳遞。該機(jī)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)簡(jiǎn)單。
2．5 平衡方式的確定
機(jī)身和臂部的運(yùn)動(dòng)較多，質(zhì)量較大，如果運(yùn)動(dòng)速度和負(fù)載又較大，當(dāng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化時(shí)，將產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)。這將不僅影響機(jī)器人的精確定位，甚至?xí)蛊洳荒苷＿\(yùn)轉(zhuǎn)。為了提高工作平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取有效地緩沖裝置吸收能量。
臂桿作為主要的運(yùn)動(dòng)部件需要重點(diǎn)考慮。為了減少驅(qū)動(dòng)力矩和增加運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，大、小臂桿一般都需要進(jìn)行動(dòng)力平衡。臂桿平衡技術(shù)對(duì)提高操作機(jī)的整體性能和動(dòng)態(tài)特性十分重要，也是簡(jiǎn)化編程和控制的重要措施。常見(jiàn)操作機(jī)臂桿的平衡技術(shù)有四種，即質(zhì)量平衡法、彈簧平衡法、氣動(dòng)或液壓平衡法和采用平衡電機(jī)。
彈簧平衡一般可以使用長(zhǎng)彈簧。分析表明，在關(guān)節(jié)模型中，只要采用合適剛度和長(zhǎng)度的彈簧平衡系統(tǒng)，可以全部平衡關(guān)節(jié)模型重力項(xiàng)。本課題采用彈簧平衡，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)適當(dāng)改變彈簧的長(zhǎng)度和剛度的修正即可達(dá)到所需的平衡要求。
2．6 噴涂機(jī)器人總體裝配示意圖
總結(jié)以上各種方案的選擇，確定噴涂機(jī)器人的總體裝配示意圖如下圖所示：
圖2—3噴涂機(jī)器人總體裝配示意圖
3 噴涂機(jī)器人大臂設(shè)計(jì)
3．1 大臂和小臂長(zhǎng)的設(shè)計(jì)
圖3—1是關(guān)節(jié)型機(jī)器人工作空間的示意圖。
圖3—1 機(jī)器人工作空間的示意圖
圖中， 、分別為大臂和小臂的長(zhǎng)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(zhǎng)×寬×高=2600×1200×900mm3 ,結(jié)合示意圖可以得到以下關(guān)系式：
(3.1)
(3.2)
(3.3)
由于，，，，將數(shù)據(jù)代入上述關(guān)系式可求解得到：
=1004.5㎜
=1186.4㎜
根具所得值圓整：
=1100㎜
=1200㎜
3．2 大臂臂身的設(shè)計(jì)
3.2.1 大小臂連接處的設(shè)計(jì)
考慮到小臂系統(tǒng)、腕部是由液壓缸傳動(dòng)，帶動(dòng)手腕部分上下擺動(dòng)和左右擺動(dòng)，應(yīng)選用遠(yuǎn)距離間接傳動(dòng)方式。
3.2.2 小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝位置
小臂驅(qū)動(dòng)方式采用的是液壓驅(qū)動(dòng)，因此，小臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要安裝在大臂臂身上進(jìn)行固定?？紤]到系統(tǒng)配重問(wèn)題，在系統(tǒng)工作過(guò)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(jié)構(gòu)如圖3—3所示。
圖3—3 小臂驅(qū)動(dòng)
3.2.3 腕部驅(qū)動(dòng)
一般機(jī)器人腕部驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在機(jī)器人的小臂或大臂上，這種安裝方法會(huì)增加機(jī)器人臂部的重量，降低機(jī)器人臂部運(yùn)行的靈活性?？紤]到減輕機(jī)器人臂部重量的因素，采取腕部應(yīng)用液壓驅(qū)動(dòng)，通過(guò)銷(xiāo)軸與小臂相連，實(shí)現(xiàn)腕部的上下擺動(dòng)和左右擺動(dòng)。。其腕部安裝如圖3—4所示。
圖3—4腕部驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝關(guān)節(jié)
3.2.4 大臂殼體結(jié)構(gòu)
（1）材料的選擇
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人手臂要求完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件，它應(yīng)是輕型材料。而另一個(gè)方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這將大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。因此，在選擇材料時(shí)，需要對(duì)質(zhì)量、剛度、阻尼進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動(dòng)態(tài)性能。
機(jī)器人手臂選用的材料與一般結(jié)構(gòu)材料不同。機(jī)器人手臂是一種伺服機(jī)構(gòu)，要受到控制，因此要考慮它的可控性。在選擇手臂材料時(shí)，可控性應(yīng)和材料的可加工性、結(jié)構(gòu)性、質(zhì)量等性質(zhì)受到同等重視。
常用的機(jī)器人手臂材料有結(jié)構(gòu)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(jī)器人連桿設(shè)計(jì)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：
①為了給電線、信號(hào)線、軟管、功率傳送裝置及控制桿等提供通道，機(jī)器人連桿內(nèi)部要留有空腔部分；
②為了減少浪費(fèi)工作空間，手臂的外形尺寸要受到限制；
③為了減少慣性力，連桿應(yīng)盡可能的輕，同時(shí)有能承受電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的最大負(fù)載；
④在連桿質(zhì)量確定后，連桿應(yīng)具有盡可能高的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度。
通過(guò)選擇合理的連桿截面形狀，可較好地滿(mǎn)足上述限制。機(jī)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(dāng)質(zhì)量相同時(shí)，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40﹪～60﹪。另外，正方形截面的內(nèi)部空腔面積比圓面積都要大43﹪～76﹪。
結(jié)合上述所提要求和截面對(duì)比，本課題中采用空心矩形截面，其具體結(jié)構(gòu)如下圖
3—5所示。
（3）大臂的形狀
通過(guò)上步對(duì)截面形狀的確定，此時(shí)只需選擇合適的尺寸，以滿(mǎn)足工作空間的要求和大臂內(nèi)部部件的放置的合理性。設(shè)計(jì)示意圖如圖3—6所示。
圖3—5大臂截面
圖3—6大臂結(jié)構(gòu)剖視圖
3．3 大臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.3.1 大臂驅(qū)動(dòng)油缸安裝
大臂系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)采用的是油缸轉(zhuǎn)動(dòng)，活塞桿直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以推動(dòng)大臂擺動(dòng)。大臂驅(qū)動(dòng)油缸就需要固連在轉(zhuǎn)盤(pán)上以找到支撐點(diǎn)。由于大臂是做擺動(dòng)，固連在大臂上的支點(diǎn)走過(guò)的路徑就是一條弧線。這就需要大臂驅(qū)動(dòng)油缸鉸接的固定在機(jī)座的轉(zhuǎn)盤(pán)上，在機(jī)器人工作時(shí)隨機(jī)器人大臂進(jìn)行一定角度的旋轉(zhuǎn)，以保證絲杠與大臂始終保持垂直的關(guān)系，否則對(duì)油缸就會(huì)造成損害。下圖3—7給出了大臂驅(qū)動(dòng)油缸安裝在機(jī)座轉(zhuǎn)盤(pán)上的方法。
圖3—7 大臂驅(qū)動(dòng)油缸安裝做臂于機(jī) 設(shè)計(jì)求和截面對(duì)比，本課題中采用空心矩形截面，其具體結(jié)果