噴漆機(jī)器人設(shè)計(jì)-機(jī)身系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文)
作 者:
3號(hào)楷體
學(xué) 號(hào)：
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學(xué)院(系):
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專 業(yè):
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題 目:
噴漆機(jī)器人設(shè)計(jì)-機(jī)身系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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指導(dǎo)者：
(姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))
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評(píng)閱者：
(姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))
2014 年 6 月
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）中文摘要
機(jī)器人是一種機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合的高技術(shù)產(chǎn)品。采用機(jī)器人是提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，改善勞動(dòng)條件，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的一種有效手段。它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件或握持工具進(jìn)行操作的自動(dòng)化技術(shù)裝備。機(jī)器人可以代替人手的繁重勞動(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動(dòng)化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運(yùn)和長(zhǎng)期、頻繁、單調(diào)的操作，采用機(jī)器人是有效的；此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其它有毒、污染環(huán)境條件下進(jìn)行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。
本課題的主要內(nèi)容是采用機(jī)器人代替人來(lái)進(jìn)行噴漆作業(yè)，機(jī)器人可以代替很多重復(fù)性的體力勞動(dòng)，從而減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。結(jié)合設(shè)計(jì)的各方面的知識(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中學(xué)會(huì)怎樣發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。解決問(wèn)題.研究問(wèn)題。并且在設(shè)計(jì)中融入自己的想法和構(gòu)思，提高自己的創(chuàng)新能力。盡力使機(jī)器人使用方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
關(guān)鍵詞： 機(jī)器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；步進(jìn)電機(jī)；回轉(zhuǎn)
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）外文摘要
Title ： The design of the painting robot design
Abstract
A robot is a mechanical technology and electronic technology, the combination of high technology products. The robot is to improve product quality and labor productivity, and achieve the production process automation, improve working conditions, reduce the labor intensity of an effective means of. It is a copy of the upper part of the human body functions, in accordance with a predetermined transfer request or the workpiece hold the tools to operate the automation technology and equipment. Industrial production often appears in the heavy work, frequent handling and long-term, monotonous operation, the robot is effective; The main content of this paper is the use of robots to paint, robots can take the place of a lot of repetitive manual work, thereby reducing the labor intensity of workers, improve the production efficiency. Combined with the design of the various aspects of knowledge, in the design process to learn how to find problems. To solve the problem of problem. And in the design into their thoughts and ideas, enhance own innovation ability. Try to make the robot has the advantages of convenient use, simple structure.
Keywords ： Robot； Structure design； Stepper motor； Rotary
目 錄
1 緒 論 1
1.1機(jī)器人的特點(diǎn) 1
1.2機(jī)器人的組成 2
1.2.1執(zhí)行機(jī)構(gòu) 2
1.2.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 2
1.2.3控制機(jī)構(gòu) 2
1.4 本文研究主要內(nèi)容 3
2 機(jī)器人機(jī)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì) 4
2.1噴漆機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)確定 4
2.1.1自由度 4
2.1.2坐標(biāo)形式的選擇 4
2.1.3規(guī)格參數(shù) 6
2.1.4有效負(fù)載 6
2.1.5運(yùn)動(dòng)特性 6
2.1.6 工作范圍（工作半徑） 7
2.2 噴漆機(jī)器人材料的選擇 7
2.3機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式 8
2.4噴漆機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)元件 8
2.5 機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì) 9
3 噴漆機(jī)器人機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11
3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 11
3.2 計(jì)算傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比 13
3.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 13
3.3.1 計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率 13
3.3.2 確定三根軸的具體尺寸 14
3.4 確定齒輪的參數(shù) 18
3.4.1選擇材料 18
3.4.2 壓力角的選擇 18
3.4.3 齒數(shù)和模數(shù)的選擇 18
3.4.4齒寬系數(shù) 18
3.4.5 確定齒輪傳動(dòng)的精度 19
3.4.6 齒輪的校核 20
3.5 殼體設(shè)計(jì) 23
3.6小結(jié) 23
總 結(jié) 24
致 謝 25
參考文獻(xiàn) 26
1 緒 論
隨著人類科技的進(jìn)步，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)器人學(xué)成為近幾十年來(lái)迅速發(fā)展的一門(mén)綜合學(xué)科。它體現(xiàn)了光機(jī)電一體化技術(shù)的最新成就，機(jī)器人作為其中的佼佼者更是發(fā)揮了不可磨滅的作用。在人類社會(huì)中，凡是有機(jī)械活動(dòng)的地方，都能看到機(jī)器人的身影。機(jī)器人產(chǎn)品的應(yīng)用已經(jīng)由核工業(yè)和軍事科技等高端科學(xué)領(lǐng)域向醫(yī)療、農(nóng)業(yè)甚至是服務(wù)娛樂(lè)等民用領(lǐng)域發(fā)展了，并且各式各樣的機(jī)器人正在涌現(xiàn)出來(lái)，以驚人的速度延伸到人類活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。機(jī)器人是由于人類期望生產(chǎn)水平的提高，為了提升生產(chǎn)效率而出現(xiàn)的。然而由于機(jī)器人善于完成重復(fù)的，單調(diào)的，精確度要求高的工作，能取代人在惡劣的環(huán)境中完成人類不能或者不愿完成的工作，因此，機(jī)器人的出現(xiàn)又大大解放了人類的生產(chǎn)力。所以說(shuō)機(jī)器人的發(fā)展是社會(huì)發(fā)展的結(jié)果，也是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)?，F(xiàn)在，很多發(fā)達(dá)國(guó)家都追逐著機(jī)器人這一發(fā)展趨勢(shì)，積極地進(jìn)行著機(jī)器人的各種開(kāi)發(fā)和研制的工作，并且其中一些國(guó)家已經(jīng)取代了不錯(cuò)的成果，研制出了許多新型且實(shí)用的機(jī)器人或者是機(jī)器人。例如：日本的跳舞機(jī)器人、犬型機(jī)器人愛(ài)寶(AIBO)；英國(guó)研制的履帶式“手推車(chē)”及“超級(jí)手推車(chē)”排爆機(jī)器人；美國(guó)iRobot公司推出了能避開(kāi)障礙，自動(dòng)設(shè)計(jì)行進(jìn)路線吸塵器機(jī)器人Roomba；上海世博會(huì)使用過(guò)的福娃機(jī)器人等等。
由于機(jī)器人的迅猛發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入學(xué)校教學(xué)是必然的。三自由度機(jī)器人作為是機(jī)器人的典型產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)及應(yīng)用對(duì)機(jī)電一體化、機(jī)械結(jié)構(gòu)工藝、機(jī)械制造、自動(dòng)化、電子信息等專業(yè)的教學(xué)及研究都有著很重要的意義。
1.1機(jī)器人的特點(diǎn)
1機(jī)器人能進(jìn)行自動(dòng)化生產(chǎn)，降低成本。就本次設(shè)計(jì)的噴漆機(jī)器人而言，它能不間斷的搬運(yùn)零件和各種材料的輸送。這樣既提高了生產(chǎn)率又降低了生產(chǎn)成本。
2機(jī)器人能使產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定，減少人工污染。人工生產(chǎn)會(huì)使產(chǎn)品質(zhì)量受工人狀態(tài)起伏而影響。對(duì)于某些高精度產(chǎn)品，人工送取會(huì)產(chǎn)生人工污染。
3機(jī)器人能改善勞動(dòng)條件，避免各種工傷。在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場(chǎng)合中，人工操作會(huì)有危險(xiǎn)，機(jī)器人能代替人工作，改善了人們的勞動(dòng)條件。
4機(jī)器人能持久、耐勞，可以把人從繁重的勞動(dòng)中解放出來(lái)，人在連續(xù)工作幾個(gè)小時(shí)后，總會(huì)感到疲勞或厭倦，以機(jī)器人代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
5機(jī)器人的靈活性、通用性強(qiáng)。它能通過(guò)更換部件來(lái)適應(yīng)不同產(chǎn)品的生產(chǎn)。并通過(guò)改變程序和自由度來(lái)達(dá)到迅速改變作業(yè)的可能性。這樣機(jī)器人能滿足各種各樣的零件生產(chǎn)，在生產(chǎn)中發(fā)揮重大作用。
1.2機(jī)器人的組成
工業(yè)機(jī)器人是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。
1.2.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)
一般機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、緩沖與定位，還有行走機(jī)構(gòu)組成。
1.2.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等形式。不過(guò)目前還是以液壓和氣動(dòng)用的最多。
液壓驅(qū)動(dòng)具有體積小、出力大、控制性能好、動(dòng)作平穩(wěn)等特點(diǎn)，它利用油缸、馬達(dá)加上齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；利用擺動(dòng)油缸、馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)具有潤(rùn)滑性能好、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好。定位精度高，克實(shí)現(xiàn)任意位置開(kāi)停。有很多專業(yè)機(jī)器人能直接利用主機(jī)的液壓系統(tǒng)。但缺點(diǎn)是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。
氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、氣源方便，所需的壓縮氣源一般工廠都有，并且無(wú)污染，一般采用的壓力0.4-0.6MPa，最高可達(dá)1MPa。缺點(diǎn)是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤(rùn)滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。
電動(dòng)由于減速和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜, 很少采用。機(jī)械式用于簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。
1.2.3控制機(jī)構(gòu)
機(jī)器人的控制方式有點(diǎn)動(dòng)和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)是用插銷(xiāo)板進(jìn)行點(diǎn)位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，采用凸輪、磁盤(pán)磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。
1.3噴漆機(jī)器人
噴漆機(jī)器人又叫噴涂機(jī)器人（spray painting robot）， 是可進(jìn)行自動(dòng)噴漆或噴涂其他涂料的工業(yè)機(jī)器人，1969年由挪威Trallfa公司（后并入ABB集 團(tuán)）發(fā)明。噴漆機(jī)器人主要由機(jī)器人本體、計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成，液壓驅(qū)動(dòng)的噴漆機(jī)器人還包括液壓油源，如油泵、油箱和電機(jī)等。多采用5或6自由度關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運(yùn)動(dòng)空間，并可做復(fù)雜的軌跡運(yùn)動(dòng)，其腕部一般有2～3個(gè)自由度，可靈活運(yùn)動(dòng)。較先進(jìn)的噴漆機(jī)器人腕部采用柔性手腕，既可向各個(gè)方向彎曲，又可轉(zhuǎn)動(dòng)，其動(dòng)作類似人的手腕，能方便地通過(guò)較小的孔伸入工件內(nèi)部，噴涂其內(nèi)表面。噴漆機(jī)器人一般采用液壓驅(qū)動(dòng)，具有動(dòng)作速度快、防爆性能好等特點(diǎn)，可通過(guò)手把手示教或點(diǎn)位示數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)示教。噴漆機(jī)器人廣泛用于汽車(chē)、儀表、電器、搪瓷等工藝生產(chǎn)部門(mén) 。
噴漆機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)：（1）柔性大，工作范圍大。（2）提高噴涂質(zhì)量和材料使用率。（3）易于操作和維護(hù)，可離線編程，大大的縮短現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間。（4）設(shè)備利用率高，噴漆機(jī)器人的利用率可達(dá)90%-95%。
1.4 本文研究主要內(nèi)容
通過(guò)利用網(wǎng)絡(luò)工具、圖書(shū)館的書(shū)籍和各類期刊、雜志查閱了解噴漆機(jī)器人的相關(guān)知識(shí)，確定本設(shè)計(jì)符合要求，滿足需要。具體設(shè)計(jì)方法如下：
1、查閱資料、結(jié)合所學(xué)專業(yè)課程，產(chǎn)生噴漆機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本思路；
2、查閱各類機(jī)械機(jī)構(gòu)手冊(cè)，確定合理的噴漆機(jī)器人結(jié)構(gòu)；
3、根據(jù)給定技術(shù)參數(shù)來(lái)選擇合適的手部、腕部、臂部等部位；
4、重點(diǎn)對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究；
5、通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外情況，確定本設(shè)計(jì)課題的重點(diǎn)設(shè)計(jì)；
6、完成2D裝配圖的設(shè)計(jì)和繪制，并由此繪制零件圖；
7、編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；
8、檢查并完善本設(shè)計(jì)課題。
本設(shè)計(jì)采用的方法是理論設(shè)計(jì)與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)相結(jié)合的方案，所運(yùn)用的資料來(lái)源廣泛，內(nèi)容充足。
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2 機(jī)器人機(jī)構(gòu)總體方案設(shè)計(jì)
本文的重要任務(wù)是完成噴漆機(jī)器人的設(shè)計(jì)，本章內(nèi)容是圍繞噴漆機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)來(lái)展開(kāi)，介紹噴漆機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。
2.1噴漆機(jī)器人的基本技術(shù)參數(shù)確定
表示機(jī)器人特性的基本技術(shù)參數(shù)主要有自由度、坐標(biāo)形式的選擇。
2.1.1自由度
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，但是一般不包括手部（末端操作器）的開(kāi)合自由度。自由度表示了機(jī)器人靈活的尺度，在三維空間中描述一個(gè)物體的位置和姿態(tài)需要六個(gè)自由度。
噴漆機(jī)器人的自由度越多，越接近人手的動(dòng)作機(jī)能，其通用性就越好，但是結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜，自由度的增加也意味著噴漆機(jī)器人整體重量的增加。輕型化與靈活性和抓取能力是一對(duì)矛盾，此外還要考慮到由此帶來(lái)的整體結(jié)構(gòu)剛性的降低，在靈活性和輕量化之間必須做出選擇。工業(yè)機(jī)器人基于對(duì)定位精度和重復(fù)定位精度以及結(jié)構(gòu)剛性的考慮，往往體積龐大，負(fù)荷能力與其自重相比往往非常小。一般通用噴漆機(jī)器人有5～6個(gè)自由度即可滿足使用要求（其中臂部有3個(gè)自由度，腕部和行走裝置有2～3個(gè)自由度），專用噴漆機(jī)器人有1～2個(gè)自由度即可滿足使用要求。
2.1.2坐標(biāo)形式的選擇
噴漆機(jī)器人的坐標(biāo)形式主要可分為：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型另外還有比較復(fù)雜的SCARA型和并聯(lián)型
。
1直角坐標(biāo)型噴漆機(jī)器人：這類噴漆機(jī)器人就是如圖2-1(a)得直移型，其手部空間位置的改變通過(guò)沿三個(gè)互相垂直軸線的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該形式噴漆機(jī)器人具有位置精度高，控制無(wú)耦合、簡(jiǎn)單，壁障性好等特點(diǎn)。但結(jié)構(gòu)較龐大，動(dòng)作范圍小，靈活性差，且移動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積大，而且需架空線路。
2圓柱坐標(biāo)型噴漆機(jī)器人：這種噴漆機(jī)器人如圖2-1（b）的回轉(zhuǎn)型噴漆機(jī)器人，通過(guò)兩個(gè)移動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手部空間位置的改變，手臂的運(yùn)動(dòng)系由垂直立柱平面內(nèi)的伸縮和沿立柱的升降兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)及手臂繞立柱的轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合而成。這種噴漆機(jī)器人，占地面積小而活動(dòng)范圍較大，結(jié)構(gòu)亦較簡(jiǎn)單，并能達(dá)到較高的定位精度，因而應(yīng)用范圍較廣泛。機(jī)身采用立柱式，噴漆機(jī)器人側(cè)面行走，順利完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能。但是結(jié)構(gòu)也比較龐大，兩個(gè)移動(dòng)軸的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。
3球坐標(biāo)型機(jī)器人： 這類噴漆機(jī)器人如圖2-1（c）的俯仰型噴漆機(jī)器人，其手臂沿X方向伸縮，繞Y軸俯仰和繞Z軸回轉(zhuǎn)。這類噴漆機(jī)器人具有占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊、重量較輕、位置精度尚可等特點(diǎn)，能與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，但避障性差，存在著平衡問(wèn)題，位置誤差與臂長(zhǎng)有關(guān)。
4關(guān)節(jié)坐標(biāo)型噴漆機(jī)器人：如圖2-1（d）的屈伸型噴漆機(jī)器人，主要由立柱、前臂和后臂組成。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)由前、后臂的俯仰及立柱的回轉(zhuǎn)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)最緊湊，靈活性大，占地面積最小，工作空間最大，能與其他機(jī)器人協(xié)調(diào)工作，避障性好，但是位置精度較低，存在平衡以及控制耦合的問(wèn)題，故比較復(fù)雜。
圖2. 1噴漆機(jī)器人的坐標(biāo)形式[22]
圖2.2 噴漆機(jī)器人基本形式示意圖[9]
2.1.3規(guī)格參數(shù)
用途：噴漆
1、大臂伸縮范圍200mm—1500mm，回轉(zhuǎn)角270o。
2、小臂伸縮范圍200mm—800mm，回轉(zhuǎn)角210o。
3、手腕旋轉(zhuǎn)角度150o。
4、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
2.1.4有效負(fù)載
有效負(fù)載是指機(jī)器人操作臂在工作時(shí)臂端可能搬運(yùn)的物體重量或所能承受的力或力矩，它表示了噴漆機(jī)器人的負(fù)載能力。機(jī)器人的載荷不僅僅取決于負(fù)載的質(zhì)量，還與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的速度和加速度的大小及方向有關(guān)。為了安全起見(jiàn)，有效負(fù)載是指高速運(yùn)行時(shí)的有效負(fù)載。
2.1.5運(yùn)動(dòng)特性
速度和加速度是表明機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性的主要指標(biāo)。它反映了機(jī)器人的使用效率和生產(chǎn)水平，噴漆機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度越高，則其使用效率越高，生產(chǎn)水平越高。但速度越快產(chǎn)生的沖擊和震動(dòng)也越大，因此提高機(jī)器人的加減速速能力，保證機(jī)器人加速過(guò)程的平穩(wěn)性是非常重要的。對(duì)于本文中的噴漆機(jī)器人，在沒(méi)有負(fù)載時(shí)可以適當(dāng)?shù)丶涌炱溥\(yùn)動(dòng)速度;而在其有負(fù)載時(shí)，末端執(zhí)行器(手爪)通常要和物體直接接觸，為了安全起見(jiàn)，務(wù)必要盡量減少手臂的運(yùn)動(dòng)速度?？偟膩?lái)說(shuō)，噴漆機(jī)器人的速度在一定范圍內(nèi)要是可調(diào)的，這樣才能滿足在各種不同情況下的使用需要。
2.1.6 工作范圍（工作半徑）
工業(yè)機(jī)器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中的操作范圍和運(yùn)動(dòng)的軌跡來(lái)確定的,用工作空間來(lái)表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)型式、自由度數(shù)和操作機(jī)各手臂關(guān)節(jié)軸線間的長(zhǎng)度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動(dòng)范圍的選擇。
2.2 噴漆機(jī)器人材料的選擇
機(jī)器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的實(shí)際工作情況來(lái)進(jìn)行選擇，在滿足機(jī)器人的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)要求前提下。從設(shè)計(jì)的理論出發(fā)，機(jī)器人手臂要進(jìn)行各種運(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)是輕型材料并要求有一定剛度。另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)，這必然大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。所以在選擇材料時(shí)，需要對(duì)質(zhì)量、剛度、強(qiáng)度、彈性進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的運(yùn)動(dòng)性能。此外，機(jī)器人手臂選用的材料與一般的結(jié)構(gòu)材料不同。機(jī)器人手臂是要受到控制的，必須考慮它的可控性。在選擇手臂材料時(shí)，可控性還要和材料的可加工性、成本、質(zhì)量等性質(zhì)一起考慮。
總之，選擇機(jī)器人手臂的材料時(shí)，要綜合考慮強(qiáng)度、剛度、重量、彈性、抗震性、外觀及價(jià)格等多方面因素。下面介紹幾種機(jī)器人手臂常用的材料
(l)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼等高強(qiáng)度鋼：這類材料強(qiáng)度好，尤其是合金結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度增加了很多倍、彈性模量大、抗變形能力強(qiáng)，是應(yīng)用最廣泛的材料;
(2)鋁、鋁合金及其它輕合金材料：其共同特點(diǎn)是重量輕、彈性模量不大，但是材料密度小，但仍可與鋼材相比;
(3)陶瓷：陶瓷材料具有良好的品質(zhì)，但是脆性大，可加工性不高，一般用于和金屬連接的特殊部位。然而，國(guó)外已經(jīng)設(shè)計(jì)出純陶瓷的噴漆機(jī)器人臂了。
從本文設(shè)計(jì)的噴漆機(jī)器人的角度來(lái)看，在選用材料時(shí)不需要很大的負(fù)載能力，也不需要很高的彈性模量和抗變形能力，此外還要考慮材料的成本，可加工性等因素。在衡量了各種因素和結(jié)合工作狀況的條件下，初步選用鋁合金作為機(jī)械臂的構(gòu)件材料。
2.3機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式
根據(jù)主要的運(yùn)動(dòng)參數(shù)選擇運(yùn)動(dòng)形式是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。常見(jiàn)的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式有五種：直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型和SCARA型。同一種運(yùn)動(dòng)形式為適應(yīng)不同生產(chǎn)工藝的需要，可采用不同的結(jié)構(gòu)。具體選用哪種形式，必須根據(jù)作業(yè)要求、工作現(xiàn)場(chǎng)、位置以及搬運(yùn)前后工件中心線方向的變化等情況，分析比較并擇優(yōu)選取。
考慮到噴漆機(jī)器人的作業(yè)特點(diǎn)，即要求其動(dòng)作靈活、有較大的工作空間、且要求結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間小等特點(diǎn)，故選用關(guān)節(jié)型噴漆機(jī)器人。這類噴漆機(jī)器人一般由2個(gè)肩關(guān)節(jié)和1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。其中，一個(gè)肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)肩關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)俯仰。這兩個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線正交。肘關(guān)節(jié)平行于第二個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線，如圖所示。這種構(gòu)形動(dòng)作靈活、工作空間大、在作業(yè)時(shí)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。但是這類噴漆機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)比較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)學(xué)的反解比較困難；確定末端桿件的姿態(tài)不夠直觀，且在進(jìn)行控制時(shí)，計(jì)算量比較大。
圖2.4 常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)方式[9]
2.4噴漆機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)元件
在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電氣驅(qū)動(dòng)是利用各種電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的力或力矩，直接或經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)，來(lái)獲得動(dòng)力。電氣驅(qū)動(dòng)主要有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)、直線電動(dòng)機(jī)以及最近幾年出現(xiàn)的超聲波電機(jī)和HD電動(dòng)機(jī)【10】等幾種。
步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就進(jìn)行回轉(zhuǎn)一定的角度，脈沖數(shù)與角度數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)方向取決于輸入脈沖的順序。步進(jìn)電機(jī)可在很寬的范圍內(nèi)，通過(guò)脈沖頻率同步，能夠按照脈沖要求進(jìn)行起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)變速，有較強(qiáng)的阻礙偏離穩(wěn)定的能力。在機(jī)器人中位置控制系統(tǒng)中得到了極大的應(yīng)用。主要有永磁式、反應(yīng)式、永磁感應(yīng)子式三種。
直流伺服電機(jī)是用直流電供電的電動(dòng)機(jī)。其功能是將輸入的受控電壓/電流能量轉(zhuǎn)換為電樞軸上的角位移或角速度輸出。直流伺服電機(jī)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)均與普通動(dòng)力用直流電機(jī)相同。特點(diǎn)是穩(wěn)定性好、可控性好、響應(yīng)迅速、轉(zhuǎn)矩大。一般有永磁式和電磁式，在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中多采用永磁式直流伺服電機(jī)。.
交流伺服電機(jī)的使用情況與直流伺服電機(jī)相同，但交流伺服電機(jī)與直流伺服電機(jī)相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、功率大、過(guò)載能力強(qiáng)、無(wú)電刷、維修方便，因而交流伺服電機(jī)是今后機(jī)器人用電機(jī)的主流。
低速電機(jī)主要用于系統(tǒng)精度要求高的機(jī)器人。為了提高功率效率比，伺服電機(jī)制成高轉(zhuǎn)速，經(jīng)齒輪減速后帶動(dòng)機(jī)械負(fù)載。由于齒輪傳動(dòng)存在間隙，系統(tǒng)精度不易提高，若對(duì)功率效率比要求不十分嚴(yán)格，而對(duì)于精度有嚴(yán)格的要求，則最好取消減速齒輪，采用大力矩的低速電機(jī)，配以高分辨率的光電編碼器及高靈敏度的測(cè)速發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。環(huán)形超聲波電動(dòng)機(jī)具有低速大轉(zhuǎn)矩的特點(diǎn)，使用在機(jī)器人的關(guān)節(jié)處，不需齒輪減速，可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，因而可大大改善功率重量比，并可利用其中空結(jié)構(gòu)傳遞信息。HD電動(dòng)機(jī)是一種小型大轉(zhuǎn)矩(大推力)的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)可直接與負(fù)載連接，可應(yīng)用在系統(tǒng)定位精度要求高的機(jī)器人產(chǎn)品中。
通過(guò)上述對(duì)幾種機(jī)器人常用電機(jī)的分析和比較，綜合考慮本文噴漆機(jī)器人臂并不要求有很高的扭矩，但是要求有較高精度并要求能夠快速啟動(dòng)和制動(dòng)，所以選擇應(yīng)用較為廣泛的步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
2.5 機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)
綜合考慮噴漆機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)和作業(yè)環(huán)境，采用了5 個(gè)自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)器人。整個(gè)機(jī)構(gòu)的水平運(yùn)動(dòng)采用來(lái)實(shí)現(xiàn)，即整個(gè)機(jī)構(gòu)裝在一個(gè)上。整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一個(gè)4 自由度的串行機(jī)構(gòu)，且大臂與小臂關(guān)節(jié)的軸線相互平行。這種結(jié)構(gòu)動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，工作空間大，占地面積小，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，關(guān)節(jié)需要的驅(qū)動(dòng)力矩小，能量消耗較少，關(guān)節(jié)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部位容易密封防塵。噴漆機(jī)器人部件組成由、立柱回轉(zhuǎn)部件、大臂、小臂、末端執(zhí)行器（噴涂頭）組成。
各部分的功能如下：
1) 底座，是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都安裝在基座上。
2) 立柱是手臂的支撐部分，通過(guò)安裝在底座上的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，立柱可以在機(jī)座上轉(zhuǎn)動(dòng)。
3) 手臂包括大臂和小臂，是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要運(yùn)動(dòng)部件，以實(shí)現(xiàn)空間位置的3 個(gè)坐標(biāo)分量的要求，用來(lái)支承腕關(guān)節(jié)，并使其在工作空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)。為了使末端執(zhí)行器能達(dá)到工作空間的任意位置，手臂和機(jī)身的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)上具有4 個(gè)自由度。
4) 腕關(guān)節(jié)是連接手臂與末端執(zhí)行器的部件，用于調(diào)整末端執(zhí)行器的方向和姿態(tài)。手部一般是夾持裝置，主要用來(lái)夾緊作業(yè)工具—噴涂頭。
3 噴漆機(jī)器人機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
通過(guò)總體分析后,確定了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。所設(shè)計(jì)的機(jī)身部分采用二級(jí)齒輪減速傳動(dòng)。
圖3-1 機(jī)器人關(guān)節(jié)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇
設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為JG1、JG2、JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:
（3-1）
、、分別為10kg、5kg、12kg。、、分別為重心到第一關(guān)節(jié)軸的距離，其值分別為300mm、700mm、1500mm，在式（3-1）中、、故、、可忽略不計(jì)。所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
（3-2）
=
=
同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:
=
=
式中：——小臂重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 。
—— 腕部重心距第二關(guān)節(jié)軸的水平距離 。
設(shè)主軸速度為219°/s，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下
（3-3）
式中：——旋轉(zhuǎn)開(kāi)始的轉(zhuǎn)矩
——角加速度
使機(jī)器人主軸從到/s所需時(shí)間為:則：
若考慮繞機(jī)器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)
開(kāi)始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為
電動(dòng)機(jī)的功率可按下式估算
（3-4）
式中： ——電動(dòng)機(jī)功率 ；
——負(fù)載力矩 ；
——負(fù)載轉(zhuǎn)速 ；
——傳動(dòng)裝置的效率，初步估算取0.9；
系數(shù)1.5～2.5為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取1.5
估算后就可選取電機(jī)，使其額定功率滿足下式
（3-5）
選擇QZD-08串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)
表3-1 QZD-08串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)
功率（W）
額定電壓
（V）
額定電流
（A）
額定轉(zhuǎn)速
（r/min）
濾磁方式
絕緣等級(jí)
工作制
（min）
800
24
46.2
1750
串勵(lì)
B
60
3.2 計(jì)算傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取主軸的轉(zhuǎn)速≤4rad/s。傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比取48，分二級(jí)傳動(dòng)，第一級(jí)是加工在軸上的齒輪與小齒輪嚙合，傳動(dòng)比=4；第二級(jí)傳動(dòng)比為
==12 (3-6)
3.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.3.1 計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和輸入功率
a.各軸轉(zhuǎn)速
Ⅰ軸 (3-7)
Ⅱ軸 (3-8)
Ⅲ軸 nⅢ= (3-9)
b.各軸輸入功率
Ⅰ軸 (3-10)
—制動(dòng)器效率
Ⅱ軸 (3-11)
—齒輪嚙合的效率 — 角接觸球軸承的效率
Ⅲ軸 PⅢ==748.9×0.98=733.9 W (3-12)
c.各軸輸入扭矩
Ⅰ軸 (3-13)
Ⅱ軸 (3-14)
Ⅲ軸 T3=9550 (3-15)
3.3.2 確定三根軸的具體尺寸
兩實(shí)心軸的材料均選用45號(hào)鋼，查表知軸的許用扭剪應(yīng)力= 30MPa，由許用應(yīng)力確定的系數(shù)為C=120.
A. 第一根軸設(shè)計(jì)及校核
a.此軸傳遞扭矩
（3-16）
因?yàn)檩S是齒輪軸,所以可以將軸的軸徑加工的大一點(diǎn),以滿足齒輪嚙合時(shí)強(qiáng)度的要求。
齒輪的分度圓直徑為50mm,齒輪兩端裝有軸承,加工一段軸肩來(lái)定位軸承.齒輪軸上裝型號(hào)為 滾動(dòng)軸承7206AC,內(nèi)徑為30mm。具體尺寸如圖3-2所示。
圖3-2 第一級(jí)齒輪軸結(jié)構(gòu)圖
b.軸在初步完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，進(jìn)行校核計(jì)算。計(jì)算準(zhǔn)則是滿足軸的強(qiáng)度或剛度要求。進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)軸的具體受載及應(yīng)力情況，采取相應(yīng)的方法，并恰當(dāng)?shù)剡x取其許用應(yīng)力，對(duì)于用于傳遞轉(zhuǎn)矩的軸應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算，對(duì)于只受彎矩的軸（心軸）應(yīng)按彎曲強(qiáng)度條件計(jì)算，兩者都具備的按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確校核等。
圖3－3軸的受力分析和彎扭矩圖
求作用在齒輪上的力：
(3-17)
畫(huà)軸的受力簡(jiǎn)圖 見(jiàn)圖3－3
計(jì)算軸的支承反力
在水平面上
(3-18)
(3-19)
在垂直面上
(3-20)
畫(huà)彎矩圖 見(jiàn)圖3－3
在水平面上，剖面左側(cè)
(3-21)
剖面右側(cè)
(3-21)
在垂直面上
(3-22)
合成彎矩，剖面左側(cè)
(3-23)
剖面右側(cè)
(3-24)
畫(huà)轉(zhuǎn)矩圖 見(jiàn)圖3－3
(3-25)
判斷危險(xiǎn)截面
截面左右的合成彎矩左側(cè)相對(duì)右側(cè)大些，扭矩為T(mén)，則判斷左側(cè)為危險(xiǎn)截面，只要左側(cè)滿足強(qiáng)度校核就行了。
軸的彎扭合成強(qiáng)度校核
許用彎曲應(yīng)力，，
截面左側(cè)
(3-26)
(3-27)
c.軸的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核
查得抗拉強(qiáng)度 ，彎曲疲勞強(qiáng)度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)，
截面左側(cè)
(3-28)
查得，；查得絕對(duì)尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)。則
彎曲應(yīng)力 ， (3-29)
應(yīng)力幅
平均應(yīng)力
切應(yīng)力 (3-30)
安全系數(shù) (3-31)
(3-32)
(3-33)
查許用安全系數(shù)，顯然，則剖面安全。其它軸用相同方法計(jì)算，結(jié)果都滿足要求。
B.中間軸設(shè)計(jì)
此軸傳遞扭矩,轉(zhuǎn)速,傳遞功率為,則
（3-34）
安裝軸承部分軸徑最小,由于整個(gè)軸上零件較復(fù)雜,在兩軸承之間有車(chē)在軸上的齒輪,還有安裝在軸上的小齒輪,以及軸套和軸承,所以可取大一點(diǎn),這里取,軸承部分,軸承選為單列角接觸球軸承,軸承型號(hào)為 滾動(dòng)軸承7206AC,其余根據(jù)結(jié)構(gòu)確定.由于載荷不大,軸承選的較大,強(qiáng)度足夠,這里不再詳算。中間軸大體結(jié)構(gòu)及尺寸如圖3-4所示。
圖3-4中間軸結(jié)構(gòu)圖
C. 主軸的設(shè)計(jì)
主軸是連接機(jī)身與大臂的結(jié)構(gòu)，因結(jié)構(gòu)體積比較大,為節(jié)省材料減輕重量,故需設(shè)計(jì)成空心軸,主要承受軸向拉力,取內(nèi)徑,外徑,用圓錐滾子軸承支承,軸承型號(hào)為 滾動(dòng)軸承30205。主軸材料選用型號(hào)為ZAlCu5Mn的鑄鋁合金。
3.4 確定齒輪的參數(shù)
3.4.1選擇材料
根據(jù)表7-1,選擇齒輪的材料為45鋼,經(jīng)調(diào)質(zhì)硬度HBS可達(dá)229～286。
3.4.2 壓力角的選擇
由機(jī)械原理知識(shí)可知,增大壓力角,能使輪齒的齒厚和節(jié)點(diǎn)處的齒廓曲率半徑增大,可提高齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度。此處，壓力角可取20°。
3.4.3 齒數(shù)和模數(shù)的選擇
對(duì)軟齒面的閉式齒輪傳動(dòng),其承載能力主要取決于齒面接觸疲勞強(qiáng)度。而齒面接觸應(yīng)力的大小與小齒輪的分度圓直徑有關(guān),即與齒數(shù)和模數(shù)的積有關(guān)。因此在滿足彎曲疲勞強(qiáng)度的前提下,宜選擇較小的模數(shù)和較多的齒數(shù)。這樣除能增大重合度,改善傳動(dòng)的平穩(wěn)性外,還因模數(shù)的減小而降低齒高,從而減小金屬的切削量,減少滑動(dòng)速度,減少磨損,提高抗膠合能力。軸上齒輪齒數(shù)取25,小齒輪齒數(shù)取100,軸上軸齒輪齒數(shù)取25,大齒輪齒數(shù)取300,模數(shù)m取2。
3.4.4齒寬系數(shù)
由強(qiáng)度公式可知,當(dāng)載荷一定時(shí),增大齒寬可以減小齒輪直徑,降低齒輪圓周速度。但增大齒寬,齒面上的載荷分布不均勻性也將增大。查表7-7,中間軸上的齒輪與大齒輪嚙合時(shí)取齒寬系數(shù)為1.0;懸臂上的齒輪與小齒輪嚙合時(shí)取為0.5。根據(jù)公式 ,計(jì)算結(jié)果圓整為5的整數(shù)倍,作為大齒輪的齒寬,小齒輪齒寬取,以補(bǔ)償加工裝配誤差。
所以
軸上齒輪 與之嚙合的小齒輪齒寬
軸上的齒輪齒寬 ,與之嚙合的大齒輪齒寬
3.4.5 確定齒輪傳動(dòng)的精度
根據(jù)GB10095-1988規(guī)定,齒輪精度等級(jí)分為12級(jí),1級(jí)最高,12級(jí)最低,常用6～9級(jí)。根據(jù)表7-8 選用7級(jí)精度的齒輪。
表3-2 第一級(jí)嚙合齒輪的幾何尺寸
名稱
符號(hào)
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒全高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
基圓直徑
齒距
齒厚
齒槽寬
中心距
頂隙
表3-3 第二級(jí)嚙合齒輪的幾何尺寸
名稱
符號(hào)
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒全高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
基圓直徑
齒距
齒厚
齒槽寬
中心距
頂隙
3.4.6 齒輪的校核
已選定齒輪采用45鋼，鍛造毛坯，軟齒面，齒輪滲碳淬火HRC56～62，齒輪精度用7級(jí)，軟齒表面粗糙度為，對(duì)于需校核的一對(duì)的齒輪，齒數(shù)分別為，，模數(shù)為2，傳動(dòng)比，扭矩T=16.76N·m。
a.設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。
b.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
。 （3-35）
式中：—節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，用來(lái)考慮節(jié)點(diǎn)齒廓形狀對(duì)接觸應(yīng)力的影響，取=2.5；
—材料系數(shù)，單位為，查表7-5，取189.8；
—重合度系數(shù)，取=0.90；
—齒寬系數(shù)，取=1；
u—齒數(shù)比，其值為大齒輪齒數(shù)與小齒輪齒數(shù)之比，u=12。
選擇材料的接觸疲勞極限應(yīng)力為：
選擇齒根彎曲疲勞極限應(yīng)力為：
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N計(jì)算可得
×437.5×16×300×8=10.08× （3-36）
則 （3-37）
查得接觸疲勞壽命系數(shù)為
查得彎曲疲勞壽命系數(shù)為
查得接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù)，又為試驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)取2.0，試選1.3，
求許用接觸應(yīng)力和許用彎曲應(yīng)力：
（3-38）
（3-39）
（3-40）
（3-41）
將有關(guān)值帶入公式（3-35）得：
=
=29.78mm
則
（3-42）
（3-43）
查圖得；查得，
查得，取，則 （3-44）
修正，mm
取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)m=2mm，與前面選定的模數(shù)相同，所以m=2mm符合要求。
c.計(jì)算幾何尺寸
， （3-45）
， （3-46）
d.校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
查得，取
校核兩齒輪的彎曲強(qiáng)度
（3-47）
（3-48）
所以齒輪完全達(dá)到要求。
圖3-5 大齒輪結(jié)構(gòu)圖
圖3-6 小齒輪結(jié)構(gòu)圖
3.5 殼體設(shè)計(jì)
基座部分采用球墨鑄鐵材料,方形結(jié)構(gòu),壁厚在15mm左右。立柱采用鑄鋁,空心圓柱形狀,起固定軸承外圈的作用。其他部分具體尺寸由結(jié)構(gòu)確定,這里不一一敘述,詳見(jiàn)圖紙。
3.6小結(jié)
本章針對(duì)機(jī)身的齒輪、大齒輪軸、小齒輪軸進(jìn)行了設(shè)計(jì)和校核，另外還表述了設(shè)計(jì)上的見(jiàn)解。通過(guò)校核可知設(shè)計(jì)的齒輪、軸均符合強(qiáng)度要求。
總 結(jié)
本文設(shè)計(jì)了一種噴漆機(jī)器人，詳細(xì)地設(shè)計(jì)了移動(dòng)噴漆機(jī)器人的各個(gè)部分，在全面分析各個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)研究過(guò)程中所遇到的一些問(wèn)題也進(jìn)行了深入的研究。
噴漆機(jī)器人是一種具有很大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景的機(jī)器人，在不方便操作的地方都扮演著很重要的角色，本次設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括機(jī)身、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)和手爪，主要工作如下：
l 通過(guò)功能和設(shè)計(jì)任務(wù)的分析，初步制定了機(jī)器人的總體方案。
l 接下來(lái)進(jìn)行了機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
l 重要零部件的受力分析與校核。
l 電機(jī)選型與計(jì)算。
l 主要零件工程圖繪制。
通過(guò)本次設(shè)計(jì)，把大學(xué)期間所學(xué)的知識(shí)都綜合的利用起來(lái)，這再次加深了我對(duì)所學(xué)知識(shí)的印象，提高了我對(duì)知識(shí)的利用能力。但是，由于本人的水平和能力有限，本次設(shè)計(jì)一定存在一些不合理之處，希望老師給予批評(píng)和指正。
展望:
本文所完成的工作達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，但是仍有進(jìn)一步研究的必要，需要進(jìn)一步改進(jìn)的工作是本文在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到的移動(dòng)噴漆機(jī)器人的工作范圍仍然是有限的，在將來(lái)可以集成更多的傳感器在的車(chē)身上，以便移動(dòng)平臺(tái)能夠更好的適應(yīng)室外的工作環(huán)境。
在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我通過(guò)查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，并向老師請(qǐng)教等方式，使自己學(xué)到了不少知識(shí)，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在設(shè)計(jì)中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹(shù)立了對(duì)自己工作能力的信心，相信會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動(dòng)手的能力，使我充分體會(huì)到了在創(chuàng)造過(guò)程中的探索的艱難和成功的喜悅。雖然做得還不是很完善，但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中所學(xué)到的東西是這次設(shè)計(jì)的最大收獲和財(cái)富，使我終身受益。
致 謝
本論文是在導(dǎo)師XX的悉心指導(dǎo)下完成的，在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，老師給了我很大的幫助，不僅讓我在規(guī)定時(shí)間能完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)，還使我學(xué)到了很多有用的經(jīng)驗(yàn)。在這里我衷心的感謝高老師。我還要感謝這四年能教授我知識(shí)的老師們，還有曾經(jīng)幫過(guò)我的同學(xué)們。
經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的努力，畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲。由于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的匱乏，本次設(shè)計(jì)難免有考慮不周的地方。如果沒(méi)有老師的悉心指導(dǎo)以及本組人員的支持，恐怕設(shè)計(jì)不會(huì)這么順利完成。自開(kāi)題一來(lái)老師一直認(rèn)真指導(dǎo)設(shè)計(jì)的每個(gè)環(huán)節(jié)，從資料的查閱到具體方案的修改，老師都提出了寶貴的建議，讓我受益匪淺。除此之外，老師科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和淵博的專業(yè)知識(shí)更是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣。再次對(duì)老師及本組的同學(xué)表示衷心的感謝！
最后還要感謝曾指導(dǎo)過(guò)和給我?guī)椭睦蠋煟∈悄銈冊(cè)?jīng)辛勤的付出才有了我今天知識(shí)的積累。
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