喷涂机器人毕业设计.docx

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1、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钱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，通过带动钱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，这种钱链四杆机构还使小臂实现自身的重力平

2、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AbstractNowadaysmostpaintcontainsbenzene.Thebenzeneisveryvolatile,toxicandcarcinogenic.Itdoesharmtotheworkersheavilywhentheprotectionisabsent.Sodifferentkindsofpaintingrobotsappearedanddevelopedgreatly.Ajointtypepaintingrobotwas

3、designedinthispaper.Ithadsixdegreesoffreedom.ThewristhadthreedegreesoffreedomandtheOtherjointshadthreedegreesoffreedom.Thepaintingrobot,sjointsweredrivenbyhydraulicpressure.Parallelogramstructurewasusedintherobot.Thehydrauliccylinderwhichwasinstalledonthewaistturningtabledrovedtheforearmindirectlyth

4、roughtheparallelogramstructure-Thestructureavoidedinstallingthehydrauliccylinderdirectlyonthejointtoreducetheforearm,sweight.Sotheburdenofthehydrauliccylinderwhichdrivetheupperarmandthewaistwerereduced.Alsothisstructuremadetheforearmrealizebalanceitselfandreducethestatictorque.Aluminumalloywasusedgr

5、eatlyintherobot,sotheweightoftherobotwasreduced.Alsothedynamicperformancewasimproved.Keywords：paintingrobot；joint；structuredesign目录摘要IABSTRACTII目录I第一章绪论11.1课题研究的背景及意义11.2喷涂机器人的特点及其发展现状21.3课题国内外现状及研究的主要成果41.3 .1国内研究现状41.4 .2国外研究现状51.5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92.1确定驱动系统92. 1.1驱动系统93. 1.2确定驱动件和自由度102.2

6、 喷漆机器人的运动参数112.3 各个关节的结构形式和平衡方式112.3.1小臂122.3.2大臂132.3.3小臂的传动机构172.3.4大臂的传动机构182. 3.5腰部的传动机构192. 4本章小结19第3章喷漆机器人机构设计192.1 喷漆机器人数学模型的建立与分析202.2 腕部设计233. 2.1电机的选择233.3 小臂的设计253. 3.1小臂设计的总体要求254. 3.2钱链四杆机构的设计265. 3.3液压缸的选择与设计273.4 大臂的设计303. 4.1大臂设计的总体要求301. 5腰关节的设计333. 6传感器的选择344. 7本章小结34第4章轴、螺钉的设计与校核3

7、65. 1大轴1的结构设计与校核364. 1.1大轴1的结构设计364. 1.2大轴1的强度校核375. 2.1大轴2的结构设计406. 2.2大轴2的强度校核414. 3小轴1的结构设计与校核424. 3.1小轴1的结构设计424. 3.2小轴1的强度校核434. 4小轴2的结构设计与校核454. 5回转底盘与腰部主轴连接螺钉的校核454. 6本章小结4648参考文献附录一开题报告附录二文献综述附录三外文文献第一章绪论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

8、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、

9、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成急性或慢性中毒，提高了产品质量和稳定性，同时能

10、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

11、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一喷涂机器人。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

12、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11所示机器人喷涂汽车车身的情景。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

13、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

14、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，

15、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-I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：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

16、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

17、人的作业性能和对环境的适应性。日本的KAWASAKKYASKA场叭、FANUC和瑞典的ABB、德国的KUKA、RElS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：1）机器人性能不断提高（高速度、

18、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、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

19、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

20、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

21、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。止匕外，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

22、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PlD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

23、车产品最直接的评价就来源于汽车的外观，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

24、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：L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

25、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。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

26、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

27、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、无需配管、维修及使用方便、使用寿命长等特点。止匕外，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

28、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。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活动范围l2

29、3456100o7570210210420最大速度2ms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AClOOV,单向5060Hz,260VA防爆级本质安全防爆Ga环境温度0-402.3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、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

30、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，在这里小臂采用钱链四杆的结构方式，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较接在平衡支

31、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台不变。小臂的不平衡力矩不仅随转角仇变化，也随转角仇变化，其算法如下：小臂对转轴轴线03的偏重力矩Mg3为Afc3=GzLzCOSa式中：G3-小臂及手腕部件重量心一小臂及手腕部件的合重心与03的距离a一小臂梁与水平线的夹角弹簧的平衡力矩Ms3=K3f3h3式中：K3一小臂平衡弹簧刚性系数小一小臂平衡弹簧变形量岳一弹簧力对。3的力臂通过结构的尺寸关系可算得：z3=AlH2sinIhf3=h-(R2-Ri)+/30式中/3=2(1R1+R2R

32、2-2R1R2COS)为弹簧长度(包括支撑螺栓等长度)是随B角变化的值，/3。为安装时弹簧的预变形量。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。力，它对。3的力矩亦起着平衡一部分偏重力矩的作用，因而小臂的平衡力矩3=Mg3-Ms3-Mp3式中M3为油缸对。3的静阻力矩。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M2也同时受。2,。3转角的影响，另外，小臂没有完全平衡,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MG2应为Mg2=(G3+Gi)。2+G2L2Sine2+M3G2，一关节轴3的重量(包括轴上零件)a2一大臂

33、长1_2一大臂合重心矩。2的长度Ms2=2左2f2h2其算法与小臂相同。考虑大臂驱动油缸的静阻力矩跖2则可得大臂的不平衡力矩AM2=Mg2-MS2Mpl大小臂平衡弹簧参数小臂弹簧大臂弹簧弹簧直径(mm)067080弹簧钢丝直径(mm)l。10圈数7040刚度系数(kgfmm)0.84930.8666图3-2大臂平衡机构弹簧总长度708410螺旋方向右旋右旋平衡弹簧材料选用GOsi2MnA1.3.3 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

34、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。这里的钱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。1.3.4 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2.4o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

35、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，减轻了带动腰部回转的液压缸的负担。1.3.5 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

36、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。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。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

37、析设计的喷漆机器人所需要达到的最大覆盖范围是1.31.31.3m3o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,回转范围是土170oo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Im和1.2mo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

38、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1.31.31.3m3o如果超过喷漆机器人的最大覆盖范围，则假设的尺寸符合要求，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，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。

39、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abed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abed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+135o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-80o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

40、为abed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-80o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

41、设计方案知细杆1的最大俯仰角度为+135o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-efgho由于论证时的前提条件是把喷漆机器人的最大覆盖范围一分为二。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L3xl.3xl.3m3。故喷漆机器人足可满足要求的最大覆盖范围，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

42、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650

43、x200的圆柱体，由已知条件知质量为3kgo圆柱体的转动惯量为：J=m(32+L2)=-3(30.0252+0.22)=0.01kg.m2取喷枪的转动角速度为3=2%rads,n=60rmin取启动时间为0.1S由此转动角加速度=20-rads2计算力矩T为：T=J=0.628N.mP=T3=0.628x2=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IN.m,转速为1400rmin,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0转运动o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

44、5kg。长方体的转动惯量公式为：J=-m(Z72+A2)12由于回转套为正方体，故为z=0.2m所以绕回转套回转中心的转动惯量为：J=X5(0.22+0.22)=0.03kg.m212取回转套的转动角速度为3=2rrads,11=60r/min取启动时间为0.1S由此转动角加速度=20rads2计算力矩T为：T=Jy0=1.884N.mP=T=1.8842=11.83w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1400rmin,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

45、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232x100x350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12kgo长方体的转动惯量公式为：J=-m(72+A2)12由于回转套为正方体，故=0.232m,z=0.1m所以绕回转套回转中心的转动惯量为：J=-5(0.22+0.22)=0.064kg.m2取回转套的转动角速度为3=;Trads,转速为Z2=3rmin取启动时间为0.1S由此转动角加速度=10rads2计算力矩T为：T=J=2.01N.mP-T=2.01211=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

46、出转矩至少为3N.m,转速为1400rmin,减速箱的减速比为46。电机输出轴端进行适当的加粗加长口6-2。3.3小管的设计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

47、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较链四杆机构来完成，安装在腰部回转盘上的直流伺服电机通过钱链四杆机构驱动小臂实现俯仰运动。采用钱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统链四杆机构的设计此处的钱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100Omm,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