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南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)
作 者:
3號楷體
學(xué) 號：
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學(xué)院(系):
3號楷體
專 業(yè):
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題 目:
噴漆機器人設(shè)計-小臂系統(tǒng)設(shè)計
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指導(dǎo)者：
(姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))
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評閱者：
(姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))
2014 年 6 月
24
畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）中文摘要
機器人既有人對環(huán)境的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。如今，機器人工業(yè)已成為世界各國備受關(guān)注的產(chǎn)業(yè)。
本課題設(shè)計的噴漆機器人的小臂系統(tǒng)設(shè)計，介紹了機器人的結(jié)構(gòu)組成，確定了基本技術(shù)參數(shù)，驅(qū)動系統(tǒng)，手臂配置形式，電動機的選擇，小臂部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計及計算繪圖以及減速器的造型等等方面內(nèi)容來完成此次設(shè)計。
關(guān)鍵詞： 機器人；工業(yè)；傳動；小臂，設(shè)計
畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）外文摘要
Title ：Spray Painting Robot Smaller Arm System Design
Abstract
Robot as a man on the environment of rapid response and analytical skills, and the machine can work continuously for long time, high accuracy, anti adverse circumstance ability, in the sense that it is the product of the evolution of the machine, it is an important production and industrial and non industrial sector, service equipment, automation equipment and field advanced manufacturing technology, an indispensable. Now, the robot industry around the world has become the concern of the industry.
Design of small arms system designed in this thesis, the painting robot, the robot structure, the basic technical parameters, the drive system, the arm configuration, the choice of motor, small arms parts of the structure design and calculation of drawing and the other on the face side down to complete this design.
Keywords ：Robot; Industrial; Transmission; Small arm, Design
目 錄
1 緒論 1
1.1 機器人概念 1
1.2 課題研究的背景和意義 2
1.3 國內(nèi)機器人的研究 3
1.4機器人的組成 3
1.4.1執(zhí)行機構(gòu) 3
1.4.2驅(qū)動機構(gòu) 3
1.4.3控制機構(gòu) 4
1.5噴漆機器人 4
1.6 本課題研究內(nèi)容 4
2 機器人總體設(shè)計 5
2.1 確定基本技術(shù)參數(shù) 5
2.1.1 機械結(jié)構(gòu)類型的選擇 5
2.1.2 額定負(fù)載 6
2.1.3 工作范圍 6
2.1.4 操作機的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 6
2.1.5 控制系統(tǒng)選擇 7
2.1.6 確定機器人手臂的配置形式 7
2.2 機器人臂材料選擇 8
2.3 噴漆機器人工作空間的計算 9
3 噴涂機器人小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 11
3.1 電動機的選擇 11
3.2 小臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計 12
3.3 小臂電機及減速器選型 13
3.3.1.傳動結(jié)構(gòu)形式的選擇 14
3.3.2.幾何參數(shù)的計算 14
3.4 凸輪波發(fā)生器及其薄壁軸承的計算 15
3.4.1柔輪齒面的接觸強度的計算 16
3.4.2柔輪疲勞強度的計算 17
3.5 軸結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計 18
3.6 軸的受力分析及計算 19
3.7 軸承的壽命校核 20
總 結(jié) 22
參考文獻 23
致 謝 24
1 緒論
1.1 機器人概念
機器人（Robot）是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)，或是危險的工作。它是高級整合控制論、機械電子、計算機、材料和仿生學(xué)的產(chǎn)物。在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領(lǐng)域中均有重要用途。
噴涂機器人圖
現(xiàn)在，國際上對機器人的概念已經(jīng)逐漸趨近一致。一般來說，人們都可以接受這種說法，即機器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機器人協(xié)會給機器人下的定義：“一種可編程和多功能的操作機；或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可用電腦改變和可編程動作的專門系統(tǒng)?！彼転槿祟悗碓S多方便之處。
機器人是近30年發(fā)展起來的一種典型的、機電一體化的、獨立的自動化生產(chǎn)工具。在制造工業(yè)中，應(yīng)用工業(yè)機器人技術(shù)是提高生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一，也是新技術(shù)革命的一個重要內(nèi)容。
1.2 課題研究的背景和意義
機器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類生產(chǎn)和社會進步的需要，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工具進化的必然。機器人一詞最早出現(xiàn)于1920年捷克作家Karel Capek的劇本《羅薩姆的萬能機器人》中，在該劇中，機器人“Robota”這個詞的本意是指苦力，是劇作家筆下的一個具有人的外表、特征和功能的機器，是一種人造的勞動力。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機器人技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人類生活領(lǐng)域，研制具有人類外觀特征、可模擬人類行走和其他動作的機器人一直是人類的夢想之一。
機器人是一門綜合性很強的科學(xué)，有著極其廣泛的研究和應(yīng)用領(lǐng)域。機器人技術(shù)是綜合了計算機技術(shù)、信息融合技術(shù)、機構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、仿生科學(xué)以及人工智能等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，它不僅涉及到線性、非線性、基于多種傳感器信息控制以及實時控制技術(shù)，而且還包括復(fù)雜機電系統(tǒng)的建模、數(shù)字仿真技術(shù)及混合系統(tǒng)的控制研究等方面的技術(shù)。
機器人是機器人技術(shù)中的一個重要研究課題，而雙足機器人是機器人研究的前奏。步行技術(shù)是人與大多數(shù)動物所具有的移動方式，是一種高度自動化的運動，雙足步行系統(tǒng)具有非常復(fù)雜的動力學(xué)特性，對于環(huán)境具有很強的適應(yīng)性，它相對輪式、履帶式機器人具有無可比擬的優(yōu)越性，它可以進入狹窄的作業(yè)空間，也可跨越障礙、上下臺階、斜坡及在不平整地面上工作，可以護理老人、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及在一般家庭的家政服務(wù)都可以應(yīng)用。它適應(yīng)環(huán)境的能力更強，因此具有更加廣泛的應(yīng)用前景。
在機器人的研制中，機器人仿真是機器人研究的一項重要的內(nèi)容，它涉及機器人機構(gòu)學(xué)、機器人運動學(xué)、機器人零件建模、仿真機器人三維實現(xiàn)和機器人的運動控制，是一項綜合性有創(chuàng)新意義和實用價值的研究課題。仿真利用計算機可視化和面向?qū)ο蟮氖侄?，模擬機器人的動態(tài)特性，幫助研究人員了解機器人工作空間的形態(tài)及極限，提示機構(gòu)的合理運動方案及有效的控制算法，從而解決在機器人設(shè)計、制造以及運行過程中的問題，避免了直接操作實體可能會造成的事故或者不必要的損失。仿真也為機器人本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計提供參考依據(jù)，并在這臺機器上模擬能都實現(xiàn)的功能，使用戶直接看到設(shè)計效果，及時找出缺點和不足進行改進，避免了大量的物力、人力的浪費[1，2]。
1.3 國內(nèi)機器人的研究
我國已在“七五”計劃中把機器人列人國家重點科研規(guī)劃內(nèi)容，撥巨款在沈陽建立了全國第一個機器人研究示范工程，全面展開了機器人基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)元器件研究。十幾年來，相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運、點焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機器人及水下作業(yè)、軍用和特種機器人。目前，示教再現(xiàn)型機器人技術(shù)已基本成熟，并在工廠中推廣應(yīng)用。我國自行生產(chǎn)的機器人噴漆流水線在長春第一汽車廠及東風(fēng)汽車廠投入運行。1986年3月開始的國家863高科技發(fā)展規(guī)劃已列入研究、開發(fā)智能機器人的內(nèi)容。就目前來看，我們應(yīng)從生產(chǎn)和應(yīng)用的角度出發(fā)，結(jié)合我國國情，加快生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的實用型機器人和某些特種機器人。
國內(nèi)機器人的研究也在863計劃和自然科學(xué)基金的支持下持續(xù)開展了多年，如國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等，都先后開始研制機器人樣機[4]。
1.4機器人的組成
工業(yè)機器人是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)三部分組成。
1.4.1執(zhí)行機構(gòu)
一般機器人的執(zhí)行機構(gòu)由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、緩沖與定位，還有行走機構(gòu)組成。
1.4.2驅(qū)動機構(gòu)
驅(qū)動機構(gòu)主要有液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動、電動驅(qū)動和機械驅(qū)動等形式。不過目前還是以液壓和氣動用的最多。
液壓驅(qū)動具有體積小、出力大、控制性能好、動作平穩(wěn)等特點，它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動具有潤滑性能好、壽命長的特點，結(jié)構(gòu)緊湊，剛性好。定位精度高，克實現(xiàn)任意位置開停。有很多專業(yè)機器人能直接利用主機的液壓系統(tǒng)。但缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。
氣動驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、氣源方便，所需的壓縮氣源一般工廠都有，并且無污染，一般采用的壓力0.4-0.6MPa，最高可達1MPa。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。
電動由于減速和回轉(zhuǎn)運動變往復(fù)運動機構(gòu)復(fù)雜, 很少采用。機械式用于簡單的場合。
1.4.3控制機構(gòu)
機器人的控制方式有點動和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)是用插銷板進行點位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機數(shù)字控制，采用凸輪、磁盤磁帶、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。
1.5噴漆機器人
噴漆機器人又叫噴涂機器人（spray painting robot）， 是可進行自動噴漆或噴涂其他涂料的工業(yè)機器人，1969年由挪威Trallfa公司（后并入ABB集 團）發(fā)明。噴漆機器人主要由機器人本體、計算機和相應(yīng)的控制系統(tǒng)組成，液壓驅(qū)動的噴漆機器人還包括液壓油源，如油泵、油箱和電機等。多采用5或6自由度關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大的運動空間，并可做復(fù)雜的軌跡運動，其腕部一般有2～3個自由度，可靈活運動。較先進的噴漆機器人腕部采用柔性手腕，既可向各個方向彎曲，又可轉(zhuǎn)動，其動作類似人的手腕，能方便地通過較小的孔伸入工件內(nèi)部，噴涂其內(nèi)表面。噴漆機器人一般采用液壓驅(qū)動，具有動作速度快、防爆性能好等特點，可通過手把手示教或點位示數(shù)來實現(xiàn)示教。噴漆機器人廣泛用于汽車、儀表、電器、搪瓷等工藝生產(chǎn)部門。
噴涂機器人的主要優(yōu)點：（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，可離線編程，大大的縮短現(xiàn)場調(diào)試時間。（4）設(shè)備利用率高，噴涂機器人的利用率可達90%-95%。
1.6 本課題研究內(nèi)容
本課題的主要任務(wù)是對噴漆機器人的小臂及傳動進行設(shè)計，并完成總裝配圖和零件圖的繪制。要求對機器人模型進行力學(xué)分析，估算各關(guān)節(jié)所需轉(zhuǎn)矩和功率，完成電機和減速器的選型。其次從電機和減速器的連接和固定出發(fā)，設(shè)計關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，并對機構(gòu)中的重要連接件進行強度校核。
主要任務(wù)：
（1）機器人小臂機構(gòu)設(shè)計
（2）機器人小臂受力計算與校核
（3）機器人關(guān)節(jié)傳動設(shè)計
（4）重要零件圖及裝配圖繪制
（5）伺服電機選型
（6）撰寫1萬字以上設(shè)計說明書一份
2 機器人總體設(shè)計
2.1 確定基本技術(shù)參數(shù)
2.1.1 機械結(jié)構(gòu)類型的選擇
為實現(xiàn)總體機構(gòu)在空間的位置提供的5個自由度，可以有不同的運動組合，根據(jù)本課題可以將其設(shè)計成以下五種方案：
a.圓柱坐標(biāo)型 這種運動形式是通過一個轉(zhuǎn)動，兩個移動，共三個自由度組成的運動系統(tǒng)，工作空間圖形為圓柱型。它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的工作空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大。
b.直角坐標(biāo)型 直角坐標(biāo)型工業(yè)機器人，其運動部分由三個相互垂直的直線移動組成，其工作空間圖形為長方體。它在各個軸向的移動距離，可在各坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高、結(jié)構(gòu)簡單，但機體所占空間體積大、靈活性較差。
c.球坐標(biāo)型 又稱極坐標(biāo)型，它由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線移動所組成，即一個回轉(zhuǎn)，一個俯仰和一個伸縮運動組成，其工作空間圖形為一個球形，它可以作上下俯仰運動并能夠抓取地面上或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作空間范圍大的特點，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
d. 又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運動和使大臂作俯仰擺動，小臂作俯仰擺動。其特點使工作空間范圍大，動作靈活，通用性強、能抓取靠進機座的物體。
e.平面 采用兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)；兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運動，而移動關(guān)節(jié)則實現(xiàn)上下運動，其工作空間的軌跡圖形，它的縱截面為矩形的同轉(zhuǎn)體，縱截面高為移動關(guān)節(jié)的行程長，兩回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的大小決定回轉(zhuǎn)體橫截面的大小、形狀。在水平方向有柔順性，在垂直方向有較大的剛性。它結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合小規(guī)格零件的插接裝配。
對以上五種方案進行比較：方案一不能夠完全實現(xiàn)本課題所要求的動作；方案二體積大，靈活性差；方案三結(jié)構(gòu)復(fù)雜；方案五無法實現(xiàn)本課題的動作。結(jié)合本課題綜合考慮決定采用方案四：機器人。此方案所占空間少，工作空間范圍大，動作靈活，工藝操作精度高。
2.1.2 額定負(fù)載
目前,國內(nèi)外使用的工業(yè)機器人中,其負(fù)載能力的范圍很大,最小的額定負(fù)載在5N以下,最大可達9000N。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機器人各運動方向作用于機械接口處的力和扭矩。其中應(yīng)包括機器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對象的重量和在規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力矩。本課題的任務(wù)要求是保證手腕部能承受的最大載荷是5kg。
2.1.3 工作范圍
工業(yè)機器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機器人作業(yè)過程中的操作范圍和運動的軌跡來確定的,用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機器人的機械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)型式、自由度數(shù)和操作機各手臂關(guān)節(jié)軸線間的長度和各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)角的大小及變動范圍的選擇。
2.1.4 操作機的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計
機器人本體驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動器和傳動機構(gòu)，它們常和執(zhí)行機構(gòu)聯(lián)成一體，驅(qū)動臂桿和載荷完成指定的運動。通常的機器人驅(qū)動方式有以下四種:
a.步進電機：可直接實現(xiàn)數(shù)字控制，控制結(jié)構(gòu)簡單，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反饋就能對位置和速度進行控制。但是由于采用開環(huán)控制，沒有誤差校正能力，運動精度較差，負(fù)載和沖擊震動過大時會造成“失步”現(xiàn)象。
b.直流伺服電機：直流伺服電機具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動力矩，相對功率大及快速響應(yīng)等特點，并且控制技術(shù)成熟。其安裝維修方便，成本低。
c.交流伺服電機：交流伺服電機結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，使用維修方便，與步進電機相比價格要貴一些。隨著可關(guān)斷晶閘管GTO，大功率晶閘管GTR和場效應(yīng)管MOSFET等電力電子器件、脈沖調(diào)寬技術(shù)(PWM)和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，使交流伺服電機在調(diào)速性能方面可以與直流電機媲美。采用16位CPU+32位DSP三環(huán)(位置、速度、電流)全數(shù)字控制，增量式碼盤的反饋可達到很高的精度。三倍過載輸出扭矩可以實現(xiàn)很大的啟動功率，提供很高的響應(yīng)速度。
d.液壓伺服馬達：液壓伺服馬達具有較大的功率/體積比，運動比較平穩(wěn)，定位精度較高，負(fù)載能力也比較大，能夠抓住重負(fù)載而不產(chǎn)生滑動，從體積、重量及要求的驅(qū)動功率這幾項關(guān)鍵技術(shù)考慮，不失為一個合適的選擇方案。但是，其費用較高，其液壓系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。為避免本系統(tǒng)也出現(xiàn)同類問題，在可能的前提下，本系統(tǒng)將盡量避免使用該種驅(qū)動方式。
常用的驅(qū)動器有電機和液壓、氣動驅(qū)動裝置等。其中采用電機驅(qū)動是最常用的驅(qū)動方式。電極驅(qū)動具有精度高，可靠性好，能以較大的變速范圍滿足機器人應(yīng)用要求等特點。所以在這次設(shè)計中我選擇了直流電機作為驅(qū)動器。因為它具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。
本課題的機器人將采用直流伺服電動機。因為它具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、輸出力矩和電流成比例、伺服性能好、反應(yīng)快速、功率重量比大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。
2.1.5 控制系統(tǒng)選擇
對于噴涂機器人這種精度要求不高的工業(yè)機器人，大多采用示教再現(xiàn)編程。示教方式作為一種成熟的技術(shù)，易被熟悉工作任務(wù)的人員掌握。無論是手把手示教或示教盒示教，都是以在線編程，由示教操作人員操作移動末端執(zhí)行器和手臂到所需的位置。然后記錄（存儲）下這些操作和數(shù)據(jù)。示教過程完成后，即可應(yīng)用，機器人以再現(xiàn)方式重復(fù)進行示教時存于存儲器的點位、軌跡和各種操作。再現(xiàn)過程的速度可以與示教時速度不同。
利用示教手柄由人工引導(dǎo)末端執(zhí)行器經(jīng)過所要求的軌跡，此時位置傳感器就檢測出機器人操作機上各關(guān)節(jié)處的坐標(biāo)（或轉(zhuǎn)角）值，控制系統(tǒng)的裝置記錄（儲存）下這些數(shù)字化的數(shù)據(jù)信息。再現(xiàn)時，機器人控制系統(tǒng)重復(fù)再現(xiàn)示教者示教的軌跡和操作技能。手把手示教也能實現(xiàn)點位控制，所不同的是它只記錄各軌跡程序段的兩端位置。軌跡運動速度則按各軌跡程序段對應(yīng)的功能數(shù)據(jù)輸入。
2.1.6 確定機器人手臂的配置形式
手臂的配置形式反映了機器人操作機的總體布局。根據(jù)任務(wù)要求,要實現(xiàn)機器人噴涂功能,則機器人的工作范圍要廣,所以我選擇了立柱式的配置方式。其特點是占地面積小,工作范圍大,機器人手臂可繞立柱回轉(zhuǎn)。
根據(jù)分析,可將機器人的參數(shù)列在表2-1中：
表2-1機器人的主要參數(shù)
技術(shù)要求：
自由度數(shù)： 5
驅(qū)動方式： 步進電機驅(qū)動
負(fù)載重量： 2 kg
運動范圍：
機身 ±130o
大臂 前俯30o,后仰10o
小臂 俯仰±30o
腕轉(zhuǎn) ±120o
腕擺 ±120o
工作空間： 2500╳1200╳1100 m
噴槍最大工作速度： ≥0.8 m/s
控制方式： 開環(huán)連續(xù)軌跡控制
重復(fù)定位精度： ±3~±5 mm
示教方式： 手把手CP示教
2.2 機器人臂材料選擇
機器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來選擇。根據(jù)設(shè)計要求，機器人手臂要完成各種運動。因此，對材料的一個要求是作為運動的部件，它應(yīng)是輕型材料。而另一方面，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。
機器人手臂材料首先應(yīng)是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時，不應(yīng)有變形和斷裂。從力學(xué)角度看，即要具有一定的強度。手臂材料應(yīng)選擇高強度材料，如鋼、鑄鐵、合金鋼等。機器人手臂是運動的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比較輕。綜合而言，應(yīng)該優(yōu)先選擇強度大而密度小的材料做手臂。其中，非金屬材料有尼龍6、聚乙烯和碳素纖維等；金屬材料以輕合金為主。在我們的設(shè)計中為減輕機器人本體的重量選用鑄鋁材料。
2.3 噴漆機器人工作空間的計算
對于噴漆機器人工作空間和噴槍軌跡的計算是相對比較復(fù)雜的過程，可參考查閱的研究資料較多，因此在本課題的設(shè)計中不作詳細的研究。根據(jù)已給出的技術(shù)要求工作空間為 2500╳1200╳1100 mm3， 確定噴漆機器人在長、寬、高三個方向的極限位置，從二維空間工作圖中模擬噴槍的軌跡，如圖2.3所示，即可通過聯(lián)立方程組（2.1）求出大、小臂長度的近似值。
圖2.3 噴漆機器人工作空間示意圖
圖中，、分別為大臂、小臂的長度。
列出方程組計算：
（2.1）
經(jīng)過計算圓整得出大、小臂長度：為900mm，為800mm。
3 噴涂機器人小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 電動機的選擇
設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為JG1、JG2、JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為:
（3-1）
、、分別為10kg(包括負(fù)載2kg)、5kg、12kg。、、分別為重心到第一關(guān)節(jié)軸的距離，其值分別為185mm、800mm、1500mm，在式（3-1）中、、故、、可忽略不計。所以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為：
（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 。
則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下
（3-3）
式中：——旋轉(zhuǎn)開始的轉(zhuǎn)矩
——角加速度
使機器人主軸從到/s所需時間為:則：
若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)
開始時的啟動轉(zhuǎn)矩可假定為
電動機的功率可按下式估算
（3-4）
式中： ——電動機功率 ；
——負(fù)載力矩 ；
——負(fù)載轉(zhuǎn)速 ；
——傳動裝置的效率，初步估算取0.9；
系數(shù)1.5～2.5為經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取1.5
估算后就可選取電機，使其額定功率滿足下式
（3-5）
選擇QZD-08串勵直流電動機
表3-1 QZD-08串勵直流電動機技術(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
工作制
（min）
800
24
46.2
1750
串勵
B
60
3.2 小臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計
小臂殼體采用鑄鋁，方形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強度大。
3.3 小臂電機及減速器選型
本噴涂機器人小臂部兩個自由度是平面旋轉(zhuǎn)，若軸承是光滑的，則旋轉(zhuǎn)所需的靜轉(zhuǎn)矩比較小。因為將臂伸開呈一條直線時轉(zhuǎn)動慣量最大，所以在旋轉(zhuǎn)開始時可產(chǎn)生步進電機的轉(zhuǎn)矩不足。如圖3-1所示，設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為JG1、JG2、JG3，根據(jù)平行軸定理可得繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為：
J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22+JG3+M3L32 （3.1）
其中：M1，M2，M3分別為負(fù)載2Kg，手臂1Kg，腕部4Kg；L1，L2，L3分別其長度。JG1〈〈M1L12、JG2〈〈M2L22、JG3〈〈M3L32，故可忽略不計，以繞第一關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量為：
J1= M1L12+M2L22+M3L32 (3.2)
=4×0.1432+1×0.4452+4×0.5422
=1.46kg.m2
同理可得小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動慣量：
M2=2Kg，L4=97mm；M3=4Kg，L5=194mm。
J2=M2L42+M3L52 (3.3)
=1×0.0972+4×0.1942
=0.16kg.m2
設(shè)小臂轉(zhuǎn)速，角速度從0加到所需加速時間，則同步帶應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩為：
(3.7)
若考慮繞機器人手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時的啟動轉(zhuǎn)矩可假定為10N.m，取安全系數(shù)為2，則諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：
(3.5)選擇諧波減速器：
⑴型號：XB3-50-100
額定輸出轉(zhuǎn)矩：20N.m
減速比：i1=100
設(shè)諧波減速器的的傳遞效率為：，步進電機應(yīng)輸出力矩為：
(3.6)
選擇BF反應(yīng)式步進電機
型號：55BF003
靜轉(zhuǎn)矩：0.686N.m
步距角：1.5°
3.3.1.傳動結(jié)構(gòu)形式的選擇
該減速器是電傳動減速的諧波齒輪裝置。要求其傳動比較大﹑結(jié)構(gòu)簡單緊湊﹑效率較高﹑承載力較高﹑通用性良好。因此本設(shè)計方案所選的結(jié)構(gòu)形式為剛輪固定﹑波發(fā)生器主動和柔輪從動比較合適。為了便于采用標(biāo)準(zhǔn)刀具來加工柔輪和剛輪，特選取壓力角的漸開線齒廓。
3.3.2.幾何參數(shù)的計算
齒數(shù)的確定
柔輪齒數(shù)：
剛輪齒數(shù)：
已知模數(shù)：，則
柔輪分度圓直徑：
鋼輪分度圓直徑：
柔輪齒圈處的厚度：
重載時，為了增大柔輪的剛性， 允許將δ1計算值增加20%，即
柔輪筒體壁厚：
為了提高柔輪的剛度，取
輪齒寬度：
輪轂凸緣長度：取
柔輪筒體長度：
輪齒過渡圓角半徑：
為了減少應(yīng)力集中，以提高柔輪抗疲勞能力，取
由于采用壓力角的漸開線齒廓，傳動的嚙合參數(shù)可按考慮到構(gòu)件柔度的計算公式，即按如下公式進行計算。
3.4 凸輪波發(fā)生器及其薄壁軸承的計算
滾珠直徑：
柔輪齒圈處的內(nèi)徑：
則：
軸承外環(huán)厚度：由于工藝上的要求，可將外環(huán)做成無滾道的
軸承內(nèi)環(huán)厚度：
內(nèi)環(huán)滾道深度：
式中的是考慮到外環(huán)無滾道而內(nèi)環(huán)滾道加深量。
軸承內(nèi)外環(huán)寬度：所用為滾珠軸承，近似等于齒寬
軸承外環(huán)外徑：
軸承內(nèi)環(huán)內(nèi)徑：
為了便于制造，采用雙偏心凸輪波發(fā)生器。
則凸輪圓弧半徑：
其中ｅ是偏心距：
（—剛輪分度圓直徑，—柔輪分度圓直徑）
則凸輪圓弧半徑：
凸輪長半軸：
凸輪短半軸：
3.4.1柔輪齒面的接觸強度的計算
根據(jù)諧波傳動傳動比大的特點，其柔輪和剛輪的齒數(shù)較多，齒形很接近于直線。故實際諧波齒輪傳動的載荷能力主要應(yīng)由柔輪齒側(cè)工作表面的最大接觸應(yīng)力所限制。因此，諧波齒輪傳動的柔輪齒側(cè)面應(yīng)滿足如下接觸強度條件：
接觸強度計算公式：
—輸出轉(zhuǎn)矩
—柔輪節(jié)圓半徑
—柔輪輪齒寬
—剛輪壓力角
—接觸系數(shù)（0.4~0.9）
對于一般雙波傳動，輪齒寬許用接觸應(yīng)力
則：
所以滿足齒面的接觸強度要求。
3.4.2柔輪疲勞強度的計算
諧波齒輪傳動中輪齒的工作特點是：齒面的摩擦滑移接觸和柔輪承受著反復(fù)的交變載荷。為了使柔輪在循環(huán)的彈性變形下能正常工作，除滿足耐磨條件外，還必須進行柔輪的疲勞強度計算。
柔輪材料采用 調(diào)制硬度229~269。
計算柔輪在反復(fù)彈性變形狀態(tài)下工作時所產(chǎn)生的交變應(yīng)力幅和平均應(yīng)力為
截面處正應(yīng)力：
切應(yīng)力：
由扭矩產(chǎn)生的剪切應(yīng)力：
其中：
則：
驗算安全系數(shù)：
疲勞極限應(yīng)力：
應(yīng)力安全系數(shù)：
其中，抗拉屈服極限：
剪切應(yīng)力集中系數(shù)：
則滿足疲勞強度條件。
3.5 軸結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計
考慮到軸的載荷較大，材料選用45,熱處理調(diào)質(zhì)處理,取材料系數(shù)
所以,有該軸的最小軸徑為:
考慮到鍵槽的影響，所以dmin取值為17MM,具體結(jié)構(gòu)如下：
3.6 軸的受力分析及計算
軸的受力模型簡化(見圖7)及受力計算
圖 軸的受力分析知：
3.7 軸承的壽命校核
鑒于調(diào)整間隙的方便,軸承均采用正裝.預(yù)設(shè)軸承壽命為3年即12480h.
校核步驟及計算結(jié)果見下表:
表1 軸承壽命校核步驟及計算結(jié)果
計算步驟及內(nèi)容
計算結(jié)果
6014
A端
B端
由手冊查出Cr、C0r及e、Y值
Cr=98.5kN
C0r=86.0kN
e=0.68
計算比值Fa/Fr
FaA /FrA
e
確定X、Y值
XA=1 YA =0
查載荷系數(shù)fP
1.2
計算當(dāng)量載荷
P=Fp(XFr+YFa)
PA=5796.24 PB=6759.14
計算軸承壽命
763399h
大于
12480h
由計算結(jié)果可見軸承6014AC、6007均合格，最終選用軸承6014。
四、軸的強度校核
經(jīng)分析知C、D兩處為可能的危險截面，
現(xiàn)來校核這兩處的強度：
（1）、合成彎矩
（2）、扭矩T圖
（3）、當(dāng)量彎矩
（4）、校核
由手冊查材料45的強度參數(shù)
C截面當(dāng)量彎曲應(yīng)力：
由計算結(jié)果可見C截面安全。
各軸鍵、鍵槽的選擇及其校核
因減速器中的鍵聯(lián)結(jié)均為靜聯(lián)結(jié),因此只需進行擠壓應(yīng)力的校核.
一、 電機鍵的選擇及校核:
帶輪處鍵:按照帶輪處的軸徑及軸長選 鍵B8X7,鍵長50,GB/T1096
聯(lián)結(jié)處的材料分別為: 45鋼(鍵) 、40Cr(軸)
(1) 剛輪處鍵: 按照輪轂處的軸徑及軸長選 鍵B14X9GB/T1096
聯(lián)結(jié)處的材料分別為: 20Cr (輪轂) 、45鋼(鍵) 、20Cr(軸)
此時, 鍵聯(lián)結(jié)合格.
(2)輸出軸處鍵: 按照聯(lián)軸器處的軸徑及軸長選 鍵16X10,鍵長100,GB/T1096
聯(lián)結(jié)處的材料分別為: 45鋼 (聯(lián)軸器) 、45鋼(鍵) 、45(軸)
其中鍵的強度最低,因此按其許用應(yīng)力進行校核,查手冊其
該鍵聯(lián)結(jié)合格.
總 結(jié)
我國機器人的研究和應(yīng)用起步較晚，但是隨著國內(nèi)外機器人的快速發(fā)展、社會需求的增大和技術(shù)的進步，噴涂機器人得到了迅速的發(fā)展，多品種、少批量生產(chǎn)方式和為提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的生產(chǎn)工藝需求，是推動裝噴涂機器人發(fā)展的直接動力。機器人在輕型、較簡單且要求機器人價格較低的噴涂作業(yè)中大顯了身手。本課題正是在這種背景下提出來的，這是一項具有重要意義的課題。
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致 謝
畢業(yè)設(shè)計是將大學(xué)所學(xué)的知識融合在一起，綜合運用所有的相關(guān)專業(yè)知識，是課本知識在實際中的應(yīng)用。通過這次畢業(yè)設(shè)計，使我的專業(yè)知識在原有的基礎(chǔ)上得到更加的鞏固和提高，這離不開老師和同學(xué)們的幫助。本設(shè)計分析是在老師的指導(dǎo)下完成的，在分析的過程中，尹長城老師給了我很大的鼓勵，在設(shè)計分析中引導(dǎo)我去思考了更多的設(shè)計思路，增強了我的學(xué)習(xí)能力，與我們一起討論問題，使我對分析有了更清晰明確的認(rèn)識，使我受益非淺。
畢業(yè)設(shè)計是我們專業(yè)知識綜合應(yīng)用的實踐訓(xùn)練，這是我們邁向社會、從事職業(yè)工作前一個必不可少的過程。“千里之行始于足下”，通過這次課程設(shè)計，我深深體會到這句千古言的真正含義。我今天認(rèn)真地進行課程設(shè)計，學(xué)會腳踏實地地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎(chǔ)。
說實話，畢業(yè)設(shè)計真是有點累。然而一著手清理自己的設(shè)計結(jié)果，仔細回味畢業(yè)設(shè)計的心路歷程，一種少有的成功喜悅即刻使我倦意頓消。雖然這是我剛學(xué)會走完的第一部，是我人生中的一點小小的勝利，然而它令我感到自己成熟了許多。
通過畢業(yè)設(shè)計，使我深深體會到，干任何事都必須耐心、細致。課程設(shè)計過程中，許多計算有時不免令我感到有些心煩意亂；有時應(yīng)為不小心計算出錯，只能毫不留情地重做。但一想起老師平時多耐心的教導(dǎo)，想到今后自己應(yīng)當(dāng)承擔(dān)的社會責(zé)任，想到世界上因為某些細小失誤而出現(xiàn)的令世人無比震驚的事故，我不禁時刻提醒自己，一定要養(yǎng)成一種高度負(fù)責(zé)、一絲不茍的良好習(xí)慣。
由于畢業(yè)時間的倉促，很多本來應(yīng)該弄懂弄透的地方都沒有時間去細細追究來源，比如網(wǎng)格劃分的控制、坐標(biāo)系的理解、求解器的選擇等，這使我明白了大學(xué)里學(xué)的只是一個大體上的方向，離實際應(yīng)用還有太遠的距離。但我相信方向才是最重要的，因為方向確定了，就會用最少的精力做好事情，這對于我以后的工作至關(guān)重要。因為在實際生產(chǎn)生活中，要從事的工種是千差萬別的，只有從中找到自己最拿手，最有發(fā)展前途的崗位，個人才有更多的熱情，也最可能在自己的崗位做出一些貢獻。