喷漆机器人设计机身系统设计大学论文.docx

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喷漆机器人设计机身系统设计大学论文

摘要

本文对涂装机器人-机身系统设计展开了研究，阐述了涂装机器人的发展与应用，以及其特点和组成，未来发展趋势。

根据任务书要求确定了涂装机器人的总体方案，尤其是机身系统的各个部件的设计计算。

电机的选择，齿轮的设计计算以及强度校核，轴的设计计算和强度校核，轴承的选择和寿命校核，以及联轴器的选择和校核，键的设计和强度校核。

简述了腰部内部电缆安装方式。

最后运用CAD等软件设计图纸并进行结构优化。

关键词涂装机器人总体设计机身设计

毕业设计说明书（论文）外文摘要

TitlePaintingRobot-AirframeSystemsDesign

Abstract

Thisarticleonthepaintingrobot-launchedaresearchbodysystem,

describedthedevelopmentandapplicationofcoatingrobot,Anditscharacteristicsandcomposition，Futuretrends.Accordingtothemissionstatementcallsfortheidentificationofthepaintingrobot'soverallprogram,AirframeSystemsDesignandcalculationofthevariouscomponentsinparticular.Motorchoice，Geardesignandstrengthcheckcalculation,Shaftdesigncalculationandstrengthcheck，Checkbearingandlifechoices,andthecouplingofselectionandverification,Keydesignandstrengthcheck.Outlinedwithinthecableinstallationwaist.Finally,weusesoftwaresuchasCADdesigndrawingsandstructuraloptimization.

KeywordsPaintingrobotTheoveralldesignFuselagedesign

1引言

1.1喷漆机器人的研究及应用

1.1.1概述

当今，为了提高产率，保障产品质量，企业的高程度自动化生产要求各类工业机器人在自动化生产线上扮演着非常重要的角色。

并且，工业机器人的种类及技术水平的提高在很大程度上对促进该国工业自动化有着巨大意义。

在制造许多像汽车、家具及家用电器等耐用产品的过程中，油漆或者其他涂料的喷涂是一道非常重要的工序。

对一个产品而言，涂料的均匀性对其质量有着非常大的影响，自然地，喷涂质量高，所以工作稳定性好的喷漆机器人应运而生[1]。

与人力相比，喷漆机器人工作稳定，效率高，其工作强度及工作环境的适应能力上都有着巨大优势。

而机身的优劣更是机器人能否稳定并且高效地工作的决定因素[2]。

本课题设计的喷漆机器人机身是整个机器人的基础。

机身运动的平稳性关系到整个机器人喷漆工作时的稳定性及工作效率。

1.1.2喷漆机器人的发展应用

早在1975年,喷漆机器人已在应用。

由于能够代替人在危险恶劣的环境下进行喷涂作业，所以喷漆机器人日益广泛应用于汽车车体、仪表、家电产品、陶瓷和各种塑料制品的喷涂作业[3～5]。

目前，机器人发展正走向多样化、高智能的方向。

机器人的技术正向具有行走能力、多种感觉能力以及对作业环境的自适应能力方面发展。

美国机器人技术的研究水平处于领先地位。

而同时日本生产的机器人在数量种类方面居世界首位[3]。

我国机器人技术起步晚，总的来看，我国制造工业机器人的技术比国外差相当大的水准，例如：

可靠性较低；应用领域狭隘；应用规模较小。

现在，我国生产喷漆机器人前都是应用户的请求去专门的设计，品种和规格繁冗、零部件通用化程度较低、这样成本太高，而且喷涂的质量、可靠性不稳定。

因此产业化前期迫切需要解决一些关键的技术，全面地进行进行产品规划，系列化、通用化、模化设计等[6～10]。

近年来，国内汽车行业的迅速发展使得机器人喷漆技术水准得到很大提高。

中国已研制出的喷漆机器人中，EP-500S型电动机的喷涂机器人已成功应用于中、小型电动机、汽车后桥、照明灯、卫生陶瓷和电器开关的喷涂作业[11]。

1.2喷漆机器人发展趋势

经过多年的发展，喷漆机器人尤其在在汽车产业中，以其稳定效率的喷涂技术而广受青睐。

当下，喷漆机器人在速度、精度、可靠性、操作和维修方面的水准不断提高。

控制系统向也在向基于计算机的开式控制方向发展，便于标准化、网络化；元件高度集成，控制装置小型化，结构采用模块化；大大提高了系统的稳定性、操作性与可维修性[14]。

随着喷涂精度，稳定性能的要求越来越高，除传统的位置、速度、等传感器外，视觉、声觉、力觉、触觉等多种传感器开始广泛应用于喷漆机器人中，并且水准日渐成熟。

不仅如此，操作者远端作业要求虚拟技术在机器人中的作用不再局限于仿真、预演，甚至可以用于过程控制，使人产生身临其境感觉来操纵机器人[15]。

随着机器人智能化水准的提高，喷漆机器人的应用领域也在不断地扩大，从汽车制造业到其他各制造业，喷漆机器人在提高产品表面质量方面发挥着重要作用[12～14]。

1.3课题总结

本文论证了总体方案，采用关节型坐标机器人方案，驱动方式为步进电机驱动，利用齿轮传动实现机身的转动，利用滚珠丝杠螺母副配合实现臂的摆动，而腕部的动作利用链轮与锥齿轮传动，手把手示教方式。

确定总体方案后，并进行了机身系统的设计：

利用步进电机驱动，为使电机转矩达到负载要求，利用二级齿轮减速传动使步进电机降低转速提高转矩，并利用一对圆锥齿轮啮合改变电机的传动方向，避免电机倒置造成上下结构干涉。

机身外壳拟用铸铁HT250铸造，外形及型腔尺寸由内部结构决定。

2喷漆机器人总体设计

由设计任务书，该喷漆机器人具有5个自由度，采用步进电机驱动，工作负载重量2.5kg，各部件的运动范围为：

机身±120º；大臂前俯30º，后仰10º；小臂俯仰±30º；腕转±120º；腕摆±120º，工作空间为2600×800×1600mm3，重复定位精度±3mm～±6mm。

2.1喷漆机器人坐标系的确定

常见的机器人坐标形式分为以下几种：

（1）直角（笛卡尔）坐标型

机器人的主体结构的关节都是移动关节

直角坐标形式结构简单，刚度高；关节之间运动相互独立，没有耦合作用。

（2）圆柱坐标型

圆柱坐标形式又两个滑动关节和一个旋转关节来确定位置，再附加一个旋转关节来确定部件的姿态，工作范围呈圆柱形状。

该形式的机器人可以绕一个中心轴旋转一个角，工作范围可以扩大，切计算简单；柱坐标移动座可沿柱坐标移动导轨上下移动;柱坐标移动导轨配合其他机构可以抬高机器作业高度。

（3）球坐标型

球坐标形式即用一个滑动关节和两个旋转关节来确定部件的位置，再用一个附加的旋转关节确定部件的姿态。

这种形式的机器人可以绕中心轴旋转，中心支架附近的工作范围大。

（4）关节型

该坐标形式三个自由度均为回转运动，构成机器人的回转运动、俯仰运动和偏转运动。

应用多关节形式：

旋转：

完成机身周向运动；俯仰：

大臂及小臂调节喷枪与待喷涂面的夹角，最后利用腕部的平动调节最合适的喷涂角度。

使得该形式机器人动作灵活，符合总体方案要求。

基于以上，该喷漆机器人设计应用多关节坐标形式。

2.2工作空间设计

图2.1是机器人工作空间的示意图。

图2.1喷漆机器人工作空间示意图

图中，,分别为大臂、小臂的长度；

分别为大臂的仰俯角度；

分别为小臂的仰俯角度。

由喷漆机器人工作空间的示意图，得到工作空间的范围：

长×宽×高=2800×800×1600。

由此计算：

圆整后得到的大、小臂长度为：

2.3驱动方式的确定

常见的驱动方式按动力元件不同可分为电动驱动、液动驱动和气动驱动三种。

其对应的驱动元件为电动机、液压马达及液压缸、气缸及气马达。

（1）步进电动机驱动：

该驱动适合中等负载，尤其适合动作复杂，运动轨迹精度要求高的工业机器人。

（2）液压驱动：

液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，位置精度高且该传动较易实现自动控制。

但是，工作性能会受高温受到影响；存在液压油泄漏，防爆等问题。

（3）气压驱动：

压缩空气粘度小，可以满足高速要求；并且作为介质的空气对不存在污染；另外，低工作压力降低制造要求。

但是该种工作特性难以在不增大结构条件下提供大工作压力；速度难以控制使得稳定性能差；且排气时会带来噪音。

由精度和输出功率等综合考虑，选用电机驱动。

而在设计喷漆机器人选用电动机的时对其性能一般考量以下几个方面：

机器人的灵巧、质轻要求所选电动机小而轻；机器人的可维护性要求所选电机在实际工作中不必维护直至报废；除此之外，电机良好的稳定性、响应快速、控制方便及可适应各种可能工作环境尤为重要。

由于伺服电动机的电刷易磨损造成火花放电，驱动功率较大且价额昂贵；相反，步进电动机的运行步距角与且只与脉冲频率成正比；并且它结构简单、精度高、调速范围大、工作响应灵敏。

基于以上，喷漆机器人驱动方式选用步进电机驱动。

2.4传动方式的确定

机器人常用的传动方式如下所示：

直线传动：

齿轮齿条装置：

通常齿条固定不动，当齿轮传动时，齿轮轴连同托板沿齿条方向做直线运动，从而将齿轮的旋转运动转换成托板的直线运动，托板由导轨支承。

但是回差较大

普通丝杠：

该驱动由一个旋转的精密丝杠驱动一个螺母沿丝杠轴向移动。

但是普通丝杠摩擦力较大，效率低，惯性大，在低速时容易产生爬行现象，而且精度低，回差大，机器人很少应用。

滚珠丝杠：

滚珠丝杠摩擦小，运动响应速度快，传动效率高消除低速时产生的爬行现象，若在装配时施加一定预紧力还可以消除回差。

旋转传动：

齿轮链结构：

齿轮链传动不但可以传递运动角位移和角速度，而且可以传递力和力矩。

但是齿隙误差会带来系统的不稳定性。

皮带结构：

皮带柔性好，价格便宜。

同步齿带结构：

同步齿带传动精度高适合动作精度要求高的传动。

根据对以上各种传动方式的特点和应用场合等分析，针对喷漆机器人，机身的转动采用两级齿轮传动；大臂和小臂的摆动采取步进电机驱动滚珠丝杠来实现；腕部的转动通过一级链传动和一级锥齿轮传动来实现；腕部的摆动直接通过两级链传动来实现。

为减轻自重，将小臂电机装在机身转盘上，同时将腕部的电机安装在大臂的底部以降低重心。

大臂电机安装在电机支撑架上，机身自身驱动电机安装在箱体上，减轻支撑架的负载，提高运行精度。

总体结构如图2.2所示。

1——小臂体2——手腕3——大臂体4——步进电机（大臂用）

5——步进电机（小臂用）6——步进电机（机身用）7——机身

8——步进电机（手腕俯仰用）9——步进电机（手腕摇摆用）

图2.2喷漆机器人的总体装配示意图。

3机身设计

机身系统部件的结构设计。

（1）支撑架的设计

支撑架主要承载大小臂上所有零件的重量，左端设计大臂平衡弹簧的固定连接孔，右端设计大臂驱动电机支撑架。

考虑机身回转时的偏心力，合理设计支撑架与回转轴的连接，采用柱销式连接，两边用螺钉紧固。

同时设计一个支撑圆盘加以固定，使其转动更加平衡。

为了减轻自重，选用ZL401材料。

（2）机座的设计

机座在中间轴对应的位置处加工一个轴承固定座，其他