機械畢業(yè)設計（論文）-噴漆機器人的設計【全套圖紙】

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1、I 摘要 隨著中國加入世貿組織，國內的噴漆行業(yè)面臨著一個非常嚴峻的問題，就 是如何引進國外的先進技術提高生產率，其中就有噴漆機器人技術的引進和開 發(fā)。在噴漆操作中產生的煙霧、有毒氣體和灰塵等對人體的健康有影響，另一 個原因是有些噴漆部位人很難進行操作或者根本不能操作，基于上述的原因國 內的廠家迫切需要用噴漆機器人代替人進行噴漆作業(yè)。本次設計的“噴漆機器 人”就是為了解決這些問題。該機器人不但能代替人在危險或有毒害的工作環(huán) 境中穩(wěn)定的工作，而且它又巧妙地解決了噴漆線中某些復雜部位的噴漆。它有 五個自由度，運轉靈活，手腕的兩個自由度控制直接決定了噴漆的質量和效率。 這次機器人的總體結構設計是機器人

2、設計中重要的部分，它是根據生產中的實 際問題而采取的有效方法，不僅具有理論研究價值，而且具有現實意義。它可 以打開我國的機器人生產品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周 期長、成本高，而且質量、可靠性不穩(wěn)定的僵局。 關鍵詞：關鍵詞：噴漆機器人；結構設計；大臂；小臂 全套圖紙，加全套圖紙，加 153893706 II Abstract Following China joining in the WTO, spray-paint of industry in our country faces a machine for very rigorous problem whatever in

3、troduce into advanced technology to increase productivity，spray-paint robot technologys introduce into and open out. Smog、toxicant and dust affect Gods image health in the course of the spray-paint, to all do harm to the human body to is some to spray-paint the part person very difficult proceeding

4、operation or the root cant operate, base on upper reason that internal factory is a impendence thing that require to use spray-paint robot for replacing man to joining work. The design of the spray-paint robot aim to resolve these problem. It can not only replace the person at the work that dangerou

5、s or poisonous harm to inside steady, and it is again skillfully to resolve the spray- paint of some and complicated part of inside of spray-paint line. Two free degree controls that it have five free degrees, revolves is vivid, and the wrist come to a decision the weddings quantity with the efficie

6、ncy. The total construction design of robot of this Arc spray-paint is a Arc spray-paint robot the system inside is extremely important a the part, it is according to the valid method that actual problem within production and then adopt, and not only have the theories research the value, but also ha

7、ve the realistic meaning. it can open the deadlock of our countrys robots lots of variety standards, little of batch, lowness of parts general use, the long cycle of supply, the high cost, and that the quality and dependability is unsteadiness. Keywords: Paint machine; structural design; big arm; fo

8、rearm III 目錄 摘要I Abstract.II 第 1 章 緒論 .1 1.1 概述1 1.2 工業(yè)機器人的構成及分類2 1.2.1 工業(yè)機器人的構成 .2 1.2.2 機器人的分類 .3 1.3 研究工業(yè)機器人的意義和目的5 1.3.1 研究工業(yè)機器人的意義 5 1.3.2 研究工業(yè)機器人目的 8 第 2 章 噴漆機器人的方案設計 .10 2.1 確定驅動系統(tǒng)10 2.2 確定驅動機型和自由度10 2.3 確定傳動方式11 2.4 確定運動桿長和各軸的運動范圍11 2.5 確定臂桿結構和平衡方式12 第 3 章 噴漆機器人結構及傳動系統(tǒng)設計 .13 3.1 底座及腰部設計13 3.

9、1.1 腰部傳動系統(tǒng)設計 13 3.1.2 箱體設計 25 IV 3.2 大臂及小臂設計26 3.2.1 大臂驅動部分的設計 26 3.2.2 小臂驅動部分的設計 35 3.2.3 選擇減速器 37 3.2.4 同步帶的設計計算 39 3.3 腕部設計41 第 4 章 工業(yè)機器人的控制系統(tǒng) .43 4.1 控制特點與分級43 4.1.1 工業(yè)機器人的控制有如下特點 43 4.1.2 機器人控制系統(tǒng)分級 44 4.2 運動控制方式45 4.2.1 點位控制方式 45 4.2.2 連續(xù)軌跡控制方式 46 4.3 控制裝置的軟件系統(tǒng)48 4.3.1 噴漆機器人軟件系統(tǒng) 48 4.3.2 噴漆機器人噴

10、漆系統(tǒng) 49 結論 .50 致謝 .51 參考文獻 .52 1 第 1 章 緒論 1.1 概述 工業(yè)機器人是工業(yè)制造及物流自動化中的重要裝置之一，是當今世界新技 術革命的一個重要標志。工業(yè)機器人是一種典型的機電一體化產品，它大體上 分解為四個部分：機器人本體、末端執(zhí)行器、傳感器和控制器1。在科技界， 科學家會給每一個科技術語一個明確的定義，但機器人問世已有幾十年，機器 人的定義仍然仁者見仁，智者見智，沒有一個統(tǒng)一的定義。原因之一是機器人 還在發(fā)展，新的機型，新的功能不斷涌現。根本原因主要是因為機器人涉及到 了人的概念，成為一個難以回答的哲學問題。就像機器人一詞最早誕生于科幻 小說之中一樣，人們

11、對機器人充滿了幻想。也許正是由于機器人定義的模糊， 才給了人們充分的想象和創(chuàng)造空間。 而我國科學家對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，所不同 的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、 動作能力和協同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器” 2。在研究和開 發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機器人的過程中，人們逐步認識到機器人技術的 本質是感知、決策、行動和交互技術的結合。隨著人們對機器人技術智能化本 質認識的加深，機器人技術開始源源不斷地向人類活動的各個領域滲透。結合 這些領域的應用特點，人們發(fā)展了各式各樣的具有感知、決策、行動和交互能 力的特種機器人和各種智能機

12、器，如移動機器人、微機器人、水下機器人、醫(yī) 療機器人、軍用機器人、空中空間機器人、娛樂機器人等。對不同任務和特殊 環(huán)境的適應性，也是機器人與一般自動化裝備的重要區(qū)別。這些機器人從外觀 上已遠遠脫離了最初仿人型機器人和工業(yè)機器人所具有的形狀，更加符合各種 不同應用領域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增強，從而為機器人技術 開辟出更加廣闊的發(fā)展空間。 而人們一般對機器人作如下的定義：“機器人是一種自動控制的通過編程 可完成某些手工操作或搬運作業(yè)的機器”。 機器人的產生和推廣是社會生產和發(fā)展的需要，也是現代生產和科學發(fā)展 2 的新技術產品。機器人已經在工業(yè)生產、資源開發(fā)、社會服務、排險救災以及 軍

13、事技術等方面發(fā)揮著愈來愈多的作用。機器人可以在有毒、噪聲、高溫、易 燃、易爆等危險有害的環(huán)境中代替人長期穩(wěn)定的工作，從根本上解決了操作者 的安全保障問題。采用機器人更能夠擴大人類的活動領域和能力。機器人可以 在諸如深海、高壓、輻射、外層空間等人類不能適應的條件下長期可靠的工作， 因此在深海采礦、宇宙探索、衛(wèi)星的空間維修、高輻射條件下調試等領域，都 可以依靠機器人來操作。隨著計算機技術、控制技術、人工智能的發(fā)展，機器 人技術得到迅速發(fā)展，出現了更為先進的可配視覺、觸覺的機器人。 1.2 工業(yè)機器人的構成及分類 1.2.1 工業(yè)機器人的構成 工業(yè)機器人由執(zhí)行機構、驅動裝置、控制系統(tǒng)、智能系統(tǒng)組成，

14、 其中構執(zhí)行機構(也稱操作機)是機器人賴以完成工作任務的實體，通常由桿件 相關節(jié)組成。從功能的角度，執(zhí)行機構可分為：手部、腕部、臂部、腰部和基 座等。 1.手部 手部又稱末端執(zhí)行器，是工業(yè)機器人直接進行工作的部分和各種夾持器。 有時人們也常把諸如電焊槍、油漆噴頭等劃作機器人的手部。 2.腕部 腕部與手部相連，通常有 3 個自由度，多為輪系結構，主要功用是帶動手 部完成預定姿態(tài)，是操作機中結構較為復雜的部分。 3.臂部 臂部用以連接腰部和腕部，通常由兩個臂桿(小臂和大臂)組成，用以帶 動胸部作平面運動。 4.腰部 腰部是連接管和基座的部件，通常是回轉部件，腰部的回轉運動再加上 臀部的平面運動，就

15、能使腰部作空間運動。腰部是執(zhí)行機構的關鍵部件，它 的制造誤差、運動精度和平穩(wěn)性，對機器人的定位精度有決定性的影響。 5.基座 3 基座是整個機器人的支持部分，有固定式和移動式兩種。該部件必須具 有足夠的剛度和穩(wěn)定性。 1.2.2 機器人的分類 我國的機器人專家從應用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩大類，即工業(yè)機器 人和特種機器人。所謂工業(yè)機器人就是面向工業(yè)領域的多關節(jié)機械手或多自由 度機器人。而特種機器人則是除工業(yè)機器人之外的、用于非制造業(yè)并服務于人 類的各種先進機器人，包括：服務機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機 器人、農業(yè)機器人、機器人化機器等。3在特種機器人中，有些分支發(fā)展很快， 有獨立成體

16、系的趨勢，如服務機器人、水下機器人、軍用機器人、微操作機器 人等。目前，國際上的機器人學者，從應用環(huán)境出發(fā)將機器人也分為兩類：制 造環(huán)境下的工業(yè)機器人和非制造環(huán)境下的服務與仿人型機器人，這和我國的分 類是一致的。 1.按機械手的幾何結構分 機器人機械手的機械配置形式多種多樣。最常見的結構形式是用其坐標特 性來描述的。這些坐標結構包括笛卡兒坐標結構、柱面坐標結構、極坐標結構、 球面坐標結構和關節(jié)式球面坐標結構等。這里簡單介紹柱面、球面和關節(jié)式球 面坐標結構等三種最常見的機器人。 柱面坐標機器人。柱面坐標機器人主要由垂直柱子、水平手臂(或機械手) 和底座構成。水平機械手裝在垂直柱子上，能自由伸縮并

17、可沿垂直柱子上下 運動。垂直柱子安裝在底座上，并與水平機械手一起(作為一個部件)能在底座 上移動。這樣，這種機器人的工作包跡(區(qū)間)就形成一段圓柱面，如圖 1-1 所 示。因此，把這種機器人叫做柱面坐標機器人。 4 圖 1-1 柱面坐標機器人 球面坐標機器人 。這種機器人如圖 1-2 示。它像坦克的炮塔一樣。機械 手能夠作里外伸縮移動、在垂直平面上擺動以及繞底座在水平面上轉動。因此， 這種機器人的工作包跡形成球面的一部分，并被稱為球面坐標機器人。 圖 1-2 球面坐標機器人 關節(jié)式球面坐標機器人。這種機器人主要由底座(或軀干)、上臂和前臂構 成。 器人的工作包跡形成球面的大部分，稱為關節(jié)式球面

18、機器人10。 2.按用途分 工業(yè)機器人按用途和作業(yè)類別劃分，有焊接機器人、沖壓機器人、澆注機 器人、搬運機器人、裝配機器人、噴漆機器人、切削加工機器人、檢測機器人、 采掘機器人、水下機器人等。 探索機器人，用于進行太空和海洋探親，也可用于地面和地下探險和探索。 5 服務機器人，一種半自主或全自主工作的機器人，其所從事的服務工作可 使人類生存得更好，使制造業(yè)以外的設備工作得更好。 軍事機器人，用于軍事目的，或進攻性的，或防御性的。它又可分為空中 軍用機器人、海洋軍用機器人和地面軍用機器人。4 1.3 研究工業(yè)機器人的意義和目的 1.3.1 研究工業(yè)機器人的意義 近年來，國外工業(yè)機器人的發(fā)展非常迅

19、速。據報導，目前世界上生產中使 用的機械手和工業(yè)機器人總臺數已達 15 萬臺，其中示教再現機器人已達 2.8 萬臺，特別突出的是日本，其工業(yè)機器人產值，在 7982 四年中，連續(xù)以年 增長 40%的高速度發(fā)展，至 1982 年日本已擁有機械手和各種工業(yè)機器人 10 萬臺（即占世界的 2/3） 。另據預測，在今后十年中，美國工業(yè)機器人（臺數 和產值）將會以幾何級數增長。歐洲各國也在加快步伐進行機器人的研制和應 用。 國外為什么要大力發(fā)展工業(yè)機器人？總體來說，是機器人的特點滿足了社 會生產的需要。現在對工業(yè)機器人的特點及其帶來的經濟、社會效益分述如下： 機器人對環(huán)境的適應性強，能代替人從事危險、有

20、害的操作。在人無法接 近的地方，或者在長時間工作對人體有害的場所，機器人都不受影響。只要根 據工作環(huán)境條件進行合理設計，選用適合的材料和結構，工業(yè)機器人就可以在 異常高溫或低溫，異常壓力和有害氣體、粉塵、放射線作用下，以及沖壓、滅 火等危險環(huán)境中勝任工作。如冶煉、鍛造、鑄造和熱處理車間，溫度可達幾百 度，即使穿防護衣，戴防護面具、手套等，人也難以堅持工作。此外，在焊接 操作中的弧光、高溫煙霧和飛濺以及噴漆作用中的毒性有機溶劑等有害人體健 康的場所，都需要采用工業(yè)機器人來操作。據不完全統(tǒng)計，1976 年日本全國 工傷事故人數共 113 萬人，平均每 30 名工人中有 1 人，其中比較嚴重的，傷

21、亡者共 33.3 萬人，平均每 100 名工人有 1 人。此外，肺結核、白血癥等職業(yè) 病很多，成為嚴重的社會問題，急待企業(yè)積極采取措施加以解決。在這種背景 下，日本產業(yè)構造審議機械情報產業(yè)部在咨詢答復報告中強調，首先應當在工 6 傷事故多的工種，即沖壓、壓鑄、熱處理等作業(yè)中，推廣應用工業(yè)機器人 7。 此外，在有放射性污染和爆炸危險的場所，也應使用機器人。 機器人能持久、耐勞，可以把人從繁重單調的勞動中解放出來，并能擴大 和延伸人的功能。人在連續(xù)工作幾小時以后，總會感到疲勞或厭倦，需要有一 段休息的時間。而工業(yè)機器人可以不受工作時間和場所的限制，只要對它注意 維護、檢修，適當更換易損件就可以了。

22、例如，在汽車總裝配中，點焊和擰螺 絲的工作量很大（一輛汽車有數百甚至上千個焊點） ，又由于采用傳送帶流水 作業(yè)，如果由人來進行這些操作，就會緊張到喘氣的時間都沒有的程度。如果 采用機械手或工業(yè)機器人，就可以把人從單調的緊張勞動中解放出來。另一方 面，人一般只能搬運和本身體重大致相同的物體，而工業(yè)機器人（包括大型操 作機）具有“鋼筋鐵臂”，結實耐用。若采用液壓驅動，產生較大的輸出力，則 可以搬運重達幾百公斤的大型炙熱鍛件。這就是說，工業(yè)機器人具有超越人體 能力界限的機械和物理功能。正應為如此，機器人在宇宙和海洋開發(fā)中，也將 會發(fā)揮重要的作用。在登月艙中裝上宇航機器人，能深入宇宙空間，探索星球 的

23、奧秘。水下機器人可以探測海底礦藏，維修水下設備。這些一般都屬于超縱 型機器人，操作人員可以坐在遠離機器人的安全地帶，通過無線電對機器人的 安全地帶，通過無線電對機器人進行遙控。 機器人動作準確性高，可保證穩(wěn)定和提高產品質量。工業(yè)機器人不像人那 樣，容易受精神和生理因素的影響，它不會因為緊張、馬虎、疲勞或視覺差等 原因引起失誤。也就是說，工業(yè)機器人可以避免人為操作上的錯誤，而按照設 計精確度（如重復定位精度）保證動作的準確性，從而保證產品質量穩(wěn)定。對 于一些技術要求較高、難度較大的作業(yè)，采用機器人也可以保證產品質量，提 高生產效率。目前，裝配機器人定位精度可高達 0.020.05mm，這是人所不

24、能 及的。據日本報導，日本的精密裝配機器人可以進行深度 30mm、配合間隙在 10 以下的軸孔配合。若采用觸覺反饋和柔性手腕，允許軸心位置有較大的偏 離（5mm） ，也能自動補償，準確裝入零件。作業(yè)時間僅需 4s，甚至更短。又 如焊接機器人可以保證焊槍準確定位，能自動跟蹤焊縫，進行連續(xù)軌跡和運動 速度的控制，保證厚板復雜工件的焊接質量。 有些精密產品，如大規(guī)模集成電路裝配等，如不采用機器人等自動化設備，而 用手工操作，不能保證產品質量要求。 機器人通用性靈活性好，能適應產品品種迅速變化的要求，滿足柔性生產 的需要?，F代社會用戶對產品的要求不僅是數量上不斷增長，更重要的是對品 7 種規(guī)格的要求多

25、樣化，而且是層出不窮，不斷發(fā)展。這就迫使制造廠必須不斷 改進產品，增加花色品種，以滿足用戶的各種需求，否則，就有在市場競爭中 被淘汰的危險。 工業(yè)機器人由于動作程序和運動位置（或軌跡）可靈活改變，又有較多的 運動自由度，能夠迅速改變作業(yè)內容，滿足生產要求，因此，特別使用于產品 改型、品種變化以及多品種混合生產線的場合。例如在制造汽車車身點焊點數 變化，還是在同一條線上多中車型混合生產的情況，工業(yè)機器人都能適應。 工業(yè)機器人作為小批或中批量生產自動化工具最能發(fā)揮效用，它擔任材料 裝卸和搬運工作。在更換不同種類零件時，調整既快又容易。在多品種零件加 工的柔性生產系統(tǒng)中，工業(yè)機器人起著重要的作用。日

26、本從 1980 年以后慢慢 轉向多品種中小批量生產方式，而工業(yè)機器人正是迎合這一需要，從 1980 年 進入普及應用階段。因此，日本人稱 1980 年為“工業(yè)機器人普及元年”。 日本近年來提出了“3A”革命的口號。 “3A”就是指工廠自動化（FA） 、辦公 室自動化（OA）和家庭自動化（HA） 。在工廠自動化中一個重要內容就是發(fā) 展柔性制造系統(tǒng)（FMS） 。它是由多臺與電子計算機直接相連的數控機床、機 器人、搬運小車和自動化倉庫組成，通過接口進行數值控制，是一種具有靈活 性的自動化生產線，它可實現多品種中等批量生產自動化。 采用工業(yè)機器人后可明顯提高勞動生產率和降低成本。例如，日本山崎機 械公

27、司采用 18 個機器人與數控機床加工單元組成的生產精密機床的自動化系 統(tǒng)，由中央計算機控制全部生產過程，30 天就能完成過去（未采用機器人時） 三個月的生產任務，兩年內即可收回全部投資 1800 美元。美國通用電氣公司 為某機車制造廠制造的柔性加工系統(tǒng)，生產效率提高 15 倍。日本富士電機公 司建成的電機廠，每月生產伺服電機、主軸電機等一萬臺，采用機器人后，生 產效率提高 5 倍。 采用機器人可以節(jié)省材料和能源消耗，這一點也是很清楚的。例如在噴漆 中可以防止漆霧的飛濺，減少涂料損失（一般可節(jié)約油漆 20%30%） ，同時也 節(jié)約了空調的能耗。又如，在軋鋼過程中，如果人工進行開坯初軋去除表面缺

28、陷的工作時，需要把鋼坯溫度由 1200冷卻到 400，而在熱軋時還要再將坯料 加熱到 1200，無形中多耗費了大量熱能。而用機器人去除缺陷，則不需要降 溫和重新升溫的過程，因此顯著節(jié)省了能耗。 另一方面，當采用專用自動機時，如果產品改型，就要增加大量改造費用 和時間。如果采用通用數控機床配以機器人，便可通過改變工作程序的方法， 8 容易地得到解決，節(jié)省了費用和時間。 產品質量的提高帶來了可觀的經濟效果。如日本先驅者電子公司采用 100 臺機器人裝電子線路板，由于產品質量穩(wěn)定和提高，不合格率明顯下降，生產 成本降低了 75%。 除上述社會經濟因素外，工業(yè)機器人的發(fā)展，還與電子技術和微型計算機 等

29、控制技術的進步有關。由于這些技術的采用以及機器人技術的不斷改進，機 器人產品的性能、功能及可靠性都得到了提高，而且成本下降，從而促進了工 業(yè)機器人的推廣應用。 1.3.2 研究工業(yè)機器人目的 由于噴漆造成空氣中有大量的化學物質氣體和懸浮顆粒因而對人的身體 極為有害。盡管采取勞動保護措施和營養(yǎng)補助，但它對人體的損害是難以改變 的事實。我國從事噴涂業(yè)的人數超過 30 萬，全世界在這種崗位上的人就更多 了。如何解決這個問題呢?人們自然想到了噴漆的自動化和噴漆機器人。 采用噴漆機器人不但可以改善勞動環(huán)境，而且提高了產品的質量和穩(wěn)定性， 減少了廢品的數量，降低了漆量和能量的消耗，提高了勞動生產率。尤其當

30、機 器人對外形復雜的產品進行噴漆時，不會造成任何遺漏，也不會出現噴得厚薄 不勾的現象，因為噴漆的角度、部位、時間、軌跡等，都早已在計算機中規(guī)定 好了。隨著現代產品更注重個性化發(fā)展，汽車除了色彩不同外，還要求有不同 的圖案，這樣，用機器人按照圖案編程和自動換色來噴漆，將有著極大的優(yōu)越 性。這樣的機器人不愧為多采的噴漆匠。 可以想見，更多的“多彩的噴漆匠將幫助人婁從那些有害的工作環(huán)境中解 脫出來，更好地裝點人類多彩的空間。 9 第 2 章 噴漆機器人的方案設計 2.1 確定驅動系統(tǒng) 工業(yè)機器人的驅動系統(tǒng)是直接驅動整個運動部件動作的機構，對工業(yè)機 器人的性能和功能影響很大。如果沒有有效的伺服驅動系統(tǒng)

31、，無論機器人具 有多么高的智慧和優(yōu)越的傳感系統(tǒng)，也是無濟于事的。 工業(yè)機器人的動作自由度多，運動速度較快，驅動元件本身大多是安裝 在活動機架上的。這些特點要求工業(yè)機器人驅動系統(tǒng)的設計必須做到外型小、 重量輕、工作平穩(wěn)可靠。另外，由于工業(yè)機器人能任意多點定位，工作程序 又靈活多變，所以在一些比較復雜的機器人中，通常采用伺服系統(tǒng)。 目前，工業(yè)機器人的驅動方式主要有液壓、電動、氣動三種。電動驅動方 式具有以下特點：動力源簡單、負荷較小、速度低、無需配管、維修使用方便、 使用壽命長。此外，由于近年來采用新型磁性材料，伺服電機的特性得到提高， 同時又研制出采用電子線路的穩(wěn)定性好、效率高的電驅動方式。這種

32、驅動方式 和控制系統(tǒng)信號一致，又便于和計算機連接，能實現精密控制，可適用于程序 復雜、運動軌跡要求嚴格的工業(yè)機器人。因此，綜合考慮后決定采用電動驅動 方式。 10 2.2 確定驅動機型和自由度 工業(yè)機器人的操作機有多種類型，因關節(jié)型機器人有許多的優(yōu)點，且結 構設計簡單，對于這次噴漆機器人的設計決定采用關節(jié)型設計，又因噴漆機 器人的負荷較小，速度低，通常 5 個自由度即可進行工作，因此采用 5 自由 度的關節(jié)型機器人。 2.3 確定傳動方式 齒輪傳動是機械傳動中最重要的傳動之一，形式很多，應用廣泛，傳遞的 功率可達近十萬千瓦，圓周速度可達 200m/s。因此本次噴漆機器人的設計中 可以采用齒輪傳

33、動(圓柱圓柱齒輪,或圓錐圓柱齒輪傳動)的形式。 齒輪傳動還有以下特點： 效率高 在常用的機械傳動中，以齒輪傳動的效率為最高。如一級圓柱 齒輪傳動的效率可達 99%。這對大功率傳動十分重要，因為即使效率只提高 1%，也有很大的經濟意義。 結構緊湊 在同樣的使用條件下，齒輪傳動所需的空間尺寸一般較小。 液壓傳動雖然功率較大，但體積也較齒輪傳動大，且液壓傳動的制造成本較 貴，對于本次噴漆機器人，由于所負載的重量不大，且需要的體積盡可能小。 當然，對于氣動傳動方式來說，雖然體積較小，但由于它的傳動精度不高， 傳動不易控制，故在這里不考慮它。 工作可靠、壽命長 設計制造正確合理、使用維護良好的齒輪傳動，

34、工 作十分可靠，壽命可達一、二十年，這也是其他傳動形式不能比擬的。尤其 是對于本次的噴漆機器人，因它的工作環(huán)境惡劣（在噴漆環(huán)境，溫度較高， 空氣污染嚴重等） ，故采用齒輪傳動是最佳的方案。 傳動比穩(wěn)定 傳動比的穩(wěn)定直接影響了噴漆機器人的傳動性能，因此它 需要有較高的精度，末端位置的控制完全由他的傳動性能來決定的。 11 2.4 確定運動桿長和各軸的運動范圍 經過參考多本參考資料的查看，和機器人作業(yè)場所和空間的需要，一般在 汽車噴漆流水線中的機器人末端執(zhí)行器的工作位置決定了機器人自身的臂長。 在這里可以采取如下方式 腰部高為 0.65m 大臂有效長度為 0.60m（大臂關節(jié)到小臂關節(jié)的距離） 小

35、臂有效長度為 0.60m（小臂關節(jié)到手腕的距離） 各部分的運動范圍采取如下方案： 腰回轉為-150+150 大臂擺動為-45 +90 小臂擺動為-240 +60 腕擺動為-105 +105 腕部回轉為-255 +225 最大負荷 6kg. 此機器不僅能用于噴漆作業(yè)，還可以用于搬運和裝配作業(yè)。 2.5 確定臂桿結構和平衡方式 一般操作機有 5 個較復雜的結構件,即：底座、腰轉臺支架、大臂桿、小 臂桿和腕部。大、小臂桿的結構目前較流行的是中間有多層圓筒形套裝梁結 構，外形象啞鈴，多為焊鑄件組合結構。還有就是箱形結構，就整體來說是 比較復雜的箱體，多用鑄件。為了減輕整機的重量，特別是為了降低 J2

36、、J3關節(jié)的力矩，大小臂多用輕合金鋁鑄件。 臂桿的平衡：為了減小驅動力矩和增加運動的平穩(wěn)性，大小臂桿原則上 說都要進行平衡。但當負載較小，臂桿的重量較輕，關節(jié)力矩不大，驅動裝 置有足夠的容量時，可以省去平衡裝置。對于大負荷（3kg）臂桿（30kg） ， 大都設有平衡裝置，這次設計就需要有平衡裝置。 對于噴漆機器人的設計， 由于末端執(zhí)行器（噴槍）的重量約為 6kg，臂桿（包括大臂和小臂的總重） 約為 60kg，因此決定采取一定的平衡措施：小臂桿的平衡：小臂桿通常采用 結構自平衡和重塊平衡兩種方式。所謂的結構自平衡，就是配置的腕部驅動 和傳動裝置盡量放在關節(jié)旋轉軸 的兩邊，以達到對關節(jié)的重力平衡。

37、啞鈴 12 狀上臂，就是較好的起到了這一作用。但如果臂桿的后部長度（無效長度） 太長，不利于機器人在狹窄環(huán)境中工作，所以單采用自平衡對大負荷操作機 還很難取得滿意的結果.。 第 3 章 噴漆機器人結構及傳動系統(tǒng)設計 3.1 底座及腰部設計 3.1.1 腰部傳動系統(tǒng)設計 腰身高為 0.65m 腰部總負載（初步估算）約為 60kg 旋轉力矩 T 為：T=150N（估計） kW ( n=15r/min)236 . 0 9550/nTp 根據機械設計手冊中查得可以選擇伺服電機如下： 電機型號 110SZ59 額定功率 0.4 kW 額定轉距 1.274 Nm 額定轉速 3000r/min 質量 7.6

38、kg 按推薦的傳動比的合理范圍，一級開式圓柱齒輪的傳動比為 37，圓柱 圓錐齒輪的傳動比為 1025，因此兩級齒輪總傳動比的合理范圍為 i=30175， 而選定的工作轉速最大為 15r/min 電機轉速為 3000r/min 傳動比為 i =200， 所以采用 3 級齒輪傳動。 1.傳動比分配 根據傳動比從小到大的原則，一級開式圓柱齒輪的傳動比為 37，取 i1=4，分配如下： i =i1 i2 i3 =468.33=200 各軸轉速 n1=3000r/min 13 n2= = 4 3000r/min 750r/min n3=125r/min 6 750r/min n4=15r/min 8.3

39、3 125r/min 2.各軸輸入功率 軸承效率 yr=0.98, 齒輪效率 yg=0.98, 交叉滾子軸承效率 yr1 =0.98 P I= P d01=0.40.99=0.396kW P II= P d12 =0.380 kW P III= P d23=0.365 kW P IV= P d34=0.350 kW 3.各軸的輸入轉距 T d =9550=9550=1.273Nm m d n P 3000 4 . 0 T1=9550P/ n1=1.261Nm T2=9550P/ n2=4.839Nm T3=9550P/ n3=27.886Nm T4=9550P/ n4=222.833Nm 4.

40、第一級齒輪傳動 （1）選擇材料 小齒輪材料為 40Cr，調質處理，硬度為 HBS280,大齒輪材料為 45 鋼,硬度為 HBS240, 二者材料硬度相差 HBS40。 選小齒輪的齒數 Z1=30,大齒輪的齒數 Z2=304=120。 (2)設計計算 按齒面接觸疲勞強度設計，設計計算公式如下： （3-1） 2 3 1 1 ) ( 12 Hd t E Z u uTK d 式中 Kt載荷系數； 14 T1轉矩； u傳動比； ZE彈性模量； d齒寬系數； H 許用應力（MPa） ； 確定公式內的各計算值 試選載荷系數 Kt=1.3 齒寬系數 1 d 彈性系數 ZE=189.8MPa 小齒輪接觸疲勞強度

41、極限Hlim1=600MPa 大齒輪接觸疲勞強度極限Hlim2=550MPa 計算循環(huán)應力次數 N1=60n1jLh=6030001830015=6.48109 N2=60n21jLh=607501830015=1.62109 取接觸疲勞壽命系數 KHN1=0.90 KHN2=0.95 失效概率為 1%，安全系數 S=1 H1= KHNHlim1/S=0.9600=540 MPa H2= KHNHlim2/S=0.9600=540 MPa 將上述各值代入公式(3-1)得 =12.92mm 為安全起見可適當放大取 2 3 1 1 ) ( 12 H H d E ZZ u uKT d d1=30mm

42、 驗算圓周速度=4.14m/s 100060 nd 11 計算齒寬 b=dd1t=130=30 求載荷系數： 使用系數 KA =1.25 ；動載系數 KV =1.1 (假定 V=38m/s) ；齒間載荷分配系 數 K=1.2；齒向載荷分配系數 K=1.4。 K=KAKVKK=2.31 按實際載荷系數校核多的分度圓直徑 15 d1=d1t=28.6mm3 t K K 計算模數 m=d1/Z1=28.6/30=0.95 按彎曲疲勞強度進行校核，計算公式如下 (3-2) 3 2 1 1 2 F SaFa d YY Z KT m 式中 K載荷系數; T1轉矩（N m）; YFa齒形系數; YSa應力校

43、正系數; d齒寬系數; Z1齒數; F 許用接觸應力(MPa)； 確定公式內的各計算值 查表得 小齒輪的彎曲疲勞強度 FE1=500MPa 大齒輪的彎曲疲勞強度 FE2=380MPa 彎曲疲勞壽命系數 KFN1=0.85 KFN2=0.88 取彎曲疲勞安全系數 S=1.4,則 F1= KFN1FE1/S=0.855001.4=303.57MPa F2= KFN2FE2/S=0.883801.4=238.86MPa K=KAKVKK=2.31 查取齒形系數 YFa1=2.65 YFa2=2.226 查取應力校正系數 YSa1=1.58 YSa2=1.764 計算大、小齒輪 YFa YSa/F并加

44、以比較 YFa1 YSa1/F1=2.651.58303.57=0.01379 YFa2YSa2/F2=2.2261.764238.86=0.01644 將上述結果代入公式 3-2 得 16 =0.473mm 3 2 01644 . 0 301 126131 . 2 2 m 對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數大于由齒根彎曲疲勞強度計算 的模數，故取 m=1 并算出小齒輪的齒數為 Z1=d1/m=28.61=28.6 取 Z1=30 Z2=304=120 計算分度圓直徑 d1=Z1m=301=30mm d2=Z2m=1201=120mm 計算中心距 a=( d1+ d2)/2=（30+1

45、20）/2=75mm 計算齒輪寬度 b=dd1=130=30mm 取 B2=30mm B1=35mm 5.第二級齒輪傳動 (1)選擇材料 小齒輪材料為 40Cr，調質處理，硬度為 280HBS,大齒輪材料為 45 鋼,硬度為 240HBS, 二者材料硬度相差 40HBS。 選小齒輪的齒數 Z1=17 大齒輪的齒數 Z2=176=102 (2)設計計算 按齒面接觸疲勞強度設計，計算公式為（3-1） 確定公式內的各計算值 試選載荷系數 Kt=1.3 齒寬系數1 d 彈性系數 ZE=189.8MPa 小齒輪接觸疲勞強度極限Hlim1=600 Mpa 大齒輪接觸疲勞強度極限Hlim2=550 MPa

46、計算循環(huán)應力次數 17 N1=60n1jLh=607501830015=1.62109 N2=60n2jLh=601251830015=1.7108 取接觸疲勞壽命系數 KHN1=0.90 KHN2=0.95 失效概率為 1%，安全系數 S=1 H1= KHNHlim1/S=0.9600=540 MPa H2= KHNHlim2/S=0.9600=540 MPa 計算工作載荷 T1=9.55106P2/n2 =4839Nmm 初步求小齒輪直徑 將上述各值代入公式（3-1） =19.32mm 2 3 1 1 ) ( 12 Hd E Z u uKT d 驗算圓周速度：=0.98mm 100060

47、11 nd V 計算齒寬 b=dd1t=130=30mm 求載荷系數： K=KAKVKK 使用系數 KA =1.25 ；動載系數 KV =1.1 (假定 V=38m/s) ；齒間載荷分配系數 K=1.2；齒向載荷分配系數 K=1.4； K=1.251.11.21.4=2.31 按實際載荷系數校核多的分度圓直徑 d1=d1t=（2.3119.321.3）1/3=23.184mm3 t K K 計算模數 m=d1/z1=23.184/17=1.36 取 m=1.5 (3)確定傳動尺寸 仿照第一級齒輪傳動的計算過程得到該齒輪傳動結構的有關尺寸見表 3- 1 表 3-1 第二級齒輪參數表 Z1Z2 1

48、8 齒數17102 分度圓直徑（mm）25.5153 齒頂圓直徑（mm）28.5156 齒根圓直徑（mm）21.5149.5 齒寬（mm）3025 壓力角（）20 續(xù) Z1Z2 模數15 中心距89.25 6.第三級齒輪傳動 (1)選擇材料 小齒輪材料為 40Cr，調質處理，硬度為 280HBS,大齒輪材料為 45 鋼,硬度為 240HBS, 二者材料硬度相差 40HBS。 選小齒輪的齒數 Z1=17，大齒輪的齒數 Z2=178.33=141.6142 (2)設計計算 按齒面接觸疲勞強度設計，計算公式為(3-1) 確定公式內的各計算值 試選載荷系數 Kt=1.3 齒寬系數6 . 0 d 彈性系

49、數 ZE=189.8MPa 小齒輪接觸疲勞強度極限Hlim1=600 MPa 大齒輪接觸疲勞強度極限Hlim2=550 MPa 計算循環(huán)應力次數 N1=60n1jLh=601251830015=1.7108 N2=60n2jLh=60151830015=2.04107 取接觸疲勞壽命系數 KHN1=0.93 KHN2=0.96 失效概率為 1%，安全系數 S=1 H1= KHNHlim1/S=0.93600=558MPa 19 H2= KHNHlim2/S=0.96600=576 Mpa 計算工作載荷 T1=9.55106P/n3 =27886NMmm 初步求小齒輪直徑 將上述各值代入公式（3

50、-1）有 =32.98mm 2 3 1 1 ) ( 12 Hd E Z u uKT d 驗算圓周速度：0.62m/s 100060 d V 11 n 計算齒寬 b=dd1t=132.98=32.98mm 求載荷系數： K=KAKVKK=1.251.11.21.4=2.31 按實際載荷系數校核多的分度圓直徑 d1=d1t=（2.3132.981.3）1/3=31.82mm3 t K K 計算模數 m=d1/z1=31.82/17=2.24 取 m=2.5。 （3）確定傳動尺寸 同樣仿照第一級齒輪傳動的計算過程得到該齒輪傳動結構的有關尺寸見表 3- 2。 表 3-2 第三級齒輪參數表 7.各齒輪軸

51、的設計 （1）軸的設計 Z1Z2 齒數17142 中心距（mm）89.25 分度圓直徑（mm）42.5355 齒頂圓直徑（mm）48.75361.25 齒根圓直徑（mm）37.5350 20 選擇材料、確定許用應力軸的材料 45 鋼，調質處理，B =650MPa S=360MPa -1=300MPa -1=155MPa 許用應力：+1=220MPa -1=60MPa 軸的受力分析 小齒輪直徑 d1=30mm 大齒輪直徑 d2=120mm 軸傳遞功率 P1=0.396kW 軸的轉速 n1=3000r/min 軸的轉距 T=9.55106 =1260.6Nm 1 1 n P 齒輪的圓周力 Ft=2

52、T/ d1=84.04N 齒輪的徑向力 Fr= Fttg=30.6N 45 鋼的材料系數 A=107 則有=107=6.85mm 3 1 1 1 n P Ad 3 3000 396 . 0 考慮到軸上有鍵槽等因素可取軸的最小直徑 d1=10mm，同時也是為了配套查找標 準件的方便。 （2）軸的設計 選擇材料、確定許用應力軸的材料選 45 鋼，調質處理，B =650MPa S=360MPa -1=300Mpa -1=155MPa。 許用應力：+1=220MPa -1=60MPa 軸的受力分析 大齒輪直徑： d1=120mm 小齒輪直徑： d2=25mm 軸傳遞功率： P2=0.380kW 軸的轉

53、速： n2=750r/min 軸的轉距： T=9.55106 =4838.7Nmm 2 2 n P 大齒輪的圓周力： Ft1=2T/ d1=80.65N 大齒輪的徑向力： Fr1= Ft1tg=29.4N 21 小齒輪的圓周力： Ft2=2T/ d2=387N 小齒輪的徑向力： Fr2= Ft2tg=140.86N 估計軸的最小直徑 (A=107) =107=8.5mm 3 2 2 1 n P Ad 3 750 380 . 0 考慮到軸上有鍵槽等因素,取軸的最小直徑為 d1=12mm。 （3）根據軸的結構進行彎距和扭距的分析如圖 3-1。 豎直面反力 RHA和 RHB =273.85N l l

54、FllF R rt HA 31322 )( =83.75N HArtHB RFFR 22 對于豎直面的彎距： 對于剖面 C： =12049.4Nmm 1 lRM HAHC 對于剖面 D： =4355Nmm 3 lRM HBHD 水平面反力 RVA和 RVB =73.89N l lFllF R tr VA 31322 )( =13.68N 21rVAtVB FRFR 對于水平面的彎距： 對于剖面 C： =3251.16Nmm 1 lRM VAVC 對于剖面 D： =711.36Nmm 3 lRM VBVD 合成彎距： =12480.3Nmm 22 VCHCC MMM =4412.71Nmm 22

55、 VDHDD MMM 22 圖 3-1 軸受力分析圖 根據以上數據得出截面 D 處的彎距最大，計算應力為： =1.35MPa-1 3 1 . 0 d MD ca 從而得到結論：軸的彎曲強度符合條件。其彎矩圖見圖 3-2 圖 3-2 軸彎矩圖 23 （4）軸的設計 選擇材料、確定許用應力軸的材料選 45 鋼，調質處理，B =650MPa S=360MPa -1=300MPa -1=155MPa 許用應力：+1=220MPa -1=60MPa 軸的受力分析 大齒輪直徑： d1=40mm 小齒輪直徑： d2=150mm 軸傳遞的功率： P1=0.365kW 軸的轉速： n1=125r/min 軸的轉

56、距： T=9.55106 P1/ n1=27886Nmm 小齒輪的圓周力：Ft1=2T/ d1=1394.3N 小齒輪的徑向力：Fr1= Ft1tg=507.5N 大齒輪的圓周力：Ft2=2T/ d2=371.8N 大齒輪的徑向力：Fr2= Ft2tg=135.3N 估計軸的最小直徑 (A=107 ) =107=16.35mm 3 3 3 1 n P Ad 125 365 . 0 3 考慮到軸上有鍵槽等因素,取軸的最小直徑為 d1=20mm （5）軸的設計 由于此中間要加傳輸線路所以最好設計成中間空心軸。選擇材料為 45 鋼，調 質處理，B =650MPa S=360MPa -1=300MPa

57、 -1=155Mpa 許用應力：+1=220MPa -1=60MPa 因為一般在載荷相同的情況下，空心軸的重量只為實心軸 1/31/2，可以 大大減輕重量，節(jié)約材料。因為橫截面上的剪應力沿規(guī)律分布，圓心附近的應 力很小，材料沒有充分發(fā)揮作用若把軸心附近的材料向邊緣移置，使其成為空 心軸，就會增大 IP和 Wt提高軸的強度。 (3-3) 3 4 1 n P Ad 式中 n轉速(r/min)； P功率(Kw)； 24 內外徑之比； 其中取 n=15r/min;P=0.35Kw; =0.9 將上述各值代入（3-3）得 d44.65mm,取軸的最小直徑為 d=50。 3.1.2 箱體設計 1.箱體材料

58、 由于箱體在底部需以地面固定，為增大其穩(wěn)定性，并考慮到經濟效益決定 采用灰鑄鐵，根據有關手冊查得壁厚 =8mm。 2.箱體結構 底部箱體的結構采用如圖 3-3 方案，它可使底部的結構盡量緊湊。 3- 3 箱體底部圖 25 3.2 大臂及小臂設計 3.2.1 大臂驅動部分的設計 大臂長為 L=600mm 驅動大臂的總負載在一般情況下約為 50kg。 旋轉力矩 T 為：T=120N =0.2kW (n=15 r/min) 9550 0 nT P =0.21kW 總 9550 nT Pa Pm(12)( P0 +Pa)= (12)0.41kw 因此，經考慮可以選用型號為 130SZ04（小慣量）的電

59、動機。 具體規(guī)格如下所示： 額定功率：0.6kW 額定轉距：1.9Nm 額定轉速：3000r/min 重 量： 11.8kg 大臂驅動部件采用 3 級半開式圓錐圓柱齒輪傳動路線見圖 3-4。 圖3-6 26 圖 3-4 大臂傳動簡圖 各軸轉速、輸入功率、轉距見表 3-3。 表 3-3 大臂各軸情況表 軸 I軸 II軸 III軸 IV 轉速（r/min）300075012530 功率(Kw)0.5940.5470.5050.464 轉矩 Nm1.896.9738.5147.1 1.第一級錐齒輪傳動設計 （1）選擇材料 由于機器人大臂旋轉部分要求結構較小，質量較輕，同時又要有足夠的剛度， 因此要選

60、用一些合金材料。在此，選用材料為： 小錐齒輪：20Cr2Ni4 滲碳淬火，硬度 HB=350,7 級精度； 大錐齒輪：20CrMnTi 滲碳淬火，硬度 HB=300,7 級精度 5。 HRC=5862 取 HRC=60 （2）設計計算 按齒面接觸疲勞強度進行計算 壽命系數 Zn 因長期使用，取 Zn1=Zn2=1 接觸疲勞強度極限 h h1=1380MPa h2=1380MPa 接觸系數 nH=1.2；設周速度 V3m/s；則速度系數 ZV=1 許用接觸應力H =1092.5MPa 1 1 1 H VRnOH H n ZZZ 27 =1092.5MPa 2 2 2 H VRnOH H n ZZ

61、Z 載荷系數 工作情況系數=1.25；動載荷系數=1.35；載荷分配系數=1.31 A K V K K 則載荷系數 K= =2.21 A K V K K 則。 r rdm u 2 1 2 材料系數 ZE=189.8 節(jié)點系數 ZH=2.37 小齒輪轉矩 T T=9.55106P1/n1=1890.9Nmm 傳動比 i=4 計算小齒輪直徑 =15.47mm 3 2 1 1 )5 . 01 ( 4 ) ( u KTZZ d rrH HE 驗算圓周速度 V 平均直徑 dm1 =(1-0.5r) d1=13.54mm 則 V=1.44m/s 與假定值相符合。 其幾何尺寸見表 3-4。 表 3-4 大臂

62、一級齒輪參數表 Z1Z2 齒數1976 節(jié)錐角（）14.0475.96 分度圓直徑（mm）1976 齒頂圓直徑（mm）2178 節(jié)錐頂距（mm）39.2 模數1 28 齒寬10 按齒根疲勞強度進行校核 壽命系數 Yn 因長期使用，取 Yn1=Yn2=1 OF2=750MPa 彎曲安全系數 S=2 尺寸系數 Yx1=Yx2=1 許用彎曲應力F F1=OF1YnYx1/nF=375MPa F2=OF2YnYx2/nF=375MPa 齒根應力集中系數彎曲疲勞強度極限 OF1=750MPa 當量齒數： Ze1=Z1/cos1=15.5 Ze2=Z2/cos2=247.3 齒形系數： YF1=3.1 Y

63、F2=2.28 力集中系數： Ys1=1.5 Ys2=1.74 載荷系數 K= KAKVK=2.21 彎曲應力 F 11 23 2 1 2 1 1 1)5 . 01 ( 4 SF rr F YY umZ KT =324.3 MPaF1 22 23 2 1 2 2 2 1)5 . 01 ( 4 SF rr F YY umZ KT =17.29 MPaF2 結論：彎曲強度是足夠的。 2.第二級圓柱齒輪傳動設計 由于機器人大臂旋轉部分要求結構較小，質量較輕，同時又要有足夠的剛度， 因此要選用一些合金材料。小齒輪材料為 40Cr，調質處理，硬度為 HBS280,大齒 輪材料為 45 鋼,硬度為 HBS240, 二者材料硬度相差 HBS40。 選小齒輪的齒數 Z1=20 大齒輪的齒數 Z2=206=120 (1)設計計算 按齒面接觸疲勞強度設計，計算公式為(3-1) 29 確定公式內的各計算值 試選載荷系數 Kt=1.4 齒寬系數6 . 0 d 彈性系數 ZE=189.8MPa 小齒輪接觸疲勞強度極限Hlim1=60