機器人洗車畢業(yè)論文

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1、機器人洗車畢業(yè)論文 機器人洗車畢業(yè)論文 1 緒論 隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，家用轎車已經(jīng)越來越多地為家庭所擁有，據(jù)統(tǒng)計，2007年底，我國私人汽車擁有量已超過1500萬輛，與此同時，與汽車相關的需求也在激增，比如洗車設備。轎車每次用都會在表面積一層灰塵，不僅影響美觀，還會對車漆造成傷害，因此對轎車表面的清潔工作很重要。 通常，較少進行日常簡單清潔的轎車每周要洗一到兩次，每次洗車的費用在15元左右（不含上光打蠟）。轎車日常的簡單清潔大多由車主人工完成，費時費力，因此有必要設計一種能夠代替人進行轎車的日常清潔工作的服務型機器人操作臂。 現(xiàn)在通常使用的洗車設備和方

2、法主要包括以下幾種： 1．高壓水槍洗車:高壓水槍洗車是先用高壓水槍噴灑水霧潤濕車身，再用高壓射流清洗車身然后用清洗液清洗，最后用高壓射流清洗干凈，用麂皮將水吸干。高壓水槍清洗速度快、效果好；但高壓水槍壓力大，容易對車漆造成損害:高壓水柱的噴淋會改變空調(diào)冷凝器散熱的方向，導致空調(diào)制冷失靈；會直接導致車燈膠條密封不良，影響車燈的正常工作，產(chǎn)生危險；會使密封不是很嚴的汽車側門玻璃進水，銹蝕金屬件，造成電線短路；劣質(zhì)洗滌靈會降低車漆的亮度；洗后用毛巾多次擦拭會使車身增加劃痕。 2．蒸汽洗車：蒸汽洗車是將水加熱成蒸汽后，用蒸汽來消洗汽車。其具有節(jié)水、節(jié)能的特點。但由于設備質(zhì)量問題，存在安全性不高，極

3、易產(chǎn)生污水造成污染，洗車效果和效率差的缺點 。 3．無水洗車：無水洗車是先用撣子撣去車身表面浮土，再用無水洗車液進行汽車清洗的一種新型環(huán)保洗車方式。它具有節(jié)約水資源，綠色環(huán)保等優(yōu)點，受到政府的扶持，但是，對于較臟車輛以及汽車底盤等部位，無水洗車不能滿足要求，因此它并不能完全替代有水洗車。 4．無刷毛自動洗車機：采用高速水刀噴出的高壓力水霧從上往下清洗汽車，灰塵沖掉后，自動泡沫噴頭噴淋，然后用高壓清水進行清洗。它有清洗速度快，效果好，不損傷車漆的優(yōu)點，但存在水耗大，設備投資和運行費用高昂的缺點。 5．全自動電腦洗車機：電腦洗車機是利用電腦控制毛刷和高壓水槍來清洗汽車的一種設備。由復雜的電路

4、、氣路、水路和機械部分構成。 某自動洗車機結構如下，包括高壓噴頭、機械清洗機構、吹干機構，其中，清洗機構包括一個頂刷，兩個大側刷，兩個小側刷，如圖1-1所示。 1.軌道；2.機架；3、4.大側刷；5.頂刷；6.小側刷；7.吹干系統(tǒng) 圖1-1 大型電腦洗車結構簡圖 洗車時，首先汽車?？康轿唬筛邏簢婎^噴水沖掉汽車表面泥沙，再由組成清洗機構的五個刷子圍繞汽車運動進行清洗、打蠟，然后由吹干機構將汽車表面吹干。這樣的大型機構洗車時確實有很好的效果，但是用于個人洗車設備卻很不適宜。首先在水、電等資源方面會有很大的消耗，另外，其體積（通常3m*3m*3m，軌道10米，隧道式更大），價格（幾萬到十

5、幾萬間）也讓個人很難接受。 以上幾種一般用于洗車行，在個人洗車方面，除了傳統(tǒng)的水桶加抹布外，現(xiàn)在所研究的個人洗車設備也多為手動。其中，前者耗費大量體力、時間，而且效率低，也不容易洗得干凈，還容易刮損傷車漆。后者采用某些化學洗劑，在效果方面有很大改善，但是也要花費車主的大量時間和體力。 適合個人使用的小型自動洗車設備的研究方面較少，具有代表性的為日本人平松正彥的一項專利，其結構（主視圖和俯視圖）如圖1-2和圖1-3所示。 圖1-2 平松正彥專利（主視圖） 圖1-3 平松正彥專利（俯視圖） 該洗車裝置主要包括洗車刷1、底盤3、支撐架6及底盤上的設備（水箱、發(fā)電機、控制器等）4。

6、 首先，洗車刷可以拆卸，安裝在刷軸上，由電機7帶動其轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)洗車動作。底盤上安裝有兩個驅(qū)動輪及相應的兩個驅(qū)動電機和四個萬向輪。支撐架上安裝噴水管2、導輪5和照明裝置、力傳感器?？刂撇糠帧⑺?、泵、發(fā)電機等安裝在底盤上洗車刷后面。 進行汽車清洗時，噴水管向車身噴水、洗車刷與車表面接觸并轉(zhuǎn)動洗去車表面灰塵等，同時，力傳感器檢測洗車刷和汽車間的壓力，由力傳感器檢測出的壓力值來控制轉(zhuǎn)向單元，當該檢測值大于預先設定的允許范圍時，使洗車機向遠離車身外周面的離開方向行駛，而當該檢測值小于預先設定的允許范圍時，使洗車機向接近該車身外周面的接近方向行駛。洗車設備圍繞汽車行駛一周后完成車側表面的清洗。但該設

7、備的局限性在于它只有清洗側面的立刷，不能對車頂部進行清洗，并不能完全代替人對汽車進行較全面的清洗。 因此有必要設計一種可以代替人進行日常汽車清洗工作的機械操作臂。 2 操作臂機構及驅(qū)動方式 2.1 動作方案 2.1.1 機器人操作臂介紹及常用形式 機器人操作臂的設計涉及了力學、控制、計算機科學和電子工程等多個學科，其結構一般是由一系列連桿由旋轉(zhuǎn)關節(jié)或移動關節(jié)相連接的具有一定自由度數(shù)的開式運動鏈，一端固定在支座上，另一端自由，安裝手爪、工具等以實現(xiàn)各種操作。操作臂的自由度

8、數(shù)按照不同的適用場合不同，一般工業(yè)機器人操作臂的自由度數(shù)在6個以下，高自由度數(shù)的機器人具有冗余度，一般用于假肢或特殊場合，其價格也相應更高。 按照對手臂機構的坐標描述方式，機器人操作臂通常分為直角坐標型、圓柱坐標型、極坐標型和多關節(jié)型，如圖2-1所示。 圖2-1 操作臂分類 2.1.2 機器人操作臂方案設計 在本設計中，操作臂搭載在一個可移動平臺上，和可移動平臺組成移動機械操作臂系統(tǒng)，這樣的結構使得操作臂擁有幾乎無限大的工作空間和很高的冗余度，同時擁有移動和操作功能，因此，對于操作臂結構而言，采用上述任何一種坐標方式，只要設置得當，都可以使操作臂末梢達到汽車表面需要清洗的每個地方。

9、 根據(jù)洗車的需要分析，初步擬定了如下幾種動作方案： 首先考慮洗車動作，洗車刷與汽車表面產(chǎn)生相對運動擦除灰塵，可以用1、模仿人手擦車動作，用擺動關節(jié)實現(xiàn)；2、仿照大型電腦洗車，用圓柱形洗車刷的旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)相對運動。使用擺動式洗車結構，因為汽車表面不在同一個平面內(nèi)，比如頂面、車前擋風玻璃面、側面，要在這幾個不同的面內(nèi)實現(xiàn)擺動式擦車，其機構相對要復雜得多。因此采用旋轉(zhuǎn)刷洗車的結構。 方案1采用雙臂結構，兩個洗車刷裝在兩個腕關節(jié)處，腕關節(jié)旋轉(zhuǎn)自由度實現(xiàn)洗車運動。雙臂中一臂固定在移動小車上，側刷豎直，高度比汽車車身稍高，用于完成汽車側面清洗，另一臂水平，有豎直方向上的移動自由度，完成車頂?shù)那逑?，?/p>

10、圖2-2所示。 圖2-2 機器人操作臂方案1簡圖 該方案相當于保留大型龍門式洗車的一個側刷和半個頂刷，將汽車的待清洗表面當作一個較規(guī)則的長方體表面，雖然體積有了一定減小，但整體尺寸依然很大，而且其洗車特點接近大型洗車機器，難以照顧到汽車的弧形不規(guī)則表面等細微之處。 方案2有一個腕關節(jié)旋轉(zhuǎn)自由度為刷子的刷洗動作，一個豎直方向上的移動自由度和臂上一個關節(jié)的旋轉(zhuǎn)自由度使刷子能夠到達汽車表面各處，如圖2-3所示。 圖2-3 機器人操作臂方案2簡圖 這個方案與前一個相比體積有所減小，但機構采用的洗車刷要接近一米長，仍然很大，同樣難以達到汽車表面的弧形部分，即使采用較軟的洗車刷，利用刷

11、變形來勉強與汽車表面曲線貼合，也會產(chǎn)生刷車的摩擦力不均勻的問題。 方案3是在方案2的基礎上加一個水平方向的移動自由度，這樣可以選擇較小的洗車刷，用臂的伸縮刷車的不同部位。雖然其結構與前兩個相比更顯得復雜，重量也有所增加，但換來的是更多的自由度，操作臂的靈活性得到極大的提高，可以使執(zhí)行末端更容易地適應汽車的曲面外形如圖2-4所示。 圖2-4 機器人操作臂方案3簡圖 因此，最終本設計選擇方案3，刷洗過程為：首先由俯仰關節(jié)將刷面調(diào)整到水平方向，并可以作微小調(diào)整，使刷面與汽車的弧形頂面更好地貼合，豎直方向的移動副將刷子升到車頂高度，移動平臺繞汽車車身行走，同時伸縮關節(jié)調(diào)整刷的水平位置，完成車

12、頂?shù)乃⑾?，過程中可以選擇噴水或不噴水；刷洗車側面時，將刷面調(diào)整為豎直方向，并使刷子與車側面貼合，同樣繞車行駛，并配合升降機構完成側面刷洗。 2.2 機器人操作臂驅(qū)動方式 驅(qū)動機構作為機器工作的動力來源，通常是將其它種能源——比如電能、化學能等——轉(zhuǎn)化成機械能，是任何一種機器都必不可少的，常見的形式包括水輪機、液壓馬達、電動機、內(nèi)燃機等。 2.2.1 機械臂常用驅(qū)動比較 機械臂常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電機驅(qū)動等不同方式，他們有各自的特點，但在機器人中都有很廣泛的應用，前兩種主要用于工業(yè)機器人，有些機器人甚至同時采用多種驅(qū)動方式。他們的特點如下： 液壓驅(qū)動特點： 1）驅(qū)動力

13、及驅(qū)動力矩大，在產(chǎn)生相同驅(qū)動力的條件下，液壓驅(qū)動體積小、重量輕、慣性??； 2）速度反應性好，調(diào)速范圍大，而且可以無級調(diào)速； 3）傳動平穩(wěn)，能吸收沖擊，可平穩(wěn)的實現(xiàn)較頻繁的換向； 4）定位精度較高； 5）油液泄漏、混入氣體、溫度變化等都會對系統(tǒng)傳動性能、定位精度產(chǎn)生影響。 液壓驅(qū)動常用于低速重載的情況。 氣壓驅(qū)動特點： 1）壓縮空氣可直接從大氣中吸取，動力源獲取方便、廉價； 2）動作速度更快，可實現(xiàn)無級調(diào)速； 3）與液壓傳動相比，管路壓力損失小，適于長距離傳輸； 4）空氣壓縮性較大，因此氣壓系統(tǒng)運動平穩(wěn)性及定位精度都較差； 5）結構體積大，噪聲大 氣壓驅(qū)動系統(tǒng)常用于高速、

14、低負載和工作條件較惡劣的場合。 電機驅(qū)動： 1）避免將電能轉(zhuǎn)換成壓力的中間環(huán)節(jié)，效率更高； 2）電機系統(tǒng)的體積最小； 3）電機系統(tǒng)的可靠性高、位置精度控制十分精確； 4）與氣壓液壓系統(tǒng)相比，電機系統(tǒng)維護更方便。 通過上述比較，可以看出，液壓及氣壓系統(tǒng)組成的機構的繁瑣、維護不便，對于本設計中的移動操作臂來說是一個無法實現(xiàn)的問題，另外從位置控制精度角度考慮，電機也是更好的選擇，因此最終選用電機作為驅(qū)動系統(tǒng)。 2.2.2 電機驅(qū)動類型的選擇 電機的類型按使用電源分有交流電機、直流電機。使用交流電機必然會有電源線，對于移動機器操作臂來說，帶著長長的電源線移動不僅不方便、移動距離受限制，

15、在遇到物體時還難免會有電源線纏繞、交叉等問題，因此難以實現(xiàn)，只能采用直流電機系統(tǒng)，用同樣搭載于移動平臺上的電池作為電源。 直流電機系統(tǒng)有普通直流電機、步進電機、直流伺服電機等形式，它們的價格依次升高，但相應的，其控制精度，輸出力矩等性能也有很大提高，步進電機和伺服電機都能達到很高的控制精度要求。對于本設計而言，伺服電機的成本過高，因此采用普通直流電機和步進電機。 按照前文選定的方案，該機械操作臂共有手部關節(jié)、腕關節(jié)、伸縮關節(jié)和豎直升降的關節(jié)四個自由度，即需要四個電機驅(qū)動，其中手部關節(jié)帶動洗車刷連續(xù)轉(zhuǎn)動工作，不需要位置精度控制，只要能夠輸出不同的轉(zhuǎn)速即可，因此可以采用普通直流減速電機，另外三

16、個關節(jié)需要控制速度的同時還要求較高的位置精度控制，因此都使用步進電機，必要的地方用齒輪或者加減速箱以增大扭矩。 各個關節(jié)的具體電機功率計算和選型在下一章中介紹。 2.3 傳動方式 傳動方式是實現(xiàn)能量傳遞和改變運動方式的一類裝置，其主要作用是實現(xiàn)能量的分配與傳遞和運動形式或運動速度的改變。機械傳動有嚙合傳動、摩擦傳動和流體傳動三大類，在本設計中可能采用的具體傳動方式包括帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動、螺旋傳動，下面對這幾種傳動方式進行比較并為各個關節(jié)選擇傳動方式。 1.帶傳動：帶傳動通常由主動帶輪、從動帶輪和張緊在兩輪上的傳動帶組成，當主動輪轉(zhuǎn)動時，依靠帶與帶輪間的摩擦力（平帶或者V形帶）或者

17、帶與帶輪間的嚙合（齒形帶）拖動從動輪轉(zhuǎn)動。帶傳動結構簡單，傳動平穩(wěn)，緩沖吸振，能實現(xiàn)較大間距的軸間的動力傳遞，但其傳動效率不高，平帶還存在打滑、傳動比不精確的問題，但齒形帶已經(jīng)解決了大部分缺點。 2.齒輪傳動：齒輪傳動是機械結構中使用最為廣泛的，其傳動效率是常用機械傳動中效率最高的，而且結構緊湊，具有不變的瞬時傳動比。在正確安裝，良好潤滑的和正常維護的條件下，其工作可靠性、使用壽命、傳動精確性也是其它機械傳動難以比擬的。但其制造及安裝精度要求較高，價格較貴，而且通常的齒輪傳動采用閉式傳動，需要良好的保養(yǎng)維護，因此使用齒輪的成本較高，而且齒輪傳動只適用于軸間距較短的軸間動力傳遞。 3.鏈傳動

18、：鏈傳動與帶傳動近似，由鏈條、主動鏈輪和從動鏈輪組成。鏈傳動與平帶相比具有傳動精確、效率高、不需要大的張緊力等優(yōu)點，而且載荷能力比帶傳動大得多。但其傳動精度低于同步帶輪，與齒輪相比具有制造安裝要求低的優(yōu)點，但其傳動不平穩(wěn)，有較大噪聲、沖擊，而且瞬時傳動比不同，磨損后容易發(fā)生跳齒現(xiàn)象，主要在要求工作可靠，負載大，軸距較遠，工作環(huán)境差的條件下。 4.螺旋傳動：由螺桿及螺母組成，利用螺桿與螺母的相對運動將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動。螺旋傳動具有傳動平穩(wěn)，精度高，結構簡單緊湊，具有増力作用，降速傳動比大，能夠自鎖，可以產(chǎn)生較大軸向負載等優(yōu)點。但是對于滑動螺旋傳動，由于工作面間是滑動摩擦，使其工作效率低，

19、，磨損快，不適宜用作高速和大功率傳遞。 2.4 操作臂結構 對機器的設計而言，首先事先預定的使用功能是最基本的要求，然后再考慮性能、使用方便性、工作可靠性、小體積、高效率、美觀的外形等一系列問題。對機器經(jīng)濟性方面，應該在設計的過程中進行全面的綜合的考慮，盡量用最低的成本設計出能夠?qū)崿F(xiàn)預期功能的機器。這就要求合理地設計機器的各個部分的結構。 通常，機械臂有手部、腕部等多個關節(jié)結構，本設計中的機械臂為專用機械臂，其手部結構為一洗車刷，不需要增加額外的夾持自由度，因此機械臂有腕部的旋轉(zhuǎn)、俯仰，以及臂的水平和豎直方向上的兩個直線運動組成。 2.4.1 腕部結構 1）腕部轉(zhuǎn)動結構 腕部的轉(zhuǎn)動

20、自由度部分結構直接與洗車刷相連接，其作用是使洗車刷轉(zhuǎn)動實現(xiàn)洗車的動作，其運動形式是繞洗車刷的刷軸的旋轉(zhuǎn)運動。一個最簡單的就是將電機軸直接與刷軸相連，帶動刷旋轉(zhuǎn)。其結構的主要零部件包括電機、外殼、電機座以及相應的連接件等。腕部的結構如圖示2-5所示。 圖2-5 腕部結構 2）腕部俯仰關節(jié)結構 俯仰關節(jié)結構屬于腕部的另一個自由度，它的作用是在臂部運動的基礎上進一步改變或調(diào)整末端執(zhí)行器的空間位置，擴大機械臂工作范圍，使機械臂更為靈巧。在本例中，俯仰關節(jié)的具體作用是讓洗車刷工作面在洗車頂和車側面時分別定位于水平、豎直平面內(nèi)，并且讓刷面能夠作小角度的調(diào)整以適應車身的弧面。 俯仰關節(jié)的結構如下

21、圖2-6所示，其擺動自由度的擺動范圍超過180，完全能夠滿足工作的需要。另外，出于美觀及協(xié)調(diào)考慮，將電機置于操作臂內(nèi)部，電機軸線與俯仰的轉(zhuǎn)動軸垂直，要求傳動空間垂直的兩軸間的轉(zhuǎn)動，可以采用蝸輪蝸桿或者是圓錐齒輪傳動。雖然蝸輪蝸桿傳動能夠?qū)崿F(xiàn)機構上的自鎖，但其傳動效率低而且更容易磨損，因此選擇直齒圓錐齒輪傳動方式。 圖2-6 俯仰關節(jié)結構 2.4.2 臂部結構 手臂部分是機械臂結構的主要結構，它要支撐腕部結構和末端執(zhí)行器，并帶動它們做空間運動，將末端執(zhí)行器送到需要的工作面上的任意一點，另外，臂部還要承擔調(diào)整末端姿態(tài)的任務，因此，一般臂部需要有伸縮、左右旋轉(zhuǎn)和升降三個自由度。對于洗車機械

22、操作臂而言，因為有移動平臺，故左右回轉(zhuǎn)的自由度可以省略，只需要伸縮和升降兩個關節(jié)。 由于臂部通常受到扭轉(zhuǎn)和彎曲的作用，因此主要要考慮臂部的抗彎和抗扭強度。很顯然，在材料相同，截面積和重量近似的情況下，空心結構的抗彎剛度要大得多，因此采用中空的型材能提高抗彎剛度的同時也大大減輕了臂的自重。 1）伸縮自由度 伸縮關節(jié)的主體結構采用鋁合金方管型材，并且進行鏤空去掉部分材料以減輕重量。伸縮關節(jié)的作用是使操作臂末端能達到汽車的寬度上每一處，而一般家用轎車寬度約1.5～2米，因此，伸縮機構的行程至少要達到車寬的一半即0.9米才能滿足工作要求。為了減小收縮時的尺寸，伸縮機構整體采用兩級伸縮的結構。其傳

23、動方式采用絲杠螺母的螺旋傳動方式，絲杠副的運動方式為絲杠轉(zhuǎn)動螺母移動，兩個螺母通過法蘭分別與兩個伸縮級相連接，帶動伸縮級運動。絲杠轉(zhuǎn)動的動力由電機通過帶傳動提供。伸縮關節(jié)的結構如下圖2-7所示。 圖2-7 伸縮手臂的結構 2）升降自由度 豎直方向的升降自由度作用是使洗車刷能夠達到從車頂部到底部的所有表面，一般家用轎車的高度約1.4～1.6米，底盤高10～20厘米，根據(jù)這一尺寸可以得出豎直方向上的升降行程要達到1.6米以上，取1.7米。升降機構主要包括三個部分：支架，導向機構和傳動機構。支架為四根型材，型材上有孔，將導向機構與支架相連接。導向機構是升降機構中比較重要的結構，若要精度

24、高，最好采用直線導軌，但直線導軌特別是像這樣行程很長直線導軌的價格過于昂貴，同時也會增加操作臂的整體重量，因此設計了一種精度稍差的導向機構。升降機構的傳動采用同步齒形帶傳動，升降平臺與同步帶連接，由同步帶帶動工作臺實現(xiàn)升降動作。導向機構和升降機構整體結構如下圖2-8所示。 圖2-8 升降機構（注：圖中同步帶，電機及升降平臺未表示） 本次設計的洗車操作臂的主要動作及相應的結構即為上述四個，操作臂的整體效果圖如圖2-9所示。 圖2-9 整體效果圖 3 零部件材料選擇與計算 3.1 零件設計的一般要求 機械零件

25、是組成機器的最小也是最基本的單元，所有機器最終都是通過一個一個零件設計組裝而成的。每一個零件的設計都可能影響機器的使用或者性能、成本等，因此設計零件時首先要滿足機器的使用功能要求，在實現(xiàn)功能的同時綜合考慮零件生產(chǎn)加工的經(jīng)濟性。 機器在設計完成后都有負載能力、使用壽命的要求，即在規(guī)定的負載下在預期的使用壽命內(nèi)機器不會出現(xiàn)各種可能的實效，這也是要通過零部件的設計保證的，即要求機器的動力源能夠提供足夠的功率、力或者力矩，機械零件在強度、剛度、耐磨性等方面滿足一定的要求，這樣才能保證機器工作的可靠性和使用壽命。 機器的成本同樣也是通過零部件的設計來體現(xiàn)，零件的生產(chǎn)制造成本降低必然會帶來機器整體

26、成本的下降，因此在設計零部件時要加工工藝性方面多加考慮，包括選擇合理的材料、合適的毛坯形式，根據(jù)情況選擇制定合適的加工精度、表面粗糙度等，并使零件的結構盡量簡單、合理、易于加工裝配。另外，能夠使用標準化、系列化和通用零件時一定要使用，提高互換性。 3.2 零件材料的選擇 選擇合適的零件材料使設計零件時首先要考慮的問題，不同的材料的強度、加工性能、密度、價格等都有非常大的差異，要根據(jù)機器的要求具體選擇，例如對機器質(zhì)量有限制時就應該選用密度小的材料。通常機械零件的材料主要是金屬，包括黑色金屬（鋼材）、有色金屬（銅、鋁等）及其合金，另外，還有部分非金屬材料（工程塑料如尼龍66）等也常用來加工金

27、屬零件。他們各自有自己的特點，物理性能有很大差別。例如工程塑料和鋼材的密度就可能相差五倍左右。 從材料選擇的使用要求、加工性能和經(jīng)濟性、質(zhì)量限制等方面考慮，合理選擇機械臂的零件材料。 操作臂的材料選擇主要有機械臂的主體部分，包括支架、導向機構、伸縮機構等、各關節(jié)處殼體等尺寸體積較大的零件，各個關節(jié)處的傳動軸，傳動零件如齒輪系、帶輪等。 1）大尺寸零件：任務要求設備的總體質(zhì)量在20Kg以內(nèi)，在強度滿足的情況下應該盡量減少質(zhì)量，因此選擇密度小而強度高的鋁合金材料，例如硬鋁合金2A12、鍛造鋁合金6061、6063等。他們都有較高的強度，6061和6063的可加工性能要好于2A12。雖然

28、鋁合金比常用的鋼材價格要高，但其密度也要小很多。例如支架，在截面面積接近的情況下，根據(jù)ug的分析數(shù)據(jù)顯示，使用型鋼時每根支撐體的質(zhì)量是12kg左右，這樣操作臂的總質(zhì)量就遠大于任務要求。相應地，使用鋁合金時每根支撐柱的質(zhì)量只有4kg左右。因此對于機械臂的主體材料，選擇硬鋁合金或者鍛造鋁合金是比較合理的。另外，對于可移動平臺，因為要降低重心，使得操作臂行駛時更穩(wěn)定，應選用鑄鐵或鋼板這樣密度大的材料。 2）傳動軸：在操作臂中，傳動軸是很重要的零件，它們的強度、剛度等性能直接影響操作臂的工作性能。常用傳動軸的材料是碳素鋼和合金鋼，碳素鋼價格低廉，進行熱處理后物理性能也較好，應用很廣泛。而合金鋼的機

29、械性能和熱處理性能都更優(yōu)秀，通常傳動大動力并要求減小尺寸時采用。洗車機械操作臂要傳遞的動力較小，采用碳素鋼可以滿足設計要求，選擇45鋼，并進行熱處理。 3）傳動件：操作臂中的傳動零件主要是齒輪和帶輪。對于齒輪而言，其設計要求是齒面耐磨性及齒芯的韌性。通常采用熱處理的鋼材作為加工材料。齒輪有軟齒面齒輪和硬齒面齒輪之分，前者用于強度、速度精度要求相對較低的場合，常用材料有45鋼、40Cr等；后者主要用于高速、重載、傳動精度高的場合，常用材料為20Cr、20CrMnTi等。兩者的加工精度也有差別，通常軟齒面齒輪8級精度，而硬齒面齒輪則達到5到6級精度。操作臂的齒輪系傳動精度、載荷大小及速度要求都

30、不是很高，故選用軟齒面齒輪即可達到設計要求，材料選擇40Gr。而對于帶輪而言，其對耐磨性、抗沖擊性等要求都較低，因此常見的金屬包括鋼材、鋁合金、銅等材料都可以用來加工帶輪。在本設計中，同樣采用鋁合金。 另外對于操作臂中的其他一些零件，比如軸承座，端蓋等都采用6061鋁合金，形狀較復雜不容易機加工得到的采用鑄造鋁合金。 3.3 零部件計算 3.3.1 腕關節(jié)計算 1）電機功率選擇 洗車刷形狀為圓盤形，直徑0.2米，預計洗車摩擦力20牛，假設洗車摩擦力均勻分布于刷面上，則單位面積上摩擦力P=636.6N/m2。 則刷面的摩擦力矩

31、 （3-1） =1.3Nm 洗車刷轉(zhuǎn)速ω取1r/s，即3.14rad/s，則消耗功率P=Mω=4.08瓦 選擇DC-60直流減速電機，轉(zhuǎn)速3200 r/min，輸出扭矩0.46 kg/cm，減速比取1：50 。電機減速器輸出軸輸出轉(zhuǎn)速64 r/min，扭矩2.3 Nm ，滿足功率及扭矩要求。 2）洗車刷軸強度校核 洗車刷軸與洗車刷相連，傳遞扭矩和軸向力，受力分析如圖3-1所示。 圖3-1 洗車刷軸受力分析 其中T的大小為1.3Nm，刷軸為空心軸結構，內(nèi)徑d1=8mm,外徑d=15mm，則β=d1/d=0.533 。 軸的抗彎截面系

32、數(shù) （3-2） 所以 =T/W=0.133MPa<<。 （3-3） 故刷軸強度滿足設計要求。 3.3.2 俯仰關節(jié)計算 1）電機選擇 俯仰關節(jié)處選擇步進電機，要求步進電機能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖。轉(zhuǎn)速n約為1rad/s，最大轉(zhuǎn)矩小于4 Nm。則電機功率較小，取15瓦足以滿足功率要求。最終選擇57BYGH250E-02型步進電機。其最大靜扭矩為16.5kgcm。采用減速比為1：3的齒輪減速后扭矩滿足要求。 2）齒輪及軸設計： 大錐齒輪傳遞轉(zhuǎn)矩T1=4000 Nmm， 取齒輪模數(shù)為1.25mm，小齒輪齒數(shù) =21，大齒

33、輪齒數(shù) =63。 則大小齒輪的分度錐角分別為 ，=71.57 （3-4） 大圓錐齒輪的當量分度圓 =65.625mm （3-5） 齒輪受力分析： （3-6） （3-7） （3-8） 錐齒輪軸受力分析如圖3-2所示。 圖3-2 錐齒輪軸受力分析 在豎直平面內(nèi)，軸上受齒輪的切向力，連接件的力和，大小約為10牛，以及軸承豎直方向的支承力和。 分別對軸承兩個支承點取矩得： （3-9） 即： =97.74N 同理可得：

34、 =44.16N 在水平面內(nèi)，軸上受到齒輪的軸向力和徑向力，以及軸承水平方向的支承反力和。 用上述方法同樣可求得： =24.48N =10.45N 所以軸上的彎矩為： 豎直方向： （3-10） 水平方向： （3-11） 求得軸上的合成彎矩： （3-12） 可得軸上的彎矩及扭矩圖如3-3所示：（單位Nmm） 圖3-3 軸彎矩圖 校核軸的強度： 轉(zhuǎn)矩脈動變化，取=0.7，考慮鍵槽對軸強度的影響，軸頸乘以0.94，所以： （3-13） 軸安全。 3

35、）軸承強度校核 軸承校核： 查表選擇軸承代號7004C，d=20mm，kN，kN， 由以上軸的受力分析可知軸承所受的最大力為： （3-14） （3-15） 7000C系列軸承的軸向附加力 故 ： 軸向力 ， 所以，左面軸承壓緊，右面軸承放松， ， 左軸承相對軸向載荷為： >e 查表17.7，用線性插值得X=0.44，Y=1.48 當量動載荷： （3-16）

36、同理可得： P2=79.11N P2

37、 （3-18） （式中Fa為軸向載荷；d2為螺紋中經(jīng)；h為螺紋工作高度，h=0.5p； H為螺母高度，H= d2） 所以， （3-19） 其中，查表9-1得[P]=11~18MPa,Fa=50N，所以 由于絲杠徑向尺寸較長，故取d2較大值為18mm。 絲杠傳動效率及驅(qū)動力矩： 效率： （3-20） ：導程角： （3-21） ：誘導摩擦角：

38、 ，為牙型半角。 （3-22） 查表9-5，摩擦系數(shù)f=0.08~0.1，取0.1， 則： ， 驅(qū)動力矩： （3-23） 剛度校核： （3-24） 其中，45鋼， 所以剛度滿足設計要求。 強度校核： 根據(jù)第四強度理論校核螺桿強度： 所以螺桿強度滿足設計要求。 根據(jù)以上電機功率計算及螺旋傳動驅(qū)動力矩計算選擇電機39BYG250C。 3）伸縮臂殼體強度校核： 抗拉強度為145MPa，剪切強度為270MPa 伸縮機構完全伸展開時即形成一個懸臂結構，存在受到較

39、大彎矩和剪力的危險截面，因此必須進行強度校核。三級伸縮機構殼采用鋁合金矩型材，去除部分材料以減輕質(zhì)量，伸縮機構伸展開后受到的彎矩和剪力如圖3-5所示。 圖3-5 伸縮機構受力分析圖 在m-m和n-n截面為危險截面，截面的形狀如圖3-6所示。 圖3-6 截面形狀 型材厚度為3mm。 剪切強度：n-n截面面積為S1=396mm2，m-m截面面積S2=446mm2 則n-n和m-m截面處的剪應力分別為0.14MPa和0.146MPa，小于許用剪切應力。故伸縮臂抗剪切強度滿足要求。 抗彎強度：沿著彎曲方向，n-n截面和m-m截面處的抗彎截面系數(shù)分別為： 故

40、 （3-25） 兩個可能的危險截面的最大彎曲正應力都小于許用應力。伸縮關節(jié)的強度滿足設計要求。 3.3.4 豎直升降傳動計算 1）功率計算： 豎直升降處采用帶傳動主要承受載荷為機械臂的自重，約20kg，200N，升降的最大速度設定為0.6m/s。則需要的電機功率約120W，取2倍安全系數(shù)，則選擇電機的最大輸出功率為250W。 2）帶傳動計算： 帶傳動的額定功率P取200W，小帶輪轉(zhuǎn)速n1=240r/min，直流電機驅(qū)動，傳動比i=1，軸距a=1600mm，斷續(xù)工作，軸間距可調(diào)，無張緊輪。 查表8-1-74得帶的工作情況系數(shù)KA=1.3 則帶的計算功率：

41、 （3-26） 根據(jù)帶轉(zhuǎn)速及計算功率查圖8-1-13，確定選擇H型同步帶，節(jié)距，帶寬38.1mm，許用工作拉力約1000N，滿足強度負載要求。 查表8-1-75，可知小帶輪最小齒數(shù)，取小帶輪齒數(shù)z1=18 則帶輪分度圓直徑： （3-27） 查表8-1-60知，帶輪外徑mm 可知帶速： < （3-28） 同步帶節(jié)線長 （3-29） 選擇1400齒的同步帶。 本章的設計計算和關鍵部分強度校核可以證明，在操作臂正常受力的情況下，各個部分可以滿足強度要求并滿足一定的使用壽命。

42、 4 附件及控制微略 4.1 附件 洗車機械操作臂要實現(xiàn)其清洗家用轎車的功能，除去實現(xiàn)其整體動作的機械結構外，還需要一系列的附加設備，主要包括洗車刷、水箱、水泵等。 4.1.1 洗車刷 洗車操作臂的設計功能是要能實現(xiàn)其不同的洗車方式，主要是在洗車時加水或不加水的問題。而通常情況下，對不同洗車條件下所使用的洗車刷也應該不同，例如用水洗車時，通常使用質(zhì)地較軟的海綿，洗完后將水擦干則常使用厚、軟的毛巾或者是麂皮。在不用水洗而只是簡單除去汽車表面灰塵時通常使用毛刷。因此，為滿足不同的洗車要求，最好要準備多種規(guī)格的洗車刷，并與操作臂要容易拆裝。 一般的盤

43、形洗車刷市場上都可以買到，有些廠家還可以根據(jù)客戶要求訂做生產(chǎn)不同材料不同外型的洗車刷，因此洗車刷可以根據(jù)市場情況選擇。 4.1.2 供水系統(tǒng) 通常洗車的過程為：水沖洗—擦洗—（加洗車液擦洗—）水沖洗—揩干表面水漬。按照這個程序才能較干凈的擦洗干凈汽車表面的灰塵污物，因此操作臂的附件中必須有一套供水的設備。 供水的設備主要包括管路、閥、水泵和水箱。首先，為使噴水噴頭能夠達到汽車的所有表面，噴頭必須隨著操作臂末端移動，因此水管要采用容易彎曲的軟橡膠管，并且在布置時應該注意在機械臂運動時水管不會影響運動或者本身產(chǎn)生纏繞等現(xiàn)象，影響操作臂的工作。水箱分為大小兩個，大的用于盛水，容量在10升左右，

44、小的一格用于裝洗車液，洗車時可以進行靈活的選擇。水泵使水噴出時具有一定的壓力，能夠更容易地沖洗掉汽車表面灰塵等。閥采用兩位兩通式，水泵吸水端通過閥分別與水和洗車液相同，通過閥控制洗車時噴水還是噴洗車液。 4.2 控制微略 洗車機器操作臂能夠完全代替人進行自動化洗車，就必須要有控制系統(tǒng)。首先是感覺系統(tǒng)，即傳感器，機器人通過傳感器采集周圍信息，進行計算分析后完成預定的操作任務，因此傳感器的合理選用是很重要的。 洗車機械操作臂中要用到的有：力傳感器、接近傳感器、視覺傳感器。力傳感器裝在洗車刷上，控制洗車的力度均勻，不會因為洗車力太大劃傷車漆或者因為洗車力太小擦洗不干凈。 接近傳感器主要用于測

45、量物體間的接近程度，它不能精確測出物體間的距離，只可以判斷兩個物體接近距離是在某個距離內(nèi)還是在這個距離之外。對于洗車機械操作臂而言，由于操作臂本體結構多為金屬結構，與汽車表面接觸時很容易劃傷車身，這就要求操作臂的突出部位或其它容易與車身接觸的部位要與汽車保持一定的安全距離，這就需要距離傳感器，作為安全保障用。 視覺傳感器用來判斷汽車位置和汽車外形，通過視覺傳感器還可以判斷擦洗車工作是否完成。判斷完成洗車還可以通過預先輸入車型參數(shù)來實現(xiàn)。 另外，控制部分還包括四個關節(jié)電機的控制。腕關節(jié)電機只要控制轉(zhuǎn)速，可以用PWM脈寬比實現(xiàn)，用開環(huán)控制即可。而另外的三個關節(jié)步進電機控制要求有較精確的位置姿態(tài)

46、，需要編碼盤實現(xiàn)閉環(huán)的反饋控制，以提高控制精度?？刂破骺梢圆捎卯a(chǎn)品化的控制模塊。 本章只是給出了操作臂控制的可能思路，軟件部分和硬件部分都沒有開展，因此肯定會有很多不合理的地方。  結 論 移動機械操作臂設計是一個集機械結構設計、計算機仿真、檢測技術、控制技術等多門學科的綜合性問題，本文以洗車為目的，設計了家用轎車洗車機械操作臂，主要是機械結構方面的設計。 本次設計任務的工作總結如下： 1）調(diào)查了汽車清洗行業(yè)的情況，包括現(xiàn)有的常用于洗車行的大型洗車設備，已有的小型、適合家用的洗車設備，以及一些洗車機械的專利發(fā)明等。 2）了解了汽

47、車清洗的一般步驟，常用洗車方法等，在此基礎上設計了洗車機械操作臂的幾種動作方案，并通過不同方案的比較討論得出最終的設計方案，該動作方案較為靈活，能夠完成汽車表面的簡單清洗。 3）根據(jù)設計要求為操作比的各個部分選擇材料，并通過比較各種驅(qū)動形式和傳動機構的特點選擇驅(qū)動及傳動方式，設計各個關節(jié)部分的結構設計，并簡單估算了驅(qū)動功率，完成部分關節(jié)的驅(qū)動選型，對關鍵部位強度進行校核。 4）利用ug對機械操作臂進行了三維建模、裝配，并進行了運動模擬和質(zhì)量分析，得出機械臂整體質(zhì)量（不包括水箱、水泵等）約為40kg，基本滿足設計要求。同時得到操作臂的可移動平臺尺寸為575460，占地面積約0.3m2，但是在

48、高度方向上操作臂的尺寸超過兩米，存放方面存在較大問題，需要降低尺寸。 5）用CAD進行裝配體二維平面圖制作，并用CAD畫了部分零件的零件圖。 6）文章最后提出了洗車刷等附件的選擇和控制微略，為操作比的最終完成提供參考。  致 謝 三年大學生活即將結束，想到此，三年中的每一個生活插曲都在我的腦海中閃閃而過。經(jīng)過五個多月的實習，我在蘇州軸承廠的師傅和學校指導老師的幫助下，順利的完成了畢業(yè)論文要求的任務。 畢業(yè)實習是高職高專院校人才培養(yǎng)過程中一項重要的實踐教學環(huán)節(jié)，能夠更好地實現(xiàn)學生理論和實踐的結合；是學生根據(jù)自身所學專業(yè)知識，到相關企事業(yè)單位開展工程研究和生產(chǎn)實

49、踐，以課題論文和項目成果的形式，展示學生的理論與技術應用水平、實踐能力的綜合性實踐活動。并為我以后的學習和工作打下了基礎。 通過這次實習，我把我所學的專業(yè)知識與實踐結合起來，使我在實踐過程中的工作能夠事半功倍，而且我還能更好地理解在學校所學的知識，做到了理論與實踐相結合。在軸承廠里，我學到更多的知識，這是書本上所不能體現(xiàn)的。而且，我增強了自己的動手能力和實踐能力。 在此，我要誠摯的感謝我的指導老師張，在畢業(yè)設計過程中給予的支持和建議，使我的畢業(yè)設計更加的完善。 參 考 文 獻 [1] 張福學，機器人技術及其應用[M].北京: 電子工業(yè)出版社，

50、2000.1,18-19 [2] 日本機器人協(xié)會，機器人技術手冊[M].北京:科學出版社，1996, 10 [3] 吳瑞樣，機器人技術及應用[M].北京:北京航空航大人學出版社，1994.8,87-91 [4] 馬香峰，機器人機構學[M].北京:機械工業(yè)出版社，1991.9，46-48 [5] 馬香峰，工業(yè)機器人的操作機設計[M].北京: 冶金工業(yè)出版社，1996，16-26 [6] 熊有倫，機器人技術基礎[M].武漢: 華中科技大學出版社，2002，79-82 [7] 王知行，劉廷榮主編.機械原理[M].高等教育出版社, 2001.1，245-254 [8] 錢錫康，BUAA-

51、RR 七自由度機器人機械結構設計[J].北京航空航天大學學報,1998.24,354-357 [9] 牧野洋.謝存禧.鄭時雄，空間機構及機器人機構學[M].北京:機械工業(yè)出版社，1987.5,212-214 [10] 徐福生，智能型服務機械人[M].高等教育出版社,1999，112-114 [11] 胡青，氣動平衡機械臂[M].北京：清華大學出版社，2000.1,280-282 [12] 王尚，力可變機械手[M].上海:上海交通大學出版社，1992.5,21-23 [13] 杜飛龍，全自動清洗機機械臂[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.7,11-13 [14] 金振林，六自由度串并混聯(lián)結構機械臂[M].河北：燕山大學出版社，2007.10，254-256