噴漆機器人小臂設計方案

1、緒論噴漆機器人【spray painting robot】 可進行自動噴漆或噴涂其他涂料的工業(yè)機器人。中國研制出幾種型號的噴漆機器人并投入使用，取得了較好的經(jīng)濟效果。噴漆機器人主要由機器人本體、計算機和相應的控制系統(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，并可做復雜的軌跡運動，其腕部一般有23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

2、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。機器人首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機器人。它的結(jié)構(gòu)特點是機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。 日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種典型機器人后，大力從事機器人的研究。目前工業(yè)機器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代機器人正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到

3、的信息進行反饋，使機器人具有感覺機能。 第三代機器人（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)fms(flexible manufacturing system) 和柔性制造單元fmc(flexible manufacturing cell) 中的重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機器人研究制造和應用領域不斷擴大，國際性學術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術(shù)交流活動開展很多。國際工業(yè)機器人會議isir決定每年召開一次會議，討論和研究機器人的發(fā)展及應用問題。 目前，工業(yè)機器人主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面

4、還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)機器人代替人工操作的，主要是在危險作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。 在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機器人應用較多，發(fā)展較快。目前主要應用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機器人本身的損壞。 隨著現(xiàn)代化科學技術(shù)的飛速發(fā)展和社會的進步，針對于上述各個領域的機器人系統(tǒng)的應用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境，適應不同的應用場合和多品種、小

5、批量的生產(chǎn)過程。計算機集成制造（cim）要求機器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設備集成在一起。研究人員為了提高機器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專用控制器，一般采用專用計算機作為上層主控計算機，使用專用機器人語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在eprom中，這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價是非常昂貴的，如果不進行重新設計，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結(jié)構(gòu)的機器人系統(tǒng)。美國工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾

6、個階段：（1）1963-1967年為試驗定型階段。1963-1966年， 萬能自動化公司制造的工業(yè)機器人供用戶做工藝試驗。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機器人定型為1900型。（2）1968-1970年為實際應用階段。這一時期，工業(yè)機器人在美國進入應用階段，例如，美國通用汽車公司1968年訂購了68臺工業(yè)機器人；1969年該公司又自行研制出sam新工業(yè)機器人，并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動線；又如，美國克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動線上的448臺沖床都用工業(yè)機器人傳遞工件。（3）1970年至今一直處于推廣應用和技術(shù)發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)機器人處于技術(shù)發(fā)展階段。1970年4月美

7、國在伊利斯工學院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機器人會議。其他國家，如日本、蘇聯(lián)、西歐，大多是從1967，1968年開始以美國的“versatran”和“unimate”型機器人為藍本開始進行研制的。就日本來說，1967年，日本豐田織機公司 引進美國的“versatran”,川崎重工公司引進“unimate”，并獲得迅速發(fā)展。通過引進技術(shù)、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國產(chǎn)化機器人，技術(shù)水平很快趕上美國并超過其他國家。經(jīng)過大約10年的實用化時期以后，從1980年開始進入廣泛的普及時代。我國雖然開始研制工業(yè)機器人比較慢，但是由于種種原因，工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展還是很迅速的。目前我國已開始有計劃地從國外引進

8、工業(yè)機器人技術(shù)，通過引進、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機器人將會獲得快速的發(fā)展。因此，從長遠看，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本還會大大降低。而機器人價格的降低使一些中企業(yè)投資購買機器人變得輕而易舉。因此，工業(yè)機器人的應用在各行各業(yè)得到飛速發(fā)展。1 噴漆機器人小臂工作原理手臂伸縮驅(qū)動裝置上在終端焊有法蘭的管子組成的氣缸。在氣缸內(nèi)裝著空心活塞桿，在其前端固定夾持器。法蘭上固接倆個殼體。在殼體中壓入黃銅襯套，它是活塞桿的導向套。在活塞桿上剛性連接著卡箍，在其上固定著帶有使活塞桿限位的兩個擋塊的桿。沿桿移動擋塊可以調(diào)節(jié)手臂的行程。擋塊的位置由螺釘固緊。氣缸的活塞桿腔經(jīng)常處于壓力之下。為使手臂深處，壓縮空氣進入該氣缸的相反腔

9、內(nèi)，由于活塞的有效面積之差，活塞桿連同桿和擋塊開始向左移動，實現(xiàn)手臂的深處，直至位置傳感器帶壓縮彈簧的指桿碰到擋塊為止。傳感器發(fā)出伸縮機構(gòu)動作信號，傳到控制系統(tǒng)中。為將手臂縮回，使活塞桿腔中的壓力降低，而活塞在活塞桿腔中空氣壓力作用下開始向后運動。為增加手臂縮回的速度，在網(wǎng)路中的空氣傳輸管道中裝有快速排氣閥。在殼體中裝有雙聯(lián)液壓緩沖器，它保證手臂向前或向后運動接近定位點是的制動。與活塞桿一起運動的手臂作用在擋塊上市，它們壓在滑閥的伸出活塞桿上，將其壓入殼體中。當滑閥運動時，油通過殼體中由錐形尾部和孔所形成的環(huán)形孔從腔中流出。在滑閥移動時，環(huán)形孔截面減小，平穩(wěn)的增加手臂運動阻力。以產(chǎn)生手臂的制動

10、。制動效果可有節(jié)流閥調(diào)節(jié)。 2 機器人的執(zhí)行機構(gòu)2.1 腕部腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)焊槍的方位，以擴大焊槍的工作范圍，并使手部變的更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉(zhuǎn)運動上下擺動、左右擺動。一般腕部設有回轉(zhuǎn)運動再增加一個上下擺動即可滿足工作出所需的零件。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。本次設計的焊接機器人的腕部是利用液壓缸實現(xiàn)手部的旋轉(zhuǎn)運動。設計的焊接機器人的腕部的運動為一個自由度的回轉(zhuǎn)運動，運動參數(shù)是實現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)的角度控制在-9090腕部的驅(qū)動方式采用直接驅(qū)動的方式，由于腕部裝在手臂的末端，所以必須設計的十分緊湊可以把驅(qū)動源裝在手腕上。

11、機器人手腕的回轉(zhuǎn)運動是由回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)的。將夾緊活塞缸的外殼與擺動油缸的動片連接在一起；當回轉(zhuǎn)液壓缸中不同的油腔中進油時即可實現(xiàn)手腕不同方向的回轉(zhuǎn)。 2.2 臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。臂部運動的目的：把手部送到直線運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有一個自由度就能滿足基本要求，即臂部的伸縮運動。 臂部的運動通常用驅(qū)動機構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部的靜、動載荷。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓

12、重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。本次設計實現(xiàn)臂部的前后伸縮運動。臂部的運動參數(shù)：伸縮行程：1850mm；伸縮速度：1200mm/s1400mm/s。機器人臂部的伸縮使其手臂的工作長度發(fā)生變化，在直角坐標式結(jié)構(gòu)中，手臂的最大工作長度決定其末端所能達到的最遠距離。伸縮式臂部機構(gòu)的驅(qū)動可采用液壓缸直接驅(qū)動。本次課程設計主要采用氣缸為主要動力機構(gòu)。 3 設計主要技術(shù)參數(shù)3.1 小臂伸縮行程 600mm伸縮速度： 1200mm/s1400mm/s回轉(zhuǎn)范圍： -90 +903.2 腕部回轉(zhuǎn)范圍： -90 +904 腕部的設計和計算4.1 基本要求與結(jié)構(gòu)（1）具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)它具

13、有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點而 被廣腕部回轉(zhuǎn)，總力矩從，需要克服以下幾種阻力：克服啟動慣性所用。回轉(zhuǎn)角 由動片和靜片之問允許冋轉(zhuǎn)的角度來決定（一般小于270。（2）力齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)在要求回轉(zhuǎn)角大于270。的情況下，可釆用齒 條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)外形尺寸較大。（3）具有兩個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動 的兩個自由度。（4）機-液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。 4.2 驅(qū)動結(jié)構(gòu)的選擇腕部結(jié)構(gòu)選擇具有 一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)，釆用液壓驅(qū)動。 4.3腕部設計及計算 4.3.1 手腕靜載荷分析手腕自重35kg，機器人滿載，即手部夾取100kg重物，手腕質(zhì)心可認為位于腕部連接軸

14、的軸線上，且手腕質(zhì)量分布均勻，重物距腕部軸線400mm，取g=9.8m/s2。1、水平位置載荷分析如裝備圖中所示，手腕處于水平位置，將手腕簡化為桿，左端受到重物的拉力f1，右端受到腕部連接軸對其的反力f2，與手腕同軸的鏈輪上的扭矩m，及手腕的自重g。其受力如圖1所示。bamf2gf1圖1圖中各載荷：f1=1000n，g=240n，f2，m，待求解；ab=600mm。由于小臂處于靜止狀態(tài)，故各分力合力為零，由此可列出方程組：解方程組可得：f2=1240n，m=600nm。5 小臂的設計與計算5.1 小臂設計的基本要求臂部設計首先要實現(xiàn)所要求的運動，為此，需要滿足下列各項基本要求：一、臂部應承載能

15、力大、剛度好、自重輕對于機械手臂部或機身的承載能力，通常取決于其剛度。以臂部為例，一般 結(jié)構(gòu)上較多采用懸鋝梁形式（水平或垂直懸仲。顯然仲縮鍔桿的懸仲長度愈大， 則剛度愈差。而且其剛度隨著臂桿的伸縮不斷變化。對機械手的運動性能、位置 精度和負荷能力影響很大。為提高剛度，除盡可能縮短臂桿的懸伸長度外，尚應 注意以下幾方面：（1）根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸；（2）合理布置作用力的位置和方向（3）注意簡化結(jié)構(gòu)（4）提高配合精度二、臂部運動速度要高，慣性要小機械手手部的運動速度是機械手的主要參數(shù)之一，它反映機械手的生產(chǎn)水平。對于高速度運動的機械手，其最大移動速度設計在最大回轉(zhuǎn)角速度設計在內(nèi)

16、，大部分平均移動速度為，平均回轉(zhuǎn)角速度在。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的愔況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此機械手臂部要盡可能的輕。三、手臂動作應該靈活 為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機械手，其傳動件、導向件和定位件布置合理，使手臂運動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件錯誤四、位置精度要求高 一般來說，直角和圓柱坐標式機械手位置精度要求較高；關(guān)節(jié)式機械手的位置精度最難控制，故精度差；在手臂上加設定位裝置和檢測結(jié)構(gòu)，能較好地控制位置精度，檢測裝置最好裝在最后的

17、運動環(huán)節(jié)以減少或消除傳動、嚙合件間的間隙。總結(jié)：除此之外，要求機械手的通用性要好，能適合多種作業(yè)的要求；工藝性好，便于加工和安裝；用于熱加工的機械手，還要考慮隔熱、冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機械手還要設置防塵裝置等。 以上要求是相互制約的，應該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設計出完美的、性能良好的機械手。 5.2 小臂運動機構(gòu)的選擇 5.2.1通過以上，綜合考慮，本次設計選擇液壓缸緩沖機構(gòu)，使用液壓驅(qū)動。和氣壓缸伸縮機構(gòu)，使氣壓驅(qū)動5.3 手臂直線運動的驅(qū)動力計算 首先進行粗略的計算，或者類比同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關(guān)機構(gòu)的主要尺寸，在進行校核計算，修正設計。如此反復，最終繪出結(jié)構(gòu)圖。

18、做水平運動伸縮直線運動的氣壓驅(qū)動力，應根據(jù)氣壓缸運動時所克服的摩擦力合慣性力幾個方面的阻力確定?；钊麠U驅(qū)動力計算公式：f=（a1p1-a2p2）5.3.1 小臂摩擦力的計算 得 得 式中g(shù)為參與運動的零部件所受的總重力（n）l為手臂與運動零部件的總重量的重心到導向支撐的前端的距離（m）a為導向支撐的長度（m）為摩擦系數(shù)，對于靜摩擦切無潤滑時：鋼對青銅：取=0.10.15鋼對鑄鐵：取=0.180.3選?。篻=500n, l=1.21m, a設計為0.016m.將數(shù)據(jù)帶入并計算： 5.3.2 小臂慣性力的計算本設計要求手臂平動v=1200m/s；假定：在計算慣性力的時候，設置啟動時間，啟動速度：

19、=5.3.3 臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩的計算臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩應根據(jù)啟動時產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩來計算。由于啟動過程一般不是等加速運動，故最大驅(qū)動力矩要比理論平均值大些，一般取平均值的1.3倍。故驅(qū)動力矩tq可按下式計算。 tq=1.3（tm+tg）（nm）式中，tm各支承處的總摩擦阻力矩； tg啟動時的慣性力矩，可按下式計算 tg=jw/ 式中，j手臂部件對其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量； w回轉(zhuǎn)臂的工作角速度； 回轉(zhuǎn)臂啟動時間。 如果零件作為質(zhì)點，它對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量為 ja=g/g 如果零件重心位置與回轉(zhuǎn)軸線不重合，則它對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量為 ja=j0+(g/g) 式中，j零件

20、對其重心的轉(zhuǎn)動慣量； p-零件的重心位置到回轉(zhuǎn)軸線的距離； g零件的重量； g重力加速度（10m/） 當tm=1200，p=600mm,w=60時有： tq=5.3.4 密封裝置的摩擦阻力不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設計中，采用梯形密封，當氣壓缸工作壓力小于10mpa。氣缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：f摩=65n。 經(jīng)過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅(qū)動力：f=1243.8n 5.4 缸筒設計參數(shù)及校核(1)缸筒材料：選擇zg310-570鑄鋼,其抗拉強度=570(2)缸筒壁厚及校核：取壁厚=7.5mm 因此屬于普通壁厚缸筒壁厚的校核 式中：-缸筒內(nèi)最高工作壓力；=7-材料的許用應力

21、-材料的安全系數(shù)=5校核符合要求(3)缸筒外徑： 67mm 6 活塞桿強度和剛度校核 活塞桿的尺寸要滿足氣缸的運動要求和強度要求，對于桿長l大于直徑d15倍以上，按拉、壓強度計算： 活塞桿直徑17mm,長度800mm,現(xiàn)進行校核， 滿足強度要求剛度的校核：圖2現(xiàn)按照最小直徑進行校核，為方便計算把其當做一懸臂梁，如圖2取載荷f=400n，l=800mm. 梁轉(zhuǎn)角：梁撓度：其中e為材料的彈性模量，e=210gpa i為轉(zhuǎn)動慣量：取i=1.1ei=24 所以活塞桿滿足強度要求7 組件的選擇 7.1 腕部軸承選型連接軸直徑d=17mm，軸受力f=5323.56n，肘部為增加運動柔順度，使用四個軸承，單

22、個軸承受力為f/4=1198.39n由于該軸承只承受很小的軸向力，故可選用深溝球軸承。由以上各條件，可選用單獨鑄造的深溝球軸承。軸承壽命可由下式進行計算：式中，c軸承徑向載荷；p當量動載荷；壽命系數(shù)。球軸承：=3；n軸承的轉(zhuǎn)速，r/min。該軸承只承受徑向力，故p=2198.39n，將各值帶入公式中，得軸承壽命為：7.2 殼體連接螺釘?shù)倪x擇液壓缸工作壓強為p=1mpa,所以螺釘間距小于150mm,試選擇2個螺釘，所以選擇螺釘數(shù)目合適z=2個 受力截面 ，此處連接要求有密封性，故k?。?.5-1.8），取k=1.6。 所以 螺釘材料選擇q235，安全系數(shù)n取1.5（1.5-2.2）螺釘?shù)闹睆接上率降贸?，f為總拉力即 螺釘?shù)闹睆竭x擇d=8mm.7.3 齒輪齒條外部缸體的螺栓選擇六角頭螺栓 m6，4個六角頭螺栓 m10，1個 7.4 軸承潤滑方式選擇 加工中心的主軸軸承的潤滑方式有：油脂潤滑、油