喷漆机器人小臂设计方案

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1、绪论喷漆机器人【spray painting robot】 可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人。中国研制出几种型号的喷漆机器人并投入使用，取得了较好的经济效果。喷漆机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成，液压驱动的喷漆机器人还包括液压油源，如油泵、油箱和电机等。多采用5或6自由度关节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有23个自由度，可灵活运动。较先进的喷漆机器人腕部采用柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动作类似人的手腕，能方便地通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。喷漆机器人一般采用液压驱动，具有动作速度快、防爆性能好等特点，可通过手把手

2、示教或点位示数来实现示教。喷漆机器人广泛用于汽车、仪表、电器、搪瓷等工艺生产部门。机器人首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。 日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。 第二代机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到

3、的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。 第三代机器人（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一环。 随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机器人会议ISIR决定每年召开一次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。 目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面

4、还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。 在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。 随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小

5、批量的生产过程。计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在EPROM中，这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几

6、个阶段：（1）1963-1967年为试验定型阶段。1963-1966年， 万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。1967年，该公司生产的工业机器人定型为1900型。（2）1968-1970年为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机器人；1969年该公司又自行研制出SAM新工业机器人，并用21组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的448台冲床都用工业机器人传递工件。（3）1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970-1972年，工业机器人处于技术发展阶段。1970年4月美

7、国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。其他国家，如日本、苏联、西欧，大多是从1967，1968年开始以美国的“Versatran”和“Unimate”型机器人为蓝本开始进行研制的。就日本来说，1967年，日本丰田织机公司 引进美国的“Versatran”,川崎重工公司引进“Unimate”，并获得迅速发展。通过引进技术、仿制、改造创新。很快研制出国产化机器人，技术水平很快赶上美国并超过其他国家。经过大约10年的实用化时期以后，从1980年开始进入广泛的普及时代。我国虽然开始研制工业机器人比较慢，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展还是很迅速的。目前我国已开始有计划地从国外引进

8、工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。因此，从长远看，产品的生产成本还会大大降低。而机器人价格的降低使一些中企业投资购买机器人变得轻而易举。因此，工业机器人的应用在各行各业得到飞速发展。1 喷漆机器人小臂工作原理手臂伸缩驱动装置上在终端焊有法兰的管子组成的气缸。在气缸内装着空心活塞杆，在其前端固定夹持器。法兰上固接俩个壳体。在壳体中压入黄铜衬套，它是活塞杆的导向套。在活塞杆上刚性连接着卡箍，在其上固定着带有使活塞杆限位的两个挡块的杆。沿杆移动挡块可以调节手臂的行程。挡块的位置由螺钉固紧。气缸的活塞杆腔经常处于压力之下。为使手臂深处，压缩空气进入该气缸的相反腔

9、内，由于活塞的有效面积之差，活塞杆连同杆和挡块开始向左移动，实现手臂的深处，直至位置传感器带压缩弹簧的指杆碰到挡块为止。传感器发出伸缩机构动作信号，传到控制系统中。为将手臂缩回，使活塞杆腔中的压力降低，而活塞在活塞杆腔中空气压力作用下开始向后运动。为增加手臂缩回的速度，在网路中的空气传输管道中装有快速排气阀。在壳体中装有双联液压缓冲器，它保证手臂向前或向后运动接近定位点是的制动。与活塞杆一起运动的手臂作用在挡块上市，它们压在滑阀的伸出活塞杆上，将其压入壳体中。当滑阀运动时，油通过壳体中由锥形尾部和孔所形成的环形孔从腔中流出。在滑阀移动时，环形孔截面减小，平稳的增加手臂运动阻力。以产生手臂的制动

10、。制动效果可有节流阀调节。 2 机器人的执行机构2.1 腕部腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节焊枪的方位，以扩大焊枪的工作范围，并使手部变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作出所需的零件。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。本次设计的焊接机器人的腕部是利用液压缸实现手部的旋转运动。设计的焊接机器人的腕部的运动为一个自由度的回转运动，运动参数是实现手部回转的角度控制在-9090腕部的驱动方式采用直接驱动的方式，由于腕部装在手臂的末端，所以必须设计的十分紧凑可以把驱动源装在手腕上。

11、机器人手腕的回转运动是由回转液压缸实现的。将夹紧活塞缸的外壳与摆动油缸的动片连接在一起；当回转液压缸中不同的油腔中进油时即可实现手腕不同方向的回转。 2.2 臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到直线运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有一个自由度就能满足基本要求，即臂部的伸缩运动。 臂部的运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部的静、动载荷。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓

12、重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。本次设计实现臂部的前后伸缩运动。臂部的运动参数：伸缩行程：1850mm；伸缩速度：1200mm/s1400mm/s。机器人臂部的伸缩使其手臂的工作长度发生变化，在直角坐标式结构中，手臂的最大工作长度决定其末端所能达到的最远距离。伸缩式臂部机构的驱动可采用液压缸直接驱动。本次课程设计主要采用气缸为主要动力机构。 3 设计主要技术参数3.1 小臂伸缩行程 600mm伸缩速度： 1200mm/s1400mm/s回转范围： -90 +903.2 腕部回转范围： -90 +904 腕部的设计和计算4.1 基本要求与结构（1）具有一个自由度的回转驱动的腕部结构它具

13、有结构紧凑、灵活等优点而 被广腕部回转，总力矩从，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。回转角 由动片和静片之问允许冋转的角度来决定（一般小于270。（2）力齿条活塞驱动的腕部结构在要求回转角大于270。的情况下，可釆用齿 条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大。（3）具有两个自由度的回转驱动的腕部结构它使腕部具有水平和垂直转动 的两个自由度。（4）机-液结合的腕部结构。 4.2 驱动结构的选择腕部结构选择具有 一个自由度的回转驱动腕部结构，釆用液压驱动。 4.3腕部设计及计算 4.3.1 手腕静载荷分析手腕自重35kg，机器人满载，即手部夹取100kg重物，手腕质心可认为位于腕部连接轴

14、的轴线上，且手腕质量分布均匀，重物距腕部轴线400mm，取g=9.8m/s2。1、水平位置载荷分析如装备图中所示，手腕处于水平位置，将手腕简化为杆，左端受到重物的拉力F1，右端受到腕部连接轴对其的反力F2，与手腕同轴的链轮上的扭矩M，及手腕的自重G。其受力如图1所示。BAMF2GF1图1图中各载荷：F1=1000N，G=240N，F2，M，待求解；AB=600mm。由于小臂处于静止状态，故各分力合力为零，由此可列出方程组：解方程组可得：F2=1240N，M=600Nm。5 小臂的设计与计算5.1 小臂设计的基本要求臂部设计首先要实现所要求的运动，为此，需要满足下列各项基本要求：一、臂部应承载能

15、力大、刚度好、自重轻对于机械手臂部或机身的承载能力，通常取决于其刚度。以臂部为例，一般 结构上较多采用悬锊梁形式（水平或垂直悬仲。显然仲缩锷杆的悬仲长度愈大， 则刚度愈差。而且其刚度随着臂杆的伸缩不断变化。对机械手的运动性能、位置 精度和负荷能力影响很大。为提高刚度，除尽可能缩短臂杆的悬伸长度外，尚应 注意以下几方面：（1）根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸；（2）合理布置作用力的位置和方向（3）注意简化结构（4）提高配合精度二、臂部运动速度要高，惯性要小机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在最大回转角速度设计在内

16、，大部分平均移动速度为，平均回转角速度在。在速度和回转角速度一定的愔况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此机械手臂部要尽可能的轻。三、手臂动作应该灵活 为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。为此，必须计算使之满足不自锁的条件错误四、位置精度要求高 一般来说，直角和圆柱坐标式机械手位置精度要求较高；关节式机械手的位置精度最难控制，故精度差；在手臂上加设定位装置和检测结构，能较好地控制位置精度，检测装置最好装在最后的

17、运动环节以减少或消除传动、啮合件间的间隙。总结：除此之外，要求机械手的通用性要好，能适合多种作业的要求；工艺性好，便于加工和安装；用于热加工的机械手，还要考虑隔热、冷却；用于作业区粉尘大的机械手还要设置防尘装置等。 以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美的、性能良好的机械手。 5.2 小臂运动机构的选择 5.2.1通过以上，综合考虑，本次设计选择液压缸缓冲机构，使用液压驱动。和气压缸伸缩机构，使气压驱动5.3 手臂直线运动的驱动力计算 首先进行粗略的计算，或者类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，在进行校核计算，修正设计。如此反复，最终绘出结构图。

18、做水平运动伸缩直线运动的气压驱动力，应根据气压缸运动时所克服的摩擦力合惯性力几个方面的阻力确定。活塞杆驱动力计算公式：F=（A1P1-A2P2）5.3.1 小臂摩擦力的计算 得 得 式中G为参与运动的零部件所受的总重力（N）L为手臂与运动零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（m）a为导向支撑的长度（m）为摩擦系数，对于静摩擦切无润滑时：钢对青铜：取=0.10.15钢对铸铁：取=0.180.3选取：G=500N, L=1.21m, a设计为0.016m.将数据带入并计算： 5.3.2 小臂惯性力的计算本设计要求手臂平动V=1200m/s；假定：在计算惯性力的时候，设置启动时间，启动速度：

19、=5.3.3 臂部回转运动驱动力矩的计算臂部回转运动驱动力矩应根据启动时产生的惯性力矩与回转部件支承处的摩擦力矩来计算。由于启动过程一般不是等加速运动，故最大驱动力矩要比理论平均值大些，一般取平均值的1.3倍。故驱动力矩Tq可按下式计算。 Tq=1.3（Tm+Tg）（Nm）式中，Tm各支承处的总摩擦阻力矩； Tg启动时的惯性力矩，可按下式计算 Tg=Jw/ 式中，J手臂部件对其回转轴线的转动惯量； w回转臂的工作角速度； 回转臂启动时间。 如果零件作为质点，它对回转轴线的转动惯量为 Ja=G/g 如果零件重心位置与回转轴线不重合，则它对回转轴线的转动惯量为 Ja=J0+(G/g) 式中，J零件

20、对其重心的转动惯量； p-零件的重心位置到回转轴线的距离； G零件的重量； g重力加速度（10m/） 当Tm=1200，p=600mm,w=60时有： Tq=5.3.4 密封装置的摩擦阻力不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用梯形密封，当气压缸工作压力小于10Mpa。气缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：F摩=65N。 经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：F=1243.8N 5.4 缸筒设计参数及校核(1)缸筒材料：选择ZG310-570铸钢,其抗拉强度=570(2)缸筒壁厚及校核：取壁厚=7.5mm 因此属于普通壁厚缸筒壁厚的校核 式中：-缸筒内最高工作压力；=7-材料的许用应力

21、-材料的安全系数=5校核符合要求(3)缸筒外径： 67mm 6 活塞杆强度和刚度校核 活塞杆的尺寸要满足气缸的运动要求和强度要求，对于杆长L大于直径d15倍以上，按拉、压强度计算： 活塞杆直径17mm,长度800mm,现进行校核， 满足强度要求刚度的校核：图2现按照最小直径进行校核，为方便计算把其当做一悬臂梁，如图2取载荷F=400N，L=800mm. 梁转角：梁挠度：其中E为材料的弹性模量，E=210GPa I为转动惯量：取I=1.1EI=24 所以活塞杆满足强度要求7 组件的选择 7.1 腕部轴承选型连接轴直径D=175 1ei液，使液mm，轴受力F=5323.56N，肘部为增加运动柔顺度

22、，使用四个轴承，单个轴承受力为F/4=1198.39N由于该轴承只承受很小的轴向力，故可选用深沟球轴承。由以上各条件，可选用单独铸造的深沟球轴承。轴承寿命可由下式进行计算：式中，C轴承径向载荷；P当量动载荷；寿命系数。球轴承：=3；N轴承的转速，r/min。该轴承只承受径向力，故P=2198.39N，将各值带入公式中，得轴承寿命为：7.2 壳体连接螺钉的选择液压缸工作压强为P=1Mpa,所以螺钉间距小于150mm,试选择2个螺钉，所以选择螺钉数目合适Z=2个 受力截面 ，此处连接要求有密封性，故k取（1.5-1.8），取K=1.6。 所以 螺钉材料选择Q235，安全系数n取1.5（1.5-2.

23、2）螺钉的直径由下式得出 ，F为总拉力即 螺钉的直径选择d=8mm.7.3 齿轮齿条外部缸体的螺栓选择六角头螺栓 M6，4个六角头螺栓 M10，1个 7.4 轴承润滑方式选择 加工中心的主轴轴承的润滑方式有：油脂润滑、油液循环润滑、油雾润滑、油气润滑等方式。 油脂润滑方式是当前加工中心主轴轴承上最常用的润滑方式，特别在前支承轴承上更是常用。如主轴箱中无冷却润滑油系，则后支承和其它轴承，亦应采用油脂润滑方式，所用油脂种类：高级锂基油脂或德国产NUB15型油脂。 。油脂过多，会加剧主轴发热。油脂封入量的概略计算式如下： （11） 式中 V 油脂填充量（）； D 轴承外径（cm）； d 轴承内径（c

24、m）； B 轴承宽度（mm）； f 的取值。当用NN3000K系列轴承、234400系列轴承，f取1.5； 当用7000C、7000AC系列轴承，f取2。 采用油脂润滑方式，要采取有效的密封措施，以防止切削液或润滑油液进入轴承中去。 8 结论本次课程设计首先对喷漆机器人的工作原理进行了分析，了解机器人小臂的基本工作概况，小臂的伸出与缩回主要通过气缸来实现，向前和向后的制动由液压缸实现。先是对小臂进行了分析计算，对摩擦力和惯性力进行了计算，又对组件进行了选择。充分理解了位置传感器的工作原理，小臂的工作行程的改变主要依靠位置传感器。本次课程设计完成了设计的任务，达到了喷漆机器人小臂的工作性能要求，能够满足在设计要求下的机器人的各种功能的实现。在这次课程设计中，运用材料力学的知识进行了驱动力力矩的计算、气缸的设计。运用多种理论力学中的强度理论对活塞杆进行了校核，对轴承和螺钉进行了选型。9 参考文献1 濮良贵 纪名刚 机械设计 7. 北京：高等教育出版社，2001.2 邱宣怀 机械设计 4版 北京：高等教育出版社，19973 孙志礼等主编 机械设计 东北大学出版社，20004 巩云鹏 田万禄等编著 机械设计课程设计 东北大学出版社，20005 俄 索罗门采夫 工业机器人图册 机械工业出版社，1991