六自由度喷漆机器人的结构设计

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1、 教育资料 学 号 密 级 xxxxxxxxxxxxx 本科生毕业论文 喷漆机器人结构设计 院 系 名称 xxxxxxxxxxxx 专业名称 xxxxxxxxxxxxxx 学生姓名 xxxxxxxxxxxx 指导教师 xxxxxxxxxxxxx xxxxxxxxxx xxxx 年 x 月 教育资料 喷喷 漆漆 机机 器器 人人 结结 构构 设设 计计 x x x x x x x x x x x x x x x x x x 教育资料 学 号 密 级 喷漆机器人结构设计 Construction Design of Painting Robot 学生姓名学生姓名 xxxx 所在学院所在学院 xxx

2、xxxxxxxxxxxxx 所在专业所在专业 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 指导教师指导教师 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 职职 称称 xxxxxxxxxxxxxxxxxx 所在单位所在单位 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 论文提交日期论文提交日期 xxxxxxxx 年年 x x 月月 xxxx 日日 论文答辩日期论文答辩日期 xxxxxxxx 年年 x x 月月 xxxx 日日 学位授予单位学位授予单位 xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx 教育资料 摘 要 由于目前使用的油漆大多含有苯

3、 笨是一种极易挥发 并且能致癌的化学物质 在没有任何防护的情况下进行喷漆作业对工人的危害极大的 因此各种各样的喷漆机 器人应运而生 本文设计了一种关节式喷漆机器人 具有六个自由度 其中手腕关节具有三个自 由度 其它的关节各具有一个自由度 各个关节采用电机驱动 本文设计的喷漆机器人采用了类似于铰链四杆机构的结构形式 驱动小臂运动的 电机安装在腰部回转盘的上面 通过带动铰链四杆机构间接驱动小臂实现俯仰运动 这样避免了把电机直接安装在大臂和小臂的连接处 从而减小了小臂自身的重量 同 时减小了驱动大臂和腰关节的电机所需要的功率与力矩 这种铰链四杆机构还使小臂 实现自身的重力平衡从而减小了静力矩 喷漆机

4、器人的主体采用了铝合金材料 减轻 了自身的重量 喷漆机器人的整体动态性能也因此提高 关键词 喷漆机器人 关节式 结构设计 教育资料 AbstractAbstract Nowadays most paint contains benzene The benzene is very volatile toxic and carcinogenic It does harm to the workers heavily when the protection is absent So different kinds of painting robots appeared and developed g

5、reatly A joint type painting robot was designed in this paper It had six degrees of freedom The wrist had three degrees of freedom and the other joints had three degrees of freedom The painting robot s joints were driven by motors Parallelogram structure was used in the robot The motor which was ins

6、talled on the waist turning table droved the forearm indirectly through the parallelogram structure The structure avoided installing the motor directly on the joint to reduce the forearm s weight So the burden of the motors which drive the upper arm and the waist were reduced Also this structure mad

7、e the forearm realize balance itself and reduce the static torque Aluminum alloy was used greatly in the robot so the weight of the robot was reduced Also the dynamic performance was improved KeywordsKeywords painting robot joint structure design 教育资料 教育资料 目 录 摘 要 I ABSTRACTABSTRACT II 第 1 章 绪论 1 1

8、1 机器人的研究发展现状 1 1 2 机器人发展趋势 1 1 3 国内外喷漆机器人的研究概况 4 1 3 1 国外喷漆机器人的研究概况 4 1 3 2 国内喷漆机器人的研究概况 4 1 4 本文研究主要内容以及背景和意义 6 第 2 章 总体结构设计 7 2 1 确定驱动系统 7 2 1 1 驱动系统 7 2 1 2 确定驱动机型和自由度 7 2 2 喷漆机器人的运动参数 8 2 3 各个关节的结构形式和平衡方式 8 2 3 1 腕关节的传动机构 9 2 3 2 小臂的传动机构 10 2 3 3 大臂的传动机构 11 2 3 4 腰部的传动机构 12 2 4 本章小结 12 第 3 章 喷漆机

9、器人机构设计 13 3 1 喷漆机器人数学模型的建立与分析 13 3 2 腕部设计 15 3 2 1 电机的选择 15 3 3 小臂的设计 17 3 3 1 小臂设计的总体要求 17 3 3 2 铰链四杆机构的设计 17 3 3 3 电机的选择 18 教育资料 3 3 4 齿轮的设计与校核计算 21 3 4 大臂的设计 24 3 4 1 大臂设计的总体要求 24 3 4 2 电机的选择 24 3 4 3 齿轮的设计与校核计算 26 3 5 腰关节的设计 28 3 5 1 腰关节设计的总体要求 28 3 5 2 电机的选择 28 3 6 传感器的选择 29 3 7 本章小结 30 第 4 章 轴

10、 螺钉的设计与校核 31 4 1 大轴 1 的结构设计与校核 31 4 1 1 大轴 1 的结构设计 31 4 1 2 大轴 1 的强度校核 32 4 2 大轴 2 的结构设计与校核 34 4 2 1 大轴 2 的结构设计 34 4 2 2 大轴 2 的强度校核 35 4 3 小轴 1 的结构设计与校核 35 4 3 1 小轴 1 的结构设计 35 4 3 2 小轴 1 的强度校核 36 4 4 小轴 2 的结构设计与校核 39 4 5 回转底盘与腰部主轴连接螺钉的校核 39 4 6 本章小结 39 结 论 39 参考文献 40 攻读学士学位期间发表的论文和取得的科研成果 42 致 谢 43

11、教育资料 教育资料 第 1 章 绪论 1 1 机器人的研究发展现状 机器人有 50 至 60 年的发展历史 1959 年美国的发明家英格伯格和德沃尔制造出 世界上第一台机器人 机器人第一次出现在人们的视野中 英格伯格在大学时攻读的 伺服电机理论 伺服电机理论是一种研究机构如何能更好地跟踪控制信号的理论 德 沃尔于 1946 年发明了一种可以 重演 记录的运动的机器 德沃尔又于 1954 年获得 可编程机械手专利 这种机械手臂能够按程序进行工作 同时也可以根据不同的工作 需要以及工作对象编制不同的控制程序 因此在实际工作中具有很好通用性和灵活性 英格伯格和德沃尔都是研究机器人的著名发明家 他们都

12、认为汽车工业是最适于用机 器人的行业 因为汽车制造行业是用重型机器进行工作的 而且生产过程比较固定 英格伯格和德沃尔又于 1959 年联手制造出第一台工业机器人 这种机器人外形类似于 坦克炮塔 基座上安装有一个大机械臂 大臂可绕轴在基座上转动 大臂的末端又可 以伸出一个小机械臂 它相对大臂可以做伸缩运动 小臂的末端装有一个手腕 可绕 小臂的轴线旋转 手腕的末端装有机械手 这台工业机器人成为世界上第一台真正可以用于实际工作的工业机器人 此后英 格伯格和德沃尔成立了尤尼梅逊公司 进而创办了世界上第一家机器人制造工厂 他 们因此被称为机器人之父 1962 年美国机械与铸造公司也制造出工业机器人 称为

13、 沃尔萨特兰 意思是 万能搬动 这两家公司制造的工业机器人成为了世界上 最早的而且至今仍在使用的工业机器人 近六十年来机器人的发展史 大致经历了三个重要的阶段 第一阶段为简单个体 类机器人 第二阶段为群体劳动类机器人 第三阶段为类似人类的智能机器人 机器 人发展是向着有知觉 有思维 能与人对话的方向发展的 到了二十世纪九十年代 随着计算机技术 微电子技术 网络技术的迅速发展 机器人技术也有了质的飞跃 除了工业机器人的性能不断提高之外 各种各样的用于 其他行业的机器人也有了巨大的进展 工业机器人的发展非常迅速 下面对几个重要的研究的方向做简单的介绍 机器人操作机 通过有限元分析 模态分析及仿真设

14、计等现代设计方法的运用 机器人操作机已实现了优化设计 教育资料 并联机器人 主体采用并联机构 利用机器人技术 实现高精度测量及加工 这 是机器人技术向数控技术的拓展 为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础 控制系统 控制系统的性能进一步提高 已由过去控制标准的 6 轴机器人发展到 现在能够控制 21 轴甚至 27 轴 并且实现了软件伺服和全数字控制 传感系统 激光传感器 视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用 并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等 大大 提高了机器人的作业性能和对环境的适应性 网络通信功能 日本 YASKAWA 和德国 KUKA 公

15、司的最新机器人控制器已实现了与 Canbus Profibus 总线及一些网络的联接 使机器人由过去的独立应用向网络化应用 迈进了一大步 也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展 由于微电子技术的 快速发展和大规模集成电路的应用 使机器人系统的可靠性有了很大提高 先进机器人的发展也异常迅速 近年来 人类的活动领域不断扩大 机器人应用 也从制造领域向非制造领域发展 下面就几个研究热点做一简单的介绍 水下机器人 目前主要用于海洋石油开采 海底勘查 落水人员救捞 管道铺以 及电缆的铺设和维护 主要有有缆水下机器人和无缆水下机器人两大类 空间机器人 空间机器人技术一直是机器人的重要研究领域 目前美

16、俄 加拿 大等国已研制出各种空间机器人 如美国 NASA 的空间机器人等 美国 NASA 的空间机 器人是一辆自主移动车 重量为 11 5kg 外型尺寸 630 48mm 有 6 个车轮 它在火 星探测上的成功应用 引起了全球范围内的广泛关注 核工业用机器人 国外的研究方向主要集中在机构灵巧 动作准确可靠 响应速 度快 重量轻 刚度和强度良好 装有便于装卸与维修的高性能伺服机械手以及能半 自主和自主移动到任意位置 地下机器人 地下机器人主要有挖掘机器人和地下管道检修机器人两大类 目前 日 美 德等发达国家已研制出了用于石油 天然气输送管道检修的地下机器人 各 种挖掘机器人以及自动化系统也正在研制当中 医用机器人 主要用于医疗外科手术的规划与仿真 机器人辅助外科手术 最小 损伤外科 临场感外科手术等 建筑机器人 如用于高层建筑的抹灰机器人 预制件安装机器人 室内装修机器 人 地面抛光机器人 用于擦玻璃的机器人等 并已经应用于实际生活中 教育资料 军用机器人 近年来 美 英 法 德等国已研制出第二代军用智能机器人 其 特点是采用自主控制方式 能完成侦察 作战和后勤支援等任务 在战场上具有看