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1、1摘要喷漆机械手设计 专业：机械电子工程 学号：20100310060314 学生姓名：贺永翔 指导老师：罗智中摘要工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上建有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。本文设计的为工业常见的五自由度机械手，灵巧空间为以底座为基准的半球形区域。机械结构部分使用Pro/Engineer三维软件进行设计，以期获得部分零件的质心与转动惯量参数，然后根据获得的参数选择步进电机型号。电路控制部分采用51系列单片机作为控制中枢，L
2、298芯片作为电机驱动器。软件部分使用C语言编程，采用PWM技术进行脉宽调速。因为步进电机的特性，本文所设计的喷漆机械手采用的控制系统为开环控制系统。关键词：喷漆机械手 自动喷漆 机器人 工业机器人1ABSTRACTSpraying manipulator designABSTRACTThe spraying operation is a harmful dangerous jobs which is the most suitable for manipulator. In order to improve the appearance quality and work efficiency
3、 of our products,and ensure the quality of coating and appearance effect, it is necessary to develop automatic spraying equipment suitable for Chinas national conditions。But spraying equipment has special requirements for its control system,so we must first develop low cost automatic spraying manipu
4、lator control system.The painting manipulator is designed to meet the painting process at the same time, as far as possible to reduce the difficulty of operation, so that each painter can use manipulator after simple teaching.There are five degrees of freedom in the manipulator, all of which are rot
5、ational joints. Among them, three joint make manipulator going any position, the nozzle can reached the semi circular of smart space, the other two joint make nozzle turning around, nozzle can extend different spraying parts of the surface, in order to meet the spraying process.Key words：Spraying ma
6、nipulator operation difficulty painting process2目录目录摘要1ABSTRACT2第一章 绪论11.1喷漆机械手简介11.2研究意义11.3 研究现状11.4主要工作及流程3第二章 机械结构设计42.1 方案功能设计与分析42.2 关节部分设计62.2.1 位置自由度关节设计62.2.2 姿态自由度关节设计62.3 机械手三维模拟图7第三章 动力学分析-103.1 Pro/Engineer简介103.2 步进电机选型103.2.1 腕部及末端部分选型103.2.2 小臂部分电机选型113.2.3 大臂部分电机选型123.3 运动学方程分析12第四章
7、 控制电路164.1 控制硬件设计164.1.1 89C51芯片简介164.1.2 L298步进电机驱动器简介174.1.3 电路设计思路174.1.4 电路原理图184.2 控制软件设计184.2.1 第一种方案184.2.2 第二种方案18第五章 设计小结24参考文献25附录A 外文翻译原文26附录B 外文翻译译文341贺永翔：喷漆机械手设计第一章 绪论1.1喷漆机械手简介机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普
8、通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件输送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。1.2研究意义对于多数金属而言，长期暴露在空气条件下会发生氧化，继而丧失金属原本性能，所以对于此类金属进行喷漆处理是相当重要的。传统的人工刷漆工作效率低，
9、重复刷漆过分单调，且由于油漆本身具有毒性，人体长期接触会影响身体健康。为解决上述问题，喷漆机械手应运而生。但是目前我国喷漆行业喷漆机械手尚未普及，因此，该产品在我国有较好的发展前景，喷漆机械手由喷枪、小回转臂、小臂、大臂、底座组成，它的主要功能是配合PWM控制系统完成产品表面的喷漆工作。本课题所设计的喷漆机械手适合目前我国喷漆声场的要求，能够达到喷涂质量好、工作性能稳定等目的。1.3 研究现状70年代中期，美国、R本等国已经开始应用液压式喷漆机器人f4”。但是由于液压式喷漆机器人存在某些缺点，如维修保养困难，噪声大，启动时适应性差，动力消耗大，位置重复精度低，成本高等，皆限制了它的广泛应用。而
10、电动喷漆机器人与液压式喷漆机器人相比较，具有很多优点：（1）不需要液压能源设备，结构简单，制造费用低；（2）维修时间和成本可大幅度降低，因为液压式喷漆机器人的6070故障起因于液压机构；（3）位置重复精度大大提高，液压式喷漆机器人位置重复精度一般为2毫米，而电动式机器人位置重复精度可提高到o5毫米；（4）动力消耗减少l314；（5）安装空问只占液压式喷漆机器人的23；（6）起动速度快，噪声小。由于电动喷漆机器人具有以上优点，故大大改善了喷漆机器人的喷涂性能。然而需要指出的是，喷漆机器人所喷出的漆雾和溶剂挥发都会形成可燃易爆气体，所以设计和使用喷漆机器人时必须考虑防爆要求。安装在喷漆现场的机器人
11、本体上的电气装置和元件必须符合工业防爆规范的要求148】，否则若电机运行时产生火花，就会有发生爆炸的危险，因此防爆问题将直接影响电动喷漆机器人的应用前景。 目前国外应用的电动喷漆机器人主要采用以下防爆结构H6】：（1）内压防爆结构：把电火花发生源一电机和位置检测器放八干净、充满新鲜空气(或其它不易燃气体)的容器内，使电机和位置检测器与具有可燃性的稀释剂挥发空气隔离丌来，咀此达到防爆目的。其结构必须配备通气管道、内压容器。（2）耐压防爆结构：指电机和位置检测器外壁做成足能承受内部爆炸所产生的压力，即使电机和内部检测器内发生爆炸，也不至影响其它结构。（3）本质防爆结构：从设备内在结构考虑，如采用无
12、刷交流伺服电机和无接触开关等，使电动式机器人的各种装置不存在火花源。随着防爆问题的有效解决，电动式喷漆机器人已经逐渐取代了液压式喷漆机器人。美国GMF公司首先研制了GMFP一100六轴关节型电动伺服驱动喷漆机器人，所有轴都是用高级小型交流伺服电机来驱动，无刷运转。该机器人具有工作范围大、连续轨迹示教盒示教、喷涂方便以及喷涂使用菜单驱动软件包等特点。F1本安川电机研究所开发了MotomanL5G轻小型防爆电机喷漆机器人，该机器人各轴均采用了附有绝对编码器的交流伺服制动电机，并配有控制器。系统整体具有防爆性能，各仪器均符合防爆规格，如交流伺服电机为耐爆结构，编码器为耐压防爆结构，示教盒为本质防爆结
13、构。这些电动喷漆机器人的开发推动了喷漆机器人的快速发展。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关和863计划，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。从1983年丌始研制喷漆机器人，由于电动喷漆机器人的驱动器一交流伺服电机还未实现国产化，尚依靠进口，因此主要开发液压式喷漆机器人。其常用结构形式如图I一3所示。本体由四个部分组成。其中垂直手臂安装在机座的一个可绕中心垂直轴转动的圆盘上，同时自身还可以绕。轴前后摆动，
14、水平手臂装在垂直手臂上并绕D轴上下摆动。手腕可模拟人的手腕作上下左右摆动。1985年北京机械工业自动化研究所首先研制成功了PJ1型喷漆机器人。此后哈尔滨工业大学和北京实验厂等单位成功的开发了第一台装有挠性手腕的喷漆机器人HRGP，l。HRGP1喷漆机器人主要用于对汽车喷漆，其操作现场稚置大致如图14所示。整套机器人喷漆系统包括本体(带有可拆卸的示教手)、电控柜(含电脑)、示教盒、油源和喷漆装置(含气源、漆罐、喷枪等)。1.4主要工作及流程（1） 相关外文文献翻译；（2） 使用Pro/Engineer对机械手建模；（3） 根据零件质量对电机进行选型，建立运动微分方程，并使用CAD绘制机械手装配图
15、（A1）；（4） 使用Proteus绘制控制电路图，使用keil软件设计控制程序；第二章 机械结构设计2.1 方案功能设计与分析机械手的手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行器，并使它们能在空间运动。为了使手部能达到工作空间的任意位置，手臂一般至少有三个自由度，少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个。手臂的结构形式有多种，常用的构型如下图。图3.1 三自由度机械手构型手腕的构型也是有多种形式。三自由度的手腕通常有以下四种形式：BBR型、BRR型、RBR型、RRR型。如图3.3所示：图3.2 四种三自由度手腕构型 B表示弯曲结构，表明组成腕关节的相邻运动构件的轴线在工作过程中相互间角度有变化。R表示转动结构，表明组成腕关节的相邻运动构件的轴线在工作过程中相互间角度不变。BBR结构由于采用了两个弯头结构尺寸增加了，而RBR与前者相比结构紧凑。由于机械手的运动轨迹都要求机械手端面平行于某一固定工件平面，而且本系的末端执行器为喷口，即最后一旋转关节任意旋转
