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1、摘要由于目前使用的油漆大多含有苯，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，各个关节采用液压驱动。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，这样避免了把液压缸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液压缸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
2、衡从而减小了静力矩。喷漆机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AbstractNowadays most paint contains benzeneThe benzene is very volatile，toxic and carcinogenicIt does harm to the workers heavily when the protection is absentSo different kinds of painting robots appeared and developed greatly
3、A joint type painting robot was designed in this paperIt had six degrees of freedomThe wrist had three degrees of freedom and the other joints had three degrees of freedomThe painting robots joints were driven by hydraulic pressure Parallelogram structure was used in the robotThe hydraulic cylinder
4、which was installed on the waist turning table droved the forearm indirectly through the parallelogram structureThe structure avoided installing the hydraulic cylinder directly on the joint to reduce the forearms weightSo the burden of the hydraulic cylinder which drive the upper arm and the waist w
5、ere reducedAlso this structure made the forearm realize balance itself and reduce the static torqueAluminum alloy was used greatly in the robot，so the weight of the robot was reducedAlso the dynamic performance was improvedKeywords：painting robot；joint；structure design 目 录摘要IABSTRACTII目 录III第一章 绪论11
6、.1 课题研究的背景及意义11.2喷涂机器人的特点及其发展现状21.3 课题国内外现状及研究的主要成果41.3.1 国内研究现状41.3.2 国外研究现状51.5 本文研究主要内容以及背景和意义7第2章 总体结构设计92.1 确定驱动系统92.1.1 驱动系统92.1.2 确定驱动件和自由度102.2 喷漆机器人的运动参数112.3 各个关节的结构形式和平衡方式112.3.1小臂122.3.2大臂132.3.3 小臂的传动机构16 2.3.4 大臂的传动机构172.3.5 腰部的传动机构182.4 本章小结18第3章 喷漆机器人机构设计193.1 喷漆机器人数学模型的建立与分析193.2 腕部
7、设计223.2.1 电机的选择223.3 小臂的设计243.3.1 小臂设计的总体要求243.3.2铰链四杆机构的设计253.3.3液压缸的选择与设计263.4大臂的设计293.4.1大臂设计的总体要求293.5腰关节的设计323.6 传感器的选择333.7本章小结33第4章轴、螺钉的设计与校核354.1大轴1的结构设计与校核354.1.1大轴1的结构设计354.1.2 大轴1的强度校核364.2.1大轴2的结构设计394.2.2大轴2的强度校核404.3小轴1的结构设计与校核414.3.1 小轴1的结构设计414.3.2 小轴1的强度校核424.4小轴2的结构设计与校核444.5回转底盘与腰
8、部主轴连接螺钉的校核454.6本章小结45参考文献47附录一 开题报告附录二 文献综述附录三 外文文献 第一章 绪论1.1 课题研究的背景及意义机器人是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的机械电子装置,既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力,又有机器持续工作时间长、精确度高、抗恶劣环境的能力,从某种意义上说它也是机器进化过程的产物。机器人技术综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。机器人应用情况,是一个国家自动化水平的重要标志。 机器人是用于完成各种作业的机电一体化的自动化生产设备。机器人的广泛应用,不仅
9、可提高产品的质量与产量,而且对保障人身安全,改善劳动环境,减轻劳动强度,提高劳动生产率,节约原材料消耗以及降低生产成本,有着十分重要的意义。 自从1962年美国研制出世界上第一台工业机器人以来,经过五十多年的发展,机器人己在越来越多的领域得到了应用。如在毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中,机器人已逐步取代了人工作业。在农业方面,机器人在国外农场应用也比较广泛,如果蔬采摘机器人、植保机器人、喷(雾)药机器人和高压静电灭蝗机器人等是农业自动化领域的广大科研工作者研究的热点。用于表面涂覆工作的机器人称为喷涂(或喷漆)机器人,它是机器
10、人技术与表面喷涂工艺相结合的产物,是机器人产品中的一个特殊品种,主要用于工业领域的表面涂装作业,静电喷雾技术同时也广泛应用于农业生产中喷药杀虫和除草等植保作业。采用喷涂机器人的主要优点在于实现了喷涂生产作业的自动化,避免了工人始终处于有毒环境中而造成急性或慢性中毒,提高了产品质量和稳定性,同时能减少涂料和能量的消耗,提高生产效率。1.2喷涂机器人的特点及其发展现状大部分机电类产品在其制造过程中,都涉及到表面涂装作业。对于传统机械行业(如机床、轻工机械、纺织机械、农业机械、起重机械、工程机械、矿山机械、冶金机械等)、电机电器行业(如电机、变压器、电控柜等)、仪器仪表行业、家电行业、以及交通运输行
11、业等,用户对其产品外观质量的要求都很高,而表面涂装技术是达到这一要求的重要环节。对于某些机电产品如家电、轻工、汽车、摩托车等来讲,产品的外观质量甚至影响到该产品在市场上的竞争力,因此对表面涂装技术提出了更高要求。传统的表面喷涂(漆)技术都是以手工方式进行产品表面的喷涂(漆)作业,在此过程中产生的大量的有害物质及气体,如:苯、醛类、胺类等造成环境污染,影响到操作工人的身体健康及劳动情绪,因此喷涂质量受工人的技术水平和情绪等因素影响较大,制约了生产能力。自动喷涂机的出现则克服了这一缺点。但由于喷涂机只能完成一些简单的往复直线运动,而被涂工件表面的多样性及复杂性使得喷涂机的使用受到一定的限制。随着机
12、器人技术在工业生产领域的不断扩展,机器人也被用来进行涂装作业,进而产生了一个新的机器人品种喷涂机器人。喷涂机器人最显著的特点就是不受喷涂车间有害气体环境的影响,可以重复进行相同的操作动作而不厌其烦,因此喷涂质量比较稳定;其次机器人的操作动作是程序控制的,对于同样的零件控制程序是固定不变的,因此可以得到均匀的表面涂层:机器人的操作动作控制程序是可以重新编制的,不同的程序针对不同的工件,所以可以适应多种喷涂对象在同一条喷涂线上进行喷漆。有鉴于此,喷涂机器人在涂装领域越来越受到重视,尤其是在汽车制造业中,如图1一l所示机器人喷涂汽车车身的情景。 图1一1机器人喷涂汽车车身 喷涂机器人与其它品种的工业
13、机器人比较其主要不同之处在于喷涂机器人用于在封闭的喷涂室内喷涂工件内外表面,由于喷涂室内的漆雾是易燃易爆的,如果机器人的某个部件产生火花或温度过高,就会引燃喷涂室内的易燃物质,引起喷涂室内的大火。甚至引起爆炸,所以,防爆系统的设计是设计电动喷涂机器人很重要的一部分。其次,由于喷涂在工件表面的油漆是勃性流体介质,需要干燥后才能固化,在喷涂过程中,机器人不得接触己喷涂的工件表面,否则将破坏表面喷漆质量,因此喷枪输漆管路等都不得在机器人手臂外部悬挂,而是从手臂中穿过,这在一定程度上影响机器人的关节角转动范围。最后喷涂机器人需配置涂料流量控制系统与换色系统,以适应不同色彩的需要。1.3 课题国内外现状
14、及研究的主要成果 喷涂机器人是可以进行自动喷涂或喷漆的一种新型工业机器人，1969年由挪威一家公司发明。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、电器等
15、工艺生产部门。随着机器人技术的不断完善，喷涂精度得到显著提高。我国的华南理工大学、华中科技大学等科研机构先后对喷涂机器人技术进行深入的研究，取得了不少进展。航天航空部的703所、625所使用热喷涂机器人进行作业，用来喷涂一些重要而特殊航空部件。目前在我国，还没有完全意义上的独立生产喷涂机器人的厂家，机器人市场大多为欧美、日本、韩国等国的生产厂家所垄断。 1.3.1 国内研究现状我国的一些企业积极与高校开展喷涂机器人的项目合作，进一步推动我国喷涂机器人技术的成熟，普及与应用。 近年来国内亦拥有相当数量的喷漆机器人如南航研制的PR-1型喷漆机器人。喷漆机器人在国外早已广泛应用于汽车等产品的涂装生产线,国外机器人己取得的进展主要表现在如下几个方面:1)操作机器人:通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用,操作机器人己实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的机器人公司,己将机器人并联平行
