噴涂機器人設計—機身系統(tǒng)設計

1、<p><b>　　1 引言</b></p><p>　　1.1 噴涂機器人的概述</p><p>　　噴涂機器人是一種典型的涂裝自動化裝備。使用機器人進行噴涂作業(yè)，工件涂均勻，重復精度好，工作效率高，能使工人從惡劣的工作環(huán)境中解放出來。噴涂機器人廣泛應用于機床、汽車、家電等機電一體化產(chǎn)品制造領域,可以大大提高生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質量, 能夠降低生產(chǎn)成本、改善

2、勞動條件,能迅速適應快速變化的市場需求[1]。因此，噴涂機器人在制造業(yè)中的應用越來越得到人們的重視。</p><p>　　從1962年美國研制出第一臺工業(yè)機器人以來，工業(yè)機器人至今已經(jīng)走過了4O多年的歷程。由于噴涂作業(yè)屬于有害作業(yè)，這些作業(yè)的勞動強度大，技術水平要求高，并且手工噴涂人員會因技術、體力等因素造成產(chǎn)品質量缺陷，因此為了改善勞動條件和提高產(chǎn)品質量產(chǎn)量降低成本，這個領域中大量地使用了機器人[2]。<

3、/p><p>　　1.2 噴涂機器人的應用</p><p>　　西方發(fā)達國家90年代以來汽車噴涂中的各噴涂工序普遍實現(xiàn)了自動化，隨著科技的發(fā)展，近十年機器人在工業(yè)現(xiàn)場已呈現(xiàn)出廣泛使用的趨勢。由于使用機器人噴涂均勻性好，重復精確度遠遠高于人工，因此避免了手工噴涂人員因技術、情緒、體力等因素造成的產(chǎn)品質量缺陷，使工件噴涂質量有了根本性的保障。由于噴涂作業(yè)屬于有害作業(yè)，采用機器人作業(yè)可大大降低工人的

4、勞動強度，提高生產(chǎn)效率，同時由于機器人在噴涂過程中流量、扇面、霧化的大小均可隨時調整，可大大減少油漆的損耗，提高油漆的利用率。對于塑料工件需要先期進行火焰處理，高溫環(huán)境作業(yè)危險性大，采用機器人完成工件的火焰處理不失為一個好方法[3]。</p><p>　　隨著機器人與電控技術的提高，機器人噴涂以其靈活、噴涂軌跡自由以及涂裝質量高等優(yōu)點，受到各大汽車廠家的青睞，并被逐漸應用于車身噴涂。機器人噴涂漆膜性能的提高很大程

5、度上取決于仿真車身的噴涂軌跡，這也決定了不同的車型必須對機器人噴涂軌跡進行仿真，為此研究出了機器人仿形技術。</p><p>　　隨著我國建筑業(yè)的發(fā)展，針對建筑涂裝機器人的特點，設計了基于嵌入式結構的智能測控系統(tǒng)，現(xiàn)場實驗表明，具有較強的抗干擾能力和電磁兼容性，適合在強干擾環(huán)境下長期穩(wěn)定可靠工作[4]。</p><p>　　1.3 噴涂機器人發(fā)展趨勢</p><p>

6、;　　新一代涂裝機器人的設計貫徹了模塊化結構的原則，機器人可以配備不同的連接裝置，這樣既能夠以固定方式工作也可以安裝在軌道上工作。軌道可以固定在噴涂室側壁上，也可以固定在靠近天花板的位置。如果把噴涂機器人的霧化噴槍改成操作夾具，就成為操作開門的機器人了，因為兩種機器人的驅動系統(tǒng)是一樣的。</p><p>　　機器人噴涂時的空間占有面積將更進一步降低，減小噴漆室的尺寸和通風量，進而降低生產(chǎn)過程中的能源消耗?？傊?，

7、一切以降低生產(chǎn)成本、節(jié)約能源和保護環(huán)境為目的。未來的機器人將具有更優(yōu)異的運動學性能和加速度性能、更大的工作范圍、更小的占地面積及更加靈活手臂[5]。</p><p>　　噴涂機器人工作臂的運動方式可以選擇裝配成兩軸或三軸的。雙軸的機器人配合高速旋轉的噴槍，以旋轉對稱的運動方式工作，這樣能減少一個驅動軸，減輕重量、簡化設計。</p><p>　　1.4 課題研究意義</p>&

8、lt;p>　　縱觀50余年來噴涂機器人對人類生活的改變所做出的貢獻，其對于提高勞動效率、減輕工人的作業(yè)危險、美化人類的視覺等方面均起到了不小的作用。如今噴涂機器人的應用越來越廣泛，需求也越來越大，再加上其經(jīng)濟性也隨著科技的進步而愈發(fā)突出，所以對涂裝機器人的研究是相當有意義的。</p><p>　　利用這次畢業(yè)設計的機會，通過對噴涂機器人的總體尤其是機身系統(tǒng)的設計，可以對大學四年的所學各門課程做一次很好的總結

9、。</p><p>　　2 噴涂機器人的總體設計</p><p>　　根據(jù)設計要求，該機器人具有5個自由度，采用步進電機驅動，工作負載重量2 kg，各部件的運動范圍為：機身±110º；下臂前俯30º,后仰10º；上臂俯仰±30º；腕轉</p><p>　　±110º；腕擺±1

10、10º，工作空間為 2600×1200×900，重復定位精度±3～±6㎜。</p><p>　　2.1 噴涂機器人坐標系的確定</p><p>　　(1)直角式坐標機器人：</p><p>　　直角坐標機器人概念：工業(yè)應用中，能夠實現(xiàn)自動控制的、可重復編程的、多功能的、多自由度的、運動自由度間成空間直角關系、多用途的

11、操作機。他能夠搬運物體、操作工具，以完成各種作業(yè)。關于機器人的定義隨著科技的不斷發(fā)展，在不斷的完善，直角坐標機器人作為機器人的一種，其含義也在不斷的完善中。 </p><p>　　直角坐標機器人的特點</p><p>　　a最高達到三個線性運動自由度的運動，每個運動自由度之間的空間夾角為直角；</p><p>　　b自動控制的，可重復編程，所有的運動均按程序運行；&

12、lt;/p><p>　　c一般由控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、操作工具等組成。</p><p>　　d可以適合于比較大的、四方形的工作空間內(nèi)工作。</p><p>　　e相比其他工業(yè)機器人，承重能力可以達到比較高。</p><p>　　f框架結構的設計適合于模塊化系統(tǒng)的實現(xiàn)。</p><p>　　(2)球（極）坐標式機器人

13、：</p><p>　　球坐標是一種三維坐標。分別有原點、方位角、仰角、距離構成。 設P（x，y，z）為空間內(nèi)一點，則點P也可用這樣三個有次序的數(shù)r，φ，θ來確定，其中r為原點O與點P間的距離，θ為有向線段與z軸正向所夾的角，φ為從正z軸來看自x軸按逆時針方向轉到有向線段的角，這里M為點P在xOy面上的投影。這樣的三個數(shù)r，φ，θ叫做點P的球面坐標</p><p>　　圖2.1 球坐標機器

14、人工作空間</p><p>　　(3)圓柱坐標式機器人：</p><p>　　圓柱坐標型機器人。包括上下圓盤的旋轉臺相對于包括上下固定板的框架 旋轉。絲杠和導桿安裝在上下圓盤上。第一螺母總成安裝到絲杠。第二螺母安裝 到導桿，第一螺母總成和第二螺母安裝在移動件上。軸結構包括：具有縱向空腔的內(nèi)軸，外軸和一中間軸，它們與內(nèi)軸同心并可分開地旋轉。設有一對臂驅動軸的臂支撐框架安裝在

15、軸結構上。設有第一、第二和第三驅動裝置，相對于框架旋轉臺，相對于旋轉臺旋轉絲杠，并相對于旋轉臺旋轉各軸。</p><p>　　(4)關節(jié)式坐標機器人：</p><p>　　這類機器人由兩個肩關節(jié)和一個肘關節(jié)進行定位，由2個或3個腕關節(jié)進行定向。這種構件動作靈活，工作空間大，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，結構緊湊，占地面積小，關節(jié)上相對運動部位容易密封防塵，這類機器人運動學較復雜，運動學反解困

16、難；確定末端件的位姿不直觀，進行控制時，計算量比較大[6]。</p><p>　　現(xiàn)在噴涂機器人絕大多數(shù)使用的是關節(jié)式坐標結構，通過對以上4種形式的機器人的分析，關節(jié)式機器人由于其動作的靈活性、工作空間大、結構緊湊、占地面積小、關節(jié)部位容易密封防塵的優(yōu)點，所以決定采用這種結構形式。本方案設計的噴涂機器人只需5個自由度就能滿足要求，分別是：機身±110º；下臂前俯30º,后仰10

17、86;；上臂俯仰±30º；腕轉±110º；腕擺±110º。</p><p>　　2.2 工作空間的設計</p><p>　　圖2.2是機器人工作空間的示意圖，圖中，、分別為大臂、小臂的長度；、分別為大臂的仰俯角度；、分別為小臂的仰俯角度。</p><p>　　根據(jù)工作空間的范圍：長×寬×

18、高=2600×1200×900，結合示意圖2.2可以得到以下關系式：</p><p>　　2( )=2600 （2-1）</p><p>　　+ =900 （2-2）</p><p>　　( + ) (1+ ))=1200 （2-3）<

19、;/p><p>　　圖2.2 噴涂機器人工作空間示意圖</p><p>　　由于=10°，=30°，=30°，=30°，將數(shù)據(jù)代入上述關系式可以求解得到：</p><p><b>　　取整得 </b></p><p>　　2.3驅動方式的確定</p><p>　

20、　機器人驅動就是機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行裝置。執(zhí)行裝置就是按照電信號的指令,將來自電、液壓和氣壓等各種能源轉換成旋轉運動、直線運動等方式的機械能的裝置。按利用的能源來分類,主要可分為電動執(zhí)行裝置、液壓執(zhí)行裝置和氣動執(zhí)行裝置。</p><p><b>　　a 直接驅動電機:</b></p><p>　　優(yōu)點:不用齒輪減速器直接驅動,因此具有無間隙、摩擦小、機械剛度高等優(yōu)點

21、,可以實現(xiàn)高速、高精度的位置控制和微笑力控制。</p><p>　　缺點:因為沒有減速機構,所以容易受載荷的影響。</p><p>　　種類：直流力矩電機 無刷直流電機 VR式電機等</p><p>　　b 液壓驅動的特點:</p><p>　　優(yōu)點:(1)容易獲得比較大的扭矩和功率。</p><p>　　(2

22、)功率/重量比大,可以減少執(zhí)行裝置的體積。</p><p>　　(3)剛度高,能夠實現(xiàn)高速、高精度的位置控制。</p><p>　　(4)通過流量控制可以實現(xiàn)無級變速。</p><p>　　缺點:(1)必須對油的溫度和污染進行控制,穩(wěn)定行較差。</p><p>　　(2)有因漏油而發(fā)生火災的危險。</p><p>　　

23、(3)液壓油源和進油、回油管路等附屬設備占空間大。</p><p>　　c 氣動驅動的特點:</p><p>　　優(yōu)點:(1)利用氣缸可以實現(xiàn)高速直線運動。</p><p>　　(2)利用空氣的可壓縮性容易實現(xiàn)力控制和緩沖控制</p><p>　　(3)無火災危險和環(huán)境污染。</p><p>　　(4)系統(tǒng)結構簡單,價

24、格低。</p><p>　　缺點:(1)由于空氣的可壓縮性,高精度的位置控制和速度控制都比較難,驅動剛性比較差。</p><p>　　(2)雖然撞停等簡單動作速度較高,但在任意位置上停止的動作速度很慢。</p><p>　　(3)噪音大。 </p><p>　　由于直流電機換相器經(jīng)常維護,電刷極易磨損,必須經(jīng)常更換,噪音比較大。交流伺服電

25、動機則一般驅動功率較大且價額昂貴。步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。即當步進驅動器接受到一個脈沖信號,它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(即步距角).優(yōu)點:控制較容易,維修也較方便,而且控制為數(shù)字化?；诖?，選擇用步進電動機作為涂裝機器人的驅動方式[7]。</p><p>　　2.4 傳動方式的確定</p><p>　　1) 齒輪傳動:具有響應快，扭矩大，剛性好，可

26、實現(xiàn)旋轉反方向的改變和復合傳動的特點,軸間距不大,應用腰、腕關節(jié)。</p><p>　　2) 鏈傳動:具有速比小，扭矩大，剛度與張緊裝置有關的特點,軸間距大,應用腕關節(jié)。</p><p>　　3) 渦輪傳動:具有大速比，交錯軸，體積小，回差小，響應快，剛度好，轉矩大，效率低，發(fā)熱大的特點,軸間交錯不大,應用腰關節(jié)，手爪機構。</p><p>　　4) 齒形帶傳動:具

27、有速比小，轉矩小，剛性差，無間隙的特點,軸間距大,應用各關節(jié)的一級傳動。</p><p>　　5) 鏈傳動: 具有速比小，扭矩大，剛度與張緊裝置有關的特點,軸間距大, 應用腕關節(jié)。</p><p>　　根據(jù)對以上各種傳動方式的特點和應用場合等分析，針對噴涂機器人，機身的轉動采用兩級齒輪傳動；大臂和小臂的擺動采取步進電機驅動滾珠絲杠來實現(xiàn)；腕部的轉動通過一級鏈傳動和一級錐齒輪傳動來實現(xiàn)；腕部

28、的擺動直接通過兩級鏈傳動來實現(xiàn)。為減輕自重，將小臂電機裝在大臂伸出板上，同時將腕部的電機安裝在大臂的底部以降低重心。</p><p>　　2.5平衡方式的選擇</p><p>　　得到采用彈簧平衡方法，其能夠減小手把手示教負載，也減小大、小臂驅動電機的工作負載。結構簡單，減小占地面積。</p><p>　　下圖是噴涂機器人的總體裝配示意圖：</p>&

29、lt;p>　　1-機身2-小臂驅動電機3-大臂4-腕部驅動電機5-小臂6-機身驅動電機</p><p>　　圖2.3 噴涂機器人總體裝配示意圖</p><p><b>　　3 機身的設計</b></p><p>　　3.1 步進電機的選擇</p><p>　　3.1.1步進機選擇的注意

30、事項</p><p>　　1) 一般應選用力矩比實際需要大百分之五十到百分之百的步進電機，因為步進電機不能過負載運行，即便是瞬間過載都可能造成失步、停轉或不規(guī)則原地來回作動。 </p><p>　　2) 上位控制器輸入的脈沖電流必須夠大（一般要>10mA），以確保光電耦合器穩(wěn)定導通，否則會導致步進電機失步；如果輸入脈沖頻率過高，會因個別脈沖接收不到，導致步進電機失步。</p&g

31、t;<p>　　3) 啟動頻率不應太高，應在啟動程序中設置加速過程，即從規(guī)定的啟動頻率開始，加速到設定頻率，否則就可能不穩(wěn)定，甚至處于惰態(tài)。</p><p>　　4) 電機如果未固定好，造成強烈共振，也會導致步進電機失步。</p><p>　　5) 應了解步進電機的固有弱點：輸入脈沖頻率過高，易導致丟步；輸入脈沖頻率過低，易出現(xiàn)共振；轉速偏高時扭矩降低明顯。</p>

32、;<p>　　6) 應了解最新型步進電機的性能，必要時選用采用了最新控制技術的高級步進電機系統(tǒng)，高級系統(tǒng)既可以使步進電機在高速狀態(tài)下減少共振，還能運用減少步進電機反電動勢的技術，增加電機在高速狀態(tài)下的扭矩[8]。</p><p>　　圖3.1傳動示意簡圖</p><p>　　3.1.2 步進機的選擇</p><p>　　M = M+M

33、 (3-1)</p><p>　　M為慣性力矩，M為摩擦力矩。</p><p>　　M= (3-2)</p><p>　　令=0.5s, =1.05rad/s[10]</p><p><b>　　由同組

34、計算得出：</b></p><p>　　I大=5.53kg. ，m=20kg</p><p>　　I小=7.65kg ，m=30kg</p><p>　　大臂轉動慣量, 小臂轉動慣量</p><p>　　m為大臂質量, m小臂質量</p><p>　　代入公式（3-2）得：M=26.36N.m</

35、p><p>　　M=0.1 M (3-3)</p><p>　　代入公式（3-1）得：M=29.3N.m</p><p>　　即T輸出=29.3N.m</p><p><b>　　M電機=M/ </b></p><p&

36、gt;<b>　　傳動比為 </b></p><p>　　=1.4 </p><p><b>　　=4.5， 3.2</b></p><p>　　1軸（高速軸）： (3-4)</p>

37、<p><b>　　2軸（中間軸）： </b></p><p><b>　　3軸（低速軸）： </b></p><p><b>　　得出 </b></p><p>　　表3.1下面是一些常州市新月電機有限公司的步進電機型號</p><p>　　圖3.2步進電機外形

38、簡圖</p><p>　　綜合考慮步進電機的轉距和尺寸，選擇步進電機為86BYG3501型號[11] T=2.5N.m。</p><p><b>　　即 </b></p><p>　　由（3-4）再次計算得出：</p><p><b>　　, </b></p><p>　　=

39、30.74N.m>M 滿足條件</p><p>　　3.1.3 各軸轉速</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　式中 —電動機滿載轉速r/min； —電動機軸至1軸的傳動比。</p><p>　　高速軸： r/min</p><p>　　中間軸： r/m

40、in</p><p>　　低速軸： r/min</p><p>　　3.1.4 各軸轉矩</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　將參數(shù)代入（3-6）得</p><p>　　高速軸： = =2.5 1 =2.5N m</p><p>　　中

41、間軸： = =2.5 4.2 =10.37N m</p><p>　　低速軸： = =10.37 3 =30.74N m</p><p>　　3.1.5 制作參數(shù)表</p><p>　　將上述計算結果列入表中，供以后設計計算使用</p><p>　　表3.2 傳動裝置的運動和動力參數(shù)表</p><p>　　3.2

42、齒輪的設計計算</p><p>　　3.2.1高速齒輪的設計與計算</p><p>　　a.選擇齒輪的類型、材料、精度和齒數(shù)</p><p>　　（1）按已知條件，選用直齒圓柱齒輪傳動。</p><p>　?。?）大小齒輪材料采用45鋼調質處理，硬度為HBS217-255，可以提高大齒輪</p><p><b&g

43、t;　　齒面的疲勞</b></p><p>　?。?）精度選擇7級精度。</p><p>　?。?）選擇小齒輪齒數(shù) ，則 </p><p>　　b.按齒面接觸疲勞強度計算</p><p>　　根據(jù)以下設計公式進行計算：</p><p><b>　?。?-7）</b></p>

44、;<p>　?。?）確定上式中的各參數(shù)</p><p>　　① 試選載荷系數(shù) ；</p><p>　?、?小齒輪傳遞的扭矩為： </p><p>　　③ 查設計手冊:選齒寬系數(shù) ；</p><p><b>　　彈性影響系數(shù) ；</b></p><p>　　查得大、小齒輪的接觸疲勞強

45、度極限為</p><p>　　④ 重合度系數(shù) ，端面重合度</p><p><b>　　（3-8）</b></p><p><b>　?。?-9）</b></p><p>　?、?計算應力循環(huán)次數(shù)</p><p><b>　　次</b></p>

46、;<p><b>　　次</b></p><p>　　⑥ 查設計手冊，得接觸疲勞壽命系數(shù) ；</p><p>　?、?計算接觸疲勞許用應力：取安全系數(shù) ，則</p><p><b>　?。?）計算</b></p><p>　　① 將 中的較小的值代入公式（3-7）得</p>

47、<p>　?、?計算小齒輪分度圓圓周速度v</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　?、?計算齒寬b （3-11）</p><p>　　④ 計算齒寬和齒高之比b/h

48、 （3-12）</p><p><b>　　模數(shù) </b></p><p>　　齒高 （3-13）</p><p><b>　　⑤ 計算載荷系數(shù)</b></p><p>　　查設計手冊，由 ，7級精度得 </p><p>&l

49、t;b>　　.25 </b></p><p><b>　　（3-14）</b></p><p>　?、?按實際載荷系數(shù)修正 ，</p><p><b>　?。?-15）</b></p><p><b>　?、?計算模數(shù) m</b></p>

50、<p><b>　?。?-16）</b></p><p>　　c.按齒根彎曲疲勞強度設計</p><p><b>　　設計公式為</b></p><p><b>　?。?-17）</b></p><p>　?。?）確定設計公式中的參數(shù)</p><

51、;p>　　① 查設計手冊，得大、小齒輪的彎曲疲勞強度極限 </p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　?、?查設計手冊，得彎曲疲勞壽命系數(shù) ；</p><p>　?、?計算彎曲疲勞許用應力：取安全系數(shù)S=1.4則</p><p><b>　　④ 計算載荷系數(shù)K</b></

52、p><p>　?、?查設計手冊，得齒形系數(shù) ；</p><p>　?、?查設計手冊，得應力校正系數(shù) ；</p><p>　?、?計算重合度系數(shù) ；</p><p>　　⑧ 計算大、小齒輪 的值</p><p><b>　?。?）計算齒輪模數(shù)</b></p><p>　　設計公式

53、（3-17）中代人 中的較大值，得</p><p>　　由計算結果可看出，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m略大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，但由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲疲勞強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力僅與齒輪直徑有關，所以，可取由彎曲強度計算得的模數(shù)0.74，并就近圓整為標準值m=1 mm。因按接觸強度算得的分度圓直徑 ，這時需要修正齒數(shù)</p><p&g

54、t;<b>　　則 </b></p><p><b>　　d. 幾何尺寸計算</b></p><p>　?。?）計算分度圓直徑</p><p><b>　?。?）計算中心距</b></p><p><b>　?。?）計算齒輪寬度</b></p>

55、;<p><b>　　取 </b></p><p>　　e．按齒根彎曲疲勞強度校核，根據(jù)式（9-8a）</p><p><b>　　250N</b></p><p>　　653MPa=810.7MPa</p><p>　　3.2.2 低速級齒輪傳動的設計計算</p>

56、<p>　　a.選擇齒輪的類型、材料、精度和齒數(shù)</p><p>　　（1）按已知條件，選用直齒圓柱齒輪傳動。</p><p>　?。?）大小齒輪材料采用45鋼調質處理，硬度差為40HBS可以提高大齒輪齒面的疲勞。</p><p>　?。?）精度選擇7級精度。</p><p>　?。?）選擇小齒輪齒數(shù) ，則 </p>

57、<p>　　b.按齒面接觸疲勞強度計算</p><p>　　根據(jù)以下設計公式進行計算：</p><p>　　（1）確定上式中的各參數(shù)</p><p>　?、?試選載荷系數(shù) ；</p><p>　?、?小齒輪傳遞的扭矩為： 30.74</p><p>　　③ 查設計手冊:選齒寬系數(shù) ；</p>

58、<p><b>　　彈性影響系數(shù) ；</b></p><p>　　大、小齒輪的接觸疲勞強度極限為 </p><p>　?、?重合度系數(shù) ，端面重合度</p><p>　?、?計算應力循環(huán)次數(shù)</p><p><b>　　次</b></p><p><b>

59、;　　次</b></p><p>　?、?查設計手冊，得接觸疲勞壽命系數(shù) ；</p><p>　?、?計算接觸疲勞許用應力：取安全系數(shù) ，則</p><p><b>　?。?）計算</b></p><p>　?、?將 中的較小的值代入公式（3-1）得</p><p>　?、?計算小齒輪

60、分度圓圓周速度v</p><p><b>　?、?計算齒寬b</b></p><p>　　④ 計算齒寬和齒高之比b/h</p><p><b>　　模數(shù) </b></p><p><b>　　齒高 </b></p><p><b>　?、?計算

61、載荷系數(shù)</b></p><p>　　查設計手冊，由 ，7級精度得 </p><p>　　.1 .25 </p><p>　?、?按實際載荷系數(shù)修正 ，</p><p><b>　?、?計算模數(shù) m</b></p><p>　　c. 按齒根彎曲疲勞強度設計</p>

62、<p><b>　　設計公式為</b></p><p>　?。?）確定設計公式中的參數(shù)</p><p>　?、?查設計手冊，得大、小齒輪的彎曲疲勞強度極限 ；</p><p>　?、?查設計手冊，得彎曲疲勞壽命系數(shù) ；</p><p>　?、?計算彎曲疲勞許用應力：取安全系數(shù)S=1.4則</p>

63、<p><b>　　④ 計算載荷系數(shù)K</b></p><p>　?、?查設計手冊，得齒形系數(shù) ；</p><p>　?、?查設計手冊，得應力校正系數(shù) ；</p><p>　?、?計算重合度系數(shù) ；</p><p>　?、?計算大、小齒輪 的值</p><p><b>　?。?/p>

64、2）計算齒輪模數(shù)</b></p><p>　　設計公式中代人 中的較大值，得 mm由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù)m略大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)，但由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲疲勞強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力僅與齒輪直徑有關，所以，可取由彎曲強度計算得的模數(shù)1.23并就近圓整為標準值m=2 mm。因按接觸強度算得的分度圓直徑 這時需要修正齒數(shù)</p>

65、<p>　　則 </p><p><b>　　d.幾何尺寸計算</b></p><p>　?。?）計算分度圓直徑</p><p><b>　　（2）計算中心距</b></p><p><b>　?。?）計算齒輪寬度</b><

66、/p><p><b>　　取 </b></p><p>　　c．按齒根彎曲疲勞強度校核.</p><p><b>　　1464N</b></p><p>　　782.87MPa=924.6MPa</p><p>　　3.3 軸的結構設計</p><p&g

67、t;　　軸的結構設計就是確定軸的結構形狀、各部分的直徑長度等全部尺寸。設計時應滿足下列基本要求：保證軸及軸上零件有準確的工作位置，固定可靠；軸上零件的拆裝和調整方便，軸具有良好的制造工藝性；軸的結構有利于提高軸的強度、減輕應力集中等。軸的結構設計的一般步驟如下：</p><p><b>　　1)初估軸的直徑</b></p><p>　　各軸可按承受純扭矩并降低許用應力

68、（考慮彎矩的影響）的辦法來初估各軸的直徑d，其分式寫為：</p><p><b>　?。?-18）</b></p><p>　　式中：P—軸所傳遞的功率,kw；n—軸的轉速，r/min；A為軸的材料及承載情況確定的系數(shù)，可查有關教材。對于非外伸軸，初估直徑常作為與傳動零件相配合的直徑（A取大值），并圓整為標準值；對于外伸軸，初估直徑作為外伸軸端直徑（A取小值），并圓整

69、為標準值，若外伸軸有外接零件（聯(lián)軸器等），d應與外接零件孔徑一致（必要時作適當調整），并滿足鍵的強度要求。</p><p>　　2)擬定軸上零件的轉配方案并選擇支承的結構型式</p><p>　　軸上零件的裝配方案及軸支承結構型式的不同，軸的結構形狀、尺寸也將不同，可通過分析比較選擇一個好的方案。</p><p>　　3)在上述1、2步驟的基礎上，考慮對軸結構設計的

70、基本要求，確定軸各段直徑及長度。</p><p>　　3.3.1 高速軸的結構設計</p><p>　　1)初步確定軸的最小直徑</p><p>　　根據(jù)公式（3-5）初步確定軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調質處理，查設計手冊，取A=110 </p><p>　　= = =0.0354KW</p><p>　　

71、2) 作用在齒輪上的力</p><p><b>　　= = =250N</b></p><p>　　= tg20°=91N 輸入軸的最小直徑是用于安裝聯(lián)軸器。為使所選直徑 與聯(lián)軸器的孔徑相適應，故需同時選取聯(lián)軸器型號。</p><p>　　聯(lián)軸器的計算轉矩 ，考慮扭矩變化很小，取 ，則</p><p>

72、　　查設計手冊，選用YL3型凸緣聯(lián)軸器，公稱轉矩為25 [12]。從動端半聯(lián)軸器的孔徑 ，所以選取軸徑 ；與軸配合的得孔長度為 ，為保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸的端面上，軸長 應略短于L，取 。</p><p>　　3)擬定軸上零件的裝配方案</p><p>　　圖3.1 高速軸擬定裝配方案</p><p>　　左側軸承與擋油環(huán)從左側裝入，右側軸承、擋油環(huán)

73、及聯(lián)軸器從右側裝入，齒輪采用齒軸一體設計。</p><p>　　下面是軸承上的扭矩和彎矩圖</p><p>　　圖3.2 支承軸結構及受力分析</p><p>　　4 )求軸上支反力及彎矩</p><p>　　表3.3截面3處的彎矩</p><p>　　5) 按彎扭合成應力校核軸的強度</p><p

74、>　　校核軸上承受最大計算彎矩的截面3處的強度</p><p><b>　　（3-19）</b></p><p>　　軸的材料為45鋼，查表11-1，。因此，故安全。</p><p><b>　　6)疲勞強度的校核</b></p><p>　　從應力集中對軸的疲勞強度的影響來看，截面3處引起的

75、應力集中最嚴重，且所受力矩最大，所以只需校核截面3右側即可。</p><p>　　抗彎截面模量 W=0.1 =0.1× =800 mm</p><p>　　抗扭截面模量 =0.2 =1600 mm</p><p>　　作用與截面3右側的彎矩M為</p><p><b>　　M=4.3N.m<

76、/b></p><p>　　作用與截面3上的彎矩M為</p><p><b>　　=2.5N.M</b></p><p>　　截面3右側的彎曲應力</p><p>　　= = =5.375MPa</p><p>　　截面3右側的扭轉應力</p><p>　　= =1.

77、56MPa</p><p>　　軸的材料為45鋼，調質。查表得 =640 MPa， =275MPa， .</p><p>　　截面上由于軸肩而形成的理論應力集中系數(shù)及設計手冊選取。因查值得</p><p>　　=2.1， =1.7</p><p>　　查圖2-8可得軸的材料的敏感系數(shù)</p><p&g

78、t;　　=0.7 =1.7</p><p>　　所以有效應力集中系數(shù)為</p><p>　　=1+ ( )=1.77</p><p>　　=1+ ( )=1.5</p><p>　　查圖2-9得尺寸系數(shù)0.84、0.92</p><p>　　查圖2-11得表面質量系數(shù)為 = =0.91&l

79、t;/p><p>　　軸按磨削加工，則綜合系數(shù)值為</p><p>　　= + -1=2.28</p><p>　　= + -1=1.73</p><p><b>　　由材料系數(shù)取 </b></p><p><b>　　計算安全系數(shù) </b></p><p&g

80、t;<b>　　= =22.5</b></p><p><b>　　= =111.64</b></p><p>　　=22.1>S=1.5</p><p><b>　　所以安全</b></p><p>　　3.3.2 中間軸的結構設計</p><p&

81、gt;　　1)初步確定軸的最小直徑</p><p>　　根據(jù)公式（3-5）初步確定軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調質處理，查設計手冊，取A=110 則</p><p>　　輸入軸的最小直徑是用于安裝滾動軸承。為使所選直徑 與滾動軸承的孔徑相適應，故需同時選取滾動軸承的型號。根據(jù)計算的最小直徑，查設計手冊，選取深溝球軸承6001， ，故取最小軸徑 。</p><p&

82、gt;　　2)求作用在齒輪上的力</p><p><b>　　= = =288N</b></p><p>　　= tg20°=104.8N = = =493.8N</p><p>　　= tg20°=179.7N</p><p>　　3)擬定軸上零件的裝配方案</p><p&g

83、t;　　圖3.3 中間軸擬定裝配方案</p><p>　　圓柱齒輪、套筒、擋油環(huán)和滾動軸承從軸的左端裝入，右端滾動軸承和擋油環(huán)從右端裝入。</p><p>　　下面是軸承上的扭矩和彎矩圖</p><p>　　圖3.4 支承軸結構及受力分析</p><p>　　4)求軸上支反力及彎矩</p><p>　　表3.4截面3處

84、的彎矩</p><p>　　5) 按彎扭合成應力校核軸的強度</p><p>　　校核軸上承受最大計算彎矩的截面3處的強度</p><p>　　= = </p><p>　　軸的材料為45鋼，查表11-1，。因此，故安全。</p><p><b>　　6)疲勞強度的校核</b>&

85、lt;/p><p>　　抗彎截面模量 W=0.1 =0.1× =2195.2 mm</p><p>　　抗扭截面模量 =0.2 =4390.4 mm</p><p>　　作用與截面3左側的彎矩M為</p><p><b>　　M=26.7N.m</b>&

86、lt;/p><p>　　作用與截面3上的彎矩M為</p><p><b>　　=0N.M</b></p><p>　　截面3左側的彎曲應力</p><p>　　= = =12.17MPa</p><p>　　截面3左側的扭轉應力</p><p><b>　　= =0M

87、Pa</b></p><p>　　軸的材料為45鋼，調質。查表得 =640MPa， =275MPa， .</p><p>　　截面上由于軸肩而形成的理論應力集中系數(shù)及查設計手冊選取。因</p><p><b>　　查值</b></p><p><b>　　=2.1</b></p&g

88、t;<p>　　查圖2-8可得軸的材料的敏感系數(shù)</p><p><b>　　=0.75</b></p><p>　　所以有效應力集中系數(shù)為</p><p>　　=1+ ( )=1.825</p><p>　　查圖2-9得尺寸系數(shù)0.88</p><p>　　查圖2-11得表面質量系

89、數(shù)為 = </p><p>　　軸按磨削加工，則綜合系數(shù)值為</p><p>　　= + -1=2.25</p><p><b>　　由材料系數(shù)取 </b></p><p><b>　　計算安全系數(shù) </b></p><p><b>　　= =9.62>S&

90、lt;/b></p><p><b>　　所以安全</b></p><p>　　3.3.3 低速軸的結構設計</p><p>　　1)初步確定軸的最小直徑</p><p>　　根據(jù)公式（3-5）初步確定軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調質處理，查設計手冊，取A=110 則</p><p&g

91、t;　　2)求作用在齒輪上的力</p><p>　　= = =487.94N</p><p>　　= tg20°=177.6N 輸入軸的最小直徑是用于安裝聯(lián)軸器。為使所選直徑 與聯(lián)軸器的孔徑相適應，故需同時選取聯(lián)軸器型號。</p><p>　　聯(lián)軸器的計算轉矩 ，考慮扭矩變化很小，取 ，則</p><p>　　3)擬定軸上零

92、件的裝配方案</p><p>　　圖3.5低速軸擬定裝配方案</p><p>　　圓柱齒輪、套筒、擋油環(huán)和滾動軸承從軸的左端裝入，右端滾動軸承和擋油環(huán)從右端裝入。</p><p>　　下面是軸承上的扭矩和彎矩圖</p><p>　　圖3.6 支承軸結構及受力分析</p><p>　　4)求軸上支反力及彎矩</p&

93、gt;<p>　　表3.5截面3處的彎矩</p><p>　　5)按彎扭合成應力校核軸的強度</p><p>　　校核軸上承受最大計算彎矩的截面3處的強度</p><p><b>　　= = </b></p><p><b>　　6)疲勞強度的校核</b></p>&

94、lt;p>　　從應力集中對軸的疲勞強度的影響來看，截面3處引起的應力集中最嚴重，且所受力矩最大，所以只需校核截面3左側即可。</p><p>　　抗彎截面模量 W=0.1 =0.1× =6400mm</p><p>　　抗扭截面模量 =0.2 =12800 mm</p><p>　　作用與截面3左側的彎矩M為</p&g

95、t;<p>　　M=13.54N.m</p><p>　　作用與截面3上的彎矩M為</p><p><b>　　=30.74N.M</b></p><p>　　截面3左側的彎曲應力</p><p>　　= = =2.1MPa</p><p>　　截面3左側的扭轉應力</p>

96、;<p><b>　　= =2.4MPa</b></p><p>　　軸的材料為45鋼，調質。查表得 =640MPa， =275MPa， .</p><p>　　截面上由于軸肩而形成的理論應力集中系數(shù)及查設計手冊選取。因</p><p><b>　　查值得</b></p><p>　　

97、=2.1， =1.7</p><p>　　查圖2-8可得軸的材料的敏感系數(shù)</p><p>　　=0.75 =0.8</p><p>　　所以有效應力集中系數(shù)為</p><p>　　=1+ ( )=1.825</p><p>　　=1+ ( )=1.56</p&g

98、t;<p>　　查圖2-9得尺寸系數(shù)0.85、0.75</p><p>　　查圖2-11得表面質量系數(shù)為 = =0.94</p><p>　　軸按磨削加工，則綜合系數(shù)值為</p><p>　　= + -1=2.26</p><p>　　= + -1=1.9</p><p><b>　　由材料系

99、數(shù)取 </b></p><p><b>　　計算安全系數(shù) </b></p><p><b>　　= =57.94</b></p><p><b>　　= =66.24</b></p><p>　　=43.6>S=1.5</p><p>

100、<b>　　所以安全</b></p><p>　　3.4 軸承的校核</p><p>　　3.4.1 高速軸的壽命計算</p><p>　　由圖3.1可知軸上的安裝軸承處直徑為20mm，所以選擇深溝球軸承16004 Cr=6.08KN,Car=3.78KN。</p><p><b>　　由公式：</b&

101、gt;</p><p><b>　　= h</b></p><p><b>　　計算軸承壽命。</b></p><p>　　n=126r/min C=3780N </p><p>　　由表3.3 p= =301N</p><p>　　查表得，溫度系數(shù) =1&

102、lt;/p><p>　　代入得 ，滿足使用要求</p><p>　　3.4.2 中間軸的壽命計算</p><p>　　由圖3.2可知軸上的安裝軸承處直徑為28mm，所以選擇深溝球軸承16006 Cr=6.08KN,Car=3.78KN[13]。</p><p><b>　　由公式：</b></p><p&

103、gt;<b>　　= h</b></p><p><b>　　計算軸承壽命。</b></p><p>　　n=30r/min C=3780N </p><p>　　由表3.4 p= =1255N</p><p>　　查表得，溫度系數(shù) =1</p><p>　

104、　代入得 1.52 ，滿足使用要求</p><p>　　3.4.3 低速軸的壽命計算</p><p>　　由圖3.5可知軸上的安裝軸承處直徑為40mm，由于軸要承受軸向和徑向力,所以選擇雙列深溝球軸承Cr=65.5KN,Cor=37.5KN。</p><p>　　由圖3.5看出R有兩部分組成，第一部分為軸上所受的支反力，表3.5已算出:</p><

105、;p><b>　　429N, 89N</b></p><p><b>　　經(jīng)計算，，,</b></p><p><b>　　所以</b></p><p><b>　?。?-20）</b></p><p><b>　　，查表13-5得<

106、/b></p><p><b>　　，查表13-5得</b></p><p>　　查表載荷系數(shù)=1.2，軸承當量動載荷為</p><p><b>　?。?-21）</b></p><p><b>　　（3-22）</b></p><p><b

107、>　　由公式</b></p><p><b>　　計算軸承壽命。</b></p><p><b>　　10r/min</b></p><p><b>　　C=37500N</b></p><p><b>　　10/3</b></p&

108、gt;<p>　　查表13-7，溫度系數(shù)=1</p><p>　　代入得 h=3.6 ,滿足使用要求</p><p>　　3.5 腰部內(nèi)部電纜安裝方式</p><p>　　機器人上安裝有電機等電氣元件。這些電氣元件，一般都隨著機器人的運動而運動。安裝在機器人腰部的內(nèi)部電纜，將各運動的電氣元件與機器人基座上的固定不動的插頭座連接起來。這樣，連接機器人與

109、控制柜的外部電纜就不會隨著機器人的運動而擺動。安裝在機器人腰部的電纜結構，要保證各個電路從運動端到固定端的連接。</p><p>　　目前常用的腰部電纜安裝結構有兩種：</p><p>　　電纜由腰部回轉軸穿過。</p><p>　　當腰部左右回轉時，在軸中心穿過的電纜則擰成麻花型。由于機器人腰部一般左右回轉不超過±180º，所以通過軸中心的電纜

110、扭轉角度最大不超過180º。這種電纜安裝結構要求腰部的回轉軸有一定的長度，中心通孔的直徑要足夠大，電纜要柔軟而易彎曲，外皮要堅固耐磨。</p><p>　　2）將腰部電纜支撐多圈圓柱型彈簧式。</p><p>　　彈簧式電纜的上端與機器人內(nèi)部電纜相連，下部與機器人機座上下不動的外部電纜相連。當機器人腰部作回轉運動時，彈簧被扭轉，最大扭矩角度不超過±180º。彈

111、簧式是將電纜綁在彈簧骨架上制成的。彈簧式電纜要具有一定的彈性，直徑D要盡量小，圈數(shù)不能太少，以保證直徑變化量△D不會太大。在腰部結構上腰保證彈簧直徑變化所需的活動空間[15]。</p><p><b>　　結 論</b></p><p>　　這次畢業(yè)設計的課題是對噴涂機器人人的一個簡單分析與研究,本人設計的是機身部分,在郭老師的指導和同組同學的幫助,經(jīng)過一個學期的努

112、力,終于基本上完成了本次的畢業(yè)設計內(nèi)容 本次設計獲得了不少知識和成果,完成了以下內(nèi)容:</p><p>　　1. 在翻閱大量機械資料后，不僅對噴涂機器人有了一定的認識(噴涂機器人的發(fā)展歷史、意義、用途),而且也相應的了解了一些其他工業(yè)機器人的知識。此次設計還幫助我對本專業(yè)進行的復習與鞏固,學會了如何查找書籍來幫助自己。</p><p>　　2. 在同組同學進行討論和郭老師指導之后，確定了一

113、個總體方案,采用了二級減數(shù)器,步進電機驅動,關節(jié)式坐標。</p><p>　　3. 對機身系統(tǒng)進行了數(shù)次方案論證，最終確定采用86BYG3501步進電機驅動、齒輪傳動的方案，并繪制了機身部件圖以相當數(shù)量的零件圖，對畫圖相關的知識有了進一步了解。</p><p>　　由于本人學識不足、水平有限，加之時間倉促，設計中還有很多不足之處，希望老師能夠提出批評并多提指導意見，以便本人在今后的學習中改

114、進。</p><p><b>　　參 考 文 獻</b></p><p>　　[1] 謝存禧，張鐵．機器人技術及其應用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2005．</p><p>　　[2] 王薇，趙增強，趙之堅，葛昕．機器人在轎車保險杠自動噴涂線上的應用[J]．制造業(yè)自動化，2006，28（6）：77-78</p><p>

115、;　　[3] 龔振邦 等. 機器人機械設計[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，1995.</p><p>　　[4] 韓宇輝，周汝雁，張馳，李照宇．基于嵌入式結構的建筑涂裝機器人智能測控系統(tǒng)[J]．河南科學，2004，22（4）:235-237</p><p>　　[5] 石銀文. 快速發(fā)展的機器人自動噴漆技術[J],機器人技術與應用，2007（5）：18-22.</p>&l

116、t;p>　　[6] 熊有倫. 機器人技術基礎[M]. 武漢：華中理工大學出版社，1997.</p><p>　　[7] 李忠杰等. 步進電機應用技術[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1988.</p><p>　　[8] 蔣新松．未來機器人技術發(fā)展方向的探討[J] ．機器人，1996(5)：285-291.</p><p>　　[9] 萬遇良．機電一體化系統(tǒng)的設

117、計與分析[M]．北京：中國電力出版社，1998：119—155．</p><p>　　[10] 劉鴻文. 材料力學[M]. 北京：高等教育出版社. 1991.</p><p>　　[11] A Prototype Integrated Robotic Painting System: Software and Hardware Development 1993.</p>&l

118、t;p>　　[11] 劉鴻文.材料力學[M]. 北京：高等教育出版社. 1991.</p><p>　　[12] 王之煦，許杏根.簡明機械設計手冊[S]. 北京：機械工業(yè)出版社. 1987.</p><p>　　[13] 李振清. 袖珍機械設計師手冊[S]. 北京：機械工業(yè)出版社，1994.</p><p>　　[14] 嚴學高，孟中大. 機器人原理[M].