六自由度喷涂机器人结构设计.docx

摘要现在制造业中，随着生产技术的提高，喷涂机器人发挥着越来越重要的在作用，其应用的范围也越来越广泛。喷涂机器人的应用在未来有极大的前景，目前，中国市场上的自动喷涂机器人大多依靠进口。因此，中国迫切需要克服喷涂机器人的关键技术，提升竞争力。因此要加快实现喷涂机器人和自动化设备的技术突破，加快我国工业自动化的进程。本论文以六自由度喷涂机器人为研究对象，对其结构与驱动系统进行研究，基于有限元理论，运用了静力学与动力学相关知识，对其进行了力学分析、静力校核和仿真，主要内容如下：（1）根据喷涂机器人的工作特点和设计要求，确定喷涂机器人的相关技术参数和结构设计方案。本文利用 CAD 和三维建模软件 Solidworks 进行绘图，并初步设计了六自由度喷涂机器人的各个零部件。（2）根据喷涂机器人不同驱动方式以及电机与减速器的参数计算，并根据参数选择电机与减速器，确定最终传动系统。（3）运用有限元软件和结构强度理论对喷涂机器人的关键部位进行了静力学特征分析，分析了关键部位的变形情况和应力分布。（4）在静力校核的基础上，优化了关键部位的机械强度，再次对结构进行了静力学分析，并对比了优化前后的分析结果。关键词：喷涂机器人；静力校核；结构设计喷涂机器人；静力校核；结构设计The Structure Design of 6-DOF Spraying RobotAbstractThe spray painting robot is mainly composed of robot body,computer and correspondingcontrol system.It uses 5 or 6 degrees of freedom joint structure.The arm has larger motionspace and can do complex trajectory motion.The wrist has 23 freedoms,and it can moveflexibly.The wrist of a more advanced painting robot adopts flexible wrist,which can beflexed in all directions and can be rotated.Its action is similar to that of a mans wrist.It caneasily reach the inside of the work piece through smaller holes and spray its inner surface.The paint spraying robot is generally driven by hydraulics,which has the characteristics offast action speed and good explosion-proof performance.It can be taught by hand holdinginstruction or point number display.Spray painting robots are widely used in automobile,instrument,electrical appliances,enamel and other process production departments.(1)According to the working characteristics and design requirements of the sprayingrobot,the relevant technical parameters and structural design plan of the spraying robot aredetermined.In this paper,CAD and 3D modeling software Solidworks are used for drawing,and each part of the six DOF sprayed robot is preliminarily designed.(2)According to the different driving modes of the spraying robot and the calculation ofthe parameters of the motor and retarder,and select the motor and the reducer according to theparameters,the final transmission system is determined.(3)The static characteristics of the key parts of the spraying robot are analyzed by usingthe finite element software and the structural strength theory,and the deformation and stressdistribution of the key parts are analyzed.(4)On the basis of static checking,the mechanical strength of the key parts is optimized,and the statics analysis of the structure is carried out again,and the results of the analysisbefore and after the optimization are compared.Key Words：Spraying Robot；Static Check；Structural Design目录摘要.IAbstract.II引言.11 绪论.2课题研究背景和意义.2喷涂机器人的研究现状.3国外的研究现状.3国内研究现状.5论文研究主要内容.62.喷涂机器人机械结构设计.6确定驱动系统.6确定自由度和电机驱动参数.7运动参数的确定.7关节的结构形式.7大臂传动机构.8底座传动机构.9小臂传动机构.103.喷涂机器人机构设.11数学建模与分析.113.2 腕部设计.123.2.1 电机的选择.123.3 小臂的设计.14小臂设计的总体要求.14铰链四杆机构的设计.14电机的选择.15齿轮的设计与校核计算.20大臂的设计.24大臂设计的总体要求.24电机的选择.25齿轮的设计与校核计算.24腰关节的设计.29腰关节设计的总体要求.29电机的选择.29传感器的选择.29本章小结.29大轴 1 的结构设计与校核.29大轴 1 的结构设计.29大轴 1 的强度校核.30大轴 2 的结构设计与校核.33大轴 2 的结构设计.33大轴 2 的强度校核.34小轴 1 的结构设计与校核.34小轴 1 的结构设计.34小轴 1 的强度校核.35轴 2 的结构设计与校核.37回转底盘与腰部主轴连接螺钉的校核.37本章小结.37引言工业水平的提高，涂装已从传统的手工工业发展到工业自动化。随着生产技术的进步，涂装生产线的应用越来越广泛，并渗透到国民经济的许多领域。相对的传统人工喷涂存在着产量相对较低、厚度控制较差，无法保证均匀厚度、颜色相对较差等缺点。对于常见的产品，传统人工喷涂已经被更具优势的喷涂机器人取代。喷涂机器人是一种集合了人类和机器特长的自动执行喷涂工作的自动化智能机械装置，它能够按照编制的程序运行，同时还具备对不同环境状态做出快速应激反应的能力，能够时间长工作，具有抵抗恶劣环境的能力。喷涂工作对人体健康有很大的危害，采用喷涂机器人代替人工是当今喷涂行业的发展趋势。但是它还存在很多无法克服的缺陷，如油漆浪费大、无法自动调换颜色和进行离线编程等。而本设计中的六自由度喷涂机器人，不但能使产品的抗腐蚀性得到提高、使用寿命变长，还能够更好地呈现出喷涂表面的色彩、亮度和光泽度等质量的好坏。喷涂机器人采用铝合金材质，铝合金质量轻强度好，耐腐蚀性和可加工性良好。采用铝合金材质，能满足喷涂机器人的强度要求和使用要求，而且其成本较低。本设计的六自由度喷涂机器人，整体是一个串联单开链结构，有六个转动副构成，手腕关节可实现全角度的回转，极大地满足了工作的需要。腰部和肘部仅能在限定的工作范围内进行转动。喷漆机器人大多有三部分组成：底座，包括大臂和小臂的手臂以及手腕。针对喷涂机器人的驱动传动精度的技术要求，经不同传动方式和驱动装置的比较后，确定了点击和减速器相配合的传动驱动系统，并完成了主要参数的计算和主要零件的选型。利用三维建模软件 Soildworks 建立了各部件的结构模型，并完成了整机的装配。在本次设计中也遇到了许多困难，关于材料的选择、零件的强度校核、电机的选择，通过和同学的讨论和向指导老师请教，这些问题都得到了解决。1 绪论1.1课题研究背景和意义近年来，随着汽车制造行业在我国的高速发展，而制造业从劳动密集型向现代化方向发展，未来的一段时间，制造业仍是经济重要组成部分。伴随着传统制造行业的转型，尤其是汽车、电子等行业，生产工具在不断向自动化、智能化、信息化升级，这样就催生了机器人行业的不断发展。这一现象在汽车制造行业尤其突出。当今，我国对工业机器人的需求越来越大，生产力和科技水平的不断提高，工业机器人在制造领域的应用越来越广，并在精度、速度、可靠性、灵活性、承载能力方面的要求不断提高。但是目前国内的大部分工业机器人仍达不到要求，所以仍然需要不断在工业机器人的技术上不断突破。在汽车制造行业中，汽车的车身喷涂尤其重要。车身喷涂可以提高汽车的耐腐蚀性延长使用寿命，并且能体现出汽车表面等质量，汽车喷涂的优劣人们对汽车最直接的评价标准。对于汽车的市场竞争力有最直接的影响。工业机器人有很多种，其中最典型代表就是喷涂机器人，喷涂机器人的使用范围很广，在各行各业中，制造产品进行表面喷涂是不可或缺的一部工序，但因为雾化的油漆对人体危害极大，而且为保证喷涂效果，喷涂环境的通风条件无法解决，而且传统人工喷涂不仅工艺质量差、效率低、劳动强度大，同时无法选择出最佳的喷涂轨迹，而采用喷涂机器人彻底解决了这些问题。喷涂生产线主要采用静电涂装，是汽车车身涂装最主要的方法。其具有效率高、污染小等优点，喷涂均匀可是用于大规模生产。实现静电涂装的主要设备时自动喷涂机。相对于自动喷涂机，喷涂机器人有以下优点：运动轨迹灵活，可完成复杂表面的喷涂，喷涂轨迹精确，油漆利用率高，可以提高喷涂层的厚度均匀度工作范围大，可适用于不同的零件喷涂。可实现多种产品的喷涂，针对不同产品进行不同的编程。有较高的设备利用率，易于操作和维护。维修方便。有利于解放劳动力基于以上的优点，喷涂机器人受到各行各业的高度重视。但是由于我国工业机器人发展起步较晚，技术不够完善，自主研发的机器人在精度上达不到要求，目前大多采用国外的喷涂机器人。这些设备引用价格昂贵，后期维护成本高，维修周期长，一旦出现设备问题会给企业造成巨大的损失，因此实现喷涂机器人设备的国产化，打破技术壁垒，对我国机器人产业及工业生产自动化产生巨大的推动作用。1.2喷涂机器人的研究现状在国外，喷涂机器人经过 40 多年的研究发展，目前在发达国家该技术已经成熟的应用工业生产。喷涂机器人最初是由 Trallfa 在 19 世纪 60 年代末发明的，美国的 minhit公司、美国的 fudge 公司、德国的 hate 公司也都较早的研究并运用喷涂机器人技术。喷涂机器人普遍应用的促进了机器人行业和喷涂业发展。经过几十年科技水平的不断发展，喷涂机器人生产技术不断进步，不断成熟，喷涂精度和效率不断提高，目前工业机器人成熟运用于工业生产已经成为发达国家的标志。德国的 KUKA 公司、日本安川 MOTOMAN 公司和 FANUC 公司、瑞士和瑞典的ABB 公司以及美国的 ADEPT 公司是目前国际市场上知名的喷涂机器人生产商。图 KUKA IRB580-12 型喷涂机器人图 安川 MOTOMAN-EXP 系列喷涂机器人图 FANUC 喷涂机器人关节坐标机器人是现在市场上喷涂机器人的主流，因此国内外普遍采用关节坐标系来设计喷涂机器人。喷涂机器人要求工作轨迹灵活，因此手腕设计多采用三自由度，三自由度手腕自由度高，可以满足工作要求。采用 D-H 坐标系来建立机器人运动学模型，运动状态由运动方程体现。目前，国外的研究人员使用 Jacobi 矩阵来表示执行单元运动和关节运动之间的映射关系。雅可比矩阵更适用于自由度高的喷涂机器人的求解。当前喷涂机器人的重点研究方面如下：1.机械系统机械系统普遍采用三维建模、有限元分析与优化、运动学仿真等先进设计技术进行优化设计，采用开链式结构扩大了机器人工作范围，提高了系统的灵活性，材料多采用轻质铝合金材料。2.控制系统控制系统采用软件伺服和全数字化控制，用离线式编程代替示教编程，操作更加简单3.同步系统机器人控制器与总线和网络连接，通过同步系统，机器人会远程接收命令。4.应激性对于不同的突发状况，机器人会做出对应的应激反应5.可靠性微电子技术和集成电路的应用，机器人的可靠性极大地提高中国喷涂机器人的研究相对较晚。喷涂机器人在 20 世纪 70 年代初开始应用，并开始应用自动喷涂生产线。最早的喷涂机器人研究是北京机械工业自动化研究所的机器人中心。在喷涂机器人产品方面，开发了 PJ 系列伺服喷涂机器人 PJ-1，PJ-1A，PJ-1B，PJ-500 和 EP 系列电动喷涂机器人 EPS-500 和 EPS-600。随后哈尔滨工业大学、天津大学、上海交通大学等陆续研发出机器人样机。随着国内汽车制造行业和重型机械制造行业发展需求，喷涂机器人的需求也越来越大。许多厂家开始研发适合国内市场需求的喷涂机器人，同时，国外知名喷涂机器人制造商与国内企业合作。目前，喷涂机器人是市场上应用最广泛的工业机器人之一，但国内发展起来的喷涂机器人在精度、使用寿命、喷涂质量等方面还存在许多不足。所以研发出高精度喷涂机器人尤为重要。1.3论文研究主要内容本文的目的是设计一种用于车身表面喷涂的 6 自由度关节喷涂机器人，并对机器人的结构进行设计，运动学分析，工作环境，动力学问题，零部件的选型以及网络控制进行了深入研究，主要研究内容如下：（1）根据喷涂机器人的工作要求，选择出最合适的机械结构，确定相关技术参数，利用 Soildwrks 三维建模软件设计各零部件，并完成装配。（2）根据技术参数和机械结构，对传动系统和驱动方式设计，选择减速器和交流伺服电机完成对喷涂机器人的驱动，按计算结果对伺服电机和减速器进行选型。（3）运用有限元分析软件对喷涂机器人进行静力学特征分析，在机械结构上分析应力集中情况和应变情况，对关键部位进行设计优化，对关键部位进行模态分析。（4）对喷涂机器人进行三维建模，对其进行动力学分析，进行动态仿真，验证运动轨迹的正确性。驱动系统是驱动机器人完成动作的重要机构，好的驱动系统，会提高机器人的性能，在器人的维修上有很大方便。伺服驱动系统，在机器人的组成上占有很重要的地位。工业机器人伺服驱动系统主要分为液压驱动、气动驱动和电机驱动。主要优缺点如下;1.液压驱动方式 优点：驱动功率大，装置结构简单，可直接与传动连杆连接，具有较高的精度。缺点：产生油液泄漏。2.气压驱动方式 优点：驱动能源清洁，结构简单。缺点：功率小于液压驱动，不易控制精度低。3.电机驱动方式 优点：驱动能源简单，功率大，变速范围大精度高便于控制。缺点：结构复杂，应用成本高。比较上述优缺点，可以知道液压驱动适用于特大功率的机器人系统，电机驱动用于功率较小的机器人系统更为合适。而对于喷涂机器人，要求精度较高，且液压驱动产生油液泄漏会影响喷涂机器人的涂效果，且喷涂机器人工作所需功率要求较低，因此本次设计的喷涂机器人驱动系统选用电机驱动方式最为合理。根据机器人的工作情况，确定其自由度。工业机器人由多种驱动结构形式，不同的结构形式是用于不同的工作条件，结构主要分为直角坐标系、极坐标系、多关节机器人。直角坐标系机器人结构简单，使用范围最广，但只能在 x、y、z 三个方向运动，不能满足喷涂机器人工作要求，喷涂机器人工作轨迹复杂，运动空间大，只有多关节机器人能满足工作要求，所以喷涂机器人驱动结构选择多关节型。喷涂机器人自由度主要为五自由度和六自由度机器人，本文设计的喷涂机器人用于汽车车身的喷涂，要求的负载小，运动速度低。采用六自由度可以满足设计要求。所以机器人为六自由度关节型。本文设计的喷涂机器人关节数为 6，整体结构形式为铰链四杆机构。关节运动运动范围角加速度关节 1腰部的旋转运动170/2 rad/s关节 2大臂的俯仰运动+135至-90/2 rad/s关节 3小臂的俯仰运动+168至-80/2 rad/s关节 4腕部的旋转运动185rad/s关节 5喷枪的俯仰运动1202rad/s关节 6喷枪的旋转运动3602rad/s手腕的负载能力5kg手臂的负载能力10kg重复定位精度驱动方式直流伺服电机自由度6安装方式水平地面安装喷涂机器人具体可以分为底座、腰部、大臂、小臂和手腕五部分。大臂选用圆筒套装梁结构，铸件。小臂结构为空心杆结构。为了降低整体重量，增加强度，大臂和小臂均选用铝合金材料。图 2.5大臂关节结构示意图大臂承担着喷涂机器人工作时的主要受力，工作部位手腕的运动靠大臂运动和小臂运动的配合来实现。大齿轮和小齿轮可实现减速，大齿轮与大臂上连接，齿轮组具有一定的减速比，小齿轮与减速电机通过联轴器相连，传动链为减速电机小齿轮大齿轮大臂，来实现大臂的运动。这种传动方式结构简单，传动响应时间快，精度较高，对称布置使结构更加稳定，减小了结构的转动力矩，整体稳定性和底座的强度有显著提高。图 2.6 底座关节结构示意图手腕部工作空间定位需要底座旋转、大臂运动以及小臂运动协调配合实现的。底座的主轴和底盘之间使用螺钉连接，电机座位于底座的底盘上，电机座上固定着大臂与小臂的驱动电机。底座主轴为减轻零件重量设置为空心轴，与力矩电机相连。电机带动底座主轴旋转。这种传动方案，电机直接驱动底座运动，结构简单。图 2.7小臂关节结构示意图小臂运动角度范围+135至-90，小臂的主要作用是调节在喷涂过程中喷枪的空间位置。大齿轮轴和底杆通过通孔连接在一起。底杆的另一端与后杆的底端连接。后杆的另一端与小臂连接。驱动是驱动小齿轮运动的电机。小齿轮与大齿轮啮合，大齿轮带动底杆，底杆传递后杆，从而实现驱动小臂的俯仰运动。这是通过铰链四杆机构实现的。该机构位于小臂后端对称布置，可以增加结构的整体稳定性，驱动电机布置在底盘上，可以减轻整体结构重量，提高整体结构强度，是传动响应速度更快。有助于提高喷涂机器人工作时的精度，提高工作效率。考虑到具体工作空间的限定，具体尺寸还要验证。数学建模与分析喷涂机器人用于汽车车身的喷涂，共做所需要达到的最大覆盖范围是 3m。根据工作环境做出假设，具体数据如下表：部位长度运动范围运动方式大臂+135至-90俯仰运动小臂+168至-80俯仰运动腰部170回转运动在数学建模中，假设喷枪为质点，体积忽略不计，设置喷枪与小臂距离为 0.4m，所以现在小臂长度为 1.3m。因此大臂长度为 1.1m，小臂长度为 1.3m。建立数学模型，长度分别为 1.1m 和 1.3m 的细长杆 1、2，体积不计，杆 1 可做范围+135至-90的俯仰运动，杆 2 可做范围+168至-80的俯仰运动，杆 1、2 首尾连接，需验证杆 2 末端能否满足 3m空间范围的工作条件。如满足喷涂机器人的最大覆盖范围且超出范围10%，则满足条件，若覆盖范围小于工作空间或者超出需要空间10%，考虑工作限制和成本要求，需要重新制定尺寸。图工作的空间模型杆 2 末端运动示意图如图 3.1。底盘的旋转设定为范围170。大臂与底座的连接点位于线段 da 延长线上，验证杆 2 末端运动范围，根据对称原理，只需验证一半空间即可，即验证杆 2 末端能否到达 abcd-efgh 的八个顶点。如果满足，则杆 2 末端能覆盖工作空间。腕部设计电机的选择将电机安装在手腕上：旋转喷枪的减速电机 1 安装在旋转套筒内，以驱动喷枪夹具进行旋转运动，从而对喷枪进行直接加工和处理。在旋转套筒外侧，旋转套筒转动的齿轮传动电机 2 安装在旋转套筒支架的外侧，以驱动整个旋转套筒进行旋转运动。两台电机的安装如图所示。用于旋转整个手腕的减速齿轮马达 3 和安装在旋转套筒外侧的带法兰板的空心轴通过扩张套筒连接在一起。该安装表面垂直于电机 2 的安装表面，并且减速电机 3 驱动整个手腕。系做旋转动作。马达 1 驱动喷嘴进行旋转运动。因此，为了减轻电动机 2 的负担，电动机应当是紧凑且柔性的。因此，电动机 1 应当重量轻，尺寸小并且能够满足全部电力要求。同时，电机轴应通过膨胀套筒与喷枪夹钳末端的空心轴连接，使电机输出端轴适当加厚加长。旋转套筒的质量也应该尽可能小，因此材料是铝合金材料。假设喷嘴的尺寸是?50?200的圆柱体，已知的质量为 3kg。圆柱体的转动惯量为：J=112m(3 R2+L2)=1123(320.025+20.2)=0.01 kg.m2取喷枪的转动角速度为=2rad/s，n=60r/min取启动时间为由此转动角加速度=20rad/s2计算力矩 T 为：T=JP=T=0.6282=因此，减速电机 1 的额定电压为 220V，输出功率至少为 4W，输出转矩至少为，转速为 1400r/min，减速齿轮箱的减速比为 23。电机的输出轴端适当加厚和加长。马达 2 驱动旋转套筒进行旋转运动。旋转套是 200200200 立方体。将旋转套筒，电机，减速器，短轴，钥匙，喷枪和喷枪夹子设置为总共 5kg。长方体的转动惯量公式为：J=112m(22bh)由于回转套为正方体，故 b=h=0.2m所以绕回转套回转中心的转动惯量为：J=1125(220.20.2)=kg.m2取回转套的转动角速度为=2rad/s,n=60 r/min取启动时间为由此转动角加速度=20rad/s2计算力矩 T 为：T=JP=T=1.8842=11.83 w因此，减速电机 2 的额定电压为 220V，输出功率至少为 12W，输出转矩至少为，转速为 1400r/min，减速齿轮箱的减速比为 23。电机的输出轴端适当加厚，最后打开键槽。电机 3 驱动整个手腕进行回转运动。电机通过膨胀套筒连接空心轴，因此电机的输出轴也必须适当加长和延长。旋转套筒为 232100350 立方体。整个手腕，旋转套支架，联轴器，短轴，电机和减速器的质量估计为 12kg。长方体的转动惯量公式为：J=112m(22bh)由于回转套为正方体，故 b,h=0.1m所以绕回转套回转中心的转动惯量为：J=1125(220.20.2)=kg.m2取回转套的转动角速度为=rad/s，转速为 n=30r/min取启动时间为由此转动角加速度=10rad/s2计算力矩 T 为：T=JP=T2=6.23w因此，减速电动机 3 的额定电压为 220V，输出功率至少为 7W，输出转矩至少为，转速为 1400r/min，减速齿轮箱的减速比为 46。电机的输出轴端应适当加厚和加长16-20。小臂的设计小臂设计的总体要求臂杆的质量应尽可能小，以减轻吊杆及其驱动电机的负担。同时，手臂还必须承受手腕的重量和运动过程中产生的动态载荷。涂装机器人的最大覆盖范围与手臂的长度和手臂之间的关节旋转范围密切相关。因此，在设计 ARM 时，应根据机器人必须完成的任务充分考虑设计要求，从而确定臂杆的总体结构和长度。根据臂的重量最小，同时保持强度的原则，合理选择臂和材料的形状，既满足强度要求，又能最大限度地减轻车身重量。减小关节的转动惯量和力矩，减小驱动装置的载荷，减少运动的动载荷和冲击。为了减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精度和刚度，可以使用缓冲和定位装置来提高定位精度。漆机器人的俯仰机构是由铰链四杆机构完成的，安装在腰部旋转盘上的直流伺服电机由铰接四杆机构驱动，以驱动俯仰。采用铰链四杆机构的目的是将直流伺服电机放在腰部的旋转盘上，避免小臂与大臂之间的直接连接，减小小臂的重量，减少大臂驱动装置的负载，减少动载荷 A。运动过程中的 ND 影响，提高整个喷漆机器人的响应速度。铰链四杆机构的设计铰接四杆机构有三种设计方案，即双曲柄机构、双摇杆机构和屈柄连杆机构。对于双曲柄机构来说，框架是最短的边，因为大臂是框架，长度是1000毫米，如果使用双曲柄机构，另一杆的长度太长，而最后一章确定小臂的长度是800毫米，所以双曲柄。机制不符合要求。对于双摇杆机构，框架是最短侧的相对侧，大臂与最短杆相反。如果采用双摇杆机构，则两个杆的长度太长，某个方向的空间太大，小臂的俯仰角不好，增加了设计难度。基于上述分析，曲柄摇杆机构在这里使用，如图所示。AB代表大臂，长度为1000毫米，AD代表下杆，长度为400毫米，DC代表后杆，长度为1000毫米，BC代表小臂的两个连接点之间的部分，长度为200mm。AB边缘为齿条，广告侧为摇杆，BC侧为曲柄。该结构首先满足BC侧长度小于小臂长度的条件，占用空间小。底杆和后杆的质量比其他两种方案小。图实现小臂俯仰的铰链四杆机构的结构示意图3.3.3电机的选择首先，计算动态转矩，并计算惯性矩以计算动态转矩。由于电机安装在腰部旋转盘上，惯性矩的计算需要转换为大臂轴的 I 轴。我们只需要计算最大惯性矩。当小臂和大臂共线时，小臂可绕 I 轴旋转，此时整个小臂对 I 轴的扭矩最大。1、小臂总体质量的计算21-25小臂的大体结构为分段空心圆柱，材料为铝合金体积 V=lA20.18/4/4/4=0.007 m3质量 m=V310=2、腕部结构对i轴的转动惯量腕部绕其质心的转动惯量为1I=112 m(b2+h2)=0.03 kgm2平移到 i 轴上1I=1I+m21r=0.03+5(0.16+0.180.8)2=6.53kgm23、回转套支架对i轴的转动惯量回转套支架绕其质心的转动惯量为2I=112 m(b2+h2)kgm2平移到 i 轴上2I=2I+m22r=0.064+7(0.180.8)2=m24、小臂结构对i轴的转动惯量由于小臂是阶梯状前一段体积1V=0.002 m3质量1m=1V，此外还要加上电机减速器轴联轴器短轴的质量共 8kg。小臂前段绕其质心的转动惯量为3I=1121m(3 R2+L2)kgm2平移到 i 轴上3I=3I+m23r=0.22+8(0.180.8)2=m2后一段体积2V3质量2m=2V小臂后段绕其质心的转动惯量为4I=1122m(3 R2+L2)kgm2平移到 i 轴上4I=4I+m24r=0.67+13.52=kgm25、带动小臂转动的后杆和底杆对i轴的转动惯量两圆杆为铝合金材料，圆形实心直杆。后杆的尺寸为1001000，底杆的尺寸为100400。当两杆共线时，两杆对 i 轴的转动惯量最大。两杆的体积之和V总=20.1/43m总=V总=2.7310=27kg两段同一直线时绕两段质心的转动惯量为：5I=112m总(3 R2+L2)kgm2平移到 i 轴上5I=5I+m25r=4.48+2720.4=kgm26、对i轴总的转动惯量以上计算的1I、2I、3I、4I、5I均是在转动惯量最大的情况下计算得到的，因此，根据这些转动惯量计算的总转矩和功率将允许选定的电机在其他操作条件下满足喷漆机器人的操作要求。对i轴总的转动惯量为：I总=1I+2I+3I+4I+5Ikgm27、总力矩和功率的计算取小臂的转动角速度=/2 rad/s，转速为 n=15r/min取启动时间为 1 s由此转动角加速度为=/2 rad/s2惯性力矩 T1=I总=78.87/2=123.88Nm静力矩 T：由于臂的俯仰机构采用铰链四杆机构，臂本身可以平衡，因此静力矩可以忽略不计。摩擦力矩 T：转动惯量大约等于惯性矩的倍。总之，总转矩 TT124.49 N m。电机转速1500 r/min，即角速度50 rads。则总的传动比为:i总=n电机/n=100故电机输出端的负载力矩为 T电机=T总/i总=m电机输出端的功率为 P=T电机电机508、选择电机的型号一般对驱动元件有以下几方面要求：（1）小惯性和大功率。驱动元件主要用于喷漆机器人的旋转运动，因此转动惯量小，功率大于功率。（2）体积小，重量轻。主要性能指标是功率密度，当驱动元件安装在腰部旋转盘上时，如果驱动元件太大，腰部旋转盘太大，因此驱动元件的功率密度应尽可能大。（3）位置控制具有精度高、响应快、速度范围宽、速度慢等优点。（4）振动小，噪音小，安全可靠，运行平稳。（5）效率和能耗应尽可能小。直流电机具有优良的调速特性，调速平稳，调速范围宽，速比可达 1 200，超载能力，直流电机转矩可达到额定转矩的倍，特殊要求可达 10。考虑到各种电机，辽宁本溪山城电机厂用于生产电磁直流伺服电机。模型为 Z2-11，额定电压为 110220V，功率为，速度为 1500 r/min，重量为 32 公斤。电机需要调速，调速后转速为 75 r/min，减速比为 20。齿轮的设计与校核计算电磁式直流伺服电机经调速后要通过一个齿轮组来传递动力，再通过齿轮带动铰链四杆机构运动，从而实现小臂的俯仰运动。1、选定材料、热处理方式、精度等级及齿数（1）由于电磁直流伺服电机调速，输出端速度低，低速级采用直齿圆柱齿轮传动。（2）选择小齿轮材料40Cr、调质、硬度241-86HBS。齿轮材料ZG35CRMO，调制加工，硬度190240HBS，精度等级8。（3）小齿轮齿数24，然后524120，齿轮齿数 Z2120。2、按齿面接触疲劳强度设计13121EHdHKTZZd.骣轾桫臌mm确定各个参数数值（1）T110611/P n=106(0.4/0.75)104Nmm（2）初选载荷系数为tK（3）查表取齿宽系数为d=1（4）查表取弹性系数为 ZE=（5）查表取节点区域系数为HZ（6）根据齿轮的硬度查表取小齿轮的接触疲劳强度极限为lim1H=1150 MPa，大齿轮的接触疲劳强度极限为lim2H=1120MPa。（7）取工作寿命为 15 年，每年工作 250 天，2 班制小齿轮的应力循环次数 N1=60n1jLh=60751525016=2.7810大齿轮的应力循环次数 N2=N1/5710（8）查表取接触疲劳寿命系数为1NZ=1.08，2NZ=（9）取安全系数为HS=11H=lim11.HNHZS=1242MPa2H=lim22.HNHZS=确定传动尺寸（1）初算小齿轮分度圆直径1td，代入H中较小的值24312 1.4 5.04 105 1188.9 2.5151242td=（2）按 K 值对1td进行修正由圆周速度=/s查表取动载荷系数为vK查表取齿间载荷分布系数为K查表取齿向载荷分布系数为K查表取使用系数为AK所以载荷系数 K=AvKKKK按 K 值对1td进行修正1d=31ttkdk31.381.4=（4）确定模数 m 以及主要尺寸m=11/dZ=为了防止轮齿太小引起的意外折断，m 一般不小于-2mm，故 m=3mm。29.04 150060 100060 1000dnv中心距 a=m(12ZZ)/2=324 120/2=216mm分度圆直径1d=1mZ=72mm，2d=2mZ=360mm齿宽 b=1.dd=72mm，取小齿轮齿宽1b=80mm，大齿轮齿宽2b=75mm齿顶高1ah=2ah=ahm=3mm，齿根高1fh=2fh=.ahcm3、按齿根弯曲疲劳强度校核.tFFSFK FY Ybm确定各个参数数值（1）查表取弯曲疲劳寿命系数1NY，2NY（2）查表取齿形系数和应力校正系数1FY=，1SY2FY=，2SY（3）查表取弯曲疲劳极限lim1F=710MPa，lim2F=710MPa（4）取弯曲疲劳系数FS=可得1F=lim11(.)/FNFYS=MPa2F=lim22(.)/FNFYS=MPa（5）验算齿根弯曲疲劳强度1F=11/tFSK F YYbm=11112/FSK T YYbmd1F2F=12211/FFSFSYYYY2F弯曲疲劳强度足够26-30。大臂的设计大臂设计的总体要求漆机器人臂的主要作用是承受小臂的重量和固定铰链四杆机构的底部，因此喷涂机器人的大臂在整个机器人的稳定性中起着至关重要的作用。大臂的传动形式与由直流伺服电机驱动的小臂相同，以实现大臂的俯仰运动。大臂的整体结构为矩形立体结构。其目的是提高其机械性能，包括臂的刚度、强度和弯曲能力。铝合金具有低密度、高强度、良好的耐蚀性和机械性能接近或超过合金钢。因此，采用铝合金作为大臂的材料，可以减小大臂的重量，从而减少驱动元件的负载，并且可以进一步减小驱动元件的驱动载荷，以驱动腰部旋转。电机的选择1、大臂总体质量的计算大臂的结构可看为中空长方体，钻有小孔。所以实际体积要小一些，在这里计算体积时带入一折减系数，假设折减系数为。材料为铝合金。体积 V=hA1=3质量 mV310=2、大臂对i轴的转动惯量大臂绕其质心的转动惯量为1I=112 m(b2+a2)=kgm2平移到 i 轴上1I=1I+m21r=4.77+52=m23、小臂对i轴的转动惯量小臂对 i 轴的转动惯量2Ikgm24、大臂和小臂对i轴的转动惯量的总和I总=1I+2Ikgm25、总力矩的计算取大臂的转动角速度=/2 rad/s，转速为 n=15r/min取启动时间为 1 s由此转动角加速度为=/2 rad/s2惯性力矩 T1=I总=/2Nm静态力矩 T2：当大臂和小臂在一条直线时静态力矩最大，此时 T2=mgr=0.9)Nm摩擦力矩 T3：摩擦力矩近似等于倍的静态力矩综上所述总力矩 T总T2+T1Nm取电机的转速为n电机=1500 r/min，即角速度为电机=50rad/s则总的传动比为:i总=n电机/n=100故电机输出端的负载力矩为 T电机=T总/i总=m电机输出端的功率为 P=T电机电机506、选择电机的型号一般对驱动元件有以下几方面要求：（1）惯性小，功率大。驱动元件主要用于喷漆机器人的旋转运动，惯性矩小，功率大于功率。（2）体积小，重量轻。主要性能指标是功率密度，因为驱动元件安装在腰部转盘上，如果驱动元件太大，则腰部转盘太大，所以驱动元件的功率密度应该与可能。（3）位置控制精度高，响应速度快，速度范围宽，速度慢。（4）振动小，噪音小，安全可靠，运行平稳。（5）高效率和能耗应尽可能小。直流电机具有优良的调速特性，调速平稳，调速范围便捷，调速比可达1：200，过载能力强，直流电机轧制的短转矩可达到额定转矩的倍，特殊要求可达10。考虑到各种电机，辽宁本溪山城电机厂用于生产电磁直流伺服电机。型号为Z2-41，额定电压110/220V，功率3kw，转速1500r/min，重量88kg。电机需要调速，调速后转速为75r/min，减速比为20。齿轮的设计与校核计算1、选定材料、热处理方式、精度等级及齿数（1）由于电磁直流伺服电机调速，输出端速度低，低速级采用直齿圆柱齿轮传动。（2）选择小齿轮材料40Cr、调质、硬度241-86HBS。齿轮材料ZG35CRMO，调制加工，硬度190240HBS，精度等级8。（3）小齿轮齿数20，然后520100，齿轮齿数 Z2100。2、按齿面接触疲劳强度设计13121EHdHKTZZd.骣轾桫臌mm确定各个参数数值（1）T110611/P n=106(3/75)0.99=378180Nmm（2）初选载荷系数为tK（3）查表取齿宽系数为d=1（4）查表取弹性系数为 ZE=12aMP（5）查表取节点区域系数为HZ（6）根据齿轮的硬度查表取小齿轮的接触疲劳强度极限为lim1H=1150 MPa，大齿轮的接触疲劳强度极限为lim2H=1120MPa。（7）取工作寿命为 15 年，每年工作 250 天，2 班制小齿轮的应力循环次数 N1=60n1jLh=60751525016=2.781