摘要 錯(cuò)誤！未定義書簽。ABSTRACT 錯(cuò)誤！未定義書簽。第1章前言 錯(cuò)誤！未定義書簽。TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1.1機(jī)器人概述 1\o"CurrentDocument"1.2選題背景與意義 31.2.1選題背景 31.2.2選題的意義 3\o"CurrentDocument"1.3噴涂機(jī)械手簡(jiǎn)介 .4\o"CurrentDocument"1.4本文內(nèi)容安排 4\o"CurrentDocument"1.5本章小結(jié) 4\o"CurrentDocument"第2章 噴涂機(jī)器手的總體設(shè)計(jì) 5\o"CurrentDocument"2.1設(shè)計(jì)要求 5\o"CurrentDocument"2.2機(jī)械手方案設(shè)計(jì) 52.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5\o"CurrentDocument"2.2.2機(jī)械手動(dòng)力設(shè)計(jì) 6\o"CurrentDocument"2.3機(jī)械手整體移動(dòng)方案 7\o"CurrentDocument"2.4本章小結(jié) .7\o"CurrentDocument"第3章噴涂機(jī)械手的詳細(xì)結(jié)構(gòu) 8\o"CurrentDocument"3.1機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8\o"CurrentDocument"3.2機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 10\o"CurrentDocument"3.3絲杠螺母副及步進(jìn)電機(jī)處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12\o"CurrentDocument"3.4 本章小結(jié) 13\o"CurrentDocument"第4章 動(dòng)力進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14\o"CurrentDocument"4.1傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14\o"CurrentDocument"4.2滾珠絲杠的選擇 154.2.1滾珠絲杠精度 154.2.2滾珠絲杠選擇 15\o"CurrentDocument"4.3絲杠支撐的選擇 17\o"CurrentDocument"4.4電機(jī)的選擇 18\o"CurrentDocument"4.5本章小結(jié) 20\o"CurrentDocument"第5章關(guān)鍵部件的校核 21\o"CurrentDocument"5.1絲杠的校核驗(yàn)算 21\o"CurrentDocument"5.2大小臂靜力載荷計(jì)算 23\o"CurrentDocument"5.3 本章小結(jié) 23結(jié)論 錯(cuò)誤！未定義書簽。\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 25致謝 錯(cuò)誤！未定義書簽。1前言1.1機(jī)器人概述在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自動(dòng)化已基本得到解決。但在機(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機(jī)床是大批量生產(chǎn)自動(dòng)化的有效辦法；程控機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、加工中心等自動(dòng)化機(jī)械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動(dòng)化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，有待于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。機(jī)器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機(jī)械化奠定了良好的基礎(chǔ)?！肮I(yè)機(jī)器人”(IndustrialRobot)：多數(shù)是指程序可變(編)的獨(dú)立的自動(dòng)抓取、搬運(yùn)工件、操作工具的裝置(國(guó)內(nèi)稱作工業(yè)機(jī)器人或通用機(jī)器人)。機(jī)器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動(dòng)化裝置。機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢(shì)，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國(guó)常把具有上述特點(diǎn)的機(jī)器人稱為專用機(jī)器人，而把工業(yè)機(jī)械人稱為通用機(jī)器人。簡(jiǎn)而言之，機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個(gè)地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工。機(jī)器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)器人，也即本文所研究的對(duì)象。它是一種獨(dú)立的、不附屬于某一主機(jī)的裝置，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它是除具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)(Manipulator)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電訊號(hào)操作機(jī)器人來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機(jī)器人，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)器人在國(guó)外通常被稱之為“MechanicalHand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，其中關(guān)節(jié)型機(jī)器人以其結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對(duì)工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點(diǎn)，成為機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機(jī)器人的本體部分都采用這種機(jī)構(gòu)形式的機(jī)器人。要機(jī)器人像人一樣拿取東西，最簡(jiǎn)單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動(dòng)機(jī)構(gòu)——執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運(yùn)動(dòng)的

驅(qū)動(dòng)一傳動(dòng)系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動(dòng)作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機(jī)器人的性能。一般而言，機(jī)器人通常就是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)一傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖1-1所示。手部執(zhí)行機(jī)構(gòu)腕部臂部機(jī)器人腰部基座部（固定或移動(dòng)）驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)系統(tǒng)電、液或氣驅(qū)動(dòng)裝置單關(guān)節(jié)伺服控制器控制系統(tǒng)關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)及其它信息交換

計(jì)算機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)腕部臂部機(jī)器人腰部基座部（固定或移動(dòng)）驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)系統(tǒng)電、液或氣驅(qū)動(dòng)裝置單關(guān)節(jié)伺服控制器控制系統(tǒng)關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)及其它信息交換

計(jì)算機(jī)圖1-1機(jī)器人的一般組成對(duì)于現(xiàn)代智能機(jī)器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、視覺裝置和語(yǔ)言識(shí)別裝置等。目前研究主要集中在賦予機(jī)器人“眼睛”，使它能識(shí)別物體和躲避障礙物，以及機(jī)器人的觸覺裝置。機(jī)器人的這些組成部分并不是各自獨(dú)立的，或者說(shuō)并不是簡(jiǎn)單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個(gè)機(jī)器人的。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所期望實(shí)現(xiàn)的功能，機(jī)器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖1-2所示。位形檢測(cè)控制系統(tǒng)（一*工作對(duì)象智能系統(tǒng)位形檢測(cè)控制系統(tǒng)（一*工作對(duì)象智能系統(tǒng)圖1-2機(jī)器人各組成部分之間的關(guān)系機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)一傳動(dòng)系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動(dòng)一傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。驅(qū)動(dòng)一傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供機(jī)器人各關(guān)節(jié)所需要的動(dòng)力，傳動(dòng)系統(tǒng)則將驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換為滿足機(jī)器人各關(guān)節(jié)力矩和運(yùn)動(dòng)所要求的驅(qū)動(dòng)力或力矩。有的文獻(xiàn)則把機(jī)器人分為機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機(jī)械系統(tǒng)又叫操作機(jī)(Manipulator)，相當(dāng)于本文中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。1.2選題背景與意義1.2.1選題背景機(jī)器人技術(shù)是由多學(xué)科形成的高新技術(shù)，在現(xiàn)代的研究非?；钴S，應(yīng)用十分廣泛。它的研究和發(fā)展水平是一個(gè)公家工業(yè)化水平的重要標(biāo)志。噴涂機(jī)械手是可進(jìn)行自動(dòng)噴漆或噴涂其它涂料的工業(yè)機(jī)器人。中國(guó)研制出集中型號(hào)的噴漆機(jī)械手并投入使用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果。噴涂機(jī)械手主要由機(jī)械手本體和控制系統(tǒng)組成，多采用5或6自由度關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，手臂有較大運(yùn)動(dòng)空間，并可作復(fù)雜的軌跡運(yùn)動(dòng)，其腕部一般有2-3個(gè)自由度，可靈活運(yùn)動(dòng)。較先進(jìn)的噴涂機(jī)械手腕部采用柔性手腕，既可以像各個(gè)方向彎曲，又可以轉(zhuǎn)動(dòng)，其動(dòng)作類似于人的手腕。噴涂機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方式可以有液壓傳動(dòng)，氣動(dòng)和電動(dòng)等。液壓噴涂機(jī)械手的結(jié)構(gòu)多為6軸多關(guān)節(jié)式，工作空間大，手臂采用油缸驅(qū)動(dòng)，手部采用柔性手腕結(jié)構(gòu)。傳動(dòng)裝置重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，慣性小，傳遞運(yùn)動(dòng)均衡平穩(wěn)，負(fù)載變化時(shí)較穩(wěn)定。電動(dòng)噴涂機(jī)械手一般有6個(gè)軸，工作空間大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，慣性小，軌跡精度高。氣壓傳動(dòng)以空氣為介質(zhì)，來(lái)源方便，且用后可直接排入大氣而不污染環(huán)境。氣動(dòng)元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，對(duì)工作環(huán)境適應(yīng)性好，成本低，過載能自動(dòng)保護(hù)。噴涂機(jī)械手在國(guó)外是一項(xiàng)比較成熟的技術(shù)，已經(jīng)有四十多年的發(fā)展和歷史，很早運(yùn)用該技術(shù)的德國(guó)的hata公司，美國(guó)的fudge公司等。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷提高，噴涂機(jī)械手的噴涂精度也越來(lái)越高。著名的外國(guó)噴涂機(jī)器人生產(chǎn)廠家有瑞典的ABB公司，日本的安川和德國(guó)的KUKA公司，其中ABB公司是目前世界領(lǐng)先的全球噴涂機(jī)械手供應(yīng)商，在噴涂技術(shù)領(lǐng)域具有豐富的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，因此ABB噴涂機(jī)械手在全世界被廣泛應(yīng)用。1.2.2選題的意義在解國(guó)內(nèi)外機(jī)械手方面的發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，以典型機(jī)械手為模型，為方便清潔高層建筑的玻璃和墻壁，提高工作效率，節(jié)省大量勞動(dòng)力和財(cái)力，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，保證勞動(dòng)者人身安全，盡可能在有限時(shí)間內(nèi)對(duì)更大面積的墻壁和玻璃進(jìn)行有效清潔。另外，通過對(duì)當(dāng)前典型機(jī)械手的改進(jìn)和學(xué)習(xí)，可以促進(jìn)筆者對(duì)機(jī)械手設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，增加機(jī)械手設(shè)計(jì)方面的知識(shí)。1.3噴涂機(jī)械手簡(jiǎn)介傳統(tǒng)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)使用串聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，稱為串聯(lián)機(jī)器人.串聯(lián)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)便，工作空間大等優(yōu)點(diǎn)。串聯(lián)式機(jī)器人在機(jī)械加工行業(yè)特別是全動(dòng)轎車裝配生產(chǎn)線上大量采用，其技術(shù)已經(jīng)非常成熟。將其擴(kuò)展到高空噴涂作業(yè)，主要是根據(jù)噴涂作業(yè)的工作特點(diǎn)和工藝需求，對(duì)其終端的串聯(lián)式機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變，按照噴涂用噴頭，形成高空作業(yè)噴涂機(jī)器人。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手是一套不需要人工操作的通用機(jī)器人，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成高空中的噴涂作業(yè)。鑒于串聯(lián)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，決定選取串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)。由于設(shè)計(jì)者技術(shù)知識(shí)有限，對(duì)其控制方式采用開環(huán)式，沒有識(shí)別能力，所以其很大的缺點(diǎn)在于精度低。1.4本文內(nèi)容安排第1章“緒論”，主要介紹機(jī)器人的概念以及當(dāng)前設(shè)計(jì)涂料機(jī)器手的背景和意義。第2章“涂料機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)”，這章主要介紹機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方案。第3章“涂料機(jī)械手的詳細(xì)設(shè)計(jì)”，包括手臂和末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及絲杠的安裝設(shè)計(jì)。第4章“動(dòng)力進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，主要對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠進(jìn)給的開環(huán)控制方式。第5章“關(guān)鍵部件的校核”，這部分則是對(duì)機(jī)械手的一些關(guān)鍵部件進(jìn)行校核，包括絲杠和大小臂。1.5本章小結(jié)本章主要介紹了機(jī)器人的概況，以及進(jìn)行本課題設(shè)計(jì)的背景和意義，通過了解學(xué)習(xí)當(dāng)前先進(jìn)技術(shù)理論，在已有技術(shù)和方案的基礎(chǔ)上更好的完成對(duì)噴涂機(jī)器手的設(shè)計(jì)。本章還介紹了所設(shè)計(jì)機(jī)器手在現(xiàn)有串聯(lián)機(jī)器人的基礎(chǔ)上所做的改進(jìn)。2噴涂機(jī)器手的總體設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)潔的噴涂機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)對(duì)壁面的涂料噴吐。機(jī)械手在噴吐過程中噴槍應(yīng)能實(shí)現(xiàn)上下左右的移動(dòng)，以完成對(duì)整個(gè)壁面的噴涂。作業(yè)時(shí)，噴槍保持與壁面的適當(dāng)?shù)木嚯x，約200mm，噴嘴的噴射壓力約6MPa，噴速為6m/s。；在某一定點(diǎn)處，噴射的范圍盡量大，整個(gè)機(jī)械手的重量盡量輕。2.2機(jī)械手方案設(shè)計(jì)對(duì)于上述的設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)有的串聯(lián)機(jī)器人都能滿足，并且串聯(lián)機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)便，工作空間大等優(yōu)點(diǎn)，所以對(duì)于噴涂機(jī)械手的設(shè)計(jì)，本文決定以當(dāng)前典型的串聯(lián)機(jī)器人為模板進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)噴涂對(duì)象為高空中的玻璃，所以機(jī)器手只需要四個(gè)自由度既可以完成作業(yè)任務(wù)。在查閱了相關(guān)資料，經(jīng)過老師指導(dǎo)后，對(duì)于噴涂機(jī)器手的結(jié)構(gòu)，筆者起草了以下兩個(gè)方案。方案一：圖2.1方案一方案二圖2.2方案二方案一為倒掛式，大小臂的運(yùn)動(dòng)都是來(lái)復(fù)擺動(dòng)，通過控制大小臂的擺動(dòng)進(jìn)而控制噴頭（安裝在小臂頂端）的高度方向以及垂直于玻璃方向上的運(yùn)動(dòng)，通過控制噴頭的旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)垂直于玻璃方向的旋轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但是傳動(dòng)行程大。方案二采用的是腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以及導(dǎo)軌和滾珠絲杠做直線運(yùn)動(dòng)，這樣也可以實(shí)現(xiàn)噴涂作業(yè)的完成。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，擴(kuò)大工作空間較為方便，只是結(jié)構(gòu)主要分布在橫向，重心較高，平衡性不易控制。經(jīng)過綜合對(duì)比上述兩個(gè)備選方案，本文決定旋轉(zhuǎn)方案一作為設(shè)計(jì)方案。所控制的四個(gè)自由度為：大小臂三個(gè)節(jié)點(diǎn)上三個(gè)自由度，噴嘴的旋轉(zhuǎn)自由度。2.2.2機(jī)械手動(dòng)力設(shè)計(jì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選定以后就可以對(duì)其動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前所流行的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式是采用液壓或者氣壓驅(qū)動(dòng)，液氣壓驅(qū)動(dòng)的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，且市場(chǎng)上也有不同的液氣壓件出售，但是這種驅(qū)動(dòng)方式的位置控制不甚精確，所以在考慮設(shè)計(jì)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)時(shí)，本文決定電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)又分為閉環(huán)控制和開環(huán)控制，其中閉環(huán)控制定位精確，誤差較小，但是考慮到技術(shù)條件限制，本文采用的控制系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng)，所使用的電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)（本文中所涉及的步進(jìn)電機(jī)均選擇森創(chuàng)系列86BYG350AH-0201，

步距角為0.6/1.2°，相電流為2A,保持轉(zhuǎn)矩2.5N.m),傳動(dòng)方式為步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榇笮”鄣倪M(jìn)給運(yùn)動(dòng)。2.3機(jī)械手整體移動(dòng)方案機(jī)械手整體上升和下降的控制方式有：真空吸附爬墻式升降，通過升降臺(tái)控制機(jī)械手升降，通過爬繩機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)械手升降。由于真空吸附爬墻式升降移動(dòng)緩慢，由于本身結(jié)構(gòu)限制，吸附方式的負(fù)荷能力特別下，而且需要專用的真空設(shè)備，安全保障能力差，所以不在考慮范圍；對(duì)于升降臺(tái)控制機(jī)械手，由于是高空清洗，升降臺(tái)式也不方便。所以通過比對(duì)，采用爬繩機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)比較合適，爬繩機(jī)構(gòu)采用兩側(cè)對(duì)稱式布置。機(jī)械手固定在移動(dòng)小車上，通過爬繩機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)整機(jī)械手的噴涂高度。移動(dòng)小車水平移動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)械手的水平噴涂位置。其結(jié)構(gòu)如圖2.3所示：1清洗墻面1清洗墻面圖2.3機(jī)械手及爬升機(jī)構(gòu)2.4本章小結(jié)本章主要介紹了噴涂機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)，分別機(jī)械手結(jié)構(gòu)、動(dòng)力方案、機(jī)械手整體移動(dòng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于機(jī)械手結(jié)構(gòu)，本文采用的是大小臂串聯(lián)來(lái)回往復(fù)擺動(dòng)的結(jié)構(gòu)，這個(gè)方案結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；而動(dòng)力方案采用的是步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)進(jìn)而產(chǎn)生大小臂的擺動(dòng)進(jìn)給的開環(huán)控制；考慮到經(jīng)濟(jì)型和可行性，機(jī)械手整體移動(dòng)方案采用的是爬繩機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)具有可靠、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，但是定位不精確，不過這對(duì)于實(shí)際的作業(yè)影響不大。3 機(jī)械手的詳細(xì)結(jié)構(gòu)3.1機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作空間的形狀和大小與機(jī)械手手臂的長(zhǎng)度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有很大的關(guān)系，因此手臂尺寸設(shè)計(jì)要合理。為了提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度和控制精度，應(yīng)保證手臂有足夠的強(qiáng)度和剛度，盡可能減少手臂重量。本文中初定大臂型號(hào)丈3?！縎，兩根各:沁;小臂型號(hào)工：3。】S，

兩根各0.8m。大小臂布局圖如圖3.1,操作大小臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)都設(shè)計(jì)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。圖3.1結(jié)構(gòu)圖在如圖3.1所示的2處的絲杠與電機(jī)相連，3處的絲杠與絲杠螺母副相配合，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾珠絲杠通過套筒式離合器與電機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)由于絲杠螺母副固定在底座上，所以絲杠就會(huì)帶動(dòng)電機(jī)以及大臂相對(duì)于底座進(jìn)給，即完成大臂繞節(jié)點(diǎn)1的旋轉(zhuǎn)。同樣，在5處的絲杠與電機(jī)通過套筒式離合器相連，而4處的絲杠與絲杠螺母副相配合，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲杠一起轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而絲杠將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻z杠方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，使小臂繞節(jié)點(diǎn)2旋轉(zhuǎn)。這樣2處和5處的電機(jī)就提供了完成噴頭的上下運(yùn)動(dòng)，以及垂直于玻璃方向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。作業(yè)時(shí)，噴槍保持與壁面的適當(dāng)?shù)木嚯x，約200mm。其cad圖如下：圖3.2手臂CAD圖3.2機(jī)械手末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)機(jī)器人末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)器人手腕上用于進(jìn)行某種操作或作業(yè)的附加裝置。機(jī)器人末端執(zhí)行器的種類有很多，以適應(yīng)機(jī)器人的不同作業(yè)及操作要求。在設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：1） 機(jī)器人末端執(zhí)行器是根據(jù)機(jī)器人作業(yè)要求來(lái)設(shè)計(jì)的。一個(gè)新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)就可以增加一種機(jī)器人新的應(yīng)用場(chǎng)所。因此，根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機(jī)器人末端執(zhí)行器將不斷的擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。2） 機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和不應(yīng)超過機(jī)器人允許的負(fù)荷力。因此，要求機(jī)器人的末端執(zhí)行器重量輕結(jié)構(gòu)緊湊。3） 機(jī)器人末端執(zhí)行器的萬(wàn)能性與專用性是矛盾的。萬(wàn)能的末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，甚至很難實(shí)現(xiàn)，例如，仿人手的萬(wàn)能機(jī)器人靈巧手，至今尚未實(shí)用化。目前，能用于生產(chǎn)的還是那些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、萬(wàn)能性不強(qiáng)的機(jī)器人末端執(zhí)行器。4） 通用性和萬(wàn)能性是兩個(gè)概念，萬(wàn)能性是指一機(jī)多能的概念，而通用性是指功能有限的末端執(zhí)行器，可適用于不同的機(jī)器人，這就要求末端執(zhí)行

器要有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實(shí)行標(biāo)準(zhǔn)化和積木化。本設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行模塊（末端執(zhí)行器）是對(duì)高空玻璃直接進(jìn)行噴涂或洗刷，主要由水（藥）箱、噴頭組成，考慮到末端執(zhí)行模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單質(zhì)量小的原則，設(shè)計(jì)方案中將水（藥）箱脫離末端執(zhí)行模塊，而只是通過使用軟管將水（藥）送到噴頭。另外，為了使噴頭噴施更加均勻，設(shè)計(jì)中將噴頭安裝在電機(jī)上，使噴頭在電機(jī)的帶動(dòng)下左右擺動(dòng)，同時(shí)這樣也可以擴(kuò)大噴施的范圍。所以機(jī)械手的末端執(zhí)圖3.3圖3.3末端執(zhí)行模塊行模塊如圖3.3所示。另外，噴頭的技術(shù)參數(shù)如下：直徑：5mm壓力：7Mpa（70kg/cm2）噴速：8m/s流量：9.4L/Min靜壓力：F=138N（如圖3.4）圖3.4噴頭受力圖3.3絲杠螺母副及步進(jìn)電機(jī)處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由上文敘述可以知道，絲杠將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為沿絲杠方向的進(jìn)給是整個(gè)運(yùn)動(dòng)中最為重要的部分，而這部分的運(yùn)動(dòng)離不開絲杠螺母副及步進(jìn)電機(jī)處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。首先都有絲杠繞吊耳的擺動(dòng)，其次又有絲杠沿其方向上的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)以及隨電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。所以在在步進(jìn)電機(jī)處，首先有絲杠隨同電機(jī)繞吊耳的擺動(dòng)，同時(shí)又要限制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及沿絲杠方向的移動(dòng)；而在絲杠螺母副處，也有絲杠繞吊耳的擺動(dòng)，同時(shí)不能限制絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，卻要限制絲杠沿絲杠方向的進(jìn)給一這樣的結(jié)果是隨著絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠螺母副隨之沿絲杠方向進(jìn)給。步進(jìn)電機(jī)及絲杠螺母副處的機(jī)構(gòu)如圖3.5所示：觥芾耳'■--IL.J '--Tl-J圖3.5吊耳處結(jié)構(gòu)圖在圖3.5中，一個(gè)兩側(cè)焊接有對(duì)稱轉(zhuǎn)軸的專用套筒與絲杠螺紋副配合，使用螺釘擰緊，使之與絲杠螺紋副一起運(yùn)動(dòng)；同時(shí)兩側(cè)對(duì)稱的轉(zhuǎn)軸通過一對(duì)深溝球軸承插入兩側(cè)的吊耳中。這樣，這個(gè)結(jié)構(gòu)就可以完成絲杠繞吊耳的擺動(dòng)，以及吊耳隨絲桿螺紋副的絲杠方向進(jìn)給。3.4本章小結(jié)本章主要對(duì)機(jī)械手的詳細(xì)和典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和論述，分別對(duì)手臂的布局及結(jié)構(gòu)、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、以及吊耳處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行論述，使這些重要的結(jié)構(gòu)能夠支持機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。首先，手臂采用的是串聯(lián)式連接，手臂的進(jìn)給動(dòng)力是通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)；其次，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是指完成噴施作業(yè)的噴涂設(shè)備，要求設(shè)計(jì)這些設(shè)備時(shí)要依據(jù)重量輕等原則；最后是對(duì)絲杠螺母副和步進(jìn)電機(jī)處（即吊耳處）的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了單獨(dú)設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@些節(jié)點(diǎn)是絲杠旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為絲杠方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。4動(dòng)力進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)本課題中的設(shè)計(jì)要求和實(shí)際定位精度需求，可以設(shè)定傳動(dòng)系統(tǒng)為開環(huán)式系統(tǒng)。根據(jù)相關(guān)資料，可以選擇步進(jìn)電機(jī)的步距角系列為0.6/1.2°，步進(jìn)電機(jī)通過離合器與絲杠直接相連，即傳動(dòng)比i=1。則步進(jìn)電機(jī)獲得一個(gè)脈沖所帶動(dòng)的絲杠pa方向進(jìn)給量為進(jìn)給量為商（采集跨度有限制，P為絲杠導(dǎo)程，a為步進(jìn)角。，這里a=0.6°)脈沖當(dāng)量步距角X脈沖當(dāng)量步距角X螺距360x傳動(dòng)速比即脈沖當(dāng)量=尋二壬則脈沖當(dāng)量=P/500，即步進(jìn)電機(jī)獲得一個(gè)脈沖，大小臂在吊耳處就有沿絲杠方向上的P/600mm的進(jìn)給量。4.2滾珠絲杠的選擇4.2.1滾珠絲杠精度鑒于系統(tǒng)沒有要求定位精度，所以對(duì)于滾珠絲杠的精度選擇一般等級(jí)即可，查滾珠絲杠樣本選擇三級(jí)精度絲杠，任意300mm導(dǎo)程允差為0.1mm。4.2.2滾珠絲杠選擇滾珠絲杠的名義直徑、滾珠的列數(shù)和工作圈數(shù)應(yīng)按照當(dāng)量動(dòng)載荷Cm進(jìn)行選擇，具體選擇步驟如下所示：（1）計(jì)算絲杠副的等效載荷鑒于本設(shè)計(jì)中有兩個(gè)絲杠副，在此以小臂上絲杠副為樣板計(jì)算，下同。首先絲杠副上的載荷大多是來(lái)自于進(jìn)給力，摩擦力和噴頭所受反向力，而進(jìn)給力又受設(shè)備的重量影響而不同。下面是設(shè)計(jì)中一些設(shè)備的重量估算：電機(jī)：8Kg噴頭等噴施設(shè)備：5Kg輪子：0.3Kg小臂等結(jié)構(gòu)：2Kg另外噴嘴處受到水壓反向力為138N?？偟氖芰θ鐖D4.1：圖4.1小臂受力圖圖中，：二二3二=5,（重力加速度g=10】二/S：,下同）根據(jù)力矩平衡原理得：F3Xa=G2Xb-|-G1Xc求得F3=182N。查閱樣本資料得到導(dǎo)軌表面貼聚四氟乙烯軟帶時(shí)的摩擦系數(shù)為0.04,所以絲杠所受到的摩擦力為：f=0.04X182Xcos30=6.3N進(jìn)給力為：Fn=182Xsin30=91N由上可知，摩擦力很小，可以忽略不計(jì)，所以絲桿副上的等效載荷F為：F=Fn=91N（2） 計(jì)算絲杠副的等效轉(zhuǎn)速絲杠的進(jìn)給速度設(shè)定在0.5m/s-3m/s范圍內(nèi)，根據(jù)絲杠轉(zhuǎn)速與進(jìn)給的關(guān)系公式：H=Pot其中P為導(dǎo)程，大概為6-20mm所以轉(zhuǎn)速￡取值范圍為1000r/min~2000r/min，則平均轉(zhuǎn)速為n=:二二?！骸?Sdiiin，即為等效轉(zhuǎn)速。（3） 計(jì)算絲杠副的預(yù)期當(dāng)量動(dòng)載荷絲杠使用壽命取12000h，查《機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》［3］（以下簡(jiǎn)稱《手冊(cè)》）表16-40?表16-41取載荷性質(zhì)系數(shù)fw=1.0、精度系數(shù)fa=1.0、可靠性系數(shù)fc=0.53（可靠性為96%）。計(jì)算絲杠的當(dāng)量動(dòng)載荷（由于等效轉(zhuǎn)速n=1000r/min>10r/min）（4）確定滾珠絲杠副尺寸規(guī)格查滾珠絲杠樣本(THK直線運(yùn)動(dòng)系列)，選擇BSA5012—10型標(biāo)準(zhǔn)滾珠絲杠螺桿和BSA5012—10型端法蘭單螺帽。名義直徑32mm，導(dǎo)程6mm，螺母有2列滾珠。額定動(dòng)載荷Ca=14500N，CmVCa,符合設(shè)計(jì)要求。軸向剛度為Kc=550N/〃m,預(yù)緊力Fp=600N。本系統(tǒng)中Fmax=91N，遠(yuǎn)小于3Fp,故不必對(duì)預(yù)緊力提出額外的要求。4.3絲杠支撐的選擇本傳動(dòng)系統(tǒng)的絲杠采用兩端均為固定支承的結(jié)構(gòu)形式。查閱NSK軸承生產(chǎn)公司的軸承樣本，固定端一對(duì)60°接觸的30TAC62BDEFC10PN7A角接觸球軸承背對(duì)背或面對(duì)面組配。系統(tǒng)中角接觸球軸承的基本參數(shù)如下：預(yù)定使用壽命為L(zhǎng)h'=15000h，軸轉(zhuǎn)速為n=3000r/min，軸向力Fa=76N，徑向力Fr=3000N，查閱樣本得7603030TVP角接觸球軸承Cr=54800N，C0r=538000N，e=1.2，靜載荷安全系數(shù)S0=1.2。計(jì)算軸承組的基本額定動(dòng)載荷和基本額定靜載荷:七=；二圣-二:二=】二￡蕓二=88*66N二上二=:二上=:'、￡%二二=-N壽命計(jì)算由于三=二=。WEW巳，查閱手冊(cè)取雙列軸承X=1，Y=0，則當(dāng)量動(dòng)載荷為：P=fd(XFr-FYFa=1.2x(1x3000+0x76)=3600N軸承組壽命_=二菱=W:W；：=19600>15000h故30TAC62BDEFC10PN7A角接觸球軸承滿足系統(tǒng)的軸承壽命要求。靜載荷計(jì)算0.44cota查閱手冊(cè)得X0=0.5,”0一W0.22cota一爵，則當(dāng)量靜載荷為：則C0廣oPr=1.2乂1200=1440N，則軸承組Co,〉Co「，滿足系統(tǒng)的軸承靜載荷r r r要求。4.4電機(jī)的選擇（1）小車電機(jī)的選擇小車電機(jī)的作用是控制小車的橫向移動(dòng)，此過程主要克服的是車輪與導(dǎo)軌的摩擦力，如圖4.2：小車的行走速度為0.3m/s鋼絲輪的直徑：d=80mm導(dǎo)軌承受重量：G=62x10=620N電機(jī)轉(zhuǎn)速為;n小車輪與導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為：f=0.1P=Gxfxv圖4.2小車電機(jī)=620x0.1x0.3=18.6w取P=20w由v=（兀dn）/60得：n=60v/兀d=(60x0.3)/(3.14x0.08)=70.62r/min根據(jù)以上數(shù)據(jù)，我們選擇的小車的電機(jī)的型號(hào)為：110BF003其轉(zhuǎn)矩T=7.84Nm,重量G2=8.5Kg大臂電機(jī)的選擇大臂電機(jī)的作用是帶動(dòng)大臂繞節(jié)點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，所以此過程中電機(jī)需要克服大臂及小臂等結(jié)構(gòu)的自重，以及運(yùn)動(dòng)過程中的摩擦力做功，如圖4.3。根據(jù)功守恒得：F-p=2兀T門其中門為電機(jī)效率，取值為0.9；F=934N，為絲杠所受到的力?？梢杂?jì)算出：T=F-p/2兀門=(934x6)-(2x3.14x0.9)=891N-mm=0.891N-m圖4.3大臂電機(jī)選擇大臂電機(jī)的型號(hào)為90BF001,其相關(guān)參數(shù)為：T=3.92n-m,G3=4.5Kg(4) 小臂電機(jī)的選擇小臂電機(jī)的作用同大臂電機(jī)相同，主要是克服小臂自重以及摩擦力做功，如圖4.4所示。圖4.4小臂電機(jī)根據(jù)力矩平衡以及功守恒原理，得出:Fx100=120x700-69x400++23x250+25x420得到F=395N根據(jù)公式：F?p=2兀門得：T=F?p/2兀門=(395x6)-(2x3.14x0.9)=372n?mm=0.372n?m根據(jù)以上數(shù)據(jù)，我們可以選擇電機(jī)型號(hào)為75BC380。其規(guī)格參數(shù)為：T=1.18n?m,G4=1.3Kg。4.5本章小結(jié)本章主要是對(duì)噴涂機(jī)械手的動(dòng)力進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括傳動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，傳動(dòng)關(guān)鍵部件一滾珠絲杠的選擇以及相應(yīng)的絲杠支撐的選擇；另外，在本章，還介紹了此機(jī)械手中所使用的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)。5關(guān)鍵部件的校核5.1絲杠的校核驗(yàn)算（1）校核絲杠穩(wěn)定性絲杠不失穩(wěn)的條件是F=ff105d4/L>F （式51）cqz2C1 max 1八5-1^式中：Fc——絲杠不失穩(wěn)的臨界壓縮載荷（N）；fq——安全系數(shù)，水平安裝時(shí)為0.33，垂直安裝時(shí)為0.5；Fz——支承系數(shù)；Lc1 安裝距離（挫曲壓力計(jì)算長(zhǎng)度）（mm）；Fmax——絲杠承受的最大軸向力（N）；d2 絲杠螺紋底徑，d2=d0-1.01172db，d0為絲杠螺紋公稱直徑，db為絲杠副滾珠直徑。查閱樣本得到d0=32mm，db=3.969mm，F(xiàn)z=2，Lc1=160+500=660mm，帶入式(5-1)

F=0.33x2x105x(32-1.01172x3.969)4/6602=92923(N)>f，故絲杠滿足不失穩(wěn)條件。校核絲杠副的臨界轉(zhuǎn)速絲杠副的最大轉(zhuǎn)速nmax大于100,為避免絲杠副發(fā)生共振需進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速校核，需滿足一下條件：式中：Ncr 絲杠副的臨界轉(zhuǎn)速(r/min);入——與安裝方法有關(guān)的系數(shù)，取3.927；E 楊氏模量(2.1X105N/mm2)；LC2 絲杠副臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算長(zhǎng)度(mm),LC2=(70+500)=570；I(mm4)=—d4I——螺桿的最小截面慣性矩 642,d2為螺桿底徑(mm)；g 重力加速度，取10m/s2;Y 比重(7.85X10-5N/mm3)；A(mm2)=—d2A——螺桿的截面面積 42；nmax 絲杠和螺母的最大轉(zhuǎn)速。查閱樣本得到fn=3.927，則在(式5-2)中代入數(shù)據(jù)得故滿足臨界轉(zhuǎn)速要求。校核絲杠軸強(qiáng)度絲杠的強(qiáng)度條件是:4"0(式5-3)ma氣IO_l兀(式5-3)2式中：Fmax 最大軸向載荷(N)；［。］——絲杠軸材料許用應(yīng)力(MPa)；d2 絲杠螺紋底徑(mm)。帶入數(shù)據(jù)到(式5-3)中，得4Fmax兀4Fmax兀d224x120兀x(32-1.011723.9692=0.195MPa)<lo]，故滿足絲杠軸的材料強(qiáng)度要求。5.2大小臂靜力載荷計(jì)算(1)大臂載荷校核彎矩：M=120x1270-69x170兩側(cè)分別受力：51=45.2/2=22.6N/mm2經(jīng)驗(yàn)證知，強(qiáng)度足夠。撓度計(jì)算：fA=pl3/3EI其中I=(BH3-bh3)/12=157750mm3貝U：fA=pl3/3EI=(535x0.83)/(3x202x109x15.775x10-8)=3.1mm又因?yàn)槭莾蓚?cè)受力，所以其實(shí)際的撓度為fa1=3.1/2=1.55mm,經(jīng)驗(yàn)證知符合要求。(2)小臂載荷校核彎矩：M=120x530+25x300+23x100=77320N?mmW=1547mm35=M=4=48.7N/mm2W1547因?yàn)槭莾蓚?cè)受力，所以每側(cè)的受力為：51=24.35n/mm2經(jīng)過驗(yàn)證可知，強(qiáng)度足夠。pl3 125x0.83人頃=拓=3x202x109x2.3213x10-8=^。mm因?yàn)槭莾蓚?cè)受力，所以每側(cè)的撓度為：fb，=2.10mm經(jīng)過驗(yàn)證知，大小臂都符合要求。5.3本章小結(jié)本章是對(duì)前面章節(jié)所使用的絲杠和大小臂進(jìn)行校核。對(duì)絲杠的校核主要有三個(gè)方面：一是校核絲杠的穩(wěn)定性，二是校核絲杠副的臨界轉(zhuǎn)速，三是校核絲杠軸的強(qiáng)度；校核結(jié)果顯示，高空噴涂機(jī)器手所使用的絲杠穩(wěn)定性、臨界轉(zhuǎn)速和強(qiáng)度都滿足條件。而對(duì)于大小臂的校核主要分為兩個(gè)部分：一部分是分析大小臂的受力，根據(jù)受力情況判定大小臂鋼材的強(qiáng)度是否足夠；另一部分是大小臂的撓度計(jì)算，求解出撓度最大點(diǎn)以判別撓度是否在允許范圍內(nèi)。校核結(jié)果表明大小臂的強(qiáng)度和撓度都符合工作條件。1、涂料機(jī)械手的設(shè)計(jì)作為機(jī)械手的一種，其在設(shè)計(jì)中大多秉承了機(jī)械手的設(shè)計(jì)原則。盡管如此，由于這是筆者第一次設(shè)計(jì)機(jī)械手，難免會(huì)出現(xiàn)一些不合理的地方，機(jī)械手的可行性也沒有得到驗(yàn)證；不過這次的機(jī)械手設(shè)計(jì)還是讓筆者學(xué)到了很多東西，感觸甚深。另外，機(jī)械手的設(shè)計(jì)是一個(gè)前途光明、意義非凡的學(xué)科，當(dāng)然這也需要多門學(xué)科知識(shí)的匯集。相信在不久的將來(lái)，機(jī)械手的工作更加自動(dòng)化和智能化，應(yīng)用更加普遍化，以及精度更高。參考文獻(xiàn)［1］ 龔振邦，陳振華，錢晉武.機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，1995［2］ 熊有倫噴涂機(jī)械手技術(shù)基礎(chǔ).武漢：華中科技大學(xué)出版社，1996［3］ 李明利，楊利華.磁性輪式球罐焊接機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析［J］.機(jī)械，2001，2