某玩具噴漆機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u26501某玩具噴漆機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案案例概述 1130651.1噴漆機(jī)器人機(jī)械手部分設(shè)計(jì) 1298271.1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型的選擇 11761.1.2額定負(fù)載 3295051.1.3工作范圍 392711.1.4操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3137571.1.5控制系統(tǒng)選擇 427601.1.6確定機(jī)器人手臂的配置形式 4323111.2機(jī)器人臂材料選擇 5141361.3噴漆機(jī)器人工作空間的計(jì)算 51.1噴漆機(jī)器人機(jī)械手部分設(shè)計(jì)1.1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型的選擇如何實(shí)現(xiàn)5個(gè)空間自由度，取決于該主題的運(yùn)動(dòng)可能會(huì)有所不同，可以從以下5個(gè)方案選取進(jìn)行設(shè)計(jì)：a.圓柱坐標(biāo)型。通常情況下來(lái)講，該類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)主要由以下三個(gè)方面的機(jī)構(gòu)組成，即一個(gè)旋轉(zhuǎn)、兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的自由度。工作空間也比較有限，范圍只限于圓柱形范圍內(nèi)的工作，相較于直角坐標(biāo)系，這種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)體積小，但移動(dòng)范圍大。b.直角坐標(biāo)型。通常這種類(lèi)型的機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)制由三個(gè)正交線性運(yùn)動(dòng)構(gòu)成。工作空間有限，運(yùn)動(dòng)范圍僅限于一個(gè)長(zhǎng)方體空間內(nèi)的空間。但這種類(lèi)型的優(yōu)勢(shì)在于，各個(gè)軸行進(jìn)的距離能夠根據(jù)各個(gè)坐標(biāo)直接讀取，而且非常容易編程，但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈活性不夠，且一般運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主體會(huì)占用較大的空間。c.球坐標(biāo)型。該類(lèi)型機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要由一個(gè)線性和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成。運(yùn)動(dòng)范圍僅限于球形體積范圍內(nèi)。在低位抓取東西時(shí)較為靈活，且工作范圍相對(duì)大，但是這種類(lèi)型的往往有著非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。d.回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型。這種類(lèi)型的機(jī)械運(yùn)行系統(tǒng)手臂與人類(lèi)的手臂結(jié)構(gòu)基本相同，都有三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其中手臂和前肘關(guān)節(jié)與人類(lèi)的相似，都較為靈活，且能夠進(jìn)行較大幅度的擺動(dòng)或者較小幅度的擺動(dòng)等等。它的特點(diǎn)是提供一系列的強(qiáng)大功能，物體的放置也極其方便。e.通過(guò)來(lái)個(gè)樞軸接頭和一個(gè)可動(dòng)街頭在同一平面內(nèi)，兩個(gè)樞軸接頭控制前后運(yùn)動(dòng)，可動(dòng)接頭實(shí)現(xiàn)垂直運(yùn)動(dòng)。橫截面的高度是活動(dòng)關(guān)節(jié)的可動(dòng)范圍，脊柱的橫截面形狀和大小取決于兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的可旋轉(zhuǎn)角度。出色的水平柔韌性和垂直剛度。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活，主要用于裝配工作，小零件的裝配中起到極為重要的作用。上述的幾種方法進(jìn)行分析：方案a實(shí)現(xiàn)該主題所需的措施無(wú)法達(dá)到；方案b笨重且不靈活；系統(tǒng)c具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)；方案e無(wú)法在該主題上采取行動(dòng)。我們決定采用機(jī)器人d方案，并對(duì)此主題進(jìn)行全面考慮。利用少量機(jī)體所占空間實(shí)現(xiàn)最大工作空間，并能夠達(dá)到靈活性好以及操作精度高的。1.1.2額定負(fù)載國(guó)內(nèi)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的機(jī)器人一般都是體積較大，負(fù)載較大的機(jī)器人設(shè)備，負(fù)載在5N~9000N之間。通常來(lái)講，機(jī)器人機(jī)械手臂在運(yùn)動(dòng)方向的扭矩和力與負(fù)載大小有著直接關(guān)聯(lián)。而扭矩大小則會(huì)影響機(jī)械手臂執(zhí)行的重量以及抓緊工件的重量和速度。本設(shè)計(jì)機(jī)器人手腕要至少能夠承受5千克的重量。1.1.3工作范圍機(jī)器人操作空間范圍以及運(yùn)動(dòng)軌跡決定了其工作范圍和空間。而工作空間形狀則決定了其機(jī)械結(jié)構(gòu)坐標(biāo)類(lèi)型，關(guān)節(jié)部分大小，可旋轉(zhuǎn)角度以及關(guān)節(jié)之間的間距等。1.1.4操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般由兩部分組成，分別是驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。配套使用制動(dòng)器，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)手臂實(shí)現(xiàn)某功能，完成相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。通常驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有如下幾種類(lèi)型：a.步進(jìn)電機(jī)：控制性能良好，可使用數(shù)字對(duì)其進(jìn)行直接操作，運(yùn)作成本較低，一般控制位置及速度無(wú)需得到反饋。但這種情況會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)控制行動(dòng)精確性，如有大沖擊和高負(fù)載，可能會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重偏差。b.直流伺服電動(dòng)機(jī)：這種類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)裝置具有功率達(dá)，響應(yīng)迅速以及啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等等優(yōu)勢(shì)，而且成本低廉，易于維護(hù)c.交流伺服電動(dòng)機(jī)：這類(lèi)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)易且使用方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，相對(duì)價(jià)格較為昂貴。交流伺服電動(dòng)機(jī)借助16位CPU+32位DSP3個(gè)循環(huán)大大提高了增量碼盤(pán)反饋精度，以及啟動(dòng)功率和響應(yīng)速度。d.液壓伺服電動(dòng)機(jī)：與前幾種類(lèi)型的相比較來(lái)講，液壓伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，且位置定位相對(duì)精準(zhǔn)，負(fù)載能力較大，所以在面對(duì)一些較大重量的負(fù)載時(shí)，這種類(lèi)型的電動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)打滑等等問(wèn)題。此系統(tǒng)存在漏油現(xiàn)象，且價(jià)格昂貴，在非必要情況下不使用此類(lèi)。常用的驅(qū)動(dòng)器包括電動(dòng)機(jī)以及液壓和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器。主流的驅(qū)動(dòng)方式還是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，以其出色的精度，良好的可靠性，并能在一定寬度要求時(shí)能適用于機(jī)器人。選擇步進(jìn)電機(jī)是最為適合此次設(shè)計(jì)的。1.1.5控制系統(tǒng)選擇在工業(yè)領(lǐng)域，有些生產(chǎn)工藝由于對(duì)精度要求不高，所以示教再生編程是普遍應(yīng)用的方法，教學(xué)方法很容易學(xué)習(xí)。無(wú)論是直接訓(xùn)練還是訓(xùn)練盒訓(xùn)練，訓(xùn)練程序都使用在線編程將手臂的位置和末端執(zhí)行器的位置數(shù)據(jù)記錄起來(lái)，應(yīng)用于示教之后，機(jī)器人對(duì)于點(diǎn)位，軌跡和運(yùn)動(dòng)方式是可以重復(fù)儲(chǔ)存的，播放時(shí)速度是根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置與示教時(shí)有所不同。教學(xué)手柄用于指示執(zhí)行裝置學(xué)習(xí)其在工作中所需要進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后位置傳感器會(huì)將運(yùn)行過(guò)程中各個(gè)關(guān)節(jié)的坐標(biāo)值記錄到系統(tǒng)中。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)教學(xué)也能完成點(diǎn)控制，方式卻不同，通過(guò)把端位記憶下來(lái)，得到它的運(yùn)動(dòng)軌跡需要得到一定的參數(shù)。1.1.6確定機(jī)器人手臂的配置形式手臂的布局通過(guò)組成手臂的方式體現(xiàn)。噴漆機(jī)器人主要實(shí)現(xiàn)噴射功能，選擇了后置配置，因?yàn)闄C(jī)器人的工作范圍必須很寬。它具有占地面積小，工作范圍廣以及可圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)的特性。根據(jù)分析,可將機(jī)器人的參數(shù)列在表2-1中：表2-1機(jī)器人的主要參數(shù)自由度5驅(qū)動(dòng)方式步進(jìn)電機(jī)負(fù)載重量2kg運(yùn)動(dòng)范圍機(jī)身：±130o大臂：前俯30o,后仰10o小臂俯仰±30o腕轉(zhuǎn)±120o腕擺±120o工作空間2500╳2200╳1100mQUOTE噴槍最大工作速度≥0.8m/s控制方式軌跡控制定位精度±3~±5mm示教方式CP示教1.2機(jī)器人臂材料選擇在確定機(jī)械臂的材料時(shí)，應(yīng)首先考慮其工作場(chǎng)合、工作負(fù)載狀況以及機(jī)器人手臂應(yīng)完成的動(dòng)作，經(jīng)過(guò)綜合考慮后在選擇相應(yīng)的制造材料。由于手臂是運(yùn)動(dòng)部件，所以材料不可過(guò)重，因?yàn)檫^(guò)重會(huì)增加動(dòng)力系統(tǒng)的壓力，因此要選擇輕質(zhì)材料。但在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)器人手臂又會(huì)振動(dòng)，假如材料過(guò)于輕，那么運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性則會(huì)大打折扣，因此要確保其擁有良好的性能。首先，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)性材料，因?yàn)闄C(jī)械臂需要承受較大的負(fù)載而且使用頻繁，所以不能在工作的過(guò)程中產(chǎn)生斷裂變形等問(wèn)題，因此其強(qiáng)度必須足夠，盡可能選擇一些鋼、合金等等高強(qiáng)度材料。另外，由于需要抓取工件，對(duì)機(jī)器人手臂有一定的靈活性要求，所以手臂不可太過(guò)過(guò)重。因?yàn)闄C(jī)器人手臂應(yīng)該移動(dòng)并受到良好控制。通常，選擇低密度并且強(qiáng)度足夠的材料。不應(yīng)該造成機(jī)器人體積重量過(guò)大，所以在設(shè)計(jì)和制造主體部位的時(shí)候往往會(huì)選擇鑄鋁材質(zhì)。1.3噴漆機(jī)器人工作空間的計(jì)算從實(shí)際生產(chǎn)工藝要求來(lái)講，噴漆機(jī)器人的工作軌跡較為復(fù)雜。所以需要參考大量文獻(xiàn)。在2500×2200×1100mm3的工作空間內(nèi)，不同方向的極端位置：長(zhǎng)度，寬度和高度，然后對(duì)噴槍的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬，具體見(jiàn)下圖。大臂和小臂的長(zhǎng)度的近似值可以通過(guò)聯(lián)立方程（1.1）獲得。圖1.1噴射范圍模擬圖在式中，QUOTE為大臂的實(shí)際長(zhǎng)度，QUOTE為小臂的實(shí)際長(zhǎng)度。通過(guò)方程進(jìn)行結(jié)果計(jì)算：QUOTE

QUOTE（1.1）圓整后的結(jié)果為大臂長(zhǎng)度QUOTEl1l1=900mm，小臂長(zhǎng)度QUOTE=800mm。1.4機(jī)械手其他裝置系統(tǒng)電路位置驅(qū)動(dòng)控制部分的主要組成部分:電路位置比較器,速度比較器,信號(hào)和位置功率速度放大器,驅(qū)動(dòng)檢測(cè)電動(dòng)機(jī),減速器以及其它構(gòu)成伺服閉環(huán)驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)的幾個(gè)不可能或缺少的電路位置和功率速度驅(qū)動(dòng)檢測(cè)控制元件,玩具包裝噴漆驅(qū)動(dòng)機(jī)器人常用的電路驅(qū)動(dòng)部分電動(dòng)機(jī)主要有直流驅(qū)動(dòng)伺服閉環(huán)電動(dòng)機(jī),交流閉環(huán)伺服步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和直流步進(jìn)伺服電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)伺服變壓電動(dòng)機(jī)的工作控制電路比較簡(jiǎn)單,價(jià)格低廉,但是由于電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部電動(dòng)火刷可能有一些磨損,需要及時(shí)進(jìn)行調(diào)整和重新更換,既麻煩又容易影響工作性能,電動(dòng)火刷還有可能同時(shí)產(chǎn)生較大火花,容易發(fā)生引爆各種可燃物質(zhì),有時(shí)不夠安全。交流變頻伺服變壓電動(dòng)機(jī),結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,無(wú)任何電子印刷,運(yùn)行安全可靠,但是電動(dòng)控制電路比較復(fù)雜,價(jià)格很高。本系列機(jī)器人系統(tǒng)采用半自動(dòng)伺服系統(tǒng),具有多個(gè)反饋控制環(huán)節(jié),因此在工作原理上它必須具有傳統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的一切基本特性和所有功能。它的自動(dòng)檢測(cè)控制元件與執(zhí)行伺服空氣電機(jī)系統(tǒng)同軸運(yùn)動(dòng)相連,通過(guò)直接計(jì)量測(cè)出伺服電動(dòng)機(jī)從主軸向上旋轉(zhuǎn)的角位移和實(shí)際角旋轉(zhuǎn)速度后就可以由此推知,執(zhí)行傳動(dòng)機(jī)械的沒(méi)有實(shí)際的角位移或者旋轉(zhuǎn)速度,他對(duì)實(shí)際機(jī)械位置隨著移動(dòng)或者速度運(yùn)行的角速度計(jì)算采用的主要是間接測(cè)量的計(jì)算方法,因此半全全閉式循環(huán)通