喷涂机器人毕业设计
Company Document number：WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT
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
Abstract
Nowadays most paint contains benzene．The benzene is very volatile，toxic and carcinogenic．It does harm to the workers heavily when the protection is absent．So different kinds of painting robots appeared and developed greatly．
A joint type painting robot was designed in this paper．It had six degrees of freedom．The wrist had three degrees of freedom and the other joints had three degrees of freedom．The p ainting robot’s joints were driven by hydraulic pressure ．
Parallelogram structure was used in the robot．The hydraulic cylinder which was installed on the waist turning table droved the forearm indirectly through the parallelogram structure．The structure avoided installing the hydraulic cylinder directly on the joint to reduce the forearm’s weight．So the burden of the hydraulic cylinder which drive the upper arm and the waist were reduced．Also this structure made the forearm realize balance itself and reduce the static torque．Aluminum alloy was used greatly in the robot，so the weight of the robot was reduced．Also the dynamic performance was improved．
Keywords：painting robot；joint；structure design
目录
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
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。
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。
喷涂机器人最显着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。
课题国内外现状及研究的主要成果
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2～3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，喷涂精度得到显着提高。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。
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四边形结构改为开链式结构,拓展了机器人的工作范围,加之轻质铝合金材料的应用,大大提高了机器人
的性能。此外采用先进的RV减速器及交流伺服电机,使机器人操作机几乎成为免维护系统。
2)并联机器人:采用并联机构,利用机器人技术实现高精度测量及加工。意大利COMAU公司和日本FANUC等公司已开发出了此类产品。
3)控制系统:控制系统的性能进一步提高,己由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴,甚至27轴,实现了软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好,基于图形操作的界面也己问世。编程方式仍以示教编程为主,但离线编程己在某些领域实现实用化。
4)传感系统:激光传感器、视觉传感器和力传感器已成功应用于机器人系统中,并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等,大大改善了机器人的作业性能和对环境的适应性。日本的KAWASAKI、丫ASKA场叭、FANUC和瑞典的ABB、德国的KUKA、REIS等公司都有此类产品。
5)网络通信功能:日本的YASKA场人和德国的KUKA公司的最新机器人控制器己实现了与现场总线CanbuS、ProfibuS及一些网络的联接,使机器人由过去的独立应用转向网络化应用。
6)可靠性:由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用,使机器人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性一般为几千小时,而现在已达到5万小时,可以满足任何场合的需求。
国外研究现状
在国外,近年来机器人领域的发展有如下几个趋势:
l)机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性),而其价格不断下降。
2)机械结构向模块化、可重构化发展。如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化;由关节模块、连杆模块用重组装方式构造机器人整机。
3)机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,有利于标准化、网络化;器件集成度提高,采用模块化结构;机器人系统的可靠
性、易操作性和可维修性大大提高。
4)机器人中传感器的作用日益突出,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉传感器、力觉传感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的信息融合技术来进行环境建模及决策控制。
5)虚拟现实技术在机器人领域的应用己从仿真发展到用于过程控制,如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中操纵机器人的感觉。
. 存在问题和未来解决问题
喷涂工件CAD造型的获取
喷涂机器人离线编程的第一步是必须获取喷涂工件的CAD数据，随着计算机视觉技术的成熟，可以利用模式识别技术先识别出待喷涂的工件，再利用图像处理技术提取工件表面的特征点，形成数据点云，最后通过图像的三维重构获取工件的CAD数据。
喷涂路径规划
路径规划是喷涂机器人离线编程的另一项关键技术。路径规划的好坏，直接关系到喷涂作业的效率以及工件表面的涂层是否均匀，对喷涂工件的质量的影响巨大。
喷涂机器人的位姿精度与标定
影响喷涂机器人位姿的精度有多方面的原因，从大体上讲可分为静态与动态因素。静态因素包括了制造、装配时所带来的机器人本体机械结构上的误差；由外界温度的改变和长期的磨损而引起的机械部件的尺寸变化，由此造成机器人位姿的误差。动态因素主要是由外力所引起的机械部件本身的弹性变形所带来的机器人运动误差。为解决以上因素所造成的机器人位姿误差，必须在使用前对机器人进行标定，建立机器人的参照模型，目前用于机器人标定的技术有基于三坐标测量仪的标定、基于激光跟踪仪的机器人标定以及基于CCD的机器人标定。根据机器人实际运行时的位姿与参照模型间的误差，建立机
器人补偿机制，以进一步提高机器人喷涂作业的精度。
喷涂机器人的控制
喷涂机器人的控制较为常用的仍是传统的PID理论，在实际的应用中，喷涂机器人机械臂的长度往往很长，当整个机械臂伸展开时大约可达到2m的长度，且运行速度较高，各关节间的动力学效应非常显着，不能忽略，从而造成机器人各关节的被控对象模型是时变的。而传统PID理论的比例（P）、积分（I）、微分（D）参数的整定是建立在关节传递函数模型为定值基础之上的，这对传统的基于系统动力模型的控制理论带来了挑战。此外，实际工业现场往往存在有各种不确定的干扰，也会对PID控制器造成影响。以上两个因素决定了PID控制器必须具备一定的自适应性，其比例、积分、微分参数应能够随着外界环境的改变而自动的变化。智能控制理论的提出与发展为问题的解决带来了新的思路。智能控制是人工智能、生物学与自动控制原理结合的产物，是一种模仿生物某些运行机制的、非传统的控制方法。将神经网络、模糊理论、人工免疫、遗传进化等智能控制算法与PID 理论相结合，用于PID参数的整定，成为未来机器人控制发展的趋势。
本文研究主要内容以及背景和意义
随着改革开放和我国加入世贸组织，近几年来我国的汽车制造业高速发展起来。汽车制造业在自身发展的同时也促进了机械制造业的发展，其中对工业机器人发展的促进作用尤为显着。在汽车制造生产过程中，汽车车身的涂装是最主要的生产工艺之一。涂装质量的高低决定了汽车表面的耐腐蚀能力的强弱、使用寿命的长短、汽车是否美观，而且人们在购买汽车时，对于汽车产品最直接的评价就来源于汽车的外观，因此喷涂质量的高低直接影响了一个汽车产品在市场中的竞争能力和生产厂家的经济效益。
喷漆机器人具有轨迹灵活、柔性大、操作简单、维修方便、利用
率高等特点。所以在汽车制造业中喷漆机器人应该是首选的涂装设备。然而我国的工业机器人的起步较晚、技术比较落后，间接导致了我国自行生产的喷漆机器人在控制精度、轨迹运行精度、喷涂质量、工作稳定性、使用寿命、性价比等方面上与发达国的喷漆机器人存在着较大的差距。目前我国的部分汽车生产厂家还在使用轨迹灵活度较低、柔性差的自动喷涂机来进行汽车车身的涂装，少数企业虽然采用了外国设备制造商的喷漆机器人，但是仍然存在着价格昂贵、维护费用高、兼容性低等问题，从而导致了竞争力和经济效益的下降。因此实现高质量的喷漆机器人的国产化，对于我国工业机器人的发展和汽车制造业的发展具有十分重要的意义。
本文以用于汽车车身的喷漆机器人为研究对象，对喷漆机器人的结构设计进行了研究。全文主要内容如下：
1.阅读工业机器人和包装机械的相关书籍，确定了各个关节的传动方案。根据设计要求里的工作空间的要求，通过简单的计算方法，确定了两个手臂的长度。
2.初步设计了传动部分的结构和连接形式，并用CAD绘制出了主要零部件的零件图和一张总装图以及腰部回转部分的部装图与腕部回转部分的部装图。
3.运用所学到的理论力学、材料力学、动力学、物理学的知识并且根据机器人技术参数计算出各个关节的转动力矩和功率，再查找机械设计手册，选择了符合要求的驱动部件和传感器。
4.进行了主要的传动部件的设计计算和校核。
第2章总体结构设计
确定驱动系统
驱动系统
工业机器人的驱动系统是直接驱动整个机器人完成指定动作的机构，而且工业机器人的驱动系统是机器人上的一个十分重要的机构，对工业机器人的性能和功能以及维修是否方便有很大的影响。如果没有一个有效的伺服驱动系统，无论机器人具有多么精确的控制系统和多么敏感的传感的系统，也是无济于事的。
当今世界上工业机器人的动作自由度都比较多，以便能完成复杂的动作，其中多为五自由度和六自由度。这些工业机器人的旋转速度和直线移动速度都比较快，而且定位精度十分高，它们的驱动元件大多安装在活动支架上。而且由于施工现场的空间是有限的，所以绝大多数时候要求工业机器人所占的空间要尽可能的小，以便在有限的空间尽可能的完成多个工序。综合以上特点，设计时要求工业机器人驱动系统的设计原则是必须做到外型小、重量轻、工作稳定可靠。另外，由于工业机器人能在工作空间内任意多点定位，而且控制以及驱动程序又是灵活多变的，所以在一些结构比较复杂和多自由度的工业机器人中，通常采用伺服驱动系统。
目前，工业机器人的驱动方式主要有液压驱动、电机驱动和气压驱动三种。液压驱动系统的特点主要是运行稳定可靠，运动件的惯性小，快速相应的灵敏度高，传动比较大，低速性能好，容易实现无极调速，操作和控制都比较容易。气压驱动的特点主要是响应速比较度快，广泛应用于数控机床等设备中，但是存在管路漏气的现象，维修比较麻烦。电机驱动方式具有以下特点：动力源简单、负载小、调速范围大、无需
配管、维修及使用方便、使用寿命长等特点。此外，由于近年来液压控制系统的逐渐完善，此次设计选择液压驱动。
确定驱动件和自由度
由于工作需求的不同以及工作对象的不同，因此工业机器人的驱动机型有多种结构形式，主要包括直角坐标系机器人、圆柱坐标机器人、极坐标机器人、多关节机器人直角坐标系机器人只能在x、y、z三个方向上作直线运动，因此控制方便，结构十分简单，设计比较方便。但是其只能作直线运动，所以局限性比较大，只能在特定的工作场合下工作。圆柱坐标机器人的工作范围是一个类似于圆柱面的表面，操作方便和控制方便是它最大的优势，但是它跟直角坐标系机器人一样有着极大的工作局限性。极坐标机器人是一种可以做腰部的旋转运动，手臂部分的一个旋转运动以及一个直线运动的工业机器人。多关节型机器人的运动空间比前三者大，可以完成十分复杂的动作，运动轨迹灵活多变，自由度多而且结构相对简单。综上所述，喷漆机器人的驱动机型选用多关节型。又因喷漆机器人的负荷小，运动速度低，而且根据设计要求，所以采用六自由度。因此本文设计的喷漆机器人是一种六自由度关节型机器人。
喷漆机器人的运动参数
各个关节的结构形式和平衡方式
一般的工业机器人有5个左右的结构复杂的结构件，即：底座、腰部转动台支架、大臂、小臂和手腕部。目前大臂和小臂的结构比较流行的是中间有多层圆筒形套装梁结构，外型像哑铃，多为焊铸件组合结构。还有就是箱形结构，就整体来说就是比较复杂的箱体，多为铸件。为了减轻小臂的重量和大臂的负载，小臂采用空心管结构，材料是铝合金。为了增强大臂的强度，同时尽可能的降低大臂的重量，大臂采用实心的立方体结构，材料同样是铝合金。
手臂的平衡：为了减小驱动力矩和增加运动的平稳性，大臂和小臂原则上说都要进
行平衡。但当负载较小，臂杆的重量较轻，关节力矩不大，驱动装置有足够的容量时，可以省去平衡。对于喷漆机器人的设计，由于末端执行器的重量约为3kg，大臂和小臂的总重量约为60kg至70kg，因此在这里采取一定的平衡措施。对于小臂的平衡，在这里小臂采用铰链四杆的结构方式，这种结构通过后杆的质量来平衡腕部的质量。
该机器人的大臂小臂均采用弹簧平衡装置，如下图所示。经计算其平衡弹簧力未能做到手臂的完全平衡，但不平衡力矩量值不大。
小臂的平衡弹簧铰接在平衡支架的A 点上，另一端固定焊接在小臂内的弹簧座上。平衡支架、大臂、拉杆和转台组成一平行四连杆机构。它使平衡支架在下臂运动时做平面运动，保证小臂在大臂运动时其夹角不变。
小臂的不平衡力矩不仅随转角3θ变化，也随转角2θ变化，其算法如下：
小臂对转轴轴线3O 的偏重力矩M 3G 为αCOS L G M G 333=
式中：G 3-小臂及手腕部件重量
3L —小臂及手腕部件的合重心与O 3的距离
α—小臂梁与水平线的夹角
弹簧的平衡力矩M 3s =333h f K
式中：3K —小臂平衡弹簧刚性系数
3f —小臂平衡弹簧变形量
3h —弹簧力对O 3的力臂
通过结构的尺寸关系可算得：
式中3l =)cos R R 2R R R (2212211β-+R 为弹簧长度（包括支撑螺栓等长度）是随β角变化的值，30f 为安装时弹簧的预变形量。
由于存在着驱动油缸活塞与刚桶的静阻力，其方向沿活塞杆D O '3，它对3O 的力矩亦起着平衡一部分偏重力矩的作用，因而小臂的平衡力矩3333P S G M M M M --=?
式中M 3p 为油缸对3O 的静阻力矩。
大臂的平衡由对称于大臂中心线的左右两根弹簧承担，同理大臂的不平衡力矩2M ?也同时受3,2θθ转角的影响，另外，小臂没有完全平衡，在计算时还应考虑小臂加于大臂上部的力和力矩作用。 此时，大臂的偏重力矩2G M 应为
'2G —关节轴3的重量（包括轴上零件）
a 2—大臂长
L 2—大臂合重心矩2O 的长度
22222h f k M S = 其算法与小臂相同。
考虑大臂驱动油缸的静阻力矩2p M 则可得大臂的不平衡力矩 大小臂平衡弹簧参数
平衡弹簧材料选用60si2Mn A
小臂的传动机构
图小臂关节结构示意图
小臂关节的传动系统结构简图如图所示。小臂做+135o至-90o范围内的俯仰运动，从而调节整个腕部的空间位置。小臂轴和大臂末端连接在一起，连接形式可以是键连接或者是无键连接，由于此处的键连接的轴向定位比较麻烦，所以这里采用无键连接，具体采用在包装机械中被广泛运用的胀紧套。胀紧套具有对中精度高、安装/拆卸方便、强度高、连接稳定可靠等优点。这里的铰链四杆机构的后杆与底杆可以平衡手腕部分和部分小臂的重量，减少大臂所承受的负载。这个四杆机构在设计时应该尽可能的减少底杆和后杆的重量，使之与腕部的质量接近，而且其所占空间也应该尽可能的小，综合考虑选择曲柄摇杆机构，具体尺寸会在下一章根据工作空间所设计的手臂的长度给出。
大臂的传动机构
图大臂关节结构示意图
大臂关节的传动系统示意图如图。