1、辽宁工程技术大学毕业设计题目：墙面自动喷漆机器人设计班级：机电14-2姓名：王文义学号：14学060225指导教师：杨伟红完成日期：辽宁工程技术大学本科毕业设计（论文）学生诚信承诺保证书本人郑重承诺：全自动扒胎机设计毕业设计（论文）的内容真实、可靠，系本人在杨伟红指导教师的指导下,独立完成。如果存在弄虚作假、抄袭的情况，本人承担全部责任。学生签名：年月日辽宁工程技术大学本科毕业设计（论文）指导教师诚信承诺保证书本人郑重承诺：我已按学校相关规定对王文义同学的毕业设计（论文）的选题与内容进行了指导和审核，确认由该生独立完成。如果存在弄虚作假、抄袭的情况，本人承担指导教师相关责任。指导教师签名：年月
2、日L绪论1.1 研究背景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
3、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
4、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。1.2 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
5、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一喷涂机器人。喷涂机器人最显著的
6、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。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
7、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。1.3 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
8、运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有23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，喷涂精度得到显著提高。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
9、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。1.3.1 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
10、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
11、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、YASKA场叭、FANUC和瑞典的ABB、德国的KUKA、RElS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。1.3.2 国外研究现状在国外,近年来机器人领域
12、的发展有如下几个趋势：（1）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此除采用传统的位置、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
13、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。1.4 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著。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
14、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
15、发展和汽车制造业的发展具有十分重要的意义。2总体方案的确定2.1 喷漆机械手基本形式选择常见的工业机械手主要有4种：直角坐标式机械手；圆柱坐标式机械手；球坐标式机械手；多关节式机械手各机械手功能介绍：(1)直角坐标式机械手直角坐标机械手适合于工作位置成行成列与传送带配合的一种机械手。他的手臂可作伸缩、左右和上下移动。优点：节拍短，能够满足高速的要求，定位精度高，载重发生变化时不会影响精度(2)圆柱坐标式机械手圆柱坐标机械手适用于搬运和测量工件。具有直观性好，结构简单动作范围较大的优点。其工作范围可以分为：一个旋转运动，一个直线运动，加一个不在直线运动所在的平面内的旋转运动；两个直线运动加一个旋
16、转运动。(3)球坐标式机械手球坐标式机械手是一种自由度较多，用途较广的机械手。它的工作范围包括：一个旋转运动；两个旋转运动；两个旋转运动加一个直线运动。(4)关节式机械手关节式机械手是一种适用于机体操作传动形式，就像人的手肘关节一样，可以实现多个自由度，动作比较灵活，适用于狭窄的工作空间。综合以上几种机械手考虑课题自身涉及到的运动情况选用直线式机械手。2.2 机械手驱动系统的选择机械手常见的几种驱动系统有液压驱动，电动，气动和机械驱动。常见驱动系统的特点：特点输出功率和使用范围控制性能和安全性结构性能安装和维护要求效率和制造成本气压驱动气压较压缩性结构体积安装要求效率低，低，输出大，对速较大，
17、结不高，能(为功率小，度、位置构易于标在恶劣环O.150.2)当输出功精确控制准化。易境种工气源方便，率增大困难。阻实现直接作，维护结构简单，时，结构尼效果驱动，密方便成本低尺寸将过差。低速封问题不大只适用不易控突出于小型，制，排气快速驱动有噪音液压驱动油压高，可获得较大的输出功率，适用于重型，低速驱动器液体不可压缩，压力、流量易控制，反应灵敏，可无级调速、能实现速度、位置的精确控制，传动平稳，泄漏对环境污染结构较气动要小，易于标准化，易实现直接驱动，密封问题显得重要安装要求高（防泄漏），要配置液压元设备，安装面积大，维护要求较高效率中等为0.30.6,管路结构较复杂，成本高交直流普通电动机适
18、用于抓其重量较大而速度低的中、重型机器人的驱动输出力较大控制性能差，惯性大，不易精确定位对环境无影响电动机驱动以实现标准化，需减速装置，传动体积较大安装维修方便成本低效率为0.5左右步进、伺服电动机步进电动机输出力较小、伺服电机可大一些适用于运动控制要求严格的中、小型机器人控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对环境无影响体积小，需减速装置维修使用较复杂成本较高效率为0.5左右综合考虑以上驱动系统的优缺点以及工作要求，选择液压驱动系统作为驱动方式。2.3 电机类型的选择在日常系统所采用的电机，一般采用直流电机和步进电机。方案一：使用直流电机直流电机工作原理：直流电动机是使电机的
19、绕组在直流磁场中旋转感应出交流电，经过机械整流,得到直流电。直流电机能提供较大力没有弹性滑动和打滑，能饱哦吃准确的平均传动比，需要的张紧力小，作用在联轴器效率M=699/2=0.99=0.963=0.98IW=0.97a=v222233w=05=0.6rdFV20000310001000PJ=-=0.7ma0.8560l000KnwnD60l00003八=286.62113.14x204=盥445L11m286.62(2)分配传动装置传动比L=2i=j35=343Z2=254LY=8.7122p=0.6hrIK=几=5000,Wl71(=9550000X&n.=9550000-5000=l46
20、NmmP=P(X=0.60.96三0.576m,产台衅:2500WT1-9550000XR-9550000X空竺-22OO.32Nmm1,112500p,=Pjaxq=559h,、=i=728.86/77/11ZiD05597=2x9550000=9550000=7324382三/1 2小728.86PPJ/2=542h,几个翳=286.950544T1=9550000X小=95500=18038.33Nnun加286.954=m=283.95,WlTi=9550000X-21=9550000X-51L=16973.34N.min14%286.95（1）由选择小齿轮40Cr（渗碳淬火），齿面硬
21、度55HRC,大齿轮40Cr（渗m3L=L3V=0.25+=+0.25=0.8688力&L714计算彷Jl=2.55匕42=2.198Ym=L6yw=l.781(b11=132OM0Jnra2=1320PKM=O751K削2=0卿片=DXaX7,20=7080X6A/,BJMMXaa=777857坳J=0005760.00503=0.00576d=ZXm=23mmIn2XhXrXyyFnVOdXZ区1=0376/z1X/7f_._azJQ11V11.132/w/sCltniZ1-564960x1000b=力Xa=8.649直取pgh=(2xL5*0.846J=102k=L07k=L07以“36
22、k小1069kF=kckjk/JkFB=62计算按实际载荷系数算得的齿轮模数m=3、=0.406dZx,n23mmd1=Zixzw=23&=Z/m=79b=Jl7mm51=10三,B、=15Hn3*fzzmL=arccoSy=)=arccos(尸XCOSJL=28.968Ud,ZQk23+2lz、PBa79Xcos20、a1/。c=arccos(,)=arccos(-)=23.214*2xrt79+2x1=Zx(tanH-ta11o)+z2x(tan4心-fam4)=j734InZr=J?i=0869Og=122(WP2=I220PK,=O959KM=O987_KH20L=外9心soMPPHK
23、Hs义=0987x1220=12o4upO=3卢丁XWIXZJZFZ,=620,945.WPaJ=1170PaVjduhu=wxAl=2mm1=m(L+CJ=25,w,wh=(hjh)=mxQ儿+c：)=45三w乙=，+2x瓦=MX(Z+2心=25mmrf2=rf2+2x-=m(z2+2J=81mmtd=J2xl=wxcJxwz=3,14A=1144=查表得齿间载荷分配系数：KFa=1.2K产KKKaK邮=1071m=mX3IAf=0.98Th取m=ldI=小XZl=23”计算中心距(Z+zJxCla=-=5Imm2叼八M)I=EQXsy=14O660=WXL860=Xfu三/Z-J(tmH八
24、cwomoDdWQB=解传一劭湾笔细砌咽感单性感祟基圜R(DUln-SOUn)-Z+(11O11)2F(zmw=ksLFXLZ8%W=7rZJD1nPXP斗ZZZK我强,DMoi=RS=q以叫9=0(-H(-cZ)u=Jlx(-p=p6L=ZZ=pf=Mx,Z=IPjhK；。IZ24MPaOh=xZxZxZ=628.617P7z1Vd)dUdma=,wAl=2三lh,=mx(h.+C.)=2.75Imh=(hjh)=mQh1+d)=4.75wmCL=d+2hjmx(z1+2/O=43d1d#2h=mMz2.2心=60md0=a+21/=mX(Z二212。：)=52刑刖dc=d尸2XhL尸2h=
25、2d)=63mm按扭转强度概略计算轴的最小直径6nin=(l+0,05)19.67=20.65wmd4M=112X糕=19.67,.Ja=(1+0.05)l9.67=20.65凡=2=1916NF八=prxxtana三1916tan20=697r度的中点算起。通常把轴当做置于较链支座上的梁，支反力的作用点与轴承的类型F九一0IR忠二匚八:=738NLhLcRw=Q+Fn-Rw=144905191.6-(-138)=2543/VRbFJLL+L=96ON心”EXT=415NRJJR。+Hi=I203N人=J鼠+戊,=253ON4.2中间轴设计计算d4=23.76轮3安装在中速轴上，中速轴设计成普
26、通阶梯轴。显然，轴承只能从轴的两端3按扭转强度概略计算轴的最小宜一dJx=112J-=26.59/ww710VV89.69由于最小轴段直径截面上要开1个键槽，故将轴径增大7%611in=(l+0.07)38.59=41.2nLI：根据联轴器的尺寸规格确定，选取Ll=IlOmmod24*=38.59”dmm=(I+0.07)38.59=41.29轴的结构并绘制轴的结构草图轴的结构分析。低速轴设计成普通阶梯轴，轴上的齿轮、一个轴承从轴伸出端装入和拆卸，而另一个轴承从轴的另一端装入和拆卸。轴输出端选用A型键，bh=1610mm(GBT1096-2003),长L=50mm;定位轴肩直径为47mm；联接
27、以平键作过渡配合固定，两轴承分别和轴承端盖定位，采用过渡配合固定。1确定各轴段的长度和直径。dl：用于连接联轴器，直径大小为联轴器的内孔径，dl=42mmod2：密封处轴段，左端用于固定联轴器轴向定位，根据联轴器的轴向定位要求，轴的直径大小较dl增大5mm,d2=47mmd3：滚动轴承处轴段，应与轴承内圈尺寸一致，且较d2尺寸大l-5mm,选取d3=50mm,选取轴承型号为深沟球轴承6210d4：轴肩，选择d4=57mmod5：轴肩，故选取d5=72mmod6：齿轮处轴段，选取直径d6=57mmod7：滚动轴承轴段，要求与d3轴段相同，故选取d7=d3=50mmo5键联接设计计算高速轴与大带轮
28、键连接校核选用A型键，查表得bXh=6mmX6m11(GB/TIO96-2003),键长28mmo键的工作长度l=L-b=22mm大带轮材料为铸铁，可求得键连接的许用挤压应力。p=60MPa.中间轴与低速级小齿轮键连接校核选用A型键，查表得bXh=1011mX8mm(GB/TIO96-2003),键长56mmo键的工作长度l=L-b=46mm低速级小齿轮材料为45,可求得键连接的许用挤压应力。p=120MPa.中间轴与高速级大齿轮键连接校核选用A型键，查表得bXh=10mmX8mm(GB/TIO96-2003),键长32mmo键的工作长度l=L-b=22mm高速级大齿轮材料为45,可求得键连接
29、的许用挤压应力。p=120MPa.低速轴与低速级大齿轮键连接校核选用A型键，查表得bXh=16mmX10mm(GB/T1096-2003),键长50mmo键的工作长度1=L-b=34mm低速级大齿轮材料为45,可求得键连接的许用挤压应力。p=120MPa6、低速轴与联轴器键连接校核选用A型键，查表得bXh=12mmX8mm(GB/TIO96-2003),键长90mmo键的工作长度l=L-b=78mm联轴器材料为45,可求得键连接的许用挤压应力。p=120MPao齿轮的润滑闭式齿轮传动，根据齿轮的圆周速度大小选择润滑方式。圆周速度V12-15ms时，常选择将大齿轮浸入油池的浸油润滑。采用浸油润滑。对于圆柱齿轮而言，齿轮浸入油池深度至少为2个齿高，但浸油深度不得大于分度圆半径的1/3到1/6。为避免齿轮转动时将沉积在油池底部的污物搅起,造成齿面磨损,大齿轮齿顶距油池底面距离不小于30-50mmo根据以上要求，减速箱使用前须加注润滑油，使油面高度达到33-71mmo从而选择全损耗系统用油(GB443-1989)牌号为L-ANlOo
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