喷漆机器人结构设计

学号___________
密级___________
喷漆机器人结构设计Construction Design of Painting Robot
学生姓名：xx
所在学院：xxxxxxxx
所在专业：xxxxxxxxxxxxxx
指导教师：xxxxxxxxxxxxxx
职称：xxxxxxxxx
所在单位：xxxxxxxxxxxxxx
论文提交日期：xxxx年x月xx日
论文答辩日期：xxxx年x月xx日
学位授予单位：xxxxxxxxxxxxxxx
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，各个关节采用电机驱动。

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，这样避免了把电机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电机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 painting robot’s joints were driven by motors．
Parallelogram structure was used in the robot．The motor which was installed on the waist turning table droved the forearm indirectly through the parallelogram structure．The structure avoided installing the motor directly on the joint to reduce the forearm’s weight．So the burden of the motors 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
摘要 (I)
ABSTRACT (I)
第1章绪论 (1)
1.1机器人的研究发展现状 (1)
1.2机器人发展趋势 (1)
1.3国内外喷漆机器人的研究概况 (4)
1.3.1 国外喷漆机器人的研究概况 (4)
1.3.2 国内喷漆机器人的研究概况 (4)
1.4本文研究主要内容以及背景和意义 (5)
第2章总体结构设计 (7)
2.1确定驱动系统 (7)
2.1.1 驱动系统 (7)
2.1.2 确定驱动机型和自由度 (7)
2.2喷漆机器人的运动参数 (8)
2.3各个关节的结构形式和平衡方式 (8)
2.3.1 腕关节的传动机构 (9)
2.3.2小臂的传动机构 (10)
2.3.3 大臂的传动机构 (11)
2.3.4 腰部的传动机构 (12)
2.4本章小结 (12)
第3章喷漆机器人机构设计 (13)
3.1喷漆机器人数学模型的建立与分析 (13)
3.2腕部设计 (15)
3.2.1 电机的选择 (15)
3.3小臂的设计 (17)
3.3.1 小臂设计的总体要求 (17)
3.3.2铰链四杆机构的设计 (17)
3.3.3电机的选择 (18)
3.3.4齿轮的设计与校核计算 (21)
3.4大臂的设计 (24)
3.4.1大臂设计的总体要求 (24)
3.4.2 电机的选择 (24)
3.4.3 齿轮的设计与校核计算 (26)
3.5腰关节的设计 (28)
3.5.1腰关节设计的总体要求 (28)
3.5.2电机的选择 (28)
3.6传感器的选择 (29)
3.7本章小结 (30)
第4章轴、螺钉的设计与校核 (31)
4.1大轴1的结构设计与校核 (31)
4.1.1大轴1的结构设计 (31)
4.1.2 大轴1的强度校核 (32)
4.2大轴2的结构设计与校核 (34)
4.2.1大轴2的结构设计 (34)
4.2.2大轴2的强度校核 (35)
4.3小轴1的结构设计与校核 (35)
4.3.1 小轴1的结构设计 (35)
4.3.2 小轴1的强度校核 (36)
4.4小轴2的结构设计与校核 (38)
4.5回转底盘与腰部主轴连接螺钉的校核 (38)
4.6本章小结 (38)
结论 (39)
参考文献 (40)
攻读学士学位期间发表的论文和取得的科研成果 (42)
致谢 (43)
第1章绪论
1.1 机器人的研究发展现状
机器人有50至60年的发展历史。

1959年美国的发明家英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台机器人，机器人第一次出现在人们的视野中。

英格伯格在大学时攻读的伺服电机理论，伺服电机理论是一种研究机构如何能更好地跟踪控制信号的理论。

德沃尔于1946年发明了一种可以“重演”记录的运动的机器。

德沃尔又于1954年获得可编程机械手专利，这种机械手臂能够按程序进行工作，同时也可以根据不同的工作需要以及工作对象编制不同的控制程序，因此在实际工作中具有很好通用性和灵活性。

英格伯格和德沃尔都是研究机器人的著名发明家，他们都认为汽车工业是最适于用机器人的行业，因为汽车制造行业是用重型机器进行工作的，而且生产过程比较固定。

英格伯格和德沃尔又于1959年联手制造出第一台工业机器人。

这种机器人外形类似于坦克炮塔，基座上安装有一个大机械臂，大臂可绕轴在基座上转动，大臂的末端又可以伸出一个小机械臂，它相对大臂可以做伸缩运动。

小臂的末端装有一个手腕，可绕小臂的轴线旋转。

手腕的末端装有机械手。

这台工业机器人成为世界上第一台真正可以用于实际工作的工业机器人。

此后英格伯格和德沃尔成立了尤尼梅逊公司，进而创办了世界上第一家机器人制造工厂。

他们因此被称为机器人之父。

1962年美国机械与铸造公司也制造出工业机器人，称为“沃尔萨特兰”，意思是“万能搬动”。

这两家公司制造的工业机器人成为了世界上最早的而且至今仍在使用的工业机器人。

近六十年来机器人的发展史，大致经历了三个重要的阶段。

第一阶段为简单个体类机器人，第二阶段为群体劳动类机器人，第三阶段为类似人类的智能机器人。

机器人发展是向着有知觉、有思维、能与人对话的方向发展的。

到了二十世纪九十年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术的迅速发展，机器人技术也有了质的飞跃。

除了工业机器人的性能不断提高之外，各种各样的用于其他行业的机器人也有了巨大的进展。

工业机器人的发展非常迅速，下面对几个重要的研究的方向做简单的介绍。

机器人操作机：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，机器人操作机已实现了优化设计。

并联机器人：主体采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。

控制系统：控制系统的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。

传感系统：激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，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，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。

网络通信功能：日本YASKAWA和德国KUKA公司的最新机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。

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。

先进机器人的发展也异常迅速。

近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。

下面就几个研究热点做一简单的介绍。

水下机器人：目前主要用于海洋石油开采、海底勘查、落水人员救捞、管道铺以及电缆的铺设和维护。

主要有有缆水下机器人和无缆水下机器人两大类。

空间机器人：空间机器人技术一直是机器人的重要研究领域。

目前美、俄、加拿大等国已研制出各种空间机器人。

如美国NASA的空间机器人等。

美国NASA的空间机器人是一辆自主移动车，重量为11.5kg，外型尺寸630~ 48mm，有6个车轮，它在火星探测上的成功应用，引起了全球范围内的广泛关注。

核工业用机器人：国外的研究方向主要集中在机构灵巧、动作准确可靠、响应速度快、重量轻、刚度和强度良好、装有便于装卸与维修的高性能伺服机械手以及能半自主和自主移动到任意位置。

地下机器人：地下机器人主要有挖掘机器人和地下管道检修机器人两大类。

目前日、美、德等发达国家已研制出了用于石油、天然气输送管道检修的地下机器人。

各种挖掘机器人以及自动化系统也正在研制当中。

医用机器人：主要用于医疗外科手术的规划与仿真、机器人辅助外科手术、最小损伤外科、临场感外科手术等。

建筑机器人：如用于高层建筑的抹灰机器人、预制件安装机器人、室内装修机器人、地面抛光机器人、用于擦玻璃的机器人等，并已经应用于实际生活中。

军用机器人：近年来，美、英、法、德等国已研制出第二代军用智能机器人。

其特点是采用自主控制方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任务，在战场上具有看、嗅和
触摸等能力，能够自动跟踪地形和选择道路，并且具有自动搜索、识别和消灭敌方目标的功能[1]。

可以预见，在21世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲密的伙伴。

1.2机器人发展趋势
目前国际上各国都在加大机器人的研究力度，进行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。

研究内容主要有以下10个方面：
1、工业机器人的操作机结构的优化设计技术：探索新的高强度轻质材料，进一步增强负载/自重比。

向着模块化、可重构的方向发展。

2、机器人控制技术：重点研究开放式和模块化控制系统，人机界面更加清楚明朗，语言、图形编程界面还正在研制当中。

机器人控制器向着标准化和网络化的方向发展，基于PC机网络式的控制器已成为当今世界研究的热点。

对于编程技术，除了进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成为研究重点。

3、多传感系统：为进一步提高机器人的智能性和适应性，多种传感器的使用是这个问题解决的关键。

其研究热点在于研制出有效可行的多传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。

另一个问题就是传感系统的实用化。

4、机器人的结构越来越灵巧，控制系统也越来越小，二者正朝着一体化的方向发展。

5、机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自主技术，多机器人和操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。

6、虚拟机器人技术：基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥感操作和人机交互。

7、多智能体调控制技术：这是目前机器人研究领域中的一个崭新领域。

主要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理，感知与学习方法，建模和规划、群体行为控制等方面进行研究。

8、微型和微小机器人技术：这是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。

过去该领域的研究几乎是空白的，因此该领域研究的进展将会引起机器人技术的一场革命，并且对社会进步和人类活动的各个方面产生不可估量的影响，微小型机器人技术的
研究主要集中在系统结构、运动方式、控制方法、传感技术、通信技术以及行走技术等方面。

9、软机器人技术：主要用于医疗、护理、休闲和娱乐场合。

传统机器人在设计是没有考虑与人紧密共处，因此其所用材料多为金属或硬性材料。

软机器人技术要求其结构、控制方式和所用传感系统在机器人意外地与环境或人碰撞时是安全的。

10、仿人和仿生技术：这是机器人技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进行一些基础研究[2-5]。

1.3国内外喷漆机器人的研究概况
1.3.1国外喷漆机器人的研究概况
在国外喷漆机器人的设计与制造是一项十分成熟的技术，已经有三十年以上的发展历史。

喷漆机器人最早是由挪威Trallfa公司（后并入ABB集团）于1969年发明的。

最早运用该技术的是美国的Minhit公司、德国的Hatel公司、英国的Fudge公司等，对机器人和印刷业的发展产生过深远的影响。

当时使用的是MK的h16机器人，采用的是气体和液体相结合的流量控制系统。

80年代初期Hatel公司在h16机器人上首次采用气压控制的流量控制系统，同时装备了带有抽吸装置的内置阀，可避免初始污染。

90年代初首次在Bergerlahr机器人自动喷涂设备上试装了涂料流量控制装置，使喷涂质量有了巨大的飞跃。

随着喷涂机器人的设计与制造技术的不断创新，喷漆机器人的喷涂精度得到了巨大的提高，使得喷漆机器人在世界发达国家得到了广泛的应用。

1.3.2 国内喷漆机器人的研究概况
国内的喷涂机器人的研究始于二十世纪八十年代。

最早的喷涂机器人的研究是由北京机械工业自动化研究所机器人中心所进行的，从七十年代初就开始了工业机器人的制造技术及其应用方面的研究。

改革开放以来由于国内的汽车制造业和大型的机械制造业的发展和需求，国内的许多汽车制造厂家和大型机械的制造公司也正在开发和研究适合自己企业实际生产状况的喷涂机器人。

同时许多国外的知名喷涂机器人制造厂家也纷纷与国内的企业合作或者是在国内设立分公司。

如日本的安川Motoman公司与国内首钢合作，生产和研发多种用途的工业机器人；ABB公司也在上海和北京设立分公司，主要销售用于喷涂和非用于喷涂的两类工业机器人。

到目前为止，喷涂机器人己成为国内市场上数量最多的工业机器人之一，但国内生产厂家自主研发和生产的喷涂机器人一般
性能不够稳定、重复定位精度低、使用寿命短、喷涂质量不好，至今还未成功地应用于汽车车身涂装生产线或者是其他需要包装机械的生产线。

国内使用喷涂机器人进行汽车车身涂装的汽车制造厂家基本上是采用国外喷漆机器人制造商的喷涂机器人和生产线，但是普遍存在故障排除困难、兼容性差、维修困难、升级困难等问题，从而难以真正发挥设备本身的作用。

绝大部分中小型企业还是采用人工喷涂，绝大多数喷涂产品的质量不太理想，同时喷漆的浪费比较大，工人劳动强度大，工作时间短，而且涂料内的挥发物质对人体健康有很大的损害，因而开发研究和制造生产适合于国内厂家生产实际状况的高精度的喷涂机器人是十分必要的。

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
2.1确定驱动系统
2.1.1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，但是速度比其他两种驱动慢而且外部管路较多，容易泄露。

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，由于近年来电机都采用新型磁性材料，伺服电机的特性得到提高，同是又研制出电子线路稳定性好、效率高的电驱动方式，而且这种驱动方式和控制系统信号可以保持一致，又便于和计算机连接或者是单片机相连，能实现精密控制，可用于程序复杂、运动轨迹精度要求严格的工业机器人。

因此，综合考虑后决定电驱动方式[6-13]。

2.1.2确定驱动机型和自由度
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。

2.2喷漆机器人的运动参数
关节1，既腰部的旋转运动，旋转范围：±170º，角加速度：π/2 rad/s。

关节2，既大臂的俯仰运动，俯仰范围：+135º至-90º，角加速度：π/2 rad/s。

关节3，既小臂的俯仰运动，俯仰范围：+168º至-80º，角加速度：π/2 rad/s。

关节4，既腕部的旋转运动，旋转范围：±185º，角加速度：πrad/s。

关节5，既喷枪的俯仰运动，俯仰范围：±120º，角加速度：2πrad/s。

关节6，既喷枪的旋转运动，旋转范围：±360º，角加速度：2πrad/s。

喷漆机器人的整体结构形式：铰链四杆机构。

手腕的负载能力：5kg，手臂的负载能力：10kg。

重复定位精度：±0.2mm。

驱动类型：直流伺服电机。

自由度数：6。

安装方式：水平地面。

2.3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。

第2章总体结构设计
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，同时电机也可以放在腰部回转盘上，从而减轻大臂的负载[14]。

2.3.1腕关节的传动机构
图2.1腕关节结构示意图1
图2.2腕关节结构示意图2
腕关节的结构示意图如图2.1和图2.2所示。

图2.1为腕部的俯视图，图2.2为腕部的主视图。

如图所示，腕部有三个自由度，分别由三个减速电机驱动的。

因为市场上的减速电机的输出端的轴的轴径都比较小而且十分短，故这三个减速电机需要订做，对输出端的轴进行适当的加粗加长。

这里采用减速电机的原因是：减速电机是由减速器和电。