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河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院
研究采用拉瓦爾噴管的冷噴涂技術(shù)模型中
參數(shù)對(duì)粒子速度的影響
關(guān)鍵詞：冷噴涂技術(shù)；模型；九孔拉瓦爾噴管；粒子速度
摘要
單孔和九孔拉瓦爾噴管的模擬超音速流場(chǎng)是在液體動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算。在研究中，對(duì)于單孔和九孔拉瓦爾噴管，相隔距離和粒子直徑對(duì)銅粒子的沖擊速度影響是不同的。結(jié)果表示在相隔距離相同的情況下，九孔拉瓦爾噴管中的粒子速度高于單孔拉瓦爾噴管中的粒子速度，并且相隔距離越小，九孔拉瓦爾噴管也能獲得更高的粒子速度。此外，在研究中發(fā)現(xiàn)不同的噴射壓力和溫度對(duì)銅粒子的粒子速度也有影響。模型研究表明較高的噴射壓力和溫度可以獲得較好的粒子噴射速度。
介紹
冷噴涂的過程中，噴嘴和基體之間的相隔距離（SoD）是重要參數(shù)之一，它直接影響了粒子的沖擊速度。許多學(xué)者已經(jīng)把研究重心集中在這一個(gè)問題。pattison［1] 發(fā)現(xiàn)當(dāng)SoD很小時(shí)，一個(gè)噴流弓形激波會(huì)在超音速射流和基體之見的沖擊區(qū)域內(nèi)成型，并且當(dāng)它減少粒子沖擊速度時(shí)，噴流弓形激波對(duì)工作過程是有害的。他的研究也表明堆積效率接近SoD，和噴流弓形激波的堆積效率被壓縮在SoD的40% ，小于60毫米或者更少時(shí)要使用一個(gè)定做的氦氣噴嘴，在2.0 MPa和200 °C 條件下工作。Alkhimov［2]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴射空氣和氦時(shí)，噴流弓形激波和基體之間所造的壓縮層的厚度取決SoD，而SoD越小，壓縮層越厚。他的研究也表明鋁粒子作為直徑小于5微米的粒子，在壓縮層中明顯減速。Gilmore［3] 和 Dykhuizen［4] 也發(fā)現(xiàn)直徑小于5微米的粒能被減速甚至從噴流弓形激波中遠(yuǎn)離基體。
這項(xiàng)研究要表明九孔拉瓦爾噴管與單孔拉瓦爾噴管相比，減少噴流弓形激波對(duì)粒子速度沖擊所帶來的不利的影響，在相同狀態(tài)之下會(huì)獲得比較好的噴射效果。
理論模型
數(shù)學(xué)模型。
可壓縮的流量是一種非常復(fù)雜、廣泛的現(xiàn)象，并且噴嘴的實(shí)際流量是在實(shí)際條件下不恒定的等熵流量。噴嘴的流量?jī)?nèi)部被認(rèn)為是一個(gè)穩(wěn)定的等熵流量在理論上是為了簡(jiǎn)化模擬。用方程[5]描述這個(gè)過程。
連續(xù)方程：
動(dòng)量方程：
能量方程：
狀態(tài)方程：
u、p和T分別表示流量速度、壓力和溫度；p、和k分別表示流量密度，黏性應(yīng)力張量和熱傳導(dǎo)性，相應(yīng)的；e，D分別表示每一單位容積內(nèi)的黏著性和粘性耗散。
粒子可以被視為離散階段連續(xù)氣流，球形粒子的加速度氣流可以由方程［6]來表達(dá)，粒子之間的相互作用和重力可以被忽略。
，，分別表示粒子速度、直徑和密度；是阻力系數(shù)而且=，和相互聯(lián)系，是是雷諾數(shù)目并被定義為： ，u 是液體動(dòng)力粘度，而且這方程際地被應(yīng)用于＜50000.
幾何學(xué)的模型。
冷噴涂過程的噴射流量是由噴管的內(nèi)部流量和自由的噴射流量組成。由于九孔噴管的使用，一個(gè)三維模型建立在這一研究中。圖1是九孔噴管的截面圖，有八個(gè)小孔直徑為1.67毫米均勻分布一個(gè)直徑為2.6毫米的中心孔周圍，整個(gè)圓的直徑為6.4毫米。距離 L（如圖1所示）是小孔于中心孔的距離2.25 毫米，這九個(gè)孔的總面積等于直徑為5.4毫米的單孔的面積。在其他方面九孔拉瓦爾噴管與單孔拉瓦爾噴管是一樣的，圖2表示單孔拉瓦爾噴管的截面和計(jì)算域，其主要尺寸見表1。
圖1 九孔拉瓦爾噴管的橫截面
表一 單孔拉瓦爾噴管的主要尺寸
接口條件及解決方法
圖2 單孔拉瓦爾噴管的結(jié)構(gòu)和計(jì)算區(qū)域
如圖2所示，入口氣體為選定的壓力入口邊界條件，和出口氣體為選定的壓力出口邊界條件，都在常溫常壓下進(jìn)行。并且選定空氣為加速狀態(tài)。
標(biāo)準(zhǔn)湍流模型是作為分散氣體湍流流場(chǎng)，和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)能被用來處理近壁區(qū)。二階逆風(fēng)離散化方案用于解方程。分散相的計(jì)算連續(xù)的流場(chǎng)。
結(jié)果與討論
SoD對(duì)粒子速度的影響
直徑為2微米單孔拉瓦爾噴管和九孔拉瓦爾噴管對(duì)銅粒子沖擊速度的影響如圖3所示，當(dāng)噴射壓力P是2.5MPa 和噴射溫度T為700K兩者情況是不同的。明顯看出在相同模擬條件下，九孔拉瓦爾噴管中的粒子速度要高于單孔拉瓦爾噴管。并且SoD越小，九孔拉瓦爾噴管內(nèi)的粒子速度越高。從圖中也明顯看到單孔拉瓦爾噴管在P=2.5MPa和T=700K情況，SoD值為40毫米。
圖3 SoD對(duì)粒子速度的影響 圖4 粒子直徑對(duì)粒子速度的影響
當(dāng)使用單孔拉瓦爾噴管時(shí)，一系列壓縮波由于基體前的超音速氣流壓縮而生產(chǎn)。壓縮波相互疊加時(shí)，沖擊波就會(huì)發(fā)生。當(dāng)沖擊波，壓力，密度，氣流溫度急劇上升，馬赫數(shù)急劇下降時(shí)，超音速氣流將變成亞音速氣流。由于沖擊波的影響粒子的速度不斷減小，增強(qiáng)基體的抗沖擊強(qiáng)度和減少SoD的距離，對(duì)粒子速度沒有影響。
所以在九孔拉瓦爾噴管中的粒子速度會(huì)使氣流趨于穩(wěn)定。
粒子直徑對(duì)粒子速度的影響。
圖4表示在模擬狀態(tài)SoD=40mm, P=2.5MPa ，T=700K下，銅粒子通過拉瓦爾噴口撞擊基體時(shí)，粒子直徑對(duì)粒子速度的影響。它明顯的說明用不同的拉瓦爾噴管會(huì)獲得不同的粒子速度，在相同條件下，使用九孔拉瓦爾噴管的粒子速度高于使用單孔拉瓦爾噴管的粒子速度。
因?yàn)樾×Ｗ泳哂械唾|(zhì)量、低慣性，并且易受氣體影響，所以沖擊基體之前，粒子速度的沖擊波將減小。若使用九孔拉瓦爾噴管，沖擊波減弱時(shí)，粒子速度變化不大。較大的粒子具有較高的質(zhì)量，較大的慣性并且不易被氣體所加速，因此這樣的粒子速度不能影響沖擊基體的沖擊波。因此九孔拉瓦爾噴管適用與小粒子。
壓力對(duì)粒子速度的影響
圖5所示在模擬條件SoD=40mm, T=700K下，直徑為2微米的銅粒子通過九孔拉瓦爾噴嘴沖擊基體時(shí)壓力對(duì)粒子速度的影響。如圖5所示的距離噴嘴進(jìn)口到基體的距離為X。它明顯的表示了在噴嘴和基體之間，粒子的速度變化小并且在出口處趨于穩(wěn)定。隨著噴射壓力的增加，噴嘴內(nèi)的粒子速度有輕微變化，噴嘴外的粒子速度有少量的增大。因此說明壓力對(duì)粒子速度影響不大。
圖5 壓力對(duì)粒子速度的影響 圖6 溫度對(duì)粒子速度的影響
溫度對(duì)粒子速度的影響
圖6所示在模擬條件SoD=40mm, T=700K下，直徑為2微米的銅粒子通過九孔拉瓦爾噴嘴沖擊基體時(shí)溫度對(duì)粒子速度的影響。從圖中明顯看出溫度對(duì)粒子速度的影響是很大的，溫度越高，粒子速度越高。此外，大量的塑性變形容易發(fā)生在入射粒子和高溫的基體之間。
結(jié)論
（1）在相隔距離相同的情況下，九孔拉瓦爾噴管比單孔拉瓦爾噴管獲得的粒子速度更高，且相隔距離越小，九孔拉瓦爾噴管獲得的粒子速度越高。
（2）在相同條件下，九孔拉瓦爾噴管中的較小粒子也可以獲得較高的粒子速度。
（3）在較高的噴射壓力和溫度下，使用九孔拉瓦爾噴管可以使粒子噴射獲得更高的速度。
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南 京 理 工 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)
作 者:
王一峰
學(xué) 號(hào)：
060104240
學(xué)院(系):
機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè):
機(jī)械工程及自動(dòng)化
題 目:
噴涂機(jī)器人設(shè)計(jì)
—機(jī)身系統(tǒng)設(shè)計(jì)
副教授
郭鋼
指導(dǎo)者：
(姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))
胡小秋
副教授
評(píng)閱者：
(姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))
2010年 6 月
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）中文摘要
本文主要介紹的是一種噴涂機(jī)器人的總體方案論證與機(jī)身系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先根據(jù)技術(shù)要求，確定機(jī)器人的結(jié)構(gòu)型式為關(guān)節(jié)型，驅(qū)動(dòng)方式選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由工作空間計(jì)算出大、小臂尺寸，控制方式為開環(huán)連續(xù)軌跡控制，手把手示教。其次設(shè)計(jì)了噴涂機(jī)器人的機(jī)身系統(tǒng)，設(shè)計(jì)過程中先選擇了步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)，然后確定傳動(dòng)方式選擇齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)腰部轉(zhuǎn)動(dòng)，其中齒輪傳動(dòng)為二級(jí)圓柱直齒輪減速傳動(dòng)，并對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)中齒輪、軸、軸承進(jìn)行了設(shè)計(jì)與校核。
關(guān)鍵詞 噴涂機(jī)器人 機(jī)身系統(tǒng) 齒輪傳動(dòng) 步進(jìn)電機(jī)
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）外文摘要
Title Design of a spray painting robot
——Design of the fuselage system
Abstract
This paper is an overall introduction in conceptual design and study of painting robot, which demonstrates the design of system in certain robot. Firstly under the technical requirements, choose the structure of the robot as articulated robot, stepper motor as driver. Arm size is decided by calculating the working space. Control mode is open-loop control method for the continuous trajectory control, hands-teaching. This is followed by the design of the painting robot systems. In the design process, first the model of the stepper motor is selected, and then the driving mode is determined that is back rotation is driven by transmission gear. Toothed gearing is double-geared spur gear reduced drive. Gear, shaft, bearings in the transmission system is designed and checked.
Keywords coating robot Fuselage system Gear-driven stepper motor
本 科 畢 業(yè) 論 文 第 Ⅰ 頁 共 Ⅰ 頁
目 次
1 引言 1
1.1 噴涂機(jī)器人的概述 1
1.2 噴涂機(jī)器人的應(yīng)用 1
1.3 噴涂機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì) 2
1.4 課題研究意義 2
2 噴涂機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) 3
2.1 噴涂機(jī)器人坐標(biāo)系的確定 3
2.2 工作空間的設(shè)計(jì) 4
2.3驅(qū)動(dòng)方式的確定 6
2.4 傳動(dòng)方式的確定 7
2.5平衡方式的選擇 7
3 機(jī)身的設(shè)計(jì) 9
3.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇 9
3.1.1步進(jìn)機(jī)選擇的注意事項(xiàng) 9
3.1.2 步進(jìn)機(jī)的選擇 9
3.1.3 各軸轉(zhuǎn)速 11
3.1.4 各軸轉(zhuǎn)矩 12
3.1.5 制作參數(shù)表 12
3.2 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 12
3.2.1高速齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算 12
3.2.2 低速級(jí)齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 17
3.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21
3.3.1 高速軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22
3.3.2 中間軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 25
3.3.3 低速軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 28
3.4 軸承的校核 31
3.4.1 高速軸的壽命計(jì)算 32
3.4.2 中間軸的壽命計(jì)算 32
3.4.3 低速軸的壽命計(jì)算 32
3.5 腰部?jī)?nèi)部電纜安裝方式 33
結(jié) 論 35
致 謝 36
參 考 文 獻(xiàn) 37
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 37 頁 共 37 頁
1 引言
1.1 噴涂機(jī)器人的概述
噴涂機(jī)器人是一種典型的涂裝自動(dòng)化裝備。使用機(jī)器人進(jìn)行噴涂作業(yè)，工件涂均勻，重復(fù)精度好，工作效率高，能使工人從惡劣的工作環(huán)境中解放出來。噴涂機(jī)器人廣泛應(yīng)用于機(jī)床、汽車、家電等機(jī)電一體化產(chǎn)品制造領(lǐng)域,可以大大提高生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量, 能夠降低生產(chǎn)成本、改善勞動(dòng)條件,能迅速適應(yīng)快速變化的市場(chǎng)需求[1]。因此，噴涂機(jī)器人在制造業(yè)中的應(yīng)用越來越得到人們的重視。
從1962年美國(guó)研制出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來，工業(yè)機(jī)器人至今已經(jīng)走過了4O多年的歷程。由于噴涂作業(yè)屬于有害作業(yè)，這些作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度大，技術(shù)水平要求高，并且手工噴涂人員會(huì)因技術(shù)、體力等因素造成產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，因此為了改善勞動(dòng)條件和提高產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)量降低成本，這個(gè)領(lǐng)域中大量地使用了機(jī)器人[2]。
1.2 噴涂機(jī)器人的應(yīng)用
西方發(fā)達(dá)國(guó)家90年代以來汽車噴涂中的各噴涂工序普遍實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，隨著科技的發(fā)展，近十年機(jī)器人在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)已呈現(xiàn)出廣泛使用的趨勢(shì)。由于使用機(jī)器人噴涂均勻性好，重復(fù)精確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工，因此避免了手工噴涂人員因技術(shù)、情緒、體力等因素造成的產(chǎn)品質(zhì)量缺陷，使工件噴涂質(zhì)量有了根本性的保障。由于噴涂作業(yè)屬于有害作業(yè)，采用機(jī)器人作業(yè)可大大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)由于機(jī)器人在噴涂過程中流量、扇面、霧化的大小均可隨時(shí)調(diào)整，可大大減少油漆的損耗，提高油漆的利用率。對(duì)于塑料工件需要先期進(jìn)行火焰處理，高溫環(huán)境作業(yè)危險(xiǎn)性大，采用機(jī)器人完成工件的火焰處理不失為一個(gè)好方法[3]。
隨著機(jī)器人與電控技術(shù)的提高，機(jī)器人噴涂以其靈活、噴涂軌跡自由以及涂裝質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，受到各大汽車廠家的青睞，并被逐漸應(yīng)用于車身噴涂。機(jī)器人噴涂漆膜性能的提高很大程度上取決于仿真車身的噴涂軌跡，這也決定了不同的車型必須對(duì)機(jī)器人噴涂軌跡進(jìn)行仿真，為此研究出了機(jī)器人仿形技術(shù)。
隨著我國(guó)建筑業(yè)的發(fā)展，針對(duì)建筑涂裝機(jī)器人的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于嵌入式結(jié)構(gòu)的智能測(cè)控系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，具有較強(qiáng)的抗干擾能力和電磁兼容性，適合在強(qiáng)干擾環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠工作[4]。
1.3 噴涂機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)
新一代涂裝機(jī)器人的設(shè)計(jì)貫徹了模塊化結(jié)構(gòu)的原則，機(jī)器人可以配備不同的連接裝置，這樣既能夠以固定方式工作也可以安裝在軌道上工作。軌道可以固定在噴涂室側(cè)壁上，也可以固定在靠近天花板的位置。如果把噴涂機(jī)器人的霧化噴槍改成操作夾具，就成為操作開門的機(jī)器人了，因?yàn)閮煞N機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是一樣的。
機(jī)器人噴涂時(shí)的空間占有面積將更進(jìn)一步降低，減小噴漆室的尺寸和通風(fēng)量，進(jìn)而降低生產(chǎn)過程中的能源消耗?？傊?一切以降低生產(chǎn)成本、節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境為目的。未來的機(jī)器人將具有更優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能和加速度性能、更大的工作范圍、更小的占地面積及更加靈活手臂[5]。
噴涂機(jī)器人工作臂的運(yùn)動(dòng)方式可以選擇裝配成兩軸或三軸的。雙軸的機(jī)器人配合高速旋轉(zhuǎn)的噴槍，以旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的運(yùn)動(dòng)方式工作，這樣能減少一個(gè)驅(qū)動(dòng)軸，減輕重量、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。
1.4 課題研究意義
縱觀50余年來噴涂機(jī)器人對(duì)人類生活的改變所做出的貢獻(xiàn)，其對(duì)于提高勞動(dòng)效率、減輕工人的作業(yè)危險(xiǎn)、美化人類的視覺等方面均起到了不小的作用。如今噴涂機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，需求也越來越大，再加上其經(jīng)濟(jì)性也隨著科技的進(jìn)步而愈發(fā)突出，所以對(duì)涂裝機(jī)器人的研究是相當(dāng)有意義的。
利用這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，通過對(duì)噴涂機(jī)器人的總體尤其是機(jī)身系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可以對(duì)大學(xué)四年的所學(xué)各門課程做一次很好的總結(jié)。
2 噴涂機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該機(jī)器人具有5個(gè)自由度，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，工作負(fù)載重量2 kg，各部件的運(yùn)動(dòng)范圍為：機(jī)身±110o；下臂前俯30o,后仰10o；上臂俯仰±30o；腕轉(zhuǎn)
±110o；腕擺±110o，工作空間為 2600×1200×900，重復(fù)定位精度±3～±6㎜。
2.1 噴涂機(jī)器人坐標(biāo)系的確定
(1)直角式坐標(biāo)機(jī)器人：
直角坐標(biāo)機(jī)器人概念：工業(yè)應(yīng)用中，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制的、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的、運(yùn)動(dòng)自由度間成空間直角關(guān)系、多用途的操作機(jī)。他能夠搬運(yùn)物體、操作工具，以完成各種作業(yè)。關(guān)于機(jī)器人的定義隨著科技的不斷發(fā)展，在不斷的完善，直角坐標(biāo)機(jī)器人作為機(jī)器人的一種，其含義也在不斷的完善中。
直角坐標(biāo)機(jī)器人的特點(diǎn)
a最高達(dá)到三個(gè)線性運(yùn)動(dòng)自由度的運(yùn)動(dòng)，每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度之間的空間夾角為直角；
b自動(dòng)控制的，可重復(fù)編程，所有的運(yùn)動(dòng)均按程序運(yùn)行；
c一般由控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、操作工具等組成。
d可以適合于比較大的、四方形的工作空間內(nèi)工作。
e相比其他工業(yè)機(jī)器人，承重能力可以達(dá)到比較高。
f框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)適合于模塊化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。
(2)球（極）坐標(biāo)式機(jī)器人：
球坐標(biāo)是一種三維坐標(biāo)。分別有原點(diǎn)、方位角、仰角、距離構(gòu)成。 設(shè)P（x，y，z）為空間內(nèi)一點(diǎn)，則點(diǎn)P也可用這樣三個(gè)有次序的數(shù)r，φ，θ來確定，其中r為原點(diǎn)O與點(diǎn)P間的距離，θ為有向線段與z軸正向所夾的角，φ為從正z軸來看自x軸按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)到有向線段的角，這里M為點(diǎn)P在xOy面上的投影。這樣的三個(gè)數(shù)r，φ，θ叫做點(diǎn)P的球面坐標(biāo)
圖2.1 球坐標(biāo)機(jī)器人工作空間
(3)圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人：
圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人。包括上下圓盤的旋轉(zhuǎn)臺(tái)相對(duì)于包括上下固定板的框架 旋轉(zhuǎn)。絲杠和導(dǎo)桿安裝在上下圓盤上。第一螺母總成安裝到絲杠。第二螺母安裝 到導(dǎo)桿，第一螺母總成和第二螺母安裝在移動(dòng)件上。軸結(jié)構(gòu)包括：具有縱向空腔的內(nèi)軸，外軸和一中間軸，它們與內(nèi)軸同心并可分開地旋轉(zhuǎn)。設(shè)有一對(duì)臂驅(qū)動(dòng)軸的臂支撐框架安裝在軸結(jié)構(gòu)上。設(shè)有第一、第二和第三驅(qū)動(dòng)裝置，相對(duì)于框架旋轉(zhuǎn)臺(tái)，相對(duì)于旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)絲杠，并相對(duì)于旋轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)各軸。
(4)關(guān)節(jié)式坐標(biāo)機(jī)器人：
這類機(jī)器人由兩個(gè)肩關(guān)節(jié)和一個(gè)肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由2個(gè)或3個(gè)腕關(guān)節(jié)進(jìn)行定向。這種構(gòu)件動(dòng)作靈活，工作空間大，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，關(guān)節(jié)上相對(duì)運(yùn)動(dòng)部位容易密封防塵，這類機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)學(xué)反解困難；確定末端件的位姿不直觀，進(jìn)行控制時(shí)，計(jì)算量比較大[6]。
現(xiàn)在噴涂機(jī)器人絕大多數(shù)使用的是關(guān)節(jié)式坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，通過對(duì)以上4種形式的機(jī)器人的分析，關(guān)節(jié)式機(jī)器人由于其動(dòng)作的靈活性、工作空間大、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、關(guān)節(jié)部位容易密封防塵的優(yōu)點(diǎn)，所以決定采用這種結(jié)構(gòu)形式。本方案設(shè)計(jì)的噴涂機(jī)器人只需5個(gè)自由度就能滿足要求，分別是：機(jī)身±110o；下臂前俯30o,后仰10o；上臂俯仰±30o；腕轉(zhuǎn)±110o；腕擺±110o。
2.2 工作空間的設(shè)計(jì)
圖2.2是機(jī)器人工作空間的示意圖，圖中，、分別為大臂、小臂的長(zhǎng)度；、分別為大臂的仰俯角度；、分別為小臂的仰俯角度。
根據(jù)工作空間的范圍：長(zhǎng)×寬×高=2600×1200×900，結(jié)合示意圖2.2可以得到以下關(guān)系式：
2(12l1+l2)=2600 （2-1）
l1cosθ1min+l2sin(θ1min+θ2min)+l2sin(θ2min+θ2max)- l1cosθ1max=900 （2-2）
(l1sinθ1max + l2 ) (1+sin(θ1max-θ1min))=1200 （2-3）
圖2.2 噴涂機(jī)器人工作空間示意圖
由于=10°，=30°，=30°，=30°，將數(shù)據(jù)代入上述關(guān)系式可以求解得到：
取整得l1=1100mml2=1200mm
2.3驅(qū)動(dòng)方式的確定
機(jī)器人驅(qū)動(dòng)就是機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行裝置。執(zhí)行裝置就是按照電信號(hào)的指令,將來自電、液壓和氣壓等各種能源轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)等方式的機(jī)械能的裝置。按利用的能源來分類,主要可分為電動(dòng)執(zhí)行裝置、液壓執(zhí)行裝置和氣動(dòng)執(zhí)行裝置。
a 直接驅(qū)動(dòng)電機(jī):
優(yōu)點(diǎn):不用齒輪減速器直接驅(qū)動(dòng),因此具有無間隙、摩擦小、機(jī)械剛度高等優(yōu)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的位置控制和微笑力控制。
缺點(diǎn):因?yàn)闆]有減速機(jī)構(gòu),所以容易受載荷的影響。
種類：直流力矩電機(jī) 無刷直流電機(jī) VR式電機(jī)等
b 液壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn):
優(yōu)點(diǎn):(1)容易獲得比較大的扭矩和功率。
(2)功率/重量比大,可以減少執(zhí)行裝置的體積。
(3)剛度高,能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高精度的位置控制。
(4)通過流量控制可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。
缺點(diǎn):(1)必須對(duì)油的溫度和污染進(jìn)行控制,穩(wěn)定行較差。
(2)有因漏油而發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)。
(3)液壓油源和進(jìn)油、回油管路等附屬設(shè)備占空間大。
c 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn):
優(yōu)點(diǎn):(1)利用氣缸可以實(shí)現(xiàn)高速直線運(yùn)動(dòng)。
(2)利用空氣的可壓縮性容易實(shí)現(xiàn)力控制和緩沖控制
(3)無火災(zāi)危險(xiǎn)和環(huán)境污染。
(4)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格低。
缺點(diǎn):(1)由于空氣的可壓縮性,高精度的位置控制和速度控制都比較難,驅(qū)動(dòng)剛性比較差。
(2)雖然撞停等簡(jiǎn)單動(dòng)作速度較高,但在任意位置上停止的動(dòng)作速度很慢。
(3)噪音大。
由于直流電機(jī)換相器經(jīng)常維護(hù),電刷極易磨損,必須經(jīng)常更換,噪音比較大。交流伺服電動(dòng)機(jī)則一般驅(qū)動(dòng)功率較大且價(jià)額昂貴。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。即當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接受到一個(gè)脈沖信號(hào),它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(即步距角).優(yōu)點(diǎn):控制較容易,維修也較方便,而且控制為數(shù)字化?；诖耍x擇用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為涂裝機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式[7]。
2.4 傳動(dòng)方式的確定
1) 齒輪傳動(dòng):具有響應(yīng)快，扭矩大，剛性好，可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)反方向的改變和復(fù)合傳動(dòng)的特點(diǎn),軸間距不大,應(yīng)用腰、腕關(guān)節(jié)。
2) 鏈傳動(dòng):具有速比小，扭矩大，剛度與張緊裝置有關(guān)的特點(diǎn),軸間距大,應(yīng)用腕關(guān)節(jié)。
3) 渦輪傳動(dòng):具有大速比，交錯(cuò)軸，體積小，回差小，響應(yīng)快，剛度好，轉(zhuǎn)矩大，效率低，發(fā)熱大的特點(diǎn),軸間交錯(cuò)不大,應(yīng)用腰關(guān)節(jié)，手爪機(jī)構(gòu)。
4) 齒形帶傳動(dòng):具有速比小，轉(zhuǎn)矩小，剛性差，無間隙的特點(diǎn),軸間距大,應(yīng)用各關(guān)節(jié)的一級(jí)傳動(dòng)。
5) 鏈傳動(dòng): 具有速比小，扭矩大，剛度與張緊裝置有關(guān)的特點(diǎn),軸間距大, 應(yīng)用腕關(guān)節(jié)。
根據(jù)對(duì)以上各種傳動(dòng)方式的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合等分析，針對(duì)噴涂機(jī)器人，機(jī)身的轉(zhuǎn)動(dòng)采用兩級(jí)齒輪傳動(dòng)；大臂和小臂的擺動(dòng)采取步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)；腕部的轉(zhuǎn)動(dòng)通過一級(jí)鏈傳動(dòng)和一級(jí)錐齒輪傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)；腕部的擺動(dòng)直接通過兩級(jí)鏈傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。為減輕自重，將小臂電機(jī)裝在大臂伸出板上，同時(shí)將腕部的電機(jī)安裝在大臂的底部以降低重心。
2.5平衡方式的選擇
得到采用彈簧平衡方法，其能夠減小手把手示教負(fù)載，也減小大、小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作負(fù)載。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減小占地面積。
下圖是噴涂機(jī)器人的總體裝配示意圖：
1-機(jī)身 2-小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī) 3-大臂 4-腕部驅(qū)動(dòng)電機(jī) 5-小臂 6-機(jī)身驅(qū)動(dòng)電機(jī)
圖2.3 噴涂機(jī)器人總體裝配示意圖
3 機(jī)身的設(shè)計(jì)
3.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇
3.1.1步進(jìn)機(jī)選擇的注意事項(xiàng)
1) 一般應(yīng)選用力矩比實(shí)際需要大百分之五十到百分之百的步進(jìn)電機(jī)，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)不能過負(fù)載運(yùn)行，即便是瞬間過載都可能造成失步、停轉(zhuǎn)或不規(guī)則原地來回作動(dòng)。
2) 上位控制器輸入的脈沖電流必須夠大（一般要>10mA），以確保光電耦合器穩(wěn)定導(dǎo)通，否則會(huì)導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)失步；如果輸入脈沖頻率過高，會(huì)因個(gè)別脈沖接收不到，導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)失步。
3) 啟動(dòng)頻率不應(yīng)太高，應(yīng)在啟動(dòng)程序中設(shè)置加速過程，即從規(guī)定的啟動(dòng)頻率開始，加速到設(shè)定頻率，否則就可能不穩(wěn)定，甚至處于惰態(tài)。
4) 電機(jī)如果未固定好，造成強(qiáng)烈共振，也會(huì)導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)失步。
5) 應(yīng)了解步進(jìn)電機(jī)的固有弱點(diǎn)：輸入脈沖頻率過高，易導(dǎo)致丟步；輸入脈沖頻率過低，易出現(xiàn)共振；轉(zhuǎn)速偏高時(shí)扭矩降低明顯。
6) 應(yīng)了解最新型步進(jìn)電機(jī)的性能，必要時(shí)選用采用了最新控制技術(shù)的高級(jí)步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，高級(jí)系統(tǒng)既可以使步進(jìn)電機(jī)在高速狀態(tài)下減少共振，還能運(yùn)用減少步進(jìn)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的技術(shù)，增加電機(jī)在高速狀態(tài)下的扭矩[8]。
圖3.1傳動(dòng)示意簡(jiǎn)圖
3.1.2 步進(jìn)機(jī)的選擇
M = M+M (3-1)
M為慣性力矩，M為摩擦力矩。
M= (3-2)
令=0.5s, =1.05rad/s[10]
由同組計(jì)算得出：
I大=5.53kg.m2，m=20kg
I小=7.65kg.m2，m=30kg
大臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, 小臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
m為大臂質(zhì)量, m小臂質(zhì)量
代入公式（3-2）得：M=26.36N.m
M=0.1 M (3-3)
代入公式（3-1）得：M=29.3N.m
即T輸出=29.3N.m
M電機(jī)=M/ia
傳動(dòng)比為ia=14.65
i1=1.4i2
i1=4.5，i2=3.2
1軸（高速軸）：T1=To?i0?η01=M電機(jī) (3-4)
2軸（中間軸）：T2=T1?i1?η12
3軸（低速軸）：T3=T2?i2?η23=29.3N?m
得出T1=M電機(jī)=2.085N.m，T2=9.27N.m
表3.1下面是一些常州市新月電機(jī)有限公司的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)
圖3.2步進(jìn)電機(jī)外形簡(jiǎn)圖
綜合考慮步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)距和尺寸，選擇步進(jìn)電機(jī)為86BYG3501型號(hào)[11] T=2.5N.m。
即T1=2.5N.m
由（3-4）再次計(jì)算得出：
i1=4.2, i2=3
T2=10.37N.m，T3=30.74N.m>M 滿足條件
3.1.3 各軸轉(zhuǎn)速
n1=nmi0 （3-5）
式中 nm—電動(dòng)機(jī)滿載轉(zhuǎn)速r/min；i0—電動(dòng)機(jī)軸至1軸的傳動(dòng)比。
高速軸：n1=n2i1=30*4.2=126 r/min
中間軸：n2=n3i2=10*3=30 r/min
低速軸：n3=w×602π=10 r/min
3.1.4 各軸轉(zhuǎn)矩
T1=Td?i0?η01 （3-6）
將參數(shù)代入（3-6）得
高速軸： T1=T0?i0?01=2.5?1?1=2.5N?m
中間軸：T2=T1?i1?12=2.5?4.2?0.988=10.37N?m
低速軸：T3=T2?i2?23=10.37?3?0.988=30.74N?m
3.1.5 制作參數(shù)表
將上述計(jì)算結(jié)果列入表中，供以后設(shè)計(jì)計(jì)算使用
表3.2 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)表
軸
轉(zhuǎn)矩T(N?m)
轉(zhuǎn)速n(r/min)
電動(dòng)機(jī)軸
2.5
126
1軸（高速軸）
2.5
126
2軸（中間軸）
10.37
30
3軸（低速軸）
30.74
10
3.2 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.2.1高速齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算
a.選擇齒輪的類型、材料、精度和齒數(shù)
（1）按已知條件，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
（2）大小齒輪材料采用45鋼調(diào)質(zhì)處理，硬度為HBS217-255，可以提高大齒輪
齒面的疲勞
（3）精度選擇7級(jí)精度。
（4）選擇小齒輪齒數(shù)z1=20，則z2=uz1=4.2*20=84
b.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
根據(jù)以下設(shè)計(jì)公式進(jìn)行計(jì)算：
d1t≥2.323KtT1?d?u±1u?ZεZEσH2 （3-7）
（1）確定上式中的各參數(shù)
① 試選載荷系數(shù)Kt=1.3；
② 小齒輪傳遞的扭矩為：T1=2N.m
③ 查設(shè)計(jì)手冊(cè):選齒寬系數(shù)?d=0.6；
彈性影響系數(shù)ZE=189.8 MPa ；
查得大、小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為
σHlim1=730 MPa ，σHlim2=670 MPa
④ 重合度系數(shù) Zε ，端面重合度
εa==1.88-3.32120+184cos00=1.677 （3-8）
Zε=4-εa3=4-1.6773=0.88 （3-9）
⑤ 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
N1=60n1jLh=60×126×1×300×10×8=1.8×108 次
N2=1.8×1084.2=0.43×108 次
⑥ 查設(shè)計(jì)手冊(cè)，得接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=1.12，KHN2=1.21；
⑦ 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力：取安全系數(shù)S=1，則
σH1=KHN1σHlim1S=1.12×730=817.6MPa
σH2=KHN2σHlim2S=1.21×670=810.7MPa
（2）計(jì)算
① 將σH中的較小的值代入公式（3-7）得
d1t≥2.323KtT1?d?u±1u?ZεZEσH2=2.32×31.3×25000.6?5.23.2?189.8×0.88810.72 = 16.52
② 計(jì)算小齒輪分度圓圓周速度v
v=πd1tn160×1000=π×16.52×12660×1000=0.11ms （3-10）
③ 計(jì)算齒寬b （3-11）
b=?dd1t=0.6×16.52=9.91mm
④ 計(jì)算齒寬和齒高之比b/h （3-12）
模數(shù)mt=d1tz1=16.5220=0.83mm
齒高h(yuǎn)=2.25mt=2.25×0.83=1.87mm （3-13）
bh=9.91/1.87=5.3
⑤ 計(jì)算載荷系數(shù)
查設(shè)計(jì)手冊(cè)，由v=0.11ms，7級(jí)精度得Kv=1.05
KHα=KFα=1 KA=1.25 KHβ=1.25 KFβ=1.17
∴ 載荷系數(shù)K=KAKVKHαKHβ=1×1.05×1.25×1.25=1.64 （3-14）
⑥ 按實(shí)際載荷系數(shù)修正d1t，
d1=d1t3KKt=15.31×31.641.3=16.54mm （3-15）
⑦ 計(jì)算模數(shù) m
m=d1z1=16.5420=0.83 （3-16）
c.按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)公式為
m≥32KT1?dz12YFaYSaYεσF （3-17）
（1）確定設(shè)計(jì)公式中的參數(shù)
① 查設(shè)計(jì)手冊(cè)，得大、小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限
σFE1=620 MPa，σFE2=570 MPa；
② 查設(shè)計(jì)手冊(cè)，得彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.915，KFN2=0.96；
③ 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力：取安全系數(shù)S=1.4則
σF1=KFN1σFE1S=0.915×6201.4=405.2 MPa
σF2=KFN2σFE2S=0.96×5701.4=390.86MPa
④ 計(jì)算載荷系數(shù)K
K=KAKVKFαKFβ=1×1.05×1×1.17=1.755
⑤ 查設(shè)計(jì)手冊(cè)，得齒形系數(shù)YFa1=2.8，YFa2=2.2；
⑥ 查設(shè)計(jì)手冊(cè)，得應(yīng)力校正系數(shù)YSa1=1.55，YSa2=1.78；
⑦ 計(jì)算重合度系數(shù)Yε=0.25+0.75εα=0.25+0.751.677=0.7；
⑧ 計(jì)算大、小齒輪YFaYSaσF的值
YFa1YSa1σF1=2.8×1.55405.2=0.011
YFa2YSa2σF2=2.2×1.78390.86=0.01
（2）計(jì)算齒輪模數(shù)
設(shè)計(jì)公式（3-17）中代人YFaYSaσF 中的較大值，得
m≥32KT1?dz12YFaYSaYεσF=32×1.755×2.5×1030.6×202×0.011=0.74
由計(jì)算結(jié)果可看出，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m略大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，但由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力僅與齒輪直徑有關(guān)，所以，可取由彎曲強(qiáng)度計(jì)算得的模數(shù)0.74，并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=1 mm。因按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑d1=16.54mm，這時(shí)需要修正齒數(shù)
z1=d1m=16.541=16.54，取z1=17
則 z2=uz1=4.2×17=71.4，取z2=72
d. 幾何尺寸計(jì)算
（1）計(jì)算分度圓直徑
d1=mz1=1×17=17mm d1取20
d2=mz2=1×72=72mm
（2）計(jì)算中心距
a=12d1+d2=1220+72=46mm
（3）計(jì)算齒輪寬度
b=?dd1=0.6×20=10.8mm
取 b2=12，b1=b2+5=17mm
e．按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核，根據(jù)式（9-8a）
250N
653MPa=810.7MPa
3.2.2 低速級(jí)齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
a.選擇齒輪的類型、材料、精度和齒數(shù)
（1）按已知條件，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
（2）大小齒輪材料采用45鋼調(diào)質(zhì)處理，硬度差為40HBS可以提高大齒輪齒面的疲勞。
（3）精度選擇7級(jí)精度。
（4）選擇小齒輪齒數(shù)z1=28，則z2=uz1=3×28=84
b.按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
根據(jù)以下設(shè)計(jì)公式進(jìn)行計(jì)算：
d1t≥2.323KtT1?d?u±1u?ZεZEσH2
（1）確定上式中的各參數(shù)
① 試選載荷系數(shù)Kt=1.3；
② 小齒輪傳遞的扭矩為： T3=30.74
③ 查設(shè)計(jì)手冊(cè):選齒寬系數(shù)?d=0.6；
彈性影響系數(shù)ZE=189.8 MPa ；
大、小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為
σHlim1=730 MPa ，σHlim2=670 MPa
④ 重合度系數(shù) Zε ，端面重合度
εa=1.88-3.32128+184cos00=1.725
Zε=4-εa3=4-1.7253=0.87
⑤ 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
N1=60n1jLh=60×10×1×300×10×8=1.44×107 次
N2=1.44×1073.2=0.45×107 次
⑥ 查設(shè)計(jì)手冊(cè)，得接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=1.28，KHN2=1.38；
⑦ 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力：取安全系數(shù)S=1，則
σH1=KHN1σHlim1S=1.28×730=1314MPa
σH2=KHN2σHlim2S=1.38×670=924.6MPa
（2）計(jì)算
① 將σH中的較小的值代入公式（3-1）得
d1t≥2.323KtT1?d?u±1u?ZεZEσH2 =2.32×31.3×30.74×1030.6?42?189.8×0.87924.62 =37.6 mm
② 計(jì)算小齒輪分度圓圓周速度v
v=πd1tn160×1000=π×37.6×1060×1000=0.019 ms
③ 計(jì)算齒寬b
b=?dd1t=0.6×37.6=22.56mm
④ 計(jì)算齒寬和齒高之比b/h
模數(shù)mt=d1tz1=37.628=1.34mm
齒高h(yuǎn)=2.25mt=2.25×1.34=3mm
bh=22.563=7.52
⑤ 計(jì)算載荷系數(shù)
查設(shè)計(jì)手冊(cè)，由v=0.019ms，7級(jí)精度得Kv=1
KHα=KFα=1.1 KA=1.25 KHβ=1.256 KFβ=1.17
∴ 載荷系數(shù)K=KAKVKHαKHβ=1.25×1×1.1×1.256=1.727
⑥ 按實(shí)際載荷系數(shù)修正d1t，
d1=d1t3KKt=37.6×31.7271.3=41.3mm
⑦ 計(jì)算模數(shù) m
m=d1z1=41.328=1.47
c. 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)公式為
m≥32KT1?dz12YFaYSaYεσF
（1）確定設(shè)計(jì)公式中的參數(shù)
① 查設(shè)計(jì)手冊(cè)，得大、小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限σFE1=620 MPa，σFE2=570 MPa；
② 查設(shè)計(jì)手冊(cè)，得彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN1=0.98，KFN2=0.99；
③ 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力：取安全系數(shù)S=1.4則
σF1=KFN1σFE1S=0.98×6201.4=607.6MPa
σF2=KFN2σFE2S=0.99×5701.4=403 MPa
④ 計(jì)算載荷系數(shù)K
K=KAKVKFαKFβ=1.25×1.1×1×1.17=1.61
⑤ 查設(shè)計(jì)手冊(cè)，得齒形系數(shù)YFa1=2.55，YFa2=2.2；
⑥ 查設(shè)計(jì)手冊(cè)，得應(yīng)力校正系數(shù)YSa1=1.61，YSa2=1.78；
⑦ 計(jì)算重合度系數(shù)Yε=0.25+0.75εα=0.25+0.751.725=0.685；
⑧ 計(jì)算大、小齒輪YFaYSaσF的值
YFa1YSa1σF1=2.55×1.61607.6=0.00676
YFa2YSa2σF2=2.2×1.78403=0.0088
（2）計(jì)算齒輪模數(shù)
設(shè)計(jì)公式中代人YFaYSaσF 中的較大值，得m≥32KT1?dz12YFaYSaYεσF=1.23mm由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m略大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，但由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力僅與齒輪直徑有關(guān)，所以，可取由彎曲強(qiáng)度計(jì)算得的模數(shù)1.23并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=2 mm。因按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑d1=41.3mm這時(shí)需要修正齒數(shù)
z1=d1m=41.32=20.65，取z1=21
則 z2=uz1=3×21=63
d.幾何尺寸計(jì)算
（1）計(jì)算分度圓直徑
d1=mz1=2×21=42 mm
d2=mz2=2×63=126mm
（2）計(jì)算中心距
a=12d1+d2=1242+126=84 mm
（3）計(jì)算齒輪寬度
b=?dd1=0.6×42=25.2mm
取 b2=26，b1=b2+5=31mm
c．按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核.
1464N
782.87MPa=924.6MPa
3.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是確定軸的結(jié)構(gòu)形狀、各部分的直徑長(zhǎng)度等全部尺寸。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足下列基本要求：保證軸及軸上零件有準(zhǔn)確的工作位置，固定可靠；軸上零件的拆裝和調(diào)整方便，軸具有良好的制造工藝性；軸的結(jié)構(gòu)有利于提高軸的強(qiáng)度、減輕應(yīng)力集中等。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般步驟如下：
1)初估軸的直徑
各軸可按承受純扭矩并降低許用應(yīng)力（考慮彎矩的影響）的辦法來初估各軸的直徑d，其分式寫為：
d=A3pn （3-18）
式中：P—軸所傳遞的功率,kw；n—軸的轉(zhuǎn)速，r/min；A為軸的材料及承載情況確定的系數(shù)，可查有關(guān)教材。對(duì)于非外伸軸，初估直徑常作為與傳動(dòng)零件相配合的直徑（A取大值），并圓整為標(biāo)準(zhǔn)值；對(duì)于外伸軸，初估直徑作為外伸軸端直徑（A取小值），并圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，若外伸軸有外接零件（聯(lián)軸器等），d應(yīng)與外接零件孔徑一致（必要時(shí)作適當(dāng)調(diào)整），并滿足鍵的強(qiáng)度要求。
2)擬定軸上零件的轉(zhuǎn)配方案并選擇支承的結(jié)構(gòu)型式
軸上零件的裝配方案及軸支承結(jié)構(gòu)型式的不同，軸的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸也將不同，可通過分析比較選擇一個(gè)好的方案。
3)在上述1、2步驟的基礎(chǔ)上，考慮對(duì)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求，確定軸各段直徑及長(zhǎng)度。
3.3.1 高速軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1)初步確定軸的最小直徑
根據(jù)公式（3-5）初步確定軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查設(shè)計(jì)手冊(cè)，取A=110
P1=T1nw9550ηw=2.5×1269550×0.95×0.98=0.0354KW
dmin= A3pn=11030.0354126=7.2mm
2) 作用在齒輪上的力
Ft=2T1d=2×2.50.02=250N
Fr=Fttg20°=91N
輸入軸的最小直徑是用于安裝聯(lián)軸器。為使所選直徑d1與聯(lián)軸器的孔徑相適應(yīng)，故需同時(shí)選取聯(lián)軸器型號(hào)。
聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tca=KAT，考慮扭矩變化很小，取KA=1.3，則
Tca=KAT=1.3×2.5=3.25N?m
查設(shè)計(jì)手冊(cè)，選用YL3型凸緣聯(lián)軸器，公稱轉(zhuǎn)矩為25N?m[12]。從動(dòng)端半聯(lián)軸器的孔徑d=14mm，所以選取軸徑d1=14mm；與軸配合的得孔長(zhǎng)度為L(zhǎng)=27mm，為保證軸端擋圈只壓在半聯(lián)軸器上而不壓在軸的端面上，軸長(zhǎng)L1應(yīng)略短于L，取L1=25mm。
3)擬定軸上零件的裝配方案
圖3.1 高速軸擬定裝配方案
左側(cè)軸承與擋油環(huán)從左側(cè)裝入，右側(cè)軸承、擋油環(huán)及聯(lián)軸器從右側(cè)裝入，齒輪采用齒軸一體設(shè)計(jì)。
下面是軸承上的扭矩和彎矩圖
圖3.2 支承軸結(jié)構(gòu)及受力分析
4 )求軸上支反力及彎矩
表3.3截面3處的彎矩
載荷
水平面H
垂直面V
支反力R
彎矩M
總彎矩
扭矩T
T=2.5N.m
計(jì)算彎矩
5) 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
校核軸上承受最大計(jì)算彎矩的截面3處的強(qiáng)度
（3-19）
軸的材料為45鋼，查表11-1，。因此，故安全。
6)疲勞強(qiáng)度的校核
從應(yīng)力集中對(duì)軸的疲勞強(qiáng)度的影響來看，截面3處引起的應(yīng)力集中最嚴(yán)重，且所受力矩最大，所以只需校核截面3右側(cè)即可。
抗彎截面模量 W=0.1d3=0.1×203=800 mm
抗扭截面模量 WT=0.2d3=1600 mm
作用與截面3右側(cè)的彎矩M為
M=4.3N.m
作用與截面3上的彎矩M為
T3=2.5N.M
截面3右側(cè)的彎曲應(yīng)力
σb=MW=4.3800=5.375MPa
截面3右側(cè)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
τT= T3WT=2.51600=1.56MPa
軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)。查表得σB=640 MPa，σ-1=275MPa，τ-1=155MPa.
截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)及設(shè)計(jì)手冊(cè)選取。因查值得
=2.1， =1.7
查圖2-8可得軸的材料的敏感系數(shù)
qσ=0.7 qτ=1.7
所以有效應(yīng)力集中系數(shù)為
kσ=1+qσ(ασ-1)=1.77
kτ=1+qτ(ασ-1)=1.5
查圖2-9得尺寸系數(shù)0.84、0.92
查圖2-11得表面質(zhì)量系數(shù)為 βσ=0.85,βr=0.91
軸按磨削加工，則綜合系數(shù)值為
Kσ=kσεα+1βσ-1=2.28
Kτ=kτετ+1βr-1=1.73
由材料系數(shù)取φσ=0.1 φr=0.05
計(jì)算安全系數(shù)Sca
Sσ= σ-1 Kσσb+Kσσm=22.5
Sτ= τ-1 Kττα+φττm=111.64
Sca=SσSτSσ2+Sτ2=22.1>S=1.5
所以安全
3.3.2 中間軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1)初步確定軸的最小直徑
根據(jù)公式（3-5）初步確定軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查設(shè)計(jì)手冊(cè)，取A=110 則
dmin= A3pn=11030.03530=11.58mm
輸入軸的最小直徑是用于安裝滾動(dòng)軸承。為使所選直徑d1與滾動(dòng)軸承的孔徑相適應(yīng)，故需同時(shí)選取滾動(dòng)軸承的型號(hào)。根據(jù)計(jì)算的最小直徑，查設(shè)計(jì)手冊(cè)，選取深溝球軸承6001，d×D×B=12×28×8，故取最小軸徑d1=12mm。
2)求作用在齒輪上的力
Ft1=2T2d1=2×10.370.072=288N
Fr1=Ft1tg20°=104.8N
Ft2=2T2d2=2×10.370.042=493.8N
Fr2=Ft2tg20°=179.7N
3)擬定軸上零件的裝配方案
圖3.3 中間軸擬定裝配方案
圓柱齒輪、套筒、擋油環(huán)和滾動(dòng)軸承從軸的左端裝入，右端滾動(dòng)軸承和擋油環(huán)從右端裝入。
下面是軸承上的扭矩和彎矩圖
圖3.4 支承軸結(jié)構(gòu)及受力分析
4)求軸上支反力及彎矩
表3.4截面3處的彎矩
載荷
水平面H
垂直面V
支反力R
彎矩M
總彎矩
扭矩T
T=10.37N.m
計(jì)算彎矩
5) 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
校核軸上承受最大計(jì)算彎矩的截面3處的強(qiáng)度
σca =McaW=26.72195.2×1000=12.17MPa
軸的材料為45鋼，查表11-1，。因此，故安全。
6)疲勞強(qiáng)度的校核
抗彎截面模量 W=0.1d3=0.1×283=2195.2 mm
抗扭截面模量 wT=0.2d3=4390.4 mm
作用與截面3左側(cè)的彎矩M為
M=26.7N.m
作用與截面3上的彎矩M為
T3=0N.M
截面3左側(cè)的彎曲應(yīng)力
σb=MW=26.72195.2=12.17MPa
截面3左側(cè)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
τT= T3WT=O1600=0MPa
軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)。查表得σB=640MPa，σ-1=275MPa，τ-1=155MPa.
截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)及查設(shè)計(jì)手冊(cè)選取。因
rd=0.328=0.011, Dd=3028=1.07查值
ασ=2.1
查圖2-8可得軸的材料的敏感系數(shù)
qσ=0.75
所以有效應(yīng)力集中系數(shù)為
kσ=1+qσ(ασ-1)=1.825
查圖2-9得尺寸系數(shù)0.88
查圖2-11得表面質(zhì)量系數(shù)為 βσ=0.85
軸按磨削加工，則綜合系數(shù)值為
Kσ=kσεα+1βσ-1=2.25
由材料系數(shù)取φσ=0.1
計(jì)算安全系數(shù)Sca
Sσ= σ-1 Kσσb+φσσm=9.62>S
所以安全
3.3.3 低速軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1)初步確定軸的最小直徑
根據(jù)公式（3-5）初步確定軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查設(shè)計(jì)手冊(cè)，取A=110 則
dmin= A3pn=11030.035×0.97×0.98810=16.47mm
2)求作用在齒輪上的力
Ft=2T1d=2×30.740.126=487.94N
Fr=Fttg20°=177.6N
輸入軸的最小直徑是用于安裝聯(lián)軸器。為使所選直徑d1與聯(lián)軸器的孔徑相適應(yīng)，故需同時(shí)選取聯(lián)軸器型號(hào)。
聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩Tca=KAT，考慮扭矩變化很小，取KA=1.3，則
Tca=KAT=1.3×30.74=40 N?m
3)擬定軸上零件的裝配方案
圖3.5低速軸擬定裝配方案
圓柱齒輪、套筒、擋油環(huán)和滾動(dòng)軸承從軸的左端裝入，右端滾動(dòng)軸承和擋油環(huán)從右端裝入。
下面是軸承上的扭矩和彎矩圖
圖3.6 支承軸結(jié)構(gòu)及受力分析
4)求軸上支反力及彎矩
表3.5截面3處的彎矩
載荷
水平面H
垂直面V
支反力R
彎矩M
總彎矩
扭矩T
T=30.74N.m
計(jì)算彎矩
5)按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
校核軸上承受最大計(jì)算彎矩的截面3處的強(qiáng)度
σca =McaW=34.446400×1000=5.38MPa
6)疲勞強(qiáng)度的校核
從應(yīng)力集中對(duì)軸的疲勞強(qiáng)度的影響來看，截面3處引起的應(yīng)力集中最嚴(yán)重，且所受力矩最大，所以只需校核截面3左側(cè)即可。
抗彎截面模量 W=0.1d3=0.1×403=6400mm
抗扭截面模量 WT=0.2d3=12800 mm
作用與截面3左側(cè)的彎矩M為
M=13.54N.m
作用與截面3上的彎矩M為
T3=30.74N.M
截面3左側(cè)的彎曲應(yīng)力
σb=MW=13.546400=2.1MPa
截面3左側(cè)的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力
τT= T3WT=30.7412800=2.4MPa
軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)。查表得σB=640MPa，σ-1=275MPa，τ-1=155MPa.
截面上由于軸肩而形成的理論應(yīng)力集中系數(shù)及查設(shè)計(jì)手冊(cè)選取。因
rd=140=0.025, Dd=6040=1.5查值得
=2.1， =1.7
查圖2-8可得軸的材料的敏感系數(shù)
qσ=0.75 qτ=0.8
所以有效應(yīng)力集中系數(shù)為
kσ=1+qσ(ασ-1)=1.825
kτ=1+qτ(ασ-1)=1.56
查圖2-9得尺寸系數(shù)0.85、0.75
查圖2-11得表面質(zhì)量系數(shù)為 βσ=0.9,βr=0.94
軸按磨削加工，則綜合系數(shù)值為
Kσ=kσεα+1βσ-1=2.26
Kτ=kτετ+1βr-1=1.9
由材料系數(shù)取φσ=0.1 φτ=0.05
計(jì)算安全系數(shù)Sca
Sσ= σ-1 Kσσb+Kσσm=57.94
Sτ= τ-1 Kττα+φττm=66.24
Sca=SσSτSσ2+Sτ2=43.6>S=1.5
所以安全
3.4 軸承的校核
3.4.1 高速軸的壽命計(jì)算
由圖3.1可知軸上的安裝軸承處直徑為20mm，所以選擇深溝球軸承16004 Cr=6.08KN,Car=3.78KN。
由公式：
Lh=10660n(ftCP)εh
計(jì)算軸承壽命。
n=126r/min C=3780N ε=3
由表3.3 p=RN12+Rv12=301N
查表得，溫度系數(shù)ft=1
代入得Lh=2.6×105，滿足使用要求
3.4.2 中間軸的壽命計(jì)算
由圖3.2可知軸上的安裝軸承處直徑為28mm，所以選擇深溝球軸承16006 Cr=6.08KN,Car=3.78KN[13]。
由公式：
Lh=10660n(ftCP)εh
計(jì)算軸承壽命。
n=30r/min C=3780N ε=3
由表3.4 p=RN12+Rv12=1255N
查表得，溫度系數(shù)ft=1
代入得Lh=1.52×104，滿足使用要求
3.4.3 低速軸的壽命計(jì)算
由圖3.5可知軸上的安裝軸承處直徑為40mm，由于軸要承受軸向和徑向力,所以選擇雙列深溝球軸承Cr=65.5KN,Cor=37.5KN。
由圖3.5看出R有兩部分組成，第一部分為軸上所受的支反力，表3.5已算出:
429N, 89N
經(jīng)計(jì)算，，,
所以
（3-20）
，查表13-5得
，查表13-5得
查表載荷系數(shù)=1.2，軸承當(dāng)量動(dòng)載荷為
（3-21）
（3-22）
由公式
計(jì)算軸承壽命。
10r/min
C=37500N
10/3
查表13-7，溫度系數(shù)=1
代入得Lhh=3.6×106,滿足使用要求
3.5 腰部?jī)?nèi)部電纜安裝方式
機(jī)器人上安裝有電機(jī)等電氣元件。這些電氣元件，一般都隨著機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。安裝在機(jī)器人腰部的內(nèi)部電纜，將各運(yùn)動(dòng)的電氣元件與機(jī)器人基座上的固定不動(dòng)的插頭座連接起來。這樣，連接機(jī)器人與控制柜的外部電纜就不會(huì)隨著機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)而擺動(dòng)。安裝在機(jī)器人腰部的電纜結(jié)構(gòu)，要保證各個(gè)電路從運(yùn)動(dòng)端到固定端的連接。
目前常用的腰部電纜安裝結(jié)構(gòu)有兩種：
1) 電纜由腰部回轉(zhuǎn)軸穿過。
當(dāng)腰部左右回轉(zhuǎn)時(shí)，在軸中心穿過的電纜則擰成麻花型。由于機(jī)器人腰部一般左右回轉(zhuǎn)不超過±180o，所以通過軸中心的電纜扭轉(zhuǎn)角度最大不超過180o。這種電纜安裝結(jié)構(gòu)要求腰部的回轉(zhuǎn)軸有一定的長(zhǎng)度，中心通孔的直徑要足夠大，電纜要柔軟而易彎曲，外皮要堅(jiān)固耐磨。
2）將腰部電纜支撐多圈圓柱型彈簧式。
彈簧式電纜的上端與機(jī)器人內(nèi)部電纜相連，下部與機(jī)器人機(jī)座上下不動(dòng)的外部電纜相連。當(dāng)機(jī)器人腰部作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧被扭轉(zhuǎn)，最大扭矩角度不超過±180o。彈簧式是將電纜綁在彈簧骨架上制成的。彈簧式電纜要具有一定的彈性，直徑D要盡量小，圈數(shù)不能太少，以保證直徑變化量△D不會(huì)太大。在腰部結(jié)構(gòu)上腰保證彈簧直徑變化所需的活動(dòng)空間[15]。
結(jié) 論
這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題是對(duì)噴涂機(jī)器人人的一個(gè)簡(jiǎn)單分析與研究,本人設(shè)計(jì)的是機(jī)身部分,在郭老師的指導(dǎo)和同組同學(xué)的幫助,經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的努力,終于基本上完成了本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容。本次設(shè)計(jì)獲得了不少知識(shí)和成果,完成了以下內(nèi)容:
1. 在翻閱大量機(jī)械資料后，不僅對(duì)噴涂機(jī)器人有了一定的認(rèn)識(shí)(噴涂機(jī)器人的發(fā)展歷史、意義、用途),而且也相應(yīng)的了解了一些其他工業(yè)機(jī)器人的知識(shí)。此次設(shè)計(jì)還幫助我對(duì)本專業(yè)進(jìn)行的復(fù)習(xí)與鞏固,學(xué)會(huì)了如何查找書籍來幫助自己。
2. 在同組同學(xué)進(jìn)行討論和郭老師指導(dǎo)之后，確定了一個(gè)總體方案,采用了二級(jí)減數(shù)器,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),關(guān)節(jié)式坐標(biāo)。
3. 對(duì)機(jī)身系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)次方案論證，最終確定采用86BYG3501步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、齒輪傳動(dòng)的方案，并繪制了機(jī)身部件圖以相當(dāng)數(shù)量的零件圖，對(duì)畫圖相關(guān)的知識(shí)有了進(jìn)一步了解。
由于本人學(xué)識(shí)不足、水平有限，加之時(shí)間倉促，設(shè)計(jì)中還有很多不足之處，希望老師能夠提出批評(píng)并多提指導(dǎo)意見，以便本人在今后的學(xué)習(xí)中改進(jìn)。
致 謝
在此，首先感謝我的指導(dǎo)老師郭剛老師。郭老師是一個(gè)治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、學(xué)識(shí)淵博的人，為人嚴(yán)肅但又不失和藹可親，郭老師的敬業(yè)精神和寬厚的人品都讓我受益匪淺。在郭老師的悉心指導(dǎo)下，我對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)從一團(tuán)糟到有了初步的認(rèn)識(shí)到明確了任務(wù)目標(biāo)，再到基本工作的組織和完成以及對(duì)工作任務(wù)的檢查和整理。通過這樣一個(gè)過程，使我更深一步地了解了噴涂機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)與用途。
其次感謝王璽、蔣明同學(xué)對(duì)我的幫助和指點(diǎn)。沒有他們的幫助和提供資料對(duì)于我一個(gè)對(duì)機(jī)器人一竅不通的人來說要想在短短的幾個(gè)月的時(shí)間里學(xué)習(xí)到機(jī)器人知識(shí)并完成畢業(yè)論文是幾乎不可能的事情。
?在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意！
最后再次感謝郭老師和我的同組同學(xué)以及其他所有幫助我的同學(xué)和老師!
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