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本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 36 頁 共 36 頁
1 引言
1．1 噴涂機器人的研究與應用
1.1.1 概述
從1962年美國研制出第一臺工業(yè)機器人以來，工業(yè)機器人至今已經(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)的勞動強度大，技術水平要求高，并且手工噴涂人員會因技術、體力等因素造成產(chǎn)品質量缺陷，因此為了改善勞動條件和提高產(chǎn)品質量產(chǎn)量降低成本，這個領域中大量地使用了機器人[1]。
國外從60年代開始研究噴漆機器人，直到60年代末挪威率先推出針對噴漆實際情況而設計的專用噴漆機器人。從此，噴漆機器人的研制和應用發(fā)展十分迅速，噴漆機器人在工業(yè)發(fā)達國家80年代已達到普及階段。例如美國的FUDGE公司和德國的HATEL公司以及總部設在瑞士的ABB公司等都生產(chǎn)了各種型號的噴涂機器人。它廣泛地應用于汽車、農(nóng)機、發(fā)動機，工程機械、機床、家電等大、中型企業(yè)的實際噴涂作業(yè)[2]。機器人噴涂作為工業(yè)機器人的一個主要應用領域，主要包括噴漆、等離子噴涂、靜電噴涂、高速火焰噴涂等幾大類，采用工業(yè)機器人噴涂成形工藝，不僅可以改善工藝操作環(huán)境，還可以對噴涂軌跡和過程進行數(shù)字化描述、精確控制，從而顯著提高噴涂成形工藝的質量和穩(wěn)定性[3]。
縱觀噴涂機器人這幾十年的發(fā)展，其經(jīng)歷了三次變革：第一次發(fā)生在1988年，從液壓傳動變成電傳動，第二次變革是從簡單的動作控制到過程控制，第三次變革是從2000年之后，利用電腦軟件控制機器人，實現(xiàn)為客戶定制機器人，比如可以控制機器人噴漆時的空氣流量和油漆流量、噴涂范圍和形狀以及噴涂的色彩種類等等[4]。目前，工業(yè)機器人在噴漆方面的應用比例美國可達12％，世界平均可達5.1％[5]。
我國的噴涂行業(yè)特別是在陶瓷行業(yè)普遍采用人工作業(yè)的方式進行施釉，工人勞動強度大，特別是對工人身體有巨大傷害。而我國的相關的噴涂機器人行業(yè)起步較晚，僅有上海交大研制的上海III號噴涂機器人，國家機械工業(yè)局北京自動化所研制的PJ一1噴涂機器人等幾種相關產(chǎn)品。
1.1.2 噴涂機器人的應用
西方發(fā)達國家90年代以來汽車涂裝中的各噴涂工序普遍實現(xiàn)了自動化，隨著科技的發(fā)展，近十年機器人在工業(yè)現(xiàn)場已呈現(xiàn)出廣泛使用的趨勢。由于使用機器人噴涂均勻性好，重復精確度遠遠高于人工，因此避免了手工噴涂人員因技術、情緒、體力等因素造成的產(chǎn)品質量缺陷，使工件噴涂質量有了根本性的保障。由于噴涂作業(yè)屬于有害作業(yè)，采用機器人作業(yè)可大大降低工人的勞動強度，提高生產(chǎn)效率，同時由于機器人在噴涂過程中流量、扇面、霧化的大小均可隨時調整，可大大減少油漆的損耗，提高油漆的利用率[6]。
噴涂機器人的離線編程技術現(xiàn)已比較成熟，其編程技術已普遍應用于機器人噴涂。而噴涂機器人智能上也有較大的發(fā)展，歐盟曲面噴涂項目已實現(xiàn)了對凸形零件的自動噴涂[7]。
在我國，噴涂機器人主要運用于汽車制造業(yè)。靜電噴涂、等離子噴涂、冷噴涂等噴涂技術應用于噴涂機器人上，使其噴涂質量有了一定的提高[8,9]。而近些年開發(fā)出的柔性仿形自動噴涂系統(tǒng)，使噴涂機器人在汽車生產(chǎn)中越來越高效、高自動化[10]。
隨著ABB公司開發(fā)出了小型IRB52噴涂機器人,使噴涂機器人被用于消費類電產(chǎn)
品（蘋果公司的IPOD）的噴涂。繼噴涂機器人用于消費電子產(chǎn)品的噴涂，其逐漸被包裝業(yè)、建筑業(yè)等行業(yè)使用。除了在工業(yè)上的應用，噴涂機器人還被用于軍事上，
聞名于全球的F-22飛機就是運用噴涂機器人對機身實施噴涂的[11]。
噴涂機器人的離線編程系統(tǒng)在未來將得到更成熟的發(fā)展和更廣泛的應用。實際應用中可能遇到更為復雜的曲面上的噴涂作業(yè)，這就涉及到曲面分片后的噴槍路徑組合問題以及每一片邊界上的噴槍軌跡優(yōu)化問題。面向復雜曲面的噴涂機器人噴槍軌跡優(yōu)化設計是下一步工作研究的方向[12]。隨著加工制造業(yè)的不斷發(fā)展和自動控制水平的不斷提高，機器人將在未來得到更加廣泛的應用。噴涂機器人技術也必然隨之不斷的提高和進步，其他各種適合不同需求的涂裝機器人也將在不久的將來得以實現(xiàn)。
1.1.3 噴涂機器人實例
TRALLFA噴涂機器人
該噴涂機器人是l969年在挪威研制成功的。挪威的TRALLFA公司抓住了噴漆作業(yè)要求連續(xù)不問斷的特點，使得該機型的設計是成功的， 目前這種機型占世界噴漆機器人總擁有量的8O%。該機器人手臂為多關節(jié)式，采用電液驅動，由電腦控制，是一種示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人。TRALLFA噴涂機器人手腕部分細長，近似于人的手腕，動作靈活，操作輕便，可伸到狹窄空間進行噴涂，手腕采用萬向節(jié)，易于示教，存儲裝置的存儲容量大，能實現(xiàn)連續(xù)軌跡和點位控制， 編程容易， 動作平滑。后來該公司還推出了TR-4000型噴涂機器人，其采用了多項新技術。執(zhí)行機構配有新的平衡系統(tǒng)；采用可簡化執(zhí)行機構動作編程的新型分離活塞油缸；新型控制裝置存儲容量很大，具有很強的編輯功能和自診斷功能。
PJ- 1型噴涂機器
我國第一臺國產(chǎn)噴涂機器人是PJ—1型噴涂機器人。由北京機械工業(yè)自動化研究所研制并生產(chǎn)，是具有微機控制、示教再現(xiàn)、電液伺服驅動、5個自由度、關節(jié)式噴涂機器人。該機器人解決了許多機器人存儲容量小的問題，使機器人示教時間超過了當時國際先進水平的TRALLFA—400經(jīng)濟型噴涂機器人，實際應用效果也與其相當。PJ—1型噴漆機器人是我國最成熟、應用量最多的機器人。
紫外線自噴涂裝設備
2003年日本推出一種紫外線自動噴涂設備，有噴涂槍和噴涂機器人兩種[13]。它采用低壓噴槍，可節(jié)省涂料20%~30%，減少了有機廢氣，并避免臭氧層的破壞，由于噴涂是用紫外線輻射，干燥時間短，涂層硬度高。
IRB52小型噴涂機器人
2007年，瑞士ABB公司推出新款機器人——IRB52[14]。其噴涂解決方案以其獨特的集成工藝系統(tǒng)（IPS）為核心，可幫助現(xiàn)代制造企業(yè)提高噴涂品質，優(yōu)化涂料消耗、縮短節(jié)拍時間，實現(xiàn)精確快速的工藝控制并簡化生產(chǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)的收集，全面提升了應用設備的人性化水平。
1．2 噴涂機器人的特點和組成
1.2.1 噴涂機器人的特點
噴涂機器人是一種機體獨立、動作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動化程度高的自動噴涂機械。噴涂機器人除了具有示教再現(xiàn)功能外，還具有操作靈活方便、占地小、操作空間大、手腕緊湊、負載輕、精度較低、防爆等特征。
噴涂機器人可分為專用和通用型。前者操作噴槍運動的自由度不大于4個，適合于大批量生產(chǎn)流水作業(yè)，對形態(tài)變化不大的工件表面進行噴涂，動作比較簡單。后者操作噴槍的自由度不少于5個，它能十分靈活地模仿人的手臂和手腕的動作，對各種復雜的空間曲面進行噴涂。
噴涂機器人的臂部運動形式多采用關節(jié)式。其手臂由大臂和小臂兩部分組成，大臂與小臂之間以及大臂與機身之間均有關節(jié)(鉸鏈)連接，并有人手臂的某些特征。多關節(jié)式手臂有較強的越障礙物的功能，動作范圍是四種形式中最大的，非常適合于噴涂作業(yè)。由于噴涂工作的表面形狀大多較復雜，數(shù)學模擬極為困難，所以通用噴涂機器人必須配備示教再現(xiàn)編程方式。
1.2.2 噴涂機器人的組成
噴涂機器人系統(tǒng)主要由執(zhí)行系統(tǒng)，驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及檢測機構組成，噴涂及其輔助設備沒有什么特殊要求。
圖1—1 ABB公司噴涂機器人
1．3 噴涂機器人發(fā)展趨勢
隨著機器人生產(chǎn)商為客戶定制機器人，噴涂機器人需在以下幾個方面進一步展，
以滿足越來越多客戶的使用需求，使噴涂機器人的應用范圍更為廣泛。
（1）為客戶提供更加完整的解決方案，設計出超越客戶所提要求的機器人。
（2）研究和發(fā)展噴涂裝置的小型化，以滿足越來越多如消費類電子產(chǎn)品等小零
件的噴涂和特殊環(huán)境下的噴涂[15]。
（3）開發(fā)開放式結構機器人控制器，使用戶可以方便的擴展和改進其性能。
（4）實現(xiàn)噴涂機器人的模塊化，使其方便安裝和維護，并且緊湊可靠[16]。
（5）優(yōu)先考慮“系統(tǒng)發(fā)展方式”，實現(xiàn)噴涂機器人與外界設備的互聯(lián)和協(xié)調工作，
并制定機器人語言規(guī)范，特別是動作級的編程語言規(guī)范[17]。
（6）大力研究開發(fā)對復雜自由曲面進行無人干涉的全過程自動噴涂的智能噴涂
系統(tǒng)。
1．4 課題研究意義
隨著國際制造業(yè)交流的日益廣泛，中國的制造業(yè)正面臨著與國際接軌，參與國際競爭的局面。適應快速變化的國內外市場需求，以高質量、低成本、快速反應的手段在市場中取得生存和發(fā)展是我國企業(yè)必須向國外同行學習并提高自身競爭力的根本。工業(yè)機器人的出現(xiàn)很好的解決了傳統(tǒng)制造業(yè)中的一些難題，使得工業(yè)機器人在制造業(yè)中有很大的市場。噴涂機器人如今應用在很多領域，如噴釉機器人、噴漆機器人、噴漿機器人等。噴涂機器人的應用越來越廣泛，需求也越來越大，再加上其經(jīng)濟性也隨著科技的進步而愈發(fā)突出，所以對噴涂機器人的研究是相當有意義的。
本課題設計的是一種經(jīng)濟型的簡易噴涂機器人，能完成大小臂的俯仰，手腕的上下和左右擺動，機身的回轉運動，它可以應用于汽車車身噴涂生產(chǎn)線中，結構簡單實用。
2 總體方案設計
2．1 機械結構類型的確定
工業(yè)機器人的坐標形式有直角坐標型、圓柱坐標型、球坐標型、關節(jié)坐標型和平面關節(jié)型[18]。
（1）直角坐標式機器人
這種機器人的外形輪廓與數(shù)控鏜銑床或三坐標測量機相似。這種形式的主要特點
是：a.結構剛度高，多做成大型龍門式或框架式機器人；b.3個關節(jié)的運動相互獨立，沒有耦合，不影響手爪的姿態(tài)，運動學求解簡單，不產(chǎn)生奇異狀態(tài)；c.工件的裝卸、夾具的安裝等受到立柱、橫梁等構件的限制；d.占地面積大，動作范圍??；e.它的控制方式與數(shù)控機床類似；f.操作靈活性較差。
（2）圓柱坐標式機器人
SCARA機器人有3個旋轉關節(jié)，其軸線相互平行，在平面內進行定位和定向。
一個關節(jié)是移動關節(jié)，用于完成末端件在垂直于平面的運動。手腕參考點的位置是
由兩旋轉關節(jié)的角位移及移動關節(jié)的唯一決定。這類機器人結構輕便、響應快，運動速度比一般關節(jié)式機器人快數(shù)倍。它最適用于平面定位，垂直方向進行裝配的作業(yè)。
（3）球（極）坐標式機器人
這類機器人占地面積小，工作空間較大，移動關節(jié)不易防護。
（4）關節(jié)式機器人
這類機器人由兩個肩關節(jié)和一個肘關節(jié)進行定位，由2個或3個腕關節(jié)進行定向。這種構件動作靈活，工作空間大，在作業(yè)空間內手臂的干涉最小，結構緊湊，占地面積小，關節(jié)上相對運動部位容易密封防塵，這類機器人運動學較復雜，運動學反解困難；確定末端件的位姿不直觀，進行控制時，計算量比較大。
由上面中各種坐標形式的比較，初步選用關節(jié)坐標型。課題中要求實現(xiàn)噴涂機器人的連續(xù)軌跡控制（CP），查閱現(xiàn)代工業(yè)中實際使用的機器人，如挪威生產(chǎn)的TRALLFE噴涂機器人為關節(jié)型機器人，6自由度，采用示教—再現(xiàn)方式，既可實現(xiàn)點位控制，也可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，則最終確定噴涂機器人采用關節(jié)坐標型。
2．2 自由度數(shù)的確定
自由度是指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目，不應包括手抓（末端操作器）的開合自由度[19]。在三維空間中描述一個物體的位置和姿態(tài)（簡稱位姿）需要六個自由度。但是，工業(yè)機器人的自由度是根據(jù)其用途而設計的，可能小于六個自由度，也可能大于六個自由度。本課題設計要求機身左右旋轉110°，大臂前仰30°，后仰10°，小臂俯仰±30°，腕部左右擺動±110°，上下擺動±110°，因此可知噴涂機器人的自由度為五個。五個自由度中，機身的左右旋轉、大臂的前后俯仰和小臂的前后俯仰三個自由度實現(xiàn)噴涂機器人的位置移動，腕部的左右擺動和上下擺動兩個自由度實現(xiàn)噴涂機器人的姿態(tài)變化。
2．3 驅動方式的確定
驅動裝置是使機器人各個關節(jié)運行起來的傳動裝置。機器人的驅動方法一般有三種：液壓、氣動、電動[20]。
液壓驅動以高壓油為工作介質。液壓驅動機器人的抓取能力可達上百公斤，液壓力可達7MPa，結構緊湊，傳動平穩(wěn)且動作靈敏，但對密封的要求較高，且不宜在高溫或低溫的場合工作，要求的制造精度較高，成本較高。
氣壓傳動時最簡單的驅動方法，原理與液壓相似。這種機器人結構簡單，動作迅速，價格低廉。由于空氣具有可壓縮性，因此這種機器人的工作速度慢，穩(wěn)定性差；其氣壓一般為0.7MPa，故此類機器人適宜抓取力要求較小的場合。
電動傳動是目前在工業(yè)機器人中用得最多的一種，這不僅是因為電動機品種眾多可供選擇，更因為可以運用多種靈活的控制方法。電力驅動是利用各種電動機產(chǎn)生的力或力矩，直接或經(jīng)過減速機構驅動機器人，以獲得所需的位置、速度、加速度。電力驅動具有無環(huán)境污染，易于控制，運動精度高，成本低，驅動效率高等優(yōu)點。電力驅動可分為步進電動機驅動、直流伺服電動機驅動、無刷伺服電動機驅動等。
機器人的控制一般可分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制。查閱噴涂機器人實例，可知噴涂機器人多采用開環(huán)控制。步進電機一般用在開環(huán)伺服系統(tǒng)中，這種系統(tǒng)沒有位置反饋裝置，控制精度相對較低。交、直流伺服電機用于閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，這種系統(tǒng)中有位置反饋裝置，控制精度很高。
本課題中其噴涂機器人的位置精度不高，結合表2—1中各電機性能特點，確定噴涂機器人采用步進電動機進行驅動。
表2—1電機性能特性對比表
電機類型
分類
原 理
控 制
特 點
步進電機
可變磁阻式
永磁式
感應式
直接將電脈沖信號轉換成轉角，每輸入一個脈沖，步進電機就回轉一定的角度，其角度的大小與脈沖數(shù)成正比，旋轉方向取決于輸入脈沖的順序。
由脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器、功率放大器進行控制。
可在很寬的范圍內通過改變脈沖頻率來調速，能夠快速器動、反轉和制動，有較強的阻礙偏離穩(wěn)定的抗力?？刂凭炔桓?，輸出的轉矩隨著脈沖頻率的升高而減小，速度太高時會出現(xiàn)失步、振蕩以至停轉。
直流伺服電機
永磁式
他激式
并激式
串激式
直流電機有定子和轉子兩大部分組成，定子上有磁極（繞組式或永磁式），轉子有繞組，通電后，轉子上也形成磁場（磁極），定子和轉子的磁極之間有一個夾角，在定轉子磁場（N極和S極之間）的相互吸引下，是電機旋轉。改變電刷的位子，就可以改變定轉子磁極夾角（假設以定子的磁極為夾角起始邊，轉子的磁極為另一邊，由轉子的磁極指向定子的磁極的方向就是電機的旋轉方向）的方向，從而改變電機的旋轉方向。
由電樞控制或激磁控制。
電機的慣量小，快速響應性能好，可以頻繁地起動、制動、正反轉工作，換向性能好，壽命長，輸出力矩平穩(wěn)負載力矩變化時，對轉速的影響不大，機械特性很硬。
但電刷易磨損，且易形成火花。
續(xù)表2—1
交流伺服電機
同步
異步
與直流伺服電機的工作原理相似。
有幅值控制、相位控制、幅相控制等控制方法。
由于沒有電刷等磨損元件，比直流電機的結果簡單、運行可靠以及維修方便；外形尺寸?。荒茉谥剌d下高速運行；加速性能好；能實現(xiàn)動態(tài)制動；能實現(xiàn)平滑運動；控制復雜。
2．4 傳動方式的確定
傳動機構用來把驅動器的運動傳遞到關節(jié)和動作部位。機器人中常用的傳動機構有齒輪傳動、螺旋傳動、帶傳動及鏈傳動、流體傳動和連桿機構與凸輪傳動。下表2—2列出了一些常用傳動機構的性能對比表。
表2—2常用傳動性能對比表
序號
類別
特點
軸間距
應用場合
⑴
齒輪傳動
響應快，扭矩大，剛性好，可實現(xiàn)旋轉方向的改變和復合傳動
不大
腰、腕關節(jié)
⑵
諧波傳動
大速比，同軸線，響應快，體積小，重量輕，轉矩大
零
所有關節(jié)
⑶
擺線針輪行星
傳動（RV）
大比速，同軸線，響應快，剛性好，體積小，重量輕，回差小，轉矩大
零
前三關節(jié)，特別是腕關節(jié)
⑷
渦輪傳動
大比速，交錯軸，體積小，回差小，響應快，剛性好，轉矩大，效率低，發(fā)熱大
交錯
不大
腕關節(jié)
手抓機構
⑸
鏈傳動
速比小，扭矩大，剛性與張緊裝置有關
大
腕關節(jié)
⑹
齒形帶傳動
速比小，轉矩小，剛性差，無間隙
大
各關節(jié)的一級傳動
續(xù)表2—2
⑺
鋼帶傳動
速比小，轉矩小，剛性與張緊裝置有關，無間隙
大
腕關節(jié)
⑻
鋼繩傳動
速比小，無間隙
特大
腕關節(jié)，
手抓機構
⑼
連桿及搖塊傳動
回差小，剛性好，扭矩中等，可保持特定位移，速比不均
大
腕關節(jié)，臂關節(jié)
⑽
滾動螺旋傳動
效率高，精度好，剛性好，無回差，可實現(xiàn)運動方式改變，速比大
零
直動關節(jié)，
手抓機構
⑾
齒輪齒條傳動
效率高，精度好，剛性好，可實現(xiàn)運動方式改變
交錯
直動關節(jié)，手抓機構
工業(yè)機器人的傳動機構有以下幾項基本要求[21]：
（1）結構緊湊，即具有相同的傳動功率和傳動比時體積最小，重量最輕。
（2）傳動剛度大，即由驅動器的出軸到桿件的轉軸在相同的扭矩時角度變形要小，這樣可以提高整機的固有頻率，并大大減輕整機的低頻振動。
（3）回差要小，即由正轉到反轉時空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度。
（4）壽命長、價格低。
2.4.1 機身傳動方式的確定
由本課題中的設計要求可知，機器人的大臂連接在機座上，機座的旋轉帶動整個大小臂一起旋轉，實現(xiàn)噴涂機器人位置的變化，轉矩相比而言較大。
比較表2—2中的各種傳動方式的特點，結合實際要求初步選擇齒輪傳動和諧波傳動。查閱機器人中的常用的齒輪傳動機構可知行星齒輪傳動機構和諧波傳動機構是機器人上用得較多的。在本課題中采用漸開線圓柱直齒輪傳動。這種傳動的優(yōu)點是：①消除了軸向力，降低了對軸承和箱體的要求；②徑向力與傳動負載的大小成正比，對于壓力角為20°的標準齒輪，徑向力大約是傳動的0.35倍；③傳動的速度和功率范圍很大；④傳動效率高，高精度齒輪傳動效率可達99﹪；⑤瞬時傳動比恒定，工作平穩(wěn)性較高；⑥結構緊湊。但其傳動有噪音、沖擊和振動，且需要調隙[22]。
為了降低傳動過程中的噪音和振動，可以提高傳動齒輪的制造精度，這樣可明顯降低傳動過程中的噪音和振動，提高抗沖擊的能力，而且傳動間隙可減小，提高傳動的平穩(wěn)性。
2.4.2 大小臂傳動方式的確定
本課題設計中要求噴涂機器人的大臂繞大臂與機座的轉動中心前仰30°，后仰10°，小臂俯仰±30°。根據(jù)設計要求查看表2—2，初步選擇諧波傳動、滾動螺旋傳動。
滾動螺旋傳動有以下特點[22]：
①傳動效率高達0.9～0.98，平均為滑動螺旋的2～3倍，可節(jié)省動力1/2～3/4，
有利于主機的小型化及減輕勞動強度。
②摩擦力矩小，接觸剛度高，使溫升及熱變形減小，有利于改善主機的動態(tài)特性和提高工作精度。
③工作壽命長，平均可達滑動螺旋的10倍左右。
④傳動無間隙，無爬行，運轉平穩(wěn)，傳動精度高。
⑤具有很好的高速性能。
⑥具有傳動的可逆性，既可把旋轉運動變?yōu)橹本€運動，也可把直線運動轉化為旋轉運動，且逆?zhèn)鲃有逝c正傳動效率相近。
⑦已經(jīng)實現(xiàn)系列尺寸標準化，并出現(xiàn)了冷軋滾珠絲杠，提供了多用途的廉價產(chǎn)品，應用于精度要求不是很高的場合，節(jié)能并延長壽命。
諧波傳動相比滾動螺旋傳動，其剛度沒有后者高，傳動有間隙，傳動效率只達到
80﹪～90﹪，柔輪有疲勞問題，扭轉剛度低。最終選擇滾動螺旋傳動來實現(xiàn)大小臂的俯仰運動。
2.4.3 腕部傳動方式的確定
腕部是機器人的小臂與末端執(zhí)行器（手部或稱手抓）之間的連接部件，其作用是利用自身的活動度確定手部的空間姿態(tài)。手腕的驅動方式一般有遠程驅動和直接驅動兩種。直接驅動傳動線路短，剛度好，但腕部的尺寸和質量大，慣量大。本課題中采用遠程驅動，其電機安裝在機器人的大臂、機座或小臂遠端上，通過連桿、鏈條或其他傳動機構間接驅動腕部關節(jié)運動，因而手腕的結構緊湊，尺寸和質量小，對改善機器人的整體動態(tài)性能有好處。
本課題中噴涂機器人的腕部上下擺動并左右擺動，是二自由度手腕。根據(jù)表2—2，
初步選擇齒輪傳動和鏈傳動。
查閱資料，發(fā)現(xiàn)一小型電動噴涂機器人EP—500S。其為關節(jié)式結構，有5個自由度，操作機腕部布置兩個相互垂直的伺服軸，能方便地產(chǎn)生噴槍的姿態(tài)變化動作。小臂和減速機之間用鏈條、鏈輪傳動。這種機構既把大、小臂之間的運動分開，互不影響，又可實現(xiàn)小臂平衡機構的力矩傳遞。該機構緊湊，傳動簡單。
根據(jù)實例，本課題最終采用鏈條、鏈輪傳動，電機輸出動力后，由鏈條、鏈輪將運動上傳到小臂前端，再通過錐齒輪傳動給腕部，實現(xiàn)腕部的上下擺動和左右擺動。
2．5 平衡方式的確定
機身和臂部的運動較多，質量較大，如果運動速度和負載又較大，當運動狀態(tài)變化時，將產(chǎn)生沖擊和振動。這將不僅影響機器人的精確定位，甚至會使其不能正常運轉。為了提高工作平穩(wěn)性，在設計時應采取有效地緩沖裝置吸收能量。
臂桿作為主要的運動部件需要重點考慮。為了減少驅動力矩和增加運動的平穩(wěn)性，大、小臂桿一般都需要進行動力平衡。臂桿平衡技術對提高操作機的整體性能和動態(tài)特性十分重要，也是簡化編程和控制的重要措施。常見操作機臂桿的平衡技術有四種，即質量平衡法、彈簧平衡法、氣動或液壓平衡法和采用平衡電機。
彈簧平衡一般可以使用長彈簧。分析表明，在關節(jié)模型中，只要采用合適剛度和長度的彈簧平衡系統(tǒng)，可以全部平衡關節(jié)模型重力項。本課題采用彈簧平衡，其結構簡單，通過適當改變彈簧的長度和剛度的修正即可達到所需的平衡要求。
2．6 噴涂機器人總體裝配示意圖
總結以上各種方案的選擇，確定噴涂機器人的總體裝配示意圖如下圖所示：
圖2—3噴涂機器人總體裝配示意圖
3 噴涂機器人大臂設計
3．1 大臂和小臂長的設計
圖3—1是關節(jié)型機器人工作空間的示意圖。
圖3—1 機器人工作空間的示意圖
圖中， 、分別為大臂和小臂的長度；
、分別為大臂的俯仰角度；
、分別為小臂的俯仰角度。
根據(jù)工作空間的范圍：長×寬×高=2600×1200×900mm3 ,結合示意圖可以得到以下關系式：
(3.1)
(3.2)
(3.3)
由于，，，，將數(shù)據(jù)代入上述關系式可求解得到：
=1004.5㎜
=1186.4㎜
根具所得值圓整：
=1100㎜
=1200㎜
3．2 大臂臂身的設計
3.2.1 大小臂連接處的設計
考慮到小臂系統(tǒng)、腕部是由鏈輪鏈條和錐齒輪傳動，帶動手腕部分上下擺動和左右擺動，應選用遠距離間接傳動方式，所以手腕部分的驅動電機設計在機座上，可以減輕小臂和大臂的質量，使系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定。因此在大臂小臂連接的關節(jié)處就需要安裝鏈輪實現(xiàn)二級傳動。大臂和小臂采用的連接方式如圖3—2。
圖3—2大小臂連接關節(jié)剖視圖
3.2.2 小臂驅動電機安裝位置
小臂驅動方式采用的是螺旋驅動，因此，小臂驅動系統(tǒng)需要安裝在大臂臂身上進行固定?？紤]到系統(tǒng)配重問題，在系統(tǒng)工作過程中增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)重量，在大臂上伸出的板上做耳環(huán)，用來固定小臂驅動電機。其安裝的具體結構如圖3—3所示。
圖3—3 小臂驅動電機的安裝
3.2.3 腕部驅動電機安裝關節(jié)
一般機器人腕部驅動電機安裝在機器人的小臂或大臂上，這種安裝方法會增加機器人臂部的重量，降低機器人臂部運行的靈活性?？紤]到減輕機器人臂部重量的因素，采取將腕部電動機安裝在機座上，通過聯(lián)軸器與伸入大臂內部的軸相連，在通過鏈輪鏈條將動力傳至機器人手腕，實現(xiàn)腕部的上下擺動和左右擺動。由于大臂要做前后俯仰運動，因此腕部電機需要鉸接在機座上，使腕部驅動電機隨大臂前后俯仰。其腕部驅動電機的具體安裝如圖3—4所示。
圖3—4腕部驅動電機安裝關節(jié)
3.2.4 大臂殼體結構
（1）材料的選擇
根據(jù)設計要求，機器人手臂要求完成各種運動。因此，對材料的一個要求是作為運動的部件，它應是輕型材料。而另一個方面，手臂在運動過程中往往會產(chǎn)生振動，這將大大降低它的運動精度。因此，在選擇材料時，需要對質量、剛度、阻尼進行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動態(tài)性能。
機器人手臂選用的材料與一般結構材料不同。機器人手臂是一種伺服機構，要受到控制，因此要考慮它的可控性。在選擇手臂材料時，可控性應和材料的可加工性、結構性、質量等性質受到同等重視。
常用的機器人手臂材料有結構材料（如鋼，鑄鐵等）、輕型材料（如鎂合金、鋁合金等）、剛性材料和防震材料。本課題采用ZL401，其為鋁鋅合金，其鑄造性好，符合材料的選用要求。
（2）截面的確定
機器人連桿設計一般要求受到許多條件限制，有些甚至是相互矛盾的。這些限制可分為：
①為了給電線、信號線、軟管、功率傳送裝置及控制桿等提供通道，機器人連桿內部要留有空腔部分；
②為了減少浪費工作空間，手臂的外形尺寸要受到限制；
③為了減少慣性力，連桿應盡可能的輕，同時有能承受電機和驅動器產(chǎn)生的最大負載；
④在連桿質量確定后，連桿應具有盡可能高的彎曲和扭轉剛度。
通過選擇合理的連桿截面形狀，可較好地滿足上述限制。機器人連桿截面的基本形狀為空心圓截面和空心矩形截面。當質量相同時，正方形空心截面不僅比空心圓截面的壁更薄，而且剛度還提高了40﹪～60﹪。另外，正方形截面的內部空腔面積比圓面積都要大43﹪～76﹪。
結合上述所提要求和截面對比，本課題中采用空心矩形截面，其具體結構如下圖
3—5所示。
（3）大臂的形狀
通過上步對截面形狀的確定，此時只需選擇合適的尺寸，以滿足工作空間的要求和大臂內部部件的放置的合理性。設計示意圖如圖3—6所示。
圖3—5大臂截面
圖3—6大臂結構剖視圖
3．3 大臂系統(tǒng)設計
3.3.1 大臂驅動電機安裝
大臂系統(tǒng)的驅動采用的是步進電機驅動滾珠絲杠轉動，絲杠螺母相對于絲杠做直線往復運動，以推動大臂擺動。大臂驅動電機就需要固連在轉盤上以找到支撐點。由于大臂是做擺動，固連在大臂上的支點走過的路徑就是一條弧線。這就需要大臂驅動電機鉸接的固定在機座的轉盤上，在機器人工作時隨機器人大臂進行一定角度的旋轉，以保證絲杠與大臂始終保持垂直的關系，否則對電機、絲杠就會造成損害。絲杠螺母固定在大臂體中，其中心距大臂與底座的轉動中心200m。下圖3—7給出了大臂驅動電機安裝在機座轉盤上的方法。
圖3—7 大臂驅動電機安裝做臂于機 設計求和截面對比，本課題中采用空心矩形截面，其具體結果