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多品種小批量生產(chǎn)零件的機(jī)器人自動(dòng)噴漆
摘要：隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳感器和工藝處理能力可全面實(shí)現(xiàn)工業(yè)任務(wù)上的自動(dòng)機(jī)器人編程。本文對(duì)歐盟曲面噴涂項(xiàng)目做了闡述，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)出一種自動(dòng)生成未知零件噴涂的機(jī)器人程序方法。其解決方案采取了四個(gè)步驟：激光三角法感測(cè)，幾何特征檢測(cè)，噴槍路徑規(guī)劃，生成無(wú)碰撞的可執(zhí)行機(jī)器人程序。在工業(yè)伙伴展示中顯示出了它的結(jié)果。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)機(jī)器人編程，特征檢測(cè)，軌跡生成，碰撞避免，噴漆
1.引言
歐盟RTD中曲面噴涂項(xiàng)目的目的在于實(shí)現(xiàn)小批量多品種零件噴涂的自動(dòng)機(jī)器人編程。由于機(jī)器人程序是根據(jù)每個(gè)單一品種零件而建立的（使用離線編程/人工示教編程），近來(lái)機(jī)器人噴涂在大批量規(guī)模生產(chǎn)上是經(jīng)濟(jì)可行的。該項(xiàng)目的目的是提供在大部分零件（見(jiàn)圖1）的噴涂中使用機(jī)器人的經(jīng)濟(jì)可能性。其目標(biāo)是要減少近75﹪的人類(lèi)編程工作和90﹪的人類(lèi)噴漆工作。
該技術(shù)的挑戰(zhàn)是建立一種可以類(lèi)似漆工那樣噴涂從未見(jiàn)過(guò)的幾何形狀以完成噴涂任務(wù)的方法。一種可能的解決方案是利用CAD數(shù)據(jù)計(jì)算噴涂的路徑并測(cè)量實(shí)際的零件位置。然而，三維CAD數(shù)據(jù)往往不充分，因此這種方法只限于少數(shù)的應(yīng)用中使用。曲面噴涂中的“逆算法”已被開(kāi)發(fā)出，它不需要任何CAD數(shù)據(jù)。
該方法是自動(dòng)從距離傳感口數(shù)據(jù)得到機(jī)器人的噴涂路徑并自動(dòng)生成可行的、完整的、可執(zhí)行的機(jī)器人程序。這種方法用來(lái)處理廣泛范圍的零配件，例如電機(jī)齒輪、框架零件（車(chē)鏡、板、管等）或大型壓縮機(jī)油箱。對(duì)于每個(gè)工業(yè)客戶零件系列是已知的（包括多達(dá)70個(gè)變種）。其目標(biāo)是能夠噴涂沿著傳送帶傳送的任何次序零件。該技術(shù)的挑戰(zhàn)是檢測(cè)傳送帶上零件的幾何形狀，根據(jù)零件的幾何形狀自動(dòng)推斷出機(jī)器人的噴涂軌跡并自動(dòng)生成無(wú)碰撞機(jī)器人程序。
1.1相關(guān)工作
相關(guān)工作是自動(dòng)生成一個(gè)三維噴涂路徑，這已在SmartPainter項(xiàng)目中進(jìn)行了嘗試。噴涂的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)虛擬地折疊出的被涂曲面而生成的。顯示出噴涂的運(yùn)動(dòng)和折疊后的曲面，讓噴涂的運(yùn)動(dòng)按照這個(gè)折疊曲面而運(yùn)動(dòng)。然而，這種方法只適用于當(dāng)物體3D模型是可以利用的并且物體的曲率相對(duì)比較小的情況下。從“先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)”取得的專(zhuān)利技術(shù)采用了二維數(shù)碼照片作為輸入[美國(guó)專(zhuān)利 專(zhuān)利號(hào)：US 5429689]。用戶在屏幕上決定采用噴涂三維的位置，然后由機(jī)器人自動(dòng)完成對(duì)噴涂軌跡的規(guī)劃。
獲取自動(dòng)刀具的3D路徑第一種方法是由考慮平截面銑削渦輪葉片情況下使用網(wǎng)格單元格的方法而得到的。
2.曲面噴涂方法
曲面噴涂方法的建立基于以下觀察，即對(duì)于整個(gè)產(chǎn)品系列零件由大量帶典型特征的初等幾何元素形成。例如肋板結(jié)構(gòu)（冷卻肋板），圓柱形表面（典型的如馬達(dá)）和腔體（典型的如空心結(jié)構(gòu)或要獲取剛度結(jié)構(gòu)）。另一種類(lèi)型的表面，例如后視鏡的表面。這些表面是自由過(guò)渡的光滑表面，而且很難用簡(jiǎn)單的幾何屬性表達(dá)，例如圓筒、球形、和箱體。根據(jù)初等幾何，這項(xiàng)技術(shù)目標(biāo)變成了指定這些初等幾何用于幾何方法檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃的可開(kāi)發(fā)，在應(yīng)用中見(jiàn)到的各種幾何包含在初等幾何中。
初等幾何類(lèi)型的技術(shù)參數(shù)是根據(jù)觀察到的零件幾何結(jié)構(gòu)和噴涂過(guò)程中的約束來(lái)確定的。其主要思想是檢測(cè)噴涂過(guò)程中的初等幾何使其可以鏈接到一個(gè)特定的工藝模型。例如平幾何的表面可以用簡(jiǎn)單的直線模式進(jìn)行噴涂。更為復(fù)雜的幾何形狀，例如腔體或肋板狀物需要特定的噴涂方法，噴涂腔體和噴涂與肋骨取向平行的要分開(kāi)來(lái)。
初等幾何類(lèi)型在幾何庫(kù)中已定義并且與工藝庫(kù)中規(guī)定的工藝知識(shí)有關(guān)。完整的曲面噴涂方法如圖2所示。接下來(lái)的章節(jié)將概述其主要組成部分。
2.1用激光三角測(cè)量傳感器的零件測(cè)量
當(dāng)工件在傳送帶上運(yùn)動(dòng)，激光測(cè)距傳感器裝置掃描零件并獲得該對(duì)象的三維測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)。掃描由輸送機(jī)的實(shí)際零件的運(yùn)動(dòng)而觸發(fā)（見(jiàn)圖3）。對(duì)于大小為一米的零件，獲得了高于一毫米的分辨率。它采取了高達(dá)700每秒的掃描速度。如圖4所示，這是通過(guò)標(biāo)定取得的。
往往一些零件是安放在框架或墊木上的。這種情況下，框架或墊木被掃描并且從最后的圖像中除去。圖5顯示了一個(gè)例子，零件與框架一起被測(cè)量并且零件的數(shù)據(jù)被自動(dòng)提取。對(duì)于每一個(gè)檢測(cè)的零件，所有其他工藝步驟都是單獨(dú)執(zhí)行的。最后，如果零件相互靠得近，較大機(jī)器人的噴涂運(yùn)動(dòng)是從一次行程噴涂多個(gè)零件而獲得。
2.2特征檢測(cè)器
由ACIN開(kāi)發(fā)的特征檢測(cè)器具有使用幾何庫(kù)的幾何定義檢測(cè)出零件幾何的任務(wù)。輸出是掃描零件使用初等幾何表面的說(shuō)明。
特征檢測(cè)器檢測(cè)與噴涂工藝相關(guān)的三種特征：自由曲面、腔體和肋狀部分。傳統(tǒng)的距離圖像處理通常從分割開(kāi)始。檢測(cè)出的特征限于已定義幾何性質(zhì)，如平面或二次曲線。
三種特征的具體幾何特征并不清楚，它們只是用來(lái)進(jìn)行特征定義。因此需要一個(gè)通用方法進(jìn)行特征檢測(cè)。
圖6總結(jié)了已開(kāi)發(fā)的圖像處理過(guò)程。采用被分割成單個(gè)部分的標(biāo)定圖像并且通過(guò)具體過(guò)程來(lái)檢測(cè)三種基本特征，這個(gè)具體過(guò)程下面將簡(jiǎn)要概述。具體可見(jiàn)參考[8]。
首先腔體和肋骨狀結(jié)構(gòu)被檢測(cè)出后，所有剩余的零件表面將被認(rèn)為是自由曲面。腔體被定義為一個(gè)表面點(diǎn)比周?chē)吘墸ㄍǔＲ饬x上的外表面）局部上低的區(qū)域。其挑戰(zhàn)是建立一個(gè)彈健的方法來(lái)處理距離數(shù)據(jù)噪音和陰影。
腔體邊緣的檢測(cè)精度在某種程度上取決于其分辨率。通過(guò)使用插值點(diǎn)法被發(fā)現(xiàn)的腔體還包括傳感器陰影的潛在區(qū)域。這一點(diǎn)對(duì)于在噴涂工藝中檢測(cè)整個(gè)腔體區(qū)域很重要。腔體然后表示為網(wǎng)格，以涵蓋整個(gè)開(kāi)放的腔體。圖7顯示了完整零件的網(wǎng)格表示。開(kāi)放的腔體用黑網(wǎng)表示。網(wǎng)格表示也有它的好處，它可以顯著減少數(shù)據(jù)使噴涂軌跡的自動(dòng)生成速度快。
圖7表明了噪音容錯(cuò)方法的缺陷。最終的網(wǎng)格在表示兩個(gè)套接的腔體之間的直拐角和極窄邊（3像素）上有一定困難。然而改善三角測(cè)量凹面區(qū)域的方法已經(jīng)在開(kāi)發(fā)中。
肋狀部分是用最少數(shù)量等距平行線而定義的。邊緣檢測(cè)后，原始的直線段根據(jù)共線性、鄰近性和重疊性分為長(zhǎng)線段。使用平行性將這些線進(jìn)行編組。最終，形成所有線段組的特征向量(距離、重疊、長(zhǎng)度、線數(shù))，并用來(lái)分類(lèi)肋板結(jié)構(gòu)。圖8給出了一個(gè)分組結(jié)果的例子。
2.3噴涂規(guī)劃器
在接下來(lái)的工藝步驟中噴槍的噴涂軌跡是根據(jù)每個(gè)初等幾何計(jì)算而來(lái)。鄰近的噴涂行程相連接以獲得更長(zhǎng)、更流暢的噴涂軌跡。最終的結(jié)果是一個(gè)完整的噴槍噴涂軌跡。另外生產(chǎn)噴涂軌跡模塊如圖2所示，它指定一個(gè)滿足期望噴涂質(zhì)量的噴槍軌跡。在該模塊中，只有噴槍的運(yùn)動(dòng)被認(rèn)為與工藝質(zhì)量有關(guān)。對(duì)機(jī)器人沒(méi)有約束，不考慮噴槍和它所工作環(huán)境之間的碰撞。為了規(guī)劃出噴槍的運(yùn)動(dòng)軌跡，這個(gè)模塊使用了幾何庫(kù)和工藝庫(kù)。幾何庫(kù)為每一個(gè)幾何基元指定了一個(gè)或多個(gè)噴涂步驟，這些步驟可以應(yīng)用于噴涂特定類(lèi)型的幾何基元。噴涂步驟中指定了如何使噴槍的運(yùn)動(dòng)適應(yīng)所噴涂表面以獲得良好工藝要求。工藝庫(kù)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)工作建立的。
它的基本思路是為了確保噴涂行程的規(guī)劃連續(xù)地貫穿于整個(gè)零件，即使不同的幾何基元必須沿著這些表面覆蓋,而連續(xù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)不能沿著零件表面。該系統(tǒng)將嘗試使用面向少數(shù)主要方向上的較大平面區(qū)域（虛擬表面）去逼近曲面模型的三角曲面。圖9顯示了一個(gè)由不同規(guī)格的三角形曲面構(gòu)成的變速箱幾何模型。
在圖10中，曲面是近似曲面，并且曲面被劃分為虛擬曲面。噴涂步驟的執(zhí)行與這些虛擬曲面有關(guān)。每一個(gè)虛擬曲面只代表一種類(lèi)型的幾何基元，相同的噴涂步驟因此可以使用于整個(gè)零件表面。如果不同的幾何基元隨著表面呈現(xiàn)出來(lái)，系統(tǒng)將會(huì)嘗試去建立連續(xù)噴槍運(yùn)動(dòng)覆蓋虛擬曲面，而這些虛擬曲面彼此相互連續(xù)。噴槍的運(yùn)動(dòng)是根據(jù)噴涂路徑而指定的，例如圖11中的說(shuō)明。
通過(guò)這個(gè)和圖10所示，可以看出噴涂路線遵循指定方向和虛擬曲面的平面位置。噴涂工藝指定了執(zhí)行多少必須沿著噴涂路徑噴涂行程，并指定了哪些噴涂參數(shù)應(yīng)用于這些沖程中的每一個(gè)行程。
4.結(jié)論及展望
一種對(duì)系列化未知零件的自動(dòng)噴涂方法已被提出。這種方法在噴涂單元的前面使用了傳感單元，而噴涂單元處可以獲得零件的幾何形狀。從零件的幾何特征提取出工藝相關(guān)特征，找出相應(yīng)的噴涂路徑，分組得到最優(yōu)噴涂軌跡。最終生成無(wú)碰撞機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡和可執(zhí)行機(jī)器人程序。
所有的步驟都是自動(dòng)的，不需要任何操作人員的干預(yù)。個(gè)性化的工具（特征檢測(cè)器、軌跡規(guī)劃器、噴槍規(guī)劃器）存在于原型版本中。在工業(yè)客戶中的首次實(shí)施表明了該方法是可行的。掃描零件，自動(dòng)生成機(jī)器人程序，使用常規(guī)的微機(jī)技術(shù)其速率為每分鐘一個(gè)零件。
目前只有凸形零件可以自動(dòng)噴涂，盡管L形零件也可以。復(fù)雜凹形結(jié)構(gòu)，例如圖15中載重汽車(chē)的地盤(pán)是不能夠自動(dòng)噴涂的。
人們計(jì)劃提高曲面噴涂工藝，即使用機(jī)器人內(nèi)置式傳感器掃描用固定傳感器而不能看見(jiàn)的零件部分。另一個(gè)拓展將會(huì)用于實(shí)施“示教”除已有幾何特征的其它特征。
盡管該項(xiàng)目主要是為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人噴涂，但提出來(lái)的“逆向法”可以應(yīng)用于在表面處理領(lǐng)域上的大范圍工藝中獲取工藝運(yùn)動(dòng)。這種方法有望應(yīng)用的工藝?yán)佑校悍勰﹪娡?、液體洗滌和清洗（包括高壓清洗）、物理接觸式洗滌和清洗工具與零件之間的部分、脫脂、噴砂、拋光、密封、研磨、去毛刺和膠合。
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任務(wù)書(shū)
系 別
專(zhuān)業(yè)
班級(jí)
學(xué)生姓名
學(xué)號(hào)
指導(dǎo)教師
職稱(chēng)
高級(jí)講師
題 目
噴漆機(jī)械手設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真
論文（設(shè)計(jì)）的主要任務(wù)與具體要求（有實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的要提出主要技術(shù)指標(biāo)要求）
本課題是為噴漆設(shè)計(jì)的機(jī)械手。工業(yè)機(jī)械手是按預(yù)定要求，模仿人體上肢功能，完成噴漆自動(dòng)化操作。是減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工作環(huán)境，提高工作效率，實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的重要手段。
本課題應(yīng)用CAD技術(shù)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳動(dòng)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。它可以實(shí)現(xiàn)噴漆的自動(dòng)化操作。機(jī)械手的自由度, 動(dòng)作程序和速度按生產(chǎn)實(shí)際要求設(shè)定。 主要完成
1、開(kāi)題報(bào)告（包含文獻(xiàn)綜述），外文資料的翻譯（2000字符以上）；
2、完成設(shè)計(jì)草圖；
3、根據(jù)設(shè)計(jì)草圖完成參數(shù)、尺寸計(jì)算；
4、完成設(shè)計(jì)圖紙及CAD圖，（折合2張以上A0圖）；
5、完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。（8000字以上）。
6、UG三維造型。完成運(yùn)動(dòng)仿真
進(jìn)度安排（包括時(shí)間劃分和各階段主要工作內(nèi)容）
第七學(xué)期 第八周~第十三周 畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告
第七學(xué)期 第十四周~第十九周 主要設(shè)計(jì)工作，包括草圖、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工程圖等
第八學(xué)期 第三周 中期檢查
第八學(xué)期 第六周末 上交初稿（包括圖紙、說(shuō)明書(shū)、外文資料），老師審閱初稿，提出修改意見(jiàn)。
第八學(xué)期 第十一周 上交終稿（上交所有資料的紙質(zhì)和電子版）
第八學(xué)期 第十二周～第十三周(2014.5.24日前) 答辯
主要參考文獻(xiàn)
1、機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì)：《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007
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7、孫靖民主編：《機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)》 ，機(jī)械工業(yè)出版社 2008
8、陳震邦主編：《工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)》 機(jī)械工業(yè)出版社 2010
9、叢曉霞主編：《機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)》 北京大學(xué)出版社 2008
指導(dǎo)教師簽名
系（教研室）審核意見(jiàn)
任務(wù)接受人（簽名）
年 月 日
審核人簽名： 年 月 日
年 月 日
備注：1、本任務(wù)書(shū)一式三份，由指導(dǎo)教師填寫(xiě)相關(guān)欄目，經(jīng)系審核同意后，系、指導(dǎo)教師和學(xué)生各執(zhí)一份。
2、本任務(wù)書(shū)須裝入學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）檔案袋存檔。
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(論文)
作 者:
學(xué) 號(hào)：
系:
專(zhuān) 業(yè):
題 目:
噴涂機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)
副教授
指導(dǎo)者：
(姓 名) (專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù))
評(píng)閱者：
(姓 名) (專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù))
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）中文摘要
本課題設(shè)計(jì)了一種經(jīng)濟(jì)型噴涂機(jī)器人，可應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)身噴涂等涂裝生產(chǎn)線中。該機(jī)器人由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用關(guān)節(jié)型坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，具有五個(gè)自由度，其工作空間范圍為2600×1200×900。機(jī)器人機(jī)身采用齒輪傳動(dòng)，上下臂用滾珠絲杠和搖桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，手腕采用鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)。機(jī)器人的控制方式為開(kāi)環(huán)連續(xù)軌跡控制，采用手把手CP示教的方法示教。本文的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是噴涂機(jī)器人的大臂系統(tǒng)，其大臂系統(tǒng)主要是指機(jī)械系統(tǒng)，并不包括控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)包括大臂系統(tǒng)材料的選定，截面形狀的確定，外形結(jié)構(gòu)的確定和驅(qū)動(dòng)-傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算選擇以及彈簧平衡的計(jì)算。
關(guān)鍵詞 噴涂機(jī)器人 大臂系統(tǒng) 手把手CP示教
畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）外文摘要
Title Design of a Spray Coating Robot
——Design of the Big-arm System
Abstract
This topic has designed one economy spray coating robot, may apply in the automobile body spray coating and so on paints in the production line. This robot by step-by-steps the motor-driven, uses the joint coordinates structure, has five degrees of freedom, its working space scope for 2600×1200×900.The robot fuselage uses the gear drive, on the forearm with the ball bearing guide screw and the rocker mechanism transmission, the skill uses the chain drive and the gear drive. The robot control mode for the split-ring continual trajectory control, uses hand in hand the CP demonstration method demonstration. This article design key point is the spray coating robot big arm system, his/her the big arm system mainly refers to the mechanical system, not including control system. This design including big arm system material designation, section shape determination, contour structure determination and actuation pneumatic actuator design calculation choice as well as spring balance computation.
Keywords Spray coating robot Big-arm system r Teaching by hand
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 27 頁(yè) 共 27 頁(yè)
1 引言
1．1 噴涂機(jī)器人的研究與應(yīng)用
1.1.1 概述
從1962年美國(guó)研制出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來(lái)，工業(yè)機(jī)器人至今已經(jīng)走過(guò)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[1]。
國(guó)外從60年代開(kāi)始研究噴漆機(jī)器人，直到60年代末挪威率先推出針對(duì)噴漆實(shí)際情況而設(shè)計(jì)的專(zhuān)用噴漆機(jī)器人。從此，噴漆機(jī)器人的研制和應(yīng)用發(fā)展十分迅速，噴漆機(jī)器人在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家80年代已達(dá)到普及階段。例如美國(guó)的FUDGE公司和德國(guó)的HATEL公司以及總部設(shè)在瑞士的ABB公司等都生產(chǎn)了各種型號(hào)的噴涂機(jī)器人。它廣泛地應(yīng)用于汽車(chē)、農(nóng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)，工程機(jī)械、機(jī)床、家電等大、中型企業(yè)的實(shí)際噴涂作業(yè)[2]。機(jī)器人噴涂作為工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)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(lèi)，采用工業(yè)機(jī)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(duì)噴涂軌跡和過(guò)程進(jìn)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(zhì)量和穩(wěn)定性[3]。
縱觀噴涂機(jī)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(dòng)變成電傳動(dòng)，第二次變革是從簡(jiǎn)單的動(dòng)作控制到過(guò)程控制，第三次變革是從2000年之后，利用電腦軟件控制機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)為客戶定制機(jī)器人，比如可以控制機(jī)器人噴漆時(shí)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(lèi)等等[4]。目前，工業(yè)機(jī)器人在噴漆方面的應(yīng)用比例美國(guó)可達(dá)12％，世界平均可達(dá)5.1％[5]。
我國(guó)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(jìn)行施釉，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，特別是對(duì)工人身體有巨大傷害。而我國(guó)的相關(guān)的噴涂機(jī)器人行業(yè)起步較晚，僅有上海交大研制的上海III號(hào)噴涂機(jī)器人，國(guó)家機(jī)械工業(yè)局北京自動(dòng)化所研制的PJ一1噴涂機(jī)器人等幾種相關(guān)產(chǎn)品。
1.1.2 噴涂機(jī)器人的應(yīng)用
西方發(fā)達(dá)國(guó)家90年代以來(lái)汽車(chē)涂裝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(guò)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[6]。
噴涂機(jī)器人的離線編程技術(shù)現(xiàn)已比較成熟，其編程技術(shù)已普遍應(yīng)用于機(jī)器人噴涂。而噴涂機(jī)器人智能上也有較大的發(fā)展，歐盟曲面噴涂項(xiàng)目已實(shí)現(xiàn)了對(duì)凸形零件的自動(dòng)噴涂[7]。
在我國(guó)，噴涂機(jī)器人主要運(yùn)用于汽車(chē)制造業(yè)。靜電噴涂、等離子噴涂、冷噴涂等噴涂技術(shù)應(yīng)用于噴涂機(jī)器人上，使其噴涂質(zhì)量有了一定的提高[8,9]。而近些年開(kāi)發(fā)出的柔性仿形自動(dòng)噴涂系統(tǒng)，使噴涂機(jī)器人在汽車(chē)生產(chǎn)中越來(lái)越高效、高自動(dòng)化[10]。
隨著ABB公司開(kāi)發(fā)出了小型IRB52噴涂機(jī)器人,使噴涂機(jī)器人被用于消費(fèi)類(lèi)電產(chǎn)
品（蘋(píng)果公司的IPOD）的噴涂。繼噴涂機(jī)器人用于消費(fèi)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(yīng)用，噴涂機(jī)器人還被用于軍事上，
聞名于全球的F-22飛機(jī)就是運(yùn)用噴涂機(jī)器人對(duì)機(jī)身實(shí)施噴涂的[11]。
噴涂機(jī)器人的離線編程系統(tǒng)在未來(lái)將得到更成熟的發(fā)展和更廣泛的應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用中可能遇到更為復(fù)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(wèn)題以及每一片邊界上的噴槍軌跡優(yōu)化問(wèn)題。面向復(fù)雜曲面的噴涂機(jī)器人噴槍軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dòng)控制水平的不斷提高，機(jī)器人將在未來(lái)得到更加廣泛的應(yīng)用。噴涂機(jī)器人技術(shù)也必然隨之不斷的提高和進(jìn)步，其他各種適合不同需求的涂裝機(jī)器人也將在不久的將來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。
1.1.3 噴涂機(jī)器人實(shí)例
TRALLFA噴涂機(jī)器人
該噴涂機(jī)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(wèn)斷的特點(diǎn)，使得該機(jī)型的設(shè)計(jì)是成功的， 目前這種機(jī)型占世界噴漆機(jī)器人總擁有量的8O%。該機(jī)器人手臂為多關(guān)節(jié)式，采用電液驅(qū)動(dòng)，由電腦控制，是一種示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人。TRALLFA噴涂機(jī)器人手腕部分細(xì)長(zhǎng)，近似于人的手腕，動(dòng)作靈活，操作輕便，可伸到狹窄空間進(jìn)行噴涂，手腕采用萬(wàn)向節(jié)，易于示教，存儲(chǔ)裝置的存儲(chǔ)容量大，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡和點(diǎn)位控制， 編程容易， 動(dòng)作平滑。后來(lái)該公司還推出了TR-4000型噴涂機(jī)器人，其采用了多項(xiàng)新技術(shù)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)配有新的平衡系統(tǒng)；采用可簡(jiǎn)化執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作編程的新型分離活塞油缸；新型控制裝置存儲(chǔ)容量很大，具有很強(qiáng)的編輯功能和自診斷功能。
PJ- 1型噴涂機(jī)器
我國(guó)第一臺(tái)國(guó)產(chǎn)噴涂機(jī)器人是PJ—1型噴涂機(jī)器人。由北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所研制并生產(chǎn)，是具有微機(jī)控制、示教再現(xiàn)、電液伺服驅(qū)動(dòng)、5個(gè)自由度、關(guān)節(jié)式噴涂機(jī)器人。該機(jī)器人解決了許多機(jī)器人存儲(chǔ)容量小的問(wèn)題，使機(jī)器人示教時(shí)間超過(guò)了當(dāng)時(shí)國(guó)際先進(jìn)水平的TRALLFA—400經(jīng)濟(jì)型噴涂機(jī)器人，實(shí)際應(yīng)用效果也與其相當(dāng)。PJ—1型噴漆機(jī)器人是我國(guó)最成熟、應(yīng)用量最多的機(jī)器人。
紫外線自噴涂裝設(shè)備
2003年日本推出一種紫外線自動(dòng)噴涂設(shè)備，有噴涂槍和噴涂機(jī)器人兩種[13]。它采用低壓噴槍?zhuān)晒?jié)省涂料20%~30%，減少了有機(jī)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(shí)間短，涂層硬度高。
IRB52小型噴涂機(jī)器人
2007年，瑞士ABB公司推出新款機(jī)器人——IRB52[14]。其噴涂解決方案以其獨(dú)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(zhì)，優(yōu)化涂料消耗、縮短節(jié)拍時(shí)間，實(shí)現(xiàn)精確快速的工藝控制并簡(jiǎn)化生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的收集，全面提升了應(yīng)用設(shè)備的人性化水平。
1．2 噴涂機(jī)器人的特點(diǎn)和組成
1.2.1 噴涂機(jī)器人的特點(diǎn)
噴涂機(jī)器人是一種機(jī)體獨(dú)立、動(dòng)作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動(dòng)化程度高的自動(dòng)噴涂機(jī)械。噴涂機(jī)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(fù)載輕、精度較低、防爆等特征。
噴涂機(jī)器人可分為專(zhuān)用和通用型。前者操作噴槍運(yùn)動(dòng)的自由度不大于4個(gè)，適合于大批量生產(chǎn)流水作業(yè)，對(duì)形態(tài)變化不大的工件表面進(jìn)行噴涂，動(dòng)作比較簡(jiǎn)單。后者操作噴槍的自由度不少于5個(gè)，它能十分靈活地模仿人的手臂和手腕的動(dòng)作，對(duì)各種復(fù)雜的空間曲面進(jìn)行噴涂。
噴涂機(jī)器人的臂部運(yùn)動(dòng)形式多采用關(guān)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(jī)身之間均有關(guān)節(jié)(鉸鏈)連接，并有人手臂的某些特征。多關(guān)節(jié)式手臂有較強(qiáng)的越障礙物的功能，動(dòng)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(fù)雜，數(shù)學(xué)模擬極為困難，所以通用噴涂機(jī)器人必須配備示教再現(xiàn)編程方式。
1.2.2 噴涂機(jī)器人的組成
噴涂機(jī)器人系統(tǒng)主要由執(zhí)行系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及檢測(cè)機(jī)構(gòu)組成，噴涂及其輔助設(shè)備沒(méi)有什么特殊要求。
圖1—1 ABB公司噴涂機(jī)器人
1．3 噴涂機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)
隨著機(jī)器人生產(chǎn)商為客戶定制機(jī)器人，噴涂機(jī)器人需在以下幾個(gè)方面進(jìn)一步展，
以滿足越來(lái)越多客戶的使用需求，使噴涂機(jī)器人的應(yīng)用范圍更為廣泛。
（1）為客戶提供更加完整的解決方案，設(shè)計(jì)出超越客戶所提要求的機(jī)器人。
（2）研究和發(fā)展噴涂裝置的小型化，以滿足越來(lái)越多如消費(fèi)類(lèi)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(kāi)發(fā)開(kāi)放式結(jié)構(gòu)機(jī)器人控制器，使用戶可以方便的擴(kuò)展和改進(jìn)其性能。
（4）實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)器人的模塊化，使其方便安裝和維護(hù)，并且緊湊可靠[16]。
（5）優(yōu)先考慮“系統(tǒng)發(fā)展方式”，實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)器人與外界設(shè)備的互聯(lián)和協(xié)調(diào)工作，
并制定機(jī)器人語(yǔ)言規(guī)范，特別是動(dòng)作級(jí)的編程語(yǔ)言規(guī)范[17]。
（6）大力研究開(kāi)發(fā)對(duì)復(fù)雜自由曲面進(jìn)行無(wú)人干涉的全過(guò)程自動(dòng)噴涂的智能?chē)娡?
系統(tǒng)。
1．4 課題研究意義
隨著國(guó)際制造業(yè)交流的日益廣泛，中國(guó)的制造業(yè)正面臨著與國(guó)際接軌，參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的局面。適應(yīng)快速變化的國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求，以高質(zhì)量、低成本、快速反應(yīng)的手段在市場(chǎng)中取得生存和發(fā)展是我國(guó)企業(yè)必須向國(guó)外同行學(xué)習(xí)并提高自身競(jìng)爭(zhēng)力的根本。工業(yè)機(jī)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(jī)器人在制造業(yè)中有很大的市場(chǎng)。噴涂機(jī)器人如今應(yīng)用在很多領(lǐng)域，如噴釉機(jī)器人、噴漆機(jī)器人、噴漿機(jī)器人等。噴涂機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，需求也越來(lái)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)噴涂機(jī)器人的研究是相當(dāng)有意義的。
本課題設(shè)計(jì)的是一種經(jīng)濟(jì)型的簡(jiǎn)易噴涂機(jī)器人，能完成大小臂的俯仰，手腕的上下和左右擺動(dòng)，機(jī)身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它可以應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)身噴涂生產(chǎn)線中，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用。
2 總體方案設(shè)計(jì)
2．1 機(jī)械結(jié)構(gòu)類(lèi)型的確定
工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)形式有直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型和平面關(guān)節(jié)型[18]。
（1）直角坐標(biāo)式機(jī)器人
這種機(jī)器人的外形輪廓與數(shù)控鏜銑床或三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)相似。這種形式的主要特點(diǎn)
是：a.結(jié)構(gòu)剛度高，多做成大型龍門(mén)式或框架式機(jī)器人；b.3個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，沒(méi)有耦合，不影響手爪的姿態(tài)，運(yùn)動(dòng)學(xué)求解簡(jiǎn)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(gòu)件的限制；d.占地面積大，動(dòng)作范圍?。籩.它的控制方式與數(shù)控機(jī)床類(lèi)似；f.操作靈活性較差。
（2）圓柱坐標(biāo)式機(jī)器人
SCARA機(jī)器人有3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，在平面內(nèi)進(jìn)行定位和定向。
一個(gè)關(guān)節(jié)是移動(dòng)關(guān)節(jié)，用于完成末端件在垂直于平面的運(yùn)動(dòng)。手腕參考點(diǎn)的位置是
由兩旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角位移及移動(dòng)關(guān)節(jié)的唯一決定。這類(lèi)機(jī)器人結(jié)構(gòu)輕便、響應(yīng)快，運(yùn)動(dòng)速度比一般關(guān)節(jié)式機(jī)器人快數(shù)倍。它最適用于平面定位，垂直方向進(jìn)行裝配的作業(yè)。
（3）球（極）坐標(biāo)式機(jī)器人
這類(lèi)機(jī)器人占地面積小，工作空間較大，移動(dòng)關(guān)節(jié)不易防護(hù)。
（4）關(guān)節(jié)式機(jī)器人
這類(lèi)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(lèi)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。
由上面中各種坐標(biāo)形式的比較，初步選用關(guān)節(jié)坐標(biāo)型。課題中要求實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)器人的連續(xù)軌跡控制（CP），查閱現(xiàn)代工業(yè)中實(shí)際使用的機(jī)器人，如挪威生產(chǎn)的TRALLFE噴涂機(jī)器人為關(guān)節(jié)型機(jī)器人，6自由度，采用示教—再現(xiàn)方式，既可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制，也可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，則最終確定噴涂機(jī)器人采用關(guān)節(jié)坐標(biāo)型。
2．2 自由度數(shù)的確定
自由度是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，不應(yīng)包括手抓（末端操作器）的開(kāi)合自由度[19]。在三維空間中描述一個(gè)物體的位置和姿態(tài)（簡(jiǎn)稱(chēng)位姿）需要六個(gè)自由度。但是，工業(yè)機(jī)器人的自由度是根據(jù)其用途而設(shè)計(jì)的，可能小于六個(gè)自由度，也可能大于六個(gè)自由度。本課題設(shè)計(jì)要求機(jī)身左右旋轉(zhuǎn)110°，大臂前仰30°，后仰10°，小臂俯仰±30°，腕部左右擺動(dòng)±110°，上下擺動(dòng)±110°，因此可知噴涂機(jī)器人的自由度為五個(gè)。五個(gè)自由度中，機(jī)身的左右旋轉(zhuǎn)、大臂的前后俯仰和小臂的前后俯仰三個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)器人的位置移動(dòng)，腕部的左右擺動(dòng)和上下擺動(dòng)兩個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)器人的姿態(tài)變化。
2．3 驅(qū)動(dòng)方式的確定
驅(qū)動(dòng)裝置是使機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)行起來(lái)的傳動(dòng)裝置。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方法一般有三種：液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)[20]。
液壓驅(qū)動(dòng)以高壓油為工作介質(zhì)。液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的抓取能力可達(dá)上百公斤，液壓力可達(dá)7MPa，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)且動(dòng)作靈敏，但對(duì)密封的要求較高，且不宜在高溫或低溫的場(chǎng)合工作，要求的制造精度較高，成本較高。
氣壓傳動(dòng)時(shí)最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)方法，原理與液壓相似。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作迅速，價(jià)格低廉。由于空氣具有可壓縮性，因此這種機(jī)器人的工作速度慢，穩(wěn)定性差；其氣壓一般為0.7MPa，故此類(lèi)機(jī)器人適宜抓取力要求較小的場(chǎng)合。
液壓是目前在工業(yè)機(jī)器人中用得最多的一種。電液壓驅(qū)動(dòng)是利用各種液壓元器件產(chǎn)生的力或力矩，直接或經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，以獲得所需的位置、速度、加速度。電液壓驅(qū)動(dòng)具有無(wú)環(huán)境污染，易于控制，運(yùn)動(dòng)精度高，成本低，驅(qū)動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。
機(jī)器人的控制一般可分為開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制。查閱噴涂機(jī)器人實(shí)例，可知噴涂機(jī)器人多采用開(kāi)環(huán)控制。液壓傳動(dòng)一般用在開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)中，這種系統(tǒng)沒(méi)有位置反饋裝置，控制精度相對(duì)較低。
2．4 傳動(dòng)方式的確定
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用來(lái)把驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)傳遞到關(guān)節(jié)和動(dòng)作部位。機(jī)器人中常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有齒輪傳動(dòng)、螺旋傳動(dòng)、帶傳動(dòng)及鏈傳動(dòng)、流體傳動(dòng)和連桿機(jī)構(gòu)與凸輪傳動(dòng)。下表2—1列出了一些常用傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能對(duì)比表。
表2—1常用傳動(dòng)性能對(duì)比表
序號(hào)
類(lèi)別
特點(diǎn)
軸間距
應(yīng)用場(chǎng)合
⑴
齒輪傳動(dòng)
響應(yīng)快，扭矩大，剛性好，可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)方向的改變和復(fù)合傳動(dòng)
不大
腰、腕關(guān)節(jié)
⑵
諧波傳動(dòng)
大速比，同軸線，響應(yīng)快，體積小，重量輕，轉(zhuǎn)矩大
零
所有關(guān)節(jié)
⑶
擺線針輪行星
傳動(dòng)（RV）
大比速，同軸線，響應(yīng)快，剛性好，體積小，重量輕，回差小，轉(zhuǎn)矩大
零
前三關(guān)節(jié)，特別是腕關(guān)節(jié)
⑷
渦輪傳動(dòng)
大比速，交錯(cuò)軸，體積小，回差小，響應(yīng)快，剛性好，轉(zhuǎn)矩大，效率低，發(fā)熱大
交錯(cuò)
不大
腕關(guān)節(jié)
手抓機(jī)構(gòu)
⑸
鏈傳動(dòng)
速比小，扭矩大，剛性與張緊裝置有關(guān)
大
腕關(guān)節(jié)
⑹
齒形帶傳動(dòng)
速比小，轉(zhuǎn)矩小，剛性差，無(wú)間隙
大
各關(guān)節(jié)的一級(jí)傳動(dòng)
續(xù)表2—2
⑺
鋼帶傳動(dòng)
速比小，轉(zhuǎn)矩小，剛性與張緊裝置有關(guān)，無(wú)間隙
大
腕關(guān)節(jié)
⑻
鋼繩傳動(dòng)
速比小，無(wú)間隙
特大
腕關(guān)節(jié)，
手抓機(jī)構(gòu)
⑼
連桿及搖塊傳動(dòng)
回差小，剛性好，扭矩中等，可保持特定位移，速比不均
大
腕關(guān)節(jié)，臂關(guān)節(jié)
⑽
滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)
效率高，精度好，剛性好，無(wú)回差，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方式改變，速比大
零
直動(dòng)關(guān)節(jié)，
手抓機(jī)構(gòu)
⑾
齒輪齒條傳動(dòng)
效率高，精度好，剛性好，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方式改變
交錯(cuò)
直動(dòng)關(guān)節(jié)，手抓機(jī)構(gòu)
工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有以下幾項(xiàng)基本要求[21]：
（1）結(jié)構(gòu)緊湊，即具有相同的傳動(dòng)功率和傳動(dòng)比時(shí)體積最小，重量最輕。
（2）傳動(dòng)剛度大，即由驅(qū)動(dòng)器的出軸到桿件的轉(zhuǎn)軸在相同的扭矩時(shí)角度變形要小，這樣可以提高整機(jī)的固有頻率，并大大減輕整機(jī)的低頻振動(dòng)。
（3）回差要小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時(shí)空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度。
（4）壽命長(zhǎng)、價(jià)格低。
2.4.1 機(jī)身傳動(dòng)方式的確定
由本課題中的設(shè)計(jì)要求可知，機(jī)器人的大臂連接在機(jī)座上，機(jī)座的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)整個(gè)大小臂一起旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)器人位置的變化，轉(zhuǎn)矩相比而言較大。
比較表2—2中的各種傳動(dòng)方式的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際要求初步選擇齒輪傳動(dòng)和諧波傳動(dòng)。查閱機(jī)器人中的常用的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可知行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和諧波傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)器人上用得較多的。在本課題中采用漸開(kāi)線圓柱直齒輪傳動(dòng)。這種傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：①消除了軸向力，降低了對(duì)軸承和箱體的要求；②徑向力與傳動(dòng)負(fù)載的大小成正比，對(duì)于壓力角為20°的標(biāo)準(zhǔn)齒輪，徑向力大約是傳動(dòng)的0.35倍；③傳動(dòng)的速度和功率范圍很大；④傳動(dòng)效率高，高精度齒輪傳動(dòng)效率可達(dá)99﹪；⑤瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定，工作平穩(wěn)性較高；⑥結(jié)構(gòu)緊湊。但其傳動(dòng)有噪音、沖擊和振動(dòng)，且需要調(diào)隙[22]。
為了降低傳動(dòng)過(guò)程中的噪音和振動(dòng)，可以提高傳動(dòng)齒輪的制造精度，這樣可明顯降低傳動(dòng)過(guò)程中的噪音和振動(dòng)，提高抗沖擊的能力，而且傳動(dòng)間隙可減小，提高傳動(dòng)的平穩(wěn)性。
2.4.2 大小臂傳動(dòng)方式的確定
本課題設(shè)計(jì)中要求噴涂機(jī)器人的大臂繞大臂與機(jī)座的轉(zhuǎn)動(dòng)中心前仰30°，后仰10°，小臂俯仰±30°。
液壓傳動(dòng)有以下特點(diǎn)[22]：
①傳動(dòng)效率高達(dá)0.9～0.98，可節(jié)省動(dòng)力1/2～3/4，有利于主機(jī)的小型化及減輕勞動(dòng)強(qiáng)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(jī)的動(dòng)態(tài)特性和提高工作精度。
③工作壽命長(zhǎng)。
④傳動(dòng)無(wú)間隙，無(wú)爬行，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，傳動(dòng)精度高。
⑤具有很好的高速性能。
⑥具有傳動(dòng)的可逆性，既可把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，也可把直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且逆?zhèn)鲃?dòng)效率與正傳動(dòng)效率相近。
⑦已經(jīng)實(shí)現(xiàn)系列尺寸標(biāo)準(zhǔn)化，提供了多用途的廉價(jià)產(chǎn)品，應(yīng)用于精度要求不是很高的場(chǎng)合，節(jié)能并延長(zhǎng)壽命。
2.4.3 腕部傳動(dòng)方式的確定
腕部是機(jī)器人的小臂與末端執(zhí)行器（手部或稱(chēng)手抓）之間的連接部件，其作用是利用自身的活動(dòng)度確定手部的空間姿態(tài)。手腕的驅(qū)動(dòng)方式一般有遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)和直接驅(qū)動(dòng)兩種。直接驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)線路短，剛度好，但腕部的尺寸和質(zhì)量大，慣量大。本課題中采用遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)，其電機(jī)安裝在機(jī)器人的大臂、機(jī)座或小臂遠(yuǎn)端上，通過(guò)連桿、鏈條或其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)間接驅(qū)動(dòng)腕部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，因而手腕的結(jié)構(gòu)緊湊，尺寸和質(zhì)量小，對(duì)改善機(jī)器人的整體動(dòng)態(tài)性能有好處。
本課題中噴涂機(jī)器人的腕部上下擺動(dòng)并左右擺動(dòng)，是二自由度手腕。
查閱資料，發(fā)現(xiàn)一小型電動(dòng)噴涂機(jī)器人EP—500S。其為關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，有5個(gè)自由度，操作機(jī)腕部布置兩個(gè)相互垂直的伺服軸，能方便地產(chǎn)生噴槍的姿態(tài)變化動(dòng)作。小臂和減速機(jī)之間用鏈條、鏈輪傳動(dòng)。這種機(jī)構(gòu)既把大、小臂之間的運(yùn)動(dòng)分開(kāi)，互不影響，又可實(shí)現(xiàn)小臂平衡機(jī)構(gòu)的力矩傳遞。該機(jī)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)簡(jiǎn)單。
2．5 平衡方式的確定
機(jī)身和臂部的運(yùn)動(dòng)較多，質(zhì)量較大，如果運(yùn)動(dòng)速度和負(fù)載又較大，當(dāng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化時(shí)，將產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)。這將不僅影響機(jī)器人的精確定位，甚至?xí)蛊洳荒苷＿\(yùn)轉(zhuǎn)。為了提高工作平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取有效地緩沖裝置吸收能量。
臂桿作為主要的運(yùn)動(dòng)部件需要重點(diǎn)考慮。為了減少驅(qū)動(dòng)力矩和增加運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，大、小臂桿一般都需要進(jìn)行動(dòng)力平衡。臂桿平衡技術(shù)對(duì)提高操作機(jī)的整體性能和動(dòng)態(tài)特性十分重要，也是簡(jiǎn)化編程和控制的重要措施。常見(jiàn)操作機(jī)臂桿的平衡技術(shù)有四種，即質(zhì)量平衡法、彈簧平衡法、氣動(dòng)或液壓平衡法和采用平衡電機(jī)。
彈簧平衡一般可以使用長(zhǎng)彈簧。分析表明，在關(guān)節(jié)模型中，只要采用合適剛度和長(zhǎng)度的彈簧平衡系統(tǒng)，可以全部平衡關(guān)節(jié)模型重力項(xiàng)。本課題采用彈簧平衡，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)適當(dāng)改變彈簧的長(zhǎng)度和剛度的修正即可達(dá)到所需的平衡要求。
2．6 噴涂機(jī)器人總體裝配示意圖
總結(jié)以上各種方案的選擇，確定噴涂機(jī)器人的總體裝配示意圖如下圖所示：
圖2—3噴涂機(jī)器人總體裝配示意圖
3 噴涂機(jī)器人大臂設(shè)計(jì)
3．1 大臂和小臂長(zhǎng)的設(shè)計(jì)
圖3—1是關(guān)節(jié)型機(jī)器人工作空間的示意圖。
圖3—1 機(jī)器人工作空間的示意圖
圖中， 、分別為大臂和小臂的長(zhǎng)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(zhǎng)×寬×高=2600×1200×900mm3 ,結(jié)合示意圖可以得到以下關(guān)系式：
(3.1)
(3.2)
(3.3)
由于，，，，將數(shù)據(jù)代入上述關(guān)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(shè)計(jì)
3.2.1 大小臂連接處的設(shè)計(jì)
考慮到小臂系統(tǒng)、腕部是由液壓缸傳動(dòng)，帶動(dòng)手腕部分上下擺動(dòng)和左右擺動(dòng)，應(yīng)選用遠(yuǎn)距離間接傳動(dòng)方式。
3.2.2 小臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝位置
小臂驅(qū)動(dòng)方式采用的是液壓驅(qū)動(dòng)，因此，小臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要安裝在大臂臂身上進(jìn)行固定?？紤]到系統(tǒng)配重問(wèn)題，在系統(tǒng)工作過(guò)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)。其安裝的具體結(jié)構(gòu)如圖3—3所示。
圖3—3 小臂驅(qū)動(dòng)
3.2.3 腕部驅(qū)動(dòng)
一般機(jī)器人腕部驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在機(jī)器人的小臂或大臂上，這種安裝方法會(huì)增加機(jī)器人臂部的重量，降低機(jī)器人臂部運(yùn)行的靈活性?？紤]到減輕機(jī)器人臂部重量的因素，采取腕部應(yīng)用液壓驅(qū)動(dòng)，通過(guò)銷(xiāo)軸與小臂相連，實(shí)現(xiàn)腕部的上下擺動(dòng)和左右擺動(dòng)。。其腕部安裝如圖3—4所示。
圖3—4腕部驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝關(guān)節(jié)
3.2.4 大臂殼體結(jié)構(gòu)
（1）材料的選擇
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人手臂要求完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件，它應(yīng)是輕型材料。而另一個(gè)方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這將大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。因此，在選擇材料時(shí)，需要對(duì)質(zhì)量、剛度、阻尼進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動(dòng)態(tài)性能。
機(jī)器人手臂選用的材料與一般結(jié)構(gòu)材料不同。機(jī)器人手臂是一種伺服機(jī)構(gòu)，要受到控制，因此要考慮它的可控性。在選擇手臂材料時(shí)，可控性應(yīng)和材料的可加工性、結(jié)構(gòu)性、質(zhì)量等性質(zhì)受到同等重視。
常用的機(jī)器人手臂材料有結(jié)構(gòu)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(jī)器人連桿設(shè)計(jì)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(hào)線、軟管、功率傳送裝置及控制桿等提供通道，機(jī)器人連桿內(nèi)部要留有空腔部分；
②為了減少浪費(fèi)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(yīng)盡可能的輕，同時(shí)有能承受電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的最大負(fù)載；
④在連桿質(zhì)量確定后，連桿應(yīng)具有盡可能高的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度。
通過(guò)選擇合理的連桿截面形狀，可較好地滿足上述限制。機(jī)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(dāng)質(zhì)量相同時(shí)，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(nèi)部空腔面積比圓面積都要大43﹪～76﹪。
結(jié)合上述所提要求和截面對(duì)比，本課題中采用空心矩形截面，其具體結(jié)構(gòu)如下圖
3—5所示。
（3）大臂的形狀
通過(guò)上步對(duì)截面形狀的確定，此時(shí)只需選擇合適的尺寸，以滿足工作空間的要求和大臂內(nèi)部部件的放置的合理性。設(shè)計(jì)示意圖如圖3—6所示。
圖3—5大臂截面
圖3—6大臂結(jié)構(gòu)剖視圖
3．3 大臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.3.1 大臂驅(qū)動(dòng)油缸安裝
大臂系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)采用的是油缸轉(zhuǎn)動(dòng)，活塞桿直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以推動(dòng)大臂擺動(dòng)。大臂驅(qū)動(dòng)油缸就需要固連在轉(zhuǎn)盤(pán)上以找到支撐點(diǎn)。由于大臂是做擺動(dòng)，固連在大臂上的支點(diǎn)走過(guò)的路徑就是一條弧線。這就需要大臂驅(qū)動(dòng)油缸鉸接的固定在機(jī)座的轉(zhuǎn)盤(pán)上，在機(jī)器人工作時(shí)隨機(jī)器人大臂進(jìn)行一定角度的旋轉(zhuǎn)，以保證絲杠與大臂始終保持垂直的關(guān)系，否則對(duì)油缸就會(huì)造成損害。下圖3—7給出了大臂驅(qū)動(dòng)油缸安裝在機(jī)座轉(zhuǎn)盤(pán)上的方法。
圖3—7 大臂驅(qū)動(dòng)油缸安裝做臂于機(jī) 設(shè)計(jì)求和截面對(duì)比，本課題中采用空心矩形截面，其具體結(jié)果