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  • 墙面自动喷漆机器人设计

    1、绪论

    1.1研究背景

    机器人是综合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定能力,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、结构学、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,不仅科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,有着十分重要的意义。

    自从1962年美国研制出世界第一台工业机器人以来,经过五十多年的发展,机器人已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,人工蔬菜摘机器人、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:泵、醛类、胺类等造成环节污染,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客服了这一缺点。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——喷涂机器人。

    喷涂机器人最显著的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:机器人的操作动作是可以重新编制的,不同的程序针对不同的工作,使用可以适应多种喷涂对象在同一条喷涂线上进行喷涂。喷涂机器人与其他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一部分。其次,由于喷涂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,机器人不得接触已喷涂的工件表面,否则将破坏表面喷漆质量,因此喷漆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年有挪威一家公司发明。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,手臂有较大的运动空间,并可做复杂的轨迹运动,其腕部一般有2~3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,其动作类拟人的手腕,能方便地通过较小的孔伸入工件内部,喷涂其表面。喷漆机器人一般采用液压驱动,具有动作速度快、防爆性能好等优点,可通过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、电器等工业生产部门。随着机器人技术的不断完善,喷涂精度得到显著提高。我国的毕南理工大学、华中科技大学等科研机构先后对喷漆机器人进行深入的研究,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,国外机器人已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,操作机器人已实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的机器人公司,已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危害系统。

    (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等公司已开发了此类产品。

    (3)控制系统:控制系统的性能进一步提高,以由过去控制标准的6轴机器人发展到现状能够控制21轴,甚至27轴,实现了软件伺服和全数字控制。人机界面加友好,基于图形操作的界面也已问世。编程方式仍以教编程为主,但离线编程已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、丫ASKA场叭、FANUC和瑞典的ABB、德国的KUKA、REIS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已实现了现场总线CanbuS、Profibus及一些网络的联结,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,而现状已达到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,近年来机器人领域的发展由如下几个趋势:

    (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)机械机构向模块化、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结构机器人整机。

    (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出,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机决策控制。

    (5)虚拟现实技术在机器人领域的应用已从仿真仿真到用于过程控制,如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中操作机器人的感觉。

    1.4本文研究主要内容及背景和意义

    随着改革开放和我国加入世贸组装、近几年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业之一。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、柔性较差的最大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。

    2总体方案的确定

    2.1喷漆机械手基本形成选择

    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形成列与传送带配合的一种机械手。它的手臂可作伸缩、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作。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,适用于狭窄的工作范围。

    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。

    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:

    直流电机是使电机的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。

    直流电机能提高较大力矩,能够轻易驱动机体运动。在极限位置放置限位开关,可控制机械手转动。

    方案二:使用步进电机

    步进电机的工作原理

    步进电机是将电泳冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度,称为“步距角”,它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到调速的目的。

    步进电机可固定角度移动,不需限位开关便可控制机械手移动到指定位置。综合两种方案以及工作要求选用直线式电动机。

    方案三:使用伺服电机

    伺服电机起动转矩大,当定子加控制电压后转自立即转动,具有启动快,灵敏度高的特点,并且运用范围较广,雾自转现象。

    2.4其他关键部位选型

    2.4.1减速器与行走小车驱动轴之间的连续传动装置选用

    (1)带传动

    带传动分为摩擦式带传动和啮合式带传动。传动平稳、结构简单、成本低、使用维护方便,有良好的挠性和弹性,过载打滑,传动比步稳定,寿命短,轴上载荷较大。

    (2)链传动

    没有弹性滑动和打滑,能保持准确的平均传动比,需要的张紧力小,作用在轴上的压力也小,可以减小轴承的摩擦损失,结构紧凑。

    (3)齿轮传动

    具有恒定的传动比,传动效率高,工作可靠,使用寿命长,结构紧凑。

    三、移动底座减速器设计

    3.1确定传动装置的效率

    3.2确定电动机功率机转速

    3.3确定传动装置的总传动比和分配传动比

    3.4计算传动装置的运动学和动力学参数

    3.5选精度等级、材料及齿数

    3.6减速器低速级齿轮传动设计计算

    3.7确定传动尺寸

    3.8计算齿轮传动其它几何尺寸

    四、轴的设计

    4.1高速轴设计计算

    4.2中间轴设计计算

    4.3低速轴设计计算

    4.4低速轴设计计算

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