喷漆机械手设计

摘要11摘要工业机械手是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上建有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。本文设计的为工业常见的五自由度机械手，灵巧空间为以底座为基准的半球形区域。机械结构部分使用Pro/Engineer三维软件进行设计，以期获得部分零件的质心与转动惯量参数，然后根据获得的参数选择步进电机型号。电路控制部分采用51系列单片机作为控制中枢，L298芯片作为电机驱动器。软件部分使用C语言编程，采用PWM技术进行脉宽调速。因为步进电机的特性，本文所设计的喷漆机械手采用的控制系统为开环控制系统。关键词：喷漆机械手自动喷漆机器人工业机器人ABSTRACT2SprayingmanipulatordesignABSTRACTThesprayingoperationisaharmfuldangerousjobswhichisthemostsuitableformanipulator.Inordertoimprovetheappearancequalityandworkefficiencyofourproducts,andensurethequalityofcoatingandappearanceeffect,itisnecessarytodevelopautomaticsprayingequipmentsuitableforChina'snationalconditions。Butsprayingequipmenthasspecialrequirementsforitscontrolsystem,sowemustfirstdeveloplowcostautomaticsprayingmanipulatorcontrolsystem.Thepaintingmanipulatorisdesignedtomeetthepaintingprocessatthesametime,asfaraspossibletoreducethedifficultyofoperation,sothateachpaintercanusemanipulatoraftersimpleteaching.Therearefivedegreesoffreedominthemanipulator,allofwhicharerotationaljoints.Amongthem,threejointmakemanipulatorgoinganyposition,thenozzlecanreachedthesemicircularofsmartspace,theothertwojointmakenozzleturningaround,nozzlecanextenddifferentsprayingpartsofthesurface,inordertomeetthesprayingprocess.Keywords：Sprayingmanipulatoroperationdifficultypaintingprocess目录3目录摘要-----------------------------------------------------1ABSTRACT-------------------------------------------------2第一章绪论----------------------------------------------11.1喷漆机械手简介----------------------------------------------11.2研究意义----------------------------------------------------11.3研究现状----------------------------------------------------11.4主要工作及流程----------------------------------------------3第二章机械结构设计--------------------------------------42.1方案功能设计与分析------------------------------------------42.2关节部分设计------------------------------------------------62.2.1位置自由度关节设计------------------------------------62.2.2姿态自由度关节设计------------------------------------62.3机械手三维模拟图--------------------------------------------7第三章动力学分析----------------------------------------103.1Pro/Engineer简介------------------------------------------103.2步进电机选型-----------------------------------------------103.2.1腕部及末端部分选型-----------------------------------103.2.2小臂部分电机选型-------------------------------------113.2.3大臂部分电机选型-------------------------------------123.3运动学方程分析---------------------------------------------12第四章控制电路-----------------------------------------174.1控制硬件设计-----------------------------------------------174.1.189C51芯片简介---------------------------------------174.1.2L298步进电机驱动器简介------------------------------174.1.3电路设计思路-----------------------------------------184.1.4电路原理图-------------------------------------------184.2控制软件设计-----------------------------------------------194.2.1第一种方案-------------------------------------------194.2.2第二种方案-------------------------------------------19第五章设计小结-----------------------------------------25参考文献-----------------------------------------------------------26附录A外文翻译——原文--------------------------------------------27附录B外文翻译——译文--------------------------------------------35目录4贺永翔：喷漆机械手设计11第一章绪论1.1喷漆机械手简介机械手是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件输送。这种机械手在国外称为“Mechan—icalHand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。1.2研究意义对于多数金属而言，长期暴露在空气条件下会发生氧化，继而丧失金属原本性能，所以对于此类金属进行喷漆处理是相当重要的。传统的人工刷漆工作效率低，重复刷漆过分单调，且由于油漆本身具有毒性，人体长期接触会影响身体健康。为解决上述问题，喷漆机械手应运而生。但是目前我国喷漆行业喷漆机械手尚未普及，因此，该产品在我国有较好的发展前景，喷漆机械手由喷枪、小回转臂、小臂、大臂、底座组成，它的主要功能是配合PWM控制系统完成产品表面的喷漆工作。本课题所设计的喷漆机械手适合目前我国喷漆声场的要求，能够达到喷涂质量好、工作性能稳定等目的。1.3研究现状70年代中期，美国、R本等国已经开始应用液压式喷漆机器人f4”。但是由于液压式喷漆机器人存在某些缺点，如维修保养困难，噪声大，启动时适应性差，动力消耗大，位置重复精度低，成本高等，皆限制了它的广泛应用。而电动喷漆机器人与液压式喷漆机器人相比较，具有很多优点：（1）不需要液压能源设备，结构简单，制造费用低；（2）维修时间和成本可大幅度降低，因为液压式喷漆机器人的60％～70％故障起因于液压机构；（3）位置重复精度大大提高，液压式喷漆机器人位置重复精度一般为±2毫米，而电动式机器人位置重复精度可提高到±o．5毫米；（4）动力消耗减少l／3～1／4；（5）安装空问只占液压式喷漆机器人的2／3；贺永翔：喷漆机械手设计22（6）起动速度快，噪声小。由于电动喷漆机器人具有以上优点，故大大改善了喷漆机器人的喷涂性能。然而需要指出的是，喷漆机器人所喷出的漆雾和溶剂挥发都会形成可燃易爆气体，所以设计和使用喷漆机器人时必须考虑防爆要求。安装在喷漆现场的机器人本体上的电气装置和元件必须符合工业防爆规范的要求148】，否则若电机运行时产生火花，就会有发生爆炸的危险，因此防爆问题将直接影响电动喷漆机器人的应用前景。目前国外应用的电动喷漆机器人主要采用以下防爆结构H6】：（1）内压防爆结构：把电火花发生源一电机和位置检测器放八干净、充满新鲜空气(或其它不易燃气体)的容器内，使电机和位置检测器与具有可燃性的稀释剂挥发空气隔离丌来，咀此达到防爆目的。其结构必须配备通气管道、内压容器。（2）耐压防爆结构：指电机和位置检测器外壁做成足能承受内部爆炸所产生的压力，即使电机和内部检测器内发生爆炸，也不至影响其它结构。（3）本质防爆结构：从设备内在结构考虑，如采用无刷交流伺服电机和无接触开关等，使电动式机器人的各种装置不存在火花源。随着防爆问题的有效解决，电动式喷漆机器人已经逐渐取代了液压式喷漆机器人。美国GMF公司首先研制了GMF．P一100六轴关节型电动伺服驱动喷漆机器人，所有轴都是用高级小型交流伺服电机来驱动，无刷运转。该机器人具有工作范围大、连续轨迹示教盒示教、喷涂方便以及喷涂使用菜单驱动软件包等特点。F1本安川电机研究所开发了Motoman．L5G轻小型防爆电机喷漆机器人，该机器人各轴均采用了附有绝对编码器的交流伺服制动电机，并配有控制器。系统整体具有防爆性能，各仪器均符合防爆规格，如交流伺服电机为耐爆结构，编码器为耐压防爆结构，示教盒为本质防爆结构。这些电动喷漆机器人的开发推动了喷漆机器人的快速发展。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关和863计划，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。从1983年丌始研制喷漆机器人，由于