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河南理工大學萬方科技學院
研究采用拉瓦爾噴管的冷噴涂技術模型中
參數(shù)對粒子速度的影響
關鍵詞：冷噴涂技術；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是在液體動力學的基礎上進行計算。在研究中，對于單孔和九孔拉瓦爾噴管，相隔距離和粒子直徑對銅粒子的沖擊速度影響是不同的。結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。許多學者已經(jīng)把研究重心集中在這一個問題。pattison［1] 發(fā)現(xiàn)當SoD很小時，一個噴流弓形激波會在超音速射流和基體之見的沖擊區(qū)域內成型，并且當它減少粒子沖擊速度時，噴流弓形激波對工作過程是有害的。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毫米或者更少時要使用一個定做的氦氣噴嘴，在2.0 MPa和200 °C 條件下工作。Alkhimov［2]發(fā)現(xiàn)，當噴射空氣和氦時，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離基體。
這項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粒子速度沖擊所帶來的不利的影響，在相同狀態(tài)之下會獲得比較好的噴射效果。
理論模型
數(shù)學模型。
可壓縮的流量是一種非常復雜、廣泛的現(xiàn)象，并且噴嘴的實際流量是在實際條件下不恒定的等熵流量。噴嘴的流量內部被認為是一個穩(wěn)定的等熵流量在理論上是為了簡化模擬。用方程[5]描述這個過程。
連續(xù)方程：
動量方程：
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，黏性應力張量和熱傳導性，相應的；e，D分別表示每一單位容積內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，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 是液體動力粘度，而且這方程際地被應用于＜50000.
幾何學的模型。
冷噴涂過程的噴射流量是由噴管的內部流量和自由的噴射流量組成。由于九孔噴管的使用，一個三維模型建立在這一研究中。圖1是九孔噴管的截面圖，有八個小孔直徑為1.67毫米均勻分布一個直徑為2.6毫米的中心孔周圍，整個圓的直徑為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構和計算區(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，都在常溫常壓下進行。并且選定空氣為加速狀態(tài)。
標準湍流模型是作為分散氣體湍流流場，和標準壁面函數(shù)能被用來處理近壁區(qū)。二階逆風離散化方案用于解方程。分散相的計算連續(xù)的流場。
結果與討論
SoD對粒子速度的影響
直徑為2微米單孔拉瓦爾噴管和九孔拉瓦爾噴管對銅粒子沖擊速度的影響如圖3所示，當噴射壓力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對粒子速度的影響 圖4 粒子直徑對粒子速度的影響
當使用單孔拉瓦爾噴管時，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，沖擊波就會發(fā)生。當沖擊波，壓力，密度，氣流溫度急劇上升，馬赫數(shù)急劇下降時，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，增強基體的抗沖擊強度和減少SoD的距離，對粒子速度沒有影響。
所以在九孔拉瓦爾噴管中的粒子速度會使氣流趨于穩(wěn)定。
粒子直徑對粒子速度的影響。
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，粒子直徑對粒子速度的影響。它明顯的說明用不同的拉瓦爾噴管會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。
因為小粒子具有低質量、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，粒子速度變化不大。較大的粒子具有較高的質量，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壓力對粒子速度的影響。如圖5所示的距離噴嘴進口到基體的距離為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。因此說明壓力對粒子速度影響不大。
圖5 壓力對粒子速度的影響 圖6 溫度對粒子速度的影響
溫度對粒子速度的影響
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溫度對粒子速度的影響。從圖中明顯看出溫度對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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本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 35 頁 共 35 頁
1 前言
1.1 國內外發(fā)展概況
機械手首先是美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結構是：機體上安裝一個回轉長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。
1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮、用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。
1962年美國機械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機械手。該機械手的中央立柱可以回轉、升降采用液壓驅動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。
1978年美國Unimate公司和斯坦福大學，麻省理工學院研究Unimate-Vicarm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國機械制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于噴涂、起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。
聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種噴涂機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。
日本是機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。
前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展和應用機械手，至1977年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進口。
目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機械手具有感覺機能。
第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。
1.1.1 研究現(xiàn)狀
自上世紀90年代以來，隨著計算機技術、微電子技術和網(wǎng)絡技術的迅猛發(fā)展，機器人技術也得到了飛速發(fā)展。原本用于生產(chǎn)制造的工業(yè)機器人水平不斷提高，各種用于非制造業(yè)的先進機器人系統(tǒng)也有了長足的進展。機器人的各種功能被相繼開發(fā)并得到不斷增強，機器人的種類不斷增多，機器人的應用領域也從最初的工業(yè)控制拓展到各行各業(yè)，從軍事到民用，從天上到地下，從工業(yè)到農業(yè)、林、牧、漁，從科研探索到醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)，從生產(chǎn)領域到娛樂服務行業(yè)，甚至還進入尋常百姓家。
工業(yè)機器人的結構形式很多，常用的有直角坐標式、柱面坐標式、球面坐標式、多關節(jié)坐標式、伸縮式、爬行式等等，根據(jù)不同的用途還在不斷發(fā)展之中。噴涂機器人根據(jù)不同的應用場合可采取不同的結構形式，但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多關節(jié)式的機器人，這是因為多關節(jié)式機器人的手臂靈活性最大，可以使噴槍的空間位置和姿態(tài)調至任意狀態(tài)，以滿足噴涂需要。理論上講，機器人的關節(jié)愈多，自由度也愈多，關節(jié)冗余度愈大，靈活性愈好；但同時也給機器人逆運動學的坐標變換和各關節(jié)位置的控制帶來復雜性。因為噴涂過程中往往需要把以空間直角坐標表示的工件上的噴涂位置轉換為噴槍端部的空間位置和姿態(tài)，再通過機器人逆運動學計算轉換為對機器人每個關節(jié)角度位置的控制，而這一變換過程的解往往不是唯一的，冗余度愈大，解愈多。如何選取最合適的解對機器人噴涂過程中運動的平穩(wěn)性很重要。不同的機器人控制系統(tǒng)對這一問題的處理方式不盡相同。
1.1.2 發(fā)展趨勢
工業(yè)機器人技術發(fā)展與應用水乳交融。在第一代工業(yè)機器人普及的基礎上，第二代已經(jīng)推廣，成為主流安裝機型，第三代智能機器人已占有一定比重。以應用為龍頭拉動工業(yè)機器人技術的發(fā)展，其重點發(fā)展領域與技術特點體現(xiàn)在下述方面：
（1） 機械結構
（a） 以關節(jié)型為主流，80年代發(fā)明的適用于裝配作業(yè)的平面關節(jié)型機器人約占總量的l／3(目前世界工業(yè)機器人總數(shù)約為750000臺)，90年代初開發(fā)的適用于窄小空間、快節(jié)奏、360度全工作空間范圍的垂直關節(jié)型機器人大量用于噴涂、焊接和上下料。
（b） 應3K(煉鋼、煉鐵、鑄鍛)行業(yè)和汽車、建筑、橋梁等行業(yè)需求，噴涂機器人應運而生。
（c） 己普遍采用CAD、CAM等技術用于設計、仿真與制造中。
（2） 控制技術
（a） 大多數(shù)采用32位CPU，控制軸多達27軸，NC技術和離線編程技術大量采用。
（b） 協(xié)調控制技術日趨成熟，實現(xiàn)了多手與變位機、多機器人的協(xié)調控制，正逐步實現(xiàn)多智能體的協(xié)調控制。
（c） 基于PC的開放式結構控制系統(tǒng)由于成本低并具有標準現(xiàn)場網(wǎng)絡功能，己成為一股潮流。
（3） 驅動技術
上世紀80年代發(fā)展起來的AC伺服驅動已成為主流驅動技術用于工業(yè)機器人中。日本23家機器人公司于1998年生產(chǎn)的168種型號機器人產(chǎn)品，其中采用AC伺服驅動的有156種，占93.4％。直接驅動技術則廣泛用于裝配機器人中。新一代的伺服電機與基于微處理器的智能伺服控制器相結合，已由日本FANUC 公司開發(fā)并用于工業(yè)機器人中；在遠程控制中已采用了分布式智能驅動新技術。
（4） 智能化的傳感器多有應用
在上述167種機型中，裝有視覺傳感器的有94種，占56.3％，不少機器人裝有兩種傳感器，有些機器人留下了多種傳感器接口。
（5） 高速、高精度、多功能化
目前所知最快的裝配機器人最大合成速度為16.5m/s;高精度機器人的位置重復性為正負0.01mm.有一種大直角坐標噴涂機器人，其最大合成速度達80m/s;而另一種并聯(lián)機構的NC機器人，其位置重復性達l um。90年代末的機器人一般都具有兩、三種功能。最近瑞典Neos公司開發(fā)出一種高精度、高可靠性的可噴涂、切割、鉆孔、銑削、磨削、裝配、搬運的多功能機器人，用于多家著名汽車廠和飛機公司。
（6） 集成化與系統(tǒng)化
1998年ABB公司推出IRbl400系列小機器人，其循環(huán)時間只有0.4s，控制器包括軟件、高壓電、驅動器、用戶接口等皆集成于一柜，只有洗衣機變換器那樣大小。FANUC公司2000年9月宣稱它的控制器為世界最小。
工業(yè)機器人的應用從單機、單元向系統(tǒng)發(fā)展。多達百臺以上的機器人群與微機及周邊智能設備和操作人員形成一個大群體(多智能體)?？鐕蠹瘓F的壟斷和全球化的生產(chǎn)將世界眾多廠家的產(chǎn)品聯(lián)接在一起，實現(xiàn)了標準化、開放化、網(wǎng)絡化的“虛擬制造”，為工業(yè)機器人系統(tǒng)化的發(fā)展推波助瀾。
在國內主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展噴涂、鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善工人作業(yè)條件，在應用專用機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構以及根據(jù)不同類型的加緊機構，設計成典型的通用機構，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機構，即可組成不同用途的機械手。既便于設計制造，有便于更換工件，擴大應用范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。
此外還應大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。
在國外機械制造業(yè)中工業(yè)機械手應用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。
此外，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，并作相應的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。
視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀（即距離傳感器）以及微型計算機。工作是電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。
更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。
1.2 課題來源
本設計的課題是噴涂機器人臂部與手部的設計，主要是臂部和腕部的結構設計及其零件設計。此課題來源于生產(chǎn)實際，是針對目前手工噴涂效率低，操作環(huán)境差，而且對操作員技術熟練程度要求高，因此采用機器人技術，可以實現(xiàn)噴涂工作的柔性自動化，提高產(chǎn)品質量與勞動生產(chǎn)率，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化，改善勞動條件。
1.3 技術要求及預期效果
根據(jù)設計要達到以下要求：
對噴涂機器人機械臂結構及小臂自重平衡系統(tǒng)進行設計。
噴涂工件外形尺寸800mm x500mm x500mm(長x寬x髙)；
機械臂的結構尺寸為：大臂長約700mm左右，小臂長約800mm左右，臂桿橫截面尺寸 ≤ 100mm x100mm；手部尺寸約150mm左右；小臂擺角80°（上擺30°，下擺50°）。
對影響自重平衡的主要結構參數(shù)進行優(yōu)化設計與計算，示教時的不平衡力≤2kg。
此次設計的垂直多關節(jié)機器人可以實現(xiàn)大臂小臂的旋轉,手腕的旋轉與擺動。此裝置應用在噴涂生產(chǎn)線上將大大提高生產(chǎn)效率和質量，降低了工人的勞動強度，能夠帶來可觀的經(jīng)濟效益。
1.4 本課題要解決的主要問題及設計總體思路
本課題要解決的問題有以下二個：
（1） 手腕處于手臂末端，需減輕手臂的載荷，力求手腕部的結構緊湊，減少重量和體積。
（2） 設計小臂的平衡系統(tǒng)，使小臂在撤除驅動力的情況不會發(fā)生突發(fā)性轉動。
針對上述問題有了以下設計思路：
（1） 手腕部機構的驅動裝置采用分離傳動，采用傳動軸，將驅動器安置在小臂的后端。
（2） 驅動電機經(jīng)聯(lián)軸器與傳動軸驅動一對圓柱齒輪和一對圓錐齒輪傳動來帶動手腕作偏擺運動。
（3） 手部的驅動電機安裝在小臂內部，以此來減輕手部的重量，讓手部能夠作靈活的運動。
（4） 對于小臂平衡是采用重力平衡的方式，及在小臂末端放置鐵塊。
2 總體方案設計
2.1 機械結構類型的確定
為實現(xiàn)總體機構在空間位置提供的4個自由度，可以有不同的運動組合，根據(jù)本課題的要求現(xiàn)可以將其設計成關節(jié)型機器人。關節(jié)型又稱回轉坐標型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個關節(jié)都是回轉關節(jié)，這種機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱與大臂間形成肩關節(jié)，大臂和小臂間形成肘關節(jié)，可使大臂作回轉運動和使大臂作俯仰擺動，小臂作俯仰擺動。其特點是工作空間范圍大，動作靈活，通用性強，工藝操作精度高。
圖2.1 整體原理圖
2.2 傳動方案的確定
圖2.1是機器人小臂與腕部機械傳動系統(tǒng)的簡圖。機械傳動系統(tǒng)共有4個齒輪，為了實現(xiàn)在同一平面改變傳遞方向90°,有2個齒輪為圓錐齒輪,有利于簡化系統(tǒng)運動方程式的結構形式。如果采用蝸輪蝸桿結構,則必然以空間交叉方式變向,就不利于簡化系統(tǒng)運動方程式的結構形式。其中有2個齒輪為直齒圓柱齒輪，用于減速。小臂的結構形式是由內部鋁制的整體鑄件骨架與外表面很薄的鋁板殼相互膠接而成。關節(jié)電機安裝在小臂后面用于帶動傳動軸與齒輪的旋轉來實現(xiàn)手腕的擺動。
圖2.2小臂腕部傳動原理圖
2.3 工作空間的確定
工作空間是機器人學中一個重要的研究領域。但在實際應用中，可以簡化這一問題，把工作空間看作是機器人操作機正常運行時，手腕參考點（如定位機構的軸線正交，取交點為參考點）在空間的活動范圍，或者說該點可達位置在空間所占有的體積。根據(jù)關節(jié)型機器人的結構確定工作空間，工作空間是指機器人正常工作運行時，手腕參考點能在空間活動的最大范圍，是機器人的主要技術參數(shù)。
圖2.3 機器人的工作空間位置圖
2.4 手腕結構的確定
手腕是操作機的小臂和末端執(zhí)行器之間的聯(lián)接部件。其功用是利用自身的活動度確定被噴涂物體的空間姿態(tài)，也可以說是確定末端執(zhí)行器的姿態(tài)。故手腕也稱作機器人的姿態(tài)機構。對一般商用機器人，末桿（即與末端執(zhí)行器相聯(lián)接的桿）都有獨立驅動的自轉功能，若該桿再能在空間取任意方位，那么與之相聯(lián)的末端執(zhí)行器就可在空間取任意姿態(tài)，即達到完全靈活的境地。對于任一桿件的姿態(tài)（即方向），可用兩個方位角確定，如圖2.4所示。
圖2.4 末桿姿態(tài)示意圖
１-大臂 ?。?小臂 ?。?末桿
在圖2.4中末桿Ln的圖示姿態(tài)可以看作是由處于方向的原始位置先繞在平面內轉角，然后再向上轉角得到的?？梢娛怯蓛山菦Q定了末桿的方向（姿態(tài)）。從理論上講，如果，則末桿在空間取任意方向。如果末桿的自轉角（即）也滿足，就說該操作機具有最大的靈活度，即可自任意方向抓取物體并可把抓取的物體在空間擺成任意姿態(tài)。為了定量的說明操作機轉動的靈活程度，定義組合靈度（dex)為：
(2-1)
上式取加的形式但一般不進行加法運算，因為分開更能表示機構的特點?！ ?
腕結構最重要的評價指標就是dex值。若為三個百分之百，該手腕就是最靈活的手腕。一般說來、的最大值取，而值可取的更大一些，如果擰螺釘，最好無上限。
腕結構是操作機中最為復雜的結構，而且因傳動系統(tǒng)互相干擾，更增加了腕結構的設計難度。腕部的結構設計要求是：重量輕，dex的組合值必須滿足工作要求并留有一定的裕量（約5%-10%），傳動系統(tǒng)結構簡單并有利于小臂對整機的靜力平衡。
2.5 驅動裝置的選擇
2.5.1 機器人驅動方案的分析和選擇
通常的機器人驅動方式有以下三種：
（1） 電動驅動
電動驅動器是目前使用最廣泛的驅動器。它的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，但它們多與減速裝置相連，直接驅動比較困難。
電動驅動器又分為直流（DC）、交流（AC）伺服電機驅動。后者多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機器人系統(tǒng)。直流伺服電機有很多優(yōu)點，但它的電刷易磨損，且易形成火花。隨著技術的進步，近年來交流伺服電機正逐漸取代直流伺服電機而成為機器人的主要驅動器。
（2） 液壓驅動器
液壓驅動的主要優(yōu)點是功率大，結構簡單，可省去減速裝置，能直接與被驅動的桿件相連，響應快，伺服驅動具有較高的精度，但需要增設液壓源，而且易產(chǎn)生液體泄露，故液壓驅動目前多用于特大功率的機器人系統(tǒng)。
（3） 氣動驅動器
氣動驅動器的能源，結構都比較簡單，但與液壓驅動器相比，同體積條件下功率較小（因壓力低），而且速度不易控制，所以多用于精度不高的點位控制系統(tǒng) 。
通過比較以上三種驅動方式，因此本課題的機器人將采用電動驅動器中的直流伺服電動機與步進電動機。因為直流伺服電機具有良好的調速特性，較大的啟動力矩，相對功率大及快速響應等特點，并且控制技術成熟。其安裝維修方便，成本低。而交流伺服電機結構簡單，運行可靠，使用維修方便，與步進電機相比價格要貴一些。
2.5.2 手腕電機的選擇
（1） 轉腕及腕部內電機的選擇
手腕的最大負荷重量初估腕部的重量，最大運動速度V=1m/s，則：
功率；
取安全系數(shù)為1.2，
考慮到傳動損失和摩擦，最終的電機功率
又因為標準周期T=0.3sec，即；
則所需電機的輸入轉速為；
根據(jù)設計要求轉腕部分的電機后緊跟輸出軸和聯(lián)軸器，直接帶動手腕旋轉，故在此選擇轉速較低的型號電機，又由于要求手腕的重量較輕，便于靈活的實現(xiàn)運動，因此要求腕部內電機較小，故選SZYX81寬調速永磁直流伺服電機，其安裝尺寸為42mm，電機重量僅為0.35Kg，詳細參數(shù)見表2-1。
表2-1 SZYX81寬調速永磁直流伺服電機技術參數(shù)
規(guī)格型號
額定功率
額定轉矩
額定電壓
SZYX81
0.1KW
0.35N.M
24V
最高電流
最高轉速
允許轉速差10%
轉動慣量
2.7A
800r/min
50
100kg.cm.s
該電機具有精度高，響應快，調速范圍寬，加速度大，力矩波動小，線性度好，過載能力強等特點。
2.6 傳動比的確定及分配
2.6.1. 傳動比的確定
由電動機的轉速可知所需的總傳動比為i=10。
2.6.2 傳動比的分配
傳動比分配時要充分考慮到各級傳動的合理性，以及齒輪的結構尺寸，要做到結構合理。因此擺腕傳動比分配為：擺腕總的傳動比＝10，該傳動為兩級傳動，第一級傳動為圓柱齒輪傳動，傳動比＝2，第二級傳動為圓錐齒輪傳動，傳動比。
3 齒輪的設計
3.1 齒輪強度的設計與校核
3.1.1 第一級圓柱齒輪傳動設計
齒輪材料采用45號鋼，鍛造毛坯，小齒輪調質處理，表面硬度為210HBS；大齒輪正火處理后齒面硬度為180HBS，因載荷平穩(wěn)，齒輪速度不高，初選齒輪精度等級為7級。取。
（1） 設計準則
先按齒面接觸疲勞強度設計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。
（2） 按齒面接觸疲勞強度設計
齒面接觸疲勞強度條件的設計表達式
(3-1)
式中，-載荷系數(shù),?。?
-齒寬系數(shù)，取，；
-材料系數(shù)，取。
小齒輪傳遞扭矩
(3-2)
大小齒輪的接觸疲勞強度極根應力為：
；
選擇材料的接觸疲勞極根應力為：
；
應力循環(huán)次數(shù)N由下列公式計算可得
（3-3）
則
接觸疲勞壽命系數(shù),；
彎曲疲勞壽命系數(shù)；
接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù)。
許用接觸應力和許用彎曲應力：
將有關值代入（3-1）得：
計算圓周速度:
計算載荷系數(shù):動載荷系數(shù)Kv=1.0；使用系數(shù)；動載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)，則。
修正 ；
；
取標準模數(shù)。
（3） 計算基本尺寸
取
（4） 校核齒根彎曲疲勞強度
齒形系數(shù)，，取，校核兩齒輪的彎曲強度
（3-4）
=3.7MPa<[]
所以齒輪完全達到要求。由于小齒輪分度圓直徑較小，考慮到結構，將小齒輪做成齒輪軸。圓柱齒輪的幾何參數(shù)見表3-1。
表3-1 圓柱齒輪的幾何尺寸
名稱
符號
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒全高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
基圓直徑
齒距
齒厚
齒槽寬
中心距
頂隙
3.1.2 第二級圓錐齒輪傳動設計
齒輪材料采用45號鋼，小齒輪調質處理表面硬度為210HBS；大齒輪正火處理后齒面硬度為180HBS，齒輪精度等級為7級。取
（1） 設計準則
按齒面接觸疲勞強度設計，再按齒根彎曲疲勞強度校核。
（2） 按齒面接觸疲勞強度設計
齒面接觸疲勞強度的設計表達式
(3-5)
其中， 取，；
，；
選擇材料的接觸疲勞極根應力為：
；
選擇材料的接觸疲勞極根應力為：
；
應力循環(huán)次數(shù)N由下式計算可得
則
接觸疲勞壽命系數(shù),；
彎曲疲勞壽命系數(shù)；
接觸疲勞安全系數(shù)，彎曲疲勞安全系數(shù),又，試選。
許用接觸應力和許用彎曲應力：
將有關值代入（3-5）得：
則
動載荷系數(shù)；使用系數(shù)；齒向載荷分布不均勻系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)取，則。
修正
取標準模數(shù)。
（3）計算基本尺寸
（4） 校核齒根彎曲疲勞強度
復合齒形系數(shù)，，取。
校核兩齒輪的彎曲強度
（3-6）
所以齒輪完全達到要求。
由于小齒輪的分度圓直徑較小，所以作成齒輪軸。
表3-2 圓錐齒輪的幾何參數(shù)
名稱
符號
公式
分度圓直徑
齒頂高
齒根高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
齒頂角
齒根角
分度圓錐角
頂錐角
根錐角
錐距
齒寬
4 軸的設計
軸的結構決定于受力情況、軸上零件的布置和固定方式、軸承的類型和尺寸、軸的毛坯，制造和裝配工藝、以及運輸、安裝等條件。軸的結構，應使軸受力合理，避免或減輕應力集中，有良好的工藝性，并使軸上零件定位可靠、裝配方便。對于要求剛度大的軸，還應該從結構上考慮減少軸的變形。
4.1 擺腕傳動軸的設計
4.1.1 圓柱齒輪軸的設計
由于主軸傳遞的功率不大，對其重量和尺寸也無特殊要求，故選常用材料45鋼，調質處理。
（1） 初估軸徑， C=106~117,取C=106則
（4-1）
=5.4mm
（2） 各段軸徑的確定
初估軸徑后，就可按照軸上零件的安裝順序從處開始逐段確定軸徑，上面計算的是軸段1的直徑，由于軸段1上安裝聯(lián)軸器，因此軸段1處直徑的確定和聯(lián)軸器型號同時進行。故取軸徑＝10mm。
在軸段2上要安裝軸承，其直徑應該便于軸承安裝，又應該符合軸承內徑系列，即軸段2處的直徑應與軸承型號的選擇同時進行?，F(xiàn)取角接觸球軸承型號為7000C，其內徑＝10mm。通常一根軸上的兩個軸承取相同型號，故取軸段6的直徑＝10mm。軸段3上用軸肩固定軸承，故?。?4mm。軸段4上作成齒輪軸，尺寸與齒輪相同。根據(jù)結構確定軸段5的直徑＝22mm。
（3） 各軸段長度的確定
各軸段長度主要根據(jù)軸上零件的轂長或軸上零件配合部分的長度確定。另一些軸段長度，除與軸上零件有關外，還與箱體及軸承蓋等零件有關。
根據(jù)聯(lián)軸器選取軸段一的長度，此時又要考慮此段軸長不應與大臂和小臂連接處的軸在工作時相互干涉，因此選取此段軸長。根據(jù)軸承寬度取 。 根據(jù)結構 ， 。
圖4.1 圓柱齒輪軸的結構設計草圖
4.2.2 軸的強度校核
軸在初步完成結構設計后，進行校核計算。計算準則是滿足軸的強度或剛度要求。進行軸的強度校核計算時，應根據(jù)軸的具體受載及應力情況，采取相應的方法，并恰當?shù)剡x取其許用應力，對于用于傳遞轉矩的軸應按扭轉強度條件計算，對于只受彎矩的軸（心軸）應按彎曲強度條件計算，兩者都具備的按疲勞強度條件進行精確校核等。
圖4.2 軸的受力分析和彎扭矩圖
(1) 軸上的轉矩T
主軸上的傳遞的功率：
（4-2）
求作用在齒輪上的力：
（2） 畫軸的受力簡圖
軸的受力如圖4.2所示。
（3） 計算軸的支撐反力
在水平面上
在垂直面上
（4） 畫彎矩圖
彎矩圖如圖4.2所示。
在水平面上，剖面左側
剖面右側
在垂直面上
合成彎矩，剖面左側
剖面右側
（5） 畫轉矩圖,見圖4.2
（6） 判斷危險截面
截面左右的合成彎矩左側相對右側大些，扭矩為T，則判斷左側為危險截面，只要左側滿足強度校核就行了。
（7）軸的彎扭合成強度校核
，，則 。
截面左側
（8） 軸的疲勞強度安全系數(shù)校核
查得抗拉強度 ，彎曲疲勞強度，剪切疲勞極限，等效系數(shù)， 。
截面左側
查得，；查得絕對尺寸系數(shù)，；軸經(jīng)磨削加工，表面質量系數(shù) 。則
彎曲應力
應力幅
平均應力
切應力
安全系數(shù)
查許用安全系數(shù)，顯然，則剖面安全。
其它軸用相同方法計算，結果都滿足要求。
4.2.3 圓錐齒輪軸的設計
由于此軸傳遞的功率不大，對其重量和尺寸也無特殊要求，故選常用材料45鋼，調質處理。
（1） 初估軸徑， C=106~117,取C=106
根據(jù)電動機的轉速和額定功率可知與圓柱齒輪軸相嚙合的大齒輪的轉速為
則根據(jù)公式4-1可得：
=6.8mm
（2） 各段軸徑的確定
初估軸徑后，就可按軸上零件的安裝順序，從dmin處開始逐段確定直徑。軸段1為外螺紋部分此段螺紋用于安裝擋板與螺栓，以便于對齒輪作軸向固定故取，軸段2安裝齒輪，根據(jù)齒輪的幾何尺寸故取并在此段軸上開設鍵槽以便于對軸上齒輪作周向固定。軸段3作為軸肩，對軸段2處安裝的齒輪作軸向固定，故取軸段4,6處安裝軸承，根據(jù)要求選用7000C型號的軸承，根據(jù)軸承型號與軸徑的大小同時選擇故確定軸段4和軸段6的直徑為。軸段5處用于安裝套筒以便對軸上安裝的軸承進行軸向固定故取。軸段7用作軸肩以此來用于對軸承作軸向固定故取。軸段8處為錐齒輪部分，根據(jù)以上的設計計算可知此處軸徑。
（3） 各軸段長度的確定
軸段1上裝M6的螺栓和擋板，故取。軸段2處裝齒輪，其長度與齒輪的寬度相同，故取。軸段3處利用軸肩作軸向固定，取。軸段4與軸段6處裝軸承，取，。軸段5處裝套筒，其長度為套筒的長度，故取。軸段7處作軸肩，取。軸段8處為錐齒輪部分，其長度。為保證軸承7000C內圈端面緊靠定位軸肩的端面，根據(jù)軸承手冊推薦，取軸肩圓角半徑為0.3mm。為方便加工，其它軸肩圓角半徑均取1mm。
圖4.3 圓錐齒輪軸的結構設計草圖
4.2.4 手腕連接軸的設計
由于此軸傳遞的功率不大，對其重量和尺寸也無特殊要求，故選常用材料45鋼，調質處理。
（1） 初估軸徑，C=106~117,取C=106
根據(jù)電動機的轉速和額定功率可知與手腕箱體連接軸的轉速為
則根據(jù)公式4-1可得：
?。?106
=11.6mm
（2） 各段軸徑的確定
初估軸徑后，就可按軸上零件的安裝順序，從dmin處開始逐段確定直徑。軸段1為外螺紋部分此段螺紋用于安裝擋板與螺栓，以便于作軸向固定故取，取軸段2處，并在此處開設鍵槽用來傳遞扭矩其尺寸為。軸段3處安裝軸承，根據(jù)要求選用7001C型號的軸承，并在軸的另一段安裝大錐齒輪，也在此處開設鍵槽用來傳遞扭矩其尺寸為，根據(jù)軸承型號與軸徑的大小同時選擇故取。軸段4用作軸肩以此來用于對大錐齒輪作軸向固定故取。軸段5處用來安裝7001C軸承,軸承內徑與軸徑的大小取同一尺寸，故取。
（3） 各軸段長度的確定
軸段1上裝M6的螺栓和擋板，故取。軸段2處裝鍵槽，用于傳遞扭矩，其鍵槽尺寸為，其長度取。軸段3處裝軸承與大錐齒輪，中間用套筒對其軸向固定，對大錐齒輪進行周向固定的鍵取尺寸為，故取。軸段4處利用軸肩作軸向固定，取。由于軸承應成對使用，所以軸段5處裝軸承，其類型代號與軸段3處一樣，取。
圖4.4 手腕連接軸的結構設計草圖
4.2.5 大臂小臂連接軸的設計
由于此軸傳遞的功率不大，對其重量和尺寸也無特殊要求，故選常用材料45鋼，調質處理。
（1） 初估軸徑， c=106~117,取c=106則根據(jù)公式4-1得
=14.03mm
（2） 各段軸徑的確定
初估軸徑后，就可按軸上零件的安裝順序，從dmin處開始逐段確定直徑。軸段1處要安裝壓板和齒輪用來固定此軸.故。軸段2處與4處安裝7004C類型軸承,其軸徑大小應與軸承內徑大小一致,故取,。軸段3處取。
（3）各軸段長度的確定
各軸段長度主要根據(jù)軸上零件的轂長或軸上零件配合部分的長度確定。另一些軸段長度，除與軸上零件有關外，還與箱體及軸承蓋等零件有關。軸段1處要安裝壓板和齒輪用來固定此軸，因此此段軸的長度應取長些，故取。軸段2的長度與軸承有關,取。軸段3處的選取長度為。軸段4 的長度與軸段2 處一樣,取。
圖4.5 大臂小臂連接軸的結構設計草圖
5 軸承的設計
5.1 軸承的選擇
軸承是支承軸或軸上回轉體的部件。根據(jù)工作時接觸面間的摩擦性質，分為滾動軸承和滑動軸承兩大類。滾動軸承依靠元件間的滾動接觸來承受載荷，相對于滑動軸承，滾動軸承具有摩擦阻力小，效率高，起動容易，潤滑簡便等優(yōu)點。因此我在做本課題設計時所選用的軸承全為滾動軸承。軸承的內外圈和滾動體，一般是用軸承鉻鋼（如GCr GCr15SiMn）制造，熱處理后硬度應達到60～65HRC。保持架有沖壓的和實體的兩種結構。沖壓保持架一般用低碳鋼板沖壓制成,它與滾動體間有較大間隙,工作時噪聲大；實體保持架常用銅合金，鋁合金或酚醛樹脂等高分子材料制成，有較好的隔離和定心作用,又因為實體保持架比沖壓保持架允許更高的轉速。所以本課題選用的保持架為實體的。從受載荷方面來考慮，我所設計的機器人承受載荷力不大，且適用在振動與沖擊不大的場合；而且球軸承比滾子軸承有較高的極限轉速和旋轉精度；再從經(jīng)濟性方面考慮球軸承比滾子軸承便宜。綜合以上因素，所以選取7000c系列的角接觸球軸承。
5.2 軸承的壽命計算
圓柱齒輪軸的軸承壽命計算：
經(jīng)查表可知：載荷系數(shù)=1.2 ，溫度系數(shù)徑，基本額定動載荷，基本額定靜載荷。
由以上計算可知：徑向力，。
派生軸向力 （5-1）
計算并確定e值，
根據(jù)0.05，查表可得e=0.4。
計算當量動負荷
查表可得：徑向載荷系數(shù)X=0.44,軸向載荷系數(shù)Y=1.4。
(5-2)
（5-3）
取
計算軸承壽命 （5-4）
=3413.8h
根據(jù)以上計算可知，其余幾跟軸上的軸承也完全滿足工作要求。
6 其它零部件的選用
6.1 鍵連接的選用
鍵連接分為平鍵連接、半圓鍵連接、楔鍵連接和切向鍵連接。由于平鍵的兩側面是工作面，工作時靠鍵與鍵槽側面間的擠壓來傳遞轉矩。鍵的上表面與輪轂間留有間隙，因此，平鍵連接定心性好，結構簡單裝拆方便，所以本次設計我選用的是平鍵連接中的圓頭平鍵。
鍵連接的選擇包括類型選擇和尺寸選擇兩個方面。鍵連接的類型可根據(jù)連接的結構特點使用要求和工作條件來選擇；鍵的尺寸則按符合標準規(guī)格和強度要求來取定。鍵的主要尺寸為截面尺寸b、h和長度L。b、h可根據(jù)軸徑d由標準中查??；長度L可參照輪轂長度Ｂ從標準中選取。
6.2 殼體的設計
小臂和手腕的外殼是支承整個傳動系統(tǒng)的框架，采用鑄鋁材料，質量輕，剛度大，小臂的外框結構的厚度為6mm、蓋子厚度為6 mm、電機后蓋厚度為6mm。手腕的外框結構厚度為3mm,機器人手部為鑄造鋁合金。其他部分的具體尺寸由結構定，詳見裝配圖。
6.3 機器人手臂材料的選擇
機器人手臂的材料應根據(jù)手臂的工作狀況來選擇。根據(jù)設計要求，機器人手臂只要轉動工作。因此對材料的一個要求是作為運動部件，它應是輕型材料。而另一方面，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。
機器人手臂材料應先是結構材料。手臂承受載荷時，不應有變形和斷裂。從力學角度看，即要有一定的強度。手臂材料應選擇高強度材料，如鋼，鑄鐵，合金鋼等。機器人手臂是運動的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比較輕。綜合而言，應該優(yōu)先選擇強度大而密度小的材料做手臂。其中，非金屬材料有尼龍6，聚乙烯（PEH）和碳素纖維等；金屬材料以輕合金（特別是鋁合金）為主。所以我所設計的機器人手臂的材料選擇為鑄造鋁合金中的鋁銅合金。
6.4 機器人臂部連接件的選用
本設計中采用常規(guī)聯(lián)軸器：小臂部分采用DIN6885型號。該聯(lián)軸器的特點是圓周方向剛度大而軸向彎曲方向柔度較大，既能起到可靠的傳動又適合調整和補償軸之間的偏差。
圖6-1 聯(lián)軸器
8 總結
8.1 所完成的工作
（1） 對機器人手臂傳動所需要的力計算
本文通過收集實際運用中噴涂機器人手臂噴涂所需要的力從而進行一系列計算并選取合適的電機、軸、齒輪、軸承。
（2） 對小臂平衡系統(tǒng)的完善
由于機器人手臂在實際運行后需要關閉手臂的驅動裝置，為防止小臂在沒有驅動力之后不會放生突然小臂下擺，需要對小臂的自身平衡系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，對此本文采用的是重力平衡系統(tǒng)。
8.2 設計經(jīng)驗
（1） 軸承架和小臂不采用連體
小臂內部的軸承架如果和小臂連接采用連體的方式，這樣不僅造成小臂的加工麻煩降低生產(chǎn)效率，而且不利于小臂組件的運輸。
（2） 最好安裝機械制動裝置
僅依靠程序來實現(xiàn)制動并不可靠，例如突然掉電，將無法制動。
8.3 誤差分析
本文中每個關節(jié)的角度誤差在±2°左右，由于是開環(huán)機構，所以綜合疊加起來，末端誤差可能會較大，并且重復精度不夠。
下面簡要分析一下誤差的來源：
工作臺、基座的上下表面平行度誤差，腰關節(jié)轉軸的垂直度誤差，以及其它關節(jié)之間的平行度誤差，齒輪、軸承的間隙，齒形帶的變形不均勻裝配誤差
（1） 各關節(jié)軸的回轉誤差，各連桿的受力變形誤差；
（2） 運行時，機械部分的振動。
結束語
此次設計的機器人為垂直多關節(jié)機器人，采用了直流伺服電機驅動，通過一系列的軸和齒輪傳動順利實現(xiàn)了小臂和手部的旋轉與擺動。為了使小臂空間內結構緊湊，故在小臂內安裝電機來實現(xiàn)手腕的旋轉與擺動，并且腕部材料選擇鑄造鋁合金中的鋁銅合金，選取了SZYX81寬調速永磁直流伺服電機，其重量僅為0.35KG。此裝置應用于噴涂生產(chǎn)線上將大大提高生產(chǎn)效率和噴涂質量，降低工人的勞動強度，能夠帶來可觀的經(jīng)濟效益。
關節(jié)型機器人是在輕型、操作較簡便且要求機器人價格較低并能夠降低工人勞動強度的條件下提出的一種新型機械裝置。本課題正是在這種背景下提出來的，這是一項具有重要意義的課題。本機器人設計結構合理，通用性強。此設備制造成本合理，拆裝方便，便于維護。
此次我們設計的噴涂機器人手臂是中小型機器人手臂，實現(xiàn)的傳動比不大，今后在技術允許的條件下可以在手臂內增加減速器，以便實現(xiàn)更大的傳動比。
致 謝
本畢業(yè)設計論文是在周建平老師的親切關懷和悉心指導下完成的。他嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成，老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持。半年來，周老師不僅在學業(yè)上給我以精心指導，同時還在思想、生活上給我以無微不至的關懷，在此謹向周老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。
另外，感謝學校給我們提供設計場地，和系領導的關心和指導，在設計過程中，結合工作體會和經(jīng)歷，提出了許多建設性的觀點，為我完成設計給予了極大的幫助。
在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!同時感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們！
最后感謝我的母校南京理工大學泰州科技學院四年來對我的栽培。
參 考 文 獻
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