噴漆機(jī)械手設(shè)計(jì)【含Creo三維及6張CAD圖帶開(kāi)題報(bào)告-獨(dú)家】.zip
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任務(wù)書(shū)
院（系）
指導(dǎo)教師
職稱(chēng)
學(xué)生姓名
專(zhuān)業(yè)（班級(jí)）
學(xué) 號(hào)
設(shè)計(jì)題目
噴漆機(jī)械手設(shè)計(jì)
設(shè)
計(jì)
內(nèi)
容
、
目
標(biāo)
和
要
求
（設(shè)計(jì)內(nèi)容目標(biāo)和要求、設(shè)計(jì)進(jìn)度等）
設(shè)計(jì)內(nèi)容：
設(shè)計(jì)噴漆機(jī)械手，要求具備4?個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)；具有1個(gè)外接執(zhí)行器夾持接口，最大負(fù)重10kg；最大作業(yè)半徑1m。
1）熟悉噴漆機(jī)械手的工作原理，了解噴漆機(jī)械手的研究現(xiàn)狀；
2）噴漆機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)；
3）噴漆機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；
4）基于AutoCAD繪制噴漆機(jī)械手的零件圖、裝配圖和控制系統(tǒng)圖；
基于Pro/E繪制噴漆機(jī)器人的三維實(shí)體模型；
5）在以上工作的基礎(chǔ)上完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。
6）翻譯一篇與論文相關(guān)的英文資料（5000字左右）。
目標(biāo)：
?1）培養(yǎng)學(xué)生查閱文獻(xiàn)、分析資料、編寫(xiě)報(bào)告的能力； 2）進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)、繪圖和計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用的能力；3）培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決本專(zhuān)業(yè)工程實(shí)際問(wèn)題的初步能力。
要求：
1）設(shè)計(jì)態(tài)度認(rèn)真；2）論文結(jié)構(gòu)清晰，格式規(guī)范；3）圖紙視圖完整，技術(shù)要求標(biāo)注合理；4）設(shè)計(jì)時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展等要求。
進(jìn)度安排：
1）冬季短學(xué)期及寒假，實(shí)習(xí)調(diào)研、收集資料；2）第8學(xué)期第1-4周，完成開(kāi)題報(bào)告、文獻(xiàn)翻譯；3）第8學(xué)期第5-11周，完成結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及計(jì)算；
4）第8學(xué)期第12-15周，完成圖紙及說(shuō)明書(shū)；5）第8學(xué)期第16周，答辯。
指導(dǎo)教師簽名：嚴(yán)明霞
XXX年12月12日
基層教學(xué)單位審核
院 （系）
審 核
此表由指導(dǎo)教師填寫(xiě)院系審核
開(kāi)題報(bào)告
課題名稱(chēng)
噴漆機(jī)械手
課題來(lái)源
學(xué)校
課題類(lèi)型
指導(dǎo)教師
學(xué)生姓名
學(xué) 號(hào)
專(zhuān)業(yè)班級(jí)
本課題的研究現(xiàn)狀、研究目的及意義
一、研究現(xiàn)狀
（一）國(guó)內(nèi)噴漆機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀
機(jī)械手能模仿人手臂的某些動(dòng)作功能，用以固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。機(jī)械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機(jī)器人，它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)人類(lèi)手臂的一系列動(dòng)作，機(jī)械手是最先出現(xiàn)的一種先進(jìn)工業(yè)，它的功能就是代替人去完成繁重的工作，代替人前往危險(xiǎn)的環(huán)境進(jìn)行作業(yè)，員工只需要在安全的操作室操作機(jī)器來(lái)完成作業(yè)。
我國(guó)第一臺(tái)噴漆機(jī)器人，1990年工業(yè)噴漆機(jī)器人PG-1。在那個(gè)年代有一臺(tái)噴漆機(jī)器人是多么的強(qiáng)，體現(xiàn)出了國(guó)人的智慧，工業(yè)發(fā)展智慧的結(jié)果，但那時(shí)候的技術(shù)還處于萌芽階段，當(dāng)時(shí)的機(jī)械手只能還是沒(méi)有人工噴漆的效果好，替代不了人工。再就是由于那時(shí)候的機(jī)器手的效率和質(zhì)量以及費(fèi)用，都沒(méi)有人工便宜，再加上國(guó)內(nèi)的勞動(dòng)力廉價(jià)，導(dǎo)致這種機(jī)器沒(méi)有廣泛使用，研發(fā)工作也進(jìn)展的緩慢。所以當(dāng)時(shí)噴漆機(jī)械手的應(yīng)用以及技術(shù)都相對(duì)其他工業(yè)發(fā)展較慢。
隨著時(shí)間的推移，信息的互相共享，技術(shù)的互相傳遞，慢慢的人工智能的話(huà)題就成為了現(xiàn)在的焦點(diǎn)，機(jī)械手的技術(shù)也得到了蓬勃的發(fā)展，微電子技術(shù)發(fā)展迅速，使得許多工業(yè)都向智能輕便的方向發(fā)展，回到機(jī)械手方面，這樣的國(guó)情之下，機(jī)械手的技術(shù)慢慢成熟，有許多的控制方法，例如，單片機(jī)，PLC等等，使得機(jī)械手的動(dòng)作變得更加擬人化以及運(yùn)動(dòng)精度提升。新型的材料使得機(jī)械手臂的材質(zhì)更輕，力學(xué)性能以及鑄造性能都有很大的提升。國(guó)家主張可持續(xù)綠色發(fā)展，以人為本的理念，所以機(jī)械手發(fā)展得到了高度的重視，機(jī)械手代替人們進(jìn)入高危環(huán)境里進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，體現(xiàn)了以人為本的理念，新型的控制系統(tǒng)使噴漆機(jī)械手的作業(yè)比人工強(qiáng)好幾倍，從節(jié)約噴漆料到噴漆質(zhì)量上都碾壓人工?，F(xiàn)在人工的費(fèi)用也很高，機(jī)械手顯得更經(jīng)濟(jì)，更環(huán)保。符合可持續(xù)綠色發(fā)展理念。
（二）國(guó)外噴漆機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)外機(jī)械手發(fā)展比我們國(guó)內(nèi)起步的要早很多，在四十年代，美國(guó)就有機(jī)械手搬運(yùn)放射性的物質(zhì)，總所周知放射性的物質(zhì)對(duì)人體有極大的危害，那時(shí)候的國(guó)外的人就意識(shí)到要用機(jī)器去代替人工做些危險(xiǎn)的工作，那時(shí)的操控是要人工用遙控器控制機(jī)械手運(yùn)轉(zhuǎn)，不過(guò)在那時(shí)候已經(jīng)很先進(jìn)了。
等到了六十年代，國(guó)外研發(fā)了一種通用機(jī)器臂，他將遙控機(jī)構(gòu)與伺服機(jī)構(gòu)連接到了一起，使得機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)精度得到了很大的提升，隨后電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)需求的提高，機(jī)械手技術(shù)在一些國(guó)家的到了迅速發(fā)展。
進(jìn)入七十年代，機(jī)械手走向了商業(yè)化，當(dāng)時(shí)世界有兩萬(wàn)臺(tái)機(jī)械手投入到工業(yè)制造中，人機(jī)模式剛剛開(kāi)始，工業(yè)機(jī)械手開(kāi)始在生產(chǎn)中得到普遍應(yīng)用。
進(jìn)入20世紀(jì)九十年代，具有一般功能的機(jī)械手技術(shù)得到飽和，傳統(tǒng)的機(jī)械手已經(jīng)不能滿(mǎn)足當(dāng)時(shí)的形勢(shì)，許多復(fù)雜的情況需要更加智能的手臂出現(xiàn)，在這種背景下，智能機(jī)械手得到迅速發(fā)展，智能機(jī)械手可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的程序，按照程序的指令運(yùn)動(dòng)，并且可以循環(huán)工作。
噴漆機(jī)械手研究的目的：
一，噴漆環(huán)境對(duì)噴漆工人身體造成不可回復(fù)的傷害，即使帶上專(zhuān)業(yè)的過(guò)濾保護(hù)裝置，工人的健康還是不能保證。 例如：在奧特萊斯商場(chǎng)對(duì)面棟梁路3號(hào)一個(gè)工廠，兩名油漆工在一個(gè)封閉的鐵箱內(nèi)進(jìn)行噴漆作業(yè)時(shí)，突然昏迷倒地，所幸消防官兵及時(shí)趕到將兩人救出。經(jīng)醫(yī)院搶救，這兩名油漆工終于醒來(lái)，醫(yī)生診斷，兩人均為油漆中毒，目前各項(xiàng)生命體征回復(fù)正常，已沒(méi)有大礙。消防部門(mén)提醒：使用油漆時(shí)，要保證施工現(xiàn)場(chǎng)的良好通風(fēng)，并佩戴防護(hù)用具，工作半個(gè)小時(shí)以上，最好出去透透氣。所以人工噴漆是避免不了人員傷亡。
二，噴漆技術(shù)提升有限：噴漆技術(shù)要求：1漆膜表面光滑平整，無(wú)塌陷、無(wú)暗坑、無(wú)流墜、無(wú)明顯噴涂的大點(diǎn)，外表沒(méi)有或者極少數(shù)的小顆粒。2、角部沒(méi)有重色即噴糊的現(xiàn)象，整體表面沒(méi)有色差及花色現(xiàn)象。3、光澤均勻一致，手感光滑等。經(jīng)過(guò)這么多年的技術(shù)，人工噴漆技術(shù)已經(jīng)成熟了，但是人工還是達(dá)不到精密層次，所以研究機(jī)械噴漆手是很有必要。
我國(guó)第一臺(tái)噴漆機(jī)器人，課題類(lèi)型：
（1）A—工程實(shí)踐型；B—理論研究型；C—科研裝置研制型；D—計(jì)算機(jī)軟件型；
E—綜合應(yīng)用型
（2）X—真實(shí)課題；Y—模擬課題；
（1）、（2）均要填，如AY、BX等。
開(kāi)題報(bào)告(1)
1990年工業(yè)噴漆機(jī)器人PG-1。
2009年7月16日，東莞市事通達(dá)機(jī)電科技有限公司對(duì)其自行研制的噴漆機(jī)械手申請(qǐng)了專(zhuān)利。
2018年中國(guó)噴涂行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)分析：噴涂機(jī)器人將成為涂裝行業(yè)主流
噴漆機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)：
1， 柔性大，理由是它的工作范圍大。
2， 作用大，理由是提高噴漆質(zhì)量和材料使用率。
3， 易于操作與維護(hù)，理由是可離線(xiàn)編程，大大的縮短了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間。
4， 設(shè)備利用率高，理由是噴漆機(jī)器人的利用率可以達(dá)到90%-95%
注釋?zhuān)和鶑?fù)機(jī)：往復(fù)機(jī)擁有自動(dòng)噴漆臺(tái),產(chǎn)量大,速度快,品質(zhì)穩(wěn)定,膜厚均勻。
往復(fù)機(jī)應(yīng)用行業(yè)廣泛，目前在涂裝行業(yè)尤為突出
往復(fù)機(jī)擁有自動(dòng)噴漆臺(tái),產(chǎn)量大,速度快,品質(zhì)穩(wěn)定,膜厚均勻,設(shè)定一組程序只需要10分鐘,修改參數(shù)只需用1分鐘,可儲(chǔ)存100組程序,是目前市場(chǎng)上性?xún)r(jià)比最好的自動(dòng)噴漆機(jī).另還有多軸自動(dòng)噴漆機(jī),四軸自動(dòng)噴漆臺(tái),單盤(pán)自動(dòng)噴漆臺(tái),雙盤(pán)自動(dòng)噴漆臺(tái),兩軸自動(dòng)噴漆臺(tái).
目前市場(chǎng)有較多廠家在設(shè)計(jì)制作單軸，雙軸，三軸，......多軸往復(fù)機(jī)，多種往復(fù)機(jī)的使用具有很廣的范疇，目前應(yīng)用最為廣泛的在手機(jī)外殼噴涂，電腦外殼噴涂，表面處理方面都有應(yīng)用.
總結(jié)：機(jī)器人噴漆(機(jī)械噴漆手)的優(yōu)點(diǎn)很突出，將來(lái)機(jī)械噴漆手會(huì)慢慢代替手工和往復(fù)機(jī)的。
噴漆機(jī)械手的機(jī)構(gòu)圖
漆機(jī)械手的機(jī)構(gòu)主要由機(jī)械手部分與噴漆槍部分組成，整體機(jī)構(gòu)為6軸關(guān)節(jié)型機(jī)器人。
原理圖如下
研究?jī)?nèi)容：
1.研究機(jī)械手如何能按操作員輸入的程序去做相應(yīng)的動(dòng)作。
2.查閱資料設(shè)計(jì)噴漆頭與供漆系統(tǒng)
實(shí)施方案：
1.機(jī)構(gòu)主運(yùn)動(dòng)可以由液壓系統(tǒng)，或電力系統(tǒng)帶動(dòng)。主流使用電力系統(tǒng)，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)好進(jìn)行控制，液壓系統(tǒng)接線(xiàn)繁雜，并且存在漏油，工作環(huán)境會(huì)更差。由于噴漆作業(yè)環(huán)境空氣容易爆炸，所以每個(gè)電機(jī)部分必須加上滅弧罩，防止電機(jī)負(fù)載產(chǎn)生電火花工作室發(fā)生爆炸。
2.噴漆機(jī)械手所有的在線(xiàn)操作和自動(dòng)運(yùn)行都是通過(guò)示教器來(lái)完成
3.如果有多個(gè)機(jī)械手噴漆，除了噴漆頭其他部位需要用尼龍布包住，防止誤噴到其他機(jī)械手。
進(jìn)度安排：
階段 應(yīng)完成的主要工作 時(shí)間
1? 收集資料、編寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告 2018.2.25—2018.3.15
2? 翻譯外文資料、論證和擬定總體方案 2018.3.16—2018.3.25
3? 具體機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、計(jì)算、校核等 2018.4.1—2018.5.1
4? 繪制裝配圖、專(zhuān)用零件圖設(shè)計(jì) 2018.5.5—2018.5.20
5? 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 2018.5.21—2018.6.3
已查閱的主要參考文獻(xiàn)
1 鐘嵐.基于PLC的機(jī)械手設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程,2017
2 張萍萍. 基于PLC的氣動(dòng)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].電子科技大學(xué),2013.
3 唐少臣,韓屹威,毛行星.機(jī)械手PLC控制設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2017
4 歐洋,高禎,李連強(qiáng).工業(yè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2017
5 趙東輝,金長(zhǎng)虹,靳建峰,劉軍.基于液壓控制的農(nóng)業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012
6 彭堅(jiān).氣動(dòng)機(jī)械手及其PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].通用機(jī)械,2004
7 蘇寧.機(jī)械手的虛擬設(shè)計(jì)與仿真設(shè)計(jì)[J].中國(guó)設(shè)備工程,2017
8 黃志平.基于PLC的工業(yè)機(jī)械手模型控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)[J].機(jī)電信息,2016
指導(dǎo)教師意見(jiàn)
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日
答辯記錄表
學(xué)生姓名
專(zhuān)業(yè)班級(jí)
學(xué)號(hào)
設(shè)計(jì)(論文)題目
噴漆機(jī)械手設(shè)計(jì)
答辯時(shí)間
XXX.05.26
答辯地點(diǎn)
XXX
答辯委員會(huì)名單
問(wèn)題1
提問(wèn)人：
問(wèn)題：墊盤(pán)的作用是什么？
回答（要點(diǎn)）：支撐機(jī)械臂部分
問(wèn)題2
提問(wèn)人：
問(wèn)題：墊盤(pán)要改成旋轉(zhuǎn)平臺(tái)類(lèi)型？
回答（要點(diǎn)）：使得，墊盤(pán)屬于滑動(dòng)摩擦，發(fā)熱量大，改成轉(zhuǎn)盤(pán)軸承
問(wèn)題3
提問(wèn)人：
問(wèn)題：套件的作用是什么？
回答（要點(diǎn)）：套件先套在電機(jī)軸上，再與機(jī)械臂孔連接。實(shí)現(xiàn)連接電機(jī)軸與機(jī)械臂的作用
記錄人簽名
問(wèn)題4
提問(wèn)人：
問(wèn)題：怎么知道兩臂之間的連接可靠？
回答（要點(diǎn)）：對(duì)兩臂連接軸進(jìn)行彎曲度校核，以及角度的校核
問(wèn)題5
提問(wèn)人：
問(wèn)題：
回答（要點(diǎn)）：
問(wèn)題6
提問(wèn)人：
問(wèn)題：
回答（要點(diǎn)）：
問(wèn)題7
提問(wèn)人：
問(wèn)題：
回答（要點(diǎn)）：
問(wèn)題8
提問(wèn)人：
問(wèn)題：
回答（要點(diǎn)）：
記錄人簽名
噴漆機(jī)械手設(shè)計(jì)
The design of the branch grinder
摘 要
本課題的主要內(nèi)容是流水線(xiàn)噴漆機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先介紹國(guó)內(nèi)外機(jī)械手發(fā)展的現(xiàn)狀，強(qiáng)調(diào)一下此次設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要用于中性或小型零件的噴漆作業(yè)，然后分析流水線(xiàn)噴漆機(jī)械手的目的，目的是為了減少人工的勞動(dòng)強(qiáng)度，以及身體上的損傷。然后對(duì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有四個(gè)自由度，包括底座的旋轉(zhuǎn)，大臂小臂腕部的旋轉(zhuǎn)以及噴漆頭的旋轉(zhuǎn)。
本課題完成了三個(gè)內(nèi)容，第一：對(duì)結(jié)構(gòu)有粗略的設(shè)計(jì)，用PROE建模畫(huà)出三維圖形并且將零件裝配起來(lái)，尺寸先不管，裝配起來(lái)合理，根據(jù)圖形來(lái)大概設(shè)計(jì)零件尺寸。第二：設(shè)計(jì)出底座，大小臂，腕部的尺寸，材料以及，強(qiáng)度校核。第三：根據(jù)零件的質(zhì)量選合適的電機(jī)。實(shí)現(xiàn)了由PLC控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)的功能。
關(guān)鍵詞：噴漆機(jī)械手；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；三維建模。
V
Abstract
The main content of this topic is the structure of the assembly line spray-painting manipulator design, first introduced at home and abroad status of development of the manipulator, the analysis and design line spray-painting manipulator the purpose and significance of the designed spray-painting manipulator is mainly used to spray paint for small to medium sized parts, the purpose is to reduce the manual labor intensity, as well as the physical damage. The manipulator is then designed with four degrees of freedom, including the rotation of the base, the rotation of the wrist of the forearm and the up-down rotation of the spray head.
This topic finished three contents, the first: have a rough design on structure, draw the 3 d graphics and modeling with PROE parts were assembled, regardless of size, assembled is reasonable, according to the graphic design about parts size The second: design base, forearm, wrist size, material, and strength check Third: according to the quality of the parts to choose a suitable motor Realized by PLC to control the function of the movement of the manipulator
Key words: paint spraying manipulator; Structural design； 3d modeling.
III
目 錄
摘 要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1 本課題的研究現(xiàn)狀、研究目的及意義 1
2.機(jī)械手的組成和分類(lèi) 4
2.1 一般工業(yè)機(jī)械手的組成 4
2.2 機(jī)械手分類(lèi) 4
3機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6
3.1 旋轉(zhuǎn)臂的設(shè)計(jì) 6
3.2 零件材料的選擇 6
3.3 電機(jī)的選型 7
4.大臂的設(shè)計(jì) 9
4.1 大臂的體積 9
4.2 大臂的材料 10
4.3 電機(jī)的選型 10
4.4 電機(jī)和大臂的設(shè)計(jì)，對(duì)連接軸的設(shè)計(jì)和彎曲變形校核 10
5.小臂及旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)臂的設(shè)計(jì) 13
5.1 小臂的長(zhǎng)度尺寸以及體積，材料的設(shè)計(jì) 13
5.2 電機(jī)軸的彎曲度以及許可轉(zhuǎn)角要求設(shè)計(jì) 14
5.3 電機(jī)的選型 15
5.4 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)臂的選材 15
5.5 機(jī)械零件選材的基本原則 16
5.6 底座，底座電機(jī)的設(shè)計(jì) 17
5.6.1 底座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 17
5.6.2 底座的基本形狀尺寸 18
5.6.3 底座材料的選擇 18
5.7 底座電機(jī)的選擇 19
5.8機(jī)械機(jī)構(gòu)小結(jié) 19
6.噴漆手的控制部分設(shè)計(jì) 20
6.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路 20
6.2控制部分的詳細(xì)說(shuō)明 21
6.3如何通過(guò)PLC控制步進(jìn)電機(jī) 21
6.4 PLC控制驅(qū)動(dòng)器的原理 22
6.5 PLC的選擇 22
6.6控制梯形圖 22
6.6三菱PLC控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的梯形圖 24
6.7對(duì)梯形圖的解釋 25
6.8 PLC控制步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)單流程圖 25
6.9 梯形圖 26
6.10 控制部分小結(jié) 26
結(jié) 論 27
致 謝 28
參考文獻(xiàn) 29
1 緒論
1.1 本課題的研究現(xiàn)狀、研究目的及意義
一 研究現(xiàn)狀
（一）國(guó)內(nèi)噴漆機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀
機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)人類(lèi)手臂的一系列動(dòng)作，機(jī)械手是最先出現(xiàn)的一種先進(jìn)工業(yè)，它的功能就是代替人去完成繁重的工作，代替人前往危險(xiǎn)的環(huán)境進(jìn)行作業(yè)，員工只需要在安全的操作室操作機(jī)器來(lái)完成作業(yè)。
我國(guó)第一臺(tái)噴漆機(jī)器人，1990年工業(yè)噴漆機(jī)器人PG-1。在那個(gè)年代有一臺(tái)噴漆機(jī)器人是多么的強(qiáng)，體現(xiàn)出了國(guó)人的智慧，工業(yè)發(fā)展智慧的結(jié)果，但那時(shí)候的技術(shù)還處于萌芽階段，當(dāng)時(shí)的機(jī)械手只能還是沒(méi)有人工噴漆的效果好，替代不了人工。再就是由于那時(shí)候的機(jī)器手的效率和質(zhì)量以及費(fèi)用，都沒(méi)有人工便宜，再加上國(guó)內(nèi)的勞動(dòng)力廉價(jià)，導(dǎo)致這種機(jī)器沒(méi)有廣泛使用，研發(fā)工作也進(jìn)展的緩慢。所以當(dāng)時(shí)噴漆機(jī)械手的應(yīng)用以及技術(shù)都相對(duì)其他工業(yè)發(fā)展較慢。
隨著時(shí)間的推移，信息的互相共享，技術(shù)的互相傳遞，慢慢的人工智能的話(huà)題就成為了現(xiàn)在的焦點(diǎn)，機(jī)械手的技術(shù)也得到了蓬勃的發(fā)展，微電子技術(shù)發(fā)展迅速，使得許多工業(yè)都向智能輕便的方向發(fā)展，回到機(jī)械手方面，這樣的國(guó)情之下，機(jī)械手的技術(shù)慢慢成熟，有許多的控制方法，例如，單片機(jī)，PLC等等，使得機(jī)械手的動(dòng)作變得更加擬人化以及運(yùn)動(dòng)精度提升。新型的材料使得機(jī)械手臂的材質(zhì)更輕，力學(xué)性能以及鑄造性能都有很大的提升。國(guó)家主張可持續(xù)綠色發(fā)展，以人為本的理念，所以機(jī)械手發(fā)展得到了高度的重視，機(jī)械手代替人們進(jìn)入高危環(huán)境里進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)，體現(xiàn)了以人為本的理念，新型的控制系統(tǒng)使噴漆機(jī)械手的作業(yè)比人工強(qiáng)好幾倍，從節(jié)約噴漆料到噴漆質(zhì)量上都碾壓人工?，F(xiàn)在人工的費(fèi)用也很高，機(jī)械手顯得更經(jīng)濟(jì)，更環(huán)保。符合可持續(xù)綠色發(fā)展理念。
（二）國(guó)外噴漆機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)外機(jī)械手發(fā)展比我們國(guó)內(nèi)起步的要早很多，在四十年代，美國(guó)就有機(jī)械手搬運(yùn)放射性的物質(zhì)，總所周知放射性的物質(zhì)對(duì)人體有極大的危害，那時(shí)候的國(guó)外的人就意識(shí)到要用機(jī)器去代替人工做些危險(xiǎn)的工作，那時(shí)的操控是要人工用遙控器控制機(jī)械手運(yùn)轉(zhuǎn)，不過(guò)在那時(shí)候已經(jīng)很先進(jìn)了。
等到了六十年代，國(guó)外研發(fā)了一種通用機(jī)器臂，他將遙控機(jī)構(gòu)與伺服機(jī)構(gòu)連接到了一起，使得機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)精度得到了很大的提升，隨后電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)需求的提高，機(jī)械手技術(shù)在一些國(guó)家的到了迅速發(fā)展。
進(jìn)入七十年代，機(jī)械手走向了商業(yè)化，當(dāng)時(shí)世界有兩萬(wàn)臺(tái)機(jī)械手投入到工業(yè)制造中，人機(jī)模式剛剛開(kāi)始，工業(yè)機(jī)械手開(kāi)始在生產(chǎn)中得到普遍應(yīng)用。
進(jìn)入20世紀(jì)九十年代，具有一般功能的機(jī)械手技術(shù)得到飽和，傳統(tǒng)的機(jī)械手已經(jīng)不能滿(mǎn)足當(dāng)時(shí)的形勢(shì)，許多復(fù)雜的情況需要更加智能的手臂出現(xiàn)，在這種背景下，智能機(jī)械手得到迅速發(fā)展，智能機(jī)械手可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的程序，按照程序的指令運(yùn)動(dòng)，并且可以循環(huán)工作。
二 噴漆機(jī)械手研究的目的
一 噴漆環(huán)境對(duì)噴漆工人身體造成不可回復(fù)的傷害，即使帶上專(zhuān)業(yè)的過(guò)濾保護(hù)裝置，工人的健康還是不能保證。 例如：在某地的一個(gè)小工廠，兩名油漆工在一個(gè)鐵箱內(nèi)對(duì)鐵箱進(jìn)行噴漆作業(yè)，由于鐵箱內(nèi)的環(huán)境是封閉的，兩人突然昏迷倒地，所幸消防官兵及時(shí)趕到將兩人救出。經(jīng)醫(yī)院搶救，這兩名油漆工終于醒來(lái)，醫(yī)生診斷，兩人均為油漆中毒，目前各項(xiàng)生命體征回復(fù)正常，已沒(méi)有大礙。隨后消防有關(guān)部門(mén)表示：噴漆工作時(shí)，要保證所處的環(huán)境通風(fēng)，并且?guī)舷鄳?yīng)的防護(hù)用具，同時(shí)連續(xù)作業(yè)半小時(shí)以上，最好出去透透氣。所以人工噴漆是避免不了人
員傷亡。
二 噴漆技術(shù)提升有限：噴漆技術(shù)要求：噴漆表面要光滑平整。2、邊角部分沒(méi)有重復(fù)上色現(xiàn)象，整體表面沒(méi)有色差及花色現(xiàn)象。3、光澤均勻一致，手感光滑等。經(jīng)過(guò)這么多年的技術(shù)，人工噴漆技術(shù)已經(jīng)成熟了，但是人工還是達(dá)不到精密層次，所以研究機(jī)械噴漆手是很有必要
三 噴漆機(jī)械手的發(fā)展帶動(dòng)了油漆行業(yè)的發(fā)展，因?yàn)楝F(xiàn)在的人們要求的很高，要滿(mǎn)足美觀的同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)各種功能，比如防水，防銹，耐磨?？棺矒?，防止特定物質(zhì)的腐蝕。新型噴漆材料的產(chǎn)生，加上噴漆機(jī)械手技術(shù)的提高，會(huì)使得噴漆機(jī)械手行業(yè)發(fā)展得更好。
37
2.機(jī)械手的組成和分類(lèi)
2.1 一般工業(yè)機(jī)械手的組成
執(zhí)行機(jī)構(gòu)
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
控制系統(tǒng)
位置檢測(cè)裝置
圖2-1 工業(yè)機(jī)械手組成部分
工業(yè)機(jī)械手的組成由執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置?？刂葡到y(tǒng)輸入指令給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，隨后驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)做出相應(yīng)的信息識(shí)別，信息傳達(dá)給電機(jī)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，位置檢測(cè)裝備時(shí)刻監(jiān)視著機(jī)構(gòu)的動(dòng)作反饋給控制系統(tǒng)
2.2 機(jī)械手分類(lèi)
按驅(qū)動(dòng)方式分；液壓傳動(dòng)機(jī)械手，氣壓傳動(dòng)機(jī)械手，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手
液壓傳動(dòng)機(jī)械手：是由液壓系統(tǒng)控制機(jī)械手的運(yùn)轉(zhuǎn)，
優(yōu)點(diǎn)：能夠提供較大的動(dòng)力，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，適用于大功率場(chǎng)合，維護(hù)簡(jiǎn)單，費(fèi)用低。。
缺點(diǎn)：液壓工作環(huán)境比較差，噪音也較大。
氣壓傳動(dòng)機(jī)械手：是由氣壓缸系統(tǒng)控制機(jī)械手的運(yùn)轉(zhuǎn)。
優(yōu)點(diǎn)：1 空氣來(lái)源于大氣，來(lái)源方便，排出去也不會(huì)污染到大氣
2 壓縮空氣在管道流速快，適用于完成各種復(fù)雜的動(dòng)作。
3 工作環(huán)境適應(yīng)性好
缺點(diǎn)：1傳遞運(yùn)動(dòng)不夠平穩(wěn)
2不能勝任負(fù)載大的場(chǎng)合。
3有較大的排氣噪音。
機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手：主要以機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的運(yùn)轉(zhuǎn)。
優(yōu)點(diǎn)：1 傳動(dòng)穩(wěn)定，效率高2 能實(shí)現(xiàn)任意角交錯(cuò)軸的傳動(dòng)。缺點(diǎn)：要求較高的安裝精度以及制造成本高。
這里根據(jù)導(dǎo)師的建議以及參考，我選擇機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手，由電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械手臂實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。
3機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
此次機(jī)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)必須從上往下設(shè)計(jì)，從不受其他部件影響的部位開(kāi)始設(shè)計(jì)，這樣從上往下設(shè)計(jì)可以根據(jù)前面設(shè)計(jì)的部件的重量來(lái)對(duì)下一部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)橄乱粋€(gè)零件所受到的扭矩，彎矩與上一零件的質(zhì)量息息相關(guān)。
3.1旋轉(zhuǎn)臂的設(shè)計(jì)
圖3-1旋轉(zhuǎn)臂示意圖
旋轉(zhuǎn)臂的作用是使得機(jī)械手在ZY軸上行動(dòng)，綠色部分是零件的粗略圖，黃色部分是電機(jī)，中間用軸來(lái)連接。
零件的體積：V0=30×15.2×13.2＋∏×13.22×20＝16961.5㎜3
3.2零件材料的選擇：輕便，兼顧力學(xué)性能和鑄造性能兩方面的要求
第一方案選擇鋁合金，鋁合金種類(lèi)中鋁鎂和鋁鋅合金都有各自的缺點(diǎn)：一個(gè)是鑄造性能比較差，長(zhǎng)期使用后，合金的塑性變差，零件可能出現(xiàn)開(kāi)裂的情況，同時(shí)也可能出現(xiàn)零件腐蝕產(chǎn)生小裂紋的現(xiàn)象。第二個(gè)，鋁鋅合金的缺點(diǎn)是耐蝕性差，有應(yīng)力腐蝕裂紋的傾向，壓鑄成型時(shí)時(shí)容易熱裂變形
所以我們選擇鋁合金家族里的鋁硅合金，下面介紹一下鋁硅合金
Al-Si 合金
從結(jié)晶溫度間隔上看，Al-Si鋁合金的間隔小，從凝固潛熱和比熱容上考慮，它都是很大的，從線(xiàn)收縮系數(shù)上看，它具備比較小的特點(diǎn)。因此從鑄造性能方面看，它要比其他鋁合金要好一些，在充滿(mǎn)型腔的能力以及抗熱裂變，縮松的能力上它都是優(yōu)等，實(shí)驗(yàn)還表明Al-Si共晶體在尼姑點(diǎn)附近的溫度時(shí)，它的塑性是非常良好的，這種能力是其他鋁合金不具備的。由于它的良好特性中，塑性，良好的力學(xué)性能以及鑄造性能突出。所以Al-Si合金是目前應(yīng)用最為廣泛的壓鑄鋁合金。
通過(guò)網(wǎng)上的金屬密度表得知Al-Si 合金的密度ρ=2.66×10 3㎏/m3
所以零件的總質(zhì)量M0=VO×ρ=0.045Kg
3.3電機(jī)的選型
機(jī)械手總的動(dòng)力來(lái)源是來(lái)自電機(jī)，動(dòng)作都是由電機(jī)來(lái)完成的，可供選擇的電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和無(wú)刷直流電機(jī)。
1.步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)中的優(yōu)點(diǎn)有：大轉(zhuǎn)矩，小慣性，高響應(yīng)頻率，能快的啟動(dòng)和停止。它的反饋機(jī)制也就是位置反饋機(jī)制有著高精度的控制能力，包括基本的速度，位移，由于控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)起來(lái)很方便。
2. 直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)中啟動(dòng)和制動(dòng)性能優(yōu)異，具有很寬的調(diào)速范圍，可以實(shí)現(xiàn)很大范圍的速度調(diào)節(jié)，而且調(diào)節(jié)過(guò)程是平滑的。它具有控制特性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，而且低速時(shí)平穩(wěn)性好，;起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、過(guò)載能力強(qiáng)。但是傳統(tǒng)的直流電機(jī)的換相方式采用換相器和電刷這種機(jī)械式換相，存在機(jī)械摩擦，加快內(nèi)部零件的磨損，由此帶來(lái)噪聲、火花、無(wú)線(xiàn)電干擾以及壽命短等問(wèn)題，需要經(jīng)常維護(hù)。
3.無(wú)刷直流電機(jī)
無(wú)刷直流電機(jī)采用電子換相電路取代了機(jī)械換相裝置，不僅繼承了直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，且具有無(wú)噪音、不用維護(hù)、可靠性高的特性。
噴漆過(guò)程緩慢且手臂需要慣性小響應(yīng)頻率高的優(yōu)點(diǎn)，綜合考慮我選用步進(jìn)電機(jī)。
電機(jī)型號(hào)：28HBP34BL4-TFO
表3-1 電機(jī)參數(shù)圖
電機(jī)重量為0.1Kg
4.大臂的設(shè)計(jì)
圖4-1 大臂示意圖
透明部分為大臂部分，大臂起到支撐小電機(jī)和旋轉(zhuǎn)臂的作用，同時(shí)是噴漆頭在ZX坐標(biāo)系上運(yùn)動(dòng)。帶動(dòng)大臂旋轉(zhuǎn)的電機(jī)也運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)。
4.1大臂的體積 V1=（∏×50×24×1/4×1 /2＋50×12×1/2）×140＋17 2×∏×12 =118829.52㎜3
4.2大臂的材料：依舊采用旋轉(zhuǎn)臂的材料鋁硅合金，原因是鋁硅合金材料的力學(xué)性能和鑄造性能良好。因?yàn)榇蟊鄣慕Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，良好的鑄造性更容易加工出形狀，具有良好的塑性也能為加工節(jié)省時(shí)間，良好的力學(xué)性能可以使其滿(mǎn)足基本的運(yùn)動(dòng)且經(jīng)受小波動(dòng)時(shí)系統(tǒng)依舊保持穩(wěn)定。鋁硅合金的密度ρ=2.66×10 3㎏/?
大臂的質(zhì)量M1=V1×ρ=0.32kg
4.3電機(jī)的選型
我們先把所有零件的總質(zhì)量加起來(lái)M=0.32＋0.045＋0.1 =0.465Kg
型號(hào)35YF22GN030R-TEO
圖4-2 電機(jī)參數(shù)圖
電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩為0.3N /m
重量為0.13Kg
4.4電機(jī)和大臂的設(shè)計(jì)，對(duì)連接軸的設(shè)計(jì)和彎曲變形校核
根據(jù)三維建模圖，初步確立軸的長(zhǎng)度為36mm，半徑為5mm。軸的材質(zhì)需要較高的抗彎曲強(qiáng)度還有抗扭曲強(qiáng)度。
選材分析：軸類(lèi)零件在工作時(shí)主要承受來(lái)自扭轉(zhuǎn)力以及變形的反復(fù)，以及承受一定的沖擊載荷。根據(jù)軸的工作條件和失效方式，對(duì)軸用材料提出如下要求。
1， 良好的綜合力學(xué)性能，為減少應(yīng)力集中和缺口敏感性，防止軸在工作中突然斷裂，需要軸的強(qiáng)度和塑性有良好的配合。
2， 高的疲勞強(qiáng)度，防止疲勞斷裂。
3， 良好的耐磨性，防止軸頸磨損。
因此為了兼顧強(qiáng)度和韌度，同時(shí)考慮疲勞抗力，軸一般用中碳合金調(diào)質(zhì)鋼（主要有45鋼及40Cr，40MnB。。。。。。）制造。具體來(lái)說(shuō)，選材的一般原則如下：
1， 受力較小，不重要的軸一般選擇用普通碳素鋼
2， 受彎扭交變載荷的一般軸廣泛使用中碳鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理或正火處理。要求軸頸等處耐磨時(shí)，可局部表面淬火
3， 同時(shí)承受軸向載荷以及彎載荷和扭交變載荷，同時(shí)承受一定沖擊的軸，我們可以選用合金調(diào)質(zhì)鋼，比如常見(jiàn)材料40Cr，40MB等鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)和表面淬火。
4， 承受較重交變載荷，沖擊載荷和強(qiáng)烈摩擦的軸，可選用低合金滲碳鋼，如20Cr，20CrMnVB等鋼，并經(jīng)滲碳，淬火回火。
5， 如果我們的軸的位置比較重要，同時(shí)又要承受較重的交變載荷以及沖擊載荷，我們可以鋼的表面滲氮，工藝路線(xiàn)是先調(diào)質(zhì)處理后進(jìn)行滲氮。
6， 如果我們的軸是要經(jīng)受交變扭轉(zhuǎn)載荷，但是沖擊小，又要耐磨性好的話(huà)，我們可以選用球墨鑄鐵這種材料，對(duì)于大型低速軸我們可以采用鑄鋼。
參考上面的數(shù)據(jù)以及我們的軸的工作環(huán)境，40Cr這種材料可以勝任。
查金屬表得知這種材料的密度為ρ=7.85×10 3㎏/?
網(wǎng)上搜得40Cr的彈性模量E=211GPa,I=∏D 3D /32
計(jì)算得：EI=12.94
F
圖4-3 軸受力圖
/計(jì)算得w=0.0000055，同時(shí)求得w /L＝0.000155
在各類(lèi)工程設(shè)計(jì)中，對(duì)構(gòu)建彎曲變形的許可值有不同的規(guī)定。對(duì)于軸的撓度，其許可值通常用許可的撓度與跨長(zhǎng)之比值w /L作為標(biāo)準(zhǔn)。例如，在土建工程中，它的值通常限制在250分之一到1000分之一，在機(jī)械制造中，對(duì)重要的軸，它的值限制在5000分之一到10000分之一范圍內(nèi)，對(duì)傳動(dòng)軸在支座處的許可轉(zhuǎn)角?一般限制在0.001到0.005rad范圍內(nèi)
經(jīng)過(guò)比對(duì)在w /L的值在0.0001-0.0002之間，滿(mǎn)足彎曲度要求。
同時(shí)計(jì)算得該軸的轉(zhuǎn)角?=FL2/2EI=0.000232，也滿(mǎn)足許可轉(zhuǎn)角要求。
5.小臂及旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)臂的設(shè)計(jì)
圖5-1 部裝示意圖
小臂是使機(jī)構(gòu)在ZX軸上做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)臂是使機(jī)構(gòu)在XY軸上做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。我主要是要對(duì)小臂的選材求質(zhì)量，和電機(jī)軸的彎曲度以及許可轉(zhuǎn)角要求的校核，還有對(duì)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)臂材料的選擇。
5.1小臂的長(zhǎng)度尺寸以及體積，材料的設(shè)計(jì)
V=（（152-52）∏+80×30）×16=48448㎜3
材料選擇
第一:機(jī)械手臂在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中會(huì)承受一點(diǎn)的載荷，在受到載荷的時(shí)候，手臂不能產(chǎn)生斷裂的情況，這種情況很?chē)?yán)重，我們要避免，所以它要具備足夠的強(qiáng)度才可以，所以應(yīng)該選擇“高強(qiáng)度的材料”
第二：機(jī)械手臂是要運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)的，是要受電機(jī)控制的，所以它不能過(guò)于笨重，所以它要具備“密度小，強(qiáng)度大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小”的優(yōu)點(diǎn)
在選材時(shí)根據(jù)上述的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，然后根據(jù)機(jī)械手臂的工作情況已經(jīng)考慮經(jīng)濟(jì)方面，從而取舍，選出滿(mǎn)足的材料。
通常情況下，可以從以下大類(lèi)材料中選取:
“合金鋼”，“經(jīng)過(guò)熱處理的優(yōu)質(zhì)鋼”，“輕型合金 如鋁合金”
我選擇鋁硅合金它的密度在上面有提到過(guò)，ρ=2.66×10 3㎏/?
小臂的質(zhì)量為：M=V×ρ=0.129Kg
5．2電機(jī)軸的彎曲度以及許可轉(zhuǎn)角要求設(shè)計(jì)
F
圖5-2 軸受力示意圖
這個(gè)電機(jī)軸的彎曲度以及許可轉(zhuǎn)角校核
選擇材料的話(huà)還是選擇選擇40Cr。
查金屬表得知這種材料的密度為ρ=7.85×10 3㎏/?
從網(wǎng)上查得40Cr的彈性模量E=211GPa,I=∏D 3D /32
計(jì)算得：EI=12.94
長(zhǎng)度為L(zhǎng) 為36mm 力F為5.94N
撓度w=﹣FL 3/3EI
求得w=0.0000071，同時(shí)求得w /L=0.000198
在機(jī)械制造中，對(duì)重要的軸，它的值限制在5000分之一到10000分之一的數(shù)值范圍內(nèi)，也就是0.0001-0.0002之間，對(duì)傳動(dòng)軸在支座處的許可轉(zhuǎn)角?一般限制在0.001到0.005rad的數(shù)值范圍內(nèi)
經(jīng)過(guò)之前設(shè)計(jì)比對(duì)在w /L的值在0.0001-0.0002之間，滿(mǎn)足彎曲度要求。
同時(shí)計(jì)算得該軸的轉(zhuǎn)角?=FL2/2EI=0.000297，也滿(mǎn)足許可轉(zhuǎn)角要求。
5.3電機(jī)的選型
電機(jī)還是與大臂的電機(jī)選擇一樣的規(guī)格
型號(hào)35YF22GN030R-TEO
圖5-3 電機(jī)參數(shù)圖
電機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩為0.3N /m
重量為0.13Kg
5.4旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)臂的選材
旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)臂是使機(jī)構(gòu)在XY軸上做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。承重以及改變機(jī)構(gòu)在XY軸上的位置。
旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)臂，這個(gè)部件承受著機(jī)械手全部部件的重量，強(qiáng)度要求，塑性要求，抗彎強(qiáng)度，抗剪切強(qiáng)度能力，抗沖擊能力，都需要很高的要求。
旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)臂比較特殊，它位于底座之上，而且本身結(jié)構(gòu)上就是起到一個(gè)支撐的角色，所以它的材料可以根據(jù)底座的選材上選擇。
5.5機(jī)械零件選材的基本原則
1使用性能原則
一 選材應(yīng)滿(mǎn)足使用性能：是指零件在使用時(shí)，具備的力學(xué)性能物理性能和化學(xué)性能，對(duì)于大量的機(jī)器零件和工程構(gòu)建，則主要是力學(xué)性能。一些零件需要在特殊的環(huán)境下工作，比如酸堿性環(huán)境，水，則需要考慮材料的物理，化學(xué)性能。材料的使用性能應(yīng)滿(mǎn)足使用要求。
二 考慮工作情況條件。
受力狀況，主要是載荷的類(lèi)型（如動(dòng)載荷，靜載荷，循環(huán)載荷和單調(diào)載荷等）和大小，載荷的形式，載荷的特點(diǎn)等。
環(huán)境狀況，主要是溫度惡性，介質(zhì)情況等。
特殊要求，如對(duì)導(dǎo)電性，磁性，熱膨脹性，密度，外觀等的要求。
2工藝性能原則
材料選擇必須考慮零件加工的難易程度，一種材料能滿(mǎn)足使用性能，但加工非常困難，則這種材料是不可取的。
3經(jīng)濟(jì)性原則
零件的經(jīng)濟(jì)性是指材料成本低，供應(yīng)，供應(yīng)充分，加工工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，成品率低等。零件的經(jīng)濟(jì)性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
1 材料的價(jià)格
2 零件的總成本
3 資源消耗：我們國(guó)家實(shí)行能源再生，不可再生能源要節(jié)省，我們用的材料盡量選用耗能低的材料
總的來(lái)說(shuō)，在我國(guó)目前情況下，以鋼代鐵，以鑄造代鍛造，以焊造代鍛造是經(jīng)濟(jì)的。盡量選擇價(jià)格低廉，加工性能好的鑄鐵或碳鋼，在必要時(shí)才選用合金鋼。有些零件只要求表面性能滿(mǎn)足要求，中心可以選用價(jià)格低廉的鋼種，然后進(jìn)行表面強(qiáng)化處理如滲氮滲碳，就可以達(dá)到性能要求。
另外，在考慮材料經(jīng)濟(jì)性時(shí)，切忌單純以單價(jià)比較材料的優(yōu)劣，而應(yīng)當(dāng)以綜合效益（包括材料單價(jià)，加工費(fèi)用，使用壽命，美觀程度等）來(lái)評(píng)價(jià)材料的經(jīng)濟(jì)性的好與差。
查閱工程材料課本，確立旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)臂的材料
表5-1 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)臂的選材表
代表性零件
材料種類(lèi)和牌號(hào)
使用性能要求
處理及其他
承力支架
鑄鋼ZG270-500
剛度，強(qiáng)度，耐沖擊性
正火
5.6底座，底座電機(jī)的設(shè)計(jì)
5.6.1 底座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
圖5-4 底座示意圖
5.6.2底座的基本形狀尺寸
上圓柱圓半徑為100mm
高度為80mm
下底盤(pán)為邊長(zhǎng)240mm的正方形，倒圓角半徑為16mm的圓角
高度為20mm
中間挖了一個(gè)放電機(jī)的槽。并且挖了安裝孔，固定孔。
5.6.3底座材料的選擇
選材分析：底座支撐件是機(jī)器中的基礎(chǔ)零件。機(jī)器上各個(gè)部件的重量都底座承擔(dān)，因此主要受壓應(yīng)力。此外，底座還要承受個(gè)零件工作時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載作用以及穩(wěn)定在底座上的緊固力。
鑄鐵的彈性模量高，價(jià)格便宜，鑄造工藝性能又很好，還有吸收振動(dòng)，耐磨，自潤(rùn)滑等優(yōu)點(diǎn)故被廣泛應(yīng)用制造底座以及箱體類(lèi)零件。
底座支撐零件尺寸大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄造或焊接后容易形成較大的內(nèi)應(yīng)力，使其在使用期間產(chǎn)生緩慢變形。因此，底座支撐件毛坯，在加工前要長(zhǎng)期放置也就是時(shí)效處理或進(jìn)行去應(yīng)力退火也叫人工時(shí)效處理。對(duì)精度要求很高的或形狀特別復(fù)雜的底座，在粗加工以后，精加工之前要增加一次人工時(shí)效處理，來(lái)消除粗加工產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力影響。
去應(yīng)力退火溫度一般在550℃，然后隨爐冷卻至200攝氏度以下出爐。
表5-2 底座材料表
代表零件
材料種類(lèi)及牌號(hào)
使用性能要求
處理及其他
機(jī)座，底座
灰鑄鐵HT150
剛度，強(qiáng)度，尺寸穩(wěn)定性
時(shí)效處理
5.7底座電機(jī)的選擇
圖5-5 電機(jī)型號(hào)圖
依舊是選擇步進(jìn)電機(jī)，根據(jù)之前的其他部件設(shè)計(jì)的重量，最終選擇型號(hào)為：110HCY137AL3S，靜轉(zhuǎn)矩8Nm，重量為5.5Kg
5.8機(jī)械機(jī)構(gòu)小結(jié)
通過(guò)三維模型來(lái)確立機(jī)構(gòu)的尺寸，通過(guò)查閱工程材料課本選材原則并結(jié)合網(wǎng)上的選材表選擇合適的材料，查閱材料力學(xué)課本來(lái)校核機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度彎曲度，使得所設(shè)計(jì)的尺寸與材質(zhì)能滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)要求
6.噴漆手的控制部分設(shè)計(jì)
6.1控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路
因?yàn)楸疚难芯康氖橇魉€(xiàn)噴漆機(jī)械手臂，既然是流水線(xiàn)，所以機(jī)械手的工作是重復(fù)性的，因?yàn)槿斯?duì)于重復(fù)性的工作會(huì)產(chǎn)生疲勞感二期噴漆環(huán)境的有毒性，機(jī)械手是最好的勞動(dòng)力。
通過(guò)查閱了有關(guān)步進(jìn)電機(jī)的控制方法，都比較復(fù)雜難懂，我經(jīng)過(guò)綜合考慮想到一種簡(jiǎn)單實(shí)用的控制方案：比如現(xiàn)在有一個(gè)零件給我，我要對(duì)它進(jìn)行噴漆，想把機(jī)械手臂固定好，零件也固定在噴漆臺(tái)上，只要是要機(jī)械手能夠按照人工的指定的路徑去走就行了，速度可以用驅(qū)動(dòng)器控制，主要就是解決機(jī)械手的行走路徑問(wèn)題。
重點(diǎn)問(wèn)題找到了后，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析。如果用路徑轉(zhuǎn)化為程序，再由程序轉(zhuǎn)化為機(jī)械手的動(dòng)作，中間的難度很高，由于對(duì)這方面的不熟悉，又想原創(chuàng)性。所有我的大致想法是：機(jī)械手和零件固定好了，因?yàn)闄C(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與電機(jī)的旋轉(zhuǎn)是息息相關(guān)的，所以我想在每個(gè)電機(jī)處安裝一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)記錄傳感器，然后開(kāi)始用手動(dòng)幫助機(jī)械手模擬運(yùn)動(dòng)路徑，手動(dòng)幫助機(jī)械手完成一遍運(yùn)動(dòng)后，轉(zhuǎn)動(dòng)記錄傳感器記錄每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)情況，主要是記錄下來(lái)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，時(shí)間，正反轉(zhuǎn)。有了這些數(shù)據(jù)我們就知道機(jī)構(gòu)完成這一整個(gè)路徑電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，之后將數(shù)據(jù)推入到PLC控制中，使得PLC控制電機(jī)完成這些數(shù)據(jù)的重現(xiàn)，便是完成了路徑的重演。再設(shè)定一個(gè)位置傳感器，以便于機(jī)械手完成一次噴漆作業(yè)后回到原位，繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)零件的噴漆作業(yè)。
6.2控制部分的詳細(xì)說(shuō)明
轉(zhuǎn)動(dòng)記錄傳感器就是旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器，記錄完成整個(gè)路徑時(shí)，機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)情況。通過(guò)記錄的情況就可以通過(guò)控制器控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)完成路徑的重演，達(dá)到自行噴漆的效果?？刂撇糠郑豪肞LC的功能來(lái)控制電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器發(fā)出的脈沖信號(hào)來(lái)使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以及正反轉(zhuǎn)。
6.3如何通過(guò)PLC控制步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)是一種大轉(zhuǎn)矩，高定位精度、小誤差、控制簡(jiǎn)單的電機(jī)，是電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域很火熱的一種。PLC可以叫做工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，可以靈活地運(yùn)用，高速的處理速度以及數(shù)據(jù)處理能力，而且性?xún)r(jià)比高，是目前廣泛應(yīng)用的控制裝置之一。PLC有著很好的對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制能力，它具有高速脈沖輸出功能，以及可以添加脈沖計(jì)數(shù)元件來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的停止）即可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。
步進(jìn)電機(jī)的控制是通過(guò)電脈沖信號(hào)的，電脈沖信號(hào)通過(guò)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的角位移或線(xiàn)位移。因?yàn)槭艿矫}沖信號(hào)的控制，通過(guò)控制脈沖頻率就可以控制電機(jī)的速度以及加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。）通過(guò)改變通電順序，就可以改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的目的;通過(guò)改變通電順序，就可以改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的目的。
步進(jìn)電機(jī)種類(lèi)很多，這里我們介紹主要從結(jié)構(gòu)上分：反應(yīng)式，混合步進(jìn)電機(jī)及永磁式，步進(jìn)電機(jī)有單相，兩相以及多相。步進(jìn)電機(jī)的控制方式也有許多種，比如：普通集成電路，單片機(jī)，PLC控制等幾種;
因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)中：無(wú)累計(jì)誤差，跟蹤性能好，步進(jìn)電機(jī)的主要控制系統(tǒng)為開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件的組成有：控制面板，PLC控制器，驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)組成。
步進(jìn)電機(jī)能響應(yīng)而不失步的最高步進(jìn)頻率稱(chēng)為“啟動(dòng)頻率”; 步進(jìn)電機(jī)的停止頻率是指系統(tǒng)控制信號(hào)突然關(guān)閉，步進(jìn)電機(jī)不沖過(guò)設(shè)定位置的最高步進(jìn)頻率。
有了這些數(shù)據(jù)，就能有效地對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行變速控制。采用PLC 控制步進(jìn)電機(jī)，應(yīng)根據(jù)下式計(jì)算系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量、脈沖頻率上限和最大脈沖數(shù)量，進(jìn)而選擇PLC 及其相應(yīng)的功能模塊。根據(jù)脈沖頻率可以確定PLC 高速脈沖輸出時(shí)需要的頻率，根據(jù)脈沖數(shù)量可以確定PLC 的位寬：
這樣一來(lái)就可以實(shí)現(xiàn)PLC控制步進(jìn)電機(jī)了。
6.4 PLC控制驅(qū)動(dòng)器的原理
步進(jìn)電機(jī)都是由驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制的，步進(jìn)電機(jī)都有自己的步距角，比如步進(jìn)電機(jī)的歩距角為1.8°，驅(qū)動(dòng)器給一個(gè)200個(gè)脈沖，電機(jī)就轉(zhuǎn)了一圈，驅(qū)動(dòng)器還有細(xì)分制，如果步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器為1000step /re，說(shuō)明驅(qū)動(dòng)器為5細(xì)分，給1000個(gè)脈沖就是電機(jī)轉(zhuǎn)一圈。這里我們主要是了解原理，設(shè)定我們四個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都為1000step/re。
6.5 PLC的選擇
PLC采用三菱，產(chǎn)生符合要求的控制脈沖是控制步進(jìn)電機(jī)最重要的要求。三菱PLC具備能發(fā)出高速脈沖的特性，能夠發(fā)出10KHz的頻率，能夠滿(mǎn)足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的要求
6.6控制梯形圖
步進(jìn)電機(jī)的輸入脈沖總數(shù)和脈沖頻率受到相應(yīng)的控制。在控制軟件部位設(shè)定一個(gè)脈沖總數(shù)以及頻率可口病的脈沖發(fā)生器；對(duì)于頻率較低的控制脈沖，可以利用PLC中的定時(shí)器構(gòu)成，如圖所示。 脈沖頻率可以通過(guò)定時(shí)器常熟控制脈沖周期，脈沖總數(shù)控制則可以設(shè)置為脈沖計(jì)數(shù)器C10，比如脈沖設(shè)定值為1000，計(jì)數(shù)器C10達(dá)到設(shè)定值，就可以切斷脈沖發(fā)生器回路，從而使電機(jī)停止工作。
圖6-2 脈沖計(jì)數(shù)器控制梯形圖
也就是說(shuō)C10可以設(shè)定一個(gè)值，比如旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器記錄到該1號(hào)電機(jī)完成一次路徑轉(zhuǎn)了2圈，所以此時(shí)C10的值要設(shè)定為2000，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接受的脈沖都通過(guò)脈沖發(fā)生器與脈沖計(jì)數(shù)器C10和. 當(dāng)計(jì)數(shù)器判定達(dá)到了設(shè)定值時(shí)，C10可以自動(dòng)切斷脈沖發(fā)生器回路，使得電機(jī)沒(méi)有接受脈沖信號(hào)停止工作。
6.6三菱PLC控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的梯形圖
圖6-3 梯形圖
6.7對(duì)梯形圖的解釋
X000與X001分別是起動(dòng)以及停止按鈕，MO起動(dòng)，MO電機(jī)運(yùn)行開(kāi)始的標(biāo)志，MO有自鎖開(kāi)關(guān)與X000并聯(lián)。當(dāng)可以運(yùn)行時(shí)，DO XO部分判斷脈沖信號(hào)的正反，準(zhǔn)備正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。YOO0接收正反轉(zhuǎn)的信號(hào)與Y002實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，比如Y000接收的是正轉(zhuǎn)信號(hào)，則Y002實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)。隨后由M8029判斷執(zhí)行動(dòng)作是否完畢，完畢后，TO實(shí)現(xiàn)延時(shí)反轉(zhuǎn)。隨后循環(huán)之前的步驟。
6.8 PLC控制步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)單流程圖
機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)作取決于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率：脈沖頻率等同于機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)的加減速。進(jìn)給方向的控制就是改變步進(jìn)電機(jī)的繞組的通電順序來(lái)改變其轉(zhuǎn)向。、
表6-1 PLC功能介紹表
名稱(chēng)
符號(hào)
作用
起動(dòng)按鈕
X000
起動(dòng)脈沖接收器
停止按鈕
X001
停止脈沖接收器
脈沖接收器
Y000
接受脈沖信號(hào)
脈沖調(diào)頻器
Y001
增大/減小脈沖頻率
調(diào)頻器開(kāi)關(guān)
X002
開(kāi)啟調(diào)頻器
正轉(zhuǎn)脈沖輸出器
Y003
輸出正轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)
反轉(zhuǎn)脈沖輸出器
Y004
輸出反轉(zhuǎn)脈沖
延時(shí)繼電器
T0
延時(shí)正反轉(zhuǎn)
脈沖計(jì)數(shù)器
C10
定總脈沖量
正轉(zhuǎn)脈沖計(jì)數(shù)器
C11
定正轉(zhuǎn)脈沖量
反轉(zhuǎn)脈沖計(jì)數(shù)器
C12
定反轉(zhuǎn)脈沖量
6.9 梯形圖
圖6-4 梯形圖
解釋?zhuān)喊聪耎000,脈沖接收器接受信號(hào)，隨后與Y000的開(kāi)關(guān)閉合，使Y003得電，正轉(zhuǎn)脈沖輸出器工作，電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)設(shè)計(jì)的正轉(zhuǎn)脈沖量達(dá)到時(shí)C11斷開(kāi)停止正轉(zhuǎn)，延時(shí)器工作，延時(shí)后，使得反轉(zhuǎn)信號(hào)輸出器工作，電機(jī)反轉(zhuǎn)，當(dāng)反轉(zhuǎn)脈沖達(dá)到設(shè)定值時(shí)，C12斷開(kāi)，電機(jī)停止X002是控制Y001脈沖調(diào)頻器工作的。C10可以設(shè)置電機(jī)接受的總脈沖量，當(dāng)達(dá)到時(shí)，電機(jī)停止
6.10 控制部分小結(jié)
這次的設(shè)計(jì)控制電路對(duì)我們來(lái)說(shuō)有點(diǎn)困難，雖然我只是寫(xiě)出了部分電路，全部電路還是有些難的，對(duì)PLC控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)有了初步的了解，對(duì)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)也有很大的認(rèn)識(shí)，所以這次的設(shè)計(jì)控制電路學(xué)會(huì)的東西也是挺多的。
結(jié) 論
此次的設(shè)計(jì)內(nèi)容有：三維建模，零件的設(shè)計(jì)與校核，控制部分的設(shè)計(jì)。
1 運(yùn)用到了Creo2.0繪圖軟件，這個(gè)之前學(xué)過(guò)，現(xiàn)在用起來(lái)有點(diǎn)生疏，所以這次設(shè)計(jì)有利于我加深對(duì)繪圖軟件的熟練度
2 零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核，讓我能夠認(rèn)識(shí)整個(gè)零件的生產(chǎn)過(guò)程：從建模，到確定尺寸，到選材，然后校核零件的強(qiáng)度。這些我是通過(guò)查閱材料力學(xué)課本以及工程材料課本解決的，讓我知道理論與實(shí)際的結(jié)合的重要性。
3 控制部分的設(shè)計(jì)，讓我回顧和熟悉了PLC的控制，梯形圖的建立，以及PLC的強(qiáng)大應(yīng)用功能。
4 零件的裝配圖的繪制，零件圖的繪制，讓我重新溫習(xí)了一下工程圖學(xué)，細(xì)節(jié)部分很多，比如部分需要剖視圖，圖的的標(biāo)注，零件的公差標(biāo)注，以及表面粗糙度的標(biāo)注等等。CAD圖細(xì)節(jié)部分很多，還需要大量的訓(xùn)練才能掌握好。
致 謝
感謝這次學(xué)校提供的一次畢業(yè)設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，這次設(shè)計(jì)的內(nèi)容有：三維建模，零件的設(shè)計(jì)與校核，控制部分的設(shè)計(jì)。運(yùn)用到了Creo2.0繪圖軟件，這個(gè)之前學(xué)過(guò)，現(xiàn)在用起來(lái)有點(diǎn)生疏，所以這次設(shè)計(jì)有利于我加深對(duì)繪圖軟件的熟練度零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核，讓我能夠認(rèn)識(shí)整個(gè)零件的生產(chǎn)過(guò)程：從建模，到確定尺寸，到選材，然后校核零件的強(qiáng)度。這些我是通過(guò)查閱材料力學(xué)課本以及工程材料課本解決的，讓我知道理論與實(shí)際的結(jié)合的重要性?？刂撇糠值脑O(shè)計(jì)，讓我回顧和熟悉了PLC的控制，梯形圖的建立，以及PLC的強(qiáng)大應(yīng)用功能。
感謝導(dǎo)師在做設(shè)計(jì)的時(shí)候提出的建議，有助于我們解決不懂的問(wèn)題，規(guī)范我們的論文格式。
感謝同學(xué)在我做設(shè)計(jì)的時(shí)候給的建議以及有用性的知道，讓我明白團(tuán)結(jié)就是力量
感謝父母送我來(lái)到XXXX，這里的學(xué)習(xí)氛圍濃厚，老師的教學(xué)水平高，學(xué)校的教育背景雄厚。
參考文獻(xiàn)
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