噴涂機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)─大臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

噴涂機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)─大臂系統(tǒng)設(shè)計(jì),噴涂機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)─大臂系統(tǒng)設(shè)計(jì),噴涂,機(jī)器人,機(jī)械設(shè)計(jì),系統(tǒng),設(shè)計(jì) 南 京 理 工 大 學(xué) 紫 金 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化 設(shè)計(jì)(論文)題目： 噴涂機(jī)器人設(shè)計(jì) —大臂系統(tǒng)設(shè)計(jì) 指 導(dǎo) 教 師: 2010年 3 月 19 日  開題報(bào)告填寫要求 1．開題報(bào)告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)對(duì)學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效； 2．開題報(bào)告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時(shí)交給指導(dǎo)教師簽署意見； 3．“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書寫（或打印）在本開題報(bào)告第一欄目內(nèi)，學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇（不包括辭典、手冊(cè)）； 4．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—2005《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時(shí)間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2007年3月15日”或“2007-03-15”。  畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告 1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫 2000字左右的文獻(xiàn)綜述： 文 獻(xiàn) 綜 述 摘要 噴涂機(jī)器人是一種典型的涂裝自動(dòng)化裝備，廣泛的運(yùn)用在自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域中，在工業(yè)制造業(yè)中扮演了重要的角色。本文歸納了噴涂機(jī)器人在自動(dòng)化生產(chǎn)中的關(guān)鍵問題，介紹了噴涂機(jī)器人的發(fā)展歷史和發(fā)展現(xiàn)狀，同時(shí)指出了噴涂機(jī)器人的有關(guān)不足之處，在此基礎(chǔ)上對(duì)噴涂機(jī)器人在自動(dòng)化生產(chǎn)中的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。 關(guān)鍵詞 噴涂機(jī)器人 自動(dòng)化生產(chǎn) 示教 離線編程 噴涂軌跡優(yōu)化 1 引言 對(duì)于諸如汽車、家電及家具等產(chǎn)品，其表面的噴涂效果對(duì)質(zhì)量有非常大的影響。噴涂作業(yè)中采用噴涂機(jī)器人可以提高產(chǎn)品質(zhì)量和穩(wěn)定性，減少涂料和能源的消耗，避免了人工噴涂時(shí)工人始終處于有毒環(huán)境而造成急性或慢性中毒，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率[1]。因此，噴涂機(jī)器人在制造業(yè)中的應(yīng)用越來越得到人們的重視。 而隨著制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)制造的柔性要求越來越高，噴涂機(jī)器人由于其柔性大、工 作范圍大的特點(diǎn)被應(yīng)用于現(xiàn)代柔性制造業(yè)中。噴涂機(jī)器人及其柔性控制系統(tǒng)的研究和發(fā) 展，對(duì)于降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)質(zhì)量、強(qiáng)化企業(yè)的競爭力具有深遠(yuǎn)的影響。 2 噴涂機(jī)器人的發(fā)展歷史 所謂噴涂機(jī)器人，就是一個(gè)擁有5個(gè)或更多自由度的比較復(fù)雜且能快速自動(dòng)實(shí)現(xiàn)噴涂的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它由操作機(jī)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成[2]。國際上將機(jī)器人應(yīng)用到噴涂領(lǐng)域已有四十幾年的歷史，最早將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于噴涂的有美國的MINIHIT公司、FUDGE公司、德國HATEL公司等[3]。 早期的噴涂機(jī)器人采用示教模式工作。但隨著工業(yè)的發(fā)展和所加工表面越來越復(fù)雜，這種工作方式存在著任務(wù)改變即需重新示教、復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡難用示教方式實(shí)現(xiàn)和運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃失誤導(dǎo)致碰撞情況發(fā)生的問題[4]。面對(duì)這些問題，人們開始研究噴涂機(jī)器人的離線編程。機(jī)器人離線編程利用計(jì)算機(jī)圖形的成果，建立幾何模型再進(jìn)行編程，并生成一些代碼，然后對(duì)編程的結(jié)果進(jìn)行三維圖形動(dòng)畫仿真，以檢測編程的正確性，最后生成代碼傳到機(jī)器人控制柜，以控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，完成給定任務(wù)[5]。在離線編程的基礎(chǔ)上，人們以平面和規(guī)則曲面為作業(yè)對(duì)象，對(duì)噴涂機(jī)器人的噴涂軌跡進(jìn)行優(yōu)化[6]。對(duì)于自由曲面，研究人員采用“bounding box”法和分段常函數(shù)來進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化。 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)，第二次變革是從簡單的動(dòng)作控制到過程控制，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等等[7]。 3 噴涂機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 目前，噴涂機(jī)器人主要生產(chǎn)商有日本的FANLUC、川崎、安川、松下、德國的KUKA、 CLOOS、瑞典的ABB、意大利的SACHMAN RAMBAUDI及奧地利的工GM公司。 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[8]。 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[9]。 在我國，噴涂機(jī)器人主要運(yùn)用于汽車制造業(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[10,11]。而近些年開發(fā)出的柔 性仿形自動(dòng)噴涂系統(tǒng)，使噴涂機(jī)器人在汽車生產(chǎn)中越來越高效、高自動(dòng)化[12]。 隨著ABB公司開發(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)類電子產(chǎn) 品（蘋果公司的IPOD）的噴涂[13]。繼噴涂機(jī)器人用于消費(fèi)電子產(chǎn)品的噴涂，其也逐 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[14]。 雖然噴涂機(jī)器人技術(shù)上的發(fā)展已達(dá)到很高的水平，但其還存在著一些問題，如復(fù)雜 曲面噴涂上的自動(dòng)化難以實(shí)現(xiàn)，控制器的開放性差，軟件獨(dú)立性差，噴涂裝置還不夠小 型化等。 4 噴涂機(jī)器人的未來趨勢 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)一步發(fā)展， 以滿足越來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，以滿足越來越多如消費(fèi)類電子產(chǎn)品等小型零 件的噴涂和特殊環(huán)境下的噴涂。 （3）開發(fā)開放式結(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[15]。 （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)器人語言規(guī)范，特別是動(dòng)作級(jí)的編程語言規(guī)范[16]。 （6）大力研究開發(fā)對(duì)復(fù)雜自由曲面進(jìn)行無人干涉的全過程自動(dòng)噴涂的智能噴涂系 統(tǒng)。 5 結(jié)論 噴涂機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)中的一種柔性涂裝裝備，其產(chǎn)生和發(fā)展使現(xiàn)代工業(yè)噴涂 作業(yè)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。對(duì)于噴涂機(jī)器人編程、控制系統(tǒng)等方面的研究和開發(fā)， 使其運(yùn)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的多種行業(yè)。噴涂機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展至今還未成熟，在現(xiàn)實(shí) 運(yùn)用上還有一定的限制。但隨著人們對(duì)噴涂機(jī)器人技術(shù)的深度研究開發(fā)，必定能突破現(xiàn) 狀，讓其在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)中更為廣泛的運(yùn)用。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 劉鶇根，張鐵，陳世健，謝存禧. 基于 IPC 和PMAC 的噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2008,（26）：24-26. [2] 夏鯤，徐濤，李靜鋒，孔斌. 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展與應(yīng)用研究[D]. 湖北:長江大學(xué)， 2007. [3] 白金元，徐濱士，許一，魏世丞，陳永雄. 自動(dòng)化電弧噴涂技術(shù)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 中國表面工程，2006，19（S1）：267-270. [4] 丁漢. 機(jī)器人的余度控制和離線規(guī)劃的研究[D]. 武漢: 華中理工大學(xué)，1989. [5] 趙東波. 機(jī)器人離線編程系統(tǒng)及其實(shí)用化關(guān)鍵技術(shù)的研究[D]. 武漢: 華中理工 大學(xué)，1996. [6] 李發(fā)忠，趙德安，姬偉，王津京. 面向凹凸結(jié)構(gòu)曲面的噴涂機(jī)器人軌跡優(yōu)化研究 [J]. 江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，22（4）：64-67. [7] 張永貴. 噴涂機(jī)器人若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 西安：西安理工大學(xué)，2008. [8] 丁度坤，謝存禧，張鐵，等. 噴涂機(jī)器人控制系統(tǒng)的開發(fā)與研究[J]. 機(jī)床與液壓， 2009（3）：13-15. [9] Vincze.A G，Hausler K，Andersen O M. Automatic robot spray painting Of low volume high parts[J]. ISR，33（1）：7-11. [10] 王錫春. 我國汽車涂裝的現(xiàn)況及發(fā)展趨向[J]. 涂料工業(yè)，2009，39（10）：1-4. [11] 趙愛娃，王曉放，吳杰，熊天英. 冷噴涂技術(shù)的發(fā)展與工業(yè)應(yīng)用[J]. 振動(dòng)工程 學(xué)報(bào)，2004,（17）：651-653. [12] 劉新，王長民，王薇. 轎車柔性仿形自動(dòng)噴涂控制系統(tǒng)[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化，2006, （28）：262-264. [13] 石銀文. 快速發(fā)展的機(jī)器人自動(dòng)噴涂技術(shù)[J]. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2007,（5）， 18-22. [14] 石聞. F-22戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)器人表面噴涂[J]. 航空制造工程，1997,（8）：22-22. [15] 劉明堯，談大龍，李斌. 可重構(gòu)模塊化機(jī)器人現(xiàn)狀和發(fā)展[J]. 機(jī)器人，2001， 23（3）：275-278. [16] 蔣新松. 未來機(jī)器人技術(shù)發(fā)展方向的探討[J]. 機(jī)器人，1996,(5)：285-291.  畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告 ２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）： 1）.本課題研究的問題 本課題設(shè)計(jì)的是噴涂機(jī)器人的總體方案以及大臂系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，結(jié)合噴涂機(jī)器人有 關(guān)技術(shù)要求，主要研究的問題有結(jié)構(gòu)型式、自由度數(shù)、平衡方式、驅(qū)動(dòng)方式、傳動(dòng)方式 的確定。 2）.本課題擬采用的研究手段 根據(jù)以上要研究的問題及技術(shù)要求，擬采用的研究途徑如下： （1）結(jié)構(gòu)型式 工業(yè)機(jī)器人的坐標(biāo)形式直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型和平面 摜節(jié)型。本課題噴涂機(jī)器人采用的是關(guān)節(jié)坐標(biāo)型，因?yàn)椴捎藐P(guān)節(jié)坐標(biāo)型，結(jié)構(gòu)最緊湊， 靈活性大，占地面積最小，工作空間最大，避障性好，便于實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制。 （2）自由度數(shù) 在三維空間中描述一個(gè)物體的位置和姿態(tài)（簡稱位姿）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，本課題噴涂機(jī)器人機(jī)身、大臂、小臂的三個(gè) 自由度實(shí)現(xiàn)位置移動(dòng)，腕部的旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)兩個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)姿態(tài)的變化，所以最終有五個(gè) 自由度。 （3）平衡方式 機(jī)身和臂部的運(yùn)動(dòng)較多，質(zhì)量較大，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化時(shí)將產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)，影響機(jī)器 人的精確定位，需要進(jìn)行動(dòng)力平衡。常見操作機(jī)臂桿的平衡技術(shù)有四種，及質(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)。本課題中采用彈簧平衡，其結(jié) 構(gòu)簡單，通過適當(dāng)改變彈簧的長度和剛度的修正即可達(dá)到所需平衡要求。 （4）驅(qū)動(dòng)方式 電氣驅(qū)動(dòng)是目前在工業(yè)機(jī)器人中用得最多的一種，可分為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、直流伺服 電機(jī)驅(qū)動(dòng)和交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種形式。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般用在開環(huán)伺服系統(tǒng)中，這種 系統(tǒng)沒有位置反饋裝置，控制精度相對(duì)較低。交、直流伺服電機(jī)用于閉環(huán)和半閉環(huán)伺服 系統(tǒng)中，控制精度很高。本課題中采用開環(huán)控制且控制精度相對(duì)較低，因此采用步進(jìn)電 機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。 （5）傳動(dòng)方式 工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和體積小，要求消除傳動(dòng) 間隙，提高其運(yùn)動(dòng)和位置精度，一般傳動(dòng)裝置有齒輪、蝸桿傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、滾珠絲杠、 諧波齒輪等。直齒輪傳動(dòng)是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中最常見的形式，在機(jī)器人中得到了廣泛的應(yīng)用， 其瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定、工作平穩(wěn)性較高、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊。本課題中噴涂機(jī)器人的 精度不是很高，擬采用直齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。為了減小齒輪傳動(dòng)空回，提高運(yùn)動(dòng)精度，需提 高齒輪及相關(guān)零件的精度和采用各種傳動(dòng)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。  畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告 指導(dǎo)教師意見： 1．對(duì)“文獻(xiàn)綜述”的評(píng)語： 文獻(xiàn)綜述查閱了較多、較新的國內(nèi)外文獻(xiàn)資料，概括了國內(nèi)、國外噴涂機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來趨勢，對(duì)課題研究有一定參考意義。綜述條理清楚、語句通順，格式符合規(guī)范。 2．對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測： 該課題擬從事噴涂機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)及大臂系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有一定的深度和廣度，工作量適中，經(jīng)過該同學(xué)的努力工作、認(rèn)真設(shè)計(jì)，預(yù)估能夠完成規(guī)定的畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)，取得較好的設(shè)計(jì)結(jié)果。 指導(dǎo)教師： 年 月 日 所在專業(yè)審查意見： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 - 10 -