垂直多关节机器人位置控制结构设计（臂部关节）
垂直多关节机器人位置控制结构设计（臂部关节）,垂直,关节,机器人,位置,控制,结构设计,臂部
南京理工大学泰州科技学院
毕业设计(论文)开题报告
学 生 姓 名：
（3号楷体）
学 号：
（用3号楷体）
专 业：
（用3号楷体）
设计(论文)题目：
垂直多关节机器人位置控制结构设计（臂部关节）
指 导 教 师:
（用3号楷体）
年 月 日
毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写
2000字左右的文献综述：
文 献 综 述
摘要 本课题的主要内容是采用机器人代替人来进行喷漆作业，机器人可以代替很多重复性的体力劳动，从而减轻工人的劳动强度，提高生产效率。结合设计的各方面的知识，在设计过程中学会怎样发现问题。解决问题.研究问题。并且在设计中融入自己的想法和构思，提高自己的创新能力。尽力使机器人使用方便，结构简单。
关键词 机器人 ，喷漆机器人 ，结构设计，步进电机
1 机器人概述
随着人类科技的进步，社会经济的发展，机器人学成为近几十年来迅速发展的一门综合学科。它体现了光机电一体化技术的最新成就，机器人作为其中的佼佼者更是发挥了不可磨灭的作用。在人类社会中，凡是有机械活动的地方，都能看到机器人的身影。机器人产品的应用已经由核工业和军事科技等高端科学领域向医疗、农业甚至是服务娱乐等民用领域发展了，并且各式各样的机器人正在涌现出来，以惊人的速度延伸到人类活动的各个领域。机器人是由于人类期望生产水平的提高，为了提升生产效率而出现的。然而由于机器人善于完成重复的，单调的，精确度要求高的工作，能取代人在恶劣的环境中完成人类不能或者不愿完成的工作，因此，机器人的出现又大大解放了人类的生产力。所以说机器人的发展是社会发展的结果，也是社会发展的必然趋势。现在，很多发达国家都追逐着机器人这一发展趋势，积极地进行着机器人的各种开发和研制的工作，并且其中一些国家已经取代了不错的成果，研制出了许多新型且实用的机器人或者是机器人。例如：日本的跳舞机器人、犬型机器人爱宝(AIBO)；英国研制的履带式“手推车”及“超级手推车”排爆机器人；美国iRobot公司推出了能避开障碍，自动设计行进路线吸尘器机器人Roomba；上海世博会使用过的福娃机器人等等。
由于机器人的迅猛发展，机器人进入学校教学是必然的。三自由度机器人作为是机器人的典型产品，其设计及应用对机电一体化、机械结构工艺、机械制造、自动化、电子信息等专业的教学及研究都有着很重要的意义。
1.1机器人的特点
1机器人能进行自动化生产，降低成本。就本次设计的垂直多关节机器人而言，它能不间断的搬运零件和各种材料的输送。这样既提高了生产率又降低了生产成本。
2机器人能使产品品质稳定，减少人工污染。人工生产会使产品质量受工人状态起伏而影响。对于某些高精度产品，人工送取会产生人工污染。
3机器人能改善劳动条件，避免各种工伤。在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，人工操作会有危险，机器人能代替人工作，改善了人们的劳动条件。
4机器人能持久、耐劳，可以把人从繁重的劳动中解放出来，人在连续工作几个小时后，总会感到疲劳或厌倦，以机器人代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
5机器人的灵活性、通用性强。它能通过更换部件来适应不同产品的生产。并通过改变程序和自由度来达到迅速改变作业的可能性。这样机器人能满足各种各样的零件生产，在生产中发挥重大作用。
1.2机器人的组成
工业机器人是由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。
1.2.1执行机构
一般机器人的执行机构由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、缓冲与定位，还有行走机构组成。
1.2.2驱动机构
驱动机构主要有液压驱动、气动驱动、电动驱动和机械驱动等形式。不过目前还是以液压和气动用的最多。
液压驱动具有体积小、出力大、控制性能好、动作平稳等特点，它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动具有润滑性能好、寿命长的特点，结构紧凑，刚性好。定位精度高，克实现任意位置开停。有很多专业机器人能直接利用主机的液压系统。但缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。
气动驱动结构简单、造价低廉、气源方便，所需的压缩气源一般工厂都有，并且无污染，一般采用的压力0.4-0.6MPa，最高可达1MPa。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。
电动由于减速和回转运动变往复运动机构复杂, 很少采用。机械式用于简单的场合。
1.2.3控制机构
机器人的控制方式有点动和连续控制两种方式。大多数是用插销板进行点位程序控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。
1.3喷漆机器人
喷漆机器人又叫垂直多关节机器人（spray painting robot）， 是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人，1969年由挪威Trallfa公司（后并入ABB集 团）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，其动作类似人的手腕，能方便地通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。喷漆机器人一般采用液压驱动，具有动作速度快、防爆性能好等特点，可通过手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、搪瓷等工艺生产部门。
垂直多关节机器人的主要优点：（1）柔性大，工作范围大。（2）提高喷涂质量和材料使用率。（3）易于操作和维护，可离线编程，大大的缩短现场调试时间。（4）设备利用率高，垂直多关节机器人的利用率可达90%-95%。
1.4 结束语
本课题通对垂直多关节机器人进行结构设计和机电传动原理设计。本设计采用的方法是理论设计与经验设计相结合的方案，所运用的资料来源广泛，内容充足。
参 考 文 献
[1] 吴瑞祥. 机器人技术及应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，1994.
[2] 熊有伦.机器人技术基础[M].武汉：华中理工大学出版社，1996.
[3] 白井良明著. 王棣棠译. 机器人工程[M]. 北京：科学出版社，2001.2.
[4] 熊有伦.机器人技术基础[M].武汉：华中理工大学出版社，1996.
[5] 王志良.竞赛机器人制作技术[M].北京：机械工业出版社，2007.
[6] 成大先.机械设计手册（第4版）[M].北京：化学工业出版社，2002.
[7] 熊有伦.机器人技术基础[M].武汉：华中理工大学出版社，1996.
[8] 机械设计手册编委会. 机械设计手册[M]. 北京：机械工业出版社，2007.7.
[9] 马香峰. 机器人机构学[M]. 北京: 机械工业出版社, 1991.
[10] 龚振邦等. 机器人机械设计[M]. 北京：电子工业出版社，1995.6.
[11] David Cook.机器人制作[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.
[12] 费仁元等.机器人机械设计和分析.北京：北京工业大学出版社，1998
[13] 《工业喷漆机器人》编写组.工业喷漆机器人-机械结构上[M].上海：上海科学技术出版社,2005.
[14] Todd D J .Walking machines ,an introduction to legged robots Kogan Page Ltd.London,1985.
[15] Hemamu H , Weimer F C.Koozekananit S H .Some aspects of the inverted pendulurn problem for modelling of Iocomotion systemr. Proc of 1973 JACC.
[16] Suk-Han Sun,Jung-Jae Lee. Prototype Intergrated Robotic Painting System: Software Development [J].Journal of Manufacturing Systems, 2005,10(12):314.
毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：
要研究的问题
1.垂直多关节机器人的基本技术参数确定
表示机器人特性的基本技术参数主要有自由度、坐标形式的选择。
1.1自由度
自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，但是一般不包括手部（末端操作器）的开合自由度。自由度表示了机器人灵活的尺度，在三维空间中描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度。
垂直多关节机器人的自由度越多，越接近人手的动作机能，其通用性就越好，但是结构也越复杂，自由度的增加也意味着垂直多关节机器人整体重量的增加。轻型化与灵活性和抓取能力是一对矛盾，此外还要考虑到由此带来的整体结构刚性的降低，在灵活性和轻量化之间必须做出选择。工业机器人基于对定位精度和重复定位精度以及结构刚性的考虑，往往体积庞大，负荷能力与其自重相比往往非常小。一般通用垂直多关节机器人有5～6个自由度即可满足使用要求（其中臂部有3个自由度，腕部和行走装置有2～3个自由度），专用垂直多关节机器人有1～2个自由度即可满足使用要求。
1.2坐标形式的选择
垂直多关节机器人的坐标形式主要可分为：直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节坐标型另外还有比较复杂的SCARA型和并联型。
1直角坐标型垂直多关节机器人：这类垂直多关节机器人就是如图2-1(a)得直移型，其手部空间位置的改变通过沿三个互相垂直轴线的移动来实现，该形式垂直多关节机器人具有位置精度高，控制无耦合、简单，壁障性好等特点。但结构较庞大，动作范围小，灵活性差，且移动轴的结构复杂，占地面积大，而且需架空线路。
2圆柱坐标型垂直多关节机器人：这种垂直多关节机器人如图2-1（b）的回转型垂直多关节机器人，通过两个移动和一个转动实现手部空间位置的改变，手臂的运动系由垂直立柱平面内的伸缩和沿立柱的升降两个直线运动及手臂绕立柱的转动复合而成。这种垂直多关节机器人，占地面积小而活动范围较大，结构亦较简单，并能达到较高的定位精度，因而应用范围较广泛。机身采用立柱式，垂直多关节机器人侧面行走，顺利完成上料、翻转、转位等功能。但是结构也比较庞大，两个移动轴的设计较为复杂。
3球坐标型机器人： 这类垂直多关节机器人如图2-1（c）的俯仰型垂直多关节机器人，其手臂沿X方向伸缩，绕Y轴俯仰和绕Z轴回转。这类垂直多关节机器人具有占地面积小、结构紧凑、重量较轻、位置精度尚可等特点，能与其他机器人协调工作，但避障性差，存在着平衡问题，位置误差与臂长有关。
4关节坐标型垂直多关节机器人：如图2-1（d）的屈伸型垂直多关节机器人，主要由立柱、前臂和后臂组成。机器人的运动由前、后臂的俯仰及立柱的回转构成，其结构最紧凑，灵活性大，占地面积最小，工作空间最大，能与其他机器人协调工作，避障性好，但是位置精度较低，存在平衡以及控制耦合的问题，故比较复杂。
图 垂直多关节机器人的坐标形式[22]
2 要采用的手段
分析机械手工作原理和性能。
绘制工作机构示意图、工作原理图。
设计机械手整体结构，绘制装配图。
设计、计算机械手各部分结构，绘制结构各部件图纸，绘制主要零件的零件图。
编制设计说明书。
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指导教师意见：
1．对“文献综述”的评语：
××××××××（小4号宋体，1.5倍行距）××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××…………。
2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：
××××××××（小4号宋体，1.5倍行距）××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××××…………。
指导教师：
年 月 日
所在专业审查意见：
负责人：
年 月 日
垂直多关节机器人位置控制结构设计（臂部关节）演讲人：1 绪论绪论1.1 机器人概念机器人概念机器人（机器人（Robot）是自动执行工作的机器装）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。建筑业，或是危险的工作。垂直多关节机器人图1.2 课题研究的背景和意义课题研究的背景和意义机器人是一门综合性很强的科学，有着极其广泛的研究和应用领域。机器人技术是综合了计算机技术、信息融合技术、机构学、传感技术、仿生科学以及人工智能等多学科而形成的高新技术，它不仅涉及到线性、非线性、基于多种传感器信息控制以及实时控制技术，而且还包括复杂机电系统的建模、数字仿真技术及混合系统的控制研究等方面的技术。1.3 国内机器人的研究国内机器人的研究我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。1.4机器人的组成机器人的组成1.4.1执行机构一般机器人的执行机构由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、缓冲与定位，还有行走机构组成。1.4.2驱动机构驱动机构主要有液压驱动、气动驱动、电动驱动和机械驱动等形式。不过目前还是以液压和气动用的最多。1.4.3控制机构机器人的控制方式有点动和连续控制两种方式。大多数是用插销板进行点位程序控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。1.5垂直多关节机器人垂直多关节机器人垂直多关节机器人的主要优点：（1）柔性大，工作范围大。（2）提高喷涂质量和材料使用率。（3）易于操作和维护，可离线编程，大大的缩短现场调试时间。（4）设备利用率高，垂直多关节机器人的利用率可达90%-95%。1.6 本课题研究内容本课题研究内容主要任务：（1）机器人小臂机构设计（2）机器人小臂受力计算与校核（3）机器人关节传动设计（4）重要零件图及装配图绘制（5）伺服电机选型2 机器人总体设计机器人总体设计2.1 确定基本技术参数确定基本技术参数2.1.1 机械结构类型的选择机械结构类型的选择a.圆柱坐标型圆柱坐标型 b.直角坐标型 c.球坐标型 d.回转坐标型e.平面 对以上五种方案进行比较：方案一不能够完全实现本课题所要求的动作；方案二体积大，灵活性差；方案三结构复杂；方案五无法实现本课题的动作。结合本课题综合考虑决定采用方案四机器人。此方案所占空间少，工作空间范围大，动作灵活，工艺操作精度高。2.1.2 额定负载2.1.3 工作范围2.1.4 操作机的驱动系统设计2.1.5 控制系统选择2.1.6 确定机器人手臂的配置形式2.2 机器人手臂材料选择机器人手臂材料选择机器人手臂材料首先应是结构材料。手臂承受载荷时，不应有变形和断裂。从力学角度看，即要具有一定的强度。手臂材料应选择高强度材料，如钢、铸铁、合金钢等。机器人手臂是运动的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比较轻。综合而言，应该优先选择强度大而密度小的材料做手臂。2.3 垂直多关节机器人工作空间的计算垂直多关节机器人工作空间的计算图2.3 垂直多关节机器人工作空间示意图3 垂直多关节机器人小臂结构设垂直多关节机器人小臂结构设计计3.1 电动机的选择电动机的选择3.2 小臂部结构设计小臂部结构设计小臂壳体采用铸铝，方形结构，质量轻，强度大。3.3 小臂电机及减速器选型小臂电机及减速器选型本垂直多关节机器人小臂部两个自由度是平面旋转，若轴承是光滑的，则旋转所需的静转矩比较小。因为将臂伸开呈一条直线时转动惯量最大，所以在旋转开始时可产生步进电机的转矩不足。3.4 凸轮波发生器及其薄壁轴承的计算凸轮波发生器及其薄壁轴承的计算3.5 轴结构尺寸设计轴结构尺寸设计3.6 轴的受力分析及计算轴的受力分析及计算轴的受力分析图 3.7 轴承的寿命校核轴承的寿命校核小臂系统总装图总总 结结我国机器人的研究和应用起步较晚，但是随着国我国机器人的研究和应用起步较晚，但是随着国内外机器人的快速发展、社会需求的增大和技术内外机器人的快速发展、社会需求的增大和技术的进步，垂直多关节机器人得到了迅速的发展，的进步，垂直多关节机器人得到了迅速的发展，多品种、少批量生产方式和为提高产品质量及生多品种、少批量生产方式和为提高产品质量及生产效率的生产工艺需求，是推动装垂直多关节机产效率的生产工艺需求，是推动装垂直多关节机器人发展的直接动力。机器人在轻型、较简单且器人发展的直接动力。机器人在轻型、较简单且要求机器人价格较低的喷涂作业中大显了身手。要求机器人价格较低的喷涂作业中大显了身手。本课题正是在这种背景下提出来的，这是一项具本课题正是在这种背景下提出来的，这是一项具有重要意义的课题。有重要意义的课题。南京理工大学泰州科技学院
毕业设计说明书(论文)
作 者:
3号楷体
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学院(系):
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专 业:
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题 目:
垂直多关节机器人位置控制结构设计（臂部关节）
3号楷体
3号楷体
指导者：
(姓 名) (专业技术职务)
3号楷体
3号楷体
评阅者：
(姓 名) (专业技术职务)
2014 年 6 月
36
毕业设计说明书（论文）中文摘要
机器人既有人对环境的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。如今，机器人工业已成为世界各国备受关注的产业。
本课题设计的喷漆机器人的小臂系统设计，介绍了机器人的结构组成，确定了基本技术参数，驱动系统，手臂配置形式，电动机的选择，小臂部件的结构设计及计算绘图以及减速器的造型等等方面内容来完成此次设计。
关键词： 机器人；工业；传动；小臂，设计
毕业设计说明书（论文）外文摘要
Title ：Spray Painting Robot Smaller Arm System Design
Abstract
Robot as a man on the environment of rapid response and analytical skills, and the machine can work continuously for long time, high accuracy, anti adverse circumstance ability, in the sense that it is the product of the evolution of the machine, it is an important production and industrial and non industrial sector, service equipment, automation equipment and field advanced manufacturing technology, an indispensable. Now, the robot industry around the world has become the concern of the industry.
Design of small arms system designed in this thesis, the painting robot, the robot structure, the basic technical parameters, the drive system, the arm configuration, the choice of motor, small arms parts of the structure design and calculation of drawing and the other on the face side down to complete this design.
Keywords ：Robot; Industrial; Transmission; Small arm, Design
目 录
1 绪论 1
1.1 机器人概念 1
1.2 课题研究的背景和意义 2
1.3 国内机器人的研究 3
1.4机器人的组成 3
1.4.1执行机构 3
1.4.2驱动机构 3
1.4.3控制机构 4
1.5喷漆机器人 4
1.6 本课题研究内容 4
2 机器人总体设计 5
2.1 确定基本技术参数 5
2.1.1 机械结构类型的选择 5
2.1.2 额定负载 6
2.1.3 工作范围 6
2.1.4 操作机的驱动系统设计 6
2.1.5 控制系统选择 7
2.1.6 确定机器人手臂的配置形式 7
2.2 机器人臂材料选择 8
2.3 喷漆机器人工作空间的计算 9
3 垂直多关节机器人小臂结构设计 11
3.1 电动机的选择 11
3.2 小臂部结构设计 12
3.3 小臂电机及减速器选型 13
3.3.1.传动结构形式的选择 14
3.3.2.几何参数的计算 14
3.4 凸轮波发生器及其薄壁轴承的计算 15
3.4.1柔轮齿面的接触强度的计算 16
3.4.2柔轮疲劳强度的计算 17
3.5 轴结构尺寸设计 18
3.6 轴的受力分析及计算 19
3.7 轴承的寿命校核 20
3.8 小臂平衡装置设计 22
总 结 33
参考文献 34
致 谢 35
1 绪论
1.1 机器人概念
机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。它是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。
垂直多关节机器人图
现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般来说，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统。”它能为人类带来许多方便之处。
机器人是近30年发展起来的一种典型的、机电一体化的、独立的自动化生产工具。在制造工业中，应用工业机器人技术是提高生产过程自动化，改善劳动条件，提高产品质量和生产效率的有效手段之一，也是新技术革命的一个重要内容。
1.2 课题研究的背景和意义
机器人的出现和应用是人类生产和社会进步的需要，是科学技术发展和生产工具进化的必然。机器人一词最早出现于1920年捷克作家Karel Capek的剧本《罗萨姆的万能机器人》中，在该剧中，机器人“Robota”这个词的本意是指苦力，是剧作家笔下的一个具有人的外表、特征和功能的机器，是一种人造的劳动力。随着现代科技的发展，机器人技术已经广泛应用于人类生活领域，研制具有人类外观特征、可模拟人类行走和其他动作的机器人一直是人类的梦想之一。
机器人是一门综合性很强的科学，有着极其广泛的研究和应用领域。机器人技术是综合了计算机技术、信息融合技术、机构学、传感技术、仿生科学以及人工智能等多学科而形成的高新技术，它不仅涉及到线性、非线性、基于多种传感器信息控制以及实时控制技术，而且还包括复杂机电系统的建模、数字仿真技术及混合系统的控制研究等方面的技术。
机器人是机器人技术中的一个重要研究课题，而双足机器人是机器人研究的前奏。步行技术是人与大多数动物所具有的移动方式，是一种高度自动化的运动，双足步行系统具有非常复杂的动力学特性，对于环境具有很强的适应性，它相对轮式、履带式机器人具有无可比拟的优越性，它可以进入狭窄的作业空间，也可跨越障碍、上下台阶、斜坡及在不平整地面上工作，可以护理老人、康复医学以及在一般家庭的家政服务都可以应用。它适应环境的能力更强，因此具有更加广泛的应用前景。
在机器人的研制中，机器人仿真是机器人研究的一项重要的内容，它涉及机器人机构学、机器人运动学、机器人零件建模、仿真机器人三维实现和机器人的运动控制，是一项综合性有创新意义和实用价值的研究课题。仿真利用计算机可视化和面向对象的手段，模拟机器人的动态特性，帮助研究人员了解机器人工作空间的形态及极限，提示机构的合理运动方案及有效的控制算法，从而解决在机器人设计、制造以及运行过程中的问题，避免了直接操作实体可能会造成的事故或者不必要的损失。仿真也为机器人本体结构方案设计提供参考依据，并在这台机器上模拟能都实现的功能，使用户直接看到设计效果，及时找出缺点和不足进行改进，避免了大量的物力、人力的浪费[1，2]。
1.3 国内机器人的研究
我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986年3月开始的国家863高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。
国内机器人的研究也在863计划和自然科学基金的支持下持续开展了多年，如国防科技大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学、清华大学、上海交通大学、中国科学技术大学等，都先后开始研制机器人样机[4]。
1.4机器人的组成
工业机器人是由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。
1.4.1执行机构
一般机器人的执行机构由手部或者叫抓取部分、腕部、臂部、缓冲与定位，还有行走机构组成。
1.4.2驱动机构
驱动机构主要有液压驱动、气动驱动、电动驱动和机械驱动等形式。不过目前还是以液压和气动用的最多。
液压驱动具有体积小、出力大、控制性能好、动作平稳等特点，它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动具有润滑性能好、寿命长的特点，结构紧凑，刚性好。定位精度高，克实现任意位置开停。有很多专业机器人能直接利用主机的液压系统。但缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。
气动驱动结构简单、造价低廉、气源方便，所需的压缩气源一般工厂都有，并且无污染，一般采用的压力0.4-0.6MPa，最高可达1MPa。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。
电动由于减速和回转运动变往复运动机构复杂, 很少采用。机械式用于简单的场合。
1.4.3控制机构
机器人的控制方式有点动和连续控制两种方式。大多数是用插销板进行点位程序控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机数字控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。
1.5喷漆机器人
喷漆机器人又叫垂直多关节机器人（spray painting robot）， 是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人，1969年由挪威Trallfa公司（后并入ABB集 团）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，其动作类似人的手腕，能方便地通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。喷漆机器人一般采用液压驱动，具有动作速度快、防爆性能好等特点，可通过手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、搪瓷等工艺生产部门。
垂直多关节机器人的主要优点：（1）柔性大，工作范围大。（2）提高喷涂质量和材料使用率。（3）易于操作和维护，可离线编程，大大的缩短现场调试时间。（4）设备利用率高，垂直多关节机器人的利用率可达90%-95%。
1.6 本课题研究内容
本课题的主要任务是对喷漆机器人的小臂及传动进行设计，并完成总装配图和零件图的绘制。要求对机器人模型进行力学分析，估算各关节所需转矩和功率，完成电机和减速器的选型。其次从电机和减速器的连接和固定出发，设计关节结构，并对机构中的重要连接件进行强度校核。
主要任务：
（1）机器人小臂机构设计
（2）机器人小臂受力计算与校核
（3）机器人关节传动设计
（4）重要零件图及装配图绘制
（5）伺服电机选型
（6）撰写1万字以上设计说明书一份
2 机器人总体设计
2.1 确定基本技术参数
2.1.1 机械结构类型的选择
为实现总体机构在空间的位置提供的5个自由度，可以有不同的运动组合，根据本课题可以将其设计成以下五种方案：
a.圆柱坐标型 这种运动形式是通过一个转动，两个移动，共三个自由度组成的运动系统，工作空间图形为圆柱型。它与直角坐标型比较，在相同的工作空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。
b.直角坐标型 直角坐标型工业机器人，其运动部分由三个相互垂直的直线移动组成，其工作空间图形为长方体。它在各个轴向的移动距离，可在各坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高、结构简单，但机体所占空间体积大、灵活性较差。
c.球坐标型 又称极坐标型，它由两个转动和一个直线移动所组成，即一个回转，一个俯仰和一个伸缩运动组成，其工作空间图形为一个球形，它可以作上下俯仰运动并能够抓取地面上或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作空间范围大的特点，但结构复杂。
d. 又称回转坐标型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个关节都是回转关节，这种机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰摆动，小臂作俯仰摆动。其特点使工作空间范围大，动作灵活，通用性强、能抓取靠进机座的物体。
e.平面 采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后、左右运动，而移动关节则实现上下运动，其工作空间的轨迹图形，它的纵截面为矩形的同转体，纵截面高为移动关节的行程长，两回转关节转角的大小决定回转体横截面的大小、形状。在水平方向有柔顺性，在垂直方向有较大的刚性。它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合小规格零件的插接装配。
对以上五种方案进行比较：方案一不能够完全实现本课题所要求的动作；方案二体积大，灵活性差；方案三结构复杂；方案五无法实现本课题的动作。结合本课题综合考虑决定采用方案四：机器人。此方案所占空间少，工作空间范围大，动作灵活，工艺操作精度高。
2.1.2 额定负载
目前,国内外使用的工业机器人中,其负载能力的范围很大,最小的额定负载在5N以下,最大可达9000N。负载大小的确定主要是考虑沿机器人各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩。其中应包括机器人末端执行器的重量、抓取工件或作业对象的重量和在规定速度和加速度条件下，产生的惯性力矩。本课题的任务要求是保证手腕部能承受的最大载荷是5kg。
2.1.3 工作范围
工业机器人的工作范围是根据工业机器人作业过程中的操作范围和运动的轨迹来确定的,用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响机器人的机械结构坐标型式、自由度数和操作机各手臂关节轴线间的长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择。
2.1.4 操作机的驱动系统设计
机器人本体驱动系统包括驱动器和传动机构，它们常和执行机构联成一体，驱动臂杆和载荷完成指定的运动。通常的机器人驱动方式有以下四种:
a.步进电机：可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制。但是由于采用开环控制，没有误差校正能力，运动精度较差，负载和冲击震动过大时会造成“失步”现象。
b.直流伺服电机：直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。其安装维修方便，成本低。
c.交流伺服电机：交流伺服电机结构简单，运行可靠，使用维修方便，与步进电机相比价格要贵一些。随着可关断晶闸管GTO，大功率晶闸管GTR和场效应管MOSFET等电力电子器件、脉冲调宽技术(PWM)和计算机控制技术的发展，使交流伺服电机在调速性能方面可以与直流电机媲美。采用16位CPU+32位DSP三环(位置、速度、电流)全数字控制，增量式码盘的反馈可达到很高的精度。三倍过载输出扭矩可以实现很大的启动功率，提供很高的响应速度。
d.液压伺服马达：液压伺服马达具有较大的功率/体积比，运动比较平稳，定位精度较高，负载能力也比较大，能够抓住重负载而不产生滑动，从体积、重量及要求的驱动功率这几项关键技术考虑，不失为一个合适的选择方案。但是，其费用较高，其液压系统经常出现漏油现象。为避免本系统也出现同类问题，在可能的前提下，本系统将尽量避免使用该种驱动方式。
常用的驱动器有电机和液压、气动驱动装置等。其中采用电机驱动是最常用的驱动方式。电极驱动具有精度高，可靠性好，能以较大的变速范围满足机器人应用要求等特点。所以在这次设计中我选择了直流电机作为驱动器。因为它具有体积小、转矩大、输出力矩和电流成比例、伺服性能好、反应快速、功率重量比大，稳定性好等优点。
本课题的机器人将采用直流伺服电动机。因为它具有体积小、转矩大、输出力矩和电流成比例、伺服性能好、反应快速、功率重量比大，稳定性好等优点。
2.1.5 控制系统选择
对于垂直多关节机器人这种精度要求不高的工业机器人，大多采用示教再现编程。示教方式作为一种成熟的技术，易被熟悉工作任务的人员掌握。无论是手把手示教或示教盒示教，都是以在线编程，由示教操作人员操作移动末端执行器和手臂到所需的位置。然后记录（存储）下这些操作和数据。示教过程完成后，即可应用，机器人以再现方式重复进行示教时存于存储器的点位、轨迹和各种操作。再现过程的速度可以与示教时速度不同。
利用示教手柄由人工引导末端执行器经过所要求的轨迹，此时位置传感器就检测出机器人操作机上各关节处的坐标（或转角）值，控制系统的装置记录（储存）下这些数字化的数据信息。再现时，机器人控制系统重复再现示教者示教的轨迹和操作技能。手把手示教也能实现点位控制，所不同的是它只记录各轨迹程序段的两端位置。轨迹运动速度则按各轨迹程序段对应的功能数据输入。
2.1.6 确定机器人手臂的配置形式
手臂的配置形式反映了机器人操作机的总体布局。根据任务要求,要实现机器人喷涂功能,则机器人的工作范围要广,所以我选择了立柱式的配置方式。其特点是占地面积小,工作范围大,机器人手臂可绕立柱回转。
根据分析,可将机器人的参数列在表2-1中：
表2-1机器人的主要参数
技术要求：
自由度数： 5
驱动方式： 步进电机驱动
负载重量： 2 kg
运动范围：
机身 ±130º
大臂 前俯30º,后仰10º
小臂 俯仰±30º
腕转 ±120º
腕摆 ±120º
工作空间： 2500╳1200╳1100 m
喷枪最大工作速度： ≥0.8 m/s
控制方式： 开环连续轨迹控制
重复定位精度： ±3~±5 mm
示教方式： 手把手CP示教
2.2 机器人臂材料选择
机器人手臂的材料应根据手臂的工作状况来选择。根据设计要求，机器人手臂要完成各种运动。因此，对材料的一个要求是作为运动的部件，它应是轻型材料。而另一方面，手臂在运动过程中往往会产生振动，这将大大降低它的运动精度。因此，在选择材料时，需要对质量、刚度、阻尼进行综合考虑，以便有效地提高手臂的动态性能。
机器人手臂材料首先应是结构材料。手臂承受载荷时，不应有变形和断裂。从力学角度看，即要具有一定的强度。手臂材料应选择高强度材料，如钢、铸铁、合金钢等。机器人手臂是运动的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比较轻。综合而言，应该优先选择强度大而密度小的材料做手臂。其中，非金属材料有尼龙6、聚乙烯和碳素纤维等；金属材料以轻合金为主。在我们的设计中为减轻机器人本体的重量选用铸铝材料。
2.3 喷漆机器人工作空间的计算
对于喷漆机器人工作空间和喷枪轨迹的计算是相对比较复杂的过程，可参考查阅的研究资料较多，因此在本课题的设计中不作详细的研究。根据已给出的技术要求工作空间为 2500╳1200╳1100 mm3， 确定喷漆机器人在长、宽、高三个方向的极限位置，从二维空间工作图中模拟喷枪的轨迹，如图2.3所示，即可通过联立方程组（2.1）求出大、小臂长度的近似值。
图2.3 喷漆机器人工作空间示意图
图中，、分别为大臂、小臂的长度。
列出方程组计算：
（2.1）
经过计算圆整得出大、小臂长度：为900mm，为800mm。
3 垂直多关节机器人小臂结构设计
3.1 电动机的选择
设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2、JG3，根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为:
（3-1）
、、分别为10kg(包括负载2kg)、5kg、12kg。、、分别为重心到第一关节轴的距离，其值分别为185mm、800mm、1500mm，在式（3-1）中、、故、、可忽略不计。所以绕第一关节轴的转动惯量为：
（3-2）
=
=
同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量:
=
=
式中：——小臂重心距第二关节轴的水平距离 。
—— 腕部重心距第二关节轴的水平距离 。
则旋转开始时的转矩可表示如下
（3-3）
式中：——旋转开始的转矩
——角加速度
使机器人主轴从到/s所需时间为:则：
若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转
开始时的启动转矩可假定为
电动机的功率可按下式估算
（3-4）
式中： ——电动机功率 ；
——负载力矩 ；
——负载转速 ；
——传动装置的效率，初步估算取0.9；
系数1.5～2.5为经验数据，取1.5
估算后就可选取电机，使其额定功率满足下式
（3-5）
选择QZD-08串励直流电动机
表3-1 QZD-08串励直流电动机技术数据
功率（W）
额定电压
（V）
额定电流
（A）
额定转速
（r/min）
滤磁方式
绝缘等级
工作制
（min）
800
24
46.2
1750
串励
B
60
3.2 小臂部结构设计
小臂壳体采用铸铝，方形结构，质量轻，强度大。
3.3 小臂电机及减速器选型
本垂直多关节机器人小臂部两个自由度是平面旋转，若轴承是光滑的，则旋转所需的静转矩比较小。因为将臂伸开呈一条直线时转动惯量最大，所以在旋转开始时可产生步进电机的转矩不足。如图3-1所示，设两臂及手腕绕各自重心轴的转动惯量分别为JG1、JG2、JG3，根据平行轴定理可得绕第一关节轴的转动惯量为：
J1=JG1+M1L12+JG2+M2L22+JG3+M3L32 （3.1）
其中：M1，M2，M3分别为负载2Kg，手臂1Kg，腕部4Kg；L1，L2，L3分别其长度。JG1〈〈M1L12、JG2〈〈M2L22、JG3〈〈M3L32，故可忽略不计，以绕第一关节轴的转动惯量为：
J1= M1L12+M2L22+M3L32 (3.2)
=4×0.1432+1×0.4452+4×0.5422
=1.46kg.m2
同理可得小臂及腕部绕第二关节轴的转动惯量：
M2=2Kg，L4=97mm；M3=4Kg，L5=194mm。
J2=M2L42+M3L52 (3.3)
=1×0.0972+4×0.1942
=0.16kg.m2
设小臂转速，角速度从0加到所需加速时间，则同步带应输出转矩为：
(3.7)
若考虑绕机器人手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩，则旋转开始时的启动转矩可假定为10N.m，取安全系数为2，则谐波减速器所需输出的最小转矩为：
(3.5)选择谐波减速器：
⑴型号：XB3-50-100
额定输出转矩：20N.m
减速比：i1=100
设谐波减速器的的传递效率为：，步进电机应输出力矩为：
(3.6)
选择BF反应式步进电机
型号：55BF003
静转矩：0.686N.m
步距角：1.5°
3.3.1.传动结构形式的选择
该减速器是电传动减速的谐波齿轮装置。要求其传动比较大﹑结构简单紧凑﹑效率较高﹑承载力较高﹑通用性良好。因此本设计方案所选的结构形式为刚轮固定﹑波发生器主动和柔轮从动比较合适。为了便于采用标准刀具来加工柔轮和刚轮，特选取压力角的渐开线齿廓。
3.3.2.几何参数的计算
齿数的确定
柔轮齿数：
刚轮齿数：
已知模数：，则
柔轮分度圆直径：
钢轮分度圆直径：
柔轮齿圈处的厚度：
重载时，为了增大柔轮的刚性， 允许将δ1计算值增加20%，即
柔轮筒体壁厚：
为了提高柔轮的刚度，取
轮齿宽度：
轮毂凸缘长度：取
柔轮筒体长度：
轮齿过渡圆角半径：
为了减少应力集中，以提高柔轮抗疲劳能力，取
由于采用压力角的渐开线齿廓，传动的啮合参数可按考虑到构件柔度的计算公式，即按如下公式进行计算。
3.4 凸轮波发生器及其薄壁轴承的计算
滚珠直径：
柔轮齿圈处的内径：
则：
轴承外环厚度：由于工艺上的要求，可将外环做成无滚道的
轴承内环厚度：
内环滚道深度：
式中的是考虑到外环无滚道而内环滚道加深量。
轴承内外环宽度：所用为滚珠轴承，近似等于齿宽
轴承外环外径：
轴承内环内径：
为了便于制造，采用双偏心凸轮波发生器。
则凸轮圆弧半径：
其中ｅ是偏心距：
（—刚轮分度圆直径，—柔轮分度圆直径）
则凸轮圆弧半径：
凸轮长半轴：
凸轮短半轴：
3.4.1柔轮齿面的接触强度的计算
根据谐波传动传动比大的特点，其柔轮和刚轮的齿数较多，齿形很接近于直线。故实际谐波齿轮传动的载荷能力主要应由柔轮齿侧工作表面的最大接触应力所限制。因此，谐波齿轮传动的柔轮齿侧面应满足如下接触强度条件：
接触强度计算公式：
—输出转矩
—柔轮节圆半径
—柔轮轮齿宽
—刚轮压力角
—接触系数（0.4~0.9）
对于一般双波传动，轮齿宽许用接触应力
则：
所以满足齿面的接触强度要求。
3.4.2柔轮疲劳强度的计算
谐波齿轮传动中轮齿的工作特点是：齿面的摩擦滑移接触和柔轮承受着反复的交变载荷。为了使柔轮在循环的弹性变形下能正常工作，除满足耐磨条件外，还必须进行柔轮的疲劳强度计算。
柔轮材料采用 调制硬度229~269。
计算柔轮在反复弹性变形状态下工作时所产生的交变应力幅和平均应力为
截面处正应力：
切应力：
由扭矩产生的剪切应力：
其中：
则：
验算安全系数：
疲劳极限应力：
应力安全系数：
其中，抗拉屈服极限：
剪切应力集中系数：
则满足疲劳强度条件。
3.5 轴结构尺寸设计
考虑到轴的载荷较大，材料选用45,热处理调质处理,取材料系数
所以,有该轴的最小轴径为:
考虑到键槽的影响，所以dmin取值为17MM,具体结构如下：
3.6 轴的受力分析及计算
轴的受力模型简化(见图7)及受力计算
图 轴的受力分析知：
3.7 轴承的寿命校核
鉴于调整间隙的方便,轴承均采用正装.预设轴承寿命为3年即12480h.
校核步骤及计算结果见下表:
表1 轴承寿命校核步骤及计算结果
计算步骤及内容
计算结果
6014
A端
B端
由手册查出Cr、C0r及e、Y值
Cr=98.5kN
C0r=86.0kN
e=0.68
计算比值Fa/Fr
FaA /FrA e
确定X、Y值
XA=1 YA =0
查载荷系数fP
1.2
计算当量载荷
P=Fp(XFr+YFa)
PA=5796.24 PB=6759.14
计算轴承寿命
763399h
大于
12480h
由计算结果可见轴承6014AC、6007均合格，最终选用轴承6014。
四、轴的强度校核
经分析知C、D两处为可能的危险截面，
现来校核这两处的强度：
（1）、合成弯矩
（2）、扭矩T图
（3）、当量弯矩
（4）、校核
由手册查材料45的强度参数
C截面当量弯曲应力：
由计算结果可见C截面安全。
各轴键、键槽的选择及其校核
因减速器中的键联结均为静联结,因此只需进行挤压应力的校核.
一、 电机键的选择及校核:
带轮处键:按照带轮处的轴径及轴长选 键B8X7,键长50,GB/T1096
联结处的材料分别为: 45钢(键) 、40Cr(轴)
(1) 刚轮处键: 按照轮毂处的轴径及轴长选 键B14X9GB/T1096
联结处的材料分别为: 20Cr (轮毂) 、45钢(键) 、20Cr(轴)
此时, 键联结合格.
(2)输出轴处键: 按照联轴器处的轴径及轴长选 键16X10,键长100,GB/T1096
联结处的材料分别为: 45钢 (联轴器) 、45钢(键) 、45(轴)
其中键的强度最低,因此按其许用应力进行校核,查手册其
该键联结合格.
3.8 小臂平衡装置设计
弹簧平衡和质量平衡是比较常用的平衡方法，可控力平衡由于配备附加装置，在此不采用。总体方案的论证中，为了减轻喷漆机器人的整体质量，避免影响所选电机的正常工作，延缓喷漆机器人的工作速度，所以选择弹簧进行平衡，如图3.8所示，对整体小臂作受力平衡分析。
图3.8 小臂受力示意图
图中：
—弹簧拉力（N）；
—小臂重力（N）；
—手腕与负载重力（N）。
根据力矩平衡原理，经过计算可以得出，N,N。考虑超载问题，后面计算采用F=600N来计算。
弹簧在工作中的拉力会随小臂位置形态的改变而变化。考虑到小臂体中的传动零件和小臂末端的偏置手腕会对平衡提出较高的要求。所以设计两处弹簧互拉平衡，分散小臂平衡所需总的弹簧拉力，如图3.9所示，达到更好的平衡效果。
弹簧设计计算
圆柱螺旋弹簧受压或受拉时，弹簧丝的受力情况是完全一样的。现就下图<圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析>所示的圆形截面弹簧丝的压缩弹簧承受轴向载荷P的情况进行分析。
由图<圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析a>(图中弹簧下部断去，末示出)可知，由于弹簧丝具有升角α，故在通过弹簧轴线 的截面上，弹簧丝的截面A-A呈椭圆形，该截面上作用着力F及扭矩。因而在弹簧 丝的法向截面B-B上则作用有横向力Fcosα、轴向力Fsinα、弯矩M=Tsinα及扭矩Tˊ= Tcosα。 由于弹簧的螺旋升角一般取为α=5°～9°，故sinα≈0；cosα≈1(下图<圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析b>)，则截面B-B上的应力(下图<圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析c>)可近似地取为
式中C=D2/d 称为旋绕比(或弹簧指数)。为了使弹簧本身较为稳定，不致颤动和过软，C值不能太大；但为避免卷绕时弹簧丝受到强烈弯曲，C值又不应太小。C值的范围为4～16(表<常用旋绕比C值>), 常用值为5～8。
圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析
常用旋绕比C值
d(mm)
0.2～0.4
0.45～1
1.1～2.2
2.5～6
7～16
18～42
C=D2/d
7～14
5～12
5～10
4～9
4～8
4～6
为了简化计算，通常在上式中取1+2C≈2C(因为当C=4～16时，2C>>l，实质上即为略去了 τp)，由于弹簧丝升角和曲率的影响，弹簧丝截面中的应力分布将如图<圆柱螺旋压缩弹簧的受力及应力分析>c中的粗实线所示。由图可知，最大应力产生在弹簧丝截面内侧的m点。实践证明，弹簧的破坏也大多由这点开始。为了考虑弹簧丝的升角和曲率对弹簧丝中应力的影响，现引进一个补偿系数K(或称曲度系数)，则弹簧丝内侧的最大应力及强度条件可表示为
式中补偿系数K，对于圆截面弹簧丝可按下式计算：
圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧受载后的轴向变形量λ可根据材料力学关于圆柱螺旋弹簧变形量的公式求得:
式中：n—弹簧的有效圈数；
G—弹簧材料的切变模量，见前一节表<弹簧常用材料及其许用应力>。如以Pmax代替P则
最大轴向变形量为：
1) 对于压缩弹簧和无预应力的拉伸弹簧：
2）对于有预应力的拉伸弹簧：
拉伸弹簧的初拉力(或初应力)取决于材料、弹簧丝直径、弹簧旋绕比和加工方法。
用不需淬火的弹簧钢丝制成的拉伸弹簧，均有一定的初拉力。如不需要初拉力时，各圈间应 有间隙。经淬火的弹簧，没有初拉力。当选取初拉力时，推荐初应力τ0'值在下图的阴影区内选取。
初拉力按下式计算：
使弹簧产生单位变形所需的载荷kp称为弹簧刚度，即
弹簧初应力的选择范围
弹簧刚度是表征弹簧性能的主要参数之一。它表示使弹簧产生单位变形时所需的力，刚度愈大，需要的力愈大，则弹簧的弹力就愈大。但影响弹簧刚度的因素很多，由于kp与C的三次方成反比，即C值对kp的影响很大。所以，合理地选择C值就能控制弹簧的弹力。 另外，kp还和G、d、n有关。在调整弹簧刚度时，应综合考虑这些因素的影响。
（四) 承受静载荷的圆柱螺旋压缩(拉伸)弹簧的设计
弹簧的静载荷是指载荷不随时间变化，或虽有变化但变化平稳，且总的重复次数不超过次的交变载荷或脉动载荷而言。在这些情况下，弹簧是按静载强度来设计的。
在设计时，通常是根据弹簧的最大载荷、最大变形、以及结构要求(例如安装空间对弹簧尺寸的限制)等来决定弹簧丝直径、弹簧中径、工作圈数、弹簧的螺旋升角和长度等。
具体设计方法和步骤如下:
1) 根据工作情况及具体条件选定材料，并查取其机械性能数据。
2) 选择旋绕比C，通常可取C≈5～8(极限状态时不小于4或超过16)，并算出补偿系数 K值。
3) 根据安装空间初设弹簧中径D2，乃根据C值估取弹簧丝直径d，并查取弹簧丝的许用应力。
4) 试算弹簧丝直径d '
必须注意，钢丝的许用应力决定于其σB，而σB是随着钢丝的直径变化的,又因[τ]是按估取的d值查得σB的H计算得来的，所以此时试算所得的d '值，必须与原来估取的d值相比较，如果两者相等或很接近，即可按标准圆整为邻近的标准弹簧钢丝直径d，并按D2=Cd 以求出 ；如果两者相差较大，则应参考计算结果重估d值，再查其而计算[τ]，代入上式进行试算，直至满意后才能计算D2.计算出的D2，值也要按表<普通圆柱螺旋弹簧尺寸系列>进行圆整。
5) 根据变形条件求出弹簧工作圈数：
对于有预应力的拉伸弹簧
对于压缩弹簧或无预应力的拉伸弹簧
6) 求出弹簧的尺寸D、D1、H0,并检查其是否符合安装要求等。如不符合，则应改选有关参数(例如C值)重新设计。
7) 验算稳定性。对于压缩弹簧，如其长度较大时，则受力后容易失去稳定性(如下图a)，这在工作中是不允许的。为了便于制造及避免失稳现象，建议一般压缩弹簧的长细比b=H0/D2按下列情况选取：
当两端固定时，取b<5.3；
当一端固定，另一端自由转动时，取b<3.7；
当两端自由转动时，取b<2.6。
压缩弹簧失稳及对策
当b大于上述数值时，要进行稳定性验算，并应满足
Fc=CukpH0>Fmax
式中：Fc——稳定时的临界载荷；
Cu——不稳定系数，从下图<不稳定系数线图>中查得；
Fmax——弹簧的最大工作载荷。
如 Fmax>Fc时，要重新选取参数，改变b值，提高Fc值，使其大于Fmax值，以保证弹簧的稳定性。如条件受到限制而不能改变参数时，则应加装导杆(如上图b)或导套(如上图c)。导杆(导套)与弹簧间的间隙c值(直径差)按下表(导杆（导套）与弹簧间的间隙表)的规定选取。
不稳定系数线图
导杆（导套）与弹簧间的间隙
中径D2/(mm)
≤5
>5～10
>10～18
>18～30
>30～50
>50～80
>80～120
>120～150
间隙c/(mm)
0.6
1
2
3
4
5
6
7
8) 进行弹簧的结构设计。如对拉伸弹簧确定其钩环类型等，并按表<普通圆柱螺旋压缩及拉伸弹簧的结构尺寸（mm）计算公式>计算出全部有关尺寸。
具体设计方法和步骤
1) 工作时，假设弹簧所受最大工作载荷为600N，工作环境有腐蚀性，故选择材料为1Cr18Ni9，类弹簧，许用切应力，许用弯曲应力， 弹性模量 ，切变模量 ，此种材料耐腐蚀，耐高温，有良好的工艺性，适用于小弹簧。
2) 选择旋绕比 ，暂取 ，
则根据公式
计算出曲度系数
3）根据安装空间，初定弹簧中径，
则根据公式
计算出
4）计算弹簧丝直径
取
5）对于压缩弹簧，工作圈数根据公式 计算
实际工作中正常情况下 ，为保证检测时钻杆过度偏向一边时的仪器的安全，这里取
弹簧内径
弹簧外径
弹簧节距
弹簧自由长度
因在实际安装中，允许的空间满足不了所设计的弹簧自由高度值，也即过大，不符合实际应用要求，需重新设计。
重新设计如下:
重选
则 曲度系数：
弹簧丝直径： 取
弹簧中径：
弹簧内径：
弹簧外径：
弹簧节距：
弹簧工作圈数： 取
弹簧自由长度： 取
7）验算稳定性：细长比 符合两端固定弹簧的选择标准，故不需要进行稳定性验算。
8）疲劳强度和静应力强度的验算
疲劳强度验算公式
已知：
由 可得
对于变应力作用下的普通圆柱螺旋压缩弹簧，疲劳强度安全系数值按公式 计算，
式中：
--弹簧疲劳强度的设计安全系数，当弹簧的设计计算和材料的力学性能数据精确性高时，取；
--弹簧材料的脉动循环剪切疲劳极限，按变载荷作用次数N，由下表查取；
表3-1 弹簧参数表
变载荷作用次数N
取
故设计合理。
上面设计的弹簧仅能检测5寸钻杆的现场使用情况，对于5寸以下的钻杆却无能为力。为了解决这个问题，我们可以调整设计，争取实现多种钻杆尺寸的现场检测。这里主要是改变浮动弹簧的工作变形量，依据上面的设计原则，重新设计如下：
1）选材：
1Cr18Ni9
2）旋绕比：取， 则
3）弹簧中径：
4）弹簧丝直径： 取
5）对于压缩弹簧工作圈数根据公式 计算，其中
在实际工作中正常情况下
这里取
则 取
6）计算弹簧内径，外径，节距，自由长度：
弹簧内径
弹簧外径
弹簧节距
弹簧自由长度 取
7）验算稳定性：细长比 符合两端固定弹簧的选择标准，故不需要进行稳定性验算。
8）疲劳强度和静应力强度的验算
疲劳强度验算公式
由 可得
对于变应力作用下的普通圆柱螺旋压缩弹簧，疲劳强度安全系数值
按公式 演算
即 故弹簧设计合理。
大弹簧的有关参数如下表：
表3-2 弹簧参数表
参数名称及代号
计算公式
结果
中径
30mm
内径
25mm
外径
35mm
旋绕比
6
长细比
3.67
自由长度
110mm
工作长度
30.15mm
有效圈数
11.5圈
总圈数
13.5圈
节距
9mm
轴向间距
4mm
展开长度
1277.5mm
螺旋角
5.458°
质量
0.203Kg
总 结
我国机器人的研究和应用起步较晚，但是随着国内外机器人的快速发展、社会需求的增大和技术的进步，垂直多关节机器人得到了迅速的发展，多品种、少批量生产方式和为提高产品质量及生产效率的生产工艺需求，是推动装垂直多关节机器人发展的直接动力。机器人在轻型、较简单且要求机器人价格较低的喷涂作业中大显了身手。本课题正是在这种背景下提出来的，这是一项具有重要意义的课题。
参考文献
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[12] 庞启淮.小功率电动机应用技术手册[M].机械工业出版社.
[13] 马香峰.工业机器人的操作机设计[M].冶金工业出版社.
致 谢
毕业设计是将大学所学的知识融合在一起，综合运用所有的相关专业知识，是课本知识在实际中的应用。通过这次毕业设计，使我的专业知识在原有的基础上得到更加的巩固和提高，这离不开老师和同学们的帮助。本设计分析是在老师的指导下完成的，在分析的过程中，尹长城老师给了我很大的鼓励，在设计分析中引导我去思考了更多的设计思路，增强了我的学习能力，与我们一起讨论问题，使我对分析有了更清晰明确的认识，使我受益非浅。
毕业设计是我们专业知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会、从事职业工作前一个必不可少的过程。“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古言的真正含义。我今天认真地进行课程设计，学会脚踏实地地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。
说实话，毕业设计真是有点累。然而一着手清理自己的设计结果，仔细回味毕业设计的心路历程，一种少有的成功喜悦即刻使我倦意顿消。虽然这是我刚学会走完的第一部，是我人生中的一点小小的胜利，然而它令我感到自己成熟了许多。
通过毕业设计，使我深深体会到，干任何事都必须耐心、细致。课程设计过程中，许多计算有时不免令我感到有些心烦意乱；有时应为不小心计算出错，只能毫不留情地重做。但一想起老师平时多耐心的教导，想到今后自己应当承担的社会责任，想到世界上因为某些细小失误而出现的令世人无比震惊的事故，我不禁时刻提醒自己，一定要养成一种高度负责、一丝不苟的良好习惯。
由于毕业时间的仓促，很多本来应该弄懂弄透的地方都没有时间去细细追究来源，比如网格划分的控制、坐标系的理解、求解器的选择等，这使我明白了大学里学的只是一个大体上的方向，离实际应用还有太远的距离。但我相信方向才是最重要的，因为方向确定了，就会用最少的精力做好事情，这对于我以后的工作至关重要。因为在实际生产生活中，要从事的工种是千差万别的，只有从中找到自己最拿手，最有发展前途的岗位，个人才有更多的热情，也最可能在自己的岗位做出一些贡献。
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