焊接機械手結構設計【焊接機器人】【4自由度】,焊接機器人,4自由度,焊接機械手結構設計【焊接機器人】【4自由度】,焊接,機械手,結構設計,機器人,自由度 湖 南 科 技 大 學 畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書 機 電 工 程 學院 機 械 設 計 制 造 及 其 自 動 化 系 系主任: （簽名） 2015 年 3 月 8 日 學生姓名: 學號: 專業(yè): 機械設計制造及其自動化 1 設計（論文）題目及專題： 焊接機械手結構設計 2 學生正式設計時間：自 2015 年 3 月 8 日開始至 2014 年 5 月 20 日止 3 設計（論文）所用資源和參考資料： 1）圖書館查閱有關焊接機械手結構方面的書籍及科技期刊； 2）參閱焊接機械手的設計手冊、典型焊接機械手圖冊及在網上查閱與課題有關最新資料； 3）到焊接機械手使用現(xiàn)場和焊接機械手設計生產單位參觀并收集有關圖片及圖紙資料。 4 設計（論文）應完成的主要內容： 1)本焊接機械手的簡介和發(fā)展概況，及其基本的工作原理； 2)本焊接機械手的結構分析，手臂、軸承、諧波齒輪減速器等結構方案選擇設計說明； 3)本焊接機械手傳動方案設計和傳動參數的設計計算說明； 4)本焊接機械手結構的設計與校核及其重要結構參數的設計計算說明； 5 提交設計（論文）形式（設計說明與圖紙或論文等）及要求： 1)本機械手總裝配圖、零部件圖等共折合A0不少于2.5張； 2)設計計算說明書一份（小四號字打印不少于40頁，文中可插自畫圖和表格，規(guī)范見校文件）； 3)刻碟一張（內容為本設計的電腦設計圖和設計計算說明書）； 6 發(fā)題時間： 2015 年 03 月 08 日 指導教師： （簽名） 學 生： （簽名） 湖南科技大學 2014 屆畢業(yè)設計（論文）開題報告 題 目 焊接機械手結構設計 作者姓名 學號 所學專業(yè) 機械設計制造及其自動化 1、 研究的意義，同類研究工作國內外現(xiàn)狀、存在問題（列出主要參考文獻） 背景和研究意義: 隨著工業(yè)自動化發(fā)展的需要，焊接機械手在工業(yè)應用中越來越重要。焊接機械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，提高勞動生產率和自動化水平，解決了工業(yè)生產中長期頻繁單調的操作。也提高了產品的生產速度，所以機械手的使用是非常高效的，因此需要設計出讓人跟滿意的焊接機械手。 焊接機械手的結構設計與一般的機械結構設計相比，既具有類似性，又有其獨特性。從機構學的角度來看，機械手的機械結構可看作是一系列連桿通過旋轉關節(jié)、移動關節(jié)連接起來的開式運動鏈。 與一般機構相比，機械手的開鏈結構型式具有靈巧性和空間可達性等，但由于開鏈式結構實際上是一系列懸臂桿件串聯(lián)而成的，機械誤差和彈性變形的累計，影響機械手的剛度和精度。因此，機械手的結構設計既要滿足強度要求，又要考慮剛度和精度。另一方面，機械手的機械結構，特別是關節(jié)傳動系統(tǒng)，是整個伺服系統(tǒng)中的一個組成部分，無論是結構的緊湊性、靈巧性，還是在運動時的穩(wěn)定性、快速性等伺服性能，都比一般機構有更高的要求。 焊接機械手雖然有多種結構形式，但大體上都可以分為3大組成部分，即本體、點焊焊接系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。目前應用較廣的點焊機器人，其本體形式為直角坐標簡易型及全關節(jié)型。前者可具有1～3個自由度，焊件及焊點位置受到限制；后者具有5～6個自由度，能在可到達的工作區(qū)間內任意調整焊鉗姿態(tài)，以適應多種形式結構的焊接。 對焊接機械手的結構設計進行研究，目的是尋找在不同要求下最優(yōu)的機械結構，以最大效益的滿足生產需要。 國內外現(xiàn)狀、存在問題： 工業(yè)焊接機械手的發(fā)展過程可分為三代，第—代，為示教再現(xiàn)型，它主要由機器手控制器和示教盒組成，可按預先引導動作記錄下信息重復再現(xiàn)執(zhí)行，當前工業(yè)中應用最多。第二代為感覺型，如有力覺觸覺和視覺等，它具有對某些外界信息進行反饋調整的能力，目前已進入應用階段。第三代為智能型它具有感知和理解外部環(huán)境的能力，在工作環(huán)境改變的情況下，也能夠成功地完成任務，它尚處于實驗研究階段。 1、國外工業(yè)機器人的的發(fā)展 　　美國是機器人機械手的誕生地，早在1961年，美國的ConsolidedControlCorp和AMF公司聯(lián)合研制了第一臺實用的示教再現(xiàn)機器人。經過40多年的發(fā)展，美國的機器人機械手技術在國際上仍一直處于領先地位。其技術全面、先進，適應性也很強。 　　日本在1967年從美國引進第一臺機器人，1976年以后，隨著微電子的快速發(fā)展和市場需求急劇增加，日本當時勞動力顯著不足，工業(yè)機器人在企業(yè)里受到歡迎，使其日本工業(yè)機器人得到快速發(fā)展，現(xiàn)在無論機器人的數量還是機器人的密度都位居世界第一。德國引進機器人的時間比英國和瑞典大約晚了五六年，但戰(zhàn)爭所導致的勞動力短缺，國民的技術水平較高等社會環(huán)境，卻為工業(yè)機器人的發(fā)展、應用提供了有利條件。目前，德國工業(yè)機器人的總數占世界第二位，僅次于日本。 　　2、國內工業(yè)機器人的發(fā)展 　　我國工業(yè)機器人起步于20世紀70年代初期，我國于1972年開始研制自己的工業(yè)機器人。進入20世紀80年代后，隨著改革開放的不斷深入，在高技術浪潮的沖擊下，我國機器人技術的開發(fā)與研究得到了政府的重視與支持，“七五”期間，國家投入資金，對工定機器人及零部件進行攻關，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機器人成套技術的開發(fā)，研制出了噴漆，點焊，弧焊和搬運機器人。，國家高技術研究發(fā)展計劃開始實施，經過幾年研究，取得了一大批科研成果。成功地研制出了一批特種機器人。 　　從2O世紀9O年代初期起，我國的國民經濟進入實現(xiàn)兩個根本轉變期，掀起了新一輪的經濟體制改革和技術進步熱潮，我國的工業(yè)機器人又在實踐中邁進了一大步，先后研制了點焊，弧焊，裝配，噴漆，切割，搬運，碼垛等各種用途的工業(yè)機器人，并實施了一批機器人應用工程，形成了一批工業(yè)機器人產業(yè)化基地，為我國機器人產業(yè)的騰飛奠定了基礎。但是與發(fā)達國家相比，我國工業(yè)機器人還有很大差距。 2、 研究目標、內容和擬解決的關鍵問題（根據任務要求進一步具體化） 研究目標：完成焊接機械手的結構設計。 研究內容： 本設計研究焊接機械手，以完成汽車的車身、底盤等重要部位的焊接工作。 進行機械手的原理方案設計，比較并提出系統(tǒng)的總體方案。 根據技術要求進行系統(tǒng)的結構設計： 1.加強度現(xiàn)實生產中工業(yè)焊接機械手的理解 2.設計前對機械手主要的知識認知 3.對焊接機械手的各主要組成部分的分析，設計方案的確定 4.確定機械手的主要結構 5.對各主要結構進行計算分析 6.確定機械手各部件的可靠性 7.繪制主要結構零件圖 8.繪制裝配圖 擬解決的關鍵問題 1.選取機械手的坐標形式及自由度； 2設計各機械手的執(zhí)行機構：如點焊部分、手腕、手臂； 3.傳動系統(tǒng)的設計； 3、 特色與創(chuàng)新之處 通過本次對焊接機械手的結構設計，可以縮短提升機設計周期，提高產品的設計質量和使用壽命，提高企業(yè)的技術創(chuàng)新能力和市場競爭能力。 4、 擬采取的研究方法、步驟、技術路線 先把本設計模塊化處理，它包含選型（坐標型式），腰部回轉，手臂俯仰，直線位移，焊槍與手臂結合5部分。細化每部分的設計思路如下表： 1 2 3 4 坐標型式 直角坐標式 圓柱坐標式 球坐標式 關節(jié)式 腰部回轉 齒輪傳動 蝸輪蝸桿 帶傳動 手臂俯仰 齒輪傳動 蝸輪蝸桿 帶傳動 直線位移 齒條傳動 液壓傳動 氣壓傳動 滾珠絲杠副 焊槍手臂結合 夾持式 吸附式 如圖可得：可能采用的方案共：4x3x3x4x2=288種 本設計研究汽車車身焊接的機械手，以完成汽車的車身、底盤等重要部位的焊接工作。 方案一：直角坐標式機械手，蝸輪蝸桿傳動，直線位移液壓傳動，焊槍手臂結合吸附式。 方案二：關節(jié)式機械手，齒輪傳動，直線位移滾珠絲杠副。焊槍手臂夾持式。 方案三：直角坐標式機械手，齒輪傳動，直線位移齒條傳動，焊槍手臂結合夾持式。 方案四：球坐標式機械手，齒輪傳動，直線位移氣壓傳動，焊槍手臂結合吸附式。 本設計中要求腰部回轉和手臂俯仰，加工范圍較大；盡可能減少機體空間更優(yōu)；并要求進行電焊，因此對位置精度要求較高；焊槍要長時間工作。 因此選用方案二為最優(yōu)方案。 5、 擬使用的主要設計、分析軟件及儀器設備 設計軟件：AutoCAD、Pro/E。 6、 參考文獻 [1]李雷陣，胡小建，王求.《全國機械裝備先進制造技術{廣州)高峰論壇》.文集：機械工業(yè)出版社，2005 [2]李坤，楊家軍.《5自由度焊接機械手的運動學研究》：機器人技術，機械工程師2007 年第4期 [3]張建民.《機電一體化系統(tǒng)設計》第三版.高等教育出版社 [4]尹志強.《系統(tǒng)設計課程設計指導書》.機械工業(yè)出版社 [5]張利萍.液壓傳動系統(tǒng)及設計[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005:1-402. 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[15]CraigJJ.IntroductiontoRoborics[J].NewYork:AddisonWeskyPublishingCo.,1989 注： 1、開題報告是本科生畢業(yè)設計（論文）的一個重要組成部分。學生應根據畢業(yè)設計（論文）任務書的要求和文獻調研結果，在開始撰寫論文之前寫出開題報告。 2、參考文獻按下列格式（A為期刊，B為專著） A：[序號]、作者（外文姓前名后，名縮寫，不加縮寫點，3人以上作者只寫前3人，后用“等”代替。）、題名、期刊名（外文可縮寫，不加縮寫點）年份、卷號（期號）：起止頁碼。 B：[序號]、作者、書名、版次、（初版不寫）、出版地、出版單位、出版時間、頁碼。 3、表中各項可加附頁。 4 封面樣式 湖 南 科 技 大 學 開題報告 學 生 姓 名： 學 院： 機電工程學院 專業(yè)及班級： 機械設計制造及其自動化五班 學 號： 指導教師： 2015 年 4 月 10 日 摘 要 本設計為焊接機械手的結構設計，主要研究內容：腰部回轉機構的設計；大、小臂和腕部回轉的結構設計。 本設計由整體布局入手，參考現(xiàn)有關節(jié)型機械臂的相關設計，初步確定腰部的轉動慣量，從而確定電機的選型，安裝等相關設計。在機械臂的靈活和精度的前提下完成總體結構的設計，然后根據總體結構，從而確定本設計的機械臂各個主要零部件的設計。 在主要零部件的設計中，主要包括腰部殼體的設計、軸的結構設計、軸承的選擇、電機的設計計算、大小臂的結構和固定等。 本設計整體在現(xiàn)有關節(jié)型機械臂的結構上做了修改，使得它能夠更好的滿足本設計的設計要求。本設計結構簡單、重量輕、外形尺寸小、設備費用低、運轉安全、操作方便、便于維修和管理。 關鍵詞：機械手；諧波減速器；結構設計 ABSTRACT The design for the design of welding structure of the manipulator, the main research contents: the design of the waist turning mechanism； structure design of large, small arm and wrist rotation. This design by the overall layout with reference to the relevant design, the existing joint type manipulator, preliminary determine the moment of inertia of the waist, so as to determine the motor selection, installation and other related design. Complete the design of the overall structure of the flexible manipulator based on precision and the next, and then based on the overall structure, design of mechanical arm to determine the design of all the major components of the. The design of the main components, including the housing design, structural design of shaft, bearing selection, design and calculation of the size of motor, arm structure and fixed. The design of the whole made changes in the existing joint type manipulator structure, so that it can better meet the design requirement of this design. The design has simple structure, light weight, small size, low cost of equipment, operation safety, convenient operation, easy to repair and management. KeyWords：robot arm；harmonic drive；structure design 湖 南 科 技 大 學 畢 業(yè) 設 計（ 論 文 ） 題目 焊接機械手結構設計 作者 學院 機電工程學院 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 學號 指導教師 二〇一五 年 五 月 二十八 日 湖 南 科 技 大 學 畢業(yè)設計（論文）指導人評語 [主要對學生畢業(yè)設計（論文）的工作態(tài)度，研究內容與方法，工作量，文獻應用，創(chuàng)新性，實用性，科學性，文本（圖紙）規(guī)范程度，存在的不足等進行綜合評價] 指導人： （簽名） 年 月 日 指導人評定成績： 湖 南 科 技 大 學 畢業(yè)設計（論文）評閱人評語 [主要對學生畢業(yè)設計（論文）的文本格式、圖紙規(guī)范程度，工作量，研究內容與方法，實用性與科學性，結論和存在的不足等進行綜合評價] 評閱人： （簽名） 年 月 日 評閱人評定成績： 湖 南 科 技 大 學 畢業(yè)設計（論文）答辯記錄 日期： 學生： 學號： 班級： 題目： 提交畢業(yè)設計（論文）答辯委員會下列材料： 1 設計（論文）說明書 共 頁 2 設計（論文）圖 紙 共 頁 3 指導人、評閱人評語 共 頁 畢業(yè)設計（論文）答辯委員會評語： [主要對學生畢業(yè)設計（論文）的研究思路，設計（論文）質量，文本圖紙規(guī)范程度和對設計（論文）的介紹，回答問題情況等進行綜合評價] 答辯委員會主任： （簽名） 委員： （簽名） （簽名） （簽名） （簽名） 答辯成績： 總評成績： 目 錄 第一章 緒論 1 第二章 焊接機器人的總體方案 5 2.1總體設計的思路 5 2.2自由度和坐標系的選擇 5 2.3自由度和坐標系的選擇 6 2.4焊接機器人結構設計的基本要求 6 2.5機械手的組成 7 第三章 驅動方式的選擇 11 3.1 液壓驅動 11 3.2 氣壓驅動 11 3.3 電機驅動 12 第四章 傳動方式的選擇 13 4.1帶傳動 13 4.2鏈傳動 13 4.3齒輪傳動 14 4.4蝸桿傳動 15 第五章 焊接機器人的組成 16 5.1執(zhí)行機構 16 第六章 腕部結構的設計 18 6.1腕部結構設計的基本要求 18 6.2腕部結構及選擇 18 第七章 臂部結構的設計及計算 26 7.1臂部結構 26 7.2臂部結構的選擇及計算校核 27 第八章 機械手機座設計 29 8.1機座結構設計 29 8.2電動機的選擇 29 第九章 機械手材料選擇 31 9.1材料選擇原則 31 8.2電動機的選擇 32 第十章 焊接機器人的運動軌跡計算 34 9.1位姿矩陣 34 9.2焊接機器人位姿方程的正、逆解 38 總 結 41 致 謝 42 參考文獻 43 i 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第1章 緒論 工業(yè)機器人（英語：industrial robot。簡稱IR）是廣泛適用的能夠自主動作，且多軸聯(lián)動的機械設備。它們在必要情況下配備有傳感器，其動作步驟包括靈活的，轉動都是可編程控制的（即在工作過程中，無需任何外力的干預）。它們通常配備有機械手、刀具或其他可裝配的的加工工具，以及能夠執(zhí)行搬運操作與加工制造的任務。機器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。聯(lián)合國標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給機器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機，或是為了執(zhí)行不同的任務而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)。 工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 焊接機器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機器人。根據國際標準化組織（ISO）工業(yè)機器人術語標準的定義，工業(yè)機器人是一種多用途的、可重復編程的自動控制操作機（Manipulator），具有三個或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動化領域。為了適應不同的用途，機器人最后一個軸的機械接口，通常是一個連接法蘭，可接裝不同工具或稱末端執(zhí)行器。焊接機器人就是在工業(yè)機器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進行焊接，切割或熱噴涂。焊接機器人主要包括機器人和焊接設備兩部分。 點焊機器人（spot welding robot）用于點焊自動作業(yè)的工業(yè)機器人。世界上第一臺點焊機于1965年開始使用，是美國Unimation公司推出的Unimate機器人，中國在1987年自行研制成第一臺點焊機器人──華宇-Ⅰ型點焊機器人。點焊機器人由機器人本體、計算機控制系統(tǒng)、示教盒和點焊焊接系統(tǒng)幾部分組成，由于為了適應靈活動作的工作要求，通常電焊機器人選用關節(jié)式工業(yè)機器人的基本設計，一般具有六個自由度：腰轉、大臂轉、小臂轉、腕轉、腕擺及腕捻。其驅動方式有液壓驅動和電氣驅動兩種。其中電氣驅動具有保養(yǎng)維修簡便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等優(yōu)點，因此應用較為廣泛。 從機器人誕生到本世紀80年代初，機器人技術經歷了一個長期緩慢的發(fā)展過程。到了90年代，隨著計算機技術、微電子技術、網絡技術等的快速發(fā)展，機器人技術也得到了飛速發(fā)展。工業(yè)機器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不斷提高，而機器人的制造成本和價格卻不斷下降。在西方社會，和機器人價格相反的是，人的勞動力成本有不斷增長的趨勢。在西方國家，由于勞動力成本的提高為企業(yè)帶來了不小的壓力，而機器人價格指數的降低又恰巧為其進一步推廣應用帶來了契機。減少員工與增加機器人的設備投資，在兩者費用達到某一平衡點的時候，采用機器人的利顯然要比采用人工所帶來的利大，它一方面可大大提高生產設備的自動化水平，從而提高勞動生產率，同時又可提升企業(yè)的產品質量，提高企業(yè)的整體競爭力。雖然機器人一次性投資比較大，但它的日常維護和消耗相對于它的產出遠比完成同樣任務所消耗的人工費用小。因此，從長遠看，產品的生產成本還會大大降低。而機器人價格的降低使一些中小企業(yè)投資購買機器人變得輕而易舉。因此，工業(yè)機器人的應用在各行各業(yè)得到飛速發(fā)展。 據不完全統(tǒng)計，全世界在役的工業(yè)機器人中大約有將近一半的工業(yè)機器人用于各種形式的焊接加工領域。 焊接機器人具有焊接質量穩(wěn)定、改善工人勞動條件、提高勞動生產率等特點，廣泛應用于汽車、工程機械、通用機械、金屬結構和兵器工業(yè)等行業(yè)。我國自上個世紀70年代末開始進行工業(yè)機器人的研究，經過二十多年的發(fā)展，在技術和應用方面均取得了長足的發(fā)展，對國民經濟尤其是制造業(yè)的發(fā)展起到了重要的推動作用。 從目前國內外研究現(xiàn)狀來看，焊接機器人技術的研究十分活躍，焊接機器人技術研究主要集中在焊縫跟蹤技術、離線編程與路徑規(guī)劃技術、多機器人協(xié)調控制技術、專用弧焊電源技術、焊接機器人系統(tǒng)仿真技術、機器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術等七個方面。 應用點焊機器人，有如下優(yōu)點：a.容易實現(xiàn)生產過程的完全自動化；b.對生產設備的適應能力將大大加強；c.可以提高產品的生產效率及質量；d.可以明顯改善工作條件。 我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，目前已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產品；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距；應用規(guī)模小，沒有形成機器人產業(yè)。 工業(yè)機器人在焊接領域的應用最早是從汽車裝配生產線上的電阻點焊開始的。原因在于電阻點焊的過程相對比較簡單，控制方便，且不需要焊縫軌跡跟蹤，對機器人的精度和重復精度的控制要求比較低。國際工業(yè)機器人企業(yè)憑借與各大汽車企業(yè)的長期合作關系，向各大型汽車生產企業(yè)提供各類點焊機器人單元產品并以焊接機器人與整車生產線配套形式進入中國，在該領域占據市場主導地位。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，焊接生產線要求焊鉗一體化，重量越來越大，165公斤點焊機器人是目前汽車焊接中最常用的一種機器人。2008年9月，機器人研究所研制完成國內首臺165公斤級點焊機器人，并成功應用于奇瑞汽車焊接車間。2009年9月，經過優(yōu)化和性能提升的第二臺機器人完成并順利通過驗收，該機器人整體技術指標已經達到國外同類機器人水平。 經過50年的艱苦努力，中國焊接生產機械化自動化技術發(fā)展應用，取得了很大的成就，焊接生產過程機械化與自動化程度已達到20%。在以焊接技術為主導制造工藝技術的大中型骨干企業(yè)，焊接生產過程綜合機械化與自動化程度已達到40%～45%。在機床、鍋爐、汽車、化工機械、工程機械和重型機械等國家重點骨干企業(yè)，通過引進國外先進技術及相應配套的自動化焊機、成套焊接設備、焊接生產線和柔性制造系統(tǒng)，使焊接生產機械化與自動化技術達到了國際90年代初的先進水平，進入世界先進之列。 工業(yè)機器人發(fā)展趨勢：目前國際機變機界都在加大科研力度，進變機變機共性技術的研究。從機變機技術發(fā)展趨勢看，焊安機變機和其它工畢機變機一樣，不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展。夾體而言，表現(xiàn)在如定幾個方面：  機變機操動機結構：與過有限元積析、電態(tài)積析及仿真畢畢等現(xiàn)代畢畢方法的變用，實現(xiàn)機變機操動機構的優(yōu)化畢畢。探索新的高強度輕質材料，進一步提高總載/自重比。  機變機機機系統(tǒng)：重打研究開放式，電電化機機系統(tǒng)。向基于PC機的開放型機機變方向發(fā)展，便于標準化、網絡化；變件集成度提高，機機機日見小巧，且采用電電化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操動性和可維修性；機機系統(tǒng)的性能進一步提高，實現(xiàn)軟件伺服和安數字機機；機機界面更加友好。 機變機傳感技術：機變機中的傳感變動用日益重要，除采用傳統(tǒng)的變置、高度、加高度等傳感變機，裝配、焊安機變機還應用了激光傳感變、視覺傳感變和力傳感變，并實現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產機變物體的自動定變以及精密裝配動畢等，大大提高了機變機的動畢性能和對環(huán)境的適應性。  網絡與光功能：日本YASKAWA和德國KUKA公司的最新機變機機機變已實現(xiàn)了與Canbus、Profibus總機及一些網絡的聯(lián)安，使機變機由過去的獨立應用向網絡化應用邁進了一大步，也使機變機由過去的專用畢備向標準化畢備發(fā)展。  虛擬機變機技術：虛擬現(xiàn)實技術在機變機中的動用已從仿真、預演發(fā)展大用于過正機機，如使遙機機變機操動者產生置身于遠安動畢環(huán)境中的感覺來操縱機變機?；诙鄠鞲凶?、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術，實現(xiàn)機變機的虛擬遙機操動和機機三互。  機變機性能價格比：機變機性能不斷提高(高高度、高精度、高可靠性、便于操動和維修，而單機價格不斷定定。由于微畢子技術的快高發(fā)展和大規(guī)電集成畢畢的應用，使機變機系統(tǒng)的可靠性有了很大提高  多智能體調機技術：這是目前機變機研究的一個嶄新領域。主要對多智能體的群體體系結構、三互長的與光與磋商機理，感知與三三方法，建電和規(guī)劃、群體變?yōu)闄C機等方面進變研究。 本文首先確定了機械手的總體布局，然后提出了各個部分的具體設計方案，根據方案，主要的設計和研究內容有： a. 腰部回轉機構的結構設計； b. 大臂擺動機構的結構設計； c. 小臂擺動機構的結構設計； d. 腕部擺動機構的結構設計。 第二章 焊接機器人的總體方案 該設計的目的是為了設計一臺焊接機器人，本章主要對焊接機器人的機械結構部分進行設計和分析。 2.1 機械手總體結構的類型 工業(yè)機器人的結構形式主要有直角坐標結構，圓柱坐標結構，球坐標結構，關節(jié)型結構四種。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下: a. 直角坐標機器人結構 直角坐標機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的。為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標機器人的結構尺寸要比其他類型的機器人的結構尺寸大得多。 直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標機器人有懸臂式、龍門式、天車式三種結構。 b. 圓柱坐標機器人結構 圓柱坐標機器人的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的。這種機器人構造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。 c. 球坐標機器人結構 球坐標機器人的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現(xiàn)的。這種機器人結構簡單、成本較低，但精度不很高。主要應用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。 d. 關節(jié)型機器人結構 關節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉運動實現(xiàn)的。關節(jié)型機器人動作靈活，結構緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機器人。 2.2總體設計的思路 設計機器人大體上可分為兩個階段： (1) 系統(tǒng)分析階段 ①根據系統(tǒng)的目標，明確所采用機器人的目的和任務； ②分析機器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境； ③根據機器人的工作要求，確定機器人的基本功能和方案。如機器人的自由度、信息的存儲量、計算機功能、動作精度的要求、容許的運動范圍、以及對溫度、震動等環(huán)境的適應性。 (2) 技術設計階段 ①根據系統(tǒng)的要求確定機器人的自由度和允許的空間工作范圍，選擇機器人的坐標形式； ②擬訂機器人的運動路線和空間作業(yè)圖； ③確定驅動系統(tǒng)的類型； ④選擇各部件的具體結構，進行機器人總裝圖的設計； ⑤繪制機器人的零件圖，并確定尺寸。 2.3自由度和坐標系的選擇 機器人的運動自由度是指各運動部件在三維空間相當于固定坐標系所具有的獨立運動數，對于一個構件來說，它有幾個運動坐標就稱其有幾個自由度。各運動部件自由度的總和為機器人的自由度數。自由度一般為3-6個（不包括手部）,本次設計的焊接機器人為4自由度。 2.4焊接機器人結構設計的基本要求 機械結構設計的基本要求，包括對機器整機的設計要求和對組成零件的設計要求兩個方面，兩者相互聯(lián)系、相互影響。 (1) 對機器整機設計的要求 對機器使用功能方面的要求：實現(xiàn)預定的使用功能是機械設計的最基本要求，好的使用性能指標使設計的主要目標。另外，操作使用方便、工作安全可靠、體積小、重量輕、效率高、外形美觀、噪聲低等往往也是設計時所要求的。 對機器經濟性的要求：機器的經濟性體現(xiàn)在設計、制造和使用的全過程中，在設計機器時要全面綜合的進行考慮。設計的經濟性體現(xiàn)為合理的功能定位、實現(xiàn)使用功能要求的最簡單的技術途徑和最簡單合理的結構。 (2) 對零件設計的基本要求 機械零件是組成機器的基本單元，對機器的設計要求最終都是通過零件的設計要求來實現(xiàn)的，所以設計零件時應滿足的要求是從設計機器的要求中引申出來的，即也應從保證滿足機器的使用功能要求和經濟性要求兩個方面來考慮。 要求在預定的工作期限內正?？煽康墓ぷ?，從而保證機器的各種功能的正常實現(xiàn)。這就要求零件在預定的壽命期內不會產生各種可能的失效，即要求零件在強度、剛度、振動穩(wěn)定性、耐磨性和溫升等方面必須滿足必要的條件，這些條件就是判定零件工作能力的推測。 要盡量降低零件的生產制造成本，這要求從零件的設計和制造等多方面加以考慮。設計時應合理地選擇材料和毛坯的形式、設計簡單合理的零件結構、合理規(guī)定零件加工的公差等級以及認真考慮零件的加工工藝性和裝配工藝性等。另外要盡量采用標準化、系列化和通用化的零部件。 任何一種機器都有動力機、傳動裝置和工作機組成。動力機是機器工作的能量來源，可以直接利用自然資源或二次資源轉變?yōu)闄C械能，如水輪機、內燃機、汽輪機、電動機、液壓馬達、氣動馬達等。工作機是機器的執(zhí)行機構，用來實現(xiàn)機器的動力和運動功能，如機器人的末端執(zhí)行器就是工作機。傳動裝置則是一種實現(xiàn)能量傳遞和兼有其他作用的裝置。 本次設計的焊接機器人的結構圖如下圖所示: 圖2.1 焊接機器人結構圖 2.5 機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖2.2所示。 控制系統(tǒng) 驅動系統(tǒng) 工作對象 執(zhí)行機構 位置檢測裝置 圖2.2 機械手的組成方框圖 a. 執(zhí)行機構 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。 (1) 手部 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。夾持式手部由手指(或手爪) 和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛；平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。 手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內撐式；指數有雙指式、多指式和雙手雙指式等。 而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式，式彈簧式和重力式等。 附式手部主要由吸盤等構成，它是靠吸附力(如吸盤內形成負壓或產生電吸磁力)吸附物件，相應的吸附式手部有負壓吸盤和電磁盤兩類。 對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負壓吸盤吸料。造成負壓的方式有氣流負壓式和真空泵式。 對于導磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產生。 用負壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數量、吸附力大小，根據被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。 此外，根據特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機床上下料機械手的手部)等型式。 (2) 手腕 是連接手部和臂部的部件，并可用來調節(jié)被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變得更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉運動、上下擺動、左右擺動.一般腕部設有回轉運動在增加一個上下擺動即可滿足要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結構，可以不設腕部，而直接用臂部運動驅動手部搬運工件。目前，應用最為廣泛的手腕回轉運動機構為回轉液壓缸，它的結構緊湊，靈巧但回轉角度小，并且要求嚴格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉角的情況，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結構。 (3) 手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 手臂在進行伸縮或升降運動時，為了防止繞其軸線的轉動，都需要有導向裝置，以保證手指按正確方向運動。此外，導向裝置還能承擔手臂所受的彎曲力矩和扭轉力矩以及手臂回轉運動時在啟動、制動瞬間產生的慣性力矩，使運動部件受力狀態(tài)簡單。 導向裝置結構形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和V形槽、燕尾槽等導向型式。 (4) 立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立柱通常為固定不動的，但因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 (5) 行走機構 當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安裝滾輪、軌道等行走機構，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式行走機構可分為有軌的和無軌的兩種。驅動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。 (6) 機座 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 b. 驅動系統(tǒng) 驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置，通常由動力源、控制調節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等四種形式。 c. 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 d. 位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置。 本題目規(guī)格參數: 腰部回轉最大角度280度； 擺動最大角度120度； 工作范圍范圍0-450mm； 本機械手的主要動作是： 首先腰部回轉機械臂和焊點處于同一平面；接著大臂回轉，調整焊槍和焊點的距離；然后小臂回轉，使焊槍接觸焊點；最后腕部回轉，使焊槍和焊點垂直，達到焊接的目的。 第三章 驅動方式的選擇 目前焊接機器人常用的驅動方式有液壓驅動、氣壓驅動、電機驅動等多種方式，各種驅動方式都有其自身的特點，在工業(yè)機器人中液壓驅動和氣壓驅動應用很廣泛，有些機器人則同時采用多種驅動方式，這都視不同機器人的特點和要求所定。比較這些驅動方式的特點，從而選擇適合焊接機器人的驅動方式。 3.1 液壓驅動 液壓驅動的特點： （1）驅動力和驅動力矩較大，臂力可達100公斤； （2）速度反應性好，因為被驅動件的速度快慢取決于油液的容積變化，所以當不考慮油液的溫度變化時，被驅動系統(tǒng)的滯后也幾乎沒有，而且液壓機構的重量輕、慣性小，因此他的速度反應性較好； （3）調速范圍大，而且可以無級調速，易于適應不同的工作要求； （4）傳動平穩(wěn)，能吸收沖擊力，可以實現(xiàn)較頻繁而平穩(wěn)的換向； （5）在產生相同驅動力的條件下，液壓驅動比其他驅動方式體積小、重量輕、慣性??； （6）定位精度比氣動高，但比電機低； （7）液壓系統(tǒng)的泄漏對機構的工作穩(wěn)定性有一定的影響； （8）油液中如果混入氣體，將降低傳動機構的剛性，影響定位精度（產生爬行）； （9）油液的溫度和粘度變化影響傳動性能。 液壓驅動機器人多用于要求臂力較大而且運動速度較低的工作場合。 3.2 氣壓驅動 氣壓驅動的特點： （1）通過調節(jié)氣流，就可實現(xiàn)無級變速； （2）由于壓縮空氣粘性小，流速大，因此氣壓驅動的機器人動作速度快； （3）壓縮空氣可以從大氣中吸取，故動力源獲得方便、價格低廉，而且廢氣處理方便； （4）由于壓縮空氣粘度小，因此在管路中的壓力損失也很小，一般其阻力損失不到油液在油路中損失的千分之一，故壓縮空氣可以集中供應，遠距離輸送； （5）壓縮空氣的壓縮性較大，因此使機器人的運動平穩(wěn)性較差，定位精度較低，而且壓縮空氣排到大氣中時噪聲較大，另外還須考慮潤滑和防銹等； （5）壓縮空氣的工作壓力較低，致使機器人結構較大。 因此，氣壓驅動的機器人，常用于臂力小于30公斤、運動速度較快以及高溫、低溫、高粉塵等工作條件惡劣的場合。 3.3 電機驅動 電機驅動系統(tǒng)按電機的功能可分為直流電機驅動系統(tǒng)、交流異步電機驅動系統(tǒng)、無刷直流電機驅動系統(tǒng)、開關磁阻電機驅動系統(tǒng)和多態(tài)電機驅動系統(tǒng)等。各種電機驅動系統(tǒng)的工作原理有很大的區(qū)別，性能上也存在著較大的差異。 電機驅動的特點： （1）電機驅動的輸出力較大； （2）控制精度高，功率較大，能夠精確定位，反應靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復雜； （3）電機驅動系統(tǒng)響應速度很快； （4）伺服電動機易標準化，結構性能好，噪聲低，電動機一般需要配置減速裝置，出DD電動機外，難以直接驅動，結構緊湊，無密封問題； （5）電機驅動的設備自身無爆炸和火災危險，直流有刷電動機換向時有火花，對環(huán)境防爆性能較差； （6）對環(huán)境沒有很明顯的影響； （7）適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機器人； （8）維修和使用都較復雜。 電機驅動機器人可避免電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，效率比液壓和氣壓驅動的都高；電機系統(tǒng)將電動機、測速即、編碼器及制動器組裝在一次加工的殼體中，使得整個電機系統(tǒng)體積小，可靠性和通用性也得到很大的提高；另外，電動機根據運行距離及電機的脈沖當量算出脈沖數，將數據輸入計算機，可達到非常高的位姿準確度，這些都是電機驅動獨有的優(yōu)點。相對的，液壓與氣壓驅動系統(tǒng)組成機構繁瑣，維護不方便。 綜上所述，選擇電機驅動作為焊接機器人的驅動方式。 第四章 傳動方式的選擇 傳動裝置是一種實現(xiàn)能量傳遞和兼有其他作用的裝置，它的主要作用有：能量的分配與傳遞；運動形式的改變；運動速度的改變。傳動通常分為兩類：第一類是機械能不發(fā)生改變的傳動——機械傳動；第二類是機械能轉變?yōu)殡娔芑螂娔苻D變?yōu)闄C械能的傳動——電傳動。機械傳動又可以分為嚙合傳動、摩擦傳動和流體傳動三大類?？紤]焊接機器人的實際情況，帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動和蝸桿傳動是其可能的傳動方式，所以下面對以上四種傳動方式進行比較。 4.1帶傳動 帶傳動通常是由主動輪、從動輪和張緊在兩輪上的傳動帶所組成的。當主動輪回轉時，依靠帶與帶輪接觸面見的摩擦力拖動從動輪一起回轉，從而傳遞一定的運動和動力。 帶傳動具有的優(yōu)點： （1）有良好的饒性和彈性，有吸振和緩沖作用，因而使帶傳動平穩(wěn)、噪聲??； （2）有過載保護作用，當過載時引起帶在帶輪上發(fā)生相對滑動，可防止其他零件的損壞； （3）制造和安裝精度與齒輪傳動相比較低，機構簡單，制造、安裝、維護均較方便； （4）適合于中心距離較大的兩軸間的傳動（中心距最大可達15米）。 帶傳動具有的缺點： （1）由于彈性滑動的存在，使得傳動效率降低，不能保證準確的傳動比； （2）由于帶傳動需要初始緊張，因此，當傳遞同樣大的圓周力時，與嚙合傳動相比軸上的壓力較大； （3）結構尺寸較大，不緊湊； （4）傳動帶壽命短； （5）傳動帶與帶輪之間會產生摩擦放電現(xiàn)象； （6）不宜用于有爆炸危險的場合。 現(xiàn)在一些新型帶傳動形式，如高速帶傳動、同步帶傳動、多楔帶傳動已經克服了以上大部分缺點。 4.2鏈傳動 鏈傳動是由鏈條和主、從動鏈輪所組成的。鏈輪上制造有特殊齒型的齒，依靠鏈輪齒與鏈節(jié)的嚙合來傳遞運動和動力。 鏈傳動是屬于帶有中間饒性件的嚙合傳動。與屬于摩擦傳動的帶傳動相比，鏈傳動具有以下優(yōu)點： （1）鏈傳動沒有彈性滑動和打滑現(xiàn)象，因而能保持準確的平均傳動比，傳動效率較高； （2）鏈條不需要像帶那樣張得很緊，所以作用于軸上的壓力較??； （3）在同樣的使用條件下，鏈傳動結構較為緊湊。 與齒輪傳動相比，鏈傳動的優(yōu)點： （1）鏈傳動的制造安裝精度要求較低，成本低廉； （2）在遠距離傳動時，其結構比齒輪傳動輕便得多。 鏈傳動的主要缺點： （1）在兩根平行軸間只能用于同向回轉傳動； （2）運轉時不能保持恒定的瞬時傳動比； （3）磨損后易發(fā)生跳齒； （4）工作時有噪聲； （5）不宜在速度變化很大和急速方向的運動中應用。 鏈傳動主要用在要求工作可靠，且兩軸相距較遠，以及其他不宜采用齒輪傳動的場合。 4.3 齒輪傳動 齒輪傳動是機械傳動中應用最為廣泛的一類傳動，常用的漸開線齒輪傳動具有以下特點： （1）傳動效率高，在常用的機械傳動中，齒輪傳動的效率是最高的； （2）一級圓柱齒輪傳動在正常潤滑條件下效率可達99%以上，在大功率傳動中，高純度效率是十分重要的； （3）傳動比恒定，齒輪傳動具有不變的瞬時傳動比，因此成了齒輪傳動可用于200m/s以上的高速傳動； （4）結構緊湊，在同樣使用條件下，齒輪傳動所需要的空間尺寸比帶傳動和鏈傳動小得多； （5）工作可靠、壽命長，齒輪傳動在正確安裝，良好潤滑和正常維護條件下，具有其他機械傳動無法比擬的高可靠性和壽命。 齒輪傳動的主要缺點有： （1）對齒輪制造、安裝要求高； （2）齒輪制造常用插齒機和滾齒機等專用機床和專業(yè)工具； （3）通常的齒輪傳動為閉式傳動，需要良好的維護保養(yǎng)，因此齒輪傳動成本和費用高； （4）齒輪傳動不適合中心矩較大的兩軸間的動力傳動。 4.4 蝸桿傳動 蝸桿傳動是一種空間齒輪傳動，能實現(xiàn)交錯角為90°的兩軸間動力和運動傳遞。 蝸桿傳動與圓柱齒輪傳動和圓錐齒輪傳動相比，具有結構緊湊、傳動比大、傳動平穩(wěn)和可以自鎖等顯著特點。 蝸桿傳動的主要缺點是： （1）齒面摩擦力大，發(fā)熱量高，傳動效率低； （2）通常用于中、小功率非長時間連續(xù)工作的應用場合。 表4.1 主要傳動形式的效率 傳動方式 傳動效率 帶傳動 0.9-0.98 鏈傳動 0.93-0.97 圓柱齒輪傳動 0.9-0.99 圓錐齒輪傳動 0.88-0.98 蝸桿傳動 0.4-0.95 表4.1中傳動效率的范圍是由傳動的潤滑條件、加工精度和類型不同而產生的。 綜上所述，這里采用齒輪傳動。 第五章 焊接機器人的組成 焊接機器人由執(zhí)行機構、驅動機構和控制機構三部分組成。 5.1執(zhí)行機構 （1）手部 手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平動型（多為回轉型，因其結構簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據需要分為外抓式和內抓式兩種；也可以用負壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。 本設計為焊接機器人設計，因此手部并無其他結構，僅僅是一個焊槍，通過螺栓固定于腕部之上。 （2）腕部 腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來調節(jié)焊槍的方位，以擴大焊槍的工作范圍，并使手部變的更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設有回轉運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結構，可以不設腕部，而直接用臂部運動驅動手部搬運工件。 目前，應用最為廣泛的手腕回轉運動機構為回轉液壓缸，它的結構緊湊，靈巧但回轉角度?。ㄒ话阈∮?70°）,并且要求嚴格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結構。本次設計的焊接機器人的腕部是利用液壓缸實現(xiàn)手部的旋轉運動。 腕部的驅動方式采用直接驅動的方式，由于腕部裝在手臂的末端，所以必須設計的十分緊湊可以把驅動源裝在手腕上。機器人手腕的回轉運動是由電機和行星輪系實現(xiàn)的。 （3）臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。 臂部運動的目的：把手部送到直線運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有一個自由度就能滿足基本要求，即臂部的伸縮運動。 臂部的運動通常用驅動機構（電機）和各種傳動機構來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部的靜、動載荷。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。機器人臂部的伸縮使其手臂的工作長度發(fā)生變化，在直角坐標式結構中，手臂的最大工作長度決定其末端所能達到的最遠距離。 （4）機身 機身部分運動的目的：把臂部送到直線運動范圍內任意一點。如果改變臂部的姿態(tài)（方位），則用機身的自由度加以實現(xiàn)。 機身的各種運動通常用驅動機構（電機）和各種傳動機構來實現(xiàn)，從機身的受力情況分析，它在工作中既受臂部、腕部、手部的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復雜。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。本次設計實現(xiàn)基座的機身的回轉運動。機身的運動參數：回轉范圍：。機器人機身的伸縮使其工作長度發(fā)生變化，在直角坐標式結構中，機身的最大工作長度決定其末端所能達到的最遠距離。機身部分的回轉運動的驅動源來自電機。 本章從焊接機器人的實用方面入手，提出了一套總體設計方案，并根據機器人自由度的要求選取直角坐標系為本次設計坐標系。同時，就焊接機器人的組成（執(zhí)行機構和驅動機構）以及現(xiàn)實作業(yè)，給出了具體的手部、腕部、臂部和基座的結構形式；并選擇電機驅動作為本次設計的驅動機構。最后，給出了設計中所需的技術參數。 第六章 腕部結構的設計 6.1腕部結構設計的基本要求 (1) 力求結構緊湊、重量輕 腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔。顯然，腕部的結構、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉性能。因此，在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。 (2) 結構考慮，合理布局 腕部作為焊接機器人的執(zhí)行機構，又承擔連接和支撐焊槍的作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。 (3) 必須考慮工作條件 對于本次設計，焊接機器人的工作條件是在工作場合中焊接工件，最大載荷為8KG，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質中，所以對焊接機器人的腕部沒有太多不利因素。 6.2 腕部結構及選擇 6.2.1 腕部結構 手腕部件設置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運動的基礎上進一步改變或調整手部在空間的位置，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變得靈巧，適應性更強。 手腕的運動形式可以有：繞Y軸轉動稱為上下擺動；繞Z軸轉動稱為左右擺動；有的甚至是沿著Y軸或Z軸的橫向移動。一般手腕設有回轉或再增加一個上下擺動即可滿足工作要求。 6.2.2 電動機選擇 由查表得，以及考慮到安全系數S,一般取S=1.5， 大致確定P至少大于1KW。 綜合以上數據130SYX-01型號伺服電機，其參數如下： 額定功率=1.2KW 額定轉矩=4N/M 額定轉速=3000r/min 額定電壓=160V 額定電流=9.4A 峰值轉矩=32N/M 電樞電阻=0.2 電框電感=3.2MH 6.2.3諧波齒輪減速器的選擇 諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動原理發(fā)展起來的一種新型減速器。諧波齒輪傳動（簡稱諧波傳動），它是依靠柔性零件產生彈性機械波來傳遞動力和運動的一種行星齒輪傳動。 諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動原理發(fā)展起來的一種新型減速器。諧波齒輪傳動（簡稱諧波傳動），它是依靠柔性零件產生彈性機械波來傳遞動力和運動的一種行星齒輪傳動。 （1） 傳動原理 它主要由三個基本構件組成： （1）帶有內齒圈的剛性齒輪（剛輪）2，它相當于行星系中的中心輪； （2）帶有外齒圈的柔性齒輪（柔輪）1，它相當于行星齒輪； （3）諧波發(fā)生器H，它相當于行星架。 當諧波發(fā)生器為主動時，凸輪在柔輪內轉動，就近使柔輪及薄壁軸承發(fā)生變形（可控的彈性變形），這時柔輪的齒就在變形的過程中進入（嚙合）或退出（嚙離）剛輪的齒間，在波發(fā)生器的長軸處處于完全嚙合，而短軸方向的齒就處在完全的脫開。 諧波發(fā)生器通常成橢圓形的凸輪，將凸輪裝入薄壁軸承內，再將它們裝入柔輪內。此時柔輪由原來的圓形而變成橢圓形，橢圓長軸兩端的柔輪與之配合的剛輪齒則處于完全嚙合狀態(tài)，即柔輪的外齒與剛輪的內齒沿齒高嚙合。這是嚙合區(qū)，一般有30%左右的齒處在嚙合狀態(tài)；橢圓短軸兩端的柔輪齒與剛輪齒處于完全脫開狀態(tài)，簡稱脫開；在波發(fā)生器長軸和短軸之間的柔輪齒，沿柔輪周長的不同區(qū)段內，有的逐漸退出剛輪齒間，處在半脫開狀態(tài)，稱之為嚙出。 諧波發(fā)生器在柔輪內轉動時，迫使柔輪產生連續(xù)的彈性變形，此時波發(fā)生器的連續(xù)轉動，就使柔輪齒的嚙入—嚙合—嚙出—脫開這四種狀態(tài)循環(huán)往復不斷地改變各自原來的嚙合狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱之錯齒運動，正是這一錯齒運動，作為減速器就可將輸入的高速轉動變?yōu)檩敵龅牡退俎D動。 對于雙波發(fā)生器的諧波齒輪傳動，當波發(fā)生器順時針轉動1/8周時，柔輪齒與剛輪齒就由原來的嚙入狀態(tài)而成嚙合狀態(tài)，而原來脫開狀態(tài)就成為嚙入狀態(tài)。同樣道理，嚙出變?yōu)槊撻_，嚙合變?yōu)閲С?，這樣柔輪相對剛輪轉動（角位移）了1/4齒；同理，波發(fā)生器再轉動1/8周時，重復上述過程，這時柔輪位移一個齒距。依此類推，波發(fā)生器相對剛輪轉動一周時，柔輪相對剛輪的位移為兩個齒距。 柔輪齒和剛輪齒在節(jié)圓處嚙合過程就如同兩個純滾動（無滑動）的圓環(huán)一樣，兩者在任何瞬間，在節(jié)圓上轉過的弧長必須相等。由于柔輪比剛輪在節(jié)圓周長上少了兩個齒距，所以柔輪在嚙合過程中，就必須相對剛輪轉過兩個齒距的角位移，這個角位移正是減速器輸出軸的轉動，從而實現(xiàn)了減速的目的。 諧波發(fā)生器的連續(xù)轉動，迫使柔輪上的一點不斷的改變位置，這時在柔輪的節(jié)圓的任一點，隨著波發(fā)生器角位移的過程，形成一個上下左右相對稱的和諧波，故稱之為：“諧波”。 （二）特點 1．承載能力高 諧波傳動中，齒與齒的嚙合是面接觸，加上同時嚙合齒數（重疊系數）比較多，因而單位面積載荷小，承載能力較其他傳動形式高。 2．傳動比大 單級諧波齒輪傳動的傳動比，可達 i=70～500。 3．體積小、重量輕。 4．傳動效率高、壽命長。 5．傳動平穩(wěn)、無沖擊，無噪音，運動精度高。 6．由于柔輪承受較大的交變載荷，因而對柔輪材料的抗疲勞強度、加工和熱處理要求較高，工藝復雜。 諧波減速器在國內于六七十年代才開始研制，到目前已有不少廠家專門生產，并形成系列化。廣泛應用于電子、航天航空、機器人等行業(yè)，由于它的獨特優(yōu)點，在化工行業(yè)的應用也逐漸增多。 （三）減速器的選擇 根據電動機的參數，有《機械設計手冊》表15-2-129查表選出諧波減速器型號為： XB1-120-150。 XB1為產品代號，120機型，150表示減速比。 其參數為： 輸入功率=1.25KW 輸入轉速=3000r/min 輸出轉矩=450N/M 輸出轉速=20r/min 6.2.4軸的計算 （一）軸材料選擇 軸的材料選用45鋼，調質處理，。 （二）軸的校核 軸因為是豎直的，本身自重可以忽略不計，彎矩作用可以忽略，看成軸只受扭矩作用。 故只對軸扭矩進行校核。 對軸進行簡化計算： 從齒輪計算中得到轉矩， 得到的扭矩圖： 由圖可知，危險截面在C面。 在C面： 扭轉應力： 在C無須進行彎轉應力校核，也無須根據第三強度理論進行強度校核。 軸的材料選用45鋼，調質處理，，遠遠大于最大應力， 故合適。 6.2.5 軸承選擇并校核 為了保證機械臂的正常運行，不僅軸承的制造質量良好，而且機械臂的設計必須合理，軸承的裝配和使用必須規(guī)范。軸承的選擇對于機械臂的正常運轉十分重要。 a. 軸承類型的選擇 機座轉動軸上的軸承選擇： 推力球軸承，它承載能力較低，額定動載荷比為1，不能承受徑向載荷，只能承受一個方向的軸向載荷，限制軸和殼在軸向位移。極限轉速低。 機座相對轉動處的軸承選擇： 一對圓錐滾子軸承。額定動載荷比1.5~2.5。能承受單向軸向載荷，在徑向載荷作用下會產生附加軸向力，一般成對使用。能限制軸和外殼在一個方向的軸向位移。313系列具有較大的接觸角，可以承受更大的軸向載荷。 大臂、小臂、腕部轉動軸承的選擇： 深溝球軸承，承載能力較小，額定動載荷比為1。主要承受徑向載荷，也可同時承受一定的軸向載荷。當軸承的徑向游隙加大時，具有角接觸軸承的功能，可承受較大的軸向載荷。允許一定的軸向位移，但軸向位移限制在軸向游隙范圍內。摩擦系數小，極限轉速高。結構簡單，使用方便。工作期間不需要保養(yǎng)。適于高速，應用極為廣泛。 b. 軸承代號的選擇 推力球軸承：根據安裝軸承段的軸徑為35mm，以及軸承長度及安裝考慮，最終選擇推力球軸承代號為51107 GB 301-1995。其基本尺寸如下： 圓錐滾子軸承：根據安裝軸承段的軸徑為70mm，以及軸承長度及安裝考慮，最終選則圓錐滾子軸承代號為30214 GB 297-94。 大臂轉動軸承：根據安裝軸承段的軸徑為35mm，以及軸承長度及安裝考慮，最終選則深溝球軸承代號為61807 GB 276-94。 小臂轉動軸承：根據安裝軸承段的軸徑為15mm，以及軸承長度及安裝考慮，最終選則深溝球軸承代號為61802 GB 276-94。 腕部轉動軸承：根據安裝軸承段的軸徑為15mm，以及軸承長度及安裝考慮，最終選則深溝球軸承代號為61802 GB 276-94。 現(xiàn)在選取一深溝球軸承校核。 (1) 驗算軸承平均壓力p(單位為MPa) 式中：B——軸承寬度，mm(根據寬徑比B/d確定) [p]——軸瓦材料的許用壓力，單位為MPa (2) 驗算軸承的[pv]值(單位為MPa·m/s) pv=0.24×0.17=0.0408MPa·m/s v——軸徑圓周速度，即滑動速度，m/s [pv]——軸承材料的pv許用值，MPa·m/s 3.驗算滑動速度v(單位為m/s) v=0.17m/s [v]為許用滑動速度，單位為m/s 根據這些數據查機械設計第七版表12-2選擇軸承為耐磨鑄鐵HT300。 滑動軸承和軸承座的配合為過渡配合，定為，IT6=13,IT7=21 基準孔H7的下偏差EI=0,上偏差為 ES=EI+IT7=+0.021 軸瓦m的下偏差ei=0.008,es=ei+IT6=0.021 由此得，。 滑動軸承和軸的配合為間隙配合，定為，IT6=13,IT7=21 基準軸h6的上偏差es=0,下偏差為 ei=es－IT6=(0－13)=－13 孔H7的下偏差EI=0 孔H7的上偏差ES=EI+IT7=21 由此得。 6.2.6 齒輪的設計與校核 齒輪參數計算及其校核： ①材料：高速級小齒輪選用鋼調質，齒面硬度為250HBS。高速級大齒輪選用鋼正火，齒面硬度為220HBS。 ②齒輪計算，查課本表得: 。 材料彈性系數Z Z=189.8(N/mm)（表15-17） 重合度系數Z=（（4-）/3）=0.9（表15-18） 節(jié)點區(qū)域系數Z Z=2.5(圖15-22) 螺旋角系數Z Z=1 (式15-34) 計算應力循環(huán)次數N： N=60njL=60×500×1×8×11×250=6.6×108 N= N/i=6.6×10/4.2=1.571×108 表10-4得： 。 故 。 查課本表10-21圖得： 。 故 。 由設計計算公式（10-9a）進行試算 即 轉矩 載荷系數K: K= KKKK 7級精度制造，查課本表10-3得： 載荷系數，取齒寬系數 計算中心距： 考慮計算原因取 則取 傳動比：i= 齒寬：取 大齒輪： ,小齒輪： 大端分度圓直徑 d=m=4×36=144㎜，d=m=4×71=284㎜ 齒頂圓直徑 d= d+2mcosδ=144+6cos13.3924=236.87㎜， d= d+2mcosδ=284+6cos76.6076=295.900㎜ 齒根圓直徑d= d-2.4mcosδ=63-2.4cos13.3924=55.966㎜ d= d-2.4mcosδ2=276-2.4×cos76.6076=86.532㎜ 齒輪錐距? R=1/2=135.998 大端圓周速度 v=πdn/60000=3.14×63×500/60000=1.649m/s， 齒寬b= 0.4×135.998=64.14 選齒輪精度為7級 Δ=（0.1～0.2）R =（0.1～0.2）305.500=30.05～60.1㎜ 取Δ=10㎜，Δ=14㎜,c=10㎜ 輪寬 L=（0.1～0.2）d=（0.1～0.2）93=12.4㎜ L=（0.1～0.2）d=（0.1～0.2）×291=39㎜ ③按齒面接觸強度設計： 所以安全。 ④驗算輪齒彎曲強度： 查課本表10-5得： 最小齒寬計算： 所以安全。 查課本第162頁表11-2知選用7級的的精度是合適的。 以上課本為《 機械設計》（第八版）。 本章主要內容為腕部結構的設計包括：腕部結構的選取和腕部結構的設計計算。首先，根據腕部設計的基本要求選擇與本次設計相符合的腕部結構；然后，按照給定的技術參數進行設計計算；最后，確定了腕部回轉所需的回轉力矩、選用回轉缸以及選取各關鍵部位螺栓的計算。 第七章 臂部結構的設計及計算 7.1臂部結構 手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。 臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部應該具備3個自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉、和升降運動。手臂的各種運動通常用驅動機構和各種傳動機構來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結構、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。臂部設計首先要實現(xiàn)所要求的運動，為此，需要滿足下列各項基本要求： 一、臂部應承載能力大、剛度好、自重輕 對于機械手臂部或機身的承載能力，通常取決于其剛度。以臂部為例，一般結構上較多采用懸臂梁形式（水平或垂直懸伸）。顯然伸縮臂桿的懸伸長度愈大，則剛度愈差。而且其剛度隨著臂桿的伸縮不斷變化。對機械手的運動性能、位置精度和負荷能力影響很大。為提高剛度，除盡可能縮短臂桿的懸伸長度外，尚應注意以下幾方面： (1) 根據受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸； (2) 提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離； (3) 合理布置作用力的位置和方向； (4) 注意簡化結構； (5) 提高配合精度。 臂部通常既受彎曲（而且不僅是一個方向的彎曲），也受扭矩，應選用抗彎和抗扭剛度較高的截面形狀。很明顯，在截面積和單位重量基本相同的情況下，鋼管、工字鋼和槽鋼的慣性矩要比圓鋼大得多。所以，機械手常采用無縫鋼管作為導向桿，用工字鋼或槽鋼作為支撐鋼，這樣既提高了手臂的剛度又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內部還可以布置驅動裝置、傳動裝置，從而使得結構緊湊、外形整齊。 二、臂部運動速度要高，慣性要小 機械手手部的運動速度是機械手的主要參數之一，它反映機械手的生產水平。在一般情況下，手臂的移動和回轉、俯仰均要求勻速運動，但在手臂的啟動和終止瞬間，運動是變化的，為了減少沖擊，要求啟動時間的加速度和終止前的減速度不能太大，否則會引起沖擊和振動。 在速度和回轉角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有4個途徑： (1) 減少手臂運動件的重量，采用鋁合金等輕質高強度材料； (2) 減少臂部運動件的輪廓尺寸； (3) 減少回轉半徑ρ，再安排機械手動作順序時，先縮后回轉（或先回轉后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進行回轉動作； (4) 在驅動系統(tǒng)中設緩沖裝置。 三、手臂動作應該靈活 為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。 四、位置精度要求高 一般來說，直角和圓柱坐標式機械手位置精度要求較高；關節(jié)式機械手的位置精度最難控制，故精度差；在手臂上加設定位裝置和檢測結構，能較好地控制位置精度，檢測裝置最好裝在最后的運動環(huán)節(jié)以減少或消除傳動、嚙合件間的間隙。 總結：除此之外，要求機械手的通用性要好，能適合多種作業(yè)的要求；工藝性好，便于加工和安裝；用于熱加工的機械手，還要考慮隔熱、冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機械手還要設置防塵裝置等。 以上要求是相互制約的，應該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設計出完美的、性能良好的機械手。 本文設計的機械手臂殼體采用鑄鋁加工而成。機械手手臂剛性好、抗扭能力強、重量輕，所有傳動機構和驅動裝置都置于機械手臂內部，外形簡潔；機械手表面還裝有緩沖墊，當驅動裝置出現(xiàn)故障或供電電池耗盡時，可以起到緩沖作用，避免手臂沖擊造成損壞。 7.2臂部結構的選擇及計算校核 7.2.1電動機選擇 電動機功率計算： 得出電機需帶動的扭矩。 T=cosΘ*F*S=cosΘ*12*10*/1000=78N/M T=9