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畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告
題目：焊接機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計
系 別 機電信息系
專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化
班 級
姓 名
學(xué) 號
導(dǎo) 師
2012 年 12 月 23 日
畢業(yè)設(shè)計（論文）綜述
背景和研究意義:
機器人的機械設(shè)計與一般的機械設(shè)計相比，既具有類似性，又有其獨特性。從機構(gòu)學(xué)的角度來看，機器人的機械結(jié)構(gòu)可看作是一系列連桿通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、移動關(guān)節(jié)連接起來的開式運動鏈。 與一般機構(gòu)相比，機器人的開鏈結(jié)構(gòu)型式具有靈巧性和空間可達性等，但由于開鏈式結(jié)構(gòu)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，影響機器人的剛度和精度。因此，機器人的機械設(shè)計既要滿足強度要求，又要考慮剛度和精度。另一方面，機器人的機械結(jié)構(gòu)，特別是關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)，是整個機器人伺服系統(tǒng)中的一個組成部分，無論是結(jié)構(gòu)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(gòu)有更高的要求。
對焊接機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計進行研究，目的是尋找在不同要求下最優(yōu)的機械結(jié)構(gòu)，以最大效益的滿足生產(chǎn)需要。
國內(nèi)外相關(guān)研究情況:
點焊機器人雖然有多種結(jié)構(gòu)形式，但大體上都可以分為3大組成部分，即機器人本體、點焊焊接系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。目前應(yīng)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(guān)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(nèi)任意調(diào)整焊鉗姿態(tài)，以適應(yīng)多種形式結(jié)構(gòu)的焊接。
焊接機器人基本上都屬于電動機驅(qū)動的工業(yè)機器人、液壓驅(qū)動的工業(yè)機器人這兩類工業(yè)機器人，弧焊機器人大多采用電動機驅(qū)動機器人，因為焊槍重量一般都在10kg以內(nèi)。點焊機器人由于焊鉗重量都超過35kg。也有采用液壓驅(qū)動方式的，因為液壓驅(qū)動機器人抓重能力大，但大多數(shù)點焊機器人仍是采用大功率伺服電動機驅(qū)動，因它成本較低，系統(tǒng)緊湊。工業(yè)機器人是由機械手、控制器、驅(qū)動器和示教盒 4 個基本部分構(gòu)成。對于電動機驅(qū)動機器人，控制器和驅(qū)動器一般裝在一個控制箱內(nèi)，而液壓驅(qū)動機器人，液壓驅(qū)動源單獨成一個部件，現(xiàn)分別簡述如下：
??機械手 機器人機械手又稱操作機，是機器人的操作部分，由它直接帶動末端操作器。實現(xiàn)各種運動和操作，它的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，完全根據(jù)任務(wù)需要而定，其追求的目標是高精度、高速度、高靈活性、大工作空間和模塊化?，F(xiàn)在工業(yè)機器人機械手的主要結(jié)構(gòu)形式有如下 3 種：
1、機床式 這種機械手結(jié)構(gòu)類似機床。其達到空間位置的3個運動。是由直線運動構(gòu)成，其末端操作器的姿態(tài)由旋轉(zhuǎn)運動構(gòu)成，這種形式的機械手優(yōu)點是運動學(xué)模型簡單，控制精度容易提高；缺點是機構(gòu)較龐大，占地面積大、工作空間小。簡易和專用焊接機器人常采用這種形式。
2、全關(guān)節(jié)式 這種機械手的結(jié)構(gòu)類似人的腰部和手部，其位置和姿態(tài)全部由旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)。這是工業(yè)機器人機械手最普遍的結(jié)構(gòu)形式。其特點是機構(gòu)緊湊、靈活性好、占地面積小、工作空間大，缺點是精度高、控制難度大。偏置式與正置式的區(qū)別是手腕關(guān)節(jié)置于小臂的外側(cè)或小臂活動范圍，但其運動學(xué)模型要復(fù)雜一些。目前焊接機器人主要采用全關(guān)節(jié)式機械手。
3、平面關(guān)節(jié)式 這種機械手的機構(gòu)特點是上下運動由直線運動構(gòu)成，其他運動均由旋轉(zhuǎn)運動構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)在垂直方向剛度大，水平方向又十分靈活，較適合以插裝為主的裝配作業(yè)，所以被裝配機器人廣泛采用。
機器人機械手的具體結(jié)構(gòu)雖然多種多樣，但都是由常用的機構(gòu)組合而成?，F(xiàn)以美國 PUMA 機械手為例來簡述其內(nèi)部機構(gòu)，它是由機座、大臂、小臂、手腕 4 部分構(gòu)成，機座與大臂、大臂與小臂、小臂與手腕有 3 個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，以保證達到工作空間的任意位置，手腕中又有 3 個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：腕轉(zhuǎn)、腕曲、腕擺，以實現(xiàn)末端操作器的任意空間姿態(tài)。手腕的端部為一法蘭，以連接末端操作器。
每個關(guān)節(jié)都由一臺伺服電動機驅(qū)動，PUMA機械手是采用齒輪減速、桿傳動，但不同廠家采用的機構(gòu)不盡相同，減速機構(gòu)常用的是4種方式：齒輪、諧波減速器、滾珠絲杠、蝸輪蝸桿。傳動方式有桿傳動、鏈條傳動、齒輪傳動等。其技術(shù)關(guān)鍵是要保證傳動雙向無間隙 ( 即正反傳動均無間隙 ) ，這是機器人精度的機械保證，當然還要求效率高，機構(gòu)緊湊。
主要內(nèi)容及研究方案、研究方法或措施
主要內(nèi)容：
本設(shè)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。
進行機械手的原理方案設(shè)計，比較并提出系統(tǒng)的總體方案。
根據(jù)技術(shù)要求進行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時對焊接機械手的驅(qū)動系統(tǒng)、機械手和焊接設(shè)備的機械接口等內(nèi)容進行設(shè)計。
技術(shù)要求：
腰部回轉(zhuǎn)最大角度280度；
擺動最大角度120度；
直線位移范圍0-450mm，
研究方案、研究方法或措施：
先把本設(shè)計模塊化處理，它包含選型（坐標型式），腰部回轉(zhuǎn)，手臂俯仰，直線位移，焊槍與手臂結(jié)合5部分。細化每部分的設(shè)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(guān)節(jié)式
腰部回轉(zhuǎn)
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(jié)合
夾持式
吸附式
如圖可得：可能采用的方案共：4x3x3x4x2=288種
本設(shè)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(jié)合吸附式。
方案二：關(guān)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(jié)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(jié)合吸附式。
本設(shè)計中要求腰部回轉(zhuǎn)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。
本課題研究的重點及難點，前期已開展工作
重點：
1、原理方案的確定
2、主要參數(shù)的確定
3、機身的結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核
難點：
各個部分的準確定位；
合理的機械結(jié)構(gòu)以滿足設(shè)計要求；
前期已開展工作：
在對焊接機械手有足夠的了解之后，對設(shè)計提出構(gòu)想，初步構(gòu)想如圖：
在設(shè)計中，機械手的關(guān)節(jié)均采用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的形式，每個關(guān)節(jié)由兩個箱體所組成。兩個箱體之間安裝有能夠承受徑向和軸向載荷的深溝球軸承，通過軸承的傳遞實現(xiàn)一個相對轉(zhuǎn)動，即能實現(xiàn)一個轉(zhuǎn)動的自由度。
由于電機轉(zhuǎn)速過快，需要減速。因此箱體內(nèi)部集成了一個諧波減速器，電機安裝在與箱體1相連的連桿A內(nèi)部，電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動通過諧波減速器減速傳遞到箱體2，箱體2帶動與其相連的連桿B實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。
關(guān)節(jié)傳動原理如圖所示：
本設(shè)計采用模塊化設(shè)計，故關(guān)節(jié)均采用上述的結(jié)構(gòu)，分別為兩種運動:俯仰和回轉(zhuǎn)。需要實現(xiàn)回轉(zhuǎn)動作的關(guān)節(jié)，把連桿安裝在箱體的中軸線上;需要實現(xiàn)俯仰動作的關(guān)節(jié)，把連桿安裝在箱體的側(cè)壁。
對于直線位移部分：
導(dǎo)軌副的選用：需要承受的載荷不大，但脈沖當量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點。
絲桿螺母副的選用：伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲桿螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，要滿足定位精度，滑動滑動絲桿副無能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達到。滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。
完成本課題的工作方案及進度計劃（按周次填寫）
1-3周：接受設(shè)計任務(wù)，查閱相關(guān)資料，了解課題的背景和發(fā)展狀況。
4-5周：了解學(xué)習常用機械手設(shè)計的基礎(chǔ)知識，初步原理方案的提出。
6周：設(shè)計方案的優(yōu)化比較，論證并選擇最優(yōu)方案。
7-8周：機械手腰部回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計。
9-10周：機械手搖臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計。
11-12周：機械手與焊接設(shè)備的機械接口設(shè)計。
13：設(shè)計機械手與焊接設(shè)備的接口。
14-15周：繪制相關(guān)設(shè)計的零件圖和裝配圖。
16-17周：撰寫畢業(yè)論文。
19周：準備答辯。
5 指導(dǎo)教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見）
指導(dǎo)教師： 年 月 日
6 所在系審查意見：
系主管領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日
參考文獻
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