1專 科 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )題目:管材焊接機器人的結構設計學院名稱 專業(yè)班級 學生姓名 導師姓名 2015 年 6 月 2 日2目 錄摘 要 .4Abstract .7第一章 緒論 .81.1 選題的目的及意義 .81.2 國內外研究現(xiàn)狀 81.2.1 工業(yè)機器人 81.2.2 焊接機及相關技術 91.2.3 激光焊接及相關技術 101.3 本課題研究的內容 .101.4 研究方案的確定 111.4.1 機器人結構方案的確定 111.4.2 機器人傳動方案的確定 .13第二章 焊接機器人的設計方案 162.1 焊接機器人的設計方案 162.2 設計性能指標 16第三章 焊接機器人零部件計算 183.1 絲杠的選型 .183.1.2 X 軸絲杠參數的計算 .183.1.3 Y 軸絲杠的選型 .223.1.4 Z 軸絲杠的選型 .2233.1.5 滾珠絲杠副的密封與潤滑 223.2 伺服電機的選型 233.2.1 伺服電機簡介 233.2.2 電機的選擇依據 .233.2.3 電機的選型計算 .233.3 導軌型號的選擇 243.3.1 X 軸軌道的選擇 .243.3.1 Y 軸軌道的選擇 .273.3.1 Z 軸軌道的選擇 .273.4 軸承的選型 .273.4.1X 軸軸承的選擇 .273.4.2 Y 軸軸承的選擇 .283.4.2 Z 軸軸承的選擇 .283.5 聯(lián)軸器的選擇 283.5.1 X 軸聯(lián)軸器的選擇 283.5.2 Y 軸聯(lián)軸器的選擇 283.5.3 Y 軸聯(lián)軸器的選擇 283.6 機座以及連接板的設計 29第四章 結論 30參考文獻： .31致謝 324摘 要隨著科技的發(fā)展和工業(yè)需求的增加，焊接技術在工業(yè)生產中所占據的分量越來越大，而且焊接技術的優(yōu)良程度直接影響著零件或產品的質量。國內焊接機器人應用雖已具有一定規(guī)模，但與我國焊接生產總體需求相差甚遠。因此，大力研究并推廣焊接機器人技術勢在必行。本設計的重點是運用機械原理和機械制造裝備設計方法設計焊接機器人的實踐和方法。本次設計，是在了解焊接機器人在國內外現(xiàn)狀的基礎上，進而掌握焊接機器人內部結構和工作原理，并對手臂和腕部進行結構設計。合理布置了液壓缸。同時了解機器人機械系統(tǒng)運動學及運動控制學。為工業(yè)上焊接機器人的設計提供理論參考、設計參考和數據參考，為工業(yè)設計者提供設計理論和設計實踐的參考。該機器人具有剛性好，位置精度高、運行平穩(wěn)的特點。關鍵字：焊接機器人 機械機構設計 步進電動機 滾珠絲杠5AbstractWith the development of technology and the increase in industrial demand, welding in industrial production occupied more and more weight, and excellent welding technology directly affects the degree of the quality of parts or products.Although the domestic application of welding robot with a certain scale, but falls far short of the overall demand for welding.Therefore, great efforts to study and promote the welding robot technology is imperative.The focus of this design is the use of mechanical theory and design of machinery and equipment design and methods of practice welding robot.The design of the welding robot in understanding the basis of the status quo at home and abroad, and then grasp the welding robot and working principle of the internal structure, and structural design of the arm and wrist.Rational arrangement of the hydraulic cylinder.At the same time understand the robot mechanical system kinematics and motion control study.For the design of industrial welding robots to provide a theoretical reference, reference and data reference design for industrial designers and design practice, design theory reference.The robot has a good rigidity, high precision location, stable characteristics.Key word: Welding robot；mechanical structure design；Stepper motor; Ball screw6第一章 緒論1．1 選題的目的及意義：隨著現(xiàn)代加工制造業(yè)的迅猛發(fā)展，各種材料應運而生，相應的加工方法也層出不窮，各種新加工方法、新技術呈現(xiàn)百花齊放的狀態(tài)。管材件的應用越來越多,相應的加工方法也隨之增多.而且越來越多的場合對管材件的質量、精度等有了越來越高的要求?，F(xiàn)在的企業(yè)公司使用的火焰、激光切割機在很多情況下只能完成平面構件的加工切割，很難實現(xiàn)對三維實體表面的加工，而激光切割機器人的應用正好能夠適應這種變化，而且相關的技術發(fā)展也越來越快，并且這種機器人的開發(fā)對保證管材構件的切割質量、切割精度，延長管件的使用時間，降低管件相應的加工制造成本，都有著非常重要的意義。由于管材加工應用的場合日益增多，同時隨著人們對其認知度的提高，該產品將會有更加廣大的發(fā)展前景?，F(xiàn)在，國外在這方面的技術基本成熟，但國內各單位對這些技術的了解有相當部分還停留在文獻上。所以應該從基本做起，開展一些基礎技術研究作為機器人課題的主要研究與開發(fā)內容之一。1.2 國內外研究現(xiàn)狀：1.2.1 工業(yè)機器人我國工業(yè)機器人開始于 70 年代初期，其發(fā)展過程大體可分為三個部分：70年代的孕育期；80 年代的研發(fā)期；90 年代的應用期。而今經過數十年的發(fā)展已經初具規(guī)模。當前我國已經制造出部分機器人的關鍵部件，開發(fā)出點焊、弧焊、裝配、搬運、沖壓、注塑、噴漆等工業(yè)機器人。一批國產工業(yè)機器人已經應用于國內很多企業(yè)的生產線上；一批與其相關技術的研究人員也涌現(xiàn)出來。部分有關科研機構以及企業(yè)院所已擁有了工業(yè)機器人控制、驅動系統(tǒng)的硬件設計技術；工業(yè)機器人操作機的優(yōu)化設計制造技術；工業(yè)機器人的運動學和軌跡規(guī)劃技術；工業(yè)機器人軟件的設計開發(fā)和編程技術；點焊、弧焊以及大型機器人的自動生產線與周邊配套設備的研發(fā)和加工技術等。有些關鍵技術已經達到或接近世界先進水平。在西歐等發(fā)達國家里，工業(yè)機器人的自動化成套設備已經成長為自動化設備的標榜和未來的發(fā)展方向。國外在農業(yè)機械、電子、汽車等行業(yè)已經大規(guī)模應用了工業(yè)機器人的自動化生產線，這不僅保證了產品質量，提高了加工效率，而且降低了工傷事故的發(fā)生率。全球很多國家在近半個多世紀的工業(yè)機器人的應用實踐說明，工業(yè)機器人的推廣應用是實現(xiàn)自動化制造生產，提高社會生產7制造效率，推動企業(yè)和社會生產力向前發(fā)展的有效途徑和方法。 日本工業(yè)機器人行業(yè)早在上世紀 90 年代就已經大規(guī)模應用了第一和第二類工業(yè)機器人，并且達到了其工業(yè)機器人發(fā)展歷史的輝煌時期?，F(xiàn)如今已經在發(fā)展三、四類工業(yè)機器人的道路上取得了舉世矚目的偉大成就。日本的下一代機器人發(fā)展重點包括：高速化技術、低成本技術、小型化技術、提高可靠性技術、計算機控制技術、高精度技術、網絡化技術、觸覺和視覺傳感器技術等。 根據日本在 2007 年制定的一份計劃，日本到 2050 年工業(yè)機器人規(guī)模將達到 1.4 兆日元，擁有百萬工業(yè)機器人。假如一個工業(yè)機器人等同于 10 個勞動力的話，其工業(yè)機器人的規(guī)模就相當于千萬個勞動力，是現(xiàn)在日本全部勞動人口的 15%。1.2.2 焊接機及相關技術在機械制造過程中，零部件焊接常用方式包括手工焊接、半自動焊接及數控焊接。手工焊接簡單方便，但是手工焊接質量差、加工誤差大、浪費材料多、后續(xù)加工的工作量多，同時其勞動條件比較惡劣，生產效率很低。半自動焊接中的仿形焊接機，其焊接構件的質量好，因為其使用相關模具，不適合于單件小批量和大型件的加工。其它型號的半自動焊接機雖然降低了勞動者的勞動強度，但其功能簡單，只適合一些形狀比較規(guī)則的構件加工。數控焊接相對手動及半自動焊接來說，能有效地提高構件焊接的質量和效率，降低勞動者的勞動強度。 數控焊接機是根據圖樣以及數控裝置的相關規(guī)定，編制出焊接加工程序，由電腦根據程序的要求進行運算，控制割嘴沿著圖樣要求的軌跡運動進行焊接加工。1958 年，英國氧氣公司（BOC）研制出第一臺數控氣割機，使焊接領域進入了高科技自動化階段。歷經數十年的發(fā)展，數控焊接機在焊接能源方面和數控控制系統(tǒng)方面都取得了很大的發(fā)展，焊接能源已經由當初單一的火焰能源焊接發(fā)展為現(xiàn)在的多種能源( 激光、等離子、火焰、高壓水射流)焊接方式；數控焊接機的控制系統(tǒng)已經由當初的功能簡單、編程復雜、自動化程度不高發(fā)展到具有功能齊全、網絡化、圖形化、智能化的控制方式； 驅動系統(tǒng)也從開始的步進驅動、模擬伺服驅動發(fā)展到今天的全數字式伺服驅動。我國的數控焊接機從 20 世紀 70 年代由分離元件開始起步，到現(xiàn)在已經發(fā)展成應用微機控制焊接機。生產制造公司也逐年增加，現(xiàn)在生產各類焊接機的公司已近 40 家，世界四大著名的焊接機專業(yè)制造商，也先后來到中國投資建廠生產多種規(guī)格的焊接機。我國焊接機行業(yè)經過多年的發(fā)展歷程，在專業(yè)技術上有了很大的提高。當前，具有一定的研發(fā)和生產能力的公司有金鳳公司、無錫華聯(lián)、中船 611 所及深圳博力昌等企業(yè)，年產數控火焰焊接機達 2000 余套。其8產品性能已經接近國外同類產品的標準，并且有少數指標超過了國外標準，產品質量在逐步提高，完全有能力滿足國內不同用戶需求，代替了部分進口產品，還有部分產品出口。但在某些特殊焊接及專用系統(tǒng)開發(fā)方面同外國公司相比還有一定的差距。從各種類型的數控焊接機的應用情況來看，國內生產制造的數控焊接機的整機性能、技術水平等各種參數水平都取得了很大的進步，逐步趕上了國際的先進水平，滿足了用戶的需求，進一步提升了市場競爭力。國內部分產品在很多方面已經形成了各自獨有的特點，實現(xiàn)了“多功能、自動化和高可靠性” 。在有些方面，產品的技術性能參數已經超越了國外的產品。 1.2.3 激光焊接及相關技術激光焊接加工技術廣闊的應用市場，另外加上現(xiàn)代相關的科學技術的高速發(fā)展，促使國內外相關的科技工作者對激光焊接加工技術進行不斷深入的研究開發(fā)，推動著激光焊接技術不斷地向前更好、更快的發(fā)展。焊接機器人廣泛應用于汽車、工程機械、通用機械、金屬結構和兵器工業(yè)等行業(yè)。據不完全統(tǒng)計，全世界在役的工業(yè)機器人中大約有一半用于各種形式的焊接加工領域。截止2005 年，全世界在役工業(yè)機器人約為 91.4 萬臺，其中日本裝備的工業(yè)機器人總量達到了 50 萬臺以上，成為“機器人王國”，其次是美國和德國，在亞洲，日本、韓國和新加坡的制造業(yè)中每萬名雇員占有的工業(yè)機器人數量居世界前三位。近幾年，全球機器人的數量在迅速增加，僅 2005 年就達 12.1 萬臺。我國自上世紀 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。據不完全統(tǒng)計，近幾年我國工業(yè)機器人呈現(xiàn)出快速增長勢頭，平均年增長率都超過 40％，焊接機器人的增長率超過了 60％；2004 年國產工業(yè)機器人數量突破 1400 臺，進口機器人數量超過 9000 臺，其中絕大多數應用于焊接領域：2005 年我國新增機器人數量超過了 5000 臺，但僅占亞洲新增數量的 6％，遠小于韓國所占的 15％，更遠小于日本所占的 69％。這對于我國的經濟發(fā)展速度以及經濟總量來說顯然是不匹配的，這說明我國制造業(yè)的自動化程度有待進一步提高，另一方面也反映了我國勞動力成本的低廉，制造業(yè)自動化水平以及工業(yè)機器人應用程度的提高受到限制。當前，焊接機器人的應用迎來了難得的發(fā)展機遇。一方面，隨著技術的發(fā)展，焊接機器人的價格不斷下降，性能不斷提升；另一方面，勞動力成本不斷上升，我國由制造大國向制造強國邁進，需要提升加工手段，提高產品質量和增強企業(yè)競爭力，這一切預示著機器人應用及發(fā)展前景空間巨大前景。91.3 本課題研究的內容針對常見截面形狀（如圓形、方形、三角形、橢圓形等） 、常見截面尺寸管材，設計利用激光進行工件焊接的專用機器人的主體結構。1.4 研究方案的確定1.4.1 機器人結構方案的確定這里針對管材加工的典型構件—圓管的加工為例，對各種機器人的結構進行對比，并最終確定方案。（1） 直角坐標型機器人結構方案圖 2-1 直角坐標型機器人結構方案優(yōu)點：這種機器人有三個線性關節(jié)組成，這三個關節(jié)用來確定末端操作器的位置。這種機器人在 x、y、z 軸上的運動是獨立的，運動方程可獨立處理，且方程是線性的，因此很容易通過計算機控制實現(xiàn)，它可以兩端支撐，對于給定的結構長度，剛性最大，它的精度和位置分辨率不隨工作場合變化，容易達到高精度。后兩個回轉自由度實現(xiàn)了激光頭相對于工件的位置，有效控制了激光束的方向和角度，能夠保證切割加工的順利進行。缺點：它的操作范圍小，運動速度小，密封性不好。尤其對圓截面管材類的構件，進行環(huán)周式切割加工時不容易完成，在直角坐標系中完成此類加工，對編程控制和精度保證不利。2.圓柱坐標型機器人結構方案10圖 2-2 圓柱坐標型機器人結構方案這種機器人有兩個滑動關節(jié)和一個旋轉關節(jié)來確定部件的位置。這種機器人可以繞中心軸旋轉一個角，與直角坐標相比，工作范圍大，計算簡單，還可以伸入型腔內進行加工。但是，他的手臂可以到達的空間受到限制，不能到達近立柱或近地面的空間。圓柱坐標工作空間為圓柱形，這對以圓截面管材為代表的管材切割加工是很有利的。對圓管材進行環(huán)周式切割時，只需要軸線與管材軸線平行的旋轉關節(jié)旋轉即可，對于其他截面形狀的部件，只需要再對圓柱坐標 y、z 移動副進行控制?？傊?，這種方案在一定程度上更適應對圓柱形管材進行的切割加工。但是，在這種方案下，對管材進行環(huán)周式切割時，會存在激光頭位于工件切口下方的情況，這時，切割產生的一些廢料、金屬鐵屑會對相應的構件如激光頭、以及與激光頭相連的附屬物等產生損害，如果這些廢料進入配合間的空隙，會增加磨損，減少其壽命。另外，這種方案很難適合一些近似平面的加工，如尺寸較大大的橢圓面構件、截面積比較大的方形管件等 [1]。3.球坐標型機器人結構方案11圖 2-3 球坐標型機器人結構方案這種機器人采用球坐標系，它用一個滑動關節(jié)和兩個旋轉關節(jié)來確定部件的位置。這種機器人可以繞中心軸旋轉，中心支架附近的工作范圍大。但是該坐標極其復雜，難于控制。在這種方案下，對管件進行切割加工、刻畫，將激光束定位在相應的空間加工位置時，必須要同時使用前三個自由度移動配合，這樣就會增加定位誤差。另外，當加工較長管件時，其加工范圍會受到限制，這種結構方案下的機器人，對于切割加工空間范圍要求大，能適應加工面在三個方向上分布比例較均勻的場合，對于類似管件在一個方向上的長度很大的構件，以及橫截面比較對稱的構件，不是非常適合和實用 [1]。根據以上的分析比較，此次設計采用以下方案：圖 2-4 結構方案這種方案下，機器人具有六個自由度。y、z 移動副與 x 移動副構成一個直角坐標系，同時還與工件回轉軸 c 軸組成一個圓柱型坐標系，這不但能適應像圓管類的構件的加工，還能對其他一些非圓截面的構件進行加工。這種方案使直角坐標系機器人與圓柱型機器人的特點和性能形成優(yōu)勢互補的狀態(tài)，大大提高了加工效率，能夠滿足多種場合下的生產加工需要。1.4.2 機器人傳動方案的確定我們常見的幾種能夠實現(xiàn)直線運動，而且能夠在確定的位置上實現(xiàn)停止的傳動方式主要有：氣壓傳動、液壓傳動和螺旋傳動。以下是這幾種傳動方式的特點。（1）氣缸傳動氣壓傳動的工作原理是將壓縮氣體的壓力能轉換為機械能。使氣缸在直線上作往復直線運動的。作往復直線運動的氣缸可分為單作用、雙作用、膜片式和沖擊氣缸 4 種。氣缸的根據工作所需載荷的大小來確定活塞桿上的力。由此來選擇氣缸時應使氣缸的輸出力稍有余量。若缸徑選小了，輸出力不夠，氣缸不能正常工作；12但缸徑過大，不僅使設備笨重、成本高，同時耗氣量增大，造成能源浪費。氣壓傳動的優(yōu)點：① 用空氣為工作介質，具有易于取得，用后可直接排入大氣，處理方便，利于保護環(huán)境的特點。② 因空氣粘度很小，在管道中流動時能量損失較小，因而便于集中供氣和遠距離輸送。③ 氣動動作迅速，調節(jié)方便，維護簡單，不存在介質變質及補充等問題。④工作環(huán)境適應性好，且工作安全可靠。氣壓傳動的缺點：① 運動平穩(wěn)性較差。② 不易獲得較大的輸出力和力矩。③ 有較大的排氣噪聲。（2）液壓傳動液壓傳動的工作原理是液壓泵將原動機的機械能轉換為液體的壓力能，在經過經過各種控制閥的控制，傳遞給各種執(zhí)行元件從而轉換為機械能。驅動工作機構，實現(xiàn)直線往復運動。液壓傳動的工作介質一般為礦物油液壓油。液壓系統(tǒng)主要由：動力元件（油泵） 、執(zhí)行元件（油缸或液壓馬達） 、控制元件（各種閥） 、輔助元件和工作介質等五部分組成。液壓傳動的優(yōu)點：① 體積小、重量輕、結構緊湊。② 運動平穩(wěn)，能在低速下穩(wěn)定運動。③ 在大范圍內實現(xiàn)無級調速。2000：1④易實現(xiàn)自動化。⑤壽命較長。⑥零件已實現(xiàn)標準化、系列化和通用化，系統(tǒng)的設計、制造和使用方便。液壓傳動的缺點：① 不能保證嚴格的傳動比。② 較多的能量損失。③ 對油溫的變化敏感。④元件精度高，造價較高。⑤出現(xiàn)故障的原因較復雜，查找困難。（3）螺旋傳動螺旋傳動是利用螺桿和螺母的嚙合來傳遞動力和運動的機械傳動。主要用于將旋轉運動轉換成直線運動。按 工 作 特 點 ， 螺 旋 傳 動 用 的 螺 旋 分 為 傳 力 螺 旋 、 傳 導 螺 旋 和 調 整 螺 旋 。13以 下 是 他 們 的 特 點 。 ① 傳 力 螺 旋 :以 傳 遞 動 力 為 主 ,它 用 較 小 的 轉 矩 產 生 較 大 的 軸 向 推 力 ,一 般 為 間 歇 工 作 ,工 作 速 度 不 高 ， 而 且 通 常 要 求 自 鎖 ， 例 如 螺 旋 壓 力 機 和 螺旋 千 斤 頂 上 的 螺 旋 。② 傳 導 螺 旋 ： 以 傳 遞 運 動 為 主 ， 常 要 求 具 有 高 的 運 動 精 度 ， 一 般 在 較 長時 間 內 連 續(xù) 工 作 ， 工 作 速 度 也 較 高 ， 如 機 床 的 進 給 螺 旋 （ 絲 杠 ） 。③ 調 整 螺 旋 ： 用 于 調 整 并 固 定 零 件 或 部 件 之 間 的 相 對 位 置 ， 一 般 不 經 常轉 動 ， 要 求 自 鎖 ， 有 時 也 要 求 很 高 精 度 ， 如 機 器 和 精 密 儀 表 微 調 機 構 的 螺 旋 。按 螺 紋 間 摩 擦 性 質 ， 螺 旋 傳 動 可 分 為 滑 動 螺 旋 傳 動 和 滾 動 螺 旋 傳 動 。 滑 動 螺旋 傳 動 又 可 分 為 普 通 滑 動 螺 旋 傳 動 和 靜 壓 螺 旋 傳 動 。螺 旋 傳 動 的 優(yōu) 點 ：① 能 夠 獲 得 很 大 的 減 速 比 和 力 的 增 益 ， 因 而 可 用 較 小 的 轉 矩 來 獲 得 較 大的 軸 向 推 力 ， 常 用 于 起 重 、 夾 緊 等 。② 它 的 傳 動 精 度 較 高 ， 能 夠 準 確 的 調 整 直 線 運 動 的 距 離 和 位 置 ， 常 用 于精 密 機 械 和 測 量 儀 器 ， 特 別 適 用 于 一 些 機 構 的 微 細 調 節(jié) 。③ 螺 旋 傳 動 還 能 夠 實 現(xiàn) 自 鎖 ， 對 于 水 平 推 力 的 運 動 機 構 ， 也 能 在 任 意 位置 得 到 精 確 定 位 ， 如 水 平 運 動 的 機 床 工 作 臺 進 給 機 構 。④螺 旋 傳 動 結 構 簡 單 ， 傳 動 過 程 平 穩(wěn) ， 無 噪 聲 。螺 旋 傳 動 的 缺 點 ： 機 械 效 率 一 般 較 低 ， 特 別 是 具 有 自 鎖 時 性 效 率 將 低 于50%。 螺 旋 機 構 常 用 于 功 率 不 大 的 進 給 系 統(tǒng) 和 微 調 裝 置 中 。綜 上 ， 經 過 分 析 三 種 傳 動 機 構 的 特 點 ， 液 壓 傳 動 和 氣 壓 傳 動 的 工藝與螺旋傳動相比較復雜，成本較高，為 了 實 現(xiàn) 定 位 板 能 夠 準 確 的 定 位 到 合 適 位置 的 目 的 ， 在簡單、經濟、可行的基礎上確定的最佳方案是螺旋傳動。14第二章 焊接機器人的設計方案2.1 焊接機器人的設計方案利 用 伺 服 電 機 通 過 聯(lián) 軸 器 帶 動 滾 珠 絲 杠 轉 動 ， 絲 杠 帶 動 鏈 接 螺 母 的 工 作臺 進 行 線 性 運 動 ， 工 作 臺 簡 圖 （ 圖 2.1） 以 及 工 作 臺 流 程 圖 （ 圖 2.2） 如下 :2.1 工作臺流程圖152.2 工作臺流程圖2.2 設計性能指標（1）本設計的 X 方向行程:800mm ；Y 方向行程:500mm；Z 方向行程：240mm；（2）定位機構參考尺寸:1200 900mm 860mm?（3）最高運動速度 4000mm/min（4）加減速時間：1s（5）定位精度： 0.5mm?（6）工作臺和工件最大物重質量：180kg（7）工作臺表面滑動摩擦系數：0.05（8）工作壽命:每天 8 小時，工作 8 年，250 天/年16第三章 焊接機器人零部件計算3.1 絲杠的選型絲杠螺母機構又稱螺旋傳動機構。它主要用來將旋轉運動變?yōu)橹本€運動或將直線運動變?yōu)樾D運動的理想部件。3.1.2 X 軸絲杠參數的計算工 件 與 工 作 臺 的 最 大 質 量 ： 180kg最 大 行 程 ： Smax1=800mm定 位 精 度 ： ±0.2mm摩 擦 系 數 ： μ =0.02最 大 相 對 速 度 ： Nmax=1200r/min最 快 進 給 速 度 ： Vmax=6000mm/min17（ 1） 計 算 導 程根 據 電 動 機 最 大 速 度 和 最 快 進 給 速 度）（ m5206maxh??NVP（ 2） 計 算 負 載 條 件 計 算 軸 向 平 均 負 載 （ Pm） 和 平 均 轉 速 (Nm)各 種 工 作 模 式 下 軸 向 負 載 的 計 算 加 速 時 : 23-3-max s 012601t ???V?NWP 2.68.915.8ga ????μ軸 向 負 載2） 勻 速 時 ： 0.bμ軸 向 負 載3） 減 速 時 ： M.451.0.3c ???μ軸 向 負 載 ?各 動 作 模 式 1 次 循 環(huán) 所 需 時 間 （ s） 見 表 3-1表 3-1 各 動 作 模 式 1 次 循 環(huán) 所 需螺 距 為 4mm 時 的 負 載 條 件 見 表 3-2表 3-2 螺 距 為 4mm 時 的 負 載 條 件根 據 公 式 31n213331m t·. t· t· ）（ NNFFF??n21t.t·?負 載 條 件 計 算 軸 向 平 均 負 載 （ Fm） 和 平 均 轉 速 (Nm)Fm = 348N Nm=1206r/min計算壽命：動 作 模 式 加 速 勻 速 減 速 總 時 間時 間 2 6.2 2 10.2動 作 模 式 加 速 勻 速 減 速軸 向 負 載 628.2 88.2 451.8轉 速 750 1200 750所 需 時 間 比 率 19.6% 60.8% 19.6%18計算公式 63mw10·fa????????FCLh6N60s·L?式中 L——回轉時間 r（見表 3-3）——壽命時間 Km???Ca——額定動載荷 Nf w——載荷系數（見表 3-4）表 3-4 絲杠壽命表 3-4 載荷系數表 3-5 靜態(tài)完全系數 f d使用條件 f d 的下限值一般運動 1~2伴隨有沖擊與振動運動 2~3表 3-6 精度系數 ????主機類別 Lh（h）一般機床、組合機床 10000數控機床、精密機床 15000工程機械 5000~10000自動控制系統(tǒng) 15000測量系統(tǒng) 15000使用條件 f w平穩(wěn)無沖擊 1.0~1.2一般運動 1.2~1.5伴隨有沖擊振動運動 1.5~2.019精度等級 1,2,3, 4,5, 7 10???? 1.0 0.9 0.8 0.7表 3-7 精度系數 ????可靠性/% 90 95 96 97 98 99???? 1 0.62 0.53 0.44 0.33 0.214)、計算動載荷 Ca′根據工作狀態(tài)，取 f w=1.2計算公式 Ca′=（ 60×Nm ×L h） 1/3·Fm ·f w100fafc=9754(N)式中 ——精度系數 （見表 3-6）????——可靠性系數 （見表 3-7）????5） 、計算靜載荷 Coa′ （N）計算公式 C o a′=f a·F max=1×348=348（N）式中 f d——靜態(tài)完全系數（見表 3-5）6） 、估算滾珠絲杠底徑 d2m=a ??2????0 ?????? ??0=??0 ??式中 a——支撐方式系數，一端固定一端自由或游動時為 0.078，兩端固定或鉸接時取 0.039L——滾珠絲杠兩軸承支點間距離計算得 d2m=41.9由以上估算初選滾珠絲杠型號為 5005——3 型3.絲杠的校核（1） 、計算預緊力 ????= Fm/3 = 116 N ????（2） 、滾珠絲杠壓桿穩(wěn)定性校驗20597????=??1??2105??42??2??1= ??'????????式中 ——安全系數，絲杠垂直安裝為 1/2 水平安裝時為 1/3 ??1——支撐系數 （見表 3-8）??2——絲杠最大手壓長度????1——滾珠絲杠副最大軸向壓縮載荷??'????????（3） 、計算臨界轉速 Nc、 r/min 7-2s120ldf·r·d60Nc???AgIE???式中 λ ·f——與安裝方法有關的常數d1——絲杠底徑 mmls ——絲杠支承間距 mmα——安全系數 α=0.5表 3-8 臨界轉速系數 λ、f（4）臨界載荷 Pa(N)???? ??????????=4×348=1392[S] 絲杠是安全的,不會失穩(wěn)，該絲杠合適。3.1.3 Y 軸絲杠的選型選型方法及校驗方法同 X 軸絲杠3.1.4 Z 軸絲杠的選型選型方法及校驗方法同 X 軸絲杠3.1.5 滾珠絲杠副的密封與潤滑滾珠絲杠副可用防塵密封圈或防護套來防止灰塵及雜質進入滾珠絲杠副，使用潤滑劑來提高其耐磨性及傳動效率，從而維持其傳動精度、延長其使用壽命。密封圈有接觸式和非接觸式兩種，將其裝在滾珠螺母兩端即可。常用的潤滑劑有潤滑油和潤滑脂兩類。潤滑脂一般在裝配是放進滾珠螺母滾道內定期潤滑，而使用潤滑油時應注意經常通過注油孔注油。3.2 伺服電機的選型3.2.1 伺服電機簡介伺服電機可使控制速度，位置精度非常準確，可以將電壓信號轉化為轉矩和轉速以驅動控制對象。伺服電機轉子轉速受輸入信號控制，并能快速反應，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。其主要有以下優(yōu)點：（1）精度：實現(xiàn)了位置，速度和力矩的閉環(huán)控制；克服了步進電機失步的問題。22（2）穩(wěn)定性：低速運行平穩(wěn)，低速運行時將不會產生類似于步進電機的步進運行現(xiàn)象。故適用于有高速響應要求的場合。（3）轉速：高速時性能好，一般額定轉速能達到每分鐘 2000～3000 轉。（4）及時性：電機加速，減速的動態(tài)相應時間短，一般在幾十毫秒之內。（5）適應性：抵抗過載能力強，能承受高于額定轉矩三倍的負載，特別適用于有瞬間負載波動和要求快速起動的場合。（6）舒適性：噪音和發(fā)熱明顯降低。3.2.2 電機的選擇依據電機要承受兩種形式的力矩：加/減速力矩和恒定的負載力矩。以下是選擇伺服電機時應滿足的條件。（1）電動機以最大切削力矩運行的時間應在允許范圍內。（2）機床無負載時，加在電動機上的力矩小于電動機的連續(xù)額定力矩的50%。否則，在加速或減速時電動機就可能過熱。（3）加或減速時間要短，要在電動機的允許范圍內。通常，負載力矩幫助電動機的減速，故如果加速在允許時間內完成的話，減速也可在相同時間內完成。這樣我們只需計算加速力矩即可。（4）頻繁地定位和加（減）速會使電動機發(fā)熱，因此此時要計算電動機承受的力矩的均方根值 Trms，并使其小于電動機的額定力矩 Tc。（5）負載的慣量要小于電動機本身慣量的 3 倍。3.2.3 電機的選型計算預選電機型號為松下公司生產的 MDME402G1，功率為 4kw ，額定轉矩為19.1（N·m） 電機慣量為 37.6×10?4????·??2（1）計算絲杠慣量????=1????????42??=3.14×108×0.00775×0.02542×980 =25.7×10?4????·??2式中 L——絲杠的長度 m——剛密度 ?? 7.75??/??3r——絲杠的半徑 m（2）外部負載的負載轉動慣量????=????+??·(???2??） 2=25.7×10?4+180×( 0.0052×3.14)2=26.8×10?4????·??2（3）加上電機的轉動慣量23??=????+????+????=26.8×10?4+0.6×10?4+37.6×10?4=65×10?4????·??3式中 聯(lián)軸器的轉動慣量????=0.6×10?4????·??3（4）外部負載產生的摩擦扭矩????=?????2????×10?3=0.38??·??式中 F——外加軸向載荷——絲杠的導程???n——絲杠的傳動效率（5）預緊力產生的摩擦扭矩????=??????? （ 1???2）2?? ??2 ×10?3=0.022??·??式中 ????——滾 珠 絲 杠副 間 的 預緊 力 ????=????????/3 總扭矩為 0.42N·m故電機選型合適3.3 導軌型號的選擇3.3.1 X 軸軌道的選擇（1）導軌應滿足的要求導軌副主要由承導件和運動件兩大部分組成。運動方向為直線的被稱做直線運動導軌。該機構對導軌的基本要求是導向精度高、運動輕便平穩(wěn)、剛性高、耐磨性好、溫度變化影響小以及結構工藝性好。（2）導軌長度的計算以及初選型號導軌的長度：由于導軌長度影響工作臺的工作精度和高度，一般可根據滑塊導向部分的長度來確定導軌長度。公式為：L=H+S+△l-S1-S2其中: L——導軌長度H——滑塊的導向面長度S——滑塊行程△l——封閉高度調節(jié)量24S1——滑塊到上死點時，滑塊露出導軌部分的長度S2——滑塊到下死點時，滑塊露出導軌部分的長度由此計算導軌的長度為 Lx=880mm Ly=660mm lz=440mm為了滿足以上要求初選導軌型號為 GSBS35SL-1-K1-880-N3.導軌的校核由《機械設計手冊》查得這種導軌的額定動，靜載荷分別為Ca=11.3kN,Coa=14kN其中工作臺的最大重量為:G=120kg×10N=1200NF1=F2=F3=F4=1/4(G+F)=387N滾動導軌的額定壽命計算公式為：L=（ / ） KhfaCwcP??式中：L——額定壽命（km） ；——額定動載荷（KN） ；aP——當量動載荷（ KN） ；——受力最大滑塊所受的載荷（KN） ；faZ——導軌上的滑塊數；——指數，取 10/3；?K——額定壽命單位（KM） ，K=100km；——硬度系數；hf由于產品技術要求規(guī)定，導軌硬度不得低于 58HRC，故通常可取 =1hf——溫度系數，查表 3.11 得 =1tf tf表 3.11 溫度系數25工作溫度/ C010?100~150 150~200 200~250tf1 0．90 0．73 0．60——接觸系數，查表 3.12；得 =0.81c cf表 3.12 接觸系數每根導軌上的滑塊數1 2 3 4 5cf1．00 0．81 0．72 0．66 0．61——精度系數，查表 3.13；取 =1a af表 3.13 精度系數工作條件 af無外部沖擊或振動的低速運動的場合，速度小于 15m/min 1~1.5無明顯沖擊或振動的場合，速度為 15~60m/min 1.5~2有外部沖擊或高速運動的場合，速度大于 60m/min 2~3.5——載荷系數，查表 3.14；得 =1wf wf表 3.14 載荷系數精度等級 2 3 4 5wf1．0 1．0 0．9 0．9將數據帶入公式中即可算出 L=38279km壽命時間的計算當行程長度一定，以 h 為單位的額定壽命為：hnLah 6.28430174.2602133????式中 ——壽命時間（h）L——額定壽命（km）——行程長度（m）a26——每分鐘往返次數2n由于一年有 250 個工作日，每天工作 8 小時。則預計的工作壽命年限為：年年3.148506.3h??L所以選擇該型號導軌合適3.3.1 Y 軸軌道的選擇Y 軸軌道的選擇同 X 軸軌道的選擇3.3.1 軸軌道的選擇Z 軸軌道的選擇同 X 軸軌道的選擇3.4 軸承的選型軸承是當代機械設備中一種重要零部件。它的主要功能是支撐機械旋轉體，降低其運動過程中的摩擦系數，并保證其回轉精度。3.4.1X 軸軸承的選擇（1）初選軸承型號考慮到該定位機構的工作特點以及絲杠的直徑大小初選圓錐滾子軸承代號60207 （2）軸承的校核基本額定動載荷： NCrr 5.12476027.07.0????取圓錐滾子軸承當量動載荷 X 的值：X=1，Y=0.92則當量動載荷為： YFXfPard 1257)09.8641(2.)( ????軸承壽命的計算： hCnLrh .8)1257.(0)(167030???軸承的預期壽命取 =25000hhL額定動載荷的計算：N9980N896017250281670n33hr ???PC所以選擇的軸承可以滿足壽命和強度的要求。273.4.2 Y 軸軸承的選擇Y 軸軸承的選擇方法同 X 軸軸承的選擇3.4.2 Z 軸軸承的選擇Z 軸軸承的選擇方法同 X 軸軸承的選擇3.5 聯(lián)軸器的選擇聯(lián)軸器是用來聯(lián)接不同機構中的兩根軸（主動軸和從動軸）使之共同旋轉以傳遞扭矩的機械傳動件。聯(lián)軸器可分為剛性聯(lián)軸器、撓性聯(lián)軸器、安全聯(lián)軸器三種。3.5.1 X 軸聯(lián)軸器的選擇（1）初選聯(lián)軸器根據該定位機構傳遞載荷的是恒定的，機構工作需要平穩(wěn)準確可靠等特點，被聯(lián)接兩部件的安裝精度等，參考各類聯(lián)軸器特性，選擇剛性聯(lián)軸器。根據所需聯(lián)接兩周初選 GY5 （2）聯(lián)軸器的校核聯(lián)軸器轉矩的計算公式： n950PKTAC???式中：K——工作情況系數P——輸出功率（kw）T——理論轉矩 N.m——計算轉矩 N.mCN——工作轉速 r/mi n則聯(lián)軸器的轉矩為(考慮動載荷及過載,取聯(lián)軸器工作情況系數 K=1.5)：950PKTAC???= m192.1??NnT?經計算選擇該聯(lián)軸器合適。3.5.2 Y 軸聯(lián)軸器的選擇Y 軸聯(lián)軸器的選擇同 X 軸聯(lián)軸器的選擇283.5.3 Y 軸聯(lián)軸器的選擇Z 軸聯(lián)軸器的選擇同 X 軸聯(lián)軸器的選擇3.6 機座以及連接板的設計機座是支承其他零部件的基礎部件。它既要承受其他零部件的重量和工作載荷，又能起保證各零部件相對位置的基準作用。機座多采用鑄件。其基本特點是尺寸較大、結構復雜、加工面多，幾何精度和相對位置精度要求高。機座和連接板材料的選用，主要根據他們的使用要求，由于多數形狀較復雜，故一般采用鑄造，由于鑄鐵具有流動性好，體收縮和線收縮小，容易獲得形狀復雜的鑄件。在鑄造中加入少量合金元素可提高耐磨性能。內摩擦大、阻尼作用強，故動態(tài)剛性好等特點所以選用 HT200，其特點是抗拉強度和塑性低，但鑄造性能和減震性能好。29第四章 結論畢業(yè)設計轉眼間就到了掃尾階段，在這段時間的設計學習過程中，我取得了長足的進步。我的畢業(yè)設計的課題是焊接機器人的結構設計，這是一個我以前所沒有接觸的。我對它來說完全是一個陌生者，經過指導老師的幫助和對參考資料的拜讀，我已經對焊接機器人有了一定的了解。機械自動化作為工業(yè)發(fā)展的一個方向，它有著廣闊的市場，屬于實際需要去研制的一種項目。通過這次設計，提高了我分析和解決問題的能力，擴寬和深化了學過的知識，掌握了設計的一般程序規(guī)范和方法，培養(yǎng)了我們正確使用機身材料、國家標準、圖冊等工具書的能力。畢業(yè)設計是對未來工作的一種模擬。至此，完成了焊接機器人的主要部件的設計，其它輔助部件的設計如軸承主要遵循運動平穩(wěn)，定位精度高的原則進行設計。但由于工作實際經驗的缺乏及知識面的不足，對一些參數和元件的選擇可能不是很合理，有一定的浪費，系統(tǒng)機構的設計不夠完善。在以后我也一定要繼續(xù)學習，不斷提高自己的專業(yè)技能。30參考文獻：[1]徐灝主編.機械設計手冊 3[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.[2]徐灝主編.機械設計手冊 4[M].北京：機械工業(yè)出版社,2008.[3]徐灝主編.機械設計手冊 5[M].北京：機械工業(yè)出版社,2008.[4] 機械設計手冊編委會．機械設計手冊[S]．北京：機械工業(yè)出版社，2005．[5]張建民著.工業(yè)機器人[M].北京：北京理工大學出版社,2006. 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