焊接機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【全套設(shè)計(jì)、畢業(yè)論文、CAD圖紙】

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買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 197216396 或 11970985i摘 要本設(shè)計(jì)為焊接機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要研究內(nèi)容：腰部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)；大、小臂和腕部回轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)由整體布局入手，參考現(xiàn)有關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的相關(guān)設(shè)計(jì)，初步確定腰部的轉(zhuǎn)動慣量，從而確定電機(jī)的選型，安裝等相關(guān)設(shè)計(jì)。在機(jī)械臂的靈活和精度的前提下完成總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，然后根據(jù)總體結(jié)構(gòu)，從而確定本設(shè)計(jì)的機(jī)械臂各個(gè)主要零部件的設(shè)計(jì)。在主要零部件的設(shè)計(jì)中，主要包括腰部殼體的設(shè)計(jì)、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軸承的選擇、電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算、大小臂的結(jié)構(gòu)和固定等。本設(shè)計(jì)整體在現(xiàn)有關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)上做了修改，使得它能夠更好的滿足本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、外形尺寸小、設(shè)備費(fèi)用低、運(yùn)轉(zhuǎn)安全、操作方便、便于維修和管理。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；諧波減速器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 197216396 或 11970985iiABSTRACTThe 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總評成績： 買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 197216396 或 11970985iii目 錄第一章 緒論 . 1 第二章 焊接機(jī)器人的總體方案 5 2.1 總體設(shè)計(jì)的思路 . 5 2.2 自由度和坐標(biāo)系的選擇 . 5 2.3 自由度和坐標(biāo)系的選擇 . 6 2.4 焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 6 2.5 機(jī)械手的組成 7 第三章 驅(qū)動方式的選擇 11 3.1 液壓驅(qū)動 11 3.2 氣壓驅(qū)動 11 3.3 電機(jī)驅(qū)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(jī)器人的組成 . 16 5.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) . 16 第六章 腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 18 6.1 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求 . 18 6.2 腕部結(jié)構(gòu)及選擇 . 18 第七章 臂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算 26 7.1 臂部結(jié)構(gòu) . 26 7.2 臂部結(jié)構(gòu)的選擇及計(jì)算校核 . 27 第八章 機(jī)械手機(jī)座設(shè)計(jì) 29 8.1 機(jī)座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 29 8.2 電動機(jī)的選擇 . 29 第九章 機(jī)械手材料選擇 31 9.1 材料選擇原則 . 31 買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 197216396 或 11970985ii8.2 電動機(jī)的選擇 . 32 第十章 焊接機(jī)器人的運(yùn)動軌跡計(jì)算 . 34 9.1 位姿矩陣 . 34 9.2 焊接機(jī)器人位姿方程的正、逆解 . 38 總 結(jié) . 41 致 謝 . 42 參考文獻(xiàn) . 43 買文檔就送您 CAD 圖紙全套，Q 號交流 197216396 或 11970985iii- 1 -第 1 章 緒論工業(yè)機(jī)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(jī)械設(shè)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(zhuǎn)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(yù)） 。它們通常配備有機(jī)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(yùn)操作與加工制造的任務(wù)。機(jī)器人是靠自身動力和控制能力來實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)器人協(xié)會給機(jī)器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)，或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。 焊接機(jī)器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機(jī)器人。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO ）工業(yè)機(jī)器人術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)的定義，工業(yè)機(jī)器人是一種多用途的、可重復(fù)編程的自動控制操作機(jī)（Manipulator） ，具有三個(gè)或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動化領(lǐng)域。為了適應(yīng)不同的用途，機(jī)器人最后一個(gè)軸的機(jī)械接口，通常是一個(gè)連接法蘭，可接裝不同工具或稱末端執(zhí)行器。焊接機(jī)器人就是在工業(yè)機(jī)器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進(jìn)行焊接，切割或熱噴涂。焊接機(jī)器人主要包括機(jī)器人和焊接設(shè)備兩部分。點(diǎn)焊機(jī)器人（spot welding robot）用于點(diǎn)焊自動作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人。世界上第一臺點(diǎn)焊機(jī)于 1965 年開始使用，是美國 Unimation 公司推出的 Unimate 機(jī)器人，中國在 1987 年自行研制成第一臺點(diǎn)焊機(jī)器人──華宇-Ⅰ型點(diǎn)焊機(jī)器人。點(diǎn)焊機(jī)器人由機(jī)器人本體、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、示教盒和點(diǎn)焊焊接系統(tǒng)幾部分組成，由于為了適應(yīng)靈活動作的工作要求，通常電焊機(jī)器人選用關(guān)節(jié)式工業(yè)機(jī)器人的基本設(shè)計(jì)，一般具有六個(gè)自由度：腰轉(zhuǎn)、大臂轉(zhuǎn)、小臂轉(zhuǎn)、腕轉(zhuǎn)、腕擺及腕捻。其驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動和電氣驅(qū)動兩種。其中電氣驅(qū)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(diǎn)，因此應(yīng)用較為廣泛。從機(jī)器人誕生到本世紀(jì) 80 年代初，機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)長期緩慢的發(fā)展過程。到了 90 年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。工業(yè)機(jī)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(jī)器人的制造成本和價(jià)格卻不斷下降。在西方社會，和機(jī)器人價(jià)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- 2 -業(yè)帶來了不小的壓力，而機(jī)器人價(jià)格指數(shù)的降低又恰巧為其進(jìn)一步推廣應(yīng)用帶來了契機(jī)。減少員工與增加機(jī)器人的設(shè)備投資，在兩者費(fèi)用達(dá)到某一平衡點(diǎn)的時(shí)候，采用機(jī)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(chǎn)設(shè)備的自動化水平，從而提高勞動生產(chǎn)率，同時(shí)又可提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量，提高企業(yè)的整體競爭力。雖然機(jī)器人一次性投資比較大，但它的日常維護(hù)和消耗相對于它的產(chǎn)出遠(yuǎn)比完成同樣任務(wù)所消耗的人工費(fèi)用小。因此，從長遠(yuǎn)看，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本還會大大降低。而機(jī)器人價(jià)格的降低使一些中小企業(yè)投資購買機(jī)器人變得輕而易舉。因此，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用在各行各業(yè)得到飛速發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界在役的工業(yè)機(jī)器人中大約有將近一半的工業(yè)機(jī)器人用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域。 焊接機(jī)器人具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、改善工人勞動條件、提高勞動生產(chǎn)率等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、通用機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)和兵器工業(yè)等行業(yè)。我國自上個(gè)世紀(jì) 70 年代末開始進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的研究，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，在技術(shù)和應(yīng)用方面均取得了長足的發(fā)展，對國民經(jīng)濟(jì)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(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，焊接機(jī)器人技術(shù)的研究十分活躍，焊接機(jī)器人技術(shù)研究主要集中在焊縫跟蹤技術(shù)、離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)、多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)、專用弧焊電源技術(shù)、焊接機(jī)器人系統(tǒng)仿真技術(shù)、機(jī)器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術(shù)等七個(gè)方面。應(yīng)用點(diǎn)焊機(jī)器人，有如下優(yōu)點(diǎn)：a.容易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的完全自動化；b.對生產(chǎn)設(shè)備的適應(yīng)能力將大大加強(qiáng)；c.可以提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率及質(zhì)量；d.可以明顯改善工作條件。我國的工業(yè)機(jī)器人從 80 年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；應(yīng)用規(guī)模小，沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)。 工業(yè)機(jī)器人在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用最早是從汽車裝配生產(chǎn)線上的電阻點(diǎn)焊開始的。原因在于電阻點(diǎn)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(jī)器人的精度和重復(fù)精度的控制要求比較低。國際工業(yè)機(jī)器人企業(yè)憑借與各大汽車企業(yè)的長期合作關(guān)系，向各大型汽車生產(chǎn)企業(yè)提供各類點(diǎn)焊機(jī)器人單元產(chǎn)品并以焊接機(jī)器人與整車生產(chǎn)線配套形式進(jìn)入中國，在該領(lǐng)域占據(jù)市場主導(dǎo)地位。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，焊接生產(chǎn)線要求焊鉗一體化，重量越來越大，165公斤點(diǎn)焊機(jī)器人是目前汽車焊接中最常用的一種機(jī)器人。2008 年 9 月，機(jī)器人研究所研制完成國內(nèi)首臺 165 公斤級點(diǎn)焊機(jī)器人，并成功應(yīng)用于奇瑞汽車焊接車間。- 3 -2009 年 9 月，經(jīng)過優(yōu)化和性能提升的第二臺機(jī)器人完成并順利通過驗(yàn)收，該機(jī)器人整體技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國外同類機(jī)器人水平。 經(jīng)過 50 年的艱苦努力，中國焊接生產(chǎn)機(jī)械化自動化技術(shù)發(fā)展應(yīng)用，取得了很大的成就，焊接生產(chǎn)過程機(jī)械化與自動化程度已達(dá)到 20%。在以焊接技術(shù)為主導(dǎo)制造工藝技術(shù)的大中型骨干企業(yè)，焊接生產(chǎn)過程綜合機(jī)械化與自動化程度已達(dá)到40%～ 45%。在機(jī)床、鍋爐、汽車、化工機(jī)械、工程機(jī)械和重型機(jī)械等國家重點(diǎn)骨干企業(yè)，通過引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)及相應(yīng)配套的自動化焊機(jī)、成套焊接設(shè)備、焊接生產(chǎn)線和柔性制造系統(tǒng)，使焊接生產(chǎn)機(jī)械化與自動化技術(shù)達(dá)到了國際 90 年代初的先進(jìn)水平，進(jìn)入世界先進(jìn)之列。 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢：目前國際機(jī)變機(jī)界都在加大科研力度，進(jìn)變機(jī)變機(jī)共性技術(shù)的研究。從機(jī)變機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢看，焊安機(jī)變機(jī)和其它工畢機(jī)變機(jī)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(gè)方面：  機(jī)變機(jī)操動機(jī)結(jié)構(gòu)：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(shí)現(xiàn)機(jī)變機(jī)操動機(jī)構(gòu)的優(yōu)化畢畢。探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高總載/自重比。  機(jī)變機(jī)機(jī)機(jī)系統(tǒng)：重打研究開放式，電電化機(jī)機(jī)系統(tǒng)。向基于 PC 機(jī)的開放型機(jī)機(jī)變方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；變件集成度提高，機(jī)機(jī)機(jī)日見小巧，且采用電電化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操動性和可維修性；機(jī)機(jī)系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高，實(shí)現(xiàn)軟件伺服和安數(shù)字機(jī)機(jī)；機(jī)機(jī)界面更加友好。機(jī)變機(jī)傳感技術(shù)：機(jī)變機(jī)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(jī)，裝配、焊安機(jī)變機(jī)還應(yīng)用了激光傳感變、視覺傳感變和力傳感變，并實(shí)現(xiàn)了焊縫自動跟蹤和自動化生產(chǎn)機(jī)變物體的自動定變以及精密裝配動畢等，大大提高了機(jī)變機(jī)的動畢性能和對環(huán)境的適應(yīng)性。  網(wǎng)絡(luò)與光功能：日本 YASKAWA 和德國 KUKA 公司的最新機(jī)變機(jī)機(jī)機(jī)變已實(shí)現(xiàn)了與 Canbus、Profibus 總機(jī)及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)安，使機(jī)變機(jī)由過去的獨(dú)立應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步，也使機(jī)變機(jī)由過去的專用畢備向標(biāo)準(zhǔn)化畢備發(fā)展。  虛擬機(jī)變機(jī)技術(shù)：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)變機(jī)中的動用已從仿真、預(yù)演發(fā)展大用于過正機(jī)機(jī)，如使遙機(jī)機(jī)變機(jī)操動者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)安動畢環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)變機(jī)?；诙鄠鞲凶?、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)變機(jī)的虛擬遙機(jī)操動和機(jī)機(jī)三互。  機(jī)變機(jī)性能價(jià)格比：機(jī)變機(jī)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(jī)價(jià)格不斷定定。由于微畢子技術(shù)的快高發(fā)展和大規(guī)電集成畢畢的應(yīng)用，使機(jī)變機(jī)系統(tǒng)的可靠性有了很大提高  - 4 -多智能體調(diào)機(jī)技術(shù)：這是目前機(jī)變機(jī)研究的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、三互長的與光與磋商機(jī)理，感知與三三方法，建電和規(guī)劃、群體變?yōu)闄C(jī)機(jī)等方面進(jìn)變研究。本文首先確定了機(jī)械手的總體布局，然后提出了各個(gè)部分的具體設(shè)計(jì)方案，根據(jù)方案，主要的設(shè)計(jì)和研究內(nèi)容有：a. 腰部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；b. 大臂擺動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；c. 小臂擺動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；d. 腕部擺動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。- 5 -- 6 -第二章 焊接機(jī)器人的總體方案該設(shè)計(jì)的目的是為了設(shè)計(jì)一臺焊接機(jī)器人，本章主要對焊接機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。2.1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下:a. 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式、龍門式、天車式三種結(jié)構(gòu)。b. 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動及兩個(gè)直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。c. 球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動和一個(gè)直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類球形的空間。d. 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人。2.2 總體設(shè)計(jì)的思路設(shè)計(jì)機(jī)器人大體上可分為兩個(gè)階段：(1) 系統(tǒng)分析階段①根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)，明確所采用機(jī)器人的目的和任務(wù)；②分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境；③根據(jù)機(jī)器人的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方案。如機(jī)器人的自由度、- 7 -信息的存儲量、計(jì)算機(jī)功能、動作精度的要求、容許的運(yùn)動范圍、以及對溫度、震動等環(huán)境的適應(yīng)性。(2) 技術(shù)設(shè)計(jì)階段①根據(jù)系統(tǒng)的要求確定機(jī)器人的自由度和允許的空間工作范圍，選擇機(jī)器人的坐標(biāo)形式；②擬訂機(jī)器人的運(yùn)動路線和空間作業(yè)圖；③確定驅(qū)動系統(tǒng)的類型；④選擇各部件的具體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行機(jī)器人總裝圖的設(shè)計(jì)；⑤繪制機(jī)器人的零件圖，并確定尺寸。2.3 自由度和坐標(biāo)系的選擇機(jī)器人的運(yùn)動自由度是指各運(yùn)動部件在三維空間相當(dāng)于固定坐標(biāo)系所具有的獨(dú)立運(yùn)動數(shù)，對于一個(gè)構(gòu)件來說，它有幾個(gè)運(yùn)動坐標(biāo)就稱其有幾個(gè)自由度。各運(yùn)動部件自由度的總和為機(jī)器人的自由度數(shù)。自由度一般為 3-6 個(gè)（不包括手部）,本次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人為 4 自由度。2.4 焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求，包括對機(jī)器整機(jī)的設(shè)計(jì)要求和對組成零件的設(shè)計(jì)要求兩個(gè)方面，兩者相互聯(lián)系、相互影響。(1) 對機(jī)器整機(jī)設(shè)計(jì)的要求對機(jī)器使用功能方面的要求：實(shí)現(xiàn)預(yù)定的使用功能是機(jī)械設(shè)計(jì)的最基本要求，好的使用性能指標(biāo)使設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。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(shè)計(jì)時(shí)所要求的。對機(jī)器經(jīng)濟(jì)性的要求：機(jī)器的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在設(shè)計(jì)、制造和使用的全過程中，在設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)要全面綜合的進(jìn)行考慮。設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)為合理的功能定位、實(shí)現(xiàn)使用功能要求的最簡單的技術(shù)途徑和最簡單合理的結(jié)構(gòu)。(2) 對零件設(shè)計(jì)的基本要求機(jī)械零件是組成機(jī)器的基本單元，對機(jī)器的設(shè)計(jì)要求最終都是通過零件的設(shè)計(jì)要求來實(shí)現(xiàn)的，所以設(shè)計(jì)零件時(shí)應(yīng)滿足的要求是從設(shè)計(jì)機(jī)器的要求中引申出來的，即也應(yīng)從保證滿足機(jī)器的使用功能要求和經(jīng)濟(jì)性要求兩個(gè)方面來考慮。要求在預(yù)定的工作期限內(nèi)正常可靠的工作，從而保證機(jī)器的各種功能的正常實(shí)現(xiàn)。這就要求零件在預(yù)定的壽命期內(nèi)不會產(chǎn)生各種可能的失效，即要求零件在強(qiáng)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(chǎn)制造成本，這要求從零件的設(shè)計(jì)和制造等多方面加以考慮。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理地選擇材料和毛坯的形式、設(shè)計(jì)簡單合理的零件結(jié)構(gòu)、合理規(guī)定零件加工的公差等級以及認(rèn)真考慮零件的加工工藝性和裝配工藝性等。另外要盡量- 8 -采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化的零部件。任何一種機(jī)器都有動力機(jī)、傳動裝置和工作機(jī)組成。動力機(jī)是機(jī)器工作的能量來源，可以直接利用自然資源或二次資源轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，如水輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)、電動機(jī)、液壓馬達(dá)、氣動馬達(dá)等。工作機(jī)是機(jī)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用來實(shí)現(xiàn)機(jī)器的動力和運(yùn)動功能，如機(jī)器人的末端執(zhí)行器就是工作機(jī)。傳動裝置則是一種實(shí)現(xiàn)能量傳遞和兼有其他作用的裝置。本次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示:圖 2.1 焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖2.5 機(jī)械手的組成機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)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(guān)系如方框圖 2.2 所示。控制系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng) 工作對象執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置檢測裝置圖 2.2 機(jī)械手的組成方框圖a. 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。- 9 -(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(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛；平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，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(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)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(nèi)撐式；指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。 而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)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(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電吸磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)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(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。對于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)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(chǎn)生。用負(fù)壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機(jī)械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機(jī)床上下料機(jī)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(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動作范圍，并使機(jī)械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動、上下擺動、左右擺動.一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動在增加一個(gè)上下擺動即可滿足要求，有些動作較為簡單的專用機(jī)械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動驅(qū)動手部搬運(yùn)工件。目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度小，并且要求嚴(yán)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(zhuǎn)角的情況，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。(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(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置。工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運(yùn)- 10 -動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動。手臂在進(jìn)行伸縮或升降運(yùn)動時(shí)，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按正確方向運(yùn)動。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)在啟動、制動瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運(yùn)動部件受力狀態(tài)簡單。導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和 V 形槽、燕尾槽等導(dǎo)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(zhuǎn)運(yùn)動和升降(或俯仰 )運(yùn)動均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱通常為固定不動的，但因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。(5) 行走機(jī)構(gòu)當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動。滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動滾輪運(yùn)動則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動裝置。(6) 機(jī)座機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。b. 驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的動力裝置，通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機(jī)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(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)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(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息( 如動作順序、運(yùn)動軌跡、運(yùn)動速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號。d. 位置檢測裝置控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。- 11 -本題目規(guī)格參數(shù):腰部回轉(zhuǎn)最大角度 280 度；擺動最大角度 120 度；工作范圍范圍 0-450mm； 本機(jī)械手的主要?jiǎng)幼魇牵菏紫妊炕剞D(zhuǎn)機(jī)械臂和焊點(diǎn)處于同一平面；接著大臂回轉(zhuǎn)，調(diào)整焊槍和焊點(diǎn)的距離；然后小臂回轉(zhuǎn)，使焊槍接觸焊點(diǎn)；最后腕部回轉(zhuǎn)，使焊槍和焊點(diǎn)垂直，達(dá)到焊接的目的。- 12 -第三章 驅(qū)動方式的選擇目前焊接機(jī)器人常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電機(jī)驅(qū)動等多種方式，各種驅(qū)動方式都有其自身的特點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人中液壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動應(yīng)用很廣泛，有些機(jī)器人則同時(shí)采用多種驅(qū)動方式，這都視不同機(jī)器人的特點(diǎn)和要求所定。比較這些驅(qū)動方式的特點(diǎn)，從而選擇適合焊接機(jī)器人的驅(qū)動方式。3.1 液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動的特點(diǎn)：（1）驅(qū)動力和驅(qū)動力矩較大，臂力可達(dá) 100 公斤；（2）速度反應(yīng)性好，因?yàn)楸或?qū)動件的速度快慢取決于油液的容積變化，所以當(dāng)不考慮油液的溫度變化時(shí)，被驅(qū)動系統(tǒng)的滯后也幾乎沒有，而且液壓機(jī)構(gòu)的重量輕、慣性小，因此他的速度反應(yīng)性較好；（3）調(diào)速范圍大，而且可以無級調(diào)速，易于適應(yīng)不同的工作要求；（4）傳動平穩(wěn)，能吸收沖擊力，可以實(shí)現(xiàn)較頻繁而平穩(wěn)的換向；（5）在產(chǎn)生相同驅(qū)動力的條件下，液壓驅(qū)動比其他驅(qū)動方式體積小、重量輕、慣性??；（6）定位精度比氣動高，但比電機(jī)低；（7）液壓系統(tǒng)的泄漏對機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的剛性，影響定位精度（產(chǎn)生爬行）；（9）油液的溫度和粘度變化影響傳動性能。液壓驅(qū)動機(jī)器人多用于要求臂力較大而且運(yùn)動速度較低的工作場合。3.2 氣壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動的特點(diǎn)：（1）通過調(diào)節(jié)氣流，就可實(shí)現(xiàn)無級變速；（2）由于壓縮空氣粘性小，流速大，因此氣壓驅(qū)動的機(jī)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(jià)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(yīng)，遠(yuǎn)距離輸送；（5）壓縮空氣的壓縮性較大，因此使機(jī)器人的運(yùn)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(shí)噪聲較大，另外還須考慮潤滑和防銹等；- 13 -（5）壓縮空氣的工作壓力較低，致使機(jī)器人結(jié)構(gòu)較大。因此，氣壓驅(qū)動的機(jī)器人，常用于臂力小于 30 公斤、運(yùn)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(jī)驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)按電機(jī)的功能可分為直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、交流異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)和多態(tài)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)等。各種電機(jī)驅(qū)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(jī)驅(qū)動的特點(diǎn)：（1）電機(jī)驅(qū)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(yīng)靈敏，可實(shí)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(fù)雜；（3）電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)響應(yīng)速度很快；（4）伺服電動機(jī)易標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動機(jī)一般需要配置減速裝置，出 DD 電動機(jī)外，難以直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題；（5）電機(jī)驅(qū)動的設(shè)備自身無爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)，直流有刷電動機(jī)換向時(shí)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(fù)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(jī)器人；（8）維修和使用都較復(fù)雜。電機(jī)驅(qū)動機(jī)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(qū)動的都高；電機(jī)系統(tǒng)將電動機(jī)、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(gè)電機(jī)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(jī)根據(jù)運(yùn)行距離及電機(jī)的脈沖當(dāng)量算出脈沖數(shù)，將數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，可達(dá)到非常高的位姿準(zhǔn)確度，這些都是電機(jī)驅(qū)動獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)。相對的，液壓與氣壓驅(qū)動系統(tǒng)組成機(jī)構(gòu)繁瑣，維護(hù)不方便。綜上所述，選擇電機(jī)驅(qū)動作為焊接機(jī)器人的驅(qū)動方式。- 14 -第四章 傳動方式的選擇傳動裝置是一種實(shí)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(yùn)動形式的改變；運(yùn)動速度的改變。傳動通常分為兩類：第一類是機(jī)械能不發(fā)生改變的傳動——機(jī)械傳動；第二類是機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑螂娔苻D(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的傳動——電傳動。機(jī)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(jī)器人的實(shí)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(jìn)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(dāng)主動輪回轉(zhuǎn)時(shí)，依靠帶與帶輪接觸面見的摩擦力拖動從動輪一起回轉(zhuǎn)，從而傳遞一定的運(yùn)動和動力。帶傳動具有的優(yōu)點(diǎn)：（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?。唬?）有過載保護(hù)作用，當(dāng)過載時(shí)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(jī)構(gòu)簡單，制造、安裝、維護(hù)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(dá) 15 米） 。帶傳動具有的缺點(diǎn)：（1）由于彈性滑動的存在，使得傳動效率降低，不能保證準(zhǔn)確的傳動比；（2）由于帶傳動需要初始緊張，因此，當(dāng)傳遞同樣大的圓周力時(shí)，與嚙合傳動相比軸上的壓力較大；（3）結(jié)構(gòu)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(chǎn)生摩擦放電現(xiàn)象；（6）不宜用于有爆炸危險(xiǎn)的場合?，F(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(jīng)克服了以上大部分缺點(diǎn)。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(yùn)動和動力。- 15 -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(diǎn)：（1）鏈傳動沒有彈性滑動和打滑現(xiàn)象，因而能保持準(zhǔn)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?。唬?）在同樣的使用條件下，鏈傳動結(jié)構(gòu)較為緊湊。與齒輪傳動相比，鏈傳動的優(yōu)點(diǎn)：（1）鏈傳動的制造安裝精度要求較低，成本低廉；（2）在遠(yuǎn)距離傳動時(shí)，其結(jié)構(gòu)比齒輪傳動輕便得多。鏈傳動的主要缺點(diǎn)：（1）在兩根平行軸間只能用于同向回轉(zhuǎn)傳動；（2）運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不能保持恒定的瞬時(shí)傳動比；（3）磨損后易發(fā)生跳齒；（4）工作時(shí)有噪聲；（5）不宜在速度變化很大和急速方向的運(yùn)動中應(yīng)用。鏈傳動主要用在要求工作可靠，且兩軸相距較遠(yuǎn)，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(jī)械傳動中應(yīng)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(diǎn)：（1）傳動效率高，在常用的機(jī)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(dá) 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(shí)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(jié)構(gòu)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(hù)條件下，具有其他機(jī)械傳動無法比擬的高可靠性和壽命。齒輪傳動的主要缺點(diǎn)有：（1）對齒輪制造、安裝要求高；（2）齒輪制造常用插齒機(jī)和滾齒機(jī)等專用機(jī)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(hù)保養(yǎng)，因此齒輪傳動成本和費(fèi)用高；- 16 -（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(shí)現(xiàn)交錯(cuò)角為 90°的兩軸間動力和運(yùn)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(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大、傳動平穩(wěn)和可以自鎖等顯著特點(diǎn)。蝸桿傳動的主要缺點(diǎn)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(shí)間連續(xù)工作的應(yīng)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(chǎn)生的。綜上所述，這里采用齒輪傳動。- 17 -第五章 焊接機(jī)器人的組成焊接機(jī)器人由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。5.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)（1）手部手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單） 。手部多為兩指（也有多指） ；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)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(shè)計(jì)為焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)，因此手部并無其他結(jié)構(gòu)，僅僅是一個(gè)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(diào)節(jié)焊槍的方位，以擴(kuò)大焊槍的工作范圍，并使手部變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動再增加一個(gè)上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機(jī)械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動驅(qū)動手部搬運(yùn)工件。目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮?270°）,并且要求嚴(yán)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(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人的腕部是利用液壓缸實(shí)現(xiàn)手部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。腕部的驅(qū)動方式采用直接驅(qū)動的方式，由于腕部裝在手臂的末端，所以必須設(shè)計(jì)的十分緊湊可以把驅(qū)動源裝在手腕上。機(jī)器人手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動是由電機(jī)和行星輪系實(shí)現(xiàn)的。（3）臂部手臂部件是機(jī)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(yùn)動。臂部運(yùn)動的目的：把手部送到直線運(yùn)動范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位） ，則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有一個(gè)自由度就能滿足基本要求，即臂部的伸縮運(yùn)動。臂部的運(yùn)動通常用驅(qū)動機(jī)構(gòu)（電機(jī)）和各種傳動機(jī)構(gòu)來實(shí)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(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。機(jī)器人臂部的伸縮使- 18 -其手臂的工作長度發(fā)生變化，在直角坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)中，手臂的最大工作長度決定其末端所能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離。（4）機(jī)身機(jī)身部分運(yùn)動的目的：把臂部送到直線運(yùn)動范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變臂部的姿態(tài)（方位） ，則用機(jī)身的自由度加以實(shí)現(xiàn)。機(jī)身的各種運(yùn)動通常用驅(qū)動機(jī)構(gòu)（電機(jī)）和各種傳動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從機(jī)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(yùn)動較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基座的機(jī)身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。機(jī)身的運(yùn)動參數(shù)：回轉(zhuǎn)范圍： 。機(jī)器人機(jī)身的伸縮使其工作長度發(fā)生變化，在直角坐標(biāo)式09~??結(jié)構(gòu)中，機(jī)身的最大工作長度決定其末端所能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離。機(jī)身部分的回轉(zhuǎn)運(yùn)動的驅(qū)動源來自電機(jī)。本章從焊接機(jī)器人的實(shí)用方面入手，提出了一套總體設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)機(jī)器人自由度的要求選取直角坐標(biāo)系為本次設(shè)計(jì)坐標(biāo)系。同時(shí)，就焊接機(jī)器人的組成（執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)）以及現(xiàn)實(shí)作業(yè)，給出了具體的手部、腕部、臂部和基座的結(jié)構(gòu)形式；并選擇電機(jī)驅(qū)動作為本次設(shè)計(jì)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。最后，給出了設(shè)計(jì)中所需的技術(shù)參數(shù)。- 19 -第六章 腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)6.1 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求(1) 力求結(jié)構(gòu)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(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。(2) 結(jié)構(gòu)考慮，合理布局腕部作為焊接機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐焊槍的作用，除保證力和運(yùn)動的要求外，要有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)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(shè)計(jì)，焊接機(jī)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(zhì)中，所以對焊接機(jī)器人的腕部沒有太多不利因素。6.2 腕部結(jié)構(gòu)及選擇6.2.1 腕部結(jié)構(gòu)手腕部件設(shè)置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運(yùn)動的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變或調(diào)整手部在空間的位置，以擴(kuò)大機(jī)械手的動作范圍，并使機(jī)械手變得靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕的運(yùn)動形式可以有：繞 Y 軸轉(zhuǎn)動稱為上下擺動；繞 Z 軸轉(zhuǎn)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(shè)有回轉(zhuǎn)或再增加一個(gè)上下擺動即可滿足工作要求。6.2.2 電動機(jī)選擇由查表得，以及考慮到安全系數(shù) S,一般取 S=1.5，大致確定 P 至少大于 1KW。綜合以上數(shù)據(jù) 130SYX-01 型號伺服電機(jī)，其參數(shù)如下：額定功率=1.2KW額定轉(zhuǎn)矩=4N/M額定轉(zhuǎn)速=3000r/min額定電壓=160V額定電流=9.4A峰值轉(zhuǎn)矩=32N/M- 20 -電樞電阻=0.2 ?電框電感=3.2MH6.2.3 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(chǎn)生彈性機(jī)械波來傳遞動力和運(yùn)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(chǎn)生彈性機(jī)械波來傳遞動力和運(yùn)動的一種行星齒輪傳動。 （1）傳動原理 它主要由三個(gè)基本構(gòu)件組成：（1）帶有內(nèi)齒圈的剛性齒輪（剛輪）2，它相當(dāng)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(dāng)于行星齒輪；（3）諧波發(fā)生器 H，它相當(dāng)于行星架。當(dāng)諧波發(fā)生器為主動時(shí)，凸輪在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)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(shí)柔輪的齒就在變形的過程中進(jìn)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(nèi)，再將它們裝入柔輪內(nèi)。此時(shí)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(nèi)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(nèi)，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(nèi)轉(zhuǎn)動時(shí)，迫使柔輪產(chǎn)生連續(xù)的彈性變形，此時(shí)波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)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(fù)不斷地改變各自原來的嚙合狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱之錯(cuò)齒運(yùn)動，正是這一錯(cuò)齒運(yùn)動，作為減速器就可將輸入的高速轉(zhuǎn)動變?yōu)檩敵龅牡退俎D(zhuǎn)動。 對于雙波發(fā)生器的諧波齒輪傳動，當(dāng)波發(fā)生器順時(shí)針轉(zhuǎn)動1/8 周時(shí)，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(zhuǎn)動（角位移）了1/4 齒；同理，波發(fā)生器再轉(zhuǎn)動1/8周時(shí)，重復(fù)上述過程，這時(shí)柔輪位移一個(gè)齒距。依此類推，波發(fā)生器相對剛輪轉(zhuǎn)動一周時(shí)，柔輪相對剛輪的位移為兩個(gè)齒距。 柔輪齒和剛輪齒在節(jié)圓處嚙合過程就如同兩個(gè)純滾動（無滑動）的圓環(huán)一樣，- 21 -兩者在任何瞬間，在節(jié)圓上轉(zhuǎn)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(gè)齒距，所以柔輪在嚙合過程中，就必須相對剛輪轉(zhuǎn)過兩個(gè)齒距的角位移，這個(gè)角位移正是減速器輸出軸的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)了減速的目的。 諧波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動，迫使柔輪上的一點(diǎn)不斷的改變位置，這時(shí)在柔輪的節(jié)圓的任一點(diǎn)，隨著波發(fā)生器角位移的過程，形成一個(gè)上下左右相對稱的和諧波，故稱之為：“諧波 ”。（二）特點(diǎn) 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(shí)嚙合齒數(shù)（重疊系數(shù)）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(dá) 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(yùn)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(qiáng)度、加工和熱處理要求較高，工藝復(fù)雜。諧波減速器在國內(nèi)于六七十年代才開始研制，到目前已有不少廠家專門生產(chǎn)，并形成系列化。廣泛應(yīng)用于電子、航天航空、機(jī)器人等行業(yè)，由于它的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在化工行業(yè)的應(yīng)用也逐漸增多。（三）減速器的選擇根據(jù)電動機(jī)的參數(shù)，有《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》表 15-2-129 查表選出諧波減速器型號為：XB1-120-150。XB1 為產(chǎn)品代號，120 機(jī)型，150 表示減速比。其參數(shù)為：輸入功率=1.25KW輸入轉(zhuǎn)速=3000r/min輸出轉(zhuǎn)矩=450N/M輸出轉(zhuǎn)速=20r/min6.2.4 軸的計(jì)算（一）軸材料選擇軸的材料選用 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理， 。??pa360M??（二）軸的校核軸因?yàn)槭秦Q直的，本身自重可以忽略不計(jì)，彎矩作用可以忽略，看成軸只受扭矩作用。- 22 -故只對軸扭矩進(jìn)行校核。對軸進(jìn)行簡化計(jì)算：從齒輪計(jì)算中得到轉(zhuǎn)矩 ，m.38201NT?得到的扭矩圖：由圖可知，危險(xiǎn)截面在 C 面。在 C 面：扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：39-33t m10271654.??DW?pa.980t MT?在 C 無須進(jìn)行彎轉(zhuǎn)應(yīng)力校核，也無須根據(jù)第三強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度校核。軸的材料選用 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理， ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大應(yīng)力，??pa360M??故合適。6.2.5 軸承選擇并校核為了保證機(jī)械臂的正常運(yùn)行，不僅軸承的制造質(zhì)量良好，而且機(jī)械臂的設(shè)計(jì)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(jī)械臂的正常運(yùn)轉(zhuǎn)十分重要。a. 軸承類型的選擇機(jī)座轉(zhuǎn)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(gè)方向的軸向載荷，限制軸和殼在軸向位移。極限轉(zhuǎn)速低。機(jī)座相對轉(zhuǎn)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(chǎn)生附加軸向力，一般成對使用。能限制軸和外殼在一個(gè)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(zhuǎn)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- 23 -時(shí)承受一定的軸向載荷。當(dāng)軸承的徑向游隙加大時(shí)，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(nèi)。摩擦系數(shù)小，極限轉(zhuǎn)速高。結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。工作期間不需要保養(yǎng)。適于高速，應(yīng)用極為廣泛。b. 軸承代號的選擇推力球軸承：根據(jù)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(jù)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(zhuǎn)動軸承：根據(jù)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(zhuǎn)動軸承：根據(jù)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(zhuǎn)動軸承：根據(jù)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?，F(xiàn)在選取一深溝球軸承校核。(1) 驗(yàn)算軸承平均壓力 p(單位為 MPa)??pd??BF Nlr 274108.45.01.389. 622 ??????pa407M?式中：B ——軸承寬度，mm(根據(jù)寬徑比 B/d 確定 )[p]——軸瓦材料的許用壓力，單位為 MPa(2) 驗(yàn)算軸承的 [pv]值(單位為 MPa·m/s)pv=0.24×0.17=0.0408MPa·m/sv——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/s3.驗(yàn)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(jù)這些數(shù)據(jù)查機(jī)械設(shè)計(jì)第七版表 12-2 選擇軸承為耐磨鑄鐵 HT300?；瑒虞S承和軸承座的配合為過渡配合，定為 ，IT6=13 ,IT7=216/734mH??m?基準(zhǔn)孔 H7 的下偏差 EI=0,上偏差為- 24 -ES=EI+IT7=+0.021 m?軸瓦 m 的下偏差 ei=0.008 ,es=ei+IT6=0.021 m?由此得 ， 。021.347??H021.8346??滑動軸承和軸的配合為間隙配合，定為 ，IT6=13 ,IT7=2157/6H?m?基準(zhǔn)軸 h6 的上偏差 es=0,下偏差為ei=es－IT6=(0－13)=－13 m?孔 H7 的下偏差 EI=0孔 H7 的上偏差 ES=EI+IT7=21由此得 。0.21657H??6.2.6 齒輪的設(shè)計(jì)與校核齒輪參數(shù)計(jì)算及其校核：①材料：高速級小齒輪選用 鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬度為 250HBS。高速級大齒輪選45?用 鋼正火，齒面硬度為 220HBS。45?②齒輪計(jì)算，查課本表得:。 lim10HMpa??lim20Hpa??材料彈性系數(shù) Z Z =189.8(N/mm )（表 15-17） E2重合度系數(shù) Z =（（4- ）/3） =0.9（表 15-18） ??/1節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) Z Z =2.5(圖 15-22) H螺旋角系數(shù) Z Z =1 (式 15-34) ?計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N：N =60njL=60×500×1×8×11×250=6.6×1081N = N /i =6.6×10/4.2=1.571×108 212表 10-4 得：。.HS?.3F故 ??lim1150.HMpa??。li2249.HS查課本表 10-21 圖得：。lim10Fpa??lim2150Fpa??故 ??lim14.3F MS。li22.F- 25 -由設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10-9a）進(jìn)行試算即 ??32121 )(. HEdtt ZiTKd??????轉(zhuǎn)矩 3195080PNmn???載荷系數(shù) K:K= K K K K AV??7 級精度制造，查課本表 10-3 得：載荷系數(shù) ，取齒寬系數(shù) 計(jì)算中心距：1.2?0.4a????????11 2533551.690.9718.97HaTauu???? ???????????????考慮計(jì)算原因取 60?4m則 取 12Z1Z21?傳動比：i= 7/3.9齒寬： 取046ab???264b1大齒輪： ,小齒輪： 221?136Z大端分度圓直徑 d =m =4×36=144㎜，d =m =4×71=284㎜z2z齒頂圓直徑 d = d +2mcosδ =144+6cos13.3924=236.87㎜，1a2d = d +2mcosδ =284+6cos76.6076=295.900㎜a22齒根圓直徑 d = d -2.4mcosδ =63-2.4cos13.3924=55.966㎜f11d = d -2.4mcosδ2=276-2.4×cos76.6076=86.532㎜f2齒輪錐距 R=1/2 =135.998 2+大端圓周速度 v=πd n /60000=3.14×63×500/60000=1.649m/s，1齒寬 b= 0.4×135.998=64.14選齒輪精度為 7 級Δ =（0.1～0.2）R1=（0.1 ～0.2） 305.500=30.05～60.1㎜取 Δ =10㎜，Δ =14㎜,c=10 ㎜12輪寬 L =（0.1～0.2）d =（0.1～0.2）93=12.4㎜21L =（0.1～0.2）d =（0.1～0.2）×291=39㎜2③按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)：