焊接机械手设计

沈阳理工大学毕业设计说明书课题名称：焊接机械手 作者姓名： * 指导教师： 题目来源： 专业名称： 设计时间： 班 级： 答辩时间： 沈阳理工大学机械制造系目录摘要1前 言3第1章 焊接机械手的总体方案设计41.1 概述41.2 基本技术参数设计51.3 焊接机器人的主要组成5第2章 焊接机器人底座的设计72.1 底座的工作方式72.2 底座的电动机的选择72.3 底座上谐波齿轮传动的设计82.4 底座轴的设计102.5 底座传动齿轮的设计122.6底座轴承的选择14第3章焊接机器人大臂的设计163.1 大臂的工作方式163.2 大臂电动机的选择163.3 大臂上谐波齿轮传动的设计17第4章 焊接机器人小臂的设计194.1 小臂的工作方式194.2 小臂电动机的选择194.3 小臂上谐波齿轮传动的设计19第5章 焊接机器人手腕的设计225.1 机器人手腕的设计要求225.2 手腕工作方式225.3 手腕电动机的选择235.4 手腕轴承的选择24第6章 焊接机器人末端执行器的设计266.1 机器人末端执行器的设计要求26第7章 PLC系统设计297.1电气设备概述297.1.1电气控制的变压系统部分设计297.1.2电气控制的部分设计297.2 PLC的应用31结 论38谢 辞39参考文献4038摘要本次设计是焊接机械手设计，在设计过程中，要求我们运用机电的知识完成，其设计的内容主要包括，机械手的设计，电气系统设计等内容。此次设计的焊接机械手实际是五自由度的关节机器人。采用步进电机驱动、微机控制，结构紧凑，工作范围大，动作灵活，不仅用于弧焊作业，还可用于搬运和装配作业。弧焊机器人在通用机械、金属结构等许多行业中得到广泛运用。弧焊机器人是包括各种电弧焊附属装置在内的柔性焊接系统，而不只是一台以规划的速度和姿态携带焊枪移动的单机，因而对其性能有着特殊的要求。在弧焊作业中，焊枪应跟踪工件的焊道运动，并不断填充金属形成焊缝。因此运动过程中速度的稳定性和轨迹精度是两项重要指标。一般情况下，焊接速度约取5-50mm/s，轨迹精度约为（0.2-0.5）mm。电气系统的设计就是运用机电传动的知识，即PLC系统进行控制，PLC控制系统有西门子系统，欧姆龙系统等。关键词：焊接 机械手 机器人 电器控制 AbstractThis design is the welding apparatus manipulator design, in the design process, requests us to utilize the mechanical and electrical knowledge to complete, its design content mainly includes, manipulators design, content and so on electrical system design.This design welding apparatus manipulator is five degrees of freedom joint robots actually. Uses step-by-steps the motor-driven, the microcomputer control, the structure compact, operating region big, the movement is flexible, not only uses in the arc welding work, but also may use in transporting and the assembly work.The arc welding robot in the general machinery, the metal structure and so on in many professions obtains the widespread utilization. The arc welding robot is includes each kind of arc welding supplementary installation the flexible welding system, but not only by the speed and the posture which plans carries the single engine which the welding torch moves, thus has the special request to its performance. In the arc welding work, the welding torch should track the work piece the weld bead movement, and the unceasing filler metal forms the welded joint. Therefore in the rate process the speed stability and the path precision are two important targets. In the ordinary circumstances, the welding speed takes 5-50mm/ approximatelyS, the path precision is approximately (0.2-0.5) mm.The electrical system design is the utilization mechanical and electrical transmission knowledge, namely the PLC system carries on the control, the PLC control system has the Simens system, the ohm dragon system and so on.Key word: Welding apparatus manipulator robot electric appliance control前 言毕业设计是学生的最后一个教学环节，全国高教机械设计及制造专业教学指导委员会第三次会议记要指出，“毕业设计题目应该以产品（或工程）设计类题目为主，尤其要鼓励去工厂从高真实产品设计”。在实际工程设计中，学生可以得到所学过的理论基础，技术基础，专业课全面的训练，为将来做好机械设计工程师的工作，提供全面的锻炼机会。我们这次毕业设计题目，是结合老师的具体研制项目设立的，我们在实习厂所参观的并以以往设备为参考，结合所学机械各方面知识，在老师指导下，查阅许多手册，经过不断的改进，最终设计出了此次焊接机器人，从而避免了加工质量差，生产效率低，设备昂贵的问题。我此次毕业设计的任务是焊接机器人设计，在王老师的辅导下，查阅了大量的资料，设计出了具有五个自由的焊接机械人。计算正确，四张零号图纸，符合工作量的要求。通过这次毕业设计，我在计算，制图，公差与技术测量，机械原理，机械设计，金属材料与热处理，机械制造工艺方面的知识都受到全面的综合训练，在机电的结合方面使我受益匪浅。特别是王老师在工作中对我的耐心辅导，他对学生强烈的责任感和严谨的治学态度，无不给我以深刻的影响。由于类似的大型课题第一次接触，经验能力方面的欠缺，错误之处一定存在，恳请各位老师给予批评指正。 第1章 焊接机械手的总体方案设计1.1 概述焊接是制造工业中最重要的工艺技术之一.它在机械制造,核工业,航空航天能源交通,石油化工及建筑和电子等行业中的应用越来越广.随着科学技术的发展,焊接已从简单的构件连接方法和毛坯制造手段发展成为制造行业中一项基础工艺和生产尺寸精确的制成品的生产手段.传统的手工焊接已不能满足现代高技术产品制造的质量,数量要求.因此保证焊接产品质量的稳定性,提高生产率和改善劳动条件已成为现代焊接制造工艺发展亟待解决的问题.从21世纪先进制造技术的发展要求看,焊接自动化生产已是必然趋势.焊接机器人主要优点如下:1)稳定和提高焊接质量,保证其均匀性;2)提高劳动生产率,一天可24小时连续生产3)改善工人劳动条件,可在有害环境下工作;4)降低对工人操作技术的要求;5)缩短产品改形换代的准备周期,减少相应的设备投资;6)可实现小批量产品的焊接自动化;7)能在空间站建设,核能设备维修,深水焊接等极限条件下完成人工难以进行的焊接作业.8)为焊接柔性生产线提供技术基础.焊接作为机械制造业中仅次与装备加工和切削加工的第三大加工作业,对其进行机器人柔性加工技术及其相关的控制器PC化,网络化和智能化的应用研究已成为焊接自动化发展的必然趋势.实现焊接自动化生产的意义和必要性:随着我国一步一步地走向国际市场大舞台和加入国际贸易组织,国内竞争和国际竞争的界限将越来越模糊,我国的经济发展和国际接轨是大势所趋,改变过去的生产方式和管理模式已迫在眉睫.这种改变不仅仅对大小型企业而言,对中型企业也将更加重要.1.2 基本技术参数设计根据任务的来源不同，按制造厂的产品规划或用户订货要求来确定。在总体方案设计阶段先要确定的主要参数有如下几种：（1）额定负载。额定负载是指在机器人规定的性能范围内，机械接口处所能承受负载的允许值。它主要根据作用于机械接口处的力和力矩，包括机器人末端执行器的质量、抓取工件的质量及惯性力（矩），外界的作用力（矩）（如切削机器人的切削力）来确定。（2）按作业要求确定工作空间，同时要考虑作业对象对机器人末端执行器的位置和姿态要求，以便为后续方案设计中的自由度设计提供依据。（3）额定速度。指工业机器人在额定负载、匀速运动过程中，机械接口中心的最大速度。应综合考虑作业效率要求、作业线协调生产要求、惯性力（矩）、驱动与控制方式、定位方式和精度要求等各种因素来确定。其中惯性力（矩）这一因素，由于机器人的总体结构尚未设计，故该阶段只能概略估计。（4）驱动方式的选择。目前所采用的方式是气压驱动、液压驱动、电动机驱动。此次设计选用的是步进、伺服电动机。步进电动机输出力较小，伺服电动机可大一些，适用于运动控制要求严格的中、小型机器人。控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对环境无影响。体积小，需减速装置。维修使用较复杂，成本较高，效率为0.5左右。（5）性能指标。按作业要求确定。一般指位姿准确度及位姿重复性（点位控制）、轨迹准确度及轨迹重复性（轨迹控制）、最小定位时间及分辨率等。同时还可对机械结构的刚度、关节几何运动精度等提出要求。1.3 焊接机器人的主要组成（1）机器人系统包括：由移动式或固定式的操作机、电源、控制系统以及操作并监控机器人的装置、外部设备或传感器的通讯接口所组成的机器人控制装置（硬件和软件）；末端执行器；机器人完成作业所需的外部设备、装置或传感器。所用的外部设备均由机器人的控制系统管理。（2）手臂和手腕是机器人操作机中的基本部件，它由旋转运动和往复运动的机构组成。其结构形式是多种多样的，但多数机器人的手臂和手腕是由关节和杆件构成的空间机构，一般由3-10个自由度组成，工业机器人一般为3-6个自由度。由于机器人具有多自由度手臂、手腕的机构，使操作运动具有通用性和灵活性，这也是区别于一般自动机的特点。（3）机器臂的控制：在电动伺服系统中，驱动机械臂各关节的是步进电机或直流伺服电机。步进电机从驱动器得到一系列脉冲信号，每个脉冲信号使步进电机轴产生一定的角位移。一般不需要反馈回路和位置编码器，控制比较简单。采用直流伺服电机的控制系统以测速器和角度编码作为反馈装置，能够精确地控制机械臂关节轴的运动，它的工作状态平稳，旋转速度可以连续调节，对加速和减速指令都能迅速作出反应。（4）腕部机构支承机器人手部装置并调整其姿态，一般有2-3个自由度，使位于机械臂末端的手爪产生俯仰摆动和绕自身轴线的转动，这些运动的合成，使机器人的手部相对于操作对象形成灵活的工作姿态。（5）机器人的手部装置又称末端执行器。根据作业性质不同，机械臂末端的执行器有不同形式。1） 焊接机器人和喷涂机器人的末端分别为固定焊枪和喷枪的夹具。2） 搬运大件光整平板的机器人一般采用真空吸附式末端执行器，利用吸盘内压 力与大气压力之间的差值产生吸附作用力。3） 对于一般的物料搬运和装配机器人，末端执行器为种类繁多的机械夹持器，用机械手指的闭合和张开来夹紧和释放工件。4） 运送铁磁物质的机器人还可以将电磁吸盘作为末端执行器。第2章 焊接机器人底座的设计2.1 底座的工作方式机器人底座的结构设计要求：1)要有足够大的安装基面，以保证机器人工作时的稳定性。2)机座承受机器人全部重量和工作载荷，应保证足够的强度、刚度和承载能力。3)机座轴系及传动链的精度和刚度对末端执行器的运动精度影响最大。因此机座与手臂的联接要有可靠的定位基准面，要有调整轴承间隙和传动间隙的调整机构。机器人的底座是由两部分组成的，分为上下两部分，下部分的作用是固定和支撑，属于不动体，用螺丝固于与地上；上部分是一个转台作用是支撑和旋转，带动大臂以上部分做旋转运动，是圆弧形的。上部分也称做腰部，腰部回转由一级齿轮传动和谐波齿轮组成，如底座部件图所示在结构布置上，电机、谐波减速器和小齿轮均在腰上随腰座一起回转；而大齿轮固定在机座上。这样布局对装饰、润滑方便，但增大了腰部回转的转动惯量。底座上使用的是阶梯轴，作用是传动转矩，把谐波减速器传出的转矩传动到小齿轮上，轴的上端和谐波减速器的柔轮相连，下端由键和小齿轮联结，谐波减速器的刚轮和谐波减速器的外壳联结，谐波减速器的外壳又和机器人的大臂用螺栓连接；当底座的电机工作时，谐波减速器的刚轮不动，柔轮动，柔轮又通过阶梯轴和小齿轮由键连接，所以带动小齿轮动，小齿轮又和大齿轮相啮合，大齿轮通过齿轮座固连于下底座上，所以小齿轮带着谐波减速器和机器人大臂以上的部件，绕着大齿轮做旋转运动。实现了焊接机器人绕Z向旋转的自由度。2.2 底座的电动机的选择 步进电机从驱动器得到一系列脉冲信号，每个脉冲信号使步进电机轴产生一定的角位移。一般不需要反馈回路和位置编码器，控制比较简单。采用直流伺服电机的控制系统以测速器和角度编码作为反馈装置，能够精确地控制机械臂关节轴的运动，它的工作状态平稳，旋转速度可以连续调节，对加速和减速指令都能迅速作出反应。在机械手的电动机设计计算过程中，采用混合式步进电动机，混合式步进电动机即是一种兼有反应式（机械设计手册5版 35-84页）底座电机选用90BYG5503型号，如下表：型号步距角相数驱动电压/V相电（流）/A静转距/NM空载启动频率/PPS空载运行频率/KPPS转14动惯量/kgcm2相电感/mH重量/kg90BYG 55030.36/0.72550372200305.15.06.02.3 底座上谐波齿轮传动的设计（1）谐波减速器在机器人中的应用 由于谐波减速器装置具有传动比大、承载能力强、传动精度高、传动平稳、效率高，体积小，质量轻等优点，已广泛用于工业机器人中。此次设计中分别在底座，大臂，小臂上用了三个谐波减速器。目前工业机器人中常用的谐波减速器有三种型式。此次设计选用的是带杯形柔轮的谐波传动 如图418a所示，是由三个基本构件组成的，带凸缘的环型刚轮6，杯形柔轮1和由柔性轴承5、椭圆盘4构成的波发生器，它通过端面牙嵌式联轴器3与输出轴套2相连。这种没有单独外壳的由三大基本构件形成一个组合件的结构形式，使传动装置的结构更为简化和紧凑。（2）谐波减速器工作原理谐波齿轮传动的工作原理如图416所示，若刚轮G为固定件，波发生器为 主动件，柔轮R为从动件。当将波发生器装入柔轮内孔时由于波发生器两滚子外侧之间的距离略大于柔轮内孔直径，使原为圆形的柔轮产生弹性变形成为椭圆，使其长轴两端的齿与刚轮齿完全啮合。同时，变形后柔轮短轴两端的齿则与刚轮齿完全脱开，其余各处的齿，则视回转方向不同分别处于“啮人”或“啮出”状态，当波发生器连续回转时，啮人区和啮出区将随着椭圆长短轴相位的变化而依次变化。于是柔轮就相对于不动的刚轮沿与波发生器转向相反的方向作低速回转，柔轮长轴和短轴相位的连续变化，使柔轮的变形在其圆周上是连续的简谐波形，因此，这种传动称为谐波传动。若柔轮固定，刚轮从动，其工作过程完全相同，只是刚轮的转向与波发生相反。（3）传动比计算如图416所示，波发生器有两个触头，产生两个啮合区，故称双波发生器，若波发生器有三个触头，则可产生三个啮合区，此时称三波发生器。对双波传动，刚轮和柔轮的齿数差应为2，三个波传动其齿数差应为3，由于结构上的原因，单波或三波以上的传动很少用，常用的是双波传动。从传动效率考虑和实际应用需要，常用的谐波传动可分以下两种情况：1）、波发生器主动，刚轮固定，柔轮从动时，波发生器与柔轮的减速传动比为 i=（）式中 ,分别为刚轮与柔轮的齿数；，分别为波发生器和柔轮的转速。2)波发生器主动，柔轮固定，刚轮从动时，波发生器和刚轮的减速传动比为式中刚轮的转速，其余同式（）波发生器固定时，若刚轮主动而柔轮从动，其传动比略大于，反之，柔轮主动而刚轮从动，其传动比略小于。根据底座的这种运动要求，以及底座运动的转动惯量，我们选用标准的谐波减速器，其性能参数如下表所示：规格产品型号模数m减速比i额定输入转速r/min额定输出力矩Nm其外形及安装尺寸如下表：机型115778161580346.510514516326565536452.4 底座轴的设计底座上使用的是阶梯轴，作用是传动转矩，把谐波减速器传出的转矩传动到小齿轮上，轴的上端和谐波减速器的柔轮相连，下端由键和小齿轮联结，按弯扭合成强度校核轴的强度1、绘制轴受力简图(图a)2、绘制垂直面弯矩图(图b)轴承支承反力=160.3N=+=982+160.3=1142.3N计算弯矩截面c右侧弯矩 =1142.3=80.06N.m截面c左侧弯矩 =160.3=11.88N.m3、绘制水平弯矩图(图c)轴支承反力=1309N截面c处弯矩=1309=96.2N.m4、绘制合成弯矩图(图d)=125.4N.m=95.06N.m5、绘制转矩图(图e)T=9.55=9.55=260N.m6、绘制当量弯矩图(图f)转矩产生的扭剪应力按脉动循环变化，取=0.6,截面c处的当量弯矩为=202N.m7、校核危险截面的强度=2.77Mpa55Mpa2.5 底座传动齿轮的设计2.1.1齿轮齿数的计算根据各传动副的传动比，由机械制造装备设计表3-6确定各齿轮齿数取=30 =72 则=42=32 =72 则=40各齿轮的设计计算：2.1.1齿轮接触疲劳强度计算=33, =47(1)确定公式内的各计算数值1、=1.32 2、计算小齿轮名义转速T=9.5510=9.5510Nmm=Nmm3、查表 =0.8（齿宽系数）4、节点区域系数=2.55、由表12-12查取弹性系数=189.86、由图12-20和图12-21查得=590mpa, =480mpa,=450mpa, =390mpa7、计算应力循环次数=60kth=605601(2830010)=1.6110=1.288108、由图12-22查取接触疲劳强度寿命系数=1, =19、计算许用应力。取失效概率为1%，接触疲劳强度最小安全系数=1=590mpa =480mpa(2)设计计算1、计算小齿轮分度圆直径d dmm=90mm2、圆周速度v=2.6376m/s3、确定载荷系数=1=1=1.14, =0.17 (=46.06)所以= +=1.14+0.17=1.31=39.07, =0.0193所以=1+（）=1.53k=11.531.311=2.00434、按实际载荷系数校正小齿轮分度圆直径计算值=98=133.97mm2.1.2 确定主要几何参数和尺寸(1)模数 m=3.67 取整标准值为m=4(2)分度圆直径=433=132=m=447=188(3)中心矩a=0.5m(+)=0.54(33+47)=160(4)齿宽 取=402.6底座轴承的选择1对于与电机轴相联的轴为主动轴，轴所受的载荷较小，且为高速轴，根据已知条件60，转速较高，主要受径向力的影响，故选用深沟球轴承，主要承受一定的双向轴向载荷，极限转速较高，这类轴承结构紧凑，重量轻，价格便宜，供货方便，应用较广。2.对于主轴（即腰部支承轴承）上因存在径向力和轴向力，有较高的使用要求，分别承担径向载荷和轴向载荷，而且有一定的冲击载荷，但轴承的转速较低，故选用环形轴承。环形轴承精度高，刚度大，负荷力大，装配方便，可以承受径向力，轴向力及倾覆力矩，许多机械人都采用这种轴承作为腰部支撑元件。环形轴承种类很多，有用滚球的，也有用滚柱的。查手册 高速轴选用深沟球轴承6209 腰部轴承选用环性交叉滚子轴承CRB120253.轴承的校核计算两个6012型轴承转速1460r/min,径向载荷Fr1=672N Fr2=356N轴向载荷Fa=0,工作时无冲击，温度低于100?C,预寿命10000h.解：轴承1承受的负载较重，经验算轴承1的当量载荷为P=xFr+yFa 查机械设计手册6012形轴承Cr=31500N C0r=24200N深沟球轴承 X0=0.6 Y0=0.5 P1= xFr1+yFa1=376N轴承的寿命由公式计算得 16667/n(ftC/fpP)=16667/1460(1x31500/1.2x376) 寿命足够。第3章焊接机器人大臂的设计3.1 大臂的工作方式手臂结构设计要求1)手臂的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求。工作空间的形状和大小与手臂的长度、手臂关节的转角范围密切相关2)根据手臂所受载荷和结构的特点，合理选择手臂截面形状和高强度轻质材料，如常采用空心的薄壁矩形框体或圆管以提高其抗弯刚度和扭转刚度，减轻自身的重量。空心结构内部可以方便地安置机器人的驱动系统。3)尽量减小手臂重量和相对其关节回转轴的转动惯量和偏重力矩，以减小驱动装置的负荷；减少运转的动载荷与冲击，提高手臂运动的响应速度。4)要设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精确性和运动刚度，采用缓冲和限位装置提高定位精度。焊接机器人的大臂采用电机、谐波减速器和关节轴线同轴的传动方式，结构简单，传动路线最短。大臂上的谐波减速器采用的是柔轮不动，刚轮动的方式；谐波减速器的刚轮与机器人的大臂用螺栓相连，柔轮通过支撑法兰固定在臂座上，驱动电机的输出轴用键与驱动轴相连，轴与套筒用键连接，并一同转动。波发生器与套筒用法兰刚性连接，套筒通过键与固定 在支撑法兰盘上的电磁制动器相联。带内圈的从动刚轮与大臂壳体相固联。因此大臂壳体与刚轮一起在轴承上转动。这种伺服电机经谐波减速器减速后驱动的手臂关节结构紧凑，手臂的转角范围大。电动机驱动的关节型机器人的大臂是用高强度铝合金材料制成的薄壁框形结构，其运动都是采用齿轮传动，传动刚性较大。 3.2 大臂电动机的选择大臂电动机是驱动大臂做摆动，选用75BYG4501型号，如下表：型号步距角相数驱动电压/V相电（流）/A静转距/NM空载启动频率/PPS空载运行频率/KPPS转动惯量/kgcm2相电感/mH重量/kg75BYG 45010.9/1.845031.51200150.92.51.53.3 大臂上谐波齿轮传动的设计（1）谐波减速器在机器人中的应用 由于谐波减速器装置具有传动比大、承载能力强、传动精度高、传动平稳、效率高，体积小，量轻等优点，已广泛用于工业机器人中。此次设计中分别在，大臂上用了一个谐波减速器。 目前工业机器人中常用的谐波减速器有三种型式。此次设计选用的是带杯形柔轮的谐波传动 如图418a所示，是由三个基本构件组成的，带凸缘的环型刚轮6，杯形柔轮1和由柔性轴承5、椭圆盘4构成的波发生器，它通过端面牙嵌式联轴器3与输出轴套2相连。这种没有单独外壳的由三大基本构件形成一个组合件的结构形式，使传动装置的结构更为简化和紧凑。（2）谐波减速器工作原理谐波齿轮传动的工作原理如图416所示，若刚轮G为固定件，波发生器为 主动件，柔轮R为从动件。当将波发生器装入柔轮内孔时由于波发生器两滚子外侧之间的距离略大于柔轮内孔直径，使原为圆形的柔轮产生弹性变形成为椭圆，使其长轴两端的齿与刚轮齿完全啮合。同时，变形后柔轮短轴两端的齿则与刚轮齿完全脱开，其余各处的齿，则视回转方向不同分别处于“啮人”或“啮出”状态，当波发生器连续回转时，啮人区和啮出区将随着椭圆长短轴相位的变化而依次变化。于是柔轮就相对于不动的刚轮沿与波发生器转向相反的方向作低速回转，柔轮长轴和短轴相位的连续变化，使柔轮的变形在其圆周上是连续的简谐波形，因此，这种传动称为谐波传动。 根据大臂的这种运动要求，以及大臂运动的转动惯量，我们选用标准的谐波减速器，其性能参数如下表所示：规格产品型号模数m减速比i额定输入转速r/min额定输出力矩Nm其外形及安装尺寸如下表：机型115778161580346.51051451632656553645第4章 焊接机器人小臂的设计4.1 小臂的工作方式小臂采用电动机、谐波减速器和关节轴线同轴的传动方式，结构简单，传动路线最短。小臂上的谐波减速器也采用的是柔轮不动，刚轮动的方式；谐波减速器的刚轮与机器人的大臂用螺栓相连，柔轮通过支撑法兰固定在臂座上，驱动电机的输出轴用键与驱动轴相连，轴与套筒用键连接，并一同转动。波发生器与套筒用法兰刚性连接，套筒通过键与固定在支撑法兰盘上的电磁制动器相联。带内圈的从动刚轮与小臂壳体相固联。因此小臂壳体与刚轮一起在轴承上转动。这种伺服电机经谐波减速器减速后驱动的手臂关节结构紧凑，手臂的转角范围大。电动机驱动的关节型机器人的小臂是用高强度铝合金材料制成的薄壁框形结构，其运动都是采用齿轮传动，传动刚性较大4.2 小臂电动机的选择小臂电动机是驱动小臂做上下运动，选用75BYG4502型号，如下表：型号步距角相数驱动电压/V相电（流）/A静转距/NM空载启动频率/PPS空载运行频率/KPPS转动惯量/kgcm2相电感/mH重量/kg75BYG 45010.9/1.845031.51200150.92.51.54.3 小臂上谐波齿轮传动的设计谐波减速器在机器人中的应用 由于谐波减速器装置具有传动比大、承载能力强、传动精度高、传动平稳、效率高，体积小，质量轻等优点，已广泛用于工业机器人中。此次设计中在小臂上用了一个谐波减速器。目前工业机器人中常用的谐波减速器有三种型式。此次设计选用的是带杯形柔轮的谐波传动 如图418a所示，是由三个基本构件组成的，带凸缘的环型刚轮6，杯形柔轮1和由柔性轴承5、椭圆盘4构成的波发生器，它通过端面牙嵌式联轴器3与输出轴套2相连。这种没有单独外壳的由三大基本构件形成一个组合件的结构形式，使传动装置的结构更为简化和紧凑。由于小臂的转动惯量相对比较小，而且结构比较紧凑，因此在设计中采用谐波减速器直接驱动小臂运动的方式。步进电机驱动谐波减速器的波发生器，将运动传递给柔轮，由于刚轮不动柔轮动，电机的运动得到一定比例的减速！传动比为：。谐波减速器的柔轮与一驱动短轴相联系，而短轴的另一端则与小臂体上的联接体相连，联接体是与小臂铸成一体的，这样就实现了步进电机驱动小臂作轴的旋转运动。根据小臂的这种运动要求，以及小臂运动的转动惯量，我们选用标准的谐波减速器，其性能参数如下表所示：规格产品型号模数m减速比i额定输入转速r/min额定输出力矩Nm其外形及安装尺寸如下表：机型644040.6840244.55782912456352028第5章 焊接机器人手腕的设计5.1 机器人手腕的设计要求手腕是连接手臂和末端执行器的部件，其功能是在手臂和机座实现了末端执行器在作业空间的三个位置坐标（自由度）的基础上，再由手腕来实现末端执行器在作业空间的三个姿态（方位）坐标，即实现三个旋转自由度。通过机械接口，联接并支承末端执行器。手腕能实现绕空间三个坐标轴的转动，即回转运动、左右偏摆运动和俯仰运动。当有特殊需要时，还可以实现小距离的横移运动。手腕的自由度愈多，结构和控制愈复杂。因此，应根据机器人的作业要求来决定其应具有的自由度数目。在多数情况下，手腕具有1-2个自由度即可满足作业要求。（1）设计要求对工业机器人手腕设计的要求有：1）由于手腕处于手臂末端，为减轻手臂的载荷，应力求手腕部件的结构紧凑，减少其质量和体积。为此腕部机构的驱动装置多采用分离传动，将驱动器安置在手臂的后端。2）手腕部件的自由度愈多，各关节角的运动范围愈大，其动作的灵活性愈高，机器人对作业的适应能力也愈强。但增加手腕自由度，会使手腕结构复杂，运动控制难度加大。因此，在设计时，不应盲目增加手腕的自由度数。通用目的机器人手腕多配置3个自由度，某些动作简单的专用工业机器人的手腕，根据作业实际需要，可减少其自由度数，甚至可以不设置手腕以简化结构。3）为提高手腕动作的精确性，应提高传动的刚度，应尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转回差。如齿轮传动中的齿侧间隙，丝杠螺母中的传动间隙；联轴器的扭转间隙等。对分离传动采用链、同步齿带或传动轴传动。4）对手腕回转各关节轴上要设置限位开关和机械挡块，以防止关节超限造成事故。5.2 手腕工作方式具有两个自由度的机械传动手腕结构如下图所示之手腕结构，手腕的驱动电动机安装在大臂关节上，经谐波减速器用两级链传动将运动通过小臂关节传递到手腕轴10上的链轮4、5。带传动6将运动经带轮4、轴10和圆锥齿轮9、11带动轴14(其上装有机械接口法兰盘15)作回转运动，带传动7将运动经带轮5直接带动手腕壳体8实现上下俯仰摆动。当带传动6和带轮4不动，使带传动7和带轮5单独转动时，由于轴10不动，转动的壳体8将迫使圆锥齿轮11作行星运动，即齿轮11随壳体8作公转(上下俯仰夕)，同时还绕轴14作附加的自转运动。手腕的驱动电机放置于小臂的末端，靠梯形齿同步带将动力源传送到手腕的驱动轴上，实现手腕关节的运动。同步带传动效率高，可达98%99.5%,节能效果大.与V带和平带传动相比,传动比准确,无弹性滑动,传动比可大到10,速度大到40m/s,负载能力强、结构紧凑，带的伸缩率小。此外，带传动传动平稳、噪声小，不需要润滑。因此同步带传动在机器人中也得到了广泛的应用。本次设计参考了这方面的优势，通过查阅书籍确定采用此种结构。5.3 手腕电动机的选择手腕电动机设计为两个，第一个主要作用是使手腕实现转动，第二个主要作用是使手腕实现上下摆动作用。两个电机都选用75BYG4503型号，如下表：型号步距角相数驱动电压/V相电（流）/A静转距/NM空载启动频率/PPS空载运行频率/KPPS转动惯量/kgcm2相电感/mH重量/kg75BYG 45010.9/1.845031.51200150.92.51.55.4 手腕轴承的选择（1）对于与电机轴相联的轴为主动轴，轴所受的载荷较小，且为高速轴，根据已知条件20，转速较低，主要受径向力的影响，故选用深沟球轴承，主要承受一定的双向轴向载荷，极限转速较高，这类轴承结构紧凑，重量轻，价格便宜，供货方便，应用较广。查手册 高速轴选用深沟球轴承62007 （2）轴承的校核计算两个6012型轴承转速1460r/min,径向载荷Fr1=672N Fr2=356N轴向载荷Fa=0,工作时无冲击，温度低于100,预寿命10000h.解：轴承1承受的负载较重，经验算轴承1的当量载荷为P=xFr+yFa 查机械设计手册6012形轴承Cr=31500N C0r=24200N深沟球轴承 X0=0.6 Y0=0.5 P1= xFr1+yFa1=376N轴承的寿命由公式计算得 16667/n(ftC/fpP)=16667/1460(1x31500/1.2x376) 寿命足够。（3）按弯扭合成强度校核轴的强度1绘制轴受力简图(图a)2绘制垂直面弯矩图(图b)轴承支承反力=160.3N=+=982+160.3=1142.3N计算弯矩截面c右侧弯矩 =1142.3=80.06N.m截面c左侧弯矩 =160.3=11.88N.m3绘制水平弯矩图(图c)轴支承反力=1309N截面c处弯矩=1309=96.2N.m4绘制合成弯矩图(图d)=125.4N.m=95.06N.m5绘制转矩图(图e)T=9.55=9.55=260N.m6绘制当量弯矩图(图f)转矩产生的扭剪应力按脉动循环变化，取=0.6,截面c处的当量弯矩为=202N.m7校核危险截面的强度=2.77Mpa55Mpa第6章 焊接机器人末端执行器的设计6.1 机器人末端执行器的设计要求机器人是一种通用性较强的自动化作业设备，末端执行器则是直接执行作业任务的装置，大多数末端执行器的结构和尺寸都是根据其不同的任务要求来设计的，从而形成了多数多样的结构型式，根据其用途的不同可以分为机械式夹持器、吸附式末端执行器和专用工具，它按装在操作机手腕或手臂的机械接口上，多数情况下末端执行器是为特定的用途而专门设计的，但也可以设计成一种适用性较大的多用途末端执行器，为了方便的更换末端执行器，可设计一种末端执行器的接换器来形成操作机上的机械接口。较简单的可用法兰盘作为接口出的接换器，本次设计就是采用的法兰盘式接口。焊枪直接把在末端执行器法兰盘上。设计时的要求：1） 不论是夹持和吸附，末端执行器需具有满足作业需求的足够的夹持力和所需的夹持位置精度。2） 应尽可能使末端执行器结构简单，质量请轻，以减轻手臂的负荷。专用的末端执行器结构简单，工作效率高，而能完成多种作业的末端执行器可能带离来结构复杂，费用高的缺点，因此提倡设计可快速更换的系列化、通用化专用末端执行器。此次设计的产品是五自由度的焊接机器人，因此它的未端执行元件是焊枪，随着气保焊的广泛运用，气体保护焊更容量实现自动化，因此我选用的是气体保护焊，用末端法兰盘将其固定于手腕末端。具体的选用原则如下所述：1、送丝机的选择弧焊机器人配备的送丝机可按安装方式分为两种。一种是将送丝机安装在机器人的上臂的后部上面与机器人组成一体的方式；另一种是将送丝机与机器人分开安装的方式。由于一体式的送丝机到焊枪的距离比分离式的短，连接送丝机和焊枪的软管也短，所以一体式的送丝阻力比分离式的小。从提高送丝稳定性的角度看，一体式比分离式要好一些。目前，弧焊机器人的送丝机采用一体式的安装方式已越来越多了，但对要在焊接过程中进行自动更换焊枪(变换焊丝直径或种类)的机器人，必须选用分离式送丝机。送丝机的结构有一对送丝辊轮的，也有两对辊轮的；有只用一个电机驱动一对或两对辊轮的，也有用两个电机分别驱动两对辊轮的。从送丝力来看，两对辊轮的送丝力比一对辊轮的大些。当采用药芯焊丝时，由于药芯焊丝比较软，辊轮的压紧力不能象用实心焊丝时那么大，为了保证有足够的送丝推力，选用两对辊轮的送丝机可以有更好的效果。对于送丝机与机器人连成一体的安装方式，虽然送丝软管比较短，但有时为了方便换焊丝盘，而把焊丝盘或焊丝桶敢在远离机器人的安全围栏之外，这就要求送丝机有足够的拉力从较长的导丝管中把焊丝从焊丝盘(桶)拉过来，再经过软管推向焊枪。对于这种情况，和送丝软管比较长的分离式送丝机一样，都希望选用送丝力较大的送丝机。如忽视这一点，往往会出现送丝不稳定甚至中断送丝的现象。送丝机的送丝速度控制方法可分为开环和闭环两种。目前，大部分送丝机仍采用开环的控制方法，但也有一些采用装有光电传感器(或码盘)的伺服电机，使送丝速度实现闭环控制，不受网路电压或送丝阻力波动的影响，保证送丝速度的稳定性。对填丝的脉冲TIG焊来说，可以选用连续送丝的送丝机也可以选用能与焊接脉冲电流同步的脉动送丝机。脉动送丝机的脉动频率可受电源控制，而每步送出焊丝的长度可以任意调节。脉动送丝机也可以连续送丝。因此，近来填丝的脉冲TIG焊机器人配备脉动送丝机的情况已逐步增多。2、送丝软管的选择和保持送丝稳定的措施目前软管都是将送丝、导电、输气和通冷却水做成一体的方式，软管的中心是一根通焊丝同时也起输送保护气作用的导丝管，外面缠绕导电的多芯电缆，有的电缆中还夹有两根冷却水循环的管子，最外面包敷一层绝缘橡胶。当送铝焊丝时，应选用特富隆(TEFLON)或尼龙制成的管做导丝管；而送钢焊丝时，一般采用钢制的弹簧管。导丝管的内径应比焊丝直径大lmm左右。造成弧焊机器人送丝不稳定的原因往往是软管阻力过大。一方面可能是选用的导丝管内径与焊丝直径不匹配；另一方面可能是导丝管内积存由焊丝表面剥落下来的铜末或钢末过多所造成的。因此弧焊机器人应选用镀铜层较牢固的优质焊丝，并调节好送丝辊轮的压紧力，尽可能减少焊丝表面镀铜层的剥落，而且一个月至少应定期清洗一次导丝管。如能选用不锈钢制成的导丝管更好，由于奥氏体不锈钢没有磁性不会吸住钢末，不但容易清理，而且不易堵塞导丝管。还必须注意在编程时调整焊枪和机器人的姿态，尽可能减少软管的弯曲程度。特别是用分离式送丝机，由于软管较长，如忽视调节机器人与送丝机的距离及姿态，软管很容易出现多个小弯，而造成送丝不畅，这点往往被编程人员所忽视。目前越来越多的机器人公司把安装在机器人上臂的送丝机稍为向上翘，有的还使送丝机能作左右小角度自由摆动，目的都是为了减少软管的弯曲，保证送丝速度的稳定性。3、焊枪的选择焊接机器人用的焊枪大部分和手工半自动焊用的鹅颈式焊枪基本相同。鹅颈的弯曲角一般都小于45，可以根据工件特点选不同角度的鹅颈，以改善焊枪的可达性。但如鹅颈角度选得过大，送丝阻力会加大，送丝速度容易不稳定：而角度过小，如0，一旦导电嘴稍有磨损，常会出现导电不良的现象。应该注意，当更换不同弯曲角的鹅颈的焊枪后，必须对机器人TCP(工具中心点)进行相应的调整，否则焊枪的运动轨迹和姿态都会发生变化。近来为了提高送丝速度的稳定性，特别是高速送丝和送铝焊丝时的稳定性，在焊枪上增加一个由小型伺服电机驱动的拉丝机构，使送丝机和焊枪的拉丝机形成一推一拉的送丝系统。对这种推拉送丝系统必须协调好两个电机的转速，调节好送丝机和焊枪上各对送丝辊轮的压紧力，使送丝机的推丝作用为主，焊枪的拉丝为辅。这样，即使是由于某种原因两个电机速度不匹配，焊枪上的送丝辊轮能够打滑，而不至于损坏焊丝的表面或使焊丝从辊轮间挤出来，造成焊接的中断。目前，除了一些焊铝的机器人或高速焊的机器人装有拉丝式焊枪外，比较多的还是选用普通鹅颈焊枪。4、防撞传感器对于弧焊机器人除了要选好焊枪以外，还必须在机器人的焊枪把持架上配备防撞传感器。防撞传感器的作用是当机器人在运动时，万一焊枪碰到障碍物，能立即使机器人停止运动(相当于急停开关)，避免损坏焊枪或机器人。如果没有安装防撞传感器或传感器不够灵敏，一旦焊枪和工件发生轻度碰撞，焊枪可能被碰歪，如操作者又没有及时发现，由于TCP的变化，随后焊接的路径将会发生较大的变化，而焊出废品。因此，TIG焊炬和MIGMAG焊枪的把持架上都必须装有防撞传感器。第7章 PLC系统设计7.1电气设备概述本焊接机械人可实现五个自由度的运动，即PLC和光电编码器相协调控制，程序的选择可在电气操作的转换由要安装在机器的传感器进行控制。7.1.1电气控制的变压系统部分设计根据PLC输出端的特点，本系统共需以下四种电压：（1）作为PLC电源的交流220伏（2）线圈所需电源交流100伏（3）电磁铁所需电源直流24伏（4）原点指示灯所需电源交流6.3伏变压系统的左右两端均采用空气断路器作为短路保护及长期过载保护，其中直流110伏需要安装整流器。7.1.2电气控制的部分设计（1）PLC应用概述可编程序控制器（Programmable Controller）简称PC，早期也称为PLC(Programmaboe Logic Controller)，区别于个人计算机的“PC”（Personal Computer）。PLC是从60年代末发展起来的一种新型的电气控制装置，它将传统的控制技术和计算机控制技术、通信技术融为一体，以其显著的优点正被广泛地应用于各种生产机械和生产过程的自动控制中。传统的继电器接触器控制虽具有其自身的特点，但其控制装置体积大，动作速度较慢，耗电较大，功能少，特别是由于它靠硬件连线构成系统，接线繁杂，当生产工艺或控制对象改变时，原有的接线和控制盘就必须随之改变或更换，通用性和灵活性较差。PLC的应用领域非常广，并正在迅速扩大。对早期的PLC，凡是有继电器的地方，都可采用。而对当今的PLC，几乎可以说凡是需要控制系统存在的地方就需要PLC。尤其是近几年来，PLC的成本下降，功能又不断增强，所以，目前PLC在国内外已被广泛应用于冶金、机械、石油、化工、轻工、电力、建筑、交通运输等各行各业。一般来说，小型PLC主要用于单机自动化，而大、中型PLC则是自动生产线上不可缺少的控制部件。PLC主要有以下几种控制类型：逻辑控制、模拟控制、机械加工中心的数字控制、工业机器人控制、多层分布式控制系统等。（2）PLC的特点1、可靠性高，抗干扰能力强。如日本三菱公司的F1、F2系列PLC的平均无故障时间长达30万小时，这是一般微机所不能比拟的。与继电器相比，采用PLC控制后，大量的开关动作由无触点的电子线路来完成，用软件程序代替了继电器见间的繁杂连线，既方便灵活，可靠性也大大提高了。2、控制系统构成简单，通用性强PLC是一种存储程序的控制器，其输入和输出设备可直接连接在PLC的I/O端。即其输入端可接无源触点开关，其输出可直接驱动接触器和电磁阀等执行元件。当需要改变其控制系统的功能时，只需改变相应的软件程序，而不必改变PLC的硬件设备。3、编程简单、使用、维护方便目前，大多数的PLC均采用与实际电路接线图非常接近的梯形图编程，这种编程语言形象直观，易于掌握。而且PLC具有故障检测、自诊断等功能，能及时地查出自身的故障并报警显示，使操作人员能迅速地检查、判断、排除故障，具有较强的在线编程能力，维护十分方便。4、组合方便、功能强、应用范围广现代的PLC不仅具有逻辑运算、定时、计数、步进的功能，而且还能完成A/D、D/A转换、数学运算和数据处理以及通信联网、生产过程控制等。5、体积小、重量轻、功耗低PLC的空载功耗约为1.2W，一台收录机大小的具有相当于三个1.8m高的继电器的功能。（3）PLC的分类PLC的产品很多，型号规格也不统一，通常可按以下三种情况分类：1）按PLC的结构形成分类可分为大、中、小三个等级。2）按PLC的I/O点数分类可分为整体式和模块式a.小型PLC I/O点数在256点以下为小型PLCb.中型PLC I/O点数在256点以上，2048点以下为中型PLCc.大型PLC I/O点数在2048点以上为大型PLC此外，有时将I/O点数在64点以下的称为微超小型PLC。3）按PLC的功能分类按PLC的功能不同，又可分为高、中、低档三种。（4）PLC系统的组成PLC是以CPU为核心的电子系统，实际上就是一种工业控制用的专用计算机，它由硬件系统和软件系统两大部分组成的，一般小型PLC的基本单元主要由CPU、存储器、输入和输出模块、电源模块、I/O扩展接口、外设I/O接口以及编程器等部分组成，PLC的软件系统也包括系统程序和用户程序。（5）PLC的工作方式PLC采用的是周期性循环扫描的工作方式。PLC运行工作时，CPU对用户程序作周期循环扫描，在无跳