多关节型自动焊接机械手设计毕业论文设计

贵州大学本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：多关节型自动焊接机械手设计学 院： 机械工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化 班 级： 机自103班 贵州大学本科毕业论文（设计） 诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日 期： 贵州大学本科毕业论文（设计） 第 60 页目 录摘 要IAbstract .I第一章 前 言11.1 机械手简介11.2 机械手的分类11.3 研究背景、国内外现状及发展趋势21.3.1 研究背景21.3.2 研究的国内外现状31.3.3 机械手的发展趋势41.4 本设计的目的和意义61.4.1 设计目的61.4.2 设计意义61.5 本设计的内容和思路71.5.1 设计内容71.5.2 设计思想7第二章 多关节型自动焊接机械手总体方案设计92.1 概述92.2 多关节型自动焊接机械手总体结构类型92.3 多关节型自动焊接机械手主要组成102.4 基本技术参数设计13第三章 多关节型自动焊接机械手机械结构设计153.1 机座的设计153.1.1 机座电动机的选择153.1.2 机座谐波传动减速器的选择173.2 立柱的设计203.2.1 立柱的工作方式203.2.2 立柱的材料选择203.2.3 弯扭合成强度校核立柱的强度213.2.4 立柱轴承的选择213.3 大臂的设计223.3.1 大臂的工作方式223.3.2 大臂电动机的选择233.3.3 大臂谐波传动减速器的选择253.3.4 大臂轴承的选择263.4 小臂的设计273.4.1 小臂的工作方式273.4.2 小臂电动机的选择283.4.3 小臂上谐波传动减速器的设计293.4.4 小臂轴承的选择303.5 手部设计31第四章 多关节型自动焊接机械手驱动系统设计334.1 步进电机介绍334.2 步进电动机驱动器354.3 驱动器的选择35第五章 多关节型自动焊接机械手控制系统设计385.1 机械手的工作流程分析385.1.1 机械手的工作流程385.1.2 机械手的工作方式395.2 控制系统的选择395.3 PLC简介405.3.1 PLC概述405.3.2 PLC的特点415.3.3 PLC的分类415.3.4 PLC系统的组成与原理425.3.5 PLC的工作方式435.4 PLC的选择及I/O口分配445.4.1 PLC的选型方法445.4.2 I/O点数的确定455.4.3 选择PLC455.4.4 I/O口的分配495.4.5 操作面板的设计505.5 PLC外部接线图515.6 PLC程序设计525.6.1 手动程序设计525.6.2 自动程序设计54第六章 结 论56参考文献57致 谢58附 录59多关节型自动焊接机械手设计摘 要工业机械手是一种能模仿人手部和臂部的某些动作，按照固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置，它可代替人的繁重劳动用来实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因此广泛应用于机械制造、焊接、电子、冶金、轻工和原子能等部门。本文所设计的机械手为多关节型自动焊接机械手，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于柔性自动生产线。它采用PLC控制，是一种按照预先设定的程序进行工件焊接的自动化装置，可部分代替人在高温和危险的作业区进行单调持久的作业，并可根据工件的变化要求随时更改相关控制参数。本设计主要对焊接机械手的执行系统即机械结构、驱动系统和PLC控制系统三大部分进行设计。机械结构部分主要包括机座、立柱、手臂和手部的设计，机械结构采用关节型，它具有3个自由度即立柱、大臂、小臂回转。其中含有电机、谐波减速器和轴承等的选择及校核。驱动部分主要对驱动器进行选择。控制部分包括PLC的简介、特点、分类等的介绍，根据实现要求确定输入输出点，选择合适的PLC,设计工作流程、程序等，且安有相应的安全保护措施即限位开关。本设计采用电力驱动，通过PLC对各个步进电机的方向、速度进行精确控制从而达到控制焊接机械手在空间运动以及焊接工件的目的。通过对焊接机械手各个部分详细的设计，可以对机械手有一个系统的认识，也为以后设计较复杂的机械手打下坚实的基础。关键词：焊接机械手，电动机，谐波减速器，轴承，驱动器，PLC控制 Design of polyarticular automatic welding manipulatorAbstract An industrial manipulator is able to mimic the manpower ministry and some action arm, according to a fixed program crawl, moving objects or tools operate automatically operated device that can replace human labor to achieve the production of heavy mechanization and automation, energy operate in hazardous environments to protect the personal safety, it is widely used in machinery manufacturing, welding, electronics, metallurgy, light industry and atomic energy sectors. It describe the design of manipulator for joint type automatic welding manipulator in this paper, Action of the manipulator is flexible and varied so it applicable to the automatic production that can transform the production of varieties of standard.so it widely used in flexible automatic production line.It adopts PLC control, according to a pre-set program workpiece welding automation devices can be partially replaced by people at high temperatures and dangerous areas monotonous jobs lasting jobs, and related control parameters change according to the change of the workpiece on demand. The design is mainly for welding manipulator mechanical structure, drive systems and PLC control system has three major design.Mechanical structural parts including base, column design, arm and hand, the use of an articulated mechanical structure, which has three degrees of freedom that column, arm, forearm rotation,which contains a motor, speed reducer and bearings harmonic choices and checked.Drive part is mainly to select the drive. It mainly contains an introduction the summary,characteristics, classification and so on to the control part of PLC.According to the requirement of implementation to make sure the input and output points, choose the appropriate PLC and design work process and procedure, and with the corresponding safety protection measures that is the limit switch.This design adopts the electric drive, through the PLC to accurately control the direction and speed of the stepper motor to control the welding manipulator in the space motion and the purpose of the welding.Through the welding manipulator each part of the detailed design, there is a system of manipulator can be understanding, also for later design more complex manipulator to lay a solid foundation.Keywords: welding manipulators, motors, harmonic reducer, bearings, drives, PLC control第一章 前 言1.1 机械手简介工业机械手最早应用在汽车制造工业，主要用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人的手足和大脑的功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高温等恶劣环境中的工作，替代人完成繁重、单调、重复的劳动，从而提高了劳动生产率，保证了产品质量。目前工业机械手主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械手的应用领域将日益扩大。1.2 机械手的分类工业机械手没有明确的分类规则，一般都从规格和性能两方面来分类。按规格（所搬运工件的重量）分类：(1) 微型工业机械手：搬运重量在1公斤以下；(2) 小型工业机械手：搬运重量在10公斤以下；(3) 中型工业机械手：搬运重量在50公斤以下；(4) 大型工业机械手：搬运重量在50公斤以上。目前大多数工业机械手能搬运的重量为130公斤。最小的为0.5公斤，最大的已达到800公斤。按功能分类：(1) 简易型工业机械手有固定程序和可变程序两种。固定程序有凸轮转鼓和挡块转鼓控制：可变程序可插销板或顺序转动控制来给定程序。这种机械手多为气动或液动，结构简单，改变程序比较容易。只使用在程序较简单的点位控制，但作为一般单机服务的搬运作业已足够。所以，目前这种工业机械手数量最多。(2) 记忆再现型工业机械手这种工业机械手由人工通过实验装置传动一遍，由磁带（或磁鼓）把程序记录下来，此机械手就自动按记忆的程序重复进行循环动作。这也是采用较多的一种，多为电液伺服驱动。与前者比较有较多的自由度，能进行程序较复杂的作业，通用性较广。(3) 计算机数字控制的工业机械手可通过更换穿孔带或其他记忆介质来改变工业机械手的动作，还可以进行多种控制（DNC）。技术还可以是可编程序控制或普通的微机计算机。(4) 智能工业机械手由电子计算机控制，通过各种传感元件等具有视觉、热感、触觉、行走机构等。按用途分：(1) 专用机械手附属于主机的，具有固定程序而无独立控制系统的机械装置，这种工业机械工作对象不变，手动比较简单，结构简单，使用可靠，施用于大批量生产自动线或专机作为自动上、下料用。(2) 通用机械手具有独立控制系统，程序可变、动作灵敏、动作灵活多样的机械手。通用机械手的工作范围大，定位精度高，通用性强，使用于工件经常变换的中、小批量自动化生产。按结构分：.(1) 直角坐标机械手结构；(2) 圆柱坐标机械手结构；(3) 球坐标机械手结构；(4) 关节型机械手结构。1.3 研究背景、国内外现状及发展趋势1.3.1 研究背景据不完全统计，全世界在役的工业机械手中大约有一半的工业机械手用于各种形式的焊接加工领域，焊接机械手应用中最普遍的主要有两种形式，即电焊和电弧焊。我们所说的焊接机械手其实就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机械手。这些焊接机械手中有的是为某种焊接方式专门设计的，而大多数的焊接机械手其实就是通用工业机械手装上某种焊接工具而构成的。焊接机械手具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点，广泛应用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等行业。截止2009年，全世界在役工业机械手约为120.4 万台，其中日本装备的工业机械手总量达到了 60万台以上，成为“机械手王国”，其次是美国和德国；在亚洲，日本、韩国和新加坡的制造业中每万名雇员占有的工业机械手数量居世界前三位。近几年，全球机械手的数量在迅速增加，仅 2009 年就达 15.2 万台。据不完全统计，近几年我国工业机械手呈现出快速增长势头，平均年增长率都超过 40% ， 焊接机械手的增长率超过了60%，2009年我国新增机械手数量超过了5000台，但仅占亚洲新增数量的 6% ，远小于韩国所占的 15%，更远小于日本所占的 69% 。这对于我国的经济发展速度以及经济总量来说显然是不匹配的，这说明我国制造业的自动化程度有待进一步提高，另一方面也反映了我国劳动力成本的低廉，制造业自动化水平以及工业机械手应用程度的提高受到限制。当前焊接机械手的应用迎来了难得的发展机遇。一方面，随着技术的发展，焊接机械手的价格不断下降，性能不断提升；另一方面，劳动力成本不断上升，我国由制造大国向制造强国迈进，需要提升加工手段，提高产品质量和增强企业竞争力，这一切预示着机械手应用及发展前景空间巨大。1.3.2 研究的国内外现状国内机械手的研究与开发始于20世纪70年代，大致经历了3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的应用化期。1972年我国第一台工业机械手在上海开发成功，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划（1986-1990）开始，我国政府将工业机械手的发展列入其中，并且为此项目投入大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机械手，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机械手，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机械手，大连机床研究所设计制造的氩弧焊机械手，沈阳工业大学设计制造的装卸载机械手等等。这些机械手的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机械手研究所开发的，同时一系列的机械手关键部件也被开发出来，如机械手专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器，DC-PWM等等。我国的工业机械手发展主要是逐步扩大其应用范围。目前国内机械手主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能等方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。同时也要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外，还应大力研究伺服型、记忆再现型以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不用的典型机构，组装成各种用途的机械手，即便于设计制造，又便于跟换工件，扩大其应用范围。国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用在机床、横锻压力机的上下料以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手，使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化反馈，并作出相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测。现在已经取得一定成绩。目前世界高端工业机械手均有向着高精化、高速化、多轴化、轻量化的发展趋势发展。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3m/s，最新产品达到6轴，负载2Kg的产品系统总重量已突破100Kg。随着机械手发展的深度和广度以及机械手智能水平的提高，机械手已在众多领域得到了应用。从传统的汽车制造领域向非制造领域延伸。如采矿机械手、建筑业机械手以及水电系统用于维护维修的机械手等。尤其是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从根本上改变了目前机械制造系统的人工操作状态。在未来几年，传感技术，激光技术，工程网络技术将会被广泛应用在机械手工作领域，这些技术会使机械手的应用更为高效，高质，运行成本低。据猜测，今后机械手将在国防军事、医疗卫生、食品加工、生活服务、教育、救灾、海洋开发、机器维修、交通运输和农业水产等领域得到广泛应用。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。1.3.3 机械手的发展趋势工业机械手技术发展与应用水乳交融。在第一代工业机械手普及的基础上，第二代已经推广，成为主流安装机型，第三代智能机械手已占有一定比重。以应用为龙头拉动工业机械手技术的发展，其重点发展领域与技术特点体现在下述方面：（1）机械结构以关节型为主流，80年代发明的适用于装配作业的平面关节型机械手约占总量的l3(目前世界工业机械手总数约为750000台)，90年代初开发的适用于窄小空间、快节奏、360度全工作空间范围的垂直关节型机械手大量用于焊接和上、下料。 应3K(炼钢、炼铁、铸锻)行业和汽车、建筑、桥梁等行业需求，超大型机械手应运而生。（2）控制技术大多数采用32位CPU，控制轴多达27轴，NC技术和离线编程技术大量采用。协调控制技术日趋成熟，实现了多手与变位机、多机械手的协调控制，正逐步实现多智能体的协调控制。基于PC的开放式结构控制系统由于成本低并具有标准现场网络功能，己成为一股潮流。（3）驱动技术上世纪80年代发展起来的AC伺服驱动已成为主流驱动技术用于工业机械手中。日本23家机械手公司于1998年生产的167种型号机械手产品，其中采用AC伺服驱动的有156种，占93.4。直接驱动技术则广泛用于装配机械手中。（4）智能化的传感器多有应用在上述167种机型中，装有视觉传感器的有94种，占56.3，不少机械手装有两种传感器，有些机械手留下了多种传感器接口。（5）高速、高精度、多功能化目前所知最快的装配机械手最大合成速度为16.5m/s;高精度机械手的位置重复性为正负0.01mm.有一种大直角坐标搬运机械手，其最大合成速度达80m/s;而另一种并联机构的NC机械手，其位置重复性达l um。90年代末的机械手一般都具有两、三种功能。（6）集成化与系统化1998年ABB公司推出IRbl400系列小机械手，其循环时间只有0.4s，控制器包括软件、高压电、驱动器、用户接口等皆集成于一柜，只有洗衣机变换器那样大小。FANUC公司2000年9月宣称它的控制器为世界最小。1.4 本设计的目的和意义1.4.1 设计目的由于工作的需要，人们经常受到高温、腐蚀及有毒气体等因素的危害，增加了工人的劳动强度，甚至危及生命。以电焊为例, 高温电弧光产生的紫外线和红外线可对眼睛及皮肤造成严重损伤；电弧焊接时，焊条中的焊芯、药皮和金属母材在电弧高温下熔化、蒸发、氧化、凝集，产生大量金属氧化物及其他物质的烟尘，长期吸入可引起焊工尘肺；各种焊件和焊条中均含有数量不等的锰，在通风不好的场所如船舱、锅炉或密闭容器内焊接，会产生含有锰的烟尘，人体长期吸入可发生锰中毒。焊接机械手就在这样的情况下诞生了,它代替了工人自动化的完成各种焊接任务。一方面，改善了工人劳动条件，使工人的安全得到一定保障；另一方面，焊接质量稳定、提高了劳动生产率。本课题设计的机械手，是用于自动生产线上完成焊接任务的自动化装置。它的执行系统由机座、立柱、手臂、手指组成。驱动系统采用电气驱动式电力驱动。电力驱动是机械手使用得最多的一种驱动方式。其特点是电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测、传动、处理方便，并可采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用步进电机或直流伺服电机为主要的驱动方式。由于电机速度高，通常须采用减速机构。因此机械手已开始采用无减速机构的大转矩、低转速电机进行直接驱动。这既可使机构简化，又可提高控制精度。在此驱动方式下，通过控制系统（本课题设计的机械手控制系统采用PLC程序设计，可根据工件的变化要求随时更改相关控制参数）控制机械手的各个部分的动作，使立柱可以在竖直面内旋转，手臂可以伸缩、摆动，手指可以夹紧、放松。1.4.2 设计意义1.提高生产过程中的自动化程度 应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，进而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 2.改善劳动条件，避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，人用手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，又可使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。 3.减轻人力，以便于有节奏的生产 应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个方面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个方面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。 综上所述，有效的应用机械手，是机械工业发展的必然趋势。1.5 本设计的内容和思路1.5.1 设计内容机械手执行系统、驱动系统和控制系统的设计。1、执行系统的设计，包括机座、立柱、大小臂、手部。阐述机械手各部分的设计要求、工作方式，步进电机的工作原理及计算与选择、谐波传动减速器的选择、轴承的选择及校核。 2、驱动系统的设计，主要是选择驱动器，包括驱动器的选择方法、工作原理、引脚说明。3、控制系统的设计，确定输入/输出（I/O）设备、选择合适的PLC、I/O点数分配、PLC程序设计。最后，分别画出焊接机械手的装配图、PLC外部接线图、状态转移图、步进梯形图以及焊接机械手自动或手动运行流程图。1.5.2 设计思想(1)对焊接机械手执行系统（即机械部分）进行设计时，要求机械手结构简单、经济、运动灵活，机械手各个部分的运动与其他机械结构不发生干涉。(2)对焊接机械手驱动系统设计时，要根据机械手的用途、作业要求、机械手的性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗、性价比以及现有的条件等综合因素加以考虑。在注意各类驱动系统特点的基础上，综合上面的各个因素，充分论证其合理性、可行性、经济性以及可靠性后进行最终的选择。(3)对焊接机械手进行控制部分设计时，要保证机械手的机械运动与受控制系统控制信号控制产生的驱动动作相互协调，保证机械手各个部分合理有序的动作，确保工作台、工件等相关部件的安全。第二章 多关节型自动焊接机械手总体方案设计2.1 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。焊接机械手主要优点如下：1、稳定和提高焊接产品的质量，保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压和焊接速度等对焊接效果有着决定性作用。采用机械手焊接时，每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人为因素影响比较小，对工人操作技术的要求不高，因此焊接质量稳定。而用人工焊接时，焊接速度、干伸长量等都是变化的，很难做到质量的均一性。2、改善工人劳动条件。采用机械手焊接，工人只需装卸工件，远离了焊接弧光、炯雾和飞溅等。对于点焊来说，工人无需搬运笨重的手工焊钳，使工人从高强度的体力劳动中解放出来。3、提高劳动生产率。机械手可24小时连续生产，随着高速、高效焊接技术的应用，采用机械手焊接，效率的提高更为明显。4、产品周期明确，产量易控制。机械手的生产节奏是固定的，因而安排生产计划非常明确。5、缩短产品更新换代的周期，减小了相应的设备投资。机械手与专用机械最大区别就是可以通过修改程序以适应不同产品的生产。2.2 多关节型自动焊接机械手总体结构类型工业机械手的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构和关节型结构四种。各结构形式及其特点，分别介绍如下:1、直角坐标机械手结构直角坐标机械手的运动空间是通过三个相互垂直的直线运动来实现的。为了实现一定的运动空间，直角坐标机械手的结构尺寸要比其他类型的机械手的结构尺寸大很多。其工作空间为空间长方体。直角坐标机械手主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机机械手结构又分为悬臂式，龙门式和天车式三种结构。2、圆柱坐标机械手结构圆柱坐标机械手的运动空间是通过一个回转运动及两个直线运动来实现的。这种机械手构造比较简单，精度较好，常用于搬运作业，其工作空间是一个圆柱状空间。3、球坐标机械手结构球坐标机械手的运动空间是通过两个回转运动和一个直线运动来实现的。这种机械手结构简单、成本较低，但精度一般，主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形空间。4、关节型机械手结构关节型机械手的运动空间是通过三个回转运动实现的。其动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机械手本身尺寸，其工作空间比较大。这类机械手在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运和装配等都广泛采用此类型的机械手。具体到本设计中，机械手在工作中需要三种运动：立柱旋转，调整空间位置；大臂旋转，调整焊枪和焊点间距；小臂旋转，调整焊枪使其接触焊点，从而达到焊接的目的。综合考虑，机械手自由度数目取为三个自由度。因此本设计选择的焊接机械手结构类型为关节型机械手结构。本设计规格参数:有效工作半径0.8m。2.3 多关节型自动焊接机械手主要组成机械手主要由机械系统、驱动系统和控制系统三大部分组成。1、机械系统包括机身、臂部（包括大臂和小臂）、手腕、末端执行器和行走结构等部分，每一部分都有若干个自由度，构成一个多自由度的机械系统。（1）机身是直接连接、支承和传动手臂及行走机构的机械手重要组成部件。一般情况下，实现臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动愈多，机身的结构和受力愈复杂。机身既可以是固定式的，也可以是行走式的，即在它的下部装有能行走的机构，可沿地面或架空轨道运行。本设计中机身采用固定式的。机身由两部分组成的，分为上下两部分，下部分的作用是固定和支撑，属于不动体即机座，用螺钉固定在地上；上部分是立柱，作用是支撑和旋转并带动立柱以上部分做旋转运动，是矩形的。立柱的中间部分连有大臂电机、轴承等部件。下端用螺钉与谐波传动减速器连接，目的是把谐波传动减速器传出的转矩传到立柱上。为了加强立柱的稳定性和减少谐波传动减速器柔轮的受力，在立柱下端用了一个圆锥滚子轴承。谐波传动减速器的刚轮和机座连接；当机座上的电机工作时，谐波传动减速器的刚轮不动，柔轮动，柔轮带动立柱转动，实现了焊接机械手绕Z向旋转的自由度。立柱旋转的速度和正反向的控制，可由控制器调节电动机的转速和转向来实现。（2）手臂和手腕是机械手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，但多数机械手的手臂和手腕是由关节和杆件构成的空间结构，一般由3-10个自由度组成，工业机械手一般为3-6个自由度。由于机械手具有多自由度手臂、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器的特点。本设计在满足机械手正常工作条件下，为了简单结构，没有设计手腕结构，直接将末端执行器与小臂相连。（3）机械手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）焊接机械手和喷涂机械手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械手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械手，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）运送铁磁物质的机械手还可以将电磁吸盘作为末端执行器。按照本设计的要求机械手末端设计为固定焊枪的夹具。在满足工作的前提下，本设计的末端执行器选用较简单的机械夹持。2、驱动系统主要指驱动机械系统动作的驱动装置。机械手所用的驱动机构主要四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压驱动、气压驱动用得最多。（1）液压驱动式液压驱动式机械手通常由液动机（各种油缸、油马达）、伺服阀、油泵、油箱等组成驱动系统，由驱动机械手执行机构进行工作。通常它的具有很大的抓举能力（高达几百千克以上），其特点是结构紧凑、动作平稳、耐冲击、耐震动、防爆性好，但液压元件要求有较高的制造精度和密封性能，否则漏油将污染环境。（2）气压驱动式其驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机组成，其特点是气源方便、动作迅速、结构简单、造价较低、维修方便。但难以进行速度控制，气压不可太高，故抓举能力较低。（3）机械驱动式机械驱动只用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构来实现规定的动作。其特点是动作确实可靠，工作速度高，成本低，但不易于调整。其他还有采用混合驱动，即液-气或电-液混合驱动。（4）电气驱动式其特点是电源方便，响应快，驱动力较大（关节型的持重已达400kg），信号检测、传动、处理方便，并可采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用步进电机，直流伺服电机（AC）为主要的驱动方式。由于电机速度高，通常须采用减速机构（如谐波传动、RV摆线针轮传动、齿轮传动、螺旋传动和多杆机构等）。有些机械手已开始采用无减速机构的大转矩、低转速电机进行直接驱动（DD）这既可使机构简化，又可提高控制精度。综合以上各驱动机构的特点，由于电气驱动有着电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测、传动、处理方便等显著优点，所以选择电气驱动作为本设计的驱动方式。3、控制系统机械手的控制系统相当于人的大脑，它指挥机械手的动作，并协调机械手与生产系统之间的关系。机械手的工作顺序、应达到的位置，如手臂的伸缩、升降、旋转、手指的开闭动作，以及个工作段的时间、速度等，都是在控制系统的指挥下，通过每一运动部件按照预先调整好的程序来实现的。一般来说，机械手的控制方式有以下几种：（1）点位式控制 很多机器手要求能准确地控制末端的工件位置，而路径却无关紧要。例如，在印刷电路板上安装元件、点焊、装配等工作，都属于点位式工作方式。这种工作方式比较简单。（2）轨迹式控制 在弧焊、喷漆、切割等工作中，要求机器人末端执行器按照示教的轨迹和速度运动。如果偏离预定的轨迹和速度，就会使产品报废。其控制方式类似于控制原理中的跟踪系统，可称之为轨迹伺服控制。（3）力（力矩）控制方式 在完成装配、抓放物体等工作时，除要准确定位之外，还要使用适度的力或力矩进行工作，这是就要利用力（或力矩）伺服方式。这种方式的控制原理与位置伺服控制原理基本相同，只不过输入量和反馈量不是位置信号，而是力（力矩）信号，因此系统中必须有力（力矩）传感器。（4）智能控制方式 机械手的智能控制是通过传感器获得周围环境的知识，并根据自身的知识库做出相应的决策。采用智能控制方式，使机械手具有较强的环境适应能力。智能控制技术的发展有赖于人工神经网络、基因算法、遗传算法、专家系统等人工智能的迅速发展。综上各控制方式的特点，由于本设计的焊接机械手，其功能是对工件进行点焊，运动简单，因此，采用点位控制方式。而在点位控制方式中，应用比较广泛的是PLC系统。它是以微处理器为核心，综合计算机技术、自动控制技术和通信技术发展起来的一种通用的自动控制装置，它具有结构简单、易于编程、性能优越、可靠性高、灵活通用和使用方便等一系列优点，所以，在本次焊接机械手的设计中，采用基于PLC的顺序控制方式。2.4 基本技术参数设计总体方案设计阶段首要确定的主要参数有如下几相：1、额定负载额定负载是指在机械手规定的性能范围内，机械接口处所能承受负载的最大允许值。其主要根据作用于机械接口处的力和力矩（包括机械手末端执行器的质量、抓取工件的质量及惯性力，外界的作用力）来确定。根据作业要求确定工作空间，同时要考虑作业对象对机械手末端执行器的位置和姿态的要求，以便为后续设计中的自由度设计提供依据。本设计末端执行器主要夹持焊枪，大约0.5Kg。经过粗略计算，本设计额定负载最大可以达100N.m。2、额定速度额定速度是指工业机械手在额定负载、匀速运动过程中，机械接口处中心的最大速度。应综合考虑作业要求、作业线协调生产要求、惯性力、驱动与控制方式、定位方式和精度要求等各相因素来确定。本设计为了保证立柱等机构转动平稳，设计最高转速为30r/min。3、性能指标性能指标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。本设计选用限位开关来保证焊接的准确性及安全性。第三章 多关节型自动焊接机械手机械结构设计3.1 机座的设计图3.1 机座机械手机座的结构设计要求：1、要有足够大的安装基面，以保证机械手工作的稳定性。2、机座承受机械手全部重量和工作载荷，应保证足够的强度、刚度和承载能力。如图3.1所示，机座用螺钉连接并用螺钉固定在地面上，作用是固定和支撑立柱及以上等部分，使其工作稳定。为了降低成本，在满足机械强度、刚度和承载能力的条件下，本设计机座选用灰口铸铁制成。灰口铸铁，含碳量较高（2.7%4.0%），碳主要以片状石墨形态存在，断口呈灰色，简称灰铁。熔点低（11451250），凝固时收缩量小，抗压强度和硬度接近碳素钢，减震性好。由于片状石墨存在，故耐磨性好。铸造性能和切削加工较好。用于制造机床床身、汽缸、箱体等结构件。3.1.1 机座电动机的选择粗略估计各部分质量m0=7kg；m1=7kg；m2=5kg；m3=0.5kg；立柱半径估计r=40mm。根据设计要求机械手有效工作半径0.8m，扩大到1m,扩大了1/4。初始取l1（大臂）=500mm；l2（小臂）=400mm；l3（手部）=100mm。 计算折算到电机轴的转动惯量： （3-1）设输出轴速度为 所需时间；角加速度折算到电机轴的负载转矩 （3-2）考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据Tjmax来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足： (3-3)若考虑绕机械手手臂的各部分重心轴的转动惯量及摩擦力矩等，取Tjmax=17N.m机座混合式步进电动机选用杭州易登科技有限公司生产的110BYG3502B型号，其相关参数及安装尺寸如下表、下图所示：表3.1 110BYG3502B型混合式步进电动机相关参数型号步距角相数驱动电压(V)相电流(A)静转矩(NM)空载起动频率(步/秒)空载运行频率(千步 /秒)转动惯量(Kgcm2)相电感(mH)重量(Kg)110BYG3502B0.6222031716003015.814.13.0图3.2 110BYG3502B混合式步进电动机表3.2 110BYG3502B混合式步进电动机安装尺寸DBd (h7)L1bD1(h7)hh1LD2d111011014404562129810793.1.2 机座谐波传动减速器的选择1、谐波传动减速器在机械手中的应用 由于谐波减速器装置具有传动比大并且范围广、精度高、空回小、承载能力大、效率高、体积小、重量轻、传动平稳、噪声小、可向密封空间传递运动等特点。现已广泛应用于空间技术、能源、电子工业、石油工业、军事工业、机械手、假肢、机床、仪器仪表、纺织机械仪器仪表、印刷机械、包装机械、起重运输机械、医疗器械、食品加工机械等领域，其剖视图如图3.3所示。本设计中分别在机身，大臂，小臂上用了三个谐波减速器。图3.3 谐波传动减速器2、谐波传动减速器工作原理谐波传动减速器的工作原理如图3.4 a、b、c、d所示，当刚轮固定，波发生器为主动，柔轮为从动时，柔轮在椭圆形的波发生器作用下产生变形，在波发生器长轴两端处的柔轮轮齿与刚轮轮齿完全啮合；在波发生器短轴两端处，柔轮轮齿与刚轮轮齿完全脱开；在椭圆长轴两侧，柔轮轮齿与刚轮轮齿处于不完全啮合状态。在波发生器长轴旋转的正方向一侧，称为啮入区；在长轴旋转的反方向一侧，称为啮出区。由于波发生器的连续转动，使得啮入、完全啮合、啮出、完全脱开这四种情况依次变化，循环不已。由于柔轮比刚轮的齿数少2个，所以当波发生器转动一周时，柔轮向相反方向转过两个齿的角度，从而实现了大的减速比。图3.4 谐波传动减速器工作原理3、谐波传动减速器传动比计算如图3.4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= （3-4）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 (3-5)式中刚轮的转速，其余同式（3-4）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。图3.5 谐波传动减速器传动啮合过程示意图根据电动机的相关参数选择谐波传动减速器。并且为了保证立柱旋转时平稳，使立柱转速稳定。本设计整体最高转速要求30r/min。混合式步进电机在额定转速之下可以调节需要转速并正常工作。所以以最高转速计算传动比： (3-6)根据立柱的这种运动要求，以及立柱以上部分运动的转动惯量，我们选用标准的谐波传动减速器，本设计机座上谐波传动减速器选用河北侨星减速机制造有限公司生产的XB1-50-100-1-3/3型谐波传动减速器，其相关参数及安装尺寸如下表、下图所示：表3.3 XB1-50-100-1-3/3型谐波传动减速器相关参数规格产品型号减速比u输入转速 3000 rpm输入转速 1500 rpm输入转速 1000 rpm输出力矩T2N.m输出转速n2rpm额定输入功率p kW输出力矩T2N.m输出转速n2rpm额定输入功率p kW输出力矩T2N.m输出转速n2rpm额定输入功率p kW50XB1-50-100-1-3/310030300.14533150.08033100.053图3.6 XB1-50-100-1-3/3型谐波传动减速器表3.4 XB1-50-100-1-3/3型谐波传动减速器安装尺寸型号JK50705050.9321641.51224165LMNOPQRSTUX16.31424624.5M4434.5M37.53.2 立柱的设计图3.7 立柱3.2.1 立柱的工作方式立柱是多关节型自动焊接机械手的基础结构，是机械手的回转基座，它是机械手的第一个回转关节。它不仅承担整个机械手的重量和工作时所产生的所有载荷，而且内部还安装了轴承等重要部件。立柱结构的合理性关系到整个机械手稳定性，因此在设计机械手立柱结构时，有以下设计要求：、由于立柱要承受机械手全部的重量和载荷，因此，机械手立柱的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力，且立柱是机械手的第一个回转关节，它对机械手末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意精度与刚度。、立柱结构要便于安装、调整。要有可靠的定位基准面和调整机构。且立柱要安装在足够大的基面上，以保证机械手在工作时整体安装的稳定性。、立柱的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器及谐波传动减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。 如图3.7所示，立柱与机座电机的谐波减速器用螺钉相连，减速器将输出的转矩传送到立柱上，驱动立柱转动。为了增强立柱的平稳性和机构的合理、安全性，在立柱下端我选择了一个圆锥滚子轴承来增强结构强度，使之满足要求。3.2.2 立柱的材料选择本设计选择立柱的材料为45钢调质，由资料7查得 。根据计算数据，如图3.7所示，立柱采用外宽114mm,壁厚为12mm，长208mm,材料为45钢调质的方管制成。由于本机械手的工作载荷较小，连接方式采用螺钉连接，根据电动机及回转机构的结构，采用在立柱下部用螺钉直接连接谐波传动减速器柔轮的形式。3.2.3 弯扭合成强度校核立柱的强度立柱尺寸如图3.7所示，在A处，立柱受到大臂及以上部分给的弯矩，当大臂、小臂、手指的轴线在同一水平线上时，所受来自其重力的弯矩最大，计算如下：粗略估计各部分质量m0=7kg；m1=7kg；m2=5kg；m3=0.5kg；立柱半径估计r=40mm。根据设计要求机械手有效工作半径0.8m，扩大到1m,扩大了1/4。初始取l1（大臂）=500mm；l2（小臂）=400mm；l3（腕部）=100mm。 （3-7）（3-8） （3-9）满足强度条件。由于立柱与谐波传动减速器直接相连，本设计机身电机我选择输入转速为3000 rpm，故谐波减速器输入转速为3000 rpm，从而得立柱的输入功率P=0.145 Kw 输入转速n=30 rpm 所受谐波传动减速器输出力矩M1=30N.m （3-10）满足强度条件。3.2.4 立柱轴承的选择1、对于与谐波传动减速器相联的立柱，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，轴所受的径向载荷较小，主要受轴向载荷的影响，轴向载荷因要支持整个立柱及其以上全部的重量和载荷，而且有一定的冲击载荷，但轴承的转速较低，故选用圆锥滚子轴承，主要承受一定的双向轴向载荷，这类轴承结构紧凑，重量轻，价格便宜，供货方便，应用较广。立柱选用的圆锥滚子轴承型号为30212GB/T 29794，各相参数如下图、下表所示：图3.8圆锥滚子轴承型号为30212GB/T 29794表3.5圆锥滚子轴承型号为30212GB/T 29794相关参数轴承型号dDBTCaXY极限转速（r.min-1）Cr(KN)C0r(KN)30212GB/T 29794601102223.751922.31.50.83600(脂润滑)1021302、轴承的校核计算一个30212GB/T 29794型轴承转速3600r/min,经粗略估算，轴向载荷Fa=m.G=(7+7+5+0.5)9.8=191.1N 径向载荷Fr=0,工作时无冲击。温度低于100oC,预寿命10000h。轴承承受的负载较重，被压紧。查机械设计手册30212GB/T 29794型轴承Cr=102000N C0r=130000N 深沟球轴承轴承 X=1.5 Y=0.8 P=XFr+YFa=152.88N轴承的寿命由公式计算得 ft=1;fp=1.2 =7.96108