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需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑2016 届毕业设计（论文）说明书焊接机械手结构设计院 、 部： 机械工程学院 学生姓名： 指导教师 1： 职称 指导教师 2： 职称 专 业： 班 级： 完成时间： 需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763I摘 要焊接机械手由机械手本体、计算机控制系统、示教盒和焊接焊接系统几部分组成，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。本次设计主要针对焊接机械手进行设计。首先，通过对焊接机械手结构及原理进行分析，在此分析基础上提出了总体结构方案；接着，对主要技术参数进行了计算选择；然后，对各主要零部件进行了设计与校核；最后，通过AutoCAD 制图软件绘制了焊接机械手装配图及主要零部件图。通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了普通机械产品的设计方法并能够熟练使用 AutoCAD 制图软件，对今后的工作于生活具有极大意义。关键词 ：焊接；机械手；PLC；设计需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763II需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763III需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763IV需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763V需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763VIABSTRACTHigh lift device called weight lifting device, a top heavy machinery, lifting machine is a with relatively small force can the weight lifting, descending or shift of simple tools, can also be used to correct the deformation of the equipment installation and the deviation of the component such as. Electric lifting device is a lifting device for lifting heavy objects by screw drive. The motor is composed of a motor, a belt drive, a turbine vortex rod drive, a screw, a nut, a lifting rod, etc.This design first, based on the structure and the principle of electric lifting device of high analysis, this analysis based on put forward the overall structure scheme of 需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763VIIand then, the design and verification of main technical parameters of the main parts is discussed; then, through the three-dimensional design software Pro / E design the electric lifting device and motion simulation is carried out. Finally, draw the electric lifting device assembly and major parts of the map.Through the design, the consolidation of the University of the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerance and interchangeability theories, mechanical drawing; master the design method of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD drawing software, for the future work in life is of great significance.Key words: Lifting equipment; Turbine; Spiral; Design; Simulation需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763VIII目 录1 绪 论 .11.1 研究背景及意义 .11.2 研究及发展现状 .11.3 焊接机械手的主要组成 .21.4 主要内容 .32 总体结构设计 .42.1 机械手总体结构的类型 .42.2 设计具体采用方案 .53 主要零部件设计 .63.1 底座部分设计 .63.1.1 底座的工作方式 .63.1.2 底座的电动机的选择 .63.1.3 底座上谐波齿轮传动的设计 .73.1.4 底座轴的设计 .93.1.5 底座传动齿轮的设计 .103.1.6 底座轴承的选择 .123.2 大臂部分设计 .133.2.1 大臂的工作方式 .133.2.2 大臂电动机的选择 .143.2.3 大臂上谐波齿轮传动的设计 .143.3 小臂部分设计 .153.3.1 小臂的工作方式 .153.3.2 小臂电动机的选择 .163.3.3 小臂上谐波齿轮传动的设计 .163.4 手腕部分设计 .173.4.1 手腕的设计要求 .173.4.2 手腕工作方式 .183.4.3 手腕电动机的选择 .183.4.4 手腕轴承的选择 .19需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763IX4 控制系统设计 .214.1 电气设备概述 .214.1.1 电气控制的变压系统部分设计 .214.1.2 电气控制的部分设计 .214.2 PLC 的应用 .234.2.1 梯形图的设计 .234.2.2 用功能表图表示控制过程 .244.2.3 I/O 分配表与配线图 .254.2.4 写出梯形图 .27总 结 .34参考文献 .35致 谢 .36需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 130413976311 绪 论1.1 研究背景及意义焊接机械手由机械手本体、计算机控制系统、示教盒和焊接焊接系统几部分组成，由于为了适应灵活动作的工作要求，通常电焊机械手选用关节式工业机械手的基本设计，一般具有六个自由度：腰转、大臂转、小臂转、腕转、腕摆及腕捻。其驱动方式有液压驱动和电气驱动两种。其中电气驱动具有保养维修简便、能耗低、速度高、精度高、安全性好等优点，因此应用较为广泛。焊接机械手按照示教程序规定的动作、顺序和参数进行焊接作业，其过程是完全自动化的，并且具有与外部设备通信的接口，可以通过这一接口接受上一级主控与管理计算机的控制命令进行工作。 焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平；另一方面，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作。工业机械手的出现使人们自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，减轻焊工的劳动强度，同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率。焊接机械手在汽车装配生产线上的大量应用大大提高了汽车装配焊接的生产率和焊接质量，同时又具有柔性焊接的特点，即只要改变程序，就可在同一条生产线上对不同的车型进行装配焊接2。应用焊接机械手，有如下优点：a.容易实现生产过程的完全自动化；b.对生产设备的适应能力将大大加强；c.可以提高产品的生产效率及质量；d.可以明显改善工作条件。1.2 研究及发展现状我国的工业机器人从 80 年代“七五” 科技攻关开始起步，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距；应用规模小，没有形成机器人产业。 工业机器人在焊接领域的应用最早是从汽车装配生产线上的电阻点焊开始的。原因在于电阻点焊的过程相对比较简单，控制方便，且不需要焊缝轨迹跟踪，对机器人的精度和重复精需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 13041397632度的控制要求比较低。国际工业机器人企业凭借与各大汽车企业的长期合作关系，向各大型汽车生产企业提供各类点焊机器人单元产品并以焊接机器人与整车生产线配套形式进入中国，在该领域占据市场主导地位。随着汽车工业的发展，焊接生产线要求焊钳一体化，重量越来越大，165 公斤点焊机器人是目前汽车焊接中最常用的一种机器人。2008 年 9 月，机器人研究所研制完成国内首台 165 公斤级点焊机器人，并成功应用于奇瑞汽车焊接车间。2009 年 9 月，经过优化和性能提升的第二台机器人完成并顺利通过验收，该机器人整体技术指标已经达到国外同类机器人水平。工业机器人发展趋势 目前国际机变机界都在加大科研力度，进变机变机共性技术的研究。从机变机技术发展趋势看，焊安机变机和其它工毕机变机一样，不断向智能化和多样化方向发展。夹体而言，表现在如定几个方面：机变机操动机结构：与过有限元积析、电态积析及仿真毕毕等现代毕毕方法的变用，实现机变机操动机构的优化毕毕。探索新的高强度轻质材料，进一步提高总载/自重比。机变机机机系统：重打研究开放式，电电化机机系统。向基于 PC 机的开放型机机变方向发展，便于标准化、网络化；变件集成度提高，机机机日见小巧，且采用电电化结构；大大提高了系统的可靠性、易操动性和可维修性；机机系统的性能进一步提高，实现软件伺服和安数字机机；机机界面更加友好。机变机传感技术：机变机中的传感变动用日益重要，除采用传统的变置、高度、加高度等传感变机，装配、焊安机变机还应用了激光传感变、视觉传感变和力传感变，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产机变物体的自动定变以及精密装配动毕等，大大提高了机变机的动毕性能和对环境的适应性。网络与光功能：日本 YASKAWA 和德国 KUKA 公司的最新机变机机机变已实现了与 Canbus、Profibus 总机及一些网络的联安，使机变机由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机变机由过去的专用毕备向标准化毕备发展。1.3 焊接机械手的主要组成（1）机械手系统包括：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械手的装置、外部设备或传感器的通讯接口所组成的机械手控制装置（硬件和软件） ；末端执行器；机械手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械手的控制系统管理。（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机构，一般由 3-10 个自由度组成，工业机械手一般为 3-6 个需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 13041397633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）腕部机构支承机械手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，使机械手的手部相对于操作对象形成灵活的工作姿态。（5）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。 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； 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； 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； 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。1.4 主要内容（1）本焊接机械手的简介和发展概况，及其基本的工作原理；（2）本焊接机械手的结构分析，手臂、轴承、谐波齿轮减速器等结构方案选择设计说明；（3）本焊接机械手传动方案设计和传动参数的设计计算说明；（4）本焊接机械手结构的设计与校核及其重要结构参数的设计计算说明。需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 130413976342 总体结构设计2.1 机械手总体结构的类型工业机器人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，关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下:（1）直角坐标机器人结构直角坐标机器人的空间运动是用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，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。（2）圆柱坐标机器人结构圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。（3）球坐标机器人结构球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。（4）关节型机器人结构关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人19 。本题目规格参数:腰部回转最大角度 280 度；摆动最大角度 120 度；工作范围范围 0-450mm；本机械手的主要动作是：首先腰部回转机械臂和焊点处于同一平面；接着大臂回转，调整焊枪和焊点的距离；然后小臂回转，使焊枪接触焊点；最后腕部回转，使焊枪和焊点垂需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 13041397635直，达到焊接的目的。2.2 设计具体采用方案具体到本设计，因为焊枪质量约 0.5KG，且考虑到焊接机械手的加工精度，应尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。该机械手在工作中需要四种运动,腰部回转；大臂回转；小臂回转；腕部回转。综合考虑，机械手自由度数目取为四。因此选择关节型机械臂。具体到本设计，要求工作区间 0-450mm，扩大到 0-60mm，为扩大 1/3 倍。因为 A2+b22ab 。所以当 c 一定时，a=b 机械臂为最短。6002=2a2。A424.3，又因为小臂比大臂更灵活，活动更频繁，所以初始取a（大臂）=500mm；b（小臂）=400mm；c（腕部） =100mm。整体布局如图：图 2.1 整体尺寸设计图需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 130413976363 主要零部件设计3.1 底座部分设计3.1.1 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。3.1.2 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需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 13041397637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 55030.36/0.72 5 50 3 7 2200 30 5.1 5.0 6.03.1.3 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需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 13041397638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 = （）G HR nRGZ式中 , 分别为刚轮与柔轮的齿数； ， 分别为波发生ZHnR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 RGHGRZNi需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 13041397639式中 刚轮的转速，其余同式（）Gn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 115 77 816 15 80 3 4 6.5 105 14 5 163 26 5 6 55 36 453.1.4 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= = =160.3NRAVFLdra2 147.02.98365= + =982+160.3=1142.3NBrRAV需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 130413976310计算弯矩截面 c 右侧弯矩 = =1142.3 =80.06N.mcvMRBVF2L2147.0截面 c 左侧弯矩 = =160.3 =11.88N.mcvRAV.3、绘制水平弯矩图(图 c)轴支承反力 = = = =1309NRAHFB2t618截面 c 处弯矩 = =1309 =96.2N.mCMRAL247.04、绘制合成弯矩图(图 d)= = =125.4N.mC22CHV280.69.= = =95.06N.m 2)( 21.5、绘制转矩图(图 e)T=9.55 =9.55 =260N.mnp3104036、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.mecM22)Tc2215.(.6)7、校核危险截面的强度= = =2.77Mpa55Mpae31.0dc390.需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763113.1.5 底座传动齿轮的设计（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 =421zzs1z=32 =72 则 =4022各齿轮的设计计算：（2）齿轮接触疲劳强度计算=33, =471z2td13214)(Htuzk1)确定公式内的各计算数值1、 =1.32 tk2、计算小齿轮名义转速T =9.55 10 =9.55 10 Nmm= Nmm161pn67.5051.27903、查表 =0.8（齿宽系数）d4、节点区域系数 =2.5Hz5、由表 12-12 查取弹性系数 =189.8EzMpa6、由图 12-20 和图 12-21 查得=590mpa, =480mpa,1Hjimlim2H需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 130413976312=450mpa, =390mpalim1Flim2F7、计算应力循环次数=60 kth=60 560 1 (2 8 300 10)=1.61 101Nn9= = =1.288 1021u9.60598、由图 12-22 查取接触疲劳强度寿命系数=1, =11Nz29、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 =1Hs= = =590mpa1Hlim1hNzS590= = =480mpa2li2Hzs4812)设计计算1、计算小齿轮分度圆直径 d t1d mm=90mmt5 2221.3790(.)(.5189.).84XX2、圆周速度v = = =2.6376m/st160tn 3.905613、确定载荷系数=1Ak= =1HF=1.14, =0.17 ( =46.06)smtb所以 = = + =1.14+0.17=1.31ksmk=39.07, =0.019312所以 =1+（ ）=1.53v239.0724.6371.5.19)01462k= =1 1.53 1.31 1=2.0043AkHV4、按实际载荷系数校正小齿轮分度圆直径计算值需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 130413976313= =98 =133.97mm1dt3tk32.041（3）确定主要几何参数和尺寸1)模数 m= = =3.67 取整标准值为 m=41dz3.972)分度圆直径 = =4 33=1321=m =4 47=18813)中心矩 a=0.5m( + )=0.5 4 (33+47)=1601z24)齿宽 取 = =401b23.1.6 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，许多机械手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=0.5P1= 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。3.2 大臂部分设计3.2.1 大臂的工作方式需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 130413976314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。 3.2.2 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 4501 0.9/1.8 4 50 3 1.5 1200 15 0.9 2.5 1.53.2.3 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需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 130413976315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：需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 130413976316机型 115 77 816 15 80 3 4 6.5 105 14 5 163 26 5 6 55 36 453.3 小臂部分设计3.3.1 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3.3.2 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 0.9/1.8 4 50 3 1.5 1200 15 0.9 2.5 1.5需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 13041397631745013.3.3 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：需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 130413976318机型 64 40 40.6 8 40 2 4 4.5 57 8 2 9 12 45 6 35 20 283.4 手腕部分设计3.4.1 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。3.4.2 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 将运动经需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 130413976319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。3.4.3 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 45010.9/1.8 4 50 3 1.5 1200 15 0.9 2.5 1.5需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763203.4.4 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=0.5P1= 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= = =160.3NRAVFLdra2 147.02.98365= + =982+160.3=1142.3NBrRAV计算弯矩截 面 c 右 侧 弯 矩 = =1142.3 =80.06N.mcvMRBVFL7截 面 c 左 侧 弯 矩 = =160.3 =11.88N.mA3 绘制水平弯矩图(图 c)轴 支 承 反 力 = = = =1309NRAHFB2t8截 面 c 处 弯 矩 = =1309 =96.2N.mCMRAL47.4 绘制合成弯矩图(图 d)需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 130413976321= = =125.4N.mCM22CHV280.69.= = =95.06N.m )(5 绘制转矩图(图 e)T=9.55 =9.55 =260N.mnp31041036 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.mecM22)c22.(.)7 校核危险截面的强度= = =2.77Mpa55Mpae31.0dc390.4 控制系统设计4.1 电气设备概述本焊接机械手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。4.1.1 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 伏需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 130413976322（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。4.1.2 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
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