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买文档就送您 CAD 图纸全套，Q 号交流 197216396 或 11970985i摘 要本设计为焊接机械手的结构设计，主要研究内容：腰部回转机构的设计；大、小臂和腕部回转的结构设计。本设计由整体布局入手，参考现有关节型机械臂的相关设计，初步确定腰部的转动惯量，从而确定电机的选型，安装等相关设计。在机械臂的灵活和精度的前提下完成总体结构的设计，然后根据总体结构，从而确定本设计的机械臂各个主要零部件的设计。在主要零部件的设计中，主要包括腰部壳体的设计、轴的结构设计、轴承的选择、电机的设计计算、大小臂的结构和固定等。本设计整体在现有关节型机械臂的结构上做了修改，使得它能够更好的满足本设计的设计要求。本设计结构简单、重量轻、外形尺寸小、设备费用低、运转安全、操作方便、便于维修和管理。关键词：机械手；谐波减速器；结构设计买文档就送您 CAD 图纸全套，Q 号交流 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总评成绩： 买文档就送您 CAD 图纸全套，Q 号交流 197216396 或 11970985iii目 录第一章 绪论 . 1 第二章 焊接机器人的总体方案 5 2.1 总体设计的思路 . 5 2.2 自由度和坐标系的选择 . 5 2.3 自由度和坐标系的选择 . 6 2.4 焊接机器人结构设计的基本要求 6 2.5 机械手的组成 7 第三章 驱动方式的选择 11 3.1 液压驱动 11 3.2 气压驱动 11 3.3 电机驱动 12 第四章 传动方式的选择 13 4.1 带传动 . 13 4.2 链传动 . 13 4.3 齿轮传动 . 14 4.4 蜗杆传动 . 15 第五章 焊接机器人的组成 . 16 5.1 执行机构 . 16 第六章 腕部结构的设计 18 6.1 腕部结构设计的基本要求 . 18 6.2 腕部结构及选择 . 18 第七章 臂部结构的设计及计算 26 7.1 臂部结构 . 26 7.2 臂部结构的选择及计算校核 . 27 第八章 机械手机座设计 29 8.1 机座结构设计 . 29 8.2 电动机的选择 . 29 第九章 机械手材料选择 31 9.1 材料选择原则 . 31 买文档就送您 CAD 图纸全套，Q 号交流 197216396 或 11970985ii8.2 电动机的选择 . 32 第十章 焊接机器人的运动轨迹计算 . 34 9.1 位姿矩阵 . 34 9.2 焊接机器人位姿方程的正、逆解 . 38 总 结 . 41 致 谢 . 42 参考文献 . 43 买文档就送您 CAD 图纸全套，Q 号交流 197216396 或 11970985iii- 1 -第 1 章 绪论工业机器人（英语：industrial robot。简称 IR）是广泛适用的能够自主动作，且多轴联动的机械设备。它们在必要情况下配备有传感器，其动作步骤包括灵活的，转动都是可编程控制的（即在工作过程中，无需任何外力的干预） 。它们通常配备有机械手、刀具或其他可装配的的加工工具，以及能够执行搬运操作与加工制造的任务。机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机，或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。根据国际标准化组织（ISO ）工业机器人术语标准的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机（Manipulator） ，具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。点焊机器人（spot welding robot）用于点焊自动作业的工业机器人。世界上第一台点焊机于 1965 年开始使用，是美国 Unimation 公司推出的 Unimate 机器人，中国在 1987 年自行研制成第一台点焊机器人华宇-型点焊机器人。点焊机器人由机器人本体、计算机控制系统、示教盒和点焊焊接系统几部分组成，由于为了适应灵活动作的工作要求，通常电焊机器人选用关节式工业机器人的基本设计，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。从机器人诞生到本世纪 80 年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了 90 年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。工业机器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不断提高，而机器人的制造成本和价格却不断下降。在西方社会，和机器人价格相反的是，人的劳动力成本有不断增长的趋势。在西方国家，由于劳动力成本的提高为企- 2 -业带来了不小的压力，而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广应用带来了契机。减少员工与增加机器人的设备投资，在两者费用达到某一平衡点的时候，采用机器人的利显然要比采用人工所带来的利大，它一方面可大大提高生产设备的自动化水平，从而提高劳动生产率，同时又可提升企业的产品质量，提高企业的整体竞争力。虽然机器人一次性投资比较大，但它的日常维护和消耗相对于它的产出远比完成同样任务所消耗的人工费用小。因此，从长远看，产品的生产成本还会大大降低。而机器人价格的降低使一些中小企业投资购买机器人变得轻而易举。因此，工业机器人的应用在各行各业得到飞速发展。据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有将近一半的工业机器人用于各种形式的焊接加工领域。 焊接机器人具有焊接质量稳定、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。我国自上个世纪 70 年代末开始进行工业机器人的研究，经过二十多年的发展，在技术和应用方面均取得了长足的发展，对国民经济尤其是制造业的发展起到了重要的推动作用。从目前国内外研究现状来看，焊接机器人技术的研究十分活跃，焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调控制技术、专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术、机器人用焊接工艺方法、遥控焊接技术等七个方面。应用点焊机器人，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。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。- 3 -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。 经过 50 年的艰苦努力，中国焊接生产机械化自动化技术发展应用，取得了很大的成就，焊接生产过程机械化与自动化程度已达到 20%。在以焊接技术为主导制造工艺技术的大中型骨干企业，焊接生产过程综合机械化与自动化程度已达到40% 45%。在机床、锅炉、汽车、化工机械、工程机械和重型机械等国家重点骨干企业，通过引进国外先进技术及相应配套的自动化焊机、成套焊接设备、焊接生产线和柔性制造系统，使焊接生产机械化与自动化技术达到了国际 90 年代初的先进水平，进入世界先进之列。 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。 虚拟机变机技术：虚拟现实技术在机变机中的动用已从仿真、预演发展大用于过正机机，如使遥机机变机操动者产生置身于远安动毕环境中的感觉来操纵机变机。基于多传感变、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机变机的虚拟遥机操动和机机三互。 机变机性能价格比：机变机性能不断提高(高高度、高精度、高可靠性、便于操动和维修，而单机价格不断定定。由于微毕子技术的快高发展和大规电集成毕毕的应用，使机变机系统的可靠性有了很大提高 - 4 -多智能体调机技术：这是目前机变机研究的一个崭新领域。主要对多智能体的群体体系结构、三互长的与光与磋商机理，感知与三三方法，建电和规划、群体变为机机等方面进变研究。本文首先确定了机械手的总体布局，然后提出了各个部分的具体设计方案，根据方案，主要的设计和研究内容有：a. 腰部回转机构的结构设计；b. 大臂摆动机构的结构设计；c. 小臂摆动机构的结构设计；d. 腕部摆动机构的结构设计。- 5 - 6 -第二章 焊接机器人的总体方案该设计的目的是为了设计一台焊接机器人，本章主要对焊接机器人的机械结构部分进行设计和分析。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:a. 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。b. 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。c. 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。d. 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。2.2 总体设计的思路设计机器人大体上可分为两个阶段：(1) 系统分析阶段根据系统的目标，明确所采用机器人的目的和任务；分析机器人所在系统的工作环境；根据机器人的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由度、- 7 -信息的存储量、计算机功能、动作精度的要求、容许的运动范围、以及对温度、震动等环境的适应性。(2) 技术设计阶段根据系统的要求确定机器人的自由度和允许的空间工作范围，选择机器人的坐标形式；拟订机器人的运动路线和空间作业图；确定驱动系统的类型；选择各部件的具体结构，进行机器人总装图的设计；绘制机器人的零件图，并确定尺寸。2.3 自由度和坐标系的选择机器人的运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所具有的独立运动数，对于一个构件来说，它有几个运动坐标就称其有几个自由度。各运动部件自由度的总和为机器人的自由度数。自由度一般为 3-6 个（不包括手部）,本次设计的焊接机器人为 4 自由度。2.4 焊接机器人结构设计的基本要求机械结构设计的基本要求，包括对机器整机的设计要求和对组成零件的设计要求两个方面，两者相互联系、相互影响。(1) 对机器整机设计的要求对机器使用功能方面的要求：实现预定的使用功能是机械设计的最基本要求，好的使用性能指标使设计的主要目标。另外，操作使用方便、工作安全可靠、体积小、重量轻、效率高、外形美观、噪声低等往往也是设计时所要求的。对机器经济性的要求：机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，在设计机器时要全面综合的进行考虑。设计的经济性体现为合理的功能定位、实现使用功能要求的最简单的技术途径和最简单合理的结构。(2) 对零件设计的基本要求机械零件是组成机器的基本单元，对机器的设计要求最终都是通过零件的设计要求来实现的，所以设计零件时应满足的要求是从设计机器的要求中引申出来的，即也应从保证满足机器的使用功能要求和经济性要求两个方面来考虑。要求在预定的工作期限内正常可靠的工作，从而保证机器的各种功能的正常实现。这就要求零件在预定的寿命期内不会产生各种可能的失效，即要求零件在强度、刚度、振动稳定性、耐磨性和温升等方面必须满足必要的条件，这些条件就是判定零件工作能力的推测。要尽量降低零件的生产制造成本，这要求从零件的设计和制造等多方面加以考虑。设计时应合理地选择材料和毛坯的形式、设计简单合理的零件结构、合理规定零件加工的公差等级以及认真考虑零件的加工工艺性和装配工艺性等。另外要尽量- 8 -采用标准化、系列化和通用化的零部件。任何一种机器都有动力机、传动装置和工作机组成。动力机是机器工作的能量来源，可以直接利用自然资源或二次资源转变为机械能，如水轮机、内燃机、汽轮机、电动机、液压马达、气动马达等。工作机是机器的执行机构，用来实现机器的动力和运动功能，如机器人的末端执行器就是工作机。传动装置则是一种实现能量传递和兼有其他作用的装置。本次设计的焊接机器人的结构图如下图所示:图 2.1 焊接机器人结构图2.5 机械手的组成机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图 2.2 所示。控制系统驱动系统 工作对象执行机构位置检测装置图 2.2 机械手的组成方框图a. 执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。- 9 -(1) 手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指(或手爪) 和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛；平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)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 :手指有外夹式和内撑式；指数有双指式、多指式和双手双指式等。 而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式，式弹簧式和重力式等。附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力(如吸盘内形成负压或产生电吸磁力)吸附物件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。此外，根据特殊需要，手部还有勺式(如浇铸机械手的浇包部分)、托式(如冷齿轮机床上下料机械手的手部)等型式。(2) 手腕是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动.一般腕部设有回转运动在增加一个上下摆动即可满足要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小，并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。因此在要求较大回转角的情况，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。(3) 手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运- 10 -动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。手臂在进行伸缩或升降运动时，为了防止绕其轴线的转动，都需要有导向装置，以保证手指按正确方向运动。此外，导向装置还能承担手臂所受的弯曲力矩和扭转力矩以及手臂回转运动时在启动、制动瞬间产生的惯性力矩，使运动部件受力状态简单。导向装置结构形式，常用的有:单圆柱、双圆柱、四圆柱和 V 形槽、燕尾槽等导向型式。(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，手臂的回转运动和升降(或俯仰 )运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。(5) 行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。(6) 机座机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。b. 驱动系统驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。c. 控制系统控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息( 如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。d. 位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。- 11 -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，使焊枪和焊点垂直，达到焊接的目的。- 12 -第三章 驱动方式的选择目前焊接机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动、电机驱动等多种方式，各种驱动方式都有其自身的特点，在工业机器人中液压驱动和气压驱动应用很广泛，有些机器人则同时采用多种驱动方式，这都视不同机器人的特点和要求所定。比较这些驱动方式的特点，从而选择适合焊接机器人的驱动方式。3.1 液压驱动液压驱动的特点：（1）驱动力和驱动力矩较大，臂力可达 100 公斤；（2）速度反应性好，因为被驱动件的速度快慢取决于油液的容积变化，所以当不考虑油液的温度变化时，被驱动系统的滞后也几乎没有，而且液压机构的重量轻、惯性小，因此他的速度反应性较好；（3）调速范围大，而且可以无级调速，易于适应不同的工作要求；（4）传动平稳，能吸收冲击力，可以实现较频繁而平稳的换向；（5）在产生相同驱动力的条件下，液压驱动比其他驱动方式体积小、重量轻、惯性小；（6）定位精度比气动高，但比电机低；（7）液压系统的泄漏对机构的工作稳定性有一定的影响；（8）油液中如果混入气体，将降低传动机构的刚性，影响定位精度（产生爬行）；（9）油液的温度和粘度变化影响传动性能。液压驱动机器人多用于要求臂力较大而且运动速度较低的工作场合。3.2 气压驱动气压驱动的特点：（1）通过调节气流，就可实现无级变速；（2）由于压缩空气粘性小，流速大，因此气压驱动的机器人动作速度快；（3）压缩空气可以从大气中吸取，故动力源获得方便、价格低廉，而且废气处理方便；（4）由于压缩空气粘度小，因此在管路中的压力损失也很小，一般其阻力损失不到油液在油路中损失的千分之一，故压缩空气可以集中供应，远距离输送；（5）压缩空气的压缩性较大，因此使机器人的运动平稳性较差，定位精度较低，而且压缩空气排到大气中时噪声较大，另外还须考虑润滑和防锈等；- 13 -（5）压缩空气的工作压力较低，致使机器人结构较大。因此，气压驱动的机器人，常用于臂力小于 30 公斤、运动速度较快以及高温、低温、高粉尘等工作条件恶劣的场合。3.3 电机驱动电机驱动系统按电机的功能可分为直流电机驱动系统、交流异步电机驱动系统、无刷直流电机驱动系统、开关磁阻电机驱动系统和多态电机驱动系统等。各种电机驱动系统的工作原理有很大的区别，性能上也存在着较大的差异。电机驱动的特点：（1）电机驱动的输出力较大；（2）控制精度高，功率较大，能够精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂；（3）电机驱动系统响应速度很快；（4）伺服电动机易标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需要配置减速装置，出 DD 电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题；（5）电机驱动的设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境防爆性能较差；（6）对环境没有很明显的影响；（7）适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人；（8）维修和使用都较复杂。电机驱动机器人可避免电能变为压力能的中间环节，效率比液压和气压驱动的都高；电机系统将电动机、测速即、编码器及制动器组装在一次加工的壳体中，使得整个电机系统体积小，可靠性和通用性也得到很大的提高；另外，电动机根据运行距离及电机的脉冲当量算出脉冲数，将数据输入计算机，可达到非常高的位姿准确度，这些都是电机驱动独有的优点。相对的，液压与气压驱动系统组成机构繁琐，维护不方便。综上所述，选择电机驱动作为焊接机器人的驱动方式。- 14 -第四章 传动方式的选择传动装置是一种实现能量传递和兼有其他作用的装置，它的主要作用有：能量的分配与传递；运动形式的改变；运动速度的改变。传动通常分为两类：第一类是机械能不发生改变的传动机械传动；第二类是机械能转变为电能或电能转变为机械能的传动电传动。机械传动又可以分为啮合传动、摩擦传动和流体传动三大类。考虑焊接机器人的实际情况，带传动、链传动、齿轮传动和蜗杆传动是其可能的传动方式，所以下面对以上四种传动方式进行比较。4.1 带传动带传动通常是由主动轮、从动轮和张紧在两轮上的传动带所组成的。当主动轮回转时，依靠带与带轮接触面见的摩擦力拖动从动轮一起回转，从而传递一定的运动和动力。带传动具有的优点：（1）有良好的饶性和弹性，有吸振和缓冲作用，因而使带传动平稳、噪声小；（2）有过载保护作用，当过载时引起带在带轮上发生相对滑动，可防止其他零件的损坏；（3）制造和安装精度与齿轮传动相比较低，机构简单，制造、安装、维护均较方便；（4）适合于中心距离较大的两轴间的传动（中心距最大可达 15 米） 。带传动具有的缺点：（1）由于弹性滑动的存在，使得传动效率降低，不能保证准确的传动比；（2）由于带传动需要初始紧张，因此，当传递同样大的圆周力时，与啮合传动相比轴上的压力较大；（3）结构尺寸较大，不紧凑；（4）传动带寿命短；（5）传动带与带轮之间会产生摩擦放电现象；（6）不宜用于有爆炸危险的场合。现在一些新型带传动形式，如高速带传动、同步带传动、多楔带传动已经克服了以上大部分缺点。4.2 链传动链传动是由链条和主、从动链轮所组成的。链轮上制造有特殊齿型的齿，依靠链轮齿与链节的啮合来传递运动和动力。- 15 -链传动是属于带有中间饶性件的啮合传动。与属于摩擦传动的带传动相比，链传动具有以下优点：（1）链传动没有弹性滑动和打滑现象，因而能保持准确的平均传动比，传动效率较高；（2）链条不需要像带那样张得很紧，所以作用于轴上的压力较小；（3）在同样的使用条件下，链传动结构较为紧凑。与齿轮传动相比，链传动的优点：（1）链传动的制造安装精度要求较低，成本低廉；（2）在远距离传动时，其结构比齿轮传动轻便得多。链传动的主要缺点：（1）在两根平行轴间只能用于同向回转传动；（2）运转时不能保持恒定的瞬时传动比；（3）磨损后易发生跳齿；（4）工作时有噪声；（5）不宜在速度变化很大和急速方向的运动中应用。链传动主要用在要求工作可靠，且两轴相距较远，以及其他不宜采用齿轮传动的场合。4.3 齿轮传动齿轮传动是机械传动中应用最为广泛的一类传动，常用的渐开线齿轮传动具有以下特点：（1）传动效率高，在常用的机械传动中，齿轮传动的效率是最高的；（2）一级圆柱齿轮传动在正常润滑条件下效率可达 99%以上，在大功率传动中，高纯度效率是十分重要的；（3）传动比恒定，齿轮传动具有不变的瞬时传动比，因此成了齿轮传动可用于200m/s 以上的高速传动；（4）结构紧凑，在同样使用条件下，齿轮传动所需要的空间尺寸比带传动和链传动小得多；（5）工作可靠、寿命长，齿轮传动在正确安装，良好润滑和正常维护条件下，具有其他机械传动无法比拟的高可靠性和寿命。齿轮传动的主要缺点有：（1）对齿轮制造、安装要求高；（2）齿轮制造常用插齿机和滚齿机等专用机床和专业工具；（3）通常的齿轮传动为闭式传动，需要良好的维护保养，因此齿轮传动成本和费用高；- 16 -（4）齿轮传动不适合中心矩较大的两轴间的动力传动。4.4 蜗杆传动蜗杆传动是一种空间齿轮传动，能实现交错角为 90的两轴间动力和运动传递。蜗杆传动与圆柱齿轮传动和圆锥齿轮传动相比，具有结构紧凑、传动比大、传动平稳和可以自锁等显著特点。蜗杆传动的主要缺点是：（1）齿面摩擦力大，发热量高，传动效率低；（2）通常用于中、小功率非长时间连续工作的应用场合。表 4.1 主要传动形式的效率传动方式 传动效率带传动 0.9-0.98链传动 0.93-0.97圆柱齿轮传动 0.9-0.99圆锥齿轮传动 0.88-0.98蜗杆传动 0.4-0.95表 4.1 中传动效率的范围是由传动的润滑条件、加工精度和类型不同而产生的。综上所述，这里采用齿轮传动。- 17 -第五章 焊接机器人的组成焊接机器人由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。5.1 执行机构（1）手部手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单） 。手部多为两指（也有多指） ；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。本设计为焊接机器人设计，因此手部并无其他结构，仅仅是一个焊枪，通过螺栓固定于腕部之上。（2）腕部腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节焊枪的方位，以扩大焊枪的工作范围，并使手部变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 270）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。本次设计的焊接机器人的腕部是利用液压缸实现手部的旋转运动。腕部的驱动方式采用直接驱动的方式，由于腕部装在手臂的末端，所以必须设计的十分紧凑可以把驱动源装在手腕上。机器人手腕的回转运动是由电机和行星轮系实现的。（3）臂部手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具） ，并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到直线运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位） ，则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有一个自由度就能满足基本要求，即臂部的伸缩运动。臂部的运动通常用驱动机构（电机）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部的静、动载荷。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。机器人臂部的伸缩使- 18 -其手臂的工作长度发生变化，在直角坐标式结构中，手臂的最大工作长度决定其末端所能达到的最远距离。（4）机身机身部分运动的目的：把臂部送到直线运动范围内任意一点。如果改变臂部的姿态（方位） ，则用机身的自由度加以实现。机身的各种运动通常用驱动机构（电机）和各种传动机构来实现，从机身的受力情况分析，它在工作中既受臂部、腕部、手部的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。本次设计实现基座的机身的回转运动。机身的运动参数：回转范围： 。机器人机身的伸缩使其工作长度发生变化，在直角坐标式09结构中，机身的最大工作长度决定其末端所能达到的最远距离。机身部分的回转运动的驱动源来自电机。本章从焊接机器人的实用方面入手，提出了一套总体设计方案，并根据机器人自由度的要求选取直角坐标系为本次设计坐标系。同时，就焊接机器人的组成（执行机构和驱动机构）以及现实作业，给出了具体的手部、腕部、臂部和基座的结构形式；并选择电机驱动作为本次设计的驱动机构。最后，给出了设计中所需的技术参数。- 19 -第六章 腕部结构的设计6.1 腕部结构设计的基本要求(1) 力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。(2) 结构考虑，合理布局腕部作为焊接机器人的执行机构，又承担连接和支撑焊枪的作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。(3) 必须考虑工作条件对于本次设计，焊接机器人的工作条件是在工作场合中焊接工件，最大载荷为8KG，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对焊接机器人的腕部没有太多不利因素。6.2 腕部结构及选择6.2.1 腕部结构手腕部件设置于手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的位置，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得灵巧，适应性更强。手腕的运动形式可以有：绕 Y 轴转动称为上下摆动；绕 Z 轴转动称为左右摆动；有的甚至是沿着 Y 轴或 Z 轴的横向移动。一般手腕设有回转或再增加一个上下摆动即可满足工作要求。6.2.2 电动机选择由查表得，以及考虑到安全系数 S,一般取 S=1.5，大致确定 P 至少大于 1KW。综合以上数据 130SYX-01 型号伺服电机，其参数如下：额定功率=1.2KW额定转矩=4N/M额定转速=3000r/min额定电压=160V额定电流=9.4A峰值转矩=32N/M- 20 -电枢电阻=0.2 电框电感=3.2MH6.2.3 谐波齿轮减速器的选择谐波齿轮减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器。谐波齿轮传动（简称谐波传动） ，它是依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动的一种行星齿轮传动。 谐波齿轮减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器。谐波齿轮传动（简称谐波传动） ，它是依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动的一种行星齿轮传动。 （1）传动原理 它主要由三个基本构件组成：（1）带有内齿圈的刚性齿轮（刚轮）2，它相当于行星系中的中心轮； （2）带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮）1，它相当于行星齿轮；（3）谐波发生器 H，它相当于行星架。当谐波发生器为主动时，凸轮在柔轮内转动，就近使柔轮及薄壁轴承发生变形（可控的弹性变形） ，这时柔轮的齿就在变形的过程中进入（啮合）或退出（啮离）刚轮的齿间，在波发生器的长轴处处于完全啮合，而短轴方向的齿就处在完全的脱开。 谐波发生器通常成椭圆形的凸轮，将凸轮装入薄壁轴承内，再将它们装入柔轮内。此时柔轮由原来的圆形而变成椭圆形，椭圆长轴两端的柔轮与之配合的刚轮齿则处于完全啮合状态，即柔轮的外齿与刚轮的内齿沿齿高啮合。这是啮合区，一般有 30%左右的齿处在啮合状态；椭圆短轴两端的柔轮齿与刚轮齿处于完全脱开状态，简称脱开；在波发生器长轴和短轴之间的柔轮齿，沿柔轮周长的不同区段内，有的逐渐退出刚轮齿间，处在半脱开状态，称之为啮出。 谐波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，此时波发生器的连续转动，就使柔轮齿的啮入啮合啮出脱开这四种状态循环往复不断地改变各自原来的啮合状态。这种现象称之错齿运动，正是这一错齿运动，作为减速器就可将输入的高速转动变为输出的低速转动。 对于双波发生器的谐波齿轮传动，当波发生器顺时针转动1/8 周时，柔轮齿与刚轮齿就由原来的啮入状态而成啮合状态，而原来脱开状态就成为啮入状态。同样道理，啮出变为脱开，啮合变为啮出，这样柔轮相对刚轮转动（角位移）了1/4 齿；同理，波发生器再转动1/8周时，重复上述过程，这时柔轮位移一个齿距。依此类推，波发生器相对刚轮转动一周时，柔轮相对刚轮的位移为两个齿距。 柔轮齿和刚轮齿在节圆处啮合过程就如同两个纯滚动（无滑动）的圆环一样，- 21 -两者在任何瞬间，在节圆上转过的弧长必须相等。由于柔轮比刚轮在节圆周长上少了两个齿距，所以柔轮在啮合过程中，就必须相对刚轮转过两个齿距的角位移，这个角位移正是减速器输出轴的转动，从而实现了减速的目的。 谐波发生器的连续转动，迫使柔轮上的一点不断的改变位置，这时在柔轮的节圆的任一点，随着波发生器角位移的过程，形成一个上下左右相对称的和谐波，故称之为：“谐波 ”。（二）特点 1承载能力高 谐波传动中，齿与齿的啮合是面接触，加上同时啮合齿数（重叠系数）比较多，因而单位面积载荷小，承载能力较其他传动形式高。 2传动比大 单级谐波齿轮传动的传动比，可达 i=70500。 3体积小、重量轻。 4传动效率高、寿命长。 5传动平稳、无冲击，无噪音，运动精度高。6由于柔轮承受较大的交变载荷，因而对柔轮材料的抗疲劳强度、加工和热处理要求较高，工艺复杂。谐波减速器在国内于六七十年代才开始研制，到目前已有不少厂家专门生产，并形成系列化。广泛应用于电子、航天航空、机器人等行业，由于它的独特优点，在化工行业的应用也逐渐增多。（三）减速器的选择根据电动机的参数，有机械设计手册表 15-2-129 查表选出谐波减速器型号为：XB1-120-150。XB1 为产品代号，120 机型，150 表示减速比。其参数为：输入功率=1.25KW输入转速=3000r/min输出转矩=450N/M输出转速=20r/min6.2.4 轴的计算（一）轴材料选择轴的材料选用 45 钢，调质处理， 。pa360M（二）轴的校核轴因为是竖直的，本身自重可以忽略不计，弯矩作用可以忽略，看成轴只受扭矩作用。- 22 -故只对轴扭矩进行校核。对轴进行简化计算：从齿轮计算中得到转矩 ，m.38201NT得到的扭矩图：由图可知，危险截面在 C 面。在 C 面：扭转应力：39-33t m10271654.DWpa.980t MT在 C 无须进行弯转应力校核，也无须根据第三强度理论进行强度校核。轴的材料选用 45 钢，调质处理， ，远远大于最大应力，pa360M故合适。6.2.5 轴承选择并校核为了保证机械臂的正常运行，不仅轴承的制造质量良好，而且机械臂的设计必须合理，轴承的装配和使用必须规范。轴承的选择对于机械臂的正常运转十分重要。a. 轴承类型的选择机座转动轴上的轴承选择：推力球轴承，它承载能力较低，额定动载荷比为 1，不能承受径向载荷，只能承受一个方向的轴向载荷，限制轴和壳在轴向位移。极限转速低。机座相对转动处的轴承选择：一对圆锥滚子轴承。额定动载荷比 1.52.5。能承受单向轴向载荷，在径向载荷作用下会产生附加轴向力，一般成对使用。能限制轴和外壳在一个方向的轴向位移。313 系列具有较大的接触角，可以承受更大的轴向载荷。大臂、小臂、腕部转动轴承的选择：深沟球轴承，承载能力较小，额定动载荷比为 1。主要承受径向载荷，也可同- 23 -时承受一定的轴向载荷。当轴承的径向游隙加大时，具有角接触轴承的功能，可承受较大的轴向载荷。允许一定的轴向位移，但轴向位移限制在轴向游隙范围内。摩擦系数小，极限转速高。结构简单，使用方便。工作期间不需要保养。适于高速，应用极为广泛。b. 轴承代号的选择推力球轴承：根据安装轴承段的轴径为 35mm，以及轴承长度及安装考虑，最终选择推力球轴承代号为 51107 GB 301-1995。其基本尺寸如下：圆锥滚子轴承：根据安装轴承段的轴径为 70mm，以及轴承长度及安装考虑，最终选则圆锥滚子轴承代号为 30214 GB 297-94。大臂转动轴承：根据安装轴承段的轴径为 35mm，以及轴承长度及安装考虑，最终选则深沟球轴承代号为 61807 GB 276-94。小臂转动轴承：根据安装轴承段的轴径为 15mm，以及轴承长度及安装考虑，最终选则深沟球轴承代号为 61802 GB 276-94。腕部转动轴承：根据安装轴承段的轴径为 15mm，以及轴承长度及安装考虑，最终选则深沟球轴承代号为 61802 GB 276-94。现在选取一深沟球轴承校核。(1) 验算轴承平均压力 p(单位为 MPa)pdBF Nlr 274108.45.01.389. 622 pa407M式中：B 轴承宽度，mm(根据宽径比 B/d 确定 )p轴瓦材料的许用压力，单位为 MPa(2) 验算轴承的 pv值(单位为 MPam/s)pv=0.240.17=0.0408MPam/sv轴径圆周速度，即滑动速度，m/spv轴承材料的 pv 许用值，MPam/s3.验算滑动速度 v(单位为 m/s)v=0.17m/sv为许用滑动速度，单位为 m/s根据这些数据查机械设计第七版表 12-2 选择轴承为耐磨铸铁 HT300。滑动轴承和轴承座的配合为过渡配合，定为 ，IT6=13 ,IT7=216/734mHm基准孔 H7 的下偏差 EI=0,上偏差为- 24 -ES=EI+IT7=+0.021 m轴瓦 m 的下偏差 ei=0.008 ,es=ei+IT6=0.021 m由此得 ， 。021.347H021.8346滑动轴承和轴的配合为间隙配合，定为 ，IT6=13 ,IT7=2157/6Hm基准轴 h6 的上偏差 es=0,下偏差为ei=esIT6=(013)=13 m孔 H7 的下偏差 EI=0孔 H7 的上偏差 ES=EI+IT7=21由此得 。0.21657H6.2.6 齿轮的设计与校核齿轮参数计算及其校核：材料：高速级小齿轮选用 钢调质，齿面硬度为 250HBS。高速级大齿轮选45用 钢正火，齿面硬度为 220HBS。45齿轮计算，查课本表得:。 lim10HMpalim20Hpa材料弹性系数 Z Z =189.8(N/mm )（表 15-17） E2重合度系数 Z =（4- ）/3） =0.9（表 15-18） /1节点区域系数 Z Z =2.5(图 15-22) H螺旋角系数 Z Z =1 (式 15-34) 计算应力循环次数 N：N =60njL=605001811250=6.61081N = N /i =6.610/4.2=1.571108 212表 10-4 得：。.HS.3F故 lim1150.HMpa。li2249.HS查课本表 10-21 图得：。lim10Fpalim2150Fpa故 lim14.3F MS。li22.F- 25 -由设计计算公式（10-9a）进行试算即 32121 )(. HEdtt ZiTKd转矩 3195080PNmn载荷系数 K:K= K K K K AV7 级精度制造，查课本表 10-3 得：载荷系数 ，取齿宽系数 计算中心距：1.20.4a11 2533551.690.9718.97HaTauu 考虑计算原因取 604m则 取 12Z1Z21传动比：i= 7/3.9齿宽： 取046ab264b1大齿轮： ,小齿轮： 221136Z大端分度圆直径 d =m =436=144，d =m =471=284z2z齿顶圆直径 d = d +2mcos =144+6cos13.3924=236.87，1a2d = d +2mcos =284+6cos76.6076=295.900a22齿根圆直径 d = d -2.4mcos =63-2.4cos13.3924=55.966f11d = d -2.4mcos2=276-2.4cos76.6076=86.532f2齿轮锥距 R=1/2 =135.998 2+大端圆周速度 v=d n /60000=3.1463500/60000=1.649m/s，1齿宽 b= 0.4135.998=64.14选齿轮精度为 7 级 =（0.10.2）R1=（0.1 0.2） 305.500=30.0560.1取 =10， =14,c=10 12轮宽 L =（0.10.2）d =（0.10.2）93=12.421L =（0.10.2）d =（0.10.2）291=392按齿面接触强度设计：
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