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1、 沈陽(yáng)理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 課題名稱：焊接機(jī)械手 作者姓名： **** 指導(dǎo)教師： 題目來(lái)源： 專業(yè)名稱： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 班 級(jí)： 答辯時(shí)間： 沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械制造系 目　　錄 摘　　要

2、1 前 言 3 第1章 焊接機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì) 4 1.1 概述 4 1.2 基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì) 5 1.3 焊接機(jī)器人的主要組成 5 第2章 焊接機(jī)器人底座的設(shè)計(jì) 7 2.1 底座的工作方式 7 2.2 底座的電動(dòng)機(jī)的選擇 7 2.3 底座上諧波齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 8 2.4 底座軸的設(shè)計(jì) 10 2.5 底座傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì) 12 2.6底座軸承的選擇 14 第3章　焊接機(jī)器人大臂的設(shè)計(jì) 16 3.1 大臂的工作方式 16 3.2 大臂電動(dòng)機(jī)的選擇 16 3.3 大臂上諧波齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 17 第4章 焊接機(jī)器人小臂的設(shè)計(jì) 19 4.1 小臂的工作方式

3、 19 4.2 小臂電動(dòng)機(jī)的選擇 19 4.3 小臂上諧波齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 19 第5章 焊接機(jī)器人手腕的設(shè)計(jì) 22 5.1 機(jī)器人手腕的設(shè)計(jì)要求 22 5.2 手腕工作方式 22 5.3 手腕電動(dòng)機(jī)的選擇 23 5.4 手腕軸承的選擇 24 第6章 焊接機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì) 26 6.1 機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)要求 26 第7章 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì) 29 7.1電氣設(shè)備概述 29 7.1.1電氣控制的變壓系統(tǒng)部分設(shè)計(jì) 29 7.1.2電氣控制的部分設(shè)計(jì) 29 7.2 PLC的應(yīng)用 31 結(jié) 論 38 謝 辭 39 參考文獻(xiàn) 40

4、 38 摘　　要 本次設(shè)計(jì)是焊接機(jī)械手設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要求我們運(yùn)用機(jī)電的知識(shí)完成，其設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要包括，機(jī)械手的設(shè)計(jì)，電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。 此次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)械手實(shí)際是五自由度的關(guān)節(jié)機(jī)器人。采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、微機(jī)控制，結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍大，動(dòng)作靈活，不僅用于弧焊作業(yè)，還可用于搬運(yùn)和裝配作業(yè)。 弧焊機(jī)器人在通用機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)等許多行業(yè)中得到廣泛運(yùn)用?；『笝C(jī)器人是包括各種電弧焊附屬裝置在內(nèi)的柔性焊接系統(tǒng)，而不只是一臺(tái)以規(guī)劃的速度和姿態(tài)攜帶焊槍移動(dòng)的單機(jī)，因而對(duì)其性能有著特殊的要求。在弧焊作業(yè)中，焊槍?xiě)?yīng)跟蹤工件的焊道運(yùn)動(dòng)，并不斷填充金屬形成焊縫。因此運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度的穩(wěn)定性和軌跡精度是兩

5、項(xiàng)重要指標(biāo)。一般情況下，焊接速度約取5-50mm/s，軌跡精度約為（0.2-0.5）mm。 電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就是運(yùn)用機(jī)電傳動(dòng)的知識(shí)，即PLC系統(tǒng)進(jìn)行控制，PLC控制系統(tǒng)有西門(mén)子系統(tǒng)，歐姆龍系統(tǒng)等。 關(guān)鍵詞：焊接 機(jī)械手 機(jī)器人 電器控制 Abstract This design is the welding apparatus manipulator design, in the design process, requests us to utilize the mechanical and electrical

6、 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 comp

7、act, 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

8、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 torc

9、h 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 pre

10、cision 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 manipul

11、ator robot electric appliance control 前 言 畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生的最后一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，全國(guó)高教機(jī)械設(shè)計(jì)及制造專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)第三次會(huì)議記要指出，“畢業(yè)設(shè)計(jì)題目應(yīng)該以產(chǎn)品（或工程）設(shè)計(jì)類題目為主，尤其要鼓勵(lì)去工廠從高真實(shí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)”。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，學(xué)生可以得到所學(xué)過(guò)的理論基礎(chǔ)，技術(shù)基礎(chǔ)，專業(yè)課全面的訓(xùn)練，為將來(lái)做好機(jī)械設(shè)計(jì)工程師的工作，提供全面的鍛煉機(jī)會(huì)。 我們這次畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，是結(jié)合老師的具體研制項(xiàng)目設(shè)立的，我們?cè)趯?shí)習(xí)廠所參觀的并以以往設(shè)備為參考，結(jié)合所學(xué)機(jī)械各方面知識(shí)，在老師指導(dǎo)下，查閱許多手冊(cè)，經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)，最終設(shè)

12、計(jì)出了此次焊接機(jī)器人，從而避免了加工質(zhì)量差，生產(chǎn)效率低，設(shè)備昂貴的問(wèn)題。 我此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)是焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)，在王老師的輔導(dǎo)下，查閱了大量的資料，設(shè)計(jì)出了具有五個(gè)自由的焊接機(jī)械人。計(jì)算正確，四張零號(hào)圖紙，符合工作量的要求。 通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我在計(jì)算，制圖，公差與技術(shù)測(cè)量，機(jī)械原理，機(jī)械設(shè)計(jì)，金屬材料與熱處理，機(jī)械制造工藝方面的知識(shí)都受到全面的綜合訓(xùn)練，在機(jī)電的結(jié)合方面使我受益匪淺。特別是王老師在工作中對(duì)我的耐心輔導(dǎo)，他對(duì)學(xué)生強(qiáng)烈的責(zé)任感和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，無(wú)不給我以深刻的影響。 由于類似的大型課題第一次接觸，經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰Ψ矫娴那啡?，錯(cuò)誤之處一定存在，懇請(qǐng)各位老師給予批評(píng)指正。

13、 第1章 焊接機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì) 1.1 概述 焊接是制造工業(yè)中最重要的工藝技術(shù)之一.它在機(jī)械制造,核工業(yè),航空航天\能源交通,石油化工及建筑和電子等行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,焊接已從簡(jiǎn)單的構(gòu)件連接方法和毛坯制造手段發(fā)展成為制造行業(yè)中一項(xiàng)基礎(chǔ)工藝和生產(chǎn)尺寸精確的制成品的生產(chǎn)手段.傳統(tǒng)的手工焊接已不能滿足現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)品制造的質(zhì)量,數(shù)量要求.因此保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性,提高生產(chǎn)率和改善勞動(dòng)條件已成為現(xiàn)代焊接制造工藝發(fā)展亟待解決的問(wèn)題.從21世紀(jì)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展要求看,焊接自動(dòng)化生產(chǎn)已是必然趨勢(shì). 焊接機(jī)器人主要優(yōu)點(diǎn)如下:

14、 1)穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量,保證其均勻性; 2)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,一天可24小時(shí)連續(xù)生產(chǎn) 3)改善工人勞動(dòng)條件,可在有害環(huán)境下工作; 4)降低對(duì)工人操作技術(shù)的要求; 5)縮短產(chǎn)品改形換代的準(zhǔn)備周期,減少相應(yīng)的設(shè)備投資; 6)可實(shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動(dòng)化; 7)能在空間站建設(shè),核能設(shè)備維修,深水焊接等極限條件下完成人工難以進(jìn)行的焊接作業(yè). 8)為焊接柔性生產(chǎn)線提供技術(shù)基礎(chǔ). 焊接作為機(jī)械制造業(yè)中僅次與裝備加工和切削加工的第三大加工作業(yè),對(duì)其進(jìn)行機(jī)器人柔性加工技術(shù)及其相關(guān)的控制器PC化,網(wǎng)絡(luò)化和智能化的應(yīng)用研究已成為焊接自動(dòng)化發(fā)展的必然趨勢(shì). 實(shí)現(xiàn)焊接自動(dòng)化生產(chǎn)的意義和必要性:

15、隨著我國(guó)一步一步地走向國(guó)際市場(chǎng)大舞臺(tái)和加入國(guó)際貿(mào)易組織,國(guó)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的界限將越來(lái)越模糊,我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)際接軌是大勢(shì)所趨,改變過(guò)去的生產(chǎn)方式和管理模式已迫在眉睫.這種改變不僅僅對(duì)大小型企業(yè)而言,對(duì)中型企業(yè)也將更加重要. 1.2 基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì) 根據(jù)任務(wù)的來(lái)源不同，按制造廠的產(chǎn)品規(guī)劃或用戶訂貨要求來(lái)確定。在總體方案設(shè)計(jì)階段先要確定的主要參數(shù)有如下幾種： （1）額定負(fù)載。 額定負(fù)載是指在機(jī)器人規(guī)定的性能范圍內(nèi)，機(jī)械接口處所能承受負(fù)載的允許值。它主要根據(jù)作用于機(jī)械接口處的力和力矩，包括機(jī)器人末端執(zhí)行器的質(zhì)量、抓取工件的質(zhì)量及慣性力（矩），外界的作用力（矩）（如切削機(jī)器人的切削力）來(lái)

16、確定。 （2）按作業(yè)要求確定工作空間，同時(shí)要考慮作業(yè)對(duì)象對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)要求，以便為后續(xù)方案設(shè)計(jì)中的自由度設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 （3）額定速度。 指工業(yè)機(jī)器人在額定負(fù)載、勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)械接口中心的最大速度。應(yīng)綜合考慮作業(yè)效率要求、作業(yè)線協(xié)調(diào)生產(chǎn)要求、慣性力（矩）、驅(qū)動(dòng)與控制方式、定位方式和精度要求等各種因素來(lái)確定。其中慣性力（矩）這一因素，由于機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)尚未設(shè)計(jì)，故該階段只能概略估計(jì)。 （4）驅(qū)動(dòng)方式的選擇。 目前所采用的方式是氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。此次設(shè)計(jì)選用的是步進(jìn)、伺服電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出力較小，伺服電動(dòng)機(jī)可大一些，適用于運(yùn)動(dòng)控制要求嚴(yán)格的中、小型

17、機(jī)器人?？刂菩阅芎?，控制靈活性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)速度、位置的精確控制，對(duì)環(huán)境無(wú)影響。體積小，需減速裝置。維修使用較復(fù)雜，成本較高，效率為0.5左右。 （5）性能指標(biāo)。 按作業(yè)要求確定。一般指位姿準(zhǔn)確度及位姿重復(fù)性（點(diǎn)位控制）、軌跡準(zhǔn)確度及軌跡重復(fù)性（軌跡控制）、最小定位時(shí)間及分辨率等。同時(shí)還可對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛度、關(guān)節(jié)幾何運(yùn)動(dòng)精度等提出要求。 1.3 焊接機(jī)器人的主要組成 （1）機(jī)器人系統(tǒng)包括：由移動(dòng)式或固定式的操作機(jī)、電源、控制系統(tǒng)以及操作并監(jiān)控機(jī)器人的裝置、外部設(shè)備或傳感器的通訊接口所組成的機(jī)器人控制裝置（硬件和軟件）；末端執(zhí)行器；機(jī)器人完成作業(yè)所需的外部設(shè)備、裝置或傳感器。所用的外部設(shè)備均由

18、機(jī)器人的控制系統(tǒng)管理。 （2）手臂和手腕是機(jī)器人操作機(jī)中的基本部件，它由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)組成。其結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，但多數(shù)機(jī)器人的手臂和手腕是由關(guān)節(jié)和桿件構(gòu)成的空間機(jī)構(gòu)，一般由3-10個(gè)自由度組成，工業(yè)機(jī)器人一般為3-6個(gè)自由度。由于機(jī)器人具有多自由度手臂、手腕的機(jī)構(gòu)，使操作運(yùn)動(dòng)具有通用性和靈活性，這也是區(qū)別于一般自動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)。 （3）機(jī)器臂的控制：在電動(dòng)伺服系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的是步進(jìn)電機(jī)或直流伺服電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)從驅(qū)動(dòng)器得到一系列脈沖信號(hào)，每個(gè)脈沖信號(hào)使步進(jìn)電機(jī)軸產(chǎn)生一定的角位移。一般不需要反饋回路和位置編碼器，控制比較簡(jiǎn)單。采用直流伺服電機(jī)的控制系統(tǒng)以測(cè)速器和角度編碼作為

19、反饋裝置，能夠精確地控制機(jī)械臂關(guān)節(jié)軸的運(yùn)動(dòng)，它的工作狀態(tài)平穩(wěn)，旋轉(zhuǎn)速度可以連續(xù)調(diào)節(jié)，對(duì)加速和減速指令都能迅速作出反應(yīng)。 （4）腕部機(jī)構(gòu)支承機(jī)器人手部裝置并調(diào)整其姿態(tài)，一般有2-3個(gè)自由度，使位于機(jī)械臂末端的手爪產(chǎn)生俯仰擺動(dòng)和繞自身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)的合成，使機(jī)器人的手部相對(duì)于操作對(duì)象形成靈活的工作姿態(tài)。 （5）機(jī)器人的手部裝置又稱末端執(zhí)行器。根據(jù)作業(yè)性質(zhì)不同，機(jī)械臂末端的執(zhí)行器有不同形式。 1） 焊接機(jī)器人和噴涂機(jī)器人的末端分別為固定焊槍和噴槍的夾具。 2） 搬運(yùn)大件光整平板的機(jī)器人一般采用真空吸附式末端執(zhí)行器，利用吸盤(pán)內(nèi)壓 力與大氣壓力之間的差值產(chǎn)生吸附作用力。 3） 對(duì)于

20、一般的物料搬運(yùn)和裝配機(jī)器人，末端執(zhí)行器為種類繁多的機(jī)械夾持器，用機(jī)械手指的閉合和張開(kāi)來(lái)夾緊和釋放工件。 4） 運(yùn)送鐵磁物質(zhì)的機(jī)器人還可以將電磁吸盤(pán)作為末端執(zhí)行器。 第2章 焊接機(jī)器人底座的設(shè)計(jì) 2.1 底座的工作方式 機(jī)器人底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求： 1)要有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)器人工作時(shí)的穩(wěn)定性。 2)機(jī)座承受機(jī)器人全部重量和工作載荷，應(yīng)保證足夠的強(qiáng)度、剛度和承載能力。 3)機(jī)座軸系及傳動(dòng)鏈的精度和剛度對(duì)末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)精度影響最大。因此機(jī)座與手臂的聯(lián)接要有可靠的定位基準(zhǔn)面，要有調(diào)整軸承間隙和傳動(dòng)間隙的調(diào)整機(jī)構(gòu)。 機(jī)器人的底座是由兩部分組成的，分

21、為上下兩部分，下部分的作用是固定和支撐，屬于不動(dòng)體，用螺絲固于與地上；上部分是一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)作用是支撐和旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)大臂以上部分做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，是圓弧形的。 上部分也稱做腰部，腰部回轉(zhuǎn)由一級(jí)齒輪傳動(dòng)和諧波齒輪組成，如底座部件圖所示在結(jié)構(gòu)布置上，電機(jī)、諧波減速器和小齒輪均在腰上隨腰座一起回轉(zhuǎn)；而大 齒輪固定在機(jī)座上。這樣布局對(duì)裝飾、潤(rùn)滑方便，但增大了腰部回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 底座上使用的是階梯軸，作用是傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩，把諧波減速器傳出的轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)到小齒輪上，軸的上端和諧波減速器的柔輪相連，下端由鍵和小齒輪聯(lián)結(jié)，諧波減速器的剛輪和諧波減速器的外殼聯(lián)結(jié)，諧波減速器的外殼又和機(jī)器人的大臂用螺栓連接；當(dāng)?shù)鬃碾姍C(jī)工作時(shí)，

22、諧波減速器的剛輪不動(dòng)，柔輪動(dòng)，柔輪又通過(guò)階梯軸和小齒輪由鍵連接，所以帶動(dòng)小齒輪動(dòng)，小齒輪又和大齒輪相嚙合，大齒輪通過(guò)齒輪座固連于下底座上，所以小齒輪帶著諧波減速器和機(jī)器人大臂以上的部件，繞著大齒輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)了焊接機(jī)器人繞Z向旋轉(zhuǎn)的自由度。 2.2 底座的電動(dòng)機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)從驅(qū)動(dòng)器得到一系列脈沖信號(hào)，每個(gè)脈沖信號(hào)使步進(jìn)電機(jī)軸產(chǎn)生一定的角位移。一般不需要反饋回路和位置編碼器，控制比較簡(jiǎn)單。采用直流伺服電機(jī)的控制系統(tǒng)以測(cè)速器和角度編碼作為反饋裝置，能夠精確地控制機(jī)械臂關(guān)節(jié)軸的運(yùn)動(dòng)，它的工作狀態(tài)平穩(wěn)，旋轉(zhuǎn)速度可以連續(xù)調(diào)節(jié)，對(duì)加速和減速指令都能迅速作出反應(yīng)。 在機(jī)械手的電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)

23、程中，采用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)即是一種兼有反應(yīng)式（機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)5版 35-84頁(yè)） 底座電機(jī)選用90BYG5503型號(hào)，如下表： 型號(hào) 步距角 相數(shù) 驅(qū)動(dòng)電壓 /V 相電（流） /A 靜轉(zhuǎn)距 /NM 空載啟 動(dòng)頻率 /PPS 空載運(yùn) 行頻率 /KPPS 轉(zhuǎn)14動(dòng) 慣量 /kgcm2 相電感 /mH 重量 /kg 90BYG 5503 0.36/0.72 5 50 3 7 2200 ≥30 5.1 5.0 6.0 2.3 底座上諧波齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) （1）諧波減速器在機(jī)器人中的應(yīng)用 由于諧波減速器裝置具

24、有傳動(dòng)比大、承載能力強(qiáng)、傳動(dòng)精度高、傳動(dòng)平穩(wěn)、效率高，體積小，質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于工業(yè)機(jī)器人中。此次設(shè)計(jì)中分別在底座，大臂，小臂上用了三個(gè)諧波減速器。 目前工業(yè)機(jī)器人中常用的諧波減速器有三種型式。此次設(shè)計(jì)選用的是帶杯形柔輪的諧波傳動(dòng) 如圖4—18a所示，是由三個(gè)基本構(gòu)件組成的，帶凸緣的環(huán)型剛輪6，杯形柔輪1和由柔性軸承5、橢圓盤(pán)4構(gòu)成的波發(fā)生器，它通過(guò)端面牙嵌式聯(lián)軸器3與輸出軸套2相連。這種沒(méi)有單獨(dú)外殼的由三大基本構(gòu)件形成一個(gè)組合件的結(jié)構(gòu)形式，使傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)化和緊湊。 （2）諧波減速器工作原理 諧波齒輪傳動(dòng)的工作原理如圖4—16所示，若剛輪G為固定件，波發(fā)生器／／為

25、 主動(dòng)件，柔輪R為從動(dòng)件。當(dāng)將波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)孔時(shí)．由于波發(fā)生器兩滾子外側(cè)之間的距離略大于柔輪內(nèi)孔直徑，使原為圓形的柔輪產(chǎn)生彈性變形成為橢圓，使其長(zhǎng)軸兩端的齒與剛輪齒完全嚙合。同時(shí)，變形后柔輪短軸兩端的齒則與剛輪齒完全脫開(kāi)，其余各處的齒，則視回轉(zhuǎn)方向不同分別處于“嚙人”或“嚙出”狀態(tài)，當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)回轉(zhuǎn)時(shí)，嚙人區(qū)和嚙出區(qū)將隨著橢圓長(zhǎng)短軸相位的變化而依次變化。于是柔輪就相對(duì)于不動(dòng)的剛輪沿與波發(fā)生器轉(zhuǎn)向相反的方向作低速回轉(zhuǎn)，柔輪長(zhǎng)軸和短軸相位的連續(xù)變化，使柔輪的變形在其圓周上是連續(xù)的簡(jiǎn)諧波形，因此，這種傳動(dòng)稱為諧波傳動(dòng)。若柔輪固定，剛輪從動(dòng)，其工作過(guò)程完全相同，只是剛輪的轉(zhuǎn)向與波發(fā)生相反。

26、 （3）傳動(dòng)比計(jì)算 如圖4—16所示，波發(fā)生器有兩個(gè)觸頭，產(chǎn)生兩個(gè)嚙合區(qū)，故稱雙波發(fā)生器，若波發(fā)生器有三個(gè)觸頭，則可產(chǎn)生三個(gè)嚙合區(qū)，此時(shí)稱三波發(fā)生器。對(duì)雙波傳動(dòng)，剛輪和柔輪的齒數(shù)差應(yīng)為2，三個(gè)波傳動(dòng)其齒數(shù)差應(yīng)為3，由于結(jié)構(gòu)上的原因，單波或三波以上的傳動(dòng)很少用，常用的是雙波傳動(dòng)。從傳動(dòng)效率考慮和實(shí)際應(yīng)用需要，常用的諧波傳動(dòng)可分以下兩種情況： 1）、波發(fā)生器主動(dòng)，剛輪固定，柔輪從動(dòng)時(shí)，波發(fā)生器與柔輪的減速傳動(dòng)比為 i=　　　?。ǎ矗担玻? 式中 ,——分別為剛輪與柔輪的齒數(shù)；，——分別為波發(fā)生器和柔輪的轉(zhuǎn)速。 2)波發(fā)生器主動(dòng)，柔輪固定，剛輪從動(dòng)

27、時(shí)，波發(fā)生器和剛輪的減速傳動(dòng)比為 式中——?jiǎng)傒喌霓D(zhuǎn)速，其余同式（４－５２） 波發(fā)生器固定時(shí)，若剛輪主動(dòng)而柔輪從動(dòng)，其傳動(dòng)比略大于１，反之，柔輪主動(dòng)而剛輪從動(dòng)，其傳動(dòng)比略小于１。 根據(jù)底座的這種運(yùn)動(dòng)要求，以及底座運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，我們選用標(biāo)準(zhǔn)的諧波減速器，其性能參數(shù)如下表所示： 規(guī)格 產(chǎn)品型號(hào) 模數(shù)m 減速比i 額定輸入轉(zhuǎn)速r/min 額定輸出力矩Nm ８０ ＸＢ－８０－２０２Ｂ ０．２ ２０２ ≤３０００ １２０ 其外形及安裝尺寸如下表： 機(jī)型 Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ Ｉ ８０ 115 77 81．6 15 80

28、3 4 6.5 105 Ｊ Ｋ Ｌ Ｏ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｔ 14 5 16．3 26 5 6 5．5 36 45 2.4 底座軸的設(shè)計(jì) 底座上使用的是階梯軸，作用是傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩，把諧波減速器傳出的轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)到小齒輪上，軸的上端和諧波減速器的柔輪相連，下端由鍵和小齒輪聯(lián)結(jié)， 按彎扭合成強(qiáng)度校核軸的強(qiáng)度 1、繪制軸受力簡(jiǎn)圖(圖a) 2、繪制垂直面彎矩圖(圖b) 軸承支承反力 ===160.3N =+=982+160.3=1142.3N 計(jì)算彎矩 截面c右側(cè)彎矩 ==1142.3=80.06N.m 截面c左側(cè)彎矩 ==160.3=11.8

29、8N.m 3、繪制水平彎矩圖(圖c) 軸支承反力====1309N 截面c處彎矩==1309=96.2N.m 4、繪制合成彎矩圖(圖d) ===125.4N.m ===95.06N.m 5、繪制轉(zhuǎn)矩圖(圖e) T=9.55=9.55=260N.m 6、繪制當(dāng)量彎矩圖(圖f) 轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的扭剪應(yīng)力按脈動(dòng)循環(huán)變化，取=0.6,截面c處的當(dāng)量彎矩為===202N.m 7、校核危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度 ===2.77Mpa<55Mpa 2.5 底座傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì) 2.1.1齒輪齒數(shù)的計(jì)算 根據(jù)各傳動(dòng)副的傳動(dòng)比，由《機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)》表3-6確定各齒輪齒數(shù) 取=30 =72 則

30、=42 =32 =72 則=40 各齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算： 2.1.1齒輪接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 =33, =47 (1)確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 1、=1.32 2、計(jì)算小齒輪名義轉(zhuǎn)速 T=9.5510=9.5510Nmm=Nmm 3、查表 =0.8（齒寬系數(shù)） 4、節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)=2.5 5、由表12-12查取彈性系數(shù)=189.8 6、由圖12-20和圖12-21查得 =590mpa, =480mpa, =450mpa, =390mpa 7、計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) =60kth=605601(2830010)=1.6110 ===1.28810 8、由圖12-22查

31、取接觸疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù) =1, =1 9、計(jì)算許用應(yīng)力。 取失效概率為1%，接觸疲勞強(qiáng)度最小安全系數(shù)=1 ===590mpa ===480mpa (2)設(shè)計(jì)計(jì)算 1、計(jì)算小齒輪分度圓直徑d dmm=90mm 2、圓周速度 v===2.6376m/s 3、確定載荷系數(shù) =1 ==1 =1.14, =0.17 (=46.06) 所以== +=1.14+0.17=1.31 =39.07, =0.0193 所以=1+（）=1.53 k==11.531.311=2.0043 4、按實(shí)際載荷系數(shù)校正小齒輪分度圓直徑計(jì)算值 ==98=133.97mm 2.1.2

32、 確定主要幾何參數(shù)和尺寸 (1)模數(shù) m===3.67 取整標(biāo)準(zhǔn)值為m=4 (2)分度圓直徑==433=132 =m=447=188 (3)中心矩a=0.5m(+)=0.54(33+47)=160 (4)齒寬 取==40 2.6底座軸承的選擇 1．對(duì)于與電機(jī)軸相聯(lián)的軸為主動(dòng)軸，軸所受的載荷較小，且為高速軸，根據(jù)已知條件60，轉(zhuǎn)速較高，主要受徑向力的影響，故選用深溝球軸承，主要承受一定的雙向軸向載荷，極限轉(zhuǎn)速較高，這類軸承結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，價(jià)格便宜，供貨方便，應(yīng)用較廣。 2.對(duì)于主軸（即腰部支承軸承）上因存在徑向力和軸向力，有較高的使用要求，分別承擔(dān)徑向載荷和軸向載荷，而且有一定

33、的沖擊載荷，但軸承的轉(zhuǎn)速較低，故選用環(huán)形軸承。環(huán)形軸承精度高，剛度大，負(fù)荷力大，裝配方便，可以承受徑向力，軸向力及傾覆力矩，許多機(jī)械人都采用這種軸承作為腰部支撐元件。環(huán)形軸承種類很多，有用滾球的，也有用滾柱的。 查手冊(cè) 高速軸選用深溝球軸承6209 腰部軸承選用環(huán)性交叉滾子軸承CRB12025 3.軸承的校核計(jì)算 兩個(gè)6012型軸承轉(zhuǎn)速1460r/min,徑向載荷Fr1=672N Fr2=356N 軸向載荷Fa=0,工作時(shí)無(wú)沖擊，溫度低于100?C,預(yù)壽命10000h. 解：軸承1承受的負(fù)載較重，經(jīng)驗(yàn)算軸承1的當(dāng)量載荷為P=xFr+yFa 查機(jī)械設(shè)

34、計(jì)手冊(cè)6012形軸承Cr=31500N C0r=24200N 深溝球軸承 X0=0.6 Y0=0.5 P1= xFr1+yFa1=376N 軸承的壽命由公式計(jì)算得 16667/n(ftC/fpP)=16667/1460(1x31500/1.2x376) 壽命足夠。 第3章　焊接機(jī)器人大臂的設(shè)計(jì) 3.1 大臂的工作方式 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 1)手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求。工作空間的形狀和大小與手臂的長(zhǎng)度、手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍密切相關(guān) 2)根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，如常

35、采用空心的薄壁矩形框體或圓管以提高其抗彎剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，減輕自身的重量。空心結(jié)構(gòu)內(nèi)部可以方便地安置機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 3)盡量減小手臂重量和相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和偏重力矩，以減小驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)荷；減少運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)載荷與沖擊，提高手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度。 4)要設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差，提高運(yùn)動(dòng)的精確性和運(yùn)動(dòng)剛度，采用緩沖和限位裝置提高定位精度。 焊接機(jī)器人的大臂采用電機(jī)、諧波減速器和關(guān)節(jié)軸線同軸的傳動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)路線最短。 大臂上的諧波減速器采用的是柔輪不動(dòng)，剛輪動(dòng)的方式；諧波減速器的剛輪與機(jī)器人的大臂用螺栓相連，柔輪通過(guò)支撐法蘭固定在臂座上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸用鍵與驅(qū)動(dòng)軸相連

36、，軸與套筒用鍵連接，并一同轉(zhuǎn)動(dòng)。波發(fā)生器與套筒用法蘭剛性連接，套筒通過(guò)鍵與固定 在支撐法蘭盤(pán)上的電磁制動(dòng)器相聯(lián)。帶內(nèi)圈的從動(dòng)剛輪與大臂殼體相固聯(lián)。因此大臂殼體與剛輪一起在軸承上轉(zhuǎn)動(dòng)。這種伺服電機(jī)經(jīng)諧波減速器減速后驅(qū)動(dòng)的手臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)緊湊，手臂的轉(zhuǎn)角范圍大。 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人的大臂是用高強(qiáng)度鋁合金材料制成的薄壁框形結(jié)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)都是采用齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)剛性較大。 3.2 大臂電動(dòng)機(jī)的選擇 大臂電動(dòng)機(jī)是驅(qū)動(dòng)大臂做擺動(dòng)，選用75BYG4501型號(hào)，如下表： 型號(hào) 步距角 相數(shù) 驅(qū)動(dòng)電壓 /V 相電（流） /A 靜轉(zhuǎn)距 /NM 空載啟 動(dòng)頻率 /PPS 空載運(yùn) 行

37、頻率 /KPPS 轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量 /kgcm2 相電感 /mH 重量 /kg 75BYG 4501 0.9/1.8 4 50 3 1.5 1200 ≥15 0.9 2.5 1.5 3.3 大臂上諧波齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) （1）諧波減速器在機(jī)器人中的應(yīng)用 由于諧波減速器裝置具有傳動(dòng)比大、承載能力強(qiáng)、傳動(dòng)精度高、傳動(dòng)平穩(wěn)、效率高，體積小，量輕等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于工業(yè)機(jī)器人中。此次設(shè)計(jì)中分別在，大臂上用了一個(gè)諧波減速器。 目前工業(yè)機(jī)器人中常用的諧波減速器有三種型式。此次設(shè)計(jì)選用的是帶杯形柔輪的諧波傳動(dòng) 如圖4—18a所示，是由三個(gè)基本構(gòu)件組成的，帶凸

38、緣的環(huán)型剛輪6，杯形柔輪1和由柔性軸承5、橢圓盤(pán)4構(gòu)成的波發(fā)生器，它通過(guò)端面牙嵌式聯(lián)軸器3與輸出軸套2相連。這種沒(méi)有單獨(dú)外殼的由三大基本構(gòu)件形成一個(gè)組合件的結(jié)構(gòu)形式，使傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)化和緊湊。 （2）諧波減速器工作原理 諧波齒輪傳動(dòng)的工作原理如圖4—16所示，若剛輪G為固定件，波發(fā)生器／／為 主動(dòng)件，柔輪R為從動(dòng)件。當(dāng)將波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)孔時(shí)．由于波發(fā)生器兩滾子外側(cè)之間的距離略大于柔輪內(nèi)孔直徑，使原為圓形的柔輪產(chǎn)生彈性變形成為橢圓，使其長(zhǎng)軸兩端的齒與剛輪齒完全嚙合。同時(shí)，變形后柔輪短軸兩端的齒則與剛輪齒完全脫開(kāi)，其余各處的齒，則視回轉(zhuǎn)方向不同分別處于“嚙人”或“嚙出”狀

39、態(tài)，當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)回轉(zhuǎn)時(shí)，嚙人區(qū)和嚙出區(qū)將隨著橢圓長(zhǎng)短軸相位的變化而依次變化。于是柔輪就相對(duì)于不動(dòng)的剛輪沿與波發(fā)生器轉(zhuǎn)向相反的方向作低速回轉(zhuǎn)，柔輪長(zhǎng)軸和短軸相位的連續(xù)變化，使柔輪的變形在其圓周上是連續(xù)的簡(jiǎn)諧波形，因此，這種傳動(dòng)稱為諧波傳動(dòng)。 根據(jù)大臂的這種運(yùn)動(dòng)要求，以及大臂運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，我們選用標(biāo)準(zhǔn)的諧波減速器，其性能參數(shù)如下表所示： 規(guī)格 產(chǎn)品型號(hào) 模數(shù)m 減速比i 額定輸入轉(zhuǎn)速r/min 額定輸出力矩Nm ８０ ＸＢ－８０－２０２Ｂ ０．２ ２０２ ≤３０００ １２０ 其外形及安裝尺寸如下表： 機(jī)型 Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ

40、 Ｉ ８０ 115 77 81．6 15 80 3 4 6.5 105 Ｊ Ｋ Ｌ Ｏ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｔ 14 5 16．3 26 5 6 5．5 36 45 第4章 焊接機(jī)器人小臂的設(shè)計(jì) 4.1 小臂的工作方式 小臂采用電動(dòng)機(jī)、諧波減速器和關(guān)節(jié)軸線同軸的傳動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)路線最短。 小臂上的諧波減速器也采用的是柔輪不動(dòng)，剛輪動(dòng)的方式；諧波減速器的剛輪與機(jī)器人的大臂用螺栓相連，柔輪通過(guò)支撐法蘭固定在臂座上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸用鍵與驅(qū)動(dòng)軸相連，軸與套筒用鍵連接，并一同轉(zhuǎn)動(dòng)。波發(fā)生器與套筒用法蘭剛

41、性連接，套筒通過(guò)鍵與固定在支撐法蘭盤(pán)上的電磁制動(dòng)器相聯(lián)。帶內(nèi)圈的從動(dòng)剛輪與小臂殼體相固聯(lián)。因此小臂殼體與剛輪一起在軸承上轉(zhuǎn)動(dòng)。這種伺服電機(jī)經(jīng)諧波減速器減速后驅(qū)動(dòng)的手臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)緊湊，手臂的轉(zhuǎn)角范圍大。 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人的小臂是用高強(qiáng)度鋁合金材料制成的薄壁框形結(jié)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)都是采用齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)剛性較大 4.2 小臂電動(dòng)機(jī)的選擇 小臂電動(dòng)機(jī)是驅(qū)動(dòng)小臂做上下運(yùn)動(dòng)，選用75BYG4502型號(hào)，如下表： 型號(hào) 步距角 相數(shù) 驅(qū)動(dòng)電壓 /V 相電（流） /A 靜轉(zhuǎn)距 /NM 空載啟 動(dòng)頻率 /PPS 空載運(yùn) 行頻率 /KPPS 轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量 /kgcm2 相

42、電感 /mH 重量 /kg 75BYG 4501 0.9/1.8 4 50 3 1.5 1200 ≥15 0.9 2.5 1.5 4.3 小臂上諧波齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 諧波減速器在機(jī)器人中的應(yīng)用 由于諧波減速器裝置具有傳動(dòng)比大、承載能力強(qiáng)、傳動(dòng)精度高、傳動(dòng)平穩(wěn)、效率高，體積小，質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于工業(yè)機(jī)器人中。此次設(shè)計(jì)中在小臂上用了一個(gè)諧波減速器。 目前工業(yè)機(jī)器人中常用的諧波減速器有三種型式。此次設(shè)計(jì)選用的是帶杯形柔輪的諧波傳動(dòng) 如圖4—18a所示，是由三個(gè)基本構(gòu)件組成的，帶凸緣的環(huán)型剛輪6，杯形柔輪1和由柔性軸承5、橢圓盤(pán)4構(gòu)成的波發(fā)生器，它通過(guò)端

43、面牙嵌式聯(lián)軸器3與輸出軸套2相連。這種沒(méi)有單獨(dú)外殼的由三大基本構(gòu)件形成一個(gè)組合件的結(jié)構(gòu)形式，使傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)化和緊湊。 由于小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對(duì)比較小，而且結(jié)構(gòu)比較緊湊，因此在設(shè)計(jì)中采用諧波減速器直接驅(qū)動(dòng)小臂運(yùn)動(dòng)的方式。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)諧波減速器的波發(fā)生器，將運(yùn)動(dòng)傳遞給柔輪，由于剛輪不動(dòng)柔輪動(dòng)，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)得到一定比例的減速！傳動(dòng)比為１：２００。諧波減速器的柔輪與一驅(qū)動(dòng)短軸相聯(lián)系，而短軸的另一端則與小臂體上的聯(lián)接體相連，聯(lián)接體是與小臂鑄成一體的，這樣就實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)小臂作Ｘ軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 根據(jù)小臂的這種運(yùn)動(dòng)要求，以及小臂運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，我們選用標(biāo)準(zhǔn)的諧波減速器，其性能參數(shù)如下表所示：

44、 規(guī)格 產(chǎn)品型號(hào) 模數(shù)m 減速比i 額定輸入轉(zhuǎn)速r/min 額定輸出力矩Nm ４０ ＸＢ－４０－２００Ｂ ０．１ ２００ ≤３０００ １６ 其外形及安裝尺寸如下表： 機(jī)型 Ａ Ｂ Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ Ｇ Ｈ Ｉ ４０ 64 40 40.6 8 40 2 4 4.5 57 Ｊ Ｋ Ｌ Ｏ Ｐ Ｑ Ｒ Ｓ Ｔ 8 2 9 12 4．5 6 3．5 20 28 第5章 焊接機(jī)器人手腕的設(shè)計(jì) 5.1 機(jī)器人手腕的設(shè)計(jì)要求 手腕是連接手臂和末端執(zhí)行器的部件，其功能是在

45、手臂和機(jī)座實(shí)現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個(gè)位置坐標(biāo)（自由度）的基礎(chǔ)上，再由手腕來(lái)實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個(gè)姿態(tài)（方位）坐標(biāo)，即實(shí)現(xiàn)三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。通過(guò)機(jī)械接口，聯(lián)接并支承末端執(zhí)行器。手腕能實(shí)現(xiàn)繞空間三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，即回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、左右偏擺運(yùn)動(dòng)和俯仰運(yùn)動(dòng)。當(dāng)有特殊需要時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)小距離的橫移運(yùn)動(dòng)。手腕的自由度愈多，結(jié)構(gòu)和控制愈復(fù)雜。因此，應(yīng)根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)要求來(lái)決定其應(yīng)具有的自由度數(shù)目。在多數(shù)情況下，手腕具有1-2個(gè)自由度即可滿足作業(yè)要求。 （1）設(shè)計(jì)要求 對(duì)工業(yè)機(jī)器人手腕設(shè)計(jì)的要求有： 1）由于手腕處于手臂末端，為減輕手臂的載荷，應(yīng)力求手腕部件的結(jié)構(gòu)緊湊，減少其質(zhì)量和體積。為此腕部機(jī)

46、構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置多采用分離傳動(dòng)，將驅(qū)動(dòng)器安置在手臂的后端。 2）手腕部件的自由度愈多，各關(guān)節(jié)角的運(yùn)動(dòng)范圍愈大，其動(dòng)作的靈活性愈高，機(jī)器人對(duì)作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強(qiáng)。但增加手腕自由度，會(huì)使手腕結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)控制難度加大。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，不應(yīng)盲目增加手腕的自由度數(shù)。通用目的機(jī)器人手腕多配置3個(gè)自由度，某些動(dòng)作簡(jiǎn)單的專用工業(yè)機(jī)器人的手腕，根據(jù)作業(yè)實(shí)際需要，可減少其自由度數(shù)，甚至可以不設(shè)置手腕以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。 3）為提高手腕動(dòng)作的精確性，應(yīng)提高傳動(dòng)的剛度，應(yīng)盡量減少機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中由于間隙產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)回差。如齒輪傳動(dòng)中的齒側(cè)間隙，絲杠螺母中的傳動(dòng)間隙；聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)間隙等。對(duì)分離傳動(dòng)采用鏈、同步齒帶或傳動(dòng)軸傳動(dòng)。

47、 4）對(duì)手腕回轉(zhuǎn)各關(guān)節(jié)軸上要設(shè)置限位開(kāi)關(guān)和機(jī)械擋塊，以防止關(guān)節(jié)超限造成事故。 5.2 手腕工作方式 具有兩個(gè)自由度的機(jī)械傳動(dòng)手腕結(jié)構(gòu)如下圖所示之手腕結(jié)構(gòu)，手腕的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)安裝在大臂關(guān)節(jié)上，經(jīng)諧波減速器用兩級(jí)鏈傳動(dòng)將運(yùn)動(dòng)通過(guò)小臂關(guān)節(jié)傳遞到手腕軸10上的鏈輪4、5。帶傳動(dòng)6將運(yùn)動(dòng)經(jīng)帶輪4、軸10和圓錐齒輪9、11帶動(dòng)軸14(其上裝有機(jī)械接口法蘭盤(pán)15)作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶傳動(dòng)7將運(yùn)動(dòng)經(jīng)帶輪5直接帶動(dòng)手腕殼體8實(shí)現(xiàn)上下俯仰擺動(dòng)。當(dāng)帶傳動(dòng)6和帶輪4不動(dòng)，使帶傳動(dòng)7和帶輪5單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于軸10不動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的殼體8將迫使圓錐齒輪11作行星運(yùn)動(dòng)，即齒輪11隨殼體8作公轉(zhuǎn)(上下俯仰夕)，同時(shí)還繞軸14作附加的自

48、轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 手腕的驅(qū)動(dòng)電機(jī)放置于小臂的末端，靠梯形齒同步帶將動(dòng)力源傳送到手腕的驅(qū)動(dòng)軸上，實(shí)現(xiàn)手腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。同步帶傳動(dòng)效率高，可達(dá)98%～99.5%,節(jié)能效果大.與V帶和平帶傳動(dòng)相比,傳動(dòng)比準(zhǔn)確,無(wú)彈性滑動(dòng),傳動(dòng)比可大到10,速度大到40m/s,負(fù)載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊，帶的伸縮率小。此外，帶傳動(dòng)傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲小，不需要潤(rùn)滑。因此同步帶傳動(dòng)在機(jī)器人中也得到了廣泛的應(yīng)用。 本次設(shè)計(jì)參考了這方面的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)查閱書(shū)籍確定采用此種結(jié)構(gòu)。 5.3 手腕電動(dòng)機(jī)的選擇 手腕電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)為兩個(gè)，第一個(gè)主要作用是使手腕實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，第二個(gè)主要作用是使手腕實(shí)現(xiàn)上下擺動(dòng)作用。兩個(gè)電機(jī)都選用75BYG4503型號(hào)，如

49、下表： 型號(hào) 步距角 相數(shù) 驅(qū)動(dòng)電壓 /V 相電（流） /A 靜轉(zhuǎn)距 /NM 空載啟 動(dòng)頻率 /PPS 空載運(yùn) 行頻率 /KPPS 轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量 /kgcm2 相電感 /mH 重量 /kg 75BYG 4501 0.9/1.8 4 50 3 1.5 1200 ≥15 0.9 2.5 1.5 5.4 手腕軸承的選擇 （1）．對(duì)于與電機(jī)軸相聯(lián)的軸為主動(dòng)軸，軸所受的載荷較小，且為高速軸，根據(jù)已知條件20，轉(zhuǎn)速較低，主要受徑向力的影響，故選用深溝球軸承，主要承受一定的雙向軸向載荷，極限轉(zhuǎn)速較高，這類軸承結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，價(jià)格便宜，供貨

50、方便，應(yīng)用較廣。 查手冊(cè) 高速軸選用深溝球軸承62007 （2）軸承的校核計(jì)算 兩個(gè)6012型軸承轉(zhuǎn)速1460r/min,徑向載荷Fr1=672N Fr2=356N軸向載荷Fa=0,工作時(shí)無(wú)沖擊，溫度低于100℃,預(yù)壽命10000h. 解：軸承1承受的負(fù)載較重，經(jīng)驗(yàn)算軸承1的當(dāng)量載荷為P=xFr+yFa 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)6012形軸承Cr=31500N C0r=24200N 深溝球軸承 X0=0.6 Y0=0.5 P1= xFr1+yFa1=376N 軸承的壽命由公式計(jì)算得 16667/n(ftC/fpP)=16667/1460

51、(1x31500/1.2x376) 壽命足夠。 （3）按彎扭合成強(qiáng)度校核軸的強(qiáng)度 1繪制軸受力簡(jiǎn)圖(圖a) 2繪制垂直面彎矩圖(圖b) 軸承支承反力 ===160.3N =+=982+160.3=1142.3N 計(jì)算彎矩 截面c右側(cè)彎矩 ==1142.3=80.06N.m 截面c左側(cè)彎矩 ==160.3=11.88N.m 3繪制水平彎矩圖(圖c) 軸支承反力====1309N 截面c處彎矩==1309=96.2N.m 4繪制合成彎矩圖(圖d) ===125.4N.m ===95.06N.m 5繪制轉(zhuǎn)矩圖(圖e) T=9.55=9.55=260N.m 6繪

52、制當(dāng)量彎矩圖(圖f) 轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的扭剪應(yīng)力按脈動(dòng)循環(huán)變化，取=0.6,截面c處的當(dāng)量彎矩為===202N.m 7校核危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度 ===2.77Mpa<55Mpa 第6章 焊接機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì) 6.1 機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)要求 機(jī)器人是一種通用性較強(qiáng)的自動(dòng)化作業(yè)設(shè)備，末端執(zhí)行器則是直接執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的裝置，大多數(shù)末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)和尺寸都是根據(jù)其不同的任務(wù)要求來(lái)設(shè)計(jì)的，從而形成了多數(shù)多樣的結(jié)構(gòu)型式，根據(jù)其用途的不同可以分為機(jī)械式夾持器、吸附式末端執(zhí)行器和專用工具，它按裝在操作機(jī)手腕或手臂的機(jī)械接口上，多數(shù)情況下末端執(zhí)行器是為特定的用途而專門(mén)設(shè)計(jì)的，但也可以設(shè)計(jì)成一種適用

53、性較大的多用途末端執(zhí)行器，為了方便的更換末端執(zhí)行器，可設(shè)計(jì)一種末端執(zhí)行器的接換器來(lái)形成操作機(jī)上的機(jī)械接口。較簡(jiǎn)單的可用法蘭盤(pán)作為接口出的接換器，本次設(shè)計(jì)就是采用的法蘭盤(pán)式接口。焊槍直接把在末端執(zhí)行器法蘭盤(pán)上。 設(shè)計(jì)時(shí)的要求： 1） 不論是夾持和吸附，末端執(zhí)行器需具有滿足作業(yè)需求的足夠的夾持力和所需的夾持位置精度。 2） 應(yīng)盡可能使末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，質(zhì)量請(qǐng)輕，以減輕手臂的負(fù)荷。專用的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作效率高，而能完成多種作業(yè)的末端執(zhí)行器可能帶離來(lái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，費(fèi)用高的缺點(diǎn)，因此提倡設(shè)計(jì)可快速更換的系列化、通用化專用末端執(zhí)行器。 此次設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是五自由度的焊接機(jī)器人，因此它的未端執(zhí)行元

54、件是焊槍，隨著氣保焊的廣泛運(yùn)用，氣體保護(hù)焊更容量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因此我選用的是氣體保護(hù)焊，用末端法蘭盤(pán)將其固定于手腕末端。具體的選用原則如下所述： 1、送絲機(jī)的選擇 弧焊機(jī)器人配備的送絲機(jī)可按安裝方式分為兩種。 一種是將送絲機(jī)安裝在機(jī)器人的上臂的后部上面與機(jī)器人組成一體的方式；另一種是將送絲機(jī)與機(jī)器人分開(kāi)安裝的方式。由于一體式的送絲機(jī)到焊槍的距離比分離式的短，連接送絲機(jī)和焊槍的軟管也短，所以一體式的送絲阻力比分離式的小。從提高送絲穩(wěn)定性的角度看，一體式比分離式要好一些。目前，弧焊機(jī)器人的送絲機(jī)采用一體式的安裝方式已越來(lái)越多了，但對(duì)要在焊接過(guò)程中進(jìn)行自動(dòng)更換焊槍(變換焊絲直徑或種類)的機(jī)器人，

55、必須選用分離式送絲機(jī)。 送絲機(jī)的結(jié)構(gòu)有一對(duì)送絲輥輪的，也有兩對(duì)輥輪的；有只用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一對(duì)或兩對(duì)輥輪的，也有用兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩對(duì)輥輪的。從送絲力來(lái)看，兩對(duì)輥輪的送絲力比一對(duì)輥輪的大些。當(dāng)采用藥芯焊絲時(shí)，由于藥芯焊絲比較軟，輥輪的壓緊力不能象用實(shí)心焊絲時(shí)那么大，為了保證有足夠的送絲推力，選用兩對(duì)輥輪的送絲機(jī)可以有更好的效果。對(duì)于送絲機(jī)與機(jī)器人連成一體的安裝方式，雖然送絲軟管比較短，但有時(shí)為了方便換焊絲盤(pán)，而把焊絲盤(pán)或焊絲桶敢在遠(yuǎn)離機(jī)器人的安全圍欄之外，這就要求送絲機(jī)有足夠的拉力從較長(zhǎng)的導(dǎo)絲管中把焊絲從焊絲盤(pán)(桶)拉過(guò)來(lái)，再經(jīng)過(guò)軟管推向焊槍。對(duì)于這種情況，和送絲軟管比較長(zhǎng)的分離式送絲機(jī)一樣，

56、都希望選用送絲力較大的送絲機(jī)。如忽視這一點(diǎn)，往往會(huì)出現(xiàn)送絲不穩(wěn)定甚至中斷送絲的現(xiàn)象。送絲機(jī)的送絲速度控制方法可分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種。目前，大部分送絲機(jī)仍采用開(kāi)環(huán)的控制方法，但也有一些采用裝有光電傳感器(或碼盤(pán))的伺服電機(jī)，使送絲速度實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，不受網(wǎng)路電壓或送絲阻力波動(dòng)的影響，保證送絲速度的穩(wěn)定性。 對(duì)填絲的脈沖TIG焊來(lái)說(shuō)，可以選用連續(xù)送絲的送絲機(jī)也可以選用能與焊接脈沖電流同步的脈動(dòng)送絲機(jī)。脈動(dòng)送絲機(jī)的脈動(dòng)頻率可受電源控制，而每步送出焊絲的長(zhǎng)度可以任意調(diào)節(jié)。脈動(dòng)送絲機(jī)也可以連續(xù)送絲。因此，近來(lái)填絲的脈沖TIG焊機(jī)器人配備脈動(dòng)送絲機(jī)的情況已逐步增多。 2、送絲軟管的選擇和保持送絲穩(wěn)定的措施

57、 目前軟管都是將送絲、導(dǎo)電、輸氣和通冷卻水做成一體的方式，軟管的中心是一根通焊絲同時(shí)也起輸送保護(hù)氣作用的導(dǎo)絲管，外面纏繞導(dǎo)電的多芯電纜，有的電纜中還夾有兩根冷卻水循環(huán)的管子，最外面包敷一層絕緣橡膠。當(dāng)送鋁焊絲時(shí)，應(yīng)選用特富隆(TEFLON)或尼龍制成的管做導(dǎo)絲管；而送鋼焊絲時(shí)，一般采用鋼制的彈簧管。導(dǎo)絲管的內(nèi)徑應(yīng)比焊絲直徑大lmm左右。造成弧焊機(jī)器人送絲不穩(wěn)定的原因往往是軟管阻力過(guò)大。一方面可能是選用的導(dǎo)絲管內(nèi)徑與焊絲直徑不匹配；另一方面可能是導(dǎo)絲管內(nèi)積存由焊絲表面剝落下來(lái)的銅末或鋼末過(guò)多所造成的。因此弧焊機(jī)器人應(yīng)選用鍍銅層較牢固的優(yōu)質(zhì)焊絲，并調(diào)節(jié)好送絲輥輪的壓緊力，盡可能減少焊絲表面鍍銅層

58、的剝落，而且一個(gè)月至少應(yīng)定期清洗一次導(dǎo)絲管。如能選用不銹鋼制成的導(dǎo)絲管更好，由于奧氏體不銹鋼沒(méi)有磁性不會(huì)吸住鋼末，不但容易清理，而且不易堵塞導(dǎo)絲管。還必須注意在編程時(shí)調(diào)整焊槍和機(jī)器人的姿態(tài)，盡可能減少軟管的彎曲程度。特別是用分離式送絲機(jī)，由于軟管較長(zhǎng)，如忽視調(diào)節(jié)機(jī)器人與送絲機(jī)的距離及姿態(tài)，軟管很容易出現(xiàn)多個(gè)小彎，而造成送絲不暢，這點(diǎn)往往被編程人員所忽視。目前越來(lái)越多的機(jī)器人公司把安裝在機(jī)器人上臂的送絲機(jī)稍為向上翹，有的還使送絲機(jī)能作左右小角度自由擺動(dòng)，目的都是為了減少軟管的彎曲，保證送絲速度的穩(wěn)定性。 3、焊槍的選擇 焊接機(jī)器人用的焊槍大部分和手工半自動(dòng)焊用的鵝頸式焊槍基本相同。鵝頸的彎曲

59、角一般都小于45，可以根據(jù)工件特點(diǎn)選不同角度的鵝頸，以改善焊槍的可達(dá)性。但如鵝頸角度選得過(guò)大，送絲阻力會(huì)加大，送絲速度容易不穩(wěn)定：而角度過(guò)小，如0，一旦導(dǎo)電嘴稍有磨損，常會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)電不良的現(xiàn)象。應(yīng)該注意，當(dāng)更換不同彎曲角的鵝頸的焊槍后，必須對(duì)機(jī)器人TCP(工具中心點(diǎn))進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，否則焊槍的運(yùn)動(dòng)軌跡和姿態(tài)都會(huì)發(fā)生變化。近來(lái)為了提高送絲速度的穩(wěn)定性，特別是高速送絲和送鋁焊絲時(shí)的穩(wěn)定性，在焊槍上增加一個(gè)由小型伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的拉絲機(jī)構(gòu)，使送絲機(jī)和焊槍的拉絲機(jī)形成一推一拉的送絲系統(tǒng)。對(duì)這種推拉送絲系統(tǒng)必須協(xié)調(diào)好兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)好送絲機(jī)和焊槍上各對(duì)送絲輥輪的壓緊力，使送絲機(jī)的推絲作用為主，焊槍的拉絲為

60、輔。這樣，即使是由于某種原因兩個(gè)電機(jī)速度不匹配，焊槍上的送絲輥輪能夠打滑，而不至于損壞焊絲的表面或使焊絲從輥輪間擠出來(lái)，造成焊接的中斷。目前，除了一些焊鋁的機(jī)器人或高速焊的機(jī)器人裝有拉絲式焊槍外，比較多的還是選用普通鵝頸焊槍。 4、防撞傳感器 對(duì)于弧焊機(jī)器人除了要選好焊槍以外，還必須在機(jī)器人的焊槍把持架上配備防撞傳感器。防撞傳感器的作用是當(dāng)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)，萬(wàn)一焊槍碰到障礙物，能立即使機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)(相當(dāng)于急停開(kāi)關(guān))，避免損壞焊槍或機(jī)器人。如果沒(méi)有安裝防撞傳感器或傳感器不夠靈敏，一旦焊槍和工件發(fā)生輕度碰撞，焊槍可能被碰歪，如操作者又沒(méi)有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于TCP的變化，隨后焊接的路徑將會(huì)發(fā)生較大的

61、變化，而焊出廢品。因此，TIG焊炬和MIG／MAG焊槍的把持架上都必須裝有防撞傳感器。 第7章 PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7.1電氣設(shè)備概述 本焊接機(jī)械人可實(shí)現(xiàn)五個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，即PLC和光電編碼器相協(xié)調(diào)控制，程序的選擇可在電氣操作的轉(zhuǎn)換由要安裝在機(jī)器的傳感器進(jìn)行控制。 7.1.1電氣控制的變壓系統(tǒng)部分設(shè)計(jì) 根據(jù)PLC輸出端的特點(diǎn)，本系統(tǒng)共需以下四種電壓： （1）作為PLC電源的交流220伏 （2）線圈所需電源交流100伏 （3）電磁鐵所需電源直流24伏 （4）原點(diǎn)指示燈所需電源交流6.3伏 變壓系統(tǒng)的左右兩端均采用空氣斷路器作為短路保護(hù)及長(zhǎng)期過(guò)載保護(hù)，其中直流11

62、0伏需要安裝整流器。 7.1.2電氣控制的部分設(shè)計(jì) （1）PLC應(yīng)用概述 可編程序控制器（Programmable Controller）簡(jiǎn)稱PC，早期也稱為PLC(Programmaboe Logic Controller)，區(qū)別于個(gè)人計(jì)算機(jī)的“PC”（Personal Computer）。PLC是從60年代末發(fā)展起來(lái)的一種新型的電氣控制裝置，它將傳統(tǒng)的控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、通信技術(shù)融為一體，以其顯著的優(yōu)點(diǎn)正被廣泛地應(yīng)用于各種生產(chǎn)機(jī)械和生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制中。 傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制雖具有其自身的特點(diǎn)，但其控制裝置體積大，動(dòng)作速度較慢，耗電較大，功能少，特別是由于它靠硬件連線構(gòu)成系

63、統(tǒng)，接線繁雜，當(dāng)生產(chǎn)工藝或控制對(duì)象改變時(shí)，原有的接線和控制盤(pán)就必須隨之改變或更換，通用性和靈活性較差。 PLC的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，并正在迅速擴(kuò)大。對(duì)早期的PLC，凡是有繼電器的地方，都可采用。而對(duì)當(dāng)今的PLC，幾乎可以說(shuō)凡是需要控制系統(tǒng)存在的地方就需要PLC。尤其是近幾年來(lái)，PLC的成本下降，功能又不斷增強(qiáng)，所以，目前PLC在國(guó)內(nèi)外已被廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、石油、化工、輕工、電力、建筑、交通運(yùn)輸?shù)雀餍懈鳂I(yè)。一般來(lái)說(shuō)，小型PLC主要用于單機(jī)自動(dòng)化，而大、中型PLC則是自動(dòng)生產(chǎn)線上不可缺少的控制部件。 PLC主要有以下幾種控制類型：邏輯控制、模擬控制、機(jī)械加工中心的數(shù)字控制、工業(yè)機(jī)器人控制、多層

64、分布式控制系統(tǒng)等。 （2）PLC的特點(diǎn) 1、可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。 如日本三菱公司的F1、F2系列PLC的平均無(wú)故障時(shí)間長(zhǎng)達(dá)30萬(wàn)小時(shí)，這是一般微機(jī)所不能比擬的。 與繼電器相比，采用PLC控制后，大量的開(kāi)關(guān)動(dòng)作由無(wú)觸點(diǎn)的電子線路來(lái)完成，用軟件程序代替了繼電器見(jiàn)間的繁雜連線，既方便靈活，可靠性也大大提高了。 2、控制系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，通用性強(qiáng) PLC是一種存儲(chǔ)程序的控制器，其輸入和輸出設(shè)備可直接連接在PLC的I/O端。即其輸入端可接無(wú)源觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，其輸出可直接驅(qū)動(dòng)接觸器和電磁閥等執(zhí)行元件。 當(dāng)需要改變其控制系統(tǒng)的功能時(shí)，只需改變相應(yīng)的軟件程序，而不必改變PLC的硬件設(shè)備。 3、編程簡(jiǎn)

65、單、使用、維護(hù)方便 目前，大多數(shù)的PLC均采用與實(shí)際電路接線圖非常接近的梯形圖編程，這種編程語(yǔ)言形象直觀，易于掌握。而且PLC具有故障檢測(cè)、自診斷等功能，能及時(shí)地查出自身的故障并報(bào)警顯示，使操作人員能迅速地檢查、判斷、排除故障，具有較強(qiáng)的在線編程能力，維護(hù)十分方便。 4、組合方便、功能強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣 現(xiàn)代的PLC不僅具有邏輯運(yùn)算、定時(shí)、計(jì)數(shù)、步進(jìn)的功能，而且還能完成A/D、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)學(xué)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理以及通信聯(lián)網(wǎng)、生產(chǎn)過(guò)程控制等。 5、體積小、重量輕、功耗低 PLC的空載功耗約為1.2W，一臺(tái)收錄機(jī)大小的具有相當(dāng)于三個(gè)1.8m高的繼電器的功能。 （3）PLC的分類 PLC的產(chǎn)品

66、很多，型號(hào)規(guī)格也不統(tǒng)一，通?？砂匆韵氯N情況分類： 1）按PLC的結(jié)構(gòu)形成分類可分為大、中、小三個(gè)等級(jí)。 2）按PLC的I/O點(diǎn)數(shù)分類可分為整體式和模塊式 a.小型PLC I/O點(diǎn)數(shù)在256點(diǎn)以下為小型PLC b.中型PLC I/O點(diǎn)數(shù)在256點(diǎn)以上，2048點(diǎn)以下為中型PLC c.大型PLC I/O點(diǎn)數(shù)在2048點(diǎn)以上為大型PLC 此外，有時(shí)將I/O點(diǎn)數(shù)在64點(diǎn)以下的稱為微超小型PLC。 3）按PLC的功能分類 按PLC的功能不同，又可分為高、中、低檔三種。 （4）PLC系統(tǒng)的組成 PLC是以CPU為核心的電子系統(tǒng)，實(shí)際上就是一種工業(yè)控制用的專用計(jì)算機(jī)，它由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的，一般小型PLC的基本單元主要由CPU、存儲(chǔ)器、輸入和輸出模塊、電源模塊、I/O擴(kuò)展接口、外設(shè)I/O接口以及編程器等部分組成，PLC的軟件系統(tǒng)也包括系統(tǒng)程序和用戶程序。 （5）PLC的工作方式 PLC采用的是周期性循環(huán)掃描的工作方式。PLC運(yùn)行工作時(shí)，CPU對(duì)用戶程序作周期循環(huán)掃描，在無(wú)跳