關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（6自由度焊接關(guān)節(jié)型機(jī)器人）,關(guān)節(jié),機(jī)器人,腰部,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),自由度,焊接 開題論證報(bào)告 題目名稱：關(guān)節(jié)型機(jī)器人腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 一、題目來源、題目研究的主要內(nèi)容及國內(nèi)外現(xiàn)狀綜述 （一）題目來源： 本題目來源于生產(chǎn)實(shí)際，手工電弧焊接效率低，操作環(huán)境差，而且對(duì)操作員技術(shù)熟練程度要求較高，因此采用機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)操作的柔性自動(dòng)化，以提高生產(chǎn)效率。而且,現(xiàn)在對(duì)許多構(gòu)件的焊接精度和速度等提出越來越高的要求,一般工人已難以勝任這一工作；此外,焊接時(shí)的火花及煙霧等,對(duì)人體造成危害,因此,焊接過程的完全自動(dòng)化已成為重要的研究課題。其中,十分重要的就是要應(yīng)用焊接機(jī)器人。 （二）題目研究的主要內(nèi)容： 設(shè)計(jì)一個(gè)用于焊接的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，進(jìn)行機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)、腰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其零件設(shè)計(jì)。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的機(jī)械本體部分一般為由各種關(guān)節(jié)串接起若干連桿組成的開鏈?zhǔn)綑C(jī)構(gòu)。由于結(jié)構(gòu)上的原因，其關(guān)節(jié)通常只有轉(zhuǎn)動(dòng)型和移動(dòng)型。關(guān)節(jié)型機(jī)器人主要特點(diǎn)是模仿人類腰部到手臂的基本結(jié)構(gòu)，因此本體結(jié)構(gòu)通常包括關(guān)節(jié)型機(jī)器人的機(jī)座結(jié)構(gòu)及腰部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、手腕結(jié)構(gòu)及手腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和末端執(zhí)行器。我所做的課題偏重與機(jī)座和腰部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 弧焊機(jī)器人多采用占地面積小，動(dòng)作范圍較大的關(guān)節(jié)型操作機(jī)，其靈活性大，能以最佳狀態(tài)決定焊槍的位置。 （三）國內(nèi)外現(xiàn)狀綜述： 目前，對(duì)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展有最重要影響的國家是日本和美國。美國在機(jī)器人技術(shù)的綜合性水平上仍處于領(lǐng)先地位，日本生產(chǎn)的機(jī)器人數(shù)量和種類則居世界首位。我國發(fā)展機(jī)器人技術(shù)起步于20世紀(jì)70年代末。1995年9月，6000m水下機(jī)器人試驗(yàn)成功.近年來,在步行機(jī)器人、精密裝配機(jī)器人及多自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人研制等前沿領(lǐng)域內(nèi)逐步縮短與世界水平的差距。 自從第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問世以來，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域從汽車工業(yè)逐漸向其他行業(yè)滲透，機(jī)器人的種類也從操作手逐漸衍生出各種各樣的機(jī)器人，如今機(jī)器人已經(jīng)深入到人類生活的方方面面。人類科技的進(jìn)步、文明的發(fā)展已經(jīng)和機(jī)器人產(chǎn)生了密切的關(guān)系。人類社會(huì)的發(fā)展已經(jīng)離不開機(jī)器人技術(shù)，而機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步必然對(duì)推動(dòng)科技發(fā)展產(chǎn)生不可忽視的作用。當(dāng)前和今后的機(jī)器人技術(shù)正逐漸向著具有行走能力、對(duì)環(huán)境的自主性強(qiáng)、具有多種感覺能力的方向發(fā)展。機(jī)器人也正在逐漸具有智能。美國貝爾科爾公司已成功地將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)裝配在芯片上，其智能分析速度比普通計(jì)算機(jī)要快數(shù)千倍，能更好地完成識(shí)別語言和圖像處理等工作。 華中理工大學(xué)的熊臘森、彭振國、陳一堅(jiān)和曹東杰教授合著的一篇論文，題為《IR761/125型點(diǎn)焊機(jī)器人在平頭駕駛室總裝生產(chǎn)線上的應(yīng)用》，它主要介紹了IR761/125型點(diǎn)焊機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)；重點(diǎn)討論了該機(jī)器人的焊接生產(chǎn)應(yīng)用；提出了機(jī)器人的使用維護(hù)和故障處理建議。 南京機(jī)械?？茖W(xué)校的徐錦康、邵群濤和劉啟芬合著的論文《XZ-I型弧焊機(jī)器人》主要介紹了XZ-I型機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，位置交流伺服控制系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)控制軟件特點(diǎn)，給出了主要算法。 二、本題目擬解決的問題 焊接機(jī)器人具有6個(gè)自由度：① 腰關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)；② 臂關(guān)節(jié)俯仰；③ 肘關(guān)節(jié)俯仰；④ 腕關(guān)節(jié)仰腕；⑤ 擺腕；⑥旋腕。其中要詳細(xì)地設(shè)計(jì)機(jī)器人基座和腰部的結(jié)構(gòu)。整體機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)腕部最大負(fù)荷6kg，最大速度2m/s，最大工作空間半徑1500mm 。 在設(shè)計(jì)過程中要考慮到很多問題：① 機(jī)器人的六個(gè)關(guān)節(jié)采用何種驅(qū)動(dòng)器；② 傳動(dòng)比的選擇要合理；③ 同一軸上的軸承要保證很好的同軸度；④基座采用何種材料如何制造；⑤ 立柱與大臂如何聯(lián)接；⑥ 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；⑦ 腰座承受機(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；⑧ 腰座軸系及傳動(dòng)鏈的精度對(duì)末端執(zhí)行器的運(yùn)行精度影響最大。因此腰座與手臂的聯(lián)接要有可靠的定位基準(zhǔn)面。 三、 解決方案及預(yù)期效果 （一）解決方案： 機(jī)器人大體采用PUMA型 1. 操作機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)； 關(guān)節(jié)型機(jī)器人本體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它們常和執(zhí)行機(jī)構(gòu)聯(lián)成一體，驅(qū)動(dòng)臂桿和載荷完成指定的運(yùn)動(dòng)。常用的驅(qū)動(dòng)器有電機(jī)和液壓、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置等。其中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)是最常用的驅(qū)動(dòng)方式。電極驅(qū)動(dòng)具有精度高，可靠性好，能以較大的變速范圍滿足機(jī)器人應(yīng)用要求等特點(diǎn)。所以在這次設(shè)計(jì)中我選擇了直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器。 2. 速度和位置檢測(cè)； 3. 伺服控制系統(tǒng)選擇； 4. 工作空間的確定； 5. 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； ①內(nèi)部鋁鑄件形狀復(fù)雜，既用作內(nèi)部齒輪安裝殼體與軸的支承座，又兼作承力骨架，傳遞集中載荷。這樣不僅節(jié)省材料，減少加工量，又使整體質(zhì)量減輕。手臂外壁與鑄件骨架采用膠接，使連接件減少，工藝簡(jiǎn)單，減輕了質(zhì)量。 ② 軸承外形環(huán)定位簡(jiǎn)單。一般在無軸向載荷處，載荷外環(huán)采用端面打沖定位的方法。 ③ 采用薄壁軸承與滑動(dòng)銅襯套，以減少結(jié)構(gòu)尺寸，減輕質(zhì)量。 ④ 有些小尺寸齒輪與軸加工成一體，減少連接件，增加了傳遞剛度。 ⑤ 大、小臂，手腕部結(jié)構(gòu)密度大，很少有多余空隙。如電機(jī)與臂的外壁僅有0.5mm間隙，手腕內(nèi)部齒輪傳動(dòng)安排亦是緊密無間。這樣使總的尺寸減少，質(zhì)量減少。 ⑥ 工作范圍大，適應(yīng)性廣。PUMA除了自身立柱所占空間以外，它的工作空間幾乎是他的長臂所能達(dá)到的全球空間。再加之其手腕軸的活動(dòng)角度大，因此使它工作時(shí)位姿的適應(yīng)性強(qiáng)。譬如用手腕擰螺釘，手腕關(guān)節(jié)4，6配合，一次就能轉(zhuǎn)1112°。 ⑦ 由于結(jié)構(gòu)上采用了剛性齒輪傳動(dòng)，調(diào)整齒輪間隙機(jī)構(gòu)，彈性萬向聯(lián)軸器，工藝上加工精密，多用整體鑄件，使得重復(fù)定位精度高。 ⑧ 機(jī)器人手臂材料的選擇： 機(jī)器人手臂的材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人手臂要完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，對(duì)材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件，它應(yīng)是輕型材料。而另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這將大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。因此，在選擇材料時(shí)，需要對(duì)質(zhì)量、剛度、阻尼進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動(dòng)態(tài)性能。 機(jī)器人手臂材料首先應(yīng)是結(jié)構(gòu)材料。手臂承受載荷時(shí)，不應(yīng)有變形和斷裂。從力學(xué)角度看，即要具有一定的強(qiáng)度。手臂材料應(yīng)選擇高強(qiáng)度材料，如鋼、鑄鐵、合金鋼等。機(jī)器人手臂是運(yùn)動(dòng)的，又要具有很好的受控性，因此，要求手臂比較輕。綜合而言，應(yīng)該優(yōu)先選擇強(qiáng)度大而密度小的材料做手臂。其中，非金屬材料有尼龍6、聚乙烯和碳素纖維等；金屬材料以輕合金為主。 ⑨腰關(guān)節(jié)采用齒輪二級(jí)傳動(dòng)。總傳動(dòng)比為48，第一級(jí)傳動(dòng)傳動(dòng)比為4，第二級(jí)傳動(dòng)比為12，主軸的角速度為3.82 rad/s。 （二）預(yù)期效果： 工作可靠，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；裝卸方便，便于維修、調(diào)整；能很好的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)電弧焊的功能。 3