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焊接機器人設計 摘 要 隨著科技的發(fā)展和工業(yè)需求的增加，焊接技術在工業(yè)生產(chǎn)中所占據(jù)的分量越來越大，而且焊接技術的優(yōu)良程度直接影響著零件或產(chǎn)品的質(zhì)量。國內(nèi)焊接機器人應用雖已具有一定規(guī)模，但與我國焊接生產(chǎn)總體需求相差甚遠。因此，大力研究并推廣焊接機器人技術勢在必行。 本設計的重點是運用機械原理和機械制造裝備設計方法設計焊接機器人的實踐和方法。本次設計，是在了解焊接機器人在國內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎上，進而掌握焊接機器人內(nèi)部結構和工作原理，并對手臂和腕部進行結構設計。合理布置了液壓缸。同時了解機器人機械系統(tǒng)運動學及運動控制學。為工業(yè)上焊接機器人的設計提供理論參考、設計參考和數(shù)據(jù)參考，為工業(yè)設計者提供設計理論和設計實踐的參考。該機器人具有剛性好，位置精度高、運行平穩(wěn)的特點。 關鍵字：焊接機器人 液壓系統(tǒng) 機械機構設計 Abstract With the development of technology and the increase in industrial demand, welding in industrial production occupied more and more weight, and excellent welding technology directly affects the degree of the quality of parts or products.Although the domestic application of welding robot with a certain scale, but falls far short of the overall demand for welding.Therefore, great efforts to study and promote the welding robot technology is imperative. The focus of this design is the use of mechanical theory and design of machinery and equipment design and methods of practice welding robot.The design of the welding robot in understanding the basis of the status quo at home and abroad, and then grasp the welding robot and working principle of the internal structure, and structural design of the arm and wrist.Rational arrangement of the hydraulic cylinder.At the same time understand the robot mechanical system kinematics and motion control study.For the design of industrial welding robots to provide a theoretical reference, reference and data reference design for industrial designers and design practice, design theory reference.The robot has a good rigidity, high precision location, stable characteristics. Keyword:Welding robot；hydraulic system；mechanical structure design 27 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 引言 1 第2章 焊接機器人的總體方案 3 2.1 總體設計的思路 3 2.2 自由度和坐標系的選擇 3 2.3 傳動方案論證 4 2.4 焊接機器人的組成 6 2.4.1 執(zhí)行機構 6 2.4.2 控制系統(tǒng)分類 8 2.5 焊接機器人的技術參數(shù) 8 2.6 本章小結 8 第3章 腕部結構的設計及計算 10 3.1 腕部設計的基本要求 10 3.2 腕部結構及選擇 10 3.2.1 典型的腕部結構 10 3.2.2 腕部結構和驅(qū)動結構的選擇 10 3.3 腕部結構設計計算 11 3.3.1 腕部驅(qū)動力計算 11 3.3.2 腕部驅(qū)動液壓缸的計算 11 3.4 液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎?12 3.5 動片和輸出軸間的連接螺釘 13 3.6 本章小結 13 第4章 臂部結構的設計及計算 15 4.1 臂部設計的基本要求 15 4.2 手臂的典型機構以及結構的選擇 16 4.2.1 手臂的典型運動機構 16 4.2.2 手臂運動機構的選擇 16 4.3 手臂直線運動的驅(qū)動力計算 17 4.3.1 手臂摩擦力的分析與計算 17 4.3.2 手臂慣性力的計算 18 4.3.3 密封裝置的摩擦阻力 18 4.4 液壓缸工作壓力和結構的確定 18 4.5活塞桿的計算校核 19 4.6 本章小結 20 第5章 機身結構的設計及計算 21 5.1機身的整體設計 21 5.2機身回轉(zhuǎn)機構的設計計算 22 5.3 機身升降機構的計算 23 5.3.1 手臂偏重力矩的計算 23 5.3.2 升降不自鎖條件分析計算 24 5.3.3 手臂做升降運動的液壓缸驅(qū)動力的計算 24 5.4 軸承的選擇分析 25 5.5 本章小結 25 總結 26 致謝 27 參考文獻 28 第1章 引言 焊接機器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機器人。根據(jù)國際標準化組織（ISO）工業(yè)機器人術語標準的定義，工業(yè)機器人是一種多用途的、可重復編程的自動控制操作機（Manipulator），具有三個或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動化領域。為了適應不同的用途，機器人最后一個軸的機械接口，通常是一個連接法蘭，可接裝不同工具或稱末端執(zhí)行器。焊接機器人就是在工業(yè)機器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進行焊接，切割或熱噴涂。焊接機器人主要包括機器人和焊接設備兩部分。 從機器人誕生到本世紀80年代初，機器人技術經(jīng)歷了一個長期緩慢的發(fā)展過程。到了90年代，隨著計算機技術、微電子技術、網(wǎng)絡技術等的快速發(fā)展，機器人技術也得到了飛速發(fā)展。工業(yè)機器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不斷提高，而機器人的制造成本和價格卻不斷下降。在西方社會，和機器人價格相反的是，人的勞動力成本有不斷增長的趨勢。在西方國家，由于勞動力成本的提高為企業(yè)帶來了不小的壓力，而機器人價格指數(shù)的降低又恰巧為其進一步推廣應用帶來了契機。減少員工與增加機器人的設備投資，在兩者費用達到某一平衡點的時候，采用機器人的利顯然要比采用人工所帶來的利大，它一方面可大大提高生產(chǎn)設備的自動化水平，從而提高勞動生產(chǎn)率，同時又可提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量，提高企業(yè)的整體競爭力。雖然機器人一次性投資比較大，但它的日常維護和消耗相對于它的產(chǎn)出遠比完成同樣任務所消耗的人工費用小。因此，從長遠看，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本還會大大降低。而機器人價格的降低使一些中小企業(yè)投資購買機器人變得輕而易舉。因此，工業(yè)機器人的應用在各行各業(yè)得到飛速發(fā)展。 據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界在役的工業(yè)機器人中大約有將近一半的工業(yè)機器人用于各種形式的焊接加工領域。 焊接機器人具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、改善工人勞動條件、提高勞動生產(chǎn)率等特點，廣泛應用于汽車、工程機械、通用機械、金屬結構和兵器工業(yè)等行業(yè)。我國自上個世紀70年代末開始進行工業(yè)機器人的研究，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，在技術和應用方面均取得了長足的發(fā)展，對國民經(jīng)濟尤其是制造業(yè)的發(fā)展起到了重要的推動作用。 從目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，焊接機器人技術的研究十分活躍，焊接機器人技術研究主要集中在焊縫跟蹤技術、離線編程與路徑規(guī)劃技術、多機器人協(xié)調(diào)控制技術、專用弧焊電源技術、焊接機器人系統(tǒng)仿真技術、機器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術等七個方面。 新中國成立后，經(jīng)過50年的艱苦努力，中國焊接生產(chǎn)機械化自動化技術發(fā)展應用，取得了很大的成就，焊接生產(chǎn)過程機械化與自動化程度已達到20%。在以焊接技術為主導制造工藝技術的大中型骨干企業(yè)，焊接生產(chǎn)過程綜合機械化與自動化程度已達到40%～45%。在機床、鍋爐、汽車、化工機械、工程機械和重型機械等國家重點骨干企業(yè)，通過引進國外先進技術及相應配套的自動化焊機、成套焊接設備、焊接生產(chǎn)線和柔性制造系統(tǒng)，使焊接生產(chǎn)機械化與自動化技術達到了國際90年代初的先進水平，進入世界先進之列。 第2章 焊接機器人的總體方案 該設計的目的是為了設計一臺焊接機器人，本章主要對焊接機器人的機械結構部分進行設計和分析。 2.1 總體設計的思路 設計機器人大體上可分為兩個階段： (1) 系統(tǒng)分析階段 1）根據(jù)系統(tǒng)的目標，明確所采用機器人的目的和任務； 2）分析機器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境； 3) 根據(jù)機器人的工作要求，確定機器人的基本功能和方案。如機器人的自由度、信息的存儲量、計算機功能、動作精度的要求、容許的運動范圍、以及對溫度、震動等環(huán)境的適應性。 (2) 技術設計階段 1）根據(jù)系統(tǒng)的要求確定機器人的自由度和允許的空間工作范圍，選擇機器人的坐標形式； 2）擬訂機器人的運動路線和空間作業(yè)圖； 3）確定驅(qū)動系統(tǒng)的類型； 4）選擇各部件的具體結構，進行機器人總裝圖的設計； 5）繪制機器人的零件圖，并確定尺寸。 2.2 自由度和坐標系的選擇 機器人的運動自由度是指各運動部件在三維空間相當于固定坐標系所具有的獨立運動數(shù)，對于一個構件來說，它有幾個運動坐標就稱其有幾個自由度。各運動部件自由度的總和為機器人的自由度數(shù)。機器人的手部要像人手一樣完成各種動作是比較困難的，因為人的手指、掌、腕、臂由19個關節(jié)組成，共有27個自由度。而生產(chǎn)實踐中不需要機器人的手有這么多的自由度一般為3-6個（不包括手部）。本次設計的焊接機器人為4自由度即：腕部回轉(zhuǎn)；小臂部伸縮；大臂部回轉(zhuǎn)；大臂部伸縮。 工業(yè)機器人的結構形式主要有直角坐標結構、圓柱坐標結構、球坐標結構、關節(jié)型結構四種。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下: (1) 直角坐標機器人結構 直角坐標機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1(a)所示。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標機器人有可能達到很高的位置精度（μm級）。但是，這種直角坐標機器人的運動空間相對機器人的結構尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標機器人的結構尺寸要比其他類型的機器人的結構尺寸大得多。 直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標機器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結構Error! Reference source not found.。 (2) 圓柱坐標機器人結構 圓柱坐標機器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1（b）。這種機器人構造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。 (3) 球坐標機器人結構 球坐標機器人的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖2-1（c）。這種機器人結構簡單、成本較低，但精度不很高。主要應用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間Error! Reference source not found.。 (4) 關節(jié)型機器人結構 關節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的，如圖2-1（d）。關節(jié)型機器人動作靈活，結構緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機器人。 關節(jié)型機器人結構，有水平關節(jié)型和垂直關節(jié)型兩種。 根據(jù)要求及在實際生產(chǎn)中的用途，本次設計的焊接機器人采用直角坐標。 a)直角坐標型 b)圓柱坐標型 c)球坐標型 d)關節(jié)型 圖2-1 四種機器人坐標形式 2.3 傳動方案論證 焊接機器人的驅(qū)動方式有液壓式、氣動式和電動機式。 (1) 液壓驅(qū)動:是指動源（發(fā)動機或電機）驅(qū)動油泵產(chǎn)生壓力油，壓力油再去驅(qū)動液壓馬達，由液壓馬達產(chǎn)生機器需要的動力。 (2) 氣動驅(qū)動多用于開關控制和順序控制的機器人，與液壓驅(qū)動相比較，氣動驅(qū)動由于壓縮空氣粘度小，所以容易達到高速；由于可利用工廠集中空氣壓縮機站供氣，減少了動力設備；空氣介質(zhì)不污染環(huán)境，安全高溫下可正常工作；空氣取之不竭用之不盡，相對于油液廉價，故氣動驅(qū)動元件比液壓元件價格低…… (3) 電機驅(qū)動可分為普通交流電動機驅(qū)動，交、直流伺服電動機驅(qū)動和步進電動機驅(qū)動。隨著材料性能的提高，電動機性能也在隨之提高并且電動機使用簡單，所以就目前來看，機器人驅(qū)動正逐步為電動機驅(qū)動式所代替。 表2-1 三種驅(qū)動系統(tǒng)的比較 內(nèi)容 驅(qū)動方式 液壓驅(qū)動 氣動驅(qū)動 電機驅(qū)動 輸出力 壓力高，可獲得大的輸出力 壓力相對要小，輸出力小 輸出力較大 控制性能 利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制 控制精度高，功率較大，能精確定位，反應靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復雜 響應速度 很高 較高 很高 結構性能及體積 結構適當，執(zhí)行機構可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結構緊湊，密封問題較大 結構適當，執(zhí)行機構可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率/質(zhì)量比大，體積小，結構緊湊，密封問題較小 伺服電動機易標準化，結構性能好，噪聲低，電動機一般需配置減速裝置，除DD電動機外，難以直接驅(qū)動，結構緊湊，無密封問題 安全性 防爆性能好，用液壓油作為傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災危險 防爆性能好，高于1000kPa（十個大氣壓）時應注意設備的抗壓性 設備自身無爆炸和火災危險，直流有刷電動機換向時有火花，對環(huán)境防爆性能較差 對環(huán)境影響 液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境有污染 排氣時有噪聲 無 續(xù)表2-1 內(nèi)容 驅(qū)動方式 液壓驅(qū)動 氣動驅(qū)動 電機驅(qū)動 在工業(yè)機械手中的應用范圍 適用于重載、低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機械手、電焊機械手和托運機械手 適用于中小負載驅(qū)動、精度要求較低的有限點位程序控制機械手 適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機械手 成本 液壓元件成本較高 成本低 成本高 維修及使用 方便，但油液對環(huán)境溫度有一定要求 方便 較復雜 2.4 焊接機器人的組成 焊接機器人由執(zhí)行機構、驅(qū)動機構和控制機構三部分組成。 2.4.1 執(zhí)行機構 （1）手部 手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結構簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。 本設計為焊接機器人設計，因此手部并無其他結構，僅僅是一個焊槍，通過螺栓固定于腕部之上。 （2）腕部 腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)焊槍的方位，以擴大焊槍的工作范圍，并使手部變的更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉(zhuǎn)運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設有回轉(zhuǎn)運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結構，可以不設腕部，而直接用臂部運動驅(qū)動手部搬運工件。 目前，應用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運動機構為回轉(zhuǎn)液壓缸，它的結構緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮?700）,并且要求嚴格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結構。本次設計的焊接機器人的腕部是利用液壓缸實現(xiàn)手部的旋轉(zhuǎn)運動。 設計的焊接機器人的腕部的運動為一個自由度的回轉(zhuǎn)運動，運動參數(shù)是實現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)的角度控制在范圍內(nèi)，其基本的結構形式如圖2-2所示。 圖2-2 腕部回轉(zhuǎn)基本結構示意圖 腕部的驅(qū)動方式采用直接驅(qū)動的方式，由于腕部裝在手臂的末端，所以必須設計的十分緊湊可以把驅(qū)動源裝在手腕上。機器人手腕的回轉(zhuǎn)運動是由回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)的。將夾緊活塞缸的外殼與擺動油缸的動片連接在一起；當回轉(zhuǎn)液壓缸中不同的油腔中進油時即可實現(xiàn)手腕不同方向的回轉(zhuǎn)。 （3）臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。 臂部運動的目的：把手部送到直線運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有一個自由度就能滿足基本要求，即臂部的伸縮運動。 臂部的運動通常用驅(qū)動機構（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部的靜、動載荷。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。本次設計實現(xiàn)臂部的前后伸縮運動。臂部的運動參數(shù)：伸縮行程：1850mm；伸縮速度：1200mm/s~1400mm/s。機器人臂部的伸縮使其手臂的工作長度發(fā)生變化，在直角坐標式結構中，手臂的最大工作長度決定其末端所能達到的最遠距離。伸縮式臂部機構的驅(qū)動可采用液壓缸直接驅(qū)動。 （4）機身 機身部分運動的目的：把臂部送到直線運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變臂部的姿態(tài)（方位），則用機身的自由度加以實現(xiàn)。因此，機身部分具有兩個自由度才能滿足基本要求，即機身的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)運動。 機身的各種運動通常用驅(qū)動機構（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構來實現(xiàn)，從機身的受力情況分析，它在工作中既受臂部、腕部、手部的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復雜。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。本次設計實現(xiàn)基座的上下伸縮、以及機身的回轉(zhuǎn)運動。機身的運動參數(shù)：伸縮行程：3650mm；伸縮速度：1200mm/s~1400mm/s；回轉(zhuǎn)范圍：。機器人機身的伸縮使其工作長度發(fā)生變化，在直角坐標式結構中，機身的最大工作長度決定其末端所能達到的最遠距離。伸縮式機身結構的驅(qū)動可采用液壓缸直接驅(qū)動。機身部分和滑軌的配置型式采用立柱式單臂配置，其回轉(zhuǎn)運動的驅(qū)動源來自回轉(zhuǎn)液壓缸。 （5）滑軌 滑軌是懸臂機器人的基礎部分，起懸掛作用，它將機身懸掛于導軌之上。并帶動機身沿軌道直線運動。 2.4.2 控制系統(tǒng)分類 在機械手的控制上，有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進行點位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。本設計采用電磁控制。 2.5 焊接機器人的技術參數(shù) 一、用途：用于焊接工件 二、設計技術參數(shù): 1、焊槍:； 2、自由度數(shù):4個自由度（腕部回轉(zhuǎn)；小臂部伸縮；大臂部回轉(zhuǎn)；大臂部伸縮4個運動）； 3、坐標型式:直角坐標系； 4、最大工作半徑:4730mm； 5、手臂最低中心高:4040mm； 6、手臂運動參數(shù):伸縮行程：1850mm 伸縮速度：1200mm/s~1400mm/s 升降行程：3650mm 升降速度：1200mm/s~1400mm/s 回轉(zhuǎn)范圍：； 7、手腕運動參數(shù):回轉(zhuǎn)范圍：。 2.6 本章小結 本章從焊接機器人的實用方面入手，提出了一套總體設計方案，并根據(jù)機器人自由度的要求選取直角坐標系為本次設計坐標系。同時，就焊接機器人的組成（執(zhí)行機構和驅(qū)動機構）以及現(xiàn)實作業(yè)，給出了具體的手部、腕部、臂部和基座的結構形式；并選擇液壓驅(qū)動作為本次設計的驅(qū)動機構。最后，給出了設計中所需的技術參數(shù)。 第3章 腕部結構的設計及計算 3.1 腕部設計的基本要求 (1) 力求結構緊湊、重量輕 腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔。顯然，腕部的結構、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。 (2) 結構考慮，合理布局 腕部作為焊接機器人的執(zhí)行機構，又承擔連接和支撐焊槍的作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。 (3) 必須考慮工作條件 對于本次設計，焊接機器人的工作條件是在工作場合中焊接工件，最大載荷為8KG，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對焊接機器人的腕部沒有太多不利因素。 3.2 腕部結構及選擇 3.2.1 典型的腕部結構 (1) 具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結構它具有結構緊湊、靈活等優(yōu)點而被廣腕部回轉(zhuǎn)，總力矩M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動慣性所用?；剞D(zhuǎn)角由動片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定（一般小于270°）。 (2) 齒條活塞驅(qū)動的腕部結構在要求回轉(zhuǎn)角大于270°的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動的腕部結構。這種結構外形尺寸較大。 (3) 具有兩個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結構它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動的兩個自由度。 (4) 機-液結合的腕部結構。 3.2.2 腕部結構和驅(qū)動結構的選擇 本設計要求手腕回轉(zhuǎn)，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結構選擇具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動腕部結構，采用液壓驅(qū)動。 3.3 腕部結構設計計算 腕部設計考慮的參數(shù)：最大載荷：8KG；回轉(zhuǎn)。 3.3.1 腕部驅(qū)動力計算 圖3-1腕部支撐反力計算示意圖 腕部回轉(zhuǎn)時要克服的阻力：F=FR1+FR2 a. 腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩： Ma=0.5Fd （3-1） 其中為軸承摩擦系數(shù)取=0.1 b. 克服由于工件重心偏置所需的力矩： Mb=G3e （3-2） c. 克服啟動慣性所需的力矩： Mc=πD4/32 （3-3） 3.3.2 腕部驅(qū)動液壓缸的計算 表3-1 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB826-66）Error! Reference source not found.（mm） 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 表3-2 標準液壓缸外徑（JB1068-67）Error! Reference source not found.（mm） 液壓缸外徑 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200 20鋼 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 45鋼 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 設定腕部的部分尺寸：根據(jù)表3-1設缸體內(nèi)徑R=40mm，外徑根據(jù)表3-2選擇60mm，這個是液壓缸壁最小厚度，考慮到實際裝配問題后，其外徑為90mm；動片寬度b=66mm,輸出軸r=22.5mm.基本尺寸示如圖3-2所示。則回轉(zhuǎn)缸工作壓力： 選擇8Mpa 圖3-2腕部液壓缸剖截面結構示意圖 3.4 液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎? 圖3-3缸蓋螺釘間距示意圖 表3-3 螺釘間距t與壓力P之間的關系Error! Reference source not found. 工作壓力P（Mpa） 螺釘?shù)拈g距t(mm) 0.5～1.5 小于150 1.5～2.5 小于120 2.5～5.0 小于100 5.0～10.0 小于80 缸蓋螺釘?shù)挠嬎悖鐖D4-3所示，t為螺釘?shù)拈g距，間距跟工作壓強有關，見表4-3，在這種聯(lián)接中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力: （3-4） 液壓缸工作壓強為P=8Mpa,所以螺釘間距t小于80mm,試選擇12個螺釘， <80mm 所以選擇螺釘數(shù)目合適Z=12個。 螺釘材料選擇Q235， (n=1.2～1.5） 螺釘?shù)闹睆剑? （3-5） =0.005m 螺釘?shù)闹睆竭x用M5。 3.5 動片和輸出軸間的連接螺釘 動片和輸出軸之間的連接結構見圖4-3,連接螺釘一般為偶數(shù)，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔茫菏箘悠洼敵鲚S之間的配合緊密。 螺釘材料選擇Q235，則 （n=1.2～1.5） 螺釘?shù)闹睆剑? d=0.005m 螺釘?shù)闹睆竭x用M5。 3.6 本章小結 本章主要內(nèi)容為腕部結構的設計包括：腕部結構的選取和腕部結構的設計計算。首先，根據(jù)腕部設計的基本要求選擇與本次設計相符合的腕部結構；然后，按照給定的技術參數(shù)進行設計計算；最后，確定了腕部回轉(zhuǎn)所需的回轉(zhuǎn)力矩、選用回轉(zhuǎn)缸以及選取各關鍵部位螺栓的計算。 第4章 臂部結構的設計及計算 手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。手臂運動應該包括3個運動：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。本章敘述手臂的伸縮運動，手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動設置在機身處，將在下一章祥述。 臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部應該具備3個自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運動。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構和各種傳動機構來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結構、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。 4.1 臂部設計的基本要求 臂部設計首先要實現(xiàn)所要求的運動，為此，需要滿足下列各項基本要求： 一、臂部應承載能力大、剛度好、自重輕 對于機械手臂部或機身的承載能力，通常取決于其剛度。以臂部為例，一般結構上較多采用懸臂梁形式（水平或垂直懸伸）。顯然伸縮臂桿的懸伸長度愈大，則剛度愈差。而且其剛度隨著臂桿的伸縮不斷變化。對機械手的運動性能、位置精度和負荷能力影響很大。為提高剛度，除盡可能縮短臂桿的懸伸長度外，尚應注意以下幾方面： (1) 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸； (2) 提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離； (3) 合理布置作用力的位置和方向； (4) 注意簡化結構； (5) 提高配合精度。 二、臂部運動速度要高，慣性要小 機械手手部的運動速度是機械手的主要參數(shù)之一，它反映機械手的生產(chǎn)水平。對于高速度運動的機械手，其最大移動速度設計在最大回轉(zhuǎn)角速度設計在內(nèi)，大部分平均移動速度為，平均回轉(zhuǎn)角速度在。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有4個途徑Error! Reference source not found.： (1) 減少手臂運動件的重量，采用鋁合金材料； (2) 減少臂部運動件的輪廓尺寸； (3) 減少回轉(zhuǎn)半徑ρ，再安排機械手動作順序時，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進行回轉(zhuǎn)動作； (4) 在驅(qū)動系統(tǒng)中設緩沖裝置。 三、手臂動作應該靈活 為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機械手，其傳動件、導向件和定位件布置合理，使手臂運動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機構卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件Error! Reference source not found.。 四、位置精度要求高 一般來說，直角和圓柱坐標式機械手位置精度要求較高；關節(jié)式機械手的位置精度最難控制，故精度差；在手臂上加設定位裝置和檢測結構，能較好地控制位置精度，檢測裝置最好裝在最后的運動環(huán)節(jié)以減少或消除傳動、嚙合件間的間隙。 總結：除此之外，要求機械手的通用性要好，能適合多種作業(yè)的要求；工藝性好，便于加工和安裝；用于熱加工的機械手，還要考慮隔熱、冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機械手還要設置防塵裝置等。 以上要求是相互制約的，應該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設計出完美的、性能良好的機械手。 4.2 手臂的典型機構以及結構的選擇 4.2.1 手臂的典型運動機構 常見的手臂伸縮機構有以下幾種： (1) 雙導桿手臂伸縮機構； (2)手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉(zhuǎn)運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉(zhuǎn)運動組合，兩直線運動的雙層液壓缸空心結構； (1)雙活塞桿液壓缸結構； (2)活塞桿和齒輪齒條機構。 4.2.2 手臂運動機構的選擇 通過以上，綜合考慮，本次設計選擇液壓缸伸縮機構，使用液壓驅(qū)動,水平伸縮液壓缸選用伸縮式液壓缸；豎直伸縮液壓缸選用雙作用活塞缸。 4.3 手臂直線運動的驅(qū)動力計算 首先進行粗略的估算，或類比同類結構，根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關機構的主要尺寸，再進行校核計算，修正設計。如此反復，繪出最終的結構圖。 作水平伸縮直線運動的液壓缸的驅(qū)動力，應根據(jù)液壓缸運動時所要克服的摩擦力和慣性力等幾個方面的阻力進行確定。 液壓缸活塞的驅(qū)動力的計算公式可表示為： F=(A1p1-A2p2)ηm (4-1) 4.3.1 手臂摩擦力的分析與計算 摩擦力的計算不同的配置和不同的導向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據(jù)具體情況進行估算。 圖4-1 機械手臂部受力示意圖 計算如下： 得 得 (4-2) 式中 ---參與運動的零部件所受的總重力（含工件）（N）； L---手臂與運動的零部件的總重量的重心到導向支撐的前端的距離（m）,參考上一節(jié)的計算； a---導向支撐的長度（m）； ---當量摩擦系數(shù)，其值與導向支撐的截面有關； 對于圓柱面： μ---摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時： 鋼對青銅：取μ=0.1～0.15 鋼對鑄鐵：取μ=0.18～0.3 選?。?，G=500N，L=1.49-0.028=1.21m,導向支撐a設計為0.016m。 將有關數(shù)據(jù)代入進行計算： 4.3.2 手臂慣性力的計算 本設計要求手臂平動是V=1200mm/s；假定：在計算慣性力的時候,設置啟動時間，啟動速度； (4-3) 4.3.3 密封裝置的摩擦阻力 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設計中，采用O型密封，當液壓缸工作壓力小于10Mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：F摩=65N。 經(jīng)過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅(qū)動力：F=1243.8N 4.4 液壓缸工作壓力和結構的確定 經(jīng)過上面的計算，確定了液壓缸的驅(qū)動力F=1243.8N，根據(jù)表3-1選擇液壓缸的工作壓力P=2MPa。 確定液壓缸的結構尺寸：液壓缸內(nèi)徑的計算，如圖4-2所示 圖4-2 雙作用液壓缸示意圖 當油進入無桿腔： F1=(A1p1-A2p2)ηm （4-4） 當油進入有桿腔中： F2=(A2p1-A1p2)ηm (4-5) 其中：ηm為機械效率。 液壓缸的有效面積：A 故有： A1=лD2/4 （無桿腔） (4-6) A2= лD2/4-лd2/4 （有桿腔）Error! Reference source not found. (4-7) F=6210N，，選擇機械效率。 將有關數(shù)據(jù)代入： 根據(jù)表3-1（JB826-66），選擇標準液壓缸內(nèi)徑系列，選擇D=42mm。 液壓缸外徑的設計： 根據(jù)裝配等因素，考慮到液壓缸的臂厚在7mm，所以該液壓缸的外徑為60mm。 4.5活塞桿的計算校核 一、活塞桿強度校核 活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強度要求。對于桿長L大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強度計算： σ = F/A (4-8) 設計中活塞桿取材料為碳鋼，故，活塞直徑d=20mm,L=1360mm,現(xiàn)在進行校核： σ = F/A <[σ] 結論：活塞桿滿足強度要求。 2、 活塞桿剛度校核 圖4-3 剛度校核示意圖 現(xiàn)按照伸出液壓缸的最小直徑進行校核,為便于計算把伸出的液壓缸簡化成一懸臂梁。 取:載荷F=400N,懸臂L=1730mm。 梁轉(zhuǎn)角： θ= (4-9) 梁撓度： ω = (4-10) 其中：E為材料的彈性模量：E=210Gpa I為轉(zhuǎn)動慣量：取I=1.1×10-10 EI=24 ∴ θ=-0.00249rad<[θ] ω=-0.0288mm<[ω] 結論:懸臂活塞桿滿足剛度要求。 4.6 本章小結 本章設計了搬運機器人的手臂結構，手臂采用液壓驅(qū)動伸縮機構，對驅(qū)動的液壓缸的驅(qū)動力進行了計算。并對液壓缸的基本尺寸進行了設計，同時對液壓缸活塞桿的強度和剛度進行了校核，校核結果均滿足要求。 第5章 機身結構的設計及計算 機身是直接支撐和驅(qū)動手臂的部件。一般實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動，這些運動的傳動機構都安在機身上，或者直接構成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動越多，機身的機構和受力情況就越復雜。機身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運動。 5.1機身的整體設計 按照設計要求，機械手要實現(xiàn)手臂1800的回轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運動機構一般設計在機身處。為了設計出合理的運動機構，就要綜合考慮分析。 機身承載著手臂，做回轉(zhuǎn)，升降運動，是機械手的重要組成部分。常用的機身結構有以下幾種： (1) 回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結構。這種結構優(yōu)點是能承受較大偏重力矩。其缺點是回轉(zhuǎn)運動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉(zhuǎn)精度的影響較大。 (2) 回轉(zhuǎn)缸置于升降之上的結構。這種結構采用單缸活塞桿，內(nèi)部導向，結構緊湊。但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運動部件較大。 (3) 活塞缸和齒條齒輪機構。手臂的回轉(zhuǎn)運動是通過齒條齒輪機構來實現(xiàn)：齒條的往復運動帶動與手臂連接的齒輪作往復回轉(zhuǎn)，從而使手臂左右擺動。 分析：經(jīng)過綜合考慮，本設計選用回轉(zhuǎn)缸置于伸縮缸之上的結構。本設計機身包括兩個運動，機身的回轉(zhuǎn)和伸縮?；剞D(zhuǎn)機構置于升降缸之上的機身結構。手臂部件與回轉(zhuǎn)缸的上端蓋連接，回轉(zhuǎn)缸的動片與缸體連接，由缸體帶動手臂回轉(zhuǎn)運動?；剞D(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸與伸縮缸的活塞桿是一體的。具體結構見圖5-1。驅(qū)動機構是液壓驅(qū)動，回轉(zhuǎn)缸通過兩個油孔，一個進油孔，一個排油孔，分別通向回轉(zhuǎn)葉片的兩側來實現(xiàn)葉片回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)角度一般靠機械擋塊來決定，對于本設計就是考慮兩個葉片之間可以轉(zhuǎn)動的角度，為滿足設計要求，設計中動片和靜片之間可以回轉(zhuǎn)1800。 圖5-1 回轉(zhuǎn)缸位于伸縮缸之上的機身結構示意圖 5.2機身回轉(zhuǎn)機構的設計計算 (1) 回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩的計算 手臂回轉(zhuǎn)缸的回轉(zhuǎn)驅(qū)動力矩，應該與手臂運動時所產(chǎn)生的慣性力矩及各密封裝置處的摩擦阻力矩相平衡： Ma=0.5Fd (5-1) 慣性力矩的計算： Mc=πD4/32 (5-2) 回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個長1200mm，直徑為60mm的圓柱體，質(zhì)量為159.2Kg設置起動角度=180，則起動角速度=0.314，起動時間設計為0.1s。 密封處的摩擦阻力矩可以粗略估算下，由于回油背差一般非常的小，故在這里忽略不計。 (2) 回轉(zhuǎn)缸尺寸的初步確定 設計回轉(zhuǎn)缸的靜片和動片寬b=60mm，選擇液壓缸的工作壓強為8Mpa。d為輸出軸與動片連接處的直徑，設d=50mm,則回轉(zhuǎn)缸的內(nèi)徑通過下列計算： D=80mm 即設計液壓缸的內(nèi)徑為80mm，根據(jù)表4-2選擇液壓缸的基本外徑尺寸100mm(不是最終尺寸)，再經(jīng)過配合等條件的考慮。 最終確定的液壓缸的截面尺寸如圖6-2所示，內(nèi)徑為150mm，外徑為230mm，輸出軸徑為50mm。 圖5-2 回轉(zhuǎn)缸的截面圖 5.3 機身升降機構的計算 5.3.1 手臂偏重力矩的計算 圖5-3 手臂各部件重心位置圖 (1)零件重量等 現(xiàn)在對機械手手臂做粗略估算：總共約為33Kg (2)計算零件的重心位置，求出重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離ρ。 =1720mm =6mm =0.88mm (5-3) =1500mm 所以，回轉(zhuǎn)半徑。 (2)計算偏重力矩 (5-4) 5.3.2 升降不自鎖條件分析計算 手臂在的作用下有向下的趨勢，而立柱導套有防止這種趨勢； 所謂的不自鎖條件為：傾角小于或等于摩擦角 因此在設計中必須考慮到立柱導套必須大于480mm。 5.3.3 手臂做升降運動的液壓缸驅(qū)動力的計算 (5-5) 式中：--摩擦阻力，參考圖6-3 (5-6) G--零件及工件所受的總重。 (1) 摩擦驅(qū)動力的計算 設定速度為V=4；起動或制動的時間差t=0.02s；近似估算為286.1Kg；將數(shù)據(jù)帶入上面公式有： F摩= 5000N F慣=6600N (2) 液壓缸在這里選擇O型密封，所以密封摩擦力可以通過近似估算；最后通過以上計算： 當液壓缸向上驅(qū)動時：F=5000N 當液壓缸向下驅(qū)動時：F=6600N 5.4 軸承的選擇分析 對于伸縮缸的運動，機身回轉(zhuǎn)受軸承的影響。因此，這里要充分考慮這個問題。對于本設計，采用一支點，雙向固定，另一支點游動的支撐結構。作為固定支撐的軸承，應能承受雙向軸向載荷，故內(nèi)外圈在軸向全要固定。 本設計采用兩個球軸承Error! Reference source not found.的組合結構。 5.5 本章小結 本章對機械手的機身進行了設計，分別對機身的回轉(zhuǎn)機構和升降機構進行設計計算。同時，也計算了伸縮立柱不自鎖的條件(這是機身設計中不可缺少的部分)。最后，根據(jù)計算結果選用合適的軸承。 總 結 經(jīng)過一段時間的努力，達到了本課題研究的預期目標，現(xiàn)總結如下: (1) 本課題提出了焊接機器人的設計方案，解決了工業(yè)機器人的許多問題； (2) 根據(jù)焊接機器人的運動方式，設計了焊接機器人的機械系統(tǒng)； (3) 根據(jù)焊接機器人的負載，進行大臂的傳動設計； (4) 選用適當?shù)某叽邕M行多手臂中各軸的校核； (5) 本焊接機器人結構先進可靠，運行平穩(wěn)，運行控制穩(wěn)定可靠； (6) 本課題是專門設計焊接機器人手臂傳動及其軸的校核，其傳動系統(tǒng)稍做改進即可滿足需求。 致 謝 感謝吳曉敏老師在我大學的最后學習階段——畢業(yè)設計階段給我的指導，有了吳老師認真負責的指導我的論文才得以順利完成。老師為我論文課題的研究提出了許多指導性的意見，為論文的撰寫、修改提供了許多具體的指導和幫助。在本文結束之際，特向敬愛的吳老師致以最尊敬的敬禮和深深地感謝！ 通過此次設計，一方面讓我認識到只學習理論是遠遠不夠的，發(fā)現(xiàn)了學習中的錯誤之處；另一方面又積累豐富的知識，吸取別人好的方法和經(jīng)驗，增強對復雜問題的解決能力，摸索出一套解決綜合問題的方法，為自己以后的工作和學習打下堅實的基礎，提高了自己的動手能力。順利完成畢業(yè)設計，既是對我大學所學課程的一次綜合整理，又使我對機電知識有了更深層次的理解。這些能力的掌握是我步入社會所必需的。 同時由衷的感謝在我設計過程中，班級同學對我的指導和幫助，有了你們的熱心解答，彌補了我的不足，我得以在各方面取得顯著的進步。由于初次研究這種復雜而又綜合的設計，過程中難免存在一些錯誤和不足之處，懇請各位老師給予批評和指正。 參考文獻 [1] 成大先.機械設計手冊（第五版）（第1卷）[M].北京：化學工業(yè)出版社，2008. [2] 蔡自興.機器人學基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009. 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