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焊接機器人設計 Welding robot design 畢業(yè)設計工作手冊 ———焊接機器人 學校：長春理工大學 學院：機電工程學院 班級學號： 學生姓名： 指導教師： 《開題報告》 1. 本課題研究的目的、意義 2. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3. 擬采取的研究路線 4. 進度安排 5. 文獻綜述（2000字以上，列出主要參考文獻） 6. 外文文獻翻譯（標注出原文出處，譯文4000漢字以上） 1、 本課題研究的目的、意義 眾所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技能、豐富的實踐經(jīng)驗、穩(wěn)定的焊接水平；另一方面，焊接又是一種勞動條件差、煙塵多、熱輻射大、危險性高的工作。隨著科技的發(fā)展和工業(yè)需求的增加，焊接技術(shù)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(shù)的優(yōu)良程度直接影響著零件或產(chǎn)品的質(zhì)量。工業(yè)機器人的出現(xiàn)使人們自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，減輕焊工的勞動強度，同時也可以保證焊接質(zhì)量和提高焊接效率。 本次設計為焊接機器人設計，是本專業(yè)學生在完成全部課堂教學之后所進行的一項極為重要的實踐性教學環(huán)節(jié)。旨在通過具體的工程實踐進一步深入理解掌握和綜合運用所學的專業(yè)理論知識，進行焊接機器人的設計基本技能的訓練，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力，從而全面實現(xiàn)本專業(yè)學生的質(zhì)量管理目標。作為個人，通過本次設計能在了解焊接機器人在國內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，掌握焊接機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，同時了解機器人機械系統(tǒng)運動學，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。在指導老師的幫助下能夠設計出具有剛性好，位置精度高、運行平穩(wěn)的特點的焊接機器人。 二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 從機器人誕生到本世紀80年代初，機器人技術(shù)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(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)等的快速發(fā)展，機器人技術(shù)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。根據(jù)UNECE的統(tǒng)計，2001年全世界有75萬臺工業(yè)機器人用于工業(yè)制造領(lǐng)域，其中38.9萬在日本、19.8萬在歐盟、9萬在北美，7.3萬在其余國家。至2004年底全世界在役的工業(yè)機器人至少有約100萬。我國機器人發(fā)展迅猛，從國家863計劃實施之初到現(xiàn)在一直將機器人技術(shù)列為重點支持方向。國家863計劃機器人技術(shù)主題重點支持數(shù)控、工程機械、盾構(gòu)、生產(chǎn)線、水下載人潛器、危險作業(yè)機器人、醫(yī)療機器人和仿人仿生機器人等。目前光我國從事機器人的研發(fā)單位就有200多家，專業(yè)從事機器人產(chǎn)業(yè)開發(fā)的則達50家以上。一批企業(yè)逐步發(fā)展壯大。 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(lǐng)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(jié)構(gòu)和兵器工業(yè)等行業(yè)。日本裝備的工業(yè)機器人總量達到了50萬臺以上，成為“機器人王國”，其次是美國和德國；在亞洲，日本、韓國和新加坡的制造業(yè)中每萬名雇員占有的工業(yè)機器人數(shù)量居世界前三位。近幾年，全球機器人的數(shù)量在迅速增加。 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(shù)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。據(jù)不完全統(tǒng)計，最近幾年我國工業(yè)機器人呈現(xiàn)出快速增長勢頭，平均每年的增長率都超過40%,焊接機器人的增長率超過了60%。但這樣的增長速度相對于我國的經(jīng)濟發(fā)展速度以及經(jīng)濟總量來說顯然是不匹配的，這說明我國制造業(yè)的自動化程度有待進一步提高，另一方面也反映了我國勞動力成本的低廉，制造業(yè)自動化水平以及工業(yè)機器人應用程度的提高受到限制。當前焊接機器人的應用迎來了難得的發(fā)展機遇。一方面，隨著技術(shù)的發(fā)展，焊接機器人的價格不斷下降，性能不斷提升；另一方面，勞動力成本不斷上升，我國經(jīng)濟的發(fā)展，由制造大國向制造強國邁進，需要提升加工手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量和增加企業(yè)競爭力，這一切預示著機器人應用及發(fā)展前景空間巨大。 從目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，焊接機器人技術(shù)的研究十分活躍，焊接機器人技術(shù)研究主要集中在焊縫跟蹤技術(shù)、離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)、多機器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)、專用弧焊電源技術(shù)、焊接機器人系統(tǒng)仿真技術(shù)、機器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術(shù)等七個方面。 焊接機器人主要包括機器人和焊接設備兩部分。機器人由機器人本體和控制柜（硬件及軟件）組成。而焊接裝備，以弧焊及點焊為例，則由焊接電源，（包括其控制系統(tǒng)）、送絲機（弧焊）、焊槍（鉗）等部分組成。對于智能機器人還應有傳感系統(tǒng)，如激光或攝像傳感器及其控制裝置等。工業(yè)機器人技術(shù)的研究、發(fā)展與應用，有力地推動了世界工業(yè)技術(shù)的進步。特別是焊接機器人在高質(zhì)高效的焊接生產(chǎn)中，發(fā)揮了極其重要的作用。隨著我國加入WTO后國際競爭更加激烈，對工業(yè)機器人的需求會越來越大，我國的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)將面臨新的發(fā)展機遇和來自國外的挑戰(zhàn)，我們要把握這一機遇，迎接挑戰(zhàn)，為我國躋身于機器人強國之列而努力奮斗。 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(shù)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(shù)為主導制造工藝技術(shù)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(shù)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(shù)達到了國際90年代初的先進水平，進入世界先進之列。 3、 文獻綜述 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(shù)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(lǐng)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。 世界各國生產(chǎn)的焊接用機器人基本上都屬關(guān)節(jié)式機器人，絕大部分有6個軸。其中，1、2、3軸可將末端工具送到不同的空間位置，而4、5、6軸解決工具姿態(tài)的不同要求。焊接機器人本體的機械結(jié)構(gòu)主要有兩種形式：一種為平行四邊形結(jié)構(gòu)，一種為側(cè)置式（擺式）結(jié)構(gòu)，如圖2a、b所示。側(cè)置式（擺式）結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是上、下臂的活動范圍大，使機器人的工作空間幾乎能達一個球體。因此，這種機器人可倒掛在機架上工作，以節(jié)省占地面積，方便地面物件的流動。但是這種側(cè)置式機器人，2、3軸為懸臂結(jié)構(gòu)，降低機器人的剛度，一般適用于負載較小的機器人，用于電弧焊、切割或噴涂。平行四邊形機器人其上臂是通過一根拉桿驅(qū)動的。拉桿與下臂組成一個平行四邊形的兩條邊。故而得名。早期開發(fā)的平行四邊形機器人工作空間比較?。ň窒抻跈C器人的前部），難以倒掛工作。但80年代后期以來開發(fā)的新型平行四邊形機器人，已能把工作空間擴大到機器人的頂部、背部及底部，又沒有測置式機器人的剛度問題，從而得到普遍的重視。這種結(jié)構(gòu)不僅適合于輕型也適合于重型機器人。近年來點焊用機器人（負載100～150kg）大多選用平行四邊形結(jié)構(gòu)形式的機器人。 上述兩種機器人各個軸都是作回轉(zhuǎn)運動，故采用伺取電機通過擺線針輪（RV）減速器（1～3軸）及諧波減速器（1～6軸）驅(qū)動。在80年代中期以前，對于電驅(qū)動的機器人都是用直流伺服電機，而80年代后期以來，各國先后改用交流伺服電機。由于交流電機沒有碳刷，動特性好，使新型機器人不僅事故率低，而且免維修時間大為增長，加（減）速度也快。一些負載16kg以下的新的輕型機器人其工具中心點（TCP）的最高運動速度可達3m/s以上，定位準確，振動小。同時，機器人的控制柜也改用32位的微機和新的算法，使之具有自行優(yōu)化路徑的功能，運行軌跡更加貼近示教的軌跡 中國在60年代初期開始發(fā)展焊接生產(chǎn)線，例如哈爾濱鍋爐廠、沈陽變壓器廠等相繼建立了鍋爐蛇形管、變壓器散熱器管焊接件的自動生產(chǎn)線，取得了顯著的成績。70年代焊接生產(chǎn)線機械化自動化技術(shù)發(fā)展較快，到70年代末，相當多的批量較大的焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)，都程度不等地發(fā)展應用了各種類型的焊接生產(chǎn)線技術(shù)。 　　由于自動控制系統(tǒng)、可編程序控制器、微處理機和計算機技術(shù)等在焊接生產(chǎn)中的應用，80年代以后，中國發(fā)展了采用焊接方法的自動控制、焊接過程的自動控制，用自動傳送裝置、專用焊接設備及電控部分等組成的焊接中心和焊接生產(chǎn)自動線，較廣泛地應用在汽車、船舶、核能、電站、鍋爐、礦山機械等行業(yè)中，不斷提高焊接生產(chǎn)的自動化程度。　　80年代中期以后，汽車、摩托車等行業(yè)發(fā)展焊接生產(chǎn)線上應用機器人焊接技術(shù)突出，在中國現(xiàn)代的工廠里可以看到那一排排焊接機器人正在揮舞著鋼鐵的臂膀認真操作的場景。 　　進入90年代后，中國焊接界把實現(xiàn)焊接生產(chǎn)機械化、自動化作為戰(zhàn)略目標，已在各行業(yè)的科技發(fā)展規(guī)劃中付諸實施。大力發(fā)展焊接生產(chǎn)自動化和過程控制智能化技術(shù)，發(fā)展焊接生產(chǎn)線和柔性制造技術(shù)，發(fā)展應用計算機輔助設計與制造技術(shù)等。 我國制造業(yè)中焊接機器人的應用主要是在20世紀90年代以后(個別企業(yè)在80年代中期)，經(jīng)歷了摸索階段，近5年來焊接機器人的數(shù)量增加很快，特別是在汽車制造業(yè)。根據(jù)到2001年的統(tǒng)計，全國共有各類焊接機器人1040臺，其中弧焊機器人多于點焊機器人，汽車制造和汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機器人占全部焊接機器人的76％，是我國焊接機器人最主要的用戶。汽車制造廠的點焊機器人多，弧焊機器人較少；而零部件廠弧焊機器人多，點焊機器人較少。該行業(yè)中點焊與弧焊總的比例約為3：2。其他行業(yè)大都是以弧焊機器人為主，主要分布在工程機械(10％)、摩托車(6％)、鐵路車輛(4％)、鍋爐(1％)等行業(yè)。焊接機器人分布在全國各個經(jīng)濟地區(qū)，但主要集中在東部沿海和東北地區(qū)。東部的上海和東北的長春這兩個汽車城是我國擁有焊接機器人最多的城市。我國焊接機器人的行業(yè)分布不均衡，也不夠廣泛。今后應重點放在擴大應用領(lǐng)域，使更多行業(yè)用上焊接機器人。 當前世界各國在發(fā)展工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)方面有三條不同的道路： (1)機器人制造廠商以開發(fā)新型機器人和批量生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品為主要目標，而各行業(yè)需要的機器人成套系統(tǒng)，一般由其子公司或社會上的工程公司來設計制造，并完成交鑰匙工程(暫稱為“日本模式”）； (2)機器人制造廠商自己既生產(chǎn)機器人又設計制造用戶所需要的系統(tǒng)，完成交鑰匙工程(暫稱為“歐洲模式”）； (3)本國基本不生產(chǎn)一般工業(yè)機器人，企業(yè)需要的機器人系統(tǒng)由工程公司用進口的機器人自行設計制造外圍設備并成套，完成交鑰匙工程(暫稱為“美國模式”)。 目前我國需要研究我們的機器人產(chǎn)業(yè)應走什么道路的問題。我們認為應從“美國模式”著手，在條件成熟后逐步向“日本模式”靠近?？上驳氖?，我國已經(jīng)形成一批焊接自動化系統(tǒng)集成工程公司，可以完成焊接機器人工作站的設計、設備集成與技術(shù)咨詢工作。現(xiàn)在我國使用的焊接機器人工作站有近20％是在國內(nèi)由中國的工程師采用進口的機器人，配合自行設計的外圍設備而集成的。但是比較復雜的焊接機器人生產(chǎn)線或焊接FMS大多還需要全套從國外進口。今后，應促使這些工程公司做大做強，政府應以政策鼓勵企業(yè)采用我國自行成套的焊接機器人系統(tǒng)，而我國的工程師應進一步加強和國外的機器人廠家和集成公司的合作與技術(shù)交流，使國內(nèi)應用的焊接機器人系統(tǒng)中自行成套的焊接機器人工作站迅速增多，促進我國機器人產(chǎn)業(yè)的成長。 參考文獻 【1】成大先.機械設計手冊（第五版）（第1卷）.北京：化學工業(yè)出版社，2008 【2】蔡自興.機器人學基礎(chǔ).北京：機械工業(yè)出版社，2009 【3】李曉輝，汪蘇，劉小輝，朱小波.焊接機器人智能化的發(fā)展[J].電焊機,2005 【4】唐新華.焊接機器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢㈠[J].電焊機,2006 【5】 孟廣喆.國內(nèi)外焊接技術(shù)發(fā)展情況和對我國今后焊接技術(shù)發(fā)展的設想.第一屆全國焊接會議論文集.北京：中國工業(yè)出版社，1964 【6】國家自然科學基金委員會.機械制造學(熱加工).北京：科學出版社，1995 【7】 潘際鑾.弧焊過程控制.第八次全國焊接會議論文集.第1冊.北京：機械工業(yè)出版社，1997【8】 林尚揚.我國機械制造業(yè)中焊接機器人的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.第八次全國焊接會議論文集.第1冊.北京：機械工業(yè)出版社，1997 【9】張西庚.焊接結(jié)構(gòu)設計和制造技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展.第八次全國焊接會議論文集.第1冊.北京：機械工業(yè)出版社，1997 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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(chǔ)上，進而掌握焊接機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，并對手臂和腕部進行結(jié)構(gòu)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(guān)鍵字：焊接機器人 液壓系統(tǒng) 機械機構(gòu)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(gòu) 6 2.4.2 控制系統(tǒng)分類 8 2.5 焊接機器人的技術(shù)參數(shù) 8 2.6 本章小結(jié) 8 第3章 腕部結(jié)構(gòu)的設計及計算 10 3.1 腕部設計的基本要求 10 3.2 腕部結(jié)構(gòu)及選擇 10 3.2.1 典型的腕部結(jié)構(gòu) 10 3.2.2 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動結(jié)構(gòu)的選擇 10 3.3 腕部結(jié)構(gòu)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(jié) 13 第4章 臂部結(jié)構(gòu)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(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇 16 4.2.1 手臂的典型運動機構(gòu) 16 4.2.2 手臂運動機構(gòu)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(jié)構(gòu)的確定 18 4.5活塞桿的計算校核 19 4.6 本章小結(jié) 20 第5章 機身結(jié)構(gòu)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(gòu)的設計計算 22 5.3 機身升降機構(gòu)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(jié) 25 總結(jié) 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(shù)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(lǐng)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(shù)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(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)等的快速發(fā)展，機器人技術(shù)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(lǐng)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(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)的研究十分活躍，焊接機器人技術(shù)研究主要集中在焊縫跟蹤技術(shù)、離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)、多機器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)、專用弧焊電源技術(shù)、焊接機器人系統(tǒng)仿真技術(shù)、機器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術(shù)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(shù)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(shù)為主導制造工藝技術(shù)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(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)，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(gòu)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(guān)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(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標結(jié)構(gòu)、圓柱坐標結(jié)構(gòu)、球坐標結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應的特點，分別介紹如下: (1) 直角坐標機器人結(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機器人的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)Error! Reference source not found.。 (2) 圓柱坐標機器人結(jié)構(gòu) 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(gòu)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(jié)構(gòu) 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(jié)構(gòu)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(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu) 關(guān)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(guān)節(jié)型機器人動作靈活，結(jié)構(gòu)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(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)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(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)性能及體積 結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)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(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大 結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)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(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小 伺服電動機易標準化，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)三部分組成。 2.4.1 執(zhí)行機構(gòu) （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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，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(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度小（一般小于2700）,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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)形式如圖2-2所示。 圖2-2 腕部回轉(zhuǎn)基本結(jié)構(gòu)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(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構(gòu)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(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構(gòu)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(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(chǔ)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(shù)參數(shù) 一、用途：用于焊接工件 二、設計技術(shù)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(jié) 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(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)）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(jié)構(gòu)形式；并選擇液壓驅(qū)動作為本次設計的驅(qū)動機構(gòu)。最后，給出了設計中所需的技術(shù)參數(shù)。 第3章 腕部結(jié)構(gòu)的設計及計算 3.1 腕部設計的基本要求 (1) 力求結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。 (2) 結(jié)構(gòu)考慮，合理布局 腕部作為焊接機器人的執(zhí)行機構(gòu)，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(jié)構(gòu)及選擇 3.2.1 典型的腕部結(jié)構(gòu) (1) 具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)它具有結(jié)構(gòu)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。回轉(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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動的兩個自由度。 (4) 機-液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。 3.2.2 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)選擇具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)，采用液壓驅(qū)動。 3.3 腕部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guān)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?，如圖4-3所示，t為螺釘?shù)拈g距，間距跟工作壓強有關(guān)，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(jié)構(gòu)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(jié) 本章主要內(nèi)容為腕部結(jié)構(gòu)的設計包括：腕部結(jié)構(gòu)的選取和腕部結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)；然后，按照給定的技術(shù)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(guān)鍵部位螺栓的計算。 第4章 臂部結(jié)構(gòu)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(gòu)和各種傳動機構(gòu)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(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)； (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(gòu)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(guān)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(jié)構(gòu)，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(jié)：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(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇 4.2.1 手臂的典型運動機構(gòu) 常見的手臂伸縮機構(gòu)有以下幾種： (1) 雙導桿手臂伸縮機構(gòu)； (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(jié)構(gòu)； (1)雙活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)； (2)活塞桿和齒輪齒條機構(gòu)。 4.2.2 手臂運動機構(gòu)的選擇 通過以上，綜合考慮，本次設計選擇液壓缸伸縮機構(gòu)，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(jié)構(gòu)，根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關(guān)機構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guān)； 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(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guān)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(jié)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(jié)論:懸臂活塞桿滿足剛度要求。 4.6 本章小結(jié) 本章設計了搬運機器人的手臂結(jié)構(gòu)，手臂采用液壓驅(qū)動伸縮機構(gòu)，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(jié)果均滿足要求。 第5章 機身結(jié)構(gòu)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(gòu)都安在機身上，或者直接構(gòu)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(gòu)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(gòu)一般設計在機身處。為了設計出合理的運動機構(gòu)，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(jié)構(gòu)有以下幾種： (1) 回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導向，結(jié)構(gòu)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(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運動是通過齒條齒輪機構(gòu)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(jié)構(gòu)。本設計機身包括兩個運動，機身的回轉(zhuǎn)和伸縮。回轉(zhuǎn)機構(gòu)置于升降缸之上的機身結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)見圖5-1。驅(qū)動機構(gòu)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(cè)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(jié)構(gòu)示意圖 5.2機身回轉(zhuǎn)機構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)。 5.5 本章小結(jié) 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(gòu)和升降機構(gòu)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(jié)果選用合適的軸承。 總 結(jié) 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(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)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(chǔ)，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. 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