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畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)）
論文（設(shè)計(jì)）題目：
四自由度船用焊接機(jī)械手設(shè)計(jì)與仿真
The Design and Simulation of Four Degrees of Freedom Welding Manipulator Applied to Ship
姓 名
學(xué) 號(hào)
學(xué) 院
專 業(yè)
年 級(jí)
指導(dǎo)教師
四自由度船用焊接機(jī)械手 設(shè)計(jì)與仿真,設(shè)計(jì)者：,焊接機(jī)械手的設(shè)計(jì)研究意義,,傳統(tǒng)焊接： 1.勞動(dòng)強(qiáng)度大 2.焊接效率和質(zhì)量不高不穩(wěn)，由焊工技術(shù) 水平?jīng)Q定 3.腐蝕、高溫和有毒氣體，危及生命,現(xiàn)代焊接： 1.采用焊接機(jī)械手 2.焊接質(zhì)量好、穩(wěn)定 3.大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率 4.改善工人的勞動(dòng)環(huán)境,焊接機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì),1.立柱式關(guān)節(jié)型焊接機(jī)械手，具有4個(gè)自由度 2.驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇——交流伺服電機(jī) 輸出功率高、反應(yīng)靈敏、操作維修方便、噪音小 3.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定 行星輪傳動(dòng) 絲杠傳動(dòng) 齒輪帶傳動(dòng),,腰部的水平回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)： 1.行星輪傳動(dòng) 2.運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 3.承載能力大，抗沖擊、防震,大臂豎直上下運(yùn)動(dòng) 1.滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng) 2.旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng) 3.摩擦阻力小，所需的驅(qū)動(dòng)力少 4.高精度、微進(jìn)給、效率高,小臂和焊槍 夾具的俯仰運(yùn)動(dòng) 1.齒輪帶傳動(dòng) 2.電機(jī)軸與機(jī)械軸分開(kāi) 3.傳動(dòng)力矩大、可靠性高,整 體 設(shè) 計(jì) 方 案 示 意 圖,Adams仿真,1.簡(jiǎn)化機(jī)械手模型 ADAMS造型弱，選取主要部件，表達(dá)出全部運(yùn)動(dòng)副關(guān)系即可 2.另存為Parasolid文件形式，導(dǎo)入ADAMS,3.添加質(zhì)心 （CM） 4.添加關(guān)節(jié)約束(Joint) 兩個(gè)固定副 三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副 一個(gè)移動(dòng)副 5.給四個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)副添加驅(qū)動(dòng)（Motion),6.給每個(gè)驅(qū)動(dòng)添加運(yùn)動(dòng)函數(shù) 1）腰部的角位移驅(qū)動(dòng)函數(shù) 運(yùn)動(dòng)方程：-15*2*PI/360*sin(0.1*PI*time),2）小臂的角位移驅(qū)動(dòng)函數(shù) 運(yùn)動(dòng)方程：60d * sin(0.1*PI*time),3）給剩余的驅(qū)動(dòng)添加好運(yùn)動(dòng)函數(shù)即可讓機(jī)械手的焊槍末端按照預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng),有限元分析,1.主要承載構(gòu)件的材料及特性,2.底座的有限元分析 底座屈服應(yīng)力分布圖,底座變形程度圖（放大5×10^6 倍）,致 謝,畢業(yè)設(shè)計(jì)是在王建明教授的指導(dǎo)下完成的，在此對(duì)王老師表示衷心的感謝和崇高的敬意 感謝所有機(jī)械學(xué)院的老師，無(wú)私的傳授給我很多專業(yè)知識(shí)，使我對(duì)自己從事的專業(yè)更為了解 感謝小組成員和所有同學(xué)。,壓縮包內(nèi)含CAD圖紙和三維建模及說(shuō)明書,咨詢Q 197216396 或 11970985
目錄
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 緒論 1
1.1機(jī)械手的簡(jiǎn)介 1
1.2機(jī)械手的簡(jiǎn)史.................................................................................................2
1.3機(jī)械手的組成................................................................................................4
1.3.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)...............................................................................................4
1.3.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)...............................................................................................6
1.3.3控制系統(tǒng)及其分類...............................................................................6
1.4機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)........................................................................................6
1.5機(jī)械手的自由度和座標(biāo)型式........................................................................8
1.5.1機(jī)械手的自由度...................................................................................8
1.5.2座標(biāo)型式...............................................................................................8
1.6機(jī)械手的展望.............................................................................................,10
1.7本章小結(jié)......................................................................................................11
第2章 焊接機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案.....................................................................13
2.1方案設(shè)計(jì)......................................................................................................13
2.1.1方案要求.............................................................................................13
2.1.2設(shè)計(jì)方案的確定.................................................................................14
2.2傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析..................................................................................16
2.2.1 腰部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)....................................................................................16
2.2.2 大臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)....................................................................................17
2.2.3 小臂和焊槍夾具傳動(dòng)機(jī)構(gòu)................................................................18
2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析.............................................................................19
2.3.1 腰部....................................................................................................19
2.3.2 大臂....................................................................................................21
2.3.3 小臂......................................................................................................21
2.4 整體設(shè)計(jì)方案示意圖..................................................................................22
2.5本章小結(jié).......................................................................................................23
第3章 機(jī)械手的建模.............................................................................................25
3.1三維建模軟件Solidworks的介紹..............................................................25
3.2 Solidworks建模..........................................................................................26
3.3本章小結(jié)......................................................................................................27
第4章 機(jī)械手二維制圖.........................................................................................29
4.1 二維繪圖軟件AutoCAD的介紹..............................................................29
4.2 AutoCAD繪圖.........................................................................................29
4.3本章小結(jié)......................................................................................................32
第5章 Adams仿真和Ansys分析..........................................................................33
5.1 運(yùn)用Adams對(duì)機(jī)械手進(jìn)行仿真模擬.......................................................33
5.1.1 Adams軟件介紹.............................................................................33
5.1.2 仿真前的準(zhǔn)備工作—造型............................................................34
5.1.3 Adams仿真步驟.............................................................................34
5.2 對(duì)主要承載構(gòu)件進(jìn)行有限元分析...........................................................41
5.2.1 主要承載構(gòu)件材料及特性............................................................41
5.2.2 底座的有限元分析........................................................................42
5.3 本章小結(jié)...................................................................................................44
參考文獻(xiàn)................................................................................................................45
致謝........................................................................................................................47
譯文和原文.............................................................................................................49
vi
摘 要
由于焊接工作的需要，人們經(jīng)常遭受腐蝕、高溫及有毒氣體等因素的危害，不僅工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且危及生命，因此焊接機(jī)械手孕育而生。它代替焊工自動(dòng)化完成各種焊接任務(wù)，一方面使工人的勞動(dòng)條件得到改善，另一方面，焊接機(jī)械手焊接質(zhì)量穩(wěn)定且大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。所以焊接機(jī)械手的應(yīng)用及發(fā)展前景巨大。
本文從以下五個(gè)部分闡述此次設(shè)計(jì)的內(nèi)容：
（1）了解機(jī)械手的概念、簡(jiǎn)史、現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展，明確設(shè)計(jì)機(jī)械手的實(shí)際意義，掌握機(jī)械手的基本組成，為設(shè)計(jì)焊接機(jī)械手做好相應(yīng)的準(zhǔn)備工作。
（2）對(duì)焊接機(jī)械手進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，包括自由度的確定、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)即電機(jī)的選擇、傳動(dòng)形式的確定、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)等。
（3）運(yùn)用solidworks軟件對(duì)焊接機(jī)械手進(jìn)行三維實(shí)體建模，全部零件建模后虛擬裝配。
（4）基于solidworks軟件“導(dǎo)入工程圖”功能，在AutoCAD軟件中中完成對(duì)典型零件和總裝配體的二維圖繪制。
（5）在ADAMS軟件中對(duì)簡(jiǎn)化的機(jī)械手模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，并在solidworks中完成對(duì)主要承載構(gòu)件的有限元分析。
（6）完成20000字符以上的相關(guān)英文資料翻譯。
關(guān)鍵詞：四自由度焊接機(jī)械手；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；三維建模；運(yùn)動(dòng)仿真；有限元分析
ABSTRACT
To do soldering work, people often suffer corrosion, high tempreture ，poisonous gas and some other damages. Labors have to bear high intensity work and it is dangerous for their lives. That is the reason for generation of welding manipulator.The welding manipulator can finish welding missions automatically. On the one hand,it improves labors' working environment. On the other hand, it also keeps a high quality of welding and promotes effeciency. So There is a good development prospect for the welding manipulator.
This thesis consists of five chapters to state the design:
(1) Introduce welding manipulator's definition, general history, current situation and development prospect. Confirm the pratical purpose of designing welding manipulators .Understand its basic parts. Prepare for the design.
(2) Take a general design for the welding manipulator, including freedom level, driving machanism, type of belt drive, actuator and so on.
(3) Build a solid model of welding manipulator by solidworks. Make a virtual assembly after building all elements' model
(4) Based on solidworks software "import engineering drawing " function, done in AutoCAD software for typical parts and assembly of 2 d graph.
(5) In the ADAMS software to motion simulation for a simplified mechanical model in solidworks and complete finite element analysis of the main bearing components.
(6) Complete translating English materrial which is more than 20000 words.
Keywords: Four degrees of freedom of welding manipulator; Structure design; 3 d
modeling; Motion simulation; The finite element analysis
II
80
第1章 緒論
1.1 機(jī)械手簡(jiǎn)介
機(jī)械手是用于實(shí)現(xiàn)人手的功能的機(jī)械產(chǎn)品。機(jī)械手模擬著人手的部分動(dòng)作，按給定的程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)、焊接、噴涂等各種各樣操作的自動(dòng)化生產(chǎn)機(jī)械電子裝置。而其中，應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中的機(jī)械手被稱為工業(yè)機(jī)械手。
工業(yè)機(jī)械手是一項(xiàng)近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的新技術(shù)，并已發(fā)展成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，這項(xiàng)新技術(shù)發(fā)展很快，已經(jīng)逐漸發(fā)展成一門新興的學(xué)科——機(jī)械手工程。機(jī)械手涉及到傳感器技術(shù)、機(jī)械學(xué)、電器液壓技術(shù)、力學(xué)、自動(dòng)控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等多個(gè)科學(xué)領(lǐng)域，是一項(xiàng)跨學(xué)科的綜合技術(shù)。
工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，也是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。他的特點(diǎn)是可以通過(guò)給定的程序、軌跡和要求來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性方面。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和在環(huán)境中完成作業(yè)的能力，能有效地影響國(guó)民經(jīng)濟(jì)。
有需求才會(huì)有發(fā)展，機(jī)械手的發(fā)展正是由于它的積極作用日益為人們所接受：其一、它能部分地代替繁重的人工作業(yè)；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，根據(jù)工程師給定的程序、路徑和要求完成一系列作業(yè)；其三、它的手部末端可以?shī)A持焊槍或者噴槍等完成特殊的加工需要，從而大大的改善了工人的勞動(dòng)條件，顯著的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)國(guó)家工業(yè)生產(chǎn)向機(jī)械化和自動(dòng)化的方向邁進(jìn)的步伐。因而，受到很多國(guó)家的重視，投入大量的人力物力財(cái)力來(lái)研究和推廣應(yīng)用。尤其是在粉塵、高壓、噪音、高溫、強(qiáng)光以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用更為廣泛。在我國(guó)近幾年也有較快發(fā)展，并且取得比較好的成果，得到廣大機(jī)械同行的重視。
機(jī)械手是一種能自動(dòng)控制并可重新設(shè)定其程序以滿足各種需要的靈活方便的裝置，他一般擁有多個(gè)自由度，可以像人手一樣靈活運(yùn)動(dòng)，擺出多種位置和姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)多功能作業(yè)。
1.2 機(jī)械手的簡(jiǎn)史
現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于20世紀(jì)50年代初，是基于示教再現(xiàn)的控制系統(tǒng)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動(dòng)作功能的柔性自動(dòng)化產(chǎn)品而發(fā)展起來(lái)的。
機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。他的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。
1962年，美國(guó)機(jī)械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成了一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手，商名為Unimate(即萬(wàn)能自動(dòng))。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，各個(gè)臂完成回轉(zhuǎn)、俯仰動(dòng)作，用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲(chǔ)裝置。因?yàn)檫@臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手的出現(xiàn)，不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手都是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬(wàn)能自動(dòng)公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。
1962年，美國(guó)機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)的。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是世界工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。
1978年，美國(guó)Unimate公司、麻省理工學(xué)院和斯坦福大學(xué)聯(lián)合研制出了一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配操作，定位誤差可小于±1毫米。
美國(guó)還十分注意提高機(jī)械手的可靠性、安全性和精度，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低制造成本。如Unimate公司建立了8年的機(jī)械手試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。準(zhǔn)備把故障前平均時(shí)間（注：故障前平均時(shí)間是指一臺(tái)設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時(shí)間），由400小時(shí)提高到1500小時(shí)，精度可提高到±0.1毫米。
德國(guó)機(jī)械行業(yè)是從1970年開(kāi)始使用機(jī)械手，主要用于焊接、起重運(yùn)輸和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國(guó)KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。
瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手，采用示教再現(xiàn)方法編制程序。
瑞典安莎公司則采用機(jī)械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。
日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種典型的機(jī)械手后，日本就大力致力于機(jī)械手的設(shè)計(jì)研究。據(jù)報(bào)道，1979年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個(gè)。1976年，多個(gè)大學(xué)和國(guó)家研究部門用在機(jī)械手的研究費(fèi)用為42%。1979年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)443億日元，產(chǎn)量為14535臺(tái)。其中固定程序和可變程序的機(jī)械手約占一半，達(dá)222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長(zhǎng)50%。智能機(jī)械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá)56900臺(tái)。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長(zhǎng)。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計(jì)到1990年將有55萬(wàn)機(jī)器人在工作。
目前，各個(gè)國(guó)正在加緊研制第二代機(jī)械手。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)覺(jué)、思考的能力。并且研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能。目前國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺(jué)和視覺(jué)機(jī)械手。
而第三代機(jī)械手（機(jī)器人）則能獨(dú)立地完成作業(yè)過(guò)程中設(shè)定的任務(wù)并獨(dú)立解決遇到的麻煩。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要的一環(huán)。
隨著工業(yè)機(jī)械手（機(jī)器人）的研究制造和應(yīng)用的逐步擴(kuò)大，國(guó)際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)也十分的活躍，歐美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開(kāi)展很多，我國(guó)也正在向其中的一員努力。
1.3機(jī)械手的組成
機(jī)械手是用于實(shí)現(xiàn)人手的功能的機(jī)械產(chǎn)品。機(jī)械手模擬著人手的部分動(dòng)作，按給定的程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)、焊接、噴涂等各種各樣操作的自動(dòng)化生產(chǎn)機(jī)械電子裝置。
目前國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)械手的種類和型式比較多，但是從結(jié)構(gòu)系統(tǒng)上分析，主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。
其組成及相互關(guān)系如下圖：
控制部分
驅(qū)動(dòng)部分
執(zhí)行機(jī)構(gòu)
行程檢測(cè)裝置
被傳動(dòng)物件
手部
圖1-1機(jī)械手關(guān)系圖
1.3.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
主要由手部、手腕、受臂和行走機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)部件組成。
（1）手部 它具有人手某種單一動(dòng)作的功能。由于抓取物件的形狀不同，手部有夾持式和吸附式等型式。
夾持式手部是由手指和傳力機(jī)構(gòu)組成。
手指是直接與物件接觸的構(gòu)件。常用的手指運(yùn)動(dòng)型式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型手指應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但是平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。
手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位（是外廓或是內(nèi)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；手指有外夾式和內(nèi)撐式；指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。
傳力機(jī)構(gòu)形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式等。
（2）腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來(lái)調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求，有些動(dòng)作較為簡(jiǎn)單的專用機(jī)械手，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。
目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，
反應(yīng)靈巧，但回轉(zhuǎn)角度小（一般小于 2700）,并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。
（3）臂部 手臂部件是機(jī)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(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。
臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。如果要改變手部的位置和姿態(tài)（位姿），則可以用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。
手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較為多，受力復(fù)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(jī)械手的工作性能。
（4） 行走機(jī)構(gòu) 當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成比較遠(yuǎn)的距離的操作時(shí)，可以在機(jī)座上安裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。我國(guó)的正處于仿真階段。
1.3.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分。根據(jù)動(dòng)力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。
1.3.3 控制系統(tǒng)及其分類
它是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位（或機(jī)械擋塊定位）系統(tǒng)組成。
1.4 機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)
(1)工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬(wàn)美元降至97年的6.5萬(wàn)美元。
(2)機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。
(3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
(4)機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。
(5)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。
(6)當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。
(7)機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。從94年美國(guó)開(kāi)發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如:可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品:機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)己安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程.我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000m水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開(kāi)發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種:在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開(kāi)發(fā)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開(kāi)發(fā)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。
1.5機(jī)械手的自由度和座標(biāo)型式
1.5.1 機(jī)械手的自由度
自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的主要參數(shù)之一，每一個(gè)構(gòu)件（即運(yùn)動(dòng)件）相對(duì)固定坐標(biāo)系所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目稱為自由度。每一個(gè)構(gòu)件相對(duì)固定坐標(biāo)系最多可有六個(gè)自由度即沿X、Y、Z三個(gè)方向獨(dú)立的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和繞X、Y、Z軸的三個(gè)獨(dú)立的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)構(gòu)件組成相對(duì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)接稱為運(yùn)動(dòng)副，對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)加以限制的條件即為約束條件。因?yàn)?，組成運(yùn)動(dòng)副的各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)是受到約束的，不能任意運(yùn)動(dòng)，必須按照人們預(yù)定的規(guī)律而運(yùn)動(dòng)。分析機(jī)械手的手臂、手腕、手指等部件的本身和它們之間的關(guān)系，不外乎是由一組相互聯(lián)系著的構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副所組成，這些運(yùn)動(dòng)副又可以分為只有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)副和移動(dòng)副或有三個(gè)自由度的球面副。
所謂工業(yè)機(jī)械手的自由度就是整機(jī)、手臂和手腕相對(duì)于固定坐標(biāo)所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。有幾個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)就有幾個(gè)自由度。手指的抓取動(dòng)作或吸盤的吸放動(dòng)作一般不記在自由度數(shù)目?jī)?nèi)。
工業(yè)機(jī)械手自由度數(shù)的多少，決定著工業(yè)機(jī)械手動(dòng)作多樣化的程度。一般為了確定被抓取對(duì)象在空間的位置和方位（即姿勢(shì)），需要有六個(gè)自由度。但實(shí)際上由于有些工件或工具具有對(duì)稱性或放置狀態(tài)一定，往往并不需要工業(yè)機(jī)械手都具有六個(gè)自由度。
工業(yè)機(jī)械手的自由度數(shù)越多。它的動(dòng)作越靈活，應(yīng)用越廣，但同時(shí)也使控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，定位精度難以保證，整機(jī)的造價(jià)高，自重大。所以，在設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)械手時(shí)，應(yīng)按照生產(chǎn)實(shí)際需要選用最少的自由度數(shù)。目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)械手的自由度數(shù)目多數(shù)為2—5個(gè)。
1.5.2 座標(biāo)型式
按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可以分為下列幾種：
（1）直角坐標(biāo)式 其手臂的運(yùn)動(dòng)系由三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)所組成，即沿直角座標(biāo)系的X軸的伸縮、沿Z軸的升降、沿Y軸的橫移這三種運(yùn)動(dòng)。這種座標(biāo)型式的機(jī)械手稱為直角座標(biāo)式機(jī)械手。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位精度高，適用于主機(jī)位置成行排列的場(chǎng)合。但是由于占地面積大而工作范圍小以及靈活性差，限制了它的使用范圍。
（2）圓柱座標(biāo)式 其手臂的運(yùn)動(dòng)系由兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所組成，即沿直角座標(biāo)系的X軸的伸縮、沿Z軸的升降和繞Z軸的回轉(zhuǎn)。這種座標(biāo)型式的機(jī)械手稱為圓柱座標(biāo)式機(jī)械手。它與直角坐標(biāo)式相比較，占地面積小而活動(dòng)范圍小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并能達(dá)到較高的定位精度，因此應(yīng)用較為廣泛，但是由于機(jī)械手結(jié)構(gòu)的關(guān)系，沿Z軸方向移動(dòng)的最低位置受到限制，故不能抓取地面上擺放的物體。
（3）球座標(biāo)式 其手臂的運(yùn)動(dòng)系由一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)回轉(zhuǎn)所組成，即沿X軸的伸縮、繞Y軸的俯仰和繞Z軸的回轉(zhuǎn)。這種座標(biāo)型式的機(jī)械手稱為）球座標(biāo)式機(jī)械手。
這種機(jī)械手手臂的俯仰運(yùn)動(dòng)能抓取地面上的物件，為了使手部能適應(yīng)被抓取物件方位的要求，常常設(shè)有手腕上下擺動(dòng)，使其手部保持水平位置或其它狀態(tài)。這種型式的機(jī)械手手臂具有動(dòng)作靈活，占地面積小而工作范圍大等特點(diǎn)，它使用于沿軸伸縮方向外作業(yè)的傳動(dòng)形式。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，此外，手臂擺角的誤差通過(guò)手臂會(huì)引起手部中心處的誤差放大。
（4）關(guān)節(jié)式 其機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)類似人的手臂可作幾個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，它由大小兩臂和立柱等組成，大小兩臂之間的聯(lián)動(dòng)為肘關(guān)節(jié)，大臂與立柱之間的聯(lián)接為肩關(guān)節(jié)，各關(guān)節(jié)均由鉸鏈構(gòu)成以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，手臂的運(yùn)動(dòng)系由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所組成，即大臂的俯仰、小臂俯仰和大臂的回轉(zhuǎn)。這種座標(biāo)型式的機(jī)械手稱為關(guān)節(jié)式機(jī)械手。它的特點(diǎn)是工作范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)，能抓取靠近機(jī)座的物件，并能繞過(guò)機(jī)體和工作主機(jī)之間的障礙物去抓取物件，此為其它型式的機(jī)械手不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。但是關(guān)節(jié)式機(jī)械手的手指定位是由各個(gè)關(guān)節(jié)相互轉(zhuǎn)角來(lái)決定的，所以定位精度較差，另外，控制裝置和機(jī)械機(jī)構(gòu)比其它型式的機(jī)械手均復(fù)雜。
機(jī)械手座標(biāo)型式的正確選擇，要通過(guò)座標(biāo)型式方案的比較來(lái)確定。在擬定座標(biāo)型式方案時(shí)，又須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體生產(chǎn)情況和工藝、精度、安裝空間的要求，結(jié)合各種座標(biāo)型式的特點(diǎn)來(lái)分析比較，確定比較合理的座標(biāo)型。
1.6機(jī)械手的展望
目前工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用逐步擴(kuò)大，技術(shù)性能在不斷提高。由于發(fā)展時(shí)間較短，人們對(duì)它有一個(gè)逐步認(rèn)識(shí)的過(guò)程，機(jī)械手在技術(shù)上還有一個(gè)逐步完善的過(guò)程，其目前的展望為：
（1）擴(kuò)大機(jī)械手在熱加工行業(yè)上應(yīng)用
目前國(guó)內(nèi)機(jī)械手應(yīng)用在機(jī)械工業(yè)冷加工作業(yè)中的較多，例如車，銑，刨，磨，鏜，鉆，而在鑄、鍛、焊、熱處理等熱加工以及裝配作業(yè)等方面的應(yīng)用較少。由于熱加工作業(yè)的物件重、形狀復(fù)雜、環(huán)境溫度高等，給機(jī)械手的設(shè)計(jì)、制造帶來(lái)了不少的困難，這就需要解決技術(shù)上的難點(diǎn)，使機(jī)械手更好地為熱加工作業(yè)服務(wù)。同時(shí)，在其它行業(yè)和工業(yè)部門，也將隨著工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，而逐步擴(kuò)大機(jī)械手的使用。
（2）提高工業(yè)機(jī)械手的工作性能
機(jī)械手工作性能的優(yōu)劣，決定著它能否正常地應(yīng)用于生產(chǎn)中。機(jī)械手工作性能中的重復(fù)定位精度和工作速度兩個(gè)指標(biāo)，是決定機(jī)械手能否保質(zhì)保量地完成操作任務(wù)的關(guān)鍵因素。因此要解決好機(jī)械手的逐個(gè)平穩(wěn)性和快速性的要求，除了從解決緩沖定位措施入手外，還應(yīng)發(fā)展?jié)M足機(jī)械手性能要求價(jià)廉的電液伺服閥，將伺服控制系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)械手上。
（3）發(fā)展組合式機(jī)械手
從機(jī)械手本身的特點(diǎn)來(lái)說(shuō)?？勺兂绦虻臋C(jī)械手更適應(yīng)產(chǎn)品改型、設(shè)備更新、多品種小批量的要求，但是它的成本高，專用機(jī)械手價(jià)廉，但適用范圍又受到限制。因此，對(duì)一些特殊用途的場(chǎng)合，就需要專門設(shè)計(jì)、專門加工，這樣就提高了產(chǎn)品成本。為了適應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域分門別類的要求，可將機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成可以組合的型式。組合式機(jī)械手是將一些通用部件（如手臂伸縮部件、升降部件、回轉(zhuǎn)部件和腕部回轉(zhuǎn)、俯仰部件等）根據(jù)作業(yè)的要求，選擇必要的能完成預(yù)定機(jī)能的單元部件，以機(jī)座為基礎(chǔ)進(jìn)行組合，配上與其相適應(yīng)的控制部分，即成為能完成特殊要求的機(jī)械手。它可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，兼顧了使用上的專用性和設(shè)計(jì)上的通用性，便于標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計(jì)和組合專業(yè)化生產(chǎn)，有利于提高機(jī)械手的質(zhì)量和降低造價(jià)，是一種有發(fā)展前途的機(jī)械手。
（4）研制具有“視覺(jué)”和“觸覺(jué)”的所謂“智能機(jī)器人”
對(duì)于需用人工進(jìn)行靈巧操作及需要進(jìn)行判斷的工作場(chǎng)合，工業(yè)機(jī)械手很難替代人的勞動(dòng)。如在工作過(guò)程中出現(xiàn)事故、障礙和情況變化等，機(jī)械手不能自動(dòng)分辨糾正，而只能停機(jī)，待人們排除意外事故后才能繼續(xù)工作。因此，人們對(duì)機(jī)械手提出了更高的要求，希望使其具有“視覺(jué)”、“觸覺(jué)”等功能，使之對(duì)物體進(jìn)行判斷、選擇，能連續(xù)調(diào)節(jié)以適應(yīng)變化的條件，并能進(jìn)行“手—眼”協(xié)調(diào)動(dòng)作。這就需要一個(gè)能處理大量信息的計(jì)算機(jī)，要求人與機(jī)器“對(duì)話”進(jìn)行信息交流。
這種帶“視覺(jué)”、“觸覺(jué)”反饋的，由計(jì)算機(jī)控制的，具有人的部分“智能”的機(jī)械裝置稱為“智能機(jī)器人”。所謂“智能”是包括：識(shí)別、學(xué)習(xí)、記憶、分析判斷的功能。而識(shí)別功能是通過(guò)“視覺(jué)”、“觸覺(jué)”和“聽(tīng)覺(jué)”等感覺(jué)“器官”認(rèn)識(shí)對(duì)象的。
具有感覺(jué)功能的機(jī)器人，其工作性能是比較完善的，能準(zhǔn)確的夾持任意方位的物件，判斷物件重量，越過(guò)障礙物進(jìn)行工作，自動(dòng)檢測(cè)夾緊力的大小，并且能自動(dòng)調(diào)節(jié)，適用于從事復(fù)雜、精密的操作，如裝配作業(yè)（國(guó)外研制的裝配機(jī)器人，能將活塞裝入間隙僅有20微米的汽缸內(nèi)），它有著一定的發(fā)展前途。
智能機(jī)器人是一種新興的技術(shù)，對(duì)它的研究將涉及到電子技術(shù)、控制論、通訊技術(shù)、電視技術(shù)、空間機(jī)構(gòu)和仿生機(jī)械學(xué)等學(xué)科。它是當(dāng)代自動(dòng)控制技術(shù)的一個(gè)新興領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能機(jī)器人將會(huì)代替人做更多的工作。
1.7 本章小結(jié)
本章簡(jiǎn)要的介紹了機(jī)械手的基本概念。在機(jī)械手的組成上，從系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及控制部分三個(gè)方面說(shuō)明。比較細(xì)致的介紹了機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)，簡(jiǎn)要的敘述了本文研究的內(nèi)容。
第2章 焊接機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)
2.1方案設(shè)計(jì)
本章主要討論焊接機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)。焊接機(jī)械手是一種非常典型的機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須將驅(qū)動(dòng)、控制等方面的問(wèn)題考慮進(jìn)去，這不同于普通的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)。相比于普通機(jī)械產(chǎn)品，焊接機(jī)械手的機(jī)械設(shè)計(jì)更看重于結(jié)構(gòu)的緊湊性和靈巧性方面。本章主體任務(wù)是完成焊接機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)。在本章中確定了焊接機(jī)械手的自由度、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。其中，焊接機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)。
2.1.1方案要求
該焊接機(jī)械手用于船艙、船體的焊縫焊接，采用弧焊的焊接方式。焊接機(jī)械手固定在船體底板上，實(shí)現(xiàn)由上而下、由左及右和兩者自由組合的焊接動(dòng)作。要求工作范圍大，焊槍可以靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，焊縫路徑多樣，結(jié)構(gòu)緊湊，適用于中小船舶船體的焊接。
(1)基本工作要求：
能夠在較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行焊接操作后機(jī)械手本身不發(fā)生顯著形變。
(2) 運(yùn)動(dòng)要求:
焊接機(jī)械手可以由左及右、由上而下并且兩種方向自由組合進(jìn)行焊接，產(chǎn)生的焊縫路徑多樣。
(3) 剛性要求：
手臂的剛性對(duì)手臂焊接工件時(shí)動(dòng)作的平穩(wěn)性會(huì)產(chǎn)生直接影響，也會(huì)影響到運(yùn)動(dòng)的速度和定位的精度。如果剛性差則會(huì)引起手臂的形變，手臂產(chǎn)生振動(dòng)，使焊接路徑比預(yù)期路徑發(fā)生不可避免的偏差，為此必須保證手臂具有足夠的剛度。
2.1.2設(shè)計(jì)方案的確定
（1）自由度：
本次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)械手具有4個(gè)自由度；
（2）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇：
焊接機(jī)械手的腰部做水平回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，大臂做豎直方向的上下運(yùn)動(dòng)，小臂和焊槍夾具做繞傳動(dòng)軸的俯仰運(yùn)動(dòng)，這四個(gè)運(yùn)動(dòng)都需要驅(qū)動(dòng)裝置。機(jī)械手常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方式有氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)四種方式，與另外三種驅(qū)動(dòng)方式相比，電機(jī)驅(qū)動(dòng)有著顯著的優(yōu)點(diǎn):
1)具有較高的控制精度，較大的功率，定位精確，反應(yīng)靈敏，結(jié)構(gòu)性能好，具有較好的伺服特性。
2)伺服電機(jī)易于標(biāo)準(zhǔn)化，噪聲較低。
3)適用于中小負(fù)載、要求具有較高的軌跡精度和位置精度、速度較高的機(jī)械手。
各類電機(jī)選擇依據(jù)：
表2-1 電機(jī)對(duì)比
種類
主要特點(diǎn)
應(yīng)用實(shí)例
歩進(jìn)電機(jī)
1.轉(zhuǎn)角與控制脈沖數(shù)成比例，可構(gòu)成直接數(shù)字
控制
2.有定位轉(zhuǎn)矩（自鎖力）
3.可構(gòu)成廉價(jià)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)
計(jì)算機(jī)外圍設(shè)
備、辦公機(jī)械、
以及對(duì)速度、精
度要求不高的
中、小功率自動(dòng)
控制裝置等
直流伺服電機(jī)
1.高響應(yīng)特性
2.高功率密度（體積小、重量輕）
3.可實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)字控制
4.有直接換向部件，需維護(hù)
NC 機(jī)械、機(jī)器
人、計(jì)算機(jī)外圍
設(shè)備、辦公機(jī)械、
音響及音像
設(shè)備、計(jì)測(cè)機(jī)
械、醫(yī)療機(jī)械
交流伺服電機(jī)
1.對(duì)定子電流的激勵(lì)分量和轉(zhuǎn)矩分量分別控制，調(diào)速系統(tǒng)復(fù)雜
2.具有直流伺服電動(dòng)機(jī)的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，且無(wú)換向
部件
3.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、容易維護(hù)，但控制裝置成本高
功率放大的NC
機(jī)械
焊接機(jī)械手對(duì)于驅(qū)動(dòng)裝置的要求：
1）輸出功率高，效率高。
2）反應(yīng)靈敏，位置精度高。
3）性價(jià)比高，操作簡(jiǎn)單，維修方便，噪聲較小。
綜合分析焊接機(jī)器人對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的要求和各類電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇交流伺服電機(jī)
較為合適。
（3）傳動(dòng)形式的確定：
工業(yè)機(jī)器人對(duì)傳動(dòng)形式的要求：
1）結(jié)構(gòu)緊湊；
2）傳動(dòng)剛度大；
3）回差要小，較高的位置精度；
4）壽命長(zhǎng)、價(jià)格低。
工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)分類：
表2-2 傳動(dòng)形式對(duì)比
傳動(dòng)形式
特征
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
直接連接傳動(dòng)
直接裝在關(guān)節(jié)上
結(jié)構(gòu)緊湊
考慮電機(jī)自重，轉(zhuǎn)
動(dòng)慣量大，能耗大
遠(yuǎn)距離連接傳動(dòng)
經(jīng)遠(yuǎn)距離傳動(dòng)裝
置與關(guān)節(jié)相連
不考慮電機(jī)自重，
平衡性良好
會(huì)產(chǎn)生額外的間隙和柔性，結(jié)構(gòu)龐大能耗大
間接傳動(dòng)
經(jīng)速比遠(yuǎn)大于1 的
傳動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)
相連
經(jīng)濟(jì)，對(duì)載荷變化
不敏感，便于制動(dòng)
詩(shī)集和方便運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換
傳動(dòng)精度低，結(jié)構(gòu)
不緊湊，引入誤
差，降低可靠性
直接驅(qū)動(dòng)
不經(jīng)過(guò)中間環(huán)節(jié)
或經(jīng)速比為1 的傳
動(dòng)裝置與關(guān)節(jié)相
連
傳動(dòng)精度高，振動(dòng)
小，傳動(dòng)損耗小，
可靠性高，響應(yīng)快
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)困
難，對(duì)傳感元件要
求高，成本高
綜合考慮以上傳動(dòng)形式的優(yōu)缺點(diǎn)和焊接機(jī)械手的實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)械手，我將采取絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)、齒輪帶傳動(dòng)和行星輪傳動(dòng)三種傳動(dòng)方式。
2.2傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
下面給出各個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析
2.2.1腰部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
采用一大一小兩個(gè)齒輪進(jìn)行嚙合傳動(dòng)，其中大齒輪保持完全固定，小齒輪套在小齒輪軸上，而小齒輪軸通過(guò)聯(lián)軸器與電機(jī)軸相連，這樣，電機(jī)軸就會(huì)帶動(dòng)小齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪隨之繞大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，類似行星輪的作用。完成整個(gè)腰部的回轉(zhuǎn)作用。
圖2-1機(jī)械手腰部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖
2.2.2大臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
我選擇絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)方式，保證大臂可以順利得在豎直方向上運(yùn)動(dòng)。其中，大臂通過(guò)一個(gè)連接件與絲杠螺母固定，電機(jī)軸與絲杠上端軸用聯(lián)軸器連接，這樣，當(dāng)電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，絲杠會(huì)跟著旋轉(zhuǎn)，然后帶動(dòng)絲杠螺母上下運(yùn)動(dòng)，大臂也隨之在豎直方向上下運(yùn)動(dòng)，完成大臂的傳動(dòng)。
圖2-2機(jī)械手大臂傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖
2.2.3小臂及焊槍夾具傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
這兩個(gè)傳動(dòng)，我選擇齒輪帶傳動(dòng)。小齒輪通過(guò)鍵與電機(jī)軸相連，然后通過(guò)齒輪帶和大齒輪相連，這樣，電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)小齒輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)大齒輪旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)小臂及焊槍夾具的俯仰運(yùn)動(dòng)。
圖2-3小臂及焊槍夾具傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖
2.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析
下面給出各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析：
2.3.1 腰部
腰部支撐了機(jī)械手絕大部分的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，因而剛度和穩(wěn)定性要求較高。
此外，腰部有一對(duì)保證大臂豎直運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌。設(shè)計(jì)之前，先學(xué)習(xí)參考了機(jī)床導(dǎo)軌的相關(guān)知識(shí):
（1）按照運(yùn)動(dòng)形式劃分：
—圓周運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，如滾齒機(jī)的工作臺(tái)和立式車床導(dǎo)軌等；
—直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，如龍門刨床床身和車床導(dǎo)軌等。
（2）按照運(yùn)動(dòng)面間的摩擦性質(zhì)劃分：
—滑動(dòng)導(dǎo)軌；
—滾動(dòng)導(dǎo)軌。
（3）按照導(dǎo)軌的截面形狀劃分：
—三角形導(dǎo)軌，導(dǎo)向性好；
—燕尾形導(dǎo)軌，結(jié)構(gòu)緊湊；
—矩形導(dǎo)軌，剛度高；
—圓形導(dǎo)軌制造方便，但磨損后不易修復(fù)。
綜合分析以上三種劃分方法和不同類型的導(dǎo)軌，結(jié)合本次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)械手的實(shí)際情況，我決定選用矩形線運(yùn)動(dòng)滑動(dòng)導(dǎo)軌，剛度高，承載能力強(qiáng)，不易磨損，保證實(shí)現(xiàn)大臂的豎直上下運(yùn)動(dòng)。
圖2-4 腰部
2.3.2 大臂
大臂相當(dāng)于一個(gè)在腰部導(dǎo)軌上滑動(dòng)的滑塊，其矩形孔與腰部導(dǎo)軌配合，且通過(guò)連接件與絲杠螺母固定完成大臂的豎直上下運(yùn)動(dòng)。大臂側(cè)面安放電機(jī)和機(jī)架，構(gòu)成一個(gè)齒輪帶傳動(dòng)。
圖2-5 大臂
2.3.3 小臂
小臂通過(guò)鍵連接與一階梯軸固定，并通過(guò)固連在大臂上的齒輪輪帶傳動(dòng)做俯仰運(yùn)動(dòng)。小臂設(shè)計(jì)出一個(gè)凹槽，放置一個(gè)交流伺服電機(jī)，避免承受過(guò)大的彎曲載荷。
圖2-6 小臂
這三個(gè)為焊接機(jī)械手中典型的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，介紹如上。
2.4 整體設(shè)計(jì)方案示意圖
如下圖，是本課題設(shè)計(jì)的四自由度焊接機(jī)械手總裝圖。
圖2-7焊接機(jī)械手總裝配圖
2.5 本章小結(jié)
本章完成的主要任務(wù)有以下幾點(diǎn)：
（1） 確定了4自由度焊接機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)方案；
（2） 運(yùn)動(dòng)方式選擇為由上而下、由左及右且兩者隨意組合的方式；
（3） 驅(qū)動(dòng)方式采用四個(gè)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)；
（4） 采用齒輪帶傳動(dòng)、中心輪回轉(zhuǎn)、絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)三種傳動(dòng)方式。
第3章 機(jī)械手的建模
3.1三維建模軟件Solidworks的介紹
Solidworks公司是專業(yè)從事三維機(jī)械設(shè)計(jì)、工程分析和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理軟件開(kāi)發(fā)和營(yíng)銷的跨國(guó)公司，其軟件產(chǎn)品Solidworks提供一系列的三維（3D）設(shè)計(jì)產(chǎn)品，幫助設(shè)計(jì)師減少設(shè)計(jì)時(shí)間，增加精確性，提高設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性，并將產(chǎn)品更快推向市場(chǎng)。
Solidworks軟件組成：
（1）2D到3D轉(zhuǎn)換工具：
將2D工程圖拖到SolidWorks工程圖中的功能；支持包括外部參考的可重復(fù)使 用2D幾何；視圖折疊工具，可以從DWG資料產(chǎn)生3D模型。
（2）內(nèi)置零件分析：
測(cè)試零件設(shè)計(jì)，分析設(shè)計(jì)的完整性。
（3）機(jī)器設(shè)計(jì)工具：
具有整套熔接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和文件工具，以及完全關(guān)聯(lián)的鈑金功能。
（4）模具設(shè)計(jì)工具：
測(cè)試塑料射出制模零件的可制造性。
（5）消費(fèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)工具：
保持設(shè)計(jì)中曲率的連續(xù)性，以及產(chǎn)品薄壁的內(nèi)凹零件，可加速消費(fèi)性產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。
（6）對(duì)現(xiàn)成零組件的線上存取：
讓3D CAD系統(tǒng)使用者透過(guò)市場(chǎng)上領(lǐng)先的線上目錄使用現(xiàn)在的零組件。
（7）模型組態(tài)管理：
在一個(gè)文件中產(chǎn)生零件或零組件模型的多個(gè)設(shè)計(jì)變化，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的重復(fù)使用。
（8）零件模型建構(gòu)
利用伸長(zhǎng)、旋轉(zhuǎn)、薄件特征、進(jìn)階薄殼、特征復(fù)制排列和鉆孔來(lái)產(chǎn)生設(shè)計(jì)。
（9）曲面設(shè)計(jì)
使用有導(dǎo)引曲線的疊層拉伸和掃出產(chǎn)生復(fù)雜曲面、填空鉆孔，拖曳控制點(diǎn)以進(jìn)行簡(jiǎn)單的相切控制。直觀地修剪、延伸、圖化、縫織曲面、縮放和復(fù)制排列曲面。
3.2 Solidworks建模
（1）創(chuàng)建零件圖
打開(kāi)Solidworks→新建，類型選擇“零件”，零件名自己命名，然后設(shè)置工作目錄文件夾“四自由度焊接機(jī)械手”，然后點(diǎn)擊草繪工具命令，彈出選擇草繪平面對(duì)話框，點(diǎn)擊FRONT平面作為草繪平面，使用默認(rèn)草繪方向。點(diǎn)擊草繪對(duì)話框，進(jìn)入草繪工作狀態(tài)后，開(kāi)始零件建模。下面展示幾個(gè)典型零件的三維圖：
圖3-1 小齒輪軸