弧焊機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計含6張CAD圖.zip,機械手,結(jié)構(gòu)設(shè)計,CAD 弧焊機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計 [摘要]在現(xiàn)今制造行業(yè)大規(guī)?；默F(xiàn)象中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，工業(yè)機器人作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。一個國家工業(yè)自動化的水平如何在一定程度上體現(xiàn)在工業(yè)機器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度上，目前，工業(yè)機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等具有極大勞動強度的、重復(fù)性的工作。 本次設(shè)計介紹機械手定義、分類及組成，對弧焊機械手的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，確定了底座、臂、手腕采用方案，并對其進行就簡要的計算，對末端執(zhí)行器做出了選擇，最后畫出了機械手的裝配圖。 [關(guān)鍵詞]弧焊；結(jié)構(gòu)設(shè)計；機械手；  Structural Design of Arc Welding manipulator [Abstract] in the phenomenon of large-scale manufacturing industry, in order to improve production efficiency and ensure product quality, enterprises generally attach importance to the degree of automation of production process, industrial robot as an important member of automatic production line. Gradually recognized and adopted by enterprises. To a certain extent, the level of industrial automation in a country is reflected in the technical level and application degree of industrial robots. At present, industrial robots are mainly responsible for welding, spraying, handling and stacking, and so on, which have great labor intensity. Repetitive work. This design introduces the definition, classification and composition of the manipulator, designs the structure of the arc welding manipulator, determines the scheme of the base, arm and wrist, and makes a brief calculation on it, and makes a choice of the end actuator. Finally, the assembly diagram of the manipulator is drawn. [Keywords] arc welding; structure design; manipulator;  目錄 前言 1 1緒論 2 1.1題目來源 2 1.2機械手的定義與分類 2 1.3機械手的發(fā)展趨勢?? 3 1.4機械手的組成 3 2弧焊機械手的總體設(shè)計 5 2.1機械手總體結(jié)構(gòu)的類型 5 2.2設(shè)計參數(shù)的確定 6 3弧焊機械手底座的設(shè)計 6 3.1機械手底座結(jié)構(gòu)的設(shè)計 7 3.2機械手底座的具體采用方案 7 3.3底座的電動機選擇 8 3.4底座減速器的選擇 9 3.5鍵的選擇 10 4弧焊機械手大、小臂的設(shè)計 11 4.1設(shè)計具體采用方案 12 4.2大臂的電動機選擇 12 4.3大臂減速器的相關(guān)計算 13 4.4小臂電動機的選擇 14 4.5小臂減速器的相關(guān)計算 15 5弧焊機械手手腕的設(shè)計 17 5.1腕部電動機的選擇 17 5.2腕部減速器的相關(guān)計算 18 6弧焊機械手末端執(zhí)行器的設(shè)計 18 6.1機械手末端執(zhí)行器的設(shè)計要求 18 結(jié)論 22 參考文獻 23 致謝 24 III 弧焊機械手出的結(jié)構(gòu)設(shè)計 前 言 在生產(chǎn)加工時，使用機械來代替人的手動加工方式，這種機械加工裝置，被稱為機械手技術(shù)。機械手是利用仿生學原理進而所研究出來的，是為了來代替高強度的人工加工。根據(jù)事先編輯，調(diào)試好的程序，來控制機械手的運動，旋轉(zhuǎn)，松夾等加工方式，通過給定的加工要求進而進行工件的加工。目前機械手被常用到各行各業(yè)的生產(chǎn)加工中，高效率，全自動化的機械手已經(jīng)慢慢被人們所使用，即節(jié)省人工，又能使生產(chǎn)效率得到提高。因為是被用于工業(yè)生產(chǎn)中，因此所使用的機械手也被稱之為工業(yè)機械手。 在現(xiàn)代工業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，工業(yè)機械手已經(jīng)運用的越來越廣泛了，它是現(xiàn)代工業(yè)中產(chǎn)生的全自動化控制的一種新型科技，這一技術(shù)的產(chǎn)生，使得現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展得到空前的提高，工業(yè)機械手現(xiàn)在已經(jīng)變成了工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)的一個非常重要的基礎(chǔ)，隨著其在工業(yè)生產(chǎn)中普及越來越多，工業(yè)機械手的技術(shù)升級，也快速的發(fā)展至頂峰。目前機械手制造，已經(jīng)在現(xiàn)代高等教育中，成為了一個專門的學科，工業(yè)機械手涉及到，材料學，機械原理學，自動控制加工技術(shù)，電器液壓技術(shù)等多門學科技術(shù)。 工業(yè)機械手是近代工業(yè)中，迅速發(fā)展起來的高新技術(shù)產(chǎn)品，其特點在于它的全自動性，高效率等特點。其最大的優(yōu)點在于工業(yè)機械手的適應(yīng)性，通過編寫的程序的改動，可以使工業(yè)機械手運用于多個不同工藝的加工，當所需要的產(chǎn)品更新時，機械手的加工程序也可以改變，來進行新產(chǎn)品的加工，可見工業(yè)機械手的適用面極為廣泛。機械手通過給定的程序，還可以在人工無法進行操作的環(huán)境中，進行預(yù)期的加工作業(yè)，因其程序加工的精確性和穩(wěn)定性，使得加工的產(chǎn)品，比人工加工的產(chǎn)品質(zhì)量更高。使用工業(yè)機械手能夠降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，因此，很多的企業(yè)在批量生產(chǎn)中，常使用工業(yè)機械手。 機械手是一種能夠進行自動化控制，并可重新新編程加工其它工藝的產(chǎn)品的機械,其有多個自由度,可以在不同的環(huán)境中完成相應(yīng)的任務(wù)。 1 1緒論 1.1題目來源 題目來源于生產(chǎn)實踐 1.2機械手的定義與分類 機器人可以模擬一些人的手和臂的動作。它是一種自動化機器,根據(jù)特定的程序進行,并抓住對象或工具。它可以代替人去做一些人力資源無法企及的困難工作,完成生產(chǎn)的自動化和機械化,并可以在惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中進行操作,用來保證人的健康和生命安全。因此,它常常被使用在電氣機械和器材制造業(yè)、金屬礦采選業(yè)、船舶、航空航天、原子能和其它運輸業(yè)等行業(yè)上。 機器人的快速發(fā)展得益于它的正逐漸為人聞名的積極影響。首先，它可以代替手工操作的一部分;其次，它可以完成運輸和裝載并根據(jù)一定的過程，時間和地點的來完成零件卸載。第三，它可以控制焊接和組裝的特定機器和工具。因此，機械工業(yè)手的使用，能夠在很大的程度是改善工人的生產(chǎn)條件，使產(chǎn)品的生產(chǎn)能力提高，降低生產(chǎn)成本，能夠使利益最大化。正因為工業(yè)機械手的多種優(yōu)點，世界各國等工業(yè)強國，都開始了對機械手的研發(fā)，攻克了在各種極端條件下能夠使用的機械手，這使得機械手的應(yīng)用范圍更加的廣泛。 在一般的情況下，機器人的類型可以劃分為三種。通用機械手，作為第一種類型機器人,它是不需要進行人工操作的，也是不屬于主機的一個獨立的設(shè)備。根據(jù)任務(wù)的要求,它可以編譯的程序來完成各種特定任務(wù)。它不僅具有普通機械的物理特性,而且具有普通機械的特性和記憶智能。第二種類型的機器人則需要進行人工控制,被稱之為操作員。它最先是從原子和軍事工業(yè)等方面開始的。最初，它是通過執(zhí)行定下來的操作來控制機器運動的。后來，一種無線電信號操縱器被開發(fā)出來用來探測月球和火星。第三種類型機器人主要用于自動機床或自動線，專用來解決機器裝卸和工件傳遞的問題，是專用機器人。在國外，這種類型的機器人常被稱為"Mechanical Hand"。它是由主機驅(qū)動的，專為主機進行服務(wù)，少數(shù)個體除外。它的工作程序通常情況下是固定的，也因此，它屬于專業(yè)的。在這個項目中所設(shè)計的機器人模型可分為第一類,即一般的機械手。 3 1.3機械手的發(fā)展趨勢?? 自從1970年機械手被創(chuàng)造使用至今，通過半個世紀的創(chuàng)新和發(fā)展，目前已經(jīng)廣泛的使用到各行各業(yè)，早已成為了現(xiàn)代化機械生產(chǎn)行業(yè)·的重要組成部分。目前機械手的研發(fā)，已經(jīng)到達了頂峰，分為各類機械手，例如仿生手臂機器人，超小型機械手，等機械手、機器人和智能機械手（不僅可以執(zhí)行預(yù)設(shè)動作，還可以執(zhí)行相應(yīng)的動作，完成工作條件，如躲避障礙行動、工作順序的規(guī)劃、有效的動態(tài)學習等）。機械手的應(yīng)用領(lǐng)域正在向著非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)的方向進行擴展。蓬勃發(fā)展的軍事機械手也將在部隊中得到越來越多配備。 國外：近年來，以下的發(fā)展趨勢已經(jīng)逐步出現(xiàn)在國外的工業(yè)機器人領(lǐng)域。機器人的性能正在不斷提高，與此同時一臺機器的價格在不斷的下降。機械結(jié)構(gòu)當前正在向著模塊化和可重構(gòu)性的方向演變：控制系統(tǒng)在向基于PC的開放式移動控制器和傳感器中的作用正變得越來越發(fā)重要；現(xiàn)實虛擬技術(shù)在機器人中的作用已然從仿真和預(yù)覽過程控制演變。 在國內(nèi):目前,在弧焊機械手、點焊機械手、噴漆機械手、搬運機械手、裝配機械手、專用機械手(水下、攀爬、管道、遠程操控等機械手)等機器類型中,機械手操作機的設(shè)計制造技術(shù)已被我們基本掌握。同時還掌握了軟件設(shè)計和編譯等關(guān)鍵技術(shù),包括自動涂裝線、電弧焊自動線及其周邊配套設(shè)備的整套自動通信和協(xié)調(diào)控制技術(shù)；在基本組件方面,在諧波減速器、機械手焊接電源和自動焊縫跟蹤裝置上也有了一定的突破。從技術(shù)上來說,我國已經(jīng)有了可以自主開發(fā)出中國機械手技術(shù)的基本能力。 1.4機械手的組成 機械手一般是由執(zhí)行器、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)組成的。如圖 1 所示。 圖1 機器人的一般組成 感觀裝置、視覺裝置和話語識別裝置這些裝置對于現(xiàn)代的智能機器人而言,是它們組成中的重中之重，其在在智能系統(tǒng)中也是如此作用。當前的研究，主要集中在賦予機器人"眼睛"上,使它能識別物體和躲避障礙物,以及機器人的觸覺裝置。機器人的這些組成部分并不是簡單的拼湊在一起,從而構(gòu)成一個機器人的，因為它之間的每個部件都不是各自獨立存在的。要實現(xiàn)機器人所期望實現(xiàn)的功能,機器人的各部分之間必然還有著相互的關(guān)聯(lián)、相互的影響與制約。它們之間的相互關(guān)系如圖2所示。 圖2 機器人各組成部分之間的關(guān)系 機器人的機械系統(tǒng)主要由致動器和驅(qū)動器的驅(qū)動系統(tǒng)組成的。執(zhí)行機構(gòu)通常包含連桿和關(guān)節(jié)，它是機器人用來完成任務(wù)的實體依靠。它的供電是由驅(qū)動系統(tǒng)依據(jù)控制系統(tǒng)的要求來到,并且完成該任務(wù)。所述驅(qū)動傳輸系統(tǒng)主要包括一個驅(qū)動機構(gòu)和一個傳輸系統(tǒng)。由驅(qū)動機構(gòu)提供了機器人關(guān)節(jié)所需的功率,并且所述的驅(qū)動系統(tǒng)將驅(qū)動力轉(zhuǎn)換成可滿足所述機器人的各關(guān)節(jié)的扭矩和運動所需要的驅(qū)動力或轉(zhuǎn)矩。在一些文獻 29 上將機器人劃分為三個部分:機械系統(tǒng),驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。機械系統(tǒng)也被稱為機械手,其等同于本文的致動器部分。 2弧焊機械手的總體設(shè)計 2.1機械手總體結(jié)構(gòu)的類型 按坐標的形式來劃分可以將工業(yè)機器人分為以下四種類型：矩形坐標結(jié)構(gòu)類型、球面坐標結(jié)構(gòu)類型、圓柱坐標結(jié)構(gòu)類型和關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)類型。其結(jié)構(gòu)形式及相應(yīng)特點介紹如下： 1）直角坐標機器人結(jié)構(gòu) 直角坐標機器人，它是靠著三個相互垂直的軸的移動來完成其空間位置變換的。為了給它一定的運動空間，直角坐標機器人的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)要遠大于其它幾種類型機器人的結(jié)構(gòu)尺寸。因此直角坐標機器人通常被運用在裝配和搬運作業(yè)上。直角坐標機器人的工作空間表現(xiàn)為一個空間長方體的形狀。懸臂式、龍門式和天車式這三種結(jié)構(gòu)形式是直角坐標機器人最常見的結(jié)構(gòu)。 2）球坐標機器人結(jié)構(gòu) 球面坐標機械臂的空間運動，是由兩次旋轉(zhuǎn)和一次直線運動來實行的。該機器人的結(jié)構(gòu)比較簡單，占地面積相對來說較小，并且它的成本低，但其精度一般，承載能力不強。因此，目前很少得到應(yīng)用。它的工作空間是一個球形范圍。 3）圓柱坐標機器人結(jié)構(gòu) 圓柱坐標機器人，由一個旋轉(zhuǎn)運動和兩個直線運動構(gòu)成它的空間運動。這類機器人控制起來相對簡單，精度可以接受，但其結(jié)構(gòu)比較大，經(jīng)常用于搬運作業(yè)。 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經(jīng)由它的三個旋轉(zhuǎn)運動來完成。它的組成主要包括了底座、大小手臂和手腕。關(guān)節(jié)型機器人具有緊湊的結(jié)構(gòu)和它的運動是柔性的并且具有小的足跡。相比較而言，其工作空間比身體的尺寸大得多。因此，這種機器人被廣泛地用于工業(yè)，如焊接，裝配，處理，噴涂等，這種類型的機器人都被廣泛的使用。 2.2設(shè)計參數(shù)的確定 本題目設(shè)計參數(shù): 腰部回轉(zhuǎn)最大角度 270 度； 擺動最大角度 120 度； 工作范圍范圍 0-400mm； 本機械手的主要動作是： 首先，底座旋轉(zhuǎn)臂應(yīng)與焊點處于同一平面;然后大臂旋轉(zhuǎn)以調(diào)節(jié)焊炬與焊點之間的距離;然后小臂轉(zhuǎn)動，使焊炬接觸焊點;最后，腕部轉(zhuǎn)向使焊垂直于焊點以進行焊接。 在本次課題設(shè)計中,因為手腕的夾持重量為6KG,機械手的自由度數(shù)目為四個。即在運動中需要做出以下四種運動:底座回轉(zhuǎn);大臂回轉(zhuǎn);小臂回轉(zhuǎn);腕部回轉(zhuǎn)。并考慮到弧焊機器人的加工精度,該結(jié)構(gòu)應(yīng)簡化盡可能降低成本并提高可靠性。綜合考慮,因此選擇使用關(guān)節(jié)型機械臂。 具體到本設(shè)計，要求工作區(qū)間 0-400mm，擴大到 0-60mm，為擴大 1/3 倍。因為。所以當 一定時， 機械臂為最短。 。A≈424.3，又因為小臂比之大臂要靈活些，活動得更頻繁，所以初始取 a（大臂）=500mm；b（小臂）=400mm；c（腕部）=100mm。 整體如圖： 圖3 整體尺寸設(shè)計圖 3弧焊機械手底座的設(shè)計 3.1機械手底座結(jié)構(gòu)的設(shè)計 在機械手的整體設(shè)計完成后，就要對機械手的底座、大臂、小臂、腕關(guān)節(jié)等部位詳細的進行設(shè)計。 機械手底座結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求： 工業(yè)機器人的底座，其實就是圓柱型坐標機器人、球形坐標機器人和關(guān)節(jié)型機器人的旋轉(zhuǎn)底座。這一部位作為機器人的第一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。機器人的其它運動部件都安裝在底座部位上。機器人的全部重量由它承擔。因此，在機器人的結(jié)構(gòu)進行基本的設(shè)計時，以下幾種設(shè)計原則應(yīng)保持注意： a.底座應(yīng)具有足夠大的安裝底座表面，以確保運行期間的整體安裝穩(wěn)定性。 b機器人的機座應(yīng)能承受其全部的重量和負載，因此底座、腰軸和軸承的結(jié)構(gòu)要具備一定的強度和剛度，來對它的承載能力做出保證。 c.機器人的底座是機器人的第一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，會給機器人端的運動精度帶來最大的影響。必須特別注意設(shè)計時的腰部軸系和傳達鏈條的精度和剛性保證 d.底部發(fā)生的旋轉(zhuǎn)運動應(yīng)該由能夠和它相照應(yīng)的驅(qū)動裝置來驅(qū)動，這裝置包括驅(qū)動器(電動、液壓、氣動)和減速器。驅(qū)動器一般具備正常速度、位置傳感器和制動器。 e.腰部結(jié)構(gòu)應(yīng)易于安裝和調(diào)整。腰部和機械臂之間的連接必須具有可靠的定位數(shù)據(jù)，以保證各關(guān)節(jié)的相互定位精度。應(yīng)提供調(diào)節(jié)機構(gòu)，以調(diào)節(jié)腰軸承間隙和減速器的傳動間隙。 f.為減少機器人可動部分的慣性，提高機器人的控制精度，底部外殼通常用的是小比重的鋁合金類材料，而非運動部件的底座則采用鑄鐵或鑄鋼材料。 3.2機械手底座的具體采用方案 底座可以由電機通過減速機構(gòu)的驅(qū)動方式來實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，也可以由液壓缸或氣壓缸擺動形式來實現(xiàn)。目前的趨勢是使用前者。考慮到底座是機器人的第一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機器人的最終精度有很大影響，采用電機通過減速機構(gòu)的驅(qū)動實現(xiàn)底部的旋轉(zhuǎn)運動。 3.3底座的電動機選擇 設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為JG1、JG2、JG3，JG4。根據(jù)平行軸定理可得繞軸0的轉(zhuǎn)動慣量為： （3.1）（3.2） m3=0.5kg；；；m0=7kg； 設(shè)輸出軸速度為，所需時間； 機座 （3.3） 由于要考慮繞機器人臂每個部分的重心軸上的摩擦力矩和慣性矩，因此旋轉(zhuǎn)開始時的啟動力矩可假定為。 電機功率可按下式估算 （3.4） 其中：Pm為電動機功率W； MLP為負載力矩； 為負載轉(zhuǎn)速； 傳動裝置效率為，初定為； 系數(shù)為經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取2.5； （3.5） 博美德； 參數(shù)如下： 表1 電機參數(shù) 額定功率 額定轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)子慣量 400w 1.3N.m 3000rpm 0.89X10-4kg.m2 電機結(jié)構(gòu)外形如圖： 圖4 電機結(jié)構(gòu)外形圖 3.4底座減速器的選擇 因為總的最大轉(zhuǎn)度要求是。伺服電機可以在額定的轉(zhuǎn)速下調(diào)節(jié)所需轉(zhuǎn)速，正常運行。因此，傳動比在最高轉(zhuǎn)速下計算 （3.6） 選擇用與之配套的減速器 博美德PL80-100型，減速比。 減速器如圖所示： 圖5 減速器圖 參數(shù)如下： 額定輸出扭矩：52～110Nm 轉(zhuǎn)動慣量：0.39～0.77Kgcm2/ 故障停止扭矩：104～220Nm 滿載效率：90% 額定輸入速度： 工作溫度：-25°～+90° 最大輸入速度： 潤滑方式：合成脂潤滑（長效潤滑） 安裝方式：任意 防護等級：IP65 平均壽命：20000h 法蘭精度:DIN 42955-R 輸出軸鍵選用標準:圓頭普通平鍵（A型）。 3.5鍵的選擇 鍵的選擇已被標準化。設(shè)計首先取決于任務(wù)要求和鍵的類型來選擇軸直徑，然后檢查鍵強度的類型和尺寸。鍵的材料為拉伸強度的鋼，通常用符合標準的鋼。本設(shè)計中的鍵均為減速器中的自帶鍵，即普通圓頭型。 驗證電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 （3.7） 電機的轉(zhuǎn)子慣量為 所以選取的合適 （3.8） 在對轉(zhuǎn)動慣量進行確定之后，就要開始確定出軸的具體尺寸： 實心軸的材料由鋼制成的，并且查表明白該軸的容許扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力是，由可允許的應(yīng)力來確定的系數(shù)。 此軸傳遞扭矩T1=15N.m n1=30r/min P1=400w （3.9） 因此與電機相連接的軸的直徑必需大于 4弧焊機械手大、小臂的設(shè)計 機器人臂的功能是實現(xiàn)在機器人工作區(qū)中的相應(yīng)的運動要具有一定的負載和一定的速度。在設(shè)計機器人手臂，以下原則應(yīng)為： a.機器人手臂的各個關(guān)節(jié)軸應(yīng)要使其盡可能的彼此平行,軸應(yīng)盡可能垂直的相交在一點,這樣可以簡化機器人運動學的正向、反向操作,以便于機器人的控制。 b.機器人手臂的尺寸要做到盡可能的大,以此來滿足機器人工作空間方面的需要。工作空間的形狀、大小與機器人手臂的長度和手臂關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)類別之間有著密切的聯(lián)系。然而,機器人手腕的空間姿態(tài)要求并未被機器人手臂末端的工作空間考慮進去。若是對機器人腕部的空間姿態(tài)提出合理的要求,那么在不對腕部姿態(tài)產(chǎn)生考慮的情況下,機器人手臂末端可實現(xiàn)的范圍小于工作空間。 c.為了進一步提高速度和控制所述機器人的準確度，臂的結(jié)構(gòu)和材料重量應(yīng)該在臂具有足夠的強度和剛性的情況下能夠盡可能降低。盡量選用輕質(zhì)高強度材料，一般選用高強度鋁合金制造機械臂。目前，用復(fù)合材料制造機器人手臂方法正在國外被試用。例如碳纖維復(fù)合材料，因為其具有較高的拉伸強度、優(yōu)異的抗振性能和較小的比重（其比重相當于鋼的1/4或鋁合金的2/3）。但其價格昂貴，在性能穩(wěn)定性和加工復(fù)雜形狀工件的過程中仍然存在著一些問題。因此，在實際生產(chǎn)中并沒有獲得推廣應(yīng) 用。目前比較有效的方法是采用有限元法對機器人手臂結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。在所需的強度和剛度條件下，減小了機器人手臂的重量。 d.與關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸相比,機器人的手臂在應(yīng)重量上保持平衡,這對減少氣缸負載和提高機器人手臂運動的響應(yīng)速度有很大的積極作用。在設(shè)計機械臂時,應(yīng)盡量利用安裝在機械臂上的機電元件和裝置的重量,以減輕機械臂的不平衡重量,必要時應(yīng)設(shè)計平衡機構(gòu),調(diào)整機械臂的殘余不平衡重量來保持平衡。 e.機器人手臂處的結(jié)構(gòu)應(yīng)要考慮到機器人各個關(guān)節(jié)處的限位開關(guān),和能夠減緩一定沖擊力的機械限位塊,以及傳動機構(gòu)、驅(qū)動裝置等部件的裝配。 4.1設(shè)計具體采用方案 由于機械手的大臂和小臂進行旋轉(zhuǎn)運動是一致的?？紤]到機械手的動態(tài)性能及其運動的穩(wěn)定性和安全性，因此通過電機和諧波減速器的匹配來調(diào)整兩臂。 4.2大臂的電動機選擇 設(shè)兩手臂及其手腕繞各自的重心軸的轉(zhuǎn)動慣量分別為，根據(jù)平行軸定理可得出繞軸0的轉(zhuǎn)動慣量為： （4.1） （4.2） m3=0.5kg；； 設(shè)輸出軸速度為，所需時間； 大臂 （4.3） 因要考慮到繞機器人手臂的各個部位的重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則其開始旋轉(zhuǎn)時的啟動轉(zhuǎn)矩可以假定為。 電機功率可按下式估算 （4.4） 其中：Pm為電動機功率W； MLP為負載力矩； 為負載轉(zhuǎn)速； 傳動裝置效率為，初定為0.9； 系數(shù)為經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取2； （4.5） 博美德； 參數(shù)如下： 表2 電機參數(shù) 額定功率 額定轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)子慣量 400w 1.3N.m 3000rpm 0.89X10-4kg.m2 電機結(jié)構(gòu)外形如圖： 圖6 電機結(jié)構(gòu)外形圖 4.3大臂減速器的相關(guān)計算 因為它的最大轉(zhuǎn)度要求是。在額定轉(zhuǎn)速以下的伺服電機可以調(diào)整到所要轉(zhuǎn)速，并能正常運行。因此，以最高轉(zhuǎn)速計算傳動比。 （4.6） 選用與之匹配的減速器 博美德PL80-80型，減速比為。 電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 （4.7） 電機的轉(zhuǎn)子慣量為 所以選取合適 （4.8） 在對轉(zhuǎn)動慣量做出選擇之后，就要對軸的具體尺寸進行確定： 實心軸的材料通常選用鋼。查表可以發(fā)現(xiàn)，在軸的容許扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力被選擇為30MPa，和由可允許的應(yīng)力來確定的系數(shù)。 此軸傳遞扭矩T1=13N.m，n1=30r/min，P1=400w （4.9） 因此該處和電機相連接部位的軸的直徑必得大于。 4.4小臂電動機的選擇 （4.10） （4.11） m3=0.5kg；； 設(shè)輸出軸速度為，所需時間； 小臂 （4.12） 考慮到機器人手臂各部分重心軸周圍的摩擦力矩和慣性矩，可以假定啟動旋轉(zhuǎn)時的啟動力矩為。 電機功率可按下式估算 （4.13） 其中：Pm為電動機功率W； MLP為負載力矩； 為負載轉(zhuǎn)速； 傳動裝置的效率為，初定為0.9； 系數(shù)為經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取2.5； （4.14） 博美德； 參數(shù)如下： 表3 電機參數(shù) 額定功率 額定轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)子慣量 30w 0.0625N.m 4000rpm 0.024X10-4kg.m2 圖7 電機外形圖 4.5小臂減速器的相關(guān)計算 因為它的最大速度要求是。伺服電機可以將其調(diào)整到正常工作情況下的所需轉(zhuǎn)速。因此，按最高的轉(zhuǎn)速來計算傳動比。 （4.15） 減速器可選擇與之配套的 博美德 PL40-200 型，減速比。 減速器如圖所示： 圖8 減速器圖 參數(shù)如下： 額定輸出扭矩：7.2～15.5Nm 轉(zhuǎn)動慣量：0.016～0.029Kgcm2/ 故障停止扭矩：15～31Nm 滿載效率：90% 額定輸入速度：4500min-1/ 工作溫度：-25°～+90° 最大輸入速度：10000min-1/ 潤滑方式：合成脂潤滑（長效潤滑） 安裝方式：任意 防護等級：IP65 平均壽命：20000h 法蘭精度:DIN 42955-R 重量：0.6Kg 減速機符合 JB1799-76 標準 輸出軸鍵的標準:圓頭普通平鍵。 鍵的選擇已經(jīng)標準化，設(shè)計之時須要先依據(jù)工作要求與軸徑上的鍵的形狀以及尺寸來確定鍵，然后再對其進行強度校核，鍵的材質(zhì)按照標準化的規(guī)定選用抗拉強度的鋼，即，常用的鋼。 在本次設(shè)計中的鍵都是減速器上自帶的鍵，即普通圓頭A型。 驗證電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量： （4.16） 電機的轉(zhuǎn)子慣量為 所以選取合適 （4.17） 在選擇出了轉(zhuǎn)動慣量之后，就要對軸的詳細尺寸進行確定： 此軸傳遞扭矩T1=2N.m，n1=20r/min，P1=30w （4.18） 所以和電機處相連接的軸的直徑必須大于。 5弧焊機械手手腕的設(shè)計 5.1腕部電動機的選擇 （5.1） （5.2） m3=0.5kg 設(shè)輸出軸速度為，所需時間； 腕部 （5.3） 若顧及繞機械手臂的各個部位的重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則開始轉(zhuǎn)動時的啟動轉(zhuǎn)矩可假定為。 電機功率可按下式估算 （5.4） 其中：Pm為電動機功率W； MLP為負載力矩； 為負載轉(zhuǎn)速； 傳動裝置效率為，初定為； 系數(shù)為經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取2.5； （5.5） 博美德 PL40-200/SM42-001-40DCB；參數(shù)同上 5.2腕部減速器的相關(guān)計算 由于它的最高速度要求。伺服馬達可以調(diào)整所需的速度和在所述額定轉(zhuǎn)速下正常工作。因此，傳動比用最高速度計算。 （5.6） 選擇用與之相配的博美德 PL40-200 型減速器，減速比 200。 驗證電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 （5.7） 電機的轉(zhuǎn)子慣量為 所以選取合適 （5.8） 在定下了轉(zhuǎn)動慣量之后，就要針對軸的詳細尺寸來確定： 此軸傳遞扭矩T1=1N.m，n1=20r/min，P1=30w （5.9） 因此與電機相連接的軸的直徑大小必需大于 6弧焊機械手末端執(zhí)行器的設(shè)計 6.1機械手末端執(zhí)行器的設(shè)計要求 機器人是一種自動化作業(yè)裝備，它具有很強的通用性，機器人的手部是直接進行工作任務(wù)的一種裝置，被稱之為末端執(zhí)行器。大多數(shù)末端執(zhí)行器都是根據(jù)不同的任務(wù)要求來進行設(shè)計它的結(jié)構(gòu)和尺寸的，因而形成的結(jié)構(gòu)型式也是多種多樣的。根據(jù)它接觸物件的不同種形式來看，它的手部主要有兩種結(jié)構(gòu)類型：夾持型和吸附型。在這里我選用的手部類型為夾持型。該類型的手指是與物體直接接觸的部件，通常用于兩種手指運動，即回轉(zhuǎn)和平移兩種形式?；剞D(zhuǎn)型的手指的結(jié)構(gòu)形式相對來說較為簡單，部件的制造也相對容易，因此被應(yīng)用得很廣泛。相較之下，平移類型很少被使用，其原因便在于它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。然而，當平移式手指抓取圓形部件時，其軸心的位置不會因為工件直徑變化而產(chǎn)生影響，因此適用于抓取直徑變化范圍較大的工件。 設(shè)計時的要求: 1） 末端執(zhí)行器要具備一定的夾持位置精度和充足的夾持力，這樣才易于滿足作業(yè)的需求。 2） 為了減輕手臂的負荷，末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)要盡可能的簡單化，質(zhì)量要輕。專用的末端執(zhí)行器，它不僅僅結(jié)構(gòu)簡單，它的工作效率也比較高；而可以完成多種作業(yè)任務(wù)的末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)方面會很復(fù)雜，同時它的費用也會很高，所以建議設(shè)計可被快速更換的系列化、通用化的專用末端執(zhí)行器。 ??此次設(shè)計的產(chǎn)品是四自由度的弧焊機器人，因此它的末端執(zhí)行元件是焊槍，但隨著氣保焊的廣泛運用，氣體保護焊更加易于使自動化得到實現(xiàn)，因此在這次設(shè)計中我選擇使用的是氣體保護焊，用末端法蘭盤將其固定在手腕的末端。具體的選用原則如下所述: 6.1.1送絲機的選擇 按安裝方式可以將弧焊機器人裝備的送絲機分為兩種兩種類型。 一種方式是在機器人上臂的后部上面安裝送絲機使之與機器人組成一體;另一種方式是將送絲機獨立于機器人之外安裝。一體式的送絲機比之分離式到焊槍的距離要短，連接著送絲機和焊槍間的軟管也比較短,所以一體式送絲機的送絲阻力比分離式的小。從送絲穩(wěn)定性的角度上看,一體式相比分離式要好些。目前,弧焊機器人的送絲機采用一體式的安裝方式已越來越多了,但對要在焊接過程中進行自動更換焊槍(變換焊絲直徑或種類)的機器人,必須選用分離式送絲機。 ??送絲機中的結(jié)構(gòu)有兩個送絲輥輪的，也有兩對輥輪的：有一對或兩對輥輪被一個電機所驅(qū)動的，也有用兩個電機分別驅(qū)動兩對輥輪的。從送絲力的方面來看，兩對輥輪的送絲力相較于一對輥輪的的來說是要大些。當采用藥芯焊絲的時后，由于藥芯焊絲的質(zhì)量較軟，對其不能象用實心焊絲時那樣使用那么大輥輪的壓緊力，為了保證有足夠的送絲推力，選用兩對輥輪的送絲機可以有更好的效果。對于送絲機與機器人連 成一體的安裝方式，雖然送絲的軟管比較短，但有的時候為了讓換焊絲盤變方便，而在機器人的安全圍欄之外放置焊絲盤或焊絲桶，這就需要送絲機有足夠的拉力把焊絲通過較長的導(dǎo)絲管從焊絲盤(桶)中拉過來，再經(jīng)過軟管推向焊槍。開環(huán)和閉環(huán)是送絲機的兩種送絲速度控制方法。在目前，大部分送絲機仍采用開環(huán)的控制方法。 對于脈沖TIG焊這種填絲的來說，可以選擇使用能夠持續(xù)送絲的送絲機，也可以選用能與焊接脈沖電流保持一致的脈動送絲機。脈動焊絲送進器的脈動頻率可以由電源來控制，并且在每一步送出的線的長度可以任意調(diào)節(jié)。脈動送絲機也可以連續(xù)送絲。因此，近期的脈沖TIG焊接機器人用脈動焊絲送進器的填充情況逐漸增加。 6.1.2送絲軟管的選擇和保持送絲穩(wěn)定的措施 目前，軟管都是采用將送絲、導(dǎo)電、氣體傳輸和輸送冷卻水等做成一個整體的方式。軟管的中心是一個焊絲進給線，其也作為保護氣體，并且導(dǎo)電芯在外面卷繞。一些電纜也夾在兩個管道之間，用于冷卻水循環(huán)，并且最外面的面包涂覆有絕緣橡膠層。當輸送鋼焊絲時，一般采用鋼彈簧管。焊絲直徑因要比導(dǎo)絲管的內(nèi)徑小1nm左右。究其原因，電弧焊接機器人送絲的不穩(wěn)定性還是該軟管的阻力過大。一方面有可能是選擇出的的導(dǎo)絲管的內(nèi)徑不能和焊絲的直徑相配合:另一方面可能是由于導(dǎo)絲管內(nèi)儲蓄的由焊絲的表面剝落下來的銅末或者鋼末過多所釀成的。因此弧焊機器人的焊絲應(yīng)該選擇那些優(yōu)質(zhì)的、鍍銅層比較穩(wěn)固的，與此同時還要調(diào)節(jié)好送絲輥輪的壓緊力，盡量避免焊絲表面的鍍銅層的剝落，而且一個月要定期的清洗一次導(dǎo)絲管。如若能夠選擇使用不銹鋼制成的導(dǎo)絲管會更好，由于奧氏體不銹鋼沒有磁性所以它不會吸住產(chǎn)生的鋼末,不止是易于清理，而且還不容易造成導(dǎo)絲管的堵塞。在編程的時候，必須要隨時注意調(diào)整焊槍和機器人的姿態(tài)，盡最大的可能來減少軟管的彎曲程度。 6.1.3焊槍的選擇 大多數(shù)在弧焊接機器人中使用的焊槍基本上是相同的,如手動半自動焊中使用的鵝頸焊槍。鵝頸管的彎曲角度一般小于45°。鵝頸管可以以不同的角度按照改善焊炬的可接近工件的特性來選擇。然而,如果鵝頸角過大時,送絲電阻會增加,該焊絲進給速度容易變得不穩(wěn)定,并且該角度過小,例如0°。一旦導(dǎo)電尖端被輕微磨損,常發(fā)生導(dǎo)電不良。應(yīng)當指出的是,具有不同彎曲角度更換鵝頸管的焊炬時,機器人的TCP(工具中心點)必須相應(yīng)地調(diào)整,否則移動軌跡和焊槍的姿勢會發(fā)生變化。近來為了 能夠讓送絲速度的穩(wěn)定性得到提高。特意增加一個拉絲機構(gòu)使它裝在焊槍上，由小型伺服電機來驅(qū)動該機構(gòu),使得一個一推一拉的送絲系統(tǒng)在送絲機和焊槍的拉絲機間產(chǎn)生。對于這種推拉送絲的系統(tǒng)必須調(diào)節(jié)好兩個電機間的轉(zhuǎn)速,調(diào)理好送絲機和焊槍上的各對送絲輥輪間的壓緊力,完成以送絲機為主的推絲作用、焊槍的拉絲為輔。這樣,就算兩個電機由于某些原因使得它的速度不能匹配起來,焊槍上的送絲輥輪也能夠因為發(fā)生打滑,而不至于使得焊絲的表面受到損壞或使焊絲從輥輪間擠出來,造成焊接過程的中止。 6.1.4防撞傳感器 對于弧焊機器人來說，除了要選好焊槍以外，還必須要在機械手的焊槍裝備架上配備有防撞傳感器。防撞傳感器起的作用是，當機器人開始有所運動時，若是一個不小心焊槍碰到了障礙物，它也能夠立即使機器人運動停止下來(相當于急停開關(guān)),對焊槍或機器人不造成或造成極小的損壞。如果沒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,若這時操作者沒有及時發(fā)現(xiàn)這一點問題，由于TCP開始發(fā)生變化，隨后焊接的路徑也將會有較大的變化產(chǎn)生，從而會焊出廢品。因此，防撞傳感器都要在TIG焊炬和MG/MAG焊槍的把持架上裝備起來。  結(jié)論 這次課題設(shè)計的弧焊機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計。多關(guān)節(jié)型機器人使用。機器人的各個制動元件可以具體分為：底座，大臂，小臂，手腕等，以及通過法蘭盤連接在手腕上的焊槍。在課題的設(shè)計的全部話題的討論，論文的準備和論文的審查過程，我學到了很多新知識，對它有一定的了解。同時，我也發(fā)現(xiàn)了不少問題。 在本次課題設(shè)計中該機械手擁有的自由度數(shù)量為4，即四個轉(zhuǎn)動自由度。故此該機械手在任務(wù)中須要做出四種運動,即底座腰部的旋轉(zhuǎn)運動、大臂處的回轉(zhuǎn)運動、小臂的旋轉(zhuǎn)運動以及手腕部的旋轉(zhuǎn)運動。特此采納了關(guān)節(jié)型機械手設(shè)計，因其具備較為簡單的結(jié)構(gòu),手臂運動空間大,并且擁有定位準確度較高等特點。 考慮到在此次課題設(shè)計中底部底座作為機械手的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機械手的最終的精度有著很大的影響，所以通過運用伺服電機與諧波減速器相互結(jié)合的方法來實現(xiàn)底座的回轉(zhuǎn)運動。 弧焊機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計著重于大臂及小臂的設(shè)計。手臂和手腕是在機器人操作器中的基本組件。它是由往復(fù)運動和旋轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)的。結(jié)構(gòu)和形狀是多種多樣的。然而，大多數(shù)機械手的手臂和手腕空間機制都包含接頭和桿，通常有3-10個自由度，和工業(yè)機器人通常具有3-6個自由度。由于在手臂和腕關(guān)節(jié)上機器人是具有多個自由度的，使得其可以通用和靈活操作運動，這是它和一般自動機之間的差異。 這次所做的畢業(yè)設(shè)計可以說是我們在學校所上的最后一堂課了。它讓我們將平時所學的東西都有所結(jié)合，為我們提前做好了進入工作的準備。它也讓我們探詢了更多的、有趣的知識 參考文獻 [1] 襲振邦，汪勤主編.《機器人機械設(shè)計》.[M].電子工業(yè)出版社.1995 [2] 林尚揚，陳善本王編.《焊接機器人及其應(yīng)用》.[M]機械工業(yè)出版社.2000 [3] 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我這次所設(shè)計的題目是弧焊機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中涉及到很多其他專業(yè)方面的知識.在以前的設(shè)計中，如機械制圖，機械設(shè)計，機電傳動等，在各位老師的細心指導(dǎo)下，我們學到了不少的專業(yè)知識，為我這次畢業(yè)設(shè)計打下了良好的基礎(chǔ).但是這次畢業(yè)設(shè)計與以往的課設(shè)有所不同，它將以前我們學習的專業(yè)知識匯總起來的一次綜合運用這為我們走向工作崗位打好了基礎(chǔ)，積累了不少實際經(jīng)驗. 在本次畢業(yè)設(shè)計的整個設(shè)計過程中，非常感謝輔導(dǎo)老師的幫助，也非常感謝那些給我提出了寶貴的意見和建議同學，在我無頭緒時給我的幫助，特此表達感謝。