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掌握了普通機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法并 能夠熟練使用 AutoCAD 制圖軟件 對今后的工作于生活具有極大意義 關(guān)鍵詞 焊接 機(jī)械手 PLC 設(shè)計(jì) II ABSTRACT High lift device called weight lifting device a top heavy machinery lifting machine is a with relatively small force can the weight lifting descending or shift of simple tools can also be used to correct the deformation of the equipment installation and the deviation of the component such as Electric lifting device is a lifting device for lifting heavy objects by screw drive The motor is composed of a motor a belt drive a turbine vortex rod drive a screw a nut a lifting rod etc This design first based on the structure and the principle of electric lifting device of high analysis this analysis based on put forward the overall structure scheme of and then the design and verification of main technical parameters of the main parts is discussed then through the three dimensional design software Pro E design the electric lifting device and motion simulation is carried out Finally draw the electric lifting device assembly and major parts of the map Through the design the consolidation of the University of the professional knowledge such as mechanical principles mechanical design mechanics of materials tolerance and interchangeability theories mechanical drawing master the design method of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD drawing software for the future work in life is of great significance Key words Lifting equipment Turbine Spiral Design Simulation III 目 錄 1 緒 論 1 1 1 研究背景及意義 1 1 2 研究及發(fā)展現(xiàn)狀 1 1 3 焊接機(jī)械手的主要組成 2 1 4 主要內(nèi)容 3 2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 2 1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型 4 2 2 設(shè)計(jì)具體采用方案 5 3 主要零部件設(shè)計(jì) 6 3 1 底座部分設(shè)計(jì) 6 3 1 1 底座的工作方式 6 3 1 2 底座的電動(dòng)機(jī)的選擇 6 3 1 3 底座上諧波齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 7 3 1 4 底座軸的設(shè)計(jì) 9 3 1 5 底座傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì) 10 3 1 6 底座軸承的選擇 12 3 2 大臂部分設(shè)計(jì) 13 3 2 1 大臂的工作方式 13 3 2 2 大臂電動(dòng)機(jī)的選擇 14 3 2 3 大臂上諧波齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 14 3 3 小臂部分設(shè)計(jì) 15 3 3 1 小臂的工作方式 15 3 3 2 小臂電動(dòng)機(jī)的選擇 16 3 3 3 小臂上諧波齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 16 3 4 手腕部分設(shè)計(jì) 17 3 4 1 手腕的設(shè)計(jì)要求 17 3 4 2 手腕工作方式 18 3 4 3 手腕電動(dòng)機(jī)的選擇 18 3 4 4 手腕軸承的選擇 19 IV 4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 4 1 電氣設(shè)備概述 21 4 1 1 電氣控制的變壓系統(tǒng)部分設(shè)計(jì) 21 4 1 2 電氣控制的部分設(shè)計(jì) 21 4 2 PLC 的應(yīng)用 23 4 2 1 梯形圖的設(shè)計(jì) 23 4 2 2 用功能表圖表示控制過程 24 4 2 3 I O 分配表與配線圖 25 4 2 4 寫出梯形圖 27 總 結(jié) 34 參考文獻(xiàn) 35 致 謝 36 1 1 緒 論 1 1 研究背景及意義 焊接機(jī)械手由機(jī)械手本體 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 示教盒和焊接焊接系統(tǒng)幾部 分組成 由于為了適應(yīng)靈活動(dòng)作的工作要求 通常電焊機(jī)械手選用關(guān)節(jié)式工業(yè) 機(jī)械手的基本設(shè)計(jì) 一般具有六個(gè)自由度 腰轉(zhuǎn) 大臂轉(zhuǎn) 小臂轉(zhuǎn) 腕轉(zhuǎn) 腕 擺及腕捻 其驅(qū)動(dòng)方式有液壓驅(qū)動(dòng)和電氣驅(qū)動(dòng)兩種 其中電氣驅(qū)動(dòng)具有保養(yǎng)維 修簡便 能耗低 速度高 精度高 安全性好等優(yōu)點(diǎn) 因此應(yīng)用較為廣泛 焊 接機(jī)械手按照示教程序規(guī)定的動(dòng)作 順序和參數(shù)進(jìn)行焊接作業(yè) 其過程是完全 自動(dòng)化的 并且具有與外部設(shè)備通信的接口 可以通過這一接口接受上一級(jí)主 控與管理計(jì)算機(jī)的控制命令進(jìn)行工作 焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操 作技能 豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) 穩(wěn)定的焊接水平 另一方面 焊接又是一種勞動(dòng)條 件差 煙塵多 熱輻射大 危險(xiǎn)性高的工作 工業(yè)機(jī)械手的出現(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(dòng)強(qiáng)度 同時(shí)也可以保證焊 接質(zhì)量和提高焊接效率 焊接機(jī)械手在汽車裝配生產(chǎn)線上的大量應(yīng)用大大提高 了汽車裝配焊接的生產(chǎn)率和焊接質(zhì)量 同時(shí)又具有柔性焊接的特點(diǎn) 即只要改 變程序 就可在同一條生產(chǎn)線上對不同的車型進(jìn)行裝配焊接 2 應(yīng)用焊接機(jī)械手 有如下優(yōu)點(diǎn) a 容易實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的完全自動(dòng)化 b 對生 產(chǎn)設(shè)備的適應(yīng)能力將大大加強(qiáng) c 可以提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率及質(zhì)量 d 可以明顯 改善工作條件 1 2 研究及發(fā)展現(xiàn)狀 我國的工業(yè)機(jī)器人從 80 年代 七五 科技攻關(guān)開始起步 目前已基本掌握了 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 開發(fā)出噴漆 弧焊 點(diǎn)焊 裝配 搬運(yùn)等機(jī)器人 弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上 但總的來看 我 國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離 如 可靠 性低于國外產(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 國外比有差距 應(yīng)用規(guī)模小 沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè) 工業(yè)機(jī)器人在焊接領(lǐng)域的 應(yīng)用最早是從汽車裝配生產(chǎn)線上的電阻點(diǎn)焊開始的 原因在于電阻點(diǎn)焊的過程 相對比較簡單 控制方便 且不需要焊縫軌跡跟蹤 對機(jī)器人的精度和重復(fù)精 度的控制要求比較低 國際工業(yè)機(jī)器人企業(yè)憑借與各大汽車企業(yè)的長期合作關(guān) 2 系 向各大型汽車生產(chǎn)企業(yè)提供各類點(diǎn)焊機(jī)器人單元產(chǎn)品并以焊接機(jī)器人與整 車生產(chǎn)線配套形式進(jìn)入中國 在該領(lǐng)域占據(jù)市場主導(dǎo)地位 隨著汽車工業(yè)的發(fā) 展 焊接生產(chǎn)線要求焊鉗一體化 重量越來越大 165 公斤點(diǎn)焊機(jī)器人是目前 汽車焊接中最常用的一種機(jī)器人 2008 年 9 月 機(jī)器人研究所研制完成國內(nèi)首 臺(tái) 165 公斤級(jí)點(diǎn)焊機(jī)器人 并成功應(yīng)用于奇瑞汽車焊接車間 2009 年 9 月 經(jīng) 過優(yōu)化和性能提升的第二臺(tái)機(jī)器人完成并順利通過驗(yàn)收 該機(jī)器人整體技術(shù)指 標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國外同類機(jī)器人水平 工業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢 目前國際機(jī)變機(jī)界都在加大科研力度 進(jìn)變機(jī)變機(jī)共 性技術(shù)的研究 從機(jī)變機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢看 焊安機(jī)變機(jī)和其它工畢機(jī)變機(jī)一樣 不斷向智能化和多樣化方向發(fā)展 夾體而言 表現(xiàn)在如定幾個(gè)方面 機(jī)變機(jī)操動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu) 與過有限元積析 電態(tài)積析及仿真畢畢等現(xiàn)代畢畢方 法的變用 實(shí)現(xiàn)機(jī)變機(jī)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化畢畢 探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料 進(jìn)一 步提高總載 自重比 機(jī)變機(jī)機(jī)機(jī)系統(tǒng) 重打研究開放式 電電化機(jī)機(jī)系統(tǒng) 向基于 PC 機(jī)的開 放型機(jī)機(jī)變方向發(fā)展 便于標(biāo)準(zhǔn)化 網(wǎng)絡(luò)化 變件集成度提高 機(jī)機(jī)機(jī)日見小 巧 且采用電電化結(jié)構(gòu) 大大提高了系統(tǒng)的可靠性 易操動(dòng)性和可維修性 機(jī) 機(jī)系統(tǒng)的性能進(jìn)一步提高 實(shí)現(xiàn)軟件伺服和安數(shù)字機(jī)機(jī) 機(jī)機(jī)界面更加友好 機(jī)變機(jī)傳感技術(shù) 機(jī)變機(jī)中的傳感變動(dòng)用日益重要 除采用傳統(tǒng)的變置 高度 加高度等傳感變機(jī) 裝配 焊安機(jī)變機(jī)還應(yīng)用了激光傳感變 視覺傳感 變和力傳感變 并實(shí)現(xiàn)了焊縫自動(dòng)跟蹤和自動(dòng)化生產(chǎn)機(jī)變物體的自動(dòng)定變以及 精密裝配動(dòng)畢等 大大提高了機(jī)變機(jī)的動(dòng)畢性能和對環(huán)境的適應(yīng)性 網(wǎng)絡(luò)與光功能 日本 YASKAWA 和德國 KUKA 公司的最新機(jī)變機(jī)機(jī)機(jī)變 已實(shí)現(xiàn)了與 Canbus Profibus 總機(jī)及一些網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)安 使機(jī)變機(jī)由過去的獨(dú)立 應(yīng)用向網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用邁進(jìn)了一大步 也使機(jī)變機(jī)由過去的專用畢備向標(biāo)準(zhǔn)化畢備 發(fā)展 1 3 焊接機(jī)械手的主要組成 1 機(jī)械手系統(tǒng)包括 由移動(dòng)式或固定式的操作機(jī) 電源 控制系統(tǒng)以及 操作并監(jiān)控機(jī)械手的裝置 外部設(shè)備或傳感器的通訊接口所組成的機(jī)械手控制 裝置 硬件和軟件 末端執(zhí)行器 機(jī)械手完成作業(yè)所需的外部設(shè)備 裝置或傳 感器 所用的外部設(shè)備均由機(jī)械手的控制系統(tǒng)管理 2 手臂和手腕是機(jī)械手操作機(jī)中的基本部件 它由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng) 的機(jī)構(gòu)組成 其結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的 但多數(shù)機(jī)械手的手臂和手腕是由關(guān)節(jié) 和桿件構(gòu)成的空間機(jī)構(gòu) 一般由 3 10 個(gè)自由度組成 工業(yè)機(jī)械手一般為 3 6 個(gè) 自由度 由于機(jī)械手具有多自由度手臂 手腕的機(jī)構(gòu) 使操作運(yùn)動(dòng)具有通用性 3 和靈活性 這也是區(qū)別于一般自動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 3 機(jī)器臂的控制 在電動(dòng)伺服系統(tǒng)中 驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的是步進(jìn)電機(jī) 或直流伺服電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)從驅(qū)動(dòng)器得到一系列脈沖信號(hào) 每個(gè)脈沖信號(hào)使步 進(jìn)電機(jī)軸產(chǎn)生一定的角位移 一般不需要反饋回路和位置編碼器 控制比較簡 單 采用直流伺服電機(jī)的控制系統(tǒng)以測速器和角度編碼作為反饋裝置 能夠精 確地控制機(jī)械臂關(guān)節(jié)軸的運(yùn)動(dòng) 它的工作狀態(tài)平穩(wěn) 旋轉(zhuǎn)速度可以連續(xù)調(diào)節(jié) 對加速和減速指令都能迅速作出反應(yīng) 4 腕部機(jī)構(gòu)支承機(jī)械手手部裝置并調(diào)整其姿態(tài) 一般有 2 3 個(gè)自由度 使位于機(jī)械臂末端的手爪產(chǎn)生俯仰擺動(dòng)和繞自身軸線的轉(zhuǎn)動(dòng) 這些運(yùn)動(dòng)的合成 使機(jī)械手的手部相對于操作對象形成靈活的工作姿態(tài) 5 機(jī)械手的手部裝置又稱末端執(zhí)行器 根據(jù)作業(yè)性質(zhì)不同 機(jī)械臂末端 的執(zhí)行器有不同形式 焊接機(jī)械手和噴涂機(jī)械手的末端分別為固定焊槍和噴槍的夾具 搬運(yùn)大件光整平板的機(jī)械手一般采用真空吸附式末端執(zhí)行器 利用吸盤 內(nèi)壓力與大氣壓力之間的差值產(chǎn)生吸附作用力 對于一般的物料搬運(yùn)和裝配機(jī)械手 末端執(zhí)行器為種類繁多的機(jī)械夾持 器 用機(jī)械手指的閉合和張開來夾緊和釋放工件 運(yùn)送鐵磁物質(zhì)的機(jī)械手還可以將電磁吸盤作為末端執(zhí)行器 1 4 主要內(nèi)容 1 本焊接機(jī)械手的簡介和發(fā)展概況 及其基本的工作原理 2 本焊接機(jī)械手的結(jié)構(gòu)分析 手臂 軸承 諧波齒輪減速器等結(jié)構(gòu)方案 選擇設(shè)計(jì)說明 3 本焊接機(jī)械手傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)和傳動(dòng)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算說明 4 本焊接機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與校核及其重要結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)計(jì)算說明 4 2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)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(yīng)的特點(diǎn) 分別介紹如下 1 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的 為了 實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間 直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié) 構(gòu)尺寸大得多 直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長方體 直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝 配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè) 直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式 龍門式 天車式三種結(jié)構(gòu) 2 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的 這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡單 精度還可以 常用于搬運(yùn)作業(yè) 其工作空間是一個(gè) 圓柱狀的空間 3 球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的 這 種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單 成本較低 但精度不很高 主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè) 其工作 空間是一個(gè)類球形的空間 4 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的 關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作靈 活 結(jié)構(gòu)緊湊 占地面積小 相對機(jī)器人本體尺寸 其工作空間比較大 此種 機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛 如焊接 噴漆 搬運(yùn) 裝配等作業(yè) 都廣泛采 用這種類型的機(jī)器人 19 本題目規(guī)格參數(shù) 腰部回轉(zhuǎn)最大角度 280 度 擺動(dòng)最大角度 120 度 工作范圍范圍 0 450mm 本機(jī)械手的主要?jiǎng)幼魇?首先腰部回轉(zhuǎn)機(jī)械臂和焊點(diǎn)處于同一平面 接著大臂回轉(zhuǎn) 調(diào)整焊槍和焊 點(diǎn)的距離 然后小臂回轉(zhuǎn) 使焊槍接觸焊點(diǎn) 最后腕部回轉(zhuǎn) 使焊槍和焊點(diǎn)垂 直 達(dá)到焊接的目的 5 2 2 設(shè)計(jì)具體采用方案 具體到本設(shè)計(jì) 因?yàn)楹笜屬|(zhì)量約 0 5KG 且考慮到焊接機(jī)械手的加工精度 應(yīng)盡量簡化結(jié)構(gòu) 以減小成本 提高可靠度 該機(jī)械手在工作中需要四種運(yùn)動(dòng) 腰部回轉(zhuǎn) 大臂回轉(zhuǎn) 小臂回轉(zhuǎn) 腕部回轉(zhuǎn) 綜合考慮 機(jī)械手自由度數(shù)目取 為四 因此選擇關(guān)節(jié)型機(jī)械臂 具體到本設(shè)計(jì) 要求工作區(qū)間 0 450mm 擴(kuò)大到 0 60mm 為擴(kuò)大 1 3 倍 因?yàn)?A2 b2 2ab 所以當(dāng) c 一定時(shí) a b 機(jī)械臂為最短 6002 2a2 A 424 3 又因?yàn)樾”郾却蟊鄹`活 活動(dòng)更頻繁 所以初始取 a 大臂 500mm b 小臂 400mm c 腕部 100mm 整體布局如圖 圖 2 1 整體尺寸設(shè)計(jì)圖 6 3 主要零部件設(shè)計(jì) 3 1 底座部分設(shè)計(jì) 3 1 1 底座的工作方式 機(jī)器人底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 1 要有足夠大的安裝基面 以保證機(jī)器人工作時(shí)的穩(wěn)定性 2 機(jī)座承受機(jī)器人全部重量和工作載荷 應(yīng)保證足夠的強(qiáng)度 剛度和承載 能力 3 機(jī)座軸系及傳動(dòng)鏈的精度和剛度對末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)精度影響最大 因 此機(jī)座與手臂的聯(lián)接要有可靠的定位基準(zhǔn)面 要有調(diào)整軸承間隙和傳動(dòng)間隙的 調(diào)整機(jī)構(gòu) 機(jī)器人的底座是由兩部分組成的 分為上下兩部分 下部分的作用是固定 和支撐 屬于不動(dòng)體 用螺絲固于與地上 上部分是一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)作用是支撐和旋 轉(zhuǎn) 帶動(dòng)大臂以上部分做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 是圓弧形的 上部分也稱做腰部 腰部回轉(zhuǎn)由一級(jí)齒輪傳動(dòng)和諧波齒輪組成 如底座部 件圖所示在結(jié)構(gòu)布置上 電機(jī) 諧波減速器和小齒輪均在腰上隨腰座一起回轉(zhuǎn) 而大齒輪固定在機(jī)座上 這樣布局對裝飾 潤滑方便 但增大了腰部回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn) 動(dòng)慣量 底座上使用的是階梯軸 作用是傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩 把諧波減速器傳出的轉(zhuǎn)矩傳動(dòng) 到小齒輪上 軸的上端和諧波減速器的柔輪相連 下端由鍵和小齒輪聯(lián)結(jié) 諧 波減速器的剛輪和諧波減速器的外殼聯(lián)結(jié) 諧波減速器的外殼又和機(jī)器人的大 臂用螺栓連接 當(dāng)?shù)鬃碾姍C(jī)工作時(shí) 諧波減速器的剛輪不動(dòng) 柔輪動(dòng) 柔輪 又通過階梯軸和小齒輪由鍵連接 所以帶動(dòng)小齒輪動(dòng) 小齒輪又和大齒輪相嚙 合 大齒輪通過齒輪座固連于下底座上 所以小齒輪帶著諧波減速器和機(jī)器人 大臂以上的部件 繞著大齒輪做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 實(shí)現(xiàn)了焊接機(jī)器人繞 Z 向旋轉(zhuǎn)的自 由度 3 1 2 底座的電動(dòng)機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)從驅(qū)動(dòng)器得到一系列脈沖信號(hào) 每個(gè)脈沖信號(hào)使步進(jìn)電機(jī)軸產(chǎn)生 一定的角位移 一般不需要反饋回路和位置編碼器 控制比較簡單 采用直流 伺服電機(jī)的控制系統(tǒng)以測速器和角度編碼作為反饋裝置 能夠精確地控制機(jī)械 臂關(guān)節(jié)軸的運(yùn)動(dòng) 它的工作狀態(tài)平穩(wěn) 旋轉(zhuǎn)速度可以連續(xù)調(diào)節(jié) 對加速和減速 7 指令都能迅速作出反應(yīng) 在機(jī)械手的電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算過程中 采用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 混合式步進(jìn) 電動(dòng)機(jī)即是一種兼有反應(yīng)式 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 5 版 35 84 頁 底座電機(jī)選用 90BYG5503 型號(hào) 如下表 型號(hào) 步距角 相數(shù) 驅(qū)動(dòng) 電壓 V 相電 流 A 靜轉(zhuǎn)距 N M 空載啟 動(dòng)頻率 P P S 空載運(yùn) 行頻率 K P P S 轉(zhuǎn) 14 動(dòng) 慣量 kg cm 2 相 電 感 mH 重 量 kg 90BYG 5503 0 36 0 72 5 50 3 7 2200 30 5 1 5 0 6 0 3 1 3 底座上諧波齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 1 諧波減速器在機(jī)器人中的應(yīng)用 由于諧波減速器裝置具有傳動(dòng)比大 承載能力強(qiáng) 傳動(dòng)精度高 傳動(dòng)平穩(wěn) 效率高 體積小 質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn) 已廣泛用于工業(yè)機(jī)器人中 此次設(shè)計(jì)中分別 在底座 大臂 小臂上用了三個(gè)諧波減速器 目前工業(yè)機(jī)器人中常用的諧波減速器有三種型式 此次設(shè)計(jì)選用的是帶杯 形柔輪的諧波傳動(dòng) 如圖 4 18a 所示 是由三個(gè)基本構(gòu)件組成的 帶凸緣的環(huán) 型剛輪 6 杯形柔輪 1 和由柔性軸承 5 橢圓盤 4 構(gòu)成的波發(fā)生器 它通過端面 牙嵌式聯(lián)軸器 3 與輸出軸套 2 相連 這種沒有單獨(dú)外殼的由三大基本構(gòu)件形成 一個(gè)組合件的結(jié)構(gòu)形式 使傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)更為簡化和緊湊 2 諧波減速器工作原理 諧波齒輪傳動(dòng)的工作原理如圖 4 16 所示 若剛輪 G 為固定件 波發(fā)生器 8 為主動(dòng)件 柔輪 R 為從動(dòng)件 當(dāng)將波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)孔時(shí) 由于波發(fā)生器兩 滾子外側(cè)之間的距離略大于柔輪內(nèi)孔直徑 使原為圓形的柔輪產(chǎn)生彈性變形成 為橢圓 使其長軸兩端的齒與剛輪齒完全嚙合 同時(shí) 變形后柔輪短軸兩端的 齒則與剛輪齒完全脫開 其余各處的齒 則視回轉(zhuǎn)方向不同分別處于 嚙人 或 嚙出 狀態(tài) 當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)回轉(zhuǎn)時(shí) 嚙人區(qū)和嚙出區(qū)將隨著橢圓長短軸 相位的變化而依次變化 于是柔輪就相對于不動(dòng)的剛輪沿與波發(fā)生器轉(zhuǎn)向相反 的方向作低速回轉(zhuǎn) 柔輪長軸和短軸相位的連續(xù)變化 使柔輪的變形在其圓周 上是連續(xù)的簡諧波形 因此 這種傳動(dòng)稱為諧波傳動(dòng) 若柔輪固定 剛輪從動(dòng) 其工作過程完全相同 只是剛輪的轉(zhuǎn)向與波發(fā)生相反 3 傳動(dòng)比計(jì)算 如圖 4 16 所示 波發(fā)生器有兩個(gè)觸頭 產(chǎn)生兩個(gè)嚙合區(qū) 故稱雙波發(fā)生 器 若波發(fā)生器有三個(gè)觸頭 則可產(chǎn)生三個(gè)嚙合區(qū) 此時(shí)稱三波發(fā)生器 對雙 波傳動(dòng) 剛輪和柔輪的齒數(shù)差應(yīng)為 2 三個(gè)波傳動(dòng)其齒數(shù)差應(yīng)為 3 由于結(jié)構(gòu)上 的原因 單波或三波以上的傳動(dòng)很少用 常用的是雙波傳動(dòng) 從傳動(dòng)效率考慮 和實(shí)際應(yīng)用需要 常用的諧波傳動(dòng)可分以下兩種情況 1 波發(fā)生器主動(dòng) 剛輪固定 柔輪從動(dòng)時(shí) 波發(fā)生器與柔輪的減速傳動(dòng) 比為 i G HR nRGZ 式中 分別為剛輪與柔輪的齒數(shù) 分別為波發(fā)生ZHnR 器和柔輪的轉(zhuǎn)速 2 波發(fā)生器主動(dòng) 柔輪固定 剛輪從動(dòng)時(shí) 波發(fā)生器和剛輪的減速傳動(dòng)比 為 RGHGRZNi 式中 剛輪的轉(zhuǎn)速 其余同式 Gn 9 波發(fā)生器固定時(shí) 若剛輪主動(dòng)而柔輪從動(dòng) 其傳動(dòng)比略大于 反之 柔 輪主動(dòng)而剛輪從動(dòng) 其傳動(dòng)比略小于 根據(jù)底座的這種運(yùn)動(dòng)要求 以及底座運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 我們選用標(biāo)準(zhǔn)的諧 波減速器 其性能參數(shù)如下表所示 規(guī)格 產(chǎn)品型號(hào) 模數(shù) m 減速比 i 額定輸入轉(zhuǎn)速 r min 額定輸出力矩 N m 其外形及安裝尺寸如下表 機(jī)型 115 77 81 6 15 80 3 4 6 5 105 14 5 16 3 26 5 6 5 5 36 45 3 1 4 底座軸的設(shè)計(jì) 底座上使用的是階梯軸 作用是傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩 把諧波減速器傳出的轉(zhuǎn)矩傳動(dòng) 到小齒輪上 軸的上端和諧波減速器的柔輪相連 下端由鍵和小齒輪聯(lián)結(jié) 按彎扭合成強(qiáng)度校核軸的強(qiáng)度 1 繪制軸受力簡圖 圖 a 2 繪制垂直面彎矩圖 圖 b 軸承支承反力 160 3NRAVFL dra2 147 02 98365 982 160 3 1142 3NBrRAV 10 計(jì)算彎矩 截面 c 右側(cè)彎矩 1142 3 80 06N mcvMRBVF2 L2147 0 截面 c 左側(cè)彎矩 160 3 11 88N m cvRAV 3 繪制水平彎矩圖 圖 c 軸支承反力 1309NRAHFB2 t618 截面 c 處彎矩 1309 96 2N mCMRA L247 0 4 繪制合成彎矩圖 圖 d 125 4N mC 22CHV 280 69 95 06N m 2 21 5 繪制轉(zhuǎn)矩圖 圖 e T 9 55 9 55 260N mn p310 403 6 繪制當(dāng)量彎矩圖 圖 f 轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的扭剪應(yīng)力按脈動(dòng)循環(huán)變化 取 0 6 截面 c 處的當(dāng)量彎矩為 202N mecM 22 Tc 2215 6 7 校核危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度 2 77Mpa 55Mpae 31 0dc390 11 3 1 5 底座傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì) 1 齒輪齒數(shù)的計(jì)算 根據(jù)各傳動(dòng)副的傳動(dòng)比 由 機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì) 表 3 6 確定各齒輪齒數(shù) 取 30 72 則 421zzs 1z 32 72 則 402 2 各齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 2 齒輪接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 33 471z2td1 321 4 Htuzk 1 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 1 1 32 tk 2 計(jì)算小齒輪名義轉(zhuǎn)速 T 9 55 10 9 55 10 N mm N mm1 61pn 67 5051 2790 3 查表 0 8 齒寬系數(shù) d 4 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) 2 5Hz 5 由表 12 12 查取彈性系數(shù) 189 8EzMpa 6 由圖 12 20 和圖 12 21 查得 590mpa 480mpa 1Hjim lim2H 12 450mpa 390mpalim1F lim2F 7 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 60 kth 60 560 1 2 8 300 10 1 61 101Nn 9 1 288 1021u 9 6059 8 由圖 12 22 查取接觸疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù) 1 11Nz2 9 計(jì)算許用應(yīng)力 取失效概率為 1 接觸疲勞強(qiáng)度最小安全系數(shù) 1Hs 590mpa1 H lim1hNzS590 480mpa2 li2Hzs481 2 設(shè)計(jì)計(jì)算 1 計(jì)算小齒輪分度圓直徑 d t1 d mm 90mmt 5 2221 3790 5189 84XX 2 圓周速度 v 2 6376m st160tn 3 90561 3 確定載荷系數(shù) 1Ak 1H F 1 14 0 17 46 06 s m tb 所以 1 14 0 17 1 31ksmk 39 07 0 019312 所以 1 1 53v 239 0724 6371 5 19 01462 k 1 1 53 1 31 1 2 0043AkH V 4 按實(shí)際載荷系數(shù)校正小齒輪分度圓直徑計(jì)算值 13 98 133 97mm1dt3tk 32 041 3 確定主要幾何參數(shù)和尺寸 1 模數(shù) m 3 67 取整標(biāo)準(zhǔn)值為 m 4 1dz3 97 2 分度圓直徑 4 33 1321 m 4 47 1881 3 中心矩 a 0 5m 0 5 4 33 47 1601z2 4 齒寬 取 401b2 3 1 6 底座軸承的選擇 1 對于與電機(jī)軸相聯(lián)的軸為主動(dòng)軸 軸所受的載荷較小 且為高速軸 根 據(jù)已知條件 60 轉(zhuǎn)速較高 主要受徑向力的影響 故選用深溝球軸承 主要 承受一定的雙向軸向載荷 極限轉(zhuǎn)速較高 這類軸承結(jié)構(gòu)緊湊 重量輕 價(jià)格 便宜 供貨方便 應(yīng)用較廣 2 對于主軸 即腰部支承軸承 上因存在徑向力和軸向力 有較高的使用 要求 分別承擔(dān)徑向載荷和軸向載荷 而且有一定的沖擊載荷 但軸承的轉(zhuǎn)速 較低 故選用環(huán)形軸承 環(huán)形軸承精度高 剛度大 負(fù)荷力大 裝配方便 可 以承受徑向力 軸向力及傾覆力矩 許多機(jī)械手都采用這種軸承作為腰部支撐 元件 環(huán)形軸承種類很多 有用滾球的 也有用滾柱的 查手冊 高速軸選用深溝球軸承 6209 腰部軸承選用環(huán)性交叉滾子軸承 CRB12025 3 軸承的校核計(jì)算 兩個(gè) 6012 型軸承轉(zhuǎn)速 1460r min 徑向載荷 Fr1 672N Fr2 356N 軸向載荷 Fa 0 工作時(shí)無沖擊 溫度低于 100 C 預(yù)壽命 10000h 解 軸承 1 承受的負(fù)載較重 經(jīng)驗(yàn)算軸承 1 的當(dāng)量載荷為 P xFr yFa 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 6012 形軸承 Cr 31500N C0r 24200N 深溝球軸承 X0 0 6 Y0 0 5 P1 xFr1 yFa1 376N 軸承的壽命由公式計(jì)算得 16667 n ftC fpP 16667 1460 1x31500 1 2x376 壽命足夠 3 2 大臂部分設(shè)計(jì) 3 2 1 大臂的工作方式 14 手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 1 手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人完成作業(yè)任務(wù)提出的工作空間要求 工 作空間的形狀和大小與手臂的長度 手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角范圍密切相關(guān) 2 根據(jù)手臂所受載荷和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) 合理選擇手臂截面形狀和高強(qiáng)度輕質(zhì) 材料 如常采用空心的薄壁矩形框體或圓管以提高其抗彎剛度和扭轉(zhuǎn)剛度 減 輕自身的重量 空心結(jié)構(gòu)內(nèi)部可以方便地安置機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 3 盡量減小手臂重量和相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和偏重力矩 以減小 驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)荷 減少運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)載荷與沖擊 提高手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度 4 要設(shè)法減小機(jī)械間隙引起的運(yùn)動(dòng)誤差 提高運(yùn)動(dòng)的精確性和運(yùn)動(dòng)剛度 采用緩沖和限位裝置提高定位精度 焊接機(jī)器人的大臂采用電機(jī) 諧波減速器和關(guān)節(jié)軸線同軸的傳動(dòng)方式 結(jié) 構(gòu)簡單 傳動(dòng)路線最短 大臂上的諧波減速器采用的是柔輪不動(dòng) 剛輪動(dòng)的方式 諧波減速器的剛 輪與機(jī)器人的大臂用螺栓相連 柔輪通過支撐法蘭固定在臂座上 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的 輸出軸用鍵與驅(qū)動(dòng)軸相連 軸與套筒用鍵連接 并一同轉(zhuǎn)動(dòng) 波發(fā)生器與套筒 用法蘭剛性連接 套筒通過鍵與固定 在支撐法蘭盤上的電磁制動(dòng)器相聯(lián) 帶內(nèi) 圈的從動(dòng)剛輪與大臂殼體相固聯(lián) 因此大臂殼體與剛輪一起在軸承上轉(zhuǎn)動(dòng) 這 種伺服電機(jī)經(jīng)諧波減速器減速后驅(qū)動(dòng)的手臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)緊湊 手臂的轉(zhuǎn)角范圍大 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人的大臂是用高強(qiáng)度鋁合金材料制成的薄壁框形 結(jié)構(gòu) 其運(yùn)動(dòng)都是采用齒輪傳動(dòng) 傳動(dòng)剛性較大 3 2 2 大臂電動(dòng)機(jī)的選擇 大臂電動(dòng)機(jī)是驅(qū)動(dòng)大臂做擺動(dòng) 選用 75BYG4501 型號(hào) 如下表 型號(hào) 步距角 相數(shù) 驅(qū)動(dòng) 電壓 V 相電 流 A 靜轉(zhuǎn) 距 N M 空載啟 動(dòng)頻率 P P S 空載運(yùn) 行頻率 K P P S 轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量 kg c m2 相電 感 mH 重 量 kg 75BYG 4501 0 9 1 8 4 50 3 1 5 1200 15 0 9 2 5 1 5 3 2 3 大臂上諧波齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 1 諧波減速器在機(jī)器人中的應(yīng)用 由于諧波減速器裝置具有傳動(dòng)比大 承載能力強(qiáng) 傳動(dòng)精度高 傳動(dòng)平穩(wěn) 效率高 體積小 量輕等優(yōu)點(diǎn) 已廣泛用于工業(yè)機(jī)器人中 此次設(shè)計(jì)中分別在 大臂上用了一個(gè)諧波減速器 目前工業(yè)機(jī)器人中常用的諧波減速器有三種型式 此次設(shè)計(jì)選用的是帶杯 15 形柔輪的諧波傳動(dòng) 如圖 4 18a 所示 是由三個(gè)基本構(gòu)件組成的 帶凸緣的環(huán) 型剛輪 6 杯形柔輪 1 和由柔性軸承 5 橢圓盤 4 構(gòu)成的波發(fā)生器 它通過端面 牙嵌式聯(lián)軸器 3 與輸出軸套 2 相連 這種沒有單獨(dú)外殼的由三大基本構(gòu)件形成 一個(gè)組合件的結(jié)構(gòu)形式 使傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)更為簡化和緊湊 2 諧波減速器工作原理 諧波齒輪傳動(dòng)的工作原理如圖 4 16 所示 若剛輪 G 為固定件 波發(fā)生器 為主動(dòng)件 柔輪 R 為從動(dòng)件 當(dāng)將波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)孔時(shí) 由于波發(fā)生器兩 滾子外側(cè)之間的距離略大于柔輪內(nèi)孔直徑 使原為圓形的柔輪產(chǎn)生彈性變形成 為橢圓 使其長軸兩端的齒與剛輪齒完全嚙合 同時(shí) 變形后柔輪短軸兩端的 齒則與剛輪齒完全脫開 其余各處的齒 則視回轉(zhuǎn)方向不同分別處于 嚙人 或 嚙出 狀態(tài) 當(dāng)波發(fā)生器連續(xù)回轉(zhuǎn)時(shí) 嚙人區(qū)和嚙出區(qū)將隨著橢圓長短軸 相位的變化而依次變化 于是柔輪就相對于不動(dòng)的剛輪沿與波發(fā)生器轉(zhuǎn)向相反 的方向作低速回轉(zhuǎn) 柔輪長軸和短軸相位的連續(xù)變化 使柔輪的變形在其圓周 上是連續(xù)的簡諧波形 因此 這種傳動(dòng)稱為諧波傳動(dòng) 根據(jù)大臂的這種運(yùn)動(dòng)要求 以及大臂運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 我們選用標(biāo)準(zhǔn)的諧 波減速器 其性能參數(shù)如下表所示 規(guī)格 產(chǎn)品型號(hào) 模數(shù) m 減速比 i 額定輸入轉(zhuǎn)速 r min 額定輸出力矩 N m 其外形及安裝尺寸如下表 16 機(jī)型 115 77 81 6 15 80 3 4 6 5 105 14 5 16 3 26 5 6 5 5 36 45 3 3 小臂部分設(shè)計(jì) 3 3 1 小臂的工作方式 小臂采用電動(dòng)機(jī) 諧波減速器和關(guān)節(jié)軸線同軸的傳動(dòng)方式 結(jié)構(gòu)簡單 傳 動(dòng)路線最短 小臂上的諧波減速器也采用的是柔輪不動(dòng) 剛輪動(dòng)的方式 諧波減速器的 剛輪與機(jī)器人的大臂用螺栓相連 柔輪通過支撐法蘭固定在臂座上 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 的輸出軸用鍵與驅(qū)動(dòng)軸相連 軸與套筒用鍵連接 并一同轉(zhuǎn)動(dòng) 波發(fā)生器與套 筒用法蘭剛性連接 套筒通過鍵與固定在支撐法蘭盤上的電磁制動(dòng)器相聯(lián) 帶 內(nèi)圈的從動(dòng)剛輪與小臂殼體相固聯(lián) 因此小臂殼體與剛輪一起在軸承上轉(zhuǎn)動(dòng) 這種伺服電機(jī)經(jīng)諧波減速器減速后驅(qū)動(dòng)的手臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)緊湊 手臂的轉(zhuǎn)角范圍 大 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)型機(jī)器人的小臂是用高強(qiáng)度鋁合金材料制成的薄壁框形 結(jié)構(gòu) 其運(yùn)動(dòng)都是采用齒輪傳動(dòng) 傳動(dòng)剛性較大 3 3 2 小臂電動(dòng)機(jī)的選擇 小臂電動(dòng)機(jī)是驅(qū)動(dòng)小臂做上下運(yùn)動(dòng) 選用 75BYG4502 型號(hào) 如下表 型號(hào) 步距角 相數(shù) 驅(qū)動(dòng) 電壓 V 相電 流 A 靜轉(zhuǎn)距 N M 空載啟 動(dòng)頻率 P P S 空載運(yùn) 行頻率 K P P S 轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量 kg c m2 相電 感 mH 重 量 kg 75BY G 0 9 1 8 4 50 3 1 5 1200 15 0 9 2 5 1 5 17 4501 3 3 3 小臂上諧波齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 諧波減速器在機(jī)器人中的應(yīng)用 由于諧波減速器裝置具有傳動(dòng)比大 承載能力強(qiáng) 傳動(dòng)精度高 傳動(dòng)平穩(wěn) 效率高 體積小 質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn) 已廣泛用于工業(yè)機(jī)器人中 此次設(shè)計(jì)中在小 臂上用了一個(gè)諧波減速器 目前工業(yè)機(jī)器人中常用的諧波減速器有三種型式 此次設(shè)計(jì)選用的是帶杯 形柔輪的諧波傳動(dòng) 如圖 4 18a 所示 是由三個(gè)基本構(gòu)件組成的 帶凸緣的環(huán) 型剛輪 6 杯形柔輪 1 和由柔性軸承 5 橢圓盤 4 構(gòu)成的波發(fā)生器 它通過端面 牙嵌式聯(lián)軸器 3 與輸出軸套 2 相連 這種沒有單獨(dú)外殼的由三大基本構(gòu)件形成 一個(gè)組合件的結(jié)構(gòu)形式 使傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)更為簡化和緊湊 由于小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對比較小 而且結(jié)構(gòu)比較緊湊 因此在設(shè)計(jì)中采用 諧波減速器直接驅(qū)動(dòng)小臂運(yùn)動(dòng)的方式 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)諧波減速器的波發(fā)生器 將運(yùn)動(dòng)傳遞給柔輪 由于剛輪不動(dòng) 柔輪動(dòng) 電機(jī)的運(yùn)動(dòng)得到一定比例的減速 傳動(dòng)比為 諧波減速器 的柔輪與一驅(qū)動(dòng)短軸相聯(lián)系 而短軸的另一端則與小臂體上的聯(lián)接體相連 聯(lián) 接體是與小臂鑄成一體的 這樣就實(shí)現(xiàn)了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)小臂作 軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 根據(jù)小臂的這種運(yùn)動(dòng)要求 以及小臂運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 我們選用標(biāo)準(zhǔn)的諧 波減速器 其性能參數(shù)如下表所示 規(guī)格 產(chǎn)品型號(hào) 模數(shù) m 減速比 i 額定輸入轉(zhuǎn)速 r min 額定輸出力矩 N m 其外形及安裝尺寸如下表 18 機(jī)型 64 40 40 6 8 40 2 4 4 5 57 8 2 9 12 4 5 6 3 5 20 28 3 4 手腕部分設(shè)計(jì) 3 4 1 手腕的設(shè)計(jì)要求 手腕是連接手臂和末端執(zhí)行器的部件 其功能是在手臂和機(jī)座實(shí)現(xiàn)了末端 執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個(gè)位置坐標(biāo) 自由度 的基礎(chǔ)上 再由手腕來實(shí)現(xiàn)末端 執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個(gè)姿態(tài) 方位 坐標(biāo) 即實(shí)現(xiàn)三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度 通過機(jī) 械接口 聯(lián)接并支承末端執(zhí)行器 手腕能實(shí)現(xiàn)繞空間三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng) 即回 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 左右偏擺運(yùn)動(dòng)和俯仰運(yùn)動(dòng) 當(dāng)有特殊需要時(shí) 還可以實(shí)現(xiàn)小距離的橫 移運(yùn)動(dòng) 手腕的自由度愈多 結(jié)構(gòu)和控制愈復(fù)雜 因此 應(yīng)根據(jù)機(jī)器人的作業(yè) 要求來決定其應(yīng)具有的自由度數(shù)目 在多數(shù)情況下 手腕具有 1 2 個(gè)自由度即 可滿足作業(yè)要求 1 設(shè)計(jì)要求 對工業(yè)機(jī)器人手腕設(shè)計(jì)的要求有 1 由于手腕處于手臂末端 為減輕手臂的載荷 應(yīng)力求手腕部件的結(jié)構(gòu)緊 湊 減少其質(zhì)量和體積 為此腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)裝置多采用分離傳動(dòng) 將驅(qū)動(dòng)器 安置在手臂的后端 2 手腕部件的自由度愈多 各關(guān)節(jié)角的運(yùn)動(dòng)范圍愈大 其動(dòng)作的靈活性愈 高 機(jī)器人對作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強(qiáng) 但增加手腕自由度 會(huì)使手腕結(jié)構(gòu)復(fù)雜 運(yùn)動(dòng)控制難度加大 因此 在設(shè)計(jì)時(shí) 不應(yīng)盲目增加手腕的自由度數(shù) 通用目 的機(jī)器人手腕多配置 3 個(gè)自由度 某些動(dòng)作簡單的專用工業(yè)機(jī)器人的手腕 根 據(jù)作業(yè)實(shí)際需要 可減少其自由度數(shù) 甚至可以不設(shè)置手腕以簡化結(jié)構(gòu) 3 為提高手腕動(dòng)作的精確性 應(yīng)提高傳動(dòng)的剛度 應(yīng)盡量減少機(jī)械傳動(dòng)系 統(tǒng)中由于間隙產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)回差 如齒輪傳動(dòng)中的齒側(cè)間隙 絲杠螺母中的傳動(dòng) 間隙 聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)間隙等 對分離傳動(dòng)采用鏈 同步齒帶或傳動(dòng)軸傳動(dòng) 4 對手腕回轉(zhuǎn)各關(guān)節(jié)軸上要設(shè)置限位開關(guān)和機(jī)械擋塊 以防止關(guān)節(jié)超限造 成事故 3 4 2 手腕工作方式 具有兩個(gè)自由度的機(jī)械傳動(dòng)手腕結(jié)構(gòu)如下圖所示之手腕結(jié)構(gòu) 手腕的驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)機(jī)安裝在大臂關(guān)節(jié)上 經(jīng)諧波減速器用兩級(jí)鏈傳動(dòng)將運(yùn)動(dòng)通過小臂關(guān)節(jié)傳 遞到手腕軸 10 上的鏈輪 4 5 帶傳動(dòng) 6 將運(yùn)動(dòng)經(jīng)帶輪 4 軸 10 和圓錐齒輪 9 11 帶動(dòng)軸 14 其上裝有機(jī)械接口法蘭盤 15 作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 帶傳動(dòng) 7 將運(yùn)動(dòng)經(jīng) 19 帶輪 5 直接帶動(dòng)手腕殼體 8 實(shí)現(xiàn)上下俯仰擺動(dòng) 當(dāng)帶傳動(dòng) 6 和帶輪 4 不動(dòng) 使 帶傳動(dòng) 7 和帶輪 5 單獨(dú)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 由于軸 10 不動(dòng) 轉(zhuǎn)動(dòng)的殼體 8 將迫使圓錐齒輪 11 作行星運(yùn)動(dòng) 即齒輪 11 隨殼體 8 作公轉(zhuǎn) 上下俯仰夕 同時(shí)還繞軸 14 作附 加的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 手腕的驅(qū)動(dòng)電機(jī)放置于小臂的末端 靠梯形齒同步帶將動(dòng)力源傳送到手腕 的驅(qū)動(dòng)軸上 實(shí)現(xiàn)手腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng) 同步帶傳動(dòng)效率高 可達(dá) 98 99 5 節(jié) 能效果大 與 V 帶和平帶傳動(dòng)相比 傳動(dòng)比準(zhǔn)確 無彈性滑動(dòng) 傳動(dòng)比可大到 10 速 度大到 40m s 負(fù)載能力強(qiáng) 結(jié)構(gòu)緊湊 帶的伸縮率小 此外 帶傳動(dòng)傳動(dòng)平穩(wěn) 噪聲小 不需要潤滑 因此同步帶傳動(dòng)在機(jī)器人中也得到了廣泛的應(yīng)用 本次設(shè)計(jì)參考了這方面的優(yōu)勢 通過查閱書籍確定采用此種結(jié)構(gòu) 3 4 3 手腕電動(dòng)機(jī)的選擇 手腕電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)為兩個(gè) 第一個(gè)主要作用是使手腕實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng) 第二個(gè)主要 作用是使手腕實(shí)現(xiàn)上下擺動(dòng)作用 兩個(gè)電機(jī)都選用 75BYG4503 型號(hào) 如下表 型號(hào) 步距角 相數(shù) 驅(qū)動(dòng) 電壓 V 相電 流 A 靜轉(zhuǎn)距 N M 空載啟 動(dòng)頻率 P P S 空載運(yùn) 行頻率 K P P S 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 kg c m2 相電 感 mH 重 量 kg 75BY G 4501 0 9 1 8 4 50 3 1 5 1200 15 0 9 2 5 1 5 20 3 4 4 手腕軸承的選擇 1 對于與電機(jī)軸相聯(lián)的軸為主動(dòng)軸 軸所受的載荷較小 且為高速軸 根據(jù)已知條件 20 轉(zhuǎn)速較低 主要受徑向力的影響 故選用深溝球軸承 主 要承受一定的雙向軸向載荷 極限轉(zhuǎn)速較高 這類軸承結(jié)構(gòu)緊湊 重量輕 價(jià) 格便宜 供貨方便 應(yīng)用較廣 查手冊 高速軸選用深溝球軸承 62007 2 軸承的校核計(jì)算 兩個(gè) 6012 型軸承轉(zhuǎn)速 1460r min 徑向載荷 Fr1 672N Fr2 356N 軸向載荷 Fa 0 工作時(shí)無沖擊 溫度低于 100 預(yù)壽命 10000h 解 軸承 1 承受的負(fù)載較重 經(jīng)驗(yàn)算軸承 1 的當(dāng)量載荷為 P xFr yFa 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 6012 形軸承 Cr 31500N C0r 24200N 深溝球軸承 X0 0 6 Y0 0 5 P1 xFr1 yFa1 376N 軸承的壽命由公式計(jì)算得 16667 n ftC fpP 16667 1460 1x31500 1 2x376 壽命足夠 3 按彎扭合成強(qiáng)度校核軸的強(qiáng)度 1 繪制軸受力簡圖 圖 a 2 繪制垂直面彎矩圖 圖 b 軸承支承反力 160 3NRAVFLdra2 147 02 98365 982 160 3 1142 3NBrRAV 計(jì)算彎矩 截 面 c 右 側(cè) 彎 矩 1142 3 80 06N mcvMRBVFL7 截 面 c 左 側(cè) 彎 矩 160 3 11 88N m A 3 繪制水平彎矩圖 圖 c 軸 支 承 反 力 1309NRAHFB2t8 截 面 c 處 彎 矩 1309 96 2N mCMRAL47 4 繪制合成彎矩圖 圖 d 21 125 4N mCM22CHV 280 69 95 06N m 5 繪制轉(zhuǎn)矩圖 圖 e T 9 55 9 55 260N mnp310 4103 6 繪制當(dāng)量彎矩圖 圖 f 轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的扭剪應(yīng)力按脈動(dòng)循環(huán)變化 取 0 6 截面 c 處的當(dāng)量彎矩為 202N mecM 22 c 22 7 校核危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度 2 77Mpa 55Mpae 31 0dc390 4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 1 電氣設(shè)備概述 本焊接機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)五個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng) 即 PLC 和光電編碼器相協(xié)調(diào)控制 程序的選擇可在電氣操作的轉(zhuǎn)換由要安裝在機(jī)器的傳感器進(jìn)行控制 4 1 1 電氣控制的變壓系統(tǒng)部分設(shè)計(jì) 根據(jù) PLC 輸出端的特點(diǎn) 本系統(tǒng)共需以下四種電壓 1 作為 PLC 電源的交流 220 伏 22 2 線圈所需電源交流 100 伏 3 電磁鐵所需電源直流 24 伏 4 原點(diǎn)指示燈所需電源交流 6 3 伏 變壓系統(tǒng)的左右兩端均采用空氣斷路器作為短路保護(hù)及長期過載保護(hù) 其 中直流 110 伏需要安裝整流器 4 1 2 電氣控制的部分設(shè)計(jì) 1 PLC 應(yīng)用概述 可編程序控制器 Programmable Controller 簡稱 PC 早期也稱為 PLC Programmaboe Logic Controller 區(qū)別于個(gè)人計(jì)算機(jī)的 PC Personal Computer PLC 是從 60 年代末發(fā)展起來的一種新型的電氣控制裝置 它將傳 統(tǒng)的控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 通信技術(shù)融為一體 以其顯著的優(yōu)點(diǎn)正被廣 泛地應(yīng)用于各種生產(chǎn)機(jī)械和生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制中 傳統(tǒng)的繼電器接觸器控制雖具有其自身的特點(diǎn) 但其控制裝置體積大 動(dòng) 作速度較慢 耗電較大 功能少 特別是由于它靠硬件連線構(gòu)成系統(tǒng) 接線繁 雜 當(dāng)生產(chǎn)工藝或控制對象改變時(shí) 原有的接線和控制盤就必須隨之改變或更 換 通用性和靈活性較差 PLC 的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣 并正在迅速擴(kuò)大 對早期的 PLC 凡是有繼電器 的地方 都可采用 而對當(dāng)今的 PLC 幾乎可以說凡是需要控制系統(tǒng)存在的地 方就需要 PLC 尤其是近幾年來 PLC 的成本下降 功能又不斷增強(qiáng) 所以 目前 PLC 在國內(nèi)外已被廣泛應(yīng)用于冶金 機(jī)械 石油 化工 輕工 電力 建 筑 交通運(yùn)輸?shù)雀餍懈鳂I(yè) 一般來說 小型 PLC 主要用于單機(jī)自動(dòng)化 而大 中型 PLC 則是自動(dòng)生產(chǎn)線上不可缺少的控制部件 PLC 主要有以下幾種控制類型 邏輯控制 模擬控制 機(jī)械加工中心的數(shù) 字控制 工業(yè)機(jī)器人控制 多層分布式控制系統(tǒng)等 2 PLC 的特點(diǎn) 1 可靠性高 抗干擾能力強(qiáng) 如日本三菱公司的 F1 F2 系列 PLC 的平均無故障時(shí)間長達(dá) 30 萬小時(shí) 這 是一般微機(jī)所不能比擬的 與繼電器相比 采用 PLC 控制后 大量的開關(guān)動(dòng)作由無觸點(diǎn)的電子線路來 完成 用軟件程序代替了繼電器見間的繁雜連線 既方便靈活 可靠性也大大 提高了 2 控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單 通用性強(qiáng) PLC 是一種存儲(chǔ)程序的控制器 其輸入和輸出設(shè)備可直接連接在 PLC 的 I O 端 即其輸入端可接無源觸點(diǎn)開關(guān) 其輸出可直接驅(qū)動(dòng)接觸器和電磁閥等執(zhí) 23 行元件 當(dāng)需要改變其控制系統(tǒng)的功能時(shí) 只需改變相應(yīng)的軟件程序 而不必改變 PLC 的硬件設(shè)備 3 編程簡單 使用 維護(hù)方便 目前 大多數(shù)的 PLC 均采用與實(shí)際電路接線圖非常接近的梯形圖編程 這 種編程語言形象直觀 易于掌握 而且 PLC 具有故障檢測 自診斷等功能 能 及時(shí)地查出自身的故障并報(bào)警顯示 使操作人員能迅速地檢查 判斷 排除故 障 具有較強(qiáng)的在線編程能力 維護(hù)十分方便 4 組合方便 功能強(qiáng) 應(yīng)用范圍廣 現(xiàn)代的 PLC 不僅具有邏輯運(yùn)算 定時(shí) 計(jì)數(shù) 步進(jìn)的功能 而且還能完成 A D D A 轉(zhuǎn)換 數(shù)學(xué)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理以及通信聯(lián)網(wǎng) 生產(chǎn)過程控制等 5 體積小 重量輕 功耗低 PLC 的空載功耗約為 1 2W 一臺(tái)收錄機(jī)大小的具有相當(dāng)于三個(gè) 1 8m 高的 繼電器的功能 3 PLC 的分類 PLC 的產(chǎn)品很多 型號(hào)規(guī)格也不統(tǒng)一 通?？砂匆韵氯N情況分類 1 按 PLC 的結(jié)構(gòu)形成分類可分為大 中 小三個(gè)等級(jí) 2 按 PLC 的 I O 點(diǎn)數(shù)分類可分為整體式和模塊式 a 小型 PLC I O 點(diǎn)數(shù)在 256 點(diǎn)以下為小型 PLC b 中型 PLC I O 點(diǎn)數(shù)在 256 點(diǎn)以上 2048 點(diǎn)以下為中型 PLC c 大型 PLC I O 點(diǎn)數(shù)在 2048 點(diǎn)以上為大型 PLC 此外 有時(shí)將 I O 點(diǎn)數(shù)在 64 點(diǎn)以下的稱為微超小型 PLC 3 按 PLC 的功能分類 按 PLC 的功能不同 又可分為高 中 低檔三種 4 PLC 系統(tǒng)的組成 PLC 是以 CPU 為核心的電子系統(tǒng) 實(shí)際上就是一種工業(yè)控制用的專用計(jì)算 機(jī) 它由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成的 一般小型 PLC 的基本單元主要 由 CPU 存儲(chǔ)器 輸入和輸出模塊 電源模塊 I O 擴(kuò)展接口 外設(shè) I O 接口 以及編程器等部分組成 PLC 的軟件系統(tǒng)也包括系統(tǒng)程序和用戶程序 5 PLC 的工作方式 PLC 采用的是周期性循環(huán)掃描的工作方式 PLC 運(yùn)行工作時(shí) CPU 對用戶 程序作周期循環(huán)掃描 在無跳轉(zhuǎn)指令的情況下 CPU 從第一條指令開始順序逐條 地執(zhí)行用戶程序 直到用戶程序結(jié)束 然后又返回第一條指令 開始新的一輪 掃描 在每次掃描過程中 還要完成對輸入信號(hào)的采集和對輸出狀態(tài)的刷新等 24 工作 PLC 就是這樣周而重復(fù)的掃描循環(huán) 4 2 PLC 的應(yīng)用 4 2 1 梯形圖的設(shè)計(jì) PLC 梯形圖的設(shè)計(jì)一般分為以下幾個(gè)步驟 1 對實(shí)際問題進(jìn)行分析 確定哪些是輸入量 確定哪些是輸出量 2 根椐所需的 I O 點(diǎn)數(shù)和控制的復(fù)雜程度進(jìn)行 PLC 選型 PLC 的選型主要從以下幾方面進(jìn)行考慮 1 結(jié)構(gòu)型式的檔次 按照物理結(jié)構(gòu) PLC 分為整體式和模塊式兩種 整體 式一般價(jià)格較低 對于單臺(tái)僅需開關(guān)量控制的設(shè)備 選用小型整體 PLC 就可以 滿足要求 對于復(fù)雜的 要求較高的系統(tǒng) 可考慮采用模塊式中大型機(jī) 這樣 可靈活配置 I O 模塊的點(diǎn)數(shù)的類型 使其具有 A D D A 控制 運(yùn)動(dòng)控制和通 訊聯(lián)網(wǎng)等功能 2 容量 PLC 容量指用戶存儲(chǔ)器容量 程序容量 和 I O 點(diǎn)數(shù)兩方面的 含義 選擇存儲(chǔ)容量可按 25 留出裕量 I O 點(diǎn)數(shù)要 10 15 留出裕量 3 輸出點(diǎn)類型的選用 PLC 可提供 3 種類型的輸出 繼電器輸出 有觸 點(diǎn) 晶體管輸出和晶閘管輸出 無觸點(diǎn) 其中繼電器的輸出的 PLC 價(jià)格便宜 適用的電壓范圍廣 交直流電壓類型均可 承受瞬對過電壓和過電流的能力較 強(qiáng) 對于不頻繁通電的負(fù)載應(yīng)優(yōu)先選用此種 PLC 而對于頻繁通電的負(fù)載 則 應(yīng)采用無觸點(diǎn)開關(guān)輸出 即選用晶體管或晶閘管 3 將輸入量依次分配給輸入繼電器 輸出量依次分配給輸出繼電器 畫出 I O 端子分配圖 4 明確控制對象的控制要求 根據(jù)控制的特點(diǎn)和復(fù)雜程度選用前面介紹的 經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法 狀態(tài)分析法和狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖等四種設(shè)計(jì)方法中的一種進(jìn)行 PLC 梯形 圖的設(shè)計(jì) 5 根據(jù)梯形圖寫出指令 由于在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中選用歐姆龍 C 系列 P 型機(jī) 所以必須了解該機(jī)型的 特點(diǎn)及內(nèi)部資源的分配 該機(jī)型引用了電氣控制系統(tǒng)中的術(shù)語 用繼電器定義 存儲(chǔ)區(qū)中的位 將用戶數(shù)據(jù)區(qū)按繼電器的類型分為 7 大類 即 I O 繼電器區(qū) 內(nèi)部輔助繼電器區(qū) 專用繼電器區(qū) 暫存繼電器區(qū) 保持繼電器區(qū) 定時(shí) 計(jì)數(shù) 繼電器區(qū)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū) 對各區(qū)的訪問采用通道的概念 將各區(qū)劃分為若干連 續(xù)的通道 每個(gè)通道包含 16 個(gè)二進(jìn)制位 用標(biāo)識(shí)符及 1 或 2 個(gè)數(shù)字組成通道 號(hào)來標(biāo)識(shí)各區(qū)的各個(gè)通道 數(shù)據(jù)區(qū)通道號(hào)配如表所示 25 專用繼電器中在本次設(shè)計(jì)中用到繼電器 1815 其內(nèi)部編號(hào)從 1808 到 1815 再從 1900 到 1907 共 16 個(gè)專用內(nèi)部輔助繼電器 繼電器 1815 實(shí)現(xiàn)功 能為當(dāng)可編程序控制器開始運(yùn)行時(shí) 接通 ON 一個(gè)掃描周期 作初始化處理 4 2 2 用功能表圖表示控制過程 如圖所示 用 L 激活初步后 通過方式選擇開關(guān) SA3 建立半自動(dòng)和點(diǎn)動(dòng)兩 26 個(gè)序列 當(dāng) SA3 斷開時(shí) 通過它的動(dòng)斷觸點(diǎn)進(jìn)入半自動(dòng)工作方式 按夾緊按鈕 系統(tǒng)按轉(zhuǎn)臺(tái) 大臂 小臂 腕轉(zhuǎn) 腕擺 送絲的順序?qū)崿F(xiàn)半自動(dòng)循環(huán) 循環(huán)的最后工 步完成后 就返回到預(yù)備狀態(tài) 以備下次再做半自動(dòng)或點(diǎn)動(dòng)操作時(shí)能順利進(jìn)行 用內(nèi)部輔助繼電器 1000 1001 1002 1014 分別代替工步 4 2 3 I O 分配表與配線圖 根據(jù)控制要求 可將輸入 輸出元件按下圖分類并分配相應(yīng)的 I O 點(diǎn) 如下 所示 0560578送 絲手 動(dòng) 指 示 燈自 動(dòng) 指 示 燈輸 入 輸 出器 件 名 稱 點(diǎn) 號(hào) 器 件 名 稱 點(diǎn) 號(hào)啟 動(dòng) 02 05105234停 止 01轉(zhuǎn) 臺(tái) 旋 轉(zhuǎn)大 臂 擺 動(dòng)小 臂 擺 動(dòng)手 腕 擺 動(dòng)手 腕 轉(zhuǎn) 動(dòng)工 作 指 示 燈 SQ1 SB12轉(zhuǎn) 臺(tái) 角 度 傳 感 器大 臂 轉(zhuǎn) 動(dòng) 傳 感 器小 臂 擺 動(dòng) 傳 感 器手 腕 擺 動(dòng) 傳 感 器手 腕 轉(zhuǎn) 動(dòng) 傳 感 器工 件 檢 測 光 電 開 關(guān)自 動(dòng)手 動(dòng) SA1 2腕 擺 手 動(dòng) 控 制腕 轉(zhuǎn) 手 動(dòng) 控 制小 臂 手 動(dòng) 控 制大 臂 手 動(dòng) 控 制轉(zhuǎn) 臺(tái) 手 動(dòng) 控 制 SB 76 SB54 SB3 2 SQ34 SQ560 015401320109807送 死 手 動(dòng) 控 制 8 M12M34M5 6HL12HL3 27 配線圖如下 023045067 08901012301450534050567058C40P01COM0512 SB12 SB87 SQ65 SQ43 SQ2 SB34 SB56A1 21DC24VCOM M2134M56MHL21DC24V3COMCOM 4 2 4 寫出梯形圖 0912182110轉(zhuǎn) 臺(tái) 旋 轉(zhuǎn)大 臂 擺 動(dòng)0303 28 104106 TIM018 3105107 10291039 10807送 絲 104041050510606107108 延 時(shí) 05TIM 05轉(zhuǎn) 臺(tái) 旋 轉(zhuǎn)051手 腕 擺 動(dòng) 小 臂 擺 動(dòng)手 腕 轉(zhuǎn) 動(dòng) 101104129 052大 臂 擺 動(dòng)小 臂 擺 動(dòng) 29 105390534108569054送 絲腕 轉(zhuǎn)腕 擺10605870手 動(dòng) 指 示 燈自 動(dòng) 指 示 燈工 作 指 示 燈END 1 4 2 5 鍵盤及顯示 8279 芯片是一種通用的可編程序的鍵盤 顯示接口器件 單個(gè)芯片就能完 成鍵盤輸入和 LED 顯示控制兩種功能 鍵盤部分提供的掃描方式 可以和具有 64 個(gè)按鍵成傳感器的陣列相連 能自動(dòng)消除開關(guān)抖動(dòng)以及 n 鍵同時(shí)按下的保護(hù) 顯示部分按掃描方式工作 可以顯示 8 或 16 位 LED 顯示塊 8279 的引腳及功能如圖所示 D0 D7 數(shù)據(jù)總線 雙向 三態(tài)總線和系統(tǒng)數(shù)據(jù)相連 用于 CPU 和 8279 間的數(shù)據(jù) 命令傳送 CLK 系統(tǒng)時(shí)鐘 輸入線 為 8279 提供內(nèi)部時(shí)鐘的輸入端 RESET 復(fù)位 輸入線 當(dāng) RESET 1 時(shí) 827