焊接机械手的结构设计开题报告.doc

毕业设计(论文)开题报告题目：焊接机械手的结构设计系别机电信息系专业机械设计制造及其自动化班级姓名学号导师2012年12月23日毕业设计（论文）综述背景和研究意义:机器人的机械设计与一般的机械设计相比，既具有类似性，又有其独特性。从机构学的角度来看，机器人的机械结构可看作是一系列连杆通过旋转关节、移动关节连接起来的开式运动链。与一般机构相比，机器人的开链结构型式具有灵巧性和空间可达性等，但由于开链式结构实际上是一系列悬臂杆件串联而成的，机械误差和弹性变形的累计，影响机器人的刚度和精度。因此，机器人的机械设计既要满足强度要求，又要考虑刚度和精度。另一方面，机器人的机械结构，特别是关节传动系统，是整个机器人伺服系统中的一个组成部分，无论是结构的紧凑性、灵巧性，还是在运动时的稳定性、快速性等伺服性能，都比一般机构有更高的要求。对焊接机械手的结构设计进行研究，目的是寻找在不同要求下最优的机械结构，以最大效益的满足生产需要。国内外相关研究情况:点焊机器人虽然有多种结构形式，但大体上都可以分为3大组成部分，即机器人本体、点焊焊接系统及控制系统。目前应用较广的点焊机器人，其本体形式为直角坐标简易型及全关节型。前者可具有13个自由度，焊件及焊点位置受到限制；后者具有56个自由度，能在可到达的工作区间内任意调整焊钳姿态，以适应多种形式结构的焊接。焊接机器人基本上都属于电动机驱动的工业机器人、液压驱动的工业机器人这两类工业机器人，弧焊机器人大多采用电动机驱动机器人，因为焊枪重量一般都在10kg以内。点焊机器人由于焊钳重量都超过35kg。也有采用液压驱动方式的，因为液压驱动机器人抓重能力大，但大多数点焊机器人仍是采用大功率伺服电动机驱动，因它成本较低，系统紧凑。工业机器人是由机械手、控制器、驱动器和示教盒4个基本部分构成。对于电动机驱动机器人，控制器和驱动器一般装在一个控制箱内，而液压驱动机器人，液压驱动源单独成一个部件，现分别简述如下：机械手机器人机械手又称操作机，是机器人的操作部分，由它直接带动末端操作器。实现各种运动和操作，它的结构形式多种多样，完全根据任务需要而定，其追求的目标是高精度、高速度、高灵活性、大工作空间和模块化。现在工业机器人机械手的主要结构形式有如下3种：1、机床式这种机械手结构类似机床。其达到空间位置的3个运动。是由直线运动构成，其末端操作器的姿态由旋转运动构成，这种形式的机械手优点是运动学模型简单，控制精度容易提高；缺点是机构较庞大，占地面积大、工作空间小。简易和专用焊接机器人常采用这种形式。2、全关节式这种机械手的结构类似人的腰部和手部，其位置和姿态全部由旋转运动实现。这是工业机器人机械手最普遍的结构形式。其特点是机构紧凑、灵活性好、占地面积小、工作空间大，缺点是精度高、控制难度大。偏置式与正置式的区别是手腕关节置于小臂的外侧或小臂活动范围，但其运动学模型要复杂一些。目前焊接机器人主要采用全关节式机械手。3、平面关节式这种机械手的机构特点是上下运动由直线运动构成，其他运动均由旋转运动构成。这种结构在垂直方向刚度大，水平方向又十分灵活，较适合以插装为主的装配作业，所以被装配机器人广泛采用。机器人机械手的具体结构虽然多种多样，但都是由常用的机构组合而成。现以美国PUMA机械手为例来简述其内部机构，它是由机座、大臂、小臂、手腕4部分构成，机座与大臂、大臂与小臂、小臂与手腕有3个旋转关节，以保证达到工作空间的任意位置，手腕中又有3个旋转关节：腕转、腕曲、腕摆，以实现末端操作器的任意空间姿态。手腕的端部为一法兰，以连接末端操作器。每个关节都由一台伺服电动机驱动，PUMA机械手是采用齿轮减速、杆传动，但不同厂家采用的机构不尽相同，减速机构常用的是4种方式：齿轮、谐波减速器、滚珠丝杠、蜗轮蜗杆。传动方式有杆传动、链条传动、齿轮传动等。其技术关键是要保证传动双向无间隙(即正反传动均无间隙)，这是机器人精度的机械保证，当然还要求效率高，机构紧凑。主要内容及研究方案、研究方法或措施主要内容：本设计研究汽车车身焊接的机械手，以完成汽车的车身、底盘等重要部位的焊接工作。进行机械手的原理方案设计，比较并提出系统的总体方案。根据技术要求进行系统的结构设计，同时对焊接机械手的驱动系统、机械手和焊接设备的机械接口等内容进行设计。技术要求：腰部回转最大角度280度；摆动最大角度120度；直线位移范围0-450mm，研究方案、研究方法或措施：先把本设计模块化处理，它包含选型（坐标型式），腰部回转，手臂俯仰，直线位移，焊枪与手臂结合5部分。细化每部分的设计思路如下表：1234坐标型式直角坐标式圆柱坐标式球坐标式关节式腰部回转齿轮传动蜗轮蜗杆带传动手臂俯仰齿轮传动蜗轮蜗杆带传动直线位移齿条传动液压传动气压传动滚珠丝杠副焊枪手臂结合夹持式吸附式如图可得：可能采用的方案共：4x3x3x4x2=288种本设计研究汽车车身焊接的机械手，以完成汽车的车身、底盘等重要部位的焊接工作。方案一：直角坐标式机械手，蜗轮蜗杆传动，直线位移液压传动，焊枪手臂结合吸附式。方案二：关节式机械手，齿轮传动，直线位移滚珠丝杠副。焊枪手臂夹持式。方案三：直角坐标式机械手，齿轮传动，直线位移齿条传动，焊枪手臂结合夹持式。方案四：球坐标式机械手，齿轮传动，直线位移气压传动，焊枪手臂结合吸附式。本设计中要求腰部回转和手臂俯仰，加工范围较大；尽可能减少机体空间更优；并要求进行电焊，因此对位置精度要求较高；焊枪要长时间工作。因此选用方案二为最优方案。本课题研究的重点及难点，前期已开展工作重点：1、原理方案的确定2、主要参数的确定3、机身的结构设计与校核难点：各个部分的准确定位；合理的机械结构以满足设计要求；前期已开展工作：在对焊接机械手有足够的了解之后，对设计提出构想，初步构想如图：在设计中，机械手的关节均采用转动关节的形式，每个关节由两个箱体所组成。两个箱体之间安装有能够承受径向和轴向载荷的深沟球轴承，通过轴承的传递实现一个相对转动，即能实现一个转动的自由度。由于电机转速过快，需要减速。因此箱体内部集成了一个谐波减速器，电机安装在与箱体1相连的连杆A内部，电机转子的转动通过谐波减速器减速传递到箱体2，箱体2带动与其相连的连杆B实现转动。关节传动原理如图所示：