5自由度焊接机器人设计说明书.doc

毕业设计说明书2008届 5自由度焊接机器人总体及大臂与腰部设计学生姓名 学 号 院 系 工学院机电系 专 业 机械设计制造及其自动化指导教师 iv5自由度焊接机器人总体及大臂与腰部设计 摘要 据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有将近一半的工业机器人用于各种形式的焊接加工领域，焊接机器人应用中最普遍的主要有两种方式，即点焊和电弧焊。我们所说的焊接机器人其实就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。这些焊接机器人中有的是为某种焊接方式专门设计的，而大多数的焊接机器人其实就是通用的工业机器人装上某种焊接工具而构成的。在多任务环境中，一台机器人甚至可以完成包括焊接在内的抓物、搬运、安装、焊接、卸料等多种任务，因此，从某种意义上来说，工业机器人的发展历史就是焊接机器人的发展历史。 众所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平；另一方面，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作。工业机器人的出现使人们自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，减轻焊工的劳动强度，同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率。本次我所设计的机器人为五自由度弧焊机器人。本说明书对本次设计的主要考虑内容进行了叙述和讲解，包括机器人的总体设计以及传动系统的构成与设计，电动机的选择，圆锥齿轮的设计与校核，谐波减速器的原理以及选择，腕部转动轴的校核，齿形带规格的选择以及滚动轴承的选择与校核等。由于设计经验不足以及理论知识的匮乏，本次设计肯定存在许多不足之处，望答辩老师谅解并不吝赐教。关键词 焊接机器人；齿形带传动；谐波减速器；五自由度design 5 degree-of-freedom welding robot overall and big arm and waist abstrctaccording to incomplete statistics, nearly half of the worlds industrial robots in service are used for welding. the most common application of welding robot are in two main ways, spot welding and arc welding. the welding robot we are talking about is actually industrial robots which are doing the work in the welding tasks instead of welding production welder. some of this welding robot is specially designed for welding while most of them are actually a common industrial robot fitted with a welding tool. in multi-task environment, a robot can even complete many kinds of work including the grasp of welding, handling, installation, welding, unloading and other tasks,. therefore, in a sense, the history of the development of industrial robots is the history of the development of welding robot. it is well known that the welding processing on one hand requires on skilled operational skills, rich practical experience and stable level of welding; on the other hand, welding is a work with poor working conditions, dust, and heat radiation and high-risk. the emergence of industrial robots first makes people naturally think of using it to replace the manual welding to reduce labor intensity. but also it ensures the welding quality and enhances the efficiency of welding. the robot i designed is a dof arc welding robot. the design statement mainly include design of robots drive system and the its composition, the choice of motor, design of bevel gear and verification, the principle of harmonic reducer and its choice, wrist check the department of rotational axis, the choice of rolling bearings and its checking and so on.key words welding robot; profile belt transmission; harmonic reducer; 5-dof 目录中文摘要 英文摘要 目录 前言 1 1 绪论 3 2 毕业设计基本思路 4 2.1总体所涉及思路及内容 5 2.2设计传动方案 5 3 焊接机器人腰部与大部设计 7 3.1 腰部结构设计 7 3.1.1 电动机的选择 7 3.1.2 谐波减速器介绍及选择 8 3.1.3 轴的设计与校核 10 3.1.4 轴承的设计计算与核 113.1.5 齿轮设计计算与校核 123.2 大臂结构设计 153.2.1 电动机的选择 153.2.2 谐波减速器的选择 15 3.2.3 轴的设计与校核 164总 18参考文献 19致谢 20前言 焊接机器人之所以能够占据整个工业机器人总量的40%以上，与焊接这个特殊的行业有关，焊接作为工业“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，同时由于焊接烟尘、弧光、金属飞溅的存在，焊接的工作环境又非常恶劣，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响。归纳起来采用焊接机器人有下列主要意义： （1）稳定和提高焊接质量,保证其均一性。焊接参数如焊接电流、电压、焊接速度及焊接干伸长度等对焊接结果起决定作用。采用机器人焊接时对于每条焊缝的焊接参数都是恒定的，焊缝质量受人的因素影响较小,降低了对工人操作技术的要求，因此焊接质量是稳定的。而人工焊接时，焊接速度、干伸长等都是变化的，因此很难做到质量的均一性。 （2）改善了工人的劳动条件。采用机器人焊接工人只是用来装卸工件，远离了焊接弧光、烟雾和飞溅等，对于点焊来说工人不再搬运笨重的手工焊钳，使工人从大强度的体力劳动中解脱出来。 （3）提高劳动生产率。机器人没有疲劳，一天可24小时连续生产，另外随着高速高效焊接技术的应用，使用机器人焊接，效率提高的更加明显。 （4）产品周期明确，容易控制产品产量。机器人的生产节拍是固定的，因此安排生产计划非常明确。 （5）可缩短产品改型换代的周期,减小相应的设备投资。可实现小批量产品的焊接自动化。机器人与专机的最大区别就是他可以通过修改程序以适应不同工件的生产。 我国开发工业机器人晚于美国和日本，起于20世纪70年代，早期是大学和科研院所的自发性的研究。到80年代中期，全国没有一台工业机器人问世。而在国外，工业机器人已经是个非常成熟的工业产品，在汽车行业得到了广泛的应用。鉴于当时的国内外形势，国家“七五”攻关计划将工业机器人的开发列入了计划，对工业机器人进行了攻关，特别是把应用作为考核的重要内容，这样就把机器人技术和用户紧密结合起来，使中国机器人在起步阶段就瞄准了实用化的方向。与此同时于1986年将发展机器人列入国家“863”高科技计划。在国家“863”计划实施五周年之际，邓小平同志提出了“发展高科技，实现产业化”的目标。在国内市场发展的推动下，以及对机器人技术研究的技术储备的基础上，863主题专家组及时对主攻方向进行了调整和延伸，将工业机器人及应用工程作为研究开发重点之一，提出了以应用带动关键技术和基础研究的发展方针，以后又列入国家“八五”和“九五”中。经过十几年的持续努力，在国家的组织和支持下，我国焊接机器人的研究在基础技术、控制技术、关键元器件等方面取得了重大进展，并已进入使用化阶段，形成了点焊、弧焊机器人系列产品，能够实现小批量生产。 我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早用户。早在70年代末，上海电焊机厂与上海电动工具研究所，合作研制的直角坐标机械手，成功地应用于上海牌轿车底盘的焊接。“一汽”是我国最早引进焊接机器人的企业，1984起先后从kuka公司引进了3台点焊机器人，用于当时“红旗牌”轿车的车身焊接和“解放牌”车身顶盖的焊接。1986年成功将焊接机器人应用于前围总成的焊接，并于1988年开发了机器人车身总焊线 。 80年代末和90年代初，德国大众公司分别与上海和一汽成立合资汽车厂生产轿车，虽然是国外的二手设备，但其焊接自动化程度与装备水平，让我们认识到了与国外的巨大差距。随后二汽在货车及轻型车项目中都引进了焊接机器人。可以说90年代以来的技术引进和生产设备、工艺装备的引进使我国的汽车制造水平由原来的作坊式生产提高到规模化生产，同时使国外焊接机器人大量进入中国。由于我国基础设施建设的高速发展带动了工程机械行业的繁荣，工程机械行业也成为较早引用焊接机器人的行业之一。近年来由于我国经济的高速发展，能源的大量需求，与能源相关的制造行业也都开始寻求自动化焊接技术，焊接机器人逐渐崭露头角。铁路机车行业由于我国货运、客运、城市地铁等需求量的不断增加，以及列车提速的需求，机器人的需求一直处于稳步增长态势。据2001年统计，全国共有各类焊接机器人1040台，汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接机器人的76%。在汽车行业中点焊机器人与弧焊机器人的比例为3：2，其他行业大都是以弧焊机器人为主，主要分布在工程机械（10%）、摩托车（6%）、铁路车辆（4%）、锅炉（1%）等行业。焊接机器人也主要分布在全国几大汽车制造厂， 从图1中还能看出，我国焊接机器人的行业分布不均衡，也不够广泛。 进入21世纪由于国外汽车巨头的不断涌入，汽车行业迅猛发展，我国汽车行业的机器人安装台数迅速增加，2002、2003、2004年每年都有近千台的数量增长。估计我国目前焊接机器人的安装台数在4000台左右。汽车行业焊接机器人所占的比例会进一步提高。 目前在我国应用的机器人主要分日系、欧系和国产三种。日系中主要有安川、otc、松下、fanuc、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的kuka、cloos、瑞典的abb、意大利的comau及奥地利的igm公司。国产机器人主要是沈阳新松机器人公司产品。 目前在我国虽然已经具有自主知识产权的焊接机器人系列产品，但却不能批量生产，形成规模，有以下几个主要原因： 国内机器人价格没有优势。近10年来，进口机器人的价格大幅度降低，从每台7-8万美元降低到2-3万美元，使我国自行制造的普通工业机器人在价格上很难与之竞争。特别是我国在研制机器人的初期，没有同步发展相应的零部件产业，如伺服电机、减速机等需要进口，使价格难以降低，所以机器人生产成本降不下来；我国焊接装备水平与国外还存在很大差距，这一点也间接影响了国内机器人的发展。对于机器人的最大用户-汽车白车身生产厂来说，目前几乎所有的装备都来从国外引进，国产机器人几乎找不到表演的舞台。 我们应该承认国产机器人无论从控制水平还是可靠性等方面与国外公司还存在一定的差距。国外工业机器人是个非常成熟的工业产品，经历了30多年的发展历程，而且在实际生产中不断地完善和提高，而我国则处于一种单件小批量的生产状态。 国内机器人生产厂家处于幼儿期，还需要政府政策和资金的支持。焊接机器人是个机电一体化的高技术产品，单靠企业的自身能力是不够的，需要政府对机器人生产企业及使用国产机器人系统的企业给予一定的政策和资金支持，加速我国国产机器人的发展。 在“十五”期间，我国曾把包括焊接机器人在内的示教再现型工业机器人的产业化关键技术作为重点研究内容之一，其中包括焊接机器人。把弧焊与点焊机器人作为负载不同的一个系列机器人，可兼作弧焊、点焊、搬运、装配、切割作业，产品的标准化、通用化、模块化、列化设计。弧焊机器人用激光视觉焊缝跟踪装置的开发、激光发射器的选用、成像系统、视觉图像处理技术、视觉跟踪与机器人协调控制、焊接机器人的离线示教编程及工作站系统动态仿真等。在新的历史时期，面对新的机遇和挑战，只有一方面紧跟世界科技发展的潮流，研究与开发具有自主知识产权的基础制造装备。另一方面，仍然通过引进和消化，吸收一些现有的先进技术!尽快缩短和别人的差距，并通过应用研究和二次开发，实现技术创新和关键设备的产业化，提高我国制造业在国际舞台上的地位。1. 绪论些图是整个焊接系统的示意图: 5自由度焊接机器人系统由弧焊机器人，焊接电源，焊枪送丝机构，回转双工位变位机，工件夹具和控制系统组成。2我的毕业设计基本思路2.1总体设计思路及内容本次设计的机器人是五自由度、关节型焊接机器人。自由度高，采用直流伺服电机驱动、微机控制，结构紧凑，工作范围大，动作灵活，不仅用于弧焊作业，还可以用于搬运和装配作业。腰部和大、小臂的传动采用谐波传动，腕摆和腕转除采用谐波齿轮外还均采用齿形带传动和锥齿轮传动，传动比准确，精度高，结构紧凑，耐油、耐磨性好。大臂上装有气动平衡机构，使大臂驱动力矩减小，且使示教操作轻便。本次设计的焊接机器人的结构图如下图所示：1 机座 2转台 3腰座 4腕部 5小臂 6大臂图1-1焊接机器人结构图设计内容主要是5自由度焊接机器人的工作原理设计，腰部与大臂主要机构的设计与计算,主要零部件的设计与校核，装配图的绘制以及主要零部件图纸绘制等。2.2设计传动方案腰部传动由伺服电机传出动力一路传递到谐波减速器，再传递到轴，轴通过轴承固定，再通过齿轮机构带动整个腰部机构运动。大臂传动由伺服电机传出动力一路传递到谐波减速器，再传递到大臂轴，轴通过轴承固定，通过大臂轴带动平衡汽缸运动实现整个大臂机构运动。3焊接机器人大臂与腰部设计3.1腰部的设计3.1.1电动机选择：由查表得，以及考虑到安全系数s,一般取s=1.5，大致确定p至少大于1kw有下表可选取合适的电动机。综合以上数据130syx-01型号伺服电机，其参数如下：额定功率=1.2kw额定转矩=4n/m额定转速=3000r/min额定电压=160v额定电流=9.4a峰值转矩=32n/m电枢电阻=0.2电框电感=3.2mh3.1.2谐波齿轮减速器的选择 谐波齿轮减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器。谐波齿轮传动（简称谐波传动），它是依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动的一种行星齿轮传动。 谐波齿轮减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器。谐波齿轮传动（简称谐波传动），它是依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动的一种行星齿轮传动。 （1） 传动原理 它主要由三个基本构件组成：（1）带有内齿圈的刚性齿轮（刚轮）2，它相当于行星系中的中心轮； （2）带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮）1，它相当于行星齿轮；（3）波发生器h，它相当于行星架。 当波发生器为主动时，凸轮在柔轮内转动，就近使柔轮及薄壁轴承发生变形（可控的弹性变形），这时柔轮的齿就在变形的过程中进入（啮合）或退出（啮离）刚轮的齿间，在波发生器的长轴处处于完全啮合，而短轴方向的齿就处在完全的脱开。 波发生器通常成椭圆形的凸轮，将凸轮装入薄壁轴承内，再将它们装入柔轮内。此时柔轮由原来的圆形而变成椭圆形，椭圆长轴两端的柔轮与之配合的刚轮齿则处于完全啮合状态，即柔轮的外齿与刚轮的内齿沿齿高啮合。这是啮合区，一般有30%左右的齿处在啮合状态；椭圆短轴两端的柔轮齿与刚轮齿处于完全脱开状态，简称脱开；在波发生器长轴和短轴之间的柔轮齿，沿柔轮周长的不同区段内，有的逐渐退出刚轮齿间，处在半脱开状态，称之为啮出。 波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，此时波发生器的连续转动，就使柔轮齿的啮入啮合啮出脱开这四种状态循环往复不断地改变各自原来的啮合状态。这种现象称之错齿运动，正是这一错齿运动，作为减速器就可将输入的高速转动变为输出的低速转动。 对于双波发生器的谐波齿轮传动，当波发生器顺时针转动1/8周时，柔轮齿与刚轮齿就由原来的啮入状态而成啮合状态，而原来脱开状态就成为啮入状态。同样道理，啮出变为脱开，啮合变为啮出，这样柔轮相对刚轮转动（角位移）了1/4齿；同理，波发生器再转动1/8周时，重复上述过程，这时柔轮位移一个齿距。依此类推，波发生器相对刚轮转动一周时，柔轮相对刚轮的位移为两个齿距。 柔轮齿和刚轮齿在节圆处啮合过程就如同两个纯滚动（无滑动）的圆环一样，两者在任何瞬间，在节圆上转过的弧长必须相等。由于柔轮比刚轮在节圆周长上少了两个齿距，所以柔轮在啮合过程中，就必须相对刚轮转过两个齿距的角位移，这个角位移正是减速器输出轴的转动，从而实现了减速的目的。 波发生器的连续转动，迫使柔轮上的一点不断的改变位置，这时在柔轮的节圆的任一点，随着波发生器角位移的过程，形成一个上下左右相对称的和谐波，故称之为：“谐波”。（二）特点 1承载能力高 谐波传动中，齿与齿的啮合是面接触，加上同时啮合齿数（重叠系数）比较多，因而单位面积载荷小，承载能力较其他传动形式高。 2传动比大 单级谐波齿轮传动的传动比，可达 i=70500。 3体积小、重量轻。 4传动效率高、寿命长。 5传动平稳、无冲击，无噪音，运动精度高。6由于柔轮承受较大的交变载荷，因而对柔轮材料的抗疲劳强度、加工和热处理要求较高，工艺复杂。谐波减速器在国内于六七十年代才开始研制，到目前已有不少厂家专门生产，并形成系列化。广泛应用于电子、航天航空、机器人等行业，由于它的独特优点，在化工行业的应用也逐渐增多。（三）减速器的选择根据电动机的参数，有机械设计手册表15-2-129查表选出谐波减速器型号为：xb1-120-150。xb1为产品代号，120机型，150表示减速比。其参数为：输入功率=1.25kw输入转速=3000r/min输出转矩=450n/m输出转速=20r/min3.1.3轴的计算（一）轴材料选择轴的材料选用45钢，调质处理，=360 mpa。（二）轴的校核轴因为是竖直的，本身自重可以忽略不计，弯矩作用可以忽略，看成轴只受扭矩作用。故只对轴扭矩进行校核。对轴进行简化计算： 从齿轮计算中得到转矩t=3820n.mm，得到的扭矩图：有图可知，危险截面在c面。在c面：扭转应力：=53*53*53*3.14/16=29217 m =t/=3820 /29217=0.13 mpa 在c无须进行弯转应力校核，也无须根据第三强度理论进行强度校核。轴的材料选用45钢，调质处理，=360 mpa，远远大于最大应力，故合适。3.1.4 轴承选择并校核机构中有多个轴承，现在选取一圆锥滚子轴承校核。简图如下：(1) 验算轴承平均压力p(单位为mpa) =247n=0.24mpa式中：b轴承宽度，mm(根据宽径比b/d确定) p轴瓦材料的许用压力，单位为mpa(2) 验算轴承的pv值(单位为mpam/s)pv=0.240.17=0.0408mpam/sv轴径圆周速度，即滑动速度，m/spv轴承材料的pv许用值，mpam/s3.验算滑动速度v(单位为m/s)v=0.17m/sv为许用滑动速度，单位为m/s根据这些数据查机械设计第七版表12-2选择轴承为耐磨铸铁ht300。滑动轴承和轴承座的配合为过渡配合，定为，it6=13,it7=21基准孔h7的下偏差ei=0,上偏差为es=ei+it7=+0.021轴瓦m的下偏差ei=0.008,es=ei+it6=0.021由此得，。滑动轴承和轴的配合为间隙配合，定为，it6=13,it7=21基准轴h6的上偏差es=0,下偏差为ei=esit6=(013)=13孔h7的下偏差ei=0孔h7的上偏差es=ei+it7=21由此得，。，3.1.5 齿轮的设计与校核齿轮参数计算及其校核： 材料：高速级小齿轮选用钢调质，齿面硬度为250hbs。高速级大齿轮选用钢正火，齿面硬度为220hbs。 齿轮计算，查课本表得: 。 材料弹性系数z z=189.8(n/mm)（表15-17） 重合度系数z=（4-）/3）=0.9（表15-18） 节点区域系数z z=2.5(图15-22) 螺旋角系数z z=1 (式15-34) 计算应力循环次数n：n=60njl=605001811250=6.6108n= n/i=6.610/4.2=1.571108 表10-4得： 。故 。查课本表10-21图得： 。故 。由设计计算公式（10-9a）进行试算即 转矩 载荷系数k:k= kkkk 7级精度制造，查课本表10-3得：载荷系数，取齿宽系数 计算中心距： 考虑计算原因取 则取 传动比：i=齿宽：取大齿轮： ,小齿轮： 大端分度圆直径 d=m=436=144，d=m=471=284齿顶圆直径 d= d+2mcos=144+6cos13.3924=236.87，d= d+2mcos=284+6cos76.6076=295.900齿根圆直径d= d-2.4mcos=63-2.4cos13.3924=55.966d= d-2.4mcos2=276-2.4cos76.6076=86.532齿轮锥距 r=1/2=135.998大端圆周速度 v=dn/60000=3.1463500/60000=1.649m/s，齿宽b= 0.4135.998=64.14选齿轮精度为7级=（0.10.2）r=（0.10.2）305.500=30.0560.1取=10，=14,c=10轮宽 l=（0.10.2）d=（0.10.2）93=12.4l=（0.10.2）d=（0.10.2）291=39 按齿面接触强度设计： 所以安全。 验算轮齿弯曲强度： 查课本表10-5得： 最小齿宽计算： 所以安全。查课本第162页表11-2知选用7级的的精度是合适的。以上课本为 机械设计（第七版）。3.2大臂的设计3.2.1电动机选择：电动机功率计算：以上是大致受理图，得出电机需带动的扭矩。t=cos*f*s=cos*12*10*/1000=78n/mt=9550*p/nn=60r/min所以输出功率p=t*n/9550=78*60*9550=0.49kw=490w。因为功率经过整个传动系统后不变，所以电机至少需要也为490w,即0.49kw。考虑到安全系数s,一般取s=1.5，所以p至少大于1.5*0.49=0.735kw有下表可选取合适的电动机。3.2.2谐波齿轮减速器的选择根据电动机的参数，有机械设计手册表15-2-129查表选出谐波减速器型号为：xb1-100-125。xb1为产品代号，120机型，150表示减速比。其参数为：输入功率=0.777kw输入转速=3000r/min输出转矩=240/m输出转速=24r/min3.2.3轴的计算一、轴的结构设计根据轴承的要求和机构本身的性能要求，等到轴的尺寸如附图：轴的材料选用45钢，调质处理，=360 mpa。二、轴的校核轴本身自重可以忽略不计，弯矩作用可以忽略，看成轴只受扭矩作用,故只对轴扭矩进行校核。a,b处为相同两个槽，受扭矩相同，c处也是受扭矩影响大之处。故腰对b,c两处进行校核。对轴进行简化计算： 从电动机计算中得到转矩t=2387.5n.mm，计算a,b处扭矩为3119n.mm得到的扭矩图： 有图可知，其受理情况一直，每处受到扭矩一样，故可随机选取一点。在b面：=1717173.14/16=964mm。=t/=6238/964=6.47mpa 在c面：扭转应力：=72*72*72*3.14/16=73249.92 m =t/=2387.5 /73249=0.03 mpa 在c无须进行弯转应力校核，也无须根据第三强度理论进行强度校核。轴的材料选用45钢，调质处理，=360 mpa，远远大于最大应力，故合适。4总结经过六个月的不懈努力，我的毕业设计终于接近尾声了。在做毕业设计之前，我就深知其重要性。他是大学教学的最后一个环节，对毕业生在大学所学知识的一次综合运用，是保证毕业生质量的必然要求。所以我认真地去完成其中的每一个细节，包括设计中的设计原理、计算、图纸及撰写设计说明书等。不懂就去查质料，去请教老师和同学。不放过其中不懂的知识点。经过毕业设计之后，我更加深刻地体会到了毕业设计的重要意义。通过毕业设计，我对大学四年所学的理论知识和基本技能作了一次综合运用。对许多以前所学的专业知识进行了系统复习。包括：理论力学、材料力学、机械原理、机械零件、机械设计、机械制造、互换性与测量技术、机械制图、autocad计算机绘图、solidworks三维实体建模、机电传动控制、微机控制原理、机电一体化系统设