焊接机器人设计(共29页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上摘 要随着科技的发展和工业需求的增加，焊接技术在工业生产中所占据的分量越来越大，而且焊接技术的优良程度直接影响着零件或产品的质量。国内焊接机器人应用虽已具有一定规模，但与我国焊接生产总体需求相差甚远。因此，大力研究并推广焊接机器人技术势在必行。 本设计的重点是运用机械原理和机械制造装备设计方法设计焊接机器人的实践和方法。本次设计，是在了解焊接机器人在国内外现状的基础上，进而掌握焊接机器人内部结构和工作原理，并对手臂和腕部进行结构设计。合理布置了各个组件。同时了解机器人机械系统运动学及运动控制学。为工业上焊接机器人的设计提供理论参考、设计参考和数据参考，为工业

2、设计者提供设计理论和设计实践的参考。该机器人具有刚性好，位置精度高、运行平稳的特点。关键字：焊接机器人  传动系统  机械机构设计AbstractWith the development of technology and the increase in industrial demand, welding in industrial production occupied more and more weight, and excellent welding technology directly affects the degree of the q

3、uality of parts or products.Although the domestic application of welding robot with a certain scale, but falls far short of the overall demand for welding.Therefore, great efforts to study and promote the welding robot technology is imperative.The focus of this design is the use of mechanical theory

4、 and design of machinery and equipment design and methods of practice welding robot.The design of the welding robot in understanding the basis of the status quo at home and abroad, and then grasp the welding robot and working principle of the internal structure, and structural design of the arm and

5、wrist.Rational arrangement of the hydraulic cylinder.At the same time understand the robot mechanical system kinematics and motion control study.For the design of industrial welding robots to provide a theoretical reference, reference and data reference design for industrial designers and design pra

6、ctice, design theory reference.The robot has a good rigidity, high precision location, stable characteristics.Keyword：Welding  robot：；Transmission system；Mechanical structure design；目录专心-专注-专业绪 论QQ: 、 全套图纸及说明书，英文翻译可获取。第1章 焊接机械手的总体方案设计1.1 概述焊接是制造工业中最重要的工艺技术之一.它在机械制造,核工业,航空航天能源交通,石油化工及建

7、筑和电子等行业中的应用越来越广.随着科学技术的发展,焊接已从简单的构件连接方法和毛坯制造手段发展成为制造行业中一项基础工艺和生产尺寸精确的制成品的生产手段.传统的手工焊接已不能满足现代高技术产品制造的质量,数量要求.因此保证焊接产品质量的稳定性,提高生产率和改善劳动条件已成为现代焊接制造工艺发展亟待解决的问题.从21世纪先进制造技术的发展要求看,焊接自动化生产已是必然趋势.焊接机器人主要优点如下:1)稳定和提高焊接质量,保证其均匀性;2)提高劳动生产率,一天可24小时连续生产3)改善工人劳动条件,可在有害环境下工作;4)降低对工人操作技术的要求;5)缩短产品改形换代的准备周期,减少相应的设备投

8、资;6)可实现小批量产品的焊接自动化;7)能在空间站建设,核能设备维修,深水焊接等极限条件下完成人工难以进行的焊接作业.8)为焊接柔性生产线提供技术基础.焊接作为机械制造业中仅次与装备加工和切削加工的第三大加工作业,对其进行机器人柔性加工技术及其相关的控制器PC化,网络化和智能化的应用研究已成为焊接自动化发展的必然趋势.实现焊接自动化生产的意义和必要性:随着我国一步一步地走向国际市场大舞台和加入国际贸易组织,国内竞争和国际竞争的界限将越来越模糊,我国的经济发展和国际接轨是大势所趋,改变过去的生产方式和管理模式已迫在眉睫.这种改变不仅仅对大小型企业而言,对中型企业也将更加重要.1.2 基本技术参

9、数设计根据任务的来源不同，按制造厂的产品规划或用户订货要求来确定。在总体方案设计阶段先要确定的主要参数有如下几种：（1）额定负载。额定负载是指在机器人规定的性能范围内，机械接口处所能承受负载的允许值。它主要根据作用于机械接口处的力和力矩，包括机器人末端执行器的质量、抓取工件的质量及惯性力（矩），外界的作用力（矩）（如切削机器人的切削力）来确定。本次课题设计要求的额定负载QQ: 、 全套图纸及说明书，英文翻译可获取（5）机器人的手部装置又称末端执行器。根据作业性质不同，机械臂末端的执行器有不同形式。1） 焊接机器人和喷涂机器人的末端分别为固定焊枪和喷枪的夹具。2） 搬运大件光整平板的机器人一般采

10、用真空吸附式末端执行器，利用吸盘 内压力与大气压力之间的差值产生吸附作用力。3） 对于一般的物料搬运和装配机器人，末端执行器为种类繁多的机械夹持器，用机械手指的闭合和张开来夹紧和释放工件。4） 运送铁磁物质的机器人还可以将电磁吸盘作为末端执行器。第2章 焊接机器人底座的设计2.1 底座的工作方式机器人底座的结构设计要求：1)要有足够大的安装基面，以保证机器人工作时的稳定性。2)机座承受机器人全部重量和工作载荷，应保证足够的强度、刚度和承载能力。3)机座轴系及传动链的精度和刚度对末端执行器的运动精度影响最大。因此机座与手臂的联接要有可靠的定位基准面，要有调整轴承间隙和传动间隙的调整机构。机器人的

11、底座是由两部分组成的，分为上下两部分，下部分的作用是固定和支撑，属于不动体，用螺丝固于与地上；上部分是一个转台作用是支撑和旋转，带动大臂以上部分做旋转运动。上部分也称做腰部，腰部回转由一级齿轮传动组成，如图2-1所示底座部件装配图，在结构布置上电机、减速器和小齿轮均在腰上随腰座一起回转；而大齿轮固定在机座上。这样布局对装饰、润滑方便，但增大了腰部回转的转动惯量。图2-1 底座部件简图2.2 底座的结构设计2.2.1 底座总体设计焊接机器人底座由下底座和上底座组成，如图2-2所示，底座上使用的是阶梯轴，作用是传动转矩，把减速器传出的转矩传动到小齿轮上，轴的上端和减速器的柔轮相连，下端由键和小齿轮

12、联结，减速器的和外壳联结，外壳又和机器人的大臂用螺栓连接；当底座的电机工作时，减速器的刚轮不动，柔轮动，柔轮又通过阶梯轴和小齿轮由键连接，所以带动小齿轮动，小齿轮QQ: 、 全套图纸及说明书，英文翻译可获取下两种情况：1）、波发生器主动，刚轮固定，柔轮从动时，波发生器与柔轮的减速传动比为 i=式中 ,分别为刚轮与柔轮的齿数；，分别为波发生器和柔轮的转速。2)波发生器主动，柔轮固定，刚轮从动时，波发生器和刚轮的减速传动比为式中刚轮的转速。波发生器固定时，若刚轮主动而柔轮从动，其传动比略大于，反之，柔轮主动而刚轮从动，其传动比略小于。根据底座的这种运动要求，以及底座运动的转动惯量，我们选用标准的谐

13、波减速器，其性能参数如下表所示：规格产品型号模数m减速比i额定输入转速r/min额定输出力矩N·m其外形及安装尺寸如下表：机型115778161580346.510514516326565536452.3 底座轴的设计底座上使用的是阶梯轴，作用是传动转矩，把谐波减速器传出的转矩传动到小齿轮上，轴的上端和谐波减速器的柔轮相连，下端由键和小齿轮联结，按弯扭合成强度校核轴的强度1、绘制轴受力简图(图a)2、绘制垂直面弯矩图(图b)轴承支承反力=160.3N=+=982+160.3=1142.3N计算弯矩截面c右侧弯矩 =1142.3=80.06N.m截面c左侧弯矩 =160.3=11.88

14、N.m3、绘制水平弯矩图(图c)轴支承反力=1309N截面c处弯矩=1309=96.2N.m4、绘制合成QQ: 、 全套图纸及说明书，英文翻译可获取取失效概率为1%，接触疲劳强度最小安全系数=1=590mpa =480mpa2.4.3设计计算1、计算小齿轮分度圆直径d dmm=90mm2、圆周速度v=2.6376m/s3、确定载荷系数=1=1=1.14, =0.17 (=46.06QQ: 、 全套图纸及说明书，英文翻译可获取）=1.53k=11.531.311=2.00434、按实际载荷系数校正小齿轮分度圆直径计算值=98=133.97mm2.1.2 确定主要几何参数和尺寸(1)模数 m=3.

15、67 取整标准值为m=4(2)分度圆直径=433=132QQ: 、 全套图纸及说明书，英文翻译可获取P=xFr+yFa 查机械设计手册6012形轴承Cr=31500N C0r=24200N深沟球轴承 X0=0.6 Y0=0.5 P1= xFr1+yFa1=376N轴承的寿命由公式计算得 16667/n(ftC/fpP)³=16667/1460(1x31500/1.2x376)³ 寿命足够。第3章焊接机器人腰部的设计3.1 腰部的工作方式腰部结构设计要求1) 腰部的结构和尺寸应满足机器人完成作业任务提出的工作空间要求。工作空间的形状和大小与腰部的长度、腰部关节的QQ: 、 全

16、套图纸及说明书，英文翻译可获取的回转基座、大臂、小臂进行详细设计计算。4.1 焊接机器人大臂设计总体方案大臂与腰部是用螺栓连接起来的；柔轮通过支撑法兰固定在选择底座上，大臂的运动需要良好的精度，且受力比较简单，除了自身的重量以外，能承受100N外力即可，采用步进电机控制，并且把轴设计成阶梯轴，由深沟球轴承支撑，同时用丝杠实现小臂的往复运动。步进电机具有运动精度高、性能可靠、操作简便等优点,故而具有非常广泛的应用。尤其随着步进电机的不断跟新与发展,在售价逐渐下降的情况下，其输出功率和力矩却大大增加,这为步进电机的使用情景奠定了坚实的基础。小臂运动采用步进电机驱动、滚珠丝杆传动的总体机构方案。设计

17、以大臂实现小臂水平方向运动位移为主要目标，而设计内容主要包括滚珠丝杆及步进电机的选用，同时考虑运动相关精度问题。如图4-1所示大臂设计结构图图4-1所示大臂设计结构图4.2 焊接机器人大臂丝杠的支承机构选择要保证丝杠的传动精度，应该采用适当的支承结构并保证安装方法的正确。丝杠主要承受轴向载荷，由于所受径向载荷并不是很大，所以在设计中主要考虑丝杠的轴向精度和刚度。丝杠的支承结构有以下几种：（1）F0支承结构：一端固定（F），一端自由（0），如图4-2a所示： F0结构较为简单，承载能力不大，并且轴向刚度较低。除此之外，由于压杆的稳定性不高并且最大转速较低，在设计中要保证让丝杠受到拉伸力。这种结构

18、主要应用在短丝杠、垂直丝杠上。（2）FS支承结构：一端固定（F），一端浮动（S），如图4-2b所示，FS结构的轴向刚度和第一种结构相同，但压杆的稳定性及最大转速却大于相同的的F0结构。FS结构可以丝杠额的热膨胀提供空余QQ: 、 全套图纸及说明书，英文翻译可获取4-3所示，图4-3 丝杠支撑结构位置图 其左端支撑详细结构如图4-4所示。图4-4 支撑详细结构图确定滚珠丝杠支承机构确定后，就可以选择滚珠丝杠所用轴承，表4-1是不同丝杠支承滚动轴承的比较：表4-1 丝杠支承滚动轴承特点比较滚动轴承类型轴向刚度轴承安装预紧调整摩擦力矩60度接触角推力轴承大简单不需要小双向推力角接触轴承中简单不需要小

19、圆锥滚子轴承小简单若内圈之间有隔圈则不需要调整大滚针和推力滚子组合特大简单不需要特大深沟球轴承大中等麻烦小根据表4-1所示，综上所述，由于滚珠丝杠为竖直方向工作，为保证轴向刚度并且减小摩擦力矩，选用深沟球轴承较为合适。4.3 焊接机器人滚珠丝杠设计选型与计算4.3.1滚珠丝杠导程的确定根据电机额定转速和垂直方向小臂的最大速度，确定丝杠导程。小臂的受力比较简单，除了自身的重量以外，能承受100N外力即可，故而初选28BYGH56095型步进电机，其最高转速为4500rad/min。步进电机QQ: 、 全套图纸及说明书，英文翻译可获取第5章 焊接机器人手腕的设计5.1 机器人手腕的设计要求手腕是连

20、接手臂和末端执行器的部件，其功能是在手臂和机座实现了末端执行器在作业空间的三个位置坐标（自由度）的基础上，再由手腕来实现末端执行器在作业空间的三个姿态（方位）坐标，即实现三个旋转自由度。通过机械接口，联接并支承末端执行器。手腕能实现绕空间三个坐标轴的转动，即回转运动、左右偏摆运动和俯仰运动。当有特殊需要时，还可以实现小距离的横移运动。手腕的自由度愈多，结构和控制愈复杂。因此，应根据机器人的作业要求来决定其应具有的自由度数目。在多数情况下，手腕具有1-2个自由度即可满足作业要求。（1）设计要求对工业机器人手腕设计的要求有：1）由于手腕处于手臂末端，为减轻手臂的载荷，应力求手腕部件的结构紧凑，减少

21、其质量和体积。为此腕部机构的驱动装置多采用分离传动，将驱动器安置在手臂的后端。2）手腕部件的自由度愈多，各关节角的运动范围愈大，其动作的灵活性愈高，机器人对作业的适应能力也愈强。但增加手腕自由度，会使手腕结构复杂，运动控制难度加大。因此，在设计时，不应盲目增加手腕的自由度数。通用目的机器人手腕多配置3个自由度，某些动作简单的专用工业机器人的手腕，根据作业实际需要，可减少其自由度数，甚至可以不设置手腕以简化结构。3）为提高手腕动作的精确性，应提高传动的刚度，应尽量减少机械传动系统中由于间隙产生的反转回差。如齿轮传动中的QQ: 、 全套图纸及说明书，英文翻译可获取量轻，价格便宜，供货方便，应用较广

22、。查手册 高速轴选用深沟球轴承62007 （2）轴承的校核计算两个6012型轴承转速1460r/min,径向载荷Fr1=672N Fr2=356N轴向载荷Fa=0,工作时无冲击，温度低于100,预寿命10000h.解：轴承1承受的负载较重，经验算轴承1的当量载荷为P=xFr+yFa 查机械设计手册6012形轴承Cr=31500N C0r=24200N深沟球轴承 X0=0.6 Y0=0.5 P1= xFr1+yFa1=376N轴承的寿命由公式计算得 16667/n(ftC/fpP)³=16667/1460(1x31500/1.2x376)³ 寿命足够。（3）按弯扭合成强度校核轴的强度1绘制轴受力简图(图a)2绘制垂直面弯矩图(图b)轴承支承反力=160.3N=+=982+160.3=1142.3N计算弯矩截面c右侧弯矩 =1142.3=80.06N.m截面c左侧弯矩 =160.3=11.88N.m3绘制水平弯矩图(图c)轴支承反力=1309N截面c处弯矩=1309=96.2N.m4绘制合成弯矩图(图d)=125.4