五自由度关节型焊接机械手设计（全套含CAD图纸）
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to be in of 996 216of . . . . . . . . 44106a of We as to to of a as to to is by of a to be is a in is is “ of a to to . “on at to a .”2. “of . to a on be In of a In s an : to is to of in is as to of to to be in of 996 216of a of of A of is to in is of of in of to be to a of of an )a of as as a of a of is a of of an on a of is of a of is in of is is to be a of an a as as V An is It to he on to by a to as as a in is a 2 on to by s). of to of in is to at on to of of is of A ) is of to to a of to be a an at a in s by to on of of to of to a it of is by ). to be s to be in of 996 216be of a be be To s as an to : of is to a an be to is a is on of to a a in is to on to to of is is It to at an or to of on in a of of to of of of : to be is If of a no to as a as or a of to on An of is of a an in be by on to is is in a its to it of in s is to of of is of is of be to of is to to a s be to be in of 996 216be to or a of or on of to is to a to be to to is a be to . of In a it be to a of a to in to by a to a A of is If in to be to if it no a or in of A to In to be to at a if a a B to at it is to of to of a is or +8s MV it is + in as a is It to C , a In it of a V : s by a in to ). (s), on a + on BCs V is In a be on by a of on be or a to to be in of 996 216on to be BCs on a of V is to of a to In we of In is O), it a as of O of to to is to an or +to by or by of of s a to of we to in of to A is a or a is to a of So we acti 敏捷制造的轻型作业单元设计机械应用 罗杰 D 奎因，格雷格三考西 机械系和航空航天工程 弗兰克，戴维 M 萨金特，尼古拉答 曼，维尔吉利奥 电机工程学系与应用物理系 安迪 妍乔 . 算机系工程与科学 凯斯西储大学（ 美国俄亥俄州克利夫兰， 44106 摘要 ： 本文介绍了一种灵活的设计用于制造工作单元光机电从类似的产品的装配部件（即作出部分 零件 ）。我们定义了敏捷制造能够实现快速转换，从 装配 一个产品到另一个产品的装配。快速硬件转换成为可能，通过使用 机 器人，灵活的 装配 部分，模块化夹子机模块化装配硬件。依靠灵活的馈线上料皮带和二进制计算机视觉构成估计。这明显的优势超过 碗饲养的饲养计划需要大量的调整从一个转换另一部分。正在快速转换软件促进了一个真正的一次性使用的，面向对象软件环境，模块化的软件，图形为离线模拟软件的开发，以及创新的双控制器结构 线。这些灵活的功能允许将引进新产品最小的停机时间和系统重构。 1 简介 么是敏捷制造？ 敏捷 制造是一个长期见过增加了过去几年中，工业使用。该“敏捷“的定义，但是，目前尚不清楚，也不是一致：“敏捷：一个制造商的措施突然的反应能力，不可预测的变化客户需求的产品和服务，使一利润“ 1。 “今天工厂正在陆续被在裁缝敏捷货物交给客户的要求不停产 . 2 敏捷制造 同化物的柔性生产全系列技术，以吸取的教训以及总质量管理， 只是在时间的生产和 精益 生产“ 3。唯一的共同点之一各种定义是能够制造出多种对什么可迅速为基础的类似产品不断变化的客户需求。在过去，生产专门针对大批量单一生产产品。在今天的市场，然而，重点是对 小批量移动从不断变化的，客户驱动的产品线。 图 1：敏捷作业单元 一个“敏捷“制造的定义已通过适用于光机电装配产品：敏捷制造是有能力完成快速转换之间的不同制造利用基本相同的组件工作单元。快速转换（以小时为单位），此外，被定义为移动能力的一个产品，从大会 另一种产品装配与最低的变化工具和软件。快速转换使生产小批量，让 只是在时间 生产。我们的“敏捷“的定义的中心主题制造业是能够迅速推出（按星期计算）为新的组件和部件系统。 在这个系统中，快速完成转换通过可重复使用的软件的使用，快速变化该机械手夹持器 ，模块化工作表和部分馈线其中有足够的弹性处理，而无需机械零件的几种类型调整。这些馈线使用视觉，在硬地夹具，以确定位置和方向部分。通用，可重复使用的例程允许新的部分视力被添加到具有最低系统的努力。 一个实施一个灵活的测试平台已开发生产工作单元（图 1）。这包括机械机器人，灵活的部分进料器，视觉系统（摄像机，图像采集，并库中的图像处理程序），以及有限传感器和执行器专用所需人数完成一个给定的程序集。这样一个核心特征工作单元是一个控制器控制每一个有能力的上述组件。 该工作单元是中央输送系统，这是博世实现使用标准的硬件 。这是负责转移部分完成组装机器人之间进行成品和单位一卸货机器人的机器人安装在基座附近输送带系统。托盘与专业部件固定装置是用来在整个集会进行系统完成后，该组件将被删除从托盘的装卸机械。最后，安全笼包围整个工作单元，服务保障 运营商以及提供用于安装的结构开销相机。 送系统 输送机系统在 用工作单元是一个模型 博世制造。托盘在两个主要传阅，输送线。这些行是平行的，彼此相反的操作方向。托盘转移这两者之间部分由电梯传热单元（ ）的手段。这些允许各地输送托盘流通系统和重新排序能力的托盘。在系 统托盘的每个都有一个独特的识别号码，使系统跟踪和直接的进展。止损是安装在关键输送机上的点来控制托盘的流量。这方面的一个创新的输送系统使用的是使用短“骨刺线“。一种鞭策（图 2）是一个单纯的延长输送机，垂直为主线（类似于铁路支线）。这允许流主输送线，而要维持一个机器人执行组装在鞭策。托盘进入一个刺激注册在机器人的世界由一个坐标系 臂安装摄像头，允许地方或机器人消除对托盘零件，避免牺牲机械登记 配站 大会的几个车站的布局进行了分析在选择最终布局。在评估了几个每一个布局功能，包括：展示位置相对于机器人输送 机，给料机的影响相对于机器人的位置工作信封，并机器人动作一个通用大会的必要，这是确定，在图 2 最适合的布局需要的工作单元。每一个装配机器人是由两个包围模块化，可移动工作台和两个固定喂养表（图 2）。模块化表很容易交换，允许专门组装硬件放置在机器人的工作信封。表中包含的模块化和气动执行器可连接快速电传感器，允许任何专门工具迅速变化需要一个给定的程序集。通过设计这些表是模块化和易于交换，不同的装配硬件可以快速入住。为了实现快速转换，模块化工作登记表在机器人的世界坐标在同一系统由于托盘的方式（即使用臂安装摄像头）。进 料表是固定的，与水平， 送机安装到他们。 图 2：工作站布局 输送机的一个缺点 /刺激系统，如上所述，必须充分交流的时间托盘为一个空的。在这段时间（约 15 秒）的机器人将可以想象无效。一简单的解决这个问题是一个迷你仓：一夹具是位于交换部分的工作表来保存一些完成组装。在一个托盘互换，装配机器人可以继续运作而传入的工作托盘到达时，放置在迷你仓完成组装。后来电转移到托盘的刺激，视觉系统寄存器的托盘。该机器人将当前的大会（在其爪仍）托盘上，然后所得款项将完成从组件迷你仓的托盘。 料机 柔性件 每个支线组成（图三传送带 3）。第一输送机倾斜，从电梯部件散装料斗。第二输送机是水平的，具有半透明带。它传输到机器人零部件，呈现在附近的机器人 。该第三输送机返回未使用的或不利的导向到大型料斗部分。 正确地运作取决于馈线部分被取消的散装料斗中 式。许多因素影响效益倾斜输送机：对角输送到水平方面，皮带特性（如摩擦系数），对带式（防滑，磁力，真空），以及线速度带，例如。 图 3：灵活浇注系统示意图 当不同的零件，应美联储，散装料斗清空，并与新的 部件填补。如果部分是类似的几何形状，进料没有变化系统通常是必要的。一些地区，如圆形或圆柱的（即那些将回滚下来倾斜）可能需要不同的腰带，如表面，防滑一个或一个不同的角度倾斜。架空相机用于定位部件对水平输送机。一种紧凑型荧光灯阵列灯是安装在每个输送机的水平。用半透明的这些灯一起输送带提供 分可向视觉系统。使用二进制视觉工具（目前上料机由一个熟练的视觉系统提供）部分皮带进行检查。首先，视觉系统会查看是否一部分是抓握（即部分承认的是，稳定姿态（位置和方向）和足够的间隙之间存在的一部分，它的邻国 抓住了它爪）。第二，造成了部分在机器人的世界坐标确定。这个姿势，和动作与收购相关的部分，是检查，以确保他们在机器人的工作信封。 觉系统 视觉系统的一个基本功能是确定灵活的组件构成部分喂养。姿态估计是使用内置该 件功能，而且必须要快够不干预装配周期时间。一对视觉系统的第二功能是登记托盘和模块化的工作表到机器人的世界坐标系统，避免了调整的需要硬件。还有另一种可能是使用错误恢复，其中，该相机可以用来检查临界点在系统中，或在进程内组件。 该视觉系统使用的标准数字 机， 装配件或以上的灵活馈线或在机器人手臂。由于数字相机到 统的投入是有限的四个，一个低成本，自定义视频多路复用器的开发，利用一单片式视频切换器集成电路。这使得多达四台摄像机被连接到每个视频输入法视频硬件。 在与快速转换保持理念，视觉程序设可重复使用，这是一个给定的常规，可用于定位几个不同但相似的部分（即类似计为不对称性，拓扑结构等）。这种方法有很多优势，包括尽量减少软件的数量例程。此外，该软件允许重复使用模块化和“敏捷。“例如，通过参数化特征例行搜查因为，它可以适用于部分有一个类似的个人资 料但属于不同的大小。这意味着，部分与在这些类似的几何形状零件库，可添加到系统中，只需修改检查程序调用这些低层次的，可重复使用的例程， 进的新零件 添加一个新的一部分，该系统涉及数明确任务。 愿景例行这就决定了构成的一部分，开发，利用图书馆可重复使用的视觉例程。如果新的部分似乎没有别的地方特色，在零件图书馆，新的程序可能需要添加到软件库。此外，如果部分没有被设计为使用通用零部件馈线（例如它没有稳定的姿势像，缸），可能需要的馈线变更或腰带改变倾斜角度。引人入胜还必须旨在操纵新的一部分。为了尽量减少避免了专门的硬件和工具的变化大会，手爪设计应进行与其他部件的设计，同时为抓手聚集在一个给定的机器人。举例来说，如果给定操作既需要一个一个小部件和组件是一个 B 在第一个机器人组装，设计人员应手爪考虑到这一点 在一般情况下，最好是设计的部件和相关的硬件同时进行。这将使最大程度地重用的软件，以最小的变化灵活的体制和喂养一个强有力的装配设计序列，将加强无人操作。这方法称为设计制造及 者干脆 3 计算机硬件 /控制器 设计 目前的软件已被完全开发在 程语言和操作系统，在娴熟的 制器。对于大多数工业应用中，这将是编程环境足够的，但它缺乏动力和灵活性需要支持快速的软件开发和转换。这主要是因为 V+缺乏特色这是标准的其他语言和操作系统系统，如用户定义函数，标准数据结构和 执行。 To a 泛的控制器接口的设计工作已发展。这将允许系统来支持 C 和的 C +，并提供一个更友好，更灵活的用户接口。此外，它将允许实时使用操作系统，从而简化软件开发和提高性能。 图 4：系统架构 在这个设计中，系统的能力扩大了使用除第二 4）。这第二个 线房子的 I / O 板和专用 单板计算 机（ ），对其中一个实时操作系统执行 C 和 C+程序对 运行的。负责所有高层次的控制和机器人 运动（例如：输送机控制，气动操作，指定机器人目的地），而采用压控制器专为低级别的机器人运动（如伺服控制和轨迹生成）和一些机视觉例程。在以后的实现，这是视觉处理板，也可以用在第二 线，从而充实了统。两个总线连接电缆或光纤连接。内存所做的更改由一个反射内存网络。这包括两个内存卡，各有一个总线，它可以由连接的 一板会自动反映，另一方面，从而允许指令和数据传送之间两个 塞尔公约秘书处的地点可以使机器人对反射内存网络的构想命令。这些都是宣读了命令组服务器上运行 控制器。 这些服务器执行命令并在适用时，返回相同的结果通过网络。 4 作业单元软件 另一个软件是一个灵活性的关键敏捷制造工作单元，但是，这种灵活性不来而精心设计。尽管软件本质上是比硬件更容易改变，结构一个软件系统可以降低，经过反复修改，导致可靠性差，并增加维修费用。在设计工作单元控制软件方面，我们聘请软件工程方法和工具支持的设计原则改变。特别是，我们最新的设计是面向对象（ ，也就是说，它是根据物体的识别该系统，这是这些实体有一个国家和一个行为。物理设备，抽象数据结构整个子系统建模为对象，提供，明确设定服务时， 其执行封装和隐藏。强调面向对象软件设计减少了工作量需要引入进入新的工作单元产品通过可重用的代码。 能够迅速引入新产品工作单元是至关重要的一个灵活的系统。对象类型或类类构造，其中服务对应 定义使用 C + +电话。新的类派生自现有通过增加的服务或通过覆盖实现现有服务。面向对象便于维护，因为一个实施类是可以改变的，而不会影响客户端代码，使用类的服务，因为派生类可以可用于任何需要它的父类即可。除了满足我们的要求特别是制造业中的应用，我们希望指定 软件设计的组件，可能证明有用 敏捷制造各种应用 。因此，我们试图确定敏捷设计模式制造业。设计模式是一组沟通的对象或类，两者代表一个可重复使用的设计元素，是适用的，经过一番专业化，一 种。到目前为止，我们已经确定用于这种活动的设计模式整个系统的控制，系统之间的通信元器件，零部件和组件的规定，调度系统任务和错误处理。 业系统 该工作单元控制的最初版本 软件实施了与 V+操作系统 和编程语言提供了善于压控制器。虽然为 V +提供了足够的设施许多机器人应用，我们确定一个更先进的操作系统和编程语言将更好地支持我们的软件设计理念和敏捷制造的目标。一般来说，工作单元控制涉及的号码管理实时限制并发任务。因此，一实时操作系统（ 足够和任务调度，通信和可靠的设施同步是可取的。 件体系结构 该工作单元控制软件被设计成一个层次结构的服务器。在最高水平，工作单元控制器的服务请求人的经营人包装箱成品组件。在这样做时，到托盘服务器沿着托盘输送机马刺之间。托盘服务器跟踪运动每个托盘，但工作单元控制器负责知道托盘内容。该工作单元控制器 大会的服务器，这都与要求机器人，以填补部分或全部组件托盘。为了满足这些要求，大会的服务器必须部分下属与服务器进行通信以 及与机器人和专用硬件。的部分反过来服务器必须与零件馈线和通信与视觉系统。一般来说，服务器的设计作为对整体工作单元一些假设如可能的结构，使他们不敏感该结构的变化。在适当情况下，服务器同时运行，例如，同时增加了一个机器人部分集会，该部分服务器尝试设在机器人的未来预期另一部分 错误的处理，也是分层的。如果一台服务器遇到一个错误，它首先试图解决这个问题在当地，例如，通过使更多的要求下属服务器。如果失败，服务器表明它的客户端它无法提供所要求的服务。客户端然后试图解决这个错误条件。作为一个具体例如，考虑一个部分服务器无 法找到一部分在其远景窗口。它会一再提前给料机和拍照。如果没有部分是内发现一一定数量的重复，将报告的部分支线大会未能服务器。如果没有多余馈线部分，它可以调用，服务器将在大会信号发生故障的工作单元控制器。在缺乏冗余服务器的组装问题，钍控制器将问题通知，要求经营者人为干预。鲁棒，容错软件必要的无人值守，操作的工作单元。 以明显看出一个仿真硬件系统预计将是极为有益的。该决定是为了开始发展全面的仿真，将允许工作单元控制代码被开发和测试，而不使用实际硬件。这允许控 制软件来编写和调试没有制止生产功能工作单元。它也非常有用，以显示图形硬件的响应（图 5） 特别是研究各种工作单元布局。 ， 图 5： 拟 输送系统已完全模拟。详细的仿真机器人和远见系统正在开发中。仿真代码模仿的工作单元的输入和输出，使为模拟透明地使用。换句话说，在代码是用来模拟控制的工作单元是相同的代码运行在同一处理器板用于控制物理设备。这是一个功能强大的工具软件设计中不存在任何矛盾控制与仿真代码和实际控制代码。这消除了移动可能移植问题从模拟到实际控制平台 5 结论 本研究成功验证的关键问题 对于一个敏捷制造工作单元的设计。柔性件馈线，机器视觉，模块化硬件，广泛的控制器接口，在线纠错，图形模拟和模块化的软件都一个广泛实施的重要因素。在继续工作，该系统正在扩大模块化的程序，包括视觉，一个实时的使用操作系统，面向对象编程，广泛的错误检测和恢复。产品设计制造和装配也将发挥关键作用在促进摄食，装配，并造成估计。 参考文献 1捷制造的搜索。制造工程， 30:281993。 2活的工厂：个案研究。电机及电子学工程师联合会频谱， 30:281993. 3理，技术和敏捷性：一个新时代的出现制造业。国际科技杂志管理， 8（ 1/ 2）， 1993 4活的工厂：案例研究。电机及电子学工程师联合会频谱，30:281993。 5活的工厂：个案研究。电机及电子学工程师联合会频谱， 30:281993。 6个计算机框架视力敏捷制造。硕士论文，案例西储大学， 1996。 7. 布思罗伊德杜赫斯特公司产品装配设计， 1991 年 3 月 8 +语言参考指南， ， 1993 年 6 月 787月。 9 线系统， 9（ 3）， 1992。 10头盔，河约翰逊和 J. 计模式，可复用面向对象软件。艾迪生韦斯利，读，硕士， 1994。 致谢 这项工作得到了克利夫兰先进制造项目（营地）通过中心自动化和智能系统研究（ 学校的工程案例 毕业设计（论文）外文翻译 题目 4器人结构设计与运动模拟 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 班 级 学 号 078105226 学 生 姓 名 饶新龙 指 导 教 师 许 瑛 填 表 日 期 2011 年 6 月 1 日 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 1 目 录 摘 要 . 1 前 言 . 3 第 1章 焊接机械手的总体方案设计 . 7 述 . 7 本技术参数设计 . 8 接机器人的主要组成 . 8 第 2章 焊 接机器人底座的设计 . 10 座的工作方式 . 10 座的电动机的选择 . 10 座上谐波齿轮传动的设计 . 11 座轴的设计 . 13 座传动齿轮的设计 . 15 . 17 第 3章 焊接机器人大臂的设计 . 19 臂的工作方式 . 19 臂电动机的选择 . 19 臂上谐波齿轮传动的设计 . 20 第 4章 焊接机器人小臂的设计 . 22 臂的工作方式 . 22 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 2 臂电动 机的选择 . 22 臂上谐波齿轮传动的设计 . 22 第 5章 焊接机器人手腕的设计 . 25 器人手腕的设计要求 . 25 腕工作方式 . 25 腕电动机的选择 . 26 腕轴承的选择 . 27 第 6章 焊接机器人末端执行器的设计 . 29 器人末端执行器的设计要求 . 29 第 7章 . 32 . 32 . 32 . 32 . 34 结 论 . 41 谢 辞 . 42 参考文献与附录 . 43 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 1 摘 要 本次设计是焊接机械手设计 ， 在设计过程中，要求我们运用机电的知识完成， 其设计的内容主要包括，机械手的设计，电气系统设计等内容。 此次设计的焊接机械手实际是五自由度的关节机器人。采用步进电机驱动、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，还可用于搬运和装配作业。 弧焊机器人在通用机械、金属结构等许多行业中得到广泛运用。弧焊机器人是包括各种电弧焊附属装置在内的柔性焊接系统，而不只是一台以规划的速度和姿态携带焊枪移动的单机，因而对其性能有着特殊的要求。在 弧焊作业中，焊枪应跟踪工件的焊道运动，并不断填充金属形成焊缝。因此运动过程中速度的稳定性和轨迹精度是两项重要指标。一般情况下，焊接速度约取 5s，轨迹精度约为（ 电气系统的设计就是运用机电传动的知识，即 统进行控制， 制系统有西门子系统，欧姆龙系统等。 关键词 ：焊接 机械手 机器人 电器控制 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 2 is in us to to s so on is of is in in in so on in is of by to In in In is (is LC on LC so 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 3 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 4 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 5 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 6 前 言 毕业设计是学生的最后一个教学环节，全国高教机械设计及制造专业教学指导委员会第三次会议记要指出，“毕业设计题目应该以产品（或工程）设计类题目为主，尤其要鼓励去工厂从高真实产品设计”。在实际工程设计中，学生可以得到所学过的理论基础，技术基础，专业课全面的训练，为将来做好机械设计工程师的工作，提供全面的锻 炼机会。 我们这次毕业设计题目，是结合老师的具体研制项目设立的，我们在实习厂所参观的并以以往设备为参考，结合所学机械各方面知识，在老师指导下，查阅许多手册，经过不断的改进，最终设计出了此次焊接机器人，从而避免了加工质量差，生产效率低，设备昂贵的问题。 我此次毕业设计的任务是焊接机器人设计，在许老师的辅导下，查阅了大量的资料，设计出了具有五个自由的焊接机械人。计算正确，五张零号图纸，符合工作量的要求。 通过这次毕业设计，我在计算，制图，公差与技术测量，机械原理，机械设计，金属材料与热处理，机械制造工艺方面的知 识都受到全面的综合训练，在机电的结合方面使我受益匪浅。特别是许老师在工作中对我的耐心辅导，他对学生强烈的责任感和严谨的治学态度，无不给我以深刻的影响。 由于类似的大型课题第一次接触，经验能力方面的欠缺，错误之处一定存在，恳请各位老师给予批评指正。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 7 第 1 章 焊接机械手的总体方案设计 述 焊接是制造工业中最重要的工艺技术之一 核工业 ,航空航天 能源交通 ,石油化工及建筑和电子等行业中的应用越来越广 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 数量要求 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 1 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 ,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 对中型企业也将更加重要 . 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 8 本技术参数设计 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。 （ 2）按作业要求确定工作空间，同时要考虑作业对 象对机器人末端执行器的位置和姿态要求，以便为后续方案设计中的自由度设计提供依据。 （ 3）额定速度。 指工业机器人在额定负载、匀速运动过程中，机械接口中心的最大速度。应综合考虑作业效率要求、作业线协调生产要求、惯性力（矩）、驱动与控制方式、定位方式和精度要求等各种因素来确定。其中惯性力（矩）这一因素，由于机器人的总体结构尚未设计，故该阶段只能概略估计。 （ 4）驱动方式的选择。 目前所采用的方式是气压驱动、液压驱动、电动机驱动。此次设计选用的是步进、伺服电动机。步进电动机输出力较小，伺服电动机可大一些，适用于运 动控制要求严格的中、小型机器人。控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对环境无影响。体积小，需减速装置。维修使用较复杂，成本较高，效率为 （ 5）性能指标。 按作业要求确定。一般指位姿准确度及位姿重复性（点位控制）、轨迹准确度及轨迹重复性（轨迹控制）、最小定位时间及分辨率等。同时还可对机械结构的刚度、关节几何运动精度等提出要求。 接机器人的主要组成 （ 1）机器人系统包括：由移动式或固定式的操作机、电源、控制系统以及操作并监控机器人的装置、外部设备或传感器的通讯接口所组成的 机器人控制装置（硬件和软件）；末端执行器；机器人完成作业所需的外部设备、装置或传感器。所用的外部设备均由机器人的控制系统管理。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 9 （ 2）手臂和手腕是机器人操作机中的基本部件，它由旋转运动和往复运动的机构组成。其结构形式是多种多样的，但多数机器人的手臂和手腕是由关节和杆件构成的空间机构，一般由 3自由度组成，工业机器人一般为 3自由度。由于机器人具有多自由度手臂、手腕的机构，使操作运动具有通用性和灵活性，这也是区别于一般自动机的特点。 （ 3）机器臂的控制：在电动伺服系统中，驱动机械臂各关节的是步进电机 或直流伺服电机。步进电机从驱动器得到一系列脉冲信号，每个脉冲信号使步进电机轴产生一定的角位移。一般不需要反馈回路和位置编码器，控制比较简单。采用直流伺服电机的控制系统以测速器和角度编码作为反馈装置，能够精确地控制机械臂关节轴的运动，它的工作状态平稳，旋转速度可以连续调节，对加速和减速指令都能迅速作出反应。 （ 4）腕部机构支承机器人手部装置并调整其姿态，一般有 2位于机械臂末端的手爪产生俯仰摆动和绕自身轴线的转动，这些运动的合成，使机器人的手部相对于操作对象形成灵活的工作姿态。 （ 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。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 10 第 2 章 焊接机器人底座的设计 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，是圆弧形的。 上部分也称做腰部，腰部回转由一级齿轮传动和谐波齿轮组成，如底座部件 图所示在结构布置上，电机、谐波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。 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，谐波减速器的刚轮和谐波减速器的外壳联结，谐波减速器的外壳又和机器人的大臂用螺栓连接；当底座的电机工作时，谐波减速器的刚轮不动，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，小齿轮又和大齿轮相啮合，大齿轮通过齿轮座固连于下 底座上，所以小齿轮带着谐波减速器和机器人大臂以上的部件，绕着大齿轮做旋转运动。实现了焊接机器人绕 座的电动机的选择 步进电机从驱动器得到一系列脉冲信号，每个脉冲信号使步进电机轴产生一定的角位移。一般不需要反馈回路和位置编码器，控制比较简单。采用直流伺服电机的控制系统以测速器和角度编码作为反馈装置，能够精确地控制机械臂关节轴的运动，它的工作状态平稳，旋转速度可以连续调节，对加速和减速指令都能迅速作出反应。 在机械手的电动机设计计算过程中，采用混合式步进电动机，混合式步进电动机即是 一种兼有反应式（机械设计手册 5版 35 底座电机选用 90下表： 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 11 型号 步距角 相数 驱动电压 /V 相电（流） /A 静转距 /N M 空载启 动频率 /P P S 空载运 行频率 /K P P S 转 14 动 惯量 /电感 /量 /0503 50 3 7 2200 30 座上谐波齿轮传动的设计 （ 1）谐波减速器在机器人中的应用 由于谐波减速器装置具有传动比大、承载能 力强、传动精度高、传动平稳、效率高，体积小，质量轻等优点，已广泛用于工业机器人中。此次设计中分别在底座，大臂，小臂上用了三个谐波减速器。 目前工业机器人中常用的谐波减速器有三种型式。此次设计选用的是带杯形柔轮的谐波传动 如图 4 18a 所示，是由三个基本构件组成的，带凸缘的环型刚轮 6，杯形柔轮 1 和由柔性轴承 5、椭圆盘 4 构成的波发生器，它通过端面牙嵌式联轴器 3与输出轴套 2 相连。这种没有单独外壳的由三大基本构件形成一个组合件的结构形式，使传动装置的结构更为简化和紧凑。 （ 2）谐波减速器工作原理 谐波齿轮传动 的工作原理如图 4 16所示，若刚轮 发生器为 主动件，柔轮 将波发生器装入柔轮内孔时由于波发生器两滚子外侧之间的距离略大于柔轮内孔直径，使原为圆形的柔轮产生弹性变形成为椭圆，使其长轴两端的齿与刚轮齿完全啮合。同时，变形后柔轮短轴两端的齿则与刚轮齿完全脱开，其余各处的齿，则视回转方向不同分别处于“啮人”或“啮出”状态，当波发生器连购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 12 续回转时，啮人区和啮出区将随着椭圆长短轴相位的变化而依次变化。于是柔轮就相对于不动的刚轮沿与波发生器转向相反的方向作低速回转，柔轮长轴和短轴相 位的连续变化，使柔轮的变形在其圆周上是连续的简谐波形，因此，这种传动称为谐波传动。若柔轮固定，刚轮从动，其工作过程完全相同，只是刚轮的转向与波发生相反。 （ 3）传动比计算 如图 4 16所示，波发生器有两个触头，产生两个啮合区，故称双波发生器，若波发生器有三个触头，则可产生三个啮合区，此时称三波发生器。对双波传动，刚轮和柔轮的齿数差应为 2，三个波传动其齿数差应为 3，由于结构上的原因，单波或三波以上的传动很少用，常用的是双波传动。从传动效率考虑和实际应用需要，常用的谐波传动可分以下两种情况： 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 G （） 式中 Z 分别为刚轮与柔轮的齿数；n 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 R Z Z 式中 刚轮的转速，其余同式（） 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 13 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/定输出力矩 N m 其外形及安装尺寸如下表： 机型 115 77 81 6 15 80 3 4 05 14 5 16 3 26 5 6 5 5 36 45 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) 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 14 轴承支承反力 2 = 14 14 = 982+算弯矩 截面 L =面 L =、绘制水平弯矩图 (图 c) 轴支承反力 2 22618 =1309N 截面 L =1309 =、绘制合成弯矩图 (图 d) 22 M = 228 0 9 6 = 22 )( M = 221 1 9 6 =、绘制转矩图 (图 e) T=001110 3 =、绘制当量弯矩图 (图 f) 转矩产生的扭剪应力按脉动循环变化，取 =面 c 处的当量弯矩为 22 )( TM c = 221 2 5 . 4 ( 0 . 6 2 6 0 )=、校核危险截面的强度 e =331.0 0202 =第 5卷） 2000 2 袭振邦、汪勤主编 . 1995 3 林尚扬、陈善本主编 . 2000 4 张铁、 ,谢 存喜主编 . . 华南理工大学东出版社 ,2004 5 成大先主编 . （第 2 卷） 000 6 徐瀛主编 . （第 5卷） 1992 7 吴宗泽、罗盛国主编 . 2002 8 冯辛安主编 . 2003 9 成大先主编 . （单行本） 2000 10 陈白宁、段智敏 、刘文波主编 . 2002 沈阳理工大学 毕业设计说明书 课题名称：焊接机械手 作者姓名 ： 王成道 指导教师 ： 赵艳红 题目来源 ： 指导老师 专业名称 ： 机械电子工程 设计时间 ： 2007 6 班 级 ： 041311 答辩时间 ： 2007 4 15 1 目 录 摘 要 . 1 前 言 . 3 第 1章 焊接机械手的总体方案设计 . 4 述 . 4 本技术参数设计 . 5 接机器人的主要组成 . 5 第 2章 焊 接机器人底座的设计 . 7 座的工作方式 . 7 座的电动机的选择 . 7 座上谐波齿轮传动的设计 . 8 座轴的设计 . 10 座传动齿轮的设计 . 12 . 14 第 3章 焊接机器人大臂的设计 . 16 臂的工作方式 . 16 臂电动机的选择 . 16 臂上谐波齿轮传动的设计 . 17 第 4章 焊接机器人小臂的设计 . 19 臂的工作方式 . 19 2 臂电动 机的选择 . 19 臂上谐波齿轮传动的设计 . 19 第 5章 焊接机器人手腕的设计 . 22 器人手腕的设计要求 . 22 腕工作方式 . 22 腕电动机的选择 . 23 腕轴承的选择 . 24 第 6章 焊接机器人末端执行器的设计 . 26 器人末端执行器的设计要求 . 26 第 7章 . 29 . 29 . 29 . 29 . 31 结 论 . 38 谢 辞 . 39 参考文献与附录 . 40 1 摘 要 本次设计是焊接机械手设计 ， 在设计过程中，要求我们运用机电的知识完成， 其设计的内容主要包括，机械手的设计，电气系统设计等内容。 此次设计的焊接机械手实际是五自由度的关节机器人。采用步进电机驱动、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，还可用于搬运和装配作业。 弧焊机器人在通用机械、金属结构等许多行业中得到广泛运用。弧焊机器人是包括各种电弧焊附属装置在内的柔性焊接系统，而不只是一台以规划的速度和姿态携带焊枪移动的单机，因而对其性能有着特殊的要求。在 弧焊作业中，焊枪应跟踪工件的焊道运动，并不断填充金属形成焊缝。因此运动过程中速度的稳定性和轨迹精度是两项重要指标。一般情况下，焊接速度约取 5s，轨迹精度约为（ 电气系统的设计就是运用机电传动的知识，即 统进行控制， 制系统有西门子系统，欧姆龙系统等。 关键词 ：焊接 机械手 机器人 电器控制 2 is in us to to s so on is of is in in in so on in is of by to In in In is (is LC on LC so 3 前 言 毕业设计是学生的最后一个教学环节，全国高教机械设计及制造专业教学指导委员会第三次会议记要指出，“毕业设计题目应该以产品（或工程）设计类题目为主，尤其要鼓励去工厂从高真实产品设计”。在实际工程设计中，学生可以得到所学过的理论基础，技术基础，专业课全面的训练，为将来做好机械设计工程师的工作，提供全面的锻炼机会。 我们这次毕 业设计题目，是结合老师的具体研制项目设立的，我们在实习厂所参观的并以以往设备为参考，结合所学机械各方面知识，在老师指导下，查阅许多手册，经过不断的改进，最终设计出了此次焊接机器人，从而避免了加工质量差，生产效率低，设备昂贵的问题。 我此次毕业设计的任务是焊接机器人设计，在许老师的辅导下，查阅了大量的资料，设计出了具有五个自由的焊接机械人。计算正确，五张零号图纸，符合工作量的要求。 通过这次毕业设计，我在计算，制图，公差与技术测量，机械原理，机械设计，金属材料与热处理，机械制造工艺方面的知识都受到全面的综合训 练，在机电的结合方面使我受益匪浅。特别是许老师在工作中对我的耐心辅导，他对学生强烈的责任感和严谨的治学态度，无不给我以深刻的影响。 由于类似的大型课题第一次接触，经验能力方面的欠缺，错误之处一定存在，恳请各位老师给予批评指正。 4 第 1 章 焊接机械手的总体方案设计 述 焊接是制造工业中最重要的工艺技术之一 核工业 ,航空航天 能源交通 ,石油化工及建筑和电子等行业中的应用越来越广 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 数量要求 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 1 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 ,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 对中型企业也将更加重要 . 5 本技术参数设计 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。 （ 2）按作业要求确定工作空间，同时要考虑作业对象对机器人末端执行器 的位置和姿态要求，以便为后续方案设计中的自由度设计提供依据。 （ 3）额定速度。 指工业机器人在额定负载、匀速运动过程中，机械接口中心的最大速度。应综合考虑作业效率要求、作业线协调生产要求、惯性力（矩）、驱动与控制方式、定位方式和精度要求等各种因素来确定。其中惯性力（矩）这一因素，由于机器人的总体结构尚未设计，故该阶段只能概略估计。 （ 4）驱动方式的选择。 目前所采用的方式是气压驱动、液压驱动、电动机驱动。此次设计选用的是步进、伺服电动机。步进电动机输出力较小，伺服电动机可大一些，适用于运动控制要求严格的中、 小型机器人。控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对环境无影响。体积小，需减速装置。维修使用较复杂，成本较高，效率为 （ 5）性能指标。 按作业要求确定。一般指位姿准确度及位姿重复性（点位控制）、轨迹准确度及轨迹重复性（轨迹控制）、最小定位时间及分辨率等。同时还可对机械结构的刚度、关节几何运动精度等提出要求。 接机器人的主要组成 （ 1）机器人系统包括：由移动式或固定式的操作机、电源、控制系统以及操作并监控机器人的装置、外部设备或传感器的通讯接口所组成的机器人控制装置（硬件和软件）；末端执行器；机器人完成作业所需的外部设备、装置或传感器。所用的外部设备均由机器人的控制系统管理。 6 （ 2）手臂和手腕是机器人操作机中的基本部件，它由旋转运动和往复运动的机构组成。其结构形式是多种多样的，但多数机器人的手臂和手腕是由关节和杆件构成的空间机构，一般由 3自由度组成，工业机器人一般为 3自由度。由于机器人具有多自由度手臂、手腕的机构，使操作运动具有通用性和灵活性，这也是区别于一般自动机的特点。 （ 3）机器臂的控制：在电动伺服系统中，驱动机械臂各关节的是步进电机或直流伺服电机。步进 电机从驱动器得到一系列脉冲信号，每个脉冲信号使步进电机轴产生一定的角位移。一般不需要反馈回路和位置编码器，控制比较简单。采用直流伺服电机的控制系统以测速器和角度编码作为反馈装置，能够精确地控制机械臂关节轴的运动，它的工作状态平稳，旋转速度可以连续调节，对加速和减速指令都能迅速作出反应。 （ 4）腕部机构支承机器人手部装置并调整其姿态，一般有 2位于机械臂末端的手爪产生俯仰摆动和绕自身轴线的转动，这些运动的合成，使机器人的手部相对于操作对象形成灵活的工作姿态。 （ 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。 7 第 2 章 焊接机器人底座的设计 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，是圆弧形的。 上部分也称做腰部，腰部回转由一级齿轮传动和谐波齿轮组成，如底座部件图所示在结构布置上， 电机、谐波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。 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，谐波减速器的刚轮和谐波减速器的外壳联结，谐波减速器的外壳又和机器人的大臂用螺栓连接；当底座的电机工作时，谐波减速器的刚轮不动，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，小齿轮又和大齿轮相啮合，大齿轮通过齿轮座固连于下底座上，所以小齿轮带 着谐波减速器和机器人大臂以上的部件，绕着大齿轮做旋转运动。实现了焊接机器人绕 座的电
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