五自由度关节型焊接机械手设计【毕业论文+CAD图纸全套】

购买文档送 子版图纸， 1970985 或 401339828 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 购买文档送 子版图纸， 1970985 或 401339828 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 购买文档送 子版图纸， 1970985 或 401339828 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 购买文档送 子版图纸， 1970985 或 401339828 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 买文档送 子版图纸， 1970985 或 401339828 3 购买文档送 子版图纸， 1970985 或 401339828 4 购买文档送 子版图纸， 1970985 或 401339828 5 购买文档送 子版图纸， 1970985 或 401339828 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。 购买文档送 子版图纸， 1970985 或 401339828 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 . 购买文档送 子版图纸， 1970985 或 401339828 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。 购买文档送 子版图纸， 1970985 或 401339828 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。 购买文档送 子版图纸， 1970985 或 401339828 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： 购买文档送 子版图纸， 1970985 或 401339828 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，当波发生器连购买文档送 子版图纸， 1970985 或 401339828 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（） 购买文档送 子版图纸， 1970985 或 401339828 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