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南京理工大学泰州科技学院 毕业设计 (论文 )外文资料翻译 学院 (系 )： 机械工程学院 专 业： 机械工程及自动化 姓 名： 汪俊 学 号： 0601610108 外文出处： 附 件： 指导教师评语： 译文准确，语句通畅，符合汉语的习惯。 签名： 年 月 日 注： 请将该封面与附件装订成册。 附件 1：外文资料翻译译文 程操作救 援机器人 为一种远程操作救援机器人，它的设计程序以及对其动态分析，生产过程，控制系统，防滑性能改进等一直被人们所探讨。人们首先要探讨的问题是规定机器人要完成的总任务以及组成机器人基本结构的各种机构。选择适当的机构、几何尺寸、对质量进行定性分析以形成系统的运动学和动力学模型。其次是对每个构建的强度进行分析以最终定型并提出机构模型。接着对控制系统进行简要的介绍，该控制系统包括用作主处理器的操作者的电脑以及安装在机器人身上作为从处理器的便携式电脑。最后通过实验测试确定并验证轨道滑移系数，以改善 系统的跟踪性能。 经参加几个救援机器人联赛。 关键词：移动机器人，远程操作，运动机制，控制结构，滑移估计 1 引言 由一个或多个操纵器平台组成的移动操纵型机器人有无限的工作空间。因此，各种行走，轮式，履带式和飞行系统已被提出并成功地付诸实践。这种系统被广泛用于消防，林业，排爆，有毒废物清理，运输材料，空间轨道维护等会危机到人类健康安全的领域 1。因此，可以预计，不管是自动运行的还是远程操作的移动机器，都将会在人类生活的各个不同领域发挥更加重要的作用。但是，在移动机器人系统中，基于作用于反作 用原理，动力会影响到基座与操纵器的运动。因此，运动学、动态，以及对这些系统的控制已经得到了广泛的研究关注 2 地震是一种会威胁人类生命的自然事件。主震之后的余震会造成二次坍塌， 这会危及搜救人员的生命。为了尽量降低救援人员的风险，同时增加受害人生存机率，开发出一种能相互协作的机器救援队不失为一种好的选择。该种机器人及其操作者的任务是找到受害者并确定他们的情况，然后汇报目标在建筑物地图上的方位 6,7。这消息，会立即被发送至人类救援队。对救援机器人的进一步预期，如能够自主搜索倒塌建筑物，发现受害者和 确定他们的环境，为幸存者提供生活用品和通信工具和布设传感器 (声，热，地震等 )正处于课题研究中。然而，救援机器人的基本能力是它们在遭受破坏地区的机动性 ,这完全依赖于它们的运动系统和它们的维度。到目前为止已经设计并生产了各救援机器人 8,9。 本文对 学（ 目进行了直观的描述，如图 1 所示。首先对移动机构的设计步骤进行详细介绍，并确定系统尺寸和相关参数。然后是对系统运动学和动力学进行探讨，并提出对每个机构部件应力分析问题。接着是叙述机器人控制系统。最 后通过实验测试确定并验证轨道滑移系数，以改善系统的跟踪性能。 着友好的人机操作界面，它在非结构化环境、不光滑的路径，甚至是在爬楼梯时都有很强的移动能力。它的性能已被如下事实证明：在2005 年日本大阪机器人世界杯救援机器人联赛中取得第二个最佳设计奖， 2006 年在德国不来梅机器人世界杯足球赛中取得最佳操作界面奖，以及 2008 年在中国苏州机器人杯大赛中取得第二个最佳移动奖。 图 1 不同的环境中运动： (左 )折叠路径 ,(右 )爬上不平斜坡可扩展轨迹 2 机构设计 以移动形式划分， 搜救机器人主要有三类，即轮式，履带式和行走机器人。轮式机器人，可以在搜索平坦的区域时使用。由于动力简单，开发这些自动系统相对容易。轮式机器人还能够攀爬高度比车轮小的障碍物。履带式机器人由于具有在崎岖不平的地形上移动的超强能力而得到广泛使用。图 2 展示了轮式和履带式系统面临着同样的障碍（楼梯）。可以看出，相对较小的履带式机器人具有相同的越障能力。 图 2 两种运动系统遇到相同障碍物 行走机器人通常具有高自由度 (故而具有高机动性。因此，这种系统的动力学模型及其稳定性要比前者复杂的多。此外，这种系统的 运行需要大量的执行机构和传感器，所以他们的控制系统更昂贵。还应该提到的是两轮和行走机构相结合的方式，这保留了两个运动系统的优点，而且避免了它们的缺点 10。在轮式 式机构可以支撑行走机构的重量，而行走机构可以在崎岖的地形上移动机器人。 不仅仅是运动系统类型，救援机器人的尺寸也是一个重要的问题。在一个遭受破坏的室内环境中，可能存在一些例如倒塌的墙壁或天花板一类的一般系统不能轻易通过的障碍。在这种情况下，机器人必须在障碍物之间寻找一条其他的路径而不是爬过他们，这无疑取决于它的大小。一个 相对较小的机器人能够轻易地通过一条狭窄通道并继续搜索。应当指出，楼梯是室内环境的一个不可分割的一部分。不管楼梯破坏与否，救援机器人都应该有能力上下楼梯以搜查整个地区。 为了在这两个矛盾之间进行折衷，人们提出了一种具有高机动性的小机器人，履带式机构已经被应用于 研制。这种机制包括一个主体 (基座 )和两个可扩展履带 (臂 )。这一布置使机器人能根据它遇到的障碍调整自身大小。因此，相应的，履带应该有一个最小长度以防止失去平衡，并且能够在没有额外震动的情况下能在连续的楼梯上稳定的运动，如图 3(a)所示 ,。另一方面 ,长的履带 ,例如那些简单的履带机器人需要一个较大的区域进行拐弯 ,如图 3(b)，这在遭受破坏的环境中很难满足这一条件。 图 3 (a)履带式机器人最小长度 (b)简单的履带式机器人最小拐弯半径 可扩展履带 (臂 ) 图 4 中显示的结构 ,使得机器人可以扩大它的履带长度以便通过障碍。另一方面 ,当机器人在穿过狭窄的通道以及需要较小体积时，其前端可以折叠。这也有助于减少转弯半径。最初的想法是在折叠工作臂上，以克服上述矛盾。 这个概念已经改进了在两边都有一对工作臂的车辆，如图 4(b) 所示 ，用折叠臂来减少机器人的长度或扩大其他长度来满足其他要求。另一个优点是对称结构，该结构使得机器人在前进和后退时运动相似，这一布置便于在受限空间内转弯。 其次，工作臂被布置在同一平面内以降低机器人宽度 (图 5 (b)。最后，为了在工作臂折叠时使用额外的区域空间，在每个臂中安装了连接件 (图 5 (b)。因此 ,机器人两边的履带都能伸展成三个平行层面 ,这提供了更有效的牵引力。 图 4 (a)前端履带初步设计 (b)具有两对臂的改进设计 (前端和后端 ) 图 5（ a）使履带共线以减少机器人宽度 (b)履带最终结构 在系统中添加四个独立的（主动）关节会增加执行机构的数量从而增加系统的总价格。因此，人们用行星齿轮系来简化每个臂上主连接件到次连接件的功率传输。每个臂上的两个的旋转是相互独立的。通过分析两个臂的轮廓可以得出齿轮传动比；（ i）完全伸展（ 全折叠，这样，在那些具有两个轮廓的预期平面上的臂就可以运动 (图 6)。 图 6 臂的运动轨迹 如图 6 所示，当工作臂的主体部分旋转 / 2，从属部分的旋转角度应该超过 备这一性能的齿轮系应该是一个行星变速箱。第一个工作臂的主体部分在行星轮系中起着工 作臂的作用，其动力由电动机直接提供。太阳轮连接在机器人上的主体之上，行星轮连接到在工作臂的从属结构上。一对中间齿轮安装在太阳轮和行星轮之间，该处齿轮的直径不得超过履带主轮直径这一阈值（图 7）。这一机构的另一个优点是工作臂的两个连接点处的中心距离在旋转时将保持不变。这使得我们能够补偿主履带和装有另一履带的工作臂之间的间隙。这种履带的作用是将履带主体部分上的动力传递至工作臂上的从属履带上。 图 7 个行星传动链 斜齿轮由于刚度大且齿轮轮齿强度相比于直齿圆柱齿轮来说更强而被用在行星齿轮系中 11,12。臂的角 速度应低于 2 至 4 转每分钟，而电机的输出速度为 3000 转每分钟。因此电机与连杆之间的速比约为 1000。三级行星齿轮变速箱这以组合结构的每一级的比率皆为 3： 1 (推定直角在角速度相对较大电机轴处）的比例。传动比为 30:1 的蜗轮系为受限空间提供了理想的传动比（图 8）。机器人的两侧履带都是直流电机驱动。 图 8 最终设计的布置 履带 移动系统的牵引力在很大程度上依赖于机器人行走时履带表面与接触面之间的摩擦。因此履带部件的材料和形状就显得尤为重要 13。另一方面履带应该承受适当的张紧力。设计的履带由两个 主要部件组成。链齿结构为系统提供了足够的张紧力 ,由乳胶做成的齿形零部件则补偿了链与接触面之间的隙，从而得到所需的摩擦力。通过用长销钉替换标准链中的销钉对金属链进行了修正。图 9 展示了修正后的链以及履齿是如何安装在这些销钉上的。 当系统需要快速机动的穿过或是爬过某个斜坡时，产生了一个严重的问题，那就是由于基座运动而导致的不稳定性及倾覆 14。悬架结构具备两个主要优点。 悬架系统包括主体上的两个表面，并将它们通过回转副连接起来（图 9）。一对线性弹簧限制了旋转角度，同时使得该系统在未受到额外施加的作用力时保持理想姿势。在此指出一点，该系统不需要使用减震器，因为作为转动副的滑动轴承产生的摩擦力足以限制弹簧的额外震动。 图 9 上图：安装在链上的乳胶零件；下图：悬挂系统基本结构 最终尺寸 移动结构设计完成后开始进行尺寸设计。一些诸如金属链和行星轮一类的零件作为标准间很容易得到，所以其他零件的尺寸应该与它们相匹配。除此之外，在计算时必须考虑机器人的整体尺寸和齿轮系的公式。由于大量的方程式共同决定着参数，人工计算无法得到最优解。所以可以通过 解方程得出最优解。该过程需要考虑的尺寸列在 图 10 和表 1 中。 图 10 主要的长度确定其他维度 表 1 尺寸参数的机器人 附件 2：外文原文 （复印件） A he as a to be by is to of to of is to is s PC on as of by to in of a or an in of as of in is 1. it is or a in of in a of on of 2 5. is a a In to of is a be to on a of 6,7. be to of as to to of is in on so 8,9. an of as 1. be is of of is is by to in on a in 005 006 008 1 in up a of in of be is to A is of a of to on It be a 2 of of of is of so is It be a of of be 10). In a of on a of of of a is an In a as or be by In a or a on A a It be an of an or a to up in to In to of a a a to on it a to a on as 3(a). On as of a a as 3(b), is in a 3 (a) of b) of a 4 to of to On is to be be as to to a of at of as 4(b), to of be of to in in a in to 5_a). is to in to an 5(b). on of a 4 (a) of b) of 5 (a) to of b) to of of a to of of to of be is of (i) on a 6). 6 of s 6, a of of be a of of in is by a be to of is to of A of is of a is of of 7). of is of of us to is to of to on 7 to of 11, 12. of be 4 s 000 be 000. A of a at is a :1 at a a 0:1 in a 8). A dc at of 8 he of on on of of 13. On a of A of of to by of on on of by a or to a is or 14. by a by on by a 9). A of of at a no It be of of as to of 9 on of of to be of as so of on be in an is by to a of in 10 . 10 of 1208511it is or a in of in a is is to 2 009 or ,on of 208512is a a In to is a be to on a of be to of to 20849of is in on a in 005 006 008 of of by F 1, 2008; , 2009; 0, 2009. 1 in up a 009, 131 / 081005 2009 . 93959991 43344, to of of a an of as of in as a to be by is of is s PC on as by to in in on so 208518,an of 20849as is of of 2 009 or , of is of so is be a of be In a of on a of of of a is an In a as be by In a or a A a It be an of an a to in to to a a wo of 3 a of a 131, 009a 20849to on it to on 3On of a a as 3is in a to of to On is to be be to to a at of as 4to of be of to in b 4 a of bof of 2 009 or , in to 5is to an 5on of a 20849to of a of of to of is 20849on a 208496, a of 9266 be a of of in is by a to of of A of of a is of of 208497of of of us to to of on to of a to b 6 of 7 2085111,12of be 4 s 000 be 000. A of a 20849at is a :1 at a a 0:1 in 208498A dc of of on of 2085113On a of A of of to by of on on of by a or to is or by by on by a 208499A of of at a no It be of 8 9 on of 009, 131 / 2 009 or , so of be in an by a of in 10 OF in a in c:y,:,It be is to x is to of as is in as of to of to of to of of of of of ap ap of of 00 of 60 of 10 131, 009Y,20850 =9275of to of of is r is of is t of 208492208493be a on s of be = r+= r+ rb is to of c is a to r/2b, 9251 is of 11 on a of in of or to to on a a 2 009 or , in a of s as 2.2,in a in is q. is = r+= 208495 rbe q. a 9278be x 9278 y 9278 x 9278+ y 9278 208496we 9278 X9278= y q. q. X9278+ Y9278 0 a It be to in an of x, y, 9278. be in =0 9278 9278 208499q. be 9278292789278+292789278+29278927829278rq. we 208759278 92789278 9278ribe if q. to be to be is in 2084920849to be be a or in of on 1 开 题 报 告 （ 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 方 君 学 号 04081205 院 系 机电系 专 业 机械设计制造及其自动化 指导教师 黄德中 填写日期 2008 2 一、 本课题国内外状况，说明选题依据和意义 焊接机器人是目前最大的工业机器人应用领域。 由于汽车制造业对许多构件的焊接精度和速度等指标提出越来越高的要求，一般工人已难以胜任这一工作；此外，焊接时的火花及烟雾等，对人体造成危害，因此，焊接过程的完全自动化已成为重要的研究课题，其中，最为重要的就是要应用焊接机器人。 随着近代模糊数学和神经网络的出现，以及 与焊接机器人的结合应用，有效解决了专用控制器计算负担重、实时性差等问题 音识别、最优控制、人工智能等先进的研究成果应用到该系统的实时操作中。焊接过程中存在很多不确定的因素，是一个典型的时变非线性系统，难以建立精确 的数学模型。因此，采用与模型无关的人工神经网络或模糊控制技术更为合适。 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 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， 3 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、下、 二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的 典的 大利的 奥地利的 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美元降低到 2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 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 4 国产机器人的发展。 二、主要技术经济指标和参数： 自由度数 5 驱动方式 伺服或步进电机 总高 1300大持重 12轴转角 轴 转角 速度 /s 1 轴 300 2 轴 120 3 轴 110 90 4 轴 210 5 轴 360 180 三、研究的基本内容，你解决的主要问题（阐述的主要观点） 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， 焊接精度和速度等指标提出越来越高的要求，一般工人已难以胜任这一工作；此外，焊接时的火花及烟雾等，对人体造成危害 。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。 (2) 改善了工人的劳动条件。 (3) 提高劳动生产率。 本论文所研究的为 5 自由度焊接机器人 ， 主要解决焊接机器人 腰部 以及大臂 的工作平稳性和提高其工作效率 ，主要解决一下几个问题： (1)理清整个机器的工作原理，及各个部件相互关系，使之协调。 (2)都大臂和腰部的工作原理做研究，明确其传动路线。 (3)明确各个部件的装配关系，画出装配图和主要零件图。 (4)明确各个部件的技术要求，合理选择材料及配合关系。 5 四、课题研究工作进度计划 起止日期 工作内容 撰写文献综述 外文翻译 开题报告 毕业实习 总体设计 部件设计 零件设计 编写设计计算说明书 预答辩及修改工 作 主审教师评阅 答辩及成绩综合评定 六、主要参考文献 1申永盛 M华大学出版社， 264 2 徐德，涂志国，赵晓光，等 J2004，25（ 4）： 103 成大先 减 (变 )速器 M化学工业出版 社 4 周炳森 ,新编焊接设备选 型与焊接材料选用实用手册 2006 年 6 7 月 5 朱浩翔 J6罗诚 ,最新压力容器焊接和切割新技术、新工艺与应用技术标准实用手册，中国科技文化出版社， 2005年 7 陈善本，智能化焊接机器人技术。机械工业出版社。 200658王伯平 M械工业出版社，2004 15 25 六、指导教师审核意见 指导教师（签名） 年 月 日 七、院（系）毕业设计（论文）工作领导小组审核意见 1通过 2完善后通过 3. 未通过 负责人（签名） 年 月 日 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 方 君 学 号 04081205 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 黄德中 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 to of s in of in we is in of of is of a a In a of of in a of of is of of It is on on of on is a of of it to to it of is a of s of of of of of so 5V 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 5 5 3 焊接机器人腰部与大部设计 7 部 结构设计 7 动机的选择 7 波减速器介绍及选择 8 的设计与校核 10 承的 设计计算 与核 11 轮设计计算 与校核 12 臂结构设计 15 动机的选择 15 波 减速器的选择 15 的设计与校核 16 4总 18 参考文献 19 致谢 20 1 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2 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 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、 下、 二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的 典的 大利的 奥地利的 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 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3 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。 4 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。 5 2 我的毕业设计基 本思路 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 。 计传动方案 6 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。 7 3 焊接机器人大臂与腰部设计 部的设计 动机选择： 由查表得 ，以及考虑到安全系数 S,一般取 S= 大致确定 下表可选取合适的电动机。 综合以上数据 130参数如下： 额定功率 =定转矩 =4N/M 额定转速 =3000r/定电压 =160V 额定电流 =值转矩 =32N/M 电枢电阻 = 8 电框电感 = 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。 （一） 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9 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=70 500。 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 10 120机型， 150表示减速比。 其参数为： 输入功率 =入转速 =3000r/出转矩 =450N/M 输出转速 =20r/ 轴的计算 （ 一 ） 轴 材料选择 轴的材料选用 45 钢，调质处理， =360 （ 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 得到的扭矩图： 有图可知，危险截面在 在 扭转应力： 63D =53*53*53*6=29217 910 =T/ 3820 /29217= 在 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 远大于最大应力， 11 故合适。 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 622 247N 3430247 中： B 轴承宽度， 据宽径比 B/ p 轴瓦材料的许用压力，单位为 2) 验算轴承的 (单位为 m/s) m/s v 轴径圆周速度，即滑动速度， m/s 轴承材料的 m/s v(单位为 m/s) v=s v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 滑动轴承和轴承座的配合为过渡配合，定为 6/734 ， 3 m ,1 m 12 基准孔 I=0,上偏差为 I+m 轴瓦 m ,es=m 由此得 H， m。 滑动轴承和轴的配合为间隙配合，定为 65 7 / 6， 3 m ,1 m 基准轴 ,下偏差为 ei=0 13)= 13 m 孔 I=0 孔 S=1 m 由此得 0 106 5 7 6 5H， 00 36 5 6 6 5h。， 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 45 钢调质，齿面硬度为 250速级大齿轮选用 45 钢正火，齿面硬度为 220 齿轮计算， 查 课本 表得 : 550H M 540H M 。 材料弹性系数 )（表 15 重合度系数 Z=（ 4-） /3） 2/1 = 15 节点区域系数 15 螺旋角系数 ZZ=1 (式 15 计算应力循环次数 N： 6005001811250=08 0/08 表 10 13 。 故 l i m 11 550 5001 . 1p a M p l i m 22 540 4901 . 1p a M p 。 查课本表 10 200F M 150F M 。 故 l i m 11 200 1541 . 3p a M p l i m 22 150 1151 . 3p a M p 。 由设计计算公式（ 10行试算 即 3 21121 )( 转矩 319 5 5 0 1 0 3820 m 载荷系数 K: K= 7级精度制造，查课本表 10 载 荷 系 数 ， 取 齿 宽 系 数 计 算 中 心 距 ： 1112 2 533 3 3 5 3 3 5 1 . 2 1 . 0 6 9 1 01 1 . 9 7 1 1 5 8 . 94 9 0 0 . 4 1 . 9 7 考虑 计算原因取 160a 4m 则12 2 107m 取 1 36Z 2 71Z 传动比： i=71 / 36 齿宽： 0 . 4 1 6 0 6 4 取 2 64b 1 66b 大齿轮： 2 64b 2 71Z ,小齿轮： 1 66b 1 36Z 大端分度圆直径 4 36=144， 4 71=284 齿顶圆直径 2 =144+ 2284+ 14 齿根圆直径 76 齿轮锥距 R=1/2 端圆周速度 v= d1 60000=3500/60000=s， 齿宽 b= 齿轮精度为 7 级 1 =（ R =（ 取 1 =10 ， 2 =14 ,c=10 轮宽 （ （ 93= （ （ 291=39 按齿面接触强度设计： 1111 2 7 0 E u d u 21 2122 2 8 F p 所以安全。 验算轮齿弯曲强度： 查课本表 101 2 最小齿宽 2 64b 计算： 111113222 2 1 . 2 1 0 6 . 9 2 . 6 1 0 4 4 . 56 6 2 . 5 3 6 Y M p ab m Z 22 1 215 3 . 8 p 所以安全。 查课本第 162页表 11级的的精度是合适的。 以上课本为 机械设计（第七版）。 15 臂的设计 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=F*S=12*10* 6 5 0 * 6 5 0 6 5 0 * 6 5 0 /1000=78N/M T=9550*P/n N=60r/以输出功率 P=T*n/9550=78*60*9550=90W。 因为功率经过
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