焊接机器人设计【焊接机械手4自由度直角坐标压缸实现手部的旋转】（全套含CAD图纸）
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毕业设计工作手册 焊接机器人 学校： 长春理工大学 学院： 机电工程学院 班级学号： 0703212 19 学生姓名： 刘继彬 指导教师： 吴晓敏 2 开题报告 义 2000 字以上，列出主要参考文献） 注出原文出处，译文 4000 汉字以上） 3 一、 本课题研究的目的、意义 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。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。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。 本次设计为焊接机器人设计，是本专业学生在完成全部课堂教学之后所进行的一项极为重要的实践性教学环节。旨在通过具体的工程实践进一步深入理解掌握和综合运用所学的专业理论知识，进行焊接机器人的设计基本技能的训练，培养分析问题和解决问题的能力，从而全面实现本专业学生的质量管理目标。作为个人，通过本次设计能在 了解焊接机器人在国内外现状的基础上，掌握焊接机器人内部结构和工作原理，同时了解机器人机械 系统运动学，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，为工业设计者提供设计理论和设计实践的参考。在指导老师的帮助下能够设计出具有刚性好，位置精度高、运行平稳的特点的焊接机器人。 二、国内外研究现状 从机器人诞生到本世纪 80 年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了90 年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。工业机器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不断提高，而机器人的制造成本和价格却不断下降。在西方社会，和机器人价格相反的是 ，人的劳动力成本有不断增长的趋势。在西方国家，由于劳动力成本的提高为企业带来了不小的压力，而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广应用带来了契机。减少员工与增加机器人的设备投资，在两者费用达到某一平衡点的时候，采用机器人的利显然要比采用人工所带来的利大，它一方面可大大提高生产设备的自动化水平，从而提高劳动生产率，同时又可提升企业的产品质量，提高企业的整体竞争力。虽然机器人一次性投资比较大，但它的日常维护和消耗相对于它的产出远比完成同样任务所消耗的人工费用小。因此，从长远看，产品的生产成本还会大大降低。而机 器人价格的降低使一些中小企业投资购买机器人变得轻而易举。因此，工业机器人的应用在各行各业得到飞速发展。根据 统计， 2001 年全世界有 75 万台工业机器人用于工业制造领域，其中 在日本、 在欧盟、 9 万在北美， 在其余国家。至 2004 年底全世界在役的工业机器人至少有约 100 万。 我国机器人发展迅猛 ， 从国家 863 计划实施之初到现在一直将机器人技术列为重点支持方向。国家 863 计划机器人技术主题重点支持数控、工程机械、盾构、生产线、水下载人潜器、危险作业机器人、医疗机器人和仿人仿生机器人等 。 目前光我国从事机器人的研发单位就有 200 多家，专业从事机器人产业开发的则达 50 家以上。一批企业逐步发展壮大。 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。 焊接机器人具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点，广泛应用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等行业。日本装备的工业机器人总量达到了 50万台以上，成为 “机器人王国 ”，其次是美国和德国；在亚洲，日本、韩国和新加坡的制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量居世界前三位。近几 年，全球机器人的数量在迅速增加 。 我国自上个世纪 70年代末开始进行工业机器人的研究，经过二十多年的发展，在技术和应用方面均取得了长足的发展，对国民经济尤其是制造业的发展起到了重要的推动作用。据不完全统计，最近几年我国工业机器人呈现出快速增长势头，平均每年的增长率都超过 40%,焊接机器人的增长率超过了 60%。但 这样的增长速度相对于我国的经 4 济发展速度以及经济总量来说显然是不匹配的，这说明我国制造业的自动化程度有待进一步提高，另一方面也反映了我国劳动力成本的低廉，制造业自动化水平以及工业机器人应用程度的提高受到限 制。当前焊接机器人的应用迎来了难得的发展机遇。一方面，随着技术的发展，焊接机器人的价格不断下降，性能不断提升；另一方面，劳动力成本不断上升，我国经济的发展，由制造大国向制造强国迈进，需要提升加工手段，提高产品质量和增加企业竞争力，这一切预示着机器人应用及发展前景空间巨大。 从目前国内外研究现状来看 ，焊接 机器人技术的研究十分活跃，焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调控制技术、专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术、机器人用焊接工艺方法、遥控焊接技术等七个方面 。 焊接 机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。机器人由机器人本体和控制柜（硬件及软件）组成。而焊接装备，以弧焊及点焊为例，则由焊接电源，（包括其控制系统）、送丝机（弧焊）、焊枪（钳）等部分组成。对于智能机器人还应有传感系统，如激光或摄像传感器及其控制装置等。 工业机器人技术的研究、发展与应用，有力地推动了世界工业技术的进步。特别是焊接机器人在高质高效的焊接生产中，发挥了极其重要的作用。随着我国加入 国际竞争更加激烈，对工业机器人的需求会越来越大，我国的工业机器人产业将面临新的发展机遇和来自国外的挑战，我们要把握 这一机遇，迎接挑战，为我国跻身于机器人强国之列而努力奋斗。 新中国成立后，经过 50 年的艰苦努力，中国焊接生产机械化自动化技术发展应用，取得了很大的成就，焊接生产过程机械化与自动化程度已达到 20%。在以焊接技术为主导制造工艺技术的大中型骨干企业，焊接生产过程综合机械化与自动化程度已达到 40% 45%。在机床、锅炉、汽车、化工机械、工程机械和重型机械等国家重点骨干企业，通过引进国外先进技术及相应配套的自动化焊机、成套焊接设备、焊接生产线和柔性制造系统，使焊接生产机械化与自动化技术达到了国际 90 年代初的先 进水平，进入世界先进之列。 三、 文献综述 焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。根据国际标准化组织（ 业机器人术语标准的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机（ 具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。 世界各国生产的焊接用机器人基本上都属关节式机器人，绝 大部分有 6 个轴。其中，1、 2、 3 轴可将末端工具送到不同的空间位置，而 4、 5、 6 轴解决工具姿态的不同要求。焊接机器人本体的机械结构主要有两种形式：一种为平行四边形结构，一种为侧置式（摆式）结构，如图 2a、 b 所示。侧置式（摆式）结构的主要优点是上、下臂的活动范围大，使机器人的工作空间几乎能达一个球体。因此，这种机器人可倒挂在机架上工作，以节省占地面积，方便地面物件的流动。但是这种侧置式机器人， 2、 3 轴为悬臂结构，降低机器人的刚度，一般适用于负载较小的机器人，用于电弧焊、切割或喷涂。平行四边形机器人其上臂是通过一 根拉杆驱动的。拉杆与下臂组成一个平行四边形的两条边。故而得名。早期开发的平行四边形机器人工作空间比较小（局限于机器人的前部），难以倒挂工作。但 80 年代后期以来开发的新型平行四边形机器人，已能把工作空间扩大到机器人的顶部、背部及底部，又没有测置式机器人的刚度问题，从而得到普遍的重视。这种结构不仅适合于轻型也适合于重型机器人。近年来点焊用机器人（负载 100 150多选用平行四边形结构形式的机器人。 上述两种机器人各个轴都是作回转运动，故采用伺取电机通过摆线针轮（ 速器（ 1 3 5 轴）及谐波 减速器（ 1 6 轴）驱动。在 80 年代中期以前，对于电驱动的机器人都是用直流伺服电机，而 80 年代后期以来，各国先后改用交流伺服电机。由于交流电机没有碳刷，动特性好，使新型机器人不仅事故率低，而且免维修时间大为增长，加（减）速度也快。一些负载 16下的新的轻型机器人其工具中心点（ 最高运动速度可达 3m/s 以上，定位准确，振动小。同时，机器人的控制柜也改用 32 位的微机和新的算法，使之具有自行优化路径的功能，运行轨迹更加贴近示教的轨迹 中国在 60 年代初期开始发展焊接生产线，例如哈尔滨锅炉厂、沈阳 变压器厂等相继建立了锅炉蛇形管、变压器散热器管焊接件的自动生产线，取得了显著的成绩。 70 年代焊接生产线机械化自动化技术发展较快，到 70 年代末，相当多的批量较大的焊接结构生产，都程度不等地发展应用了各种类型的焊接生产线技术。 由于自动控制系统、可编程序控制器、微处理机和计算机技术等在焊接生产中的应用，80 年代以后，中国发展了采用焊接方法的自动控制、焊接过程的自动控制，用自动传送装置、专用焊接设备及电控部分等组成的焊接中心和焊接生产自动线，较广泛地应用在汽车、船舶、核能、电站、锅炉、矿山机械等行业中，不断提 高焊接生产的自动化程度。 80年代中期以后，汽车、摩托车等行业发展焊接生产线上应用机器人焊接技术突出，在中国现代的工厂里可以看到那一排排焊接机器人正在挥舞着钢铁的臂膀认真操作的场景。 进入 90 年代后，中国焊接界把实现焊接生产机械化、自动化作为战略目标，已在各行业的科技发展规划中付诸实施。大力发展焊接生产自动化和过程控制智能化技术，发展焊接生产线和柔性制造技术，发展应用计算机辅助设计与制造技术等。 我国制造业中焊接机器人的应用主要是在 20 世纪 90 年代以后 (个别企业在 80 年代中期 )，经历了摸索阶段，近 5 年 来焊接机器人的数量增加很快，特别是在汽车制造业。根据到 2001 年的统计，全国共有各类焊接机器人 1040 台，其中弧焊机器人多于点焊机器人，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，是我国焊接机器人最主要的用户。汽车制造厂的点焊机器人多，弧焊机器人较少；而零部件厂弧焊机器人多，点焊机器人较少。该行业中点焊与弧焊总的比例约为 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。焊接机器人分布在全国各个经济地区，但主要集 中在东部沿海和东北地区。东部的上海和东北的长春这两个汽车城是我国拥有焊接机器人最多的城市。我国焊接机器人的行业分布不均衡，也不够广泛。今后应重点放在扩大应用领域，使更多行业用上焊接机器人。 当前世界各国在发展工业机器人产业方面有三条不同的道路： (1)机器人制造厂商以开发新型机器人和批量生产优质产品为主要目标，而各行业需要的机器人成套系统，一般由其子公司或社会上的工程公司来设计制造，并完成交钥匙工程 (暂称为“日本模式”）； (2)机器人制造厂商自己既生产机器人又设计制造用户所需要的系统，完成交钥匙工程 (暂称为“欧洲模式”）； (3)本国基本不生产一般工业机器人，企业需要的机器人系统由工程公司用进口的机器人自行设计制造外围设备并成套，完成交钥匙工程 (暂称为“美国模式” )。 目前我国需要研究我们的机器人产业应走什么道路的问题。我们认为应从“美国模式”着手，在条件成熟后逐步向“日本模式”靠近。可喜的是，我国已经形成一批焊接自动化系统集成工程公司，可以完成焊接机器人工作站的设计、设备集成与技术咨询工作。现在我国使用的焊接机器人工作站有近 20是在国内由中国的工程师采用进口的机器人，配合自行设计的外围设备而集成的。但是 比较复杂的焊接机器人生产线或焊接 多还需要全套从国外进口。今后，应促使这些工程公司做大做强，政府应以政策鼓励企业采用我国自行成套的焊接机器人系统，而我国的工程师应进一步加强和国外的机器人厂家和集成公司的合作与 6 技术交流，使国内应用的焊接机器人系统中自行成套的焊接机器人工作站迅速增多，促进我国机器人产业的成长。 参考文献 【 1】成大先 五版）（第 1 卷） 学工业出版社， 2008 【 2】蔡自兴 北京：机械工业出版社， 2009 【 3】李晓辉，汪苏，刘小辉，朱小波 智能化的发展 J2005 【 4】唐新华 J2006 【 5】 孟广喆 第一届全国焊接会议论文集 国工业出版社， 1964 【 6】 国家自然科学基金委员会 热加工 )学出版社， 1995 【 7】 潘际銮 第八次全国焊接会议论文集 册 械工业出版社， 1997【 8】 林尚扬 第八次全国焊接会议论文集 册 机械工业出版社， 1997 【 9】 张西庚 第八次全国焊接会议论文集 册 械工业出版社， 1997 【 10】 吴林等 第八次全国焊接会议论文集 册 械工业出版社， 1997 【 11】濮良贵 ， 纪明刚 北京： 高等教育出版社 ， 2009 【 12】殷际英，何广平 北京：化学工业出版社， 2003 【 13】郭洪红 北京：科学出版社， 2008 四、拟采取的研究路线 览室查阅相关图书和文 献资料 。 写出可行性论证报告 。 五、进度安排 序号 周 数 工 作 内 容 1 第 1 周撰写开题报告 2 第 23 周调研及翻译 3 第 45 周方案论证 7 4 第 67 周结构设计 5 第 812 周绘制零件图及装配图 6 第 13 周可行性检查 7 第 14 周整理毕业设计说明书 8 第 15 周 打印上交所有材料9 第 16 周 准备答辩六、外文文献翻译（标注 出原文出处，译文 4000 汉字以上） 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 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。合理布置了液压缸。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 液压系统 机械机构设计 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 I of in in of of or of a of to is of is of of of of in of at of of of of to a a 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 目 录 摘 要 . 1 章 引言 . 1 第 2 章 焊接机器人的总体方案 . 3 体设计的思路 . 3 由度和坐标系的选择 . 3 动方案论证 . 4 接机器人的组成 . 6 行机构 . 6 制系统分类 . 8 接机器人的技术参数 . 8 章小结 . 8 第 3 章 腕部结构的设计及计算 . 9 部设计的基本要求 . 9 部结构及选择 . 9 型的腕部结构 . 9 部结构和驱动结构的选择 . 9 部结构设计计算 . 10 部驱动力计算 . 10 部驱动液压缸的计算 . 10 压缸盖螺钉的计算 . 11 片和输出轴间的连接螺钉 . 12 章小结 . 12 第 4 章 臂部结构的设计及计算 . 13 部设计的基本要求 . 13 臂的典型机构以及结构的选择 . 14 臂的典型运动机构 . 14 臂运动机构的选择 . 14 臂直线运动的驱动力计算 . 15 臂摩擦力的分析与计算 . 15 臂惯性力的计算 . 16 封装置的摩擦阻力 . 16 压缸工作压力和结构的确定 . 16 塞杆的计算校核 . 17 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 I 章小结 . 18 第 5 章 机身结构的设计及计算 . 19 身的整体设计 . 19 身回转机构的设计计算 . 20 身升降机构的计算 . 21 臂偏重力矩的计算 . 21 降不自锁条件分析计算 . 22 臂做升降运动的液压缸驱动力的计算 . 22 承的选择分析 . 23 章小结 . 23 总结 . 24 致谢 . 25 参考文献 . 26 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 第 1 章 引言 焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。根据国际标准化组织（ 业机器人术语标准的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机（ 具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械 接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。 从机器人诞生到本世纪 80 年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了 90 年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。工业机器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不断提高，而机器人的制造成本和价格却不断下降。在西方社会，和机器人价格相反的是，人的劳动力成本有不断增长的趋 势。在西方国家，由于劳动力成本的提高为企业带来了不小的压力，而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广应用带来了契机。减少员工与增加机器人的设备投资，在两者费用达到某一平衡点的时候，采用机器人的利显然要比采用人工所带来的利大，它一方面可大大提高生产设备的自动化水平，从而提高劳动生产率，同时又可提升企业的产品质量，提高企业的整体竞争力。虽然机器人一次性投资比较大，但它的日常维护和消耗相对于它的产出远比完成同样任务所消耗的人工费用小。因此，从长远看，产品的生产成本还会大大降低。而机器人价格的降低使一些中小企业投 资购买机器人变得轻而易举。因此，工业机器人的应用在各行各业得到飞速发展。 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。 焊接机器人具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点，广泛应用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等行业。我国自上个世纪 70 年代末开始进行工业机器人的研究，经过二十多年的发展，在技术和应用方面均取得了长足的发展，对国民经济尤其是制造业的发展起到了重要的推动作用。 从目前国内外研究现状来看 ，焊接 机器人技术的研究十分活跃， 焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调控制技术、专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术、机器人用焊接工艺方法、遥控焊接技术等七个方面 。 新中国成立后，经过 50 年的艰苦努力，中国焊接生产机械化自动化技术发展应用，取得了很大的成就，焊接生产过程机械化与自动化程度已达到 20%。在以焊接技术为主导制造工艺技术的大中型骨干企业，焊接生产过程综合机械化与自动化程度已达到 40% 45%。在机床、锅炉、汽车、化工机械、工程机械和重购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 型机械等国家重点骨干企业，通过引进国外先进技术及相应 配套的自动化焊机、成套焊接设备、焊接生产线和柔性制造系统，使焊接生产机械化与自动化技术达到了国际 90 年代初的先进水平，进入世界先进之列。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 第 2 章 焊接机器人的总体方案 该设计的目的是为了设计一台焊接机器人，本章主要对焊接机器人的机械结构部分进行设计和分析。 体设计的思路 设计机器人大体上可分为两个阶段： (1) 系统分析阶段 1） 根据系统的目标，明确所采用机器人的目的和任务； 2） 分析机器人所在系统的工作环境； 3) 根据机器人的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由度、信 息的存储量、计算机功能、动作精度的要求、容许的运动范围、以及对温度、震动等环境的适应性。 (2) 技术设计阶段 1） 根据系统的要求确定机器人的自由度和允许的空间工作范围，选择机器人的坐标形式； 2） 拟订机器人的运动路线和空间作业图； 3） 确定驱动系统的类型； 4） 选择各部件的具体结构，进行机器人总装图的设计； 5） 绘制机器人的零件图，并确定尺寸。 由度和坐标系的选择 机器人的运动自由度是指各运动部件在三维空间相当于固定坐标系所具有的独立运动数，对于一个构件来说，它有几个运动坐标就称其有几个 自由度。各运动部件自由度的总和为机器人的自由度数。机器人的手部要像人手一样完成各种动作是比较困难的，因为人的手指、掌、腕、臂由 19个关节组成，共有 27个自由度。而生产实践中不需要机器人的手有这么多的自由度一般为 3包括手部）。本次设计的焊接机器人为 4自由度即： 腕部回转；小臂部伸缩；大臂部回转；大臂部伸缩。 工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构、关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下 : (1) 直角坐标机器人结构 直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直 线运动来实现的，如图2-1(a)所示。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 有可能达到很高的位置精度 （ 。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。 直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构 错误 !未找到引用源。 。 (2) 圆柱坐标机器人结构 圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图 2b） 。这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。 (3) 球坐标机器人结构 球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2c） 。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间 错误 !未找到引用源。 。 (4) 关 节型机器人结构 关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图 2d） 。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。 关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。 根据要求及在实际生产中的用途，本次设计的焊接机器人采用直角坐标。 图 2种机器人坐标 形式 动方案论证 焊接机器人的驱动方式有液压式、气动式和电动机式。 a)直角坐标型 b)圆柱坐标型 c)球坐标型 d)关节型 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 (1) 液压驱动 :是指动源（发动 机或电机）驱动油泵产生压力油，压力油再去驱动液压马达，由液压马达产生机器需要的动力。 (2) 气动驱动多用于开关控制和顺序控制的机器人，与液压驱动相比较，气动驱动由于压缩空气粘度小，所以容易达到高速；由于可利用工厂集中空气压缩机站供气，减少了动力设备；空气介质不污染环境，安全高温下可正常工作；空气取之不竭用之不尽，相对于油液廉价，故气动驱动元件比液压元件价格低 (3) 电机驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。随着材料性能的提高，电动机性能也在随之提高并且电动机使用简单， 所以就目前来看，机器人驱动正逐步为电动机驱动式所代替。 表 2种驱动系统的比较 内容 驱动方式 液压驱动 气动驱动 电机驱动 输出力 压力高，可获得大的 输出力 压力相对要小，输出 力小 输出力较大 控制性能 利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制 气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制 控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂 响应速度 很 高 较高 很高 结构性能及体积 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率 /质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大 结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率 /质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小 伺服电动机 易标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除以直接驱动，结构紧凑，无密封问题 安全性 防爆性能好，用液压油作为传动介质，在一定条件下有火灾危险 防爆性能好，高于1000个大气压）时应注意设备的抗压性 设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境防爆性能较差 对环境影响 液压系统易漏油，对 排气时有噪声 无 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 环境有污染 续表 2容 驱动方式 液压驱动 气动驱动 电机驱动 在工业机械手中的应用范围 适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机械手、电焊机械手和托运机械手 适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机械手 适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机械手 成本 液压元件成本较高 成本低 成本高 维修及使用 方便，但油液对环境 温度有一定要求 方便 较 复杂 接机器人的组成 焊接机器人由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。 行机构 （ 1）手部 手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。 本设计为焊接机器人设计，因此手部并无其他结构，仅仅是一个焊枪，通过螺栓固定于腕部之上。 （ 2）腕部 腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节焊枪的方 位，以扩大焊枪的工作范围，并使手部变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。 目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于 2700） ,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 本次设计的焊接机器人的腕部是利用液压缸实现 手部的旋转运动。 设计的焊接机器人的腕部的运动为一个自由度的回转运动，运动参数是实现手部回转的角度控制在 00 9090 范围内，其基本的结构形式如图 2示。 图 2部回转基本结构示意图 腕部的驱动方式采用直接驱动的方式，由于腕部装在手臂的末端，所以必须设计的十分紧凑可以把驱动源装在手腕上。 机器人手腕的回转运动 是 由回转液压缸实现 的 。将夹紧活塞缸的外壳与摆动油缸的动片连接在一起；当回转液压缸中不同的油腔中进油时即可实现手腕不同方向 的回转。 （ 3）臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。 臂部运动的目的：把手部送到直线运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有一个自由度就能满足基本要求，即臂部的伸缩运动。 臂部的运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部的静、动载荷。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。本次 设计实现臂部的前后伸缩运动。臂部的运动参数： 伸缩行程： 1850伸缩速度： 1200mm/s1400mm/s。机器人臂部的伸缩使其手臂的工作长度发生变化，在直角坐标式结构中，手臂的最大工作长度决定其末端所能达到的最远距离。伸缩式臂部机构的驱动可采用液压缸直接驱动。 （ 4）机身 机身部分运动的目的：把臂部送到直线运动范围内任意一点。如果改变臂部的姿态（方位），则用机身的自由度加以实现。因此，机身部分具有两个自由度才能满足基本要求，即机身的伸缩、左右旋转运动。 机身的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或 者气缸）和各种传动机构来实现，从机身的受力情况分析，它在工作中既受臂部、腕部、手部的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。 本次设计实现基座的上下伸缩、以及机身的回转运动。机身的运动参数： 伸缩行程： 3650伸缩速度：1200mm/s1400mm/s；回转范围： 00 9090 。机器人机身的伸缩使其工作长度发生变化，在直角坐标式结构中，机身的最大工作长度 决定其末端所能达到的最购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 远距离。伸缩式机身结构的驱动可采用液压缸直接驱动。机身部分和滑轨的配置型式采用立柱式单臂配置，其回转运动的驱动源来自回转液压缸。 （ 5）滑轨 滑轨是悬臂机器人的基础部分，起悬挂作用，它将机身悬挂于导轨之上。并带动机身沿轨道直线运动。 制系统分类 在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。本设计采用电磁控制。 接机器人的技术参数 一、用途：用于焊接工件 二、设计技术参数 : 1、焊枪 :； 2、自由度数 :4个自由度 （腕部回转；小臂部伸缩；大臂部回转；大臂部伸缩 4个运动）； 3、坐标型式 :直角坐标系； 4、最大工作半径 :4730 5、手臂最低中心高 :4040 6、手臂运动参数 :伸缩行程： 1850缩速度： 1200mm/s1400mm/s 升降行程： 3650降速度： 1200mm/s1400mm/s 回转范围： 00 9090 ； 7、手腕运动参数 :回转范围： 00 9090 。 章小结 本章从焊接机器人的实用方面入手，提出了一套总体设计方案，并根据机器人自由度的要求选取直角坐标系为本次设计坐标系。同时，就焊接机器人的组成（执行机构和驱动机构）以及现实作业，给出了具体的手部、腕部、臂部和基座的结构形式；并选择液压驱动作为本次设计的驱动机构。最后，给出了设计中所需的技术参数。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 0 第 3 章 腕部结构的设计及计算 部设计的基本要求 (1) 力求结构紧凑、重量轻 腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。 (2) 结构考虑，合理布局 腕部作为焊接机器人的执行机构，又承担连接和支撑焊枪的作用，除保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。 (3) 必须考虑工作条件 对于本次设计，焊接机器人的工作条件是在工作场合中焊接工件，最大载荷为 8此不 太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对焊接机器人的腕部没有太多不利因素。 部结构及选择 型的腕部结构 (1) 具有一个自由度的回转驱动的腕部结构它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转，总力矩 M，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于 270）。 (2) 齿条活塞驱动的腕部结构在要求回转角大于 270的情况下，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大。 (3) 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构它使腕部 具有水平和垂直转动的两个自由度。 (4) 机 部结构和驱动结构的选择 本设计要求手腕回转，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 1 部结构设计计算 腕部设计考虑的参数：最大载荷： 8转。 部驱动力计算 图 3部支撑反力计算示意图 腕部回转时要克服的阻力： F=R2 a. 腕部回转支撑处的摩擦力矩： d （ 3 其中 f 为轴承摩擦系数取 f =0.1 b. 克服由于工件重心偏置所需的力矩： 3e （ 3 c. 克服启动惯性所需的力矩： 2 （ 3 部驱动液压缸的计算 表 3压缸的内径系列 （ 错误 !未找到引用源。 （ 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 表 3准液压缸外径 （ 错误 !未找到引用源。 （ 液压缸外径 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200 20 钢 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 45 钢 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 2 设定腕部的部分尺寸：根据表 3缸体内径 R=40径根据表 3择 60个是液压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，其外径为 90片宽度 b=66出轴 r=示。则回转缸工作压力： 2 2 2 22 2 6 1 . 1 1 7 . 3 50 . 0 6 6 0 . 0 5 5 0 . 0 2 2 5 p r 选择 8 3部液压缸剖截面结构示意图 压缸盖螺钉的计算 图 3盖螺钉间距示意图 表 3钉间距 之间的关系 错误 !未找到引用源。 工作压力 P（ 螺钉的间距 t( 小于 150 小于 120 小于 100 小于 80 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 3 缸盖螺钉的计算， 如图 4示， t 为螺钉的间距，间距跟工作压强有关，见表 4在这种联接中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力 : 0 F （ 3 液压缸工作压强为 P=8以螺钉间距 t 小于 80选择 12 个螺钉， 80以选择螺钉数目合适 Z=12 个。 螺钉材料选择 (n= 螺钉的直径： （ 3 d =钉的直径选 用 片和输出轴间的连接螺钉 动片和输出轴之间的连接结构见图 4接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。连接螺 钉的作用：使动片和输出轴之间的配合紧密。 螺钉材料选择 （ n= 螺钉的直径 ： d=钉的直径选 用 章小结 本章主要内容为腕部结构的设计包括：腕部结构的选取和腕部结构的设计计算。首先，根据腕部设计的基本要求选择与本次设计相符合的腕部结构；然后，按照给定的技术参数进行设计计算；最后，确定了腕部回转所需的回转力矩、选用回转缸以及选取各关键部位螺栓的计算。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 4 第 4 章 臂部结构的设计及计算 手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或 工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括 3 个运动：伸缩、回转和升降。本章叙述手臂的伸缩运动， 手臂的回转和升降运动设置在机身处，将在下一章祥述。 臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备 3 个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵 活性等直接影响到机械手的工作性能。 部设计的基本要求 臂部设计首先要实现所要求的运动，为此，需要满足下列各项基本要求： 一、臂部应承载能力大、刚度好、自重轻 对于机械手臂部或机身的承载能力，通常取决于其刚度。以臂部为例，一般结构上较多采用悬臂梁形式（水平或垂直悬伸）。显然伸缩臂杆的悬伸长度愈大，则刚度愈差。而且其刚度随着臂杆的伸缩不断变化。对机械手的运动性能、位置精度和负荷能力影响很大 。为提高刚度，除尽可能缩短臂杆的悬伸长度外，尚应注意以下几方面： (1) 根据受力情况，合理选择截面形状和 轮廓尺寸； (2) 提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离； (3) 合理布置作用力的位置和方向； (4) 注意简化结构； (5) 提高配合精度。 二、臂部运动速度要高，惯性要小 机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在最大回转角速度设计在内，大部分平均移动速度为，平均回转角速度在。在速度和回转角速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。减少惯量具体有 4 个途径 错误 !未找到引用源。 ： (1) 减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料； (2) 减少臂部运动件的轮廓尺寸； (3) 减少回转半径 ，再安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 5 伸缩），尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作； (4) 在驱动系统中设缓冲装置。 三、手臂动作应该灵活 为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线 的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。为此，必须计算使之满足 不自锁的条件 错误 !未找到引用源。 。 四、位置精度要求高 一般来说，直角和圆柱坐标式机械手位置精度要求较高；关节式机械手的位置精度最难控制，故精度差；在手臂上加设定位装置和检测结构，能较好地控制位置精度，检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动、啮合件间的间隙。 总结： 除此之外，要求机械手的通用性要好，能适合多种作业的要求；工艺性好，便于加工和安装；用于 热加工的机械手，还要考虑隔热、冷却；用于作业区粉尘大的机械手还要设置防尘装置等。 以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美的、性能良好的机械手。 臂的典型机构以及结构的选择 臂的典型运动机构 常见的手臂伸缩机构有以下几种： (1) 双导杆手臂伸缩机构； (2)手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构
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