5自由度焊接机器人结构设计【焊接机械手】【含CAD图纸和说明书】
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焊接机械手
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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。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；机械机构设计；机械系统运动学-I-ABSTRACT With 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 quality 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 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 wrist.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 practice, design theory reference.The robot has a good rigidity, high precision location, stable characteristics.Keyword:Welding robot；mechanical structure design；robot mechanical system kinematics -II-目 录摘 要IABSTRACTII第一章 引言1第二章 焊接机器人的总体方案32.1总体设计的思路32.2自由度和坐标系的选择32.3焊接机器人结构设计的基本要求3第三章 驱动方式的选择53.1 液压驱动53.2 气压驱动53.3 电机驱动6第四章 传动方式的选择74.1带传动74.2链传动74.3齿轮传动84.4蜗杆传动8第五章 焊接机器人的组成105.1执行机构10第六章 腕部结构的设计126.1腕部结构设计的基本要求126.2腕部结构及选择12第七章 臂部结构的设计及计算207.1臂部结构207.2臂部结构的选择及计算校核22第八章 焊机机器人的材料248.1机械材料选用原则248.2零件材料25第九章 焊接机器人的运动轨迹计算279.1位姿矩阵279.2焊接机器人位姿方程的正、逆解31总 结34参考文献35致 谢36附录37附录A：焊接机器人的总装图37附录B：焊接机器人腕部结构图37附录C：焊接机器人小臂结构图37附录D：焊接机器人大臂结构图37湖南科技大学本科生毕业设计（论文）第一章 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（ISO）工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（Manipulator），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。 第二章 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。2.1 总体设计的思路图1.1焊接机器人三维图设计机器人大体上可分为两个阶段：(1) 系统分析阶段根据系统的目标，明确所采用机器人的目的和任务；分析机器人所在系统的工作环境；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；拟订机器人的运动路线和空间作业图；确定驱动系统的类型；选择各部件的具体结构，进行机器人总装图的设计；绘制机器人的零件图，并确定尺寸。2.2自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3-6个（不包括手部）。本次设计的焊接机器人为5自由度。2.3焊接机器人结构设计的基本要求机械结构设计的基本要求，包括对机器整机的设计要求和对组成零件的设计要求两个方面，两者相互联系、相互影响。(1) 对机器整机设计的要求对机器使用功能方面的要求：实现预定的使用功能是机械设计的最基本要求，好的使用性能指标使设计的主要目标。另外，操作使用方便、工作安全可靠、体积小、重量轻、效率高、外形美观、噪声低等往往也是设计时所要求的。对机器经济性的要求：机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，在设计机器时要全面综合的进行考虑。设计的经济性体现为合理的功能定位、实现使用功能要求的最简单的技术途径和最简单合理的结构。(2) 对零件设计的基本要求机械零件是组成机器的基本单元，对机器的设计要求最终都是通过零件的设计要求来实现的，所以设计零件时应满足的要求是从设计机器的要求中引申出来的，即也应从保证满足机器的使用功能要求和经济性要求两个方面来考虑。要求在预定的工作期限内正常可靠的工作，从而保证机器的各种功能的正常实现。这就要求零件在预定的寿命期内不会产生各种可能的失效，即要求零件在强度、刚度、振动稳定性、耐磨性和温升等方面必须满足必要的条件，这些条件就是判定零件工作能力的推测。要尽量降低零件的生产制造成本，这要求从零件的设计和制造等多方面加以考虑。设计时应合理地选择材料和毛坯的形式、设计简单合理的零件结构、合理规定零件加工的公差等级以及认真考虑零件的加工工艺性和装配工艺性等。另外要尽量采用标准化、系列化和通用化的零部件。任何一种机器都有动力机、传动装置和工作机组成。动力机是机器工作的能量来源，可以直接利用自然资源或二次资源转变为机械能，如水轮机、内燃机、汽轮机、电动机、液压马达、气动马达等。工作机是机器的执行机构，用来实现机器的动力和运动功能，如机器人的末端执行器就是工作机。传动装置则是一种实现能量传递和兼有其他作用的装置。本次设计的焊接机器人的结构图如下图所示:1-焊枪 2-腕部 3-小臂 4-大臂 5-腰座 6-机座图1.2 焊接机器人结构图第三章 驱动方式的选择目前焊接机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动、电机驱动等多种方式，各种驱动方式都有其自身的特点，在工业机器人中液压驱动和气压驱动应用很广泛，有些机器人则同时采用多种驱动方式，这都视不同机器人的特点和要求所定。比较这些驱动方式的特点，从而选择适合焊接机器人的驱动方式。3.1 液压驱动液压驱动的特点：（1）驱动力和驱动力矩较大，臂力可达100公斤；（2）速度反应性好，因为被驱动件的速度快慢取决于油液的容积变化，所以当不考虑油液的温度变化时，被驱动系统的滞后也几乎没有，而且液压机构的重量轻、惯性小，因此他的速度反应性较好；（3）调速范围大，而且可以无级调速，易于适应不同的工作要求；（4）传动平稳，能吸收冲击力，可以实现较频繁而平稳的换向；（5）在产生相同驱动力的条件下，液压驱动比其他驱动方式体积小、重量轻、惯性小；（6）定位精度比气动高，但比电机低；（7）液压系统的泄漏对机构的工作稳定性有一定的影响；（8）油液中如果混入气体，将降低传动机构的刚性，影响定位精度（产生爬行）；（9）油液的温度和粘度变化影响传动性能。液压驱动机器人多用于要求臂力较大而且运动速度较低的工作场合。3.2 气压驱动气压驱动的特点：（1）通过调节气流，就可实现无级变速；（2）由于压缩空气粘性小，流速大，因此气压驱动的机器人动作速度快；（3）压缩空气可以从大气中吸取，故动力源获得方便、价格低廉，而且废气处理方便；（4）由于压缩空气粘度小，因此在管路中的压力损失也很小，一般其阻力损失不到油液在油路中损失的千分之一，故压缩空气可以集中供应，远距离输送；（5）压缩空气的压缩性较大，因此使机器人的运动平稳性较差，定位精度较低，而且压缩空气排到大气中时噪声较大，另外还须考虑润滑和防锈等；（5）压缩空气的工作压力较低，致使机器人结构较大。因此，气压驱动的机器人，常用于臂力小于30公斤、运动速度较快以及高温、低温、高粉尘等工作条件恶劣的场合。3.3 电机驱动电机驱动系统按电机的功能可分为直流电机驱动系统、交流异步电机驱动系统、无刷直流电机驱动系统、开关磁阻电机驱动系统和多态电机驱动系统等。各种电机驱动系统的工作原理有很大的区别，性能上也存在着较大的差异。电机驱动的特点：（1）电机驱动的输出力较大；（2）控制精度高，功率较大，能够精确定位，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；（3）电机驱动系统响应速度很快；（4）伺服电动机易标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需要配置减速装置，出DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题；（5）电机驱动的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；（6）对环境没有很明显的影响；（7）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、速度较高的机器人；（8）维修和使用都较复杂。电机驱动机器人可避免电能变为压力能的中间环节，效率比液压和气压驱动的都高；电机系统将电动机、测速即、编码器及制动器组装在一次加工的壳体中，使得整个电机系统体积小，可靠性和通用性也得到很大的提高；另外，电动机根据运行距离及电机的脉冲当量算出脉冲数，将数据输入计算机，可达到非常高的位姿准确度，这些都是电机驱动独有的优点。相对的，液压与气压驱动系统组成机构繁琐，维护不方便。综上所述，选择电机驱动作为焊接机器人的驱动方式。 第四章 传动方式的选择传动装置是一种实现能量传递和兼有其他作用的装置，它的主要作用有：能量的分配与传递；运动形式的改变；运动速度的改变。传动通常分为两类：第一类是机械能不发生改变的传动机械传动；第二类是机械能转变为电能或电能转变为机械能的传动电传动。机械传动又可以分为啮合传动、摩擦传动和流体传动三大类。考虑焊接机器人的实际情况，带传动、链传动、齿轮传动和蜗杆传动是其可能的传动方式，所以下面对以上四种传动方式进行比较。4.1带传动带传动通常是由主动轮、从动轮和张紧在两轮上的传动带所组成的。当主动轮回转时，依靠带与带轮接触面见的摩擦力拖动从动轮一起回转，从而传递一定的运动和动力。带传动具有的优点：（1）有良好的饶性和弹性，有吸振和缓冲作用，因而使带传动平稳、噪声小；（2）有过载保护作用，当过载时引起带在带轮上发生相对滑动，可防止其他零件的损坏；（3）制造和安装精度与齿轮传动相比较低，机构简单，制造、安装、维护均较方便；（4）适合于中心距离较大的两轴间的传动（中心距最大可达15米）。带传动具有的缺点：（1）由于弹性滑动的存在，使得传动效率降低，不能保证准确的传动比；（2）由于带传动需要初始紧张，因此，当传递同样大的圆周力时，与啮合传动相比轴上的压力较大；（3）结构尺寸较大，不紧凑；（4）传动带寿命短；（5）传动带与带轮之间会产生摩擦放电现象；（6）不宜用于有爆炸危险的场合。现在一些新型带传动形式，如高速带传动、同步带传动、多楔带传动已经克服了以上大部分缺点。4.2链传动链传动是由链条和主、从动链轮所组成的。链轮上制造有特殊齿型的齿，依靠链轮齿与链节的啮合来传递运动和动力。链传动是属于带有中间饶性件的啮合传动。与属于摩擦传动的带传动相比，链传动具有以下优点：（1）链传动没有弹性滑动和打滑现象，因而能保持准确的平均传动比，传动效率较高；（2）链条不需要像带那样张得很紧，所以作用于轴上的压力较小；（3）在同样的使用条件下，链传动结构较为紧凑。与齿轮传动相比，链传动的优点：（1）链传动的制造安装精度要求较低，成本低廉；（2）在远距离传动时，其结构比齿轮传动轻便得多。链传动的主要缺点：（1）在两根平行轴间只能用于同向回转传动；（2）运转时不能保持恒定的瞬时传动比；（3）磨损后易发生跳齿；（4）工作时有噪声；（5）不宜在速度变化很大和急速方向的运动中应用。链传动主要用在要求工作可靠，且两轴相距较远，以及其他不宜采用齿轮传动的场合。4.3 齿轮传动齿轮传动是机械传动中应用最为广泛的一类传动，常用的渐开线齿轮传动具有以下特点：（1）传动效率高，在常用的机械传动中，齿轮传动的效率是最高的；（2）一级圆柱齿轮传动在正常润滑条件下效率可达99%以上，在大功率传动中，高纯度效率是十分重要的；（3）传动比恒定，齿轮传动具有不变的瞬时传动比，因此成了齿轮传动可用于200m/s以上的高速传动；（4）结构紧凑，在同样使用条件下，齿轮传动所需要的空间尺寸比带传动和链传动小得多；（5）工作可靠、寿命长，齿轮传动在正确安装，良好润滑和正常维护条件下，具有其他机械传动无法比拟的高可靠性和寿命。齿轮传动的主要缺点有：（1）对齿轮制造、安装要求高；（2）齿轮制造常用插齿机和滚齿机等专用机床和专业工具；（3）通常的齿轮传动为闭式传动，需要良好的维护保养，因此齿轮传动成本和费用高；（4）齿轮传动不适合中心矩较大的两轴间的动力传动。4.4 蜗杆传动蜗杆传动是一种空间齿轮传动，能实现交错角为90的两轴间动力和运动传递。蜗杆传动与圆柱齿轮传动和圆锥齿轮传动相比，具有结构紧凑、传动比大、传动平稳和可以自锁等显著特点。蜗杆传动的主要缺点是：（1）齿面摩擦力大，发热量高，传动效率低；（2）通常用于中、小功率非长时间连续工作的应用场合。表4.1 主要传动形式的效率传动方式传动效率带传动0.9-0.98链传动0.93-0.97圆柱齿轮传动0.9-0.99圆锥齿轮传动0.88-0.98蜗杆传动0.4-0.95表4.1中传动效率的范围是由传动的润滑条件、加工精度和类型不同而产生的。综上所述，这里采用齿轮传动。第五章 焊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。5.1执行机构（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270）,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。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范围内，其基本的结构形式如图5.1所示。图5.1 腕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电机和行星轮系实现的。（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（电机）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。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。（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。机身的各种运动通常用驱动机构（电机）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机身的回转运动。机身的运动参数：回转范围：。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远距离。机身部分的回转运动的驱动源来自电机。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；并选择电机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。第六章 腕部结构的设计6.1腕部结构设计的基本要求(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8KG，因此不太受环境影响，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。6.2 腕部结构及选择6.2.1 腕部结构手腕部件设置于手部和臂部之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的位置，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得灵巧，适应性更强。手腕的运动形式可以有：绕X轴转动称为回转运动；绕Y轴转动称为上下摆动；绕Z轴转动称为左右摆动；有的甚至是沿着Y轴或Z轴的横向移动。一般手腕设有回转或再增加一个上下摆动即可满足工作要求。本文设计的机械手腕部机构如图所示，具有一个摆动自由度，摆动范围是090度，传动方式选择行星轮系传动，电机置于机械手腕部。其机构图如图6.1所示：图6.1 机械手腕部机构图6.2.2 电动机选择由查表得，以及考虑到安全系数S,一般取S=1.5，大致确定P至少大于1KW。综合以上数据130SYX-01型号伺服电机，其参数如下：额定功率=1.2KW额定转矩=4N/M额定转速=3000r/min额定电压=160V额定电流=9.4A峰值转矩=32N/M电枢电阻=0.2电框电感=3.2MH6.2.3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。 （1） 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）谐波发生器H，它相当于行星架。当谐波发生器为主动时，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。 谐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。 谐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。 谐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=70500。 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15-2-129查表选出谐波减速器型号为：XB1-120-150。XB1为产品代号，120机型，150表示减速比。其参数为：输入功率=1.25KW输入转速=3000r/min输出转矩=450N/M输出转速=20r/min6.2.4轴的计算（一）轴材料选择轴的材料选用45钢，调质处理，。（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：图6.1由图6.1可知，危险截面在C面。在C面：扭转应力： 在C无须进行弯转应力校核，也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，远远大于最大应力，故合适。6.2.5 轴承选择并校核现在选取一深沟球轴承校核。(1) 验算轴承平均压力p(单位为MPa)式中：B轴承宽度，mm(根据宽径比B/d确定) p轴瓦材料的许用压力，单位为MPa(2) 验算轴承的pv值(单位为MPam/s)pv=0.240.17=0.0408MPam/sv轴径圆周速度，即滑动速度，m/spv轴承材料的pv许用值，MPam/s3.验算滑动速度v(单位为m/s)v=0.17m/sv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12-2选择轴承为耐磨铸铁HT300。滑动轴承和轴承座的配合为过渡配合，定为，IT6=13,IT7=21基准孔H7的下偏差EI=0,上偏差为ES=EI+IT7=+0.021轴瓦m的下偏差ei=0.008,es=ei+IT6=0.021由此得，。滑动轴承和轴的配合为间隙配合，定为，IT6=13,IT7=21基准轴h6的上偏差es=0,下偏差为ei=esIT6=(013)=13孔H7的下偏差EI=0孔H7的上偏差ES=EI+IT7=21由此得。6.2.6 齿轮的设计与校核齿轮参数计算及其校核：材料：高速级小齿轮选用钢调质，齿面硬度为250HBS。高速级大齿轮选用钢正火，齿面硬度为220HBS。齿轮计算，查课本表得: 。 材料弹性系数Z Z=189.8(N/mm)（表15-17） 重合度系数Z=（4-）/3）=0.9（表15-18） 节点区域系数Z Z=2.5(图15-22) 螺旋角系数Z Z=1 (式15-34) 计算应力循环次数N：N=60njL=605001811250=6.6108N= N/i=6.610/4.2=1.571108 表10-4得： 。故 。查课本表10-21图得： 。故 。由设计计算公式（10-9a）进行试算即 转矩 载荷系数K:K= KKKK 7级精度制造，查课本表10-3得：载荷系数，取齿宽系数 计算中心距： 考虑计算原因取 则取 传动比：i=齿宽：取大齿轮： ,小齿轮： 大端分度圆直径 d=m=436=144，d=m=471=284齿顶圆直径 d= d+2mcos=144+6cos13.3924=236.87，d= d+2mcos=284+6cos76.6076=295.900齿根圆直径d= d-2.4mcos=63-2.4cos13.3924=55.966d= d-2.4mcos2=276-2.4cos76.6076=86.532齿轮锥距 R=1/2=135.998大端圆周速度 v=dn/60000=3.1463500/60000=1.649m/s，齿宽b= 0.4135.998=64.14选齿轮精度为7级=（0.10.2）R=（0.10.2）305.500=30.0560.1取=10，=14,c=10轮宽 L=（0.10.2）d=（0.10.2）93=12.4L=（0.10.2）d=（0.10.2）291=39 按齿面接触强度设计： 所以安全。 验算轮齿弯曲强度： 查课本表10-5得： 最小齿宽计算： 所以安全。查课本第162页表11-2知选用7级的的精度是合适的。以上课本为 机械设计（第八版）。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。第七章 臂部结构的设计及计算7.1臂部结构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。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。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。臂部通常既受弯曲（而且不仅是一个方向的弯曲），也受扭矩，应选用抗弯和抗扭刚度较高的截面形状。很明显，在截面积和单位重量基本相同的情况下，钢管、工字钢和槽钢的惯性矩要比圆钢大得多。所以，机械手常采用无缝钢管作为导向杆，用工字钢或槽钢作为支撑钢，这样既提高了手臂的刚度又大大减轻了手臂的自重，而且空心的内部还可以布置驱动装置、传动装置，从而使得结构紧凑、外形整齐。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。在一般情况下，手臂的移动和回转、俯仰均要求匀速运动，但在手臂的启动和终止瞬间，运动是变化的，为了减少冲击，要求启动时间的加速度和终止前的减速度不能太大，否则会引起冲击和振动。 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：(1) 减少手臂运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料；(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。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。本文设计的机械手臂壳体采用铸铝加工而成。机械手手臂刚性好、抗扭能力强、重量轻，所有传动机构和驱动装置都置于机械手臂内部，外形简洁；机械手表面还装有缓冲垫，当驱动装置出现故障或供电电池耗尽时，可以起到缓冲作用，避免手臂冲击造成损坏。小臂与大臂的关节使用圆柱齿轮传动，电动机置于大臂壳体内。 小臂机构图如下：图7.1 小臂结构图7.2臂部结构的选择及计算校核7.2.1电动机选择电动机功率计算：图7.2以上是大致受力图，得出电机需带动的扭矩。T=cos*F*S=cos*12*10*/1000=78N/MT=9550*P/nN=60r/min所以输出功率P=T*n/9550=78*60*9550=0.49KW=490W。因为功率经过整个传动系统后不变，所以电机至少需要也为490W,即0.49KW。考虑到安全系数S,一般取S=1.5，所以P至少大于1.5*0.49=0.735kw7.2.2轴的计算一、轴的结构设计根据轴承的要求和机构本身的性能要求，等到轴的尺寸如附图：图7.3轴的材料选用45钢，调质处理，。二、轴的校核轴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。A,B处为相同两个槽，受扭矩相同，C处也是受扭矩影响大之处。故腰对B,C两处进行校核。对轴进行简化计算：从电动机计算中得到转矩，计算A,B处扭矩为3119N.mm得到的扭矩图：图7.4由图可知，其受力情况，每处受到扭矩一样，故可随机选取一点。在B面：。在C面：扭转应力： 在C无须进行弯转应力校核，也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，远远大于最大应力，故合适。第八章 焊机机器人的材料8.1机械材料选用原则机械零件材料的选择是机械设计的一个重要问题，不同材料制造的零件不但机械性能不同，而且加工工艺和结构形状也有很大差别。机械零件常用材料有黑色金属、有色金属、非金属材料和各种复合材料等。选择材料主要考虑三个方面的问题：(1)使用要求使用要求一般包括：零件的受载情况和工作情况；对零件尺寸和质量的限制；零件的重要程度等。若零件尺寸取决于强度，且尺寸和重量又受到某些限制时，应选用强度较高的材料。静应力作用下工作的零件，应力分布均匀的（拉伸、压缩、剪切），应选用组织均匀，屈服极限强度较高的材料；应力分布不均匀的（弯曲、扭转）宜采用热处理后应力较大部位具有较高强度的材料。在变应力作用下工作的零件，应选用疲劳强度较高的材料。零件尺寸取决于接触强度，应选用可以进行表面强化处理的材料，如调质钢、渗碳钢、氮化钢。若零件尺寸取决于刚度，则应选择弹性模量较大的材料。碳素钢与合金钢的弹性模量相差很小，故选用优质合金钢对提高零件的刚度没有意义。截面积相同、改变零件的形状与结构可使刚度有较大的提高。滑动摩擦下工作的零件应选用摩擦性能好的材料；在高温下工作的零件应选用耐热材料；在腐蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材料等。(2)工艺要求材料的工艺要求有三个方面的内容a.毛坯制造大型零件且大批量生产时应用铸造毛坯。形状复杂的零件只有用铸造毛坯才易铸造，但铸造应选用铸造性能好的材料，如铸钢、灰铸铁或球铸铁等等。大型零件只少量生产，可用焊接件毛坯，但焊接件要考虑材料的可焊性和生产裂纹的倾向等，选用焊接性能好的材料。只有中小型零件采用锻造毛坯，大规模生产的锻件可用模锻，少量生产时可用自由锻。锻造毛坯主要应考虑材料的延展性、热膨胀性和变形能力等，应选用锻造性能好的材料。b.机械加工大批量生产的零件可用自动机床加工，以提高产量和产品质量，应考虑零件材料的易切削性能、切削后能达到的表面粗糙度和表面性质的变换等，应选用切削性能好的（如易断削、加工表面光洁、刀具磨损小等）材料。c.热处理热处理是提高材料性能的有效措施，主要应考虑材料的可淬性、淬透性及热处理后的变形开裂倾向和脆性等，应选用与热处理工艺相适应的材料。(3)经济要求a.经济性首先表现为材料的相对价格。当用价格低廉的材料能满足使用要求时，就不应选用价格高的材料。这对于大批制造的零件尤为重要。b.当零件的质量不大而加工量很大时，加工费用在零件总体成本中要占用很大的比例，这时，选择材料时所考虑的因素将不是相对价格而是加工性能和加工费用。c.要充分考虑材料的利用率。例如采用无切削或少切削毛坯，可以提高材料的利用率。此外，在结构设计时也应设法提高材料的利用率。d.采用局部品质原则。在不同的部位上采用不同的材料或采用不同的热处理 工艺，使各局部的要求分别得到满足。e.尽量用性能相近的廉价材料代替价格相对昂贵的稀有材料。另外选择材料时应尽量考虑当时当地的材料供应情况，应尽可能的减少同部机 器上使用的材料品种和规格。8.2 零件材料从材料选用原则的使用要求、加工要求和经济要求出发，选择机械手的零件材料.在机械手中各传动件是关键性零件，有各关节传动轴和齿轮系，它们的强度、刚度等机械性能直接影响机械手的工作质量。(1)传动轴传动轴的常用材料有碳素钢和合金钢。碳素钢对应力集中的敏感性较低，还可通过热处理改善其综合性能，价格也比合金钢低廉，因此应用较为广泛，常用45号钢。合金钢则具有更高的机械性能和更好的淬火性能。因此，在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常釆用合金钢在一般工作温度下碳素钢与合金钢的弹性模量基本相同。因此，用合金钢代替碳素钢并不能提高轴的刚度。鉴于此，机械手各传动关节的传动轴选用45号钢， 应能满足设计的需要。(2)齿轮系齿轮的主要失效形式有轮齿折断、齿面疲劳点蚀、齿面磨损、齿面胶合和塑性变形。因此设计齿轮传动，要使齿面具有较高的抗点蚀、抗磨损、抗胶合和抗塑性变形的能力，齿根则要有较高的抗折断能力。为此，对齿轮材料性能的基本要求为齿面要硬，齿芯要韧。钢材韧性好，耐冲击，容易通过热处理和化学处理来改善其机械性能和提高硬度，是制造齿轮最常用的材料。锻钢可制成软齿面和硬齿面两种齿轮。a.软齿面齿轮对于强度、速度和精度要求不高的齿轮传动，可采用软面齿轮。软齿面齿轮的齿面硬度低于350HBS,热处理方法为调制或正火，常用材料为45和40Cr等。加工方法一般为热处理后切齿，切制后即为成品，精度等级一般为8级。b.硬齿面齿轮硬齿面齿轮硬度大于350HBS。高速、重载及精密机械（如精密机床、航空发动机等）采用硬齿面齿轮传动。材料通常选用20Cr、20CrMnTi, 40Cr、 38CrMoAlA等，经过表面硬化处理，齿面可得到很高的硬度。加工方法一般为先切齿，然后表面硬化处理，最后进行磨齿等精加工，齿轮精度可达5级或6级，常用的表面硬化处理方法有表面淬火、渗碳淬火、氮化和氰化等。机械手的齿轮传动对速度、精度、强度要求都不高，可以使用软齿面齿轮，材料则选择40Cr。除此之外，还有很多结构件，对它们的性能要求较低，所以尽量选择重量轻、价格低廉且符合设计要求的材料。如机械手的壳体全部采用铸造铝合金,分段铸造而成，末端执行器各零件则采用硬铝合金加工而成。第九章 焊接机器人的运动轨迹计算9.1位姿矩阵机械手位姿方程，也称运动方程，是描述机械手末端执行器位置和姿态的方程，也是进行运动学分析的基本方程，常以矩阵形式出现，它的建立和求解，是机械手机构学的基础。9.1.1两种变换矩阵在求解机械手运动学位姿方程时，将用到两种重要的变换矩阵，一种是旋转变换矩阵，另一种是平移变换矩阵，在这里只给出这两种矩阵的结论，至于推导过程因不是本文的内容，所以在此省略。旋转变换矩阵可以分为绕坐标轴旋转和绕任意轴旋转两种变换矩阵。在这里只介 绍饶坐标轴旋转的变换矩阵。设两坐标系和的原点重合，初始位置时两坐标系的坐标轴也完全重合，当分别绕的x、y、z轴右旋角度时，三个相应的旋转变换矩阵分别是：绕 x 轴旋转绕 y轴旋转绕 z轴旋转在不需特别指出坐标系的名称时，i、j可以省去，即。在上述旋转矩阵的基础上，若当分别绕的x、y、z轴正方向移动d则可得到三个相应的旋转平移矩阵，为：这三个矩阵分别表示了分别绕的x、y、z轴旋转角度再正方向移动d后的位置，在下面的机械手运动学求解中，通过各关节的固联坐标系的旋转平移即可 推导出所要的位置方程。9.1.2连杆参数与位姿变量操作机为多杆系统，两杆间的位姿矩阵是求得操作机末端执行器位姿矩阵的基 础，而两杆间的位姿矩阵的建立依赖于结构参数、运动形式和运动参数以及这些参 数按不同顺序建立的几何模型，常见的有两类模型，第一类是固联坐标系前置模型，第二类是固联坐标系后置模型。在这里只介绍第一类模型作为求解位姿矩阵的依据。取以回转副联结的两相邻杆件，其一为杆，另一为杆。前者靠近基座，后者靠近末端执行器。联结两连杆的运动副称作关节。它的编号是：与的关节为 i号关节，与的关节为i+1号关节。连杆的固联坐标系，令的z轴置于 i号关节的旋转轴上，这时的原点，落在i号关节的轴线上，即坐标系置于杆的靠近基座的关节上，故称固联坐标系前置。根据D-H标记法，有以下规定：图9.1 回转副连接的两杆件 如图9.1,设连杆的两轴线为和前者为与的相对回转轴线，后者为总与的相对回转轴线。选两回转轴Z的公垂线为X轴，与轴的公垂线为轴，Z与的公垂线 为x轴。与的交点为杆件固联坐标系民的原点，X与Z的交点为杆 件固联坐标系叉的原点。与Z的交错角为，z与的交错角为，两者都分别以绕、X轴右旋为正。与X的交错角为 ,以绕Z右旋为正。与z的交点为C, C到的距离为d，沿Z轴方向为正。回转轴（关节铀）公垂距分别记作, ,沿、方向为正。*在固联坐标系前置模型中实际上确定了位姿矩阵所要用到的4个参数，即，a，和d式，其中，a，d称作结构参数，称作运动参数。 9.1.3确定两杆之间位姿矩阵的方法确定两杆之间位姿矩阵的方法有两种:种是D-H法，是由Denavit和 Hartenberg在1955年提出的一种为关节链中每一杆建立相对位姿的矩阵方法。根据 上面建立的几何模型，按变换组合得出最终公式。使用时，根据机械手的具体情况定 出四个参数值，代入公式，即可求得两杆之间的位姿矩阵。另一种方法为两步法，具体分述如下。 (1)D-H 法由图（9.1.1)可知固联坐标系前置时，杆的固联坐标系,可以认为是相对于先绕转角，记作Rot (,)；再沿平移记作Trans (,)；再沿z平移d，记作Trans (z,d)再绕z转角，记作Rot (z，,)。于是相对于的位姿矩阵，亦即旋转-平移（）-平移（d)-旋转（）,变换矩阵是： = Rot (,) Trans (,) Trans (z,d) Rot (z，) (9.1.1)即： i-1Ti= 若已知、四个参数，即可利用式（9.1.1）求出相对于的位置矩阵，亦即固联坐标相对于的变换矩阵。(2)两步法 图9.2 三杆机械手简图图9.2表示出了三杆操作机的零位形，相对于基座是以为轴的转动关节；相对是以为轴的转动关节；相对于是以为方向的移动关节。如果按这种零位形设立如图所示的坐标系，就无法确定。因为与之间的扭角。不是以为转轴，而是以为转轴。而且对于的关节变量（移动量），也必须给出初始值。这就给坐标系的设立带来了麻烦。为了避免这些麻烦，这里给出一种直观方法，它对初始位形毫无要求，只要给出这时的各坐标系之间的投影关系，再乘以旋转或乎移变换矩阵，即用两步法即可得到所要求的位姿矩阵。该方法的实质是把公 式（9.1.1)变成两个矩阵之积。对于转动关节：对于移动关节：式中是两杆处于零位形时相对的变换矩阵，称作零位形变换矩阵。9.2焊接机器人位姿方程的正、逆解末端执行器上的坐标系相对于基础坐标系（基座的坐标系）的位姿矩阵,就是机械手的位姿方程。由位姿矩阵所表示的机械手的位姿（运动）方程是以各杆之间 的关节变量为变量的方程式。其正解，就是机械手位姿方程（或运动学）的正问题，是己知各杆的结构参数和关节变量，求末端执行器的空间位置和姿势，就是位姿矩阵中各元素的值。它的逆解，则是已知满足某工作要求时末端执行器的空间位置和姿势（),以及各杆的结构参数，求关节变量。位姿方程的正、逆解是机盏人学中非常重要的问题，是对机器人控制的基础和关键，因为只有知道了各关节移动（或转动）逆解中所得到的值，才能使末端执行器达到工作所要求的位置和姿势。下面对本次设计的操作机械手进行具体的位姿方程求解。9.2.1坐标系建立设立坐标系是位姿方程建立的第一步，没有一个完整的坐标系，就无法开展下面的工作，设立坐标系有以下几点需要注意：把所有结构参数和关节变量列表，如表9.1所示：i10002350405313539840144509470表9.1（1）使机械手处于操作的零位，有基座开始先设立固定的基础坐标系其的正向最好与重力加速度反向，原点在第一关节轴线上，位于机械手工作空间的对称乎面内；（2）尽量使与同向；原点在方向上同高；否则关节变量或者要加初始值；此外还有一个原则，那就是要考虑使尽可能多的结构参数为零，不需要完
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