文档包括:
说明书一份，47页，17800字左右。
开题报告一份。
中期报告一份。
图纸共9张，如下所示
A0-整体装备体.DWG
A1-腰部上层机体.DWG
A1-腰部壳体.DWG
A2-大臂壳体整体.DWG
A3-40减速器.dwg
A3-40减速器支撑座.DWG
A3-80减速器.dwg
A3-套轴.DWG
A3-长杆.DWG
焊接机械手的结构设计
摘 要
本设计为焊接机械手的结构设计，主要研究内容：腰部回转机构的设计；大、小臂和腕部回转的结构设计。
本设计由整体布局入手，参考现有关节型机械臂的相关设计，初步确定腰部的转动惯量，从而确定电机的选型，安装等相关设计。在机械臂的灵活和精度的前提下完成总体结构的设计，然后根据总体结构，从而确定本设计的机械臂各个主要零部件的设计。
在主要零部件的设计中，主要包括腰部壳体的设计、轴的结构设计、轴承的选择、电机的设计计算、大小臂的结构和固定等。
本设计整体在现有关节型机械臂的结构上做了修改，使得它能够更好的满足本设计的设计要求。本设计结构简单、重量轻、外形尺寸小、设备费用低、运转安全、操作方便、便于维修和管理。
关键词：机械手；谐波减速器；结构设计
Structure design of robot arm
Abstract
The design for the design of welding structure of the manipulator, the main research contents: the design of the waist turning mechanism； structure design of large, small arm and wrist rotation.
This design by the overall layout with reference to the relevant design, the existing joint type manipulator, preliminary determine the moment of inertia of the waist, so as to determine the motor selection, installation and other related design. Complete the design of the overall structure of the flexible manipulator based on precision and the next, and then based on the overall structure, design of mechanical arm to determine the design of all the major components of the.
The design of the main components, including the housing design, structural design of shaft, bearing selection, design and calculation of the size of motor, arm structure and fixed.
The design of the whole made changes in the existing joint type manipulator structure, so that it can better meet the design requirement of this design. The design has simple structure, light weight, small size, low cost of equipment, operation safety, convenient operation, easy to repair and management.
KeyWords：robot arm；harmonic drive；structure design
目 录
1 绪论 1
1.1 机器人简介 1
1.1.1 机器人的发展及应用 2
1.1.2 点焊机器人介绍及其研究意义 4
1.1.3 机器人的组成 6
1.2 机械手的组成 8
1.3 本文主要研究工作 11
2 机械手的总体结构 12
2.1 机械手总体结构的类型 12
2.2 设计具体采用方案 13
3 机械手腰部机座 15
3.1 机械手腰部机座结构的设计 15
3.2 机械手腰部机座设计的具体采用方案 15
3.3 电动机的选择 16
3.4 减速器的选择 17
3.5 键的选择 18
4 机械手手臂的结构设计 20
4.1 设计具体采用方案 21
4.2 大臂电动机的选择 21
4.3 大臂减速器的相关计算 22
4.4 小臂电动机的选择 23
4.5 小臂减速器的相关计算 24
5 机械手腕部的结构方案设计 27
5.1 腕部电动机的选择 27
5.2 腕部减速器的选择 27
6 轴承的选用与校核 29
7 结论 39
参考文献 40
致谢 41
毕业设计（论文）知识产权声明 42
毕业设计（论文）独创性声明 43
毕业设计（论文）综述
背景和研究意义:
机器人的机械设计与一般的机械设计相比，既具有类似性，又有其独特性。从机构学的角度来看，机器人的机械结构可看作是一系列连杆通过旋转关节、移动关节连接起来的开式运动链。 与一般机构相比，机器人的开链结构型式具有灵巧性和空间可达性等，但由于开链式结构实际上是一系列悬臂杆件串联而成的，机械误差和弹性变形的累计，影响机器人的刚度和精度。因此，机器人的机械设计既要满足强度要求，又要考虑刚度和精度。另一方面，机器人的机械结构，特别是关节传动系统，是整个机器人伺服系统中的一个组成部分，无论是结构的紧凑性、灵巧性，还是在运动时的稳定性、快速性等伺服性能，都比一般机构有更高的要求。
对焊接机械手的结构设计进行研究，目的是寻找在不同要求下最优的机械结构，以最大效益的满足生产需要。
国内外相关研究情况:
点焊机器人虽然有多种结构形式，但大体上都可以分为3大组成部分，即机器人本体、点焊焊接系统及控制系统。目前应用较广的点焊机器人，其本体形式为直角坐标简易型及全关节型。前者可具有1～3个自由度，焊件及焊点位置受到限制；后者具有5～6个自由度，能在可到达的工作区间内任意调整焊钳姿态，以适应多种形式结构的焊接。
焊接机器人基本上都属于电动机驱动的工业机器人、液压驱动的工业机器人这两类工业机器人，弧焊机器人大多采用电动机驱动机器人，因为焊枪重量一般都在10kg以内。点焊机器人由于焊钳重量都超过35kg。也有采用液压驱动方式的，因为液压驱动机器人抓重能力大，但大多数点焊机器人仍是采用大功率伺服电动机驱动，因它成本较低，系统紧凑。工业机器人是由机械手、控制器、驱动器和示教盒 4 个基本部分构成。对于电动机驱动机器人，控制器和驱动器一般装在一个控制箱内，而液压驱动机器人，液压驱动源单独成一个部件，现分别简述如下：
机械手 机器人机械手又称操作机，是机器人的操作部分，由它直接带动末端操作器。实现各种运动和操作，它的结构形式多种多样，完全根据任务需要而定，其追求的目标是高精度、高速度、高灵活性、大工作空间和模块化。现在工业机器人机械手的主要结构形式有如下 3 种：
1、机床式 这种机械手结构类似机床。其达到空间位置的3个运动。是由直线运动构成，其末端操作器的姿态由旋转运动构成，这种形式的机械手优点是运动学模型简单，控制精度容易提高；缺点是机构较庞大，占地面积大、工作空间小。简易和专用焊接机器人常采用这种形式。
2、全关节式 这种机械手的结构类似人的腰部和手部，其位置和姿态全部由旋转运动实现。这是工业机器人机械手最普遍的结构形式。其特点是机构紧凑、灵活性好、占地面积小、工作空间大，缺点是精度高、控制难度大。偏置式与正置式的区别是手腕关节置于小臂的外侧或小臂活动范围，但其运动学模型要复杂一些。目前焊接机器人主要采用全关节式机械手。
3、平面关节式 这种机械手的机构特点是上下运动由直线运动构成，其他运动均由旋转运动构成。这种结构在垂直方向刚度大，水平方向又十分灵活，较适合以插装为主的装配作业，所以被装配机器人广泛采用。
机器人机械手的具体结构虽然多种多样，但都是由常用的机构组合而成。现以美国 PUMA 机械手为例来简述其内部机构，它是由机座、大臂、小臂、手腕 4 部分构成，机座与大臂、大臂与小臂、小臂与手腕有 3 个旋转关节，以保证达到工作空间的任意位置，手腕中又有 3 个旋转关节：腕转、腕曲、腕摆，以实现末端操作器的任意空间姿态。手腕的端部为一法兰，以连接末端操作器。
每个关节都由一台伺服电动机驱动，PUMA机械手是采用齿轮减速、杆传动，但不同厂家采用的机构不尽相同，减速机构常用的是4种方式：齿轮、谐波减速器、滚珠丝杠、蜗轮蜗杆。传动方式有杆传动、链条传动、齿轮传动等。其技术关键是要保证传动双向无间隙 ( 即正反传动均无间隙 ) ，这是机器人精度的机械保证，当然还要求效率高，机构紧凑。
主要内容及研究方案、研究方法或措施
主要内容：
本设计研究汽车车身焊接的机械手，以完成汽车的车身、底盘等重要部位的焊接工作。
进行机械手的原理方案设计，比较并提出系统的总体方案。
根据技术要求进行系统的结构设计，同时对焊接机械手的驱动系统、机械手和焊接设备的机械接口等内容进行设计。
技术要求：
腰部回转最大角度280度；
摆动最大角度120度；
直线位移范围0-450mm，
研究方案、研究方法或措施：
先把本设计模块化处理，它包含选型（坐标型式），腰部回转，手臂俯仰，直线位移，焊枪与手臂结合5部分。细化每部分的设计思路如下表：
1 2 3 4
坐标型式 直角坐标式 圆柱坐标式 球坐标式 关节式
腰部回转 齿轮传动 蜗轮蜗杆 带传动
手臂俯仰 齿轮传动 蜗轮蜗杆 带传动
直线位移 齿条传动 液压传动 气压传动 滚珠丝杠副
焊枪手臂结合 夹持式 吸附式
如图可得：可能采用的方案共：4x3x3x4x2=288种
本设计研究汽车车身焊接的机械手，以完成汽车的车身、底盘等重要部位的焊接工作。
方案一：直角坐标式机械手，蜗轮蜗杆传动，直线位移液压传动，焊枪手臂结合吸附式。
方案二：关节式机械手，齿轮传动，直线位移滚珠丝杠副。焊枪手臂夹持式。
方案三：直角坐标式机械手，齿轮传动，直线位移齿条传动，焊枪手臂结合夹持式。
方案四：球坐标式机械手，齿轮传动，直线位移气压传动，焊枪手臂结合吸附式。
本设计中要求腰部回转和手臂俯仰，加工范围较大；尽可能减少机体空间更优；并要求进行电焊，因此对位置精度要求较高；焊枪要长时间工作。
因此选用方案二为最优方案。
本课题研究的重点及难点，前期已开展工作
重点：
1、原理方案的确定
2、主要参数的确定
3、机身的结构设计与校核
难点：
各个部分的准确定位；
合理的机械结构以满足设计要求；
前期已开展工作：
在对焊接机械手有足够的了解之后，对设计提出构想，初步构想如图：
在设计中，机械手的关节均采用转动关节的形式，每个关节由两个箱体所组成。两个箱体之间安装有能够承受径向和轴向载荷的深沟球轴承，通过轴承的传递实现一个相对转动，即能实现一个转动的自由度。
由于电机转速过快，需要减速。因此箱体内部集成了一个谐波减速器，电机安装在与箱体1相连的连杆A内部，电机转子的转动通过谐波减速器减速传递到箱体2，箱体2带动与其相连的连杆B实现转动。
关节传动原理如图所示：
本设计采用模块化设计，故关节均采用上述的结构，分别为两种运动:俯仰和回转。需要实现回转动作的关节，把连杆安装在箱体的中轴线上;需要实现俯仰动作的关节，把连杆安装在箱体的侧壁。
对于直线位移部分：
导轨副的选用：需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。
丝杆螺母副的选用：伺服电动机的旋转运动需要通过丝杆螺母副转换成直线运动，要满足定位精度，滑动滑动丝杆副无能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到。滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。
完成本课题的工作方案及进度计划（按周次填写）
1-3周：接受设计任务，查阅相关资料，了解课题的背景和发展状况。
4-5周：了解学习常用机械手设计的基础知识，初步原理方案的提出。
6周：设计方案的优化比较，论证并选择最优方案。
7-8周：机械手腰部回转结构的设计。
9-10周：机械手摇臂结构的设计。
11-12周：机械手与焊接设备的机械接口设计。
13：设计机械手与焊接设备的接口。
14-15周：绘制相关设计的零件图和装配图。
16-17周：撰写毕业论文。
19周：准备答辩。
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