毕业论文-焊接机器人机座、腰部结构的设计

焊接机器人机座、腰部结构的设计 摘 要 机器人技术作为先进制造技术的典型代表和主要技术手段，在提升企业技术水平、稳定产品质量、提高生产效率、实现文明生产等方而具有重大作用。焊接机器人的应用，不但改善了劳动环境、减轻了劳动强度、提高了生产效率，并且它的工作稳定性和焊接产品质量的一致性，对于保证批量生产的产品的焊接质量至关重要。机器人的应用和发展，对国民经济、太空探索、海洋开发和国防事业有着重大的影响。 本文针对焊接机器人产业化中涉及到的新型结构本体设计、高性能机器人控制器技术及免维护系统设计等关键技术进行了研究。介绍了交流伺服电机和谐波减速器的选择方法，焊接机器人主要零件的设计方案。结合MOTOMAN UP-6弧焊机器人,本方案采用交流伺服电机及谐波齿轮减速器等精密传动部件进行传动,使得机器人结构变得越来越简单,传动环节减少,提高了系统的精度又减少了维护工作量,同时也简化了生产工艺。 关键词：焊接机器人，腰部结构设计，交流伺服系统 II 焊接机器人机座、腰部结构的设计 Abstract Robot, as a kind of typical representative and main method of advanced manufacturing technique, which is very important in the following aspects, including improving technique level of company, stabilizing quality of product, enhancing efficiency of production and performancing civilized manufacture. With the application of the welding robot, not only improving environment of production, releasing work intension, but also, the stabilization and the consistency of the quality of welding production when welding robot operating, which is essential for guaranteeing the welding quality of batch products to some extend. The application and development of the robot will make significant and far-reaching effect to the domestic economy, exploration of outer space, exploitation of ocean and the development of national defense. This article studies the new arc welding robot, design and performance control technology, and also recommends the choice method of the AC servo motor and concordant gear reducer , design the main components of the welding robot. Describe the design concept and structure of MOTOMAN UP-6 arc welding robot, the AC servo motor and concordant gear reducer, to achieve high moving precision and strong stiffness, simple structure and high reliability. Key words ： welding robot, waist structural design, AC servo system III 焊接机器人机座、腰部结构的设计 目 录 第一章 前 言 .11.1 选题背景.1 1.2 国内外发展现状和趋势.2 1.2.1国内外焊接机器人技术研究现状 .2 1.2.2 焊接机器人技术的发展趋势.4 1.3 焊接机器人技术的回顾与展望.5 1.3.1 PC 机与焊接机器人的结合应用.6 1.3.2 焊缝智能跟踪与控制技术的研究.7 1.3.3 多智能体焊接机器人系统的研究.8 1.4 焊接机器人毕业设计研究的基本内容和拟解决的主要问题.8 1.5 腰部的结构设计内容.9 1.5.1 基本参数要求：.9 1.5.2 任务内容要求.9 第二章 焊接机器人机座结构设计 .112.1 机座结构设计.11 2.2 机座材料的选择.13 2.3 机座受力分析.15 第三章 焊接机器人腰部结构设计 .183.1 腰部结构设计.18 3.2 齿轮的选择.19 3.3 轴的选择.23 3.4 谐波减速器的选择.25 3.4.1谐波减速器概述 .25 3.4.2 谐波减速器工作原理.26 3.4.3 谐波齿轮传动的特点.27 3.4.4 谐波减速器型号的确定.27 3.5 轴承的选择.28 第四章 焊接机器人腰部电机的选择 .32IV 焊接机器人机座、腰部结构的设计 4.1电机的选择 .32 4.1.1 电机传动及其控制系统的发展概况.33 4.1.2 电机型号的选择.37 4.1.3 电动机的维护.38 第五章 经济性分析 .395.1 市场分析.39 5.2 研究目的.39 5.3 经济性评估.39 参 考 文 献 .41致 谢 .42声 明 .43V 焊接机器人机座、腰部结构的设计 第一章 前言1.1 选题背景 焊接技术是基于多学科交叉融合的产物，随着现代科学技术成果的不断涌现，必将推动焊接技术更新发展。除了物理、化学、材料、力学、冶金、机械、电子学等学科的新发展将会推动焊接新材料、新工艺的不断出现外，计算机、控制理论、人工智能等信息科学领域的新进展将进一步将焊接工艺实现的手段推进到自动化、机器人化和智能化的新阶段，进而实现几代焊接人的梦想-用机器来代替人焊接。 自1959年美国推出世界上第一台Unimate型机器人以来，工业机器人的数量在世界范围内不断增长，其中有半数为焊接机器人。到目前为止，焊接机器人大致可分为三代1：第一代是基于示教再现工作方式的焊接机器人，由于操作简便，不需要环境模型，示教时可修正机械结构带来的误差等特点，在焊接生产中得到大量使用；第二代是基于一定传感器信息的离线编程焊接机器人；第三代是指装有多种传感器，接受作业指令后能根据客观环境自行编程的高度适应智能机器人。我国在20世纪70年代末开始研究焊接机器人，经过20多年的发展，在焊接机器人技术领域取得了长足的进步，对国民经济的发展起到了积极的推动作用。 机器人技术作为先进制造技术的典型代表和主要技术手段，在提升企业技术水平、稳定产品质量、提高生产效率、实现文明生产等方面具有重大作用。目前机器人技术已成为世界各发达国家竞相发展的高科技术，其发展水平已成为衡量一个国家科技发展水平的重要标志之一。 工业机器人作为现代制造业主要的自动化装备，已广泛应用于汽车、摩托车、工程机械、电子信息、家电、化工等行业，主要用于完成焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。日本、北美、欧洲、韩国等工业经济发达地区是工业机器人生产和应用的主要地区。据统计，目前全世界已有近 100万台机器人投入使用，其中用于完成各种焊接作业的焊接机器人占全部机器人的45%以上。在我国，人工焊接仍然占据焊接作业的主导地位，人工焊接时焊接工人经常会受到心理、生理条件变化以及周围环境的干扰。在恶劣的焊接条件下，操作工人容易疲劳，难以较长时间保持焊接工作稳定性和一致性，而焊接机器人则工作状态稳定，不会疲劳。因而，选择应用焊接机器人对产品进行焊接，可以实现用稳定一致的工艺条件确保产品的焊接强度和满足产品各项性能指标的要求，同时满足焊缝成型良好的产品外观1 焊接机器人机座、腰部结构的设计 质量要求。 焊接机器人的应用，不但改善了劳动环境、减轻了劳动强度、提高了生产效率，更主要原因是焊接机器人工作的稳定性和焊接产品质量的一致性，这对于保证批量生产的产品焊接质量至关重要。因此，汽车制造业成为焊接机器人应用的主要行业。国外一些年产20万辆以上的大型汽车制造厂及其部件生产厂，一般都有300-4000台各种类型的机器人在生产中服务。在汽车行业的机器人应用中以焊接机器人和喷涂机器人为主，其中焊接机器人占75% 以上。国际上发达工业国家的机器人使用密度非常高，在汽车行业尤其如此，是一般制造业机器人使用密度的5-10倍。由于我国机器人技术发展的时间较短，无论是一般制造业还是汽车制造业，机器人的使用密度都非常低，所拥有的机器人数量同工业发达国家的平均水平相比都还具有相当大的发展空间。我国企业为增强制造业的竞争能力，提高装备水平和自动化水平，使用机器人进行焊接作业是促进企业科技进步、改善企业形象、提高产品质量，实现用高新技术改造传统产业的重要手段。因此, 我国焊接机器人市场前景广阔、发展潜力巨大2。 1.2 国内外发展现状和趋势 1.2.1 国内外焊接机器人技术研究现状我国在20世纪70年代末开始研究焊接机器人，经过20多年的发展，在焊接机器人技术领域取得了长足的进步，对国民经济的发展起到了积极的推动作用。 从目前国内外对焊接机器人技术研究来看，焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、多台焊接机器人及外围设备的协调控制技术、机器人专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术与机器人用焊接工艺方法5个方面。 机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃的领域。近十几年来，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。 焊接作为工业上的“裁缝”，是工业生产中非常重要的加工手段，焊接质量的好坏对产品质量起决定性的影响作用。然而，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。随着先进制造技术的发展，实现焊接产品制造的自动化、柔性化与智能化已经成为必然趋势，采用机器人焊接已经成为焊接技术自2 焊接机器人机座、腰部结构的设计 动化的主要标志。 对焊接过程的实时焊缝跟踪的研究3已不是一个新课题了，发达国家对弧焊过程的焊缝跟踪已进行了多年的研究和探索，取得了可观的成绩。近代由于模糊数学和神经网络的出现，并将其应用到焊接这一复杂的不确定性的非线性系统，使焊缝跟踪踏入一个崭新的时代智能焊缝跟踪时代。 随着焊接机器人在我国的应用，国内也开始重视对焊缝跟踪的研究。清华大学对弧焊跟踪系统中的传感器和其中的控制系统分别进行了研究，详尽论述了用于焊缝跟踪系统的各种传感器，并提出了一种基于焊缝CCD图像模式特征的焊缝轨迹识别的新算法。华东船舶工业学院和美国里海大学的John及D.Wood利用缝隙对声波传播有影响的现象，研制成一种利用声发射-微处理器控制的焊缝跟踪系统。华南理工大学在焊缝跟踪方面主要侧重于应用视觉传感器来检测焊缝，利用视觉传感器所获信息量大，接近人的视觉等突出优点，将神经网络和模糊控制应用到焊缝跟踪系统中，提出一种基于自适应共振理论(Adaptive Resonance Theory)神经网络的焊缝跟踪算法，即把焊缝横截面方向上的灰度分布归为若干种空间模式，并使之记忆在ART神经网络中，在实际焊接中获取的图像空间模式与之进行匹配程度检测，根据模式分布情况确定出焊炬与焊缝中心的偏差，以此偏差为模糊变量设计了自调整PID模糊控制器4。天津大学研制了一种非接触超声传感埋弧焊焊缝跟踪系统，通过计算传感器从发射到接收的声程时间可以得到传感器与焊件之间的垂直距离，从而进行控制。华北石油管理局为了提高厚壁管的焊接效率、完成自动跟踪纠偏，利用CCD面阵摄像机作为前面焊缝检测传感器，STD工控机作图像数字处理、识别、确定焊缝位置，并抑制焊头移动机构来实现焊缝在线自动跟踪实时纠偏。 基本传感器仅是一个信号变换元件，随着智能化技术的出现，也就出现了其内部具有对信号进行某些特定处理的传感器，即智能传感器。传感器智能化的发展得利于电子电路的集成化，高集成度的处理器件使得传感器能够具备传感系统的部分信息加工能力。在弧焊机器人传感技术的研究中，电弧传感器和光学传感器占有突出地位5。电弧传感器是从焊接电弧自身直接提取焊缝位置偏差信号，实时性好，不需要在焊枪上附加任何装置，焊枪运动的灵活性和可达性最好，尤其符合焊接过程低成本自动化的要求6。在多种光学传感器的研究中尤其以视觉传感器最引人注目, 由于视觉传感器所获得的信息量大，结合计算机视觉和图像处理最新技术成果，可增强弧焊机器人的外部适应能力。特别是近几年以模糊控制技术和人工神经3 焊接机器人机座、腰部结构的设计 网络为主的智能控制技术在传感器研究中的应用，大力推动了传感器智能化的发展。机器人系统中使用的传感器种类和数量越来越多。为有效地利用这些传感器的信息，需要对不同信息进行综合处理，从多种传感器信息中获取单一传感器不具备的新功能和新特点。 随着机器人控制技术的发展和焊接机器人应用范围的扩大，尤其为适应现代产品更新换代快和多品种小批量的需要,要求焊接机器人与变位机、弧焊电源等周边设备实现柔性化集成。在焊接过程中，焊接机器人与周边设备的柔性化协调控制，有助于减少辅助时间，是提高生产效率的关键之一。在球形或椭球形工件的径向焊缝、马鞍形焊缝或复杂形状工件的周边的卷边接头等状态下焊接时，为了使整条焊缝在焊接时都能使熔池水平或稍微下坡状态，焊接时变位机必须不断地变换工件位置和姿态，即变位机在焊接过程中不是静止不动的，而是要做相应的协调运动。弧焊电源和工装夹具等也要在机器人统一控制下做相应的协调运动，才能保证整个系统高效率、高质量地工作7。 在弧焊机器人的设计、研究工作中只把注意力放在机器人本体或焊接操作系统方面的研究是不够的。焊接系统包括点焊和弧焊系统，其核心是焊接电源及执行机构。同样，它在弧焊机器人的焊接工艺中也有极其重要的作用。只有研制出电器性能良好的专用弧焊电源，才能充分发挥焊接机器人高效优质的优势。近几年来,电子技术特别是计算机技术和控制技术的发展，为我们在弧焊机器人专用弧焊电源研究方面开辟了广阔天地。弧焊机器人在焊接过程中为了得到稳定性和高质量的焊接效果，需借助微处理机和反馈控制系统进行精密的闭环控制，包括对电源的静、动特性的无级控制等，优化静特性的斜率或在短弧焊和脉冲焊时优化电流、陡度及短路电流上升速度。总之，近年来，弧焊逆变器的技术已趋于成熟，机器人用的专用弧焊电源大多为单片微机控制的晶体管式IGBT式弧焊逆变器，并配以精细的波形控制和模糊控制技术。 1.2.2 焊接机器人技术的发展趋势敏捷制造策略的提出，为焊接机器人的发展提供了新的机遇。敏捷制造的基本思想是企业能迅速将其组织和装备重组，快速响应市场变化，生产出满足用户需求的个性化产品。敏捷制造要求企业底层的生产设备具有柔性和可动态重组的能力。机器人是一种具有高度柔性的自动化生产设备。如果我们站在更高的层次，将机器人视为一种有“感知、思维和行动”的机器，那么，敏捷生产设备就应当是新一代4 焊接机器人机座、腰部结构的设计 机器人化的机器。这将为焊接机器人的发展提出更高的要求。 提高运动速度和运动精度，减轻重量和减少安装占用空间，必将导致焊接机器人功能部件的标准化和模块组合化（它可以分为机械模块、信息检测模块、和控制模块等），以降低制造成本和提高可靠性。近年来，世界各国注意发展组合式机器人。它是采用标准化的组合件拼装而成的。目前，国外已经研制和生产了各种不同的标准组件。除了机器人用的各种伺服电机、传感器外，手臂、手腕和机身的结构也已经标准化了，如臂伸缩轴、臂升降轴、臂俯仰轴、臂摆动轴；手腕旋转轴、摆动轴、固定台身、基座、移动轴等。 随着工业机器人作业精度的提高和作业环境的复杂化，应开发新型微动机构保证动作精度；开发多关节、多自由度的手臂和手指，研制新型的行走机构等以适应复杂的作业的需要。 在多品种，小批量生产的柔性制造自动化技术中，特别是机器人自动装配技术中，要求焊接机器人对外部环境和对象物体有自适应能力，即具有一定的“智能”，机器人的智能化是指机器人具有感觉、知觉等，即有很强的检测功能和判断功能。为此，必须开发类似人类感觉器官的传感器（如触觉传感器、视觉传感器、测距传感器等），发展多传感器的信息融合技术。通过各种传感器得到关于工作对象和外部环境的信息，以及信息库中存储的数据、经验、规划的资料，以完成模式识别，用“专家系统”等智能系统进行问题求解，动作规划。 先进制造技术的发展对协作机器人学的研究与发展起着积极的促进作用。随着先进制造技术的发展，焊接机器人已从当初的柔性上、下料装置正在成为高度柔性、高效率和可重组的装配、制造和加工系统中的生产设备。在这样的生产线上，机器人是作为一个群体工作的，不论每个机器人在生产线上起什么作用，它总是作为系统中的一员而存在。因此，要从组成敏捷制造生产系统的观点出发，来研究焊接机器人的进一步发展。而面向先进制造环境的机器人柔性装配系统和机器人加工系统中，不仅有多机器人的集成，还有机器人与生产线、周边设备、生产管理系统以及人的集成。因此，以系统的观点来发展新的机器人控制系统，有大量的理论与实践的工作要做。 1.3 焊接机器人技术的回顾与展望 焊接是工业机器人应用最重要的领域之一,随着国外及国内对工业机器人在焊5 焊接机器人机座、腰部结构的设计 接方面的研究应用,我国也开始了焊接机器人的研究应用。在引进国外技术的基础上,中国于20世纪70年代末开始研究焊接机器人。1985年哈尔滨工业大学研制成功我国第一台HY-1型焊接机器人。1989 年北京机床研究所和华南理工大学联合为天津自行车二厂研制出了焊接自行车前三脚架的TJR-G1 型弧焊机器人,为“二汽”研制出用于焊接东风牌汽车系列驾驶室及车身的点焊机器人。上海交通大学研制的“上海1号”、“上海2号”示教型机器人也都具有弧焊和点焊的功能8 。20 世纪90 年代末,广东焊接研究所等联合设计开发制造并投入运行的中国第一台点焊机器人成功地应用在卡车驾驶室装焊生产线上。轿车车身焊装生产线上也应用了机器人技术。1997 年首都钢铁公司和日本安川株式会社共同建立了首钢摩托曼机器人公司,并于当年年底推出了第一批国内生产的机器人,其中主要产品是焊接机器人。中国机械工程学会焊接学会和中国焊接协会进行了一次比较全面的焊接机器人在制造业中应用情况调查,结果显示,到1996 年底,焊接机器人已得到广泛应用。我国使用焊接机器人进行生产的工厂大约有70家；全国安装的焊接机器人已达500台(目前已超过了600台)；主要集中在汽车、摩托车和工程机械3个重要行业中；并且90 %以上属于5或6轴关节式机器人1999 年北京机械工业自动化研究所机器人中心研制的AW-600型弧焊机器人工作站,采用PC 工控机控制和PMAC可编程多轴控制系统,于1999年4月通过了国家机械工业局的鉴定。1999年7月15日,国家863计划智能机器人主题专家验收通过了由“一汽”集团、哈尔滨工业大学和沈阳自动化研究所联合开发的HT-100A型点焊机器人9 。由此可见,我们国内的焊接机器人已开始走向实用化阶段。 在国外焊接机器人研究与应用大力发展的同时,特别是进入20世纪90年代以来,随着我国国民经济连续快速的增长,一些骨干企业加紧进行技术改造,用先进设备武装自己,在机器制造业中焊接机器人的数量也急剧增加,形成一股“机器人热”。这些变化极大地推动了国内目前对焊接机器人的应用研究。总的看来,主要是以机器人焊接智能化为核心来进行的，并努力在以下几个方面力争有突破。 1.3.1 PC 机与焊接机器人的结合应用近几年,随着微电子技术的大力发展,以PC 机为代表的计算机软硬件得到了空前的发展,制造业也以建立FMS 为目标,向“开放的工厂自动化”方向发展。为顺应这一趋势,焊缝跟踪控制系统中弧焊机器人的控制器必须由专用的控制器向基于PC 机的开放通用型控制器过渡10,11。PC 机与焊接机器人的结合应用,不但能够解决了6 焊接机器人机座、腰部结构的设计 专用控制器计算负担重、实时性差等问题,同时能够将其他领域如图像处理、声音识别、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。 另外,PC 机具有良好的开放性、安全性和联网性、标准的实时多任务操作系统、标准的总线结构及标准接口等,可以打破机器人专用控制器结构封闭的局面,开发出结构开放、功能模块化的标准化焊接机器人系统。系统中应用PC 机的方式一般是在原来的机器人专用控制器中配置与PC 机通讯的总线及接口板,加上相应的通讯软件和开发相应的应用软件及接口板,用户即可在PC 机上编程读取机器人跟踪焊缝的当前位置,对机器人的运动进行实时控制,从而监控焊接机器人的工作状态。 1.3.2 焊缝智能跟踪与控制技术的研究弧焊过程中,焊缝跟踪和熔深控制涉及的工艺因素多,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。日本学者Y. Suga 等采用BP 神经网络进行焊缝图象信息的处理,从而在弧焊过程中实现焊缝的自动跟踪12。哈尔滨工业大学借助于神经网络构成自学习模糊控制器,成功地实现脉冲GTAW 焊的正面熔宽控制13 。华南理工大学分别用BP 神经网络和模糊控制技术进行TIG焊熔宽控制14,15。 但是神经网络和模糊控制单独使用时,都存在一定的缺陷。神经网络的拓扑结构、神经元个数及训练样本数等的选择,对其一般化能力有较大影响,目前,这方面尚没有统一的理论指导。在离线训练过程中,有时因网络参数选择不好会产生不收敛的现象。实际控制系统中,由于时变参数、扰动等因素,一般要求神经网络控制器能在线训练,而收敛和训练时间等问题都还难以得到可靠的保证,对于实时性要求较高的场合不太适应。在模糊控制中,隶属函数的选择、模糊关系矩阵计算、解模糊化等都是十分困难的问题。一张理想的模糊控制表必须通过反复精心整理才能投入使用。量化因子和比例因子的选择也影响着整个系统的品质。模糊逻辑表达定量知识的能力较差,控制精度不太高。自适应、自学习的能力较差,易产生振荡现象。随着人工智能技术的发展,神经网络和模糊逻辑技术的融合已成为当前人们的研究热点。神经网络具有很强的自学习、自适应、大规模并行运算和精确计算的能力。而模糊逻辑在专家可预见的论域上有很好的收敛性,在进行模糊量的运算上有优势。因此,二者结合可以优势互补,从而大大提高综合性能。神经网络模糊控制器的构造方法可分为两类:其一以现成的神经网络拓扑结构实现模糊控制中的模糊化、模糊推理和解模糊化三个步骤。其二就是构造模糊神经元,使其具有单独处理模糊7 焊接机器人机座、腰部结构的设计 语言变量的能力,由这些模糊神经元可构成不同的拓扑结构。神经网络模糊控制器的快速实时算法、稳定性、鲁棒性等问题,需要结合弧焊机器人系统及弧焊工艺加以深入的研究。 1.3.3 多智能体焊接机器人系统的研究目前的工业生产系统正向大型、复杂、动态和开放的方向发展,为了解决传统工业系统和多机器人技术在许多关键问题上遇到的严重挑战,将分布式人工智能和多智能体系统理论充分应用于工业生产系统和多机器人系统,便产生了一门新兴的机器人技术领域多智能体机器人系统。焊接是工业生产的一大领域,焊接机器人的发展基本上同步于整个机器人行业的发展。所以,多智能体机器人的研究与发展将要很快应用于焊接机器人领域。随着工业生产系统向大型、复杂、动态和开放的方向发展以及焊接过程向高度自动化及完全智能化的方向发展,多智能体焊接机器人系统终将成为热点的研究领域。但要把这些研究成果应用于生产实际,还有待做出更大的努力16。 1.4 焊接机器人毕业设计研究的基本内容和拟解决的主要问题 本文主要研究设计焊接机器人的基座及腰部结构。基座是机器人的基础，是机器人与固定端的连接部分。要求其能承受较大的压力和一定的扭矩，在机器人的腰部通过螺栓与基座连接。机器人的基座用地脚螺栓固定在地面。 机器人的腰部分为固定结构，连接结构，传动结构和转动结构四部分：固定结构是通过螺栓与底座连接在一起；转动结构是与大臂连接的部分；连接结构是固定结构与转动结构之间的连接部分（主要是个连接的轴承）；传动部分腰部的主要结构，包括电机，谐波减速器。 由于电机的回转中心线与转动结构的回转中心线向重合，当电机固定在固定结构上后，电机输出的转速无法直接传递到转动结构，所以减速器输出转速要通过此轮传递到转动结构上。焊接机器人主要是通过电控系统来实现准确焊接，具有误差小，精确度高，效率高、工作范围大等优点。能够满足自动化生产的需要，以减轻工人的体力劳动强度。特别是在成批生产的单位具有更重要的意义，可以提高工厂自动化的程度。下图即为焊接机器人的整体外观图：8 焊接机器人机座、腰部结构的设计 图1.1 焊接机器人整体外观图 1.5 腰部的结构设计内容 1.5.1 基本参数要求：1.焊接机器人身高：15002000mm； 2.使用交流永磁式发电机： 3.焊接的形式为弧焊，弧上中心是处于焊接机器人运动的最佳位置。 1.5.2 任务内容要求： 1.说明部分： 编写开题报告一份 9 焊接机器人机座、腰部结构的设计 翻译外文一份：查阅外文资料，译文不少于2万字符。 编写论文一份，其中包括： 1）设计目的及设计任务； 2）论文综述：查阅中外有关资料和专利，综述相关内容。 3）机座、腰部结构设计； 4）机座及腰部电控系统设计(包括伺服电机的类型、类型比较、交流伺服电机的启动、保护与控制等设计)； 5）初估总体价钱，进行经济分析。 2.计算部分：焊接机器人机座及腰部强度与交流伺服电机的必要计算。 3.绘图部分： 1) 焊接机器人机座、腰部结构装配图一张； 2）零件图若干张。 10 焊接机器人机座、腰部结构的设计 第二章 焊接机器人机座结构设计2.1 机座结构设计 机器人的基础为机器人与固定端的连接部分，也就是焊接机器人与地面的联结和固定结构。要求其能承受较大的压力和一定的扭矩，在机器人的腰部通过螺栓与机座连接。机器人的机座用递交螺栓固定在地面。设计的任务是焊接机器人腰部及基座结构设计，先进行机座的设计。由于已知实验室莫托曼焊接机器人的外形，所以机座的外形也采用方形。这种结构不仅稳固，而且加工简便成本低。设计图如图2.1所示： 图2.1 机座结构简图 11 焊接机器人机座、腰部结构的设计 图2.1中的机座结构采取中部镂空的设计，整体支承部分呈回字形，这样可以减少用料，降低成本。机座上部是一个圆形，用来与腰部机构进行连接，在机座上部结构的内部有用来支承谐波减速器输出轴轴承的轴承座，并且有一圈凸缘，用来支撑整个腰部机构及大臂和小臂。图2.2就是机座结构的俯视图： 图2.2 机座结构俯视图 从图中可以清晰的看出轴承座与凸缘，这样的设计便于安装，使使用和维护都得带了方便。 12 焊接机器人机座、腰部结构的设计 2.2 机座材料的选择 机座承载了整个焊接机器人的重量，所以它的材料和它的结构一样起着重要的作用。下面就来确定一下机座的的材料究竟用哪种比较好。由于机座在工作过程中是受轴向压缩的，所以就以这个为依据来选择材料。 材料按力学性能分类，一般分为两类，一类是塑性材料，另一类是脆性材料。对这两种总材料进行压缩力学性能试验，以确定哪种材料更适合于焊接机器人机座的制作。 先对塑性材料进行压缩试验，得到应力应变曲线如图2.3所示。 图2.3 塑性材料应力应变曲线 图中： S 屈服极限；13 焊接机器人机座、腰部结构的设计 正应力； 正应变； 正切值为材料的弹性模量。从图中可以看出，屈服阶段以后，应变的变化虽然不是很大，但是试件会被越压越扁，先是压成鼓形，最后变成饼状而不断裂，故测不出刚压强度极限。这是塑性材料共有的特点。由此可见，在 外力作用下，虽然材料不容易被破坏但是材料会发生显著的变形。 下面我们来看看脆性材料的实验结果，脆性材料的应力应变曲线如图2.4所示。 图2.4 脆性材料应力应变曲线 图中： b 抗拉强度；by 抗压强度。14 焊接机器人机座、腰部结构的设计 曲线没有明显的直线部分，在应力较小时，可以近似地认为符合虎克定律。曲线没有屈服阶段，变形很小时沿与轴线大约成45的斜截面发生破裂破坏。把曲线最高点的应力值称为抗压强度，用 by 表示。与拉伸时的曲线(虚线)比较可见，铸铁材料的抗压强度约是抗拉强度的45倍。其抗压性能远好于抗拉性能，反映了脆性材料共有的属性。 由以上实验结果可见，虽然脆性材料的塑性性能差，但其抗压能力强，适宜作为承压的构件。所以，机座的材料选取铸铁这种脆性材料。 2.3 机座受力分析 机座的作用就是用来固定焊接机器人的整体，以使机器人在工作过程中达到平稳、准确的运行。这样一来，机座的强度就起着很重要的作用。下面来对机座的支撑部分进行受力分析，并对其进行校核。 如图2.5所示，整个支柱受到来自上方机构的重力以及地面的反作用力，这两个力大小相等方向相反，在图中已用 表示出。 pF图2.5 机座受力分析图（1） 15 焊接机器人机座、腰部结构的设计 腰部结构以及大臂、小臂和手部的总重量约为50kg，取重力加速度g=10m/s2，这样，力 就等于500N。经分析可知， A-A面上的内力只有轴力 (图2.6)。依据截面法，算得轴力 。 pF NFNFF p 500N =图2.6 机座受力分析图（2） 压缩杆件横截面上正应力的计算公式： ANF= （2-1） 式中： A横截面的面积； 横截面上的应力； NF 横截面所受的轴力。 最大正应力公式: Amax =NF(2-2) 16 焊接机器人机座、腰部结构的设计 式中： max 最大正应力； 许用应力。 上式即为拉伸与压缩杆件的强度条件，其中许用应力 的计算公式如下： n0 = （2-3） 式中： 极限应力； 0安全因数。 n通过公式（2-1）就可以计算出横截面A-A上的正应力。计算得横截面上的正应力 MPa015432.0max = 。 铸铁的极限应力 250，取安全因数 =0 =n 2。通过公式（2-3），计算得出许用应力 = 125MPa。显而易见， max ，所以所选材料与所设计结构均符合强度要求。 17 焊接机器人机座、腰部结构的设计 第三章 焊接机器人腰部结构设计3.1 腰部结构设计 机器人的腰部分为固定结构，连接结构，传动结构和转动结构四部分：固定结构是通过螺栓与底座连接在一起；转动结构是与大臂连接的部分；连接结构是固定结构与转动结构之间的连接部分（主要是个连接的轴承）；传动部分腰部的主要结构，包括电机，谐波减速器。 由于电机的回转中心线与转动结构的回转中心线向重合，当电机固定在固定结构上后，电机输出的转速无法直接传递到转动结构，所以减速器输出转速要通过此轮传递到转动结构上。 由控制系统给电机发送信号，使其开始转动，电机的转矩由轴输出，轴与谐波减速器连接，由谐波减速器初步减速后将转矩传递给旋转体，带动腰部转动。 此机器人为关节式结构，机器人主体的关节结构由腰部、大臂、小臂、腕部等几部分组成。机器人共有6个关节自由度，每一关节都装有角度零位及正负方向限位开关。机器人的腰部实现机器人的主体的回转，它由固定底座和回转工作台组成。安装在轴中心的驱动电机，经谐波减速器传动，驱动回转工作台回转。在机器人的回转工作台上安装了大臂台座，借助于两个轴承将大臂臂体下端关节支承在台座上，大臂的上端关节用于支承小臂。安装在机器人大臂臂体下端关节处的交流伺服电机则通过谐波减速器传动，带动大臂作前后摆动运动。在机器人关节处还有紧急制动装置，用于刹车。机器人的小臂支承于大臂臂体的上端关节处，其驱动电机通过谐波减速器带动小臂做上下俯仰运动。机器人的小臂由交流伺服电机通过谐波减速器驱动小臂旋转，机器人的腕部位于小臂臂体的前端，具有手腕的转动、摆动2个自由度。安装在机器人小臂体内的交流伺服电机经过谐波减速器，驱动圆锥齿轮轴转动，与圆锥齿轮轴上的齿轮相啮合的圆锥齿轮带动链轮旋转，通过链条传动使机器人腕部仰摆。安装在腕部前端的交流伺服电动机通过设置在腕部的谐波减速器带动腕体的转动。腕部的前端可以安装夹具，夹持不同的机械手，以实现不同的功能，来实现焊接的自动化。 设计的任务是焊接机器人腰部结构设计， 在已知实验室莫托曼焊接机器人外形尺寸的基础上，设计其内部结构。腰部设计方案一：安装在轴中心的驱动电机，经谐波减速器传动，驱动小齿轮自转，并围绕固定在底座的大齿轮作公转运动，从而18 焊接机器人机座、腰部结构的设计 驱动回转工作台回转。设计方案二：谐波减速器柔轮固定，刚轮输出，安装在轴中心的驱动电机，经谐波减速器传动，由刚轮带动回转工作台旋转。比较上述两个方案可以看出，方案一所需零件较多，安装繁琐；而方案二结构相对简单，并且可以避免齿轮带来的精度下降的问题，故选择方案二。 3.2 齿轮的选择齿轮（图3.1）的组成结构一般有轮齿、齿槽、端面、法面、齿顶圆、齿根圆、基圆、分度圆。 轮齿简称齿，是齿轮上 每一个用于啮合的凸起部分，这些凸起部分一般呈辐射状排列，配对齿轮上的轮齿互相接触，可使齿轮持续啮合运转；齿槽是齿轮上两相邻轮齿之间的空间；端面是圆柱齿轮或圆柱蜗杆上 ，垂直于齿轮或蜗杆轴线的平面；法面指的是垂直于轮齿齿线的平面；齿顶圆是指齿顶端所在的圆；齿根圆是指槽底所在的圆；基圆是形成渐开线的发生线作纯滚动的圆；分度圆 是在端面内计算齿轮几何尺寸的基准圆。 轮齿简称齿，是齿轮上 每一个用于啮合的凸起部分，这些凸起部分一般呈辐射状排列，配对齿轮上的轮齿互相接触，可使齿轮持续啮合运转；齿槽是齿轮上两相邻轮齿之间的空间；端面是圆柱齿轮或圆柱蜗杆上 ，垂直于齿轮或蜗杆轴线的平面；法面指的是垂直于轮齿齿线的平面；齿顶圆是指齿顶端所在的圆；齿根圆是指槽底所在的圆；基圆是形成渐开线的发生线作纯滚动的圆；分度圆 是在端面内计算齿轮几何尺寸的基准圆。 图 3.1 齿轮 19 焊接机器人机座、腰部结构的设计 轮齿简称齿，是齿轮上 每一个用于啮合的凸起部分，这些凸起部分一般呈辐射状排列，配对齿轮上的轮齿互相接触，可使齿轮持续啮合运转；齿槽是齿轮上两相邻轮齿之间的空间；端面是圆柱齿轮或圆柱蜗杆上 ，垂直于齿轮或蜗杆轴线的平面；法面指的是垂直于轮齿齿线的平面；齿顶圆是指齿顶端所在的圆；齿根圆是指槽底所在的圆；基圆是形成渐开线的发生线作纯滚动的圆；分度圆 是在端面内计算齿轮几何尺寸的基准圆。 齿轮可按齿形、齿轮外形、齿线形状、轮齿所在的表面和制造方法等分类 齿轮的齿形包括齿廓曲线、压力角、齿高和变位。渐开线齿轮比较容易制造，因此现代使用的齿轮中 ，渐开线齿轮占绝对多数，而摆线齿轮和圆弧齿轮应用较少。 在压力角方面，小压力角齿轮的承载能力较小；而大压力角齿轮，虽然承载能力较高，但在传递转矩相同的情况下轴承的负荷增大，因此仅用于特殊情况。而齿轮的齿高已标准化，一般均采用标准齿高。变位齿轮的优点较多，已遍及各类机械设备。另外，齿轮还可按其外形分为圆柱齿轮、锥齿轮、非圆齿轮、齿条、蜗杆蜗轮 ；按齿线形状分为直齿轮、斜齿轮、人字齿轮、曲线齿轮；按轮齿所在的表面分为外齿轮、内齿轮；按制造方法可分为铸造齿轮、切制齿轮、轧制齿轮、烧结齿轮等。 齿轮的制造材料和热处理过程对齿轮的承载能力和尺寸重量有很大的影响。20世纪50年代前，齿轮多用碳钢，60年代改用合金钢，而70年代多用表面硬化钢。按硬度 ，齿面可区分为软齿面和硬齿面两种。 软齿面的齿轮承载能力较低，但制造比较容易，跑合性好，多用于传动尺寸和重量无严格限制，以及小量生产的一般机械中。因为配对的齿轮中，小轮负担较重，因此为使大小齿轮工作寿命大致相等，小轮齿面硬度一般要比大轮的高 硬齿面齿轮的承载能力高，它是在齿轮精切之后，再进行淬火、表面淬火或渗碳淬火处理，以提高硬度。但在热处理中，齿轮不可避免地会产生变形，因此在热处理之后须进行磨削、研磨或精切 ，以消除因变形产生的误差，提高齿轮的精度。 制造齿轮常用的钢有调质钢、淬火钢、渗碳淬火钢和渗氮钢。铸钢的强度比锻钢稍低，常用于尺寸较大的齿轮；灰铸铁的机械性能较差，可用于轻载的开式齿轮传动中；球墨铸铁可部分地代替钢制造齿轮；塑料齿轮多用于轻载和要求噪声低的地方，与其配对的齿轮一般用导热性好的钢齿轮。 20 焊接机器人机座、腰部结构的设计 由于腰部机构整体的运转速度并不快，所以腰部机构中的传动齿轮全部采用直齿圆柱齿轮。同样的，因为腰部的运转速度较低并且对焊接机器人的运动精度有一定的要求，齿轮的传动精度等级选取7级为宜。考虑到空间的大小与轴的强度问题，有一个齿轮为齿轮轴。 设计中，腰部机构与机座通过推力轴承连接的那部分有一个内齿轮，这个内齿轮与齿轮轴啮合，同时，齿轮轴下部连接一个直齿圆柱齿轮，这个直齿圆柱齿轮与谐波减速器输出轴上的齿轮啮合。这样就可以保证电机输出的转矩通过谐波减速器后，顺利的传递到腰部，使腰部达到规定的速度。 各齿轮参数如下： 内齿轮：d1=242mm，z1=121，m=2； 齿轮轴：d2=36mm，z2=18，m=2； 齿轮轴下部齿轮：d1=58mm，z1=28，m=2； 谐波减速器输出端齿轮：d2=152mm，z2=76，m=2。 d1、d2、d1、d2分别为各齿轮的分度圆直径，z1、z2、z1、z2分别为各齿轮的齿数，m为齿轮的模数。 在一般的闭式齿轮传动中，轮齿的主要失效形式是齿面接触疲劳点蚀和轮齿弯曲疲劳折断，所以下面就从这两个方面来校核齿轮的强度。 齿面接触疲劳的校核： 校核齿面接触疲劳强度需要用到赫兹公式，即下式： uubdKTZZ HEH12211 =（3-1） 式中： EZ 弹性系数，其数值与材料有关；HZ 区域系数，对于标准齿轮， HZ =2.5； K 载荷系数；齿宽；b1T 小齿轮上的转矩； 小齿轮的分度圆直径；1d传动比。u21 焊接机器人机座、腰部结构的设计 通过公式（3-4）计算第一