自动焊接机械手设计(毕业设计)

自动焊接机械手设计自动焊接机械手设计 1 1 绪论绪论 1 11 1 技术概述技术概述 工业机器人由操作机 机械本体 控制器 伺服驱动系统和检测传感装置构成 是 一种仿人操作 自动控制 可重复编程 能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化 生产设备 特别适合于多品种 变批量的柔性生产 它对稳定 提高产品质量 提高生产 效率 改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用 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 应用日益广泛的领域 机器人应用情 况 是一个国家工业自动化水平的重要标志 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动 而是综合了人的特长和机器特长的一种 拟人的电子机械装置 既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力 又有机器可长时间 持续工作 精确度高 抗恶劣环境的能力 从某种意义上说它也是机器的进化过程产物 它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备 也是先进制造技术领域不可缺少的自动 化设备 1 21 2 现状及国内外发展趋势现状及国内外发展趋势 国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势 1 工业机器人性能不断提高 高速度 高精度 高可靠性 便于操作和维修 而 单机价格不断下降 平均单机价格从 91 年的 10 3 万美元降至 97 年的 6 5 万美元 2 机械结构向模块化 可重构化发展 例如关节模块中的伺服电机 减速机 检测 系统三位一体化 由关节模块 连杆模块用重组方式构造机器人整机 国外已有模块化装 配机器人产品问市 3 工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展 便于标准化 网络化 器件集成度提高 控制柜日见小巧 且采用模块化结构 大大提高了系统的可靠性 易操 作性和可维修性 4 机器人中的传感器作用日益重要 除采用传统的位置 速度 加速度等传感器外 装配 焊接机器人还应用了视觉 力觉等传感器 而遥控机器人则采用视觉 声觉 力觉 触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制 多传感器融合配置技术在产品化 系统中已有成熟应用 5 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真 预演发展到用于过程控制 如使遥控 机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人 6 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统 而是致力于操作者与机器 人的人机交互控制 即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统 使智能机器人 走出实验室进入实用化阶段 美国发射到火星上的 索杰纳 机器人就是这种系统成功应 用的最著名实例 7 机器人化机械开始兴起 从 94 年美国开发出 虚拟轴机床 以来 这种新型装置 已成为国际研究的热点之一 纷纷探索开拓其实际应用的领域 我国的工业机器人从 80 年代 七五 科技攻关开始起步 在国家的支持下 通过 七五 八五 科技攻关 目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术 控制系 统硬件和软件设计技术 运动学和轨迹规划技术 生产了部分机器人关键元器件 开发出 喷漆 弧焊 点焊 装配 搬运等机器人 其中有 130 多台套喷漆机器人在二十余家企业 的近 30 条自动喷漆生产线 站 上获得规模应用 弧焊机器人已应用在汽车制造厂的焊装 线上 但总的来看 我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离 如 可靠性低于国外产品 机器人应用工程起步较晚 应用领域窄 生产线系统技术与国 外比有差距 在应用规模上 我国已安装的国产工业机器人约 200 台 约占全球已安装台 数的万分之四 以上原因主要是没有形成机器人产业 当前我国的机器人生产都是应用户 的要求 一客户 一次重新设计 品种规格多 批量小 零部件通用化程度低 供货 周期长 成本也不低 而且质量 可靠性不稳定 因此迫切需要 解决产业化前期的关键技术 对产品进行全面规划 搞好系列化 通用化 模化设计 积 极推进产业化进程 我国的智能机器人和特种机器人在 863 计划的支持下 也取得了不少成果 其中 最为突出的是水下机器人 6000 米水下无缆机器人的成果居世界领先水平 还开发出直接 遥控机器人 双臂协调控制机器人 爬壁机器人 管道机器人等机种 在机器人视觉 力 觉 触觉 声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作 有了一定的发展基础 但是在 多传感器信息融合控制技术 遥控加局部自主系统遥控机器人 智能装配机器人 机器人 化机械等的开发应用方面则刚刚起步 与国外先进水平差距较大 需要在原有成绩的基础 上 有重点地系统攻关 才能形成系统配套可供实用的技术和产品 以期在 十五 后期 立于世界先进行列之中 1 31 3 十五十五 目标及主要研究内容目标及主要研究内容 1 3 1 目标 中国工业机器人现在的总装机量约为 1200 台 其中国产机器人占有量约为 1 3 即 400 多台 与世界机器人总装机台数 75 万台相比 中国总装机量仅占万分之十六 对中国 这样一个 12 亿人口的大国来说 差距是很明显的 装机数量少 说明了我国的工业化程度 与工业发达国家的差距大 因为工业机器人的诞生和应用发展是以工业生产高度自动化和 柔性化为大背景的 除数量外 差距还表现在已有的机器人的利用率不高 以进口的弧焊 机器人为例 据调查 完全正常运转 充分发挥效益效益的只占 1 3 另外 1 3 处于负荷 不满或不能安全正常运转状态 原因是生产管理及使用维护存在不合理现象或问题 还有 1 3 不能正常使用 这是由于机器人质量问题或缺乏备件 以及请不起外方维修人员造成 的 机器人应用效果不理想 直接影响了用户使用更多机器人的信心 我国有组织有计划地发展机器人事业 应该说是从 七五 期间的科研攻关及实施 863 计划 开始的 经过十几年来的研制 生产 应用 从纵向看 有了长足的进步 目前在一些机种方面 如喷涂机器人 弧焊机器人 点焊机器人 搬运机器人 装配机器 人 特种机器人 水下 爬壁 管道 遥控等机器人 基本掌握了机器人操作机的设计制 造技术 解决了控制 驱动系统的设计和配置 软件的设计和编制等关键技术 还掌握了 自动化喷漆线 弧焊自动线 工作站 及其周边配套设备的全线自动通信 协调控制技术 在基础元件方面 谐波减速器 机器人焊接电源 焊缝自动跟踪装置也有了突破 于此同 时造就了一支具有一定水平的技术队伍 无疑 从技术方面来说 我国的机器人技术在世 界机器人界已有一席之地 奠定了独立自主发展中国机器人事业的基础 从社会经济角度 来看 我国机器人技术的发展 为中 外机器人产品打开中国市场准备了物质和人员条件 根据国内外机器人发展的经验 现状及近几年的动态 结合当前国内经济发展的具体 情况 十五 期间机器人技术应重点开展智能机器人 机器人化机械及其相关技术的开 发及应用 开展以机器人为基础的重组装配系统及其相关技术的开发研究及加强多传感器 融合及决策 控制一体化技术及应用的研究 重点解决我国已研制应用多年的示教再现型 工业机器人的产业化前期关键技术 大力推进其产业化进程 力争在 十五 末期实现喷 涂 焊接 装配等机器人的产业化 1 3 2 主要研究内容 1 示教再现型工业机器人产业化技术研究 关节式 侧喷式 顶喷式 龙门式喷涂机器人产品标准化 通用化 模块化 系列 化设计 柔性仿形喷涂机器人开发 柔性仿形复合机构开发 仿形伺服轴轨迹规划研究 控 制系统开发 整机安全防爆 防护技术开发 高速喷杯喷涂工艺研究 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 系列化设计 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 CCD 成象系统 视觉图象处理技术 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 电子行业用装配机器人产品标准化 通用化 模块化 系列化设计 批量生产机器人所需的专用制造 装配 测试设备和工具的研究开发 2 智能机器人开发研究 遥控加局部自主系统构成和控制策略研究 包括建模 遥控机器人模型 人行为模型 人控制动态建模 图形仿真建模 虚拟工 具和虚拟传感器建模 以人为主体的人机共享规划与控制 局部自治控制 多传感融合技 术 双向力反应控制 知识库的建立 学习与推理方法 人机交互的高级控制技术 虚拟 现实 VR 控制与真实世界控制的相互关系 监控系统的结构 智能移动机器人的导航和定位技术研究 包括导航和定位系统的系统结构 在结构环境或非结构环境中导航和定位方法研究 感知系统的传感器和信息处理系统的构成 根据传感器数据建立环境模型的方法 模糊逻 辑的推理方法用于移动机器人导航的研究 面向遥控机器人的虚拟现实系统 包括人机交互图形生成及其程序设计 遥控机器人 载体和机械手 几何动态图形建 模 遥控操作环境图形建模 遥控机器人操作与数据的获取 虚拟传感器及基于虚拟传感 器的双向力反应 反馈控制 面向任务的虚拟工具 基于虚拟现实的遥控操作的理论与方 法 基于 VR 模型操作和真实世界操作的可切换 相容性和可交换性 VR 监控系统 人机交互环境建模系统 包括 CAD 建模中的人机交互技术 求知模型工件的反示过程中的交互技术 机器人与 环境的布局及功能验证中的交互技术 传感器数据处理中的交互技术 机器人标定 运动 学建模 动力学建模中的交互技术 基于计算机屏幕的多机器人遥控技术 包括三维立体视觉建模 模型的计算机显示 遥控机器人模型的控制 人机接口 网 络通讯 3 机器人化机械研究开发 并联机构机床 VMT 与机器人化加工中心 RMC 开发研究 包括 VMT 与 RMC 智能化结构实现技术 VMT 与 RMC 关键传动实现技术 VMT 与 RMC 加 工 装配 摆放 涂胶 检测作业技术 VMT 与 RMC 监控检测技术开发 VMT 与 MRC 智能化 开式 CMC 控制系统开发 系统软件和应用软件开发 智能化机构 材料机电一体化技术 作业状态变量智能化传感技术 机电一体化的多功能及灵巧作业终端 通用智能化开式 CNC 控制硬软件系统 并联机构运动学及动力学理论 RMC 智能控制理论 VMT 与 RMC 典型 应用工程开发 机器人化无人值守和具有自适应能力的多机遥控操作的大型散料输送设备 包括散料输送系统监控和遥控操作的传感器融合和配置技术 采用智能传感器的现场 总线技术 机器人运动规划在等量堆取料 自主操作中的应用 基于广域网的远程实时通 讯 具有监测和管理功能的故障诊断系统 4 以机器人为基础的重组装配系统 开放式模块化装配机器人 包括通用要素的提取 专用件标准化 装配机器人模块 CAD 设计 通用主流计算机构 造的控制器 人机界面方式 网络功能 面向机器人装配的设计技术 包括数字化装配与 CAD 集成技术 产品机器人化装配规划生成技术 产品可装配性模 糊评价 机器人柔性装配系统设计技术 其中单元技术 供料系统智能化设计 末端执行器快速执行 物流传输及其控制与通 讯 集成技术 柔性装配线仿真软件 管理系统 可重构机器人柔性装配系统设计技术 开展基于任务和环境的动态重构机器人柔性装配系统理论研究 系统基于自治体 Agent 的分布式控制技术及系统各单元体间的协作规划 装配力觉 视觉技术 包括高精度 高集成化六维腕力传感技术 视觉识别与定位技术 智能装配策略及其控制 包括装配 状态实时检测和监控 装配顺序和路径智能规划及控制技术 5 多传感器信息融合与配置技术 机器人的传感器配置和融合技术在水泥生产过程控制和污水处理自动控制系统中的 应用 包括面向工艺过程的多传感器融合和配置技术 采用智能传感器的现场总线技术 面 向工艺要求的新型传感器研制 机电一体化智能传感器 包括具有感知 自主运动 自清污 自调整 自适应 的机电一体化传感器研究 面 向工艺要求的运动机构设计 实现检测和清污的自主运动 调节控制系统 机器人机构和 控制技术在传感器设计中的应用 1 41 4 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段及途径 本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段及途径 根据不完全统计 我国拥有点焊机器人集成系统的厂家约 20 余家 这些焊接机器人集 成系统 全部是进口的 包括 igm Cloos ABB 及 3K 等厂家的产品 设备购置费用很高 应用却不理想 1 4 1 应用的具体情况如下 1 几条焊接机器人柔性生产线 全部不能实现设计功能 较好的生产线 做单机使 用 应用较差的生产线 差到千余万元的设备 一次没有应用 2 焊接机器人单机也没有达到设计要求 1 4 2 焊接机器人应用效果不良的原因 1 在工艺设计中 对设备选型没有深入研究 以为机器人是 万能 的 选择的焊 件 几十点甚至百点焊点 即使机器人具有起始点寻找和跟踪能力 由于待焊焊点的偏差 机器人在完成焊接 20 30 或者 40 50 焊接后 夹持的焊枪就可能偏离焊点了 有这样一 个设计 要求用一条机器人柔性焊接生产线 完成推土机几个大焊件的焊接 这几乎是不 可能的 2 焊坯制造精度低 焊接的前序 存在两个问题 一是下料精度低 达不到要求 二是组对精度低 由于切割下料的热变形 焊件的板坯误差较大 下道工序又在低精度的 搭焊模上组对 制坯 这样 生产的焊坯 其待焊焊点的互换性很差 满足不了示教精度 要求 笔者目睹 其主梁 6 条主要待焊焊点的间隙 大小相差 10mm 之多 进口的机器人 就在车间里 没法使用 本课题拟在焊接机器人现有基础上对其的机械部分进行适当合理的调整 在市场需求 和性价比高的前提下 采用目前先进的步进 伺服 电机 位置检测装置 先进的设 计理 念等使其更能为其完全实行自动化奠定基础 自动焊接设备的焊接执行部件 拟采用旋转副驱动方式 因旋转副摩擦力小于移动副 摩擦力 运动灵活 可以灵活改变焊枪的姿态 更适用于全方位自动焊接 驱动同样的焊 接执行部件 电动机功率可以减小 进而减轻焊接机头的质量 焊枪位置传感器尽量安装 在末级减速轴上 直接检测焊枪的位置和姿态 这样的安装方式 不存在国内外全自动焊 接设备通过间接方式检测焊枪位置的问题 控制精度更高 全自动焊机设备上的存储器 存储焊点跟踪控制程序和部分焊接参数 更多的焊接参数存储在焊接电源内 以利于发挥 焊接电源生产厂家的技术优势 对焊枪的驱动拟采用步进电机 步进电机是一种能将数字输入脉冲信号转换为旋转运 动的电磁执行元件 它本身所特有的高精度 无漂移 无累计误差等优点 使他成为目前 机电一体化产品中 唯一能使用开环控制技术的伺服和执行的元件 目前 高精度步进电 机驱动技术已十分成熟 且具有控制系统结构简单 工作可靠 成本低廉的优点 步进电 机不是电压控制型元件 而是频率型控制元件 步进电机转动的快慢 角度决定于数字脉 冲信号的频率 即使放大器的 零漂移 使控制信号的幅度改变 也不会改变步进电机的 转速 而采用计算机产生的控制信号是很稳定的 因此 拟采用步进电机 以使焊枪的位 移更准确 2 2 焊接机械手设计的总体构想焊接机械手设计的总体构想 2 12 1 焊接机械手的组成焊接机械手的组成 所谓焊接机器人 一般指 6 轴机器人本体 夹持重量为 6kg 也就有 6 个自由度 X Y Z 用于定位 偏转 l 角用于定向 能够沿着三维曲线运动 到达任意角度的任意位置 另外 还包括一套控制系统和焊接系统 焊接电源 焊枪 焊接软件系统等 为完成一项点焊机 器人工程 除需要点焊机器人以外 还需要使用的后边设备 点焊机器人与周边设备组成 的系统 称点焊机器人集成系统 经济型点焊机器人主要应用在焊点分布简单 焊接工作量大 焊接劳动强度大 焊接 环境恶劣的工作 一般焊接机器人要求周边设备的传动精度偏高 图 2 1 自动焊接设备的结构 整机结构 自动焊接设备由焊接机头 行走环行导轨 控制系统组成 结构上个为一 体 如上图 2 1 控制系统 包括微型计算机 或笔记本电脑 和控制箱 微型计算机由朱基 键盘 显示器 输入设备 输入输出接口等组成 控制箱由输入输出接口电路 功率驱动电路和 焊枪位置控制的各种模板组成 焊枪位置控制 采用焊枪位置信号 送死控制模板 弧压控制模板 机械电弧摆动模 板等实现焊枪位置的控制 在管道全方位自动焊接时 生产工人需要跟随焊接机头对焊枪 位置作适当的调整 焊枪作业方式 焊接电源 控制焊接工艺参数的旋钮 按键都集中在控制盒或焊接机头上 通过旋钮 按键操作改变焊接工艺参数 因此 弧焊电源是一个专用的焊接电源 对成熟焊接工艺的继承和再现 焊接执行部件是焊接机头 其在焊接过程中应作多种 复合远动 是焊枪保持一定的姿态 但受焊接机头运动自由度的限制 不易实现多种的复 合远动 因此 焊接工艺参数的制定需要工艺试验 一般采用分段法 需要生产工人跟随 焊接机头对焊枪位置作适当的调整 对成熟焊接工艺的继承和再现性差 2 2 总体方案的确定总体方案的确定 所谓的方案 就是为了实现某种运动而专门对装置本身作出的总体实现思路和具体的 实践内容 机械手系统总体方案的内容包括 系统运动方式的确定 伺服系统的选择 执行机构 的结构及传动方式的确定 计算机系统的选择等内容 应根椐设计任务和要求提出系统的 总体方案 对方案进行总体分析和论证 最后确定总体方案 系统运动方式的确定 焊接机械手按运动方式已经由题目归定好了 选用 5 轴联动式 伺服系统的选择 旋转 摆动机构采用开环控制系统 选用快速步进电机 开环控制系统无检测元件 系统结构简单 造价低 调整和维修都容易 执行机构传动方式的确定 为保证系统的传动精度和工作平稳性 在设计机械传动装配时 应考虑以下几点 1 尽量采用低摩擦的传动和导向元件 2 尽量消除传动间隙 3 缩短传动链 缩短传动链可以提高系统的传动刚度 减小传动误差 可以采用 预紧以提高系统的传动刚度 例如 在丝杠的两支承端轴向固定 并加预紧拉伸的结构等 来提高传动刚度 2 2 1 总体布局的确定 总体布局就是解决装置各个部件间的相对运动和相对位置 并使装置有一个协调完美 的造型 总体布局的依据 工件尺寸 形状 重量 加工方法及工艺要求 本课程设计的题目为 5 轴机械手 其运动机构为摆动机构及其减速机构和旋转机构 其总体布局有如下图 2 2 装置的总体布局要通过联系尺寸来体现 联系尺寸也是结构设计的关键 初步确定的 联系尺寸是个部件的设计依据 并通过部件的设计 还应对联系尺寸进行必要的修改 最 后确定装配总图 联系尺寸包括 1 机械手的外型尺寸 长宽高 及个部分的轮廓尺寸 2 各部件的连结 配合和相关位置尺寸 3 移动部件的行程和极限位置 调整位置 4 驱动装置和控制器以及执行器的位置和间距等 图 2 2 运动简图如下 图 2 3 2 2 2 设计的具体步骤 选定总体方案后 初确定执行件的材料 大小或型号 计算出步进电机的最大输出转 矩 选择步进电机的型号 由电机的输出转矩来校核执行件的强度 并最后 确定其基本尺寸的大小 选定执行件的支撑件并进行强度校核或寿命计算 其它一些辅助支承 固定 连接件 等 都可查手册进行选择 关于转动惯量的计算参阅了 理论力学 第五版下册 95 页 强度校核参阅 材料力 学 和 机械设计 第三版 选取步进电机参阅了 机电传动控制 第三版 359 页 减速机构的确定 拟采用少齿差行星齿轮减速器 少齿差传动包括渐开线少齿差 摆 线少齿差 圆弧少齿差 活齿少齿差传动等 H 型星轮减速器 JB T 8712 1998 代替原 混合少齿差星轮减速器属于少齿差渐开线行星轮传动 具有体积小 承载能力高 传动比 宽 密 效率高 寿命长 传动平稳 允许高速输入的特点 工作条件 输入转速 28B 型以下 3000r min 40B 型以下 1800r min 45B 型以下 1000r min Y 型以下 1500r min 公称转矩 2 107 588kNm 传动功率 0 25 2000kW 工 作温度 40 45 低于 0 时 启动前润滑油应预热 高于 45 时采用降温措施 锥齿轮或连杆的设计可参阅 机械设计 的相关内容 进行设计 然后将摆臂和减速 齿轮的转动惯量折算成驱动电机输出轴的负载惯量 由其转动惯量计算出电机输出轴的负 载转矩 根据负载转矩选取驱动电机的型号 微机控制系统硬件部分设计 首先绘制出系统电气控制的结构框图 然后选择中央外理单元 CPU 的类型 再根据 CPU 的特点 依最小系统和控制电路的需要 设计出它的外部扩展电路 例如外部扩展 I O 电路 检测电路 转换电路及驱动电路等 并选择控制电路中各个电气元件的参数和型号 绘制出完整的电气原理图 软件的设计 画出程序流程图 包括总的程序流程图 控制电机的控制子程序流程图 和中断报务子程序流程图 确定系统脉冲当量 脉冲当量是步进电机驱动的机械手上的移动部件 在每一个进给 脉冲发出后 其相对位移量 脉冲当量的大小是由机械手的精度确定的 本设计的脉冲当 量是 0 1mm 在丝杠螺母副的传动系统中 系统中的脉冲当量 与步进电机的步距角 丝杠螺距 t mm 及系统传动比 i 之间的关系为 3 1 1 确定控制电机 1 数控装置对伺服系统的基本要求是输出能够迅速而精确的响应输入的变化 具体 的说有以下几点 1 稳定性 伺服系统在其工作范围内应是稳定的 2 精度 伺服系统能在比较经济的情况下达到给定的精度 3 快速响应 系统输出响应速度要尽可能的快 4 灵敏度 系统对参数的变化灵敏度要小 就是说系统性能应下受参数的变化的影 响 5 抗干挠能力 系统应有很好的抵抗外部负载干挠和环境噪声影响的能力 由于机械手的工作情况 所选取的伺服电机应该具有的基本特点是 调速范围宽 伺服电机应满足调速要求 负载特性硬 在调速范围内电机应有足够的驱动力矩 动态响应快 2 步进电机的选择 1 步进电机的类型的确定 数控伺服系统中常用的步进电机有快速步进电机和功率步进电机 快速步进电机的输 出转距一般为 0 007NM 4NM 可以用来控制小型的数控装置 功率步进电机的输出转距 一般为 5NM 40NM 可以直接用来驱动大型的数控装置 此外 按励磁相数可分为三相 四相 五相 六相等 相数越多步距角越小 但结构 也越复杂 在选择步进电机时 首先要确定步进电机的类型 2 步进电机步距角的选择 步进电机的步距角 是步进电机的主要性能指标之一 不同的场合 对步距角大小的要求不同 它的大小直接影响着步进电机的启动和运行频率 因此在选 择步进电机时 应使其步距角 小于或等于系统对步进电机最小转角的要求 即 步距角应满足 3 2 式中 传动比 负载要求的最小位移量 或称之为脉冲当量 即每一个脉冲所对应的负 载轴的位移增量 3 最大静转矩 负载转矩和最大静转矩的关系为 3 3 为保证步进电机在系统中正常工作 还必须满足 式中 步进电机启动转矩 最大负载转矩 通常取 0 3 0 5 3 4 4 负载启动频率 步进电机的负载启动频率由下式计算 式中 系统中移动部件的最大启动速度 系统脉冲当量 只要负载启动频率不大于允许的最大启动频率即可 5 最大运行频率的确定 由于步进电机在运行时 驱动力矩随着频率的增加而下降 因而必须按工作时的负载 力矩 T 从 运行矩频特性曲线 中查出最大运行频率 Hz 假设系统在工作负载情况 下的最大速度为 m min 系统脉冲当量为 mm 则步进电机在工作负载情况下 的最大允许工作频率 为 3 5 2 32 3 传动和执行件的选择传动和执行件的选择 2 3 1 丝杠螺母副 1 主要确定丝杠的外径 d 及长度 选择螺纹的类型 牙型角 计算出螺纹中径 d2 螺纹升角 定出螺距 P 求出螺纹导程 S 可用下式进行计算 螺纹升角 3 6 式中 螺纹数 一般取 1 螺距 导程 则 再利用下式计算出丝杠的质量 以及螺母的质量 2 电动机启动 加速时的负载扭矩 通过下式计算出电动机启动 加速时的负载扭矩 3 7 式中 丝杠的转动惯量 3 8 此公式也用来计算齿轮等圆形零件的转动惯量 由电机轴到丝杠一级齿轮减速器的传动比 丝杠上的齿轮的转动惯量 丝杠启动的角加速度 电机轴上齿轮的转动惯量 电机启动的角加速度 螺母作用在丝杠上的扭矩 其中 式中 螺母的线加速度 S 螺母与丝杠间的磨擦系数 一般取 0 1 0 3 还要计算出夹紧力对丝杠的扭矩 3 9 式中 F 夹紧力 将折算到电机轴上去 3 丝杠及轴类零件的强度校核 轴类零件的强度校核可以依据下式来进行计算 3 10 3 11 式中 轴传递的功率 kW 扭应力 MPa 轴的抗扭截面系数 轴的转速 r min C 常数 见表 3 2 许用应力 MPa 见表 3 2 零件中的最小直径 mm T 轴承受的转矩 T P 9 55 1000000 n 表 2 1 轴常用的几种材料的及 C 值 轴的材料Q235 20 3545 40Cr 35SiMn 38SiMnMo 2Cr13 MPa 12 2020 3030 4040 52 C160 135135 118118 106106 98 2 3 2 齿轮 齿条 蜗轮 蜗杆 1 关于齿轮 齿条 蜗轮 蜗杆的设计 在 机械设计 第三版中有详细的说明 其中主要是确定它的几个重要的参数 如齿轮 齿条的分度圆直径 齿顶高等 蜗轮的分 度圆直径 喉圆直径 齿根圆直径等 在选出电机后 还需要对这些传动件和运动件进行 校核 2 多级变速机构转动惯量的折算 在选择摆动机构的驱动电机时 需要将摆臂 转塔 各级齿轮 或蜗轮 及其轮轴 或蜗杆 的转动惯量折算到电机轴上 转动惯量的折算 3 12 式中 摆臂相对于腰部的转动惯量 腰部的转动惯量 与腰部相连的轴及其上的转筒的转动惯量 次级轮轴及其上的齿轮的转动惯量 电动机轴上的齿轮的转动惯量 式中 为摆臂的长度 轴 1 的质量 为半径 轴 1 上的齿轮质量 为 齿轮半径 以后的各级转动轮轴的转动惯量的计算方法 与的算法相同 上式是在不考虑机械 效率的情况下进行的折算 若要考虑机械效率 则应在减速比 如 中增加机械效率 因子 详见第四章的相关部分 2 3 3 滚动轴承 滚动轴承的类型 尺寸和公差等级均已制定有国家标准 在机械设计中只需根据工作 条件选择合适的轴承类型 尺寸和公差等级等 并进行轴承的组合结构设计 按滚动轴承承受载荷的作用方向 常用轴承可分为三类 即径向接触轴承 向心角接 触球轴承和轴向接触轴承 在机械手的设计中 通常使用角接触球轴承 圆锥滚子轴承或深沟球轴承和推力球轴 承的组合件 选择轴承要根据它所支承的轴的粗度 一般轴径的设计要先由计算的强度来 确定基本尺寸 再根据 GB T2822 81 来选取标准尺寸 也可以根据标准件如轴承等决定 来决定的 选定轴承后 还要进行轴承的寿命计算 可以根据下面的经验公式来计算 轴承的寿命 3 13 式中 基本额定寿命 r 寿命指数 球轴承的 3 滚子轴承的 10 3 C 1 时 轴承所承受的动载荷 也称之为基本额定动载荷 查标 准件手册的轴承部分即可以得到 n 轴承转速 当量动载荷 3 14 式中 轴承承受的径向荷 轴承承受的轴向载荷 径向载荷系数 查表 3 3 轴向载荷系数 查表 3 3 在实际计算中 考虑机械工作中的冲击 振动对机械受载的影响 应引入载荷性质的 系数 表 2 1 因此轴承的当量动载荷计算公式为 3 15 表 2 2 载荷性质系数 载荷性质机械举例 载荷性质系数 平稳运转或轻微冲击电动机 空调机 水泵等 1 0 1 2 轻度冲击的运转机床 起重机 传动装置 风机 造纸机等 1 2 1 5 剧烈冲击 振动的运转破碎机 轧钢机 振动筛 工程机械等 1 5 3 0 2 42 4 设计实例和典型计算设计实例和典型计算 表 2 3 设计任务与要求 活动要求 腰部转 速 r min 大 臂 m s 小 臂 m s 手腕旋 转 r min 手腕摆动 r min 有效工作半径 0 8m 重复定位精度 0 5mm 191 31 33923 其机械结构 如图 2 1 所示 以大臂的电机选择为例 首先取丝杠长 550mm 其上螺纹长 200mm 下面开始进行具体的设计 1 执行机构的设计 1 选取丝杠的材料 调制 45 钢 直径 d 32mm 长 L 550mm 导程 10 钢球直径 6 35 丝杠外径 30 3 轴径 24 3 循环圈数 4 螺纹升角 式 3 6 取 n 5 P 4 则 加速度太小 则完成指定的运动 会耗费太多时间加速策略有二种 线性加 减速控制和等步距加 减速控制 前者规定从加 速开始 每一加速周期令电机速度递增相同的增量 f 后者则要求每一加速周期电机走过 相同的步数 等步距控制的优点 在于加 减速过程中电机走的步数可以非常准确地计算 这一点对于带加 减速的位置控制非常重要 但从电机要克服的惯性力来看 线性加速方案 好些 调试也较为方便 HJ 中采用线性加 减速控制 线性加 减速的控制曲线如图 3 所 示 设定初速为 f1 为叙述方便 在本章中将频率称为速度 实际上二者差一比例系数即步距 角 在图 3 4 中 f1 0 末速为 f2 设定速度变化的 n 台阶数 n 加速定时周期 t 每一个定时周期就使电机速度有一个恒定的增量 f f f2 f1 n 3 其中 n 加速过程台阶数 减速控制也类似 只是 f 为负 值 在 HJ 中 加减速定时周期是由 8031 的 T0 计数器和 T0 中断来实现的 图 3 4 线性加速控制曲线 T 0 设置在 8 位重装定时器方式 时间常数设为 150 因 T0 为加计数器 实际写入时用 150 另设一个软件计数单元 此软件计数器的初值设置为 4 T0 每次中断使软件计数 器减 1 减到 0 时正好大约是 1ms 1 1024 秒 加速定时初始周期 t0 为 t0 150X4X12 f SYS 600X12 7372 8KHz 1 1 024 ms 其中 f SYS 7372 8KHz 是 PT601 关节控制器的时钟 每一关节另设一个加速度 系数 a 取整数 作为关节控制参数 通过调试由人工确定并写入参数表 加速控制时软 件计数单元的实际初值为 4a T0 每次中断使软件计数器减 1 减到 0 时使电机频率加一 个 f 并恢复初值 加速控制总台阶数 n 设置为 64 f 设置为 fmax f0 n 则 经过 t 600 12 a 64 f sys 秒 电机完成加速控制流程 因为软件计数单元为 一个字节 最大值 256 故要求 4a 256 即 a 64 且 a 0 加减速控制过程如图 4 所示 3 3 2 位置控制 步进电机的位置控制是指要求电机从当前位置转过一个给定的步数 电机不丢步时这 一控制的实质 就是要求精确地发出定量的步进脉冲 例如 机器人再现 工作时收到起动信号后 要走到示教时给出的初始作业位置 就要用到位置控制 如果不带加 减速控制 位置控制是很容易实现的 将发给电机的脉冲 用一个计数通 道计数 到数后通知 CPU 停发脉冲就是了 但是这种不带加 减速的位置控制 除非速度特 别低 否则会在起停时造成机械冲击和失步 图 6 示出了带加减速控制的速度曲线 此曲线 跟 t 轴间包含的面积正比于电机走过的步数 S 显然 电机走的总步数 S 由三部份构 成 加速阶段电机走的步数 匀速阶段电机走的步数和减速阶段电机走的步数 若加速度和 减速度相等 则加速段和减速段走的步数相等 并记作 Sa 当给定初速 f 1 在图 3 5 中 f 1 0 和终速 f 2 以及加 减速时间确定后 Sa 就是确定值 可能出现三种情况 1 给定的电机步数 S 2Sa 这就是图 6 的情况 电机将出现匀速阶段 图 3 5 位置控制速度曲线 2 给定的电机步数 S 2Sa 则刚好加速完毕立即进入减速 参见图 3 6 图 3 6 无匀速阶段的位置控制 3 给定的电机步数 S 2 Sa 图 6 要找到电机走到 b 点的步数 S2 把 S2 置入步计数器 电 机经过加速 匀速 走完 S2 步时由步计数器通知 CPU 开始减速 2 S 2 Sa 图 7 把 1 2 S 置入计数器 在加减速控制过程中 T0 定时中 断服务程序中 同时检测该计数器的状态 一旦发现计数到 0 不等加速台阶走完立即结 束加速进入减速 并将 1 2 S 再次置入计数器 3 3 3 轨迹再现控制 对于连续轨迹示教机器人 执行机构的轨迹再现控制是关键技术之一 首先要找出轨 迹再现的数学模型 其次才能考虑如何实现 轨迹再现的数学模型及控制原理如图 6 所示 其中 S 以脉冲数计 设 t 为示教过程中任一采样周期 其空间位移增量为 S 再现这一 小段空间轨迹 意味着要求电机在 t 时间里走过 S 步 也就是在此时间内要发给步进电 机的指令脉冲频率为 fm s t fc ki 或 ki fc s t 根据 HJ 采用的硬件 t 本身也是基准频率用 Kt 分频得到的 即 t ki fc 由此可知 此时间段内要写入电机控制通道的分频系数为 ki kt s 这就是 HJ 中轨迹再现的步进电机控制数学模型 式中 S 是第 i 1 点跟第 i 点的 位移差分 若 S 0 则电机反转 若 S 0 则意味着该段时间内电机不转动 控制停 发步进脉冲 可以看出 在所采用的硬件条件下 轨迹控制的数学模型非常简洁 即使在 8 位机条件下也完全可实现实时运算 实时控制 运算所需时间不超过 2ms 远比采样周期 短 图 3 7 示教采样时的轨迹曲线 4 4 轴承使用的关键问题及解决方案轴承使用的关键问题及解决方案 4 14 1 腰部 腕部 大臂旋转处滑动轴承的选择腰部 腕部 大臂旋转处滑动轴承的选择 4 1 1 各类轴承的特点是选择轴承的基础 轴承在工作中所受载荷的大小 方向和性质是选择轴承的主要依据 A 根据载荷的大小选择轴承 1 载荷冲击大的选用滚子轴承 2 较轻或中等载荷时 选用球轴承 B 根据载荷方向 1 纯轴向载荷 较小载荷时 选推力球轴承 较大载荷时 选推力滚予轴承 2 纯径向载荷 较大载荷时选向心滚子轴承 一般载荷时 选向心球轴承 3 同时承受径向和轴向载荷 选角接触球轴承 以径向主时 选用圆锥滚于轴承 且一般成对使用 轴向载荷很大时 选组合轴承 C 根据载荷性质 冲击振动载荷 宜选用滚子轴承 强烈径向冲击载荷 选螺旋滚子轴承 D 根据轴的转速 高速时应优先选用球轴承 直径系列 宜选超轻 特轻 轻系列 速度较低时 应选用滚子轴承 低速重载 宜选重 特重系列 推力轴承只适用于低速 高速时 采用向心推力轴承 每种型号的轴承都规定了极限转速 它受温升限制 适当加大轴承径向间隙 采取冷却措施 E 调心性能要求 跨度大 刚度小的轴的支承 同心度差的轴承 F 安装拆卸要求 轴承座非剖分 或在长大轴上 采用 1 12 的圆锥孔内圈轴承 G 经济性要求 球轴承比滚子轴承价格低 取决精度等级 H 外型尺寸 4 1 2 轴承游隙的选择 滚动轴承的径向游隙系指一个套圈固定不动 而另一个套圈在垂直于轴承轴线方向 由一个极端位置移动到另一个极端位置的移动量 轴承游隙的选择正确与否 对机械运转 精度 轴承寿命 摩擦阻力 温升 振动与噪声等都有很大的影响 如对向心轴承游隙的 选择过小时 则会使承受负荷的滚动体个数增多 接触应力减小 运转较平稳 但是 摩 擦阻力会增大 温升也会提高 反之 则接触应力增大 振动大 而摩擦阻力减小 温升 低 因此 根据轴承使用条件 选择最合适的游隙值 具有十分重要的意义 选事实上轴 承游隙时 必须充分考虑下列几种主要因素 1 轴承与轴和外壳孔配合的松紧会导致轴承游隙值的变化 一般轴承安装后会使 游隙值缩小 2 轴承在机构运转过程中 由于轴与外壳的散热条件的不同 使内圈和外圈之间 产生温度差 从而会导致游隙值的缩小 3 由于轴与外壳材料因膨胀系数不同 会导致游隙值的缩小或增大 4 1 3 滑动轴承的选择 滑动轴承材料包括轴颈材料和轴瓦材料 轴颈材料通常就是轴的材料 比较简单 绝 大多数都是采用钢 用作滑动轴承轴瓦的材料品种繁多 有金属材料 粉末冶金材料和非 金属材料 动 静压轴承 不完全油膜轴承一般都采用金属材料 干摩擦轴承常用非金属 材料 水润滑轴承常用橡胶 用作轴瓦的金属材料有铸铁和锡基 铅基及铝基轴承合金 1 1 对滑动轴承轴瓦材料的要求 1 摩擦相容性 摩擦时轴瓦材料和轴颈材料不发生粘附的性能 影响摩擦副相容性的材料因素是 et 匹配材料在冶金上构成合金的难易程度 与润滑剂的亲和能力 无润滑时的摩擦因数 微观组织 热导率 表面能和氧化膜的特性 2 顺应性 轴瓦材料靠表层的弹塑性变形来补偿滑动表面初始配合不良的性能 材料弹性模量低 则顺应性好 3 嵌入性 轴瓦材料容许硬质颗粒嵌入而减轻刮伤或磨粒磨损的性能 对金属材料而言 硬度和 弹性模量低者嵌入性就好 非金属材料却不一定好 4 耐磨性 轴瓦材料抵抗磨损的能力 在规定的摩擦条件下 耐磨性可以用磨损率或磨损度的倒 数来表示 5 抗疲劳性 轴瓦材料在动载荷作用下抗疲劳破坏的性能 在使用温度下 材料的强度 冲击强度 硬度和组织的均匀性对抗疲劳性是十分重要的 磨合性 嵌入性好的材料 通常抗疲劳性 低 6 耐蚀性 轴瓦和轴颈材料抵抗介质腐蚀的性能 润滑油氧化产生的酸性物质 挤压添加剂等 都会腐蚀轴承材料 所以即使不在腐蚀环境中工作 也需要重视轴承材料的耐蚀性 7 磨合性 在磨合过程中减少轴颈或轴瓦圆柱度误差 同轴度误差 表面粗糙度 使接触均匀 从而降低摩擦力 磨损率的能力 8 耐气蚀性 材料抵抗气蚀的能力 通常铜铅合金 锡锑合金和铝锌硅系合金的耐气蚀性较好 1 2 滑动轴承的选择 数据要求 腰部转速 19n min 腕部转速 39n min 表 4 1 基本性能 许用 载荷 Pp MPa 需用 速度 Vp m s 1 pv p MPa m s 1 最 高 工 作 温 度 C 硬 度 HBS 摩 擦 相 容 性 顺 应 性 抗 疲 劳 度 耐 磨 性 一 般用途 10110200150 中劣优优 用 于润滑 条件不 良的轴 承 表 4 2 物理性能 抗拉强度 MPa 弹性模量 E GPa 密度 Kg m 3 热导率 W m C 1 线膨胀系数 10 6 C 1 150 68075 1207600 900027 7116 19 1 3 滑动轴承设计的步骤 图 4 1 4 2 4 2 轴承的保养与维修轴承的保养与维修 4 2 1 轴承润滑的目的 滚动轴承的润滑目的是减少轴承内部摩擦及摩损 防止烧粘 其润滑效用如下 1 减少摩擦及摩损 在构成轴承的套圈 滚动体及保持器的相互接触部分 防止金属接触 减少摩擦 磨 损 2 延长疲劳寿命 轴承的滚动疲劳寿命 在旋转中 滚动接触面润滑良好 则延长 相反地 油粘度低 润滑油膜厚度不好 则缩短 3 排出摩擦热 冷却 循环给油法等可以用油排出由摩擦发生的热 或由外部 传来的热 冷却 防止轴承过热 防止润滑油自身老化 4 其他 也有防止异物侵入轴承内部 或防止生锈 腐蚀之效果 4 2 3 滚动轴承润滑剂的选择原则 最好选用润滑脂润滑 如确实受各种条件的限制 则选用润滑油 如齿轮箱中的滚 动轴承等 所选的润滑剂应满足设备的工作要求和滚动轴承的润滑要求 依据滚动轴承 的工作条件和工况要求 选择最经济最合适的润滑剂 滚动轴承润滑油的选择 有很多滚动轴承是用润滑油来润滑的 用油润滑时润滑油的选择是至关重要的 如果 润滑油选择的不好 就很有可能经常引起轴承故障 但是可能会有些时候不能选用最适合 滚动轴承的润滑油 这时候就要根据轴承的工作条件 尽量选择能够满足轴承要求的润滑 油 另外也常常根据滚动轴承的滚动体不同将滚动轴承分为滚珠轴承 滚柱轴承和滚针轴承 三类 对于滚珠轴承我们尽量选择最合适的润滑油 对滚柱轴承我们就要选择比滚珠轴承的 润滑油高 1 3 个粘度等级的润滑油 对滚针轴承 润滑油的 马棚网选择基本同滚柱轴承 但要考虑滚针轴承是应用在什么部件中 4 2 4 轴承的检修 轴承的清洗 拆卸下轴承检修时 首先记录轴承的外观 确认润滑剂的残存量 取样 检查用的润滑剂之后 洗轴承 作为清洗剂 普通使用汽油 煤油 拆下来的轴承的清洗 分粗清洗和细清洗 分别放在容器中 先放上金属的网垫底 使轴承不直接接触容器的脏物 粗清洗时 如果使轴承带着脏物旋转 会损伤轴承的滚动 面 应该加以注意 在粗清洗油中 使用刷子清除去润滑脂 粘着物 大致干净后 转入 精洗 精洗 是将轴承在清洗油中一边旋转 一边仔细的清洗 另外 清洗油也要经常保持 清洁 轴承的检修和判断 为了判断拆卸下来的轴承是否可以使用 要在轴承洗干净后检查 检查滚道面 滚动面 配合面的状态 保持架的磨损情况 轴承游隙的增加及有无关尺寸 精度下降的损伤 异常 非分离型小型球轴承 则用一只手将内圈支持水平 旋转外圈确 认是否流畅 圆锥滚子轴承等分离形轴承 可以对滚动体 外圈的滚道面分别检查大型轴承因不能 用手旋转 注意检查滚动体 滚道面 保持架 挡边面等外观 轴承的重要性愈高愈须慎 重检查 使用上的注意事项 滚动轴承是精密部件 其使用也须相应地慎重进行 无论使用多么高性能的轴承 如 果使用不当 则不会得到预期的高性能 有关轴承的使用注意事项如下 1 保持轴承及其周围清洁 即使是眼睛看不到的小尘埃 也会给轴承带来坏影响 所以 要保持周围清洁 使尘 埃不致侵入轴承 2 小心谨慎地使用 在使用中给与轴承强烈冲击 会产生伤痕及压痕 成为事故的原因 严重的情况下 会裂缝 断裂 所以必须注意 3 使用恰当的操作工具 避免以现有的工具代替 必须使用恰当的工具 4 要注意轴承的锈蚀 操作轴承时 手上的汗会成为生锈的原因 要注意用干净的手操作 最好尽量带上手 套 5 5 焊接机械手其他部分研究焊接机械手其他部分研究 5 1 5 1 焊接机械手的发展焊接机械手的发展 目前应用广泛的焊接机器人大多属于示教再现型机器人 操作者通过示教盒在直角坐标系 和极坐标系中移动机器人各关节 使焊矩沿焊接轨迹运动 在焊矩路径上记录示教的位置 焊矩姿态 运动参数和工艺参数 并生成一个连续执行全部操作的示教程序 此类机器人 不适合在太空 深海 放射性环境等特殊环境下自主作业 不具备对工件装配误差 焊接 过程中的热变形等环境和对工作对象变化自适应能力 新一代的具有视觉传感功能的 能 够自动制订运动轨迹 焊矩姿态和焊矩参数的智能机器人成为未来的发展方向 焊缝空间位置的检测与焊矩姿态的规划是影响机器人全位置自动焊接质量的重要因素 在研制开发成功的焊矩位置和焊矩姿态自动识别调整系统中 利用分形理论有效地排除了 飞溅 锈斑等因素的干扰 结合数学物理模型 较经典的边缘检测算法在速度和精度上都 有了很大的提高 实现了对任意焊缝的三维空间描述 同时 借助于大量实验得出不同焊 矩姿态对应的焊接规范数据库 使得机器人在任意空间位置焊接时 保持最优的焊矩姿态 及焊矩规范参数 保证全位置焊接中焊缝成形的稳定 美观 如图 5 1 对于诸如马鞍型焊缝 如图 5 2 的复杂工件的机器人焊接 焊缝形状 焊接位置和 各示教点的过渡情况对焊接质量有很大的影响 必须保证运动轨迹 焊枪姿态和各点焊接 参数的合理匹配 传统的在线示教编程和机器人语言编程技术以无法很好的满足实际需要 因而离线编程技术的研究对弧焊机器人的推广应用具有更重要的意义 所谓的机器人离线 编程就是通过建立机器人及其环境物的几何模型 以机器人编程语言描述机器人任务 通 过推理获取机器人作业所需的各种参数 然后对编程的结果