五自由度焊接机械手的结构设计

目录摘要2Abstract3第一章 焊接机械手发展现状及其未来发展展望41.1焊接机械手国内外发展现状41.2焊接机械手机未来发展展望7第二章 本次设计的研究手段及其方案设定82.1本次毕业设计的设计方法82.2 机械手坐标形式及其选择112.3五自由度焊接机械手总体方案设计10第三章 五自由度焊接机械手机构设计103.1五自由度焊接机械手底座部分结构的设计113.2五自由度焊接机械手一级回转臂部分结构的设计113.3五自由度焊接机械手二级回转臂部分结构的设计113.4五自由度焊接机械手机械臂部分结构的设计113.5五自由度焊接机械手焊接部分结构的设计11第四章 五自由度焊接机械手机械手部分零部件设计与计算114.1电机的选择114.1.1电机的选型规则114.1.2驱动电机的选型114.2传动轴的设计与校核154.2.1轴类零件的设计原则114.2.2传动轴的设计与校核114.3传动齿轮的设计与校核154.4轴承的选型计算与校核204.4.1轴承选型的选型原则204.4.2轴承寿命的验算20总结31参考文献32致谢33摘要现代工业不断完善，自动化水平不断提高，机械手的出现日益频繁。近来，汽车等行业发展迅速，汽车主要由焊接金属板组成。在某些工位人工焊接效率非常差，焊接效率也非常低，在此期间，焊接机器手也应运而生，由于焊接工位比较特殊，有些焊接材质对人体的伤害比较大，因此，焊接机械手将会解决这一难题。焊接机械手不仅能够提高焊接的效率，还能够降低企业成本，给企业带来更高的利益。 本毕业设计就是设计一台五自由度焊接机械手的结构设计，通过网上资料的查阅，该设计包括了底座部分的设计，支臂部分的设计，和焊接部分的设计等，再经过计算和选出合理型号的标件，使其满足使用要求，能够投入生产。关键词：焊接 五自由度 机械手AbstractWith the improvement of the modern industry unceasingly, more and more is also high degree of automation, the emergence of the manipulator is becoming more and more frequent, the emergence of the manipulator were greatly diminished enterprise manpower shortages, replace people to do heavy and repeatable action, improve the production efficiency for the enterprise. Is developing rapidly due to the recent, automobile and other industries, the car is primarily welding sheet metal parts and components, in some location manual welding efficiency is very poor, the welding efficiency is very low, in the meantime, the welding robot also arises at the historic moment, because welding station is special, some welding material is larger, the harm of human body, therefore, the welding manipulator will solve this problem. Welding manipulator can not only improve the efficiency of welding, but also reduce the enterprise cost and bring higher benefits to the enterprise.This graduation design is to design a 5-dof welding manipulator structure design, through online data access, the design includes the base part of the design, the design of the arm part, and the design of the welding parts, etc., to calculate and choose the reasonable types of standard parts and satisfy the use requirement, can put into production.Key words: welding five degrees of freedom manipulator.第一章 焊接机械手发展现状及其未来发展展望1.1焊接机械手国内外发展现状机械手也可以执行特定的动作一样,人类的手臂飞,焊接等复杂的执行上,重复的任务。中国是一个发展中国家。部分中小企业很多的国家是小型和非流动性的。他们在焊接领域的工作主要是手动完成的。在这种情况下，工作时间将延长，从而降低了工作效率。焊接行业是一个特殊的行业。人体经过一定程度的损害。汽车的发展越来越快。现有的焊接方法不适合高速开发。在这种情况下，焊接机器人诞生了。焊接机器人的诞生让自动化行业成为现实,并得到了广泛的应用。在汽车工业,如焊接、安全的企业大大降低,保证人民的安全。工业操纵器的发展有三个主要的过程，大致分为三代。第一代机械手现在在市场上。这些机械手这种结构相对简单。主要是底部和手。它由一个控制系统和一个驱动系统组成。这个机器人更容易编程。通过示教并存储信息，当机械手识别并读取运动信息时，执行单元通常向机械手发送消息，得到指定的动作。第二代机械手是感应机械手。第一代机器。他有几种触觉和视觉情感和更复杂的控制方法。机械手的使用是20世纪90年代。不久的将来，这个爪式机械手受到人们的欢迎。除了第一代和第二代的共同特征之外，第三代工业机械手还基于所读取的命令来确定周围环境和自己的理解。被公认的对象是机械手，能够进行与物体的识别相应的动作，能够根据物体的变化进行适当的变化，能够非常适应。在我们国的焊接机械手，它应用于工程机械。铁路、摩托车、汽车等几个行业。汽车是焊接机械手的主要运用的地方，汽车是有很多五金件焊接而成的，其结构比较复杂，有一些焊接的地方靠人工是不能够完成的，即使靠人工完成，其焊接效率非常差。在20世纪70年代末的中国，由上海电动工具研究所和上海电动纺纱机械厂联合开发的焊接机械手型是笛卡尔坐标型，并成功焊接到汽车底盘上。第一家在中国引进焊接机的公司是中国一汽。在上个世纪80年代，一汽就从国外的KUKA公司购买了三台点焊式焊接机械手，该机械手还应用于车体和红旗车体的焊接。1986年，两个焊接机械手焊接汽车仪表板。1988年，中国开发了焊接机械手的自动焊接线。实现了自动焊接。中国在20世纪90年代初，建立了大众汽车、德国在合资公司生产的汽车。我们的感觉到目前为止的海外焊接和焊接水平的差是显著的水平。从那以后，中国两家公司在海外引进的焊接机械手用于后续卡车工程。20世纪90年代，在中国海外引进的生产技术和设备。加工设备取得了前所未有的中国汽车技术的发展，汽车的生产规模正在扩大。在中国的海外大量引进了焊接机械手。这是中国的机械基础设施。该行业是新能源开发的需要,例如高速和焊接机器人。至此,焊接机器人的发展达到了前所未有的水平。其发展倾向也在扩大。在没有统计数据的情况下,焊接机械手主要用于汽车零部件的生产,占大约75%,焊接机械手的点焊机与弧焊机的比例为32,许多行业都集中在现场焊接机上。21世纪初以来,随着国内汽车工业的发展和外国汽车企业的进入,在汽车工业焊接机械手的数量急剧增加。从2003年到2003年,每年都有成千上万的增长率上升。人口约50000辆,中国焊接机械手与自动化程度的提高,增加了焊接机械手的数量。图1-1为国内某生产的点焊式机械手图1-1在20世纪40年代的时候，美国开始在国外开发了焊接机械手。在这种情况下，设计者只能操作一个远程焊接机械手。焊接机械手的自动化程度较低，但在1950年代，焊接机器人得到了广泛的应用。此时，焊接机器人由计算机逻辑和继电器逻辑控制。您可以使用输入程序来执行一系列操作。最初的工业焊接机械手在20世纪60年代正式发表。欧美其他国家的生产和技术的进步带来了快速发展的需求。20世纪70年代，焊接机械手进一步发展它是典型的制造业，是时尚、商业上的产品。国外的焊接机械手的类型主要分为日系和欧系，日本的焊接机械手主要包括安川，松下，川崎和法兰绒。欧洲的焊接机械手主要包括德国的KUKA和意大利的COMAU。瑞典的ABB和奥地利的IGM, 其国外的焊接机械手的性能普遍高于国产的那焊接机械手。1.2焊接机械手机未来发展展望中国正面临着工业快速发展的时代。工业焊接机器人已广泛应用于许多领域，在欧洲和美国等发达国家也有一些落后的。为此，笔者在焊接机械手的将来发展中，收集的尖端人才正常。提高了焊接机械手的设计和开发能力。国家应为工业焊接机械手和必要的政策提供一定的经济支持。创建新的上下文同步产品和设备。3.您自己的机械手与海外机械手之间的差异并不大，请排除海外焊接机械手。 通过未来国内外焊接机械手的研究，继续发展和完善工业焊接机械手，继续自主创新。人们是焊接机械手，更智能。焊接机械手的研究和开发，随着焊接机械手的普遍的发展，有与国内的经济条件相结合的倾向，在工业中占有很大比重。使公司的发展是有利的。第二章 本次设计的研究手段及其方案设定2.1本次毕业设计的设计方法（1）使用商用5自由度焊接机械手的物理访问,掌握整个操作过程,理解基本原则,详细记录过程和拍照。（2）是焊接相关5个自由度的焊接机械手和类型的材料,掌握外国的5自由度焊接机械手的发展历史,掌握未来趋势和最新状况的5自由度焊接机械手。在设计过程中了解5个自由度焊接机械手的选择部分，详细介绍了典型的中国5自由度焊接机械手结构的细节。（3）目前已有的设计数据和设计数据表明，现在可以自由使用焊接机械手的参数。他们的设计过程，为其设计参考，选择了这个毕业设计。（4）根据我国现有设计的设计数据，找出了目前使用的5自由度焊接机械手的参数，并参考了各设计过程中各参考设计的比例。（5）检查设计模型，以确定设计合理、选定零件和结构是否最大化。（6）如果遇到无法解决的问题，请向老师寻求帮助。2.2 机械手坐标形式及其选择很多种类的机械手都是市售的。根据机械手手臂的坐标，大致分为4种构造形式、接头类型、类型的圆柱坐标系和正交坐标、球面坐标。以下，对4个坐标方程式进行简单说明，进行了分析。具有与第一关节机械手的机械手相同形状的机械手能够实现机械手的协作和自由。它的运动适合敏感和狭小的空间工作。这种机械手通常是一个地方，一个肘部，一个类似的机械手驾驶员的功能，一个强大而很好的前景。第二圆柱坐标机械手是市场上最广泛使用的机械手。结构简单，可测量工件和少量的运动空间。加工范围宽。适合企业的生产。第3种是具有X、Y和Z轴的正交坐标机械手，第3种适用于配管上的XYZ轴上移动或移动机械手。四坏球上垒面坐标机械手可以继续向XYZ方向移动，具有更大的自由度，在实际生产中得到了广泛的应用。通常，包括相对于旋转运动的两个旋转运动。或者，将两个旋转运动应用于线性运动。2.3五自由度焊接机械手总体方案设计使用互联网和数据，将坐标模式作为5自由度的焊接机械手的联合使用。下图显示了焊接机械手具有五个自由度的接头设计，如图2-1所示。图2-1本设计的设计原则是五自由度机械手焊接，五伺服电机控制五自由度，底部旋转连接装置和伺服电机。一种齿轮旋转装置、一旋转环形齿轮、一啮合齿环齿轮、一用于旋转整个机械手的旋转装置以及一旋转装置。伺服电机2用于控制第一级旋转臂的旋转运动，伺服电动机与传动轴连接,传动轴通过扁键与主旋转臂连接。使得具有整个腰部的结构通过伺服电机2的旋转而旋转。二级回转臂和焊接臂的旋转的方式和一级回转臂的旋转方式一样。伺服电机5则控制焊枪部分的旋转，焊枪与焊接臂通过法兰连接，法兰与伺服电机5刚性连接，然后伺服电机5旋转着带动整个焊枪做360度回转运动。第三章 五自由度焊接机械手机构设计3.1五自由度焊接机械手底座部分结构的设计基部的设计主要包括底座，驱动电机，齿轮，齿圈等。基体为铸铁，铸铁组织相对稳定。基本上所有的机床都是用铸铁制造的。基本的3D模型如图3-1所示。 图3-1使齿轮传动齿轮旋转,齿轮的啮合精度较高,且适应于机械手的旋转运动。在有限的结构条件下,空间小,由旋转方式选择环形齿轮,通过平键伺服电机和齿轮在不同转速下输出。密切相关的基础环、外环齿轮和齿轮啮合。因此,电动机的旋转驱动整个机器的旋转。底部的设计可以旋转360度，旋转周期为3秒。图3-2是齿轮设计的三维模型图。图3-2齿圈的设计三维模型如图3-3：图3-33.2五自由度焊接机械手一级回转臂部部分结构的设计主旋转臂I设计成将伺服电动机2安装在与基座螺纹连接的支架上。伺服电动机2通过键连接到驱动轴。驱动轴通过支撑体连接到支撑体。伺服电机的主旋转臂连接。伺服电机的旋转使整个旋转臂和上述部件旋转。设计旋转角度为120度，整个旋转周期为2秒。与旋转臂是由相同的作为基础材料,HT200铸铁制成的。图3 - 4支持3 d模型图3-4图3-5是主旋转臂的3D模型。图3-5图3 - 6是轴的三维模型。图3-63.3五自由度焊接机械手二级回转臂部分结构的设计手臂结构的设计和原始独乐的手臂的结构相同。旋转的手臂,ht200材料制成,所以在这里进行说明。图3-7二级回转臂的三维模型：图3-73.4五自由度焊接机械手机械臂部分结构的设计焊接臂和伺服驱动器主要是钢板焊接。焊接臂45钢材料，通过伺服电机和轴键连接，轴与外部连接插座连接。焊接臂可旋转连接，然后带来安全伺服电动机驱动整个焊接臂的旋转。设计焊接臂的旋转角度旋转180度，一个循环所需的时间为3秒。图3-8是焊接臂的3D模型的示意图。图3-83.5五自由度焊接机械手焊接部分结构的设计焊缝设计结构简单、伺服电机和驱动轴连接,轴和法兰连接,固定在驱动轴的两端,法兰连接焊接结构的一部分,焊枪是不同的。不同类型的割炬兼容不同的模型和兼容。图3-9显示了连接法兰的三维模型图。图3-9焊枪部分的3D结构示意图。完整的3D结构示意图第四章 五自由度焊接机械手机械手部分零部件设计与计算4.1电机的选择4.1.1电机的选型规则要选择好的发动机，并且对应于样品的核心部分。与人的心脏相比，它是我们的驱动系统，是必须参考是否适合选择电机的目标。根据负荷的大小和结构操作特性，可以预先确定并选择适合于电动机的操作，能够满足强度和速度。从发动机安装位置确定的环境条件不同,执行相应的保护和冷却和冷却方法。最大限度地提高电力环境。要正确选择电动机型号，您必须选择适当的电动机容量。因为马达通常不是100的额定值，所以效率最高。电动机效率最高。用于计算进程。合理选择马达容量会直接影响整个马达的寿命。选择可靠的电机，然后选择电机，可以更好去维护只要有可能,考虑到可交换性运动,我们必须去使用非常标准的发动机。为了提高系统的效率，必须充分考虑电压水平和对数。2、我们在选用电机的步骤为以下几点：根据机械性能的要求选择电机的类型。根据电压稳定时,合理使用额定电压电动机。根据所需合理选择电机输出速度。根据电动机的频繁使用,选择电动机的安装位置是很重要的,保护措施和保护结构。根据电机安装位置的选择、使用及常用电机、保护措施及保护结构。3、选择电动机时有关电气性能和机械性能分类 必须考虑机械部件的分类。因此，必须选择图3-1中选定的电动机。4.1.2驱动电机的选型在任何情况下，当机械马达旋转时，在不同速度下必须有不同的速度。在这种情况下，选择类型选择作为伺服电机驱动电机。这里的设计可以旋转360掳,直径550毫米,往返时间t = 3 s的设计。计算在基本外径的线速度下消耗的最大功率，并将一次旋转的距离设置为s： S=*d=3.14*0.55=1.727m 它的平均速度为 V=S/t=1.727m/3s=0.58m/s焊接机械手的顶部的重量为约T100kg，顶部重量为F。 F=T*g=100*9.8=980N在此，在移动中进行均匀的动作，装置整体所消耗的电力被设定为P。则P=F*V=980N*0.58 m/s=568.4W=0.568KW焊接机械手的旋转台围绕其旋转轴旋转，旋转360，最大旋转速度为 s=180s,ns=20rmin。旋转重心距离最大旋转轴线100mm，有效重量为100kg。 T=100gL=10100100=100000Nmm伺服电机通过两对深槽滚珠轴承基座和电机扭矩通过中心轴旋转。T电机=Ti=轴承2齿轮齿圈此处轴承=0.98，齿轮齿圈=0.95，i齿轮齿圈=3.5T电机=T轴承2齿轮齿圈i齿轮齿圈=1000.9820.953.5=31.3Nm驱动电动机伺服电机的选择。为了保证足够的驱动力矩,选择转矩电机需要的扭矩的1.2倍。TCS1.2T=1.231.3=37.56Nm通过以上的计算，选择了便服电动机的使用。电动机模型如下所示：ECM A-C2-06-15-E-S 由扭矩计算公式： T1=9550*Pn由于伺服马达的输出速度不同，所以电力也不同，因此随着速度的降低或数据的利用性的提高，伺服马达的输出也变小。伺服电动机转速为70r/min,额定输出约为0.4kW。T1=9550*Pn =9550*0.470 =54.57Nm37.56Nm单级臂驱动和两级臂驱动伺服电动机的类型如下。ECM A-C2-06-10-E-S伺服电动机的额定值：1.5Kw伺服电动机的额定转速是：2500r/min焊接臂驱动伺服电机的型式如下：ECM A-C2-06-07-E-S伺服电动机的额定值：1.0Kw伺服电动机的额定转速是：2500r/min焊炬的旋转部分的我伺服电动机的型式是：ECM A-C2-04-05-E-S伺服电动机的额定值：0.5Kw伺服电动机的额定转速是：2500r/min安川伺服电机的实物影像图4-1所示：图4-14.2传动轴的设计与校核4.2.1轴类零件的设计原则 轴设计主要包括构建合理的形状、长度和直径的轴部分。轴设计应考虑以下因素：1要确定轴的结构是否装配在轴零件和轴端的位置，请检查轴组件装配所需的零件。2指定如何指定轴的一部分。轴和轴组件的位置根据实际使用的任务产生各种各样的选项。轴向定位通常包括扁平，花键或过盈配合连接等。3轴的结构一般来说是基于初始轴线的尺寸而设计的。轴的形状通常被设计为阶梯轴，以在轴上设置部件。4指定每个轴的长度值。主要部件的孔长，位置要求，轴承振幅和轴承盖厚度等因素。5指定轴的结构细节。选择倒角尺寸，例如过渡半径，并减小底部的尺寸，螺杆轴端的键槽位置的大小和深度。6为了确定加工精度，尺寸公差和几何公差，表面粗糙度和轴对准水平，轴的精度水平将取决于可行性和与加工要求的一致性。轴级精度取决于合规性要求和加工要求的可行性。轴的精度越高，成本越高。通常，轴类设备在使用精度等级上约为IT5 IT7级精度。沿轴需根据需要选择适当的几何公差。4.2.2传动轴的设计与校核在分层设计中，传动轴采用45钢，测量材料的容许应力。Tau参数p及其值如表3-9所示。表1几种常用轴材料的p及A值由于传动轴由45钢制成，而传动轴是实心轴，所以用光计算公式如下: d=17.23TP=A3Pn其中T代表扭矩其中c为常数（c=97-112）取c=126传动轴的扭矩为：T =9550*P/n =9550*0.4/20 =191N*Md=C3Pn=12630.420d34.2平键轴,直径50毫米轴是合理的。根据轴类校核公式：d=17.23TP=A3Pn d=17.23Tp可得：p=T（d17.2）3 代入上式可得： p=191（5017.2）3=7.78由表1可知，p=7.7825，该传动轴径大小选型合理。4.3传动齿轮的设计与校核这里，齿轮的材料为40Cr，齿面硬度为217，相应的疲劳强度为平均值，Hlim为1300MPa，FE1= 350MPa（研究材料），大齿轮为40Cr回火，牙齿表面硬度为197-286HSB.Hlim2 = 400MPa，FE2 = 550MPa（研究材料）。由(查教材)，取SH=1.25，SF=1，则 H1=Hlim1/SH=240 Mpa H2=Hlim2/SH=320 Mpa F1=FE1/SF=350 Mpa F2=FE2/SF=550 Mpa根弯曲疲劳强度设计齿轮的加工精度达到9级。负荷系数：5（教科书检查）、齿宽系数D=0508（教科书检查）、主轴转矩由扭矩公式： T=9550*Pn已知p=0.2KW,n=30r/minT=9550*0.420 =191N.M取ZE=118.9Mpa(查教材)，u=i=2.55Mn32*K*Tm*YFa2*Ysa2*cos2d*Z12*Fa2在此，大齿轮的转速低，存在内齿轮。YFa2, Ysa2, Fa2查表可得：；k=1.5 d=0.8 ZH =2.43 H=560 Mpa，cos=1带入公式：Mn32*1.5*191.1*1000*2.24*1.76*10.8*202*350Mn2.72考虑到强度，小齿轮不是简单的，而是选择标尺模块。Mn=3根据弯曲强度校核公式：F1 =2*K*T1*YFa*YSad*m3*Z12F带入已知参数：F1 =2*1.5*191*1000*2.82*1.560.8*33*202=291.75Ma350MPa类似地，可以计算齿圈以满足设计要求。该配对齿轮的几何参数的设计：已知Z1 = 20。Z2 = 70，尖端高度系数ha * = 1，顶部系数c * = 0.25，模数m = 3，Z1齿厚T = 40，Z2 = 50分度圆直径d d1=mz1=3*20=60 d2=mz2=3*70=210齿顶高ha ha= ha*m ha1= ha2= ha*1*m =1*3=3齿根高hf hf=（ha*+ c*）*m hf1= hf2=（ha*+ c*）*m =(1+0.25)*3=3.75齿高h h=ha+hf h1= h2=ha1+hf1 =3+3.75=6.75齿顶圆直径da da1= d1+2ha1 =60+3*2=66da2= d2-2ha2 =210-3*2=206齿根圆直径df df1= d1- 2hf =60-23.75 =52.5df2= d2+ 2hf =210+7.5=217.5中心距a a=(210-60)/2 =150/2=754.4轴承的选型计算与校核4.4.1轴承选型的选型原则1. 根据负载条件和条件选择合适的轴承类型，并执行一系列验证以计算轴承寿命。2. 根据负载条件和条件选择合适的轴承类型，并执行一系列验证以计算轴承寿命。 3. 计算所选模型轴承的额定载荷和极限速度。轴承的主要原因是轮辋速度，极限承载能力和总寿命。这些参数对于确定轴承模型具有重要的参考价值。不同类型的轧制轴承可具有不同的特性，并且可用于不同的环境中。选择性轴承、推力轴承、角接触轴承和其它推力轴承通常用于轴向载荷。在许多情况下，滚珠轴承必须考虑用于高速应用。滚子轴承通常选择较重的径向载荷。简而言之，现场工程师需要从各种制造商和许多轴承产品中选择合适类型的轴承。在机舱和安装位置，轴承取决于轴的尺寸，4.4.2轴承寿命的验算 在高速轴承(n 10或更少的r / min),根据基本额定载荷的计算,选择合适的轴承。根据我们的设计要求,气体静态负载评级可以修改和判断,检查轴承的可靠性是90%轴承材料的每一种材料是正常的。当操作在正常情况下,它通常是用作标准额定寿命。考虑,如温度、振动、冲击、温度、振动和冲击,考虑10000小时。这些变化。以下公式可用于轴承额定载荷的基本运动。 C=fhfmfdfnfTPCr(或Ca）资料得到以下参数： P=XFt+YF我们知道的生活10000 h的轴承,传动臂上方约800 n,轴承的重量只是径向力，我们忽略了轴向力的结果。P=1*800=800N 如果两个6010-轴承承受了力，则每个载荷如下所示： fh =2.71 参照表4-1表4-1 n=70r/min,fn =0.781 参照表3-5表3-5 我们取fm =1.5fd =1.2 参照表4-2表