点焊机专用机械手设计

绪论1.1研究背景随着工业自动化和智能制造的快速发展，随着工业自动化和智能制造的快速发展，机械手已成为现代制造业的重要组成部分。机械手被广泛应用于工业生产中。点焊时，焊接速度越快，质量越好。手工焊难以保证速度及焊接质量。设计专门的搬运机械手，可以提高生产线自动化水平，保证焊接质量，减少人为因素对手动焊焊缝质量的影响，成为重要课题。搬运机械手可精准抓取、移动和定位工件，提升生产效率和自动化水平。近年来，国内外焊接搬运机械手技术取得了显著进展，为相关领域的发展提供了有力支持。点焊搬运机械手，国外大多应用于发达国家的高级制造厂家，比如美国、日本、德国等，它们均使用高载荷的精密机械手来满足其高载重和灵活作业的要求。我国的点焊搬运机械手开始逐步应用到生产线上，需求不断增加，但总体水平仍然与世界先进水平有一定的差距。早前劳淞等人设计了一款最大载重1.5t，跨度36m的桁架式机械手，经过有限元分析软件分析验证了其刚度和强度足够，大大提高大工件搬运的效率REF_Ref30273\r\h[1]。我国目前用于焊接的机械手大多为中小企业使用，技术水平仍与国际先进水平有一定的距离。分辨率、精度、复杂作业仍是我国机械手行业的瓶颈。詹俊勇、王军领等人基于需求适应性快速更换，从而提高焊接机械手的生产效率及稳定性，为复杂焊接需求提供了思路REF_Ref31877\r\h[2]。焊接机械手不仅是机械结构的改进，也是电气控制系统的优化，以达到更好应用。高心澜，陈传志等人采用自适应粒子群优化算法，提高焊接机械手的跟踪精度，使得焊接机械手焊缝的移动顺畅，适用于各种复杂工况REF_Ref32066\r\h[3]。企业在转型升级过程中，成本和收益的匹配也是一个问题。张静等人提出，通过优化直角坐标系焊接机械手，降低成本，提高柔性，以适应小批量生产。总之，点焊机用机械手满足了需求，也促进了升级，智能制造，自动化焊接REF_Ref1221\r\h[4]。1.2国内外研究现状机械手是工业机器人的主要执行机构，对于提高制造业的自动化程度具有重要价值，因此国内外科研院所针对机械手的结构设计进行了一定的研究，以下将从国外和国内两个方面进行文献的查阅、分析和凝练。1.2.1国内研究现状中国制造2025的核心是创新驱动发展，主线是工业化和信息化两化融合，主攻方向是智能制造，最终实现制造业数字化网络化智能化，而主攻方向是实现制造业智能制造REF_Ref3853\r\h[5]。其中，国内部分高校和科研机构在点焊机的关键技术研发方面取得了显著成果。哈尔滨工业大学和奇瑞汽车有限股份公司联合开发的“QH-165点焊机器人”如图1-1，突破了高速、大负载工业机器人的机械系统优化设计以及高速大负载运动平稳性控制等技术难点REF_Ref3915\r\h[6]。图1-1QH165点焊机器人袁杏、仇一卿等人为解决航天钛合金零件的焊接要求，设计了自动化电阻点焊系统，为避免焊时工件移位，设计了固定工装，焊时工件不会移位，保证焊接位置的准确；在焊钳上设计了可调焊嘴，根据工件尺寸调节焊嘴的位置，增强焊接设备对产品的适应性。通过仿真分析焊点位置，焊时根据焊点位置进行微调，保证焊点位置的正确；对试片焊缝进行了成形观测和性能测试，证明该焊接工艺可行，完成了焊接任务REF_Ref18451\r\h[7]。李蕊，李云革等在探讨基于深度学习的智能焊接机器人的关键技术研究.对深度学习在焊接中的应用、智能焊接技术的发展趋势、机器视觉在焊接过程中的应用以及传统焊接质量控制方法等方面进行了简单介绍和探讨REF_Ref23157\r\h[8]。在此基础上，保秦臻在研究中指出，保秦臻:工业机器人焊接是目前工业机器人应用的主要方向，工业机器人焊接具有高效、自动化程度高的优点.但是焊接质量受到诸多因素的影响.文章总结了工业机器人焊接影响因素，并对此提出了一些改进措施.分析了未来工业机器人焊接的发展趋势，认为工业机器人焊接应该朝着进一步提高焊接稳定性和智能化方向发展REF_Ref23624\r\h[9]。王力、乔凤斌等研究了搅拌摩擦点焊机器人无纸化制造控制平台。提出了一个用于单台搅拌摩擦点焊机器人的加工控制方法，基于面向服务的网络控制架构，实现了对搅拌摩擦点焊机器人远程集中控制和实时监控，方便了焊接过程的程序编写和控制程序，进一步提高系统的灵活性和易用性REF_Ref24098\r\h[10]。周益锋对用于冲床的上下料机械手进行了结构设计，重点完成了驱动系统和传动系统的总体方案规划，并对机械手的臂部、腕部和腰部结构进行了详细设计,还设计了对应的控制系统与伺服电气系统,该机械手设计方案满足预期的使用要求REF_Ref24372\r\h[11]。1.2.2国外研究现状国外众多学者对机械手的结构进行了大量的探索，根据需求不断对机械手进行创新，重点对机械手的灵活性以及承载能力进行了探索，另一些对传动系统以及驱动方式的研究，对机械手的运行效率以及定位准确性提供合理的保障，为机械手在自动化工业生产以及服务机器人领域应用奠定良好的基础。德国库卡（KUKA）焊接机器人被广泛应用于汽车、航空等高端领域如图1-1所示，通过电流控制内核，搭配监看系统，及时监控焊接情况，从而获得焊接参数，提高焊接点的一致性及整体质量REF_Ref32588\r\h[12]。图1-1KUKA机械手美国林肯电气（LincolnElectric）在焊接电极的导电性和耐磨性改进方面取得了显著进展，极大地延长了设备的使用寿命并降低了维护成本。此外，许多发达国家已经将人工智能技术与点焊设备相结合，通过深度学习算法优化焊接参数，为工业生产提供更高的效率和更低的能耗REF_Ref32670\r\h[13]。大型液压机械臂(LHMs)在建筑领域应用广泛,但传统的现场人机界面由于复杂障碍物和机器约束带来的危险,在效率、安全性和易用性等方面存在性能问题。在这项研究中,引入了一个统一的约束速度多面体(CVP)来表示复杂的约束信息,以遵守机器的限制并避免与障碍物发生碰撞。建立了机器和周围障碍物的模型,实时计算具有安全裕度的CVPREF_Ref32742\r\h[14]。现有的龙门式船舶焊接机器人机构大多是串联机构，存在末端运动惯性大、关节误差累积等问题。设计了一种混合结构的船舶焊接机器人。平台控制机构和回转机构采用平面并联机构的形式,可有效提高执行机构的刚度和误差补偿能力。焊枪调节机构采用串联结构，保持了灵活的输出能力。结合闭环矢量法、复矢量法和D-H四参数法建立了焊接驱动器的运动学模型REF_Ref19\r\h[15]。节能减排和减轻环境负担是提升可持续制造绩效的必要条件,不仅要实现工厂能耗的可视化,还必须建立一种机制,将车间生产过程中的生产和实测的能源相关信息反馈到计划和调度决策中,以提高生产执行过程中的能源效率,重点研究物料搬运机械手的任务调度,它产生一个作业序列,以及机械手的任务调度对整个制造系统的能效和生产率的影响REF_Ref65\r\h[16]。1.3点焊机的应用与发展趋势点焊机是电阻焊中利用电极同时加压和通电，使两个工件接触面电阻加热熔化后再凝固形成永久焊接的一种方法，由加热、加压和冷却三个阶段组成。点焊机被广泛运用到汽车、家电、电子、航空航天等领域。随着全球制造业的智能化，点焊机向着高效、智能、节能、小型化方向发展。中频点焊机可瞬间输出最高20000a的电流，通过plc控制电流、时间和压力，生产焊点规律、质量有保证。点焊机通过融合闭环反馈系统、物联网、人工智能，可进行自主参数修正、路径规划，实现焊点质量把控和优化。一台自动点焊机一分钟可焊接数百个焊点，合格率可达99.8%以上。微型点焊设备实现焊点精度达到±0.01mm。趋势在于：模块化、多轴联动、视觉监测、绿色制造，点焊机可匹配多样生产、绿色生产需要，助力工业升级。当点焊机实现自动化点焊并且与点焊机专用机械手相结合，就可以实现完全自动化。

1.4主要研究内容本项目通过对国内外机械手的研究，对点焊机专用机械手的工作机理进行了系统的研究，掌握了机械手的运动特征和基本工作机理。通过对操作过程中机械手的运动需求进行分析，确定了机械手的结构构成。在此基础上，对机器人的传动机构、执行器和传动装置进行了详细的分析，并对各个部件进行了结构设计和参数计算。针对高效、高精度的搬运需求，来满足辅助点焊机工件的搬运，并实现多工位、高速率的焊接操作。在此基础上，要不断提高机械手的性能，研究其驱动方式和控制方式，以及其plc自动控制系统。参考金东琦等人在《基于s7-1200控制的液压焊接夹具控制系统设计》一文所设计的控制系统REF_Ref9830\r\h[17]，选择西门子s7-1200plc进行控制，具有计算速度快，易于扩展的特点，能够与多种通信协议兼容，能与伺服驱动器、传感器、人机界面（HMI）轻松连接，满足点焊机械手对速度和多轴联动控制的要求。

2点焊机专用机械手总体设计此章节是关于点焊机机械手的结构设计，机械手的基本工作内容是将物料从一个工位输送到另一个工位，将点焊前的工件准确的对接，然后快速的搬运到废料盒中，因此在设计机械手结构时需要考虑到机械手的运动原理，所进行的加工工艺，还有机械结构设计的一般规律，使设计的结构在满足运动要求的基础上，具有良好的可加工性，运动稳定性2.1点焊机专用机械手的性能指标要求机械手搬运工件质量：mmax横向行程：500mm，纵向行程：500mm，提升高度：20mm，搬运速度：25mm/s，搬运位置控制精度：0.5mm。2.2点焊机专用机械手原理说明下面结合附图及具体实施例对项目做进一步详细说明：如图2-1所示，一种点焊机专用机械手，包括一设于点焊机横梁1上的具有抓手2的横向移动抓臂3及纵向移动抓臂4，沿点焊机横梁1的设置方向设置有用于与横向移动抓臂3滑动配合的滚珠丝杠5，在点焊机横梁1上垂直于点焊机横梁1设置有用于与纵向移动抓臂4滑动配合的滑道6，所述横向移动抓臂3及纵向移动抓臂4分别通过横向驱动气缸7及纵向驱动气缸8驱动。所述滑杆5通过滑杆架9与点焊机横梁1固定连接，在滚珠丝杠5上设置有用于一段固定轴承10。一端由轴承10固定，另一端则是电机11，所述电机11与滑杆5的一端转动连接。图2-1结构示意图2.3功能需求传统点焊工作中，焊接质量常因人工操作而受到影响，尤其在高强度生产环境下，焊接速度较慢且质量不稳定，长期人工搬运焊接件，容易是工作效率变低，且质量下降，难以满足现代工业对高质量焊接的严格要求。人工操作中焊接参数不易精确控制，焊点一致性差，特别是在高精度场景下，存在较高的报废率，显著制约了产品质量和生产效率。为了满足机械手高效作业要求，机械手要在不同的焊接工位之间进行快速搬运作业，因此机械手要求具有两个抓臂，能够同时搬运两个的工件，通过独立的驱动机构，分别驱动两个夹爪，从而实现两个工件进行对接，以达到辅助点焊机焊接的要求，通过合理的传动设计，在满足负载要求的前提下，机械手移动速度最高可达25mm/s，最大搬运质量不低于20kg，这样大幅度提高了工件周转速度，有效负载能力≥20kg，满足中等重量焊接构件的焊接作业要求，整体结构如图2-2所示。图2-2总体结构三维图定位精度关系到焊接质量和产品的精度，本方案采用精密滚珠丝杆和伺服电机驱动，搭配高分辨率光栅尺和PID伺服控制补偿，重复定位误差±0.5mm，而一般同类产品为±0.8mm。王卫兵，张霁:六轴焊接机械手运动学分析，可以支持重复误差0.5mm可以满足精密焊接需求REF_Ref14627\r\h[18]。滑杆的布局和滑动方式，对于横向抓取运动来说至关重要。滑杆采用滚珠丝杠和伺服电机设计，有利于发挥高精度、高效率、高响应性的特点。滚珠丝杠传动，具有传动精度高、摩擦小、寿命长等特点，可以实现严格的线性位移运动，伺服电机通过闭环控制，可以方便的实现对位置、速度、加速度的严格控制。这样结合，可以使整体系统控制精度和动态性能高，且具有良好的节能性和稳定性。滑杆总长740mm，移动距离500mm，滑块在横梁上有两组，每组两个，共四个滑块放着。这样可以增大支撑面积，避免单点受力压力过大的问题。横向抓臂与固定抓臂结构如图2-3、图2-4所示。图2-3横向抓臂与固定抓臂尺寸图图2-4横向抓臂与固定抓臂结构图

3驱动与传动方案的选择3.1驱动系统选择驱动系统是机械手的驱动部分，其性能直接影响到机械手的运动性能(如速度、精度)和可靠性。机械手的运动速度、精度要求以及点焊机工况的改善，对驱动方式提出了新的要求。点焊机机械手的驱动方式有电动、液压、气动等方式，根据本机械手的结构特点、工况条件及经济性等综合因素考虑，本机械手驱动方式选择电机驱动，见表3-1。表3-1三种驱动方式的特点对比内容驱动方式电机驱动气动驱动液压驱动输出功率较大大，压力范围为48～60Pa，最大可达Pa很大，压力范围为50～140Pa控制性能具有较高的控制精度和输出功率，能方便地实现位置控制，易于获得快速响应特性，适用于高速、高精度的连续轨迹控制要求的场合。伺服系统性能稳定，而系统整体的调试难度也较大。低速时不易稳定。阻尼作用小，振动较大，不能满足高速，高精度的连续轨迹控制要求，应用范围小。控制精度较好，其输出力大，无级调速，可实现平稳的连续轨迹控制，控制速度和位置要求较高。响应速度很高较高很高结构性能及体积伺服电动机结构紧凑，噪声低，容易实现标准化。一般需要配减速装置，除了DD电动机外，大多数不能直接驱动。由于没有密封问题，使用也较方便结构设计合理，执行机构可以标准化，也能模拟运行，便于实现直接驱动。它的功率和重量比大，体积小，结构紧凑，密封问题也比较少。结构合理，执行机构可以标准化和模拟运行，能直接驱动。功率与重量比大，体积小，结构紧凑，但密封问题较明显。安全性设备本身没有爆炸和起火的危险，但直流有刷电动机换向时会产生火花，防爆性能较弱。防爆性能较好，但当压力超过1000kPa（即10个大气压）时，需要注意设备的抗压能力。防爆性能一般，液压油作为传动介质，在某些情况下可能引发火灾。对环境的影响无排气时有噪声液压系统容易漏油，可能会污染环境。在工业机器人中应用范围适用于中小负载、需要较高定位精度和运行精度、速度较快的机器人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人和装配机器人适用于中小负载、精度要求不高的点位控制型机器人，如冲压机器人的气动平衡装置和装配机器人的气动夹具。适合重载、低速运行的场合，电液伺服系统常用于喷涂机器人、点焊机器人和搬运机器人。成本成本高成本低液压元件成本较高维修及使用较复杂方便方便，但液压油对环境温度有一定要求。由于本设计中点焊机专用机械手对位置控制精度要求较高，因此未考虑采用气动或液压传动方式。这是因为这两种方式在运动过程中难以实现精确定位，且整体设备较为笨重，造价偏高，无法满足本设计的实际需求。3.2传动系统的选型3.2.1传动方案的比较表3-2传动方案比较说明传动方案优点缺点丝杠传动普通梯形丝杠：承载力大，可实现自锁普通梯形丝杠：传动效率低，回程精度差，螺纹面之间容易产生磨损，使用时间长了传动精度会下降，水平放置使用时跨度过长会导致丝杆弯曲变形，不适用于长距离水平传动，而且使用时噪声比较大滚珠丝杠：传动效率高，承载力大，精度高，噪声小，可实现高速往返移动滚珠丝杠：不能自锁，水平放置使用时跨度过长会导致丝杆弯曲变形，不适用于长距离水平传动，生产成本较高F同步带传动承载力大，传动精度高，短距离传动速度快，噪声小，对传动过程中产生的冲击具有缓冲作用传动距离不能过长，传动距离过长容易导致同步带产生弹性变形和振动，从而影响传动精度，过载能力较弱齿轮齿条传动能承受较大负载，传动精度高，速度快，适合长距离传动。加工精度和安装精度要求较高，高负载时齿面磨损较大，噪声大同步带传动具备良好的传动精度和较高的运行速度，适用于短距离传动，但在长距离应用中容易出现皮带弹性形变及振动，进而影响系统稳定性；齿轮齿条传动精度高，传动速度快，且能够实现长距离传动，造价成本适中但长时间使用容易造成齿面磨损，噪声大；丝杠传动具有高效率传动，传动精度高等特点，但其造价成本高，且不适于水平长距离传动；梯形丝杠传动传动效率低，回程精度差，螺纹面之间容易产生磨损。综上所述，结合本课题中传动系统的实际工况要求，即在水平方向上实现中短距离、高精度、轻负载的平稳运动，最终选择滚珠丝杠作为执行机构的传动方式。该方案在满足运动精度和重复定位要求的同时，具备良好的传动刚性与稳定性，能够有效提升机械手运行的可靠性和作业效率，如表3-2所示。3.2.2X轴传动结构设计点焊机专用机械手的x轴传动系是机械手的关键部件之一，是机械手沿水平面运动的部件。x轴传动系统主要由丝杠和直线导轨两部分组成。由丝杠和驱动电机构成的驱动机构传递运动和动力，使机械手沿x轴方向直线运动，而直线导轨则为机械手的运动提供了精确的导向，保证机械手运动过程中的精确和稳定。丝杠的旋转运动经螺母转换为直线运动，驱动机械手沿x轴方向作直线运动。丝杠传动具有传动效率高、摩擦损失小、刚性好的优点，直线导轨为机械手运动提供了低摩擦支持和高负载支持，使机械手运行时保持稳定和精确。丝杠是x轴传动系统中的关键部件，其性能决定了机械手传动的精确度和承载能力。点焊机专用机械手选择什么样的丝杠才能满足其运动要求呢？根据点焊机专用机械手的要求，合理选择丝杠的规格和传动方式显得尤为重要。根据传动负载和精度要求，本设计选择使用滚珠丝杠。与传统的梯形丝杠相比，滚珠丝杠具有摩擦系数低、传动效率高和定位精度高的优点，适用于对精度要求较高的场合，如图3-1、3-2所示。图3-1X轴传动结构二维图图3-2X轴传动结构三维图3.2.3Y轴传动结构设计点焊作业中，X轴通常以两个物件衔接为核心，通过两侧对称布置的滑块与直线导轨副固定于Y轴平台上。Y轴平台通过丝杠驱动沿纵向实现整套X轴及其承载装置的直线移动，构成“X随Y动”的串联结构。这种结构的优点在于可扩展Y轴工作行程而不影响X轴刚度分布，同时便于焊接作业区域的整体覆盖。由于X轴的所有负载均由Y轴承载，其自重、物件重量、传动部件质量等在Y轴设计中需作为集中质量处理。而在X轴自身运动过程中，其随Y轴的惯性效应将叠加成为动态扰动源，需在X轴结构设计时给予合理补偿，如图3-3、3-4所示。图3-3Y轴传动结构结构图图3-4Y轴传动结构三维图

4点焊机专用机械手主要结构设计计算4.1滚珠丝杠的选型与计算4.1.1滚珠丝杠副的计算根据电机的额定转速和X向滑板的最大速度，确定丝杠的导程。初选X向运动的驱动电机选择雷赛智能公司的高压伺服电机ACM11015M2F-71-B，电机最高转速为4000rpm。电机直接连接滚珠丝杠，传动比为1。X方向最大速度为25mm/s（即1500mm/min），由此可计算出丝杠导程为：实际取Pℎ滚动导轨在承重时最大滑动摩擦系数为0.004，静摩擦系数相差不大，计算时取0.006，因此导轨的静摩擦力为：式中：M−−f−−因为该机构主要用于搬运物件，丝杠工作时没有切削力，运动接近匀速，所以阻力主要来自导轨和滑块的摩擦力，可得：滚珠丝杠副的当量载荷：滚珠丝杠副的当量转速：4.1.2按滚珠丝杠副的预期工作时间计算：式中：——当量转速，——预期工作时间，测试机床选择15000小时——负荷系数，平稳无冲击选择——精度系数，2级精度选择——可靠性系数，一般选择按滚珠丝杠副的预期运行距离计算：式中：——预期运行距离，一般选择按滚珠丝杠副的预加最大轴向负载计算：式中：Je——F估算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量m （4-1）向运动的重复定位精度要求为0.005mm，则估计算滚珠丝杠副的螺纹底X根据X方向的运动行程为500mm，可计算出两个固定支撑之间的最大距离：按丝杠安装方式为轴向两端固定，则有丝杠螺纹底X： （4-2）式中：F0——L——滚珠螺母至滚珠丝杠固定端支承的最大距离，则有4.1.3滚珠丝杠的选定按照丝杠Ph、d2m、Cam选择内循环双螺母式滚珠丝杆，型号为FYND63104，精度等级2级。丝杆基本导程Pℎ=10mm，丝杠底Xdm图4-1滚珠丝杠尺寸图4.2电机的选型与计算4.2.1电机的计算初选条件：选择伺服电机驱动，选择雷赛公司的高压伺服电机ACM11015M2F-71-B，其功率：1.5KW,电机惯量，额定转矩：5N·m,如图4-2所示。X向运动工件及工作台质量估计最大值约25Kg。丝杆部分的转动惯量：外部负荷的负荷转动惯量：则有：加在电机上的转动惯量：外部负荷产生的摩擦扭矩：式中：Pℎ——未预紧的滚珠丝杆副的效率（2级精度）F——预紧力产生的摩擦扭矩：式中：FP支承轴承产生的摩擦扭矩：选择HRC轴承，型号：7603050TN，查轴承样本可得摩擦力矩：加速度产生的负荷扭矩：根据设计要求可知：X向工作台运动速度为v=25mm/s2，对应电机转速n2当电机转速从n1=0升至电机总扭矩：所选择电机额定扭矩为5N.m，大于计算电机总扭矩3倍以上。所选择电机扭矩符合要求。图4-2伺服电机三维图4.3直线导轨的选型与计算直线导轨承受负载25kg，伺服电机功率1500W,额定转速3000rpm，最大转速4500rpm，丝杆轴的外径39mm，导程10mm，行程960mm，伺服电机加速时间1.25s，滑块连接板200mm。计算滑块承受的总负载能力；考虑极限情况，取V=0.05m/s计算负载的翻滚力矩物件重心到滑块重心点的距离R=300mm负载承受的翻滚力矩两个滑块之间的距离取200mm，L=100mm单个滑块承受作用力，查阅文献可知：HGH15CA的基本动额定载荷在114.7KN>1.875N,可以看出单个滑块实际能承受的作用力是比较大的，所以选择HGH15CA系列直线导轨，如图4-3所示。图4-3直线导轨结构图4.4末端执行器的设计计算4.4.1夹紧气缸的计算与选定末端执行器是点焊机上的专用搬运机械手的关键零件。它的作用就是夹住、搬动和放下焊接工件，让它们在各个位置都能被准确地点焊到位。设计末端执行器时，要考虑机械性能、工作负载大小、运动精确度以及选好材料。同时，安全性也很重要。下面是末端执行器的设计计算步骤。确定其工作环境和要求，明确负载能力、精度等参数。以下是夹紧气缸的主要尺寸的确定(1)气缸工作压力的确定一般气缸工作压力取0.4～0.6，可取气缸工作压力P=0.4MP表4-1气压负载常用的工作压力负载F/N～～～～～～～(2)气缸内径D和活塞杆直径d的确定可由下式推算出气压内径D: （4-3）预设活塞杆直径,气缸工作压力，根据机械设计手册气压传动分册P22-125,选取气压缸内径为：D=32mm。可以得出活塞杆内径为：选取d=12mm(3)缸筒壁厚和外径的设计气缸在作业过程中，直接承受压缩空气产内的内压力作用，因此要求缸筒应该有足够的厚庋保证其强度安全，若缸筒壁度过厚将会造成过重的浪费。为了保证强度安全，其壁度应控制在缸筒内径的十份之一内。为了在保证安全的前提下，使结构重量尽量减轻，其壁度按薄壁筒公式计算:式中: （4-4）——缸筒壁厚（mm）——气缸内径（mm）——气缸试验压力，一般取——气缸工作压力（pa）——缸筒材料许用应力（pa）本设计夹紧气缸缸筒材料采用为：铝合金ZL1060,[δ=3mm根据缸筒壁厚和行程对夹紧气缸选型，其性能参数如表4-2所示，为确保稳定性，选用AIRTAC的SC50×100的标准气缸，如图4-4,、4-5所示。图4-4气缸结构图图4-5气缸实体图产品特点：1、亚德客ISO6430标准气缸；2、这是拉杆式气缸，前后盖通过支柱与铝管缸体连接，结构可靠；3、相比ISO15552标准气缸，SC系列在相同缸径下长度更短；4、气缸缓冲调节平稳；5、气缸及其附件规格齐全，便于选用；6、使用耐高温密封材料后，气缸可在150℃下正常运行。表4-2夹紧气缸性能参数内径（mm）32动作形式空气[经40μm以上滤网过滤)固定型式SC基本型FAFBCACBLBTCTCM1使用压力范围0.15~1.0MPa(22~145psi(1.5~10.0bar)保证耐压力1.5MPa(215psi)(15bar)工作温度℃-20~70使用速度范围mm/s30~800行程公差范围0~250+1.0缓冲型式可调缓冲缓冲行程214.4.2夹爪的计算夹爪在夹持工件过程中，不仅要克服工件自身重力，还需应对由机械手加速运动产生的惯性力，同时考虑夹持过程的安全性，需引入安全系数。故夹持力F夹 （4-5）其中：F夹：Ksm：工件质量，取20kgg：重力加速度，a：机械手最大移动加速度，取μ：气爪与工件之间的摩擦系数，取0.3n：气爪数量，取2将已知参数代入公式：根据上述计算结果，并结合使用气源压力为0.6MPa的工作条件，本设计选用Airtac的HFT50×60S型号的气动平行气爪。在0.6MPa工作压力下的最大夹持力约为920N实际夹持力高于所需的7687N，具备足够的安全裕度，且结构紧凑、响应迅速，满足本机械手的安装空间与动作要求，如图4-6、4-7所示。图4-6HFT50×60S夹爪结构图图4-7HFT50×60S实体夹爪5其他零部件的设计完成点焊机机械手主体结构及主要传动系统的设计以后，为保证整个装置的结构整体性和作业稳定性，某些辅助构件也应进行合理的工作设计。参见本书第章。本章仅对其中的支撑件以及可以通过控制系统可以完可以闭环控制分析与设计。这些零件虽然不直接参加主要传动和执行过程，但它对结构装配保证结构精度、载荷传递和安全防护保证等方面起着重要的作用。通过对这些零件的功能要求、受力情况和加工方法的考虑，达到对整体系统的完善。5.1机架的设计机架设计要以保证刚度、强度和稳定性为重点。常见的有铸造机架和焊接机架两种。与铸造结构相比，焊接结构强度和刚度更高，重量更轻，制造周期短，施工也更方便。为增强点焊机专用机械手的机架支撑强度，并使整个系统布局更加紧凑，且为了方便设计，需要强度刚度大机架部 下面是铸造机架和焊接机架的对比如表5-1所示。

表5-1机架的对比铸造机架焊接机架重量较重钢板焊件比铸件轻30%生产周期周期长，资金周转慢生产周期短价格价廉价格较高设计条件铸件壁厚不能相差过大，只能用开口结构设计灵活，壁厚可以相差较大强度，刚度，抗振性刚度强度较低，阻尼大强度刚度大，抗振性差用途大批量生产单件小批图5-1机架前视尺寸图图5-2机架俯视尺寸图图5-3机架结构图5.2控制系统的设计PLC控制系统以多轴运动控制为核心，采用模块化思想，各X,Y等运动轴以及各执行单元与PLC主站相连，通过高速计数器模块、模拟量输入模块等采集焊接过程中的焊钳位置、速度、电流等信号参与焊钳运动控制。系统内部采用闭环反馈控制规律，对各轴的伺服电机位置进行周期性采样，并根据目标位置信号和实际反馈位置信号之间的误差，实时调整输出控制量。一般采用比例-积分-微分控制律或者变结构控制规律，这样焊接机械手的运动速度快或负载变化快时，机械手依然具有良好的动态稳定性及轨迹跟踪精度。X,Y轴移动均采用伺服电机驱动，建议选择转速调节比≥1∶50的电机，控制器主频≥800MHz，保证信号处理能力。系统应具有智能散热、过热保护，以及高能制动模块等，提高系统运行可靠性。这里推荐采用西门子S7-1200PLC，结合电机驱动+电动伺服模块，实现高精度运动控制，如图5-2所示。图5-2西门子S7-1200此外，为了方便调试和使用，以及增强系统的灵活性和亲和力，该控制系统配置了触摸屏人机界面(HMI)，操作人员可以通过HMI方便地进行调试、参数设置、点动、选择程序和故障诊断、观察运行状态等。PLC支持IO信号冗余，内部自带多种安全保护功能如:急停联锁、行程限位、过载报警等，以保证机械手在闭环运行过程中的稳定性和安全性。整个控制系统不仅具备一般的闭环运动控制功能，还为点焊机机械手后期智能化升级、多工位扩展预留了可编程接口和通讯端口(MODBUS、EtherCAT)，系统开放性好，易与工程应用。

6关键零部件的三维建模与有限元结构分析三维建模在机械设计里特别重要。它能帮我们做有限元分析，还能准确展现结构在空间里的样子，让零部件的性能和设计都更好。点焊机专用机械手的主要功能和结构特点，我们进行了研究。在三维建模时用了现在很流行的计算机辅助设计软件，使用SolidWorks。下面是主要零件三维建模的简单介绍。我们会创建基础形状，比如立方体、圆柱体这些几何图形。然后，对这些基本形状进行细节调整，像修改尺寸大小或者切割出需要的部分来匹配设计需求。接下来是添加特征步骤，例如钻孔或倒角处理来增加功能性细节。6.1主要零部件的三维建模机械手的主要部件有横梁架、抓取臂的运动轨道、负载抓取臂，还有滑杆系统、末端执行器以及连接轴承等。对每个零部件，要清楚它的几何形状、尺寸大小、材料特性和功能需求。然后按照设计方案来做三维建模。例如，横梁架用了45钢。尺寸是长1700mm、宽1100mm、高1000mm，这样能确保它承受得住机械手最大负载的20kg重量要求。形状上主要是冷弯方形钢设计，保证结构有足够的抗弯刚度。建模时根据选用的气动夹爪型号（如HFT50×60S）查阅产品样本，获取缸体、夹指、导向槽、安装孔等主要尺寸参数。通过拉伸、旋转、阵列、切除等基本建模命令，依次建立夹爪主体、气缸部分、活动夹指及安装结构，如图6-1所示。图6-1夹爪的结构示意图机械手移动部分建模时，设计参数是这样的：长度740mm，里面有滑块机构可调抓取宽度。滑块机构靠滚珠丝杠来驱动，选用的螺杆直径是40毫米。做三维建模时，要精确画出滑块和臂体的结合面，保证运动轨迹很平滑。。滑杆系统是机械手的重要传动部件。建模时，主要看的是三部分：滑杆条本体、滑块和导轨。滚珠丝杠尺寸是直径40mm，长度740mm。它用的是GCr15合金钢材料做的，这种材料耐磨、强度高。滑块和导轨间的匹配间隙设为0.1mm，满足高精度定位要求。在三维建模软件里，我们用精确特征绘图来做组件的细节。比如滑块牙嵌结构的微小卡槽都能画出来，这样装配模型时就能严丝合缝地扣上，如图6-2所示。图6-2滑杆系统三维零件图总的来说，我们用科学的设计理论和三维建模技术来详细描述点焊机搬运机械手的主要零件。这样做既给后面的仿真分析打下了坚实的基础模型，也给实际生产提供了关键技术参考。6.2关键零部件的有限元分析为确保点焊机专用机械手在实际运行过程中具备良好的结构强度与刚度，需对其关键承载部件进行有限元分析。本节采用SolidWorksSimulation模块对机械手中夹爪进行静力学有限元分析。分析过程中，依据实际工况施加载荷和约束条件，对模型进行网格划分，并求解其在最大负载作用下的位移和应力分布情况。设置材料属性，有限元仿真的结果就能真实反映实际的力学性能。设计中，点焊机专用机械手的关键部件用的是合金钢，如图6-3所示。图6-3材料属性选择接下来，网格划分是前处理里最关键的一步。它关乎计算的精确度和所需时间。本设计里，为了兼顾计算精度和效率，关键零部件的网格划分用了优先区域和普通区域结合的方式，如图6-4所示。图6-4网格划分图设置运行有限元模型，正确的约束条件和边界条件是模型前处理的重要一环。这次仿真里，我们按真实工作情况来，模拟抓取时的力度，这个力的大小是647N，方向直接对着夹持中心。根据有限元分析，所生成的图颜色小于屈服力，该夹手的夹板符合应力应用，如图6-5所示。图6-5应力分析图

7结论与展望7.1结论设计并研究了一种点焊机的搬运机械手，点焊是焊接生产中的一种重要焊接方法，广泛应用于汽车工业和家用电器等行业，点焊机的搬运机械手是实现上述生产过程自动化的重要设备。本机械手根据点焊工艺要求以及自动化生产需要，由双臂抓取系统、传动机构、末端执行器、行程调节装置等几部分组成。其总体结构具有模块化的特点，为以后的推广应用提供了便利。机械手的运行依靠驱动系统，运动包括横向运动和纵向运动，横向运动行程500mm，纵向运动行程500mm，具有运行稳定，重复定位误差在+0.5mm以内的特点。双臂抓取系统是机械手的重要组成部分，合理确定双臂抓取系统的参数，对满足点焊工艺要求至关重要。经过理论计算和参数优化，采用龙门式架构，实现了负载能力最大提起20公斤和运动灵活之间的平衡，同时，降低了传动和滑动摩擦损耗，提高了机械手的使用寿命。行程调节装置的加装，使点焊操作可以方便的在几个工位之间切换，提高了机械手的工作效率。综上所述，设计的点焊机的搬运机械手，结构刚性好，定位精度高，动态性能好，能耗低，满足工业生产的需求，为焊接搬运的自动化程度的提高提供了良好的借鉴，为今后研究柔性制造，多任务之间的协同控制提供了思路。7.2展望该设计在总体设计上和基本功能上都有一定的创新，但整体还不够完善。后续工作可以在上述设计的基础上，应用先进的智能控制方法，如机器视觉系统和人工智能方法等，实现工件的自动识别和定位，以提高机械手的自动化作业水平和智能化程度。为了提高系统的柔性化和通用化水平，还可以对机械手的末端夹持部分进行模块化设计，以适用不同尺寸、形状、材质的工件夹持要求，以满足多品种、小批量生产的要求。甚至可以增加多自由度机构，以提高机械手操作的灵活性及适应复杂环境的能力。在结构性能方面，可以采用材料轻量化设计和拓扑优化方法对主要受力构件进行轻量和强化的处理，以达到降低能耗、提高响应速度和动态稳定性