关 键 词：

含CATIA三维、CAD图纸和说明书 汽车 生产线 焊接 机器人 结构设计 CATIA 三维 CAD 图纸 说明书

资源描述：

内容简介：

任务书 XX 学院 XXX工程 专业 XXXX 届 题 目汽车生产线焊接机器人结构设计专业班级学生姓名指导老师任务书下发日期设计截止日期毕业设计（论文）的主要内容：1.焊接机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成多采用5或6自由度关节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有2个或3个自由度，可灵活运动。较先进的焊接机器人腕部采用柔性，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动作类似人的，能方便地通过较小的孔伸入工件内部，焊接其内表面。焊接机器人一般采用液压驱动，具有动作速度快、防爆性能好等特点，可通过手把手示教或点位示数来实现示教。焊接机器人广泛应用于汽车、仪表、电器，、搪瓷等工艺生产部门。2.工业机器人系统设计包括机械系统的设计、控制系统的设计。机器人控制系统的设计，以plc为核心的控制系统，本设计主要研究的是焊接机器人结构方面的设计。 毕业设计（论文）的主要要求：设备总装配图（计算机出图）；设备所有零件图（计算机出图）；手绘图A1张；设计图纸数量不少于3张A0 图纸；设计说明书不少于1.5万字，正文页数不少于30页；译文与开题报告不少于3000字。技术参数： 本课题参考库卡 KR 16-2 KS-F型号机器人，低载荷6轴机械臂，技术参数如下：额定负载（KG）:16附加负载（KG）:10结构形式:串联轴数:6工作半径(mm):1801重复精度（mm）:0.05最大工作范围(第一轴）:144第二轴:+80/110第三轴:+154/130第四轴:350第五轴:130第六轴:350最大速度(第一轴):168/s第二轴:173/s第三轴:192/s第四轴:329/s第五轴:332/s第六轴:789/s本体重量（KG）:245安装方式:地面采用伺服电机的驱动方式负荷6 kg附加负荷10 kg工作范围最大作用范围2101 mm其他数据与规格数6重复精确度0,05 mm重量245 kg控制系统KR C2主要参考文献：1 龚振帮.焊接机器人机械设计M.电子工业出版社，19952 袁任光.可编程序控制器（PLC）应用技术与实例.华南理工大学出版社，20033 熊有伦.焊接机器人技术基础.华中科技大学出版社，19964 郁汉琪，郭健.可编程序控制器原理及应用.中国电力出版社，2004.5 王兆义.可编程控制器教程.机械工业出版社 19936 丁炜，魏孔平.可编程控制器在工业控制中的应用.化学工业出版社，20047 成大先.机械设计手册M.机械工业出版社 2002 8 吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册第二版M.高等教育出版社19999 廖念钊，莫雨松，李硕根，杨兴骏.互换性与技术测量第四版M.高等教育出版社，2000.10 王野，王田苗等.危险作业机器人关键技术综述J.机器人技术与应用,2005(6)11 陈锦昌，刘就女，刘林.计算机工程制图.华南理工出版社，199912 曲东越.大型专用焊接机器人的设计与应用.应用科技，2000 13 胡胜海.静电焊接机器人.涂料工业，198114 马香峰等.工业机器人的操作机设计M冶金工业出版社，1996.15 孙树栋. 工业机器人技术基础M西北工业大学出版社，2006.16 江浩,樊炳辉等.新型移动机器人的结构设计J200017 郭洪红. 工业机器人应用技术M科学出版社，2008.18 文邦椿. 现代机械设计师手册M机械工业出版社，2012.任务书编制教师（签章）： 年 月 日教研室审核意见:教研室主任(签章): 年 月 日学院审核意见:学院院长(签章): 年 月 日备注注：任务书中的数据、图表及其他文字说明可作为附件附在任务书后面，并在主要要求中标明：“见附件”汽车生产线焊接机器人结构设计开题报告、课题论证1.1课题研究的目的与意义 焊接机器人是目前最大的工业机器人应用领域。由于汽车制造业对许多构件的焊接精度和速度等指标提出越来越高的要求，一般工人已难以胜任这一工作；此外，焊接时的火花及烟雾等，对人体造成危害，因此，焊接过程的完全自动化已成为重要的研究课题，其中，最为重要的就是要应用焊接机器人。 随着近代模糊数学和神经网络的出现，以及PC机与焊接机器人的结合应用，有效解决了专用控制器计算负担重、实时性差等问题.还能够将具他领域如图像处理、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。焊接过程中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。我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早用户。早在70年代末，上海电焊机厂与上海电动工具研究所，合作研制的直角坐标机械手，成功地应用于上海牌轿车底盘的焊接。“一汽”是我国最早引进焊接机器人的企业，1984起先后从KUKA公司引进了3台点焊机器人，用于当时“红旗牌”轿车的车身焊接和“解放牌”车身顶盖的焊接。1986年成功将焊接机器人应用于前围总成的焊接，并于1988年开发了机器人车身总焊线 。 80年代末和90年代初，德国大众公司分别与上海和一汽成立合资汽车厂生产轿车，虽然是国外的二手设备，但其焊接自动化程度与装备水平，让我们认识到了与国外的巨大差距。随后二汽在货车及轻型车项目中都引进了焊接机器人。可以说90年代以来的技术引进和生产设备、工艺装备的引进使我国的汽车制造水平由原来的作坊式生产提高到规模化生产，同时使国外焊接机器人大量进入中国。由于我国基础设施建设的高速发展带动了工程机械行业的繁荣，工程机械行业也成为较早引用焊接机器人的行业之一。近年来由于我国经济的高速发展，能源的大量需求，与能源相关的制造行业也都开始寻求自动化焊接技术，焊接机器人逐渐崭露头角。铁路机车行业由于我国货运、客运、城市地铁等需求量的不断增加，以及列车提速的需求，机器人的需求一直处于稳步增长态势。据2001年统计，全国共有各类焊接机器人1040台，汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接机器人的76%。在汽车行业中点焊机器人与弧焊机器人的比例为3：2，其他行业大都是以弧焊机器人为主，主要分布在工程机械（10%）、摩托车（6%）、铁路车辆（4%）、锅炉（1%）等行业。焊接机器人也主要分布在全国几大汽车制造厂， 从图1中还能看出，我国焊接机器人的行业分布不均衡，也不够广泛。 进入21世纪由于国外汽车巨头的不断涌入，汽车行业迅猛发展，我国汽车行业的机器人安装台数迅速增加，2002、2003、2004年每年都有近千台的数量增长。估计我国目前焊接机器人的安装台数在4000台左右。汽车行业焊接机器人所占的比例会进一步提高。 目前在我国应用的机器人主要分日系、欧系和国产三种。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奥地利的IGM公司。国产机器人主要是沈阳新松机器人公司产品。1.2目前国内外的发展趋势目前在我国虽然已经具有自主知识产权的焊接机器人系列产品，但却不能批量生产，形成规模，有以下几个主要原因： 国内机器人价格没有优势。近10年来，进口机器人的价格大幅度降低，从每台7-8万美元降低到2-3万美元，使我国自行制造的普通工业机器人在价格上很难与之竞争。特别是我国在研制机器人的初期，没有同步发展相应的零部件产业，如伺服电机、减速机等需要进口，使价格难以降低，所以机器人生产成本降不下来；我国焊接装备水平与国外还存在很大差距，这一点也间接影响了国内机器人的发展。对于机器人的最大用户-汽车白车身生产厂来说，目前几乎所有的装备都来从国外引进，国产机器人几乎找不到表演的舞台。 我们应该承认国产机器人无论从控制水平还是可靠性等方面与国外公司还存在一定的差距。国外工业机器人是个非常成熟的工业产品，经历了30多年的发展历程，而且在实际生产中不断地完善和提高，而我国则处于一种单件小批量的生产状态。 国内机器人生产厂家处于幼儿期，还需要政府政策和资金的支持。焊接机器人是个机电一体化的高技术产品，单靠企业的自身能力是不够的，需要政府对机器人生产企业及使用国产机器人系统的企业给予一定的政策和资金支持，加速我国国产机器人的发展。1.3课题研究的内容、总体方案及技术路线、进度安排等1）主要参数本课题参考库卡 KR 16-2 KS-F型号的机器人，低载荷6轴机械臂，技术参数如下：额定负载（KG）:16附加负载（KG）:10结构形式:串联轴数:6工作半径(mm):1801重复精度（mm）:0.05最大工作范围(第一轴）:185第二轴:+35/155第三轴:+154/130第四轴:350第五轴:130第六轴:350最大速度(第一轴):156/s第二轴:156/s第三轴:156/s第四轴:330/s第五轴:330/s第六轴:615/s本体重量（KG）:245主要参数：负荷6 kg附加负荷10 kg工作范围最大作用范围2101 mm其他数据与规格数6重复精确度0,05 mm重量245 kg控制系统KR C22）设计主要方向以及设计思路焊接机器人之所以能够占据整个工业机器人总量的40%以上，焊接精度和速度等指标提出越来越高的要求，一般工人已难以胜任这一工作；此外，焊接时的火花及烟雾等，对人体造成危害。归纳起来采用焊接机器人有下列主要意义：(1) 稳定和提高焊接质量,保证其均一性。 (2) 改善了工人的劳动条件。(3) 提高劳动生产率。本论文所研究的为焊接机器人，主要解决焊接机器人腰部以及大臂的工作平稳性和提高其工作效率，主要解决一下几个问题：2） 理清整个机器的工作原理，及各个部件相互关系，使之协调。3） 都大臂和腰部的工作原理做研究，明确其传动路线。4） 明确各个部件的装配关系，画出装配图和主要零件图。5） 明确各个部件的技术要求，合理选择材料及配合关系。3）基本图形 时间设计任务及要求 第1-2周分析、查阅资料，熟悉设备技术要求、背景，学习与毕业设计相关知识，做好前期准备工作，撰写开题报告 和外文翻译。准备开题报告答辩PPT 第3-4周总体方案设计，并进行机械传动部分设计的有关计算，对焊接机器人腰部及大臂部分结构进行设计，确定总体尺寸。 第5周绘制焊接机器人结构草图，计算并校核有关尺寸。 第6-8周零件的三维设计，尺寸更改校核。 第9周检验修改设计。 第10周绘制二维零件图。 第11周绘制装配图。 第12周将图纸交由指导老师指正错误。 第13周编写设计说明书，交给指导老师审定。第14周制作答辩提纲，设计定稿，打印，准备毕业设计答辩。第15周进行毕业设计答辩1.5参考文献1 龚振帮.焊接机器人机械设计M.电子工业出版社，19952 袁任光.可编程序控制器（PLC）应用技术与实例.华南理工大学出版社，20033 熊有伦.焊接机器人技术基础.华中科技大学出版社，19964 郁汉琪，郭健.可编程序控制器原理及应用.中国电力出版社，2004.5 王兆义.可编程控制器教程.机械工业出版社 19936 丁炜，魏孔平.可编程控制器在工业控制中的应用.化学工业出版社，20047 成大先.机械设计手册M.机械工业出版社 2002 8 吴宗泽，罗圣国.机械设计课程设计手册第二版M.高等教育出版社19999 廖念钊，莫雨松，李硕根，杨兴骏.互换性与技术测量第四版M.高等教育出版社，2000.10 王野，王田苗等.危险作业机器人关键技术综述J.机器人技术与应用,2005(6)11 陈锦昌，刘就女，刘林.计算机工程制图.华南理工出版社，199912 曲东越.大型专用焊接机器人的设计与应用.应用科技，2000 13 胡胜海.静电焊接机器人.涂料工业，198114 马香峰等.工业机器人的操作机设计M冶金工业出版社，1996.15 孙树栋. 工业机器人技术基础M西北工业大学出版社，2006.16 江浩,樊炳辉等.新型移动机器人的结构设计J200017 郭洪红. 工业机器人应用技术M科学出版社，2008.18 文邦椿. 现代机械设计师手册M机械工业出版社，2012.2、答辩组论证结论（1）方案可行，技术路线清晰 （2）方案可行，技术路线基本清晰 （3）方案基本可行，技术路线不很清晰 （4）方案和技术路线不很清晰 （5）方案和技术路线不清晰 3、指导教师意见： 教研室主任意见：指导教师（签名）： 教研室主任（签名）：年 月 日 年 月 日注：(1) 开题报告是用文字体现的设计（论文）总构想，篇幅不必过大，但要把计划设计的课题、如何设计、理论依据和研究现状等主要问题说清楚；(2) 字数不少于3000字，参考文献不少于6篇，印刷字符在10万印刷符以上。汽车生产线焊接机器人结构设计汽车生产线焊接机器人结构设计Automobile production line welding robot structure design摘要 据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有将近一半的工业机器人用于各种形式的焊接加工领域，焊接机器人应用中最普遍的主要有两种方式，即点焊和电弧焊。我们所说的焊接机器人其实就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人。这些焊接机器人中有的是为某种焊接方式专门设计的，而大多数的焊接机器人其实就是通用的工业机器人装上某种焊接工具而构成的。在多任务环境中，一台机器人甚至可以完成包括焊接在内的抓物、搬运、安装、焊接、卸料等多种任务，因此，从某种意义上来说，工业机器人的发展历史就是焊接机器人的发展历史。 众所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平；另一方面，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作。工业机器人的出现使人们自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，减轻焊工的劳动强度，同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率。本次我所设计的机器人为五自由度弧焊机器人。本说明书对本次设计的主要考虑内容进行了叙述和讲解，包括机器人的总体设计以及传动系统的构成与设计，电动机的选择，圆锥齿轮的设计与校核，谐波减速器的原理以及选择，腕部转动轴的校核，齿形带规格的选择以及滚动轴承的选择与校核等。由于设计经验不足以及理论知识的匮乏，本次设计肯定存在许多不足之处，望答辩老师谅解并不吝赐教。关键词 焊接机器人；齿形带传动；谐波减速器； ABSTRCTAccording to incomplete statistics, nearly half of the worlds industrial robots in service are used for welding. The most common application of welding robot are in two main ways, spot welding and arc welding. The welding robot we are talking about is actually industrial robots which are doing the work in the welding tasks instead of welding production welder. Some of this welding robot is specially designed for welding while most of them are actually a common industrial robot fitted with a welding tool. In multi-task environment, a robot can even complete many kinds of work including the grasp of welding, handling, installation, welding, unloading and other tasks,. Therefore, in a sense, the history of the development of industrial robots is the history of the development of welding robot. It is well known that the welding processing on one hand requires on skilled operational skills, rich practical experience and stable level of welding; on the other hand, welding is a work with poor working conditions, dust, and heat radiation and high-risk. The emergence of industrial robots first makes people naturally think of using it to replace the manual welding to reduce labor intensity. But also it ensures the welding quality and enhances the efficiency of welding. The robot I designed is a DOF arc welding robot. The design statement mainly include design of robots drive system and the its composition, the choice of motor, design of bevel gear and verification, the principle of harmonic reducer and its choice, wrist Check the Department of rotational axis, the choice of rolling bearings and its checking and so on.KEY WORDS welding robot; profile belt transmission; harmonic reducer;目目 录录一、 引言.11.1 焊接机器人的研究意义及目的.11.2 焊接机器人的发展现状及研究.21.2.1 国内现状分析 .31.2.2 国外现状分析 .31.3 焊接机器人的发展前景.41.4 焊接机器人的研究热点.4二、机器人基础结构设计.42.1 针对用途分析手臂工作要求 .42.2 关节参数及坐标选择.52.3 内部结构.62.4 机械臂运动机构简图.102.5 电机及机械结构布局.102.6 本章小结.12三、焊接机器人机腕部结构设计.123.1 腕部结构设计.123.1.1 腕部结构设计要求.123.1.2 腕部的结构设计 .123.1.3 手腕的材料选择.143.2 腕部传动方式的选择.153.3 腕部电机的型号选择.153.4 涡轮蜗杆选型与计算.133.5 齿轮副的强度校核 .263.6 本章小结.28四、机械臂的臂部结构设计.294.1 臂部结构设计要求 .294.2 臂部结构的设计.294.2.1 臂部材料的选择与结构设计 .294.2.2 小臂的涡轮蜗杆传动设计 .314.3 肘部结构的设计.334.3.1 肘部设计的原理及作用 .334.3.2 肘部材料的选择 .344.3.3 肘部传动方式的选择 .344.3.4 肘部电机的型号选择 .344.4 本章小结 .36五、机器人本体静力学分析.365.1 静力学分析.365.2 本章小结.40六、机器人本体结构模型.406.1 本体结构三维模型.406.2 底座部分建模及结构设计.416.3 腰部回转件建模、结构、及运动分析 .436.4 大臂的建模、结构、及运动分析 .446.5 小臂的建模、结构及运动分析 .456.6 腕部的建模、结构及运动分析.466.7 手部结构设计 .47七、设计总结.47参考文献.49谢 辞.501一、引言1.1 焊接机器人研究意义及目的焊接机器人研究意义及目的本文所要描述的是汽车生产线焊接机器人。本课题的主要观点是采用机器人代替人来进行焊接作业，由于焊接环境中产生的空气中有大量的化学物质气体和悬浮颗粒。对人的身体是非常有害的。在看到焊接行业对人类的身体健康产生这么大的伤害的情况下，我想凭借自己的努力来设计一种能够代替人类完成一些需要在高危环境下完成的长时间持续性的或者是工作中会产生对人体有很大伤害的工作。我这次设计的焊接机器人主要想用焊接机器人来代替人完成一些焊接的动作，由此让焊接机器人进入工厂来代替人完成对人体有害的焊接工作。以减少在焊接时产生的焊接残渣飞溅和有毒气体对人类造成的损害。由于焊接工作是重复并且繁琐的工作，但是焊接的精确度要求还是比较高的，由人工来做会加重工人们的重复麻烦的劳动，所以我希望我设计的焊接机器人可以替代工人完成简单的重复劳动，减轻工人的工作负担，改善工人的工作环境。并且提高焊接工厂的生产率和焊接的焊接精度。提高公司的自动化水平和生产率。和经典的轴数少的机器人相比，本课题设计的 6 轴机器人可以完成很多的动作，代替人完成很多高危的焊接工作，减少化学物质对人体的伤害。我的焊接机器人设计采用伺服电机驱动电动机，适用于中，小型焊接机器人，在材料选择方面，我选择的材料要满足材料性能高，这样电动机的性能也会随着材料性能的提高而提高。现在焊接机器人主要应用在汽车生产焊接行业，高危焊接的环境中。焊接机器人英文名又叫做welding robot,我所设计的焊接机器人是可以对汽车配件进行焊接工作或者在汽车配件上焊接其他工业焊接残渣的工业机器人。焊接机器人主要由机器人机械结构、计算机和相应的控制系统组成，现在市面上的焊接机器人大多数都采用 5 轴或者 6 轴的关节式结构，手臂的运动空间由多自由度保证。手臂的能够焊接的空间较大。并且可以通过人工示教做一些复杂的轨迹运动，腕部一般有 2 个到 3 个自由度，这样的设计可以使机械臂关节处非常的灵活。目前市面上最受欢迎的焊接机器人的腕部都是采用柔性，既可以完成各个方向的弯曲动作，也可以同时完成转动的动作。其动作通过计算机程序来控制，仿造人类的手进行编程控制，所以又叫仿生机械手臂。这样设计的机械臂能很顺利的通过一些人手难以进入或者有危险性的孔伸入焊接工件的内部，焊接一些人手或无法触及到的一些细微的表面。我本次设计的焊接机器人一般采用伺服电机驱动，具有动作执行速度快，精度高，防爆性能好的优点。我们可以凭借手把手示教来使机器完成一些复杂的轨迹焊接。焊接机器人在汽车制造，仪表行2业，电器和搪瓷等工艺部门有着非常好的表现和相当大的发展前景，值得我们去努力学习，慢慢改进。我设计的机器人有着以下 4 个优点：（1）大臂小臂的腕部柔性大，手臂的旋转范围大。（2）由焊接机器人完成的焊接工件的质量很稳定，不会由状态影响焊接质量。效率和材料使用率也会显著提高。（3）易于操作和维护。可离线编程，可以极大的缩短现场调试时间。（4）设备利用率非常高。焊接工业机器人的利用率可达 90%-95%。1.2 焊接机器人的发展现状及研究焊接机器人的发展现状及研究1.2.1 国内现状分析国内现状分析我国开发工业机器人晚于美国和日本，起于 20 世纪 70 年代，早期是大学和科研院所的自发性的研究。到 80 年代中期，全国没有一台工业机器人问世。而在国外，工业机器人已经是个非常成熟的工业产品，在汽车行业得到了广泛的应用。鉴于当时的国内外形势，国家“七五”攻关计划将工业机器人的开发列入了计划，对工业机器人进行了攻关，特别是把应用作为考核的重要内容，这样就把机器人技术和用户紧密结合起来，使中国机器人在起步阶段就瞄准了实用化的方向。与此同时于 1986 年将发展机器人列入国家“863”高科技计划。在国家“863”计划实施五周年之际，邓小平同志提出了“发展高科技，实现产业化”的目标。在国内市场发展的推动下，以及对机器人技术研究的技术储备的基础上，863 主题专家组及时对主攻方向进行了调整和延伸，将工业机器人及应用工程作为研究开发重点之一，提出了以应用带动关键技术和基础研究的发展方针，以后又列入国家“八五”和“九五”中。经过十几年的持续努力，在国家的组织和支持下，我国焊接机器人的研究在基础技术、控制技术、关键元器件等方面取得了重大进展，并已进入使用化阶段，形成了点焊、弧焊机器人系列产品，能够实现小批量生产。 我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等几个主要行业。汽车是焊接机器人的最大用户，也是最早用户。早在 70 年代末，上海电焊机厂与上海电动工具研究所，合作研制的直角坐标机械手，成功地应用于上海牌轿车底盘的焊接。“一汽”是我国最早引进焊接机器人的企业，1984 起先后从 KUKA 公司引进了 3 台点焊机器人，用于当时“红旗牌”轿车的车身焊接和“解放牌”车身顶盖的焊接。1986 年成功将焊接机器人应用于前围总成的焊接，并于 1988 年开发了机器人车身总焊线 。 80 年代末和 90 年代初，德国大众公司分别与上海和一汽成立合资汽车厂生产轿车，虽然是国外的二手设备，但其焊接自动化程度与装备水平，让我们认识到了与国外的巨大差距。随后二汽在货车及轻型车项目中都引进了焊接机器人。可以说 90 年代以来的技术引进和生产设备、工艺装备的引进使我国的汽车制造水平由原来的作坊式生产提高到规模化生产，同时使国外焊3接机器人大量进入中国。由于我国基础设施建设的高速发展带动了工程机械行业的繁荣，工程机械行业也成为较早引用焊接机器人的行业之一。近年来由于我国经济的高速发展，能源的大量需求，与能源相关的制造行业也都开始寻求自动化焊接技术，焊接机器人逐渐崭露头角。铁路机车行业由于我国货运、客运、城市地铁等需求量的不断增加，以及列车提速的需求，机器人的需求一直处于稳步增长态势。据 2001 年统计，全国共有各类焊接机器人 1040 台，汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接机器人的 76%。在汽车行业中点焊机器人与弧焊机器人的比例为 3：2，其他行业大都是以弧焊机器人为主，主要分布在工程机械（10%）、摩托车（6%）、铁路车辆（4%）、锅炉（1%）等行业。 进入 21 世纪由于国外汽车巨头的不断涌入，汽车行业迅猛发展，我国汽车行业的机器人安装台数迅速增加，2002、2003、2004 年每年都有近千台的数量增长。估计我国目前焊接机器人的安装台数在 4000 台左右。汽车行业焊接机器人所占的比例会进一步提高。 目前在我国应用的机器人主要分日系、欧系和国产三种。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的 KUKA、CLOOS、瑞典的 ABB、意大利的 COMAU 及奥地利的 IGM 公司。国产机器人主要是沈阳新松机器人公司产品。 目前在我国虽然已经具有自主知识产权的焊接机器人系列产品，但却不能批量生产，形成规模，有以下几个主要原因： 国内机器人价格没有优势。近 10 年来，进口机器人的价格大幅度降低，从每台 7-8 万美元降低到 2-3 万美元，使我国自行制造的普通工业机器人在价格上很难与之竞争。特别是我国在研制机器人的初期，没有同步发展相应的零部件产业，如伺服电机、减速机等需要进口，使价格难以降低，所以机器人生产成本降不下来；我国焊接装备水平与国外还存在很大差距，这一点也间接影响了国内机器人的发展。对于机器人的最大用户-汽车白车身生产厂来说，目前几乎所有的装备都来从国外引进，国产机器人几乎找不到表演的舞台。 我们应该承认国产机器人无论从控制水平还是可靠性等方面与国外公司还存在一定的差距。国外工业机器人是个非常成熟的工业产品，经历了 30 多年的发展历程，而且在实际生产中不断地完善和提高，而我国则处于一种单件小批量的生产状态。 国内机器人生产厂家处于幼儿期，还需要政府政策和资金的支持。焊接机器人是个机电一体化的高技术产品，单靠企业的自身能力是不够的，需要政府对机器人生产企业及使用国产机器人系统的企业给予一定的政策和资金支持，加速我国国产机器人的发展。4 在“十五”期间，我国曾把包括焊接机器人在内的示教再现型工业机器人的产业化关键技术作为重点研究内容之一，其中包括焊接机器人。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、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、成像系统、视觉图像处理技术、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等。在新的历史时期，面对新的机遇和挑战，只有一方面紧跟世界科技发展的潮流，研究与开发具有自主知识产权的基础制造装备。另一方面，仍然通过引进和消化，吸收一些现有的先进技术!尽快缩短和别人的差距，并通过应用研究和二次开发，实现技术创新和关键设备的产业化，提高我国制造业在国际舞台上的地位。1.2.2 国外现状分析国外现状分析由于工业机器人在国外有着 30 年以上的研究发展历史，所以国外的焊接机器人的制造研发技术是十分优秀的。工业机器人的研发和制造技术对印刷业和机器人的发展产生过深远的影响。当时使用的是 MK 的 H16 机器人，采用的是液压和气压相结合的流量控制系统。80 年代初期Hatel 公司在 H16 机器人上首次采用气压控制的流量控制系统，同时装备了带有抽吸装置的内置阀，可避免一次污染。Hatel 公司九十年代初首次在该公司自己研发的工业机器人自动焊接设备上安装了工业焊接残渣流量控制装置，使焊接质量有了巨大的飞跃。随着国外工程师们勇于创新实践并且不断地改进已有的焊接机器人现有的技术，使得焊接机器人的焊接精度得到了有史以来的一次巨大突破，使得焊接机器人在世界发达国家得到了广泛的应用。焊接机器人是七十年代发展起来的自动化机械，它可以模仿人手的动作去完成焊接作业，程序可按实际需要和要求进行变动，所以适合多品种小批量生产。机器人能够突破人体生理条件极限，代替人们去从事高温、放射性、喷雾、沙尘等危险、繁重而又单调的工作。1越来越多的工业工作站使用机械臂做为工作主体，其能完成的工作也越来越多，不仅如此，随着工业控制的发展，单工作站也可以完成多种复杂的零件加工或其他工序。焊接机器人在国外已经广泛应用，而我国主要采用进口的机器人。工业机器人主要承担着焊接、焊接、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采用示教再现的方式。31.3 焊接机器人的发展前景焊接机器人的发展前景焊接机器人在未来的几十年中技术会逐渐成熟，他可以通过示教，编程的方式来模仿人手的动作去完成复杂的焊接作业，程序可以按照实际需要和要求进行变动，所以适合多品种小批5量生产。在技术发达后，机器人可以完全取代人工焊接，当机器人的数量上去后，在特定的焊接车间内可以实现无人焊接的工作环境。同时，机器人能够突破人体的生理条件极限，代替人们去从事高温，放射性，喷雾，沙尘等危险而又单调的工作。同时通过焊接机器人的发展，产品的加工精度，效率都会显著提高，这大大缓解了焊接行业的人才需求。81.4 工业工业机器人机械臂的研究热点机器人机械臂的研究热点综合国内外对于工业机器人的研发情况，当代工业机器人的机械臂的研究主要包含以下几个方面：1、机械臂结构。如何选择和设计机械臂的机械结构形式，需要根据实际要求。为使机械臂在更多的领域得到应用。每个工种的机械臂的选择必须严格考察，最后制定出机械臂的选择方案。2、运动控制技术。工业机器人的控制技术是运用动力学和运动学的方法，建立一定的控制规律，使机械臂实现不同工作状态的转变。3、路径规划技术。该技术主要包括施工路径规划技术它们分别基于地理信息和基于传感信息。工业机器人在工作中需要避开一些难以逾越的障碍，人工示教可很好的解决这一问题。4、实时视觉技术。实时视觉技术使机械臂可以接收视觉信号。对接收的信号进行识别处理。并且，智能工业机器人整体性能的好坏也取决于机器人的视觉信息的处理能力。5、导航和定位技术。定位于导航技术对于机械臂来说相当重要。目前采用程计、磁罗盘以及全球定位系统等技术进行定位与导航。6、多传感集成和数据融合技术。移动机器人的机械臂通过距离的测定技术，GPS 定位技术和小型陀螺仪技术等技术来进行各种信息的采集，从而根据所接收的信号进行反应。7、高性能图像信息处理技术。在早期的工业机器人机械臂研究工作中，由于市场上的通用硬件无法满足诸如实时图像处理所需的计算能力，因此，多数研究者所采用是专用硬件结构。近年来，随着计算机不断地迅速发展，要构建机器人系统可采用通用处理器来实现。8、因特网与无线通信技术。这两个技术是实现真正的无人焊接，纯机械化焊接生产线的关键，人们通过网络来进行程序编程，为焊接机器人规定好焊接的路径和每一步的功能。让人们可以不用处在危险的加工环境内部来进行监督。可以保障人类的身体健康和对人的生命有一定的保障。二、二、机器人基础结构设计机器人基础结构设计62.1 针对用途分析手臂工作要求针对用途分析手臂工作要求因本次设计是使用机器人完成焊接作业，机器人需要在前端小臂处抓取喷枪进行焊接，调查市面上的喷枪后发现，自动式无气喷枪及前端旋转机构的总重约 10Kg，机械臂末端最终的运行负载应大于 10Kg，并且为节省成本应选择较为接近且安全的数值，在此选用 16Kg 负载进行设计. 上图为汽车遮光板，遮光板最长尺寸为 375mm，机械臂在伸展过程中需要的自由尺寸为550，故，下底面焊接需喷枪上扬 45，喷枪长约为 100mm，喷枪距离工件需自由距离 200mm综上，机械臂有效伸展距离应大于 375mm+550mm+200mm=1125mm图 2.12.2 关节参数关节参数自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，但是一般不包括手部（末端操作器）的开合自由度。自由度的数量体现了机器人的灵活的程度，在三维空间中描述一个物体的位置和姿态需要六个自由度。焊接机器人的自由度数量越多，焊接机器人的机械臂能够完成的动作就越复杂，能够控制的程度就越高，适用性也就越好。但是当我们设计的焊接机器人的自由度越高，焊接机器人的整体结构也就越来越复杂，体积和整体的质量也就越来越大。由此我们发现了一个矛盾点，现在的焊接机器人既要求要轻型化但是还要能够完成很多的复杂焊接工作，所以也就导致了自由度数量很多，随之重量也会大大增加，导致整体结构的刚性降低，所以在这对矛盾点里我们必须选择一点。工业焊接机器人由于对定位精度和重复定位精度和刚性的要求比较高，所以机器人的体积会很大，承载负荷的能力与庞大的重量相比会非常小。一般的焊接机器人大概 56 个自由度即可实现焊接要求。其中大臂小臂有 3 个自由度，腕部和行走装置有 23 个自由度。特殊小型焊接机器人有 12 个自由度即可满足使用要求。本次设计机器人自由度为 6，现需对各关节进行静力学受力分析，为简化及精确计算，应先确定机器人组成，机器人运动机构部分由如下几个部分组成，自最下端起分别为，固定基座，7旋转主体，大臂，小臂，顶端旋转安装座（手腕）组成，应由固定基座开始逐级进行分析，首先确定 6 轴的转速参数，如下表：每个轴的运动参数运动范围运动速度轴 1185156/s轴 2+35至-155156/s轴 3+154至-130156/s轴 4350330/s轴 5130330/s轴 6350615/s机械手坐标形式的正确拟定，需根据工作现场生产情况、加工精度、安装控件要求并结合各种坐标形式特点分析比较确定，工业机器人手臂的运动形式和坐标形式可以分为四类：（1）直角坐标式：其手臂的运动系由三个直线运动构成，即机器人沿着坐标系的 X 轴伸缩，沿 Z 轴升降，沿 Y 轴横移。由于直角坐标式结构简单，特别适合主机位置成行排列或者主机与传动带配合使用的场合，可用于开、闭环数控的机械，但占地面积大，工作空间小，使用范围受限。 （2）球坐标式：其手臂运动系由两个转动及一个直线运动组成，机械臂的俯仰运动可以完成抓取来自地面上物件，为达到手部能适应被抓取物件方位的要求，使手部保持水平位置或其他状态，常设有手腕上下摆动。该类型机械手动作灵活，占地面积较小、工作范围大，但由于本身结构设计复杂，手臂摆角误差会引起手部中心处的误差放大。 （3）圆柱坐标式：手臂运动系由两个直线运动和一个回转运动所组成，及沿着坐标系的 X轴伸缩、沿 Z 轴升降及沿 Z 轴回转，其中沿 Z 轴方向移动的最低位置受结构限制不能够直接抓取地面物件。圆柱坐标式比直角坐标式占地面积小但是活动范围却比直角坐标系大，这种坐标式结构简单并能达到较高的位置精度要求，被广大机械厂家认可并应用。 （4）关节式：关节式的结构可以完成类似于人的手臂一样作几个方向的转动。这种关节式由大臂和小臂还有一个立柱组成，特点是动作非常的灵活，工作范围也很大，适用性和也很强。可抓取靠近机座的物件。每一个关节都由机械的传动机构构成以实现转动，工业机器人的手臂的运动常由大臂和小臂的回转运动构成。由于采用关节式的机器人自由度高，所以关节的灵活8度很高，可以绕过主机及工作环境中的障碍物来抓取所需要工件。但由于机械手的位置定位依靠各关节的相互转角决定，所以定位精度不是很好。并且由于自由度高，所以控制装置和机械结构的设计相对于其他几种运动形式会更难更复杂。本设计采用的是关节式。2.3 内部结构内部结构现在大部分的工业机器人都是模块化的设计思想，都是采用伺服电机加谐波减速器的控制方式。每个关节的控制方式和机械结构都差不多一样。有区别的只是尺寸，例如 iiwa 的机械臂每个轴的内部结构如下：图 2.2每一个关节中都包含了电机、伺服驱动、电机端编码器、谐波减速器、关节端位置传感器和力矩传感器，减速器和电机连接方式采用直连。整个关节在工业机器人内部的布局如下：9图 2.3传统机器人传统机器人对于传统的工业机器人来说，布局的原则都满足“三轴轴线交于一点”的基本准则。主要区别在于三个电机的布置和传动方式。一般的传统工业机器人都把第四轴，第五轴，第六轴的电机布置在小臂的后面，通过同心轴和伞齿轮或者同步带组合的传动方式将力传动到手腕。以下图 KUKA 焊接机器人为例：10图 2.4三个电机的动力通过同心轴传到机器人手腕，腕部结构如下：图 2.511放大图：图 2.6近几年 KUKA 最新研发出的焊接机器人为了追求轻量化，外表精致，体积小，采用将第四轴，第五轴，第六轴的电机放在小臂内部，以缩小机器人尺寸。对于传统焊接机器人来说，每一家知名机器人公司的主要差别就在于第五轴和第六轴的布置位置。国外的机器人品牌借助资深的设计功底和强大的私人定制能力，大部分采用齿轮和同步带的传动方式作为动力传输的方式。为了将机器人体积做的小一些，电机的位置都安置的很靠后。但是国内的机器人厂商由于电机的研发与制造技术不如国外，导致电机尺寸，齿轮的精度，噪音的控制还有装配的经验不足，第五轴和第六轴都采取直连和同步带相连的传动方式，导致腕部尺寸普遍偏大。2.3 机械臂运动机构简图机械臂运动机构简图在设计初期确定机械手的自由度分配以形成运动机构简图，从途中可以看出，旋转基座需要带动整个机器人进行转动，为此设计中承受扭力最大的部件，12图 2.7 运动机构简图2.4 电机及机械结构布局电机及机械结构布局对称式布局中，机械臂传动铰链短，但其底部结构复杂，且大臂尺寸较大，而为了保持整体的重心平衡，使用侧置的传动系统将电机与大臂布置在相反的方向，以使机械臂旋转基座在旋转的过程中保持稳定，增加机械臂整体稳定性能及动作精度。并且底部结构简约，适合负载较轻的机械臂设计。13图 2.8 对称式布局图 2.9 侧置式布局14本次设计机器人侧置结构如下图所示：图 2.10 机械结构布局图图中红色标注部分为电机放置位置，侧置的两只转动伺服电机用来平衡大臂比重。2.5 本章小结本章小结本章主要确定了机器人总体结构设计，包括工作要求，按照工作要求设定各转轴旋转参数，运动机构设计及机械结构布局。在设计过程中充分考虑了机器人工作时所需结构参数，最终得出机器人初步构型简图。三、焊接机器人机腕部结构设计三、焊接机器人机腕部结构设计3.1 腕部结构设计腕部结构设计3.1.1 腕部结构设计要求腕部结构设计要求机械臂腕部结构形式多样，其基本要求如下:1、腕部应拥有相当强度的结构，以保证安装的安全可靠2、腕部应能达成第二章要求的转动灵活度3、腕部应具有与焊接设备所连接的安装支架。 4、腕部应具有结构紧凑、重量轻、转速高等特点，为减少成本，降低其后机械臂负载，应尽量选用较为精简的结构。3.1.2 腕部的结构设计腕部的结构设计15因腕部需安装传动机构以完成其运动要求，所以其可设计成侧式或顶置式，其结构简图如下所示。 侧式 顶置式由上图可以看出，顶置式的结构容易造成顶部应力加大，尤其是在焊接机器人这样手部重量较轻的机械臂中，其顶置式的设计容易导致其设计精度降低，故在这里使用侧式结构进行设计，以下是手腕外部结构图 手腕结构 手腕小臂 图 3.1 腕部结构图163.1.3 手腕的材料选择手腕的材料选择根据要求手腕处应选择强度大、重量轻、价格经济的材料，由于手腕在转动过程中，平行转动轴方向所受的力较小，所以其主体结构可以使用常用碳素钢 45 号钢进行铸造，铸造成本低，铸造后使用机床进行加工并热处理后可满足其结构强度要求。 图 3.2 手腕上图所示绿色部分为分体零件，其无需要求结构强度及耐磨性能，故使用常见的高耐老化性工程塑料。下表 3.1 为几种常见的工程塑料的性能： 表 3.1 工程塑料性能表热变形温度/塑料名称疲劳强度/次710弯曲强度aMP1.86aMP0.46aMP弯曲弹性模量/a103MP低压（高密度）聚乙烯1125404860821.11.4MC 尼龙约 20152171942054.2共聚252791921101682.6甲醛均聚3035981241702.917聚碳酸酯71098106132138-23由上表可以看出，聚碳酸酯虽然疲劳强度不高，结构性能不优越，但是其受热后仍然能保持较好的结构性能，且其抗疲劳能力高，综合性能达标且容易成型，成本低廉。可以满足要求。3.2 腕部传动方式的选择腕部传动方式的选择机器人腕部的传动方式采用机械传动，机械传动种类主要有摩擦传动，带传动，链传动，齿轮传动蜗杆传动，螺旋传动等等。由于齿轮传动有很多的优点：传动平稳，传动比大并且传动精确，传动扭矩也大，传动效率高，使用寿命长，能够达到的功率，速度和运动范围也比其他传动方式大。且完全符合手部机构的传动特点。故，本设计腕部结构采用齿轮传动。本设计采用涡轮蜗杆结构作为传动机构。在电机的带动下，为减少腕部负担将电机至于小臂后侧并使用涡轮蜗杆进行传动。采用这种形式的设计可以使腕部受力大大减小。3.3 腕部电机的型号选择腕部电机的型号选择腕部选用的伺服电机是安川电机，型号系列为 SGMPH 系列四电压200V100V伺服电机型号 SGMPH-01A02A04A08A15A01B02B额定输出KW0.10.20.40.751.50.10.2额定扭矩Nm0.3180.6371.272.394.770.3180.637瞬时最大扭矩Nm0.9551.913.827.1614.30.9551.91额定电流A(rms)0.892.02.64.17.52.22.7瞬时最大电流A(rms)2.86.08.013.923,07.18.4额定转速r/min3000最高转速r/min5000扭矩常数Nm/A(rms)0.3920.3490.5350.6410.6870.1600.258旋转惯性动量 J10Kgm-420.04910.1930.3312.104.020.04910.193额定功率kW/s20.621.049.027.156.720.621.0额定角加速度rad/s26480033000385001140011900648003300018SGMPH 系列伺服电机参数因涉及到变压问题，统一使用 200V 电机，使用 SGMPH-04A3.43.4 涡轮蜗杆选型与计算涡轮蜗杆选型与计算此设计蜗轮蜗杆选用的是深圳日电产三协电子机械有限公司出售的 NMRV025 涡轮蜗杆。机械性时间常数ms0.530.540.360.660.460.560.64电气性时间常数ms3.77.48.618223.66.319减速机结构图IEC 接口键槽传动比（i）NMRVPAM-IECNMpbt57.510152025304050608010002556B14506580310.4孔径（D）56B1450658099999/9999/56B580100120310.499999999999/03063B14607590412.81111111111111111111111112063B59511514056B580100120310.4/999963B1460759063B595115140412.811111111111111111111111171B14708510504071B5110130160516.31414141414141414/63B595115140412.8/111111111171B14708510571B5110130160516.31414141414141414141414/80B148010012005080B5130165200621.819191919191919191919191971B14708510571B5110130160516.3/1414141480B148010012080B5130165200621.819191919191919191919191990B149511514006390B5130165200827.3/242424242424/71B5110130160516.3/1414141480B148010012080B5130165200621.8/191919191919191990B149511514090B5130165200827.3/24242424242424/100/112B14110130160075100/112B5180215250831.3/282828282828/80B148010012080B5130165200621.8/191919191919192190B149511514090B5130165200827.3/24242424242424100/112B14110130160090100/112B5180215250831.3/282828282828/80B5130165200821.8/191990B5130165200827.3/242424242424100/112B5180215250831.3/28282828282828282828/110132B52302653001041.3/38383838/90B5130165200827.3/2424100/112B5180215250831.3/28282828282828130132B52302653001041.3/38383838383838/100/112B5180215250831.3/28282828132B52302653001041.3/383838383838/150160B52503003501245.3/4242424242/蜗轮蜗杆选择表在此我选用了传动比为 1:7.5 的涡轮蜗杆传动，由于齿轮传动摩擦较小可忽略不计，我们选用的SGMPH-04A 型电机的额定扭矩为 1.27Nmm。由蜗轮蜗杆放大后其输出扭矩为1.27N.M7.5=9.525N.M伺服驱动系统中，下面列举几种负载惯量计算方法伺服驱动系统中，下面列举几种负载惯量计算方法1.1 常见物体惯量计算22模型模型 1：长为 L 的细棒，旋转中心通过细棒的中心并与细棒垂直，如下图所示。图 3.3在棒上离轴 x 处，取一长度元 dx，假设棒的质量密度为 ，则长度元的质量为 dm=dx,根据转动惯量计算公式: 得到3/222/2J12lllr dmx dx将 l=m 代入上式，得21J12ml模型模型 2：长为 L 的细棒，旋转中心通过细棒的一端 A 并与细棒垂直，如下图所示。23图 3.4同理可得出3220J3llr dmx dx将 l=m 代入上式，得模型模型 3：半径为 R 的质量均匀的细圆环，质量为 m，旋转中心通过圆心并与环面垂直图 3.524取一长度元 dx，假设棒的质量密度为 ，则长度元的质量为 dm=dl,根据转动惯量计算公式:2Jr dm得到2230J2Rr dmRdlR将 =m/2R 代入上式，得2JmR模型模型 4：质量为 m、半径为 R、厚度为 h 的圆盘或实心圆柱体，绕轴心转动图 3.6取任意半径为 r，宽度为 dr 的薄圆环，设 为圆盘的密度，dm 为薄圆环的质量，则此圆环转到的惯量为：252Jr dm将2dmdVhrdr代入得23401J22Rr dmhr drrh由2mr h可得21J2mR按照此公式，直径为 D 的圆柱体绕中心轴旋转的惯量为：41J32DL其中 L 为圆柱长度， 为密度模型模型 5：丝杆带动的负载惯量2J2bPm注：式中 Pb 为丝杠导程（螺距）在此使用模型 2 计算其转动惯量输出扭矩为 9.525N.M下图姿势为最大扭力26图 3.7 腕部最大扭力姿态在此状态下进行扭矩校核腕部质量为 2.62KG 腕部轴的质量为 10.38KG驱动腕部所需扭力为：2.62KG X 9.8N/KG =25.676N27图 3.8图 3.9腕部长度为 60.83mm输出扭矩为 9.525N.M在侧向力 FN=25.676N 的作用下，显然扭矩满足要求。3.5 齿轮副的强度校核齿轮副的强度校核28图 3.10 齿轮副示意图为便于计算，设所有载荷均由齿顶承受。此设计采用的是直齿圆柱齿轮，齿数 Z=36，模数 m=1 mm，齿宽 b=4mm,分度圆直径d=32mm，齿顶圆 da=34mm，齿根圆 df=30mm，齿形角度 =20，齿轮副的传动比 u=1:1。电机传动的转矩 T100Nmm。故齿轮所受的圆周力为：NdTFt55. 53610022可按齿面接触疲劳强度、齿根弯曲疲劳强度来进行齿轮强度的校核：1、按齿面接触疲劳强度进行校核齿面接触疲劳强度的校核公式为： （3-7） HEHHubdKFZZ11t式中： 为区域系数，对于标准直齿轮=2.5；HZHZ 为载荷系数，此处取=1.8；KK 为弹性影响系数，查得；EZ=188aEZMP 为接触疲劳许用应力 H （3-8） SKHHNHlim其中： 为接触疲劳寿命系数，取=0.95；HNKHNK 齿轮接触疲劳强度极限，查得；limHMPaH550lim 为安全系数，取；S1S29 从而求得：MPaH5 .552 （3-9） MPaMPaHH5.5221.197从齿面接触疲劳强度上来说，齿轮是合格的。2、按齿根弯曲疲劳强度进行校核 本文设计中的齿轮装配方式为一悬臂梁。 齿根危险截面的弯曲强度条件式为：（3-10） FSaFatFFbmYYKF0式中：为齿根危险截面处的理论弯曲应力；0F 为载荷作用于齿顶时的应力校正系数，应取；SaY625.1SaY 为载荷作用于齿顶时的齿形系数，应取；FaY52.2FaY 为弯曲疲劳许用应力为： F （3-11） SKFEFNF式中： 为弯曲疲劳寿命系数，查得=0.88；FNKFNK 为弯曲疲劳强度极限，取；FEMPaFE380 取弯曲疲劳安全系数;4.1S 从而求得： MPaF11.52 MPaF86.238将所有已知量带入(3-7)式，求得： （3-12） MPaMPaFF86.23811.52以上计算可知，设计的齿轮副是合格的。3.6 本章小结本章小结30本章主要介绍了腕部结构的设计，包括了腕部设计的思路、腕部方案的设计、腕部电机的计算与选型、腕部组成部分材料的选择以及齿轮等构件的强度校核。设计出的机械结构达到工作要求。四、机械臂的臂部结构设计四、机械臂的臂部结构设计4.1 臂部结构设计要求臂部结构设计要求手臂是机械手的重要组成部分。它主要用于支撑手部并将其带动，使其在空间上作出相对的运动。为满足此特性应遵循以下要求：1、臂部应承载能力大、刚度好、自重轻运转时机械臂受弯曲和扭转力，抗弯和抗扭截面形式的选择尤为重要。可选取的截面形式主要有工字钢、角钢、槽钢、圆钢、和 H 钢等。2、臂部运动速度要高，惯性要小在正常工作环境下，我们要求手臂是匀速运动的，但手臂在启动和停止的瞬间，运动是发生变化的，为了减少这种变化带来的冲击，要使启动和停止时的加速度不能太大，不然会引起冲击和振动。 可以采取以下措施来减小转动惯量: (1) 减少手臂运动件的重量; (2) 减少手臂运动件的轮廓尺寸； (3) 减少手臂回转半径； (4) 在驱动系统中设置缓冲装置；3、手臂动作应灵活手臂运动件转动时存在摩擦力，会降低手臂的运动性能，所以需要尽可能的减少摩擦力，可以选用摩擦系数较小的材料来当连接件，也可以用滚动摩擦代替滑动摩擦。4、位置精度要高一般来说，关节式机械手位置控制较难、精度较差。在手臂上设置定位装置和检测机构可优化这种情况。4.2 臂部结构的设计臂部结构的设计314.2.14.2.1 臂部材料的选择与结构设计臂部材料的选择与结构设计本设计在臂部材料的选择上依旧使用结构强度高、性能稳定，价格低廉的 45 钢进行制造，因 45 钢可以进行铸造并使用机加工的形式制作各种支撑结构，能够省下大量的分体零件，而将某些分体承重甚至是传动结构集成到臂部。在保证机械臂的刚度的前提下，所以采用砂型铸造，将对大臂内部结构进一步进行优化，并使用砂型铸造进行设计制作，其最小铸造壁厚如表 4.1 所示：表 4.1 砂型铸造铸件最小壁厚（mm）本设计选用铸钢材料，且大臂长 450,小臂长 630mm，宽度不会超过 500，故大臂壁厚确定为10，小壁厚度确定为 17。大臂部分结构图如下：图 4.1小臂部分结构图如下铸件尺寸铸钢灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁铝合金铜合金2002005835463533.535200200500500101241081268466850050015201015122032图 4.24.2.24.2.2 小臂的涡轮蜗杆传动设计小臂的涡轮蜗杆传动设计如下图所示为机器人大臂带动小臂转动处齿轮结构，使用蜗轮蜗杆于齿轮组配合进行传动，从图中可以看出，红色框线内为导向用齿轮，其本身没有减速作用，故只对 1 级减速涡轮蜗杆进行设计校核。图 4.3 蜗轮蜗杆的材料蜗轮蜗杆的材料 本设计中选用的蜗轮蜗杆的材料的强度要有一定的保证，更重要的是要有良好的跑合能力，耐磨能力，有减磨的措施。蜗杆采用合金钢制成，对于传动及低速中载蜗杆，本设计采用 45 钢等，经调质硬度在220300HBS。蜗轮材料的选用：由于要求自锁，所以采用灰铸铁，为了防止变形，一般要对蜗33轮进行表面处理。综合考虑，在本机构中蜗杆采用 45 碳钢调质处理，硬度在 220250HBS，蜗轮采用灰铸铁 HT150。选择蜗杆头数选择蜗杆头数 z1和涡轮齿数和涡轮齿数 z2I=15.16 z1 =2 212 15.1630ziz蜗轮蜗杆齿面接触疲劳强度校核蜗轮蜗杆齿面接触疲劳强度校核在蜗杆传动中，由于材料和结构上的原因，蜗杆螺旋齿部分的强度通常高于蜗轮齿的强度，所以失效常发生在蜗轮轮齿上。在一般情况下，蜗轮轮齿因弯曲疲劳强度不足而失效的情况较少，只有在蜗轮齿数很多或开式传动中，才需要以保证齿根弯曲疲劳强度作为主要计算准则，因此对于闭式蜗杆传动，通常是按齿面接触疲劳强度进行设计，而按齿根弯曲疲劳强度进行校核。 按齿面接触疲劳强度确定模数 m 和蜗杆分度圆直径 d1 221229/EHm dkTZZ1)确定涡轮上的转矩 T2,取 =0.8,则652/115.160.89.55 102.06/9402.54 10TN mmi T2)确定载荷系数 K= KAKVK根据工作条件确定系数KA=1.15 =1.0 K=1.1VK1.15 1.0 1.11.265AVKK K K3)确定许用接触应力 0HNHHK由机械设计手册表查，基本许用接触应力 0200HMPa应力循环次数726060 1 625250 827.44 10hNan L 故寿命系数3477810 / 7.44 10=0.77HNK 0/0.77200154HNHHMPaK4)确定材料弹性系数=160aEZMP5) 确定模数 m 和蜗杆分度圆 d1 2225122160m d /99 1.265 2.54 10346830 154EHZmmKTZ查表取 m=6.3mm，d1=80mm计算传动中心距 a，得涡轮分度圆直径d2=mz2=6.330=189mm所以a=0.5 （d1+d2）=0.5（80+189）=134.5mm135MM150MM满足要求验算涡轮圆周速度 V2、相对滑动速度 VS及传动效率 12228062/0.26360 100060 1000d nvm s所以符合要求得112tan6.30.1680mzd=0.8511 180 940/3.9960 1000 cos60 1000 0.99sd nvm s由 Vs=3.99m/s 查表得当量摩擦角 =147故tan8.950.95 0.960.79 0.80tan 8.95147，35与初值相符。4.3 肘部结构的设计肘部结构的设计4.3.14.3.1 肘部设计的原理及作用肘部设计的原理及作用移动机器人机械臂肘部是用来连接大臂与小臂的机构，通过电机等动力源带动传动机构使两臂能完成相互转动，完成运动传递。肘部的设计使得机械臂空间自由度增加，能完成更多样的运动，变得更加灵活。4.3.24.3.2 肘部材料的选择肘部材料的选择本设计对于选择肘部材料的要求与臂部大都相同，故不再赘述，仍然选用 45 号钢。4.3.34.3.3 肘部传动方式的选择肘部传动方式的选择肘部的传动方式仍选用齿轮传动，考虑到结构的合理性、紧密性与简洁性，这里选用直齿圆柱齿轮传动，主要传动原理为：电机安装方向与小臂旋转方向垂直，且涉及将电机安装位置至于旋转中心，这样的设计可以大大减小传动压力，增加传动机构的可靠性。4.3.44.3.4 肘部电机的型号选择肘部电机的型号选择肘部选用的伺服电机是安川电机，型号系列为 SGMPH 系列36SGMPH 系列伺服电机参数负载重量 M=5kg，同步带轮直径 D=60mm，D1=90mm，D2=30mm，负载与机台摩擦系数=0.003，负载最高运动速度 2m/s，负载从静止加速到最高速度时间 100ms，忽略各传送带轮重量，选择伺服电机。折算到电机轴上的负载惯量：222211566J5kg449LDmDcmD电机驱动负载所需要的扭矩电压200V100V伺服电机型号 SGMPH-01A02A04A08A15A01B02B额定输出KW0.10.20.40.751.50.10.2额定扭矩Nm0.3180.6371.272.394.770.3180.637瞬时最大扭矩Nm0.9551.913.827.1614.30.9551.91额定电流A(rms)0.892.02.64.17.52.22.7瞬时最大电流A(rms)2.86.08.013.923,07.18.4额定转速r/min3000最高转速r/min5000扭矩常数Nm/A(rms)0.3920.3490.5350.6410.6870.1600.258旋转惯性动量J10Kgm-420.04910.1930.3312.104.020.04910.193额定功率kW/s20.621.049.027.156.720.621.0额定角加速度rad/s264800330003850011400119006480033000机械性时间常数ms0.530.540.360.660.460.560.64电气性时间常数ms3.77.48.618223.66.337克服摩擦力所需转矩215 9.8 0.003 0.03 /30.0015 m2fDDTmgND加速时所需转矩21121ma50.031 m20.13DDTND所需转矩11fTTTNm计算电机所需要转速12260319113.140.06VDNrpmDD选定电机方案：由上述计算结果, 因涉及到变压问题，确定统一使用 200V 电机，使用 SGMPH-15A使用合理的惯量比对整个运动系统的动态性能有很大的提升。4.44.4 本章小结本章小结本章主要是对机械臂臂部的结构进行了设计计算，包括了大臂、小臂与肘关节的设计。大臂小臂的设计主要注意材料的选择和壁厚与臂宽等。肘部关节的设计包含了电机的选型计算等。在满足设计要求的前提下，应尽量使结构强度高、结构整洁紧密，合理的结构更能较好的完成工作。五、机器人本体静力学分析五、机器人本体静力学分析5.1 静力学分析静力学分析如下图所示位置，为机器人所受最大扭矩，此时，需对 1R 、2R、3R 进行结构强度分析，并对 1R、2R、3R、4R、5R 进行扭力扭矩分析。4R、5R 因其力臂较小，若 3R 无风险则4R、5R 处结构亦无塑性变形风险。38为了对其进行静力学测算，对机器人外形进行建模，并导入 Solid works 进行质量测算，本机器人结构件使用 45 钢进行铸造，并对电机等进行质量设定，制作出静力学分析模型如下：图 5.1对其使用质量工具进行测算，得出结果如下：39对 1R 处所受扭矩进行测算：1R 处所受扭力最大，对 1R 进行分析，1R 所受垂直应力为 1R 之后所有部件重量，如下图所示图 5.2Fy 方向应力与其运动方向垂直，应力对扭转无影响可不做考核图 5.340Fx 方向应力与其运动方向平行，计算器最大扭力，首先使用 Solid works 分析其质心位置，如下图图 5.4使用测量工具测出质心与旋转中心尺寸坐标图 5.5对其进行扭矩计算：41底座第一关节绕坐标系 Z 轴旋转，承受扭矩较小，主要承受弯矩，对第一关节受力分析，以底座中心为原点在 solid works 环境下得出前几关节总质量为 293.32kg，与转动关节处相距651.29mm，电机承受最大弯矩为 582.54N*m。第二关节受力分析（去除腰部），以第二关节电机轴同第三关节连接面所在面为中心原点，可测得前几关节总质量为 79.74kg，质心坐标为（512.34,99.54,4.98）绕 y 轴最大扭矩为408.54N*m，绕 x 轴最大扭矩为 79.37N*m。 第三关节受力分析（去除大臂），以第三关节电机轴同第四关节连接面所在面为中心原点，可测得前几关节总质量为 58.58kg，质心坐标为（150.66,129.05,0）绕 y 轴最大扭矩为88.06N*m，绕 x 轴最大扭矩为 75.43N*m。 第四关节受力分析（去除小臂），以第四关节电机轴同第五关节连接面所在面为中心原点，可测得前几关节总质量为 14.21kg，质心坐标为（237.48,0,0）减速器承受最大弯矩为33.72N*m。 第五关节受力分析（去除手腕），第五关节电机轴同第六关节连接面所在面为中心原点，可测得前几关节总质量为 5.92kg，质心坐标为（58.74,0,0）减速器承受最大扭矩为 3.48N*m。 第六关节受力较小，可不作分析。5.2 本章小结本章小结本章对机器人最大扭矩状态下的零件进行了静力学分析，以现有六自由度机器人外形结构为基础，通过简化外部模型，同时在 Solid works 环境下查看各关节及整体重心，并且在计算各个关节受力的同时重新设置新的原点以便求解出的力矩大小的准确性。同时在大臂、小臂连接处考虑到实际布局和重心尽量后移，使其整体布局更加合理。六、机器人本体结构模型六、机器人本体结构模型6.1 本体结构三维模型本体结构三维模型此处为机器人本体模型外形，根据设计书前期选型对其内部进行建模加工：42 图 6.1机械手各部件构成概述如下： （1）底座：基座可由紧固螺栓固定于地面方便末端定位及作业，以 1 号电机轴为中心，腰部及其以上部件绕基座旋转。（2）腰部：腰部部件包括 2 号伺服电机 、轴承传动、电机内置一级齿轮减速，其绕基座旋转，并可完成大臂回转运动。 （3）大臂：大臂与小臂通过直插式进行连接，轴承传动，大臂能在 YZ 平面进行旋转，主要作用为调整机器人姿势并。（4）手腕：腕部为三电机空间布局，通过涡轮蜗杆啮合传动实现手部俯仰和回转运动，电机空间布置很大程度上决定小臂外形大小。其中伺服电机输出轴同涡轮蜗杆减速机直接连用，考虑手部需实现俯仰及转动，本方案设计中我们采用三个电机并排布置的设计方式，达到传动要求 43（5）手部：手部万能安装盘适合各类喷枪。（6）焊枪：采用 RM-82 焊枪6.2 底座部分建模及结构设计底座部分建模及结构设计底座部分设计分为结构强度设计、安装孔及安装面设计、链接结构设计。因底座所需扭矩较大，使用集成减速机构电机实现转动。安装面设计如下图所示：图 6.2使用等边三角形设计，双安装孔结构可以使得安装牢固，因使用铸造工艺进行制造，故设计中多使用壁厚较厚的结构，并做圆形加强筋及矩形固定平台。底座需要保持相当的强度，所以起尺寸设计较大，其外部尺寸如下图所示图 6.3底座与机器人腰部电机进行连接，连接方式为柱销连接，结构如下图所示44图 6.4与腰部旋转部件连接安装后如下图所示： 图 6.56.3 腰部回转件建模、结构、及运动分析腰部回转件建模、结构、及运动分析图 6.6如图所示，为腰部回转支座，其形态之所以设计成上图形式，主要由以下几点设计思路决定：45机器人使用偏置式的机构配置，腰部做为第一自由度，其扭矩比重大，此种设计将电机置于基座中央，不但省去了基座弯力的校核，更能够使第一轴拥有足够大的电机来提供稳定的动力，此结构设计能大大增强机械臂的稳定性1、 第一轴的运动为运动范围运动速度轴 1185156/s运动类型为 370回转运动，伺服电机固定在腰部回转支座中心，伺服电机的输出轴由过盈配合的锥销及轴承固定在底座上第一轴运动时，伺服电机输出轴转动，带动电机本体及除底座外其余结构进行运动。运动方向示意图如下所示图 6.76.4 大臂的建模、结构、及运动分析大臂的建模、结构、及运动分析1、大臂作为主要承重结构，主要承受自身及其以上结构所造成的扭矩，并在机械臂前倾至 90时达到最大，详见结构强度校核部分。 图 6.8 图 6.9462、如上图所示，图 1 为大臂与旋转支座连接部分，由一对齿轮副组成，伺服电机链接的齿轮带动固定在旋转支座上的小齿轮转动，从而将力传动至大臂内齿，带动大臂转动，采用中间轮传动的意义在于保证传输精度并调整输出扭矩大小。图 2 所示为大臂与小臂相对运动的传动机构部分，此传动机构主要有两部分组成，第一部分蜗轮蜗杆部分，主要为电机输出进行减速，第二部分为齿轮组部分，除齿轮 1 外，其余齿轮通过轴承固定在小臂上，齿轮 1 通过轴承固定在大臂上图 2 部分传动顺序为电机带动蜗杆转动，蜗杆带动涡轮，涡轮通过传动杆将力传递到齿轮 1，齿轮 1 与小臂内齿同时与传动杆啮合，从而实现机器人小臂的转动。3、第二轴及第三轴的运动方向如下图所示图 6.106.5 小臂的建模、结构及运动分析小臂的建模、结构及运动分析1、小臂结构为腔体式结构，下图为透视图47图 6.112、因小臂所承受力矩较小，但在焊接过程中需要较高的旋转精度，所以使用 1 级涡轮减速机构，传动比高，传输精确，是涡轮传动的特点，如图所示，电机置于小臂一侧，且蜗杆穿过小臂中心。腕部结构通过螺栓固定在小臂上部，并通过轴承限定纵向位置，以完成转动。3、第四轴运动方向如下图所示图 6.12486.6 腕部的建模、结构及运动分析腕部的建模、结构及运动分析图 6.13腕部结构装有小型高精度电机，用来控制手腕的运动，位于腕部一侧，其传动原理与小臂传动原理相仿，在此不再赘述。其运动方向如下：图 6.146.7 手部结构设计手部结构设计1、手部结构所受应力最小，但其需求运动精度最高，故使用直插式的结构进行装配，技能保证扭矩又不会损失伺服电机精度，其透视结构如下。49图 6.15七、焊枪的选择七、焊枪的选择选择 RM-82W 焊接枪头德国 TBi 机器人焊枪特点：1. 更高效的生产能力：德国 TBi 机器人焊枪采用高强度不锈钢枪体使 TBi 焊枪具备了独一无二的坚固和防撞功能，能有效降低机器人停机维护时间，TBi 焊枪不锈钢枪体焊枪无须任何校枪工具。2.可靠的引弧技术：由于德国 TBi 机器人焊枪特有的焊丝强迫接触设计，即使是使用德国 TBi 焊枪直枪颈，也能够取得很好的焊接效果。3.减少维护时间：德国 TBi 机器人焊枪独有吹扫气体通道，能吹走部分焊渣并冷却枪体。德国 TBi 焊枪易耗品（专利五星导电嘴等）枪颈、电缆等超长寿命。一般情况下，无须重新调枪颈和机器人的位置。4.系统中的所有部件出于同源：德国 TBi 机器人机器人焊枪的所有部件均来源于德国先进的焊枪工艺技术使德国 TBi 焊枪所有部件配合的天衣无缝适合适用于各种高强度的工业焊接要求5.大量的节省保护气体：德国 TBi 机器人焊枪的制造工艺根据枪型和工艺的不同，TBi 焊枪每分钟的保护气体消耗量仅为 6-8 升，与其它厂商的同类产品相比，具有不可比拟的突出优势。 50德国 TBi 机器人焊枪品牌已将气体保护焊枪