资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共40页)
编号：97007710
类型：共享资源
大小：6.70MB
格式：ZIP
上传时间：2020-10-05
上传人：QQ14****9609
认证信息
个人认证
郭**（实名认证）
陕西
IP属地：陕西
45
积分
- 关 键 词：
-
焊接
机械手
设计
13
CAD
- 资源描述：
-
焊接用机械手设计含13张CAD图,焊接,机械手,设计,13,CAD
- 内容简介：
-
焊接用机械手设计摘 要在中国制造2025的大时代背景下，制造业的高速发展在我国科技创新领域显得至关重要，工业机器人在生产制造中不仅可以解放劳动力，而且在极大程度上提高生产效率，我国又一次掀起了工业机器人极速发展的浪潮。本次毕业设计选题为焊接用机械手设计，重点在其结构设计，经过查阅多个焊接机械手的成图及相关文献资料，设计出满足精度且在一定范围内工作的机械手。设计的焊接用机械手分为底座、大臂、小臂、腕部四个部分，共有5个自由度分别是腕转、腕摆、小臂转、大臂转、腰转。腕转是通过液压控制液压缸进行转动，腕摆是通过电机和减速器带动链轮进行传动，小臂、大臂和底座的转动均由伺服电机和谐波齿轮减速器带动。在设计过程中涉及到伺服电机、减速器、液压缸、轴承、键、销轴、螺钉等标准件的选用，也涉及到轴、油路、外壳等部分的设计及校核。设计完成后，对机械手进行了运动学和动力学分析，分别得出机械手的正向和逆向运动学分析的解，以便进行下一步的控制系统的设计及编程。关键词：焊接；机械手；设计；运动学AbstractIn the background of the great age of the made in China 2025, with the rapid development of manufacturing industry in our country, the field of science and technology innovation. Industrial robot in production not only can liberate the workforce, but also can greatly improve the production efficiency. China has raised the rapid development of industrial robot once again.The graduation design title is welding manipulator design, focus on the structure design. Through access to many of the welding manipulator drawings and related literature, design a manipulator which can meet the precision and work within a certain range. The design of the welding manipulator is divided into four parts: the base, the large arm, the little arm and the wrist. It has five degrees of freedomthe rotating of the wrist, the swing of the wrist, the rotating of the large arm, the rotating of the little arm and the rotating of the base. The rotating of the wrist is controlled by hydraulic cylinders, the swing of the wrist is driven by motor and speed reducer drive sprocket. The rotating of the little arm、large arm and the base is both driven by motor and reducer. In this design process involves the selection of standard parts, such as servo motor, reducer, hydraulic cylinder, bearing, key, pin shaft, screws. There also involves the design and check of the shaft, oil pipe, casing and other parts of manipulator.After the design has completed, the kinematics and dynamics analysis of the manipulator are carried out. The forward and inverse kinematics analysis of the manipulator is obtained, which is the basis for the design of the control system of the manipulator.Key words: welding; manipulator; design; kinematics目 录引 言1第一章 焊接机械手的总体设计31.1 机械手的组成31.2 机械手自由度和坐标型式31.3 机械手的主要参数4第二章 手部及腕部结构62.1 手部结构62.2 腕部结构72.2.1 液压马达的选用82.2.2 键的选用82.2.3 伺服电机与减速器的选用82.2.4 链传动的设计92.2.5 管路的设计112.2.6 轴的设计及校核11第三章 手臂结构133.1 小臂结构133.2 大臂与小臂连接部分153.2.1 伺服电机与减速器的选用153.2.2 轴的设计及校核153.3 大臂结构163.3.1 伺服电机与减速器的选用173.3.2 轴的设计及校核18第四章 底座结构204.1 底座结构204.2 伺服电机与减速器的选用21第五章 机器人的运动学235.1 机器人的运动学235.1.1 机器人的正向运动学235.1.2 机器人的逆向运动学25结 论27参考文献28谢 辞29引 言 “机器人”一词最早出现在1920年，著名捷克剧作家和科幻文学家 Karel Capek的剧本 Rossums Universal Robots,在该剧中作家塑造了具有人类外表及特征的机器人仆人“ Robota ”，它自愿像奴仆一样为人类服务。随着时代的发展，机器人不只是像剧本中描写的那样进行劳动，而是逐步发展成为了综合人和机器特长的一种拟人的电子机械装置。这种装置结合了人的分析判断能力和机器的精确度高、抵抗恶劣工作环境的能力。ISO采纳美国机器人协会RIA的建议，给机器人定义如下：机器人是一种可反复编程和多功能的用来搬运材料、零件、工具的操作工具，为了执行不同任务而具有可改变和可编程的动作的专门系统3。机器人高级整合了机械电子、控制论、计算机、机构学、材料学、仿生学、人工智能，在当代应用领域日益扩大。在20世纪70年代初，工业机器人在全世界掀起了高潮，尤其是在日本，工业机器人的出现极大弥补了逐渐减少的劳动力，在这种大时代背景下，我国开始研发工业机器人。20世纪80年代后，改革开放带来的高新技术使工业机器人技术的研发得到了国家的支持，“七五”期间，研发了点焊、弧焊、搬运机器人，863计划研制了一大批特种机器人。20世纪90年代起，我国掀起了经济体制改革和技术进步的潮流，先后研发了装配、切割、码垛等多种工业机器人。伴随我国工业生产模式的飞速发展，车间自动化程度的显著提高，工件的焊接、装配、搬运、装卸等操作均由工业机械手完成，故而机械手在工业生产中的作用已经变得愈发重要。机械手是模仿人手的部分动作，按照既定轨迹及程序实现自动搬运、抓取及进行一系列操作的自动机械装置4。从制造出第一台焊接机器人以来，焊接机器人已经发展了三代，第一代机器人是示教再现式的，发展到第二代机器人是携带传感器并且可以自行离线编程的，再到第三代焊接机器人是带有多传感器自动编程的高度自动化机器人，焊接机器人发展的迅速程度已经成为衡量一个国家工业焊接自动化的标志之一。焊接机器人可以极大的减少对工人的伤害，改善劳动环境，解放一部分劳动力，极大程度上保证焊接产品的质量，提高生产效率。我国工业机器人数量较大且逐年上升，焊接机械手在其中所占比例也逐渐增大，但本国自主研发的机器人较少。2013年，中国工业机器人的安装量为36560台，中国供应商9000台，虽然比2012年增加59%但仅占安装量的0.024%。工业机器人中焊接机械手占36%，搬运机器人占40%，汽车行业占39%，电气/电子行业占18%5。国内企业应用较多的焊接机械手分别从日本和欧洲引进。随着国家科技的进步，在2015年国产焊接机械手的销量约为3784台，大幅度增长为占中国焊接机械手市场的百分之三十，但另外百分之七十以上的焊接机械手市场仍被外国品牌占据。 本次毕业设计所采用的方法主要是搜集已量产的焊接机械手中较好的结构进行学习，主要参考了1980年的工业机械手设计基础、机器人技术基础及应用、PUMA机器人及一台中国已制造出来的焊接机械手等，通过分析其构成及运动原理进行的五自由度机械手设计，对设计的焊接用机械手进行了正向和逆向的运动学分析。本次毕业设计中可能会出现的问题如下：由于缺乏实物的拆装及实体认知，可能对某些空间结构理解并不透彻，导致设计进入瓶颈及绘图出现较大问题；设计经验的不足则会导致设计的布局上出现结构不紧密及互换性较差的问题；没有进行软件的模拟与仿真，不能确定装配后是否会发生干涉，在真实运动情况下是否满足使用要求及精度要求，某些结构是否可以继续简化。本次毕业设计未解决的问题如下：设计的焊接用机械手未进行模拟仿真；对机械手进行了运动学分析，未按照分析的结果继续进行控制系统的设计；机械手的底座和回转体结构过于庞大不紧凑，容易产生静载荷；大臂的外壳没有采用特定的样条曲线，在加工上可能会出现一定的困难；设计采用的谐波齿轮减速器和伺服电机型号尺寸较大，整体扩大了机械手的结构。第一章 焊接机械手的总体设计1.1 机械手的组成机械手的4个组成部分分别是：执行机构、驱动系统、控制系统及位置检测装置。执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的机械手还设有行走机构，如轮式机械手和履带式机械手。对于本次毕业设计的焊接机械手来说，其手部结构记为焊枪，手腕是连接手部和手臂的部件，手臂是支承手腕和手部的部件，机座起支承和联接机械手执行机构的各部件和驱动系统的作用。驱动系统是一种驱动机械手执行机构运动的传动装置，常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动4种。本次毕业设计手腕采用液压传动，手臂及机座均采用电力传动，采用直流伺服电机。控制系统的任务是按照机器人的作业指令及从传感器反馈回来的信号对执行机构发出指令，当动作发生错误或故障时发出报警信号，控制系统分为电气控制和射流控制两种，本次毕业设计采用电气控制。位置检测装置控制机械手执行机构的位姿，并将其实时位姿反馈给控制系统，控制系统将其实时位姿与既定任务中的位姿进行比较，经过调整后使得执行机构在一定精度内达到指定位置。1.2 机械手自由度和坐标型式每一个构件相对于固定坐标系所具有的独立运动称为自由度，自由度是机械手设计中的主要参数，衡量机械手技术水平的指标是自由度的多少，自由度数目越多，机械手可以完成的动作越复杂，应用范围就越广，但其控制系统和机械结构将会变得更加地复杂，制造及维修成本较高；自由度较少虽然在制造技术容易达到，使用成本较低，维修方便，但其通用性较差。本次毕业设计采用的自由度数目是5个，分别是腕转、腕摆、小臂转、大臂转、腰转。按照机械臂的不同运动形式及组合，机械手的坐标型式可分为：直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式、关节式。本次毕业设计采用关节式，其工作范围较大，通用性强，空间运动范围较广，对于大型的汽车及航天机械也可进行焊接，其结构简图如下图所示。图1.1关节式结构简图1.3 机械手的主要参数表1.1 机械手的主要参数自由度5个持重4kg最大速度腕转120/s腕摆110/s腰前部回转180/s臂上下100/s腰回转重复定位精度0.25mm驱动装置直流伺服电机位置检测绝对编码器行程范围手臂回转行程大于180表1.2 机械手的技术参数驱动直流伺服电机焊枪控制液压传动控制器绝对编码器承载能力200kg手腕中心距离1747mm直线最大速度0.8m/s功率要求1.8kW重量200kg第二章 手部及腕部结构2.1 手部结构手部结构是机械手用来操作、安装、移动被夹持物件或夹持专用工具，如焊枪、喷枪等进行操作以完成既定工作任务的结构。它一般安装在机械手的最前端，模仿人手部的动作。焊枪连接部分如图2.1所示：焊接用机械手的腕部顶部联接盘类零件6，用螺栓连接一把焊枪1，方便焊枪1的随时替换，且可以替换成其他夹持装置或专用工具，通用性较强，扩大了机械手的使用范围。焊枪连接部分的盘类零件6和轴7采用螺栓连接，盘类零件6与套类零件5、套类零件5与螺纹套2均通过螺栓连接，外壳4与静止的壳体相连接，内部设有深沟球轴承，焊枪1尾部通过螺栓连接伸入连接部分的内部，焊枪1为已制造出的成品，通过电线联接电源。图2.1 联接焊枪结构1.焊枪；2.螺纹套；3.透盖；4.壳体；5.套类零件；6.盘类零件；7.轴2.2 腕部结构手腕装在整个机械手的最前端，它的精度直接受到手臂的定位精度的影响，是整个机械臂综合定位精度的反映。设计手腕时，需要注意手腕的结构要设计的紧凑和简单，在满足精度的情况下尽量减轻手腕的重量，以达到机械手的使用要求和定位精度。手腕的自由度有两个，分别是回转运动和上下摆动，手腕的回转运动是液压传动控制，由液压缸的回转运动带动手腕的回转，以达到腕转的目的。摆动液压马达的转轴还可以通过设计的结构用来连接焊枪，这种结构布置会使结构变得紧凑，整个手腕重量减轻。在设计过程中，液压油在手臂内部进入手腕，控制手腕的回转运动，这样在手腕进行摆动时，油管不会产生扭转，提高其使用寿命，手腕的上下摆动通过伺服电机和谐波减速器减速后经链轮传动带动手腕的上下摆动，以达到腕摆的目的。这样设计可以简化手腕的结构，提高机械手的灵活性，一般关节式机械手的手腕均具有旋转和摆动两个自由度。手腕两个自由度的详细分析如下：液压油经进油口进入手腕后，通过油管进入到回转式液压缸6内，推动两个叶片进行回转，进而带动中间的轴进行旋转，轴进而通过焊枪连接部件8进行旋转，从而达到手腕的回转运动。手臂内部的伺服电机经谐波减速器降速后，主动链轮带动从动链轮3进行同步转动，链轮3经过键连接带动轴2进行旋转，轴2与套类零件5通过螺栓连接，带动整个手腕进行既定的摆动。图2.2 手腕结构1.小臂外壳；2.轴；3.链轮；4.手腕；5.套类零件；6.腕转缸体；7.动片；8.焊枪连接部分2.2.1 液压马达的选用本次设计选用的是摆动液压马达，也称回转式液压缸，当输入压力油时，两个叶片进行摆动，回转式液压缸具有输出转矩大、摆动角速度小的特点。液压系统选用开式回路，选用普通液压油，初定系统压强为p=100160105Pa，选为130105Pa，容积效率和机械效率均取0.9。TLMAX为最大负载转矩，nMmax为最高转速，VM为液压马达的排量，qM为输入液压马达的最大流量. TLMAX=GL=4103=120Nm (2-1) VM=2TLMAX(p-pb)Mm=212013-11060.9=69.813210-6m3/r (2-2)nMmax=1201s=120360r160min=20r/min (2-3)qM=nMmaxVMMV=69.813210-6103200.9=1.5514L/min (2-4)根据执行机构的最大速度和已选定的液压泵最大流量计算液压缸内径DD=8.74qvv=8.741.551410-312=0.0994m (2-5)根据缸筒内径尺寸系列圆整成D=100mm，根据工程机械用标准液压缸的缸体外径系列，系统压力p=130105Pa，选用液压缸外径为121mm。销轴一般是双面受剪，销轴直径计算如下，（对于45钢，销轴的许用切应力为70MPa）：d=0.64F=0.64380070106=0.0059m (2-6)根据销轴的标准直径，选用销轴直径d=6mm，长度l=23mm。2.2.2 键的选用液压马达与轴采用平键连接，轴径d=70mm，选取平键截面bhL=20mm12mm39mm，配合采用H7/k6。假定工作载荷在键的受力面上均匀分布,则普通平键应满足的强度条件为:p=2000Tkldp, p=100120MPap=2000Tkld=200012063970=14.6520MPap (2-7)2.2.3 伺服电机与减速器的选用伺服电机选用EDSMF-2T110-04C，额定功率0.8kW,额定转速2000r/min，额定力矩4Nm，其安装尺寸如下图所示：图2.3 电机安装尺寸图2.4 腕转伺服电机具体安装尺寸工业机器人的减速器一般采用谐波减速器，本次设计采用杯型（B型）谐波齿轮减速器。n=110s=110360r160min=18.33r/min (2-8)i=200018.33=109.1107 (2-9)根据减速比的大小及综合考虑减速器的安装尺寸，选用XB-120-100B，减速比为100，模数0.15，额定输出力矩为6Nm。2.2.4 链传动的设计P=0.80.83=0.664kW (2-10)n1=2000100=20r/min (2-11)查得谐波齿轮减速器效率约为83%，链传动的功率P=0.664kW，转速n1=20r/min，传动比i=1，工作载荷较为平稳，中心线呈水平布置，无张紧装置。选取链轮齿数，去小链轮齿数为21，则大链轮齿数也为21。查得工况系数KA=1.0，查得主动链轮齿数系数KZ=1.22，单排链，则计算功率为：Pca=KAKZP=1.01.220.664=0.8100kW (2-12)根据Pca=0.8100kW，n1=20r/min，和PcaPc，查A系列、单排滚子链额定功率曲线可得选用8A，根据滚子链规格和主要参数可得节距p=12.7mm。初选中心距a0=（3050）P=（3050）12.7=381635mm，取a0=400mm，则相应的链长节数为：LP0=2a0p+z1+z22+(z2-z12)2pa0=83.99 (2-13)取链长节数为Lp=84。v=n1z1p601000=202112.7601000=0.0831m/s (2-14)由v=0.083m/s和链号8A，查润滑范围选择图可知，链传动采用定期人工润滑。有效圆周力:Fe=1000Pv=10000.86640.0831=7990.3730N (2-15)查表可知，水平布置的链轮时压轴力系数KFp=1.15，则压轴力为：FP=KFpFe=1.157990.3730=9188.9290N (2-16)主要设计结论：链条型号为8A-1，链轮齿数z1=z2=21，链节数LP=84,中心距a=400mm。链轮的主要尺寸如下所示：分度圆直径 d=psin180z=12.7sin18021=85.21mm (2-17)齿顶圆直径 da=p0.54+cot18021=91.1169mm (2-18)齿根圆直径 df=d-dr=85.21-7.92=77.29mm (2-19)最大齿根距离 Lx=dcos90z-dr=85.21cos9021-7.92=77.05mm(2-20)尺侧凸缘 dgpcot180z-1.04h-0.76 =12.7cot9021-1.0412-0.76=71.0189mm (2-21)表2.1 链轮的主要尺寸参 数尺寸分度圆直径85.21mm齿顶圆直径91.12mm齿根圆直径77.29mm最大齿根距离77.05mm尺侧凸缘71mm2.2.5 管路的设计液压传动中的一般用的管子是钢管、胶管、塑料管和铜管。本次设计采用普通精度的钢管和焊接式的管接头，钢管可承受较大的压力，用于装配位置方便的地方，价格低廉，但安装时需注意弯曲半径不能过小，弯曲半径过小的话，会造成管子的破损，破裂，造成液压油的泄露，甚至使液压系统的工作过程发生危险，如在本次设计中就容易造成焊枪工作精度降低，甚至破坏到非焊接表面。选用钢管的公称通径为6mm，钢管外径10mm，管接头连接螺纹为M81，根据公称压力p=130105Pa，管子壁厚为1mm，钢管弯管的最小曲率半径为50mm，支架最大距离为400mm。2.2.6 轴的设计及校核轴的材料选用45钢，调质处理，A0=126103，选取A0=11,0，初步估算轴的最小直径：P=0.80.83=0.664kW (2-22)n1=2000100=20r/min (2-23)dminA03Pn=10030.66420=29.1401mm (2-24)轴上零件的布置如图2.5所示：第一段轴是螺纹轴，轴上有圆螺母，规格为M301.5，直径圆整为d1=30mm，l1=20mm；第二段轴上有链轮，d2=30mm，l2=13mm，链轮的轴向定位一侧采用圆螺母，一侧采用轴肩定位，其周向定位采用平键定位；第三段轴d3=40mm，l3=50mm；第四段轴上有深沟球轴承，d4=45mm，l4=20mm；第五段轴是不规则形状的轴，d5=107mm，l5=125mm，其内部有一直径为18mm长度为30mm的孔及直径11mm的通孔，用作放置M10的内六角螺栓，内部还会通过孔6，以放置旋转轴；第七段轴上有深沟球轴承、密封圈及油管，d7=45mm，l7=117.5mm，轴内部有孔以布置油路。图2.5 手腕轴上的零件布置第三章 手臂结构手臂的结构形式与机械手的自由度数目、运动速度、运动方式、定位精度及工作范围相关，设计手臂结构除了考虑这些以外，还需要考虑其他的因素：设计时应将手臂尽量设计成刚度高且重量轻的样式，因此要合理选择手臂的截面形状，防止产生过大的变形，减小手臂对回转轴的额转动惯量；运动速度平稳但惯性小，手臂运动速度较高，引起的冲击力较大，导致运动不平稳且精度不高，故手臂应该设计的结构紧凑且具有一定的缓冲装置；手臂的传动准确、动作灵活；高温环境作业的机械手，还应对手臂进行必要的冷却，防止温度过高影响使用性能。手臂结构设计的合理性，影响到手腕的定位精度，将极大关系到机械手的整体工作性能。3.1 小臂结构小臂结构如图3.1所示：小臂外侧用壁厚为20mm的外壳1和7包裹，外壳1与手腕部分9用螺栓连接，伺服电机6经谐波齿轮减速器5减速后，带动盘类零件4进行旋转，盘类零件4带动轴2进行旋转，经键连接带动主动链轮3进行旋转，主动链轮3带动从动链轮8进而带动手腕部分9进行摇摆。小臂外壳1用多个M8的螺栓连接而成，保护小臂内部结构不被腐蚀，以提高焊接机械手的寿命。由于小臂左侧的放置控制手腕上下摆动的电机，故小臂外壳7结构突出一部分。小臂与大臂连接部分结构如图3.2所示：伺服电机与盘类零件1、盘类零件2与盘类零件1经螺栓连接固定于大臂外壳上，伺服电机通过键连接将转矩传递到盘类零件1和2上，盘类零件2与套杯3之间放置深沟球轴承，套杯3与谐波减速器4的刚轮和小臂根部7连接，从而带动小臂转动，谐波减速器4的柔轮经套类零件5和轴端挡板6固定在大臂外壳上，保证谐波减速器4柔轮的静止。小臂根部7与小臂外壳8通过螺栓连接后带动小臂进行俯仰运动。图3.1 小臂结构1.小臂外壳；2.轴；3.主动链轮；4.盘类零件；5.谐波齿轮减速器；6.伺服电机；7.小臂外壳；8.从动链轮；9.手腕部分图3. 2 大臂与小臂连接部分1.盘类零件；2.盘类零件；3.套杯；4.谐波减速器；5.套类零件；6.轴端挡板；7.小臂根部；8.小臂外壳3.2 大臂与小臂连接部分3.2.1 伺服电机与减速器的选用伺服电机选用EDSMF-2T130-100D，额定功率1.5kW,额定转速1500r/min，额定力矩10Nm，其安装尺寸如下图所示：图3.3 大臂与小臂连接部分的伺服电机大臂与小臂连接部分地减速器采用杯型（B型）谐波齿轮减速器。n=100s=100360r160min=16.67r/min (3-1)i=150016.67=89.98 (3-2)根据减速比的大小及综合考虑减速器的安装尺寸，选用XB-160-100B，减速比为100，模数0.8，额定输出力矩为1000Nm。3.2.2 轴的设计及校核轴的材料选用45钢，因为轴只受伺服电机带来的扭矩，按照扭转强度确定轴的最小直径。dmin395501000P0.2Tn=A03Pn=14.1283mm (3-3)圆整为d1=15mm，l1=15mm；d2=15mm，l2=20mm，轴上装有滚针轴承K 151720及轴端挡圈，滚针轴承的轴向定位一侧采用轴肩定位，一侧采用套筒及轴端挡圈定位；d3=19mm，l3=40mm；d4=28mm，l4=8mm；d5=28mm，l5=100mm，其上有套杯及轴端挡圈，套杯上有深沟球轴承6021支承柔轮，深沟球轴承内圈一侧由轴端挡圈定位，一侧由套杯定位；d6=36mm，l6=10mm；d7=30mm，l7=50mm，两段轴内均有22mm的孔，孔内有键槽，以供电机轴装入后带动轴旋转，最后一段轴径上装有轴承6006，轴承内外圈分别用挡圈定位。图3.4 大臂与小臂连接部分轴根据上述分析可知轴只受扭矩的作用而没有弯矩，作扭矩图如下图所示：图3.5 大臂与小臂连接部分轴的扭矩图校核轴上的扭转应力，应满足T，轴材料为45钢，调质处理，可查得=740MPa，校核如下：T=TWT=20000.2d3=10000.2(2810-3)3=227.7697MPa (3-4)校核此轴安全。3.3 大臂结构设计大臂时，在保证大臂刚度的条件下，为节省材料，为大臂设计出Y型的形状，且在大臂内部设有放置电线的板和使电线通过的孔。大臂与小臂的连接部分放置与大臂末端处的U型接口处，电机通过法兰连接在大臂上，谐波齿轮减速器的柔轮被固定，经减速后刚轮带动小臂进行俯仰运动。图3.6 大臂外形3.3.1 伺服电机与减速器的选用伺服电机选用EDSMF-2T130-077B，额定功率2.0kW,额定转速2500r/min，额定力矩7.7Nm，其安装尺寸如下图所示：图3.7 大臂与底座连接部分伺服电机大臂与小臂连接部分的减速器采用杯型（B型）谐波齿轮减速器。n=100s=100360r160min=16.67r/min (3-7)i=250016.67=149.97 (3-8)根据减速比的大小及综合考虑减速器的安装尺寸，选用XB-200-150B，减速比为150，模数0.8，额定输出力矩为2000Nm。3.3.2 轴的设计及校核轴的材料选用45钢，因轴只受伺服电机带来的扭矩，按照扭转强度确定轴的最小直径。dmin395501000P0.2Tn=A03Pn=14.1283mm (3-9)圆整为d1=15mm，l1=17mm；d2=15mm，l2=20mm，轴上装有滚针轴承K 151720及轴端挡圈，滚针轴承的轴向定位一侧采用轴肩定位，一侧采用套筒及轴端挡圈定位；d3=19mm，l3=60mm；d4=30mm，l4=8mm；d5=28mm，l5=125mm，其上有套杯及轴端挡圈，套杯上有深沟球轴承6026支承柔轮，深沟球轴承内圈一侧由轴端挡圈定位，一侧由套杯定位；d6=36mm，l6=8mm；d7=30mm，l7=52mm，两段轴内均有22mm的孔，孔内有键槽，以供电机轴装入后带动轴旋转，最后一段轴径上装有轴承6206，轴承内外圈分别用挡圈定位。图3.8 大臂与底座连接部分轴根据上述分析可知轴只受扭矩的作用而没有弯矩，作扭矩图如下图所示：图3.9 大臂与底座连接部分轴的扭矩图校核轴上的扭转应力，应满足T，轴材料为45钢，调质处理，可查得=740MPa，校核如下：T=TWT=20000.2d3=20000.2(2810-3)3=455.5394MPa (3-10)校核此轴安全。第四章 底座结构4.1 底座结构底座是支承整个机械手的装置，将其固定于地面，它仅具有一个自由度旋转，通过360全方位的旋转极大地扩充了机械手的运动范围。大臂与底座的连接部分如图4.1所示：大臂与底座的连接部分放在底座的回转体1上，用不规则形状的壳体2通过螺栓连接与回转体1相连，伺服电机6置于壳体2外侧，通过盘类零件4和透盖3经螺栓连接固定于壳体2上，壳体2内部配置有谐波减速器7，谐波减速器7的刚轮与套杯5连接，谐波减速器7的柔轮、盘类零件9与壳体2通过螺栓连接静止，刚轮与大臂相连，带动大臂进行所要求的俯仰运动。图4.1 大臂与底座连接部分1.回转体；2.不规则课题；3.透盖；4.盘类零件；5.套杯；6.伺服电机；7.谐波齿轮减速器；8.大臂根部；9.盘类零件；10.轴端挡盖底座结构如图4.2所示：底座1与地面用地脚螺栓固定，底座1与地面接触的凸台设计为760mm，高为40mm，底部为减小加工面积设有凸缘，底1座总高396mm，为连接伺服电机4和谐波齿轮减速6器，底座1内部设有两孔，直径分别为420mm和284mm，底座1与透盖5通过螺栓连接，透盖5、底座1与套筒7通过螺栓连接，套筒7与谐波齿轮减速器6的刚轮固定，谐波减速器6的柔轮与回转体2连接，带动回转体2进行旋转，回转体2与不规则壳体3通过螺栓连接带动不规则壳体3进行旋转，完成既定的回转运动。底座1外部与回转体2之间存在相对转动，其间有深沟球轴承。图4. 2 底座结构1.底座；2，回转体；3.不规则壳体；4.伺服电机；5.盘类零件；6.谐波齿轮减速器；7.套筒.在设计底座结构时，要注意底座要承受一定的弯矩和扭矩，在设计时要注意合理选择截面尺寸；由于底座支承整个机械臂，要具有一定的刚度和稳定性，底座要有抵抗变形的能力和抵抗冲击振动的能力。底座应该安装在平稳开阔且能提供有效支撑的地方，还应该综合考虑手臂运转的轨迹不会碰到周围的设施。4.2 伺服电机与减速器的选用伺服电机选用EDSMT-2T110-060A，功率2.8kW，额定转速3000r/min，额定力矩6Nm，其安装尺寸如下图所示：图4.3 底座电机安装尺寸底座的减速器采用杯型（B型）谐波齿轮减速器。n=100s=100360r160min=16.67r/min (4-1)i=300016.67=179.9640 (4-2)根据减速比的大小及综合考虑减速器的安装尺寸，选用XB-200-180B，减速比为180，模数0.6，额定输出力矩为2000Nm。第五章 机器人的运动学5.1 机器人的运动学为了控制焊接机械手的运动，要在焊接机械手中建立相应的坐标系，关节坐标系是描述关节运动的坐标系，笛卡尔坐标系是描述机器人末端位置和姿态的坐标系。机器人运动学研究的是各个运动副坐标系之间的运动关系，为机器人下一步的控制提供理论支持。在机器人运动学的研究中，含有两类问题一类是正向问题，是研究机器人各个关节坐标系的实际坐标到机器人末端的位置坐标与姿态的映射，其解具有唯一性，较为简单；一类是反向问题，与正向问题恰相反，是研究由机器人末端的末端与姿态到机器人关节坐标系的坐标之间的映射，其解较为复杂且有多个解。5.1.1 机器人的正向运动学D-H方法是描述相邻杆件之间的平移及转动问题，具体方法是在每个关节处的杆件坐标系建立一个44的齐次变换矩阵方程，以表示关节处的杆件与前一杆件坐标系之间的关系。通过这种思路，逐次叠加转换，即可用手部关节处的坐标系表示的焊枪可被变换并用基坐标系来表示。机器人每个杆件均由4个运动参数：决定杆件结构的杆件参数连杆长度ai、连杆扭角i，决定相邻杆件相对位置的关节参数两连杆距离di、两连杆夹角i，确定这4个参数的正负号规则，它们就可以准确描述机械臂每一个杆件的位置和姿态。连杆长度aizi-1轴和zi轴两轴之间的最短距离，即从zi-1轴和xi轴交点到第i个坐标原点方向上沿xi轴的偏置距离。连杆扭角i用右手螺旋定则确定，绕xi轴从zi-1轴转向zi轴之间的偏角。两连杆距离di从第i-1个坐标系的原点到zi-1轴和xi轴的交点方向上沿zi-1轴的之间的偏置距离 两连杆夹角i用右手螺旋定则确定，绕zi-1轴从xi-1转向xi轴的关节角建立每个坐标系应遵循以下原则：x、y、z轴按照右手坐标系的要求建立；zi-1轴的方向是沿着第i关节的运动轴；xi轴需垂直于zi-1轴并指向背离zi-1轴的方向。根据设计的焊接机械手的结构模型绘制由5个简化转动关节构成的5自由度结构简图，将机械手简化后的转动关节分别按照以上的规则建立坐标系，由于在设计结构时，各个部分的中心线在同一直线上，故标y轴无意义，将大臂、小臂及手腕的中心线方向标x轴，指向手腕的方向为x轴的正半轴方向，随后一次标明各个关节的z轴方向。垂直于底座的方向设为z0轴，方向为背离底座方向，z1轴沿第1关节的运动轴，则a1=0,z2、z3与z1方向一致， z4沿着第5关节的运动轴，即回转轴，经测量a4=115mm，a5=472.5mm。每个转动关节的齐次矩阵参数如下表所示：表5.1 焊接机械手的连杆参数参数12345i9000-9090ai0896816.5115427.5i360294-180155360di00000各连杆的变换矩阵分别为：A1=cos3600sin3600sin3600-cos3600 0 1 0 0 0 0 0 1 A2=cos294-sin294sin294cos294 0896cos2940896sin2940 00 01 0 0 1A3=cos(-180)-sin(-180)sin(-180)cos(-180) 0816.5cos(-180)0816.5sin(-180)0 00 01 0 0 1A4=cos1550sin1550-sin155115cos155cos155115sin155 0 -1 0 0 0 0 0 1A5=cos3600sin3600sin3600-cos3600 0 1 0 0 0 0 0 1最后可得总的齐次矩阵为：T=A1A2A3A4A5=-0.01750.999800030.3568-10-0.9998-0.0175000-187.6399015.1.2 机器人的逆向运动学机器人的逆向运动学问题是运用已知焊枪的位姿，求焊接机械手对于这个位姿的全部关节角。由于逆向运动学问题存在多个解，具有一定的复杂程度，但是实际生产出的机器人仅有一组解是完全正确的，所以我们要用合理的方法选择合适的解，运用所学理论知识剔除其他的解。一般来说，根据关节的运动空间来选择合理的解及根据障碍物位置来选择合理的解。求解方法运用了解析法和欧拉变换法和部分线性代数的知识。求解逆向运动方程，是确定机械手各个关节的坐标，对于机械手的控制非常重要，我们要明确机械手将会运动到什么位置，要获取各个关节的坐标值，才能通过控制系统进行精准控制，使得机械手达到一定的精度和使用要求。用欧拉变换法求解设计的焊接用机械手的解1：为了得到1的正确解。用A1的逆矩阵左乘T5的两端A1-1T5=1T6 (5-1)1T6=100000100-1000001-0.01750.999800030.3568-10-0.9998-0.0175000-187.639901 =-0.01750.9998-0.0998-0.0175030.35680-187.63990 00 01 00 1根据对应元素相等的法则，可求得1：sin130.3568-cos1(-187.6399)=0 (5-2)1=arctan(-187.6399)30.3568=-80.8101 (5-3)根据反三角函数计算法则，可得出1的另一个解：1=180+1=99.1899 (5-4)两连杆夹角1适用用右手螺旋定则确定，绕z0轴从x0转向x1轴的关节角，选取1=-80.8101作为两连杆夹角。根据设计的机械手所建立的坐标系，其x轴均在一条直线上，2、3、4的轴是平行的，则计算3T5:A4-1A3-1A2-1A1-1T5=4T5 (5-5) -0.90630.4226000-115.0017-10-0.4226-0.90630000.001501-100-10-816.5000 00 0-1 00 1 0.4067-0.91350.9130.40670-895.94940-0.013400000.9998000.9998100000100-1000001-0.01750.999800030.3568-10-0.9998-0.0175000-187.639901=0.99980.0047000-0.05790.99980-0.00470.9998000-0.030100.9998根据对应元素相等的法则，使第三行第三列对应相等可求得：-sin(2+3+4)cos10+sin10+cos2+3+4896=0 (5-6)2+3+4=arctan896cos10+sin10=90 (5-7)根据反三角函数计算法则，可得出2+3+4的另一个解：(2+3+4)=180+2+3+4=270 (5-8)根据之前在各个关节处建立坐标系的分析及画出机械臂的工作范围可知，2+3+4=270。根据对应元素相等的法则，使第一行第四列和第二行第四列对应相等可求得：115cos2+3+4+816.5cos(2+3)+896cos2=30.3568cos1+0sin1115sin2+3+4+816.5sin(2+3)+896sin2=-187.6399引入b1和b2两个参数计算2和3b1=816.5cos(2+3)+896cos2=30.3568cos1=4.8482 (5-9)b2=816.5sin(2+3)+896sin2=-187.6399+115=-72.6399(5-10)cos3=b12+b22-8962-816.522896816.5=-1 (5-11)3=arccos-1=180 (5-12)3之所以有两个解是因为关节具有向上运动和向下运动两种位姿。sin2=(816.5cos3+896)-72.6399-4.8482816.5sin3(816.5cos3+896)2+sin23+816.52 (5-13)cos2=(816.5cos3+896)4.8482-72.6399816.5sin3(816.5cos3+896)2+sin23+816.52 (5-14)2=arctan(816.5cos3+896)-72.6399-4.8482816.5sin3(816.5cos3+896)4.8482-72.6399816.5sin3 =-86.1816 (5-15)4=270-180-86.1816=176.1816 (5-16)根据对应元素相等的法则，使第一行第三列和第二行第三列对应相等可求得：sin5=0 (5-17)cos5=0.9998 (5-18)1=arctan0=0 (5-19)结 论本次设计出的焊接机器人肩高1908mm，臂展1984mm，占地面积455151.4mm。焊枪长度为315mm，可以实现简单的焊缝形状的焊接。本次毕业设计的焊接用机械手，主要参照了典型的六关节操作机和KAKU型机器人，具有5个自由度，分别是腕转、腕摆、小臂转、大臂转、腰转，可以达到规定的运动要求及精度。本次设计使小臂和手腕的结构较为紧凑，运动精度较高，手腕的两个自由度腕转和腕摆分别通过液压和伺服电机控制，形式上较为新颖。大臂采用合理且美观的外形，将电机放置在大臂外部也极大减轻了焊接机械手的重量，底座和回转体采用较简单但稳定可靠的承重设计，整个焊接机械手的结构的互换性和通用性较强。机器人底座部分材料为铸铁，其余结构外壳均为铸铝合金，机械性能好，重量轻。设计的焊接用机械手与成品比较存在如下缺陷：整体设计在结构上不够紧凑，底座和回转体结构过于庞大；许多结构的加工工艺不能很好的考虑到；未考虑到在实际安装和使用时可能会发生的问题；在某些结构可能没有考虑到零件失效或损坏之后的解决方案。本次毕业设计未解决的问题： .未进行仿真和模拟，不能确定装配后运动是否会发生干涉； 对机械手进行了运动学分析，未做控制系统的设计； 对液压部分未进行详细的考虑。 由于机器人内部结构的多样性，在
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号