五自由度的焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)【含CAD圖紙】

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山西工程技術(shù)學(xué)院――畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 山西工程技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 畢業(yè)生姓名 ： 崔學(xué)儒 專業(yè) ： 機(jī)械電子工程 學(xué)號 ： 180533017 指導(dǎo)教師 ： 張忠杰 所屬系（部） ： 機(jī)械電子工程系 二〇二〇年五月 五自由度的焊接機(jī)器人 摘 要 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界在役的工業(yè)機(jī)器人中大約有將近一半的工業(yè)機(jī)器人用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域，焊接機(jī)器人應(yīng)用中最普遍的主要有兩種方式，即點(diǎn)焊和電弧焊。我們所說的焊接機(jī)器人其實(shí)就是在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域代替焊工從事焊接任務(wù)的工業(yè)機(jī)器人。這些焊接機(jī)器人中有的是為某種焊接方式專門設(shè)計(jì)的，而大多數(shù)的焊接機(jī)器人其實(shí)就是通用的工業(yè)機(jī)器人裝上某種焊接工具而構(gòu)成的。在多任務(wù)環(huán)境中，一臺機(jī)器人甚至可以完成包括焊接在內(nèi)的抓物、搬運(yùn)、安裝、焊接、卸料等多種任務(wù)，因此，從某種意義上來說，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷史就是焊接機(jī)器人的發(fā)展歷史。 眾所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技能、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、穩(wěn)定的焊接水平；另一方面，焊接又是一種勞動條件差、煙塵多、熱輻射大、危險性高的工作。工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)使人們自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，減輕焊工的勞動強(qiáng)度，同時也可以保證焊接質(zhì)量和提高焊接效率。 本次我所設(shè)計(jì)的機(jī)器人為五自由度弧焊機(jī)器人。本說明書對本次設(shè)計(jì)的主要考慮內(nèi)容進(jìn)行了敘述和講解，包括機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)以及傳動系統(tǒng)的構(gòu)成與設(shè)計(jì)，電動機(jī)的選擇，圓錐齒輪的設(shè)計(jì)與校核，諧波減速器的原理以及選擇，腕部轉(zhuǎn)動軸的校核，齒形帶規(guī)格的選擇以及滾動軸承的選擇與校核等。 由于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足以及理論知識的匱乏，本次設(shè)計(jì)肯定存在許多不足之處，望答辯老師諒解并不吝賜教。 關(guān)鍵詞： 焊接機(jī)器人；齒形帶傳動；諧波減速器；五自由度 Welding Robot With Five Degrees Of Freedom Abstract According to incomplete statistics, nearly half of the world's 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 robot's 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 Word： welding robot; profile belt transmission; harmonic reducer; 5-DOF 目錄 前言 4 1.1總述 4 1.2本產(chǎn)品的意義 5 1.4焊機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 8 1.5選題的依據(jù)及意義 8 1.5.1選題的依據(jù) 8 1.5.2選題的意義 9 1.6運(yùn)動學(xué)分析的常用方法 9 1.1工業(yè)機(jī)器人弧焊工作站的工作任務(wù)： 12 1.5點(diǎn)焊 14 1.6，設(shè)計(jì)示意圖 16 2設(shè)計(jì)基本思路 17 2.1總體設(shè)計(jì)思路及內(nèi)容 17 2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18 1— 機(jī)座 2—轉(zhuǎn)臺 3—腰座 4—腕部 5—小臂 6—大臂 18 2.1.2 自由度和坐標(biāo)系的選擇 19 2.2設(shè)計(jì)傳動方案 20 2.1驅(qū)動—傳動系統(tǒng)的構(gòu)成 20 3焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21 3.1驅(qū)動器 21 3.2大臂的設(shè)計(jì) 34 3.2.1電動機(jī)選擇： 34 3.2.2諧波齒輪減速器的選擇 35 3.2.3軸的計(jì)算 35 一、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 35 二、軸的校核 36 4．總結(jié) 37 參考文獻(xiàn) 38 致 謝 39 1、前言 1.1總述 目前，制造業(yè)仍是我國國民經(jīng)濟(jì)的主體，是工業(yè)化和現(xiàn)代化的主導(dǎo)力量，是衡量一個國家經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)力和國際競爭力的重要標(biāo)志。我國大力發(fā)展制造業(yè)，實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展和加快經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型具有十分重要的戰(zhàn)略意義。而智能制造[1]是引領(lǐng)“第三次工業(yè)革命”發(fā)展的核心，在以德國提出的工業(yè)“4.0”計(jì)劃、日本的新產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造戰(zhàn)略、美國的先進(jìn)制造國家戰(zhàn)略計(jì)劃、歐盟的智能系統(tǒng)路線圖計(jì)劃等背景下，中國提出了“中國制造 2025”，充分認(rèn)識到智能制造裝備的重要戰(zhàn)略地位，努力從制造大國轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞆?qiáng)國。 圖 1.1 焊接機(jī)器人 我國制造業(yè)的發(fā)展主要是從工業(yè)技術(shù)的發(fā)展得以體現(xiàn)，其中最核心的是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)。近些年我國工業(yè)機(jī)器人發(fā)展迅速，并逐步從示范應(yīng)用轉(zhuǎn)向大規(guī)模推廣,大大減少了生產(chǎn)制造對勞動力的依賴。目前我國研制的工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)達(dá)到工業(yè)應(yīng)用水平，尤其是在汽車制造業(yè)中有更廣泛的應(yīng)用，比如電焊、裝配、噴涂機(jī)器人等。我國工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正在向更智能化、現(xiàn)代化和科學(xué)化的方向發(fā)展。 歸納起來采用焊接機(jī)器人有下列主要意義： ??? （1）穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量,保證其均一性。焊接參數(shù)如焊接電流、電壓、焊接速度及焊接干伸長度等對焊接結(jié)果起決定作用。采用機(jī)器人焊接時對于每條焊縫的焊接參數(shù)都是恒定的，焊縫質(zhì)量受人的因素影響較小,降低了對工人操作技術(shù)的要求，因此焊接質(zhì)量是穩(wěn)定的。而人工焊接時，焊接速度、干伸長等都是變化的，因此很難做到質(zhì)量的均一性。 改善了工人的勞動條件。采用機(jī)器人焊接工人只是用來裝卸工件，遠(yuǎn)離了焊接弧光、煙霧和飛濺等，對于點(diǎn)焊來說工人不再搬運(yùn)笨重的手工焊鉗，使工人從大強(qiáng)度的體力勞動中解脫出來。 ??? （3）提高勞動生產(chǎn)率。機(jī)器人沒有疲勞，一天可24小時連續(xù)生產(chǎn)，另外隨著高速高效焊接技術(shù)的應(yīng)用，使用機(jī)器人焊接，效率提高的更加明顯。 ??? （4）產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量。機(jī)器人的生產(chǎn)節(jié)拍是固定的，因此安排生產(chǎn)計(jì)劃非常明確。 ??? （5）可縮短產(chǎn)品改型換代的周期,減小相應(yīng)的設(shè)備投資?？蓪?shí)現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動化。機(jī)器人與專機(jī)的最大區(qū)別就是他可以通過修改程序以適應(yīng)不同工件的生產(chǎn)。 1.3我國發(fā)展動態(tài) 我國開發(fā)工業(yè)機(jī)器人晚于美國和日本，起于20世紀(jì)70年代，早期是大學(xué)和科研院所的自發(fā)性的研究。到80年代中期，全國沒有一臺工業(yè)機(jī)器人問世。而在國外，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)是個非常成熟的工業(yè)產(chǎn)品，在汽車行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。鑒于當(dāng)時的國內(nèi)外形勢，國家“七五”攻關(guān)計(jì)劃將工業(yè)機(jī)器人的開發(fā)列入了計(jì)劃，對工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了攻關(guān)，特別是把應(yīng)用作為考核的重要內(nèi)容，這樣就把機(jī)器人技術(shù)和用戶緊密結(jié)合起來，使中國機(jī)器人在起步階段就瞄準(zhǔn)了實(shí)用化的方向。與此同時于1986年將發(fā)展機(jī)器人列入國家“863”高科技計(jì)劃。在國家“863”計(jì)劃實(shí)施五周年之際，鄧小平同志提出了“發(fā)展高科技，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化”的目標(biāo)。在國內(nèi)市場發(fā)展的推動下，以及對機(jī)器人技術(shù)研究的技術(shù)儲備的基礎(chǔ)上，863主題專家組及時對主攻方向進(jìn)行了調(diào)整和延伸，將工業(yè)機(jī)器人及應(yīng)用工程作為研究開發(fā)重點(diǎn)之一，提出了以應(yīng)用帶動關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)研究的發(fā)展方針，以后又列入國家“八五”和“九五”中。經(jīng)過十幾年的持續(xù)努力，在國家的組織和支持下，我國焊接機(jī)器人的研究在基礎(chǔ)技術(shù)、控制技術(shù)、關(guān)鍵元器件等方面取得了重大進(jìn)展，并已進(jìn)入使用化階段，形成了點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人系列產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)小批量生產(chǎn)。 我國焊接機(jī)器人的應(yīng)用主要集中在汽車、摩托車、工程機(jī)械、鐵路機(jī)車等幾個主要行業(yè)。汽車是焊接機(jī)器人的最大用戶，也是最早用戶。早在70年代末，上海電焊機(jī)廠與上海電動工具研究所，合作研制的直角坐標(biāo)機(jī)械手，成功地應(yīng)用于上海牌轎車底盤的焊接。“一汽”是我國最早引進(jìn)焊接機(jī)器人的企業(yè)，1984起先后從KUKA公司引進(jìn)了3臺點(diǎn)焊機(jī)器人，用于當(dāng)時“紅旗牌”轎車的車身焊接和“解放牌”車身頂蓋的焊接。1986年成功將焊接機(jī)器人應(yīng)用于前圍總成的焊接，并于1988年開發(fā)了機(jī)器人車身總焊線 。 如圖1.2所示，此為船舶人工焊接現(xiàn)場，其生產(chǎn)環(huán)境惡劣，焊接作業(yè)時產(chǎn)生有毒有害氣體，弧光飛濺嚴(yán)重，并伴隨高溫以及強(qiáng)磁，對工人身體健康不利，直接導(dǎo)致了焊接工人不能長時間連續(xù)作業(yè)，從而使得焊接效率與質(zhì)量得不到保證，在一.定程度上影響了工業(yè)生產(chǎn)效率。 （a）船艙內(nèi)部結(jié)構(gòu) （b）人工焊接 圖1.2船舶人工焊接現(xiàn)場圖 如圖1.3?所示，在船舶制造業(yè)中存在大量船艙格子型角焊縫，其中包括平面角焊縫以及空間角焊縫結(jié)構(gòu)形式。該類格子型鋼構(gòu)件空間相對狹小，目前此類焊.接工作基本由工人手動焊接作業(yè)，國內(nèi)還是相當(dāng)缺乏在相對狹小空間作業(yè)的焊接機(jī)器人。韓國是屬于造船業(yè)較發(fā)達(dá)的國家，開放式復(fù)雜船艙結(jié)構(gòu)的自動化焊接技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，如圖1.4所示，但對封閉式復(fù)雜船艙結(jié)構(gòu)自動化焊接技術(shù)也處于不完善的階段。我國作為船舶制造業(yè)的大國，研發(fā)一種能針對復(fù)雜船艙結(jié)構(gòu)焊接這一難題的新型移動焊接機(jī)器人迫在眉睫。 圖 1.3 造船廠中船艙格子型鋼構(gòu)件 圖 1.4 韓國造船業(yè)焊接現(xiàn)場圖 清華大學(xué)機(jī)械工程系和北京石油化工學(xué)院裝備技術(shù)研究所聯(lián)合研制的球罐磁力吸附輪式移動焊接機(jī)器人 其對焊炬的跟蹤精度可達(dá)±0.5 mm，能滿足實(shí)際工程應(yīng)用的要求。 上海交通大學(xué)研制具有自尋跡功能的焊接式移動機(jī)器人在焊接前，該機(jī)器人能自動尋找焊縫，通過軌跡推算，自動將機(jī)器人本體和焊炬調(diào)整為待焊狀態(tài)；在焊接過程中，能對焊縫進(jìn)行橫向、大范圍的實(shí)時跟蹤。 目前大多數(shù)移動焊接機(jī)器人仍能進(jìn)行焊縫跟蹤，焊前必須用人工將機(jī)器人放置在坡口附近適當(dāng)?shù)奈恢?，并通過人工將機(jī)器人本體、十字滑塊等手動調(diào)整到適當(dāng)?shù)拇更c(diǎn)，即機(jī)器人的自主程度仍然較低，基本上還沒有自主規(guī)劃運(yùn)動的能力。 隨著圖像處理相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，未來的發(fā)展趨勢有三個方面：選擇視覺傳感器進(jìn)行傳感跟蹤；使用多傳感信息融合技術(shù)以應(yīng)對更加復(fù)雜的焊接任務(wù)；由于控制技術(shù)從傳統(tǒng)控制走向智能控制，移動焊接機(jī)器人的控制也將采用視覺傳感器。 1.3.1國外動態(tài) 本文設(shè)計(jì)的移動焊接機(jī)器人為有軌移動焊接機(jī)器人，與現(xiàn)有的移動焊接機(jī)器人技術(shù)相比，由于焊接自動化程度較低，僅將其應(yīng)用于集裝箱波紋板焊接，與目前的移動焊接機(jī)器人技術(shù)發(fā)展相當(dāng)。 隨著工業(yè)水平的發(fā)展，大型結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用越來越廣泛，其中許多焊接工作都需要在現(xiàn)場進(jìn)行，如大型艦船艙體、甲板、大型球罐(儲罐)等。在這種情況下，焊接機(jī)器人必須適應(yīng)焊縫的變化，以達(dá)到提高焊接自動化的目的。將機(jī)器人技術(shù)與焊縫跟蹤技術(shù)相結(jié)合，可以有效地解決大型結(jié)構(gòu)件現(xiàn)場自動化焊接的難題。 目前，國內(nèi)外正在研究開發(fā)的幾款具有代表性的移動焊接機(jī)器人如下： (1)韓國 Pukyong國立大學(xué) Kam B O等開發(fā)的艙體結(jié)構(gòu)件焊接移動機(jī)器人 該機(jī)器人能在人很難到達(dá)的狹小空間內(nèi)自主完成焊接過程，并能自動尋找焊縫起點(diǎn)。當(dāng)碰上格框的拐角焊縫時，在保證焊接速度不變、焊炬精確對準(zhǔn)焊縫的前提下，可自動調(diào)整機(jī)器人本體及橫桿的位置。 (2)日本慶應(yīng)大學(xué)學(xué)者 Suga等研制的自主式平面薄板焊接移動焊接機(jī)器人 它既能直行進(jìn)，又能用兩輪的差速來控制小車的轉(zhuǎn)彎，還能伸縮裝焊槍的手臂，探測焊縫的位置，準(zhǔn)確地識別焊縫的形狀，例如是直行、曲線、折線等等[5]。 (3)日本慶應(yīng)大學(xué)學(xué)者 Suga等研制自主式管道焊接移動機(jī)器人 利用 CCD攝取的圖像信息，機(jī)器人可沿管道運(yùn)動，焊接前自動尋找和識別焊縫，然后使機(jī)器人本體沿管道運(yùn)動至正確的焊接位置。 1.4焊機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 目前，機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)大多還是根據(jù)具體情況來設(shè)計(jì)專用焊接機(jī)器人，即所謂的固定結(jié)構(gòu)機(jī)器人，其運(yùn)動特性使得機(jī)器人的特殊功能只能適應(yīng)某一范圍，不利于機(jī)器人的發(fā)展。通過使用連接模塊和連桿模塊來實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以滿足特定需求。以下是目前一些人正在進(jìn)行的研究： (1)由?Benhabib等人設(shè)立的機(jī)器人倉庫，將模塊分為四類，即模塊單元連接件、連桿模塊、主接件和端接件模塊； (2) DanielaRus等人于1999年提出了一種由“分子”晶體結(jié)構(gòu)組成的可自重構(gòu)機(jī)器人系統(tǒng)； 上海交通大學(xué)的費(fèi)燕瓊和沈陽航空工業(yè)學(xué)院的張艷麗等人研究了模塊化機(jī)器人的構(gòu)形。 1.4.1機(jī)器人的發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。 就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個發(fā)展趨勢： 1)提高運(yùn)動速度和運(yùn)動精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個機(jī)械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人； 2)開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機(jī)構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場合； 3)研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機(jī)進(jìn)行控制。 1.5選題的依據(jù)及意義 在本文中，我們介紹了選題的背景，以及完成課題的意義。 1.5.1選題的依據(jù) 鑒于集裝箱波紋板焊接自動化程度較低的現(xiàn)狀：目前，用于集裝箱側(cè)板與上、下側(cè)梁焊接的自動焊機(jī)，由于在焊接過程中，焊槍不能根據(jù)波形的變化來調(diào)整和焊槍速度的夾角(焊接工藝參數(shù)也沒有變化)，如圖1.5所示，在直線段與波內(nèi)斜段之間，焊接速度方向不變，但在平直段與平直段之間，焊接速度方向相同時，焊接槍與焊縫方向垂直，因此，由于在直線段與平直段之間的焊縫成形不一致，從而直接影響了集裝箱的生產(chǎn)質(zhì)量。 圖 1.5 集裝箱波紋板示意圖 1.5.2選題的意義 本課題的研究內(nèi)容是設(shè)計(jì)一種集裝箱波紋板五自由度焊接機(jī)器人，并對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，解決了焊接過程中槍口不能隨著波形的變化而調(diào)整到與槍口速度的夾角這一問題，從而使直線段與波內(nèi)斜邊段焊接時，槍口與焊縫均保持垂直，且槍口與焊縫的速度均恒速，從而提高了直線段與波內(nèi)斜邊段焊接成形的一致性，提高了集裝箱產(chǎn)品的質(zhì)量。 1.6運(yùn)動學(xué)分析的常用方法 機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)問題是機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和控制的重要組成部分，它直接關(guān)系到控制的快速性和準(zhǔn)確性。逆運(yùn)動學(xué)問題是根據(jù)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置(位置和姿態(tài))來求解相應(yīng)的關(guān)節(jié)變量。 現(xiàn)有三種機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解方法： （1）幾何法 研究一種基于精確的手臂幾何模型的運(yùn)動方程求解方法。該法只適用于特殊結(jié)構(gòu)機(jī)器人。 （2）齊次變換法 在機(jī)器人的雅可比矩陣已知的前提下，通常用其逆矩陣來求解運(yùn)動學(xué)逆解。 （3）是智能解法 這種方法具有以下特點(diǎn)：基于學(xué)習(xí)的算法和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法；基于擴(kuò)散方程的算法。 2、焊接機(jī)器人弧焊工作站： 2.1工業(yè)機(jī)器人弧焊工作站的工作任務(wù)： 工業(yè)機(jī)器人弧焊工作站的工作任務(wù)是將鋼管焊接在底板上，材料形狀如圖2.1 圖 2.1焊接材料形狀 焊接工藝如圖2.2： 圖 2.2焊接工藝 2.2、MAG焊接方法 熔化極電弧焊(GMAW)?是采用連續(xù)等速送進(jìn)可熔化的焊絲與被焊工件之間的電弧作為熱源來熔化焊絲和母材金屬，形成熔池和焊縫的焊接方法。為了得到良好的焊縫，利用外加氣體作為電弧介質(zhì)并保護(hù)熔滴、熔池金屬及焊接區(qū)高溫金屬免受周圍空氣的有害作用。 2.3 焊接坡口尺寸及熔敷圖 焊接時采用惰性氣體與氧化性氣體(活性氣體)，如Ar+CO2、Ar+O2、Ar+CO2?+02等混合氣作圖 為保護(hù)氣體，稱為熔化極活性氣體保護(hù)電弧焊，簡稱為MAG焊，尤其適用于碳鋼、合金鋼和不銹鋼等黑色金屬材料的焊接。熔化極活性氣體保護(hù)電弧焊熔敷速度快、生產(chǎn)效率高、易實(shí)現(xiàn)自動化，因而在焊接生產(chǎn)中得到日益廣泛的應(yīng)用。 2.3工業(yè)機(jī)器人弧焊工作站的組成 業(yè)機(jī)器人弧焊工作站由兩套機(jī)器人焊接系統(tǒng)構(gòu)成，可以各自單獨(dú)焊接，也可協(xié)調(diào)焊接。整體布置如圖2.4所示： 圖 2.4 工業(yè)機(jī)器人弧焊工作站整體布置圖 一個完整的工業(yè)機(jī)器人弧焊系統(tǒng)由機(jī)器人系統(tǒng)、焊槍、焊接電源、送絲裝置、焊接變位機(jī)等組成，如圖所示 圖 2.5 工業(yè)機(jī)器人弧焊系統(tǒng) 2.5點(diǎn)焊 電焊的分類： 點(diǎn)焊是電阻焊的一種。電阻焊(?rsistance?welding)?是將被焊母材壓緊于兩電極之間，并施以電流，利用電流流經(jīng)工件接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱效應(yīng)將其加熱到塑性狀態(tài)，使得母材表面相互緊密連接，生成牢固的接合部。主要用于薄板焊接。 點(diǎn)焊的工藝過程: 1)預(yù)壓。保證工件接觸良好。 2)通電。使焊接處形成熔核及塑性環(huán)。時時t版金 3)斷電鍛壓。使熔核在壓力持續(xù)作用下冷卻結(jié)晶，形成組織致密、無縮孔裂紋的焊點(diǎn)。點(diǎn)焊的通電方式按照焊接電流在電極-接合部-電極間以何種回路進(jìn)行流動，而分成4大類。 (1)直接點(diǎn)焊直接點(diǎn)焊?如圖2.6所示。這是最基本的、也是可靠度最高的焊接方法。 相對的一對電極夾住被焊接物并施壓，其中一個電極通過被焊接物的接合部向另一個電極直接導(dǎo)通焊接電流。當(dāng)然也有像圖2.6一樣將電極分成2根進(jìn)行焊接的方法，但是由于很難使加壓力和接觸部位的電阻完全相同，所以與圖2.6 的方式相比，在工作效率上是得到了提高，但是焊接部位的可靠性變差了。 圖 2.6 直接點(diǎn)焊 (2)間接點(diǎn)焊間接?點(diǎn)焊如圖2.7所示。被焊接物的接合部位電流，從一個電極通過被焊接物的一個部位分流通到另外一-個電極的焊接方式。有時候不需要將電極相向設(shè)置，只要在單側(cè)設(shè)置就可以進(jìn)行焊接了，因此適用于焊接大型物體。 圖 2.7 間接點(diǎn)焊 (3)單邊多點(diǎn)點(diǎn)焊單邊多點(diǎn)點(diǎn)焊如圖2.8所示。當(dāng)一個焊接電流回路中有2個接 合部時，電流將順序依次流過這兩個焊點(diǎn)部位并進(jìn)行點(diǎn)焊，這是一個高效的方式。但是如圖2.8所示，在這些方式中，電流將在被焊接物內(nèi)部進(jìn)行分流，由此會產(chǎn)生一些根本無利于接合部發(fā)熱的無效電流，因此不僅僅造成了電的效率低下，有時還會對焊接質(zhì)量造成壞的影響。所以為了盡量減少分流，需要盡量加大電極。而當(dāng)板厚不同時，需要將厚板材放在下方。與圖2.8所示的單邊多點(diǎn)點(diǎn)焊： 圖 2.8 單邊多點(diǎn)點(diǎn)焊 (4)雙點(diǎn)焊(推挽點(diǎn)焊)?雙點(diǎn)焊(推挽點(diǎn)焊)如圖2.9所示。在上下都配置焊接變壓器，可以同時進(jìn)行2點(diǎn)焊接的方式。 圖 2.9 雙點(diǎn)焊 1.5.1點(diǎn)焊的條件 焊接電流、通電時間以及電極加壓力被稱為電阻焊接的三尚大條件。在電阻焊接中，這些條件互相作用，具有非常緊密的聯(lián)系。 (1)焊接電流 焊接電流是指電焊機(jī)中的變壓器的二次回路中流向焊接母材的電流。在普通的單相交流式電焊機(jī)中，在變壓器的一次側(cè)流通的電流，將乘以與變壓器線匝比(是指一次側(cè)的線匝數(shù)N1和二次側(cè)的線匝N2的比，即N1/N2)后流向二次側(cè)。在合適的電極加壓力下，大小合適的電流在合適的時間范圍內(nèi)導(dǎo)通后，接合母材間會形成共同的熔合部，在冷卻后形成接合部(熔核)。但是,如果電流過大會導(dǎo)致熔合部飛濺出來(飛濺)以及電極粘結(jié)在母材上(熔敷)等故障現(xiàn)象。此外，也會導(dǎo)致熔接部位變形過大。 (2)通電時間 通電時間是指焊接電流導(dǎo)通的時間。在電流值固定的情況下改變通電時間，會導(dǎo)致焊接部位所能夠達(dá)到的最高溫度不同，從而導(dǎo)致形成的接合部大小不一。一般而言，選擇低的電流值、延長通電時間不僅僅會造成大量的熱量損失，而且也會導(dǎo)致對不需要焊接的地方進(jìn)行加熱。特別是對像鋁合金等熱傳導(dǎo)率好的材料以及小零件等進(jìn)行焊接時，必須使用充分大的電流，在較短的時間內(nèi)焊接。 電極加壓力?電極加壓力是指加載在焊接母材上的壓力。電極加壓力既起到了決定接合部位位置的夾具的作用，同時電極本身也起到了保證導(dǎo)通穩(wěn)定的焊接電流的作用:此外，還具備冷卻后的鍛壓效果以及防止內(nèi)部開裂等作用。在設(shè)定電極加壓力時，有時也會采用在通電前進(jìn)行預(yù)壓、在通電過程中進(jìn)行減壓、然后在通電末期再次增壓等特殊的方式。 加壓力具體作用包括:破壞表面氧化污物層、保持良好接觸電阻、提供壓力促進(jìn)焊件熔合、熱熔時形成塑性環(huán)、防止周圍氣體侵人、防止液態(tài)熔核金屬沿板縫向外噴濺。 此外，還有一個影響到熔核直徑大小的條件，那就是電極頂端直徑。電流值固定不變時，電極頂端直徑(面積)越大，電流的密度則越小，在相同時間內(nèi)可以形成的熔核直徑會產(chǎn)生一些根本也就越小。好的焊接條件是指選擇合適的焊接電流、通電時間以便能夠形成與電極頂端直徑對焊接質(zhì)量造成相同的熔核。此外，焊接母材的板材厚度的組合在某種程度上也決定了熔核直徑的大小。因此，只要板材厚度的組合決定了，則將要使用的電極頂端直徑也就決定了，相關(guān)的電極加壓力、焊接電流以及通電時間的組合也可以決定了。如果想要形成比板材厚度還大的熔核，則需要選擇具有更大頂端面積的電極，當(dāng)然同時還需要使用較大的焊接電流以保證所需的電流密度。 1.6，設(shè)計(jì)示意圖 自由度焊接機(jī)器人系統(tǒng)由弧焊機(jī)器人，焊接電源，焊槍送絲機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)雙工位變位機(jī)，工件夾具和控制系統(tǒng)組成。 如圖1.4是整個焊接系統(tǒng)的示意圖: 圖 1.4 機(jī)器人焊接系統(tǒng)示意圖 2設(shè)計(jì)基本思路 2.1總體設(shè)計(jì)思路及內(nèi)容 2.1.1機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)步驟： （1）作業(yè)分析： 包括任務(wù)分析和環(huán)境分析，不同的作業(yè)任務(wù)和環(huán)境對機(jī)器人操作及的方案設(shè)計(jì)有著決定性的影響。 （2） 設(shè)計(jì)方案： (a) 確定動力源 (b) 確定機(jī)型 (c) 確定自由度 (d) 確定動力容量和傳動方式 (e) 優(yōu)化運(yùn)動參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù) (f) 確定平衡方式和平衡質(zhì)量 (g) 繪制機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖 （3） 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì): 包括機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)的配置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，關(guān)節(jié)及桿件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，平衡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，走線及電器接口設(shè)計(jì)等。 （4） 動特性分析: 估算慣性參數(shù)，建立系統(tǒng)動力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，確定其結(jié)構(gòu)固有頻率和響應(yīng)特性。 （5） 施工設(shè)計(jì) 完成施工圖設(shè)計(jì)，編制相關(guān)技術(shù)文件 2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 包括機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)的配置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，關(guān)節(jié)及桿件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，平衡機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，走線及電器接口設(shè)計(jì)等。 本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人是五自由度、關(guān)節(jié)型焊接機(jī)器人。自由度高，采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動、微機(jī)控制，結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍大，動作靈活，不僅用于弧焊作業(yè)，還可以用于搬運(yùn)和裝配作業(yè)。腰部和大、小臂的傳動采用諧波傳動，腕擺和腕轉(zhuǎn)除采用諧波齒輪外還均采用齒形帶傳動和錐齒輪傳動，傳動比準(zhǔn)確，精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，耐油、耐磨性好。大臂上裝有氣動平衡機(jī)構(gòu)，使大臂驅(qū)動力矩減小，且使示教操作輕便。 本次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示： 1— 機(jī)座 2—轉(zhuǎn)臺 3—腰座 4—腕部 5—小臂 6—大臂 圖1-1焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖 設(shè)計(jì)內(nèi)容主要是5自由度焊接機(jī)器人的工作原理設(shè)計(jì)，腰部與大臂主要機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算,主要零部件的設(shè)計(jì)與校核，裝配圖的繪制以及主要零部件圖紙繪制等。 （1） 機(jī)座 機(jī)座是機(jī)身機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支撐作用。對固定式機(jī)器人，直接聯(lián)接在地面上，對可移動式機(jī)器人，則安裝在移動結(jié)構(gòu)上。機(jī)身由臂部運(yùn)動（升降、平移、回轉(zhuǎn)和俯仰）機(jī)構(gòu)及其相關(guān)的導(dǎo)向裝置、支撐件等組成。并且，臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn)動的驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機(jī)身上。臂部的運(yùn)動越多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力越復(fù)雜。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)身選用升降回轉(zhuǎn)型機(jī)身結(jié)構(gòu)；臂部和機(jī)身的配置型式采用立柱式單臂配置，其驅(qū)動源來自回轉(zhuǎn)液壓缸。 （2） 轉(zhuǎn)臺 本轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)有回轉(zhuǎn)和俯仰兩個自由度。為使俯仰運(yùn)動滿足自鎖的要求，擬采用棘輪機(jī)構(gòu)，因其工作時有較大的沖擊和.噪聲，而且運(yùn)動精度較差，故放棄。考慮使用螺旋機(jī)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是能獲得很大的減速比，還可有自鎖性。它的主要缺點(diǎn)是機(jī)械效率一般較低，特別是具有自鎖性時效率將低于50%。轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)運(yùn)動可考慮使用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是傳動平穩(wěn)，嚙合沖擊小，由于蝸桿的頭數(shù)少，故單級傳動可獲得較大的傳動比，且結(jié)構(gòu)緊湊。 （3）腰座 焊機(jī)機(jī)器人的腰座是連接底座與大臂的重要部件，是影響焊機(jī)整體性能的關(guān)鍵部件之一。通過對腰座的強(qiáng)度、剛度和動力特性分析，可以預(yù)測結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中，避免工作時產(chǎn)生共振。用常規(guī)力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算，不僅計(jì)算復(fù)雜，精度也不高，用有限元方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析，不僅準(zhǔn)確可靠，而且能得到構(gòu)件在不同工況下的應(yīng)力分布。 （4）腕部 該機(jī)器人的主要關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)包括腰部、大臂、小臂和腕部，如圖1.1所示。主要是焊接機(jī)器人小臂和腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，根據(jù)莫托曼焊接機(jī)器人的外形尺寸，設(shè)計(jì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。該機(jī)器人的小臂腕結(jié)構(gòu)主要由：電機(jī)，諧波減速器，圓錐齒輪，鏈輪，鏈條，諧波減速器幾部分組成。選擇機(jī)器人電機(jī)，電機(jī)是機(jī)器人運(yùn)行的動力來源，機(jī)器人最早使用的電機(jī)是步進(jìn)電機(jī)，后來發(fā)展為直流伺服電機(jī)。焊工機(jī)器人各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)速度都很低，因此在選擇電機(jī)的過程中，功率要求很小，主要考慮電機(jī)的尺寸是否能滿足焊工機(jī)器人外形尺寸的要求。焊機(jī)對速度的要求較低，需要通過大減速比的電動機(jī)減速，才能達(dá)到焊機(jī)對速度的要求，所以焊機(jī)對減速比的選擇范圍較大。它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、體積小、傳動比范圍大、承載能力高、損耗小、效率高、齒面磨損均勻等優(yōu)點(diǎn)。 （5）小臂 手腕的仰擺采用交流伺服電機(jī)經(jīng)諧波減速器減速，帶動圓錐齒輪軸轉(zhuǎn)動，再經(jīng)過鏈輪、鏈傳動驅(qū)動安裝了手腕的軸旋轉(zhuǎn)，使腕部與軸一起轉(zhuǎn)動，從而達(dá)到腕部的仰擺。 2.1.2 自由度和坐標(biāo)系的選擇 機(jī)器人的運(yùn)動自由度是指各運(yùn)動部件在三維空間相當(dāng)于固定坐標(biāo)系所具有的獨(dú)立運(yùn)動數(shù)，對于一個構(gòu)件來說，它有幾個運(yùn)動坐標(biāo)就稱其有幾個自由度。各運(yùn)動部件自由度的總和為機(jī)器人的自由度數(shù)。機(jī)器人的手部要像人手一樣完成各種動作是比較困難的，因?yàn)槿说氖种浮⒄?、腕、臂?9個關(guān)節(jié)組成，共有27個自由度。而生產(chǎn)實(shí)踐中不需要機(jī)器人的手有這么多的自由度一般為3-6個（不包括手部）。本次設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人為5自由度即：手爪張合；腕部回轉(zhuǎn)；臂部伸縮；臂部回轉(zhuǎn)；臂部升降。 工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下： 1) 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動是用三個相互垂直的直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(a)所示。由于直線運(yùn)動易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度（μm級）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動空間相對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講，是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多[2]。 直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式、龍門式、天車式三種結(jié)構(gòu)。 2) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動是用一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動及兩個直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1（b）。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。 3) 球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu) 球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動是由兩個回轉(zhuǎn)運(yùn)動和一個直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1（c）。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。 4) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動是由三個回轉(zhuǎn)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1（d）。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機(jī)器人。 關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。 根據(jù)要求及在實(shí)際生產(chǎn)中的用途，本次設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人采用圓柱坐標(biāo)。 (a)直角坐標(biāo)型 （b）圓柱坐標(biāo)型 （c）球坐標(biāo)型 （d）關(guān)節(jié)型 圖2-1四種機(jī)器人坐標(biāo)形式 2.2設(shè)計(jì)傳動方案 2.1驅(qū)動—傳動系統(tǒng)的構(gòu)成 在機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)中，驅(qū)動器通過聯(lián)軸器帶動傳動裝置(一般為減速器)，再通過關(guān)節(jié)軸帶動桿件運(yùn)動。 機(jī)器人一般有兩種運(yùn)動關(guān)節(jié)——轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和移(直)動關(guān)節(jié)。 為了進(jìn)行位置和速度控制，驅(qū)動系統(tǒng)中還包括位置和速度檢測元件。檢測元件類型很多，但都要求有合適的精度、連接方式以及有利于控制的輸出方式。對于伺服電機(jī)驅(qū)動，檢測元件常與電機(jī)直接相聯(lián)；對于液壓驅(qū)動，則常通過聯(lián)軸器或銷軸與被驅(qū)動的桿件相聯(lián)。 1—碼盤；2 —測速機(jī)；3 —電機(jī)；4 —聯(lián)軸器；5 —傳動裝置；6 —轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)；7 —桿。 8 —電機(jī)；9 —聯(lián)軸器；10 —螺旋副；11 —移動關(guān)節(jié)；12 —電位器(或光柵尺) 腰部傳動由伺服電機(jī)傳出動力一路傳遞到諧波減速器，再傳遞到軸，軸通過軸承固定，再通過齒輪機(jī)構(gòu)帶動整個腰部機(jī)構(gòu)運(yùn)動。 大臂傳動由伺服電機(jī)傳出動力一路傳遞到諧波減速器，再傳遞到大臂軸，軸通過軸承固定，通過大臂軸帶動平衡汽缸運(yùn)動實(shí)現(xiàn)整個大臂機(jī)構(gòu)運(yùn)動。 3焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1驅(qū)動器 3.1.1驅(qū)動器 （1）電機(jī)驅(qū)動器 電動驅(qū)動器的能源簡單，速度變化范圍大，效率高，速度和位置精度都很高。但它們多與減速裝置相聯(lián)，直接驅(qū)動比較困難。 電動驅(qū)動器又可分為直流 (DC)、交流(AC)伺服電機(jī)驅(qū)動和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。 直流伺服電機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，但它的電刷易磨損，且易形成火花。隨著技術(shù)的進(jìn)步，近年來交流伺服電機(jī)正逐漸取代直流伺服電機(jī)而成為機(jī)器人的主要驅(qū)動器。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動多為開環(huán)控制，控制簡單但功率不大，多用于低精度小功率機(jī)器人系統(tǒng)。 （2）氣動驅(qū)動器 氣壓驅(qū)動的結(jié)構(gòu)簡單，清潔，動作靈敏，具有緩沖作用。但與液壓驅(qū)動器相比，功率較小，剛度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的點(diǎn)位控制機(jī)器人。 （3）作為特殊的驅(qū)動裝置，有壓電晶體、形狀記憶合金 驅(qū)動器的選擇應(yīng)以作業(yè)要求、生產(chǎn)環(huán)境為先決條件，以價格高低、技術(shù)水平為評價標(biāo)準(zhǔn)。一般說來，目前負(fù)荷為100 kg以下的,可優(yōu)先考慮電動驅(qū)動器；只須點(diǎn)位控制且功率較小者，可采用氣動驅(qū)動器；負(fù)荷較大或機(jī)器人周圍已有液壓源的場合，可采用液壓驅(qū)動器。 對于驅(qū)動器來說，最重要的是要求起動力矩大，調(diào)速范圍寬，慣量小，尺寸小，同時還要有性能好的、與之配套的數(shù)字控制系統(tǒng)。 驅(qū)動器的選擇應(yīng)以作業(yè)要求、生產(chǎn)環(huán)境為先決條件，以價格高低、技術(shù)水平為評價標(biāo)準(zhǔn)。一般說來，目前負(fù)荷為100 kg以下的,可優(yōu)先考慮電動驅(qū)動器；只須點(diǎn)位控制且功率較小者，可采用氣動驅(qū)動器；負(fù)荷較大或機(jī)器人周圍已有液壓源的場合，可采用液壓驅(qū)動器。 對于驅(qū)動器來說，最重要的是要求起動力矩大，調(diào)速范圍寬，慣量小，尺寸小，同時還要有性能好的、與之配套的數(shù)字控制系統(tǒng)。 2.1.2電動機(jī)選擇： 大致確定P至少大于1KW有下表可選取合適的電動機(jī)。 綜合以上數(shù)據(jù)130SYX-01型號伺服電機(jī)，其參數(shù)如下： 額定功率=1.2KW 額定轉(zhuǎn)矩=4N/M 額定轉(zhuǎn)速=3000r/min 額定電壓=160V 額定電流=9.4A 峰值轉(zhuǎn)矩=32N/M 電樞電阻=0.2 電框電感=3.2MH 4 機(jī)器人的常用傳動機(jī)構(gòu) 4.1.1機(jī)器人傳動機(jī)構(gòu)的基本要求： (1) 結(jié)構(gòu)緊湊，即同比體積最小、重量最輕； (2) 傳動剛度大，即承受扭矩時角度變形要小，以提高整機(jī)的固有頻率，降低整機(jī)的低頻振動； (3) 回差小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時空行程要小，以得到較高的位置控制精度； (4) 壽命長、價格低。 機(jī)器人幾乎使用了目前出現(xiàn)的絕大多數(shù)傳動機(jī)構(gòu)，其中最常用的為諧波傳動、RV擺線針輪行星傳動和滾動螺旋傳動。 4.1.2諧波齒輪減速器的選擇 諧波傳動是利用一個構(gòu)件的可控制的彈性變形來實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動的傳遞。諧波傳動通常由三個基本構(gòu)件(俗稱三大件)組成，包括一個有內(nèi)齒的剛輪，一個工作時可產(chǎn)生徑向彈性變形并帶有外齒的柔輪和一個裝在柔輪內(nèi)部、呈橢圓形、外圈帶有滾動軸承的波發(fā)生器。柔輪的外齒數(shù)少于剛輪的內(nèi)齒數(shù)。在波發(fā)生器轉(zhuǎn)動時，相應(yīng)于長軸方向的柔輪外齒正好完全嚙入剛輪的內(nèi)齒；在短軸方向，則外齒全脫開內(nèi)齒。當(dāng)剛輪固定，波發(fā)生器轉(zhuǎn)動時，柔輪的外齒將依次嚙入和嚙出剛輪的內(nèi)齒，柔輪齒圈上的任一點(diǎn)的徑向位移將呈近似于余弦波形的變化，所以這種傳動稱作諧波傳動。 諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動原理發(fā)展起來的一種新型減速器。諧波齒輪傳動（簡稱諧波傳動），它是依靠柔性零件產(chǎn)生彈性機(jī)械波來傳遞動力和運(yùn)動的一種行星齒輪傳動。 （1）傳動原理 （2） 諧波傳動的主要特點(diǎn) (a)傳動比大，單級為50—300，雙級可達(dá)2x106。 (b)傳動平穩(wěn)，承載能力高，傳遞單位扭矩的體積和重量小。在相同的工作條件下，體積可減小20一50％。 (c)齒面磨損小而均勻，傳動效率高。當(dāng)結(jié)構(gòu)合理，潤滑良好時，對i =100的傳動，效率可達(dá)0.85。 (d)傳動精度高。在制造精度相同的情況下，諧波傳動的精度可比普通齒輪傳動高一級。若齒面經(jīng)過很好的研磨，則諧波齒輪傳動的傳動精度要比普通齒輪傳動高4倍。 (e)回差小。精密諧波傳動的回差一般可小于3’，甚至可以實(shí)現(xiàn)無回差傳動。 (f)可以通過密封壁傳遞運(yùn)動。這是其他傳動機(jī)構(gòu)難實(shí)現(xiàn)的。 (g)諧波傳動不能獲得中間輸出，并且杯式柔輪剛度較低。 它主要由三個基本構(gòu)件組成： （1）帶有內(nèi)齒圈的剛性齒輪（剛輪）2，它相當(dāng)于行星系中的中心輪； （2）帶有外齒圈的柔性齒輪（柔輪）1，它相當(dāng)于行星齒輪； （3）波發(fā)生器H，它相當(dāng)于行星架。 當(dāng)波發(fā)生器為主動時，凸輪在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動，就近使柔輪及薄壁軸承發(fā)生變形（可控的彈性變形），這時柔輪的齒就在變形的過程中進(jìn)入（嚙合）或退出（嚙離）剛輪的齒間，在波發(fā)生器的長軸處處于完全嚙合，而短軸方向的齒就處在完全的脫開。 波發(fā)生器通常成橢圓形的凸輪，將凸輪裝入薄壁軸承內(nèi)，再將它們裝入柔輪內(nèi)。此時柔輪由原來的圓形而變成橢圓形，橢圓長軸兩端的柔輪與之配合的剛輪齒則處于完全嚙合狀態(tài)，即柔輪的外齒與剛輪的內(nèi)齒沿齒高嚙合。這是嚙合區(qū)，一般有30%左右的齒處在嚙合狀態(tài)；橢圓短軸兩端的柔輪齒與剛輪齒處于完全脫開狀態(tài)，簡稱脫開；在波發(fā)生器長軸和短軸之間的柔輪齒，沿柔輪周長的不同區(qū)段內(nèi)，有的逐漸退出剛輪齒間，處在半脫開狀態(tài)，稱之為嚙出。 波發(fā)生器在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動時，迫使柔輪產(chǎn)生連續(xù)的彈性變形，此時波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動，就使柔輪齒的嚙入—嚙合—嚙出—脫開這四種狀態(tài)循環(huán)往復(fù)不斷地改變各自原來的嚙合狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱之錯齒運(yùn)動，正是這一錯齒運(yùn)動，作為減速器就可將輸入的高速轉(zhuǎn)動變?yōu)檩敵龅牡退俎D(zhuǎn)動。 對于雙波發(fā)生器的諧波齒輪傳動，當(dāng)波發(fā)生器順時針轉(zhuǎn)動1/8周時，柔輪齒與剛輪齒就由原來的嚙入狀態(tài)而成嚙合狀態(tài)，而原來脫開狀態(tài)就成為嚙入狀態(tài)。同樣道理，嚙出變?yōu)槊撻_，嚙合變?yōu)閲С?，這樣柔輪相對剛輪轉(zhuǎn)動（角位移）了1/4齒；同理，波發(fā)生器再轉(zhuǎn)動1/8周時，重復(fù)上述過程，這時柔輪位移一個齒距。依此類推，波發(fā)生器相對剛輪轉(zhuǎn)動一周時，柔輪相對剛輪的位移為兩個齒距。 柔輪齒和剛輪齒在節(jié)圓處嚙合過程就如同兩個純滾動（無滑動）的圓環(huán)一樣，兩者在任何瞬間，在節(jié)圓上轉(zhuǎn)過的弧長必須相等。由于柔輪比剛輪在節(jié)圓周長上少了兩個齒距，所以柔輪在嚙合過程中，就必須相對剛輪轉(zhuǎn)過兩個齒距的角位移，這個角位移正是減速器輸出軸的轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)了減速的目的。 波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動，迫使柔輪上的一點(diǎn)不斷的改變位置，這時在柔輪的節(jié)圓的任一點(diǎn)，隨著波發(fā)生器角位移的過程，形成一個上下左右相對稱的和諧波，故稱之為：“諧波”。 （二）特點(diǎn) 1．承載能力高 諧波傳動中，齒與齒的嚙合是面接觸，加上同時嚙合齒數(shù)（重疊系數(shù)）比較多，因而單位面積載荷小，承載能力較其他傳動形式高。 2．傳動比大 單級諧波齒輪傳動的傳動比，可達(dá) i=70～500。 3．體積小、重量輕。 4．傳動效率高、壽命長。 5．傳動平穩(wěn)、無沖擊，無噪音，運(yùn)動精度高。 6．由于柔輪承受較大的交變載荷，因而對柔輪材料的抗疲勞強(qiáng)度、加工和熱處理要求較高，工藝復(fù)雜。 諧波減速器在國內(nèi)于六七十年代才開始研制，到目前已有不少廠家專門生產(chǎn)，并形成系列化。廣泛應(yīng)用于電子、航天航空、機(jī)器人等行業(yè)，由于它的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在化工行業(yè)的應(yīng)用也逐漸增多。 RV擺線針輪傳動 RV擺線針輪傳動裝置，是由一級行星輪系再串聯(lián)一級擺線針輪減速器組合而成的。 二、主要特點(diǎn) 與諧波傳動相比，RV擺線針輪傳動除了具有相同的速比大、同軸線傳動、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高等待點(diǎn)外，最顯著的特點(diǎn)是剛性好，傳動剛度較諧波傳動要大2—6倍，但重量卻增加了1—3倍。 該減速器特別適用于操作機(jī)上的第一級旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(腰關(guān)節(jié))，這時自重是坐落在底座上的，充分發(fā)揮了高剛度作用，可以大大提高整機(jī)的固有頻率，降低振動；在頻繁加、減速的運(yùn)動過程中可以提高響應(yīng)速度并降低能量消耗。 （三）減速器的選擇 根據(jù)電動機(jī)的參數(shù)，有《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》表15-2-129查表選出諧波減速器型號為： 。 XB1為產(chǎn)品代號，120機(jī)型，150表示減速比。 其參數(shù)為： 輸入功率=1.25KW 輸入轉(zhuǎn)速=3000r/min 輸出轉(zhuǎn)矩=450N/M 輸出轉(zhuǎn)速=20r/min 3.1.3 軸的計(jì)算 （一）軸材料選擇 軸的材料選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，=360 MPa。 （二）軸的校核 軸因?yàn)槭秦Q直的，本身自重可以忽略不計(jì)，彎矩作用可以忽略，看成軸只受扭矩作用。 故只對軸扭矩進(jìn)行校核。 對軸進(jìn)行簡化計(jì)算： 從齒輪計(jì)算中得到轉(zhuǎn)矩T=3820N.mm， 得到的扭矩圖： 有圖可知，危險截面在C面。 在C面： 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力： ==53*53*53*3.14/16=29217 m =T/=3820 /29217=0.13 MPa 在C無須進(jìn)行彎轉(zhuǎn)應(yīng)力校核，也無須根據(jù)第三強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度校核。 軸的材料選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，=360 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大應(yīng)力， 故合適。 3.1.4 軸承選擇并校核 機(jī)構(gòu)中有多個軸承，現(xiàn)在選取一圓錐滾子軸承校核。簡圖如下： (1) 驗(yàn)算軸承平均壓力p(單位為MPa) =247N =0.24MPa 式中：B——軸承寬度，mm(根據(jù)寬徑比B/d確定) [p]——軸瓦材料的許用壓力，單位為MPa (2) 驗(yàn)算軸承的[pv]值(單位為MPa·m/s) pv=0.24×0.17=0.0408MPa·m/s v——軸徑圓周速度，即滑動速度，m/s [pv]——軸承材料的pv許用值，MPa·m/s 3.驗(yàn)算滑動速度v(單位為m/s) v=0.17m/s [v]為許用滑動速度，單位為m/s 根據(jù)這些數(shù)據(jù)查機(jī)械設(shè)計(jì)第七版表12-2選擇軸承為耐磨鑄鐵HT300。 滑動軸承和軸承座的配合為過渡配合，定為，IT6=13,IT7=21 基準(zhǔn)孔H7的下偏差EI=0,上偏差為 ES=EI+IT7=+0.021 軸瓦m的下偏差ei=0.008,es=ei+IT6=0.021 由此得，。 滑動軸承和軸的配合為間隙配合，定為，IT6=13,IT7=21 基準(zhǔn)軸h6的上偏差es=0,下偏差為 ei=es－IT6=(0－13)=－13 孔H7的下偏差EI=0 孔H7的上偏差ES=EI+IT7=21 由此得，。， 3.1.5 齒輪的設(shè)計(jì)與校核 齒輪參數(shù)計(jì)算及其校核： ①材料：高速級小齒輪選用鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬度為250HBS。高速級大齒輪選用鋼正火，齒面硬度為220HBS。 ②齒輪計(jì)算，查課本表得: 。 材料彈性系數(shù)Z Z=189.8(N/mm)（表15-17） 重合度系數(shù)Z=（（4-）/3）=0.9（表15-18） 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)Z Z=2.5(圖15-22) 螺旋角系數(shù)Z Z=1 (式15-34) 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N： N=60njL=60×500×1×8×11×250=6.6×108 N= N/i=6.6×10/4.2=1.571×108 表10-4得： 。 故 。 查課本表10-21圖得： 。 故 。 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10-9a）進(jìn)行試算 即 轉(zhuǎn)矩 載荷系數(shù)K: K= KKKK 7級精度制造，查課本表10-3得： 載荷系數(shù)，取齒寬系數(shù) 計(jì)算中心距： 考慮計(jì)算原因取 則取 傳動比：i= 齒寬：取 大齒輪： ,小齒輪： 大端分度圓直徑 d=m=4×36=144㎜，d=m=4×71=284㎜ 齒頂圓直徑 d= d+2mcosδ=144+6cos13.3924=236.87㎜， d= d+2mcosδ=284+6cos76.6076=295.900㎜ 齒根圓直徑d= d-2.4mcosδ=63-2.4cos13.3924 =55.966㎜ d= d-2.4mcosδ2=276-2.4×cos76.6076=86.532㎜ 齒輪錐距? R=1/2=135.998 大端圓周速度 v=πdn/60000=3.14×63×500/60000=1.649m/s， 齒寬b= 0.4×135.998=64.14 選齒輪精度為7級 Δ=（0.1～0.2）R =（0.1～0.2）305.500=30.05～60.1㎜ 取Δ=10㎜，Δ=14㎜,c=10㎜ 輪寬 L=（0.1～0.2）d=（0.1～0.2）93=12.4㎜ L=（0.1～0.2）d=（0.1～0.2）×291=39㎜ ③按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)： 所以安全。 ④驗(yàn)算輪齒彎曲強(qiáng)度： 查課本表10-5得： 最小齒寬計(jì)算： 所以安全。 查課本第162頁表11-2知選用7級的的精度是合適的。 以上課本為《 機(jī)械設(shè)計(jì)》（第七版）。 3.2大臂的設(shè)計(jì) 3.2.1電動機(jī)選擇： 電動機(jī)功率計(jì)算： 以上是大致受理圖，得出電機(jī)需帶動的扭矩。 T=cosΘ*F*S=cosΘ*12*10*/1000=78N/M T=9550*P/n N=60r/min 所以輸出功率P=T*n/9550=78*60*9550=0.49KW=490W。 因?yàn)楣β式?jīng)過整個傳動系統(tǒng)后不變，所以電機(jī)至少需要也為490W,即0.49KW。 考慮到安全系數(shù)S,一般取S=1.5， 所以P至少大于1.5*0.49=0.735kw 有下表可選取合適的電動機(jī)。 3.2.2諧波齒輪減速器的選擇 根據(jù)電動機(jī)的參數(shù)，有《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》表15-2-129查表選出諧波減速器型號為： XB1-100-125。 XB1為產(chǎn)品代號，120機(jī)型，150表示減速比。 其參數(shù)為： 輸入功率=0.777KW 輸入轉(zhuǎn)速=3000r/min 輸出轉(zhuǎn)矩=240/M 輸出轉(zhuǎn)速=24r/min 3.2.3軸的計(jì)算 一、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)軸承的要求和機(jī)構(gòu)本身的性能要求，等到軸的尺寸如附圖： 軸的材料選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，=360 MPa。 二、軸的校核 軸本身自重可以忽略不計(jì)，彎矩作用可以忽略，看成軸只受扭矩作用, 故只對軸扭矩進(jìn)行校核。A,B處為相同兩個槽，受扭矩相同，C處也是受扭矩影響大之處。故腰對B,C兩處進(jìn)行校核。 對軸進(jìn)行簡化計(jì)算： 從電動機(jī)計(jì)算中得到轉(zhuǎn)矩T=2387.5N.mm，計(jì)算A,B處扭矩為3119N.mm 得到的扭矩圖： 有圖可知，其受理情況一直，每處受到扭矩一樣，故可隨機(jī)選取一點(diǎn)。 在B面： ==17×17×17×3.14/16=964mm。 =T/=6238/964=6.47MPa 在C面： 扭轉(zhuǎn)應(yīng)力： ==72*72*72*3.14/16=73249.92 m =T/=2387.5