焊接機械手說明書

.z.目錄-.z.此次設計的焊接機械手實際是五自由度的關節(jié)機器人。采用步進電機驅(qū)動、微機控制，結構緊湊，工作*圍大，動作靈活，不僅用于弧焊作業(yè)，還可用于搬運和裝配作業(yè)?；『笝C器人在通用機械、金屬結構等許多行業(yè)中得到廣泛運用?；『笝C器人是包括各種電弧焊附屬裝置在內(nèi)的柔性焊接系統(tǒng)，而不只是一臺以規(guī)劃的速度和姿態(tài)攜帶焊槍移動的單機，因而對其性能有著特殊的要求。在弧焊作業(yè)中，焊槍應跟蹤工件的焊道運動，并不斷填充金屬形成焊縫。因此運動過程中速度的穩(wěn)定性和軌跡精度是兩項重要指標。一般情況下，焊接速度約取5-50mm/s，軌跡精度約為±（0.2-0.5）mm。電氣系統(tǒng)的設計就是運用機電傳動的知識，即PLC系統(tǒng)進行控制，PLC控制系統(tǒng)有西門子系統(tǒng)，歐姆龍系統(tǒng)等。關鍵詞：焊接機械手機器人電器控制AbstractThisdesignistheweldingapparatusmanipulatordesign,inthedesignprocess,requestsustoutilizethemechanicalandelectricalknowledgetoplete,itsdesigncontentmainlyincludes,manipulator'sdesign,contentandsoonelectricalsystemdesign.Thisdesignweldingapparatusmanipulatorisfivedegreesoffreedomjointrobotsactually.Usesstep-by-stepsthemotor-driven,themicroputercontrol,thestructurepact,operatingregionbig,themovementisfle*ible,notonlyusesinthearcweldingwork,butalsomayuseintransportingandtheassemblywork.Thearcweldingrobotinthegeneralmachinery,themetalstructureandsooninmanyprofessionsobtainsthewidespreadutilization.Thearcweldingrobotisincludeseachkindofarcweldingsupplementaryinstallationthefle*ibleweldingsystem,butnotonlybythespeedandtheposturewhichplanscarriesthesingleenginewhichtheweldingtorchmoves,thushasthespecialrequesttoitsperformance.Inthearcweldingwork,theweldingtorchshouldtracktheworkpiecetheweldbeadmovement,andtheunceasingfillermetalformstheweldedjoint.Thereforeintherateprocessthespeedstabilityandthepathprecisionaretwoimportanttargets.Intheordinarycircumstances,theweldingspeedtakes5-50mm/appro*imatelyS,thepathprecisionisappro*imately±(0.2-0.5)mm.Theelectricalsystemdesignistheutilizationmechanicalandelectricaltransmissionknowledge,namelythePLCsystemcarriesonthecontrol,thePLCcontrolsystemhastheSimenssystem,theohmdragonsystemandsoon.Keyword:Weldingapparatusmanipulatorrobotelectricappliancecontrol畢業(yè)設計是學生的最后一個教學環(huán)節(jié)，全國高教機械設計及制造專業(yè)教學指導委員會第三次會議記要指出，"畢業(yè)設計題目應該以產(chǎn)品（或工程）設計類題目為主，尤其要鼓勵去工廠從高真實產(chǎn)品設計”。在實際工程設計中，學生可以得到所學過的理論基礎，技術基礎，專業(yè)課全面的訓練，為將來做好機械設計工程師的工作，提供全面的鍛煉機會。我們這次畢業(yè)設計題目，是結合老師的具體研制項目設立的，我們在實習廠所參觀的并以以往設備為參考，結合所學機械各方面知識，在老師指導下，查閱許多手冊，經(jīng)過不斷的改進，最終設計出了此次焊接機器人，從而避免了加工質(zhì)量差，生產(chǎn)效率低，設備昂貴的問題。我此次畢業(yè)設計的任務是焊接機器人設計，在王老師的輔導下，查閱了大量的資料，設計出了具有五個自由的焊接機械人。計算正確，四*零號圖紙，符合工作量的要求。通過這次畢業(yè)設計，我在計算，制圖，公差與技術測量，機械原理，機械設計，金屬材料與熱處理，機械制造工藝方面的知識都受到全面的綜合訓練，在機電的結合方面使我受益匪淺。特別是王老師在工作中對我的耐心輔導，他對學生強烈的責任感和嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，無不給我以深刻的影響。由于類似的大型課題第一次接觸，經(jīng)驗能力方面的欠缺，錯誤之處一定存在，懇請各位老師給予批評指正。焊接是制造工業(yè)中最重要的工藝技術之一.它在機械制造,核工業(yè),航空航天\能源交通,石油化工及建筑和電子等行業(yè)中的應用越來越廣.隨著科學技術的發(fā)展,焊接已從簡單的構件連接方法和毛坯制造手段發(fā)展成為制造行業(yè)中一項基礎工藝和生產(chǎn)尺寸精確的制成品的生產(chǎn)手段.傳統(tǒng)的手工焊接已不能滿足現(xiàn)代高技術產(chǎn)品制造的質(zhì)量,數(shù)量要求.因此保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性,提高生產(chǎn)率和改善勞動條件已成為現(xiàn)代焊接制造工藝發(fā)展亟待解決的問題.從21世紀先進制造技術的發(fā)展要求看,焊接自動化生產(chǎn)已是必然趨勢.焊接機器人主要優(yōu)點如下:1)穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量,保證其均勻性;2)提高勞動生產(chǎn)率,一天可24小時連續(xù)生產(chǎn)3)改善工人勞動條件,可在有害環(huán)境下工作;4)降低對工人操作技術的要求;5)縮短產(chǎn)品改形換代的準備周期,減少相應的設備投資;6)可實現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動化;7)能在空間站建設,核能設備維修,深水焊接等極限條件下完成人工難以進行的焊接作業(yè).8)為焊接柔性生產(chǎn)線提供技術基礎.焊接作為機械制造業(yè)中僅次與裝備加工和切削加工的第三大加工作業(yè),對其進行機器人柔性加工技術及其相關的控制器PC化,網(wǎng)絡化和智能化的應用研究已成為焊接自動化發(fā)展的必然趨勢.實現(xiàn)焊接自動化生產(chǎn)的意義和必要性:隨著我國一步一步地走向國際市場大舞臺和加入國際貿(mào)易組織,國內(nèi)競爭和國際競爭的界限將越來越模糊,我國的經(jīng)濟發(fā)展和國際接軌是大勢所趨,改變過去的生產(chǎn)方式和管理模式已迫在眉睫.這種改變不僅僅對大小型企業(yè)而言,對中型企業(yè)也將更加重要.根據(jù)任務的來源不同，按制造廠的產(chǎn)品規(guī)劃或用戶訂貨要求來確定。在總體方案設計階段先要確定的主要參數(shù)有如下幾種：（1）額定負載。額定負載是指在機器人規(guī)定的性能*圍內(nèi)，機械接口處所能承受負載的允許值。它主要根據(jù)作用于機械接口處的力和力矩，包括機器人末端執(zhí)行器的質(zhì)量、抓取工件的質(zhì)量及慣性力（矩），外界的作用力（矩）（如切削機器人的切削力）來確定。（2）按作業(yè)要求確定工作空間，同時要考慮作業(yè)對象對機器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)要求，以便為后續(xù)方案設計中的自由度設計提供依據(jù)。（3）額定速度。指工業(yè)機器人在額定負載、勻速運動過程中，機械接口中心的最大速度。應綜合考慮作業(yè)效率要求、作業(yè)線協(xié)調(diào)生產(chǎn)要求、慣性力（矩）、驅(qū)動與控制方式、定位方式和精度要求等各種因素來確定。其中慣性力（矩）這一因素，由于機器人的總體結構尚未設計，故該階段只能概略估計。（4）驅(qū)動方式的選擇。目前所采用的方式是氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電動機驅(qū)動。此次設計選用的是步進、伺服電動機。步進電動機輸出力較小，伺服電動機可大一些，適用于運動控制要求嚴格的中、小型機器人?？刂菩阅芎?，控制靈活性強，可實現(xiàn)速度、位置的精確控制，對環(huán)境無影響。體積小，需減速裝置。維修使用較復雜，成本較高，效率為0.5左右。（5）性能指標。按作業(yè)要求確定。一般指位姿準確度及位姿重復性（點位控制）、軌跡準確度及軌跡重復性（軌跡控制）、最小定位時間及分辨率等。同時還可對機械結構的剛度、關節(jié)幾何運動精度等提出要求。（1）機器人系統(tǒng)包括：由移動式或固定式的操作機、電源、控制系統(tǒng)以及操作并監(jiān)控機器人的裝置、外部設備或傳感器的通訊接口所組成的機器人控制裝置（硬件和軟件）；末端執(zhí)行器；機器人完成作業(yè)所需的外部設備、裝置或傳感器。所用的外部設備均由機器人的控制系統(tǒng)管理。（2）手臂和手腕是機器人操作機中的基本部件，它由旋轉(zhuǎn)運動和往復運動的機構組成。其結構形式是多種多樣的，但多數(shù)機器人的手臂和手腕是由關節(jié)和桿件構成的空間機構，一般由3-10個自由度組成，工業(yè)機器人一般為3-6個自由度。由于機器人具有多自由度手臂、手腕的機構，使操作運動具有通用性和靈活性，這也是區(qū)別于一般自動機的特點。（3）機器臂的控制：在電動伺服系統(tǒng)中，驅(qū)動機械臂各關節(jié)的是步進電機或直流伺服電機。步進電機從驅(qū)動器得到一系列脈沖信號，每個脈沖信號使步進電機軸產(chǎn)生一定的角位移。一般不需要反饋回路和位置編碼器，控制比較簡單。采用直流伺服電機的控制系統(tǒng)以測速器和角度編碼作為反饋裝置，能夠精確地控制機械臂關節(jié)軸的運動，它的工作狀態(tài)平穩(wěn)，旋轉(zhuǎn)速度可以連續(xù)調(diào)節(jié)，對加速和減速指令都能迅速作出反應。（4）腕部機構支承機器人手部裝置并調(diào)整其姿態(tài)，一般有2-3個自由度，使位于機械臂末端的手爪產(chǎn)生俯仰擺動和繞自身軸線的轉(zhuǎn)動，這些運動的合成，使機器人的手部相對于操作對象形成靈活的工作姿態(tài)。（5）機器人的手部裝置又稱末端執(zhí)行器。根據(jù)作業(yè)性質(zhì)不同，機械臂末端的執(zhí)行器有不同形式。焊接機器人和噴涂機器人的末端分別為固定焊槍和噴槍的夾具。搬運大件光整平板的機器人一般采用真空吸附式末端執(zhí)行器，利用吸盤內(nèi)壓力與大氣壓力之間的差值產(chǎn)生吸附作用力。對于一般的物料搬運和裝配機器人，末端執(zhí)行器為種類繁多的機械夾持器，用機械手指的閉合和*開來夾緊和釋放工件。運送鐵磁物質(zhì)的機器人還可以將電磁吸盤作為末端執(zhí)行器。機器人底座的結構設計要求：1)要有足夠大的安裝基面，以保證機器人工作時的穩(wěn)定性。2)機座承受機器人全部重量和工作載荷，應保證足夠的強度、剛度和承載能力。3)機座軸系及傳動鏈的精度和剛度對末端執(zhí)行器的運動精度影響最大。因此機座與手臂的聯(lián)接要有可靠的定位基準面，要有調(diào)整軸承間隙和傳動間隙的調(diào)整機構。機器人的底座是由兩部分組成的，分為上下兩部分，下部分的作用是固定和支撐，屬于不動體，用螺絲固于與地上；上部分是一個轉(zhuǎn)臺作用是支撐和旋轉(zhuǎn)，帶動大臂以上部分做旋轉(zhuǎn)運動，是圓弧形的。上部分也稱做腰部，腰部回轉(zhuǎn)由一級齒輪傳動和諧波齒輪組成，如底座部件圖所示在結構布置上，電機、諧波減速器和小齒輪均在腰上隨腰座一起回轉(zhuǎn)；而大齒輪固定在機座上。這樣布局對裝飾、潤滑方便，但增大了腰部回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動慣量。底座上使用的是階梯軸，作用是傳動轉(zhuǎn)矩，把諧波減速器傳出的轉(zhuǎn)矩傳動到小齒輪上，軸的上端和諧波減速器的柔輪相連，下端由鍵和小齒輪聯(lián)結，諧波減速器的剛輪和諧波減速器的外殼聯(lián)結，諧波減速器的外殼又和機器人的大臂用螺栓連接；當?shù)鬃碾姍C工作時，諧波減速器的剛輪不動，柔輪動，柔輪又通過階梯軸和小齒輪由鍵連接，所以帶動小齒輪動，小齒輪又和大齒輪相嚙合，大齒輪通過齒輪座固連于下底座上，所以小齒輪帶著諧波減速器和機器人大臂以上的部件，繞著大齒輪做旋轉(zhuǎn)運動。實現(xiàn)了焊接機器人繞Z向旋轉(zhuǎn)的自由度。步進電機從驅(qū)動器得到一系列脈沖信號，每個脈沖信號使步進電機軸產(chǎn)生一定的角位移。一般不需要反饋回路和位置編碼器，控制比較簡單。采用直流伺服電機的控制系統(tǒng)以測速器和角度編碼作為反饋裝置，能夠精確地控制機械臂關節(jié)軸的運動，它的工作狀態(tài)平穩(wěn)，旋轉(zhuǎn)速度可以連續(xù)調(diào)節(jié)，對加速和減速指令都能迅速作出反應。在機械手的電動機設計計算過程中，采用混合式步進電動機，混合式步進電動機即是一種兼有反應式（機械設計手冊5版35-84頁）底座電機選用90BYG5503型號，如下表：型號步距角相數(shù)驅(qū)動電壓/V相電（流）/A靜轉(zhuǎn)距/N·M空載啟動頻率/P·P·S空載運行頻率/K·P·P·S轉(zhuǎn)14動慣量/kg·cm2相電感/mH重量/kg90BYG55030.36/0.72550372200≥305.15.06.0（1）諧波減速器在機器人中的應用由于諧波減速器裝置具有傳動比大、承載能力強、傳動精度高、傳動平穩(wěn)、效率高，體積小，質(zhì)量輕等優(yōu)點，已廣泛用于工業(yè)機器人中。此次設計中分別在底座，大臂，小臂上用了三個諧波減速器。目前工業(yè)機器人中常用的諧波減速器有三種型式。此次設計選用的是帶杯形柔輪的諧波傳動如圖4—18a所示，是由三個基本構件組成的，帶凸緣的環(huán)型剛輪6，杯形柔輪1和由柔性軸承5、橢圓盤4構成的波發(fā)生器，它通過端面牙嵌式聯(lián)軸器3與輸出軸套2相連。這種沒有單獨外殼的由三大基本構件形成一個組合件的結構形式，使傳動裝置的結構更為簡化和緊湊。（2）諧波減速器工作原理諧波齒輪傳動的工作原理如圖4—16所示，若剛輪G為固定件，波發(fā)生器／／為主動件，柔輪R為從動件。當將波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)孔時．由于波發(fā)生器兩滾子外側(cè)之間的距離略大于柔輪內(nèi)孔直徑，使原為圓形的柔輪產(chǎn)生彈性變形成為橢圓，使其長軸兩端的齒與剛輪齒完全嚙合。同時，變形后柔輪短軸兩端的齒則與剛輪齒完全脫開，其余各處的齒，則視回轉(zhuǎn)方向不同分別處于"嚙人”或"嚙出”狀態(tài)，當波發(fā)生器連續(xù)回轉(zhuǎn)時，嚙人區(qū)和嚙出區(qū)將隨著橢圓長短軸相位的變化而依次變化。于是柔輪就相對于不動的剛輪沿與波發(fā)生器轉(zhuǎn)向相反的方向作低速回轉(zhuǎn)，柔輪長軸和短軸相位的連續(xù)變化，使柔輪的變形在其圓周上是連續(xù)的簡諧波形，因此，這種傳動稱為諧波傳動。若柔輪固定，剛輪從動，其工作過程完全相同，只是剛輪的轉(zhuǎn)向與波發(fā)生相反。（3）傳動比計算如圖4—16所示，波發(fā)生器有兩個觸頭，產(chǎn)生兩個嚙合區(qū)，故稱雙波發(fā)生器，若波發(fā)生器有三個觸頭，則可產(chǎn)生三個嚙合區(qū)，此時稱三波發(fā)生器。對雙波傳動，剛輪和柔輪的齒數(shù)差應為2，三個波傳動其齒數(shù)差應為3，由于結構上的原因，單波或三波以上的傳動很少用，常用的是雙波傳動。從傳動效率考慮和實際應用需要，常用的諧波傳動可分以下兩種情況：1）、波發(fā)生器主動，剛輪固定，柔輪從動時，波發(fā)生器與柔輪的減速傳動比為ieq\o(\s\up8(G),\s\do3(HR))=（４－５２）式中,——分別為剛輪與柔輪的齒數(shù)；，——分別為波發(fā)生器和柔輪的轉(zhuǎn)速。2)波發(fā)生器主動，柔輪固定，剛輪從動時，波發(fā)生器和剛輪的減速傳動比為式中——剛輪的轉(zhuǎn)速，其余同式（４－５２）波發(fā)生器固定時，若剛輪主動而柔輪從動，其傳動比略大于１，反之，柔輪主動而剛輪從動，其傳動比略小于１。根據(jù)底座的這種運動要求，以及底座運動的轉(zhuǎn)動慣量，我們選用標準的諧波減速器，其性能參數(shù)如下表所示：規(guī)格產(chǎn)品型號模數(shù)m減速比i額定輸入轉(zhuǎn)速r/min額定輸出力矩N·m８０ＸＢ－８０－２０２Ｂ０．２２０２≤３０００１２０其外形及安裝尺寸如下表：機型ＡＢＣＤＥＦＧＨＩ８０1157781．61580346.5105ＪＫＬＯＰＱＲＳＴ14516．326565．53645底座上使用的是階梯軸，作用是傳動轉(zhuǎn)矩，把諧波減速器傳出的轉(zhuǎn)矩傳動到小齒輪上，軸的上端和諧波減速器的柔輪相連，下端由鍵和小齒輪聯(lián)結，按彎扭合成強度校核軸的強度1、繪制軸受力簡圖(圖a)2、繪制垂直面彎矩圖(圖b)軸承支承反力===160.3N=+=982+160.3=1142.3N計算彎矩截面c右側(cè)彎矩==1142.3截面c左側(cè)彎矩==160.33、繪制水平彎矩圖(圖c)軸支承反力====1309N截面c處彎矩==13094、繪制合成彎矩圖(圖d)====5、繪制轉(zhuǎn)矩圖(圖e)T=9.55=9.55=260N.m6、繪制當量彎矩圖(圖f)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的扭剪應力按脈動循環(huán)變化，取=0.6,截面c處的當量彎矩為===202N.m7、校核危險截面的強度===2.77Mpa<55Mpa2手臂結構設計要求1)手臂的結構和尺寸應滿足機器人完成作業(yè)任務提出的工作空間要求。工作空間的形狀和大小與手臂的長度、手臂關節(jié)的轉(zhuǎn)角*圍密切相關2)根據(jù)手臂所受載荷和結構的特點，合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質(zhì)材料，如常采用空心的薄壁矩形框體或圓管以提高其抗彎剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，減輕自身的重量?？招慕Y構內(nèi)部可以方便地安置機器人的驅(qū)動系統(tǒng)。3)盡量減小手臂重量和相對其關節(jié)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量和偏重力矩，以減小驅(qū)動裝置的負荷；減少運轉(zhuǎn)的動載荷與沖擊，提高手臂運動的響應速度。4)要設法減小機械間隙引起的運動誤差，提高運動的精確性和運動剛度，采用緩沖和限位裝置提高定位精度。焊接機器人的大臂采用電機、諧波減速器和關節(jié)軸線同軸的傳動方式，結構簡單，傳動路線最短。大臂上的諧波減速器采用的是柔輪不動，剛輪動的方式；諧波減速器的剛輪與機器人的大臂用螺栓相連，柔輪通過支撐法蘭固定在臂座上，驅(qū)動電機的輸出軸用鍵與驅(qū)動軸相連，軸與套筒用鍵連接，并一同轉(zhuǎn)動。波發(fā)生器與套筒用法蘭剛性連接，套筒通過鍵與固定在支撐法蘭盤上的電磁制動器相聯(lián)。帶內(nèi)圈的從動剛輪與大臂殼體相固聯(lián)。因此大臂殼體與剛輪一起在軸承上轉(zhuǎn)動。這種伺服電機經(jīng)諧波減速器減速后驅(qū)動的手臂關節(jié)結構緊湊，手臂的轉(zhuǎn)角*圍大。電動機驅(qū)動的關節(jié)型機器人的大臂是用高強度鋁合金材料制成的薄壁框形結構，其運動都是采用齒輪傳動，傳動剛性較大。大臂電動機是驅(qū)動大臂做擺動，選用75BYG4501型號，如下表：型號步距角相數(shù)驅(qū)動電壓/V相電（流）/A靜轉(zhuǎn)距/N·M空載啟動頻率/P·P·S空載運行頻率/K·P·P·S轉(zhuǎn)動慣量/kg·cm2相電感/mH重量/kg75BYG45010.9/1.845031.51200≥（1）諧波減速器在機器人中的應用由于諧波減速器裝置具有傳動比大、承載能力強、傳動精度高、傳動平穩(wěn)、效率高，體積小，量輕等優(yōu)點，已廣泛用于工業(yè)機器人中。此次設計中分別在，大臂上用了一個諧波減速器。目前工業(yè)機器人中常用的諧波減速器有三種型式。此次設計選用的是帶杯形柔輪的諧波傳動如圖4—18a所示，是由三個基本構件組成的，帶凸緣的環(huán)型剛輪6，杯形柔輪1和由柔性軸承5、橢圓盤4構成的波發(fā)生器，它通過端面牙嵌式聯(lián)軸器3與輸出軸套2相連。這種沒有單獨外殼的由三大基本構件形成一個組合件的結構形式，使傳動裝置的結構更為簡化和緊湊。（2）諧波減速器工作原理諧波齒輪傳動的工作原理如圖4—16所示，若剛輪G為固定件，波發(fā)生器／／為主動件，柔輪R為從動件。當將波發(fā)生器裝入柔輪內(nèi)孔時．由于波發(fā)生器兩滾子外側(cè)之間的距離略大于柔輪內(nèi)孔直徑，使原為圓形的柔輪產(chǎn)生彈性變形成為橢圓，使其長軸兩端的齒與剛輪齒完全嚙合。同時，變形后柔輪短軸兩端的齒則與剛輪齒完全脫開，其余各處的齒，則視回轉(zhuǎn)方向不同分別處于"嚙人”或"嚙出”狀態(tài)，當波發(fā)生器連續(xù)回轉(zhuǎn)時，嚙人區(qū)和嚙出區(qū)將隨著橢圓長短軸相位的變化而依次變化。于是柔輪就相對于不動的剛輪沿與波發(fā)生器轉(zhuǎn)向相反的方向作低速回轉(zhuǎn)，柔輪長軸和短軸相位的連續(xù)變化，使柔輪的變形在其圓周上是連續(xù)的簡諧波形，因此，這種傳動稱為諧波傳動。根據(jù)大臂的這種運動要求，以及大臂運動的轉(zhuǎn)動慣量，我們選用標準的諧波減速器，其性能參數(shù)如下表所示：規(guī)格產(chǎn)品型號模數(shù)m減速比i額定輸入轉(zhuǎn)速r/min額定輸出力矩N·m８０ＸＢ－８０－２０２Ｂ０．２２０２≤３０００１２０其外形及安裝尺寸如下表：機型ＡＢＣＤＥＦＧＨＩ８０1157781．61580346.5105ＪＫＬＯＰＱＲＳＴ14516．326565．53645小臂采用電動機、諧波減速器和關節(jié)軸線同軸的傳動方式，結構簡單，傳動路線最短。小臂上的諧波減速器也采用的是柔輪不動，剛輪動的方式；諧波減速器的剛輪與機器人的大臂用螺栓相連，柔輪通過支撐法蘭固定在臂座上，驅(qū)動電機的輸出軸用鍵與驅(qū)動軸相連，軸與套筒用鍵連接，并一同轉(zhuǎn)動。波發(fā)生器與套筒用法蘭剛性連接，套筒通過鍵與固定在支撐法蘭盤上的電磁制動器相聯(lián)。帶內(nèi)圈的從動剛輪與小臂殼體相固聯(lián)。因此小臂殼體與剛輪一起在軸承上轉(zhuǎn)動。這種伺服電機經(jīng)諧波減速器減速后驅(qū)動的手臂關節(jié)結構緊湊，手臂的轉(zhuǎn)角*圍大。電動機驅(qū)動的關節(jié)型機器人的小臂是用高強度鋁合金材料制成的薄壁框形結構，其運動都是采用齒輪傳動，傳動剛性較大小臂電動機是驅(qū)動小臂做上下運動，選用75BYG4502型號，如下表：型號步距角相數(shù)驅(qū)動電壓/V相電（流）/A靜轉(zhuǎn)距/N·M空載啟動頻率/P·P·S空載運行頻率/K·P·P·S轉(zhuǎn)動慣量/kg·cm2相電感/mH重量/kg75BYG45010.9/1.845031.51200≥諧波減速器在機器人中的應用由于諧波減速器裝置具有傳動比大、承載能力強、傳動精度高、傳動平穩(wěn)、效率高，體積小，質(zhì)量輕等優(yōu)點，已廣泛用于工業(yè)機器人中。此次設計中在小臂上用了一個諧波減速器。目前工業(yè)機器人中常用的諧波減速器有三種型式。此次設計選用的是帶杯形柔輪的諧波傳動如圖4—18a所示，是由三個基本構件組成的，帶凸緣的環(huán)型剛輪6，杯形柔輪1和由柔性軸承5、橢圓盤4構成的波發(fā)生器，它通過端面牙嵌式聯(lián)軸器3與輸出軸套2相連。這種沒有單獨外殼的由三大基本構件形成一個組合件的結構形式，使傳動裝置的結構更為簡化和緊湊。由于小臂的轉(zhuǎn)動慣量相對比較小，而且結構比較緊湊，因此在設計中采用諧波減速器直接驅(qū)動小臂運動的方式。步進電機驅(qū)動諧波減速器的波發(fā)生器，將運動傳遞給柔輪，由于剛輪不動柔輪動，電機的運動得到一定比例的減速！傳動比為１：２００。諧波減速器的柔輪與一驅(qū)動短軸相聯(lián)系，而短軸的另一端則與小臂體上的聯(lián)接體相連，聯(lián)接體是與小臂鑄成一體的，這樣就實現(xiàn)了步進電機驅(qū)動小臂作Ｘ軸的旋轉(zhuǎn)運動。根據(jù)小臂的這種運動要求，以及小臂運動的轉(zhuǎn)動慣量，我們選用標準的諧波減速器，其性能參數(shù)如下表所示：規(guī)格產(chǎn)品型號模數(shù)m減速比i額定輸入轉(zhuǎn)速r/min額定輸出力矩N·m４０ＸＢ－４０－２００Ｂ０．１２００≤３０００１６其外形及安裝尺寸如下表：機型ＡＢＣＤＥＦＧＨＩ４０644040.6840244.557ＪＫＬＯＰＱＲＳＴ829124．563．52028手腕是連接手臂和末端執(zhí)行器的部件，其功能是在手臂和機座實現(xiàn)了末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個位置坐標（自由度）的基礎上，再由手腕來實現(xiàn)末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的三個姿態(tài)（方位）坐標，即實現(xiàn)三個旋轉(zhuǎn)自由度。通過機械接口，聯(lián)接并支承末端執(zhí)行器。手腕能實現(xiàn)繞空間三個坐標軸的轉(zhuǎn)動，即回轉(zhuǎn)運動、左右偏擺運動和俯仰運動。當有特殊需要時，還可以實現(xiàn)小距離的橫移運動。手腕的自由度愈多，結構和控制愈復雜。因此，應根據(jù)機器人的作業(yè)要求來決定其應具有的自由度數(shù)目。在多數(shù)情況下，手腕具有1-2個自由度即可滿足作業(yè)要求。（1）設計要求對工業(yè)機器人手腕設計的要求有：1）由于手腕處于手臂末端，為減輕手臂的載荷，應力求手腕部件的結構緊湊，減少其質(zhì)量和體積。為此腕部機構的驅(qū)動裝置多采用分離傳動，將驅(qū)動器安置在手臂的后端。2）手腕部件的自由度愈多，各關節(jié)角的運動*圍愈大，其動作的靈活性愈高，機器人對作業(yè)的適應能力也愈強。但增加手腕自由度，會使手腕結構復雜，運動控制難度加大。因此，在設計時，不應盲目增加手腕的自由度數(shù)。通用目的機器人手腕多配置3個自由度，*些動作簡單的專用工業(yè)機器人的手腕，根據(jù)作業(yè)實際需要，可減少其自由度數(shù)，甚至可以不設置手腕以簡化結構。3）為提高手腕動作的精確性，應提高傳動的剛度，應盡量減少機械傳動系統(tǒng)中由于間隙產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)回差。如齒輪傳動中的齒側(cè)間隙，絲杠螺母中的傳動間隙；聯(lián)軸器的扭轉(zhuǎn)間隙等。對分離傳動采用鏈、同步齒帶或傳動軸傳動。4）對手腕回轉(zhuǎn)各關節(jié)軸上要設置限位開關和機械擋塊，以防止關節(jié)超限造成事故。具有兩個自由度的機械傳動手腕結構如下圖所示之手腕結構，手腕的驅(qū)動電動機安裝在大臂關節(jié)上，經(jīng)諧波減速器用兩級鏈傳動將運動通過小臂關節(jié)傳遞到手腕軸10上的鏈輪4、5。帶傳動6將運動經(jīng)帶輪4、軸10和圓錐齒輪9、11帶動軸14(其上裝有機械接口法蘭盤15)作回轉(zhuǎn)運動，帶傳動7將運動經(jīng)帶輪5直接帶動手腕殼體8實現(xiàn)上下俯仰擺動。當帶傳動6和帶輪4不動，使帶傳動7和帶輪5單獨轉(zhuǎn)動時，由于軸10不動，轉(zhuǎn)動的殼體8將迫使圓錐齒輪11作行星運動，即齒輪11隨殼體8作公轉(zhuǎn)(上下俯仰夕)，同時還繞軸14作附加的自轉(zhuǎn)運動。手腕的驅(qū)動電機放置于小臂的末端，靠梯形齒同步帶將動力源傳送到手腕的驅(qū)動軸上，實現(xiàn)手腕關節(jié)的運動。同步帶傳動效率高，可達98%～99.5%,節(jié)能效果大.與V帶和平帶傳動相比,傳動比準確,無彈性滑動,傳動比可大到10,速度大到40m/s,負載能力強、結構緊湊，帶的伸縮率小。此外，帶傳動傳動平穩(wěn)、噪聲小，不需要潤滑。因此同步帶傳動在機器人中也得到了廣泛的應用。本次設計參考了這方面的優(yōu)勢，通過查閱書籍確定采用此種結構。手腕電動機設計為兩個，第一個主要作用是使手腕實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，第二個主要作用是使手腕實現(xiàn)上下擺動作用。兩個電機都選用75BYG4503型號，如下表：型號步距角相數(shù)驅(qū)動電壓/V相電（流）/A靜轉(zhuǎn)距/N·M空載啟動頻率/P·P·S空載運行頻率/K·P·P·S轉(zhuǎn)動慣量/kg·cm2相電感/mH重量/kg75BYG45010.9/1.845031.51200≥（1）．對于與電機軸相聯(lián)的軸為主動軸，軸所受的載荷較小，且為高速軸，根據(jù)已知條件?20，轉(zhuǎn)速較低，主要受徑向力的影響，故選用深溝球軸承，主要承受一定的雙向軸向載荷，極限轉(zhuǎn)速較高，這類軸承結構緊湊，重量輕，價格便宜，供貨方便，應用較廣。查手冊高速軸選用深溝球軸承62007（2）軸承的校核計算兩個6012型軸承轉(zhuǎn)速1460r/min,徑向載荷Fr1=672NFr2=356N軸向載荷Fa=0,工作時無沖擊，溫度低于100℃解：軸承1承受的負載較重，經(jīng)驗算軸承1的當量載荷為P=*Fr+yFa查機械設計手冊6012形軸承Cr=31500NC0r=24200N深溝球軸承*0=0.6Y0=0.5P1=*Fr1+yFa1=376N軸承的壽命由公式計算得16667/n(ftC/fpP)3=16667/1460(1*31500/1.2*376)3壽命足夠。（3）按彎扭合成強度校核軸的強度1繪制軸受力簡圖(圖a)2繪制垂直面彎矩圖(圖b)軸承支承反力===160.3N=+=982+160.3=1142.3N計算彎矩截面c右側(cè)彎矩==1142.3截面c左側(cè)彎矩==160.33繪制水平彎矩圖(圖c)軸支承反力====1309N截面c處彎矩==13094繪制合成彎矩圖(圖d)====5繪制轉(zhuǎn)矩圖(圖e)T=9.55=9.55=260N.m6繪制當量彎矩圖(圖f)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的扭剪應力按脈動循環(huán)變化，取=0.6,截面c處的當量彎矩為===202N.m7校核危險截面的強度===2.77Mpa<55Mpa機器人是一種通用性較強的自動化作業(yè)設備，末端執(zhí)行器則是直接執(zhí)行作業(yè)任務的裝置，大多數(shù)末端執(zhí)行器的結構和尺寸都是根據(jù)其不同的任務要求來設計的，從而形成了多數(shù)多樣的結構型式，根據(jù)其用途的不同可以分為機械式夾持器、吸附式末端執(zhí)行器和專用工具，它按裝在操作機手腕或手臂的機械接口上，多數(shù)情況下末端執(zhí)行器是為特定的用途而專門設計的，但也可以設計成一種適用性較大的多用途末端執(zhí)行器，為了方便的更換末端執(zhí)行器，可設計一種末端執(zhí)行器的接換器來形成操作機上的機械接口。較簡單的可用法蘭盤作為接口出的接換器，本次設計就是采用的法蘭盤式接口。焊槍直接把在末端執(zhí)行器法蘭盤上。設計時的要求：不論是夾持和吸附，末端執(zhí)行器需具有滿足作業(yè)需求的足夠的夾持力和所需的夾持位置精度。應盡可能使末端執(zhí)行器結構簡單，質(zhì)量請輕，以減輕手臂的負荷。專用的末端執(zhí)行器結構簡單，工作效率高，而能完成多種作業(yè)的末端執(zhí)行器可能帶離來結構復雜，費用高的缺點，因此提倡設計可快速更換的系列化、通用化專用末端執(zhí)行器。此次設計的產(chǎn)品是五自由度的焊接機器人，因此它的未端執(zhí)行元件是焊槍，隨著氣保焊的廣泛運用，氣體保護焊更容量實現(xiàn)自動化，因此我選用的是氣體保護焊，用末端法蘭盤將其固定于手腕末端。具體的選用原則如下所述：1、送絲機的選擇弧焊機器人配備的送絲機可按安裝方式分為兩種。一種是將送絲機安裝在機器人的上臂的后部上面與機器人組成一體的方式；另一種是將送絲機與機器人分開安裝的方式。由于一體式的送絲機到焊槍的距離比分離式的短，連接送絲機和焊槍的軟管也短，所以一體式的送絲阻力比分離式的小。從提高送絲穩(wěn)定性的角度看，一體式比分離式要好一些。目前，弧焊機器人的送絲機采用一體式的安裝方式已越來越多了，但對要在焊接過程中進行自動更換焊槍(變換焊絲直徑或種類)的機器人，必須選用分離式送絲機。送絲機的結構有一對送絲輥輪的，也有兩對輥輪的；有只用一個電機驅(qū)動一對或兩對輥輪的，也有用兩個電機分別驅(qū)動兩對輥輪的。從送絲力來看，兩對輥輪的送絲力比一對輥輪的大些。當采用藥芯焊絲時，由于藥芯焊絲比較軟，輥輪的壓緊力不能象用實心焊絲時則大，為了保證有足夠的送絲推力，選用兩對輥輪的送絲機可以有更好的效果。對于送絲機與機器人連成一體的安裝方式，雖然送絲軟管比較短，但有時為了方便換焊絲盤，而把焊絲盤或焊絲桶敢在遠離機器人的安全圍欄之外，這就要求送絲機有足夠的拉力從較長的導絲管中把焊絲從焊絲盤(桶)拉過來，再經(jīng)過軟管推向焊槍。對于這種情況，和送絲軟管比較長的分離式送絲機一樣，都希望選用送絲力較大的送絲機。如忽視這一點，往往會出現(xiàn)送絲不穩(wěn)定甚至中斷送絲的現(xiàn)象。送絲機的送絲速度控制方法可分為開環(huán)和閉環(huán)兩種。目前，大部分送絲機仍采用開環(huán)的控制方法，但也有一些采用裝有光電傳感器(或碼盤)的伺服電機，使送絲速度實現(xiàn)閉環(huán)控制，不受網(wǎng)路電壓或送絲阻力波動的影響，保證送絲速度的穩(wěn)定性。對填絲的脈沖TIG焊來說，可以選用連續(xù)送絲的送絲機也可以選用能與焊接脈沖電流同步的脈動送絲機。脈動送絲機的脈動頻率可受電源控制，而每步送出焊絲的長度可以任意調(diào)節(jié)。脈動送絲機也可以連續(xù)送絲。因此，近來填絲的脈沖TIG焊機器人配備脈動送絲機的情況已逐步增多。2、送絲軟管的選擇和保持送絲穩(wěn)定的措施目前軟管都是將送絲、導電、輸氣和通冷卻水做成一體的方式，軟管的中心是一根通焊絲同時也起輸送保護氣作用的導絲管，外面纏繞導電的多芯電纜，有的電纜中還夾有兩根冷卻水循環(huán)的管子，最外面包敷一層絕緣橡膠。當送鋁焊絲時，應選用特富隆(TEFLON)或尼龍制成的管做導絲管；而送鋼焊絲時，一般采用鋼制的彈簧管。導絲管的內(nèi)徑應比焊絲直徑大lmm左右。造成弧焊機器人送絲不穩(wěn)定的原因往往是軟管阻力過大。一方面可能是選用的導絲管內(nèi)徑與焊絲直徑不匹配；另一方面可能是導絲管內(nèi)積存由焊絲表面剝落下來的銅末或鋼末過多所造成的。因此弧焊機器人應選用鍍銅層較牢固的優(yōu)質(zhì)焊絲，并調(diào)節(jié)好送絲輥輪的壓緊力，盡可能減少焊絲表面鍍銅層的剝落，而且一個月至少應定期清洗一次導絲管。如能選用不銹鋼制成的導絲管更好，由于奧氏體不銹鋼沒有磁性不會吸住鋼末，不但容易清理，而且不易堵塞導絲管。還必須注意在編程時調(diào)整焊槍和機器人的姿態(tài)，盡可能減少軟管的彎曲程度。特別是用分離式送絲機，由于軟管較長，如忽視調(diào)節(jié)機器人與送絲機的距離及姿態(tài)，軟管很容易出現(xiàn)多個小彎，而造成送絲不暢，這點往往被編程人員所忽視。目前越來越多的機器人公司把安裝在機器人上臂的送絲機稍為向上翹，有的還使送絲機能作左右小角度自由擺動，目的都是為了減少軟管的彎曲，保證送絲速度的穩(wěn)定性。3、焊槍的選擇焊接機器人用的焊槍大部分和手工半自動焊用的鵝頸式焊槍基本相同。鵝頸的彎曲角一般都小于45°，可以根據(jù)工件特點選不同角度的鵝頸，以改善焊槍的可達性。但如鵝頸角度選得過大，送絲阻力會加大，送絲速度容易不穩(wěn)定：而角度過小，如0°，一旦導電嘴稍有磨損，常會出現(xiàn)導電不良的現(xiàn)象。應該注意，當更換不同彎曲角的鵝頸的焊槍后，必須對機器人TCP(工具中心點)進行相應的調(diào)整，否則焊槍的運動軌跡和姿態(tài)都會發(fā)生變化。近來為了提高送絲速度的穩(wěn)定性，特別是高速送絲和送鋁焊絲時的穩(wěn)定性，在焊槍上增加一個由小型伺服電機驅(qū)動的拉絲機構，使送絲機和焊槍的拉絲機形成一推一拉的送絲系統(tǒng)。對這種推拉送絲系統(tǒng)必須協(xié)調(diào)好兩個電機的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)好送絲機和焊槍上各對送絲輥輪的壓緊力，使送絲機的推絲作用為主，焊槍的拉絲為輔。這樣，即使是由于*種原因兩個電機速度不匹配，焊槍上的送絲輥輪能夠打滑，而不至于損壞焊絲的表面或使焊絲從輥輪間擠出來，造成焊接的中斷。目前，除了一些焊鋁的機器人或高速焊的機器人裝有拉絲式焊槍外，比較多的還是選用普通鵝頸焊槍。4、防撞傳感器對于弧焊機器人除了要選好焊槍以外，還必須在機器人的焊槍把持架上配