一種焊接操作機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
一種焊接操作機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),一種,焊接,操作,機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)
摘 要
焊接是現(xiàn)代非常重要的工藝技術(shù)。它存在于很多行業(yè)，其中包括機(jī)械制造、核工業(yè)、航空航天等很多的大型行業(yè)。焊接操作機(jī)具有很多種結(jié)構(gòu)的形式，其中包括固定式、回轉(zhuǎn)式、全位置等。用戶可以根據(jù)自己所需自由選擇自己所需要的技術(shù)。焊接操作機(jī)主要由動(dòng)力裝置、控制裝置、傳動(dòng)裝置等裝置組成。
在本文中主要討論焊接操作機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及計(jì)算過(guò)程，其中包括立柱回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、行走臺(tái)車的設(shè)計(jì)等機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中包括了齒輪、軸、聯(lián)軸器、鍵等零件的選擇與校核。其中立柱回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是負(fù)責(zé)整體焊接機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)；鎖緊機(jī)構(gòu)是負(fù)責(zé)鎖緊立柱回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的；臺(tái)車則是焊接操作機(jī)的主體，負(fù)責(zé)焊接操作機(jī)的移動(dòng)。
關(guān)鍵詞：焊接操作機(jī)；行走臺(tái)車設(shè)計(jì)；鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；立柱回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
II
ABSTRACT
Welding is a very important technology.It exists in many industries, including machinery manufacturing, nuclear industry, aerospace and other large industries . There are many types of welding machine structure, including fixed, rotary, all position, etc.. Users are free to choose the technology according to they need. The welding machine is mainly composed of power device and control device.
In this paper, the mechanism design of the welding manipulator is mainly discussed, including the design of the column, slewing mechanism, locking mechanism, trolley design, including the selection and verification of gear, shaft and other parts.The column slewing mechanism is responsible for the movement of the whole welding mechanism; the locking mechanism is responsible for locking the column slewing mechanism; the trolley is the main body of the welding manipulator, and is responsible for the movement of the welding manipulator.
Key words: welding machine operator； Bogie design；Locking mechanism design；Design of column slewing mechanism
目 錄
1 緒論 1
1.1 本課題的目的與意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài) 1
1.3 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容 2
2 立柱回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3
2.1 電機(jī)選擇計(jì)算 3
2.2 回轉(zhuǎn)傳動(dòng)齒輪副設(shè)計(jì)計(jì)算及校核 5
2.3 回轉(zhuǎn)軸承選擇及校核 9
2.4 聯(lián)軸器選擇計(jì)算過(guò)程 10
2.5 連接鍵的選擇校核與計(jì)算過(guò)程 10
3 行走的臺(tái)車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 11
3.1 電機(jī)的選擇 11
3.2 車輪軸設(shè)計(jì)及強(qiáng)度的校核 12
3.3 聯(lián)軸器的選擇 17
4 鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 18
4.1 鎖緊原理及強(qiáng)度的校核 18
4.2 鎖緊電機(jī)的選擇 20
4.3 聯(lián)軸器、鍵的選擇計(jì)算與校核 20
5 環(huán)保與經(jīng)濟(jì)性的研究 22
5.1 環(huán)保性分析 22
5.2 經(jīng)濟(jì)性分析 22
6 結(jié) 論 23
參 考 文 獻(xiàn) 24
致 謝 25
附錄 1：外文翻譯 26
附錄 2：外文原文 30
III
焊接操作機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1. 緒論
1.1 本課題的目的與意義
焊接是現(xiàn)代非常重要的工藝技術(shù)。它存在于很多行業(yè)，其中包括機(jī)械制造、核工業(yè)、航空航天等大型行業(yè)。在 21 世紀(jì)的今天，科學(xué)發(fā)展的越來(lái)越迅速，焊接早就已經(jīng)變得和以前的焊接方式有很大程度的不同，以前的傳統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)現(xiàn)在已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代產(chǎn)品的制造要求。而且傳統(tǒng)的焊接技術(shù)對(duì)于焊接工人來(lái)說(shuō)有很大的危險(xiǎn)，需要工人站在第一線。所以為了保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量的安全穩(wěn)定、為了保障工人的安全問(wèn)題，提高生產(chǎn)率和改善勞動(dòng)條件早就已經(jīng)成為現(xiàn)代焊接技術(shù)發(fā)展最需要解決的問(wèn)題。所以這次在前人的基礎(chǔ)上本人進(jìn)行一次小型的焊接操作機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài)
科技在飛速發(fā)展，因此世界的焊接設(shè)備和方法也得到了大力的發(fā)展。在 21 世紀(jì)的今天，科學(xué)發(fā)展的越來(lái)越迅速，現(xiàn)代=焊接早已經(jīng)變得和傳統(tǒng)焊接方式有很大的不同。以前的傳統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)在不能滿足現(xiàn)代產(chǎn)品的制造要求。所以保證焊接產(chǎn)品質(zhì)量的安全穩(wěn)定，提高生產(chǎn)率和改善勞動(dòng)條件已成為現(xiàn)代焊接技術(shù)發(fā)展最需要解決的問(wèn)題。
最近幾年，我國(guó)進(jìn)一步發(fā)展了焊接技術(shù)。雖然我國(guó)焊接設(shè)備年常量很低，但是仍然有很重要的作用。所以，國(guó)外很多制造業(yè)中心都在朝著我國(guó)進(jìn)行轉(zhuǎn)移。這勢(shì)必帶來(lái)大量先進(jìn)得技術(shù)，同時(shí)帶動(dòng)我國(guó)焊接技術(shù)飛速發(fā)展，產(chǎn)生蓬勃的生機(jī)。而且國(guó)外近年來(lái)研制除了許多自動(dòng)化，高性能的焊接機(jī)器人。隨著科學(xué)發(fā)展的越來(lái)越迅速，焊接早就已經(jīng)變得和以前的焊接方式有很大程度的不同，以前的傳統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)現(xiàn)在已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代產(chǎn)品的制造要求。最近幾年，我國(guó)進(jìn)一步發(fā)展了焊接技術(shù)。尤其以德國(guó)、美國(guó)、西班牙發(fā)展的最為迅速。比如 6 爪蜘蛛自動(dòng)化焊接機(jī)器人等自動(dòng)化焊接操作機(jī)，都為人類事業(yè)發(fā)展帶來(lái)了很大的變化。節(jié)省了大量勞動(dòng)力，節(jié)省了資金，同時(shí)還使得在危險(xiǎn)區(qū)域工作更讓人放心。我國(guó)也一定會(huì)在高科技迅速的發(fā)展下再次煥發(fā)出蓬勃的生機(jī)。
與此同時(shí)，我國(guó)的焊接技術(shù)還很不成熟，造成大量不必要的浪費(fèi)，因此，我國(guó)現(xiàn)在對(duì)焊接裝備的要求越來(lái)越高，非常急切的需要各種高性能、高精度、高自動(dòng)化的焊接裝備。
第 23 頁(yè) 共 36 頁(yè)
1.3 主要的設(shè)計(jì)和計(jì)算
(1) 行走臺(tái)車 、 鎖緊機(jī)構(gòu)以及立柱回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ；
(2) 齒輪的計(jì)算和校正 、 軸的計(jì)算和校正等計(jì)算 ；
(3) 聯(lián)軸器的選擇計(jì)算 、 鍵的選擇與計(jì)算 。
圖 1.1 總體結(jié)構(gòu)的三維模型
2. 立柱回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
2.1 電機(jī)的選擇
立柱回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是焊接操作機(jī)中特別重要的部分，它負(fù)責(zé)焊接機(jī)的整體運(yùn)動(dòng)以及回轉(zhuǎn)，用來(lái)調(diào)整整體機(jī)械的位置。
圖 2.1 立柱的受力分析簡(jiǎn)圖
效率：h =h1h2h3 = 0.99 ′ 0.97 ′ 0.99 = 0.95
FC =10KN
FA = 4.8KN
FB = 4.8KN
T徑 = 0.5 f (dAFA + dBFB) = 98.7KN · mm
T軸 = fcdcFc = 1KN · mm
T = k(T徑+ T軸）=119.64N · m
機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)輸出的功率按下式計(jì)算：
P輸入 =
P
Tn 9550h
P輸入
= 0.24Kw
輸 出 = h
= 0.25Kw
P額定 =1.2′0.25 = 0.3Kw
表 2.1 電機(jī)的選擇選用要求
回轉(zhuǎn)圓盤(pán)初選轉(zhuǎn)速 60。/s ,n=1.78r/min,齒輪 i=8 減速器 i=60 ，載荷平穩(wěn)，常溫下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，焊接工作環(huán)境為多塵，電壓為工業(yè)電壓 380V。
所 以 ： n=1.78×8×60=910r/min 查表得電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)，如下表：
表 2.2 電機(jī)選用方案比較
2.2 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算以及校核
（1）減速器的計(jì)算與選擇
第一次選擇減速器的傳動(dòng)比為 i=60
第一次選擇尺寸較小的齒輪，他的轉(zhuǎn)速為 1000/60=16.67r/min
第一次選擇兩個(gè)互相配合的齒輪之間的的傳動(dòng)比 u=16.67/1.78=9.36
（2）回轉(zhuǎn)立柱齒輪的計(jì)算
①材料的選擇
小齒輪 40Cr, 241-286HBS， 大齒輪 45，217-255HBS。
壓力角 α=20°
初選小齒數(shù)
Z1 = 24
Z 2 = Z1′u = 224.64， 取 Z2=225
試選 KHt = 1.3 fd = 1
區(qū)域系數(shù)： ZH = 2.5
小齒輪傳送的轉(zhuǎn)矩： T1 = 9.55′106 N · mm 材料的彈性影響系數(shù)： ZE = 189.8MPa0.5 計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度用重合系數(shù)Ze
aa1 = arccos[z1cosa /(z1 + 2ha*）] = 29.841°
aa2 = arccos[z2 cosa /(z2 + 2ha* )]= 21.349°
ea = [z1(tanaa1 - tana) + z2(tanaa2 - tana)]/ 2π=1.76
ze = = 0.864
計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力sH
查得小齒輪和大齒輪接觸疲勞極限為sH lim1 = 600MPa
sH lim 2 = 550MPa
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： N1 = 60 jLh = 60′1.78′1′(2′8′300′10) = 5.126′106
N 2 =
N1 = 5.477 ′105
u
查得接觸疲勞壽命系數(shù)：
KHN1 = 0.90
KHN 2 = 0.95
取失效概率為 1%，安全系數(shù)為 1
[sH ]1 =
KHN1sH lim1 = 540MPa s
[sH ]2 = KHN 2sH lim 2 = 523MPa
S
取其中較小者作為該齒輪副的接觸疲勞許用應(yīng)力，即
[sH ]= [sH ]2 = 523MPa
小齒輪的分度圓直徑： d1t 3
調(diào)整分度圓直徑。
= 131.638mm
圓周速度: v = πd1tn1
60′1000
= 0.012m / s
齒寬： b = fdd1t = 131.638mm
②實(shí)際載荷系數(shù) KH
使用系數(shù) KA = 1
根據(jù)v = 0.012m / s
8 級(jí)精度 動(dòng)載系數(shù) Kv ? 1.0
齒輪圓周力： Ft1 = 2T1 / d1t = 2′1.29′106 /131.638 =19599N
KAFt1 / b =1488.89N / mm f100N / mm
查得齒間載荷分配系數(shù) KHa = 1.2
用插值法查得 8 級(jí)精度，齒向載荷分布系數(shù) KHb = 1.488
KH = KAKVKHaKHb =1′1′1.2′1.488 =1.79
③按實(shí)際載荷系數(shù)算得分度圓直徑
KH 1.79
d1 = d1t 3 = 131.638′ 3 = 146.45mm
KHt
齒輪模數(shù)： m = d1 = 6.1mm
z1
④按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
1.3
mt 3
試選 KFt = 1.3
計(jì)算彎曲疲勞強(qiáng)度用重修度系數(shù)： Ye = 0.25 + 0.75 = 0.676
ea
查得齒形系數(shù)： YFa1 = 2.65
應(yīng)力修正系數(shù)： Ysa1 = 1.58
YFa 2 = 2.23
Ysa2 = 1.76
小齒輪和大齒輪齒根彎曲疲勞極限分別為：sH lim1 = 500MPa
sH lim 2 = 380MPa
彎曲疲勞壽命系數(shù)： KFN1 =1.05
取彎曲疲勞壽命系數(shù)：S=1.4
KFN 2 = 1.0
[sF ]1 = KFN 2 ·sH lim 1 = 1.05′500 = 375MPa
S 1.4
[sF ]2 = KFN 2 ·sH lim 2 = 1′ 380 = 271.43MPa
S 1.4
YFa1 ·Ysa1 = 2.65′1.58 = 0.011165
[sF1]
375
YFa 2 ·Ysa2 = 2.23′1.58 = 0.0144597
[sFa 2] 271.43
因?yàn)榇簖X輪大，所以取 0.0144597 計(jì)算模數(shù)： mt 3
= 3.85
調(diào)整齒輪模數(shù)
圓周速度 v
d1 = mtz1 = 3.85′ 24 = 92.4mm
v = πd1n1
60′1000
= 0.009m / s
齒寬： b = fdd1 = 92.4mm
寬高比： h = (2ha* + c*)mt = 8.66mm b / h =10.64
計(jì)算實(shí)際載荷 KF 按 8 級(jí)精度和 v 數(shù)據(jù)
查得 Kv = 1.0
Ka = 1.2
KHb = 1.450
KFb = 1.34
K = KvKaKHbKFb = 2.33
實(shí)際載荷系數(shù)算得出齒輪模數(shù)：
KF 2.33
m = mt 3 = 3.85′ 3 = 4.68
KFt 1.3
按照齒面疲勞強(qiáng)度模數(shù)大于齒根計(jì)算的模數(shù)，取m = 4.68 取整m = 5
d1 =146.45mm
小齒輪齒數(shù) z1 = d1 = 29.29 ，取
m
z1 = 30
大齒輪齒數(shù) z2 = uz1 =190.8 ，取 z2 = 191
為了保證設(shè)計(jì)齒寬 b 和節(jié)省材料，一般將小齒輪略加寬 5-10mm，取
b = 155mm
b2 = b =150mm
⑥強(qiáng)度校核
按齒面接觸疲勞度校核：
sH =
2KHT1 · u +1zHzEze = 518MPa p [sH ]
1
fdd 3 u
滿足此次要求 ，因此安全
按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核
s 1 = 2KFT1YFa1Ysa1Ye = 122.55MPa p [sF ]
1
fdm3 z 2
sF 2 = 2KFT1YFa 2Ysa2Ye
1
fdm3 z 2
= 124.21MPa p [sF ]2
滿足設(shè)計(jì)要求，安全
設(shè)計(jì)結(jié)論： z1 = 30
z2 = 191
m = 5mm
a = 20°
a = 552.5
b1 = 155
b2 = 150
小齒輪用 40Cr，大齒輪用 45 鋼，8 級(jí)精度
2.3 回轉(zhuǎn)軸承選擇及校核
估算得知，這個(gè)回轉(zhuǎn)軸承既承受非常大的軸向力，還承受一定的徑向力，所以選用交叉滾子回轉(zhuǎn)軸承。
其主要參數(shù)及參考圖如下:
圖 2.2 軸承的模型圖
查資料可知,交叉滾子軸承型號(hào)為 XOU15/844 是最適合的。
2.3.2 軸承壽命校核
交叉滾子軸承轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)要求為 1.78r/min,低于 10r/min,其失效形式是滾動(dòng)體與內(nèi)外圈接觸處產(chǎn)生過(guò)大的塑性變形，所以這種軸承應(yīng)主要作靜強(qiáng)度計(jì)算。
取靜徑向系數(shù) X0 = 0.5 ，靜軸向系數(shù)Y0 = 0.30
P0=X0R+Y0A=0.5×8000+0.30×30000=13000N
載荷的安全系數(shù)為：
S = C0 = 30000 = 2.31 > 1.6
P0 13000
S0 = 1.6 為靜載荷安全系數(shù)，所以安全。
2.4 聯(lián)軸器選擇以及計(jì)算過(guò)程
本次聯(lián)軸器的主要設(shè)計(jì)尺寸如下：
所以選擇聯(lián)軸器 HL3 型好是最為適合的。
ZC28′ 45
YB38′ 52
GB5272-85
設(shè)計(jì)的要求非常合格。
2.5 鍵的選擇校核與設(shè)計(jì)計(jì)算
在較小齒輪尺寸的地方：
齒輪材料 45 鋼，查得[sp]= 120 -150MPa
sp = 2000T
Kld
= 2000′515 = 91.48N / mm2 p [sp]
7 ′ 56′ 9
滿足設(shè)計(jì)要求，安全。
3. 行走臺(tái)車的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 電機(jī)選擇
行走臺(tái)車是焊接操作機(jī)中最為主體的部分，其中需要估算臺(tái)車尺寸，計(jì)算與選擇電機(jī)型號(hào)，聯(lián)軸器，減速器，鍵等零件的選擇與校核。
圖 3.1 臺(tái)車的受力簡(jiǎn)圖
車輪與導(dǎo)軌的側(cè)面摩擦系數(shù)第一次選澤為： Kf = 2.5
由公式：
F 2 = F1(2030 - 900) = 16700N
2030
F 3 = F1 ′ 900 = 13300N
2030
d = 75mm
f = 0.02
所以電動(dòng)機(jī)的功率： p =
FV
60000f
= 0.2Kw
所以選擇電機(jī)型號(hào) Y90S-4 是最好最合適的。
3.2 車輪軸設(shè)計(jì)及強(qiáng)度的校核
軸的設(shè)計(jì)計(jì)算主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作能力計(jì)算與校核。其中軸是結(jié)構(gòu)中比較重要的一個(gè)部分，它負(fù)責(zé)連接輪子與減速器，負(fù)責(zé)主體傳動(dòng)。
圖 3.2 軸承圖
3.2.1 主動(dòng)軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
軸的設(shè)計(jì)除需滿足強(qiáng)度要求外，在結(jié)構(gòu)上還要保證軸的回工、軸上零件的固定、定位、裝配和拆卸，軸系調(diào)整等工藝和維護(hù)要求。一般軸多制成階梯狀，各段的長(zhǎng)度和直徑根據(jù)軸上零件的安裝和受力要求確定；其表面質(zhì)量、加工精度等級(jí)應(yīng)視諸零件的配合、工作要求選擇。
現(xiàn)在選擇材料為 45 鋼，傳遞功率為 0.8KW，轉(zhuǎn)速為 8.0r/min。
3.2.2 軸的強(qiáng)度與選擇要點(diǎn)以及強(qiáng)度的校核
圖 3.3 臺(tái)車的傳動(dòng)裝置圖
圖 3.4 輪架結(jié)構(gòu)圖
3.3 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)與計(jì)算
同立柱回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。
故選用聯(lián)軸器 HL3 型聯(lián)軸器是最為合適的。
ZC28′ 45
YB38′ 52
GB5272-85
公稱轉(zhuǎn)矩： T=9.55×106 計(jì)算轉(zhuǎn)矩：
P ＝38.8 N · m
n
Tc = KAT =1.5′38.8 = 58.2N · m p 630N · m = Tw
由上述公式可以得知，滿足要求，所以安全。
4. 鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算
4.1 鎖緊原理及強(qiáng)度的校核
4.1.1 鎖緊機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度校核
鎖緊機(jī)構(gòu)主要通過(guò)梯形螺桿的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行鎖緊，達(dá)到鎖緊立柱回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的目的。
圖 4.1 鎖緊機(jī)構(gòu)圖
圖 4.2 鎖緊機(jī)構(gòu)的布局圖
螺栓校核：
圖 4.3 底面布局圖
技術(shù)參數(shù)可知預(yù)緊力 F =1500N
這里選擇材料為 45 鋼，可以獲得sp = 360
，取S = 1.4
s = sz
S
= 5.9
sca = 7.67 p [s ]= sz
S
= 257.14
由上可知，滿足設(shè)計(jì)要求，所以安全，故 M18 也可以
4.2 鎖緊電機(jī)的選擇
現(xiàn)在這里先取鎖緊半徑為：R=550mm。
再取鎖緊時(shí)的阻力矩為： T = FR = 825000N · mm
這里取η 減速器 = 0.96
η 聯(lián)軸器 = 0.93
η w = 0.96′0.93 = 0.91
Tn
P = ?ω =
ω 9550ηω
825000 ′ 0.001′1.78
9550 ′ 0.95
= 0.17KW
4.3 聯(lián)軸器、鍵的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核
4.3.1 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核
聯(lián)軸器是機(jī)械傳動(dòng)忠常用的部件。它們主要用來(lái)連接軸與軸之間的轉(zhuǎn)動(dòng)，用來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)矩；同時(shí)還可以作為安全裝置來(lái)使用。
電機(jī)輸出軸徑為 D=28mm 結(jié)合減速器輸入軸 D1=35mm
故可選用聯(lián)軸器 HL2 型彈性柱銷聯(lián)軸器。
公稱轉(zhuǎn)矩：
計(jì)算轉(zhuǎn)矩：
ZC28′ 45
YB38′ 52
T=9.55×106
GB5272-85
P ＝38.8 N · m
n
Tc = KAT =1.5′38.8 = 58.2N · m p 630N · m = Tw
滿足設(shè)計(jì)要求。
4.3.2 鍵的選擇與校核
鍵是一種標(biāo)準(zhǔn)件，通常用來(lái)實(shí)現(xiàn)軸與輪之間的周向固定以傳遞轉(zhuǎn)矩，有的還能實(shí)現(xiàn)軸上零件的軸向固定或軸向滑動(dòng)的導(dǎo)向。鍵連接的類型有：平鍵連接、半鍵連接、半圓鍵連接、楔鍵連接和切向鍵連接。
選擇鍵 10×30 GB1096-79 b=10, h=8, L=30
材料 40Cr，查得[sp]= 120 -150MPa
sp = 2000T 65.02N / mm2 p [sp]
Kld
滿足要求，所以很安全。
5. 環(huán)保與經(jīng)濟(jì)性研究
5.1 環(huán)保性分析
由于我國(guó)的環(huán)境問(wèn)題一直是一個(gè)非常嚴(yán)重的問(wèn)題，所以在本次設(shè)計(jì)中很多零件的選擇與計(jì)算都是經(jīng)過(guò)本人大量計(jì)算與思考，從而獲得的最好的最優(yōu)的零件，尤其是最近幾年，我國(guó)進(jìn)一步發(fā)展了焊接技術(shù)。我國(guó)現(xiàn)在焊接技術(shù)雖然還很不成熟，我國(guó)焊接設(shè)備年常量很低，但是仍然有很重要的作用。所以，國(guó)外很多制造業(yè)中心都在朝著我國(guó)進(jìn)行轉(zhuǎn)移。這勢(shì)必帶來(lái)大量先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)也帶來(lái)了很多環(huán)境方面的巨大問(wèn)題，所以在環(huán)保方面我也是挑選的最優(yōu)的零件，所以在本次設(shè)計(jì)中環(huán)保性絕對(duì)是最好的，滿足了我國(guó)對(duì)于環(huán)境方面的要求，同樣考慮到了環(huán)境保護(hù)的問(wèn)題，降低噪音、合理安排潤(rùn)滑液的排放，盡可能減少生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)人體的危害，使環(huán)保得到最大化。
5.2 經(jīng)濟(jì)性分析
我國(guó)在焊接技術(shù)中每年都要浪費(fèi)大量的材料，所以經(jīng)濟(jì)性分析是非常必要的。所以在這次的焊接操作機(jī)設(shè)計(jì)中由于零件的選擇計(jì)算，零件的校核與校正都是由本人親自計(jì)算，在選用機(jī)械零件的時(shí)候都是盡量挑選其中質(zhì)量最優(yōu)，最便宜， 最環(huán)保，最有效的零件。國(guó)外很多制造業(yè)中心都在朝著我國(guó)進(jìn)行轉(zhuǎn)移。這勢(shì)必帶來(lái)大量先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)帶動(dòng)我國(guó)焊接技術(shù)飛速發(fā)展，產(chǎn)生蓬勃生機(jī)。也會(huì)帶動(dòng)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)巨大的發(fā)展。但是因?yàn)槲覈?guó)對(duì)于這方面每年都有大量的浪費(fèi)，所以我們才需要進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)可靠地目的。這樣我們既滿足了使用要求， 又避免了的浪費(fèi)，達(dá)到最好的加工效果。
6 結(jié) 論
本次畢設(shè)歷時(shí)了幾個(gè)月，我學(xué)到了很多新穎的東西，本次能夠按預(yù)定的進(jìn)度安排完成別有設(shè)計(jì)任務(wù)，在這期間還要多虧了畢業(yè)導(dǎo)師的督促和指導(dǎo)。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我又學(xué)習(xí)了一次以前在課堂上學(xué)過(guò)的專業(yè)知識(shí)。前期過(guò)程的很大不如意不順心，這才讓我我知道了學(xué)習(xí)的重要性。而且在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，總是覺(jué)得學(xué)習(xí)的知識(shí)與實(shí)際相差真的很遠(yuǎn)。這種很不好的的思維讓自己對(duì)專業(yè)課的學(xué)習(xí)有所懈怠，在畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)候，我深深的體會(huì)到了學(xué)習(xí)的重要性。在日后的生活中一定不能急于求成而因此忽略了基礎(chǔ)。一定要反反復(fù)復(fù)做到做到理論聯(lián)系實(shí)際， 學(xué)一點(diǎn)用一點(diǎn)，戒驕戒躁，成為一個(gè)對(duì)社會(huì)有用的人。
畢業(yè)設(shè)計(jì)是一個(gè)特別重要的過(guò)程，讓我慢慢掌握機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)、方法和步驟。在日后的生活中，我要更加強(qiáng)化專業(yè)知識(shí)，盡快成為一名優(yōu)秀的機(jī)械人才。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)于我有很大的收獲，是對(duì)這大學(xué)四年來(lái)很多知識(shí)的回顧和鞏固，這也為我以后的生活和工作做了一個(gè)開(kāi)端，在此要再次謝謝那些在畢設(shè)中幫助過(guò)我的老師和同學(xué)。
焊接操作機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
參 考 文 獻(xiàn)
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第 36 頁(yè) 共 36 頁(yè)
焊接操作機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
致 謝
漫長(zhǎng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)完成了，在這我第一要感謝指導(dǎo)我的老師，在畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)候給我了很大的指導(dǎo)，細(xì)心為我解決我不理解的地方。
我還要謝謝我的同學(xué)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我們相互商量，相互提意見(jiàn)，相互學(xué)習(xí)， 使我的思路得到了很大的啟發(fā)，讓我的畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠結(jié)束。
大學(xué)四年的特別生活馬上結(jié)束了，但我認(rèn)為這才是人生的一個(gè)開(kāi)始。在日后的工作和生活中，我要繼續(xù)學(xué)習(xí)，而且要在實(shí)踐中應(yīng)用。 最后，我要謝謝那些在論文編寫(xiě)過(guò)程中給我以援助的老師和同學(xué)們。
附錄 1：外文翻譯
基于運(yùn)動(dòng)控制器的三自由度焊接機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘 要
采用運(yùn)動(dòng)控制器，工控機(jī)硬件，步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)等，我們開(kāi)發(fā)了一種平面曲線弧焊機(jī)。該焊機(jī)采用 DLL 窗口和多線程的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，從而滿足平面曲線焊縫的需要， 平面曲線焊機(jī)的軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，有模塊的通用性。AutoCAD VBA 軟件包采用逐點(diǎn)比較法。實(shí)踐證明，整個(gè)焊接過(guò)程中，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊接位置和焊接姿態(tài)的精確控制。
1 簡(jiǎn)介
自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)展，有效推動(dòng)了焊接技術(shù)的發(fā)展。焊接系統(tǒng)涉及的變量越來(lái)越多。現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)，如開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制，很方便就能獲得高質(zhì)量焊縫。
在汽車配件、五金加工行業(yè)、家用電器及裝飾禮品業(yè)、飛機(jī)曲線焊縫越來(lái)越被需要，傳統(tǒng)手工操作，不僅效率低，而且不能滿足產(chǎn)品質(zhì)量的需要相一致。焊接機(jī)器人可以測(cè)量多類型、小批量、多品種的需求—階段的制造和焊接質(zhì)量的一致性，對(duì)大多數(shù)的中小企業(yè)，一次性投資巨大、昂貴的維護(hù)成本，阻礙了推廣。應(yīng)用焊接慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)機(jī)器人能很好地滿足這種需求，以下是本課題研制的一三自由度焊接機(jī)器人。
2 焊接機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 精密 X-Y 工作臺(tái)
為完成平面曲線焊接，焊接需要三個(gè)自由度，其中，兩個(gè)是線性的運(yùn)動(dòng)（X 和 Y 方向），一個(gè)是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（角θ）。本課題采用精密 X-Y 工作臺(tái)實(shí)現(xiàn) X-Y 平面位置控制，從而實(shí)現(xiàn)在 X-Y 平面自動(dòng)焊接。一般來(lái)說(shuō)，精確 X-Y 工作臺(tái)采取滾動(dòng)直線導(dǎo)軌作為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，滾珠絲杠作為運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)的硬件主要包括工作臺(tái)、火炬控制機(jī)制、梁、指南、夾具等。
為了防止濺起污染，設(shè)計(jì)一個(gè)懸掛結(jié)構(gòu)曲梁形，導(dǎo)軌安裝在機(jī)構(gòu)上的夾機(jī)制，火炬被布置在下面。為了快速計(jì)算，設(shè)計(jì)的前端的火炬，以配合這些直線導(dǎo)軌，火炬的幻燈片中間點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度等于兩直線夾角，使 X-Y 平面等于合成曲線路徑尖火炬的軌跡， 這種設(shè)計(jì)避免了復(fù)雜的矩陣運(yùn)算。
2.2 焊接速度和姿態(tài)控制
焊槍的運(yùn)動(dòng)都是三維的，一個(gè)是依靠 X-Y 運(yùn)動(dòng)表，另一個(gè)是可以控制旋轉(zhuǎn)角度的步進(jìn)電機(jī)。在操作過(guò)程中，焊接接頭的焊接運(yùn)動(dòng)，在直角坐標(biāo)系中，焊縫的速度和坐標(biāo)方向均為要求是一樣的火炬手的速度應(yīng)該是不變的。所以在本設(shè)計(jì)中，作者設(shè)計(jì)了一種特殊的曲梁，可避免焊接過(guò)程中復(fù)雜的矩陣運(yùn)算，提高了軟件處理的效率。作為圖 3 顯示，火炬槍點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)軸，當(dāng)調(diào)節(jié)焊槍的姿態(tài)，盡管整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)（X，Y 軸的速度），相對(duì)于 X-Y 運(yùn)動(dòng)表，槍點(diǎn)速度等于零。
V =ω×R
其中，V 是火炬槍點(diǎn)的速度，單位為厘米/分鐘；ω是軸的角速度操作，單位是弧度/秒；R 是從火炬槍指向軸中心線的距離，單位為厘米。
如果 r=0，則為 v=0。相反，如果火炬槍點(diǎn)不在旋轉(zhuǎn)軸，即 R≠0，然后≠0 V。為了確保火炬焊接的工作件在一個(gè)均勻的速度，復(fù)雜的矩陣運(yùn)算將被誘導(dǎo)。
此外，該裝置還設(shè)計(jì)了可調(diào)的橫向杠桿和垂直角度可調(diào)杠桿。可調(diào)橫向杠桿可根據(jù)不同的火炬調(diào)節(jié)距離向旋轉(zhuǎn)軸的距離；垂直角度可調(diào)杠桿可調(diào)節(jié)火炬手勢(shì)?？刂圃淼幕鹁媸謩?shì)就像圖 4 顯示。
如圖 4 所示，線 AO 和 OC 短線段的 VBA 軟件包生成的，從 A 點(diǎn)火炬經(jīng)過(guò) O 點(diǎn)到
C 點(diǎn)，做⊥AO，OE / FB，F(xiàn)B⊥OC?；鹁妫哼^(guò)程可以分為三個(gè)步驟：
第一步：當(dāng)火炬在初始位置（點(diǎn)）時(shí)，火炬是垂直于坳的軌跡，這保證了在這一軌跡操作中的火炬手勢(shì)要求。
第二步：火炬從 X-Y 工作臺(tái)移動(dòng)到 O 點(diǎn)，當(dāng)它到達(dá)的點(diǎn)的位置，這將觸發(fā)步進(jìn)電機(jī) Z 和它會(huì)旋轉(zhuǎn)幾角、旋轉(zhuǎn)角等于∠DOE，在同時(shí)，假設(shè) FB⊥OC 在 B 點(diǎn)的位置，火炬鹵水沿 X-Y 工作臺(tái)移動(dòng)向點(diǎn)。
第三步：到達(dá) B 點(diǎn)后，X-Y 工作臺(tái)繼續(xù)移動(dòng)，但步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。
從而保證 FB⊥OC 火炬手勢(shì)要求。一般來(lái)說(shuō)，由于步進(jìn)電機(jī)的 Z 和角∠DOE 的高轉(zhuǎn)速小后插值，從而忽略了火炬運(yùn)行時(shí)間表格線做線 FB，它大約是認(rèn)為火炬是垂直線從 O 點(diǎn)到 C 點(diǎn)發(fā)生在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中循環(huán)三步以上，它可以滿足在整個(gè)操作過(guò)程中的火炬始終垂直焊接這一姿態(tài)的要求。
3 自動(dòng)焊機(jī)控制系統(tǒng)平面曲線設(shè)計(jì)
采用控制系統(tǒng)、執(zhí)行器和輔助設(shè)備組合的平面曲線自動(dòng)焊機(jī)。這個(gè)控制系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括 X-Y 運(yùn)動(dòng)表和焊槍；輔助設(shè)備包括支架、導(dǎo)軌、夾具、夾持機(jī)構(gòu)等。
3.1 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
硬件系統(tǒng)包括 IPC-610 機(jī)架式工業(yè)計(jì)算機(jī) ISA 總線，gt-400-sg 運(yùn)動(dòng)控制器、連接板、驅(qū)動(dòng)程序和步進(jìn)電機(jī)。圖 5 為系統(tǒng)的總體框圖。工控機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器相互傳遞信息，使其能控制執(zhí)行元件完成運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)運(yùn)行。
研究采用三組兩相步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由該公司使，第一組和第二組是步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其中包含指南，平臺(tái)位移×230mm 230mm，最大運(yùn)行速度約為 70 毫米/秒， 負(fù)載 30N，匹配的驅(qū)動(dòng)程序是 2m412 型；第三組的步進(jìn)電機(jī)是 2s56q-02754，其最大靜扭矩 is0.98n?m，匹配的驅(qū)動(dòng)程序是 2m530 型。
在這個(gè)系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的最大接受脈沖，但不是異步的 12000pluse／s，步進(jìn)角 1.8°，在標(biāo)準(zhǔn)荷載單臺(tái)最大速度約為 70 毫米/秒，考慮安全邊際和制造商推薦的參數(shù)，三個(gè)步進(jìn)電機(jī)在這個(gè)系統(tǒng)中，使用 8 個(gè)細(xì)分模式作為標(biāo)準(zhǔn)的工作模式。
3.2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
該軟件系統(tǒng)使用了兩種語(yǔ)言——VBA 和 Visual C++聯(lián)合開(kāi)發(fā)。VBA 程序是主要的圖形信息的認(rèn)定。dll，用于研究屬于 googoltech 公司；它使用的用戶接口函數(shù)庫(kù)的多軸運(yùn)動(dòng)控制器。
根據(jù)不同的功能，軟件可分為九個(gè)模塊：通信模塊，加工模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、顯示模塊、故障診斷模塊、輔助功能模塊，軌跡仿真模塊，圖形信息提取和數(shù)學(xué)處理模塊。
通過(guò)程序顯示在圖 6 中，它將讀取 AutoCAD VBA 數(shù)據(jù)文件信息，這將產(chǎn)生焊縫跟蹤和模擬焊接過(guò)程中，在焊接過(guò)程中，焊接火炬位置和姿態(tài)可以實(shí)時(shí)顯示在主程序界面上。
3.3 軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
圖形信息提取與數(shù)學(xué)處理模塊主要負(fù)責(zé)圖形信息提取和生成焊縫軌跡，是焊縫軌跡規(guī)劃中最重要的一個(gè)鏈接。
程序設(shè)計(jì)方法。利用 AutoCAD VBA 處理圖形文件。輪廓曲線連接的直線和圓弧， 用 AutoCAD，不能直接運(yùn)輸?shù)竭\(yùn)動(dòng)控制器，我們用線性方法處理提取曲線。數(shù)學(xué)方法模塊采用逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)誤差控制在允許范圍內(nèi)的曲線。它可以得到短線段組成的曲線，復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算完成快速準(zhǔn)確。提取的數(shù)據(jù)將被序列化治療保證焊接連續(xù)。
該機(jī)器人噴漆系統(tǒng)的另一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題是它不能在內(nèi)部橫向方向自由移動(dòng)封閉的塊。工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所 (IAI) 在西班牙已開(kāi)發(fā)了稱為賽艇 ,可以使用機(jī)器人系統(tǒng)在封閉的塊,機(jī)器人移動(dòng)像一只蜘蛛，并有四條腿有能力的延伸和收縮。它可以自行
移動(dòng)因此可以克服許多焊接方面遇到的障礙在一個(gè)封閉的塊，卻要分解為七個(gè)模塊才可以放入一個(gè)封閉的塊，然后再組裝起來(lái)在原位。重新組裝需要大約 15 分鐘，這是長(zhǎng)足以嚴(yán)重影響生產(chǎn)力的系統(tǒng)位置和軌跡，根據(jù)比較結(jié)果來(lái)確定下一步的進(jìn)給方向， 它可以減少進(jìn)給機(jī)構(gòu)的進(jìn)給誤差，它只吃一個(gè)方向。
4 典型曲線焊縫
圖 10（1）是一個(gè)不銹鋼工具支架，其焊縫曲線幾乎是一個(gè)周期，需要水平焊接一次完成。工件焊縫軌跡描述的 AutoCAD 是如圖 10（b），
但是這些信息不能直接傳送給運(yùn)動(dòng)控制器，所以它應(yīng)該與流量相一致。提取信息是短線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)的日期有很多，形成一個(gè)完整的，連續(xù)的坐標(biāo)點(diǎn)序列。同時(shí)， 基于線段的終點(diǎn)是后線段的起始點(diǎn)，所以它只需要考慮資產(chǎn)（點(diǎn)（鉀）點(diǎn)（1））< 0.0000001 真或不。如果真的，它顯示的序列是正確的，它不需要進(jìn)行調(diào)整；如果沒(méi)
有，就要繼續(xù)尋找下一個(gè)坐標(biāo)。想點(diǎn)一開(kāi)始點(diǎn)，就會(huì)形成序列為 1 2 3 4→→→→5→6
→7→8→9→10→14→13→12→11→→→18 17 16→15。通過(guò)數(shù)據(jù)的序列化和反時(shí)針選
擇對(duì)象，AutoCAD 將自動(dòng)生成一個(gè)圖 10 顯示的坐標(biāo)序列。圖 10 為不銹鋼工具支架的外形曲線；曲線由直線和圓弧組成。對(duì)于該行組成的實(shí)體，它只需要獲得行端點(diǎn)，它沒(méi)有錯(cuò)誤，它不應(yīng)該給予測(cè)試，輸入近似誤差為 0.1。
5 總結(jié)和結(jié)論
本文利用硬件的運(yùn)動(dòng)控制器、工控機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等，開(kāi)發(fā)出一種平面曲線焊機(jī)。該焊機(jī)采用 DLL 窗口和多線程的軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)，滿足平面曲線焊縫的需要，進(jìn)一步， 軟件系統(tǒng)平面曲線焊機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，部分模塊通用性。
（1） 基于 gt-sg-400 運(yùn)動(dòng)控制器，開(kāi)發(fā)一種弧形縫自動(dòng)焊機(jī)。
（2） 設(shè)計(jì)了一種特殊的曲梁形狀為“”在作動(dòng)器中，這種特殊的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化主程序計(jì)算的復(fù)雜性，和 X-Y 平臺(tái)的復(fù)合軌跡在焊接過(guò)程中避免了復(fù)雜的矩陣運(yùn)算，是焊接噴槍的軌跡并提高了軟件處理的效率。
（3） 在軟件設(shè)計(jì)中，采用 Visual C++和 AutoCAD VBA 開(kāi)發(fā)焊機(jī)的軟件系統(tǒng)，通過(guò)逐點(diǎn)比較插補(bǔ)技術(shù)在圖像提取中的應(yīng)用曲線上，保證了在焊接時(shí)的手勢(shì)要求始終與曲線正常。
附錄 2：外文原文
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