多關(guān)節(jié)型自動焊接機(jī)械手設(shè)計畢業(yè)論文設(shè)計

貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計）本科畢業(yè)論文（設(shè)計）論文（設(shè)計）題目：多關(guān)節(jié)型自動焊接機(jī)械手設(shè)計學(xué) 院： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 班 級： 機(jī)自103班 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 誠信責(zé)任書本人鄭重聲明：本人所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計），是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所完成。畢業(yè)論文（設(shè)計）中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點等，均已明確注明出處。特此聲明。論文（設(shè)計）作者簽名： 日 期： 貴州大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 60 頁目 錄摘 要IAbstract .I第一章 前 言11.1 機(jī)械手簡介11.2 機(jī)械手的分類11.3 研究背景、國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢21.3.1 研究背景21.3.2 研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀31.3.3 機(jī)械手的發(fā)展趨勢41.4 本設(shè)計的目的和意義61.4.1 設(shè)計目的61.4.2 設(shè)計意義61.5 本設(shè)計的內(nèi)容和思路71.5.1 設(shè)計內(nèi)容71.5.2 設(shè)計思想7第二章 多關(guān)節(jié)型自動焊接機(jī)械手總體方案設(shè)計92.1 概述92.2 多關(guān)節(jié)型自動焊接機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)類型92.3 多關(guān)節(jié)型自動焊接機(jī)械手主要組成102.4 基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計13第三章 多關(guān)節(jié)型自動焊接機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計153.1 機(jī)座的設(shè)計153.1.1 機(jī)座電動機(jī)的選擇153.1.2 機(jī)座諧波傳動減速器的選擇173.2 立柱的設(shè)計203.2.1 立柱的工作方式203.2.2 立柱的材料選擇203.2.3 彎扭合成強(qiáng)度校核立柱的強(qiáng)度213.2.4 立柱軸承的選擇213.3 大臂的設(shè)計223.3.1 大臂的工作方式223.3.2 大臂電動機(jī)的選擇233.3.3 大臂諧波傳動減速器的選擇253.3.4 大臂軸承的選擇263.4 小臂的設(shè)計273.4.1 小臂的工作方式273.4.2 小臂電動機(jī)的選擇283.4.3 小臂上諧波傳動減速器的設(shè)計293.4.4 小臂軸承的選擇303.5 手部設(shè)計31第四章 多關(guān)節(jié)型自動焊接機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計334.1 步進(jìn)電機(jī)介紹334.2 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器354.3 驅(qū)動器的選擇35第五章 多關(guān)節(jié)型自動焊接機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計385.1 機(jī)械手的工作流程分析385.1.1 機(jī)械手的工作流程385.1.2 機(jī)械手的工作方式395.2 控制系統(tǒng)的選擇395.3 PLC簡介405.3.1 PLC概述405.3.2 PLC的特點415.3.3 PLC的分類415.3.4 PLC系統(tǒng)的組成與原理425.3.5 PLC的工作方式435.4 PLC的選擇及I/O口分配445.4.1 PLC的選型方法445.4.2 I/O點數(shù)的確定455.4.3 選擇PLC455.4.4 I/O口的分配495.4.5 操作面板的設(shè)計505.5 PLC外部接線圖515.6 PLC程序設(shè)計525.6.1 手動程序設(shè)計525.6.2 自動程序設(shè)計54第六章 結(jié) 論56參考文獻(xiàn)57致 謝58附 錄59多關(guān)節(jié)型自動焊接機(jī)械手設(shè)計摘 要工業(yè)機(jī)械手是一種能模仿人手部和臂部的某些動作，按照固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動操作裝置，它可代替人的繁重勞動用來實現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因此廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、焊接、電子、冶金、輕工和原子能等部門。本文所設(shè)計的機(jī)械手為多關(guān)節(jié)型自動焊接機(jī)械手，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動生產(chǎn)線。它采用PLC控制，是一種按照預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行工件焊接的自動化裝置，可部分代替人在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進(jìn)行單調(diào)持久的作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化要求隨時更改相關(guān)控制參數(shù)。本設(shè)計主要對焊接機(jī)械手的執(zhí)行系統(tǒng)即機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)三大部分進(jìn)行設(shè)計。機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要包括機(jī)座、立柱、手臂和手部的設(shè)計，機(jī)械結(jié)構(gòu)采用關(guān)節(jié)型，它具有3個自由度即立柱、大臂、小臂回轉(zhuǎn)。其中含有電機(jī)、諧波減速器和軸承等的選擇及校核。驅(qū)動部分主要對驅(qū)動器進(jìn)行選擇。控制部分包括PLC的簡介、特點、分類等的介紹，根據(jù)實現(xiàn)要求確定輸入輸出點，選擇合適的PLC,設(shè)計工作流程、程序等，且安有相應(yīng)的安全保護(hù)措施即限位開關(guān)。本設(shè)計采用電力驅(qū)動，通過PLC對各個步進(jìn)電機(jī)的方向、速度進(jìn)行精確控制從而達(dá)到控制焊接機(jī)械手在空間運(yùn)動以及焊接工件的目的。通過對焊接機(jī)械手各個部分詳細(xì)的設(shè)計，可以對機(jī)械手有一個系統(tǒng)的認(rèn)識，也為以后設(shè)計較復(fù)雜的機(jī)械手打下堅實的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：焊接機(jī)械手，電動機(jī)，諧波減速器，軸承，驅(qū)動器，PLC控制 Design of polyarticular automatic welding manipulatorAbstract An industrial manipulator is able to mimic the manpower ministry and some action arm, according to a fixed program crawl, moving objects or tools operate automatically operated device that can replace human labor to achieve the production of heavy mechanization and automation, energy operate in hazardous environments to protect the personal safety, it is widely used in machinery manufacturing, welding, electronics, metallurgy, light industry and atomic energy sectors. It describe the design of manipulator for joint type automatic welding manipulator in this paper, Action of the manipulator is flexible and varied so it applicable to the automatic production that can transform the production of varieties of standard.so it widely used in flexible automatic production line.It adopts PLC control, according to a pre-set program workpiece welding automation devices can be partially replaced by people at high temperatures and dangerous areas monotonous jobs lasting jobs, and related control parameters change according to the change of the workpiece on demand. The design is mainly for welding manipulator mechanical structure, drive systems and PLC control system has three major design.Mechanical structural parts including base, column design, arm and hand, the use of an articulated mechanical structure, which has three degrees of freedom that column, arm, forearm rotation,which contains a motor, speed reducer and bearings harmonic choices and checked.Drive part is mainly to select the drive. It mainly contains an introduction the summary,characteristics, classification and so on to the control part of PLC.According to the requirement of implementation to make sure the input and output points, choose the appropriate PLC and design work process and procedure, and with the corresponding safety protection measures that is the limit switch.This design adopts the electric drive, through the PLC to accurately control the direction and speed of the stepper motor to control the welding manipulator in the space motion and the purpose of the welding.Through the welding manipulator each part of the detailed design, there is a system of manipulator can be understanding, also for later design more complex manipulator to lay a solid foundation.Keywords: welding manipulators, motors, harmonic reducer, bearings, drives, PLC control第一章 前 言1.1 機(jī)械手簡介工業(yè)機(jī)械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，主要用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。工業(yè)機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦的功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高溫等惡劣環(huán)境中的工作，替代人完成繁重、單調(diào)、重復(fù)的勞動，從而提高了勞動生產(chǎn)率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。目前工業(yè)機(jī)械手主要應(yīng)用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機(jī)械手與數(shù)控加工中心，自動搬運(yùn)小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑷找鏀U(kuò)大。1.2 機(jī)械手的分類工業(yè)機(jī)械手沒有明確的分類規(guī)則，一般都從規(guī)格和性能兩方面來分類。按規(guī)格（所搬運(yùn)工件的重量）分類：(1) 微型工業(yè)機(jī)械手：搬運(yùn)重量在1公斤以下；(2) 小型工業(yè)機(jī)械手：搬運(yùn)重量在10公斤以下；(3) 中型工業(yè)機(jī)械手：搬運(yùn)重量在50公斤以下；(4) 大型工業(yè)機(jī)械手：搬運(yùn)重量在50公斤以上。目前大多數(shù)工業(yè)機(jī)械手能搬運(yùn)的重量為130公斤。最小的為0.5公斤，最大的已達(dá)到800公斤。按功能分類：(1) 簡易型工業(yè)機(jī)械手有固定程序和可變程序兩種。固定程序有凸輪轉(zhuǎn)鼓和擋塊轉(zhuǎn)鼓控制：可變程序可插銷板或順序轉(zhuǎn)動控制來給定程序。這種機(jī)械手多為氣動或液動，結(jié)構(gòu)簡單，改變程序比較容易。只使用在程序較簡單的點位控制，但作為一般單機(jī)服務(wù)的搬運(yùn)作業(yè)已足夠。所以，目前這種工業(yè)機(jī)械手?jǐn)?shù)量最多。(2) 記憶再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)械手這種工業(yè)機(jī)械手由人工通過實驗裝置傳動一遍，由磁帶（或磁鼓）把程序記錄下來，此機(jī)械手就自動按記憶的程序重復(fù)進(jìn)行循環(huán)動作。這也是采用較多的一種，多為電液伺服驅(qū)動。與前者比較有較多的自由度，能進(jìn)行程序較復(fù)雜的作業(yè)，通用性較廣。(3) 計算機(jī)數(shù)字控制的工業(yè)機(jī)械手可通過更換穿孔帶或其他記憶介質(zhì)來改變工業(yè)機(jī)械手的動作，還可以進(jìn)行多種控制（DNC）。技術(shù)還可以是可編程序控制或普通的微機(jī)計算機(jī)。(4) 智能工業(yè)機(jī)械手由電子計算機(jī)控制，通過各種傳感元件等具有視覺、熱感、觸覺、行走機(jī)構(gòu)等。按用途分：(1) 專用機(jī)械手附屬于主機(jī)的，具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置，這種工業(yè)機(jī)械工作對象不變，手動比較簡單，結(jié)構(gòu)簡單，使用可靠，施用于大批量生產(chǎn)自動線或?qū)C(jī)作為自動上、下料用。(2) 通用機(jī)械手具有獨(dú)立控制系統(tǒng)，程序可變、動作靈敏、動作靈活多樣的機(jī)械手。通用機(jī)械手的工作范圍大，定位精度高，通用性強(qiáng)，使用于工件經(jīng)常變換的中、小批量自動化生產(chǎn)。按結(jié)構(gòu)分：.(1) 直角坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)；(2) 圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)；(3) 球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)；(4) 關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)。1.3 研究背景、國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.3.1 研究背景據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界在役的工業(yè)機(jī)械手中大約有一半的工業(yè)機(jī)械手用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域，焊接機(jī)械手應(yīng)用中最普遍的主要有兩種形式，即電焊和電弧焊。我們所說的焊接機(jī)械手其實就是在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域代替焊工從事焊接任務(wù)的工業(yè)機(jī)械手。這些焊接機(jī)械手中有的是為某種焊接方式專門設(shè)計的，而大多數(shù)的焊接機(jī)械手其實就是通用工業(yè)機(jī)械手裝上某種焊接工具而構(gòu)成的。焊接機(jī)械手具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、改善工人勞動條件、提高勞動生產(chǎn)率等特點，廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、通用機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)和兵器工業(yè)等行業(yè)。截止2009年，全世界在役工業(yè)機(jī)械手約為120.4 萬臺，其中日本裝備的工業(yè)機(jī)械手總量達(dá)到了 60萬臺以上，成為“機(jī)械手王國”，其次是美國和德國；在亞洲，日本、韓國和新加坡的制造業(yè)中每萬名雇員占有的工業(yè)機(jī)械手?jǐn)?shù)量居世界前三位。近幾年，全球機(jī)械手的數(shù)量在迅速增加，僅 2009 年就達(dá) 15.2 萬臺。據(jù)不完全統(tǒng)計，近幾年我國工業(yè)機(jī)械手呈現(xiàn)出快速增長勢頭，平均年增長率都超過 40% ， 焊接機(jī)械手的增長率超過了60%，2009年我國新增機(jī)械手?jǐn)?shù)量超過了5000臺，但僅占亞洲新增數(shù)量的 6% ，遠(yuǎn)小于韓國所占的 15%，更遠(yuǎn)小于日本所占的 69% 。這對于我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度以及經(jīng)濟(jì)總量來說顯然是不匹配的，這說明我國制造業(yè)的自動化程度有待進(jìn)一步提高，另一方面也反映了我國勞動力成本的低廉，制造業(yè)自動化水平以及工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用程度的提高受到限制。當(dāng)前焊接機(jī)械手的應(yīng)用迎來了難得的發(fā)展機(jī)遇。一方面，隨著技術(shù)的發(fā)展，焊接機(jī)械手的價格不斷下降，性能不斷提升；另一方面，勞動力成本不斷上升，我國由制造大國向制造強(qiáng)國邁進(jìn)，需要提升加工手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量和增強(qiáng)企業(yè)競爭力，這一切預(yù)示著機(jī)械手應(yīng)用及發(fā)展前景空間巨大。1.3.2 研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀國內(nèi)機(jī)械手的研究與開發(fā)始于20世紀(jì)70年代，大致經(jīng)歷了3個階段：70年代的萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的應(yīng)用化期。1972年我國第一臺工業(yè)機(jī)械手在上海開發(fā)成功，隨之全國各省都開始研制和應(yīng)用機(jī)械手。從第七個五年計劃（1986-1990）開始，我國政府將工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展列入其中，并且為此項目投入大量的資金，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機(jī)械手，有由北京機(jī)械自動化研究所設(shè)計制造的噴涂機(jī)械手，廣州機(jī)床研究所和北京機(jī)床研究所合作設(shè)計制造的點焊機(jī)械手，大連機(jī)床研究所設(shè)計制造的氬弧焊機(jī)械手，沈陽工業(yè)大學(xué)設(shè)計制造的裝卸載機(jī)械手等等。這些機(jī)械手的控制器，都是由中國科學(xué)院沈陽自動化研究所和北京科技大學(xué)機(jī)械手研究所開發(fā)的，同時一系列的機(jī)械手關(guān)鍵部件也被開發(fā)出來，如機(jī)械手專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機(jī)，編碼器，DC-PWM等等。我國的工業(yè)機(jī)械手發(fā)展主要是逐步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。目前國內(nèi)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能等方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。所以，在國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等。同時也要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。此外，還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型以及具有觸覺、視覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計算機(jī)連用，逐步成為整個機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 可以將機(jī)械手各運(yùn)動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型機(jī)構(gòu)，組裝成各種用途的機(jī)械手，即便于設(shè)計制造，又便于跟換工件，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。國外機(jī)械手在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用在機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機(jī)械手，使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化反饋，并作出相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測?，F(xiàn)在已經(jīng)取得一定成績。目前世界高端工業(yè)機(jī)械手均有向著高精化、高速化、多軸化、輕量化的發(fā)展趨勢發(fā)展。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運(yùn)行速度可以達(dá)到3m/s，最新產(chǎn)品達(dá)到6軸，負(fù)載2Kg的產(chǎn)品系統(tǒng)總重量已突破100Kg。隨著機(jī)械手發(fā)展的深度和廣度以及機(jī)械手智能水平的提高，機(jī)械手已在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。從傳統(tǒng)的汽車制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域延伸。如采礦機(jī)械手、建筑業(yè)機(jī)械手以及水電系統(tǒng)用于維護(hù)維修的機(jī)械手等。尤其是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從根本上改變了目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。在未來幾年，傳感技術(shù)，激光技術(shù)，工程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會被廣泛應(yīng)用在機(jī)械手工作領(lǐng)域，這些技術(shù)會使機(jī)械手的應(yīng)用更為高效，高質(zhì)，運(yùn)行成本低。據(jù)猜測，今后機(jī)械手將在國防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、生活服務(wù)、教育、救災(zāi)、海洋開發(fā)、機(jī)器維修、交通運(yùn)輸和農(nóng)業(yè)水產(chǎn)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。同時，隨著機(jī)械手的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)黄苽鹘y(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域，而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。1.3.3 機(jī)械手的發(fā)展趨勢工業(yè)機(jī)械手技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用水乳交融。在第一代工業(yè)機(jī)械手普及的基礎(chǔ)上，第二代已經(jīng)推廣，成為主流安裝機(jī)型，第三代智能機(jī)械手已占有一定比重。以應(yīng)用為龍頭拉動工業(yè)機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展，其重點發(fā)展領(lǐng)域與技術(shù)特點體現(xiàn)在下述方面：（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)以關(guān)節(jié)型為主流，80年代發(fā)明的適用于裝配作業(yè)的平面關(guān)節(jié)型機(jī)械手約占總量的l3(目前世界工業(yè)機(jī)械手總數(shù)約為750000臺)，90年代初開發(fā)的適用于窄小空間、快節(jié)奏、360度全工作空間范圍的垂直關(guān)節(jié)型機(jī)械手大量用于焊接和上、下料。 應(yīng)3K(煉鋼、煉鐵、鑄鍛)行業(yè)和汽車、建筑、橋梁等行業(yè)需求，超大型機(jī)械手應(yīng)運(yùn)而生。（2）控制技術(shù)大多數(shù)采用32位CPU，控制軸多達(dá)27軸，NC技術(shù)和離線編程技術(shù)大量采用。協(xié)調(diào)控制技術(shù)日趨成熟，實現(xiàn)了多手與變位機(jī)、多機(jī)械手的協(xié)調(diào)控制，正逐步實現(xiàn)多智能體的協(xié)調(diào)控制?；赑C的開放式結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)由于成本低并具有標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)功能，己成為一股潮流。（3）驅(qū)動技術(shù)上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的AC伺服驅(qū)動已成為主流驅(qū)動技術(shù)用于工業(yè)機(jī)械手中。日本23家機(jī)械手公司于1998年生產(chǎn)的167種型號機(jī)械手產(chǎn)品，其中采用AC伺服驅(qū)動的有156種，占93.4。直接驅(qū)動技術(shù)則廣泛用于裝配機(jī)械手中。（4）智能化的傳感器多有應(yīng)用在上述167種機(jī)型中，裝有視覺傳感器的有94種，占56.3，不少機(jī)械手裝有兩種傳感器，有些機(jī)械手留下了多種傳感器接口。（5）高速、高精度、多功能化目前所知最快的裝配機(jī)械手最大合成速度為16.5m/s;高精度機(jī)械手的位置重復(fù)性為正負(fù)0.01mm.有一種大直角坐標(biāo)搬運(yùn)機(jī)械手，其最大合成速度達(dá)80m/s;而另一種并聯(lián)機(jī)構(gòu)的NC機(jī)械手，其位置重復(fù)性達(dá)l um。90年代末的機(jī)械手一般都具有兩、三種功能。（6）集成化與系統(tǒng)化1998年ABB公司推出IRbl400系列小機(jī)械手，其循環(huán)時間只有0.4s，控制器包括軟件、高壓電、驅(qū)動器、用戶接口等皆集成于一柜，只有洗衣機(jī)變換器那樣大小。FANUC公司2000年9月宣稱它的控制器為世界最小。1.4 本設(shè)計的目的和意義1.4.1 設(shè)計目的由于工作的需要，人們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人的勞動強(qiáng)度，甚至危及生命。以電焊為例, 高溫電弧光產(chǎn)生的紫外線和紅外線可對眼睛及皮膚造成嚴(yán)重?fù)p傷；電弧焊接時，焊條中的焊芯、藥皮和金屬母材在電弧高溫下熔化、蒸發(fā)、氧化、凝集，產(chǎn)生大量金屬氧化物及其他物質(zhì)的煙塵，長期吸入可引起焊工塵肺；各種焊件和焊條中均含有數(shù)量不等的錳，在通風(fēng)不好的場所如船艙、鍋爐或密閉容器內(nèi)焊接，會產(chǎn)生含有錳的煙塵，人體長期吸入可發(fā)生錳中毒。焊接機(jī)械手就在這樣的情況下誕生了,它代替了工人自動化的完成各種焊接任務(wù)。一方面，改善了工人勞動條件，使工人的安全得到一定保障；另一方面，焊接質(zhì)量穩(wěn)定、提高了勞動生產(chǎn)率。本課題設(shè)計的機(jī)械手，是用于自動生產(chǎn)線上完成焊接任務(wù)的自動化裝置。它的執(zhí)行系統(tǒng)由機(jī)座、立柱、手臂、手指組成。驅(qū)動系統(tǒng)采用電氣驅(qū)動式電力驅(qū)動。電力驅(qū)動是機(jī)械手使用得最多的一種驅(qū)動方式。其特點是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力較大，信號檢測、傳動、處理方便，并可采用多種靈活的控制方案。驅(qū)動電機(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī)或直流伺服電機(jī)為主要的驅(qū)動方式。由于電機(jī)速度高，通常須采用減速機(jī)構(gòu)。因此機(jī)械手已開始采用無減速機(jī)構(gòu)的大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速電機(jī)進(jìn)行直接驅(qū)動。這既可使機(jī)構(gòu)簡化，又可提高控制精度。在此驅(qū)動方式下，通過控制系統(tǒng)（本課題設(shè)計的機(jī)械手控制系統(tǒng)采用PLC程序設(shè)計，可根據(jù)工件的變化要求隨時更改相關(guān)控制參數(shù)）控制機(jī)械手的各個部分的動作，使立柱可以在豎直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，手臂可以伸縮、擺動，手指可以夾緊、放松。1.4.2 設(shè)計意義1.提高生產(chǎn)過程中的自動化程度 應(yīng)用機(jī)械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動化程度，進(jìn)而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。 2.改善勞動條件，避免人身事故 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，人用手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，又可使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 3.減輕人力，以便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個方面，同時由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個方面。因此，在自動化機(jī)床的綜合加工自動線上，目前幾乎都有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。 綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。1.5 本設(shè)計的內(nèi)容和思路1.5.1 設(shè)計內(nèi)容機(jī)械手執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的設(shè)計。1、執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計，包括機(jī)座、立柱、大小臂、手部。闡述機(jī)械手各部分的設(shè)計要求、工作方式，步進(jìn)電機(jī)的工作原理及計算與選擇、諧波傳動減速器的選擇、軸承的選擇及校核。 2、驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，主要是選擇驅(qū)動器，包括驅(qū)動器的選擇方法、工作原理、引腳說明。3、控制系統(tǒng)的設(shè)計，確定輸入/輸出（I/O）設(shè)備、選擇合適的PLC、I/O點數(shù)分配、PLC程序設(shè)計。最后，分別畫出焊接機(jī)械手的裝配圖、PLC外部接線圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖、步進(jìn)梯形圖以及焊接機(jī)械手自動或手動運(yùn)行流程圖。1.5.2 設(shè)計思想(1)對焊接機(jī)械手執(zhí)行系統(tǒng)（即機(jī)械部分）進(jìn)行設(shè)計時，要求機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)動靈活，機(jī)械手各個部分的運(yùn)動與其他機(jī)械結(jié)構(gòu)不發(fā)生干涉。(2)對焊接機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計時，要根據(jù)機(jī)械手的用途、作業(yè)要求、機(jī)械手的性能規(guī)范、控制功能、維護(hù)的復(fù)雜程度、運(yùn)行的功耗、性價比以及現(xiàn)有的條件等綜合因素加以考慮。在注意各類驅(qū)動系統(tǒng)特點的基礎(chǔ)上，綜合上面的各個因素，充分論證其合理性、可行性、經(jīng)濟(jì)性以及可靠性后進(jìn)行最終的選擇。(3)對焊接機(jī)械手進(jìn)行控制部分設(shè)計時，要保證機(jī)械手的機(jī)械運(yùn)動與受控制系統(tǒng)控制信號控制產(chǎn)生的驅(qū)動動作相互協(xié)調(diào)，保證機(jī)械手各個部分合理有序的動作，確保工作臺、工件等相關(guān)部件的安全。第二章 多關(guān)節(jié)型自動焊接機(jī)械手總體方案設(shè)計2.1 概述焊接是制造工業(yè)中最重要的工藝技術(shù)之一。它在機(jī)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(yīng)用越來越廣。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,焊接已從簡單的構(gòu)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(chǔ)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(shù)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(jì)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展要求看,焊接自動化生產(chǎn)已是必然趨勢。焊接機(jī)械手主要優(yōu)點如下：1、穩(wěn)定和提高焊接產(chǎn)品的質(zhì)量，保證其均一性。焊接參數(shù)如焊接電流、電壓和焊接速度等對焊接效果有著決定性作用。采用機(jī)械手焊接時，每條焊縫的焊接參數(shù)都是恒定的，焊縫質(zhì)量受人為因素影響比較小，對工人操作技術(shù)的要求不高，因此焊接質(zhì)量穩(wěn)定。而用人工焊接時，焊接速度、干伸長量等都是變化的，很難做到質(zhì)量的均一性。2、改善工人勞動條件。采用機(jī)械手焊接，工人只需裝卸工件，遠(yuǎn)離了焊接弧光、炯霧和飛濺等。對于點焊來說，工人無需搬運(yùn)笨重的手工焊鉗，使工人從高強(qiáng)度的體力勞動中解放出來。3、提高勞動生產(chǎn)率。機(jī)械手可24小時連續(xù)生產(chǎn)，隨著高速、高效焊接技術(shù)的應(yīng)用，采用機(jī)械手焊接，效率的提高更為明顯。4、產(chǎn)品周期明確，產(chǎn)量易控制。機(jī)械手的生產(chǎn)節(jié)奏是固定的，因而安排生產(chǎn)計劃非常明確。5、縮短產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期，減小了相應(yīng)的設(shè)備投資。機(jī)械手與專用機(jī)械最大區(qū)別就是可以通過修改程序以適應(yīng)不同產(chǎn)品的生產(chǎn)。2.2 多關(guān)節(jié)型自動焊接機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)類型工業(yè)機(jī)械手的結(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)和關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其特點，分別介紹如下:1、直角坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)直角坐標(biāo)機(jī)械手的運(yùn)動空間是通過三個相互垂直的直線運(yùn)動來實現(xiàn)的。為了實現(xiàn)一定的運(yùn)動空間，直角坐標(biāo)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸大很多。其工作空間為空間長方體。直角坐標(biāo)機(jī)械手主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)機(jī)械手結(jié)構(gòu)又分為懸臂式，龍門式和天車式三種結(jié)構(gòu)。2、圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的運(yùn)動空間是通過一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動及兩個直線運(yùn)動來實現(xiàn)的。這種機(jī)械手構(gòu)造比較簡單，精度較好，常用于搬運(yùn)作業(yè)，其工作空間是一個圓柱狀空間。3、球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)球坐標(biāo)機(jī)械手的運(yùn)動空間是通過兩個回轉(zhuǎn)運(yùn)動和一個直線運(yùn)動來實現(xiàn)的。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但精度一般，主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個類球形空間。4、關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)型機(jī)械手的運(yùn)動空間是通過三個回轉(zhuǎn)運(yùn)動實現(xiàn)的。其動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對機(jī)械手本身尺寸，其工作空間比較大。這類機(jī)械手在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)和裝配等都廣泛采用此類型的機(jī)械手。具體到本設(shè)計中，機(jī)械手在工作中需要三種運(yùn)動：立柱旋轉(zhuǎn)，調(diào)整空間位置；大臂旋轉(zhuǎn)，調(diào)整焊槍和焊點間距；小臂旋轉(zhuǎn)，調(diào)整焊槍使其接觸焊點，從而達(dá)到焊接的目的。綜合考慮，機(jī)械手自由度數(shù)目取為三個自由度。因此本設(shè)計選擇的焊接機(jī)械手結(jié)構(gòu)類型為關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)。本設(shè)計規(guī)格參數(shù):有效工作半徑0.8m。2.3 多關(guān)節(jié)型自動焊接機(jī)械手主要組成機(jī)械手主要由機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分組成。1、機(jī)械系統(tǒng)包括機(jī)身、臂部（包括大臂和小臂）、手腕、末端執(zhí)行器和行走結(jié)構(gòu)等部分，每一部分都有若干個自由度，構(gòu)成一個多自由度的機(jī)械系統(tǒng)。（1）機(jī)身是直接連接、支承和傳動手臂及行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械手重要組成部件。一般情況下，實現(xiàn)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)動愈多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力愈復(fù)雜。機(jī)身既可以是固定式的，也可以是行走式的，即在它的下部裝有能行走的機(jī)構(gòu)，可沿地面或架空軌道運(yùn)行。本設(shè)計中機(jī)身采用固定式的。機(jī)身由兩部分組成的，分為上下兩部分，下部分的作用是固定和支撐，屬于不動體即機(jī)座，用螺釘固定在地上；上部分是立柱，作用是支撐和旋轉(zhuǎn)并帶動立柱以上部分做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，是矩形的。立柱的中間部分連有大臂電機(jī)、軸承等部件。下端用螺釘與諧波傳動減速器連接，目的是把諧波傳動減速器傳出的轉(zhuǎn)矩傳到立柱上。為了加強(qiáng)立柱的穩(wěn)定性和減少諧波傳動減速器柔輪的受力，在立柱下端用了一個圓錐滾子軸承。諧波傳動減速器的剛輪和機(jī)座連接；當(dāng)機(jī)座上的電機(jī)工作時，諧波傳動減速器的剛輪不動，柔輪動，柔輪帶動立柱轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了焊接機(jī)械手繞Z向旋轉(zhuǎn)的自由度。立柱旋轉(zhuǎn)的速度和正反向的控制，可由控制器調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向來實現(xiàn)。（2）手臂和手腕是機(jī)械手操作機(jī)中的基本部件，它由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和往復(fù)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)組成。其結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，但多數(shù)機(jī)械手的手臂和手腕是由關(guān)節(jié)和桿件構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)，一般由3-10個自由度組成，工業(yè)機(jī)械手一般為3-6個自由度。由于機(jī)械手具有多自由度手臂、手腕的機(jī)構(gòu)，使操作運(yùn)動具有通用性和靈活性，這也是區(qū)別于一般自動機(jī)器的特點。本設(shè)計在滿足機(jī)械手正常工作條件下，為了簡單結(jié)構(gòu)，沒有設(shè)計手腕結(jié)構(gòu)，直接將末端執(zhí)行器與小臂相連。（3）機(jī)械手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(jī)械臂末端的執(zhí)行器有不同形式。1）焊接機(jī)械手和噴涂機(jī)械手的末端分別為固定焊槍和噴槍的夾具。2）搬運(yùn)大件光整平板的機(jī)械手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。3）對于一般的物料搬運(yùn)和裝配機(jī)械手，末端執(zhí)行器為種類繁多的機(jī)械夾持器，用機(jī)械手指的閉合和張開來夾緊和釋放工件。4）運(yùn)送鐵磁物質(zhì)的機(jī)械手還可以將電磁吸盤作為末端執(zhí)行器。按照本設(shè)計的要求機(jī)械手末端設(shè)計為固定焊槍的夾具。在滿足工作的前提下，本設(shè)計的末端執(zhí)行器選用較簡單的機(jī)械夾持。2、驅(qū)動系統(tǒng)主要指驅(qū)動機(jī)械系統(tǒng)動作的驅(qū)動裝置。機(jī)械手所用的驅(qū)動機(jī)構(gòu)主要四種：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機(jī)械驅(qū)動。其中以液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動用得最多。（1）液壓驅(qū)動式液壓驅(qū)動式機(jī)械手通常由液動機(jī)（各種油缸、油馬達(dá)）、伺服閥、油泵、油箱等組成驅(qū)動系統(tǒng)，由驅(qū)動機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。通常它的具有很大的抓舉能力（高達(dá)幾百千克以上），其特點是結(jié)構(gòu)緊湊、動作平穩(wěn)、耐沖擊、耐震動、防爆性好，但液壓元件要求有較高的制造精度和密封性能，否則漏油將污染環(huán)境。（2）氣壓驅(qū)動式其驅(qū)動系統(tǒng)通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機(jī)組成，其特點是氣源方便、動作迅速、結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、維修方便。但難以進(jìn)行速度控制，氣壓不可太高，故抓舉能力較低。（3）機(jī)械驅(qū)動式機(jī)械驅(qū)動只用于動作固定的場合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)規(guī)定的動作。其特點是動作確實可靠，工作速度高，成本低，但不易于調(diào)整。其他還有采用混合驅(qū)動，即液-氣或電-液混合驅(qū)動。（4）電氣驅(qū)動式其特點是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力較大（關(guān)節(jié)型的持重已達(dá)400kg），信號檢測、傳動、處理方便，并可采用多種靈活的控制方案。驅(qū)動電機(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī)，直流伺服電機(jī)（AC）為主要的驅(qū)動方式。由于電機(jī)速度高，通常須采用減速機(jī)構(gòu)（如諧波傳動、RV擺線針輪傳動、齒輪傳動、螺旋傳動和多桿機(jī)構(gòu)等）。有些機(jī)械手已開始采用無減速機(jī)構(gòu)的大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速電機(jī)進(jìn)行直接驅(qū)動（DD）這既可使機(jī)構(gòu)簡化，又可提高控制精度。綜合以上各驅(qū)動機(jī)構(gòu)的特點，由于電氣驅(qū)動有著電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力較大，信號檢測、傳動、處理方便等顯著優(yōu)點，所以選擇電氣驅(qū)動作為本設(shè)計的驅(qū)動方式。3、控制系統(tǒng)機(jī)械手的控制系統(tǒng)相當(dāng)于人的大腦，它指揮機(jī)械手的動作，并協(xié)調(diào)機(jī)械手與生產(chǎn)系統(tǒng)之間的關(guān)系。機(jī)械手的工作順序、應(yīng)達(dá)到的位置，如手臂的伸縮、升降、旋轉(zhuǎn)、手指的開閉動作，以及個工作段的時間、速度等，都是在控制系統(tǒng)的指揮下，通過每一運(yùn)動部件按照預(yù)先調(diào)整好的程序來實現(xiàn)的。一般來說，機(jī)械手的控制方式有以下幾種：（1）點位式控制 很多機(jī)器手要求能準(zhǔn)確地控制末端的工件位置，而路徑卻無關(guān)緊要。例如，在印刷電路板上安裝元件、點焊、裝配等工作，都屬于點位式工作方式。這種工作方式比較簡單。（2）軌跡式控制 在弧焊、噴漆、切割等工作中，要求機(jī)器人末端執(zhí)行器按照示教的軌跡和速度運(yùn)動。如果偏離預(yù)定的軌跡和速度，就會使產(chǎn)品報廢。其控制方式類似于控制原理中的跟蹤系統(tǒng)，可稱之為軌跡伺服控制。（3）力（力矩）控制方式 在完成裝配、抓放物體等工作時，除要準(zhǔn)確定位之外，還要使用適度的力或力矩進(jìn)行工作，這是就要利用力（或力矩）伺服方式。這種方式的控制原理與位置伺服控制原理基本相同，只不過輸入量和反饋量不是位置信號，而是力（力矩）信號，因此系統(tǒng)中必須有力（力矩）傳感器。（4）智能控制方式 機(jī)械手的智能控制是通過傳感器獲得周圍環(huán)境的知識，并根據(jù)自身的知識庫做出相應(yīng)的決策。采用智能控制方式，使機(jī)械手具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。智能控制技術(shù)的發(fā)展有賴于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、基因算法、遺傳算法、專家系統(tǒng)等人工智能的迅速發(fā)展。綜上各控制方式的特點，由于本設(shè)計的焊接機(jī)械手，其功能是對工件進(jìn)行點焊，運(yùn)動簡單，因此，采用點位控制方式。而在點位控制方式中，應(yīng)用比較廣泛的是PLC系統(tǒng)。它是以微處理器為核心，綜合計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的自動控制裝置，它具有結(jié)構(gòu)簡單、易于編程、性能優(yōu)越、可靠性高、靈活通用和使用方便等一系列優(yōu)點，所以，在本次焊接機(jī)械手的設(shè)計中，采用基于PLC的順序控制方式。2.4 基本技術(shù)參數(shù)設(shè)計總體方案設(shè)計階段首要確定的主要參數(shù)有如下幾相：1、額定負(fù)載額定負(fù)載是指在機(jī)械手規(guī)定的性能范圍內(nèi)，機(jī)械接口處所能承受負(fù)載的最大允許值。其主要根據(jù)作用于機(jī)械接口處的力和力矩（包括機(jī)械手末端執(zhí)行器的質(zhì)量、抓取工件的質(zhì)量及慣性力，外界的作用力）來確定。根據(jù)作業(yè)要求確定工作空間，同時要考慮作業(yè)對象對機(jī)械手末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)的要求，以便為后續(xù)設(shè)計中的自由度設(shè)計提供依據(jù)。本設(shè)計末端執(zhí)行器主要夾持焊槍，大約0.5Kg。經(jīng)過粗略計算，本設(shè)計額定負(fù)載最大可以達(dá)100N.m。2、額定速度額定速度是指工業(yè)機(jī)械手在額定負(fù)載、勻速運(yùn)動過程中，機(jī)械接口處中心的最大速度。應(yīng)綜合考慮作業(yè)要求、作業(yè)線協(xié)調(diào)生產(chǎn)要求、慣性力、驅(qū)動與控制方式、定位方式和精度要求等各相因素來確定。本設(shè)計為了保證立柱等機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，設(shè)計最高轉(zhuǎn)速為30r/min。3、性能指標(biāo)性能指標(biāo)一般指位姿準(zhǔn)確度及位姿重復(fù)性（點位控制）、軌跡準(zhǔn)確度及軌跡重復(fù)性（軌跡控制）、最小定位時間及分辨率等。同時還可對機(jī)械結(jié)構(gòu)的剛度、關(guān)節(jié)幾何運(yùn)動精度等提出要求。本設(shè)計選用限位開關(guān)來保證焊接的準(zhǔn)確性及安全性。第三章 多關(guān)節(jié)型自動焊接機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 機(jī)座的設(shè)計圖3.1 機(jī)座機(jī)械手機(jī)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求：1、要有足夠大的安裝基面，以保證機(jī)械手工作的穩(wěn)定性。2、機(jī)座承受機(jī)械手全部重量和工作載荷，應(yīng)保證足夠的強(qiáng)度、剛度和承載能力。如圖3.1所示，機(jī)座用螺釘連接并用螺釘固定在地面上，作用是固定和支撐立柱及以上等部分，使其工作穩(wěn)定。為了降低成本，在滿足機(jī)械強(qiáng)度、剛度和承載能力的條件下，本設(shè)計機(jī)座選用灰口鑄鐵制成?；铱阼T鐵，含碳量較高（2.7%4.0%），碳主要以片狀石墨形態(tài)存在，斷口呈灰色，簡稱灰鐵。熔點低（11451250），凝固時收縮量小，抗壓強(qiáng)度和硬度接近碳素鋼，減震性好。由于片狀石墨存在，故耐磨性好。鑄造性能和切削加工較好。用于制造機(jī)床床身、汽缸、箱體等結(jié)構(gòu)件。3.1.1 機(jī)座電動機(jī)的選擇粗略估計各部分質(zhì)量m0=7kg；m1=7kg；m2=5kg；m3=0.5kg；立柱半徑估計r=40mm。根據(jù)設(shè)計要求機(jī)械手有效工作半徑0.8m，擴(kuò)大到1m,擴(kuò)大了1/4。初始取l1（大臂）=500mm；l2（小臂）=400mm；l3（手部）=100mm。 計算折算到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量： （3-1）設(shè)輸出軸速度為 所需時間；角加速度折算到電機(jī)軸的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 （3-2）考慮到步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)Tjmax來選擇步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。取安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： (3-3)若考慮繞機(jī)械手手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩等，取Tjmax=17N.m機(jī)座混合式步進(jìn)電動機(jī)選用杭州易登科技有限公司生產(chǎn)的110BYG3502B型號，其相關(guān)參數(shù)及安裝尺寸如下表、下圖所示：表3.1 110BYG3502B型混合式步進(jìn)電動機(jī)相關(guān)參數(shù)型號步距角相數(shù)驅(qū)動電壓(V)相電流(A)靜轉(zhuǎn)矩(NM)空載起動頻率(步/秒)空載運(yùn)行頻率(千步 /秒)轉(zhuǎn)動慣量(Kgcm2)相電感(mH)重量(Kg)110BYG3502B0.6222031716003015.814.13.0圖3.2 110BYG3502B混合式步進(jìn)電動機(jī)表3.2 110BYG3502B混合式步進(jìn)電動機(jī)安裝尺寸DBd (h7)L1bD1(h7)hh1LD2d111011014404562129810793.1.2 機(jī)座諧波傳動減速器的選擇1、諧波傳動減速器在機(jī)械手中的應(yīng)用 由于諧波減速器裝置具有傳動比大并且范圍廣、精度高、空回小、承載能力大、效率高、體積小、重量輕、傳動平穩(wěn)、噪聲小、可向密封空間傳遞運(yùn)動等特點?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于空間技術(shù)、能源、電子工業(yè)、石油工業(yè)、軍事工業(yè)、機(jī)械手、假肢、機(jī)床、儀器儀表、紡織機(jī)械儀器儀表、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械、起重運(yùn)輸機(jī)械、醫(yī)療器械、食品加工機(jī)械等領(lǐng)域，其剖視圖如圖3.3所示。本設(shè)計中分別在機(jī)身，大臂，小臂上用了三個諧波減速器。圖3.3 諧波傳動減速器2、諧波傳動減速器工作原理諧波傳動減速器的工作原理如圖3.4 a、b、c、d所示，當(dāng)剛輪固定，波發(fā)生器為主動，柔輪為從動時，柔輪在橢圓形的波發(fā)生器作用下產(chǎn)生變形，在波發(fā)生器長軸兩端處的柔輪輪齒與剛輪輪齒完全嚙合；在波發(fā)生器短軸兩端處，柔輪輪齒與剛輪輪齒完全脫開；在橢圓長軸兩側(cè)，柔輪輪齒與剛輪輪齒處于不完全嚙合狀態(tài)。在波發(fā)生器長軸旋轉(zhuǎn)的正方向一側(cè)，稱為嚙入?yún)^(qū)；在長軸旋轉(zhuǎn)的反方向一側(cè)，稱為嚙出區(qū)。由于波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動，使得嚙入、完全嚙合、嚙出、完全脫開這四種情況依次變化，循環(huán)不已。由于柔輪比剛輪的齒數(shù)少2個，所以當(dāng)波發(fā)生器轉(zhuǎn)動一周時，柔輪向相反方向轉(zhuǎn)過兩個齒的角度，從而實現(xiàn)了大的減速比。圖3.4 諧波傳動減速器工作原理3、諧波傳動減速器傳動比計算如圖3.4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(yīng)為2，三個波傳動其齒數(shù)差應(yīng)為3，由于結(jié)構(gòu)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(yīng)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 i= （3-4）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 (3-5)式中剛輪的轉(zhuǎn)速，其余同式（3-4）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，反之，柔輪主動而剛輪從動，其傳動比略小于。圖3.5 諧波傳動減速器傳動嚙合過程示意圖根據(jù)電動機(jī)的相關(guān)參數(shù)選擇諧波傳動減速器。并且為了保證立柱旋轉(zhuǎn)時平穩(wěn)，使立柱轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。本設(shè)計整體最高轉(zhuǎn)速要求30r/min。混合式步進(jìn)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速之下可以調(diào)節(jié)需要轉(zhuǎn)速并正常工作。所以以最高轉(zhuǎn)速計算傳動比： (3-6)根據(jù)立柱的這種運(yùn)動要求，以及立柱以上部分運(yùn)動的轉(zhuǎn)動慣量，我們選用標(biāo)準(zhǔn)的諧波傳動減速器，本設(shè)計機(jī)座上諧波傳動減速器選用河北僑星減速機(jī)制造有限公司生產(chǎn)的XB1-50-100-1-3/3型諧波傳動減速器，其相關(guān)參數(shù)及安裝尺寸如下表、下圖所示：表3.3 XB1-50-100-1-3/3型諧波傳動減速器相關(guān)參數(shù)規(guī)格產(chǎn)品型號減速比u輸入轉(zhuǎn)速 3000 rpm輸入轉(zhuǎn)速 1500 rpm輸入轉(zhuǎn)速 1000 rpm輸出力矩T2N.m輸出轉(zhuǎn)速n2rpm額定輸入功率p kW輸出力矩T2N.m輸出轉(zhuǎn)速n2rpm額定輸入功率p kW輸出力矩T2N.m輸出轉(zhuǎn)速n2rpm額定輸入功率p kW50XB1-50-100-1-3/310030300.14533150.08033100.053圖3.6 XB1-50-100-1-3/3型諧波傳動減速器表3.4 XB1-50-100-1-3/3型諧波傳動減速器安裝尺寸型號JK50705050.9321641.51224165LMNOPQRSTUX16.31424624.5M4434.5M37.53.2 立柱的設(shè)計圖3.7 立柱3.2.1 立柱的工作方式立柱是多關(guān)節(jié)型自動焊接機(jī)械手的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，是機(jī)械手的回轉(zhuǎn)基座，它是機(jī)械手的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。它不僅承擔(dān)整個機(jī)械手的重量和工作時所產(chǎn)生的所有載荷，而且內(nèi)部還安裝了軸承等重要部件。立柱結(jié)構(gòu)的合理性關(guān)系到整個機(jī)械手穩(wěn)定性，因此在設(shè)計機(jī)械手立柱結(jié)構(gòu)時，有以下設(shè)計要求：、由于立柱要承受機(jī)械手全部的重量和載荷，因此，機(jī)械手立柱的結(jié)構(gòu)要有足夠大的強(qiáng)度和剛度，以保證其承載能力，且立柱是機(jī)械手的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它對機(jī)械手末端的運(yùn)動精度影響最大，因此，在設(shè)計時要特別注意精度與剛度。、立柱結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。要有可靠的定位基準(zhǔn)面和調(diào)整機(jī)構(gòu)。且立柱要安裝在足夠大的基面上，以保證機(jī)械手在工作時整體安裝的穩(wěn)定性。、立柱的回轉(zhuǎn)運(yùn)動要有相應(yīng)的驅(qū)動裝置，它包括驅(qū)動器及諧波傳動減速器。驅(qū)動裝置一般都帶有速度與位置傳感器，以及制動器。 如圖3.7所示，立柱與機(jī)座電機(jī)的諧波減速器用螺釘相連，減速器將輸出的轉(zhuǎn)矩傳送到立柱上，驅(qū)動立柱轉(zhuǎn)動。為了增強(qiáng)立柱的平穩(wěn)性和機(jī)構(gòu)的合理、安全性，在立柱下端我選擇了一個圓錐滾子軸承來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，使之滿足要求。3.2.2 立柱的材料選擇本設(shè)計選擇立柱的材料為45鋼調(diào)質(zhì)，由資料7查得 。根據(jù)計算數(shù)據(jù)，如圖3.7所示，立柱采用外寬114mm,壁厚為12mm，長208mm,材料為45鋼調(diào)質(zhì)的方管制成。由于本機(jī)械手的工作載荷較小，連接方式采用螺釘連接，根據(jù)電動機(jī)及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，采用在立柱下部用螺釘直接連接諧波傳動減速器柔輪的形式。3.2.3 彎扭合成強(qiáng)度校核立柱的強(qiáng)度立柱尺寸如圖3.7所示，在A處，立柱受到大臂及以上部分給的彎矩，當(dāng)大臂、小臂、手指的軸線在同一水平線上時，所受來自其重力的彎矩最大，計算如下：粗略估計各部分質(zhì)量m0=7kg；m1=7kg；m2=5kg；m3=0.5kg；立柱半徑估計r=40mm。根據(jù)設(shè)計要求機(jī)械手有效工作半徑0.8m，擴(kuò)大到1m,擴(kuò)大了1/4。初始取l1（大臂）=500mm；l2（小臂）=400mm；l3（腕部）=100mm。 （3-7）（3-8） （3-9）滿足強(qiáng)度條件。由于立柱與諧波傳動減速器直接相連，本設(shè)計機(jī)身電機(jī)我選擇輸入轉(zhuǎn)速為3000 rpm，故諧波減速器輸入轉(zhuǎn)速為3000 rpm，從而得立柱的輸入功率P=0.145 Kw 輸入轉(zhuǎn)速n=30 rpm 所受諧波傳動減速器輸出力矩M1=30N.m （3-10）滿足強(qiáng)度條件。3.2.4 立柱軸承的選擇1、對于與諧波傳動減速器相聯(lián)的立柱，因存在徑向力和軸向力，有較高的使用要求，分別承擔(dān)徑向載荷和軸向載荷，軸所受的徑向載荷較小，主要受軸向載荷的影響，軸向載荷因要支持整個立柱及其以上全部的重量和載荷，而且有一定的沖擊載荷，但軸承的轉(zhuǎn)速較低，故選用圓錐滾子軸承，主要承受一定的雙向軸向載荷，這類軸承結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，價格便宜，供貨方便，應(yīng)用較廣。立柱選用的圓錐滾子軸承型號為30212GB/T 29794，各相參數(shù)如下圖、下表所示：圖3.8圓錐滾子軸承型號為30212GB/T 29794表3.5圓錐滾子軸承型號為30212GB/T 29794相關(guān)參數(shù)軸承型號dDBTCaXY極限轉(zhuǎn)速（r.min-1）Cr(KN)C0r(KN)30212GB/T 29794601102223.751922.31.50.83600(脂潤滑)1021302、軸承的校核計算一個30212GB/T 29794型軸承轉(zhuǎn)速3600r/min,經(jīng)粗略估算，軸向載荷Fa=m.G=(7+7+5+0.5)9.8=191.1N 徑向載荷Fr=0,工作時無沖擊。溫度低于100oC,預(yù)壽命10000h。軸承承受的負(fù)載較重，被壓緊。查機(jī)械設(shè)計手冊30212GB/T 29794型軸承Cr=102000N C0r=130000N 深溝球軸承軸承 X=1.5 Y=0.8 P=XFr+YFa=152.88N軸承的壽命由公式計算得 ft=1;fp=1.2 =7.96108