弧焊機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)含6張CAD圖.zip
弧焊機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)含6張CAD圖.zip,機(jī)械手,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),CAD
任務(wù)書
學(xué)院 XXX 專業(yè) XXX 班級(jí)XXX
學(xué)生姓名 XXX 指導(dǎo)教師/職稱 XXX
1. 畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目：弧焊機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2. 畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))起止時(shí)間：20XX年10月～20XX年6月
3. 畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))所需資料及原始數(shù)據(jù)（指導(dǎo)教師選定部分）
[1]劉明保，呂春紅等.機(jī)械手的組成機(jī)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)的確定河南高等專科學(xué)校學(xué)報(bào).2004.1.1.
[2]張鐵，謝存喜主編.《機(jī)器人學(xué)》.華南理工大學(xué)東出版社，2004
[3]陸祥生，楊繡蓮.機(jī)械手。中國鐵道出版社.1985.1.
[4]張建民.工業(yè)機(jī)械人.北京北京理工大學(xué)出版社1992.
[5]史國生.機(jī)械手步進(jìn)控制中的應(yīng)用，中國工控信息網(wǎng)2005.1.
[6]李允文.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)，機(jī)械工業(yè)出版社1996.4.
[7]成大先主編.《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》(單行本).化學(xué)工業(yè)出版社，2000
[8]周伯英. 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì). 北京機(jī)械工業(yè)出版社，1995
[9]徐瀛主編.《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第5卷).機(jī)械工業(yè)出版社，1992
本設(shè)計(jì)機(jī)械手具有4個(gè)自由度，首先腰部回轉(zhuǎn)機(jī)械臂和焊點(diǎn)處于同一平面；接著大臂回轉(zhuǎn)，調(diào)整焊槍和焊點(diǎn)的距離；然后小臂回轉(zhuǎn)，使焊槍接觸焊點(diǎn)；最后腕部回轉(zhuǎn)，使焊槍和焊點(diǎn)垂直，達(dá)到焊接目的。
設(shè)計(jì)參數(shù)：腕部回轉(zhuǎn)最大角度為270°；擺動(dòng)最大角度120°；工作行程0—400mm；夾持重量為6KG
4. 畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))應(yīng)完成的主要內(nèi)容
（1）撰寫開題報(bào)告1份
（2）機(jī)械手整體方案的確定；機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括底座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)及計(jì)算
（3）完成重要零件圖和機(jī)械手裝配圖
（4）完成設(shè)計(jì)說明書1份
5. 任務(wù)書下達(dá)日期 20XX 年 10 月 21 日指導(dǎo)教師(簽字)
弧焊機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開題報(bào)告
一、題目來源
生產(chǎn)實(shí)踐
2、 研究（設(shè)計(jì)）目的和意義
目的:隨著工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的需要，機(jī)械手在工業(yè)應(yīng)用中越來越重要。工業(yè)機(jī)械手可以代替人手的繁重勞動(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和自動(dòng)化水平，解決了工業(yè)生產(chǎn)中長期頻繁單調(diào)的操作。也提高了工件的生產(chǎn)加工速度，所以機(jī)械手的使用是非常高效的，就此設(shè)計(jì)出讓人跟滿意的機(jī)械手。
意義:通過設(shè)計(jì)提高學(xué)生的機(jī)構(gòu)分析與綜合的能力，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力，機(jī)電液一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，掌握實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化的設(shè)計(jì)方法通過設(shè)計(jì)把有關(guān)課程(機(jī)構(gòu)分析與綜合，機(jī)械原理，機(jī)械設(shè)計(jì),液壓與氣壓技術(shù)，自動(dòng)控制理論，測(cè)試技術(shù)，數(shù)控技術(shù)，微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用，自動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)等)中所獲得的理論知識(shí)在實(shí)際中綜合地加以運(yùn)用，使這些知識(shí)得到鞏固和發(fā)展，并使理論知識(shí)和生產(chǎn)密切地結(jié)合起來工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)及制號(hào)專業(yè)的學(xué)生一次比較完善的機(jī)械化設(shè)計(jì)通過設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立的機(jī)械整體設(shè)計(jì)的能力，樹立正確的設(shè)計(jì)思想，掌握機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本方法和步駿，為自動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ).通過設(shè)計(jì)，使學(xué)生能熱練地應(yīng)用有關(guān)參考，計(jì)算圖表，手冊(cè)，圖冊(cè)，和規(guī)范；熟悉有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和部似標(biāo)準(zhǔn)，以完成一個(gè)工程技術(shù)人員在機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)方面所必須具備的基本技能訓(xùn)練。
三、閱讀的主要參考文獻(xiàn)
[1]劉明保，呂春紅等.機(jī)械手的組成機(jī)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)的確定河南高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào).2004.1.1.
[2]張鐵、謝存喜主編.《機(jī)器人學(xué)》.華南理工大學(xué)東出版社，2004
[3]陸祥生，楊繡蓮.機(jī)械手。中國鐵道出版社.1985.1.
[4]張建民.工業(yè)機(jī)械人.北京北京理工大學(xué)出版社1992.
[5]史國生.機(jī)械手步進(jìn)控制中的應(yīng)用，中國工控信息網(wǎng)2005.1.
[6]李允文.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)，機(jī)械工業(yè)出版社1996.4.
[7]成大先主編.《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》(單行本).化學(xué)工業(yè)出版社，2000
[8]金茂青，曲忠萍，張桂華國外工業(yè)機(jī)械人發(fā)展的態(tài)勢(shì)分析機(jī)械人技術(shù)與應(yīng)用.2001.
[9]周伯英. 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì). 北京機(jī)械工業(yè)出版社，1995
[10]徐瀛主編.《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第5卷).機(jī)械工業(yè)出版社，1992
四、國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)
隨著科技的不斷進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手的發(fā)展過程可分為三代，第一代為示教再現(xiàn)型機(jī)器人，它主要由機(jī)器手控制器和示教盒組成，可按預(yù)先引導(dǎo)動(dòng)作記錄下信息重復(fù)再現(xiàn)執(zhí)行，當(dāng)前工業(yè)中應(yīng)用最多。第二代為感覺型機(jī)器人，如有力覺觸覺和視覺等，它具有對(duì)某些外界信息進(jìn)行反饋調(diào)整的能力，目前已進(jìn)入應(yīng)用階段。第三代為智能型機(jī)器人它具有感知和理解外部環(huán)境的能力，在工作環(huán)境已改變的情況下，也能夠成功地完成任務(wù)，它尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段。
1.國外工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展
美國是機(jī)器人機(jī)械手的誕生地，早在1961年，美國的GnsolidedControlCorp和AMF公司聯(lián)合研制了第一臺(tái)實(shí)用的示教再現(xiàn)機(jī)器人。經(jīng)過40多年的發(fā)展，美國的機(jī)器人機(jī)械手技術(shù)在國際上仍一直處于領(lǐng)先地位。其技術(shù)全面、先進(jìn)，適應(yīng)性也很強(qiáng)。
日本在1967年從美國引進(jìn)第一臺(tái)機(jī)器人，1976年以后，隨著微電子的快速發(fā)展和市場需求急劇增加，日本當(dāng)時(shí)勞動(dòng)力顯著不足，工業(yè)機(jī)器人在企業(yè)里受到了“教世主”般的歡迎，使其日本工業(yè)機(jī)器人得到快速發(fā)展，現(xiàn)在無論機(jī)器人的數(shù)量還是機(jī)器人的密度都位居世界第一，素有“機(jī)器人王國”之稱。德國引進(jìn)機(jī)器人的時(shí)間比英國和瑞典大約晚了五六年，但戰(zhàn)爭所導(dǎo)致的勞動(dòng)力短缺，國民的技術(shù)水平較高等社會(huì)環(huán)境，卻為工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展、應(yīng)用提供了有利條件。此外，在德國規(guī)定，對(duì)于一些危險(xiǎn)、有毒、有害的工作崗位，必須以機(jī)器人來代替普通人的勞動(dòng)。這為機(jī)器人的應(yīng)用開拓了廣泛的市場，并推動(dòng)了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。日前，德國工業(yè)機(jī)器人的總數(shù)占世界第二位，僅次于日本。
法國政府一直比較重視機(jī)器人技術(shù)，通過大力支持一系列研究計(jì)劃，建立了一個(gè)完整的科學(xué)技術(shù)體系，使法國機(jī)器人的發(fā)展比較順利。在政府組織的項(xiàng)目中，特別注重機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)方面的研究，把重點(diǎn)放在開展機(jī)器人的應(yīng)用研究上。而由工業(yè)界支持開展應(yīng)用和開發(fā)方面的工作，兩者相輔相成，使機(jī)器人在法國企業(yè)界得以迅速發(fā)展和普及，從而使法國在國際工業(yè)機(jī)器人界擁有不可或缺的一席之地。
英國紀(jì)70年代末開始，推行并實(shí)施了一系措施列支持機(jī)器人發(fā)展的政策，使英國工業(yè)機(jī)器人起步比當(dāng)今的機(jī)器人大國日本還要早，并曾經(jīng)取得了早期的輝煌。然而，這時(shí)候政府對(duì)工業(yè)機(jī)器人實(shí)行了限制發(fā)展的錯(cuò)誤。這個(gè)錯(cuò)誤導(dǎo)致英國的機(jī)器人工業(yè)一蹶不振，在西歐幾乎處于末位。近些年，意大利、瑞典、西班牙、芬蘭、丹麥等國家由于自身國內(nèi)機(jī)器人市場的大量需求，發(fā)展速度非常迅速。目前，國際上的工業(yè)機(jī)器人公司主要分為日系和歐系。日系中主要有安川、oTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。歐系中主要有德國的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的CO毗U及奧地利的工GM公司。
2.國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展
我國工業(yè)機(jī)器人起步于20世紀(jì)70年代初期，經(jīng)過30多年發(fā)展，大致經(jīng)歷了3個(gè)階段:70年代萌芽期，80年代的開發(fā)期和90年代的應(yīng)用化期隨著20世紀(jì)70年代世界科技快速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用在世界掀起了一個(gè)高潮，在這種背景下，我國于1972年開始研制自己的工業(yè)機(jī)器人。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，隨著改革開放的不斷深入，在高技術(shù)浪潮的沖擊下，我國機(jī)器人技術(shù)的開發(fā)與研究得到了政府的重視與支持，“七五”期間，國家投入資金，對(duì)工定機(jī)器人及零部件進(jìn)行攻關(guān)，完成了示教再現(xiàn)式工業(yè)機(jī)器人成套技術(shù)的開發(fā)，研制出了噴漆，點(diǎn)焊，江燁和搬運(yùn)機(jī)器人..國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃開始實(shí)施，經(jīng)過幾年研究，取得了一大批科研成果。成功地研制出了一批特種機(jī)器人。
從20世紀(jì)90年代初期起，我國的國民經(jīng)濟(jì)進(jìn)入實(shí)現(xiàn)兩個(gè)根本轉(zhuǎn)變期，掀起了新一輪的經(jīng)濟(jì)體制改革和技術(shù)進(jìn)步熱潮，我國的工業(yè)機(jī)器人又在實(shí)踐中邁進(jìn)了一大步，先后研制了點(diǎn)焊，弧焊，裝配，噴漆，切割，搬運(yùn)，碼垛等各種用途的工業(yè)機(jī)器人，并實(shí)施了一批機(jī)器人應(yīng)用工程，形成了一批工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化基地，為我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。但是與發(fā)達(dá)國家相比，我國工業(yè)機(jī)器人還有很大差距。
五、主要研究（設(shè)計(jì)）內(nèi)容，關(guān)鍵問題及解決思路
5.1主要研究內(nèi)容
1.加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中工業(yè)機(jī)械手的理解
2.設(shè)計(jì)前對(duì)機(jī)械手主要的知識(shí)認(rèn)知
3.對(duì)機(jī)械于的各主要組成部分的分析，設(shè)計(jì)方案的確定
4.確定機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)
5.對(duì)各主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析
6.確定機(jī)械手各部件的可靠性
7.繪制主要結(jié)構(gòu)零件圖
8.繪制裝配圖
5.2關(guān)鍵問題
1.選取機(jī)械手的結(jié)構(gòu)類型；
2設(shè)計(jì)各機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu):如執(zhí)行器、手腕、手臂等；
3.各機(jī)構(gòu)部件的連接；
5.3解決思路
充分查閱相關(guān)資料，構(gòu)思選擇合理的局部機(jī)械結(jié)構(gòu)，之后做出機(jī)械手的草圖，邊設(shè)計(jì)邊修改，有不合理的地方及時(shí)糾正。完成之后就要進(jìn)行零件的設(shè)計(jì)、電機(jī)的選型，以及其他附帶部件的選用，機(jī)械結(jié)構(gòu)校核的計(jì)算也在這一步進(jìn)行。繪制部件的裝配圖及裝配總圖。整理出設(shè)計(jì)說明書。整個(gè)設(shè)計(jì)過程要定期與指導(dǎo)老師溝通交流，接受老師的批評(píng)和建議。力求通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使自己大學(xué)四年的理論學(xué)習(xí)能夠熟練的運(yùn)用到實(shí)際中，掌握一種學(xué)習(xí)方法，熟悉工業(yè)設(shè)計(jì)過程，實(shí)現(xiàn)由校園到企業(yè)的平緩過渡。
六、完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）所必須具備的工作條件
所必須具備的工作環(huán)境：
（1）圖書館查閱資料；
（2）運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件CAD；
（3）對(duì)于機(jī)械機(jī)構(gòu)的簡單設(shè)計(jì)能力；
（4）碰到有問題的地方請(qǐng)教老師；
七、預(yù)期成果（達(dá)到目標(biāo)）
通過本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，明確復(fù)雜零件的多次換刀裝夾加工工藝步驟，對(duì)加工復(fù)雜零件的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行多種選擇及方案論證；并對(duì)加工工藝進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)、計(jì)算及校核；并繪制出相應(yīng)工件的零件圖。
八、工作的主要階段、進(jìn)度與時(shí)間安排
第1周：與指導(dǎo)老師會(huì)面，領(lǐng)取任務(wù)書；
第2-4周：查閱參考文獻(xiàn)及完成開題報(bào)告、開題答辯；
第5周：初步完成畢業(yè)設(shè)計(jì)資料，中期檢查；
第6-12周：完成畢業(yè)設(shè)計(jì)主體工作；
第13周：指導(dǎo)教師完成各項(xiàng)審查及相關(guān)簽字；
第14周：評(píng)閱教師完成評(píng)閱意見及相關(guān)簽字；
第15周：畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯；
九、指導(dǎo)教師審查意
弧焊機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
[摘要]在現(xiàn)今制造行業(yè)大規(guī)?；默F(xiàn)象中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度，工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化的水平如何在一定程度上體現(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度上，目前，工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等具有極大勞動(dòng)強(qiáng)度的、重復(fù)性的工作。
本次設(shè)計(jì)介紹機(jī)械手定義、分類及組成，對(duì)弧焊機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確定了底座、臂、手腕采用方案，并對(duì)其進(jìn)行就簡要的計(jì)算，對(duì)末端執(zhí)行器做出了選擇，最后畫出了機(jī)械手的裝配圖。
[關(guān)鍵詞]弧焊；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；機(jī)械手；
Structural Design of Arc Welding manipulator
[Abstract] in the phenomenon of large-scale manufacturing industry, in order to improve production efficiency and ensure product quality, enterprises generally attach importance to the degree of automation of production process, industrial robot as an important member of automatic production line. Gradually recognized and adopted by enterprises. To a certain extent, the level of industrial automation in a country is reflected in the technical level and application degree of industrial robots. At present, industrial robots are mainly responsible for welding, spraying, handling and stacking, and so on, which have great labor intensity. Repetitive work.
This design introduces the definition, classification and composition of the manipulator, designs the structure of the arc welding manipulator, determines the scheme of the base, arm and wrist, and makes a brief calculation on it, and makes a choice of the end actuator. Finally, the assembly diagram of the manipulator is drawn.
[Keywords] arc welding; structure design; manipulator;
目錄
前言 1
1緒論 2
1.1題目來源 2
1.2機(jī)械手的定義與分類 2
1.3機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)?? 3
1.4機(jī)械手的組成 3
2弧焊機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 5
2.1機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型 5
2.2設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 6
3弧焊機(jī)械手底座的設(shè)計(jì) 6
3.1機(jī)械手底座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 7
3.2機(jī)械手底座的具體采用方案 7
3.3底座的電動(dòng)機(jī)選擇 8
3.4底座減速器的選擇 9
3.5鍵的選擇 10
4弧焊機(jī)械手大、小臂的設(shè)計(jì) 11
4.1設(shè)計(jì)具體采用方案 12
4.2大臂的電動(dòng)機(jī)選擇 12
4.3大臂減速器的相關(guān)計(jì)算 13
4.4小臂電動(dòng)機(jī)的選擇 14
4.5小臂減速器的相關(guān)計(jì)算 15
5弧焊機(jī)械手手腕的設(shè)計(jì) 17
5.1腕部電動(dòng)機(jī)的選擇 17
5.2腕部減速器的相關(guān)計(jì)算 18
6弧焊機(jī)械手末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì) 18
6.1機(jī)械手末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)要求 18
結(jié)論 22
參考文獻(xiàn) 23
致謝 24
III
弧焊機(jī)械手出的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
前 言
在生產(chǎn)加工時(shí)，使用機(jī)械來代替人的手動(dòng)加工方式，這種機(jī)械加工裝置，被稱為機(jī)械手技術(shù)。機(jī)械手是利用仿生學(xué)原理進(jìn)而所研究出來的，是為了來代替高強(qiáng)度的人工加工。根據(jù)事先編輯，調(diào)試好的程序，來控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)，松夾等加工方式，通過給定的加工要求進(jìn)而進(jìn)行工件的加工。目前機(jī)械手被常用到各行各業(yè)的生產(chǎn)加工中，高效率，全自動(dòng)化的機(jī)械手已經(jīng)慢慢被人們所使用，即節(jié)省人工，又能使生產(chǎn)效率得到提高。因?yàn)槭潜挥糜诠I(yè)生產(chǎn)中，因此所使用的機(jī)械手也被稱之為工業(yè)機(jī)械手。
在現(xiàn)代工業(yè)蓬勃發(fā)展的今天，工業(yè)機(jī)械手已經(jīng)運(yùn)用的越來越廣泛了，它是現(xiàn)代工業(yè)中產(chǎn)生的全自動(dòng)化控制的一種新型科技，這一技術(shù)的產(chǎn)生，使得現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展得到空前的提高，工業(yè)機(jī)械手現(xiàn)在已經(jīng)變成了工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)的一個(gè)非常重要的基礎(chǔ)，隨著其在工業(yè)生產(chǎn)中普及越來越多，工業(yè)機(jī)械手的技術(shù)升級(jí)，也快速的發(fā)展至頂峰。目前機(jī)械手制造，已經(jīng)在現(xiàn)代高等教育中，成為了一個(gè)專門的學(xué)科，工業(yè)機(jī)械手涉及到，材料學(xué)，機(jī)械原理學(xué)，自動(dòng)控制加工技術(shù)，電器液壓技術(shù)等多門學(xué)科技術(shù)。
工業(yè)機(jī)械手是近代工業(yè)中，迅速發(fā)展起來的高新技術(shù)產(chǎn)品，其特點(diǎn)在于它的全自動(dòng)性，高效率等特點(diǎn)。其最大的優(yōu)點(diǎn)在于工業(yè)機(jī)械手的適應(yīng)性，通過編寫的程序的改動(dòng)，可以使工業(yè)機(jī)械手運(yùn)用于多個(gè)不同工藝的加工，當(dāng)所需要的產(chǎn)品更新時(shí)，機(jī)械手的加工程序也可以改變，來進(jìn)行新產(chǎn)品的加工，可見工業(yè)機(jī)械手的適用面極為廣泛。機(jī)械手通過給定的程序，還可以在人工無法進(jìn)行操作的環(huán)境中，進(jìn)行預(yù)期的加工作業(yè)，因其程序加工的精確性和穩(wěn)定性，使得加工的產(chǎn)品，比人工加工的產(chǎn)品質(zhì)量更高。使用工業(yè)機(jī)械手能夠降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，因此，很多的企業(yè)在批量生產(chǎn)中，常使用工業(yè)機(jī)械手。
機(jī)械手是一種能夠進(jìn)行自動(dòng)化控制，并可重新新編程加工其它工藝的產(chǎn)品的機(jī)械,其有多個(gè)自由度,可以在不同的環(huán)境中完成相應(yīng)的任務(wù)。
1
1緒論
1.1題目來源
題目來源于生產(chǎn)實(shí)踐
1.2機(jī)械手的定義與分類
機(jī)器人可以模擬一些人的手和臂的動(dòng)作。它是一種自動(dòng)化機(jī)器,根據(jù)特定的程序進(jìn)行,并抓住對(duì)象或工具。它可以代替人去做一些人力資源無法企及的困難工作,完成生產(chǎn)的自動(dòng)化和機(jī)械化,并可以在惡劣的生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行操作,用來保證人的健康和生命安全。因此,它常常被使用在電氣機(jī)械和器材制造業(yè)、金屬礦采選業(yè)、船舶、航空航天、原子能和其它運(yùn)輸業(yè)等行業(yè)上。
機(jī)器人的快速發(fā)展得益于它的正逐漸為人聞名的積極影響。首先，它可以代替手工操作的一部分;其次，它可以完成運(yùn)輸和裝載并根據(jù)一定的過程，時(shí)間和地點(diǎn)的來完成零件卸載。第三，它可以控制焊接和組裝的特定機(jī)器和工具。因此，機(jī)械工業(yè)手的使用，能夠在很大的程度是改善工人的生產(chǎn)條件，使產(chǎn)品的生產(chǎn)能力提高，降低生產(chǎn)成本，能夠使利益最大化。正因?yàn)楣I(yè)機(jī)械手的多種優(yōu)點(diǎn)，世界各國等工業(yè)強(qiáng)國，都開始了對(duì)機(jī)械手的研發(fā)，攻克了在各種極端條件下能夠使用的機(jī)械手，這使得機(jī)械手的應(yīng)用范圍更加的廣泛。
在一般的情況下，機(jī)器人的類型可以劃分為三種。通用機(jī)械手，作為第一種類型機(jī)器人,它是不需要進(jìn)行人工操作的，也是不屬于主機(jī)的一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備。根據(jù)任務(wù)的要求,它可以編譯的程序來完成各種特定任務(wù)。它不僅具有普通機(jī)械的物理特性,而且具有普通機(jī)械的特性和記憶智能。第二種類型的機(jī)器人則需要進(jìn)行人工控制,被稱之為操作員。它最先是從原子和軍事工業(yè)等方面開始的。最初，它是通過執(zhí)行定下來的操作來控制機(jī)器運(yùn)動(dòng)的。后來，一種無線電信號(hào)操縱器被開發(fā)出來用來探測(cè)月球和火星。第三種類型機(jī)器人主要用于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線，專用來解決機(jī)器裝卸和工件傳遞的問題，是專用機(jī)器人。在國外，這種類型的機(jī)器人常被稱為"Mechanical Hand"。它是由主機(jī)驅(qū)動(dòng)的，專為主機(jī)進(jìn)行服務(wù)，少數(shù)個(gè)體除外。它的工作程序通常情況下是固定的，也因此，它屬于專業(yè)的。在這個(gè)項(xiàng)目中所設(shè)計(jì)的機(jī)器人模型可分為第一類,即一般的機(jī)械手。
3
1.3機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)??
自從1970年機(jī)械手被創(chuàng)造使用至今，通過半個(gè)世紀(jì)的創(chuàng)新和發(fā)展，目前已經(jīng)廣泛的使用到各行各業(yè)，早已成為了現(xiàn)代化機(jī)械生產(chǎn)行業(yè)·的重要組成部分。目前機(jī)械手的研發(fā)，已經(jīng)到達(dá)了頂峰，分為各類機(jī)械手，例如仿生手臂機(jī)器人，超小型機(jī)械手，等機(jī)械手、機(jī)器人和智能機(jī)械手（不僅可以執(zhí)行預(yù)設(shè)動(dòng)作，還可以執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，完成工作條件，如躲避障礙行動(dòng)、工作順序的規(guī)劃、有效的動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)等）。機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域正在向著非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)的方向進(jìn)行擴(kuò)展。蓬勃發(fā)展的軍事機(jī)械手也將在部隊(duì)中得到越來越多配備。
國外：近年來，以下的發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)逐步出現(xiàn)在國外的工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域。機(jī)器人的性能正在不斷提高，與此同時(shí)一臺(tái)機(jī)器的價(jià)格在不斷的下降。機(jī)械結(jié)構(gòu)當(dāng)前正在向著模塊化和可重構(gòu)性的方向演變：控制系統(tǒng)在向基于PC的開放式移動(dòng)控制器和傳感器中的作用正變得越來越發(fā)重要；現(xiàn)實(shí)虛擬技術(shù)在機(jī)器人中的作用已然從仿真和預(yù)覽過程控制演變。
在國內(nèi):目前,在弧焊機(jī)械手、點(diǎn)焊機(jī)械手、噴漆機(jī)械手、搬運(yùn)機(jī)械手、裝配機(jī)械手、專用機(jī)械手(水下、攀爬、管道、遠(yuǎn)程操控等機(jī)械手)等機(jī)器類型中,機(jī)械手操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)已被我們基本掌握。同時(shí)還掌握了軟件設(shè)計(jì)和編譯等關(guān)鍵技術(shù),包括自動(dòng)涂裝線、電弧焊自動(dòng)線及其周邊配套設(shè)備的整套自動(dòng)通信和協(xié)調(diào)控制技術(shù)；在基本組件方面,在諧波減速器、機(jī)械手焊接電源和自動(dòng)焊縫跟蹤裝置上也有了一定的突破。從技術(shù)上來說,我國已經(jīng)有了可以自主開發(fā)出中國機(jī)械手技術(shù)的基本能力。
1.4機(jī)械手的組成
機(jī)械手一般是由執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成的。如圖 1 所示。
圖1 機(jī)器人的一般組成
感觀裝置、視覺裝置和話語識(shí)別裝置這些裝置對(duì)于現(xiàn)代的智能機(jī)器人而言,是它們組成中的重中之重，其在在智能系統(tǒng)中也是如此作用。當(dāng)前的研究，主要集中在賦予機(jī)器人"眼睛"上,使它能識(shí)別物體和躲避障礙物,以及機(jī)器人的觸覺裝置。機(jī)器人的這些組成部分并不是簡單的拼湊在一起,從而構(gòu)成一個(gè)機(jī)器人的，因?yàn)樗g的每個(gè)部件都不是各自獨(dú)立存在的。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所期望實(shí)現(xiàn)的功能,機(jī)器人的各部分之間必然還有著相互的關(guān)聯(lián)、相互的影響與制約。它們之間的相互關(guān)系如圖2所示。
圖2 機(jī)器人各組成部分之間的關(guān)系
機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由致動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成的。執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常包含連桿和關(guān)節(jié)，它是機(jī)器人用來完成任務(wù)的實(shí)體依靠。它的供電是由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)依據(jù)控制系統(tǒng)的要求來到,并且完成該任務(wù)。所述驅(qū)動(dòng)傳輸系統(tǒng)主要包括一個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和一個(gè)傳輸系統(tǒng)。由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供了機(jī)器人關(guān)節(jié)所需的功率,并且所述的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)換成可滿足所述機(jī)器人的各關(guān)節(jié)的扭矩和運(yùn)動(dòng)所需要的驅(qū)動(dòng)力或轉(zhuǎn)矩。在一些文獻(xiàn)
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上將機(jī)器人劃分為三個(gè)部分:機(jī)械系統(tǒng),驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)也被稱為機(jī)械手,其等同于本文的致動(dòng)器部分。
2弧焊機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)
2.1機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型
按坐標(biāo)的形式來劃分可以將工業(yè)機(jī)器人分為以下四種類型：矩形坐標(biāo)結(jié)構(gòu)類型、球面坐標(biāo)結(jié)構(gòu)類型、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)類型和關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)類型。其結(jié)構(gòu)形式及相應(yīng)特點(diǎn)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，它是靠著三個(gè)相互垂直的軸的移動(dòng)來完成其空間位置變換的。為了給它一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)要遠(yuǎn)大于其它幾種類型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸。因此直角坐標(biāo)機(jī)器人通常被運(yùn)用在裝配和搬運(yùn)作業(yè)上。直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間表現(xiàn)為一個(gè)空間長方體的形狀。懸臂式、龍門式和天車式這三種結(jié)構(gòu)形式是直角坐標(biāo)機(jī)器人最常見的結(jié)構(gòu)。
2）球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
球面坐標(biāo)機(jī)械臂的空間運(yùn)動(dòng)，是由兩次旋轉(zhuǎn)和一次直線運(yùn)動(dòng)來實(shí)行的。該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)比較簡單，占地面積相對(duì)來說較小，并且它的成本低，但其精度一般，承載能力不強(qiáng)。因此，目前很少得到應(yīng)用。它的工作空間是一個(gè)球形范圍。
3）圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
圓柱坐標(biāo)機(jī)器人，由一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)構(gòu)成它的空間運(yùn)動(dòng)。這類機(jī)器人控制起來相對(duì)簡單，精度可以接受，但其結(jié)構(gòu)比較大，經(jīng)常用于搬運(yùn)作業(yè)。
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(dòng)是經(jīng)由它的三個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來完成。它的組成主要包括了底座、大小手臂和手腕。關(guān)節(jié)型機(jī)器人具有緊湊的結(jié)構(gòu)和它的運(yùn)動(dòng)是柔性的并且具有小的足跡。相比較而言，其工作空間比身體的尺寸大得多。因此，這種機(jī)器人被廣泛地用于工業(yè)，如焊接，裝配，處理，噴涂等，這種類型的機(jī)器人都被廣泛的使用。
2.2設(shè)計(jì)參數(shù)的確定
本題目設(shè)計(jì)參數(shù):
腰部回轉(zhuǎn)最大角度 270 度；
擺動(dòng)最大角度 120 度；
工作范圍范圍 0-400mm；
本機(jī)械手的主要?jiǎng)幼魇牵?
首先，底座旋轉(zhuǎn)臂應(yīng)與焊點(diǎn)處于同一平面;然后大臂旋轉(zhuǎn)以調(diào)節(jié)焊炬與焊點(diǎn)之間的距離;然后小臂轉(zhuǎn)動(dòng)，使焊炬接觸焊點(diǎn);最后，腕部轉(zhuǎn)向使焊垂直于焊點(diǎn)以進(jìn)行焊接。
在本次課題設(shè)計(jì)中,因?yàn)槭滞蟮膴A持重量為6KG,機(jī)械手的自由度數(shù)目為四個(gè)。即在運(yùn)動(dòng)中需要做出以下四種運(yùn)動(dòng):底座回轉(zhuǎn);大臂回轉(zhuǎn);小臂回轉(zhuǎn);腕部回轉(zhuǎn)。并考慮到弧焊機(jī)器人的加工精度,該結(jié)構(gòu)應(yīng)簡化盡可能降低成本并提高可靠性。綜合考慮,因此選擇使用關(guān)節(jié)型機(jī)械臂。
具體到本設(shè)計(jì)，要求工作區(qū)間 0-400mm，擴(kuò)大到 0-60mm，為擴(kuò)大 1/3 倍。因?yàn)?。所以?dāng) 一定時(shí)， 機(jī)械臂為最短。 。A≈424.3，又因?yàn)樾”郾戎蟊垡`活些，活動(dòng)得更頻繁，所以初始取 a（大臂）=500mm；b（小臂）=400mm；c（腕部）=100mm。
整體如圖：
圖3 整體尺寸設(shè)計(jì)圖
3弧焊機(jī)械手底座的設(shè)計(jì)
3.1機(jī)械手底座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
在機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)完成后，就要對(duì)機(jī)械手的底座、大臂、小臂、腕關(guān)節(jié)等部位詳細(xì)的進(jìn)行設(shè)計(jì)。
機(jī)械手底座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求：
工業(yè)機(jī)器人的底座，其實(shí)就是圓柱型坐標(biāo)機(jī)器人、球形坐標(biāo)機(jī)器人和關(guān)節(jié)型機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)底座。這一部位作為機(jī)器人的第一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。機(jī)器人的其它運(yùn)動(dòng)部件都安裝在底座部位上。機(jī)器人的全部重量由它承擔(dān)。因此，在機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行基本的設(shè)計(jì)時(shí)，以下幾種設(shè)計(jì)原則應(yīng)保持注意：
a.底座應(yīng)具有足夠大的安裝底座表面，以確保運(yùn)行期間的整體安裝穩(wěn)定性。
b機(jī)器人的機(jī)座應(yīng)能承受其全部的重量和負(fù)載，因此底座、腰軸和軸承的結(jié)構(gòu)要具備一定的強(qiáng)度和剛度，來對(duì)它的承載能力做出保證。
c.機(jī)器人的底座是機(jī)器人的第一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，會(huì)給機(jī)器人端的運(yùn)動(dòng)精度帶來最大的影響。必須特別注意設(shè)計(jì)時(shí)的腰部軸系和傳達(dá)鏈條的精度和剛性保證
d.底部發(fā)生的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)應(yīng)該由能夠和它相照應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置來驅(qū)動(dòng)，這裝置包括驅(qū)動(dòng)器(電動(dòng)、液壓、氣動(dòng))和減速器。驅(qū)動(dòng)器一般具備正常速度、位置傳感器和制動(dòng)器。
e.腰部結(jié)構(gòu)應(yīng)易于安裝和調(diào)整。腰部和機(jī)械臂之間的連接必須具有可靠的定位數(shù)據(jù)，以保證各關(guān)節(jié)的相互定位精度。應(yīng)提供調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以調(diào)節(jié)腰軸承間隙和減速器的傳動(dòng)間隙。
f.為減少機(jī)器人可動(dòng)部分的慣性，提高機(jī)器人的控制精度，底部外殼通常用的是小比重的鋁合金類材料，而非運(yùn)動(dòng)部件的底座則采用鑄鐵或鑄鋼材料。
3.2機(jī)械手底座的具體采用方案
底座可以由電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，也可以由液壓缸或氣壓缸擺動(dòng)形式來實(shí)現(xiàn)。目前的趨勢(shì)是使用前者?？紤]到底座是機(jī)器人的第一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對(duì)機(jī)器人的最終精度有很大影響，采用電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)底部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
3.3底座的電動(dòng)機(jī)選擇
設(shè)兩臂及手腕繞各自重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為JG1、JG2、JG3，JG4。根據(jù)平行軸定理可得繞軸0的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
（3.1）（3.2）
m3=0.5kg；；；m0=7kg；
設(shè)輸出軸速度為，所需時(shí)間；
機(jī)座 （3.3）
由于要考慮繞機(jī)器人臂每個(gè)部分的重心軸上的摩擦力矩和慣性矩，因此旋轉(zhuǎn)開始時(shí)的啟動(dòng)力矩可假定為。
電機(jī)功率可按下式估算
（3.4）
其中：Pm為電動(dòng)機(jī)功率W；
MLP為負(fù)載力矩；
為負(fù)載轉(zhuǎn)速；
傳動(dòng)裝置效率為，初定為；
系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取2.5；
（3.5）
博美德；
參數(shù)如下：
表1 電機(jī)參數(shù)
額定功率
額定轉(zhuǎn)矩
額定轉(zhuǎn)速
轉(zhuǎn)子慣量
400w
1.3N.m
3000rpm
0.89X10-4kg.m2
電機(jī)結(jié)構(gòu)外形如圖：
圖4 電機(jī)結(jié)構(gòu)外形圖
3.4底座減速器的選擇
因?yàn)榭偟淖畲筠D(zhuǎn)度要求是。伺服電機(jī)可以在額定的轉(zhuǎn)速下調(diào)節(jié)所需轉(zhuǎn)速，正常運(yùn)行。因此，傳動(dòng)比在最高轉(zhuǎn)速下計(jì)算
（3.6）
選擇用與之配套的減速器 博美德PL80-100型，減速比。
減速器如圖所示：
圖5 減速器圖
參數(shù)如下：
額定輸出扭矩：52～110Nm 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：0.39～0.77Kgcm2/
故障停止扭矩：104～220Nm 滿載效率：90%
額定輸入速度： 工作溫度：-25°～+90°
最大輸入速度： 潤滑方式：合成脂潤滑（長效潤滑）
安裝方式：任意 防護(hù)等級(jí)：IP65
平均壽命：20000h 法蘭精度:DIN 42955-R
輸出軸鍵選用標(biāo)準(zhǔn):圓頭普通平鍵（A型）。
3.5鍵的選擇
鍵的選擇已被標(biāo)準(zhǔn)化。設(shè)計(jì)首先取決于任務(wù)要求和鍵的類型來選擇軸直徑，然后檢查鍵強(qiáng)度的類型和尺寸。鍵的材料為拉伸強(qiáng)度的鋼，通常用符合標(biāo)準(zhǔn)的鋼。本設(shè)計(jì)中的鍵均為減速器中的自帶鍵，即普通圓頭型。
驗(yàn)證電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
（3.7）
電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量為
所以選取的合適 （3.8）
在對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行確定之后，就要開始確定出軸的具體尺寸：
實(shí)心軸的材料由鋼制成的，并且查表明白該軸的容許扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力是，由可允許的應(yīng)力來確定的系數(shù)。
此軸傳遞扭矩T1=15N.m n1=30r/min P1=400w
（3.9）
因此與電機(jī)相連接的軸的直徑必需大于
4弧焊機(jī)械手大、小臂的設(shè)計(jì)
機(jī)器人臂的功能是實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人工作區(qū)中的相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)要具有一定的負(fù)載和一定的速度。在設(shè)計(jì)機(jī)器人手臂，以下原則應(yīng)為：
a.機(jī)器人手臂的各個(gè)關(guān)節(jié)軸應(yīng)要使其盡可能的彼此平行,軸應(yīng)盡可能垂直的相交在一點(diǎn),這樣可以簡化機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的正向、反向操作,以便于機(jī)器人的控制。
b.機(jī)器人手臂的尺寸要做到盡可能的大,以此來滿足機(jī)器人工作空間方面的需要。工作空間的形狀、大小與機(jī)器人手臂的長度和手臂關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)類別之間有著密切的聯(lián)系。然而,機(jī)器人手腕的空間姿態(tài)要求并未被機(jī)器人手臂末端的工作空間考慮進(jìn)去。若是對(duì)機(jī)器人腕部的空間姿態(tài)提出合理的要求,那么在不對(duì)腕部姿態(tài)產(chǎn)生考慮的情況下,機(jī)器人手臂末端可實(shí)現(xiàn)的范圍小于工作空間。
c.為了進(jìn)一步提高速度和控制所述機(jī)器人的準(zhǔn)確度，臂的結(jié)構(gòu)和材料重量應(yīng)該在臂具有足夠的強(qiáng)度和剛性的情況下能夠盡可能降低。盡量選用輕質(zhì)高強(qiáng)度材料，一般選用高強(qiáng)度鋁合金制造機(jī)械臂。目前，用復(fù)合材料制造機(jī)器人手臂方法正在國外被試用。例如碳纖維復(fù)合材料，因?yàn)槠渚哂休^高的拉伸強(qiáng)度、優(yōu)異的抗振性能和較小的比重（其比重相當(dāng)于鋼的1/4或鋁合金的2/3）。但其價(jià)格昂貴，在性能穩(wěn)定性和加工復(fù)雜形狀工件的過程中仍然存在著一些問題。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中并沒有獲得推廣應(yīng)
用。目前比較有效的方法是采用有限元法對(duì)機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在所需的強(qiáng)度和剛度條件下，減小了機(jī)器人手臂的重量。
d.與關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸相比,機(jī)器人的手臂在應(yīng)重量上保持平衡,這對(duì)減少氣缸負(fù)載和提高機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度有很大的積極作用。在設(shè)計(jì)機(jī)械臂時(shí),應(yīng)盡量利用安裝在機(jī)械臂上的機(jī)電元件和裝置的重量,以減輕機(jī)械臂的不平衡重量,必要時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)平衡機(jī)構(gòu),調(diào)整機(jī)械臂的殘余不平衡重量來保持平衡。
e.機(jī)器人手臂處的結(jié)構(gòu)應(yīng)要考慮到機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)處的限位開關(guān),和能夠減緩一定沖擊力的機(jī)械限位塊,以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置等部件的裝配。
4.1設(shè)計(jì)具體采用方案
由于機(jī)械手的大臂和小臂進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是一致的?？紤]到機(jī)械手的動(dòng)態(tài)性能及其運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和安全性，因此通過電機(jī)和諧波減速器的匹配來調(diào)整兩臂。
4.2大臂的電動(dòng)機(jī)選擇
設(shè)兩手臂及其手腕繞各自的重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為，根據(jù)平行軸定理可得出繞軸0的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
（4.1） （4.2）
m3=0.5kg；；
設(shè)輸出軸速度為，所需時(shí)間；
大臂 （4.3）
因要考慮到繞機(jī)器人手臂的各個(gè)部位的重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則其開始旋轉(zhuǎn)時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以假定為。
電機(jī)功率可按下式估算
（4.4）
其中：Pm為電動(dòng)機(jī)功率W；
MLP為負(fù)載力矩；
為負(fù)載轉(zhuǎn)速；
傳動(dòng)裝置效率為，初定為0.9；
系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取2；
（4.5）
博美德；
參數(shù)如下：
表2 電機(jī)參數(shù)
額定功率
額定轉(zhuǎn)矩
額定轉(zhuǎn)速
轉(zhuǎn)子慣量
400w
1.3N.m
3000rpm
0.89X10-4kg.m2
電機(jī)結(jié)構(gòu)外形如圖：
圖6 電機(jī)結(jié)構(gòu)外形圖
4.3大臂減速器的相關(guān)計(jì)算
因?yàn)樗淖畲筠D(zhuǎn)度要求是。在額定轉(zhuǎn)速以下的伺服電機(jī)可以調(diào)整到所要轉(zhuǎn)速，并能正常運(yùn)行。因此，以最高轉(zhuǎn)速計(jì)算傳動(dòng)比。
（4.6）
選用與之匹配的減速器 博美德PL80-80型，減速比為。
電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
（4.7）
電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量為
所以選取合適 （4.8）
在對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量做出選擇之后，就要對(duì)軸的具體尺寸進(jìn)行確定：
實(shí)心軸的材料通常選用鋼。查表可以發(fā)現(xiàn)，在軸的容許扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力被選擇為30MPa，和由可允許的應(yīng)力來確定的系數(shù)。
此軸傳遞扭矩T1=13N.m，n1=30r/min，P1=400w
（4.9）
因此該處和電機(jī)相連接部位的軸的直徑必得大于。
4.4小臂電動(dòng)機(jī)的選擇
（4.10） （4.11）
m3=0.5kg；；
設(shè)輸出軸速度為，所需時(shí)間；
小臂 （4.12）
考慮到機(jī)器人手臂各部分重心軸周圍的摩擦力矩和慣性矩，可以假定啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)的啟動(dòng)力矩為。
電機(jī)功率可按下式估算
（4.13）
其中：Pm為電動(dòng)機(jī)功率W；
MLP為負(fù)載力矩；
為負(fù)載轉(zhuǎn)速；
傳動(dòng)裝置的效率為，初定為0.9；
系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取2.5；
（4.14）
博美德；
參數(shù)如下：
表3 電機(jī)參數(shù)
額定功率
額定轉(zhuǎn)矩
額定轉(zhuǎn)速
轉(zhuǎn)子慣量
30w
0.0625N.m
4000rpm
0.024X10-4kg.m2
圖7 電機(jī)外形圖
4.5小臂減速器的相關(guān)計(jì)算
因?yàn)樗淖畲笏俣纫笫?。伺服電機(jī)可以將其調(diào)整到正常工作情況下的所需轉(zhuǎn)速。因此，按最高的轉(zhuǎn)速來計(jì)算傳動(dòng)比。
（4.15）
減速器可選擇與之配套的 博美德 PL40-200 型，減速比。
減速器如圖所示：
圖8 減速器圖
參數(shù)如下：
額定輸出扭矩：7.2～15.5Nm 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：0.016～0.029Kgcm2/
故障停止扭矩：15～31Nm 滿載效率：90%
額定輸入速度：4500min-1/ 工作溫度：-25°～+90°
最大輸入速度：10000min-1/ 潤滑方式：合成脂潤滑（長效潤滑）
安裝方式：任意 防護(hù)等級(jí)：IP65
平均壽命：20000h 法蘭精度:DIN 42955-R
重量：0.6Kg 減速機(jī)符合 JB1799-76 標(biāo)準(zhǔn)
輸出軸鍵的標(biāo)準(zhǔn):圓頭普通平鍵。
鍵的選擇已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)之時(shí)須要先依據(jù)工作要求與軸徑上的鍵的形狀以及尺寸來確定鍵，然后再對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核，鍵的材質(zhì)按照標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)定選用抗拉強(qiáng)度的鋼，即，常用的鋼。
在本次設(shè)計(jì)中的鍵都是減速器上自帶的鍵，即普通圓頭A型。
驗(yàn)證電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
（4.16）
電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量為
所以選取合適 （4.17）
在選擇出了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之后，就要對(duì)軸的詳細(xì)尺寸進(jìn)行確定：
此軸傳遞扭矩T1=2N.m，n1=20r/min，P1=30w
（4.18）
所以和電機(jī)處相連接的軸的直徑必須大于。
5弧焊機(jī)械手手腕的設(shè)計(jì)
5.1腕部電動(dòng)機(jī)的選擇
（5.1）
（5.2）
m3=0.5kg
設(shè)輸出軸速度為，所需時(shí)間；
腕部 （5.3）
若顧及繞機(jī)械手臂的各個(gè)部位的重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為。
電機(jī)功率可按下式估算
（5.4）
其中：Pm為電動(dòng)機(jī)功率W；
MLP為負(fù)載力矩；
為負(fù)載轉(zhuǎn)速；
傳動(dòng)裝置效率為，初定為；
系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取2.5；
（5.5）
博美德 PL40-200/SM42-001-40DCB；參數(shù)同上
5.2腕部減速器的相關(guān)計(jì)算
由于它的最高速度要求。伺服馬達(dá)可以調(diào)整所需的速度和在所述額定轉(zhuǎn)速下正常工作。因此，傳動(dòng)比用最高速度計(jì)算。
（5.6）
選擇用與之相配的博美德 PL40-200 型減速器，減速比 200。
驗(yàn)證電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
（5.7）
電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量為
所以選取合適 （5.8）
在定下了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之后，就要針對(duì)軸的詳細(xì)尺寸來確定：
此軸傳遞扭矩T1=1N.m，n1=20r/min，P1=30w
（5.9）
因此與電機(jī)相連接的軸的直徑大小必需大于
6弧焊機(jī)械手末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)
6.1機(jī)械手末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)要求
機(jī)器人是一種自動(dòng)化作業(yè)裝備，它具有很強(qiáng)的通用性，機(jī)器人的手部是直接進(jìn)行工作任務(wù)的一種裝置，被稱之為末端執(zhí)行器。大多數(shù)末端執(zhí)行器都是根據(jù)不同的任務(wù)要求來進(jìn)行設(shè)計(jì)它的結(jié)構(gòu)和尺寸的，因而形成的結(jié)構(gòu)型式也是多種多樣的。根據(jù)它接觸物件的不同種形式來看，它的手部主要有兩種結(jié)構(gòu)類型：夾持型和吸附型。在這里我選用的手部類型為夾持型。該類型的手指是與物體直接接觸的部件，通常用于兩種手指運(yùn)動(dòng)，即回轉(zhuǎn)和平移兩種形式?；剞D(zhuǎn)型的手指的結(jié)構(gòu)形式相對(duì)來說較為簡單，部件的制造也相對(duì)容易，因此被應(yīng)用得很廣泛。相較之下，平移類型很少被使用，其原因便在于它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。然而，當(dāng)平移式手指抓取圓形部件時(shí)，其軸心的位置不會(huì)因?yàn)楣ぜ睆阶兓a(chǎn)生影響，因此適用于抓取直徑變化范圍較大的工件。
設(shè)計(jì)時(shí)的要求:
1） 末端執(zhí)行器要具備一定的夾持位置精度和充足的夾持力，這樣才易于滿足作業(yè)的需求。
2） 為了減輕手臂的負(fù)荷，末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)要盡可能的簡單化，質(zhì)量要輕。專用的末端執(zhí)行器，它不僅僅結(jié)構(gòu)簡單，它的工作效率也比較高；而可以完成多種作業(yè)任務(wù)的末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)方面會(huì)很復(fù)雜，同時(shí)它的費(fèi)用也會(huì)很高，所以建議設(shè)計(jì)可被快速更換的系列化、通用化的專用末端執(zhí)行器。
??此次設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是四自由度的弧焊機(jī)器人，因此它的末端執(zhí)行元件是焊槍，但隨著氣保焊的廣泛運(yùn)用，氣體保護(hù)焊更加易于使自動(dòng)化得到實(shí)現(xiàn)，因此在這次設(shè)計(jì)中我選擇使用的是氣體保護(hù)焊，用末端法蘭盤將其固定在手腕的末端。具體的選用原則如下所述:
6.1.1送絲機(jī)的選擇
按安裝方式可以將弧焊機(jī)器人裝備的送絲機(jī)分為兩種兩種類型。
一種方式是在機(jī)器人上臂的后部上面安裝送絲機(jī)使之與機(jī)器人組成一體;另一種方式是將送絲機(jī)獨(dú)立于機(jī)器人之外安裝。一體式的送絲機(jī)比之分離式到焊槍的距離要短，連接著送絲機(jī)和焊槍間的軟管也比較短,所以一體式送絲機(jī)的送絲阻力比分離式的小。從送絲穩(wěn)定性的角度上看,一體式相比分離式要好些。目前,弧焊機(jī)器人的送絲機(jī)采用一體式的安裝方式已越來越多了,但對(duì)要在焊接過程中進(jìn)行自動(dòng)更換焊槍(變換焊絲直徑或種類)的機(jī)器人,必須選用分離式送絲機(jī)。
??送絲機(jī)中的結(jié)構(gòu)有兩個(gè)送絲輥輪的，也有兩對(duì)輥輪的：有一對(duì)或兩對(duì)輥輪被一個(gè)電機(jī)所驅(qū)動(dòng)的，也有用兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩對(duì)輥輪的。從送絲力的方面來看，兩對(duì)輥輪的送絲力相較于一對(duì)輥輪的的來說是要大些。當(dāng)采用藥芯焊絲的時(shí)后，由于藥芯焊絲的質(zhì)量較軟，對(duì)其不能象用實(shí)心焊絲時(shí)那樣使用那么大輥輪的壓緊力，為了保證有足夠的送絲推力，選用兩對(duì)輥輪的送絲機(jī)可以有更好的效果。對(duì)于送絲機(jī)與機(jī)器人連
成一體的安裝方式，雖然送絲的軟管比較短，但有的時(shí)候?yàn)榱俗寭Q焊絲盤變方便，而在機(jī)器人的安全圍欄之外放置焊絲盤或焊絲桶，這就需要送絲機(jī)有足夠的拉力把焊絲通過較長的導(dǎo)絲管從焊絲盤(桶)中拉過來，再經(jīng)過軟管推向焊槍。開環(huán)和閉環(huán)是送絲機(jī)的兩種送絲速度控制方法。在目前，大部分送絲機(jī)仍采用開環(huán)的控制方法。
對(duì)于脈沖TIG焊這種填絲的來說，可以選擇使用能夠持續(xù)送絲的送絲機(jī)，也可以選用能與焊接脈沖電流保持一致的脈動(dòng)送絲機(jī)。脈動(dòng)焊絲送進(jìn)器的脈動(dòng)頻率可以由電源來控制，并且在每一步送出的線的長度可以任意調(diào)節(jié)。脈動(dòng)送絲機(jī)也可以連續(xù)送絲。因此，近期的脈沖TIG焊接機(jī)器人用脈動(dòng)焊絲送進(jìn)器的填充情況逐漸增加。
6.1.2送絲軟管的選擇和保持送絲穩(wěn)定的措施
目前，軟管都是采用將送絲、導(dǎo)電、氣體傳輸和輸送冷卻水等做成一個(gè)整體的方式。軟管的中心是一個(gè)焊絲進(jìn)給線，其也作為保護(hù)氣體，并且導(dǎo)電芯在外面卷繞。一些電纜也夾在兩個(gè)管道之間，用于冷卻水循環(huán)，并且最外面的面包涂覆有絕緣橡膠層。當(dāng)輸送鋼焊絲時(shí)，一般采用鋼彈簧管。焊絲直徑因要比導(dǎo)絲管的內(nèi)徑小1nm左右。究其原因，電弧焊接機(jī)器人送絲的不穩(wěn)定性還是該軟管的阻力過大。一方面有可能是選擇出的的導(dǎo)絲管的內(nèi)徑不能和焊絲的直徑相配合:另一方面可能是由于導(dǎo)絲管內(nèi)儲(chǔ)蓄的由焊絲的表面剝落下來的銅末或者鋼末過多所釀成的。因此弧焊機(jī)器人的焊絲應(yīng)該選擇那些優(yōu)質(zhì)的、鍍銅層比較穩(wěn)固的，與此同時(shí)還要調(diào)節(jié)好送絲輥輪的壓緊力，盡量避免焊絲表面的鍍銅層的剝落，而且一個(gè)月要定期的清洗一次導(dǎo)絲管。如若能夠選擇使用不銹鋼制成的導(dǎo)絲管會(huì)更好，由于奧氏體不銹鋼沒有磁性所以它不會(huì)吸住產(chǎn)生的鋼末,不止是易于清理，而且還不容易造成導(dǎo)絲管的堵塞。在編程的時(shí)候，必須要隨時(shí)注意調(diào)整焊槍和機(jī)器人的姿態(tài)，盡最大的可能來減少軟管的彎曲程度。
6.1.3焊槍的選擇
大多數(shù)在弧焊接機(jī)器人中使用的焊槍基本上是相同的,如手動(dòng)半自動(dòng)焊中使用的鵝頸焊槍。鵝頸管的彎曲角度一般小于45°。鵝頸管可以以不同的角度按照改善焊炬的可接近工件的特性來選擇。然而,如果鵝頸角過大時(shí),送絲電阻會(huì)增加,該焊絲進(jìn)給速度容易變得不穩(wěn)定,并且該角度過小,例如0°。一旦導(dǎo)電尖端被輕微磨損,常發(fā)生導(dǎo)電不良。應(yīng)當(dāng)指出的是,具有不同彎曲角度更換鵝頸管的焊炬時(shí),機(jī)器人的TCP(工具中心點(diǎn))必須相應(yīng)地調(diào)整,否則移動(dòng)軌跡和焊槍的姿勢(shì)會(huì)發(fā)生變化。近來為了
能夠讓送絲速度的穩(wěn)定性得到提高。特意增加一個(gè)拉絲機(jī)構(gòu)使它裝在焊槍上，由小型伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)該機(jī)構(gòu),使得一個(gè)一推一拉的送絲系統(tǒng)在送絲機(jī)和焊槍的拉絲機(jī)間產(chǎn)生。對(duì)于這種推拉送絲的系統(tǒng)必須調(diào)節(jié)好兩個(gè)電機(jī)間的轉(zhuǎn)速,調(diào)理好送絲機(jī)和焊槍上的各對(duì)送絲輥輪間的壓緊力,完成以送絲機(jī)為主的推絲作用、焊槍的拉絲為輔。這樣,就算兩個(gè)電機(jī)由于某些原因使得它的速度不能匹配起來,焊槍上的送絲輥輪也能夠因?yàn)榘l(fā)生打滑,而不至于使得焊絲的表面受到損壞或使焊絲從輥輪間擠出來,造成焊接過程的中止。
6.1.4防撞傳感器
對(duì)于弧焊機(jī)器人來說，除了要選好焊槍以外，還必須要在機(jī)械手的焊槍裝備架上配備有防撞傳感器。防撞傳感器起的作用是，當(dāng)機(jī)器人開始有所運(yùn)動(dòng)時(shí)，若是一個(gè)不小心焊槍碰到了障礙物，它也能夠立即使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)停止下來(相當(dāng)于急停開關(guān)),對(duì)焊槍或機(jī)器人不造成或造成極小的損壞。如果沒有安裝防撞傳感器或傳感器不夠靈敏，一旦焊槍和工件發(fā)生輕度碰撞，焊槍可能被碰歪,若這時(shí)操作者沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)這一點(diǎn)問題，由于TCP開始發(fā)生變化，隨后焊接的路徑也將會(huì)有較大的變化產(chǎn)生，從而會(huì)焊出廢品。因此，防撞傳感器都要在TIG焊炬和MG/MAG焊槍的把持架上裝備起來。
結(jié)論
這次課題設(shè)計(jì)的弧焊機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。多關(guān)節(jié)型機(jī)器人使用。機(jī)器人的各個(gè)制動(dòng)元件可以具體分為：底座，大臂，小臂，手腕等，以及通過法蘭盤連接在手腕上的焊槍。在課題的設(shè)計(jì)的全部話題的討論，論文的準(zhǔn)備和論文的審查過程，我學(xué)到了很多新知識(shí)，對(duì)它有一定的了解。同時(shí)，我也發(fā)現(xiàn)了不少問題。
在本次課題設(shè)計(jì)中該機(jī)械手擁有的自由度數(shù)量為4，即四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。故此該機(jī)械手在任務(wù)中須要做出四種運(yùn)動(dòng),即底座腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、大臂處的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、小臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及手腕部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。特此采納了關(guān)節(jié)型機(jī)械手設(shè)計(jì)，因其具備較為簡單的結(jié)構(gòu),手臂運(yùn)動(dòng)空間大,并且擁有定位準(zhǔn)確度較高等特點(diǎn)。
考慮到在此次課題設(shè)計(jì)中底部底座作為機(jī)械手的第一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對(duì)機(jī)械手的最終的精度有著很大的影響，所以通過運(yùn)用伺服電機(jī)與諧波減速器相互結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)底座的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
弧焊機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)著重于大臂及小臂的設(shè)計(jì)。手臂和手腕是在機(jī)器人操作器中的基本組件。它是由往復(fù)運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)的。結(jié)構(gòu)和形狀是多種多樣的。然而，大多數(shù)機(jī)械手的手臂和手腕空間機(jī)制都包含接頭和桿，通常有3-10個(gè)自由度，和工業(yè)機(jī)器人通常具有3-6個(gè)自由度。由于在手臂和腕關(guān)節(jié)上機(jī)器人是具有多個(gè)自由度的，使得其可以通用和靈活操作運(yùn)動(dòng)，這是它和一般自動(dòng)機(jī)之間的差異。
這次所做的畢業(yè)設(shè)計(jì)可以說是我們?cè)趯W(xué)校所上的最后一堂課了。它讓我們將平時(shí)所學(xué)的東西都有所結(jié)合，為我們提前做好了進(jìn)入工作的準(zhǔn)備。它也讓我們探詢了更多的、有趣的知識(shí)
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致謝
將近四個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)馬上就要結(jié)束了.經(jīng)過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我從中學(xué)到了很多書本上學(xué)不到的東西，這次使我受益匪淺.
我這次所設(shè)計(jì)的題目是弧焊機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中涉及到很多其他專業(yè)方面的知識(shí).在以前的設(shè)計(jì)中，如機(jī)械制圖，機(jī)械設(shè)計(jì)，機(jī)電傳動(dòng)等，在各位老師的細(xì)心指導(dǎo)下，我們學(xué)到了不少的專業(yè)知識(shí)，為我這次畢業(yè)設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ).但是這次畢業(yè)設(shè)計(jì)與以往的課設(shè)有所不同，它將以前我們學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)匯總起來的一次綜合運(yùn)用這為我們走向工作崗位打好了基礎(chǔ)，積累了不少實(shí)際經(jīng)驗(yàn).
在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，非常感謝輔導(dǎo)老師的幫助，也非常感謝那些給我提出了寶貴的意見和建議同學(xué)，在我無頭緒時(shí)給我的幫助，特此表達(dá)感謝。
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