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畢業(yè)設(shè)計(jì)工作手冊(cè)
———焊接機(jī)器人
學(xué)校：長(zhǎng)春理工大學(xué)
學(xué)院：機(jī)電工程學(xué)院
班級(jí)學(xué)號(hào)：0703212 19
學(xué)生姓名：劉繼彬
指導(dǎo)教師：吳曉敏
《開(kāi)題報(bào)告》
1. 本課題研究的目的、意義
2. 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
3. 擬采取的研究路線
4. 進(jìn)度安排
5. 文獻(xiàn)綜述（2000字以上，列出主要參考文獻(xiàn)）
6. 外文文獻(xiàn)翻譯（標(biāo)注出原文出處，譯文4000漢字以上）
1、 本課題研究的目的、意義
眾所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技能、豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、穩(wěn)定的焊接水平；另一方面，焊接又是一種勞動(dòng)條件差、煙塵多、熱輻射大、危險(xiǎn)性高的工作。隨著科技的發(fā)展和工業(yè)需求的增加，焊接技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中所占據(jù)的分量越來(lái)越大，而且焊接技術(shù)的優(yōu)良程度直接影響著零件或產(chǎn)品的質(zhì)量。工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn)使人們自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，減輕焊工的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也可以保證焊接質(zhì)量和提高焊接效率。
本次設(shè)計(jì)為焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)，是本專(zhuān)業(yè)學(xué)生在完成全部課堂教學(xué)之后所進(jìn)行的一項(xiàng)極為重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。旨在通過(guò)具體的工程實(shí)踐進(jìn)一步深入理解掌握和綜合運(yùn)用所學(xué)的專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)，進(jìn)行焊接機(jī)器人的設(shè)計(jì)基本技能的訓(xùn)練，培養(yǎng)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，從而全面實(shí)現(xiàn)本專(zhuān)業(yè)學(xué)生的質(zhì)量管理目標(biāo)。作為個(gè)人，通過(guò)本次設(shè)計(jì)能在了解焊接機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，掌握焊接機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，同時(shí)了解機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)，為工業(yè)上焊接機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供理論參考、設(shè)計(jì)參考和數(shù)據(jù)參考，為工業(yè)設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)實(shí)踐的參考。在指導(dǎo)老師的幫助下能夠設(shè)計(jì)出具有剛性好，位置精度高、運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)的焊接機(jī)器人。
二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
從機(jī)器人誕生到本世紀(jì)80年代初，機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期緩慢的發(fā)展過(guò)程。到了90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不斷提高，而機(jī)器人的制造成本和價(jià)格卻不斷下降。在西方社會(huì)，和機(jī)器人價(jià)格相反的是，人的勞動(dòng)力成本有不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在西方國(guó)家，由于勞動(dòng)力成本的提高為企業(yè)帶來(lái)了不小的壓力，而機(jī)器人價(jià)格指數(shù)的降低又恰巧為其進(jìn)一步推廣應(yīng)用帶來(lái)了契機(jī)。減少員工與增加機(jī)器人的設(shè)備投資，在兩者費(fèi)用達(dá)到某一平衡點(diǎn)的時(shí)候，采用機(jī)器人的利顯然要比采用人工所帶來(lái)的利大，它一方面可大大提高生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化水平，從而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，同時(shí)又可提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量，提高企業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力。雖然機(jī)器人一次性投資比較大，但它的日常維護(hù)和消耗相對(duì)于它的產(chǎn)出遠(yuǎn)比完成同樣任務(wù)所消耗的人工費(fèi)用小。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本還會(huì)大大降低。而機(jī)器人價(jià)格的降低使一些中小企業(yè)投資購(gòu)買(mǎi)機(jī)器人變得輕而易舉。因此，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用在各行各業(yè)得到飛速發(fā)展。根據(jù)UNECE的統(tǒng)計(jì)，2001年全世界有75萬(wàn)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人用于工業(yè)制造領(lǐng)域，其中38.9萬(wàn)在日本、19.8萬(wàn)在歐盟、9萬(wàn)在北美，7.3萬(wàn)在其余國(guó)家。至2004年底全世界在役的工業(yè)機(jī)器人至少有約100萬(wàn)。我國(guó)機(jī)器人發(fā)展迅猛，從國(guó)家863計(jì)劃實(shí)施之初到現(xiàn)在一直將機(jī)器人技術(shù)列為重點(diǎn)支持方向。國(guó)家863計(jì)劃?rùn)C(jī)器人技術(shù)主題重點(diǎn)支持?jǐn)?shù)控、工程機(jī)械、盾構(gòu)、生產(chǎn)線、水下載人潛器、危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人和仿人仿生機(jī)器人等。目前光我國(guó)從事機(jī)器人的研發(fā)單位就有200多家，專(zhuān)業(yè)從事機(jī)器人產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)的則達(dá)50家以上。一批企業(yè)逐步發(fā)展壯大。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界在役的工業(yè)機(jī)器人中大約有將近一半的工業(yè)機(jī)器人用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域。 焊接機(jī)器人具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、改善工人勞動(dòng)條件、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、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)。日本裝備的工業(yè)機(jī)器人總量達(dá)到了50萬(wàn)臺(tái)以上，成為“機(jī)器人王國(guó)”，其次是美國(guó)和德國(guó)；在亞洲，日本、韓國(guó)和新加坡的制造業(yè)中每萬(wàn)名雇員占有的工業(yè)機(jī)器人數(shù)量居世界前三位。近幾年，全球機(jī)器人的數(shù)量在迅速增加。 我國(guó)自上個(gè)世紀(jì)70年代末開(kāi)始進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的研究，經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，在技術(shù)和應(yīng)用方面均取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)尤其是制造業(yè)的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，最近幾年我國(guó)工業(yè)機(jī)器人呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)勢(shì)頭，平均每年的增長(zhǎng)率都超過(guò)40%,焊接機(jī)器人的增長(zhǎng)率超過(guò)了60%。但這樣的增長(zhǎng)速度相對(duì)于我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度以及經(jīng)濟(jì)總量來(lái)說(shuō)顯然是不匹配的，這說(shuō)明我國(guó)制造業(yè)的自動(dòng)化程度有待進(jìn)一步提高，另一方面也反映了我國(guó)勞動(dòng)力成本的低廉，制造業(yè)自動(dòng)化水平以及工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用程度的提高受到限制。當(dāng)前焊接機(jī)器人的應(yīng)用迎來(lái)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)器人的價(jià)格不斷下降，性能不斷提升；另一方面，勞動(dòng)力成本不斷上升，我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，需要提升加工手段，提高產(chǎn)品質(zhì)量和增加企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，這一切預(yù)示著機(jī)器人應(yīng)用及發(fā)展前景空間巨大。
從目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來(lái)看，焊接機(jī)器人技術(shù)的研究十分活躍，焊接機(jī)器人技術(shù)研究主要集中在焊縫跟蹤技術(shù)、離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)、多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)、專(zhuān)用弧焊電源技術(shù)、焊接機(jī)器人系統(tǒng)仿真技術(shù)、機(jī)器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術(shù)等七個(gè)方面。
焊接機(jī)器人主要包括機(jī)器人和焊接設(shè)備兩部分。機(jī)器人由機(jī)器人本體和控制柜（硬件及軟件）組成。而焊接裝備，以弧焊及點(diǎn)焊為例，則由焊接電源，（包括其控制系統(tǒng)）、送絲機(jī)（弧焊）、焊槍?zhuān)ㄣQ）等部分組成。對(duì)于智能機(jī)器人還應(yīng)有傳感系統(tǒng)，如激光或攝像傳感器及其控制裝置等。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究、發(fā)展與應(yīng)用，有力地推動(dòng)了世界工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步。特別是焊接機(jī)器人在高質(zhì)高效的焊接生產(chǎn)中，發(fā)揮了極其重要的作用。隨著我國(guó)加入WTO后國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)更加激烈，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求會(huì)越來(lái)越大，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將面臨新的發(fā)展機(jī)遇和來(lái)自國(guó)外的挑戰(zhàn)，我們要把握這一機(jī)遇，迎接挑戰(zhàn)，為我國(guó)躋身于機(jī)器人強(qiáng)國(guó)之列而努力奮斗。
新中國(guó)成立后，經(jīng)過(guò)50年的艱苦努力，中國(guó)焊接生產(chǎn)機(jī)械化自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展應(yīng)用，取得了很大的成就，焊接生產(chǎn)過(guò)程機(jī)械化與自動(dòng)化程度已達(dá)到20%。在以焊接技術(shù)為主導(dǎo)制造工藝技術(shù)的大中型骨干企業(yè)，焊接生產(chǎn)過(guò)程綜合機(jī)械化與自動(dòng)化程度已達(dá)到40%～45%。在機(jī)床、鍋爐、汽車(chē)、化工機(jī)械、工程機(jī)械和重型機(jī)械等國(guó)家重點(diǎn)骨干企業(yè)，通過(guò)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)及相應(yīng)配套的自動(dòng)化焊機(jī)、成套焊接設(shè)備、焊接生產(chǎn)線和柔性制造系統(tǒng)，使焊接生產(chǎn)機(jī)械化與自動(dòng)化技術(shù)達(dá)到了國(guó)際90年代初的先進(jìn)水平，進(jìn)入世界先進(jìn)之列。
3、 文獻(xiàn)綜述
焊接機(jī)器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機(jī)器人。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）工業(yè)機(jī)器人術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)的定義，工業(yè)機(jī)器人是一種多用途的、可重復(fù)編程的自動(dòng)控制操作機(jī)（Manipulator），具有三個(gè)或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。為了適應(yīng)不同的用途，機(jī)器人最后一個(gè)軸的機(jī)械接口，通常是一個(gè)連接法蘭，可接裝不同工具或稱(chēng)末端執(zhí)行器。焊接機(jī)器人就是在工業(yè)機(jī)器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進(jìn)行焊接，切割或熱噴涂。
世界各國(guó)生產(chǎn)的焊接用機(jī)器人基本上都屬關(guān)節(jié)式機(jī)器人，絕大部分有6個(gè)軸。其中，1、2、3軸可將末端工具送到不同的空間位置，而4、5、6軸解決工具姿態(tài)的不同要求。焊接機(jī)器人本體的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有兩種形式：一種為平行四邊形結(jié)構(gòu)，一種為側(cè)置式（擺式）結(jié)構(gòu)，如圖2a、b所示。側(cè)置式（擺式）結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是上、下臂的活動(dòng)范圍大，使機(jī)器人的工作空間幾乎能達(dá)一個(gè)球體。因此，這種機(jī)器人可倒掛在機(jī)架上工作，以節(jié)省占地面積，方便地面物件的流動(dòng)。但是這種側(cè)置式機(jī)器人，2、3軸為懸臂結(jié)構(gòu)，降低機(jī)器人的剛度，一般適用于負(fù)載較小的機(jī)器人，用于電弧焊、切割或噴涂。平行四邊形機(jī)器人其上臂是通過(guò)一根拉桿驅(qū)動(dòng)的。拉桿與下臂組成一個(gè)平行四邊形的兩條邊。故而得名。早期開(kāi)發(fā)的平行四邊形機(jī)器人工作空間比較?。ň窒抻跈C(jī)器人的前部），難以倒掛工作。但80年代后期以來(lái)開(kāi)發(fā)的新型平行四邊形機(jī)器人，已能把工作空間擴(kuò)大到機(jī)器人的頂部、背部及底部，又沒(méi)有測(cè)置式機(jī)器人的剛度問(wèn)題，從而得到普遍的重視。這種結(jié)構(gòu)不僅適合于輕型也適合于重型機(jī)器人。近年來(lái)點(diǎn)焊用機(jī)器人（負(fù)載100～150kg）大多選用平行四邊形結(jié)構(gòu)形式的機(jī)器人。
上述兩種機(jī)器人各個(gè)軸都是作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，故采用伺取電機(jī)通過(guò)擺線針輪（RV）減速器（1～3軸）及諧波減速器（1～6軸）驅(qū)動(dòng)。在80年代中期以前，對(duì)于電驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人都是用直流伺服電機(jī)，而80年代后期以來(lái)，各國(guó)先后改用交流伺服電機(jī)。由于交流電機(jī)沒(méi)有碳刷，動(dòng)特性好，使新型機(jī)器人不僅事故率低，而且免維修時(shí)間大為增長(zhǎng)，加（減）速度也快。一些負(fù)載16kg以下的新的輕型機(jī)器人其工具中心點(diǎn)（TCP）的最高運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)3m/s以上，定位準(zhǔn)確，振動(dòng)小。同時(shí)，機(jī)器人的控制柜也改用32位的微機(jī)和新的算法，使之具有自行優(yōu)化路徑的功能，運(yùn)行軌跡更加貼近示教的軌跡
中國(guó)在60年代初期開(kāi)始發(fā)展焊接生產(chǎn)線，例如哈爾濱鍋爐廠、沈陽(yáng)變壓器廠等相繼建立了鍋爐蛇形管、變壓器散熱器管焊接件的自動(dòng)生產(chǎn)線，取得了顯著的成績(jī)。70年代焊接生產(chǎn)線機(jī)械化自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展較快，到70年代末，相當(dāng)多的批量較大的焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)，都程度不等地發(fā)展應(yīng)用了各種類(lèi)型的焊接生產(chǎn)線技術(shù)。
由于自動(dòng)控制系統(tǒng)、可編程序控制器、微處理機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等在焊接生產(chǎn)中的應(yīng)用，80年代以后，中國(guó)發(fā)展了采用焊接方法的自動(dòng)控制、焊接過(guò)程的自動(dòng)控制，用自動(dòng)傳送裝置、專(zhuān)用焊接設(shè)備及電控部分等組成的焊接中心和焊接生產(chǎn)自動(dòng)線，較廣泛地應(yīng)用在汽車(chē)、船舶、核能、電站、鍋爐、礦山機(jī)械等行業(yè)中，不斷提高焊接生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。 80年代中期以后，汽車(chē)、摩托車(chē)等行業(yè)發(fā)展焊接生產(chǎn)線上應(yīng)用機(jī)器人焊接技術(shù)突出，在中國(guó)現(xiàn)代的工廠里可以看到那一排排焊接機(jī)器人正在揮舞著鋼鐵的臂膀認(rèn)真操作的場(chǎng)景。
進(jìn)入90年代后，中國(guó)焊接界把實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)機(jī)械化、自動(dòng)化作為戰(zhàn)略目標(biāo)，已在各行業(yè)的科技發(fā)展規(guī)劃中付諸實(shí)施。大力發(fā)展焊接生產(chǎn)自動(dòng)化和過(guò)程控制智能化技術(shù)，發(fā)展焊接生產(chǎn)線和柔性制造技術(shù)，發(fā)展應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技術(shù)等。
我國(guó)制造業(yè)中焊接機(jī)器人的應(yīng)用主要是在20世紀(jì)90年代以后(個(gè)別企業(yè)在80年代中期)，經(jīng)歷了摸索階段，近5年來(lái)焊接機(jī)器人的數(shù)量增加很快，特別是在汽車(chē)制造業(yè)。根據(jù)到2001年的統(tǒng)計(jì)，全國(guó)共有各類(lèi)焊接機(jī)器人1040臺(tái)，其中弧焊機(jī)器人多于點(diǎn)焊機(jī)器人，汽車(chē)制造和汽車(chē)零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機(jī)器人占全部焊接機(jī)器人的76％，是我國(guó)焊接機(jī)器人最主要的用戶。汽車(chē)制造廠的點(diǎn)焊機(jī)器人多，弧焊機(jī)器人較少；而零部件廠弧焊機(jī)器人多，點(diǎn)焊機(jī)器人較少。該行業(yè)中點(diǎn)焊與弧焊總的比例約為3：2。其他行業(yè)大都是以弧焊機(jī)器人為主，主要分布在工程機(jī)械(10％)、摩托車(chē)(6％)、鐵路車(chē)輛(4％)、鍋爐(1％)等行業(yè)。焊接機(jī)器人分布在全國(guó)各個(gè)經(jīng)濟(jì)地區(qū)，但主要集中在東部沿海和東北地區(qū)。東部的上海和東北的長(zhǎng)春這兩個(gè)汽車(chē)城是我國(guó)擁有焊接機(jī)器人最多的城市。我國(guó)焊接機(jī)器人的行業(yè)分布不均衡，也不夠廣泛。今后應(yīng)重點(diǎn)放在擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域，使更多行業(yè)用上焊接機(jī)器人。
當(dāng)前世界各國(guó)在發(fā)展工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)方面有三條不同的道路：
(1)機(jī)器人制造廠商以開(kāi)發(fā)新型機(jī)器人和批量生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品為主要目標(biāo)，而各行業(yè)需要的機(jī)器人成套系統(tǒng)，一般由其子公司或社會(huì)上的工程公司來(lái)設(shè)計(jì)制造，并完成交鑰匙工程(暫稱(chēng)為“日本模式”）；
(2)機(jī)器人制造廠商自己既生產(chǎn)機(jī)器人又設(shè)計(jì)制造用戶所需要的系統(tǒng)，完成交鑰匙工程(暫稱(chēng)為“歐洲模式”）；
(3)本國(guó)基本不生產(chǎn)一般工業(yè)機(jī)器人，企業(yè)需要的機(jī)器人系統(tǒng)由工程公司用進(jìn)口的機(jī)器人自行設(shè)計(jì)制造外圍設(shè)備并成套，完成交鑰匙工程(暫稱(chēng)為“美國(guó)模式”)。
目前我國(guó)需要研究我們的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)應(yīng)走什么道路的問(wèn)題。我們認(rèn)為應(yīng)從“美國(guó)模式”著手，在條件成熟后逐步向“日本模式”靠近。可喜的是，我國(guó)已經(jīng)形成一批焊接自動(dòng)化系統(tǒng)集成工程公司，可以完成焊接機(jī)器人工作站的設(shè)計(jì)、設(shè)備集成與技術(shù)咨詢工作?，F(xiàn)在我國(guó)使用的焊接機(jī)器人工作站有近20％是在國(guó)內(nèi)由中國(guó)的工程師采用進(jìn)口的機(jī)器人，配合自行設(shè)計(jì)的外圍設(shè)備而集成的。但是比較復(fù)雜的焊接機(jī)器人生產(chǎn)線或焊接FMS大多還需要全套從國(guó)外進(jìn)口。今后，應(yīng)促使這些工程公司做大做強(qiáng)，政府應(yīng)以政策鼓勵(lì)企業(yè)采用我國(guó)自行成套的焊接機(jī)器人系統(tǒng)，而我國(guó)的工程師應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)和國(guó)外的機(jī)器人廠家和集成公司的合作與技術(shù)交流，使國(guó)內(nèi)應(yīng)用的焊接機(jī)器人系統(tǒng)中自行成套的焊接機(jī)器人工作站迅速增多，促進(jìn)我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的成長(zhǎng)。
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【5】 孟廣喆.國(guó)內(nèi)外焊接技術(shù)發(fā)展情況和對(duì)我國(guó)今后焊接技術(shù)發(fā)展的設(shè)想.第一屆全國(guó)焊接會(huì)議論文集.北京：中國(guó)工業(yè)出版社，1964
【6】國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì).機(jī)械制造學(xué)(熱加工).北京：科學(xué)出版社，1995
【7】 潘際鑾.弧焊過(guò)程控制.第八次全國(guó)焊接會(huì)議論文集.第1冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997【8】 林尚揚(yáng).我國(guó)機(jī)械制造業(yè)中焊接機(jī)器人的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).第八次全國(guó)焊接會(huì)議論文集.第1冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997
【9】張西庚.焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展.第八次全國(guó)焊接會(huì)議論文集.第1冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997
【10】吳林等.我國(guó)焊接行業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì).第八次全國(guó)焊接會(huì)議論文集.第1冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997
【11】濮良貴，紀(jì)明剛.機(jī)械設(shè)計(jì).北京：高等教育出版社，2009
【12】殷際英，何廣平.關(guān)節(jié)型機(jī)器人.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003
【13】郭洪紅.工業(yè)機(jī)器人運(yùn)用技術(shù).北京：科學(xué)出版社，2008
四、擬采取的研究路線
1. 在圖書(shū)館、閱覽室查閱相關(guān)圖書(shū)和文獻(xiàn)資料。
2. 去一汽大眾調(diào)研，寫(xiě)出可行性論證報(bào)告。
3. 進(jìn)行設(shè)計(jì)所用的方案論證。
4. 利用所選方案進(jìn)行焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
5. 進(jìn)行各零件的強(qiáng)度分析。
五、進(jìn)度安排
序號(hào)
周 數(shù)
工 作 內(nèi) 容
1
第1周
撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告
2
第2~3周
調(diào)研及翻譯
3
第4~5周
方案論證
4
第6~7周
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5
第8~12周
繪制零件圖及裝配圖
6
第13周
可行性檢查
7
第14周
整理畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
8
第15周
打印上交所有材料
9
第 16周
準(zhǔn)備答辯
六、外文文獻(xiàn)翻譯（標(biāo)注出原文出處，譯文4000漢字以上）
7
長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
隨著科技的發(fā)展和工業(yè)需求的增加，焊接技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中所占據(jù)的分量越來(lái)越大，而且焊接技術(shù)的優(yōu)良程度直接影響著零件或產(chǎn)品的質(zhì)量。國(guó)內(nèi)焊接機(jī)器人應(yīng)用雖已具有一定規(guī)模，但與我國(guó)焊接生產(chǎn)總體需求相差甚遠(yuǎn)。因此，大力研究并推廣焊接機(jī)器人技術(shù)勢(shì)在必行。
本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是運(yùn)用機(jī)械原理和機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)焊接機(jī)器人的實(shí)踐和方法。本次設(shè)計(jì)，是在了解焊接機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，進(jìn)而掌握焊接機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，并對(duì)手臂和腕部進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。合理布置了液壓缸。同時(shí)了解機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)及運(yùn)動(dòng)控制學(xué)。為工業(yè)上焊接機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供理論參考、設(shè)計(jì)參考和數(shù)據(jù)參考，為工業(yè)設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)實(shí)踐的參考。該機(jī)器人具有剛性好，位置精度高、運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)。
關(guān)鍵字：焊接機(jī)器人 液壓系統(tǒng) 機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
Abstract
With the development of technology and the increase in industrial demand, welding in industrial production occupied more and more weight, and excellent welding technology directly affects the degree of the quality of parts or products.Although the domestic application of welding robot with a certain scale, but falls far short of the overall demand for welding.Therefore, great efforts to study and promote the welding robot technology is imperative.
The focus of this design is the use of mechanical theory and design of machinery and equipment design and methods of practice welding robot.The design of the welding robot in understanding the basis of the status quo at home and abroad, and then grasp the welding robot and working principle of the internal structure, and structural design of the arm and wrist.Rational arrangement of the hydraulic cylinder.At the same time understand the robot mechanical system kinematics and motion control study.For the design of industrial welding robots to provide a theoretical reference, reference and data reference design for industrial designers and design practice, design theory reference.The robot has a good rigidity, high precision location, stable characteristics.
Keyword:Welding robot；hydraulic system；mechanical structure design
27
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 引言 1
第2章 焊接機(jī)器人的總體方案 3
2.1 總體設(shè)計(jì)的思路 3
2.2 自由度和坐標(biāo)系的選擇 3
2.3 傳動(dòng)方案論證 4
2.4 焊接機(jī)器人的組成 6
2.4.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 6
2.4.2 控制系統(tǒng)分類(lèi) 8
2.5 焊接機(jī)器人的技術(shù)參數(shù) 8
2.6 本章小結(jié) 8
第3章 腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算 10
3.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求 10
3.2 腕部結(jié)構(gòu)及選擇 10
3.2.1 典型的腕部結(jié)構(gòu) 10
3.2.2 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的選擇 10
3.3 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 11
3.3.1 腕部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 11
3.3.2 腕部驅(qū)動(dòng)液壓缸的計(jì)算 11
3.4 液壓缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 12
3.5 動(dòng)片和輸出軸間的連接螺釘 13
3.6 本章小結(jié) 13
第4章 臂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算 15
4.1 臂部設(shè)計(jì)的基本要求 15
4.2 手臂的典型機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇 16
4.2.1 手臂的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 16
4.2.2 手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 16
4.3 手臂直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 17
4.3.1 手臂摩擦力的分析與計(jì)算 17
4.3.2 手臂慣性力的計(jì)算 18
4.3.3 密封裝置的摩擦阻力 18
4.4 液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定 18
4.5活塞桿的計(jì)算校核 19
4.6 本章小結(jié) 20
第5章 機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算 21
5.1機(jī)身的整體設(shè)計(jì) 21
5.2機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 22
5.3 機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的計(jì)算 23
5.3.1 手臂偏重力矩的計(jì)算 23
5.3.2 升降不自鎖條件分析計(jì)算 24
5.3.3 手臂做升降運(yùn)動(dòng)的液壓缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 24
5.4 軸承的選擇分析 25
5.5 本章小結(jié) 25
總結(jié) 26
致謝 27
參考文獻(xiàn) 28
第1章 引言
焊接機(jī)器人是從事焊接（包括切割與噴涂）的工業(yè)機(jī)器人。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）工業(yè)機(jī)器人術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)的定義，工業(yè)機(jī)器人是一種多用途的、可重復(fù)編程的自動(dòng)控制操作機(jī)（Manipulator），具有三個(gè)或更多可編程的軸，用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。為了適應(yīng)不同的用途，機(jī)器人最后一個(gè)軸的機(jī)械接口，通常是一個(gè)連接法蘭，可接裝不同工具或稱(chēng)末端執(zhí)行器。焊接機(jī)器人就是在工業(yè)機(jī)器人的末軸法蘭裝接焊鉗或焊（割）槍的，使之能進(jìn)行焊接，切割或熱噴涂。焊接機(jī)器人主要包括機(jī)器人和焊接設(shè)備兩部分。
從機(jī)器人誕生到本世紀(jì)80年代初，機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)期緩慢的發(fā)展過(guò)程。到了90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不斷提高，而機(jī)器人的制造成本和價(jià)格卻不斷下降。在西方社會(huì)，和機(jī)器人價(jià)格相反的是，人的勞動(dòng)力成本有不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在西方國(guó)家，由于勞動(dòng)力成本的提高為企業(yè)帶來(lái)了不小的壓力，而機(jī)器人價(jià)格指數(shù)的降低又恰巧為其進(jìn)一步推廣應(yīng)用帶來(lái)了契機(jī)。減少員工與增加機(jī)器人的設(shè)備投資，在兩者費(fèi)用達(dá)到某一平衡點(diǎn)的時(shí)候，采用機(jī)器人的利顯然要比采用人工所帶來(lái)的利大，它一方面可大大提高生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化水平，從而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，同時(shí)又可提升企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量，提高企業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力。雖然機(jī)器人一次性投資比較大，但它的日常維護(hù)和消耗相對(duì)于它的產(chǎn)出遠(yuǎn)比完成同樣任務(wù)所消耗的人工費(fèi)用小。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，產(chǎn)品的生產(chǎn)成本還會(huì)大大降低。而機(jī)器人價(jià)格的降低使一些中小企業(yè)投資購(gòu)買(mǎi)機(jī)器人變得輕而易舉。因此，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用在各行各業(yè)得到飛速發(fā)展。
據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界在役的工業(yè)機(jī)器人中大約有將近一半的工業(yè)機(jī)器人用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域。 焊接機(jī)器人具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、改善工人勞動(dòng)條件、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、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)。我國(guó)自上個(gè)世紀(jì)70年代末開(kāi)始進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的研究，經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，在技術(shù)和應(yīng)用方面均取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)尤其是制造業(yè)的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用。
從目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來(lái)看，焊接機(jī)器人技術(shù)的研究十分活躍，焊接機(jī)器人技術(shù)研究主要集中在焊縫跟蹤技術(shù)、離線編程與路徑規(guī)劃技術(shù)、多機(jī)器人協(xié)調(diào)控制技術(shù)、專(zhuān)用弧焊電源技術(shù)、焊接機(jī)器人系統(tǒng)仿真技術(shù)、機(jī)器人用焊接工藝方法、遙控焊接技術(shù)等七個(gè)方面。
新中國(guó)成立后，經(jīng)過(guò)50年的艱苦努力，中國(guó)焊接生產(chǎn)機(jī)械化自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展應(yīng)用，取得了很大的成就，焊接生產(chǎn)過(guò)程機(jī)械化與自動(dòng)化程度已達(dá)到20%。在以焊接技術(shù)為主導(dǎo)制造工藝技術(shù)的大中型骨干企業(yè)，焊接生產(chǎn)過(guò)程綜合機(jī)械化與自動(dòng)化程度已達(dá)到40%～45%。在機(jī)床、鍋爐、汽車(chē)、化工機(jī)械、工程機(jī)械和重型機(jī)械等國(guó)家重點(diǎn)骨干企業(yè)，通過(guò)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)及相應(yīng)配套的自動(dòng)化焊機(jī)、成套焊接設(shè)備、焊接生產(chǎn)線和柔性制造系統(tǒng)，使焊接生產(chǎn)機(jī)械化與自動(dòng)化技術(shù)達(dá)到了國(guó)際90年代初的先進(jìn)水平，進(jìn)入世界先進(jìn)之列。
第2章 焊接機(jī)器人的總體方案
該設(shè)計(jì)的目的是為了設(shè)計(jì)一臺(tái)焊接機(jī)器人，本章主要對(duì)焊接機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。
2.1 總體設(shè)計(jì)的思路
設(shè)計(jì)機(jī)器人大體上可分為兩個(gè)階段：
(1) 系統(tǒng)分析階段
1）根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)，明確所采用機(jī)器人的目的和任務(wù)；
2）分析機(jī)器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境；
3) 根據(jù)機(jī)器人的工作要求，確定機(jī)器人的基本功能和方案。如機(jī)器人的自由度、信息的存儲(chǔ)量、計(jì)算機(jī)功能、動(dòng)作精度的要求、容許的運(yùn)動(dòng)范圍、以及對(duì)溫度、震動(dòng)等環(huán)境的適應(yīng)性。
(2) 技術(shù)設(shè)計(jì)階段
1）根據(jù)系統(tǒng)的要求確定機(jī)器人的自由度和允許的空間工作范圍，選擇機(jī)器人的坐標(biāo)形式；
2）擬訂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路線和空間作業(yè)圖；
3）確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的類(lèi)型；
4）選擇各部件的具體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行機(jī)器人總裝圖的設(shè)計(jì)；
5）繪制機(jī)器人的零件圖，并確定尺寸。
2.2 自由度和坐標(biāo)系的選擇
機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)自由度是指各運(yùn)動(dòng)部件在三維空間相當(dāng)于固定坐標(biāo)系所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)，對(duì)于一個(gè)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，它有幾個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)就稱(chēng)其有幾個(gè)自由度。各運(yùn)動(dòng)部件自由度的總和為機(jī)器人的自由度數(shù)。機(jī)器人的手部要像人手一樣完成各種動(dòng)作是比較困難的，因?yàn)槿说氖种?、掌、腕、臂?9個(gè)關(guān)節(jié)組成，共有27個(gè)自由度。而生產(chǎn)實(shí)踐中不需要機(jī)器人的手有這么多的自由度一般為3-6個(gè)（不包括手部）。本次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人為4自由度即：腕部回轉(zhuǎn)；小臂部伸縮；大臂部回轉(zhuǎn)；大臂部伸縮。
工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下:
(1) 直角坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1(a)所示。由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度（μm級(jí)）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)講，是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類(lèi)型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。
直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式，龍門(mén)式，天車(chē)式三種結(jié)構(gòu)Error! Reference source not found.。
(2) 圓柱坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
圓柱坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1（b）。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。
(3) 球坐標(biāo)機(jī)器人結(jié)構(gòu)
球坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1（c）。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類(lèi)球形的空間Error! Reference source not found.。
(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)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1（d）。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對(duì)機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類(lèi)型的機(jī)器人。
關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。
根據(jù)要求及在實(shí)際生產(chǎn)中的用途，本次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人采用直角坐標(biāo)。
a)直角坐標(biāo)型 b)圓柱坐標(biāo)型 c)球坐標(biāo)型 d)關(guān)節(jié)型
圖2-1 四種機(jī)器人坐標(biāo)形式
2.3 傳動(dòng)方案論證
焊接機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式有液壓式、氣動(dòng)式和電動(dòng)機(jī)式。
(1) 液壓驅(qū)動(dòng):是指動(dòng)源（發(fā)動(dòng)機(jī)或電機(jī)）驅(qū)動(dòng)油泵產(chǎn)生壓力油，壓力油再去驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，由液壓馬達(dá)產(chǎn)生機(jī)器需要的動(dòng)力。
(2) 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)多用于開(kāi)關(guān)控制和順序控制的機(jī)器人，與液壓驅(qū)動(dòng)相比較，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)由于壓縮空氣粘度小，所以容易達(dá)到高速；由于可利用工廠集中空氣壓縮機(jī)站供氣，減少了動(dòng)力設(shè)備；空氣介質(zhì)不污染環(huán)境，安全高溫下可正常工作；空氣取之不竭用之不盡，相對(duì)于油液廉價(jià)，故氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)元件比液壓元件價(jià)格低……
(3) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)可分為普通交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。隨著材料性能的提高，電動(dòng)機(jī)性能也在隨之提高并且電動(dòng)機(jī)使用簡(jiǎn)單，所以就目前來(lái)看，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)正逐步為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)式所代替。
表2-1 三種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的比較
內(nèi)容
驅(qū)動(dòng)方式
液壓驅(qū)動(dòng)
氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)
電機(jī)驅(qū)動(dòng)
輸出力
壓力高，可獲得大的輸出力
壓力相對(duì)要小，輸出力小
輸出力較大
控制性能
利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無(wú)級(jí)調(diào)速，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制
氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制
控制精度高，功率較大，能精確定位，反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復(fù)雜
響應(yīng)速度
很高
較高
很高
結(jié)構(gòu)性能及體積
結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較大
結(jié)構(gòu)適當(dāng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可標(biāo)準(zhǔn)化、模擬化，易實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。功率/質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問(wèn)題較小
伺服電動(dòng)機(jī)易標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動(dòng)機(jī)一般需配置減速裝置，除DD電動(dòng)機(jī)外，難以直接驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，無(wú)密封問(wèn)題
安全性
防爆性能好，用液壓油作為傳動(dòng)介質(zhì)，在一定條件下有火災(zāi)危險(xiǎn)
防爆性能好，高于1000kPa（十個(gè)大氣壓）時(shí)應(yīng)注意設(shè)備的抗壓性
設(shè)備自身無(wú)爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)，直流有刷電動(dòng)機(jī)換向時(shí)有火花，對(duì)環(huán)境防爆性能較差
對(duì)環(huán)境影響
液壓系統(tǒng)易漏油，對(duì)環(huán)境有污染
排氣時(shí)有噪聲
無(wú)
續(xù)表2-1
內(nèi)容
驅(qū)動(dòng)方式
液壓驅(qū)動(dòng)
氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)
電機(jī)驅(qū)動(dòng)
在工業(yè)機(jī)械手中的應(yīng)用范圍
適用于重載、低速驅(qū)動(dòng)，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機(jī)械手、電焊機(jī)械手和托運(yùn)機(jī)械手
適用于中小負(fù)載驅(qū)動(dòng)、精度要求較低的有限點(diǎn)位程序控制機(jī)械手
適用于中小負(fù)載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機(jī)械手
成本
液壓元件成本較高
成本低
成本高
維修及使用
方便，但油液對(duì)環(huán)境溫度有一定要求
方便
較復(fù)雜
2.4 焊接機(jī)器人的組成
焊接機(jī)器人由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。
2.4.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
（1）手部
手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤(pán)（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤(pán)。
本設(shè)計(jì)為焊接機(jī)器人設(shè)計(jì)，因此手部并無(wú)其他結(jié)構(gòu)，僅僅是一個(gè)焊槍?zhuān)ㄟ^(guò)螺栓固定于腕部之上。
（2）腕部
腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來(lái)調(diào)節(jié)焊槍的方位，以擴(kuò)大焊槍的工作范圍，并使手部變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求，有些動(dòng)作較為簡(jiǎn)單的專(zhuān)用機(jī)械手，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。
目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮?700）,并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人的腕部是利用液壓缸實(shí)現(xiàn)手部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
設(shè)計(jì)的焊接機(jī)器人的腕部的運(yùn)動(dòng)為一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)參數(shù)是實(shí)現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)的角度控制在范圍內(nèi)，其基本的結(jié)構(gòu)形式如圖2-2所示。
圖2-2 腕部回轉(zhuǎn)基本結(jié)構(gòu)示意圖
腕部的驅(qū)動(dòng)方式采用直接驅(qū)動(dòng)的方式，由于腕部裝在手臂的末端，所以必須設(shè)計(jì)的十分緊湊可以把驅(qū)動(dòng)源裝在手腕上。機(jī)器人手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是由回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)的。將夾緊活塞缸的外殼與擺動(dòng)油缸的動(dòng)片連接在一起；當(dāng)回轉(zhuǎn)液壓缸中不同的油腔中進(jìn)油時(shí)即可實(shí)現(xiàn)手腕不同方向的回轉(zhuǎn)。
（3）臂部
手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。
臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到直線運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部具有一個(gè)自由度就能滿足基本要求，即臂部的伸縮運(yùn)動(dòng)。
臂部的運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部的靜、動(dòng)載荷。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)臂部的前后伸縮運(yùn)動(dòng)。臂部的運(yùn)動(dòng)參數(shù)：伸縮行程：1850mm；伸縮速度：1200mm/s~1400mm/s。機(jī)器人臂部的伸縮使其手臂的工作長(zhǎng)度發(fā)生變化，在直角坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)中，手臂的最大工作長(zhǎng)度決定其末端所能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離。伸縮式臂部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)可采用液壓缸直接驅(qū)動(dòng)。
（4）機(jī)身
機(jī)身部分運(yùn)動(dòng)的目的：把臂部送到直線運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變臂部的姿態(tài)（方位），則用機(jī)身的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，機(jī)身部分具有兩個(gè)自由度才能滿足基本要求，即機(jī)身的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
機(jī)身的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從機(jī)身的受力情況分析，它在工作中既受臂部、腕部、手部的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基座的上下伸縮、以及機(jī)身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。機(jī)身的運(yùn)動(dòng)參數(shù)：伸縮行程：3650mm；伸縮速度：1200mm/s~1400mm/s；回轉(zhuǎn)范圍：。機(jī)器人機(jī)身的伸縮使其工作長(zhǎng)度發(fā)生變化，在直角坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)中，機(jī)身的最大工作長(zhǎng)度決定其末端所能達(dá)到的最遠(yuǎn)距離。伸縮式機(jī)身結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)可采用液壓缸直接驅(qū)動(dòng)。機(jī)身部分和滑軌的配置型式采用立柱式單臂配置，其回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)源來(lái)自回轉(zhuǎn)液壓缸。
（5）滑軌
滑軌是懸臂機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起懸掛作用，它將機(jī)身懸掛于導(dǎo)軌之上。并帶動(dòng)機(jī)身沿軌道直線運(yùn)動(dòng)。
2.4.2 控制系統(tǒng)分類(lèi)
在機(jī)械手的控制上，有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷(xiāo)板進(jìn)行點(diǎn)位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)控制，采用凸輪、磁盤(pán)磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。本設(shè)計(jì)采用電磁控制。
2.5 焊接機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)
一、用途：用于焊接工件
二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):
1、焊槍:；
2、自由度數(shù):4個(gè)自由度（腕部回轉(zhuǎn)；小臂部伸縮；大臂部回轉(zhuǎn)；大臂部伸縮4個(gè)運(yùn)動(dòng)）；
3、坐標(biāo)型式:直角坐標(biāo)系；
4、最大工作半徑:4730mm；
5、手臂最低中心高:4040mm；
6、手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù):伸縮行程：1850mm
伸縮速度：1200mm/s~1400mm/s
升降行程：3650mm
升降速度：1200mm/s~1400mm/s
回轉(zhuǎn)范圍：；
7、手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù):回轉(zhuǎn)范圍：。
2.6 本章小結(jié)
本章從焊接機(jī)器人的實(shí)用方面入手，提出了一套總體設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)機(jī)器人自由度的要求選取直角坐標(biāo)系為本次設(shè)計(jì)坐標(biāo)系。同時(shí)，就焊接機(jī)器人的組成（執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)）以及現(xiàn)實(shí)作業(yè)，給出了具體的手部、腕部、臂部和基座的結(jié)構(gòu)形式；并選擇液壓驅(qū)動(dòng)作為本次設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。最后，給出了設(shè)計(jì)中所需的技術(shù)參數(shù)。
第3章 腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算
3.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求
(1) 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕
腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動(dòng)載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動(dòng)力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。
(2) 結(jié)構(gòu)考慮，合理布局
腕部作為焊接機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐焊槍的作用，除保證力和運(yùn)動(dòng)的要求外，要有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。
(3) 必須考慮工作條件
對(duì)于本次設(shè)計(jì)，焊接機(jī)器人的工作條件是在工作場(chǎng)合中焊接工件，最大載荷為8KG，因此不太受環(huán)境影響，沒(méi)有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對(duì)焊接機(jī)器人的腕部沒(méi)有太多不利因素。
3.2 腕部結(jié)構(gòu)及選擇
3.2.1 典型的腕部結(jié)構(gòu)
(1) 具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)它具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣腕部回轉(zhuǎn)，總力矩M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動(dòng)慣性所用。回轉(zhuǎn)角由動(dòng)片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來(lái)決定（一般小于270°）。
(2) 齒條活塞驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)在要求回轉(zhuǎn)角大于270°的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)外形尺寸較大。
(3) 具有兩個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)自由度。
(4) 機(jī)-液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。
3.2.2 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的選擇
本設(shè)計(jì)要求手腕回轉(zhuǎn)，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)腕部結(jié)構(gòu)，采用液壓驅(qū)動(dòng)。
3.3 腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
腕部設(shè)計(jì)考慮的參數(shù)：最大載荷：8KG；回轉(zhuǎn)。
3.3.1 腕部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算
圖3-1腕部支撐反力計(jì)算示意圖
腕部回轉(zhuǎn)時(shí)要克服的阻力：F=FR1+FR2
a. 腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩：
Ma=0.5Fd （3-1）
其中為軸承摩擦系數(shù)取=0.1
b. 克服由于工件重心偏置所需的力矩：
Mb=G3e （3-2）
c. 克服啟動(dòng)慣性所需的力矩：
Mc=πD4/32 （3-3）
3.3.2 腕部驅(qū)動(dòng)液壓缸的計(jì)算
表3-1 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB826-66）Error! Reference source not found.（mm）
20
25
32
40
50
55
63
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
125
130
140
160
180
200
250
表3-2 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑（JB1068-67）Error! Reference source not found.（mm）
液壓缸外徑
40
50
63
80
90
100
110
125
140
150
160
180
200
20鋼
50
60
76
95
108
121
133
168
146
180
194
219
245
45鋼
50
60
76
95
108
121
133
168
146
180
194
219
245
設(shè)定腕部的部分尺寸：根據(jù)表3-1設(shè)缸體內(nèi)徑R=40mm，外徑根據(jù)表3-2選擇60mm，這個(gè)是液壓缸壁最小厚度，考慮到實(shí)際裝配問(wèn)題后，其外徑為90mm；動(dòng)片寬度b=66mm,輸出軸r=22.5mm.基本尺寸示如圖3-2所示。則回轉(zhuǎn)缸工作壓力：
選擇8Mpa
圖3-2腕部液壓缸剖截面結(jié)構(gòu)示意圖
3.4 液壓缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算
圖3-3缸蓋螺釘間距示意圖
表3-3 螺釘間距t與壓力P之間的關(guān)系Error! Reference source not found.
工作壓力P（Mpa） 螺釘?shù)拈g距t(mm)
0.5～1.5 小于150
1.5～2.5 小于120
2.5～5.0 小于100
5.0～10.0 小于80
缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算，如圖4-3所示，t為螺釘?shù)拈g距，間距跟工作壓強(qiáng)有關(guān)，見(jiàn)表4-3，在這種聯(lián)接中，每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)剖面上承受的拉力:
（3-4）
液壓缸工作壓強(qiáng)為P=8Mpa,所以螺釘間距t小于80mm,試選擇12個(gè)螺釘，
<80mm
所以選擇螺釘數(shù)目合適Z=12個(gè)。
螺釘材料選擇Q235， (n=1.2～1.5）
螺釘?shù)闹睆剑? （3-5）
=0.005m
螺釘?shù)闹睆竭x用M5。
3.5 動(dòng)片和輸出軸間的連接螺釘
動(dòng)片和輸出軸之間的連接結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4-3,連接螺釘一般為偶數(shù)，對(duì)稱(chēng)安裝，并用兩個(gè)定位銷(xiāo)定位。連接螺釘?shù)淖饔茫菏箘?dòng)片和輸出軸之間的配合緊密。
螺釘材料選擇Q235，則
（n=1.2～1.5）
螺釘?shù)闹睆剑?
d=0.005m
螺釘?shù)闹睆竭x用M5。
3.6 本章小結(jié)
本章主要內(nèi)容為腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括：腕部結(jié)構(gòu)的選取和腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算。首先，根據(jù)腕部設(shè)計(jì)的基本要求選擇與本次設(shè)計(jì)相符合的腕部結(jié)構(gòu)；然后，按照給定的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算；最后，確定了腕部回轉(zhuǎn)所需的回轉(zhuǎn)力矩、選用回轉(zhuǎn)缸以及選取各關(guān)鍵部位螺栓的計(jì)算。
第4章 臂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算
手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。手臂運(yùn)動(dòng)應(yīng)該包括3個(gè)運(yùn)動(dòng)：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。本章敘述手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)，手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)設(shè)置在機(jī)身處，將在下一章祥述。
臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部應(yīng)該具備3個(gè)自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機(jī)械手的工作性能。
4.1 臂部設(shè)計(jì)的基本要求
臂部設(shè)計(jì)首先要實(shí)現(xiàn)所要求的運(yùn)動(dòng)，為此，需要滿足下列各項(xiàng)基本要求：
一、臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕
對(duì)于機(jī)械手臂部或機(jī)身的承載能力，通常取決于其剛度。以臂部為例，一般結(jié)構(gòu)上較多采用懸臂梁形式（水平或垂直懸伸）。顯然伸縮臂桿的懸伸長(zhǎng)度愈大，則剛度愈差。而且其剛度隨著臂桿的伸縮不斷變化。對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)性能、位置精度和負(fù)荷能力影響很大。為提高剛度，除盡可能縮短臂桿的懸伸長(zhǎng)度外，尚應(yīng)注意以下幾方面：
(1) 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸；
(2) 提高支撐剛度和合理選擇支撐點(diǎn)的距離；
(3) 合理布置作用力的位置和方向；
(4) 注意簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)；
(5) 提高配合精度。
二、臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小
機(jī)械手手部的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平。對(duì)于高速度運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，其最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)在最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計(jì)在內(nèi)，大部分平均移動(dòng)速度為，平均回轉(zhuǎn)角速度在。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機(jī)械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有4個(gè)途徑Error! Reference source not found.：
(1) 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金材料；
(2) 減少臂部運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸；
(3) 減少回轉(zhuǎn)半徑ρ，再安排機(jī)械手動(dòng)作順序時(shí)，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作；
(4) 在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)緩沖裝置。
三、手臂動(dòng)作應(yīng)該靈活
為減少手臂運(yùn)動(dòng)之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。對(duì)于懸臂式的機(jī)械手，其傳動(dòng)件、導(dǎo)向件和定位件布置合理，使手臂運(yùn)動(dòng)盡可能平衡，以減少對(duì)升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機(jī)構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計(jì)算使之滿足不自鎖的條件Error! Reference source not found.。
四、位置精度要求高
一般來(lái)說(shuō)，直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度要求較高；關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置精度最難控制，故精度差；在手臂上加設(shè)定位裝置和檢測(cè)結(jié)構(gòu)，能較好地控制位置精度，檢測(cè)裝置最好裝在最后的運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)以減少或消除傳動(dòng)、嚙合件間的間隙。
總結(jié)：除此之外，要求機(jī)械手的通用性要好，能適合多種作業(yè)的要求；工藝性好，便于加工和安裝；用于熱加工的機(jī)械手，還要考慮隔熱、冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機(jī)械手還要設(shè)置防塵裝置等。
以上要求是相互制約的，應(yīng)該綜合考慮這些問(wèn)題，只有這樣，才能設(shè)計(jì)出完美的、性能良好的機(jī)械手。
4.2 手臂的典型機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇
4.2.1 手臂的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)
常見(jiàn)的手臂伸縮機(jī)構(gòu)有以下幾種：
(1) 雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)；
(2)手臂的典型運(yùn)動(dòng)形式有：直線運(yùn)動(dòng)，如手臂的伸縮，升降和橫向移動(dòng)；回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如手臂的左右擺動(dòng)，上下擺動(dòng)；符合運(yùn)動(dòng)，如直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合，兩直線運(yùn)動(dòng)的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)；
(1)雙活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)；
(2)活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。
4.2.2 手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇
通過(guò)以上，綜合考慮，本次設(shè)計(jì)選擇液壓缸伸縮機(jī)構(gòu)，使用液壓驅(qū)動(dòng),水平伸縮液壓缸選用伸縮式液壓缸；豎直伸縮液壓缸選用雙作用活塞缸。
4.3 手臂直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算
首先進(jìn)行粗略的估算，或類(lèi)比同類(lèi)結(jié)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸，再進(jìn)行校核計(jì)算，修正設(shè)計(jì)。如此反復(fù)，繪出最終的結(jié)構(gòu)圖。
作水平伸縮直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸的驅(qū)動(dòng)力，應(yīng)根據(jù)液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)所要克服的摩擦力和慣性力等幾個(gè)方面的阻力進(jìn)行確定。
液壓缸活塞的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算公式可表示為：
F=(A1p1-A2p2)ηm (4-1)
4.3.1 手臂摩擦力的分析與計(jì)算
摩擦力的計(jì)算不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據(jù)具體情況進(jìn)行估算。
圖4-1 機(jī)械手臂部受力示意圖
計(jì)算如下：
得
得
(4-2)
式中 ---參與運(yùn)動(dòng)的零部件所受的總重力（含工件）（N）；
L---手臂與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的前端的距離（m）,參考上一節(jié)的計(jì)算；
a---導(dǎo)向支撐的長(zhǎng)度（m）；
---當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面有關(guān)；
對(duì)于圓柱面：
μ---摩擦系數(shù)，對(duì)于靜摩擦且無(wú)潤(rùn)滑時(shí)：
鋼對(duì)青銅：取μ=0.1～0.15
鋼對(duì)鑄鐵：取μ=0.18～0.3
選?。?，G=500N，L=1.49-0.028=1.21m,導(dǎo)向支撐a設(shè)計(jì)為0.016m。
將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計(jì)算：
4.3.2 手臂慣性力的計(jì)算
本設(shè)計(jì)要求手臂平動(dòng)是V=1200mm/s；假定：在計(jì)算慣性力的時(shí)候,設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間，啟動(dòng)速度；
(4-3)
4.3.3 密封裝置的摩擦阻力
不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計(jì)中，采用O型密封，當(dāng)液壓缸工作壓力小于10Mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：F摩=65N。
經(jīng)過(guò)以上分析計(jì)算最后計(jì)算出液壓缸的驅(qū)動(dòng)力：F=1243.8N
4.4 液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定
經(jīng)過(guò)上面的計(jì)算，確定了液壓缸的驅(qū)動(dòng)力F=1243.8N，根據(jù)表3-1選擇液壓缸的工作壓力P=2MPa。
確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸：液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算，如圖4-2所示
圖4-2 雙作用液壓缸示意圖
當(dāng)油進(jìn)入無(wú)桿腔：
F1=(A1p1-A2p2)ηm （4-4）
當(dāng)油進(jìn)入有桿腔中：
F2=(A2p1-A1p2)ηm (4-5)
其中：ηm為機(jī)械效率。
液壓缸的有效面積：A
故有： A1=лD2/4 （無(wú)桿腔） (4-6)
A2= лD2/4-лd2/4 （有桿腔）Error! Reference source not found. (4-7)
F=6210N，，選擇機(jī)械效率。
將有關(guān)數(shù)據(jù)代入：
根據(jù)表3-1（JB826-66），選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列，選擇D=42mm。
液壓缸外徑的設(shè)計(jì)：
根據(jù)裝配等因素，考慮到液壓缸的臂厚在7mm，所以該液壓缸的外徑為60mm。
4.5活塞桿的計(jì)算校核
一、活塞桿強(qiáng)度校核
活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運(yùn)動(dòng)的要求和強(qiáng)度要求。對(duì)于桿長(zhǎng)L大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強(qiáng)度計(jì)算：
σ = F/A (4-8)
設(shè)計(jì)中活塞桿取材料為碳鋼，故，活塞直徑d=20mm,L=1360mm,現(xiàn)在進(jìn)行校核：
σ = F/A <[σ]
結(jié)論：活塞桿滿足強(qiáng)度要求。
2、 活塞桿剛度校核
圖4-3 剛度校核示意圖
現(xiàn)按照伸出液壓缸的最小直徑進(jìn)行校核,為便于計(jì)算把伸出的液壓缸簡(jiǎn)化成一懸臂梁。
取:載荷F=400N,懸臂L=1730mm。
梁轉(zhuǎn)角： θ= (4-9)
梁撓度： ω = (4-10)
其中：E為材料的彈性模量：E=210Gpa
I為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：取I=1.1×10-10
EI=24
∴ θ=-0.00249rad<[θ] ω=-0.0288mm<[ω]
結(jié)論:懸臂活塞桿滿足剛度要求。
4.6 本章小結(jié)
本章設(shè)計(jì)了搬運(yùn)機(jī)器人的手臂結(jié)構(gòu)，手臂采用液壓驅(qū)動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)，對(duì)驅(qū)動(dòng)的液壓缸的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了計(jì)算。并對(duì)液壓缸的基本尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)液壓缸活塞桿的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了校核，校核結(jié)果均滿足要求。
第5章 機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算
機(jī)身是直接支撐和驅(qū)動(dòng)手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都安在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。因此，臂部的運(yùn)動(dòng)越多，機(jī)身的機(jī)構(gòu)和受力情況就越復(fù)雜。機(jī)身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運(yùn)動(dòng)。
5.1機(jī)身的整體設(shè)計(jì)
按照設(shè)計(jì)要求，機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)手臂1800的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般設(shè)計(jì)在機(jī)身處。為了設(shè)計(jì)出合理的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，就要綜合考慮分析。
機(jī)身承載著手臂，做回轉(zhuǎn)，升降運(yùn)動(dòng)，是機(jī)械手的重要組成部分。常用的機(jī)身結(jié)構(gòu)有以下幾種：
(1) 回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是能承受較大偏重力矩。其缺點(diǎn)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)路線長(zhǎng)，花鍵軸的變形對(duì)回轉(zhuǎn)精度的影響較大。
(2) 回轉(zhuǎn)缸置于升降之上的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)緊湊。但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運(yùn)動(dòng)部件較大。
(3) 活塞缸和齒條齒輪機(jī)構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過(guò)齒條齒輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)：齒條的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)，從而使手臂左右擺動(dòng)。
分析：經(jīng)過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用回轉(zhuǎn)缸置于伸縮缸之上的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)機(jī)身包括兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，機(jī)身的回轉(zhuǎn)和伸縮。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)置于升降缸之上的機(jī)身結(jié)構(gòu)。手臂部件與回轉(zhuǎn)缸的上端蓋連接，回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸體連接，由缸體帶動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?；剞D(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸與伸縮缸的活塞桿是一體的。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5-1。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是液壓驅(qū)動(dòng)，回轉(zhuǎn)缸通過(guò)兩個(gè)油孔，一個(gè)進(jìn)油孔，一個(gè)排油孔，分別通向回轉(zhuǎn)葉片的兩側(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)葉片回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)角度一般靠機(jī)械擋塊來(lái)決定，對(duì)于本設(shè)計(jì)就是考慮兩個(gè)葉片之間可以轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，為滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)中動(dòng)片和靜片之間可以回轉(zhuǎn)1800。
圖5-1 回轉(zhuǎn)缸位于伸縮缸之上的機(jī)身結(jié)構(gòu)示意圖
5.2機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
(1) 回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算
手臂回轉(zhuǎn)缸的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩，應(yīng)該與手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩及各密封裝置處的摩擦阻力矩相平衡：
Ma=0.5Fd (5-1)
慣性力矩的計(jì)算：
Mc=πD4/32 (5-2)
回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個(gè)長(zhǎng)1200mm，直徑為60mm的圓柱體，質(zhì)量為159.2Kg設(shè)置起動(dòng)角度=180，則起動(dòng)角速度=0.314，起動(dòng)時(shí)間設(shè)計(jì)為0.1s。
密封處的摩擦阻力矩可以粗略估算下，由于回油背差一般非常的小，故在這里忽略不計(jì)。
(2) 回轉(zhuǎn)缸尺寸的初步確定
設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)缸的靜片和動(dòng)片寬b=60mm，選擇液壓缸的工作壓強(qiáng)為8Mpa。d為輸出軸與動(dòng)片連接處的直徑，設(shè)d=50mm,則回轉(zhuǎn)缸的內(nèi)徑通過(guò)下列計(jì)算：
D=80mm
即設(shè)計(jì)液壓缸的內(nèi)徑為80mm，根據(jù)表4-2選擇液壓缸的基本外徑尺寸100mm(不是最終尺寸)，再經(jīng)過(guò)配合等條件的考慮。
最終確定的液壓缸的截面尺寸如圖6-2所示，內(nèi)徑為150mm，外徑為230mm，輸出軸徑為50mm。
圖5-2 回轉(zhuǎn)缸的截面圖
5.3 機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的計(jì)算
5.3.1 手臂偏重力矩的計(jì)算
圖5-3 手臂各部件重心位置圖
(1)零件重量等
現(xiàn)在對(duì)機(jī)械手手臂做粗略估算：總共約為33Kg
(2)計(jì)算零件的重心位置，求出重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離ρ。
=1720mm
=6mm
=0.88mm
(5-3)
=1500mm
所以，回轉(zhuǎn)半徑。
(2)計(jì)算偏重力矩
(5-4)
5.3.2 升降不自鎖條件分析計(jì)算
手臂在的作用下有向下的趨勢(shì)，而立柱導(dǎo)套有防止這種趨勢(shì)；
所謂的不自鎖條件為：傾角小于或等于摩擦角
因此在設(shè)計(jì)中必須考慮到立柱導(dǎo)套必須大于480mm。
5.3.3 手臂做升降運(yùn)動(dòng)的液壓缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
(5-5)
式中：--摩擦阻力，參考圖6-3
(5-6)
G--零件及工件所受的總重。
(1) 摩擦驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
設(shè)定速度為V=4；起動(dòng)或制動(dòng)的時(shí)間差t=0.02s；近似估算為286.1Kg；將數(shù)據(jù)帶入上面公式有：
F摩= 5000N F慣=6600N
(2) 液壓缸在這里選擇O型密封，所以密封摩擦力可以通過(guò)近似估算；最后通過(guò)以上計(jì)算：
當(dāng)液壓缸向上驅(qū)動(dòng)時(shí)：F=5000N
當(dāng)液壓缸向下驅(qū)動(dòng)時(shí)：F=6600N
5.4 軸承的選擇分析
對(duì)于伸縮缸的運(yùn)動(dòng)，機(jī)身回轉(zhuǎn)受軸承的影響。因此，這里要充分考慮這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于本設(shè)計(jì)，采用一支點(diǎn)，雙向固定，另一支點(diǎn)游動(dòng)的支撐結(jié)構(gòu)。作為固定支撐的軸承，應(yīng)能承受雙向軸向載荷，故內(nèi)外圈在軸向全要固定。
本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)球軸承Error! Reference source not found.的組合結(jié)構(gòu)。
5.5 本章小結(jié)
本章對(duì)機(jī)械手的機(jī)身進(jìn)行了設(shè)計(jì)，分別對(duì)機(jī)身的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。同時(shí)，也計(jì)算了伸縮立柱不自鎖的條件(這是機(jī)身設(shè)計(jì)中不可缺少的部分)。最后，根據(jù)計(jì)算結(jié)果選用合適的軸承。
總 結(jié)
經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的努力，達(dá)到了本課題研究的預(yù)期目標(biāo)，現(xiàn)總結(jié)如下:
(1) 本課題提出了焊接機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，解決了工業(yè)機(jī)器人的許多問(wèn)題；
(2) 根據(jù)焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)了焊接機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)；
(3) 根據(jù)焊接機(jī)器人的負(fù)載，進(jìn)行大臂的傳動(dòng)設(shè)計(jì)；
(4) 選用適當(dāng)?shù)某叽邕M(jìn)行多手臂中各軸的校核；
(5) 本焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)先進(jìn)可靠，運(yùn)行平穩(wěn)，運(yùn)行控制穩(wěn)定可靠；
(6) 本課題是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)焊接機(jī)器人手臂傳動(dòng)及其軸的校核，其傳動(dòng)系統(tǒng)稍做改進(jìn)即可滿足需求。
致 謝
感謝吳曉敏老師在我大學(xué)的最后學(xué)習(xí)階段——畢業(yè)設(shè)計(jì)階段給我的指導(dǎo)，有了吳老師認(rèn)真負(fù)責(zé)的指導(dǎo)我的論文才得以順利完成。老師為我論文課題的研究提出了許多指導(dǎo)性的意見(jiàn)，為論文的撰寫(xiě)、修改提供了許多具體的指導(dǎo)和幫助。在本文結(jié)束之際，特向敬愛(ài)的吳老師致以最尊敬的敬禮和深深地感謝！
通過(guò)此次設(shè)計(jì)，一方面讓我認(rèn)識(shí)到只學(xué)習(xí)理論是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，發(fā)現(xiàn)了學(xué)習(xí)中的錯(cuò)誤之處；另一方面又積累豐富的知識(shí)，吸取別人好的方法和經(jīng)驗(yàn)，增強(qiáng)對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的解決能力，摸索出一套解決綜合問(wèn)題的方法，為自己以后的工作和學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提高了自己的動(dòng)手能力。順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，既是對(duì)我大學(xué)所學(xué)課程的一次綜合整理，又使我對(duì)機(jī)電知識(shí)有了更深層次的理解。這些能力的掌握是我步入社會(huì)所必需的。
同時(shí)由衷的感謝在我設(shè)計(jì)過(guò)程中，班級(jí)同學(xué)對(duì)我的指導(dǎo)和幫助，有了你們的熱心解答，彌補(bǔ)了我的不足，我得以在各方面取得顯著的進(jìn)步。由于初次研究這種復(fù)雜而又綜合的設(shè)計(jì)，過(guò)程中難免存在一些錯(cuò)誤和不足之處，懇請(qǐng)各位老師給予批評(píng)和指正。
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