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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告
題目：焊接機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系 別 機(jī)電信息系
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
導(dǎo) 師
2012 年 12 月 23 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）綜述
背景和研究意義:
機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)與一般的機(jī)械設(shè)計(jì)相比，既具有類似性，又有其獨(dú)特性。從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來看，機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)可看作是一系列連桿通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、移動(dòng)關(guān)節(jié)連接起來的開式運(yùn)動(dòng)鏈。 與一般機(jī)構(gòu)相比，機(jī)器人的開鏈結(jié)構(gòu)型式具有靈巧性和空間可達(dá)性等，但由于開鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)實(shí)際上是一系列懸臂桿件串聯(lián)而成的，機(jī)械誤差和彈性變形的累計(jì)，影響機(jī)器人的剛度和精度。因此，機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)既要滿足強(qiáng)度要求，又要考慮剛度和精度。另一方面，機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，特別是關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)，是整個(gè)機(jī)器人伺服系統(tǒng)中的一個(gè)組成部分，無論是結(jié)構(gòu)的緊湊性、靈巧性，還是在運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性、快速性等伺服性能，都比一般機(jī)構(gòu)有更高的要求。
對(duì)焊接機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，目的是尋找在不同要求下最優(yōu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，以最大效益的滿足生產(chǎn)需要。
國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究情況:
點(diǎn)焊機(jī)器人雖然有多種結(jié)構(gòu)形式，但大體上都可以分為3大組成部分，即機(jī)器人本體、點(diǎn)焊焊接系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。目前應(yīng)用較廣的點(diǎn)焊機(jī)器人，其本體形式為直角坐標(biāo)簡(jiǎn)易型及全關(guān)節(jié)型。前者可具有1～3個(gè)自由度，焊件及焊點(diǎn)位置受到限制；后者具有5～6個(gè)自由度，能在可到達(dá)的工作區(qū)間內(nèi)任意調(diào)整焊鉗姿態(tài)，以適應(yīng)多種形式結(jié)構(gòu)的焊接。
焊接機(jī)器人基本上都屬于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人、液壓驅(qū)動(dòng)的工業(yè)機(jī)器人這兩類工業(yè)機(jī)器人，弧焊機(jī)器人大多采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，因?yàn)楹笜屩亓恳话愣荚?0kg以內(nèi)。點(diǎn)焊機(jī)器人由于焊鉗重量都超過35kg。也有采用液壓驅(qū)動(dòng)方式的，因?yàn)橐簤候?qū)動(dòng)機(jī)器人抓重能力大，但大多數(shù)點(diǎn)焊機(jī)器人仍是采用大功率伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，因它成本較低，系統(tǒng)緊湊。工業(yè)機(jī)器人是由機(jī)械手、控制器、驅(qū)動(dòng)器和示教盒 4 個(gè)基本部分構(gòu)成。對(duì)于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，控制器和驅(qū)動(dòng)器一般裝在一個(gè)控制箱內(nèi)，而液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，液壓驅(qū)動(dòng)源單獨(dú)成一個(gè)部件，現(xiàn)分別簡(jiǎn)述如下：
??機(jī)械手 機(jī)器人機(jī)械手又稱操作機(jī)，是機(jī)器人的操作部分，由它直接帶動(dòng)末端操作器。實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)和操作，它的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，完全根據(jù)任務(wù)需要而定，其追求的目標(biāo)是高精度、高速度、高靈活性、大工作空間和模塊化?，F(xiàn)在工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)形式有如下 3 種：
1、機(jī)床式 這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)類似機(jī)床。其達(dá)到空間位置的3個(gè)運(yùn)動(dòng)。是由直線運(yùn)動(dòng)構(gòu)成，其末端操作器的姿態(tài)由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成，這種形式的機(jī)械手優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)學(xué)模型簡(jiǎn)單，控制精度容易提高；缺點(diǎn)是機(jī)構(gòu)較龐大，占地面積大、工作空間小。簡(jiǎn)易和專用焊接機(jī)器人常采用這種形式。
2、全關(guān)節(jié)式 這種機(jī)械手的結(jié)構(gòu)類似人的腰部和手部，其位置和姿態(tài)全部由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。這是工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手最普遍的結(jié)構(gòu)形式。其特點(diǎn)是機(jī)構(gòu)緊湊、靈活性好、占地面積小、工作空間大，缺點(diǎn)是精度高、控制難度大。偏置式與正置式的區(qū)別是手腕關(guān)節(jié)置于小臂的外側(cè)或小臂活動(dòng)范圍，但其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型要復(fù)雜一些。目前焊接機(jī)器人主要采用全關(guān)節(jié)式機(jī)械手。
3、平面關(guān)節(jié)式 這種機(jī)械手的機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是上下運(yùn)動(dòng)由直線運(yùn)動(dòng)構(gòu)成，其他運(yùn)動(dòng)均由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)在垂直方向剛度大，水平方向又十分靈活，較適合以插裝為主的裝配作業(yè)，所以被裝配機(jī)器人廣泛采用。
機(jī)器人機(jī)械手的具體結(jié)構(gòu)雖然多種多樣，但都是由常用的機(jī)構(gòu)組合而成?，F(xiàn)以美國(guó) PUMA 機(jī)械手為例來簡(jiǎn)述其內(nèi)部機(jī)構(gòu)，它是由機(jī)座、大臂、小臂、手腕 4 部分構(gòu)成，機(jī)座與大臂、大臂與小臂、小臂與手腕有 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，以保證達(dá)到工作空間的任意位置，手腕中又有 3 個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)：腕轉(zhuǎn)、腕曲、腕擺，以實(shí)現(xiàn)末端操作器的任意空間姿態(tài)。手腕的端部為一法蘭，以連接末端操作器。
每個(gè)關(guān)節(jié)都由一臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，PUMA機(jī)械手是采用齒輪減速、桿傳動(dòng)，但不同廠家采用的機(jī)構(gòu)不盡相同，減速機(jī)構(gòu)常用的是4種方式：齒輪、諧波減速器、滾珠絲杠、蝸輪蝸桿。傳動(dòng)方式有桿傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)等。其技術(shù)關(guān)鍵是要保證傳動(dòng)雙向無間隙 ( 即正反傳動(dòng)均無間隙 ) ，這是機(jī)器人精度的機(jī)械保證，當(dāng)然還要求效率高，機(jī)構(gòu)緊湊。
主要內(nèi)容及研究方案、研究方法或措施
主要內(nèi)容：
本設(shè)計(jì)研究汽車車身焊接的機(jī)械手，以完成汽車的車身、底盤等重要部位的焊接工作。
進(jìn)行機(jī)械手的原理方案設(shè)計(jì)，比較并提出系統(tǒng)的總體方案。
根據(jù)技術(shù)要求進(jìn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)焊接機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械手和焊接設(shè)備的機(jī)械接口等內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)。
技術(shù)要求：
腰部回轉(zhuǎn)最大角度280度；
擺動(dòng)最大角度120度；
直線位移范圍0-450mm，
研究方案、研究方法或措施：
先把本設(shè)計(jì)模塊化處理，它包含選型（坐標(biāo)型式），腰部回轉(zhuǎn)，手臂俯仰，直線位移，焊槍與手臂結(jié)合5部分。細(xì)化每部分的設(shè)計(jì)思路如下表：
1
2
3
4
坐標(biāo)型式
直角坐標(biāo)式
圓柱坐標(biāo)式
球坐標(biāo)式
關(guān)節(jié)式
腰部回轉(zhuǎn)
齒輪傳動(dòng)
蝸輪蝸桿
帶傳動(dòng)
手臂俯仰
齒輪傳動(dòng)
蝸輪蝸桿
帶傳動(dòng)
直線位移
齒條傳動(dòng)
液壓傳動(dòng)
氣壓傳動(dòng)
滾珠絲杠副
焊槍手臂結(jié)合
夾持式
吸附式
如圖可得：可能采用的方案共：4x3x3x4x2=288種
本設(shè)計(jì)研究汽車車身焊接的機(jī)械手，以完成汽車的車身、底盤等重要部位的焊接工作。
方案一：直角坐標(biāo)式機(jī)械手，蝸輪蝸桿傳動(dòng)，直線位移液壓傳動(dòng)，焊槍手臂結(jié)合吸附式。
方案二：關(guān)節(jié)式機(jī)械手，齒輪傳動(dòng)，直線位移滾珠絲杠副。焊槍手臂夾持式。
方案三：直角坐標(biāo)式機(jī)械手，齒輪傳動(dòng)，直線位移齒條傳動(dòng)，焊槍手臂結(jié)合夾持式。
方案四：球坐標(biāo)式機(jī)械手，齒輪傳動(dòng)，直線位移氣壓傳動(dòng)，焊槍手臂結(jié)合吸附式。
本設(shè)計(jì)中要求腰部回轉(zhuǎn)和手臂俯仰，加工范圍較大；盡可能減少機(jī)體空間更優(yōu)；并要求進(jìn)行電焊，因此對(duì)位置精度要求較高；焊槍要長(zhǎng)時(shí)間工作。
因此選用方案二為最優(yōu)方案。
本課題研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)，前期已開展工作
重點(diǎn)：
1、原理方案的確定
2、主要參數(shù)的確定
3、機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與校核
難點(diǎn)：
各個(gè)部分的準(zhǔn)確定位；
合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)以滿足設(shè)計(jì)要求；
前期已開展工作：
在對(duì)焊接機(jī)械手有足夠的了解之后，對(duì)設(shè)計(jì)提出構(gòu)想，初步構(gòu)想如圖：
在設(shè)計(jì)中，機(jī)械手的關(guān)節(jié)均采用轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的形式，每個(gè)關(guān)節(jié)由兩個(gè)箱體所組成。兩個(gè)箱體之間安裝有能夠承受徑向和軸向載荷的深溝球軸承，通過軸承的傳遞實(shí)現(xiàn)一個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，即能實(shí)現(xiàn)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。
由于電機(jī)轉(zhuǎn)速過快，需要減速。因此箱體內(nèi)部集成了一個(gè)諧波減速器，電機(jī)安裝在與箱體1相連的連桿A內(nèi)部，電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)通過諧波減速器減速傳遞到箱體2，箱體2帶動(dòng)與其相連的連桿B實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。
關(guān)節(jié)傳動(dòng)原理如圖所示：
本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，故關(guān)節(jié)均采用上述的結(jié)構(gòu)，分別為兩種運(yùn)動(dòng):俯仰和回轉(zhuǎn)。需要實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)動(dòng)作的關(guān)節(jié)，把連桿安裝在箱體的中軸線上;需要實(shí)現(xiàn)俯仰動(dòng)作的關(guān)節(jié)，把連桿安裝在箱體的側(cè)壁。
對(duì)于直線位移部分：
導(dǎo)軌副的選用：需要承受的載荷不大，但脈沖當(dāng)量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動(dòng)效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。
絲桿螺母副的選用：伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過絲桿螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，要滿足定位精度，滑動(dòng)滑動(dòng)絲桿副無能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到。滾珠絲桿副的傳動(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、效率高，預(yù)緊后可消除反向間隙。
完成本課題的工作方案及進(jìn)度計(jì)劃（按周次填寫）
1-3周：接受設(shè)計(jì)任務(wù)，查閱相關(guān)資料，了解課題的背景和發(fā)展?fàn)顩r。
4-5周：了解學(xué)習(xí)常用機(jī)械手設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)，初步原理方案的提出。
6周：設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化比較，論證并選擇最優(yōu)方案。
7-8周：機(jī)械手腰部回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
9-10周：機(jī)械手搖臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
11-12周：機(jī)械手與焊接設(shè)備的機(jī)械接口設(shè)計(jì)。
13：設(shè)計(jì)機(jī)械手與焊接設(shè)備的接口。
14-15周：繪制相關(guān)設(shè)計(jì)的零件圖和裝配圖。
16-17周：撰寫畢業(yè)論文。
19周：準(zhǔn)備答辯。
5 指導(dǎo)教師意見（對(duì)課題的深度、廣度及工作量的意見）
指導(dǎo)教師： 年 月 日
6 所在系審查意見：
系主管領(lǐng)導(dǎo)： 年 月 日
參考文獻(xiàn)
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