毕业设计（论文）焊接机器人设计

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1、摘 要随着科技的发展和工业需求的增加，焊接技术在工业生产中所占据的分量越来越大，而且焊接技术的优良程度直接影响着零件或产品的质量。国内焊接机器人应用虽已具有一定规模，但与我国焊接生产总体需求相差甚远。因此，大力研究并推广焊接机器人技术势在必行。本设计的重点是运用机械原理和机械制造装备设计方法设计焊接机器人的实践和方法。本次设计，是在了解焊接机器人在国内外现状的基础上，进而掌握焊接机器人内部结构和工作原理，并对手臂和腕部进行结构设计。合理布置了液压缸。同时了解机器人机械系统运动学及运动控制学。为工业上焊接机器人的设计提供理论参考、设计参考和数据参考，为工业设计者提供设计理论和设计实践的参考。该机

2、器人具有刚性好，位置精度高、运行平稳的特点。关键字：焊接机器人 液压系统 机械机构设计 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

3、 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

4、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 hydra

5、ulic 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 robo

6、t has a good rigidity, high precision location, stable characteristics.Keyword:Welding robot；hydraulic system；mechanical structure design目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 引言1第2章 焊接机器人的总体方案32.1 总体设计的思路32.2 自由度和坐标系的选择32.3 传动方案论证42.4 焊接机器人的组成62.4.1 执行机构62.4.2 控制系统分类82.5 焊接机器人的技术参数82.6 本章小结8第3章 腕部结构的设计及计算103.1

7、 腕部设计的基本要求103.2 腕部结构及选择103.2.1 典型的腕部结构103.2.2 腕部结构和驱动结构的选择103.3 腕部结构设计计算113.3.1 腕部驱动力计算113.3.2 腕部驱动液压缸的计算113.4 液压缸盖螺钉的计算123.5 动片和输出轴间的连接螺钉133.6 本章小结13第4章 臂部结构的设计及计算154.1 臂部设计的基本要求154.2 手臂的典型机构以及结构的选择164.2.1 手臂的典型运动机构164.2.2 手臂运动机构的选择164.3 手臂直线运动的驱动力计算174.3.1 手臂摩擦力的分析与计算174.3.2 手臂惯性力的计算184.3.3 密封装置的摩

8、擦阻力184.4 液压缸工作压力和结构的确定184.5活塞杆的计算校核194.6 本章小结20第5章 机身结构的设计及计算215.1机身的整体设计215.2机身回转机构的设计计算225.3 机身升降机构的计算235.3.1 手臂偏重力矩的计算235.3.2 升降不自锁条件分析计算245.3.3 手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算245.4 轴承的选择分析255.5 本章小结25总结26致谢27参考文献2829第1章 引言 焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。根据国际标准化组织（ISO）工业机器人术语标准的定义，工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机（Manipul

9、ator），具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了适应不同的用途，机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。焊接机器人主要包括机器人和焊接设备两部分。从机器人诞生到本世纪80年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了90年代，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。工业机器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不断提高，而机器人的制造成本和价格却不断下降。在西方社会，和机器人价格相反的是，人的劳动力成本有不

10、断增长的趋势。在西方国家，由于劳动力成本的提高为企业带来了不小的压力，而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广应用带来了契机。减少员工与增加机器人的设备投资，在两者费用达到某一平衡点的时候，采用机器人的利显然要比采用人工所带来的利大，它一方面可大大提高生产设备的自动化水平，从而提高劳动生产率，同时又可提升企业的产品质量，提高企业的整体竞争力。虽然机器人一次性投资比较大，但它的日常维护和消耗相对于它的产出远比完成同样任务所消耗的人工费用小。因此，从长远看，产品的生产成本还会大大降低。而机器人价格的降低使一些中小企业投资购买机器人变得轻而易举。因此，工业机器人的应用在各行各业得到飞速发展。据不完

11、全统计，全世界在役的工业机器人中大约有将近一半的工业机器人用于各种形式的焊接加工领域。 焊接机器人具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点，广泛应用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等行业。我国自上个世纪70年代末开始进行工业机器人的研究，经过二十多年的发展，在技术和应用方面均取得了长足的发展，对国民经济尤其是制造业的发展起到了重要的推动作用。从目前国内外研究现状来看，焊接机器人技术的研究十分活跃，焊接机器人技术研究主要集中在焊缝跟踪技术、离线编程与路径规划技术、多机器人协调控制技术、专用弧焊电源技术、焊接机器人系统仿真技术、机器人用焊接工艺方法、遥控焊接技术等七个

12、方面。新中国成立后，经过50年的艰苦努力，中国焊接生产机械化自动化技术发展应用，取得了很大的成就，焊接生产过程机械化与自动化程度已达到20%。在以焊接技术为主导制造工艺技术的大中型骨干企业，焊接生产过程综合机械化与自动化程度已达到40%45%。在机床、锅炉、汽车、化工机械、工程机械和重型机械等国家重点骨干企业，通过引进国外先进技术及相应配套的自动化焊机、成套焊接设备、焊接生产线和柔性制造系统，使焊接生产机械化与自动化技术达到了国际90年代初的先进水平，进入世界先进之列。第2章 焊接机器人的总体方案该设计的目的是为了设计一台焊接机器人，本章主要对焊接机器人的机械结构部分进行设计和分析。2.1 总

13、体设计的思路设计机器人大体上可分为两个阶段： (1) 系统分析阶段根据系统的目标，明确所采用机器人的目的和任务；分析机器人所在系统的工作环境；根据机器人的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由度、信息的存储量、计算机功能、动作精度的要求、容许的运动范围、以及对温度、震动等环境的适应性。 (2) 技术设计阶段根据系统的要求确定机器人的自由度和允许的空间工作范围，选择机器人的坐标形式；拟订机器人的运动路线和空间作业图；确定驱动系统的类型；选择各部件的具体结构，进行机器人总装图的设计；绘制机器人的零件图，并确定尺寸。2.2 自由度和坐标系的选择机器人的运动自由度是指各运动部件在三维空间

14、相当于固定坐标系所具有的独立运动数，对于一个构件来说，它有几个运动坐标就称其有几个自由度。各运动部件自由度的总和为机器人的自由度数。机器人的手部要像人手一样完成各种动作是比较困难的，因为人的手指、掌、腕、臂由19个关节组成，共有27个自由度。而生产实践中不需要机器人的手有这么多的自由度一般为3-6个（不包括手部）。本次设计的焊接机器人为4自由度即：腕部回转；小臂部伸缩；大臂部回转；大臂部伸缩。工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构、关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下:(1) 直角坐标机器人结构直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现

15、的，如图2-1(a)所示。由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（m级）。但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构Error! Reference source not found.。(2) 圆柱坐标机器人结构圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图2-1（b）。这种机器人构

16、造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。(3) 球坐标机器人结构球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图2-1（c）。这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间Error! Reference source not found.。(4) 关节型机器人结构关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图2-1（d）。关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。关

17、节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。根据要求及在实际生产中的用途，本次设计的焊接机器人采用直角坐标。a)直角坐标型 b)圆柱坐标型 c)球坐标型 d)关节型图2-1 四种机器人坐标形式2.3 传动方案论证 焊接机器人的驱动方式有液压式、气动式和电动机式。(1) 液压驱动:是指动源（发动机或电机）驱动油泵产生压力油，压力油再去驱动液压马达，由液压马达产生机器需要的动力。(2) 气动驱动多用于开关控制和顺序控制的机器人，与液压驱动相比较，气动驱动由于压缩空气粘度小，所以容易达到高速；由于可利用工厂集中空气压缩机站供气，减少了动力设备；空气介质不污染环境，安全高温下可正常工作；空气取之不竭

18、用之不尽，相对于油液廉价，故气动驱动元件比液压元件价格低(3) 电机驱动可分为普通交流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。随着材料性能的提高，电动机性能也在随之提高并且电动机使用简单，所以就目前来看，机器人驱动正逐步为电动机驱动式所代替。 表2-1 三种驱动系统的比较内容驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动输出力压力高，可获得大的输出力压力相对要小，输出力小输出力较大控制性能利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵

19、敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂响应速度很高较高很高结构性能及体积结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小伺服电动机易标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题安全性防爆性能好，用液压油作为传动介质，在一定条件下有火灾危险防爆性能好，高于1000kPa（十个大气压）时应注意设备的抗压性设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境防爆性

20、能较差对环境影响液压系统易漏油，对环境有污染排气时有噪声无在工业机械手中的应用范围适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机械手、电焊机械手和托运机械手适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机械手适用于中小负载、要求具有较高的位置控制精度和轨迹控制精度、速度较高的机械手成本液压元件成本较高成本低成本高维修及使用方便，但油液对环境温度有一定要求方便较复杂2.4 焊接机器人的组成 焊接机器人由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。2.4.1 执行机构 （1）手部手部既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓

21、式和内抓式两种；也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于可吸附的，光滑表面的零件或薄板零件）和电磁吸盘。本设计为焊接机器人设计，因此手部并无其他结构，仅仅是一个焊枪，通过螺栓固定于腕部之上。 （2）腕部腕部是连接手部和臂部的部件，并可用来调节焊枪的方位，以扩大焊枪的工作范围，并使手部变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压缸，它的结构紧凑，灵巧但回转角度小（一般小于

22、2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭矩。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系结构。本次设计的焊接机器人的腕部是利用液压缸实现手部的旋转运动。设计的焊接机器人的腕部的运动为一个自由度的回转运动，运动参数是实现手部回转的角度控制在范围内，其基本的结构形式如图2-2所示。图2-2 腕部回转基本结构示意图腕部的驱动方式采用直接驱动的方式，由于腕部装在手臂的末端，所以必须设计的十分紧凑可以把驱动源装在手腕上。机器人手腕的回转运动是由回转液压缸实现的。将夹紧活塞缸的外壳与摆动油缸的动片连接在一起；当回转液压缸中不同的油腔中进油时即可实现手腕不同方向的回转。 （3）臂部

23、手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的：把手部送到直线运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有一个自由度就能满足基本要求，即臂部的伸缩运动。臂部的运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部的静、动载荷。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。本次设计实现臂部的前后伸缩运动。臂部的运动参数：伸缩行程：1850mm；伸缩速度：1200mm/s1400mm/s。机器人臂

24、部的伸缩使其手臂的工作长度发生变化，在直角坐标式结构中，手臂的最大工作长度决定其末端所能达到的最远距离。伸缩式臂部机构的驱动可采用液压缸直接驱动。 （4）机身机身部分运动的目的：把臂部送到直线运动范围内任意一点。如果改变臂部的姿态（方位），则用机身的自由度加以实现。因此，机身部分具有两个自由度才能满足基本要求，即机身的伸缩、左右旋转运动。机身的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实现，从机身的受力情况分析，它在工作中既受臂部、腕部、手部的静、动载荷，而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。本次设计实现基

25、座的上下伸缩、以及机身的回转运动。机身的运动参数：伸缩行程：3650mm；伸缩速度：1200mm/s1400mm/s；回转范围：。机器人机身的伸缩使其工作长度发生变化，在直角坐标式结构中，机身的最大工作长度决定其末端所能达到的最远距离。伸缩式机身结构的驱动可采用液压缸直接驱动。机身部分和滑轨的配置型式采用立柱式单臂配置，其回转运动的驱动源来自回转液压缸。 （5）滑轨滑轨是悬臂机器人的基础部分，起悬挂作用，它将机身悬挂于导轨之上。并带动机身沿轨道直线运动。2.4.2 控制系统分类在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制

26、，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。本设计采用电磁控制。2.5 焊接机器人的技术参数一、用途：用于焊接工件 二、设计技术参数:1、焊枪:；2、自由度数:4个自由度（腕部回转；小臂部伸缩；大臂部回转；大臂部伸缩4个运动）；3、坐标型式:直角坐标系；4、最大工作半径:4730mm；5、手臂最低中心高:4040mm；6、手臂运动参数:伸缩行程：1850mm伸缩速度：1200mm/s1400mm/s升降行程：3650mm升降速度：1200mm/s1400mm/s回转范围：；7、手腕运动参数:回转范围：。2.6 本章小结本章从焊接机器人的实用方面入手，提出了

27、一套总体设计方案，并根据机器人自由度的要求选取直角坐标系为本次设计坐标系。同时，就焊接机器人的组成（执行机构和驱动机构）以及现实作业，给出了具体的手部、腕部、臂部和基座的结构形式；并选择液压驱动作为本次设计的驱动机构。最后，给出了设计中所需的技术参数。第3章 腕部结构的设计及计算3.1 腕部设计的基本要求 (1) 力求结构紧凑、重量轻腕部处于手臂的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承担。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，在腕部设计时，必须力求结构紧凑，重量轻。 (2) 结构考虑，合理布局腕部作为焊接机器人的执行机构，又承担连接和支撑焊枪的作用，除

28、保证力和运动的要求外，要有足够的强度、刚度外，还应综合考虑，合理布局，解决好腕部与臂部和手部的连接。 (3) 必须考虑工作条件对于本次设计，焊接机器人的工作条件是在工作场合中焊接工件，最大载荷为8KG，因此不太受环境影响，没有处在高温和腐蚀性的工作介质中，所以对焊接机器人的腕部没有太多不利因素。3.2 腕部结构及选择3.2.1 典型的腕部结构 (1) 具有一个自由度的回转驱动的腕部结构它具有结构紧凑、灵活等优点而被广腕部回转，总力矩M，需要克服以下几种阻力：克服启动惯性所用。回转角由动片和静片之间允许回转的角度来决定（一般小于270）。(2) 齿条活塞驱动的腕部结构在要求回转角大于270的情况

29、下，可采用齿条活塞驱动的腕部结构。这种结构外形尺寸较大。(3) 具有两个自由度的回转驱动的腕部结构它使腕部具有水平和垂直转动的两个自由度。(4) 机-液结合的腕部结构。3.2.2 腕部结构和驱动结构的选择本设计要求手腕回转，综合以上的分析考虑到各种因素，腕部结构选择具有一个自由度的回转驱动腕部结构，采用液压驱动。3.3 腕部结构设计计算腕部设计考虑的参数：最大载荷：8KG；回转。3.3.1 腕部驱动力计算图3-1腕部支撑反力计算示意图腕部回转时要克服的阻力：F=FR1+FR2a. 腕部回转支撑处的摩擦力矩：Ma=0.5Fd （3.1）其中为轴承摩擦系数取=0.1b. 克服由于工件重心偏置所需的

30、力矩： Mb=G3e （3.2）c. 克服启动惯性所需的力矩： Mc=D4/32 （3.3）3.3.2 腕部驱动液压缸的计算 表3-1 液压缸的内径系列（JB826-66）Error! Reference source not found. （mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250 表3-2 标准液压缸外径（JB1068-67）Error! Reference source not found. （mm） 液压缸外径40 5063809010011012514015016018020020钢5060769510

31、812113316814618019421924545钢50607695108121133168146180194219245设定腕部的部分尺寸：根据表3-1设缸体内径R=40mm，外径根据表3-2选择60mm，这个是液压缸壁最小厚度，考虑到实际装配问题后，其外径为90mm；动片宽度b=66mm,输出轴r=22.5mm.基本尺寸示如图3-2所示。则回转缸工作压力：选择8Mpa图3-2腕部液压缸剖截面结构示意图3.4 液压缸盖螺钉的计算 图3-3缸盖螺钉间距示意图表3-3 螺钉间距t与压力P之间的关系Error! Reference source not found. 工作压力P（Mpa） 螺钉

32、的间距t(mm) 0.51.5 小于150 1.52.5 小于120 2.55.0 小于100 5.010.0 小于80缸盖螺钉的计算，如图4-3所示，t为螺钉的间距，间距跟工作压强有关，见表4-3，在这种联接中，每个螺钉在危险剖面上承受的拉力: （3.4）液压缸工作压强为P=8Mpa,所以螺钉间距t小于80mm,试选择12个螺钉，80mm所以选择螺钉数目合适Z=12个。 螺钉材料选择Q235， (n=1.21.5）螺钉的直径： （3.5） =0.005m螺钉的直径选用M5。3.5 动片和输出轴间的连接螺钉动片和输出轴之间的连接结构见图4-3,连接螺钉一般为偶数，对称安装，并用两个定位销定位。

33、连接螺钉的作用：使动片和输出轴之间的配合紧密。螺钉材料选择Q235，则（n=1.21.5）螺钉的直径：d=0.005m螺钉的直径选用M5。3.6 本章小结本章主要内容为腕部结构的设计包括：腕部结构的选取和腕部结构的设计计算。首先，根据腕部设计的基本要求选择与本次设计相符合的腕部结构；然后，按照给定的技术参数进行设计计算；最后，确定了腕部回转所需的回转力矩、选用回转缸以及选取各关键部位螺栓的计算。第4章 臂部结构的设计及计算手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括工件或工具），并带动它们作空间运动。手臂运动应该包括3个运动：伸缩、回转和升降。本章叙述手臂的伸缩运动，手臂的回

34、转和升降运动设置在机身处，将在下一章祥述。臂部运动的目的：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部应该具备3个自由度才能满足基本要求，既手臂伸缩、左右回转、和升降运动。手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的静、动载荷，而且自身运动较多。因此，它的结构、工作范围、灵活性等直接影响到机械手的工作性能。4.1 臂部设计的基本要求臂部设计首先要实现所要求的运动，为此，需要满足下列各项基本要求： 一、臂部应承载能力大、刚度好、自重轻对于机械手臂部或机身的承载能力，通

35、常取决于其刚度。以臂部为例，一般结构上较多采用悬臂梁形式（水平或垂直悬伸）。显然伸缩臂杆的悬伸长度愈大，则刚度愈差。而且其刚度随着臂杆的伸缩不断变化。对机械手的运动性能、位置精度和负荷能力影响很大。为提高刚度，除尽可能缩短臂杆的悬伸长度外，尚应注意以下几方面：(1) 根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸；(2) 提高支撑刚度和合理选择支撑点的距离；(3) 合理布置作用力的位置和方向；(4) 注意简化结构；(5) 提高配合精度。 二、臂部运动速度要高，惯性要小机械手手部的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平。对于高速度运动的机械手，其最大移动速度设计在最大回转角速度设计在内

36、，大部分平均移动速度为，平均回转角速度在。在速度和回转角速度一定的情况下，减小自身重量是减小惯性的最有效，最直接的办法，因此，机械手臂部要尽可能的轻。减少惯量具体有4个途径Error! Reference source not found.： (1) 减少手臂运动件的重量，采用铝合金材料； (2) 减少臂部运动件的轮廓尺寸； (3) 减少回转半径，再安排机械手动作顺序时，先缩后回转（或先回转后伸缩），尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作； (4) 在驱动系统中设缓冲装置。 三、手臂动作应该灵活为减少手臂运动之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。对于悬臂式的机械手，其传动件、导向件和定位

37、件布置合理，使手臂运动尽可能平衡，以减少对升降支撑轴线的偏心力矩，特别要防止发生机构卡死（自锁现象）。为此，必须计算使之满足不自锁的条件Error! Reference source not found.。 四、位置精度要求高一般来说，直角和圆柱坐标式机械手位置精度要求较高；关节式机械手的位置精度最难控制，故精度差；在手臂上加设定位装置和检测结构，能较好地控制位置精度，检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动、啮合件间的间隙。总结：除此之外，要求机械手的通用性要好，能适合多种作业的要求；工艺性好，便于加工和安装；用于热加工的机械手，还要考虑隔热、冷却；用于作业区粉尘大的机械手还要设置防尘

38、装置等。以上要求是相互制约的，应该综合考虑这些问题，只有这样，才能设计出完美的、性能良好的机械手。4.2 手臂的典型机构以及结构的选择4.2.1 手臂的典型运动机构常见的手臂伸缩机构有以下几种： (1) 双导杆手臂伸缩机构； (2)手臂的典型运动形式有：直线运动，如手臂的伸缩，升降和横向移动；回转运动，如手臂的左右摆动，上下摆动；符合运动，如直线运动和回转运动组合，两直线运动的双层液压缸空心结构； (1)双活塞杆液压缸结构； (2)活塞杆和齿轮齿条机构。4.2.2 手臂运动机构的选择通过以上，综合考虑，本次设计选择液压缸伸缩机构，使用液压驱动,水平伸缩液压缸选用伸缩式液压缸；竖直伸缩液压缸选用

39、双作用活塞缸。4.3 手臂直线运动的驱动力计算首先进行粗略的估算，或类比同类结构，根据运动参数初步确定有关机构的主要尺寸，再进行校核计算，修正设计。如此反复，绘出最终的结构图。作水平伸缩直线运动的液压缸的驱动力，应根据液压缸运动时所要克服的摩擦力和惯性力等几个方面的阻力进行确定。液压缸活塞的驱动力的计算公式可表示为：F=(A1p1-A2p2)m (4.1)4.3.1 手臂摩擦力的分析与计算摩擦力的计算不同的配置和不同的导向截面形状，其摩擦阻力是不同的，要根据具体情况进行估算。图4-1 机械手臂部受力示意图计算如下：得 得 (4.2)式中 -参与运动的零部件所受的总重力（含工件）（N）；L-手臂

40、与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑的前端的距离（m）,参考上一节的计算；a-导向支撑的长度（m）；-当量摩擦系数，其值与导向支撑的截面有关；对于圆柱面：-摩擦系数，对于静摩擦且无润滑时：钢对青铜：取=0.10.15钢对铸铁：取=0.180.3选取：，G=500N，L=1.49-0.028=1.21m,导向支撑a设计为0.016m。将有关数据代入进行计算：4.3.2 手臂惯性力的计算本设计要求手臂平动是V=1200mm/s；假定：在计算惯性力的时候,设置启动时间，启动速度； (4.3)4.3.3 密封装置的摩擦阻力不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂设计中，采用O型密封，当液压缸工作压力小于1

41、0Mpa。液压缸处密封的总摩擦阻力可以近似为：F摩=65N。经过以上分析计算最后计算出液压缸的驱动力：F=1243.8N4.4 液压缸工作压力和结构的确定经过上面的计算，确定了液压缸的驱动力F=1243.8N，根据表3-1选择液压缸的工作压力P=2MPa。确定液压缸的结构尺寸：液压缸内径的计算，如图4-2所示图4-2 双作用液压缸示意图当油进入无杆腔：F1=(A1p1-A2p2)m （4.4）当油进入有杆腔中：F2=(A2p1-A1p2)m (4.5)其中：m为机械效率。液压缸的有效面积：A故有： A1=D2/4 （无杆腔） (4.6) A2= D2/4-d2/4 （有杆腔）Error! Re

42、ference source not found. (4.7)F=6210N，选择机械效率。将有关数据代入：根据表3-1（JB826-66），选择标准液压缸内径系列，选择D=42mm。液压缸外径的设计：根据装配等因素，考虑到液压缸的臂厚在7mm，所以该液压缸的外径为60mm。4.5活塞杆的计算校核一、活塞杆强度校核活塞杆的尺寸要满足活塞（或液压缸）运动的要求和强度要求。对于杆长L大于直径d的15倍以上，按拉、压强度计算： = F/A (4.8)设计中活塞杆取材料为碳钢，故，活塞直径d=20mm,L=1360mm,现在进行校核： = F/A 结论：活塞杆满足强度要求。2、 活塞杆刚度校核图4-3

43、 刚度校核示意图现按照伸出液压缸的最小直径进行校核,为便于计算把伸出的液压缸简化成一悬臂梁。取:载荷F=400N,悬臂L=1730mm。梁转角： = (4.9)梁挠度： = (4.10)其中：E为材料的弹性模量：E=210GpaI为转动惯量：取I=1.110-10EI=24 =-0.00249rad =-0.0288mm结论:悬臂活塞杆满足刚度要求。4.6 本章小结本章设计了搬运机器人的手臂结构，手臂采用液压驱动伸缩机构，对驱动的液压缸的驱动力进行了计算。并对液压缸的基本尺寸进行了设计，同时对液压缸活塞杆的强度和刚度进行了校核，校核结果均满足要求。第5章 机身结构的设计及计算机身是直接支撑和驱

44、动手臂的部件。一般实现手臂的回转和升降运动，这些运动的传动机构都安在机身上，或者直接构成机身的躯干与底座相连。因此，臂部的运动越多，机身的机构和受力情况就越复杂。机身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空轨道运动。5.1机身的整体设计按照设计要求，机械手要实现手臂1800的回转运动，实现手臂的回转运动机构一般设计在机身处。为了设计出合理的运动机构，就要综合考虑分析。机身承载着手臂，做回转，升降运动，是机械手的重要组成部分。常用的机身结构有以下几种：(1) 回转缸置于升降之下的结构。这种结构优点是能承受较大偏重力矩。其缺点是回转运动传动路线长，花键轴的变形对回转精度的影响较大。(2)

45、回转缸置于升降之上的结构。这种结构采用单缸活塞杆，内部导向，结构紧凑。但回转缸与臂部一起升降，运动部件较大。(3) 活塞缸和齿条齿轮机构。手臂的回转运动是通过齿条齿轮机构来实现：齿条的往复运动带动与手臂连接的齿轮作往复回转，从而使手臂左右摆动。分析：经过综合考虑，本设计选用回转缸置于伸缩缸之上的结构。本设计机身包括两个运动，机身的回转和伸缩。回转机构置于升降缸之上的机身结构。手臂部件与回转缸的上端盖连接，回转缸的动片与缸体连接，由缸体带动手臂回转运动。回转缸的转轴与伸缩缸的活塞杆是一体的。具体结构见图6-1。驱动机构是液压驱动，回转缸通过两个油孔，一个进油孔，一个排油孔，分别通向回转叶片的两侧

46、来实现叶片回转。回转角度一般靠机械挡块来决定，对于本设计就是考虑两个叶片之间可以转动的角度，为满足设计要求，设计中动片和静片之间可以回转1800。图5-1 回转缸位于伸缩缸之上的机身结构示意图5.2机身回转机构的设计计算(1) 回转缸驱动力矩的计算手臂回转缸的回转驱动力矩，应该与手臂运动时所产生的惯性力矩及各密封装置处的摩擦阻力矩相平衡： Ma=0.5Fd (5.1)惯性力矩的计算： Mc=D4/32 (5.2)回转部件可以等效为一个长1200mm，直径为60mm的圆柱体，质量为159.2Kg设置起动角度=180，则起动角速度=0.314，起动时间设计为0.1s。密封处的摩擦阻力矩可以粗略估算

47、下，由于回油背差一般非常的小，故在这里忽略不计。(2) 回转缸尺寸的初步确定 设计回转缸的静片和动片宽b=60mm，选择液压缸的工作压强为8Mpa。d为输出轴与动片连接处的直径，设d=50mm,则回转缸的内径通过下列计算： D=80mm即设计液压缸的内径为80mm，根据表4-2选择液压缸的基本外径尺寸100mm(不是最终尺寸)，再经过配合等条件的考虑。最终确定的液压缸的截面尺寸如图6-2所示，内径为150mm，外径为230mm，输出轴径为50mm。图5-2 回转缸的截面图5.3 机身升降机构的计算5.3.1 手臂偏重力矩的计算图5-3 手臂各部件重心位置图(1)零件重量等 现在对机械手手臂做粗

48、略估算：总共约为33Kg (2)计算零件的重心位置，求出重心到回转轴线的距离。=1720mm=6mm=0.88mm (5.3) =1500mm所以，回转半径。(2)计算偏重力矩 (5.4)5.3.2 升降不自锁条件分析计算手臂在的作用下有向下的趋势，而立柱导套有防止这种趋势； 所谓的不自锁条件为：倾角小于或等于摩擦角 因此在设计中必须考虑到立柱导套必须大于480mm。5.3.3 手臂做升降运动的液压缸驱动力的计算 (5.5)式中：-摩擦阻力，参考图6-3 (5.6)G-零件及工件所受的总重。(1) 摩擦驱动力的计算 设定速度为V=4；起动或制动的时间差t=0.02s；近似估算为286.1Kg；

49、将数据带入上面公式有：F摩= 5000N F惯=6600N(2) 液压缸在这里选择O型密封，所以密封摩擦力可以通过近似估算；最后通过以上计算：当液压缸向上驱动时：F=5000N当液压缸向下驱动时：F=6600N5.4 轴承的选择分析对于伸缩缸的运动，机身回转受轴承的影响。因此，这里要充分考虑这个问题。对于本设计，采用一支点，双向固定，另一支点游动的支撑结构。作为固定支撑的轴承，应能承受双向轴向载荷，故内外圈在轴向全要固定。本设计采用两个球轴承Error! Reference source not found.的组合结构。5.5 本章小结本章对机械手的机身进行了设计，分别对机身的回转机构和升降机

50、构进行设计计算。同时，也计算了伸缩立柱不自锁的条件(这是机身设计中不可缺少的部分)。最后，根据计算结果选用合适的轴承。总 结经过一段时间的努力，达到了本课题研究的预期目标，现总结如下:(1) 本课题提出了焊接机器人的设计方案，解决了工业机器人的许多问题；(2) 根据焊接机器人的运动方式，设计了焊接机器人的机械系统；(3) 根据焊接机器人的负载，进行大臂的传动设计；(4) 选用适当的尺寸进行多手臂中各轴的校核； (5) 本焊接机器人结构先进可靠，运行平稳，运行控制稳定可靠；(6) 本课题是专门设计焊接机器人手臂传动及其轴的校核，其传动系统稍做改进即可满足需求。 致 谢感谢吴老师在我大学的最后学习

51、阶段毕业设计阶段给我的指导，有了吴老师认真负责的指导我的论文才得以顺利完成。老师为我论文课题的研究提出了许多指导性的意见，为论文的撰写、修改提供了许多具体的指导和帮助。在本文结束之际，特向敬爱的吴老师致以最尊敬的敬礼和深深地感谢！通过此次设计，一方面让我认识到只学习理论是远远不够的，发现了学习中的错误之处；另一方面又积累丰富的知识，吸取别人好的方法和经验，增强对复杂问题的解决能力，摸索出一套解决综合问题的方法，为自己以后的工作和学习打下坚实的基础，提高了自己的动手能力。顺利完成毕业设计，既是对我大学所学课程的一次综合整理，又使我对机电知识有了更深层次的理解。这些能力的掌握是我步入社会所必需的。

52、同时由衷的感谢在我设计过程中，班级同学对我的指导和帮助，有了你们的热心解答，弥补了我的不足，我得以在各方面取得显著的进步。由于初次研究这种复杂而又综合的设计，过程中难免存在一些错误和不足之处，恳请各位老师给予批评和指正。参考文献1 成大先.机械设计手册（第五版）（第1卷）M.北京：化学工业出版社，2008.2 蔡自兴.机器人学基础M.北京：机械工业出版社，2009.3 李晓辉，汪苏，刘小辉，朱小波.焊接机器人智能化的发展J.电焊机,2005.4 唐新华.焊接机器人的现状及发展趋势J.电焊机,2006.5 孟广喆.国内外焊接技术发展情况和对我国今后焊接技术发展的设想.第一届全国焊接会议论文集J.

53、北京：中国工业出版社，1964.6 国家自然科学基金委员会.机械制造学(热加工)M.北京：科学出版社，1995.7 潘际銮.弧焊过程控制.第八次全国焊接会议论文集J.第1册.北京：机械工业出版社，1997.8 林尚扬.我国机械制造业中焊接机器人的应用现状及发展趋势M.第八次全国焊接会议论文集.第1册.北京：机械工业出版社，1997.9 张西庚.焊接结构设计和制造技术的现状和发展.第八次全国焊接会议论文集J.第1册.北京：机械工业出版社，1997.10 吴林等.我国焊接行业的现状与发展趋势.第八次全国焊接会议论文集J.第1册.北京：机械工业出版社，1997.11 濮良贵，纪明刚.机械设计M.北京

54、：高等教育出版社，2009.12 殷际英，何广平.关节型机器人M.北京：化学工业出版社，2003.13 郭洪红.工业机器人运用技术M.北京：科学出版社，2008.14 马香峰主编.机器人机构学M. 北京：机械工业出版社，1991.15 刘鸿文主编.材料力学(第四版)M. 北京：高等教育出版社，2004.16 Mana Saedan,Marcelo H以三维视觉为基础的工业机器人的控制A.Proc of IASTED Intel on Robotics and Applicationsc.福罗里达州，2001.17 Corke P I.A Robotics Toolbox for MATLABJ.IEEE Robotics and Automation Magazine,1996,3(1):24-3218 IOM索罗门采夫主编.工业机器人图册M. 北京：机械工业出版社，1993.19 陈先奎.液压与气压传动M.武汉：武汉理工大学出版社，2009.