四自由度船用焊接机械手设计与三维模型仿真设计说明书

目录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论1 1.1机械手的简介1 1.2机械手的简史.2 1.3机械手的组成.4 1.3.1执行机构.4 1.3.2驱动机构.6 1.3.3控制系统及其分类.6 1.4机械手的发展趋势.61.5机械手的自由度和座标型式.8 1.5.1机械手的自由度.8 1.5.2座标型式.81.6机械手的展望.,10 1.7本章小结.11第2章 焊接机械手的总体设计方案.132.1方案设计.13 2.1.1方案要求.13 2.1.2设计方案的确定.142.2传动结构设计与分析.16 2.2.1 腰部传动机构.16 2.2.2 大臂传动机构.17 2.2.3 小臂和焊枪夹具传动机构.18 2.3 执行机构的设计与分析.19 2.3.1 腰部.19 2.3.2 大臂.21 2.3.3 小臂.21 2.4 整体设计方案示意图.22 2.5本章小结.23 第3章 机械手的建模.253.1三维建模软件Solidworks的介绍.253.2 Solidworks建模.263.3本章小结.27第4章 机械手二维制图.294.1 二维绘图软件AutoCAD的介绍.29 4.2 AutoCAD绘图.294.3本章小结.32第5章 Adams仿真和Ansys分析.33 5.1 运用Adams对机械手进行仿真模拟.33 5.1.1 Adams软件介绍.33 5.1.2 仿真前的准备工作造型.34 5.1.3 Adams仿真步骤.34 5.2 对主要承载构件进行有限元分析.41 5.2.1 主要承载构件材料及特性.41 5.2.2 底座的有限元分析.42 5.3 本章小结.44 参考文献.45 致谢.47 译文和原文.49iii摘 要由于焊接工作的需要，人们经常遭受腐蚀、高温及有毒气体等因素的危害，不仅工人的劳动强度大，而且危及生命，因此焊接机械手孕育而生。它代替焊工自动化完成各种焊接任务，一方面使工人的劳动条件得到改善，另一方面，焊接机械手焊接质量稳定且大大提高劳动生产率。所以焊接机械手的应用及发展前景巨大。本文从以下五个部分阐述此次设计的内容：（1）了解机械手的概念、简史、现状和未来发展，明确设计机械手的实际意义，掌握机械手的基本组成，为设计焊接机械手做好相应的准备工作。（2）对焊接机械手进行总体方案设计，包括自由度的确定、驱动机构即电机的选择、传动形式的确定、执行机构的设计等。（3）运用solidworks软件对焊接机械手进行三维实体建模，全部零件建模后虚拟装配。（4）基于solidworks软件“导入工程图”功能，在AutoCAD软件中中完成对典型零件和总装配体的二维图绘制。（5）在ADAMS软件中对简化的机械手模型进行运动仿真，并在solidworks中完成对主要承载构件的有限元分析。（6）完成20000字符以上的相关英文资料翻译。关键词：四自由度焊接机械手；结构设计；三维建模；运动仿真；有限元分析 ABSTRACT To do soldering work, people often suffer corrosion, high tempreture ，poisonous gas and some other damages. Labors have to bear high intensity work and it is dangerous for their lives. That is the reason for generation of welding manipulator.The welding manipulator can finish welding missions automatically. On the one hand,it improves labors working environment. On the other hand, it also keeps a high quality of welding and promotes effeciency. So There is a good development prospect for the welding manipulator. This thesis consists of five chapters to state the design: (1) Introduce welding manipulators definition, general history, current situation and development prospect. Confirm the pratical purpose of designing welding manipulators .Understand its basic parts. Prepare for the design. (2) Take a general design for the welding manipulator, including freedom level, driving machanism, type of belt drive, actuator and so on. (3) Build a solid model of welding manipulator by solidworks. Make a virtual assembly after building all elements model (4) Based on solidworks software "import engineering drawing " function, done in AutoCAD software for typical parts and assembly of 2 d graph. (5) In the ADAMS software to motion simulation for a simplified mechanical model in solidworks and complete finite element analysis of the main bearing components. (6) Complete translating English materrial which is more than 20000 words.Keywords: Four degrees of freedom of welding manipulator; Structure design; 3 d modeling; Motion simulation; The finite element analysisII80第1章 绪论1.1 机械手简介 机械手是用于实现人手的功能的机械产品。机械手模拟着人手的部分动作，按给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运、焊接、喷涂等各种各样操作的自动化生产机械电子装置。而其中，应用在工业生产中的机械手被称为工业机械手。 工业机械手是一项近代自动控制领域中出现的新技术，并已发展成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这项新技术发展很快，已经逐渐发展成一门新兴的学科机械手工程。机械手涉及到传感器技术、机械学、电器液压技术、力学、自动控制技术和计算机技术等多个科学领域，是一项跨学科的综合技术。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过给定的程序、轨迹和要求来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性方面。机械手作业的准确性和在环境中完成作业的能力，能有效地影响国民经济。有需求才会有发展，机械手的发展正是由于它的积极作用日益为人们所接受：其一、它能部分地代替繁重的人工作业；其二、它能按照生产工艺的要求，根据工程师给定的程序、路径和要求完成一系列作业；其三、它的手部末端可以夹持焊枪或者喷枪等完成特殊的加工需要，从而大大的改善了工人的劳动条件，显著的提高了劳动生产率，加快实现国家工业生产向机械化和自动化的方向迈进的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力财力来研究和推广应用。尤其是在粉尘、高压、噪音、高温、强光以及带有放射性和污染的场合，应用更为广泛。在我国近几年也有较快发展，并且取得比较好的成果，得到广大机械同行的重视。 机械手是一种能自动控制并可重新设定其程序以满足各种需要的灵活方便的装置，他一般拥有多个自由度，可以像人手一样灵活运动，摆出多种位置和姿态，实现多功能作业。1.2 机械手的简史现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现的控制系统和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品而发展起来的。机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成了一台数控示教再现型机械手，商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，各个臂完成回转、俯仰动作，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。因为这台数控示教再现型机械手的出现，不少球坐标式通用机械手都是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。1962年，美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运的。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是世界工业机械手发展的基础。1978年，美国Unimate公司、麻省理工学院和斯坦福大学联合研制出了一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配操作，定位误差可小于1毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性、安全性和精度，改进结构，降低制造成本。如Unimate公司建立了8年的机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到0.1毫米。德国机械行业是从1970年开始使用机械手，主要用于焊接、起重运输和设备的上下料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教再现方法编制程序。瑞典安莎公司则采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型的机械手后，日本就大力致力于机械手的设计研究。据报道，1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年，多个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用为42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序的机械手约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。目前，各个国正在加紧研制第二代机械手。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听觉、思考的能力。并且研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。而第三代机械手（机器人）则能独立地完成作业过程中设定的任务并独立解决遇到的麻烦。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要的一环。随着工业机械手（机器人）的研究制造和应用的逐步扩大，国际性学术交流活动也十分的活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多，我国也正在向其中的一员努力。1.3机械手的组成机械手是用于实现人手的功能的机械产品。机械手模拟着人手的部分动作，按给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运、焊接、喷涂等各种各样操作的自动化生产机械电子装置。目前国内工业机械手的种类和型式比较多，但是从结构系统上分析，主要由执行系统、驱动系统和控制系统等组成。其组成及相互关系如下图：控制部分驱动部分执行机构行程检测装置被传动物件手部图1-1机械手关系图1.3.1 执行机构主要由手部、手腕、受臂和行走机构等运动部件组成。 （1）手部 它具有人手某种单一动作的功能。由于抓取物件的形状不同，手部有夹持式和吸附式等型式。夹持式手部是由手指和传力机构组成。手指是直接与物件接触的构件。常用的手指运动型式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型手指应用较少，其原因是结构比较复杂，但是平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位（是外廓或是内孔）和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的；手指有外夹式和内撑式；指数有双指式、多指式和双手双指式等。传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式等。 （2）腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，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（气）缸，它的结构紧凑，反应灵巧，但回转角度小（一般小于 2700）,并且要求严格密封，否则就难保证稳定的输出扭距。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。 （3）臂部 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：把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果要改变手部的位置和姿态（位姿），则可以用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。 手臂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，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、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。（4） 行走机构 当工业机械手需要完成比较远的距离的操作时，可以在机座上安装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。我国的正处于仿真阶段。1.3.2 驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。1.3.3 控制系统及其分类它是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统组成。1.4 机械手的发展趋势(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。1.5机械手的自由度和座标型式1.5.1 机械手的自由度自由度是机械手设计的主要参数之一，每一个构件（即运动件）相对固定坐标系所具有的独立运动的数目称为自由度。每一个构件相对固定坐标系最多可有六个自由度即沿X、Y、Z三个方向独立的往复运动和绕X、Y、Z轴的三个独立的回转运动。两个构件组成相对运动的联接称为运动副，对相对运动加以限制的条件即为约束条件。因为，组成运动副的各构件的运动是受到约束的，不能任意运动，必须按照人们预定的规律而运动。分析机械手的手臂、手腕、手指等部件的本身和它们之间的关系，不外乎是由一组相互联系着的构件和运动副所组成，这些运动副又可以分为只有一个自由度的回转副和移动副或有三个自由度的球面副。所谓工业机械手的自由度就是整机、手臂和手腕相对于固定坐标所具有的独立运动。有几个独立运动就有几个自由度。手指的抓取动作或吸盘的吸放动作一般不记在自由度数目内。工业机械手自由度数的多少，决定着工业机械手动作多样化的程度。一般为了确定被抓取对象在空间的位置和方位（即姿势），需要有六个自由度。但实际上由于有些工件或工具具有对称性或放置状态一定，往往并不需要工业机械手都具有六个自由度。工业机械手的自由度数越多。它的动作越灵活，应用越广，但同时也使控制系统和机械结构越复杂，定位精度难以保证，整机的造价高，自重大。所以，在设计工业机械手时，应按照生产实际需要选用最少的自由度数。目前国内外现有的工业机械手的自由度数目多数为25个。1.5.2 座标型式按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可以分为下列几种：（1）直角坐标式 其手臂的运动系由三个直线运动所组成，即沿直角座标系的X轴的伸缩、沿Z轴的升降、沿Y轴的横移这三种运动。这种座标型式的机械手称为直角座标式机械手。它的特点是结构简单，定位精度高，适用于主机位置成行排列的场合。但是由于占地面积大而工作范围小以及灵活性差，限制了它的使用范围。（2）圆柱座标式 其手臂的运动系由两个直线运动和一个回转运动所组成，即沿直角座标系的X轴的伸缩、沿Z轴的升降和绕Z轴的回转。这种座标型式的机械手称为圆柱座标式机械手。它与直角坐标式相比较，占地面积小而活动范围小，结构简单，并能达到较高的定位精度，因此应用较为广泛，但是由于机械手结构的关系，沿Z轴方向移动的最低位置受到限制，故不能抓取地面上摆放的物体。（3）球座标式 其手臂的运动系由一个直线运动和两个回转所组成，即沿X轴的伸缩、绕Y轴的俯仰和绕Z轴的回转。这种座标型式的机械手称为）球座标式机械手。 这种机械手手臂的俯仰运动能抓取地面上的物件，为了使手部能适应被抓取物件方位的要求，常常设有手腕上下摆动，使其手部保持水平位置或其它状态。这种型式的机械手手臂具有动作灵活，占地面积小而工作范围大等特点，它使用于沿轴伸缩方向外作业的传动形式。但是结构复杂，此外，手臂摆角的误差通过手臂会引起手部中心处的误差放大。（4）关节式 其机械手的运动类似人的手臂可作几个方向的转动，它由大小两臂和立柱等组成，大小两臂之间的联动为肘关节，大臂与立柱之间的联接为肩关节，各关节均由铰链构成以实现转动，手臂的运动系由三个回转运动所组成，即大臂的俯仰、小臂俯仰和大臂的回转。这种座标型式的机械手称为关节式机械手。它的特点是工作范围大，动作灵活，通用性强，能抓取靠近机座的物件，并能绕过机体和工作主机之间的障碍物去抓取物件，此为其它型式的机械手不可比拟的优点。但是关节式机械手的手指定位是由各个关节相互转角来决定的，所以定位精度较差，另外，控制装置和机械机构比其它型式的机械手均复杂。机械手座标型式的正确选择，要通过座标型式方案的比较来确定。在拟定座标型式方案时，又须根据现场具体生产情况和工艺、精度、安装空间的要求，结合各种座标型式的特点来分析比较，确定比较合理的座标型。1.6机械手的展望 目前工业机械手的应用逐步扩大，技术性能在不断提高。由于发展时间较短，人们对它有一个逐步认识的过程，机械手在技术上还有一个逐步完善的过程，其目前的展望为： （1）扩大机械手在热加工行业上应用目前国内机械手应用在机械工业冷加工作业中的较多，例如车，铣，刨，磨，镗，钻，而在铸、锻、焊、热处理等热加工以及装配作业等方面的应用较少。由于热加工作业的物件重、形状复杂、环境温度高等，给机械手的设计、制造带来了不少的困难，这就需要解决技术上的难点，使机械手更好地为热加工作业服务。同时，在其它行业和工业部门，也将随着工业技术水平的不断提高，而逐步扩大机械手的使用。 （2）提高工业机械手的工作性能机械手工作性能的优劣，决定着它能否正常地应用于生产中。机械手工作性能中的重复定位精度和工作速度两个指标，是决定机械手能否保质保量地完成操作任务的关键因素。因此要解决好机械手的逐个平稳性和快速性的要求，除了从解决缓冲定位措施入手外，还应发展满足机械手性能要求价廉的电液伺服阀，将伺服控制系统应用于机械手上。 （3）发展组合式机械手 从机械手本身的特点来说。可变程序的机械手更适应产品改型、设备更新、多品种小批量的要求，但是它的成本高，专用机械手价廉，但适用范围又受到限制。因此，对一些特殊用途的场合，就需要专门设计、专门加工，这样就提高了产品成本。为了适应应用领域分门别类的要求，可将机械手的机构设计成可以组合的型式。组合式机械手是将一些通用部件（如手臂伸缩部件、升降部件、回转部件和腕部回转、俯仰部件等）根据作业的要求，选择必要的能完成预定机能的单元部件，以机座为基础进行组合，配上与其相适应的控制部分，即成为能完成特殊要求的机械手。它可以简化结构，兼顾了使用上的专用性和设计上的通用性，便于标准化、系列化设计和组合专业化生产，有利于提高机械手的质量和降低造价，是一种有发展前途的机械手。 （4）研制具有“视觉”和“触觉”的所谓“智能机器人”对于需用人工进行灵巧操作及需要进行判断的工作场合，工业机械手很难替代人的劳动。如在工作过程中出现事故、障碍和情况变化等，机械手不能自动分辨纠正，而只能停机，待人们排除意外事故后才能继续工作。因此，人们对机械手提出了更高的要求，希望使其具有“视觉”、“触觉”等功能，使之对物体进行判断、选择，能连续调节以适应变化的条件，并能进行“手眼”协调动作。这就需要一个能处理大量信息的计算机，要求人与机器“对话”进行信息交流。 这种带“视觉”、“触觉”反馈的，由计算机控制的，具有人的部分“智能”的机械装置称为“智能机器人”。所谓“智能”是包括：识别、学习、记忆、分析判断的功能。而识别功能是通过“视觉”、“触觉”和“听觉”等感觉“器官”认识对象的。 具有感觉功能的机器人，其工作性能是比较完善的，能准确的夹持任意方位的物件，判断物件重量，越过障碍物进行工作，自动检测夹紧力的大小，并且能自动调节，适用于从事复杂、精密的操作，如装配作业（国外研制的装配机器人，能将活塞装入间隙仅有20微米的汽缸内），它有着一定的发展前途。 智能机器人是一种新兴的技术，对它的研究将涉及到电子技术、控制论、通讯技术、电视技术、空间机构和仿生机械学等学科。它是当代自动控制技术的一个新兴领域。随着科学技术的发展，智能机器人将会代替人做更多的工作。1.7 本章小结本章简要的介绍了机械手的基本概念。在机械手的组成上，从系统的执行机构、驱动机构以及控制部分三个方面说明。比较细致的介绍了机械手的发展趋势，简要的叙述了本文研究的内容。第2章 焊接机械手的总体方案设计2.1方案设计本章主要讨论焊接机械手的总体方案设计。焊接机械手是一种非常典型的机电一体化结构，在进行结构设计时必须将驱动、控制等方面的问题考虑进去，这不同于普通的机械产品设计。相比于普通机械产品，焊接机械手的机械设计更看重于结构的紧凑性和灵巧性方面。本章主体任务是完成焊接机械手的结构方面的设计。在本章中确定了焊接机械手的自由度、驱动机构、传动机构和执行机构等。其中，焊接机械手的驱动机构、执行机构、传动机构设计是本次设计的主要任务。2.1.1方案要求该焊接机械手用于船舱、船体的焊缝焊接，采用弧焊的焊接方式。焊接机械手固定在船体底板上，实现由上而下、由左及右和两者自由组合的焊接动作。要求工作范围大，焊枪可以灵活转动，焊缝路径多样，结构紧凑，适用于中小船舶船体的焊接。(1)基本工作要求：能够在较长时间进行焊接操作后机械手本身不发生显著形变。 (2) 运动要求:焊接机械手可以由左及右、由上而下并且两种方向自由组合进行焊接，产生的焊缝路径多样。(3) 刚性要求：手臂的刚性对手臂焊接工件时动作的平稳性会产生直接影响，也会影响到运动的速度和定位的精度。如果刚性差则会引起手臂的形变，手臂产生振动，使焊接路径比预期路径发生不可避免的偏差，为此必须保证手臂具有足够的刚度。2.1.2设计方案的确定 （1）自由度：本次设计的焊接机械手具有4个自由度； （2）驱动机构的选择：焊接机械手的腰部做水平回转运动，大臂做竖直方向的上下运动，小臂和焊枪夹具做绕传动轴的俯仰运动，这四个运动都需要驱动装置。机械手常见的驱动方式有气动驱动、液压驱动、电机驱动和机械驱动四种方式，与另外三种驱动方式相比，电机驱动有着显著的优点:1)具有较高的控制精度，较大的功率，定位精确，反应灵敏，结构性能好，具有较好的伺服特性。2)伺服电机易于标准化，噪声较低。3)适用于中小负载、要求具有较高的轨迹精度和位置精度、速度较高的机械手。各类电机选择依据： 表2-1 电机对比种类主要特点 应用实例 歩进电机1.转角与控制脉冲数成比例，可构成直接数字控制2.有定位转矩（自锁力）3.可构成廉价的开环控制系统计算机外围设备、办公机械、以及对速度、精度要求不高的中、小功率自动控制装置等 直流伺服电机1.高响应特性2.高功率密度（体积小、重量轻）3.可实现高精度数字控制4.有直接换向部件，需维护NC 机械、机器人、计算机外围设备、办公机械、音响及音像设备、计测机械、医疗机械 交流伺服电机1.对定子电流的激励分量和转矩分量分别控制，调速系统复杂2.具有直流伺服电动机的全部优点，且无换向部件3.结构简单、坚固、容易维护，但控制装置成本高 功率放大的NC 机械 焊接机械手对于驱动装置的要求：1）输出功率高，效率高。2）反应灵敏，位置精度高。3）性价比高，操作简单，维修方便，噪声较小。综合分析焊接机器人对驱动装置的要求和各类电机的优缺点，选择交流伺服电机较为合适。（3）传动形式的确定：工业机器人对传动形式的要求：1）结构紧凑；2）传动刚度大；3）回差要小，较高的位置精度；4）寿命长、价格低。工业机器人传动分类： 表2-2 传动形式对比传动形式特征优点缺点直接连接传动直接装在关节上结构紧凑考虑电机自重，转动惯量大，能耗大远距离连接传动经远距离传动装置与关节相连不考虑电机自重，平衡性良好会产生额外的间隙和柔性，结构庞大能耗大间接传动经速比远大于1 的传动装置与关节相连经济，对载荷变化不敏感，便于制动诗集和方便运动转换传动精度低，结构不紧凑，引入误差，降低可靠性直接驱动不经过中间环节或经速比为1 的传动装置与关节相连传动精度高，振动小，传动损耗小，可靠性高，响应快控制系统设计困难，对传感元件要求高，成本高 综合考虑以上传动形式的优缺点和焊接机械手的实际情况，本次设计的焊接机械手，我将采取丝杠螺母传动、齿轮带传动和行星轮传动三种传动方式。 2.2传动机构设计与分析 下面给出各个传动机构的设计分析 2.2.1腰部传动机构采用一大一小两个齿轮进行啮合传动，其中大齿轮保持完全固定，小齿轮套在小齿轮轴上，而小齿轮轴通过联轴器与电机轴相连，这样，电机轴就会带动小齿轮轴转动，小齿轮随之绕大齿轮转动，类似行星轮的作用。完成整个腰部的回转作用。 图2-1机械手腰部传动机构图2.2.2大臂传动机构我选择丝杠螺母传动方式，保证大臂可以顺利得在竖直方向上运动。其中，大臂通过一个连接件与丝杠螺母固定，电机轴与丝杠上端轴用联轴器连接，这样，当电机轴旋转时，丝杠会跟着旋转，然后带动丝杠螺母上下运动，大臂也随之在竖直方向上下运动，完成大臂的传动。 图2-2机械手大臂传动机构图2.2.3小臂及焊枪夹具传动机构这两个传动，我选择齿轮带传动。小齿轮通过键与电机轴相连，然后通过齿轮带和大齿轮相连，这样，电机轴旋转，带动小齿轮旋转，进而带动大齿轮旋转，从而实现小臂及焊枪夹具的俯仰运动。 图2-3小臂及焊枪夹具传动机构图2.3执行机构的设计与分析下面给出各个执行机构的设计分析：2.3.1 腰部腰部支撑了机械手绝大部分的执行机构和传动机构，因而刚度和稳定性要求较高。此外，腰部有一对保证大臂竖直运动的导轨。设计之前，先学习参考了机床导轨的相关知识: （1）按照运动形式划分：圆周运动导轨，如滚齿机的工作台和立式车床导轨等；直线运动导轨，如龙门刨床床身和车床导轨等。 （2）按照运动面间的摩擦性质划分：滑动导轨；滚动导轨。（3）按照导轨的截面形状划分：三角形导轨，导向性好；燕尾形导轨，结构紧凑；矩形导轨，刚度高；圆形导轨制造方便，但磨损后不易修复。综合分析以上三种划分方法和不同类型的导轨，结合本次设计的焊接机械手的实际情况，我决定选用矩形线运动滑动导轨，刚度高，承载能力强，不易磨损，保证实现大臂的竖直上下运动。 图2-4 腰部2.3.2 大臂大臂相当于一个在腰部导轨上滑动的滑块，其矩形孔与腰部导轨配合，且通过连接件与丝杠螺母固定完成大臂的竖直上下运动。大臂侧面安放电机和机架，构成一个齿轮带传动。 图2-5 大臂2.3.3 小臂小臂通过键连接与一阶梯轴固定，并通过固连在大臂上的齿轮轮带传动做俯仰运动。小臂设计出一个凹槽，放置一个交流伺服电机，避免承受过大的弯曲载荷。 图2-6 小臂这三个为焊接机械手中典型的执行机构，介绍如上。2.4 整体设计方案示意图如下图，是本课题设计的四自由度焊接机械手总装图。 图2-7焊接机械手总装配图2.5 本章小结本章完成的主要任务有以下几点：（1） 确定了4自由度焊接机械手的整体设计方案；（2） 运动方式选择为由上而下、由左及右且两者随意组合的方式；（3） 驱动方式采用四个交流伺服电机驱动；（4） 采用齿轮带传动、中心轮回转、丝杠螺母传动三种传动方式。第3章 机械手的建模 3.1三维建模软件Solidworks的介绍 Solidworks公司是专业从事三维机械设计、工程分析和产品数据管理软件开发和营销的跨国公司，其软件产品Solidworks提供一系列的三维（3D）设计产品，帮助设计师减少设计时间，增加精确性，提高设计的创新性，并将产品更快推向市场。 Solidworks软件组成： （1）2D到3D转换工具：将2D工程图拖到SolidWorks工程图中的功能；支持包括外部参考的可重复使 用2D几何；视图折叠工具，可以从DWG资料产生3D模型。 （2）内置零件分析：测试零件设计，分析设计的完整性。 （3）机器设计工具：具有整套熔接结构设计和文件工具，以及完全关联的钣金功能。 （4）模具设计工具：测试塑料射出制模零件的可制造性。 （5）消费产品设计工具：保持设计中曲率的连续性，以及产品薄壁的内凹零件，可加速消费性产品的设计。 （6）对现成零组件的线上存取：让3D CAD系统使用者透过市场上领先的线上目录使用现在的零组件。 （7）模型组态管理：在一个文件中产生零件或零组件模型的多个设计变化，简化设计的重复使用。 （8）零件模型建构利用伸长、旋转、薄件特征、进阶薄壳、特征复制排列和钻孔来产生设计。 （9）曲面设计使用有导引曲线的叠层拉伸和扫出产生复杂曲面、填空钻孔，拖曳控制点以进行简单的相切控制。直观地修剪、延伸、图化、缝织曲面、缩放和复制排列曲面。3.2 Solidworks建模 （1）创建零件图 打开Solidworks新建，类型选择“零件”，零件名自己命名，然后设置工作目录文件夹“四自由度焊接机械手”，然后点击草绘工具命令，弹出选择草绘平面对话框，点击FRONT平面作为草绘平面，使用默认草绘方向。点击草绘对话框，进入草绘工作状态后，开始零件建模。下面展示几个典型零件的三维图： 图3-1 小齿轮轴 图3-2大臂丝杠连接件 图3-3焊枪夹